NL8400139A

NL8400139A - Doorstroomwarmtewisselaar voor gas-gas warmtewisseling.

Info

Publication number: NL8400139A
Application number: NL8400139A
Authority: NL
Original assignee: Hoogovens Groep Bv
Priority date: 1984-01-17
Filing date: 1984-01-17
Publication date: 1985-08-16
Also published as: JPH0381075B2; EP0152967A1; CA1240665A; EP0152967B1; ES8609690A1; US4625792A; ES539624A0; DE3560099D1; AU564566B2; JPS60171387A; AU3771685A

Description

. , HO 530

DOORSTROOMWARiMTEWISSELAAR VOOR GAS-GAS WARMTEWISSELING

Door aanvraagster worden als uitvinders genoemd: H. Beenhakker te Haarlem D. van der Giessen te Noord Scharwoude 5 K. Verweij te Limmen , De uitvinding heeft betrekking op een doorstroomwarmtewisse-, laar voor gas-gas warmtewisseling bij temperaturen boven circa ! 700°C. Warmtewisselaars voor gas-gas warmtewisseling bij zeer hoge temperaturen zijn bekend uit bijv. de hoogoven-techniek. Daarbij 10 worden warmtewisselaars van het zogenaamde regeneratieve type gebruikt, waarbij eerst de uit rookgassen afkomstige warmte wordt, opgeslagen in keramisch materiaal, waarna verbrandingslucht voor het hoogovenproces wordt voorgewarmd door het tussen dit keramische materiaal door te leiden. Dergelijke zogenaamde windverhitters of 15 ••cowpers" vergen zeer hoge investeringen, reden waarom reeds vaak is gezocht naar een gas-gas warmtewisselaar welke niet van het regeneratieve type is doch welke als doorstroomwarmtewisselaar ken ·*··*' worden"bedreven bij-temperaturen boven circa 70Ö’®Cv"TBij ’iremperatu- * *·· ren in de orde van grootte van 700 a 1250°C zijn metalen echter 20 niet meer geschikt als constructiemateriaal voor warmtewisselaars, zodat steeds voor dit temperatuurgebied weer is teruggegrepen op bekende constructies van regeneratieve warmtewisselaars uit keramisch materiaal.

De uitvinding stelt zich nu ten doel een constructie voor een 25 doorstroomwarmtewisselaar te bieden, welke niettemin geschikt is voor gas-gas warmtewisseling in het genoemde temperatuurgebied, ook als tussen de warmtewisselende gassen eer. aanmerkelijk drukverschil bestaat. De uitvinding bestaat nu daarin dat de inrichting in f ^ hoofdzaak bestaat uit een mot vuurvast materiaal bemetseld vat, het- 30 welk een bij voorkeur verticale cylindrische stalen Mantel omvat, I welke aan onder*- en bovenzijde begrensd is door gewelfde fronten 1 waaraan resp. aansluitsfcómpen voor toe- en afvoer van een eerste van de warmtewisselende media, met verder aan één zijde van de cilin- 8400139 /- , - 2 - HO 530 J " ( « drische mantel, over de hoogte en de ontrek ervan verdeeld, een veelvoud aan aansluitstaipen voor de toevoer van het tweede van de warmtewisselende media, en met aan de andere zijde van de cilindrische mantel, over de hoogte en de omtrek verdeeld, een veelvoud aan aansluitstompen voor de afvoer van • 5 het tweede warmtewisselende medium, waarbij de aansluitstompen voor de toe- resp. afvoer van het tweede warmtewisselende medium, via spruitstukken aansluiten op hoofd toe- en afvoerleidingen, waarbij verder de ruimtes binnen de fronten d.m.v. een geperforeerde vuurvaste topplaat en een geperforeerde vuurvaste bodemplaat zijn afgescheiden 10 van de ruimte binnen de cilindrische mantel, en waarbij de ruimtes binnen de fronten onderling zijn verbonden door een veelvoud bij voorkeur verticale buizen uit vuurvast keramisch materiaal, welke buizen tussen top- en • bodemplaat verlopen. De nieuwe constructie is in het bijzonder gedacht voor het uitwisselen van warmte tussen twee gassen, welke beide reeds 15 'op een temperatuur zijn van boven ca. '700°C. Bijv. kan één van de • .. warmtewisselende media van een temperatuur van ca. 1225 naar ca.

• 930°C afkoelen, en daarbij de warmte overdragen aan het andere warmte wisselende medium tot het daarbij in temperatuur stijgt van ca. 700°C naar ca. 1000°C. Het warmtewisselende medium met de hoogste druk 20 wordt daarbij door de verticale buizen geleid-.

In veel gevallen echter is een inrichting gewenst voor het uitwisselen van warmte tussen twee gassen waarbij de onderste temperatuur-grenzen zeer veel lager liggen, bijv. in de orde van grootte van 150 a 350°C. In dat geval verdient een inrichting volgens de uitvinding 25 aanbeveling welke uit meerdere in serie geschakelde warmtewisselaars ’ · bestaat, waarbij de warmtewisseling op het hoogste temperatuur-niveau , plaatsvindt in een-eerste warmtewisselaar van het hierboven omschreven nieuwe type volgens de uitvinding, terwijl de andere warmtewisselaars van een gebruikelijk metalen type zijn. Daarbij wordt opgeraerkt dat 30 metalen warmtewisselaars voor gas-gas warmtewisseling bij temperaturen tot 80Ö a 900°C binnen Het bereik liggen van de voor een vakman toegankelijke stand van de techniek. Hier wordt daarom ook niet nader ingegaan op de constructie van dergelijke metalen warmtewisselaars.

Vuurvaste keramische buizen zijn in de handel verkrijgbaar, doch 35 veelal in beperkte lengtes. Om deze reden, doch ook met het oog op de V*/ mogelijkheid van thermische expansie van de buizen in de constructie 1 van de nieuwe inrichting, verdient het aanbeveling de verticale buizen I geleed uit te voeren en met een expansiemogelijkheid, in hoofdzaak I·. . gasdicht, door .de bovenplaat te laten verlopen. Opgemerkt wordt dat 40 in moderne vuurvaste installaties de inbouw van expansiemogelijkheden /3 8400139 , - 3 - HO 530 ' * tot de bekende technieken behoort, waarbij de maatnauwkeurigheid van de gebruikte keramische elementen en de spelingen waarmee deze t.o.v, elkaar beweegbaar zijn zodanig nauwkeurig kunnen worden geconstrueerd dat een redelijk goede gasdichthei'd kan worden verkregen.

5 Deze maatnauwkeurigheid kan bij het gebruik van extra slanke buizen in grotere uitvoeringsvormen van de nieuwe inrichting, nog verder verbeterd worden door over de hoogte van de cilindrische mantel verdeeld, horizontale steunvloeren in te bouwen met doorlaatgaten voor de buizen. Daar de buizen verticaal zijn opgesteld, zullen zij 10 onder hun"eigen gewicht weinig neiging tot uitbuigen hebben. Teneinde echter de invloed vein de dwarsstroom van het tweede warmtewisselende medium te compenseren, kunnen de steunvloeren op verschillende hoogtes de buizen in dwarsrichting ondersteunen.

Wezenlijk voor het succes van de nieuwe inrichting is een goede 15 verdeling van de stroming van het tweede warmtewisselende medium binnen de cilindrische mantel, opdat een zo effectief mogelijke om- stroming door dit tweede warmtewisselende medium van de verticale buizen plaatsvindt. Daartoe dienen op meerdere niveaus telkens meerde- » re aansluitstompen voor de toe- resp. de af voer van het tweede warmte-20 wisselende medium over het oppervlak van de cilindrische mantel verdeeld te zijn. De hiertoe te gebruiken spruitstukken kunnen met succes elk bestaan uit segmenten van een ringleiding om de cilindrische mantel, welke segmenten enerzijds in hun midden zijn aangesloten op : · · *. de hoofd toe- pesp.' afvoerleiding voor het twpede_ warmtewisselende 25 medium, en waaraan anderzijds, langs hun lengte, aftakkingen aansluiten naar de aansluitstompen op de cilindrische mantel. Deze constructie heeft een zekere overeenkomst met de toepassing van ringleidingen t * voor hete wind bij hoogoven-constructies, zij het dat de toepassing hier een geheel andere is.

30 Al naar de constructieve uitvoering van de warmtewisselaar, en de plaats van de aansluitstompen kan de diameter, resp. het verloop van dc diameter in de spruitstukken, daarvan verschillend worden gekozen Ï teneinde een optimale warmteoverdracht naar de buizen te verkrijgen.

De vuurvaste bekleding van de cilindrische mantel en van het 35 bodemfront levert geen bijzondere technische problemen op. Dergelijke problemen zouden echter wel kunnen optreden bij de vuurvaste bemetse-ling van het bovenste gewelfde front. Een geschikte constructie hiervoor echter bestaat daarin, dat het bovenste gewelfde front uitsteekt tot buiten de cilindermantel, en waarbij de vuurvaste bernetseling van 40 dit front op een op zichzelf bekende wijze is uitgevoerd als een zelf- 84 00 1 3 9 /4 r Λ - - 4 - . HO 530 t \ .

dragend gewelf hetwelk is afgesteund buiten de .binnenste bekledingslaag van de cilindrische mantel. Hierdoor wordt verkregen dat eventuele thermische expansies van de binnenste bekledingslaag van de cilindrische mantel niet van invloed is op de ondersteuning van de gewelf-5 constructie binnen het bovenste gewelfde front.

Wezenlijk voor het succes van de nieuwe constructie is de stabili-; teit .van de top— en bodemplaten waartussen de verticale buizen verlopen.

Deze mogen niet onder invloed vein hun eigen gewicht en dat van de bui-, zen bij de heersende temperaturen bezwijken. Denkbaar is het om deze 10 platen daartoe enigszins bol uit te voeren, doch grotere zekerheid wordt verkregen met een uitvoeringsvorm welke volgens de uitvinding de voorkeur verdient, en welke daarin bestaat dat, zowel de topplaat als de bodem-( ' plaat bestaan uit metalen dozen, welke aan weerszijden met vuurvast ma- ! teriaal zijn bekleed, en welke zijn aangesloten op toe- en afvoermidde- 15 len voor een koelmiddel. In het geval de nieuwe warmtewisselaar deel uitmaakt van een inrichting met meerdere in serie geschakelde warmtewisselaars, waarbij een relatief koud gas aan het koudste eind van de serie wordt toegevoerd, kan dit koude gas worden gebruikt als koelmid-„del voor de top- en bodemplaten.

20 De uitvinding zal vervolgens worden toegelicht aan de hand van enkele figuren.

Fig. 1 toont schematisch een nieuwe warmtewisselaar in zij-aanzicht. Fig. 2 geeft hiervan een bovenaanzicht.

Fig. 3 toont een schematische schakeling van een serie warmtewisse-25 laars.' . '

Fig. 4 toönt schematisch een warmtewisselaar van het type van . fig. 1 in langsdoorsnede.

Fig. 5 toont een detail van een verticale buis uit fig. 4.

Fig. 6 toont een detail van een gekoelde topplaat in langsdoor-30 snede.

In figuren 1 en 2 is met verwijzingscijfer 1 een warmtewisselaar volgens de uitvinding afgeheeld, waarbij een cilindrische stalen mantel 2 aan boven- resp. onderzijde is opgesloten tussen gewelfde stalen fron- t ten 3 en 4, Via toevoerleiding 5 wordt een eerste warmtewisselend medium 35 via bodem-front 4 toegevoerd, waarbij dit medium via de af voer 6 het I bovenfront 3 verlaat. Bovenfront 3 heeft een ogief-vorm welke'tot bui ten de optrek van cilindermantel 2 reikt. Een tussenstuk 7 zorgt voor * de koppeling met cilindermantel 2.

Een tweede warmtewisselend medium wordt toegevoerd via een toevoer-40 leiding 8, en vervolgens verdeeld via eerst een segment 9 van een ring- · leiding, en vervolgens via aftakkingen 10. 11 en 12. Door middel van 84 00 1 3 9 /5 — ο — nu oou » aansluitstompen sluiten deze aan op cilindermantel 2, waardoor het tweede warmtewisselende medium in het afgebeelde geval op verschillende niveaus via in totaal 12 instroomopeningen naar binnen gevoerd wordt.

. Op soortgelijke wijze wordt via aftakkingen 15, 16, en 17 een 5 ringleiding segment 14 en een afvoerleiding 13 het tweede warmtewisse-lend medium uit het vat af gevoerd.

In fig. 4 is schematisch een langsdoorsnede getoond van een inrichting van het type volgens fig. 1. Overeenkomstige verwijzingscijfers verwijzen naar overeenkomstige constructie-elementen. Binnen de boven-10 en onderfronten 3 en 4 bevinden zich open ruimtes 18 en 19 welke door een topplaat en een bodemplaat zijn afgescheiden van de ruimte binnen de cilindrische mantel 2. Ruimtes 18 en 19 zijn onderling verbonden door een veelvoud buizen 24'waarvan in deze fig. schetsmatig slechts 4 zijn afgebeeld. Buizen 24 steunen op de bodemplaat 21 en zijn hieraan J 15 bevestigd, terwijl ze met enige expansiemogelijkheid door de topplaat 20 heensteken. Teneinde een uitwijken van buizen 24 onder invloed van de dwarsstroom van het tweede warmtewisselende medium te voorkomen, zijn steunvloeren 22 en 23 ingebouwd. Deze zijn van doorboringen voorzien waar de buizen 24 vrij doorheen beweegbaar zijn. Mantel. 2, boven-20 front 3 en onderfront 4 zijn geheel bekleed met lagen isolerend vuurvast · materiaal 25, 26 en 27. Op overenkomstige wijze zijn de leidingen 5 en 6 en 8 t/m 17 op een uit de techniek geheel bekende wijze met vuurvast materiaal bekleed (niet getekend).

De keramische buizen 24 zijn in het afgebeelde geval vervaardigd • · *25 · uit een hoogwaardig vuurvast materiaal, bijv. silicium carbide. Buizen uit dit materiaal zijn verkrijgbaar in diverse lengtes. Ingeval van grote installaties kan het onder omstandigheden aanbeveling verdienen om i.p.v. langere buizen te fabriceren de buizen 24 samen te stellen uit geledingen welke met enige expansie t.o.v. elkaar beweegbaar zijn, .30 zij het zonder dat hierdoor de gasdichtheid van de constructie wcrdt beïnvloed.

In fig. 5 is in dit verband op vergrote schaal afgebeeld hoe van een buis 24 twee geledingen 28 en 29 in elkaar kunnen passen met behoud van de afdichting.

35 In fig. 6 is op vergrote schaal een deel van de constructie van topplaat 20 in doorsnede afgebeeld. In hoofdzaak bestaat dezé plaat uit een doosvormig lichaam 30 hetwelk is aangesloten op toe- en afvoerlei-dingen 31 voor een koelmiddel. Het doosvormige lichaam 30 is aan boven-1 en onderzijde bekleed met lagen vuurvast materiaal 32. Door middel van *40 deze constructie wordt een gekoelde stijve constructie voor do top- * 8400139 /6 ^ -6 - HO 530 % \ · resp. de bodemplaat verkregen, waarbij niettemin de isolerende bekle-dingslagen 32 ervoor zorgdragen dat het koelmiddel de effectiviteit van de warmtewisselaar niet onnodig ongunstig beïnvloedt.

Ingeval de zogenaamde "keramische" warmtewisselaar volgens 5 de figuren 1,2,4, 5 en 6,deel uitmaakt van een installatie waarbij gassen tot aanmerkelijk lagere temperaturen dan 700°C moeten worden af-, gekoeld, resp. aanmerkelijk koudere gassen dan 700°C moeten worden opge- „ warmd, toont fig. 3 een. mogelijke serie-schakeling van de warmtewisselaar j 1 met twee metalen warmtewisselaars 33 en 34. Ter illustratie zijn bij 10 deze fig. een aantal temperaturen en drukken geplaatst welke van toepassing zijn op de twee warmtewisselendê media. Ter plaatse A wordt een gas ' met een temperatuur van 1223° C en een druk van 1,77 atmosfeer aan warmte- ‘ wisselaar 1 toegevoerd, en wordt, van links naar rechts, door de drie warmtewisselaars verlopend met een temperatuur van 351°G ter plaatse B 15 uit warmtewisselaar 34 af gevoerd. Een koud gas met een temperatuur van | 132°C wordt ter plaatse 0 met een overdruk van 7,44 atmosfeer aan warmte wisselaar 34 toegevoerd, en verloopt zig-zag in tegenstroom door de drie warmtewisselaars, om ten slotte ter plaatse D" met een eindtemperatuur van 1005°C de installatie te verlaten. Opgemerkt wordt dat de afgebeelde 20 drukken en temperaturen zuiver dienen ter illustratie, en op zichzelf geen bijzondere betekenis hebben. Wezenlijk in de fig. is de illustratie van de mogelijkheid om warmtewisseling tussen gassen binnen een zeer ruim temperatuurs-gebied tot stand te brengen, waarbij voor de warmtewisseling op het hoogste temperatuur-niveau gebruik wordt gemaakt van 25' de nieuwe warmtewisselaar, volgens de uitvinding.· ·'.·*’ Λ - 8400139

/ N

Claims

7. HO 530 Jp

1. Doorstroomwarmtewisselaar voor gas-gas warmtewisseling bij temperaturen boven ca. 70Q°C,· gekenmerkt door een vuurvast bemetseld vat omvattende een bij voorkeur verticale cylindrische stalen mantel, aan onderen bovenzijde begrensd door gewelfde fronten waarin resp. aansluitstom-pen voor toe- en af voer van een eerste van de warmtewisselende media, • . aan één zijde van de cylindrische mantel, over de hoogte en de omtrek verdeeld een veelvoud van aansluitstompen voor de toevoer van het tweede van de warmtewisselende media, en aan de andere zijde van de cilindrische mantel, over de hoogte en de omtrek verdeeld een veelvoud van aansluitstompen voor de afvoer van het tweede warmtewisselende * medium waarbij de aansluitstompen voor de toe- resp. afvoer v.an· het tweede warmtewisselende medium, via spruitstukken aansluiten op hoofd toe- en af voerleidingen, waarbij verder de ruimtes binnen, de . fronten d.m.v.· een geperforeerde vuurvaste topplaat en een geperforeerde vuurvaste bodemplaat zijn afgescheiden van de ruimte binnen de cylindrische mantel, en waarbij dé ruimtes binnen de fronten onderling zijn verbonden door een veelvoud bij voorkeur verticale buizen uit vuurvast keramisch materiaal, welke buizen tussen top- en bodemplaat verlopen.

2. Inrichting voor het uitwisselen van warmte tussen twee gassen, met het kenmerk, dat hij uit meerdere in serie geschakelde warmtewisselaars bestaat, waarbij de warmtewisseling op het hoogste temperatuurs-niveau in een eerste warmtewisselaar van het type volgens conclusie 1 plaats- . . , · y4ndt, en de andere warmtewisselaars van een gebruikelijk metalen type zijn.

3. Inrichting volgens conclusie 1, niet het kenmerk, dat de verticale buizen geleed zijn uitgevoerd en met een expansiemogelijkheid, in hoofdzaak gasdicht, door de bovenplaat verlopen.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat over de hoogte van de cylindrische mantel verdeeld, horizontale steunvloeren zijn ingebouwd met doorlaatgaten voor de buizen. Q

5. Inrichtingvolgens conclusie 1, 3 of 4, met het kenmerk, dat de spruit- 1 stukken bestaan uit segmenten van een ringleiding om de cilindrische 1 mantel, welke enerzijds in hun'midden zijn aangesloten op de hoofd toe- resp. afvoerleiding voor. het tweede warmtewisselende medium, en waaraan anderzijds, langs hun lengte, aftakkingen aansluiten naar de 8400139 , * ’*· - 8 - HO 530 # - * * aansluitstompen op de cilindrische mantel.

6. Inrichting volgens een der conclusies 1, 3, 4 of 5, met het kenmerk, _ dat het bovenste gewelfde front uitsteekt tot buiten de cilindrische mantel en dat de vuurvaste bemetseling van dit front pp een op zichzelf bekende wijze is uitgevoerd als een zelfdragend gewelf hetwelk is afgesteund buiten‘de binnenste bekledingslaag van de cilindrische mantel .

7. Inrichting volgens, een der conclusies 1 en 3 t/m 6, met het kenmerk, dat de topplaat en de bodemplaat bestaan uit metalen dozen, welke aan weerszijden met vuurvast materiaal zijn bekleed, en welke zijn aangesloten op toe- en afvoermiddelen voor een koelmiddel. / i / . ί ' ' * , · · ,, ' · t O 84 0 0 1 Λ