NL8202096A

NL8202096A - Warmtewisselaar omvattende een stelsel granulaat bevattende verticale buizen.

Info

Publication number: NL8202096A
Application number: NL8202096A
Authority: NL
Original assignee: Esmil Bv
Priority date: 1982-05-21
Filing date: 1982-05-21
Publication date: 1983-12-16
Also published as: US4522252A; DE3360561D1; CA1203794A; ATE14925T1; JPS5941791A; EP0095203B1; FI831813A0; FI73516C; EP0095203A2; FI73516B; FI831813L; EP0095203A3

Description

I * i ^ _ 1 - es· 48

WARMTEWISSELAAR OMVATTENDE EEN STELSEL GRANULAAT BEVATTENDE VERTICALE BÜIZEJI

Door aanvraagster wordt als uivinder genoemds Dr. Ir. Dick Gerrit Klaren te Hillegom 5 De uitvinding heeft Betrekking op een warmtewisselaar omvatten de een Bundel parallelle verticale pijpen voor het in opwaartse richting geleiden van een eerste warmtewisselende medium, verder omvattende een korrelmassa die tijdens Bedrijf door het eerste warmtewis-· selende medium in de pijpen gefluïdiseerd wordt gehouden, en waarBi; 10 de Bundel pijpen door een vat verloopt met, naBij het Boveneinde, •een toevoeropening en, naBij het ondereinde, een afvoeropening voor een tweede warmtewisselend medium.

Een dergelijke warmtewisselaar is eerder Beschreven in de ter * inzage gelegde Nederlandse octrooiaanvrage nr. 7703939· Daaruit is 15 het Bekend om de daarin Beschreven inrichting zodanig te dimensioneren dat tijdens Bedrijf een toestand kan ontstaan waarbij de korrel--Beweging en/of het korreltransport in elk van de parallelle pijpen vrijwel identiek is.

Door het gebruik van een gefluïdiseerde korrelmassa in de pijpen 20 wordt een Betere warmteoverdracht aan de Binnenwanden van de pijpen verkregen, waardoor de kosten van deze Bekende warmtewisselaar Bij gelijkblijvende capaciteit lager kunnen uitvallen dan Bij een warmtewisselaar zonder gebruikmaking van een gefluïdiseerde korrelmassa.

Dit geldt met name indien door de pijpen een medium stroomt dat een 25 sterk vervuilende invloed heeft op de pijpwand. De gefluïdiseerde korrelmassa oefent immers een lichtschuwende werking uit op de pijp-· wand, waardoor de vervuiling Beperkt Blijft en zelfs in veel gevalle n geheel kan worden voorkomen.

Uit praktijkproeven is gebleken dat een warmtewisselaar welke 508294F , 8202 0 96 /2 - 2 - ES 48 vijfmaal hogere warnrtedoorgangscoëfficient (K-waarde) kan hebben dan een conventionele warmtewisselaar, waarbij geen gebruik wordt gemaakt van een gefluïdiseerde korrelmassa* Tevens is gebleken dat in vele gevallen warmtewisselaars met gefluïdiseerde korrels in de 5 pijpen nog kunnen worden toegepast, waar conventionele warmtewisselaars in het geheel niet meer toepasbaar zijn. Opwarming van een procesvloeistof kan dan bijv. slechts nog geschieden door directe stoominjectie. Dit met alle nadelige gevolgen vandien, zoals daar zijn het verlies van condensaat en de verdunning van een eventuele 10 processtroom.

Samengevat kan worden gesteld dat een warmtewisselaar met een gefluïdiseerde korrelmassa in de pijpen een superieure warmteoverdracht realiseert, ook bij lage tot zeer lage snelheden van het eerste warmtewisselende medium, en dat sterke vervuiling van pijp-15 wanden er zeer effectief mee kan worden bestreden.

De uitermate goede warmteoverdracht bij lage snelheden van het eerste warmtewisselende medium geeft aanleiding tot korte bundels bestaande uit een groot aantal parallelle pijpen. ïn een aantal gevallen kan dit gunstig zijn.

20 Soms echter is deze lage snelheid ongunstig, aangezien dit aan leiding kan geven tot de noodzaak van grote aantallen pijpen, en dus tot grote pijpplaatdiameters en veel boorwerk. Tevens ontstaat hierp door dan veelal een te groot doorstroomopppervlak voor het tweede warmtewisselende medium aan de buitenzijde van de pijpen van de 25 warmtewisselaar. Hierdoor kan dit tweede warmtewisselende medium slechts met geringe snelheid langs de buitenzijde van de pijpen ' stromen. De warmteoverdracht aan deze buitenzijde van de pijpen is daardoor gering, hetgeen ongunstige consequenties heeft voor de warmtedoorgangscoëfficient van de warmtewisselaar.

30 De lage snelheid van het tweede warmtewisselende medium kan bijv. worden verhoogd door een groot aantal keerschotten buiten de pijpen toe te passen. Dit op zijn beurt echter leidt weer tot een sterk verhoogde kostprijs van de warmtewisselaar, en is dus ongewenst.

Opgemerkt wordt dat in de Nederlandse octrooiaanvrage nr.

35 8102024 eveneens een warmtewisselaar met een gefluïdiseerde korrel- _ massa in de pijpen wordt beschreven. Daarbij wordt echter het boven-

508294F

/3 8202096 *+ *v <rt u ♦ : - 3 ~ ES 48 genoemde nadeel vermeden door een vallende vloeistoffilm toe te passen voor het tweede warmtewisselende medium aan de buitenzijde van de pijpen. Een zeer goede warmteoverdracht aldaar is hiervan het gevolg, dit ondanks een gering totaal debiet van het tweede warmte- · 5 wisselende medium.

Een nadeel van deze uitvoeringsvorm van de warmtewisselaar bestaat echter daaruit dat in vele gevallen een aparte pomp nodig is om het tweede warmtewisselende medium, hetwelk als een film langs de pijpen stroomt, weer af te voeren. Tevens bestaat het gevaar dat 10 in dit tweede warmtewisse 1 ende medium, hetgeen als een film langs de pijpen stroomt, gassen vanuit de ruimte aan de buitenzijde van de ^ pijpen oplossen. Dergelijke opgeloste gassen zijn vaak ongewenst in·- dien het tweede warmtewisselende medium weer in een proces moet worden gebruikt. Dit is bijv. het geval indien als tweede warmt ewisse^·· 15 lend medium ketelvoedingswater wordt gebruikt.

Met de onderhavige uitvinding is ernaar gestreefd om de voordelen van de warmtewisselaar volgens de Nederlandse octrooiaanvrage nr. 8102024 te behouden onder vermijding van de nadelen daarvan.

Met name heeft de nieuwe inrichting tevens het voordeel van een goe-20 de warmteoverdracht aan de buitenzijde van de pijpen, ook bij lage snelheden. Echter wordt het tweede warmtewisselende medium aan de buitenzijde van de pijpen onder iedere gewenste druk gehouden,.en wordt de ruimte in het vat rondom de bundel pijpen volledig gevuld gehouden met dit tweede warmtewisselende medium. Een en ander heeft 25 tot gevolg dat geen pomp nodig is om het tweede warmtewisselende medium uit de warmtewisselaar af te voeren. Verder kunnen geen gassen van buiten af in dit warmtewisselende medium oplossen.

De uitvinding bestaat nu daarin dat het vat tussen de toe- en afvoeropeningen, om de pijpen, met los gestort vast vulmateriaal is 30 opgevuld.

Verrassenderwijs is gebleken dat door deze maatregel de warmte·-overdracht aan de buitenzijde van de pijpen aanmerkelijk wordt verbeterd. Aangenomen wordt dat dit deels een gevolg is van de sterk verminderde open ruimte tussen de pijpen, waardoor een groter aan-35 deel van de tussen de pijpen doorstromende vloeistof met de pijpwan·· - den in contact komt. Verder is de snelheid van dit medium, bij gelijk- ______”_________i

5082S4F

8202 0 96 /4 4 '* » 1 · ' -4“ ES. 48 “blijvend debiet ervan, aanmerkelijk verhoogd, en is bovendien sterk wisselend van grootte en richting. Een sterke turbulentie en een intensieve diffusie van warmte vanaf de pijpwand zijn hiervan het gevolg. Allemaal oorzaken voor de sterk verbeterde warmteoverdracht* 5 Indien de afmetingen van de deeltjes van het vulmateriaal te klein zijn neemt de vloeistofweerstand van dit vulmateriaal sterk', toe, hetgeen tot vergrote pomparbeid kan aanleiding geven. Zijn daarentegen de afmetingen van de deeltjes te groot, dan ontstaat het risico van een zeer ongeli jkmatig opvullen van de vrije ruimte 10 tussen de pijpen, waardoor het beoogde effect slechts ten dele word·; bereikt. Goede resultaten worden bereikt indien volgens de uitvinding de afmetingen van de deeltjes van het vulmateriaal gekozen zijn tussen 10$ en 90$ van de kleinste afstand tussen de pijpen.

Bij voorkeur zelfs worden deze afmetingen tussen 25$ en 75$ van r 15 genoemde kleinste afstand tussen de pijpen gekozen. Voor de warmteoverdracht is deze deeltjesgrootte niet van bijzonder belang, indien een gelijk vloei stof debiet wordt aangehouden.

Van belang is het dat het vulmateriaal in totaal slechts een gering contactoppervlak heeft met de pijpen, daar door dit contact-20 oppervlak de mogelijkheden van warmteoverdracht van de pijpen naar de vloeistof zouden beperkt worden. De voorkeur gaat daarom uit naa* vulmateriaal in de vorm van bollen, ringen of cylinders.

Indien het tweede warmtewisselende medium een vloeistof is, worden als regel de beste resultaten bereikt met vulmateriaal het-25 welk uit keramisch materiaal bestaat. Bijv. kunnen hiervoor zeer geschikt de ondersteuningslichamen voor katalisatormateriaal worden j gebruikt. Indien echter de warmtewisselaar bestemd ia voor het doorleiden van een gasvormig tweede warmtewisselend medium gaat de voorkeur uit naar een vulmateriaal hetwelk uit metalen lichamen bestaat. Hierdoor 30 wordt de warmteoverdracht van de pijpwand nog extra bevorderd.

Van belang is het dat vermeden wordt dat het vulmateriaal met het warmtewisselende medium wordt meegesleurd door de afvoeropening van het vat. Dit kan worden bereikt door voor deze afvoeropening bijv. een zeefplaat op te stellen. Bij een voorkeursuitvoeringsvorm 35 wordt echter boven de afvoeropening een geperforeerde steunplaat _ voor het vulmateriaal aangebracht.

508234F

/5 8202096 * 'T' -5 ~ ES 48

De uitvinding wordt vervolgens toegelioht aan de hand van een figuur.

In deze fig. is met verwij zingscijfer 1 een inlaat opening voor een eerste warmt ewisselend medium af geheeld, welke opening uitmondt 5 in een inlaatkast 2. Via een distrihutieplaat 3 kan de vloeistof in een onderkast 4 stromen welke deels met korrels is gevuld. Een hundel pijpen 5 mondt in de onderkast 4 uit. Met hm andere uiteinde reiken, deze pijpen 5 tot in een bovenkast 6, waarin een uitloopopening 7 i£: aangebracht. Tijdens bedrijf wordt de korrelmassa in de onderkast 10 door het eerste warmtewisselende medium meegesleurd in een gefluïdi- seerde toestand binnen de pijpen en deels binnen de bovenkast 6 gehouden.

Nabij de uiteinden zijn de pijpen in pijpplaten 16 en 17 bevestigd.

15 De ruimte rondom de pijpen 5 wordt aan onder- en bovenzijde begrensd door de pijpplaten 16 en 17» en verder door een vatwand 9.

Aan de bovenzijde is een toevoer opening 8, en aan de onderzijde een afvoeropening 13 voor het tweede warmtewisselende medium aangebracht. Dit tweede warmtewisselende medium doorstroomt de warmte-20 wisselaar hierdoor in tegenstroom met het eerste warmtewisselende medium.

De open ruimte 10 tussen de pijpen is goeddeels gevuld met een vulmassa 11, welke wordt ondersteund door een steunplaat 12 nabij de afvoeropening 13· In het geschetste geval is de kortste afstand 25 tussen de pijpen circa 18 mm. terwijl de vulmassa bestaat uit keramische kogels met een diameter van circa 8 mm.

Opgemerkt wordt dat af gezien van de steunplaat 12 en de vulmassia de beschreven inrichting in essentie overeenkomt met de warmtewisselaar volgens de Nederlandse octrooiaanvrage nr. 7703939» 30 Voor het vullen van het vat met de vulmassa kan een aparte vul opening 14 dienen, terwijl deze vulmassa via een opening 15 kan worden verwijderd. Zowel opening 14 als opening 15 zijn onder bedrijfsomstandigheden met blindflensen afgesloten.

Opgemerkt wordt dat de vulmassa zeer eenvoudig is aan te brengen, 35 en slechts zeer geringe extra kosten met zich meebrengt. Bij geschilcte - keuze van vorm en afmetingen van de vulmassa wordt hier geen noemens- /6 5082S4F ‘ 8202096 Φ ν r. · · “ 6 - ES 48 waarde extra vloeistofweer stand mee geïntroduceerd, terwijl daarentegen de verdeling van de vloeistof tussen de pijpen aanmerkelijk kan worden verbeterd.

Bij experimenten met water als eerste en tweede warmtewisselen-5 de medium is gebleken dat bij een geschikte keuze van de afmetingen λ- en van het vulmateriaal warmtedoorgangscoëfficienten van 3000 w/inC en meer kunnen worden bereikt.

In de fig. is slechts een enkel vat met toevoeropening 3 en afvoeropening 13 getekend. Het is echter vanzelfsprekend dat het 10 vat ook uit meerdere afzonderlijke achter elkaar geplaatste compartimenten kan bestaan, waardoor zonodig verschillende vloeistoffen lanjs de buitenzijde van de pijpen kunnen worden opgewarmd.

In plaats van een dergelijke dwarsdeling is het ook denkbaar o o het vat in langsrichting te delen, waardoor een aantal pijpen wordt 15 gebruikt voor het opwarmen van een andere vloeistof dan waarvoor de rest van de pijpen wordt gebruikt. Eventueel kan ook als tweede war &-tewisselend medium een gas worden gebruikt. Al dergelijke variaties worden geacht binnen het bereik' van de vakman te liggen, en vallen binnen de beschermingsomvang van de aanvrage.

j j

508294F

8202 0 96 !l

Claims

9 ‘ Μ · 1 - 7 ~ ES 4 8 COIfCLPSlES

1. Warmtewisselaar omvattende een bundel parallelle verticale pijpen voor het in opwaartse richting geleiden van een eerste warmtewisselend medium, verder omvattende een korrelmassa die tijdens bedrijf 5 door het eerste warmtewisselende medium in de pijpen gefluïdiseerd wordt gehouden, en waarbij de bundel pijpen door een vat verloopt, met, nabij het boveneinde, een toevoer opening en, nabij het ondereinde, een afvoeropening voor een tweede warmtewisselend medium, met het kenmerk, dat het vat tussen de toe- en afvoeropeningen, 10 om de pijpen, met los gestort vast vulmateriaal is opgevuld.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de afmetingen van de deeltjes van het vulmateriaal gekozen zijn tussen 10% en 90% van de kleinste afstand tussen de pijpen.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat deze af-15 metingen zijn gekozen tussen 25% en J5% van de kleinste afstand tussen de pijpen.

4. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het vulmateriaal de vorm heeft van bollen, ringen of cylinders.

5. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het ken-20 merk, dat het vulmateriaal uit keramisch materiaal bestaat.

6. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 1 t/m 4» bestemd voor he-; doorleiden van een gasvorraig tweede warmtewisselend medium, met het kenmerk, dat het vulmateriaal uit metalen lichamen bestaat.

7. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het ken-25 merk, dat boven de afvoeropening een geperforeerde steunplaat voor het vulmateriaal is aangebracht. 50823-1F 8202096