EP2352962A2 - Gasdurchlässige begrenzungswand - Google Patents

Gasdurchlässige begrenzungswand

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EP2352962A2
EP2352962A2 EP09759736A EP09759736A EP2352962A2 EP 2352962 A2 EP2352962 A2 EP 2352962A2 EP 09759736 A EP09759736 A EP 09759736A EP 09759736 A EP09759736 A EP 09759736A EP 2352962 A2 EP2352962 A2 EP 2352962A2
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EP
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channels
boundary wall
air
particle
mass flow
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EP09759736A
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EP2352962B1 (de
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Thomas Fend
Bernhard Hoffschmidt
Shashikant Warerkar
Stefan Schmitz
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
    • F28C3/00—Other direct-contact heat-exchange apparatus
    • F28C3/10—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material
    • F28C3/12—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material the heat-exchange medium being a particulate material and a gas, vapour, or liquid
    • F28C3/14—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material the heat-exchange medium being a particulate material and a gas, vapour, or liquid the particulate material moving by gravity, e.g. down a tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone

Definitions

  • the invention relates to a gas-permeable boundary wall for confining a particle flow, in particular for an air-sand heat exchanger.
  • DE 102 08 487 A1 describes a device for utilizing the heat of highly heated hot air.
  • the hot air which was heated by a radiation receiver to more than 1000 0 C, transfers its heat to a stream of sand.
  • the hot air flow is supplied to the air-sand heat exchanger from below, while the sand trickles down in the heat exchanger from top to bottom.
  • DE 10 2004 019 801 A1 describes a gas-sand heat exchanger with a shaft which has a sand inlet and a sand outlet with one in between has a stretch of sand.
  • the shaft walls and the sand track are traversed by hot air.
  • the efficiency depends significantly on the performance of the blower transporting the air flow.
  • the blower power is proportional to the flow resistance, which is determined by the pressure loss in the flowed through sand layer and the porous partitions.
  • the invention has for its object to provide a gas-permeable boundary wall with reduced flow resistance.
  • the gas-permeable boundary wall according to the invention is defined by the patent claim 1. It consists of a one-piece grid body of straight channels, which are circumferentially bounded by channel walls.
  • the channels create large cavities in the porous structure of the boundary wall and thus reduce the flow resistance.
  • the channel walls form a grid structure to ensure the required strength of the boundary wall. By reducing the wall thickness to a size acceptable for pressure loss while maintaining the required strength, a boundary wall is created which has the mechanical properties required for the limiting function but provides low air resistance.
  • the invention is applicable to gas turbine and combined cycle power plants in the storage of Hochtermperaturabiano, in the steel industry for preheating the air in the combustion chambers of high-temperature furnaces, in the regenerator industry for temporary storage of waste heat and use for preheating combustion air and solar thermal power plants in the Dissipation of heat from a radiation absorber, as described in DE 102 08 487 Al.
  • the general idea of the invention is not to make the porous boundary wall solid, but to penetrate it with channels.
  • the channel walls then form a stabilizing web structure.
  • the channels are arranged parallel to the particle side and transversely to the flow direction of the air mass flow.
  • Another variant provides that the channels run parallel to the direction of the particle mass flow.
  • the particle side of the boundary wall can be formed as a closed porous wall.
  • At least some channels may have open channel ends on the particle side. The penetration of particles into the channels is prevented by the air flow.
  • the channels extend at least approximately in the direction of the air mass flow and at least some channels are closed on the particle side.
  • the channels may be arranged in the manner of a checkerboard pattern, with each second channel being closed on the air side and open on the particle side, the channels lying therebetween being open on the air side and being closed on the particle side.
  • the boundary wall preferably consists of a porous ceramic, in particular of SiC ceramic, such as ReSiC or SiSiC. It is also possible to harden the channel walls at their ends on the particle side, for example by Si infiltration.
  • the material of the porous walls should be resistant to high temperatures and withstand an application temperature of> 900 °.
  • Fig. 1 is a perspective view of a boundary wall, in which the
  • Fig. 2 shows a variant in which the channels transverse to the direction of
  • FIG. 3 shows a similar embodiment as Figure 2, but with the
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the channels are mutually closed at opposite ends.
  • FIG. 1 shows a boundary wall 10, one side of which is referred to as air side 11 and the opposite side as particle side 12.
  • a particle mass flow 13 moves, which runs here from top to bottom.
  • the particle mass flow 13 consists of sand, in particular quartz sand or other bulk materials, which fall down or slide down due to gravity.
  • the air side 11 defines a space in which hot air is contained under pressure, so that an air mass flow 14 is formed, which passes through the porous boundary wall 10. Beyond the boundary wall of the hot air flow to the particle mass flow 13, so that a heat transfer from the hot air takes place on the particle mass flow.
  • the device forms an air-sand heat exchanger.
  • the boundary wall is formed as a hollow block body. It contains parallel channels 15, which run through the inside of the boundary wall.
  • the channels 15 are rectilinear. They are limited by channel walls 16.
  • the channel walls 16 on the one hand form partitions between the channels and on the other hand also the channel boundaries to the air side 11 and to the particle side 12.
  • the particle mass flow 13 limiting boundary wall 17 is a closed wall.
  • the channels 15 extend parallel to the particle side 12 and transversely to the direction of the air mass flow 14.
  • the boundary wall 18 exposed to the air mass flow 14 is likewise a closed wall.
  • the entire boundary wall 10 consists of a one-piece profile body.
  • the air mass flow 14 penetrates the boundary walls 18 and 17. Due to the hollow channels 15, the air resistance, the boundary wall 10 offers between the air side and the particle side, low.
  • the area of the channel walls 16 is at most 20% of the area of a channel 15.
  • the boundary wall 10 consists of two rows of channels 15. Also, fewer or more rows of channels are possible. In the lower limit, the boundary wall consists of only one row of parallel channels.
  • the channels are rectangular, so that the channel walls 16 have the same wall thickness everywhere. It is also possible to make the channels polygonal with more than four corners or as round channels.
  • the channel walls consist z. B. of recrystallized silicon carbide having a porosity of up to 45% or of a porous metal or other porous ceramic.
  • the channels 15 extend transversely to the direction of the particle mass flow 13 and in the direction of the air mass flow 14.
  • the channels 15 are open on the air side 11 and on the particle side 12.
  • the Hot air is thus passed through the open channels 15 with virtually no air resistance.
  • the leakage of sand is prevented by the supplied air mass flow 14.
  • the air resistance is determined only by friction on the channel walls, the channel inlet and the channel outlet.
  • z. B. Si infiltration on the particle side 12 of the channel structure, the durability of the boundary wall is significantly increased.
  • the abrasion of a boundary wall can be compensated by a tracking mechanism.
  • Figure 3 shows a similar embodiment as Figure 2, wherein the channels are not horizontal, but drop off to the particle side 12 out.
  • each second channel 15 on the air side 18 has a closed end wall 20, while the intermediate channels 15 have an opening 21 there.
  • End walls 20a and openings 21 have the intermediate channels on the particle side 17.
  • Each of the channels is thus closed at one end and open at the other end.
  • the sealed ends on the particle side 17 may be cured by post-desilication to increase the abrasion resistance.
  • a wall abrasion can be compensated for by means of a tracking mechanism, by means of which the entire boundary wall is displaced in the direction of the particle side 17. All channels run in the direction of air flow.
  • On the back of the boundary wall the channels are closed contrary to the front.
  • the arrangement of the channels on each side of the boundary wall corresponds to the white and black fields of a chessboard.
  • the air mass flow 14 penetrates the longitudinal channel wall 22 and enters an adjacent channel of the other channel group. Due to the enlarged wall surface defined over the circumference and length of a channel, the local gas velocity is much smaller than when a massive porous wall

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Abstract

Die Begrenzungswand eines Luft-Sand-Wärmeübertragers ist als poröse Hohlblockwand ausgebildet. Sie weist Kanäle (15) auf, die durch Kanalwände (16) begrenzt sind. Die Kanalwände (16) können von der unter Druck stehenden heißen Luft (14) durchströmt werden. Wegen der durch die Kanäle (15) gebildeten Hohlräume hat die Begrenzungswand einen niedrigen Luftwiderstand. Die Kanäle (15) können in der Ebene der Begrenzungswand verlaufen oder auch rechtwinklig oder unter einem anderen Winkel hierzu.

Description

Gasdurchlässige Beqrenzungswand
Die Erfindung betrifft eine gasdurchlässige Begrenzungswand zum Eingrenzen eines Partikelstroms, insbesondere für einen Luft-Sand-Wärmeübertrager.
In DE 102 08 487 Al ist eine Vorrichtung zur Nutzung der Wärme hocherhitzter Heißluft beschrieben. Die Heißluft, die von einem Strahlungsreceiver auf über 1000 0C erhitzt wurde, überträgt ihre Wärme auf einen Sandstrom. Dabei wird die Heißluftströmung beim Luft-Sand-Wärmetauscher von unten zugeführt, während der Sand in dem Wärmetauscher von oben nach unten herabrieselt.
DE 10 2004 019 801 Al beschreibt einen Gas-Sand-Wärmetauscher mit einem Schacht, der einen Sandeinlass und einen Sandauslass mit einer dazwischen gelegenen Sandstrecke aufweist. Die Schachtwände und die Sandstrecke werden von Heißluft durchströmt.
Bei der Wärmeübertragung von Luft auf einen Partikelmassenstrom hängt die Effizienz maßgeblich von der Leistung des den Luftstrom transportierenden Gebläses ab. Die Gebläseleistung ist proportional zum Strömungswiderstand, der durch den Druckverlust in der durchströmten Sandschicht und die porösen Trennwände bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gasdurchlässige Begrenzungswand mit verringertem Strömungswiderstand zu schaffen.
Die gasdurchlässige Begrenzungswand nach der Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Sie besteht aus einem einstückigen Gitterkörper aus geraden Kanälen, die umfangsmäßig durch Kanalwände begrenzt sind.
Die Kanäle schaffen große Hohlräume in der porösen Struktur der Begrenzungswand und verringern damit den Strömungswiderstand. Die Kanalwände bilden eine Gitterstruktur zur Gewährleistung der erforderlichen Festigkeit der Begrenzungswand. Durch Reduzierung der Wanddicke auf eine für den Druckverlust akzeptable Größe unter Beibehaltung der erforderlichen Festigkeit wird eine Begrenzungswand geschaffen, die die für die Begrenzungsfunktion erforderlichen mechanischen Eigenschaften hat, jedoch einen geringen Luftwiderstand bietet.
Die Erfindung ist anwendbar in Gasturbinen- bzw. GuD-Kraftwerken bei der Speicherung von Hochtermperaturabwärme, in der Stahlindustrie zur Vorwärmung der Luft in den Brennkammern von Hochtemperaturöfen, in der Regenerator-Industrie zur Zwischenspeicherung von Abwärme und Nutzung zur Vorwärmung von Verbrennungsluft und für solarthermische Kraftwerke bei der Abführung von Wärme von einem Strahlungsabsorber, wie in DE 102 08 487 Al beschrieben.
Der generelle Gedanke der Erfindung besteht darin, die poröse Begrenzungswand nicht massiv zu machen, sondern sie mit Kanälen zu durchziehen. Die Kanalwände bilden dann eine stabilisierende Stegstruktur. Für die Anordnung der Kanäle gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kanäle parallel zu der Partikelseite und quer zur Strömungsrichtung des Luftmassenstromes angeordnet. Eine andere Variante sieht vor, dass die Kanäle parallel zur Richtung des Partikelmassenstroms verlaufen. In diesem Fall kann die Partikelseite der Begrenzungswand als geschlossene poröse Wand ausgebildet werden.
Wenn die Kanäle quer zur Richtung des Partikelmassenstromes verlaufen, können mindestens einige Kanäle an der Partikelseite offene Kanalenden aufweisen. Das Eindringen von Partikeln in die Kanäle wird durch die Luftströmung verhindert.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanäle wenigstens annähernd in Richtung des Luftmassenstromes verlaufen und mindestens einige Kanäle an der Partikelseite geschlossen sind. Die Kanäle können nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sein, wobei jeder zweite Kanal an der Luftseite geschlossen und an der Partikelseite offen ist, wobei die dazwischen liegenden Kanäle an der Luftseite offen und an der Partikelseite geschlossen sind.
Vorzugsweise besteht die Begrenzungswand aus einer porösen Keramik, insbesondere aus SiC-Keramik, wie ReSiC oder SiSiC. Es ist auch möglich, die Kanalwände an ihren Enden an der Partikelseite zu härten, beispielsweise durch Si-Infiltration. Das Material der porösen Wände sollte hochtemperaturbeständig sein und einer Anwendungstemperatur von > 900° widerstehen. Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Begrenzungswand, bei der die
Kanäle parallel zu der Partikelseite und quer zur Strömungsrichtung des Luftmassenstroms verlaufen,
Fig. 2 eine Variante, bei der die Kanäle quer zur Richtung des
Partikelmassenstromes verlaufen,
Fig. 3 eine ähnliche Ausführungsform wie Figur 2, jedoch mit zur
Partikelseite hin abfallenden Kanälen und
Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der die Kanäle wechselseitig an entgegengesetzten Enden geschlossen sind.
In Figur 1 ist eine Begrenzungswand 10 dargestellt, deren eine Seite als Luftseite 11 und deren gegenüberliegende Seite als Partikelseite 12 bezeichnet wird. Auf der Partikelseite 12 bewegt sich ein Partikelmassenstrom 13, der hier von oben nach unten verläuft. Der Partikelmassenstrom 13 besteht aus Sand, insbesondere Quarzsand oder anderen Schüttgütern, der hier aufgrund der Schwerkraft herabfällt oder entlang rutscht.
Die Luftseite 11 begrenzt einen Raum, in dem heiße Luft unter Druck enthalten ist, so dass ein Luftmassenstrom 14 entsteht, der durch die poröse Begrenzungswand 10 hindurchgeht. Jenseits der Begrenzungswand trifft der Heißluftstrom auf den Partikelmassenstrom 13, so dass eine Wärmeübertragung von der Heißluft auf den Partikelmassenstrom stattfindet. Die Vorrichtung bildet einen Luft-Sand-Wärmeübertrager. Zur Verringerung des Luftwiderstandes der Begrenzungswand 10 ist die Begrenzungswand als Hohlblockkörper ausgebildet. Sie enthält parallele Kanäle 15, die das Innere der Begrenzungswand durchziehen. Die Kanäle 15 sind geradlinig. Sie sind durch Kanalwände 16 begrenzt. Die Kanalwände 16 bilden einerseits Trennstege zwischen den Kanälen und andererseits auch die Kanalbegrenzungen zur Luftseite 11 und zur Partikelseite 12 hin.
Die den Partikelmassenstrom 13 begrenzende Grenzwand 17 ist eine geschlossene Wand. Die Kanäle 15 verlaufen parallel zu der Partikelseite 12 und quer zur Richtung des Luftmassenstromes 14. Die dem Luftmassenstrom 14 ausgesetzte Grenzwand 18 ist ebenfalls eine geschlossene Wand. Die gesamte Begrenzungswand 10 besteht aus einem einstückigen Profilkörper. Der Luftmassenstrom 14 durchdringt die Grenzwände 18 und 17. Infolge der hohlen Kanäle 15 ist der Luftwiderstand, den die Begrenzungswand 10 zwischen der Luftseite und der Partikelseite bietet, gering. Die Fläche der Kanalwände 16 ist maximal 20 % der Fläche eines Kanales 15.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 besteht die Begrenzungswand 10 aus zwei Reihen von Kanälen 15. Auch weniger oder mehr Reihen von Kanälen sind möglich. Im unteren Grenzfall besteht die Begrenzungswand aus nur einer Reihe paralleler Kanäle. Die Kanäle sind rechteckig, so dass die Kanalwände 16 überall gleiche Wandstärke haben. Es besteht auch die Möglichkeit, die Kanäle polygonförmig mit mehr als vier Ecken zu gestalten oder auch als runde Kanäle.
Die Kanalwände bestehen z. B. aus rekristallisiertem Siliziumcarbid mit einer Porosität von bis zu 45% oder aus einem porösen Metall oder einer anderen porösen Keramik.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 verlaufen die Kanäle 15 quer zur Richtung des Partikelmassenstroms 13 und in Richtung des Luftmassenstromes 14. Die Kanäle 15 sind an der Luftseite 11 und an der Partikelseite 12 offen. Die Heißluft wird also durch die offenen Kanäle 15 praktisch ohne jeglichen Luftwiderstand geführt. Das Austreten von Sand wird durch den zugeführten Luftmassenstrom 14 verhindert. Der Luftwiderstand wird lediglich durch Reibung an den Kanalwänden, am Kanaleinlauf und am Kanalauslauf, bestimmt. Durch Härtung, z. B. Si-Infiltration, an der Partikelseite 12 der Kanalstruktur wird die Haltbarkeit der Begrenzungswand deutlich erhöht. Der Abrieb einer Begrenzungswand kann über einen Nachführmechanismus ausgeglichen werden.
Figur 3 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie Figur 2, wobei die Kanäle jedoch nicht horizontal sind, sondern zur Partikelseite 12 hin abfallen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 hat jeder zweite Kanal 15 an der Luftseite 18 eine geschlossene Stirnwand 20, während die dazwischen liegenden Kanäle 15 dort eine Öffnung 21 haben. Stirnwände 20a und Öffnungen 21 haben die dazwischen liegenden Kanäle auf der Partikelseite 17. Jeder der Kanäle ist also an einem Ende verschlossen und am anderen Ende offen. Die verschlossenen Enden auf der Partikelseite 17 können durch Nachsizilieren gehärtet werden, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Auch hier kann ein Wandabrieb über einen Nachführmechanismus ausgeglichen werden, durch den die gesamte Begrenzungswand in Richtung der Partikelseite 17 verschoben wird. Alle Kanäle verlaufen in Strömungsrichtung der Luft. Auf der Hinterseite der Begrenzungswand sind die Kanäle konträr zur Vorderseite geschlossen. Die Anordnung der Kanäle auf jeder Seite der Begrenzungswand entspricht den weißen und schwarzen Feldern eines Schachbretts. Der Luftmassenstrom 14 durchdringt die längslaufende Kanalwand 22 und gelangt in einen benachbarten Kanal der anderen Kanalgruppe. Aufgrund der über Umfang und Länge eines Kanals definierten vergrößerten Wandfläche ist die lokale Gasgeschwindigkeit wesentlich kleiner als bei der Durchströmung einer massiven porösen Wand.

Claims

Patentansprüche
1. Gasdurchlässige Begrenzungswand für einen Partikelmassenstrom (13), der von einem Luftmassenstrom (14) durchquert wird, wobei der Luftmassenstrom durch die Begrenzungswand (10) hindurchgeht, welche eine Partikelseite (12) und eine Luftseite (11) aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Begrenzungswand aus einem einstückigen Gitterkörper aus geraden Kanälen (15) besteht, die umfangsmäßig durch Kanalwände (16) begrenzt sind.
2. Begrenzungswand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) parallel zu der Partikelseite (12) und quer zur Strömungsrichtung des Luftmassenstromes (14) verlaufen.
3. Begrenzungswand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) quer zur Richtung des Partikelmassenstromes (13) verlaufen.
4. Begrenzungswand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige Kanäle (15) an der Partikelseite offene Kanalenden aufweisen.
5. Begrenzungswand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) wenigstens annähernd in Richtung des Luftmassenstromes (14) verlaufen und mindestens einige Kanäle an der Partikelseite geschlossen sind.
6. Begrenzungswand nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sind und jeder zweite Kanal an der Luftseite geschlossen und an der Partikelseite offen ist, wobei die dazwischen liegenden Kanäle an der Luftseite offen und an der Partikelseite geschlossen sind.
7. Begrenzungswand nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus poröser Keramik oder einem porösen Metall besteht.
8. Begrenzungswand nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände (16) an ihren Enden an der Partikelseite gehärtet sind.
9. Begrenzungswand nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) zur Partikelseite hin abfallen.
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