EP3295107A1 - Wärmetauscherelemente, insbesondere für rauchgasreinigungsanlagen von kraftwerken - Google Patents

Wärmetauscherelemente, insbesondere für rauchgasreinigungsanlagen von kraftwerken

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Publication number
EP3295107A1
EP3295107A1 EP16723707.2A EP16723707A EP3295107A1 EP 3295107 A1 EP3295107 A1 EP 3295107A1 EP 16723707 A EP16723707 A EP 16723707A EP 3295107 A1 EP3295107 A1 EP 3295107A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
sealing edge
honeycomb body
exchanger element
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16723707.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Katja Widmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ElringKlinger AG
ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH
Original Assignee
ElringKlinger AG
ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ElringKlinger AG, ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH filed Critical ElringKlinger AG
Publication of EP3295107A1 publication Critical patent/EP3295107A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
    • F28D19/04—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier
    • F28D19/041—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier with axial flow through the intermediate heat-transfer medium
    • F28D19/042—Rotors; Assemblies of heat absorbing masses
    • F28D19/044—Rotors; Assemblies of heat absorbing masses shaped in sector form, e.g. with baskets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/06—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes composite, e.g. polymers with fillers or fibres

Definitions

  • Heat exchanger elements in particular for
  • the invention relates to heat exchanger elements, in particular for the assembly of heat exchangers for flue gas purification systems of power plants, which are often equipped with a rotor having a plurality of chambers for receiving individual heat exchanger elements.
  • the heat exchangers in rotating design are often of the so-called Ljungström type.
  • the design according to the so-called Rothemühle principle is often used. Again, the heat exchanger elements are used individually in chambers.
  • the heat exchanger elements have a honeycomb body of a plastic material, which is preferably adapted to the geometry of the chambers.
  • the honeycomb body has a multiplicity of flow channels arranged parallel to one another, which are separated from one another via channel walls and extend from one end face of the honeycomb body to the opposite end face.
  • Heat exchanger elements of the type mentioned for use in flue gas purification plants of power plants are known for example from German Patent DE 195 12 351 Cl.
  • the heat exchanger elements disclosed therein are made of a polytetrafluoroethylene regenerate alone or in admixture with another plastic and optionally contain fillers.
  • the heat exchanger elements according to the invention are provided in particular for use in so-called Ljungström heat exchangers and heat exchangers according to the Rothemühle principle.
  • pure and raw gas flows are spatially separated from each other. routinely passed through the heat exchanger / rotor, which is equipped with the heat exchanger elements.
  • the heat exchanger elements are heated, the raw or flue gas cools down.
  • the heat exchanger elements release energy to the clean gas, the temperature of which rises while the heat exchanger elements cool down again.
  • the cold end position can be provided from the top or bottom side of the rotor in the lower region of the rotor (lower cold end layer) or in the upper region of the rotor (upper cold end layer).
  • the object of the invention is to propose a heat exchanger element with which at least reduce the tendency of the heat exchanger (rotors / stators) and their chamber walls and thus the intervals between the individual repairs and possibly even the life of the heat exchanger (rotors / stators) total can be extended so that they are considerably more economical in operation.
  • the heat exchanger elements according to the invention are equipped with a sealing edge, which is arranged in the region of an end face of the honeycomb body and substantially parallel thereto.
  • the sealing edge extends around the honeycomb body along the outside thereof.
  • the distance between the walls of a heat exchanger (rotor / stator) chamber and the heat exchanger element according to the invention or its honeycomb block can be minimized or completely eliminated in the region of at least one of the end faces. Because of a single sealing edge, it is surprisingly possible to concentrate the flow path of the raw gas through the heat exchanger to the areas of the heat exchanger elements so that the walls of the chambers of the heat exchanger in which the heat exchanger elements are placed, largely shielded from the corrosive components of the raw gas and their precipitation there is largely reduced, if not substantially avoided.
  • the heat exchanger elements of the present invention not only provide excellent corrosion protection, but also have very good heat transfer properties.
  • the sealing edge can for example be dimensioned so that from the sealing edge to the chamber wall a certain clearance of about 5 mm or less, preferably about 2 mm or less, remains.
  • the honeycomb block can comply with the heat exchanger wall a significantly greater distance, for example, about 10 mm.
  • sealing edge of the heat exchanger elements according to the invention is arranged adjacent to the end face of the heat exchanger element which is adjacent to the upper side of the rotor / stator (upper cold end position) or the bottom side of the rotor / stator (lower cold end position).
  • sealing edges can also be provided on both end faces of the heat exchanger element.
  • the sealing edge is formed integrally with the honeycomb body.
  • the sealing edge is formed as a separate component which is optionally connected to the honeycomb body in a positive, non-positive or cohesive manner. Furthermore, the sealing edge can be held on the honeycomb body via fastening elements.
  • the heat exchanger element according to the invention may have a sealing edge, which comprises an open honeycomb structure, wherein then the sealing edge is preferably made in one piece with the honeycomb body.
  • the honeycomb structure is covered at least partially with a sheet material, in particular a film, substantially gas-impermeable.
  • the open honeycomb structure could be closed by crimping or backfilling.
  • the heat exchanger element according to the invention can also have a sealing edge with a compact, substantially gas-impermeable structure.
  • the sealing edge of the heat exchanger elements according to the invention is preferably made of a plastic material, which is in particular selected from the plastic material of the honeycomb body and Perfluoralkoxypolymermate- rial (PFA).
  • a plastic material which is in particular selected from the plastic material of the honeycomb body and Perfluoralkoxypolymermate- rial (PFA).
  • the sealing edge is preferably dimensioned so that it rests on at least two opposite, radially extending side walls of a heat exchanger chamber. This can be achieved that the front sides of these side walls are protected.
  • the sealing edge is preferably dimensioned on two opposite sides of the honeycomb body in such a way that the sealing edge directly adjoins a sealing edge of a heat exchanger element adjoining in the circumferential direction of the rotor, more preferably overlaps it.
  • the sealing edge of the heat exchanger elements according to the invention is preferably formed in the region of a first outer side of the honeycomb body with a parallel to the outside recess on its upper side and in the region of the first outer side opposite the second outer side with a complementary recess on its underside, which is parallel extends to the second outer side of the honeycomb body.
  • interlocking elements can be formed, which enable a secured in the circumferential direction of the rotor positioning of the heat exchanger elements in the rotor.
  • the heat exchanger elements In the case of the heat exchanger elements with geometry formed complementary on two opposite outer sides, the heat exchanger elements mutually stabilize in their installed position in the heat exchanger, so that in a preferred embodiment of the heat exchanger on a plurality of partitions, which otherwise each form individual receiving chambers for the heat elements in the cold end can be dispensed with. This applies in particular to the installation of the heat exchanger elements according to the invention in an upper cold end position.
  • the sealing edge can be inventively formed as a carrier for the honeycomb body.
  • the sealing edge is designed as a carrier of the honeycomb body on two opposite outer sides of the honeycomb body with bearing surfaces which serve the support on or on a wall, for example, the wall of a receiving chamber, the rotor / stator of the heat exchanger.
  • the bearing surfaces are positioned on such outer sides of the honeycomb block, which extend substantially parallel to the radial direction of the heat exchanger.
  • the heat exchanger elements according to the invention can also be equipped with a holder in which the honeycomb body is received.
  • the holder can be dimensioned so that optionally further heat exchanger elements can be included.
  • the plastic material it is preferred that this comprises a plastic, the virginal polytetrafluoroethylene (PTFE) in a proportion of about 80 wt .-% or more and optionally a non-PTFE high-performance polymer in a proportion of about 20 wt .-% or less.
  • PTFE virginal polytetrafluoroethylene
  • the honeycomb bodies of the heat exchanger elements according to the invention also have mechanical strength values, in particular for tear strength and elongation at break, which significantly above those of conventionally manufactured honeycomb bodies.
  • a virgin PTFE having a melting enthalpy of about 40 J / g or more is used as the plastic.
  • the density of preferred PTFE materials is about 2.1 g / cm 3 or more.
  • the virgin PTFE to be used according to the invention may have a co-monomer content of about 1% by weight or less, preferably about 0.1% by weight or less.
  • Virgin PTFE materials having such a co-monomer content typically weldable without the addition of foreign material (eg PFA).
  • Typical co-monomers are hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ether, perfluoro (2,2-dimethyl-l, 3-dioxole) and chlorotrifluoroethylene.
  • the virgin PTFE and optionally the high-performance polymer other than PTFE having an average primary particle size D 50 of about 10 ⁇ m to about 200 ⁇ m, preferably about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m, are preferably used.
  • these particle sizes can be in the production of honeycomb blocks in particular
  • Sintered PTFE which also includes PTFE Regenerate, can only be obtained with particle sizes of about 400 pm or greater due to the lower crystallinity compared to virginal PTFE.
  • the primary particle size is referred to above since particle agglomerates of virgin PTFE with significantly larger particle sizes can also be processed, provided that the particle agglomerates break down into their primary particles under the processing conditions.
  • particle agglomerates with particle sizes of 100 pm to 3000 pm can be used if they decompose into the primary particles at about 150 bar or less.
  • Suitable fillers include both non-metallic and metallic fillers, which can also be used in a mixture. Not only particulate fillers but also fibrous fillers come into question as fillers. In particular, both the thermal conductivity and the heat capacity of the plastics material to be used according to the invention can be mixed with the fillers. materials and optionally also optimize the mechanical properties of the heat exchanger elements according to the invention.
  • the plastic material contains a non-metallic filler and / or a metallic filler, wherein the average particle size D 50 of the respective filler is preferably about 100 pm or less.
  • the particle size of the fillers will be about 2 ⁇ m to about 300 ⁇ m, preferably about 2 ⁇ m to about 150 ⁇ m, in view of the desired uniform distribution in the plastic material.
  • the ratio of the average particle size D 50 of the primary particles of the plastic or of the plastics to the average particle size D 50 of the fillers is preferably in the range from about 1: 2 to about 2: 1.
  • the non-metallic filler is present in a proportion of up to about
  • the total volume fraction of the fillers in the plastic material should preferably be about 50% by volume or less, more preferably about 40% by volume or less.
  • the plastic material processed to the honeycomb body has a tensile strength of about 10 N / mm 2 or more, measured according to ISO 12086-2 with a strip-shaped test body with a cross section of 1 x 5 mm 2 .
  • the tensile strength of the plastic material of the honeycomb body in these strip-shaped specimens is preferably 15 N / mm 2 or more, more preferably about 20 N / mm 2 or more, even more preferably about 25 N / mm 2 or more.
  • the tear strength will be about 35 N / mm 2 or less.
  • the elongation at break of the plastic material processed to the honeycomb body measured according to ISO 12086-2 on a strip-shaped test specimen having a cross-section of 1 ⁇ 5 mm 2 , is about 80% or more, in particular about 100% or more, more preferably about 150% or more, most preferably about 200% or more.
  • honeycomb bodies are available with very cleanable surfaces, for which purpose the average roughness Ra of the surfaces of the honeycomb body, measured according to DIN EN ISO 1302 in the longitudinal direction of the honeycomb channels, about 10 m or less, preferably about 5 pm or less.
  • the roughness depth Rz of the surfaces of the honeycomb body measured according to DIN EN ISO 1302 in the longitudinal direction of the flow channels of the honeycomb body, is approximately 50 ⁇ m or less, in particular approximately 40 ⁇ m or less, preferably approximately 30 ⁇ m or less , most preferably about 20 pm or less.
  • the heat exchanger elements according to the invention or their honeycomb body preferably have a plastic material with a thermal conductivity of approx.
  • the heat exchanger elements according to the invention or their honeycomb bodies preferably have a plastic material with a heat capacity of approx.
  • the thermal conductivity and the heat capacity favor an effective heat exchange between the heat exchanger elements and the flue gas flowing through and the storage capacity of the heat exchanger element.
  • the flow channels of the honeycomb body have a polygonal, in particular a square or hexagonal, cross section.
  • the channel walls of the flow channels of the honeycomb body preferably have a thickness of about 0.8 mm to about 2 mm.
  • the open cross-sectional area of the flow channels of a honeycomb body preferably adds up to about 75% or more of the base area of the honeycomb body.
  • the heat exchanger elements which serve the assembly of the receiving chambers of a rotor are typically required in several different dimensions of their bases. This can be achieved simply by first producing honeycomb blocks with a smaller footprint as standard and then joining them together to form the larger honeycomb bodies.
  • the flow channel geometry may, for example, have a hexagonal cross section with an edge length of about 7.2 mm or more.
  • connection of the honeycomb blocks to a honeycomb body of a heat exchanger element which can be handled as a whole can be effected mechanically, for example by means of a positive or a force fit, or by material bonding, for example by gluing or welding.
  • the heat exchanger element and its honeycomb body can also be adapted in their geometry to the requirements by cutting or sawing and in particular in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the flow channels wedge-shaped.
  • the parts of the honeycomb structures which have been severed during the blanking of the honeycomb blocks or honeycomb structures can readily be connected to a honeycomb block in the manner already described in order to produce further heat exchanger elements.
  • the invention also relates to heat exchangers for flue gas purification systems which include a plurality of heat exchanger elements of the present invention.
  • the heat exchangers have an annular receiving space or a plurality of circumferentially successive ring segment-like receiving spaces in which a plurality of the heat exchanger elements according to the invention are accommodated, wherein the heat exchanger elements are connected to each other in a form-fitting manner in the circumferential direction.
  • a sealing edge is preferably provided adjacent to both end faces, wherein a structure of the sealing edge for the positive connection of a heat exchanger element with an adjacent heat exchanger element only at one of the sealing edges, the above Ren or the lower end face of the heat exchanger element is assigned, is necessary.
  • one of the sealing edges is integrally formed on the honeycomb body, while the second sealing edge is made as a separate part.
  • Figure 1A is a schematic representation of a coal power plant with a flue gas cleaning system
  • FIG. 1B shows a variant of the flue gas purification system of FIG. 1A
  • FIGS. 2A to 2C show schematic representations of three variants of a rotor for accommodating heat exchanger elements according to the invention
  • FIG. 3 shows an enlarged section of FIG. 2A
  • FIGS. 4A to 4D show a schematic representation of two heat exchanger elements according to the invention which are to be positively connected to one another;
  • FIGS. 5A to 5C show schematic illustrations of further variants of a heat exchanger element according to the invention.
  • FIGS. 6A and 6B show further variants of heat exchanger elements according to the invention, which are used positioned in a holder;
  • FIG. 7A shows a further variant of a heat exchanger element according to the invention when inserted into a rotor chamber; and
  • FIG. 7B shows a variant of the heat exchanger element according to the invention adapted to a modified rotor.
  • FIG. 1A shows a schematic representation of a coal-fired power plant 10 with a burner 12 and a flue-gas purification system 14.
  • the burner 12 comprises a boiler 16 with a combustion chamber 18, to which coal in ground form via a fuel supply line 20 and combustion air via a feed line 22 are supplied.
  • a steam generator 24 is arranged in the boiler 16, in which for the operation of a steam turbine 26 water vapor is generated.
  • the steam turbine 26 drives a power generator, not shown.
  • the resulting during combustion of the coal in the combustion chamber 18 flue gas is removed via a flue gas pipe 28 from the boiler 16.
  • the combustion air is passed via the supply line 22 before feeding into the combustion chamber 18 of the boiler 16 via a heat exchanger 30 and heated there by the flue gas fed via the flue gas line 28.
  • the heat exchanger has a supply air region 32 and a flue gas region 34.
  • the zone at which the temperature of the flue gas is lower, is particularly susceptible to corrosion. This zone is also called Kaltendlage. Due to the flow through the heat exchanger 30 with the flue gas from top to bottom, the cold end is down.
  • a rotor 36 is equipped with a heat storage and tragungsmedium over-loaded, which absorbs heat when passing through the flue gas region 34 from the flue gas passed therethrough and emits heat when passing through the opposite supply air region 32 to the combustion air flowing therethrough.
  • the temperature of the flue gas drops when passing through the heat exchanger 30, for example, from about 250 ° C to about 160 ° C, while the temperature of the supply air from ambient temperature to, for example, about 150 ° C increases.
  • the diameter of the rotor 36 is often in the range of 5 m to 25 m, depending on the required heat exchanger capacity.
  • the weight of a fully charged with a heat storage and transmission medium Depending on the size of the mounted rotor, it may be 1000 tons or more, especially if only a conventional medium based on enamelled steel sheets is used.
  • the cooled flue gas is fed to dedusting through line 29 to an electrostatic particle separator, hereinafter referred to as ESP unit 44 for short.
  • the treated (largely dusted) flue gas via a line 48 a regenerative heat exchanger 50, also called REGA- VO supplied, in which the processed flue gas, for example, from about 160 ° C to a temperature of about 90 ° C or lower is cooled further.
  • a regenerative heat exchanger 50 also called REGA- VO supplied, in which the processed flue gas, for example, from about 160 ° C to a temperature of about 90 ° C or lower is cooled further.
  • the heat exchanger 50 contains a rotor 52 equipped with a heat storage and transfer medium, which receives the heat emitted by the dedusted flue gas, which for this purpose passes through a first region 54 of the heat exchanger 50 or through the rotor 52 from bottom to top and then fed via line 62 to a flue gas desulfurization system 64.
  • the temperature of the dedusted flue gas sinks during passage through the first region 54 of the heat exchanger 50 for example from about 150 ° C to about 85 ° C to about 90 ° C.
  • the so-called cold end layer 58 is above.
  • the desulfurized flue gas coming from the flue gas desulphurisation plant 64 still has a temperature in the range of, for example, about 40.degree. C. to about 50.degree.
  • the heat storage and transfer medium heated by the raw gas becomes the cooler gas stream of the desulphurised flue gas (Clean gas) brought into contact.
  • the clean gas via the line 66 in the area 56 of the heat passed exchanger 50 in countercurrent while heated to about 90 ° C to about 100 ° C.
  • a line 68 leads the desulfurized, reheated flue gas to the chimney 70.
  • the flue gas has a sufficiently large buoyancy to from the chimney into the atmosphere reach.
  • Ljungström gas preheaters are used as heat exchangers, which are equipped with a rotor 36 and 52, the heat transport from the flue gas to the supply air or from the first into the take over the second region of the respective heat exchanger 30 and 50, respectively.
  • FIG. 1B shows a variant of the flue gas desulphurisation system 14, in which the line 68 coming from the heat exchanger 50 leads to a heat exchanger 72, to which a so-called SCR unit 76 connects via a line 74, which preferably also has a section 78 with a heat exchanger 72 Flue gas extraction function (DeNOx) includes.
  • the desulfurized flue gas which still contains NOx fractions, passed through the heat exchanger 72 for preheating. So that the NOx-containing desulfurized flue gas reaches the temperature required in the following SCR process of about 150 ° C to about 190 ° C, the heat exchanger 72 typically has a greater height.
  • the heat storage elements used in the heat exchanger 72 must have a high corrosion resistance, since excess ammonia reacts with existing sulfur trioxide and water and forms ammonium bisulfate. Together with fly ash still contained in the flue gas, the ammonium bisulfate forms a sticky precipitate, which deposits on all rotor / stator parts and has to be washed out regularly.
  • the heat exchanger 72 includes a rotor 84, in the cold end 86 of which heat exchanger elements according to the invention are again arranged.
  • FIG. 2A schematically shows a heat exchanger in the form of the disk-shaped rotor 100, whose diameter may be 20 m or more.
  • the volume of the disc-shaped rotor 100 is bounded by a cylindrical outer wall 102 and divided into a plurality of chambers 104, 105, 106, 107, 108, 109 with a substantially trapezoidal plan.
  • the division takes place on the one hand by means of a plurality of radially extending partitions 110, 112 and on the other hand by means of concentric with the outer wall formed cylinder walls 114, 115, 116, 117, 118 and the inner wall 119th
  • the chambers 104, 105, 106, 107, 108, 109 can be equipped with replaceable, size-adapted heat exchanger elements 130 according to the invention, which are arranged in this embodiment in an upper cold end position.
  • Such heat exchanger elements 130 have a honeycomb body 132, which is penetrated by a plurality of flow channels 152, which run parallel to the axial direction of the rotor 100, as will be explained in more detail with reference to FIG.
  • chambers 104 are shown in a partially broken view, wherein support strips 103 are provided on the lower end of the chamber walls 110 in a variant, on which according to another embodiment of the invention heat exchanger elements can be placed in the lower cold end position.
  • the heat exchanger elements can also be held with block-shaped holding elements 169 in the lower cold end position.
  • FIG. 2B shows a rotor 100 'which, in its lower region (hot end position), which extends, for example, over approximately two thirds of the height of the rotor 100', into receiving chambers 104 ', 105', 106 ', 107', 108 '.
  • 109 ' is divided by radially and circumferentially extending partition walls 110', 112 'and cylinder walls 114', 115 ', 116', 117 ', 118' concentric with the outer wall 102 'and the inner wall 119'.
  • the upper third of the volume of the rotor 100 '(upper cold end layer) is bounded on the one hand via the outer wall 102' and the cylindrical inner wall 119 '.
  • This annular space is divided into four ring segments only by four radially extending walls 122 ', 123', 124 ', 125' having the same height as the inner wall 119 'and the outer wall 102'.
  • a plurality of heat exchanger elements according to the invention are received, as will be described below, which are preferably connected to one another via form-locking elements at their circumferentially adjacent sealing edges.
  • This variant of the rotor 100 'means a significantly lower use of material in the production of the rotor or of its receiving chambers, so that the rotor itself already has a lower weight.
  • FIG. 2C A further variant of a rotor 100 "is shown in FIG. 2C, which is constructed similarly to the rotor 100 'in FIG. 2B, in which the rotor volume to be filled with heat exchanger elements is limited on the one hand by the outer wall 102" and the cylindrical inner wall 119 "
  • the division of the rotor volume into receiving chambers as shown in Figures 2A and 2B is maintained, again with the circumferential or radial partitions 114", 115 “, 116", 117 “. , 118 “, 110", 112 ".
  • the receiving chambers 104", 105 “, 106", 107 “, 108” and 109 formed thereby receive heat exchangers. shear elements for the warm end layer area, as already described in connection with the Figure 2A and Figure 2B.
  • the cylindrical partition wall 116" is formed at the same height as the outer wall 102 "and the inner wall 119" so as to be located between the radial partition walls 122 ", 123", 124 "and 125” Ring segments again divided radially into two areas.
  • this circular partition wall 116 "serves, as is also true for the radial partition walls 122", 123 “, 124" and 125 “, to improve the mechanical stability thereof, in particular for large rotor dimensions.
  • heat exchanger elements according to the invention which are on the one hand positively connectable, used in a preferred trapezoidal layout on the other hand, after placement of the rotor / stator additionally exact positioning of the individual heat exchanger elements, which waives the separation walls to form individual receiving chambers for allows the individual heat exchanger elements.
  • the heat exchanger elements to be used in the rotors 100 'and 100 "preferably have a sealing edge in the region of both end faces, of which the upper sealing edge is preferably formed integrally with the honeycomb body of the heat exchanger elements.
  • the lower sealing edge can serve to cover the upper end faces of the partitions in the region of the transition from the hot to the cold end position.
  • FIG. 3 shows a detail of the rotor 100, in which a part of the chambers 105 is equipped with heat exchanger elements 130.
  • the heat exchanger elements 130 have a honeycomb body 132, which is provided on its four outer sides 134, 135, 136, 137 at the level of its upper end face 138 with a peripheral sealing edge 140 which is formed integrally with the honeycomb body 132 and in its basic structure also honeycomb-shaped ,
  • the heat exchanger element 130 according to the invention in the form of the honeycomb body 132 and the basic structure of the sealing edge 140 can be made in one piece from a correspondingly larger sized honeycomb block.
  • the sealing edge 140 can assume a further function, namely that of a carrier of the heat exchanger element 130.
  • the honeycomb-shaped basic structure of the sealing edge 140 must still be covered gas-impermeable. This can be done very easily with a surface material which is applied to the basic structure of the sealing edge 140.
  • a surface material which is applied to the basic structure of the sealing edge 140.
  • One of the preferred sheet materials is a sheet of plastic material, such as PTFE. If required, the surface material can be connected to the basic structure by gluing or welding.
  • the honeycomb-shaped basic structure of the sealing edge 140 could be pressed or also gas-impermeable filled with a filling material (not shown).
  • the sealing edge 140 is designed such that, after a heat exchanger element 130 has been inserted from above into a rotor chamber, it covers the upper side of the rotor walls surrounding the rotor chamber (here, for example, the rotor walls 110, 114 and 116 the rotor chamber 105) covers and also shields these tops from the corrosive substances of the flue gas.
  • FIG. 3 shows the insertion of a heat exchanger element 130 according to the invention in several phases.
  • the sealing edge 140 is provided on two opposite outer sides of the honeycomb body 132 at the top and at the bottom, each with a recess 142, 144, so that the sealing edges 140 of two adjacent in the circumferential direction of the rotor heat exchanger elements 130 each other in a planar configuration can overlap.
  • the sealing edge 140 unfolds its protective effect for the material of the rotor walls, although it is not arranged on the inflow side of the heat exchanger element 130 but on the outflow side, since due to the sealing edge 140 of the flow path is limited to the flow channels of the honeycomb body 132.
  • Figure 4A shows two heat exchanger elements 130 laterally aligned shortly before the connection via the sealing edges 140 on their outer sides 134 and 136.
  • the sealing edge 140 has in its along the outer side 134 extending portion at its top a recess 142, while in his along the outside 136 extending portion at the bottom a recess 144 is formed.
  • the recesses 142, 144 preferably extend along the respective entire section of the sealing edge 140.
  • FIG. 4D shows an enlarged view of a detail of the overlapping sealing edges 140, in which the interlocking elements 146 and 148 can be clearly seen in their cooperation.
  • the film 150 placed between the recesses 142, 144 is also clearly visible as a gas-impermeable surface element.
  • the gas-impermeable cover it is generally sufficient to provide only one film layer, which can either be inserted during assembly between the sealing edges 140 of adjacent heat exchanger elements 130 or before assembly to the sealing edge 140 only one of the heat exchanger elements 130 (eg Gluing or welding) is attached.
  • FIG. 4B this is the case on the sealing edge 140 shown on the left in the image.
  • the film 150 even if it is inserted only between the overlapping sealing edges 140 of the adjacent heat exchanger elements 130, sufficiently fixed solely by the weight of the heat exchanger elements 130, which are supported with their sealing edges 140 on the rotor walls 110.
  • the honeycomb bodies 132 have a multiplicity of parallel flow channels 152 which extend from one end face 138 to the opposite end face.
  • the cross-sectional area of the flow channels 152 is hexagonal in the embodiments shown.
  • a flow channel wall thickness of 1.2 mm results in a distance of the opposing flow channel walls of 14.3 mm (expansion of the channel walls in each case about 7.2 mm), a free cross-section for the passage of gases through the honeycomb body 132 of approx. 83% based on the base area of the honeycomb body 132.
  • the specific surface area is about 150 m 2 / m 3 .
  • the heat exchanger elements or their honeycomb body are often not made as a block, but it is depending on the required size first several, for example two or four, cuboid honeycomb blocks made and connected together, in particular welded together, and then by cutting in the required trapezoidal or wedge shape made the heat exchanger elements 130.
  • FIGS. 5A to 5C An alternative embodiment of a heat exchanger element 130 'according to the invention is shown in FIGS. 5A to 5C.
  • the honeycomb body 132 'and the sealing edge 140' are each made as separate components, which can be assembled before or even during assembly of the heat exchanger elements 130 'in the receiving chamber of the rotor.
  • the separately produced sealing edge 140 ' as shown in FIGS. 5A to 5C, is typically made with a compact, gas impermeable structure.
  • FIGS. 5A to 5C show a heat exchanger element 130 ', which in turn is designed for an upper cold end position.
  • the honeycomb body 132 ' has for receiving the sealing edge 140' in a form-fitting manner on the outer sides 134 ', 135', 136 'and 137' encircling recess 160, starting from the upper end face 138 '.
  • FIG. 5A shows the two separately manufactured components, ie. the honeycomb body 132 'and the sealing edge 140' prior to assembly, while the two components are shown in the assembled state in Figure 5B.
  • the sealing edge 140 ' In order to fulfill a function as a carrier, the sealing edge 140 'should preferably in addition to the positive connection still cohesively with the honeycomb body 132' are connected, for example by welding or gluing. As an alternative to the cohesive connection, fixing can also be effected using fastening means, as shown by way of example in FIG. 5C.
  • fastening means As shown by way of example in FIG. 5C.
  • the design of the sealing edge on two opposite sections or outer sides of the honeycomb body 132 ' is similar to the sealing edge 140 of the heat exchanger elements 130.
  • the sealing edge 140' therefore has on one side 134 'of the honeycomb body 132' at its top a return 142 'on while on the opposite side 136 'of the honeycomb body 132' of the sealing edge has a recess 144 'on its underside.
  • the sealing edge sections of adjacent heat exchanger elements 130 ' can be received in the rotor in overlapping fashion with the recesses 142' and 144 '.
  • FIG. 6A shows a further alternative embodiment of a heat exchanger element 200 according to the invention, which has a holder 206 in addition to a honeycomb body 202 and a sealing edge 204.
  • the holder preferably has a cage-like frame structure, as shown for example in Figure 6A.
  • the holder 206 is preferably dimensioned so that it extends substantially over the entire height of the rotor 100 (see Figure 2A) and seen next to the honeycomb body 202 in the flow direction of the rotor another heat exchanger component (not shown) for the final heat position on the Heat exchanger element 200 can accommodate aligned.
  • the sealing edge 204 of the heat exchanger element 200 can, if it is used in an upper cold end position, again be formed as a support for the heat exchanger element 200 as a whole, which is supported on the end faces of the rotor walls 110.
  • the honeycomb body 202 and the sealing edge 204 are manufactured here as separate components, whereby the assembly, in particular the integration of a further heat exchanger component arranged below the honeycomb body 202, can be accomplished in a simple manner.
  • the sealing edge 204 on the honeycomb body 204 can also be fixed to the holder 206. Again, this can be cohesive, positive or non-positive.
  • the heat exchanger element 200 can also be held via the holder 206 in a rotor chamber, which is supported on support strips 103 or block-shaped holding elements 169 (see FIG.
  • FIG. 6B shows an exemplary embodiment of a heat exchanger element 220 according to the invention with a honeycomb body 222, a sealing edge 224 and a holder 226.
  • the honeycomb body 222 is used in the rotor 100 in a lower cold end position.
  • the sealing edge 224 is then supported on support strips 103 or block-shaped retaining elements 169 (see FIG. 2A) in the respective rotor chamber.
  • the honeycomb body 222 is still shown in a raised position in FIG. 6B.
  • the honeycomb body 222 sits in its final position on transverse webs 228, 229 of the holder 226.
  • the sealing edge 224 is arranged here below on the holder 226 and optionally fixed thereto, so that the heat exchanger element 220 can be handled as a whole. Alternatively, it can also be provided to form the sealing edge 224 as a separately manageable element, which during assembly of the Heat exchanger element 220 is initially used alone in a rotor chamber. Only then are the other components of the heat exchanger element 220, ie. the honeycomb body 222 installed in the holder 226, optionally together with a further heat exchanger component (not shown), inserted into the rotor chamber.
  • the sealing edge 224 preferably has recesses 230, 231 on its underside, into which the support strips 103 or the block-shaped holding elements 169 engage during assembly.
  • the sealing edge 224 itself is preferably made with a compact, substantially gas-tight structure.
  • FIG. 7A shows a further embodiment of a heat exchanger element 250 according to the invention with a honeycomb body 252 and a sealing edge 254 for mounting in a lower cold end position of the rotor 100 (see FIG.
  • the rotor chamber 104 has on its lower edge on opposite sides the block-shaped retaining elements 169 already described in connection with FIG. 2A, in whose place of course differently configured retaining elements, for example the support strips 103 also shown in FIG. 2A, can be used ,
  • Figure 7A shows the sealing edge 254 still in the raised position above the lower edge of the rotor chamber 104 and the holding elements 169.
  • the sealing edge is maintained as a separately manageable part and is first inserted into the rotor chamber 104. Only then is the honeycomb body 252 placed on the sealing edge 254. A firm connection between the sealing edge 254 and the honeycomb body 252 can be omitted, since the positioning of the honeycomb body 252 on the sealing edge 254 is already sufficient gas-impermeable by the weight of the honeycomb body 252.
  • the sealing edge 254 has recesses 258, 259 at opposite sections on the underside, into which the holding elements 169 can engage.
  • the sealing edge 254 can be connected to the honeycomb body 252 before or even after assembly in the rotor chamber 104, wherein in turn a cohesive, non-positive and / or positive connection can be selected, in particular also the variants described in connection with FIGS 5A to 5C have been described.
  • the sealing edge 254 unfolds its protective effect for the material of the rotor walls, although it is not arranged on the inflow side of the heat exchanger element 250, but on the outflow side of the rotor 100.
  • FIG. 7B shows an installation situation for heat exchanger elements 250 according to the invention in an upper cold end position in a rotor 100 'or 100 ", in which radial partition walls and the inner wall ring or ring segment are formed by the outer wall 102', 102" and (not shown here). shaped receiving areas for the heat exchanger elements 250 according to the invention are formed.
  • heat exchanger elements according to the invention are again used which are used here in the form of the heat exchanger elements 260 with a honeycomb body 262 and a sealing edge 264, wherein the sealing edge 264 is preferably designed as a component that can be handled separately.
  • the honeycomb body 262 has on its lower end face a recirculating recess 266 which can be inserted into the sealing edge 264.
  • the sealing edge 264 in turn is formed on two opposite sides in the circumferential direction of the rotor 100 ', 100 ", with a configuration with recesses on the upper side and the underside, which additionally with positive locking elements, here for simplicity with the reference numeral 274 indicated, are provided.
  • the heat exchanger elements 260 additionally have sealing edges (not shown) on their upper end side which, adjacent to one another at the upper side of the heat exchanger 100 ', 100 ", result in a substantially closed structure between adjacent heat exchanger elements 260.
  • sealing edges arranged on the upper side are preferably formed integrally with the honeycomb body 262, so that the handling of the heat exchanger elements 260 when installed in the rotor 100 ', 100 "is simplified.
  • concentrically arranged rings of heat exchanger elements 260 can be accommodated in the rotor 100 ', 100 ", which retain an exact positioning on the one hand due to the special structure of the sealing edges 264, on the other hand also because of the trapezoidal layout design the heat exchanger elements 260.
  • Wall elements, as used in other embodiments, to form individual receiving chambers for the heat exchanger elements 260 are, as apparent from this embodiment, obviously not required, so that the formation of chambers within the rotors 100 ', 100 "on the Area of the so-called warming end position, thus resulting in considerable material savings, and consequently also a reduction in weight. ken for the corrosion of the rotor 100 ', 100 "or of its components significantly reduced.
  • the heat exchanger elements according to the invention must be regularly cleaned due to the entry of corrosive gases and ash particles through the flue gas - even in its treated, dedusted form, so that the simple and safe handling of these elements on the one hand, but also the simple cleaning of the honeycomb on the other hand of great importance .
  • the heat resistance of the PTFE material is also important in view of the temperatures of the flue gases occurring at the heat exchangers, for example about 250 ° C.
  • the parameters of the heat capacity and the thermal conductivity of the heat storage and transfer media used are of crucial importance.
  • the present invention also addresses these issues by selecting the plastic materials and optionally the fillers for making the heat exchanger elements or the honeycomb blocks made for making them.

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Abstract

Bei einem Wärmetauscherelement zur Bestückung von Wärmetauschern von Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherelement mit einem blockförmigen Wabenkörper mit vier Außenseiten und zwei im Wesentlichen parallelen Stirnseiten und mit einem Dichtrand ausgebildet wird. Der Wabenkörper ist aus einem Kunststoffmaterial mit einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter Strömungskanäle, die über Kanalwände voneinander getrennt sind, gefertigt. Die Strömungskanäle erstrecken sich von der einen zur anderen Stirnseite, und der Dichtrand ist im Bereich einer der Stirnseiten und im Wesentlichen parallel zu dieser Stirnseite angeordnet und erstreckt sich am Umfang des Wabenkörpers von diesem weg.

Description

Wärmetauscherelemente, insbesondere für
Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken
Die Erfindung betrifft Wärmetauscherelemente, insbesondere für die Bestückung von Wärmetauschern für Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken, die häufig mit einem Rotor ausgerüstet sind, der eine Vielzahl von Kammern zur Aufnahme einzelner Wärmetauscherelemente aufweist. Die Wärmetauscher in rotierender Ausführung sind häufig vom so genannten Ljungström-Typ. Bei Wärmetauschern mit stationärer Wärmespeichermasse (Stator) kommt häufig die Ausführung nach dem so genannten Rothemühle-Prinzip zum Einsatz. Auch hier sind die Wärmetauscherelemente einzeln in Kammern eingesetzt.
Die Wärmetauscherelemente weisen einen Wabenkörper aus einem Kunststoffmaterial auf, der vorzugsweise an die Geometrie der Kammern angepasst ist. Der Wabenkörper weist eine Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen auf, die über Kanalwände voneinander getrennt sind und sich von einer Stirnseite des Wabenkörpers zu der gegenüberliegenden Stirnseite erstrecken.
Wärmetauscherelemente der eingangs genannten Art für den Einsatz in Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 195 12 351 Cl bekannt. Die dort offenbarten Wärmetauscherelemente werden aus einem Polytetrafluorethylen-Regenerat allein oder in Ab- mischung mit einem anderen Kunststoff hergestellt und beinhalten gegebenenfalls Füllstoffe.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente sind insbesondere für den Einsatz in so genannten Ljungström-Wärmetauschern und Wärmetauschern nach dem Rothemühle-Prinzip vorgesehen. Bei deren Einsatz in Rauchgasentschwefe- lungsanlagen (REA) werden Rein- und Rohgasströme räumlich getrennt gegen- läufig durch den Wärmetauscher/Rotor geleitet, der mit den Wärmetauscherelementen bestückt ist. In dem Bereich, in dem Roh- oder Rauchgas durch den Wärmetauscher (Rotor/Stator) strömt, werden die Wärmetauscherelemente aufgeheizt, das Roh- oder Rauchgas kühlt dabei ab. In dem Bereich, in dem Reingas in umgekehrter Strömungsrichtung durch den Wärmetauscher (Rotor/Stator) strömt, geben die Wärmetauscherelemente Energie an das Reingas ab, dessen Temperatur dabei ansteigt, die Wärmetauscherelemente kühlen dabei wieder ab.
Bei der Abkühlung der Roh- oder Rauchgase können diese eine Temperatur unter dem sogenannten Taupunkt (TD) erreichen, unter dem der in dem Roh- oder Rauchgas enthaltene Wasserdampf kondensiert und sich zusammen mit Anteilen an S03, HF und HCl auf den Oberflächen der Wärmetauscherelemente als hochkorrosive Mischung niederschlägt. Die Lage innerhalb eines Wärmetauschers, aus der die abgekühlten Roh- oder Rauchgase austreten, in der gegebenenfalls der Taupunkt TD unterschritten werden kann, bezeichnet man als Kaltendlage. Die Kaltendlage kann je nach Zufuhr des Rauchgases von der Oberseite oder Bodenseite des Rotors im unteren Bereich des Rotors (untere Kaltendlage) bzw. im oberen Bereich des Rotors (obere Kaltendlage) gegeben sein.
Von den in diesen Bereichen des Wärmetauschers eingesetzten Wärmetauscherelementen wird deshalb neben der Temperaturbeständigkeit auch eine sehr hohe Korrosionsfestigkeit gefordert. Da die hochkorrosiven Niederschläge, typischerweise mit Ascherückständen vermischt, regelmäßig von den Wärmetauscherelementen entfernt werden müssen, ist eine einfache Handhabung und effiziente Möglichkeit zur Abreinigung der Wärmetauscherelemente ebenfalls von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Dies gelingt mit den aus Kunststoff gefertigten Wärmetauscherelementen zufriedenstellend.
Als problematisch erweist sich jedoch bei langen Betriebszeiten, dass der typischerweise aus hoch korrosionsfestem Stahl gefertigte Wärmetauscher/Rotor in den Kaltendlagen, die mit den Wärmetauscherelementen bestückt sind, bei den gegebenen Bedingungen mit den korrosiven Niederschlägen lange in Kontakt bleibt und bei den wechselnden Temperaturbedingungen zur Korrosion neigt, was während der langen Lebensdauer der Wärmetauscher regelmäßig den Austausch von Wärmetauscherteilen, insbesondere der Kammerwände, erfordert. Schon allein der dabei notwendige Stillstand der Wärmetauscher verursacht erhebliche wirtschaftliche Kosten, dazu kommen noch die Kosten für die eigentliche Reparatur des Wärmetauschers.
Im Stand der Technik wurde schon versucht, diesem Problem mit einer Emaille- Beschichtung der Wärmetauscherteile entgegenzuwirken. Dies hat sich jedoch in einer Vielzahl von Fällen als nicht ausreichend erwiesen.
In der WO 2013/127594 AI wurden Wärmetauscher-Rotoren vorgeschlagen, bei denen auf Kohle- und Graphitwerkstoffe zurückgegriffen wurde. Diese Lösung ist jedoch vergleichsweise teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmetauscherelement vorzuschlagen, mit dem sich zumindest die Korrosionsneigung der Wärmetauscher (Rotoren/Statoren) und insbesondere von deren Kammerwänden vermindern und damit die Intervalle zwischen den einzelnen Reparaturen und gegebenenfalls sogar die Lebensdauer der Wärmetauscher (Rotoren/Statoren) insgesamt verlängern lassen, so dass diese im Betrieb erheblich wirtschaftlicher sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmetauscherelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente sind mit einem Dichtrand ausgerüstet, welcher im Bereich einer Stirnseite des Wabenkörpers und im Wesentlichen parallel hierzu angeordnet ist. Der Dichtrand erstreckt sich rings um den Wabenkörper entlang von dessen Außenseiten.
Der Abstand zwischen den Wänden einer Wärmetauscher(Rotor/Stator)kammer und dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherelement bzw. dessen Wabenblock lässt sich so im Bereich mindestens einer der Stirnseiten minimieren bzw. vollständig eliminieren. Aufgrund bereits eines einzigen Dichtrandes ist es überraschenderweise möglich, den Strömungsverlauf des Rohgases durch den Wärmetauscher auf die Bereiche der Wärmetauscherelemente so zu konzentrieren, dass die Wände der Kammern der Wärmetauscher, in denen die Wärmetauscherelemente platziert sind, weitgehend von den korrosiv wirkenden Komponenten des Rohgases abgeschirmt sind und deren Niederschlag dort in großem Umfang reduziert, wenn nicht gar im Wesentlichen vermieden wird.
Die Wärmetauscherelemente der vorliegenden Erfindung bieten nicht nur einen hervorragenden Korrosionsschutz, sondern weisen auch sehr gute Wärmetransporteigenschaften auf.
Überraschenderweise hat sich ferner herausgestellt, dass ein dichtendes Anliegen des Dichtrandes an den Oberflächen der Wärmetauscherkammern nicht erforderlich ist, um schon in großem Umfang die Korrosionsneigung zurückzudrängen. Der Dichtrand kann beispielsweise so dimensioniert werden, dass vom Dichtrand zur Kammerwand ein gewisses Spiel von ca. 5 mm oder weniger, bevorzugt ca. 2 mm oder weniger, verbleibt. Der Wabenblock kann zur Wärmetauscherwand einen erheblich größeren Abstand einhalten, beispielsweise ca. 10 mm.
Im Folgenden wird häufig auf den Rotor als Wärmetauscher Bezug genommen, jedoch gelten diese Ausführungen generell auch für Wärmetauscher mit stationärer, nicht rotierender Wärmespeichermasse, auch Stator genannt, mit Kammern zur Aufnahme von Wärmetauscherelementen, auch wenn darauf im Einzelfall nicht hingewiesen wird .
Der Dichtrand der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente wird benachbart zu der Stirnseite des Wärmetauscherelements angeordnet, die der Oberseite des Rotors/Stators (obere Kaltendlage) oder der Bodenseite des Rotors/Stator (untere Kaltendlage) benachbart ist. Erfindungsgemäß können Dichtränder auch an beiden Stirnseiten des Wärmetauscherelements vorgesehen werden. Überraschenderweise hat sich darüber hinaus herausgestellt, dass eine Anordnung eines einzigen Dichtrandes auf der jeweiligen Abstromseite des Wärmetauscherelements seine Aufgabe bestens erfüllt.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements wird der Dichtrand einstückig mit dem Wabenkörper ausgebildet.
Gemäß einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements wird der Dichtrand als separates Bauteil ausgebildet, welches gegebenenfalls mit dem Wabenkörper form-, kraft- oder stoffschlüssig verbunden wird . Des Weiteren lässt sich der Dichtrand an dem Wabenkörper über Befestigungselemente halten.
Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement kann einen Dichtrand aufweisen, welcher eine offene Wabenstruktur umfasst, wobei dann der Dichtrand bevorzugt einstückig mit dem Wabenkörper gefertigt ist. Vorzugsweise wird die Wabenstruktur zumindest partiell mit einem Flächenmaterial, insbesondere einer Folie, im Wesentlichen gasundurchlässig abgedeckt. Alternativ könnte die offene Wabenstruktur durch Verpressen oder durch Verfüllen geschlossen werden.
Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement kann auch einen Dichtrand mit einer kompakten, im Wesentlichen gasundurchlässigen Struktur aufweisen.
Der Dichtrand der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente wird bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, welches insbesondere ausgewählt ist aus dem Kunststoffmaterial des Wabenkörpers und Perfluoralkoxypolymermate- rial (PFA).
Werden die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente in dem Wärmetauscher (Rotor) in der so genannten oberen Kaltendlage eingebaut, wird der Dichtrand bevorzugt so dimensioniert, dass er auf zumindest zwei einander gegenüberliegenden, radial verlaufenden Seitenwänden einer Wärmetauscherkammer aufliegt. Damit kann erreicht werden, dass auch die Stirnseiten dieser Seitenwände geschützt sind . Bevorzugt wird der Dichtrand an zwei gegenüber liegenden Seiten des Wabenkörpers so dimensioniert, dass der Dichtrand an einen Dichtrand eines sich in Umfangsrichtung des Rotors anschließenden Wärmetauscherelements direkt angrenzt, weiter bevorzugt mit diesem überlappt.
Im letzteren Fall wird der Dichtrand der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente bevorzugt im Bereich einer ersten Außenseite des Wabenkörpers mit einem parallel zur Außenseite verlaufenden Rücksprung auf seiner Oberseite und im Bereich einer der ersten Außenseite gegenüber liegenden zweiten Außenseite mit einem komplementären Rücksprung auf seiner Unterseite ausgebildet, der sich parallel zur zweiten Außenseite des Wabenkörpers erstreckt.
Zusätzlich können im Bereich der Rücksprünge der Ober- und Unterseiten des Dichtrandes Formschlusselemente ausgebildet werden, welche eine in Umfangsrichtung des Rotors gesicherte Positionierung der Wärmetauscherelemente im Rotor ermöglichen.
Im Fall der Wärmetauscherelemente mit an zwei gegenüber liegenden Außenseiten komplementär ausgebildeter Geometrie stabilisieren sich die Wärmetauscherelemente in ihrer im Wärmetauscher gegebenen Einbauposition gegenseitig, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmetauschers auf eine Vielzahl von Trennwänden, die sonst jeweils einzelne Aufnahmekammern für die Wärmeelemente bilden, in der Kaltendlage verzichtet werden kann. Dies gilt insbesondere beim Einbau der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente in einer oberen Kaltendlage.
Dies führt nicht nur zu einer erheblichen Verminderung des Korrosionsrisikos, sondern ergibt zusätzlich auch noch eine Gewichtsreduzierung seitens des Wärmetauschers sowie eine Materialersparnis bei dessen Herstellung.
Der Dichtrand kann erfindungsgemäß als Träger für den Wabenkörper ausgebildet werden. Hierzu reicht es aus, wenn der Dichtrand als Träger des Wabenkörpers an zwei gegenüber liegenden Außenseiten des Wabenkörpers mit Auflageflächen ausgebildet ist, die der Abstützung an oder auf einer Wandung, beispielsweise der Wandung einer Aufnahmekammer, des Rotors/Stators des Wärmetauschers dienen.
Bevorzugt werden die Auflageflächen an solchen Außenseiten des Wabenblocks positioniert, welche sich im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung des Wärmetauschers erstrecken.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente können auch mit einer Halterung ausgerüstet sein, in welcher der Wabenkörper aufgenommen ist. Die Halterung kann dabei so dimensioniert werden, dass gegebenenfalls weitere Wärmetauscherelemente mit aufgenommen werden können.
Bei der Auswahl des Kunststoffmaterials ist es bevorzugt, dass dieses einen Kunststoff umfasst, der virginales Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Anteil von ca. 80 Gew.-% oder mehr und gegebenenfalls ein von dem PTFE verschiedenes Hochleistungspolymer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% oder weniger enthält. Hier gelingt es überraschenderweise, Wabenkörper nicht nur unter deutlich weniger anspruchsvollen Herstellungsbedingungen herzustellen als die in der DE 195 12 351 Cl beschriebenen Wabenköper, sondern die Wabenkörper der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente weisen darüber hinaus auch mechanische Festigkeitswerte, insbesondere für die Reißfestigkeit und die Reißdehnung, auf, die erheblich über denen herkömmlich gefertigter Wabenkörpern liegen.
Vorzugsweise kommt als Kunststoff ein virginales PTFE mit einer Schmelzenthalpie von ca. 40 J/g oder mehr zum Einsatz.
Die Dichte von bevorzugten PTFE-Materialien beträgt ca. 2,1 g/cm3 oder mehr.
Das erfindungsgemäß einzusetzende virginale PTFE kann einen Co-Monomeran- teil von ca. 1 Gew.-% oder weniger, bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% oder weniger, aufweisen. Virginale PTFE-Materialien mit einem solchen Co-Monomeranteil sind typischerweise ohne Zusatz von Fremdmaterial (z. B. PFA) schweißbar. Typische Co-Monomere sind Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinylether, Perfluor-(2,2-di- methyl-l,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt das virginale PTFE und gegebenenfalls das von dem PTFE verschiedene Hochleistungspolymer mit einer mittleren Primärpartikelgröße D50 von ca. 10 pm bis ca. 200 pm, bevorzugt ca. 10 pm bis ca. 100 pm, eingesetzt. Mit diesen Partikelgrößen lassen sich bei der Herstellung der Wabenblöcke insbesondere
gute Oberflächeneigenschaften, insbesondere geringe Rautiefen und eine leichte Abreinigbarkeit,
homogene Verteilungen der optional mitzuverarbeitenden Füllstoffe, gute mechanische Eigenschaften, insbesondere hohe Reißfestigkeit und Reißdehnung, und
selbst bei der Anwendung von niedrigen bis mittleren Pressdrücken gute mechanische Eigenschaften
erzielen.
Gesintertes PTFE, und hierzu ist auch PTFE-Regenerat zu zählen, lässt sich aufgrund der geringeren Kristallinität gegenüber virginalen PTFE lediglich mit Partikelgrößen von ca. 400 pm oder größer erhalten.
Vorstehend wird auf die Primärpartikelgröße Bezug genommen, da auch Partikelagglomerate von virginalem PTFE mit erheblich größeren Teilchengrößen verarbeitbar sind, vorausgesetzt die Partikelagglomerate zerfallen bei den Verarbeitungsbedingungen in ihre Primärpartikel . Beispielsweise lassen sich Partikelagglomerate mit Partikelgrößen von 100 pm bis 3000 pm einsetzen, wenn diese bei ca. 150 bar oder weniger in die Primärpartikel zerfallen.
Geeignete Füllstoffe beinhalten sowohl nichtmetallische als auch metallische Füllstoffe, die auch in einer Mischung eingesetzt werden können. Als Füllstoffe kommen nicht nur partikuläre Füllstoffe, sondern auch faserförmige Füllstoffe in Frage. Mit den Füllstoffen lassen sich insbesondere sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Wärmekapazität der erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffma- terialien und gegebenenfalls auch die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente optimieren.
Bevorzugt enthält das Kunststoffmaterial einen nichtmetallischen Füllstoff und/ oder einen metallischen Füllstoff, wobei die mittlere Partikelgröße D50 des jeweiligen Füllstoffes vorzugsweise ca. 100 pm oder weniger beträgt.
Im Hinblick auf die bevorzugte Auswahl der Primärpartikelgröße der erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffe wird die Partikelgröße der Füllstoffe im Hinblick auf die anzustrebende gleichmäßige Verteilung im Kunststoffmaterial ca. 2 pm bis ca. 300 pm, bevorzugt ca. 2 pm bis ca. 150 pm, betragen.
Das Verhältnis der mittleren Partikelgröße D50 der Primärpartikel des Kunststoffs oder der Kunststoffe zu der mittleren Partikelgröße D50 der Füllstoffe liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 1 : 2 bis ca. 2 : 1.
Bevorzugt ist der nichtmetallische Füllstoff mit einem Anteil von bis zu ca.
35 Gew.-% in dem Kunststoffmaterial enthalten. Von dem metallischen Füllstoff können aufgrund seiner höheren Dichte Anteile von bis zu ca. 60 Gew.-% in dem Kunststoffmaterial enthalten sein.
Der gesamte Volumenanteil der Füllstoffe in dem Kunststoffmaterial sollte bevorzugt ca. 50 Vol-% oder weniger betragen, weiter bevorzugt ca. 40 Vol-% oder weniger.
Bevorzugt weist das zu dem Wabenkörper verarbeitete Kunststoffmaterial eine Reißfestigkeit von ca. 10 N/mm2 oder mehr auf, gemessen nach ISO 12086-2 mit einem streifenförmigen Prüfkörper mit einem Querschnitt von 1 x 5 mm2. Die Reißfestigkeit des Kunststoffmaterials des Wabenkörpers beträgt bei diesen streifenförmigen Probekörpern bevorzugt 15 N/mm2 oder mehr, weiter bevorzugt ca. 20 N/mm2 oder mehr, noch weiter bevorzugt ca. 25 N/mm2 oder mehr. Typischerweise wird die Reißfestigkeit ca. 35 N/mm2 oder weniger betragen. Innerhalb des vorstehend definierten Bereichs an Reißfestigkeiten werden mit Kunst- Stoffmaterialien ohne Füllstoffe die höheren Werte und bei Kunststoffmaterialien mit Füllstoffen eher die niedrigeren Werte erzielt.
Bevorzugt beträgt die Reißdehnung des zu dem Wabenkörper verarbeiteten Kunststoffmaterials, gemessen nach ISO 12086-2 an einem streifenförmigen Probekörper mit einem Querschnitt von 1 x 5 mm2, ca. 80 % oder mehr, insbesondere ca. 100 % oder mehr, weiter bevorzugt ca. 150 % oder mehr, am meisten bevorzugt ca. 200 % oder mehr.
Erfindungsgemäß sind Wabenkörper mit sehr gut abreinigbaren Oberflächen erhältlich, wobei hierzu der Mittenrauwert Ra der Oberflächen des Wabenkörpers, gemessen nach DIN EN ISO 1302 in Längsrichtung der Wabenkörperkanäle, ca. 10 m oder weniger, bevorzugt ca. 5 pm oder weniger, beträgt.
Vorzugsweise beträgt im Hinblick auf die Reinigbarkeit die Rautiefe Rz der Oberflächen des Wabenkörpers, gemessen nach DIN EN ISO 1302 in Längsrichtung der Strömungskanäle des Wabenkörpers, ca. 50 pm oder weniger, insbesondere ca. 40 pm oder weniger, bevorzugt ca. 30 pm oder weniger, am meisten bevorzugt ca. 20 pm oder weniger.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente bzw. deren Wabenkörper weisen bevorzugt ein Kunststoffmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca.
0,3 W/(m ■ K) oder mehr auf.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente bzw. deren Wabenkörper weisen bevorzugt ein Kunststoffmaterial mit einer Wärmekapazität von ca.
0,9 J/(g ■ K) oder mehr auf.
Die vorstehend empfohlenen Werte für die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität begünstigen einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauscherelementen und dem durchströmenden Rauchgas sowie die Speicherfähigkeit des Wärmetauscherelements. Gemäß einer bevorzugten Geometrie weisen die Strömungskanäle des Wabenkörpers einen polygonalen, insbesondere einen quadratischen oder hexagonalen, Querschnitt auf.
Die Kanalwände der Strömungskanäle des Wabenkörpers weisen bevorzugt eine Dicke von ca. 0,8 mm bis ca. 2 mm auf.
Die offene Querschnittsfläche der Strömungskanäle eines Wabenkörpers summiert sich vorzugsweise auf ca. 75 % oder mehr der Grundfläche des Wabenkörpers.
Die Wärmetauscherelemente, die der Bestückung der Aufnahmekammern eines Rotors dienen, werden typischerweise in mehreren unterschiedlichen Abmessungen ihrer Grundflächen benötigt. Dies lässt sich einfach dadurch realisieren, dass zunächst Wabenblöcke mit einer geringeren Grundfläche standardmäßig gefertigt und dann zu den größeren Wabenkörpern zusammengefügt werden.
Die Strömungskanalgeometrie kann beispielsweise einen hexagonalen Querschnitt aufweisen mit einer Kantenlänge von ca. 7,2 mm oder mehr.
Die Verbindung der Wabenblöcke zu einem als Ganzes handhabbaren Wabenkörper eines Wärmetauscherelements kann mechanisch, beispielsweise mittels eines Form- oder Kraftschlusses, erfolgen, oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen.
Das Wärmetauscherelement und dessen Wabenkörper können auch in diesem Fall in ihrer Geometrie den Erfordernissen durch Zuschneiden oder Zusägen an- gepasst und insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Strömungskanäle keilförmig ausgebildet werden.
Die bei einem Zuschnitt der Wabenblöcke oder Wabenkörper abgetrennten Teile der Wabenstrukturen lassen sich zur Herstellung weiterer Wärmetauscherelemente ohne Weiteres mit einem Wabenblock in der oben schon beschriebenen Weise verbinden. Die Erfindung betrifft darüber hinaus Wärmetauscher für Rauchgasreinigungsanlagen, welche eine Vielzahl an Wärmetauscherelementen der vorliegenden Erfindung beinhalten.
Bevorzugt weisen die Wärmetauscher einen ringförmigen Aufnahmeraum oder mehrere in Umfangsrichtung aufeinander folgende Ringsegment-artige Aufnahmeräume auf, in denen mehrere der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente aufgenommen sind, wobei die Wärmetauscherelemente in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind.
Bei dieser besonderen Gestaltung der erfindungsgemäßen Wärmetauscher kann eine Vielzahl von ansonsten notwendigen Wänden zur Bildung von Aufnahmekammern für die einzelnen Wärmetauscherelemente im Bereich der Kaltendlage des Wärmetauschers entfallen, wodurch nicht nur in großem Umfang Korrosionsprobleme vermieden werden können, sondern darüber hinaus bei der Fertigung des Wärmetauschers eine Materialersparnis realisiert werden kann und darüber hinaus der Wärmetauscher mit einem erheblich verringerten Gewicht gefertigt werden kann. Dies gilt prinzipiell für die obere und die untere Kaltendlage, wobei allerdings die Umsetzung in der oberen Kaltendlage in einfacher Weise in größerem Umfang realisierbar ist.
Aufgrund der in Umfangsrichtung gegebenen formschlüssigen Verbindung der Wärmetauscherelemente miteinander ist regelmäßig eine ausreichend sichere und genaue Positionierung der Wärmetauscherelemente in dem Wärmetauscher gegeben. Dies gilt insbesondere aufgrund der gegebenen ringförmigen Struktur des Aufnahmeraums und der daraus folgenden, im Wesentlichen trapezförmigen Grundfläche der Wärmetauscherelemente auch für die Positionierung in Radialrichtung .
Bei den Wärmetauscherelementen, die im Rahmen dieser erfindungsgemäßen Wärmetauscher eingesetzt werden, wird vorzugsweise benachbart zu beiden Stirnseiten ein Dichtrand vorgesehen, wobei eine Struktur des Dichtrandes zur formschlüssigen Verbindung des einen Wärmetauscherelements mit einem benachbarten Wärmetauscherelement nur bei einem der Dichtränder, der der obe- ren bzw. der unteren Stirnfläche des Wärmetauscherelements zugeordnet ist, notwendig ist.
Insbesondere ist dann bevorzugt, dass einer der Dichtränder an den Wabenkörper angeformt ist, während der zweite Dichtrand als separates Teil gefertigt ist.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der Zeichnung nachfolgend noch näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen :
Figur 1A eine schematische Darstellung eines Kohle- Kraftwerks mit einer Rauchgasreinigungsanlage;
Figur 1B eine Variante der Rauchgasreinigungsanlage der Figur 1A;
Figuren 2A bis 2C schematische Darstellungen von drei Varianten eines Rotors zur Aufnahme erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente;
Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 2A;
Figuren 4A bis 4D eine schematische Darstellung von zwei miteinander formschlüssig zu verbindenden erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementen;
Figur 5A bis 5C schematische Darstellungen weiterer Varianten eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements;
Figuren 6A und 6B weitere Varianten erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente, die in einer Halterung positioniert zum Einsatz kommen;
Figur 7A eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements beim Einsetzen in eine Rotorkammer; und Figur 7B eine Variante des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements adaptiert an einen modifizierten Rotor.
Figur 1A zeigt eine schematische Darstellung eines Kohlekraftwerks 10 mit einem Brenner 12 und einer Rauchgasreinigungsanlage 14. Der Brenner 12 umfasst einen Kessel 16 mit einem Brennraum 18, dem über eine Brennstoff-Versorgungsleitung 20 Kohle in gemahlener Form und über eine Zuleitung 22 Verbrennungsluft zugeführt werden. Oberhalb des Brennraums 18 ist in dem Kessel 16 ein Dampferzeuger 24 angeordnet, in dem zum Betrieb einer Dampfturbine 26 Wasserdampf erzeugt wird. Die Dampfturbine 26 treibt einen nicht dargestellten Stromgenerator an. Das bei der Verbrennung der Kohle im Brennraum 18 entstehende Rauchgas wird über eine Rauchgasleitung 28 aus dem Kessel 16 abgeführt.
Die Verbrennungsluft wird über die Zuleitung 22 vor dem Einspeisen in den Brennraum 18 des Kessels 16 über einen Wärmetauscher 30 geleitet und dort von dem über die Rauchgasleitung 28 eingespeisten Rauchgas aufgewärmt. Der Wärmetauscher weist einen Zuluftbereich 32 und einen Rauchgasbereich 34 auf. In dem Wärmetauscher 30 sind in vertikaler Richtung gesehen mehrere Temperaturzonen vorhanden, wobei die Zone, bei der die Temperatur des Rauchgases niedriger ist, besonders korrosionsgefährdet ist. Diese Zone wird auch Kaltendlage genannt. Aufgrund der Durchströmung des Wärmetauschers 30 mit dem Rauchgas von oben nach unten befindet sich die Kaltendlage unten.
In dem Wärmetauscher 30 ist ein Rotor 36 mit einem Wärmespeicher- und -über tragungsmedium bestückt vorhanden, das beim Durchfahren des Rauchgasbereichs 34 Wärme von dem dort durchgeleiteten Rauchgas aufnimmt und beim Passieren des gegenüber liegenden Zuluftbereichs 32 die Wärme an die dort hindurch strömende Verbrennungsluft abgibt. Die Temperatur des Rauchgases sinkt beim Durchgang durch den Wärmetauscher 30 beispielsweise von ca. 250 °C auf ca. 160 °C, während sich die Temperatur der Zuluft von Umgebungstemperatur auf beispielsweise ca. 150 °C erhöht. Der Durchmesser des Rotors 36 liegt je nach benötigter Wärmetauscherkapazität häufig im Bereich von 5 m bis 25 m. Das Gewicht eines mit einem Wärmespeicher- und -Übertragungsmedium voll be- stückten Rotors kann je nach Größe 1000 Tonnen und mehr betragen, insbesondere wenn ausschließlich ein herkömmliches, auf emaillierten Stahlblechen basierendes Medium zum Einsatz kommt.
Das abgekühlte Rauchgas wird zur Entstaubung durch die Leitung 29 einem elektrostatischen Partikelabscheider, im Folgenden kurz ESP-Einheit 44 genannt, zugeführt.
Nach der ESP-Einheit 44 wird das aufbereitete (großenteils entstaubte) Rauchgas über eine Leitung 48 einem regenerativen Wärmetauscher 50, auch kurz REGA- VO genannt, zugeführt, in dem das aufbereitete Rauchgas beispielsweise von ca. 160 °C auf eine Temperatur von ca. 90 °C oder niedriger weiter abgekühlt wird.
Der Wärmetauscher 50 enthält einen mit einem Wärmespeicher- und -übertra- gungsmedium bestückten Rotor 52, der die von dem entstaubten Rauchgas abgegebene Wärme aufnimmt, das hierfür durch einen ersten Bereich 54 des Wärmetauschers 50 bzw. durch den Rotor 52 von unten nach oben hindurch geleitet und danach über die Leitung 62 einer Rauchgasentschwefelungsanlage 64 zugeführt wird .
Die Temperatur des entstaubten Rauchgases sinkt beim Durchgang durch den ersten Bereich 54 des Wärmetauschers 50 von beispielsweise ca. 150 °C auf ca. 85 °C bis ca. 90 °C. Bei diesem Wärmetauscher 50 befindet sich die so genannte Kaltendlage 58 oben.
Das aus der Rauchgasentschwefelungsanlage 64 kommende entschwefelte Rauchgas weist immer noch eine Temperatur im Bereich von beispielsweise ca. 40 °C bis ca. 50 °C. Durch die Drehbewegung des Rotors 52 (oder auch einer so genannten Haubenzuführung im Falle der Realisierung mit einem Stator anstelle eines Rotors 52) wird das durch das Rohgas erhitzte Wärmespeicher- und -über- tragungsmedium (u.a. erfindungsgemäße Wärmespeicherelemente) mit dem kühleren Gasstrom des entschwefelten Rauchgases (Reingas) in Kontakt gebracht. Dabei wird das Reingas über die Leitung 66 in den Bereich 56 des Wär- metauschers 50 im Gegenstrom geleitet und dabei auf ca. 90 °C bis ca. 100 °C erwärmt.
Vom Wärmetauscher 50 führt eine Leitung 68 das entschwefelte, wieder erwärmte Rauchgas zum Schornstein 70. Durch die erneute Erwärmung auf ca. 90 °C bis ca. 100 °C weist das Rauchgas einen genügend großen Auftrieb auf, um aus dem Schornstein in die Atmosphäre zu gelangen.
Für die Zulufterwärmung und in Rauchgasentschwefelungsanlagen in dem gezeigten und in einer Vielzahl von anderen Konzepten werden als Wärmetauscher so genannte Ljungström-Gasvorwärmer verwendet, die mit einem Rotor 36 bzw. 52 bestückt sind, die den Wärmetransport vom Rauchgasbereich zum Zuluftbereich bzw. vom ersten in den zweiten Bereich des jeweiligen Wärmetauschers 30 bzw. 50 übernehmen.
Das zuvor geschilderte Prinzip gilt nicht nur für die REGAVO-Anlagen sondern auch für sogenannte APH-Anlagen (air preheater) und sogenannte SCR(selective catalytic reduction)- und SNCR(selective non-catalytic reduction)-Verfahren.
Die Figur 1B zeigt eine Variante der Rauchgasentschwefelungsanlage 14, bei der die von dem Wärmetauscher 50 kommende Leitung 68 zu einem Wärmetauscher 72 führt, an den sich über eine Leitung 74 eine so genannte SCR-Einheit 76 anschließt, welche vorzugsweise noch einen Abschnitt 78 mit einer Rauchgasentsti- ckungsfunktion (DeNOx) beinhaltet. Durch die Leitung 68 wird das entschwefelte Rauchgas, das noch NOx-Anteile enthält, zur Vorheizung durch den Wärmetauscher 72 geleitet. Damit das NOx-haltige entschwefelte Rauchgas die bei dem folgenden SCR-Prozess benötigte Temperatur von ca. 150 °C bis ca. 190 °C erreicht, weist der Wärmetauscher 72 typischerweise eine größere Bauhöhe auf. Die in dem Wärmetauscher 72 eingesetzten Wärmespeicherelemente müssen dabei eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, da überschüssiger Ammoniak mit vorhandenem Schwefeltrioxid und Wasser reagiert und Ammoniumbisulfat bildet. Zusammen mit in dem Rauchgas noch enthaltener Flugasche bildet das Ammoniumbisulfat einen klebrigen Niederschlag, der sich auf allen Rotor-/Stator- teilen ablagert und regelmäßig ausgewaschen werden muss. Der Wärmetauscher 72 beinhaltet einen Rotor 84, in dessen Kaltendlage 86 wiederum erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente angeordnet sind .
Einen Wärmetauscher zeigt Figur 2A schematisch in Form des scheibenförmigen Rotors 100, dessen Durchmesser 20 m und mehr betragen kann. Das Volumen des scheibenförmigen Rotors 100 ist von einer zylindrischen Außenwand 102 begrenzt und in eine Vielzahl von Kammern 104, 105, 106, 107, 108, 109 mit im Wesentlichen trapezförmigem Grundriss unterteilt. Die Unterteilung erfolgt einerseits mittels mehrerer radial verlaufender Trennwände 110, 112 und andererseits mittels konzentrisch zur Außenwand ausgebildeter Zylinderwände 114, 115, 116, 117, 118 und der Innenwand 119.
Die Kammern 104, 105, 106, 107, 108, 109 lassen sich mit austauschbaren, in der Größe angepassten erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementen 130 bestücken, die in diesem Ausführungsbeispiel in einer oberen Kaltendlage angeordnet sind . Solche Wärmetauscherelemente 130 weisen einen Wabenkörper 132 auf, der mit einer Vielzahl von Strömungskanälen 152 durchsetzt ist, die parallel zur Axialrichtung des Rotors 100 verlaufen, wie dies noch näher anhand der Figur 3 erläutert werden wird.
Im vorn gezeigten Bereich des Rotors 100 sind Kammern 104 in partiell aufgebrochener Darstellung gezeigt, wobei am unteren Ende der Kammerwandungen 110 in einer Variante Stützleisten 103 vorhanden sind, auf denen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente in unterer Kaltendlage aufgesetzt werden können. In einer weiteren Alternative können die Wärmetauscherelemente auch mit blockförmigen Halteelementen 169 in der unteren Kaltendlage gehalten sein.
In einer weiteren Variante können die Wärmetauscherelemente in speziellen Halterungen zusammen mit einem anderen Typ Wärmetauscherelement aufgenommen sein und über die Stützleisten 103 bzw. die blockförmigen Halteelemente 169 in der Kammer fixiert werden, wie dies im Folgenden anhand der Figuren 6A, 6B und 7 noch näher erläutert werden wird. Die Figur 2B zeigt einen Rotor 100', der in seinem unteren Bereich (Warmendlage), der sich beispielsweise über ca. zwei Drittel der Höhe des Rotors 100' erstreckt, in Aufnahmekammern 104', 105', 106', 107', 108', 109' unterteilt ist, über radial und in Umfangsrichtung verlaufende Trennwände 110', 112' sowie von konzentrisch zur Außenwand 102' ausgebildete Zylinderwände 114', 115', 116', 117', 118' und die Innenwand 119'.
Das obere Drittel des Volumens des Rotors 100' (obere Kaltendlage) wird zum Einen über die Außenwand 102' sowie die zylindrische Innenwand 119' begrenzt. Dieser ringförmige Raum wird lediglich durch vier radial verlaufende Wände 122', 123', 124', 125' mit derselben Höhe wie die Innenwand 119' und die Außenwand 102' in vier Ringsegmente unterteilt. In diesen Ringsegmenten wird jeweils eine Vielzahl erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente aufgenommen, wie sie im Folgenden noch beschrieben werden, die vorzugsweise über Formschlusselemente an ihren in Umfangsrichtung aneinander grenzenden Dichträndern miteinander verbunden sind.
Diese Variante des Rotors 100' bedeutet einen erheblich geringeren Materialeinsatz bei der Fertigung des Rotors bzw. von dessen Aufnahmekammern, so dass der Rotor selbst schon ein geringeres Gewicht aufweist.
Darüber hinaus entfällt eine Vielzahl von Trennwänden im Kaltendlage-Bereich des Rotors 100', so dass auch die dort in größerem Umfang auftretenden Korrosionserscheinungen vermieden werden können.
Eine weitere Variante eines Rotors 100" ist in Figur 2C gezeigt, der ähnlich wie der Rotor 100' in der Figur 2B aufgebaut ist, bei dem das mit Wärmetauscherelementen zu füllende Rotorvolumen zum Einen von der Außenwand 102" und der zylindrischen Innenwand 119" begrenzt wird. In den unteren zwei Dritteln des Volumens des Rotors 100" ist die Aufteilung des Rotorvolumens in Aufnahmekammern wie aus den Figuren 2A und 2B ersichtlich beibehalten, wobei wiederum die in Umfangsrichtung bzw. radial verlaufenden Trennwände 114", 115", 116", 117", 118", 110", 112" zum Einsatz kommen. Die dadurch gebildeten Aufnahmekammern 104", 105", 106", 107", 108" und 109" nehmen Wärmetau- scherelemente für den Warmendlagebereich auf, wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 2A und der Figur 2B beschrieben.
Oberhalb dieser Aufnahmekammern 104", 105", 106", 107", 108" und 109" befinden sich wieder in großem Umfang Trennwand-freie ringförmige Bereiche, die lediglich durch radiale Trennwände 122", 123", 124" und 125" in vier Ringsegmente unterteilt sind, analog wie dies im Zusammenhang mit der Figur 2B beschrieben wurde.
Zusätzlich ist bei dem Rotor 100" der Figur 2C die zylindrische Trennwand 116" mit gleicher Höhe wie die Außenwand 102" und die Innenwand 119" ausgebildet, so dass sie die zwischen den radialen Trennwänden 122", 123", 124" und 125" befindlichen Ringsegmente nochmals in Radialrichtung in zwei Bereiche aufteilt.
Die Ausgestaltung dieser kreisförmigen Trennwand 116" dient dazu, ähnlich wie dies auch für die radialen Trennwände 122", 123", 124" und 125" gilt, insbesondere bei großen Rotor-Abmessungen die mechanische Stabilität desselben zu verbessern.
Bei sehr kleinen Rotoren kann im Prinzip auf die zusätzliche Funktion der kreisförmigen Trennwand 116" sowie auch auf die der radialen Trennwände 122", 123", 124" und 125" verzichtet werden, so dass ein einziger ringförmiger Raum zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente in der Kaltendlage vorhanden ist.
Werden erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente, die in Umfangsrichtung einerseits formschlüssig verbindbar sind, eingesetzt, ergibt sich bei einem bevorzugt Trapez-förmigen Grundriss andererseits nach einer Bestückung des Rotors/ Stators zusätzlich eine exakte Positionierung der einzelnen Wärmetauscherelemente, die den Verzicht auf die Trennwände zur Bildung einzelner Aufnahmekammern für die einzelnen Wärmetauscherelemente ermöglicht.
Die in den Rotoren 100' und 100" einzusetzenden Wärmetauscherelemente weisen bevorzugt im Bereich beider Stirnseiten einen Dichtrand auf, von denen der obere Dichtrand bevorzugt einstückig mit dem Wabenkörper der Wärmetauscherelemente ausgebildet ist. Der untere Dichtrand kann, wie dies im Einzelnen noch im Zusammenhang mit der Beschreibung der Figur 7B erläutert wird, zur Abdeckung der oberen Stirnseiten der Trennwände im Bereich des Übergangs von der Warm- zur Kaltendlage dienen.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Rotor 100, bei dem ein Teil der Kammern 105 mit Wärmetauscherelementen 130 bestückt ist. Die Wärmetauscherelemente 130 weisen einen Wabenkörper 132 auf, der an seinen vier Außenseiten 134, 135, 136, 137 auf der Höhe seiner oberen Stirnseite 138 mit einem umlaufenden Dichtrand 140 versehen ist, der einstückig mit dem Wabenkörper 132 und in seiner Grundstruktur ebenfalls wabenförmig ausgebildet ist. Somit kann das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement 130 in Form des Wabenköpers 132 und der Grundstruktur des Dichtrands 140 einstückig aus einem entsprechend größer dimensionierten Wabenblock gefertigt werden. Bei der Anordnung der Wärmetauscherelemente 130 in einer oberen Kaltendlage wie in Figur 3 gezeigt kann der Dichtrand 140 eine weitere Funktion übernehmen, nämlich die eines Trägers des Wärmetauscherelements 130. Für die Halterung und Positionierung der Wärmetauscherelemente 130 in der oberen Kaltendlage in dem Rotor 100 ist der an den Wabenkörper angeformte Dichtrand 140 ausreichend stabil .
Um eine ausreichende Dichtwirkung zu erzielen, muss die wabenförmige Grundstruktur des Dichtrands 140 noch gasundurchlässig abgedeckt werden. Dies kann sehr einfach mit einem Flächenmaterial, das auf die Grundstruktur des Dichtrandes 140 aufgebracht wird, geschehen. Eines der bevorzugten Flächenmaterialien ist eine Folie aus Kunststoffmaterial, beispielsweise PTFE. Das Flächenmaterial lässt sich bei Bedarf mit der Grundstruktur durch Kleben oder Schweißen verbinden.
Alternativ könnte die wabenförmige Grundstruktur des Dichtrandes 140 verpresst oder auch gasundurchlässig mit einem Füllmaterial verfüllt werden (nicht gezeigt). Wie aus der Figur 3 ersichtlich, ist der Dichtrand 140 so ausgebildet, dass er, nachdem ein Wärmetauscherelement 130 von oben in eine Rotorkammer eingesetzt worden ist, die Oberseite der die Rotorkammer umgebenden Rotorwände (hier z. B. die Rotorwände 110, 114 und 116 der Rotorkammer 105) bedeckt und diese Oberseiten ebenfalls von den Korrosivstoffen des Rauchgases abschirmt. Figur 3 zeigt das Einsetzen eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes 130 in mehreren Phasen.
Bevorzugt wird der Dichtrand 140 an zwei gegenüber liegenden Außenseiten des Wabenkörpers 132 an der Oberseite und an der Unterseite mit jeweils einem Rücksprung 142, 144 versehen, so dass die Dichtränder 140 von zwei in Um- fangsrichtung des Rotors benachbarten Wärmetauscherelementen 130 einander in einer ebenen Konfiguration überlappen können.
Überraschenderweise entfaltet der Dichtrand 140 seine Schutzwirkung für das Material der Rotorwände, obwohl er nicht auf der Anströmseite des Wärmetauscherelements 130 sondern auf der Abströmseite angeordnet ist, da aufgrund des Dichtrandes 140 der Strömungsverlauf auf die Strömungskanäle der Wabenkörper 132 beschränkt wird .
Um eine in Umfangsrichtung besonders genaue Positionierung benachbarter erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente 130 zu erzielen, wird weiter bevorzugt, wie insbesondere in den Figuren 4A bis 4D im Einzelnen ersichtlich, der Dichtrand 140 im Bereich der Rücksprünge 142, 144 mit komplementären Formschlusselementen ausgebildet. Diese können beispielsweise als nutenförmige Rücksprünge 146 bzw. leistenförmige Vorsprünge 148 realisiert werden, wie dies im Einzelnen in den Figuren 4A bis 4D gezeigt ist.
So zeigt Figur 4A zwei Wärmetauscherelemente 130 seitlich aufeinander ausgerichtet kurz vor der Verbindung über die Dichtränder 140 an ihren Außenseiten 134 bzw. 136. Der Dichtrand 140 weist in seinem entlang der Außenseite 134 verlaufenden Abschnitt an seiner Oberseite einen Rücksprung 142 auf, während in seinem entlang der Außenseite 136 verlaufenden Abschnitt an der Unterseite ein Rücksprung 144 ausgebildet ist. Die Rücksprünge 142, 144 erstrecken sich vorzugsweise entlang dem jeweiligen gesamten Abschnitt des Dichtrands 140.
Dies wird auch in der Draufsicht der Figur 4B und der Seitenansicht der Figur 4C deutlich, in denen zwei Wärmetauscherelemente 130 miteinander verbunden dargestellt sind.
Figur 4D schließlich zeigt eine Einzelheit der sich überlappenden Dichtränder 140 in vergrößerter Darstellung, in der die Formschlusselemente 146 und 148 deutlich in ihrer Kooperation zu sehen sind . In dieser Figur ist auch die zwischen den Rücksprüngen 142, 144 platzierte Folie 150 als gasundurchlässiges Flächenelement klar ersichtlich. Für die gasundurchlässige Abdeckung ist es in der Regel ausreichend, nur eine Folienlage vorzusehen, die entweder beim Zusammenbau zwischen den Dichträndern 140 benachbarter Wärmetauscherelemente 130 eingelegt werden kann oder die vor dem Zusammenbau an dem Dichtrand 140 nur eines der Wärmetauscherelemente 130 (z. B. durch Kleben oder Schweißen) befestigt ist. In Figur 4B ist dies am jeweils links im Bild gezeigten Dichtrand 140 der Fall.
Die Folie 150 wird, auch wenn sie lediglich zwischen den überlappenden Dichträndern 140 der benachbarten Wärmetauscherelemente 130 eingelegt wird, ausreichend fest allein durch das Eigengewicht der Wärmetauscherelemente 130 fixiert, die sich mit ihren Dichträndern 140 auf den Rotorwandungen 110 abstützen.
Die Wabenkörper 132 weisen eine Vielzahl paralleler Strömungskanäle 152 auf, die sich von einer Stirnseite 138 zur gegenüber liegenden Stirnseite erstrecken. Die Querschnittsfläche der Strömungskanäle 152 ist bei den gezeigten Ausführungsbeispielen hexagonal . Bei einer Strömungskanalwanddicke von 1,2 mm ergibt sich bei einem Abstand der einander gegenüber liegenden Strömungskanalwände von 14,3 mm (Ausdehnung der Kanalwände jeweils ca. 7,2 mm) ein freier Querschnitt für das Durchströmen von Gasen durch den Wabenkörper 132 von ca. 83 % bezogen auf die Grundfläche des Wabenkörpers 132. Die spezifische Oberfläche ergibt sich zu ca. 150 m2/m3. Aus produktionstechnischen Gründen werden die Wärmetauscherelemente bzw. deren Wabenkörper häufig nicht als ein Block hergestellt, sondern es werden je nach der benötigten Größe zunächst mehrere, beispielsweise zwei oder vier, quaderförmige Wabenblöcke hergestellt und miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt, und dann werden durch Zuschneiden in die benötigte Trapez- oder Keilform die Wärmetauscherelemente 130 hergestellt.
Eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements 130' zeigen die Figuren 5A bis 5C.
Bei dieser Ausführungsform sind der Wabenkörper 132' und der Dichtrand 140' jeweils als separate Bauteile gefertigt, die vor oder auch bei der Montage der Wärmetauscherelemente 130' in der Aufnahmekammer des Rotors zusammengefügt werden können. Der separat hergestellte Dichtrand 140' wird, wie in den Figuren 5A bis 5C gezeigt, typischerweise mit einer kompakten, gasundurchlässigen Struktur gefertigt.
Die Ausführungsbeispiele der Figuren 5A bis 5C zeigen ein Wärmetauscherelement 130', das wiederum für eine obere Kaltendlage konzipiert ist. Der Wabenkörper 132' weist zur Aufnahme des Dichtrands 140' in formschlüssiger Weise einen an den Außenseiten 134', 135', 136' und 137' umlaufenden Rücksprung 160 ausgehend von der oberen Stirnseite 138' auf.
Figur 5A zeigt die beiden separat gefertigten Bauteile, d .h. den Wabenkörper 132' und den Dichtrand 140' vor dem Zusammenbau, während die beiden Bauteile in Figur 5B im zusammengesetzten Zustand gezeigt sind.
Um eine Funktion als Träger zu erfüllen, sollte der Dichtrand 140' bevorzugt zusätzlich zu der formschlüssigen Verbindung noch stoffschlüssig mit dem Wabenkörper 132' verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. Alternativ zu der stoffschlüssigen Verbindung kann auch eine Fixierung unter Verwendung von Befestigungsmitteln geschehen, wie an einem Beispiel in Figur 5C gezeigt. Dort sorgen vier Haltebolzen 162, die beispielsweise in einem Strömungskanal 158' verklebt oder verschraubt sein können, für einen sicheren Halt der Dichtränder 140', so dass diese auch eine Funktion als Träger für das Wärmetauscherelement 130' übernehmen können.
Die Ausgestaltung des Dichtrands an zwei gegenüber liegenden Abschnitten bzw. Außenseiten des Wabenkörpers 132' erfolgt ähnlich wie bei dem Dichtrand 140 der Wärmetauscherelemente 130. Der Dichtrand 140' weist demzufolge auf einer Seite 134' des Wabenkörpers 132' an seiner Oberseite einen Rücksprung 142' auf, während auf der gegenüber liegenden Seite 136' des Wabenkörpers 132' der Dichtrand einen Rücksprung 144' auf seiner Unterseite aufweist. Die Dichtrandabschnitte benachbarter Wärmetauscherelemente 130' können mit den Rück- sprüngen 142' und 144' überlappend in dem Rotor aufgenommen werden.
Gleichzeitig ergibt sich hierdurch wiederum die Möglichkeit, den Dichtrand 140' als Träger für die Wärmetauscherelemente 130' zu nutzen, wobei eine plane Oberseite des bestückten Rotors gewährleistet wird.
Für eine präzise Positionierung der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente 130' in Umfangsrichtung des Rotors dienen auch hier vorzugsweise Formschlusselemente 146', 148', die ähnlich denen des Dichtrandes 140 des Wärmetauscherelements 130 ausgebildet sind, so dass auf dessen Beschreibung Bezug genommen werden kann.
Die Figur 6A zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements 200, welches zusätzlich zu einem Wabenkörper 202 und einem Dichtrand 204 eine Halterung 206 aufweist. Die Halterung weist bevorzugt eine Käfig-artige Rahmenstruktur auf, wie sie beispielsweise in der Figur 6A gezeigt ist.
Hierbei wird die Halterung 206 bevorzugt so bemessen, dass sie sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Rotors 100 (vgl . Figur 2A) erstreckt und neben dem Wabenkörper 202 in Durchströmrichtung des Rotors gesehen eine weitere Wärmetauscherkomponente (nicht gezeigt) für die Warmendlage auf das Wärmetauscherelement 200 ausgerichtet aufnehmen kann. Der Dichtrand 204 des Wärmetauscherelements 200 kann, im Falle dass es in einer oberen Kaltendlage zum Einsatz kommt, wieder als Träger für das Wärmetauscherelement 200 als Ganzes ausgebildet werden, der sich an den Stirnseiten der Rotorwandungen 110 abstützt. Bevorzugt werden hier der Wabenkörper 202 und der Dichtrand 204 als separate Bauteile gefertigt, wodurch der Zusammenbau, insbesondere auch die Integration einer unterhalb des Wabenkörpers 202 angeordneten weiteren Wärmetauscherkomponente, in einfacher Weise bewerkstelligt werden kann.
Für die Fixierung des Dichtrandes 204 an dem Wabenkörper 204 stehen wieder die im Zusammenhang mit den Figuren 5A bis 5C beschriebenen Techniken zur Verfügung . Alternativ kann der Dichtrand auch an der Halterung 206 fixiert werden. Auch dies kann stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig erfolgen.
Alternativ kann das Wärmetauscherelement 200 auch über die Halterung 206 in einer Rotorkammer gehalten werden, welches sich dabei auf Stützleisten 103 oder blockförmigen Halteelementen 169 (vgl . Figur 2A) abstützt.
In Figur 6B ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements 220 mit einem Wabenkörper 222, einem Dichtrand 224 und einer Halterung 226 gezeigt.
Bei dem Wärmetauscherelement 220 kommt der Wabenköper 222 im Rotor 100 in einer unteren Kaltendlage zum Einsatz. Beispielsweise stützt sich dann der Dichtrand 224 an Stützleisten 103 oder blockförmigen Halteelementen 169 (vgl . Figur 2A) in der jeweiligen Rotorkammer ab. Der Wabenkörper 222 ist in der Figur 6B noch in einer angehobenen Position dargestellt. Der Wabenkörper 222 sitzt in seiner endgültigen Position auf Querstegen 228, 229 der Halterung 226 auf.
Der Dichtrand 224 ist hier unten an der Halterung 226 angeordnet und gegebenenfalls an dieser fixiert, so dass das Wärmetauscherelement 220 als Ganzes gehandhabt werden kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, den Dichtrand 224 als separat handhabbares Element auszubilden, welches bei der Montage des Wärmetauscherelements 220 zunächst allein in einer Rotorkammer eingesetzt wird . Erst danach werden die weiteren Bestandteile des Wärmetauscherelements 220, d .h. der in der Halterung 226 installierte Wabenkörper 222, gegebenenfalls gemeinsam mit einer weiteren Wärmetauscherkomponente (nicht gezeigt), in die Rotorkammer eingesetzt.
Der Dichtrand 224 weist deshalb in beiden Fällen bevorzugt an seiner Unterseite Aussparungen 230, 231 auf, in die die Stützleisten 103 oder die blockförmigen Halteelemente 169 bei der Montage eingreifen.
Der Dichtrand 224 selbst ist, da als separates Bauteil hergestellt, vorzugsweise mit einer kompakten, im Wesentlichen gasdichten Struktur gefertigt.
Figur 7A zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements 250 mit einem Wabenkörper 252 und einem Dichtrand 254 zur Montage in einer unteren Kaltendlage des Rotors 100 (vgl . Figur 2A).
Die Rotorkammer 104 weist an ihrem unteren Rand auf gegenüber liegenden Seiten die schon im Zusammenhang mit der Figur 2A beschriebenen blockförmigen Halteelemente 169 auf, an deren Stelle selbstverständlich auch anders ausgebildete Halteelemente, beispielsweise die in der Figur 2A ebenfalls dargestellten Stützleisten 103, zum Einsatz kommen können.
Figur 7A zeigt den Dichtrand 254 noch in angehobener Position oberhalb des unteren Randes der Rotorkammer 104 und der Halteelemente 169. Gemäß einer Variante bleibt der Dichtrand als separat handhabbares Teil erhalten und wird zuerst in die Rotorkammer 104 eingesetzt. Erst danach wird der Wabenkörper 252 auf dem Dichtrand 254 platziert. Eine feste Verbindung zwischen dem Dichtrand 254 und dem Wabenkörper 252 kann entfallen, da die Positionierung des Wabenkörpers 252 auf dem Dichtrand 254 bereits durch das Eigengewicht des Wabenkörpers 252 ausreichend gasundurchlässig ausfällt. Der Dichtrand 254 weist an einander gegenüber liegenden Abschnitten an der Unterseite Aussparungen 258, 259 auf, in die die Halteelemente 169 eingreifen können.
Alternativ kann der Dichtrand 254 mit dem Wabenkörper 252 schon vor oder auch nach der Montage in der Rotorkammer 104 verbunden werden, wobei wiederum eine stoffschlüssige, eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung gewählt werden kann, insbesondere auch die Varianten, die im Zusammenhang mit den Figuren 5A bis 5C beschrieben wurden.
Überraschenderweise entfaltet auch hier der Dichtrand 254 wieder seine Schutzwirkung für das Material der Rotorwände, obwohl er nicht auf der Anströmseite des Wärmetauscherelements 250, sondern auf der Abströmseite des Rotors 100 angeordnet ist.
Die Figur 7B schließlich zeigt eine Einbausituation für erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente 250 in einer oberen Kaltendlage in einem Rotor 100' oder 100", bei dem durch die Außenwand 102', 102" und (hier nicht gezeigte) radiale Trennwände sowie die Innenwand ring- oder Ringsegment-förmige Aufnahmebereiche für die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente 250 gebildet sind .
Im unteren Bereich (ca. zwei Drittel der Höhe der Rotoraußenwand 102', 102") sind noch einzelne Aufnahmekammern 104', 104", 105', 105" etc. vorhanden, die von radial verlaufenden Trennwänden 110', 110" und in Umfangsrichtung verlaufenden Trennwänden 114', 114" bzw. 115', 115" etc. gebildet werden.
In der Kaltendlage kommen wiederum erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente zum Einsatz, die hier in Form der Wärmetauscherelemente 260 mit einem Wabenkörper 262 und einem Dichtrand 264 zum Einsatz kommen, wobei der Dichtrand 264 vorzugsweise als separat handhabbares Bauteil ausgebildet ist.
Der Wabenkörper 262 weist an seiner unteren Stirnseite einen ringsum laufenden Rücksprung 266 auf, der in den Dichtrand 264 eingesetzt werden kann. Der Dichtrand 264 wiederum ist an zwei gegenüber liegenden Seiten in Umfangs- richtung des Rotors 100', 100", mit einer Konfiguration mit Rücksprüngen auf der Oberseite bzw. der Unterseite ausgebildet, welche zusätzlich noch mit Formschlusselementen, hier der Einfachheit halber insgesamt mit dem Bezugszeichen 274 angedeutet, versehen sind .
Hier können dieselben Prinzipien zum Einsatz kommen wie bei den Dichträndern 140' im Rahmen der Figuren 5A und 5B beschrieben, so dass auf die näheren Ausführungen der Figurenbeschreibung der Figuren 5A und 5B verwiesen werden kann.
Vorzugsweise weisen die Wärmetauscherelemente 260 an ihrer oberen Stirnseite zusätzlich Dichtränder (nicht gezeigt) auf, die aneinander angrenzend an der Oberseite des Wärmetauschers 100', 100" eine im Wesentlichen geschlossene Struktur zwischen benachbarten Wärmetauscherelementen 260 ergeben.
Diese an der Oberseite angeordneten Dichtränder sind vorzugsweise einstückig mit dem Wabenkörper 262 ausgebildet, so dass sich die Handhabung der Wärmetauscherelemente 260 beim Einbau in den Rotor 100', 100" vereinfacht.
Wie aus der Figur 7B ersichtlich, können in Umfangsrichtung konzentrisch angeordnete Ringe von Wärmetauscherelementen 260 in dem Rotor 100', 100" untergebracht werden, die eine exakte Positionierung beibehalten zum Einen aufgrund der speziellen Struktur der Dichtränder 264, zum Anderen aber auch aufgrund der trapezförmigen Grundrissgestaltung der Wärmetauscherelemente 260.
Wandelemente, wie sie in anderen Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen, um einzelne Aufnahmekammern für die Wärmetauscherelemente 260 zu bilden, sind, wie aus diesem Ausführungsbeispiel ersichtlich, offensichtlich nicht erforderlich, so dass sich die Ausbildung von Kammern innerhalb der Rotoren 100', 100" auf den Bereich der so genannten Warmendlage beschränken kann und somit eine erhebliche Materialeinsparung, in der Folge auch eine Gewichtseinsparung, ergibt. Darüber hinaus sind, wie weiter oben schon beschrieben, die Risi- ken für das Korrodieren des Rotors 100', 100" bzw. von dessen Bestandteilen deutlich reduziert.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente müssen aufgrund des Eintrags korrosiver Gase und Aschepartikel durch das Rauchgas - auch in dessen aufbereiteter, entstaubter Form - regelmäßig gereinigt werden, so dass die einfache und sichere Handhabung dieser Elemente einerseits, aber auch die einfache Reinigung der Wabenstruktur andererseits von großer Bedeutung ist. Die Reißfestigkeit und die Reißdehnung (gemessen nach ISO 12086-2) der Wabenkörper- wände sowie deren Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Chemikalienbeständigkeit und die Rauigkeit, gemessen als Rautiefe und Mittenrauwert (gemessen nach DIN EN ISO 1302), spielen dabei eine große Rolle.
Auch die Wärmebeständigkeit des PTFE-Materials ist von Bedeutung im Hinblick auf die bei den Wärmetauschern auftretenden Temperaturen der Rauchgase von beispielsweise ca. 250 °C.
Für die Effektivität des die Wärmetauscherelemente beinhaltenden Rotors bei der Wärmeübertragung von dem einen Gasstrom auf den jeweils im Gegenstrom zugeführten Gasstrom sind die Parameter der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Wärmespeicher- und -Übertragungsmedien von entscheidender Bedeutung.
Die vorliegende Erfindung trägt auch diesen Gesichtspunkten Rechnung durch die Auswahl der Kunststoffmaterialien und gegebenenfalls der Füllstoffe zur Herstellung der Wärmeaustauscherelemente bzw. der für die Herstellung derselben angefertigten Wabenblöcke.

Claims

Patentansprüche
Wärmetauscherelement zur Bestückung von Wärmetauschern von Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken, wobei das Wärmetauscherelement einen blockförmigen Wabenkörper mit vier Außenseiten und zwei im Wesentlichen parallelen Stirnseiten und einen Dichtrand umfasst, wobei der Wabenkörper aus einem Kunststoffmaterial mit einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter Strömungskanäle, die über Kanalwände voneinander getrennt sind, ausgebildet ist, wobei sich die Strömungskanäle von der einen zur anderen Stirnseite erstrecken, und wobei der Dichtrand im Bereich einer der Stirnseiten und im Wesentlichen parallel zu dieser Stirnseite angeordnet ist und sich am Umfang des Wabenkörpers von diesem weg erstreckt.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand einstückig mit dem Wabenkörper ausgebildet ist.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand als separates Bauteil ausgebildet ist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand eine offene Wabenstruktur aufweist, welche zumindest partiell mit einem Flächenmaterial im Wesentlichen gasundurchlässig abgedeckt ist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand eine kompakte, im Wesentlichen gasundurchlässige Struktur aufweist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand direkt mit dem Wabenkörper mittels Form- und/oder Kraftschluss oder stoffschlüssig verbunden ist oder mittels Befestigungselementen an dem Wabenkörper gehalten ist.
7. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, welches insbesondere ausgewählt ist aus dem Kunststoffmaterial des Wabenkörpers und PFA.
8. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand im Bereich einer ersten Außenseite des Wabenblocks einen im Wesentlichen parallel zur Außenseite verlaufenden Rücksprung auf seiner Oberseite und im Bereich einer zweiten, der ersten Außenseite des Wabenkörper gegenüber liegenden Außenseite mit einem komplementären Rücksprung auf seiner Unterseite ausgebildet ist.
9. Wärmetauscherelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand im Bereich der Rücksprünge mit komplementären Formschlusselementen ausgestattet ist.
10. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand als Träger für den Wabenkörper ausgebildet ist.
11. Wärmetauscherelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand als Träger des Wabenkörpers an zwei gegenüber liegenden Außenseiten des Wabenblocks mit Auflageflächen ausgebildet ist, zur Ab- stützung an oder auf einer Wandung einer Aufnahmekammer des Wärmetauschers.
12. Wärmetauscherelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen des Dichtrandes an solchen Außenseiten des Wabenkörpers positioniert sind, welche sich im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung des Wärmetauschers erstrecken.
13. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement eine Halterung umfasst, in welcher der Wabenkörper aufgenommen ist.
14. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial einen Kunststoff umfasst, der virginales Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Anteil von ca.
80 Gew.-% oder mehr und gegebenenfalls ein von dem PTFE verschiedenes Hochleistungspolymer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% oder weniger enthält, wobei bevorzugt das virginale PTFE einen Co-Monomeranteil von ca. 1 Gew.-% oder weniger, weiter bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% oder weniger, aufweist.
15. Wärmetauscherelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das virginale PTFE und gegebenenfalls das von dem PTFE verschiedene Hochleistungspolymer eine mittlere Primärpartikelgröße D50 von ca. 10 pm bis ca. 200 pm, bevorzugt ca. 10 pm bis ca. 100 pm, aufweist.
16. Wärmetauscherelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert Ra der Oberflächen des Wabenkörpers, gemessen in Längsrichtung der Wabenblockkanäle, ca. 10 pm oder weniger, insbesondere 5 pm oder weniger, beträgt und/oder dass die Rautiefe Rz der Oberflächen des Wabenblocks, gemessen in Längsrichtung der Strömungskanäle des Wabenblocks, ca. 50 pm oder weniger, insbesondere ca. 40 pm oder weniger, bevorzugt ca. 30 pm oder weniger, weiter bevorzugt ca. 20 pm oder weniger, beträgt.
17. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial einen nichtmetallischen Füllstoff und/oder einen metallischen Füllstoff umfasst, wobei die Partikelgröße D50 des jeweiligen Füllstoffes vorzugsweise ca. 100 pm oder weniger beträgt, und dass vorzugsweise der nicht-metallische Füllstoff mit einem Anteil von ca. 35 Gew.-% oder weniger, und/oder der metallische Füllstoff mit einem Anteil von ca. 60 Gew.-% oder weniger, in dem Kunststoffmaterial enthalten ist.
18. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Wabenblocks eine Wärme- leitfähigkeit von ca. 0,3 W/(m-K) oder mehr aufweist und/oder dass das Kunststoffmaterial des Wabenblocks eine Wärmekapazität von ca.
0,9 J/(g - K) oder mehr aufweist.
19. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände der Strömungskanäle des Wabenkörpers eine Dicke von ca. 0,8 mm bis ca. 2 mm aufweisen.
20. Wärmetauscher für Rauchgasreinigungsanlagen, umfassend eine Vielzahl an Wärmetauscherelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
21. Wärmetauscher nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher einen ringförmigen Aufnahmeraum oder mehrere Ring- segment-förmige Aufnahmeräume umfasst, in denen mehrere Wärmetauscherelemente aufgenommen sind, wobei die Wärmetauscherelemente in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind.
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