NL8103849A

NL8103849A - Warmte-accumulatiemassa voor regeneratieve warmte-uitwisseling.

Info

Publication number: NL8103849A
Application number: NL8103849A
Authority: NL
Original assignee: Steinmueller Gmbh L & C
Priority date: 1980-10-14
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1982-05-03
Also published as: FR2491941B1; JPS5770393A; ZA815731B; FI812741L; GB2086032B; FR2491941A1; US4408659A; GB2086032A; DE3038723A1; SE8104838L; DE3038723C2

Description

W* ·χβ ' % * -1- vo 2182

Warmte-ac cumulatiemass a voor regeneratieve warmt e-uitvi s s eling

De uitvinding betreft een warmt e-ac cumulatiemas sa voor regeneratieve warmte-uitwisseling tussen fluïde media. De bekende varmte-accumulatie- resp. overdrachtsmassa' s voor regeneratoren zijn overwegend homogene of microheterogene, vaste stoffen. Als materialen 5 worden metalen, legeringen daarvan, keramische massa's en sinter-materialen toegepast. Met het oog op de voor wanmte-accumulatie-massa's essentiële fysische, chemische en verwerkingstechnische eigenschappen, zoals specifieke warmtecapaciteit, warmtegeleidings-vermogen, bestendigheid tegen temperaturen en temperatuurwisselingen, 10 eorrosiebestendigheid, chemische passiviteit en probleemloze reinigings-mogelijkheid zijn bij de tot dusverre bekende massa's dikwijls ingrijpende compromissen nodig.

Zi hebben deze bekende massa's een betrekkelijk geringe varmtecapaciteit, waardoor voor het bereiken van een hoog vermogen 15 de toepassing van grote massa's nodig wordt. Principieel is het, ter verhoging van de varmtecapaciteit mogelijk, materialen met een hoog varmte-accumulerend vermogen te cmsluiten met de bovengenoemde materialen, zoals bij voorbeeld bij de zogenaamde latente varmte-accumulatoren bekend is. Bij toepassing van paraffines, 20 zouthydraten enz. gaat evenwel op grond van het slechte warmtegelei-dingsvermogen van deze stoffen de warmte-overdracht aanzienlijk achteruit. Bij gebruikmaking van de smeltvarmte van metalen, zoals bij voorbeeld natrium, is daarentegen een gecompliceerde en met de toepassing van omvangrijke apparatuur gepaard gaande technologie nood-25 zakelijk.

Bij vazmte-accumulerende materialen op metaalbasis doen zich dikwijls corrosieproblemen voor: wanneer cm die reden uitgeweken wordt naar van een bekledingslaag voorziene, bij voorbeeld geëmailleerde metalen of keramische materialen, dan moet men het nadeel van ge-30 ringer warmtegeleidingsveimogen op de loop toe nemen. De bekende massa's hebben, bij voorbeeld bij toepassing'in stof bevattende en aggressieve gassen, in het bijzonder in de nabijheid of bij het overschrijden van het dauwpunt dikwijls de neiging tot korstvorming, 8103849 ί " % -2- waardoor aan de effectiviteit en ook aan de levensduur aanzienlijk afbreuk wordt gedaan.

Doel van de uitvinding is nu een wamte-overbrengende accumu-latiemassa te verschaffen, welke ten opzichte van de bekende massa's 5 een hogere warmtecapaciteit en corrosiebestendigheid heeft en op grond van haar oppervlakeigenschappen zonder toepassing van omvangrijke apparatuur gaaakkelijk kan worden gereinigd, zodat probleemloos en intensieve wamte-uitwisseling mogelijk wordt.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, doordat de 10 warmte-accumulatiemassa wordt vervaardigd uit twee verschillende materialen, waarbij die materialen op grond van hm onderling verschillende eigenschappen elk tot het optimaal bereiken van de diverse, genoemde eigenschappen van de warmte-accumulatiemassa's bijdragen: zo wordt als materiaal (1) een substantie of substantiemengsel gekozen, 15 dat een hoge warmtecapaciteit bezit en/of in het voor betrokken toe-passingsgeval interessante temperatuurbereik iin of een aantal fase-omzettingen ondergaat en/of waarbij een reversibele chemische reactie plaats vindt. Het materiaal (2) daarentegen doet dienst als skelet-en dragersubstantie en wordt gekozen met het oog op optimale mechanische 20 eigenschappen, corrosiebestendigheid, warmtegeleidingsvermogen en oppervlakeigenschappen» Door het incorporeren van êên of een aantal verdere stoffen kunnen van geval tot geval één of een aantal van de genoemde eigenschappen verder worden verbeterd.

Van beslissende betekenis voor het bereiken van het volgens de 25 uitvinding gestelde doel-is de ruimtelijke opbouw van de uit de materialen (1) en (2) bestaande, warmt e-accumulatiemas sa.

Het dragermateriaal (2) heeft, volgens de uitvinding, een bij voorbeeld schuimstof- of raatachtige structuur, d.w.z. dat dit dragermateriaal een betrekkelijk groot aantal afzonderlijke of ook met 30 elkaar in verbinding staande holten omsluit. Deze holten worden geheel of ten dele gevuld met het overwegend warmte-accumulerende materiaal (1). In het geval van een spons achtige structuur worden de holten naar buiten toe afgesloten door een bekledingslaag met het dragermateriaal (2) of een ander materiaal. Wanneer als wamt e-ac cumulatie-35 materiaal (1) bij voorbeeld een latent accumulatiemateriaal gekozen wordt en de uitgevonden warmte-accumulatiemassa in de rotor van een _ Ljungström-warmtewisselaar toegepast wordt, worden enkele aanzienlijke 8103849 ι' -« - - ----- voordelen "bereikt ten opzichte van hetgeen tot dusverre volgens de huidige stand van de techniek "bekend -was. Enerzijds vermindert de massa van de rotor hij gelijkblijvende warmte-overdrachtscapaciteit aanzienlijk (vergelijk het hierachter opgenamen rekenvoorbeeld), 5 terwijl anderzijds het latente accumulatisaateriaal zorgt voor een vrijwel constant temperatuurniveau in de gehele warmtewisselaar.

De op grond van de gewoonlijk optredende temperatuurschommelingen plaats vindende warmte-uitzettingseffecten met de hieruit resulterende af-dichtprohlamen worden aldus in verregaande mate vermeden.

10 Diverse mogelijke uitvoeringsvoimen van· deze volgende uitvinding voorgestelde warmte-accumulatiemassa zijn, uitsluitend hij wijze van voorbeeld voor de uitvinding, in de tekening weergegeven.

Eig. 1 toont een waimte-accumulatiemassa volgens de uitvinding, waarbij de zich in het dragermateriaal (2) bevindende en met opslag-15 materiaal (1) gevulde holten van uiteenlopende vorm van elkaar gescheiden zijn; fig. 2 toont een schuimst of achtige inrichting van de holten, welke althans ten dele met elkaar in verbinding staan; fig. 3 toont voorbeelden van mogelijke, regelmatige structuren 20 van de waxmte-accumulatiemassa; defig. ^ en 5 tonen twee verschillende uitvoeringsvoorbeelden voor een wamte-accumulatiemassa als gegolfde plaat, bij voorbeeld voor toepassing in een Ljunstrauwarmtewisselaar, bij voorbeeld als holle bol voor een wervellaagwaïmtewisselaar.

25 Rekenvoorbeeld;

Hierbij wordt vergeleken een conventionele rotatiewarmtewisselaar uit staal met een rotatiewarmtewisselaar met twee verschillende soorten van de uitgevonden wazmte-aecumulatiemassa.

Gegevens over de toepassingsgevallen, waarvoor de berekeningen 30 uitgevoerd zijn.

8103849 s- ^ -U-

Gasstrcmen: V = 950 OOO m3/h (i.H.f.)

Warmgas-teaperatuur, intrede: t_.- = 130°C o

21 n At = 37 C uittrede: *Η2 * 93 C

Koudgas-temperatuur, intrede: t^ = 43 °c ^

5 uittrede: t^ * 8o°C

Dichtheid van het gas: ζ = 1,3 kg/m3 (i.H.f.)

Specifieke varmte van. het. gas: C = 1 kJ/kg

Warmtestrocm: Q = V . ƒ »C . = k5 695 MJ/h

P

Omwentelingssnelheid van de rotor: n = 1,5 amw/m 10 a) Rotoraccumulatiemassa uit staal:

Gemiddeld temperatuurverschil van de rotor tussen de wam- en koud-g as zijden: = t^ - t^ = 10°C (vgl. fig. 6)

Specifieke warmte van staal: 0,5 kJ/kg · K Massa van de rotor: 15 Δ* M1 = ' δί.ΤΓ. C ' . 'ΔΪΒ = 101 5lA ** P Λ h) Rotoraccumulatiemassa gevormd uit een volgens de uitvinding voorgestelde warmte-accumulatiemassa, bestaande uit Uo zew.% van een fluor-20 kunststof (materiaal 2) en 60 gev.% van een vloeistof (materiaal 1). Gemiddeld temperatuurverschil van de rotor tussen de warm- en de kojudgas zijde ΔΤ = 10°C (vgl. fig. 6).

ri

Specifieke warmte van de kunststof: C ^ =1,1 k«J/kg « K

Specifieke warmte van de vloeistof: C^j, = 2,2 kJ/kg . K

25 Gemiddelde specifieke warmte van de gehele massa:

Ü = 0,1* * C + 0,6 . C _ = 1 ,T6 kJ/kg . k p pK pF

Massa van de rotor:

Δ Q

30 nip --- = 28 8U8 kg 60 , n . C .

p E

c) Rotoraccumulatiemassa uit een warmte-aceumulatiemassa volgens de uitvinding, bestaande uit UO gew.% van een fluorkunststof (materiaal 2) en 60% van een latente opslagmassa (materiaal 1).

35 Voor de latente opslagmassa wordt een fase-overgang vast-vloeibaar met een specifieke smeltwarmte van Ησ = 220 kJ/kg aangenomen.

O

8103849 -5-

In drie verschillende vlakken van de rotor worden verschillende latente accumulatiemassa's met verschillende smelttemperatuur toegepast.

tgl = 105°C. tS2 = 86°C, tg3 = 68°C

5 Gemiddeld temperatuurverschil van de rotor tussen de warm- en de koudgaszijde: ^r = *1®! " = ^BÏÏ2 ~ tRK2 = tRH3 " tRK3 = 1 ° (vergelijk fig. 7).

In aanmerking genomen is uitsluitend de warmte-accumulatie door 10 de fasenovergang van het accumulatiemateriaal (1). Hiervoor wordt aangenomen, dat telkens slechts S0% van dit materiaal stolt resp. smelt: * 0,8.

Massa van de rotor:

AQ

0,6 . m, =-— = 3 1T3 kg -3 η . ΔΗ_ . *7 .60

b S

15 m3 = 5289 kg

De "bovengenoemde rekenvoorbeelden laten zien, dat door toepassing van de volgens de uitvinding voorgestelde warmte-aecumulatie-masaa een aanzienlijke massavermindering voor de rotor van een rotatiewaïmtewisselaar kan worden bereikt. Een bijzonder voordeel 20 wordt bereikt bij de toepassing volgens het voorbeeld c (fig. 7) door het geringe gemiddelde temperatuurverschil van ca. 1°C tussen de warm- en koudgaszijde. Het hogere temperatuurverschil tussen het gas en de rotoropslagmassa, dat van éên en ander het gevolg is, maakt, bij gelijkblijvende capaciteit, een aanzienlijke vermindering 25 van het benodigde uitwisseloppervlak mogelijk, aapgezien het vereiste oppervlak F bij constante warmtestrocm omgekeerd evenredig is met het temperatuurverschil. Verhoging van het temperatuurverschil . o tussen gas en rotoraccumulatxemassa van 20 op 25 C verlaagt het vereiste oppervlak derhalve met een waarde van 20%.

8103849

Claims

2. Wamte-accumulatiemassa volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het dragermateriaal· (2) uit tegen hoge temperaturen bestendig materiaal, zoals bij voorbeeld een keramische massa of een sinter-materiaal bestaat.
3. Warmte-accumulatiemassa volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het dragermateriaal (2) uit al dan niet van een bekleding slaag voorzien metaal, resp. een legering bestaat. k. Warmt e- ac cumulat i emas s a volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het dragermateriaal (2) bestaat uit kunststof, waarin ter verhoging ^ · 15 van het warmtegeleiding svemogen en/of ter verbetering van de mechanische en thermische stabiliteit metaal en/of grafiet en/of een ander geschikt materiaal geïncorporeerd kan zijn.
5. Warmte-accumulatiemassa volgens êên of een aantal der conclusies 1-k, met het kenmerk, dat de door het dragermateriaal (2) cmsloten 20 holten of poriën geheel of ten dele met warmte-accumulatiemateriaal (1) opgevuld zijn, waarvan de warmte-accumulerende capaciteit o.a. berust op een fase-cmzetting en/of een chemische reactie.
6. Warmte-accumulatiemassa volgens êén of een aantal der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat het warmte-accumulatiemateriaal (1) 25 bestaat uit een mengsel van een aantal ccmponenten.
7. Warmte-accumulatiemassa volgens êên of een aantal der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de zich in het draagmateriaal (2) bevindende holten geheel of ten dele gevuld zijn met verschillende warmte-accumulatiematerialen (1a, b, c,...).
8. Warmte-accumulatiemassa volgens een of een aantal der conclusies 1-7, met het kenmerk, dat de warmt e-ac cumulat i emas s a in de vorm van geheel of ten dele gevulde of van ongevulde holle lichamen voor de warmte-overdracht toepassing vindt, waarbij de vulling zowel uit het materiaal (1) als uit een ander materiaal kan bestaan. 8103849 -τ-
9. Warmte-accumulatiemassa volgens ëên of een aantal der conclusies 1-7, met liet kenmerk, dat de vamte-accumulatiemassa in de vorm van stukken, tij voorbeeld als bollen, cilinders, ellipsoïden of dergelijke voor de warmte-overdracht toepassing vindt. Nw 8103849