SE505707C2

SE505707C2 - Heat-storing body of metal and heat-storing device

Info

Publication number: SE505707C2
Application number: SE9202623A
Authority: SE
Inventors: Pentti Salmelin
Original assignee: Imatran Voima Oy
Priority date: 1990-03-26
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1997-09-29
Also published as: AU7303691A; FI901496A; SE9202623D0; GB2263165B; WO1991014906A1; DE4190616T; SE9202623L; DE4190616C2; FI86474B; GB2263165A; FI86474C; FI901496A0; GB9220354D0

Abstract

The invention relates to a heat storage means comprising a heat-storing body (1) one surface of which forms a contact surface with a heat transfer fluid. To provide an inexpensive heat storage means with a high heat-storing capacity with respect its volume and in order that the heat storage means would resist oxidation at high temperatures, the heat-storing body comprises a core (2 to 5) of steel, and an alloy of good heat resistance is sprayed on that portion of the steel core surface which is exposed to oxidizing ambient conditions.

Description

505 70.7 2 sväller det vid höga temperaturer då det upphettas periodiskt. Legerade gjutjärn är inte problematiska i dessa avseenden, men de är mycket dyra att användas som värmelagrande massa, eftersom massavärmelagrarnas vikt i allmänhet är stor. Ett ytterligare problem är att det är svart, om inte rentav omöjligt, att åstad- komma icke-porösa kroppar av gjutjärn. De är även svåra att svetsa. 505 70.7 2 it swells at high temperatures when heated periodically. Alloy cast iron is not problematic in these respects, but it is very expensive to use as a heat storage mass, since the weight of the mass heat bearings is generally large. A further problem is that it is black, if not impossible, to produce non-porous cast iron bodies. They are also difficult to weld.

Tack vare att stål uppvisar hög värmelagrings- kapacitet per volymenhet och det uppvisar många för- delar jämfört med gjutjärn (svetsbarhet, avsaknad av porositet, etc.) har man försökt tillverka värmelag- rande anordningars kärna av stål. Ett problem har härvid varit stålets dåliga värmebeständighet: stå- lets yta skalas vid höga temperaturer, som ligger mellan ca 600 och ca 800°C, dvs. det reagerar så kraf- tigt med omgivande syre att man har avstått från att använda stål. Genom att använda höglegerade stål, kan gott motstånd mot skalning uppnås, det höga priset på höglegerade stål sätter emellertid stopp för bruket av dessa i värmelagrande anordningar. Dessutom är svetsbarheten hos höglegerade stål i allmänhet pro- blematisk jämfört med konventionella stål.Thanks to the fact that steel has a high heat storage capacity per unit volume and it has many advantages compared to cast iron (weldability, lack of porosity, etc.), attempts have been made to manufacture the core of steel heat storage devices. A problem here has been the poor heat resistance of the steel: the surface of the steel is peeled at high temperatures, which is between about 600 and about 800 ° C, ie. it reacts so strongly with the surrounding oxygen that it has refrained from using steel. By using high-alloy steels, good resistance to scaling can be achieved, however, the high price of high-alloy steels puts a stop to their use in heat storage devices. In addition, the weldability of high-alloy steels is generally problematic compared to conventional steels.

Avsikten med föreliggande uppfinning är att undanröja ovannämnda problem. För att uppnå detta är den värmelagrande kroppen av metall enligt uppfin- ningen kännetecknad av, att den omfattar en kärna av stål, sprutas på stålkärnans yta. Företrädesvis är kärnan varvid en legering med god värmebeständighet tillverkad av allmänt konstruktionsstål. Sammansätt- ningen av den legering som används som överdrag mot- svarar företrädesvis väsentligen sammansättningen av rostfritt austenitiskt stål med mycket låg kolhalt. I fråga om stora värmelagrande kroppar som används i massavärmelagrare, är det vanligen mycket fördelak- 505 707 3 tigt att kärnan utgörs av ett antal stálkroppar fästa vid varandra genom svetsning, eftersom det härvid är lätt att tillverka kärnan och tillverkningen kan ut- föras in situ.The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned problems. To achieve this, the heat-storing body of metal according to the invention is characterized in that it comprises a core of steel, sprayed on the surface of the steel core. Preferably, the core is an alloy with good heat resistance made of general structural steel. The composition of the alloy used as a coating preferably essentially corresponds to the composition of stainless austenitic steel with a very low carbon content. In the case of large heat storage bodies used in pulp heat storage, it is usually very advantageous for the core to consist of a number of steel bodies attached to each other by welding, since in this case the core is easy to manufacture and the manufacture can be carried out in situ. .

Den värmelagrande anordningen enligt uppfin- ningen är huvudsakligen kännetecknad därav, att den värmelagrande kroppen omfattar en kärna av stål, var- vid en legering med god värmebeständighet påsprutats på den del av kärnans yta som utsätts för oxiderande omgivande förhållanden. Föredragna utföringsformer av den värmelagrande anordningen visas i de bifogade patentkraven 6 - 10.The heat storage device according to the invention is mainly characterized in that the heat storage body comprises a core of steel, whereby an alloy with good heat resistance is sprayed on the part of the surface of the core which is exposed to oxidizing ambient conditions. Preferred embodiments of the heat storage device are shown in the appended claims 6 - 10.

Föreliggande uppfinning baserar sig på idén att kärnan i den värmelagrande kroppen är tillverkad av billigt standardstål med utmärkta värmelagrande egen- skaper, varvid stålet skyddas mot oxidation och andra kemiska reaktioner medelst en legering som sprutats på stålets yta.The present invention is based on the idea that the core of the heat storage body is made of inexpensive standard steel with excellent heat storage properties, whereby the steel is protected against oxidation and other chemical reactions by means of an alloy sprayed on the surface of the steel.

En stor fördel med uppfinningen är att den möj- liggör att en kompakt värmelagrande kropp med hög värmelagringskapacitet per volymenhet kan tillverkas till låga kostnader. Eftersom kärnan är tillverkad av allmänt konstruktionsstål, material i olika former och dimensioner för att möta garanteras tillgången på kraven hos varje enskild tillämpning. Dessutom kan stålkärnan tillverkas eller monteras genom svetsning, vilket är synnerligen fördelaktigt vid framställning av mycket stora kärnor. Genom att välja sammansätt- ningen av den legering som används som överdrag så, att den väsentligen motsvarar sammansättningen av rostfritt austenitiskt stål med låg kolhalt, uppnås en tillräcklig värmebeständighet till låga.;q§tnader i normala driftförhållanden, genhet för korngränskorrosion är mycket liten. och överdragets_ benä- I det följande beskrivs uppfinningen med hjälp (Il ( f! \'l CD *J 4 av en föredragen utföringsform med hänvisning till bifogade ritning, vari figur 1 visar de principiella kännetecknen för en värmelagrande anordning; figur 2 är en vy bakifrån av den värmelagrande anordningen i figur 1; figur 3 är en snittvy längs linjen III-III i figur 1; och figur 4 visar en kassett, som används i den värmelagrande anordningen i för värmemot- stånd.A major advantage of the invention is that it enables a compact heat storage body with a high heat storage capacity per unit volume to be manufactured at low costs. Since the core is made of general structural steel, materials in different shapes and dimensions to meet, the availability of the requirements of each individual application is guaranteed. In addition, the steel core can be manufactured or assembled by welding, which is particularly advantageous in the production of very large cores. By selecting the composition of the alloy used as a coating so that it substantially corresponds to the composition of low carbon carbon stainless austenitic steel, a sufficient heat resistance to low conditions is achieved in normal operating conditions, the unit for grain boundary corrosion is very small. In the following, the invention is described by means of a preferred embodiment with reference to the accompanying drawing, in which Figure 1 shows the basic features of a heat storage device; Figure 2 is a view rear view of the heat storage device of Figure 1, Figure 3 is a sectional view taken along the line III-III in Figure 1, and Figure 4 shows a cassette used in the heat storage device for heat resistance.

Figur 1 visar en värmelagrande anordning, figur 1 som vanligen är ansluten till en värmeväxlare (inte vi- sad) för återvinning av värme. Den värmelagrande an- ordningen omfattar en värmelagrande kropp, som all- mänt är angiven med hänvisningssiffran 1. Den värme- lagrande kroppen 1 bildas genom att fyra väsentligen rektangulära stàlkroppar 2 - da. Stålkropparna 2 - 5 består av allmänt konstruk- tionsstål, såsom Fe 52-c (St 52-3), på denna ståltyp är lågt och tillgången stor, dessutom är det lätt att svetsa. de närliggande stålkropparna 2 och 3, placeras sida vid si- eftersom priset och En kontaktyta mellan och 4 och 5 omfattar ett utrymme för ett elektriskt upphettnings- motstånd 6, 7. med elektriska motstånd, höjs till ca 550 - 750°C, temperaturen är ca 600°C. Det bör noteras att kroppens Den värmelagrande kroppen 1 uppvärms medelst vilka temperaturen varvid den typiska drift- l temperatur kan vara klart över 750°C och under 550°C. Över sistnämnda temperatur visar olegerade el- ler kolstàl en hög skalningstendens. Upphettnings- motstånden 6 och 7 är inpassade i en separaçïkassett 8 och 9, 9, figur 4, står i nära termisk kontakt med stålkroppar- som utgör hållare för motstånden. Kassetter- na 8, vars konstruktion beskrivs i samband med 505 707 na 2 och 3, samt 4 och 5, och upphettningsmotstånden 6, 7 står i nära termisk kontakt med kassetterna 8, 9. På detta sätt garanteras en effektiv värmeöverfö- ring fràn upphettningsmotstånden 6, 7 till stàlkrop- parna 2 - 5. Upphettningsmotstánden 6, 7 anges med streckade linjer inom den värmelagrande kroppen l.Figure 1 shows a heat storage device, figure 1 which is usually connected to a heat exchanger (not shown) for heat recovery. The heat storage device comprises a heat storage body, which is generally indicated by the reference numeral 1. The heat storage body 1 is formed by four substantially rectangular steel bodies 2 - da. The steel bodies 2 - 5 consist of general structural steel, such as Fe 52-c (St 52-3), on this type of steel is low and the supply is large, in addition it is easy to weld. the adjacent steel bodies 2 and 3, are placed side by side as the price and A contact surface between and 4 and 5 comprises a space for an electric heating resistor 6, 7. with electrical resistors, raised to about 550 - 750 ° C, the temperature is about 600 ° C. It should be noted that the body's heat storage body 1 is heated by means of which the temperature at which the typical operating temperature can be well above 750 ° C and below 550 ° C. Above the latter temperature, unalloyed or carbon steels show a high tendency to peel. The heating resistors 6 and 7 are fitted in a separate cassette 8 and 9, 9, figure 4, are in close thermal contact with steel bodies - which form holders for the resistors. The cassettes 8, the construction of which is described in connection with 505 707 2 and 3, and 4 and 5, and the heating resistors 6, 7 are in close thermal contact with the cassettes 8, 9. In this way an efficient heat transfer from the heating resistors is guaranteed. 6, 7 to the steel bodies 2 - 5. The heating resistances 6, 7 are indicated by dashed lines within the heat-storing body l.

Ett fodral 10 är inpassat tätande på den yta i den värmelagrande kroppen l som är i kontakt med en vär- meöverförande vätska, i detta fall vatten, så att ett värmeöverförande utrymme bildas mellan fodralet och kontaktytan. Fodralet 10 förses med ett inlopp ll för vatten och ett utlopp 12 för ånga. Eftersom den vär- melagrande kroppens 1 yta och fodralet 10 omges av luft, och ytan upphettas till en temperatur, vid vil- ken det allmänna konstruktionsstàlet oxideras och skalas, är en legering med god värmebeständighet sprutad på ytan av den värmelagrande kroppen. Fodra- let 10 mäste även beläggas om det är tillverkat av stål som skalas vid drifttemperatur. Eftersom fodra- let 10 i förhållande till den värmelagrande anord- ningens totala materialmassa utgör en relativt liten del, kunde fodralet tillverkas av ett material med god värmebeständighet, varvid det inte behöver beläg- gas. Ett lämpligt utgångsmaterial för överdragsmate- rialet är ett trådmaterial eller ett pulver med en sammansättning, som väsentligen motsvarar sammansätt- ningen av ett rostfritt austenitiskt stål av 18-8- typ med mycket låg kolhalt. En låg kolhalt har visat sig vara viktig för överdragets vidhäftningsegenska- per. Kolhalten i en väl fungerande blandning är ca 0,03 %. Inte ens en kolhalt mindre än denna har visat sig vara ofördelaktig. Tillgången på denna,,__1;yp av stål är stor och priset är relativt rimligt iämfört med många andra typer av rostfritt stål eller super- legeringar. Vid mycket höga drifttemperaturer och/ 0"! C) (11 ( , 6 eller frätande förhållanden används ett Kanthal-lege- ringsöverdrag i stället för rostfritt stal. Väggar- na, som omges av det värmelagrande utrymmet, lämnas obelagda, eftersom det värmeöverförande utrymmet är syrefritt.A case 10 is fitted sealingly on the surface of the heat storing body 1 which is in contact with a heat transfer liquid, in this case water, so that a heat transfer space is formed between the case and the contact surface. The cover 10 is provided with an inlet 11 for water and an outlet 12 for steam. Since the surface of the heat storage body 1 and the cover 10 are surrounded by air, and the surface is heated to a temperature at which the general structural steel is oxidized and peeled, an alloy with good heat resistance is sprayed on the surface of the heat storage body. The casing 10 must also be coated if it is made of steel that is peeled at operating temperature. Since the cover 10 in relation to the total material mass of the heat storage device constitutes a relatively small part, the cover could be manufactured from a material with good heat resistance, whereby it does not need to be coated. A suitable starting material for the coating material is a wire material or a powder with a composition which substantially corresponds to the composition of a stainless steel of 18-8 type with a very low carbon content. A low carbon content has been shown to be important for the adhesion properties of the coating. The carbon content of a well-functioning mixture is about 0.03%. Not even a carbon content less than this has been shown to be disadvantageous. The availability of this type of steel is large and the price is relatively reasonable compared to many other types of stainless steel or superalloys. At very high operating temperatures and / 0 "! C) (11 (, 6 or corrosive conditions) a Kanthal alloy coating is used instead of stainless steel. The walls, which are surrounded by the heat storage space, are left uncoated, as the heat transfer space is oxygen free.

Figur 2 är en vy bakifrån av den värmelagrande anordningen, dvs. fràn sidan av fodralet 10.Figure 2 is a rear view of the heat storage device, i.e. from the side of the case 10.

Figur 3 är en snittvy längs linjen III-III i figur 1. I figurerna anger hänvisningssiffrorna 13 - svetsställen som förenar stàlkropparna 2 - 5. I tdetta sammanhang bör noteras att stàlkropparna 2 - 5 är sammansvetsade på endast ena sidan av kontaktytan, dvs. den värmelagrande kroppen 1 är inte svetsad upp- till, hettningsmotstànden 6, nertill eller framtill, dvs. på sidan av upp- 7. Detta möjliggör att sömmar- na mellan stálkropparna 2 - 5 kan öppnas en aning för 9 I figur 1 anger insättande av upphettningsmotstàndens kassetter 8, i nära kontakt med stàlkropparna. som medelst bul- för att hindra dem från att förskjutas fràn varandra. hänvisningssiffran 17' ett làsorgan, tar är fäst vid stålkropparna 2 för vatten belägna under varandra i det värmeöver- Figur 3 visar ytterligare styrplattor 17 förande utrymmet, vilka styrplattor är avsedda att sprida vatten och ånga över den värmelagrande krop- Styrplattorna 17 - 20 är där- för anordnade att turvis luta i motsatta riktningar. pens 1 hela kontaktyta.Figure 3 is a sectional view along the line III-III in figure 1. In the figures the reference numerals 13 indicate - welding points which connect the steel bodies 2 - 5. In this context it should be noted that the steel bodies 2 - 5 are welded together on only one side of the contact surface, ie. the heat storage body 1 is not welded to the top, the heating resistor 6, at the bottom or at the front, ie. on the side of the up 7. This enables the seams between the steel bodies 2 - 5 to be opened slightly for 9 In figure 1 indicates the insertion of the cassettes 8 of the heating resistors, in close contact with the steel bodies. as by means of bul- to prevent them from being displaced from each other. reference numeral 17 'a locking member, is attached to the steel bodies 2 for water located below each other in the heat transfer- Figure 3 shows further guide plates 17 leading the space, which guide plates are intended to spread water and steam over the heat storage body for arranged to alternately tilt in opposite directions. pens 1 whole contact area.

Styrplattorna 17 20 är företrädesivs fästa vid stålkropparna 2 - 5 genom svetsning.The guide plates 17 are preferably attached to the steel bodies 2 - 5 by welding.

Figur 4 visar kassetten 8 som skall insättas mellan stálkropparna 2 och 3. Kassetten 8 omfattar två skivliknande delar 21 och 22, att upphettningsmotstàndet 6 kan tas bort från den vilka utfergats så värmelagrande kroppen 1 genom att endast den inre delen 22 avlägsnas. Den yttre delen 21 förblir på sin 505 70,7 7 plats i kroppen 1. En tvådelad kassett 8 är att före- dra med tanke på underhållet.Figure 4 shows the cassette 8 to be inserted between the steel bodies 2 and 3. The cassette 8 comprises two disc-like parts 21 and 22, that the heating resistor 6 can be removed from the one which has been designed as heat-storing body 1 by removing only the inner part 22. The outer part 21 remains in its place 505 70.7 7 in the body 1. A two-part cassette 8 is preferable for maintenance.

Uppfinningen har ovan beskrivits med hjälp av endast en föredragen utföringsform. Det skall upp- fattas så, att uppfinningens detaljer kan modifieras på olika sätt inom ramen för bifogade patentkrav.The invention has been described above by means of only a preferred embodiment. It is to be understood that the details of the invention may be modified in various ways within the scope of the appended claims.

Följaktligen är det möjligt att den värmelagrande kroppen utgörs av en block- eller tegelformad kropp, som uppvärms t. ex. med värme alstrad i en värmelag- rande härd, varvid den värmelagrande kroppen är pla- cerad inuti härden. I detta fall uppvärms den värme- lagrande kroppen inte alls med elektricitet, och den utan luft I stället för elektricitet kan uppvärm- värmeöverförande vätskan är inte vatten, eller gas. ningen förverkligas med en olje- eller gaslåga. Det är uppenbart att kärnan inte behöver vara tillverkad av allmänt konstruktionsstål, utan det är möjligt att använda olika làglegerade stål och seghärdningsstål, vilka beläggs; dessa är emellertid dyrare än allmänt konstruktionsstàl, varför det inte är särskilt för- nuftigt att använda dem - i synnerhet med tanke på att åstadkomma en billig kropp med god värmelagringskapacitet och beständighet uppfinningens syfte, dvs. mot höga temperaturer. I stället för' de föreslagna rostfria austenitiska stålet och Kanthal-legeringen kan överdraget bestå av något annat material, som lämpar sig för höga temperaturer. Ett lämpligt alter- nativ kan vara austenitisk-ferritiskt stål. Ett kri- terium för val av material är att dess värmebestän- tillräckligt dighet och vidhäftningsegenskaper är goda.Consequently, it is possible that the heat-storing body consists of a block- or brick-shaped body, which is heated e.g. with heat generated in a heat-storing hearth, the heat-storing body being placed inside the hearth. In this case, the heat-storing body is not heated at all with electricity, and the one without air Instead of electricity, the heat-transferring liquid can not be water, or gas. realized with an oil or gas flame. It is obvious that the core does not have to be made of general structural steel, but it is possible to use different low-alloy steels and toughening steels, which are coated; however, these are more expensive than general structural steels, so it is not very sensible to use them - especially in view of providing a cheap body with good heat storage capacity and durability. against high temperatures. Instead of the proposed stainless austenitic steel and Kanthal alloy, the coating may consist of any other material suitable for high temperatures. A suitable alternative may be austenitic-ferritic steel. A criterion for choosing a material is that its heat resistance and adhesion properties are good.

I;IN;

Claims

(JW (I) (fw 10 15 20 25 30 35 C) .__ J 8 Patent claims:

1. l. N e t e c k n a d (2 5) of steel, resistance is sprayed on the surface of the steel core.

2. 1, t e c k n a d that the core consists of generally known - that it comprises a core Heat-storing body (1) of metal, thereof, wherein an alloy with good heat- Body according to the claim kän n e - thereof, structural steel.

Body according to Claim 1 or 2, characterized in that the composition of the alloy used as a coating substantially corresponds to the composition of stainless steel with a very low carbon content.

4. Claims according to any one of the preceding patent claims, in that the core consists of steel bodies (2 - 5) fastened to each other by welding.

Heat-storing device comprising a heat-storing body (1), one surface of which forms a contact surface with a heat-transferring liquid, characterized in that the heat-storing body comprises a core (2 - 5) of steel, wherein an alloy with good heat resistance, the part of the core surface that is exposed to oxidizing ambient conditions is sprayed on.

6. A heat storage device according to claim 5, wherein the contact surface is covered with a cover (10) so that a space is defined between the cover and the contact surface, the heat transfer space comprising one and one outlet (12) for supply and draining. of heat transfer fluid.

7. k ä n n e t e c k n a d heat transfer inlet (ll) É> ¶- Heat storage device according to claim 6, surrounded by the heat transfer space are uncoated. hence, that the walls as 10 15 20 a05 707 9

Heat storage device according to claim 7, characterized in that the heat transfer space comprises guide plates (17 - 20) for water, the guide plates being located below each other and arranged to alternately slope in opposite directions.

Heat storage device according to one of Claims 4 to 8, characterized in that the core consists of rectangular steel bodies (2 - 5) fastened to one another by welding, a contact surface between two adjacent steel bodies (2, 3 and 4). 4, 5) comprises a space for an electric heating resistor (6, 7).

Heat storage device according to claim 9, characterized formed in the contact surface between the steel bodies (2, 3 and 4, 5) is arranged to receive a cassette (8, 9) which is in close thermal contact with the steel bodies and the fact that the space provided the electric heating resistor (6, 7), and forms a holder for the heating resistor. IN