WO1998055814A1 - Heat exchanger made from a mixture of silicon carbide and molybedenum disilicide - Google Patents

Heat exchanger made from a mixture of silicon carbide and molybedenum disilicide Download PDF

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WO1998055814A1
WO1998055814A1 PCT/DE1998/001451 DE9801451W WO9855814A1 WO 1998055814 A1 WO1998055814 A1 WO 1998055814A1 DE 9801451 W DE9801451 W DE 9801451W WO 9855814 A1 WO9855814 A1 WO 9855814A1
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heat exchanger
flow
exchanger according
channels
plates
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PCT/DE1998/001451
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German (de)
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Inventor
Harald Lorson
Behzad Sahabi
Rolf-Dieter Linden
Original Assignee
Siamant Ceramic Systems Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/26Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means being integral with the element
    • F28F1/28Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means being integral with the element the element being built-up from finned sections
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone

Definitions

  • the invention relates to a ceramic recuperative high-temperature heat exchanger, in which all components that come into contact with the primary and / or secondary media are made of high-temperature resistant material which consists of a mixture of SiC and MoSi 2 .
  • the ceramic material made from a mixture of SiC and MoSi 2 which is available on the market under the Siamant brand, is known from DE 44 35 866 AI, in which processes for the production of SiC / MoSi 2 are described. Processes are also described in DE 43 31 307 A1 with which composite materials based on SiC / MoSi 2 are produced, which are reinforced with carbon fibers.
  • a disadvantage of this heat exchanger construction is the heat exchanger size limited by the size of the perforated plate.
  • the perforated plate / tube component system also requires a very complex construction with exact guides and fits, which is very difficult, especially with regard to the maximum temperature conditions.
  • Another disadvantage of this construction is the transport of the heat exchanger due to the mechanical loads. To eliminate this problem, special transport devices must be provided or developed.
  • the technical problem underlying the invention is to design the generic ceramic recuperative high-temperature heat exchanger so that its design is suitably tailored to the materials used and suitable for the highest temperature level intended for operation, and its components in a simple manner can be produced with the required accuracy and dimensional accuracy.
  • the mutually delimited flow channels and flow areas are formed by plates into which a matching grid of truncated cone-shaped depressions with an open base is formed, the plates being stacked one above the other in such a way that the tubular lower one End of the shell of the recesses of the upper plate rests on the conical shell of the recess of the plate arranged below such that flow channels are formed by the recesses which are essentially aligned with one another.
  • Such a heat exchanger has the advantage that it can be produced from very simple components which are unproblematic in their structural design is, which are tailored in a very advantageous manner to the possibilities of the highest temperature-resistant materials used.
  • the two subsystems for the heat-emitting primary and the heat-absorbing secondary media which are to be demarcated from one another according to the recuperative system, are formed by a single component. Because of its simple and robust shape, this construction principle allows the material's inherent high temperature resistance to be exploited in a favorable manner, so that temperatures of around 1650 degrees Celsius are permanently manageable for the primary medium when it enters the system.
  • the temperature level that is possible with this heat exchanger system is also particularly important because the heat exchange is based not only on conduction and convection, but increasingly also on radiation transmission with increasing temperature.
  • the proportion of radiation in heat transfer increases with the fourth power of the temperature.
  • the disproportionate effectiveness of the heat fraction in heat transfer essentially begins at temperatures above the annealing temperature.
  • the height of the flow area is less than the height by which the depressions protrude below the horizontal plate part.
  • the tubular depressions penetrate the flow area in a columnar manner and are surrounded by an annular depression at their base point.
  • the resulting cross-sectional profile of the flow area leads to an intense Whirling of the flowing medium and to an advantageous
  • the flow areas formed in this way have inflow and outflow openings only on opposite sides, since they are simply closed on the intermediate sides.
  • the media flow is led from the outflow opening through a deflection device into the inflow opening of the flow area in which the flow runs in the opposite direction. If at least two flow areas are combined for parallel flow, there is an additional swirling of the gas flows in the deflection spaces, the turbulence of the flow increasing the efficiency of the heat transfer.
  • a particularly favorable form of the configuration of the deflection seal is the extension of the plate, which on the inflow side delimits the downstream flow region at the bottom in the direction of flow. It thus forms the deflection plate. Because of the matching grid of the frusto-conical depressions, the entire heat exchanger can be represented in this way with two plate formats, in the case of only one flow area in one flow direction, even with only one plate format, if the elongated side is alternately laid opposite one another.
  • An embodiment in which at least two plates lying one on top of the other form a plate package and the packages are separated from one another by a space into which the flow channels open and from which they emerge has the particular advantage that the upper and lower boundaries of the space to the below and above flow areas represent an additional heat transfer surface. In this way it is possible to intensify and accelerate the heat exchange process. They do Advantageously influencing the heat transfer by flow turbulence, which has been mentioned several times, can also be achieved in that the outer jacket of the depressions has a shape which leads to a swirling of the flowing media.
  • the formation of the inner surface of the flow channels is determined by the profile of the lower recess end. In the description of the exemplary embodiments shown in the drawing, it is shown in detail how this profile can look. In any case, it can be assumed that the inner channel wall does not have a smooth surface that would be comparable to the inside of a pipe. As a result, an influence in the sense of a turbulent flow can also be expected here.
  • the MoSi 2 component makes the material used electrically conductive. This results in the favorable possibility of applying electric current to the plates, particularly in the areas which are in the outflow area of the primary or in the inflow area of the secondary gas stream, and therefore are not at the highest temperature level, and to be heated to such temperatures by resistance heating that, if appropriate slag that becomes tougher or even solidifies is melted again in a thin liquid so that it can drip downwards. In this way it is possible to use the heat exchanger even during continue to operate intermittent cleaning phases. This has advantages over overheating by burning additional fuels or temporarily reducing the secondary gas flow. That kind of
  • An embodiment in which an inertia separator made of SiC / MoSi is connected upstream of the heat exchanger for the slag-containing primary gas stream offers particular advantages with high slag fractions in the gas stream.
  • Inertia separators made of the highest temperature-resistant materials can be produced in a particularly favorable form as a ball pile, baffle plate or cyclone separator.
  • the novel material allows channels to be formed in the jacket of the inertia separator, in which the secondary gas stream preheated in the heat exchanger can be directed further towards the primary gas stream, which leads to a further increase in the temperature level.
  • a particularly favorable form of training is provided if the channels in the jacket of the inertial separator run in a spiral.
  • the proposed heat exchanger can advantageously arrange a fine filter between the inertial separator and the heat exchanger, which in particular also advantageously produced on the basis of SiC / MoSi 2 and is therefore extremely temperature-resistant.
  • the heat exchanger can not only be used as a mere heat exchanger, but also because of the very high temperature levels possible due to the use of the highest temperature-resistant materials and the construction principle according to the invention, in a particularly favorable form as a reformer.
  • the secondary system uses gaseous hydrocarbons that are thermally split.
  • the use of a Stirling engine offers a particularly favorable option for the energy network with the maximum temperature heat exchanger.
  • the flue gas heats air on the secondary side.
  • the temperature of the air leaving the heat exchanger varies between 1,200 and 1,400 degrees Celsius, depending on the firing material.
  • the air is accelerated by a fan to a speed of about 10 to about 50 m / s before entering the heat exchanger.
  • the speed of the air depends on the size of the heat exchanger, i.e. the mass flow. For thermal reasons, it goes directly into the calculation of the convective heat transfer.
  • the appropriate air speed must be set for the respective heat exchanger in order to optimize the system.
  • the air can be pre-cleaned and dried before entering the heat exchanger. To prevent the secondary air from mixing with the flue gas, the secondary side is operated with a slight overpressure.
  • the heated air is passed on to a Stirling engine after leaving the maximum temperature heat exchanger.
  • the Stirling engine is a heat and power machine, in which the drive energy is supplied from the outside via the heater heat exchanger.
  • a second, lower temperature is also set externally via the cooler heat exchanger.
  • Mechanical work is done from the difference between the high and low temperature levels, taking into account the thermodynamic efficiency. In contrast to the petrol or diesel engine, this system has no internal combustion and no charge change; rather, two constant temperatures are set from the outside.
  • a corresponding generator is connected in the Stirling engine, which converts the mechanical work into electrical energy.
  • the air leaving the Stirling engine has a temperature of 400 degrees to 700 degrees Celsius. This hot air can be used energetically in various ways, some of which are briefly outlined here.
  • the 400 to 700 degree hot air is mixed with outside air and used as combustion air in the furnace. This measure significantly increases the efficiency of the furnace.
  • the hot air can be introduced as secondary air into the combustion chamber, for example into the afterburning zone.
  • significantly higher flue gas temperatures can be generated.
  • the result of this measure is that the flue gases reach a significantly higher temperature after leaving the afterburning zone and the air on the secondary side of the heat exchanger also has a higher heat content.
  • the connected heat engine also works at a higher energy level, which has a positive effect on its efficiency.
  • the flammability can be increased by supplying hot air, which has a positive effect on the combustion processes and thus on the efficiency of the furnace. Another possible use is to dry the
  • the combustion stage can be used for the thermal use of moist fuel, for example damp wood or sludge
  • Drying stage upstream the hot air can be directed over the material to be dried.
  • the moist air is dewatered in a condenser and cleaned depending on the material to be dried.
  • the air can then be released into the atmosphere or directed into the furnace as combustion air.
  • a condenser for example fluidized bed dryer etc., other process variations can also be implemented.
  • pyrolysis of the fired material can also be very effective.
  • the actual combustion can be preceded by pyrolysis.
  • the fuel is heated in the absence of air by the hot air and divided into a solid, liquid and gaseous fraction. If metallic contaminants are contained in the firing material, pyrolysis can be followed by magnetic separation, through which metallic foreign substances are separated. The three fractions can then be fed to the furnace as solid, liquid and gaseous fuels.
  • the hot air can also be used for another downstream drying process.
  • the clean, hot air allows, for example, large quantities of wood to be dried when used in sawmills or foods such as fruit and pasta.
  • the hot air is led directly into the drying room.
  • the hot air can be mixed in with the appropriate dosage.
  • the air leaving the drying room can vary depending on the degree the cooling either in the atmosphere or after admixing to the flue gas stream from the heat exchanger in a water heater.
  • the separation of the flue gas and air flow has significant advantages for the operation of the Stirling engine.
  • the difficulties in integrating a Stirling engine into a solid fuel heating system and the direct loading of the Stirling heat exchanger with flue gases require a flue gas that is as dust-free as possible, which was previously not possible.
  • the residual dust in the flue gas pollutes the heat exchanger and shortens the service life due to chemical reactions of some components of the flue gas with the metallic components of the heat exchanger.
  • the heat transfer characteristic of this caloric apparatus is impaired in such a way that the efficiency of the Stirling engine deteriorates considerably over long periods of operation, so that cleaning is necessary.
  • the air is compressed before entering the heat exchanger, in the heat exchanger to a temperature of Heated 1200 degrees Celsius and then relaxed in an appropriately dimensioned gas turbine.
  • the gas turbine drives a generator to generate the electrical energy.
  • the relaxed hot air can be used for further energy in a downstream heat exchanger, for example in drying, fuel or hot water preparation.
  • a steam power process can be added to larger systems.
  • the inlet temperature cannot be increased arbitrarily due to the material-specific properties of the metals. Since the overall efficiency of the system depends on the level of the turbine inlet temperature, the efficiency inherent in the process, that is, Carnot's efficiency, can only be increased by increasing the inlet temperature. If an oxygen-free gas, for example noble gases or nitrogen, is used as the working gas instead of the air, alternative turbine materials can be used. In this case, the use of carbon fiber reinforced carbon (CFC) is conceivable. This material can be used up to temperatures of around 2000 ° C in non-oxidizing atmospheres. By using this material you are independent of the turbine inlet temperature, which can be increased to up to 1600 degrees Celsius when burning carbon-rich fuels. Correspondingly high temperatures can also be achieved by using appropriately preheated or oxygen-enriched air.
  • CFC carbon fiber reinforced carbon
  • the inert gas is compressed before entering the heat exchanger, heated in the heat exchanger and expanded in the CFC turbine.
  • the hot gas leaving the turbine is cooled to room temperature to minimize compressor performance and then compressed again.
  • the flue gas can be cooled by a downstream steam power process take place. In the case of smaller units, the cooling process can be carried out in several stages. The heat flows diverted during this process can continue to be used for energy. Other possible applications include preheating the combustion air or an inert gas flow or drying fuel or foreign materials.
  • This hot gas charger which is normally used as a compressor, but can also be operated as a relaxation machine in the case described, must also be produced from ceramic materials at temperatures above 1000 degrees Celsius.
  • the integration into the system corresponds to that of the turbine and has already been explained above.
  • FIG. 1 shows an apparatus in a sectional side view, in which a heat exchanger and an inertial separator are arranged one above the other;
  • Figure 2 is a plate from which the heat exchanger is built, in a sectional side view and in plan view.
  • Fig. 3 in a stylized representation of a heat exchanger segment from four stacked plates;
  • Fig. 4 is a plan view of a flow area according to the
  • FIG. 5 shows an embodiment with plate packs and perforation spaces arranged between the packs in a schematic
  • FIG. 6 is a very simplified system sketch for plant concepts with integrative integration of the maximum temperature heat exchanger.
  • Fig. 1 an apparatus is shown in principle, in which the heat exchanger 1 is arranged above a cyclone 2 as an inertial separator and in which - with dashed lines - the contours for the possible installation point of a fine filter 3 are indicated.
  • the entire apparatus is surrounded by a high-temperature-resistant, heat-insulating jacket in which the inlets and outlets of the primary media P, the secondary media S and the ash drain A are formed.
  • the slag-laden primary gas stream is initially passed approximately in the middle of the left side into cyclone 2, in which the coarser liquid slag particles are separated off and discharged downward in liquid form.
  • the pre-cleaned primary gas flow P is then conducted upwards and, if necessary after passing through a fine filter 3, is passed into the vertical flow channels of the heat exchanger 1.
  • the secondary gas flow S is introduced into the apparatus on the upper right-hand side and is counter-sensed to the upward directed primary gas flow P by four flow areas connected in parallel in a cross flow.
  • the secondary gas flows S are detected in deflection chambers 9 and introduced into the flow areas below in the opposite direction.
  • the secondary gas stream S is alternatively discharged after passing through the heat exchanger 1 as a secondary gas stream S 'or, for further overheating, the inertia separator 2 is directed towards the inertial separator 2 via corresponding channels 12 in the jacket of the inertial separator designed here as a cyclone 3.
  • the secondary gas flow S is discharged to the right at the lower end of the apparatus.
  • a plate 6 is shown, in which a regular grid of frustoconical depressions 7 is formed.
  • the plate 6 is shown in a sectional side view and in the lower part of the illustration in a top view. If these plates 6 are stacked one on top of the other in such a way that the tubular lower end of the jacket of the Veitiefept 7 in the upper plate rests on the conical jacket of the Veitiefept 7 of the plate arranged below it, a heat exchanger 1 results, as shown in FIG.
  • the plates 6 form the flow areas 5 in a horizontal orientation and the flow channels 4 in a vertical orientation.
  • the primary medium P for example flue gas
  • the flow channels 4 are clearly visible in this illustration. Since the inner wall of the flow channels 4 is formed by the lower end of the depressions 7, their shape and structure depends on the design of the lower jacket end of the recesses 7. Three examples of such a termination are indicated in the left part of FIG. 3, the upper and lower ends having a termination parallel to the plate surface and the two underlying plates having an inwardly beveled foam which increasingly adapts to the jacket surface of the underlying plate 6 . In this adapted form, a higher density of the delimitation from flow channel 4 to flow area 5 is to be expected.
  • FIG. 4 shows a plan view of the lower end of a flow area 5 corresponding to the viewing clearing IV indicated in FIG. 3.
  • the secondary gas flow S is indicated by arrows, while the primary gas flow P flows through the openings of the vee depressions 7, as it were, towards the viewer. It can be clearly seen that the recessed jackets projecting into the flow area 5 in a columnar manner oppose the secondary gas flow S and lead to its swirling.
  • FIG. 5 very schematically shows an exemplary embodiment in which plates 6 are combined to form plate packs 10 and these are arranged at a distance from one another such that spaces 11 result between the packets 10.
  • the flow channels 4 open into these spaces 11, in order to again flow into the flow channels 4 of the package 10 above them on the other side. Except for these inflow and outflow openings, the rooms 11 are closed on all sides. In the rooms 11 there is a swirling of the partial flows P, which touch the lower and upper end of the room 11 with the respective outer plates. Large areas of additional heat transfer surfaces are thus provided with these surfaces, which leads to an intensification and acceleration of the heat transfer. It is indicated that the secondary gas flow S is countercurrently directed through three flow areas 5 and around the spaces 11 by deflection spaces 9. In Fig.
  • the cleaned flue gas P can be felt for the applications described, of which a process water exchanger and an air / gas exchanger for drying are indicated.
  • Two secondary gas flows S are indicated.
  • secondary media S] are air or inert gases such as nitrogen, which, after appropriate heating, are fed to a Stirling engine, a CFC turbine or a hot gas charger, for example.
  • the second secondary gas stream S 2 indicates the heating up of hydrocarbons and their splitting at a correspondingly high temperature level.
  • the fission products can be fed to a fuel cell, where they can generate electricity and be used for further useful heat.
  • the secondary gas stream 1 is indicated by a solid line and the secondary gas stream 2 by dashed lines.
  • the use of the modified heat exchanger 1 as a reformer makes it possible to produce synthesis gases from biomass, oil or gas at the prevailing high temperatures. It serves as a kind of cracking furnace in which the hydrocarbons are cracked.
  • the synthesis gas is further processed using conventional methods that have been tried and tested in technology.
  • the advantage over the prior art is that you do not have to work with catalysts, as was the case with the previously achievable temperature level of about 900 degrees Celsius. Rather, a temperature level of up to 1300 degrees Celsius is achieved here and thus better efficiency levels without the use of complex and sensitive catalyst systems.

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Abstract

The invention relates to a ceramic recuperative high-temperature heat exchanger (1), wherein all components coming into contact with primary (P) and/or secondary (S) media are made of high-temperature resistant material. The high-temperature material consists of a mixture of SiC and MoSi2. The self-defining flow channels (4) and flow areas (5) of the heat exchanger are formed by plates (6), comprising a congruent matrix configuration of truncated recesses (7) with an open bottom. The plates (6) are stacked on top of each other in such a way that the tubular lower end of the covering surface of the recesses (7) of the upper plate (6) rests on the spherical covering surface of the recesses of the plates (6) disposed thereunder, in such a way that the flow channels (4) are formed by the substantially self-aligned recesses (7). The flow area (5) which is formed between the plates (6) is lower in height than the recesses (7). It is penetrated by the covering surfaces of the recesses (7) in the form of columns. The flow areas (5) have inflows and outflows only.

Description

WÄRMETAUSCHER AUS EINEM GEMISCH VON SILIZIUMKARBID UND MOLYBDANDISILIZIDHEAT EXCHANGER MADE FROM A MIXTURE OF SILICON CARBIDE AND MOLYBEDANDISILICIDE
Die Erfindung betrifft einen keramischen rekuperativen Hochtempertur- Wärmetauscher, bei dem alle mit den Primär- und/oder Sekundärmedien in Berührung kommenden Bauteile aus hochtemperarrurfestem Material hergestellt sind, das aus einem Gemisch aus SiC und MoSi2 besteht. Dabei ist der keramische Werkstoff aus einem Gemisch von SiC und MoSi2, der im Markt unter der Marke Siamant angeboten wird, aus der DE 44 35 866 AI bekannt, in der Verfahren zur Herstellung von SiC/MoSi2 beschrieben wird. Auch in der DE 43 31 307 AI werden Verfahren beschrieben, mit denen Verbundwerkstoffe auf SiC/MoSi2-Basis hergestellt werden, die mit Kohlenstoffasern verstärkt sind.The invention relates to a ceramic recuperative high-temperature heat exchanger, in which all components that come into contact with the primary and / or secondary media are made of high-temperature resistant material which consists of a mixture of SiC and MoSi 2 . The ceramic material made from a mixture of SiC and MoSi 2 , which is available on the market under the Siamant brand, is known from DE 44 35 866 AI, in which processes for the production of SiC / MoSi 2 are described. Processes are also described in DE 43 31 307 A1 with which composite materials based on SiC / MoSi 2 are produced, which are reinforced with carbon fibers.
Der thermische Wirkungsgrad praktisch aller energetischen Prozesse hängt von der Höhe des Temperaturniveaus ab, auf dem sie ablaufen. Daher war es schon immer das Ziel, die thermischen Apparate zumindest in den Teilen aus hochtemperaturfesten Materialien herzustellen, in denen sie mit den heißen Medien in Berührung kommen. Aufgrund der Festigkeitseigenschaften war man hierfür fast ausschließlich auf metallische Werkstoffe beschränkt. Da diese bei höheren Temperaturen zunehmend ihre Festigkeitseigenschaften verlieren, sind immer wieder Vorschläge zur Auskleidung oder Ummantelung mit höhertemperaturfesten keramischen Werkstoffen oder zur Wasserkühlung gemacht worden, die aber alle zum einen sehr aufwendig sind und zum anderen keine Anhebung auf höchste Verfahrenstemperaturen von beispielsweise 1600 Grad Celsius für längere Anwendungszeiten erlaubten.The thermal efficiency of practically all energetic processes depends on the level of the temperature at which they occur. Therefore, it has always been the goal to manufacture the thermal devices, at least in the parts from high-temperature-resistant materials, in which they come into contact with the hot media. Due to the strength properties, this was almost exclusively restricted to metallic materials. Since these increasingly lose their strength properties at higher temperatures, suggestions have been made again and again for lining or sheathing with ceramic materials which are resistant to high temperatures or for water cooling, but these are all very complex on the one hand and on the other hand no increase to the highest process temperatures of, for example, 1600 degrees Celsius for longer application times allowed.
Eine ganz neue Entwicklung wurde durch die Erfindung höchsttemperaturfester Werkstoffe auf SiC/MoSi2-Basis eingeleitet, die beispielsweise in den oben genannten Druckschriften offenbart sind. Diese Werkstoffe sind nicht nur höchsttemperaturbeständig, sie weisen daneben auch Festigkeiten auf, die ihre Verwendung zur Herstellung von Konstruktionsteilen für höchsttemperaturbeanspruchte thermische Apparate ermöglichen. Hinzu kommt, daß diese Materialien auch auf einem Temperaturniveau von etwa 1650 Grad Celsius resistent gegenüber Schlacken und Aschen in geschmolzener Form sind. Damit sind Bauteile aus diesen keramischen Materialien in spezieller Weise geeignet, in den Bereichen eingesetzt zu werden, in denen sie beispielsweise mit asche- oder schlackehaltigen Rauchgasen in Berührung kommen.A completely new development was initiated by the invention of extremely temperature-resistant materials based on SiC / MoSi 2 for example, are disclosed in the above-mentioned publications. These materials are not only resistant to extreme temperatures, they also have strengths that enable them to be used to manufacture structural parts for thermal devices that are subject to extreme temperatures. In addition, these materials are resistant to slag and ash in molten form even at a temperature level of around 1650 degrees Celsius. Components made from these ceramic materials are therefore particularly suitable for use in areas where they come into contact with, for example, ash or slag-containing smoke gases.
In der DE 195 12 939 AI weiden Anlagenkonzepte und Verfahren zu deren Betrieb beschrieben, bei denen Systeme aus Trägheitsabscheidem und Wärmetauschern aus SiC/MoSi2 nicht nur zum Wärmetausch auf höchstem Temperaturniveau, sondern auch zur Heißgasreinigung eingesetzt werden, so daß nicht nur Sekundärgasströme, sondern auch die gereinigten Primärgasströme mit hohem Wirkungsgrad energetisch weitergenutzt werden können. Speziell beschrieben werden Anwendungsbeispiele in der Druckkohlenstaubfeuerung, sowie bei verschiedenen Vergasungsverfahren, beispielsweise in der Flugstromvergasung, der Wirbeschichtvergasung oder einer besonderen Form einer Hochtemperaturmüllvergasung.In DE 195 12 939 AI plant concepts and methods for their operation are described, in which systems consisting of inertial separators and heat exchangers made of SiC / MoSi 2 are used not only for heat exchange at the highest temperature level, but also for hot gas cleaning, so that not only secondary gas flows, but also the purified primary gas streams can also be used for energy with high efficiency. Application examples in compressed coal dust firing, as well as in various gasification processes, for example in entrained-flow gasification, fluidized bed gasification or a special form of high-temperature waste gasification, are specifically described.
Speziell wird in der DE 195 12 939 AI ein keramischer Hochtermperatur- Wärmetauscher beschrieben, der im Bereich der wärmeübertragenden Bauteile ausschließlich aus Bauteilen auf SiC/MoSi2-Basis hergestellt ist und bei dem damit keine keramischen Bauteile mit metallischen Bauteilen verbunden werden müssen. Beschrieben wird ein Höchsttemperatur- Wärmetauscher nach dem Konstruktionsprinzip eines Rohrbündel- Wärmetauschers, bei dem der Primärgasstrom aus Rauchgasen mit flüssigen Asche- und Schlackebestandteilen rekuperartiv im Kreuzstrom dem Sekundärgasstrom entgegengeführt wird, der durch SiC/MoSi2-Rohre strömt.DE 195 12 939 AI specifically describes a ceramic high-temperature heat exchanger which, in the area of heat-transferring components, is produced exclusively from components based on SiC / MoSi 2 and in which no ceramic components have to be connected to metallic components. A maximum temperature heat exchanger is described according to the design principle of a tube bundle heat exchanger, in which the primary gas flow from flue gases with liquid ash and slag components is recuperative in cross flow Secondary gas flow is directed, which flows through SiC / MoSi 2 tubes.
Nachteilig an dieser Wäimetauscherkonstmktion ist die durch die Baugröße der Lochplatte begrenzte Wärmetauschergröße. Das Bauteilsystem Lochplatte/Rohr verlangt außerdem eine sehr aufwendige Konstruktion mit exakten Führungen und Passungen, was besonders im Hinblick auf die Höchsttemperaturverhältnisse sehr schwierig ist. Einen weiteren Nachteil dieser Konstruktion stellt aufgrund der mechanischen Belastungen der Transport des Wärmetauschers dar. Um dieses Problem auszuschalten, sind spezielle Transportvorrichtungen vorzusehen bzw. zu entwickeln.A disadvantage of this heat exchanger construction is the heat exchanger size limited by the size of the perforated plate. The perforated plate / tube component system also requires a very complex construction with exact guides and fits, which is very difficult, especially with regard to the maximum temperature conditions. Another disadvantage of this construction is the transport of the heat exchanger due to the mechanical loads. To eliminate this problem, special transport devices must be provided or developed.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, den gattungsgemäßen keramischen rekuperativen Hochtemperatur- Wärmetauscher so zu konzipieren, daß seine Konstruktion in geeigneter Weise auf die verwendeten Materialien zugeschnitten und für das für den Betrieb vorgesehene höchste Temperturniveau geeignet ist, und dessen Bauteile in einfacher Weise in der erforderlichen Exaktheit und Maßhaltigkeit herstellbar sind. Dieses Problem wird erfϊndungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem gattungsgemäßen Hochtemperatur- Wärmetauscher die gegeneinander abgegrenzten Strömungskanäle und Strömungsbereiche durch Platten gebildet werden, in die ein übereinstimmendes Raster kegelstumpfartiger Vertiefungen mit offenem Boden eingeformt ist, wobei die Platten derart übereinander gestapelt sind, daß das rohrförmige untere Ende des Mantels der Vertiefungen der oberen Platte auf dem Kegelmantel der Vertiefung der darunter angeordneten Platte derart aufliegt, daß durch die im wesentlichen miteinander fluchtenden Vertiefungen Strömungskanäle gebildet werden.The technical problem underlying the invention is to design the generic ceramic recuperative high-temperature heat exchanger so that its design is suitably tailored to the materials used and suitable for the highest temperature level intended for operation, and its components in a simple manner can be produced with the required accuracy and dimensional accuracy. This problem is solved according to the invention in that, in the generic high-temperature heat exchanger, the mutually delimited flow channels and flow areas are formed by plates into which a matching grid of truncated cone-shaped depressions with an open base is formed, the plates being stacked one above the other in such a way that the tubular lower one End of the shell of the recesses of the upper plate rests on the conical shell of the recess of the plate arranged below such that flow channels are formed by the recesses which are essentially aligned with one another.
Ein solcher Wärmetauscher hat den Vorteil, daß er aus sehr einfachen, in ihrer konstruktiven Ausgestaltung unproblematische Bauteilen herstellbar ist, die in sehr vorteilhafter Weise auf die Möglichkeiten der eingesetzten höchsttemperaturbeständigen Materialien zugeschnitten sind. Durch das Übereinanderstapeln der erfindungsgemäßen Platten werden die beiden, nach dem rekuperativen System gegeneinander abzugrenzenden Teilsysteme für die wärmeabgebenden Primär- und die wärmeaufhehmenden Sekundärmedien durch ein einziges Bauteil gebildet. Wegen seiner einfachen und robusten Form läßt sich mit diesem Konstruktionsprinzip die materialimmanente Höchsttemperaturbeständigkeit in günstiger Weise ausnutzen, so daß durchaus Temperaturen um 1650 Grad Celsius für das Primärmedium beim Eintritt in das System dauerhaft beherrschbar sind.Such a heat exchanger has the advantage that it can be produced from very simple components which are unproblematic in their structural design is, which are tailored in a very advantageous manner to the possibilities of the highest temperature-resistant materials used. By stacking the plates according to the invention, the two subsystems for the heat-emitting primary and the heat-absorbing secondary media, which are to be demarcated from one another according to the recuperative system, are formed by a single component. Because of its simple and robust shape, this construction principle allows the material's inherent high temperature resistance to be exploited in a favorable manner, so that temperatures of around 1650 degrees Celsius are permanently manageable for the primary medium when it enters the system.
Das mit diesem Wärmetauschersystem mögliche Temperartumiveau ist auch dadurch von besonderer Bedeutung, da der Wärmetausch nicht nur auf Leitung und Konvektion, sondern mit steigender Temperatur zunehmend auch auf Strahlungsübertragung beruht. Der Strahlungsanteil bei der Wärmeübertragung steigt mit der vierten Potenz der Temperatur. Die überproportionale Wirksamkeit des Suahlungsanteils bei der Wärmeübertragung beginnt im wesentlichen bei Temperaturen über der Glühtemperatur.The temperature level that is possible with this heat exchanger system is also particularly important because the heat exchange is based not only on conduction and convection, but increasingly also on radiation transmission with increasing temperature. The proportion of radiation in heat transfer increases with the fourth power of the temperature. The disproportionate effectiveness of the heat fraction in heat transfer essentially begins at temperatures above the annealing temperature.
Durch entsprechende Ausgestaltung der kegelstumpfartigen Vertiefungen in den Platten wird erreicht, daß die Höhe des Strömungsbereichs geringer ist als die Höhe, um die die Vertiefungen unter dem horizontalen Plattenteil nach unten überstehen. Dies wird dadurch erreicht, daß das rolrrförmige untere Ende des Mantels der Vertiefungen auf dem bereits gegenüber der horizontalen Umgebung abgesenkten Einlauf in die Vertiefungsöffhung aufsteht. Das fühlt dazu, daß die rohrförmigen Vertiefungen säulenartig den Strömungsbereich durchsetzen und an ihrem Fußpunkt von einer ringförmigen Absenkung umgeben sind. Das dadurch bedingte Querschnittsprofil des Strömungsbereichs führt zu einer intensiven Durchwirbelung des strömenden Mediums und zu einer vorteilhaftenBy appropriate design of the frustoconical depressions in the plates it is achieved that the height of the flow area is less than the height by which the depressions protrude below the horizontal plate part. This is achieved in that the trough-shaped lower end of the casing of the recesses stands on the inlet into the recess opening that has already been lowered relative to the horizontal environment. This means that the tubular depressions penetrate the flow area in a columnar manner and are surrounded by an annular depression at their base point. The resulting cross-sectional profile of the flow area leads to an intense Whirling of the flowing medium and to an advantageous
Beeinflussung der Wärmeübertragung.Influencing heat transfer.
Die so gebildeten Shömungsbereiche weisen nur an gegenüberliegenden Seiten Einström- und Ausströmöffnungen auf, da sie an den dazwischenliegenden Seiten einfach verschlossen sind. Von der Ausströmöffiiung wird der Medienstrom durch eine Umlenkvorrichtung in die Einströmöffnung des Strömungsbereichs geführt, in dem die Strömung entgegengesetzt verläuft. Werden mindestens zwei Strömungsbereiche zur parallelen Durchströmung zusammengefaßt, ergibt sich in den Umlenkräumen eine zusätzliche Durchwirbelung der Gasströme, wobei die Turbolenz der Strömung den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung erhöht.The flow areas formed in this way have inflow and outflow openings only on opposite sides, since they are simply closed on the intermediate sides. The media flow is led from the outflow opening through a deflection device into the inflow opening of the flow area in which the flow runs in the opposite direction. If at least two flow areas are combined for parallel flow, there is an additional swirling of the gas flows in the deflection spaces, the turbulence of the flow increasing the efficiency of the heat transfer.
Eine besonders günstige Form der Ausgestaltung der Umlenkeimichtung ist die Verlängerung der Platte, die auf der Einströmseite den in Strömungsrichtung hinteren Strömungsbereich unten begrenzt. Sie bildet damit die Umlenkplatte. Wegen des übereinstimmenden Rasters der kegelstumpfartigen Vertiefungen läßt sich auf diese Art und Weise der gesamte Wärmetauscher mit zwei Plattenformaten darstellen, für den Fall jeweils nur eines Strömungsbereichs in einer Strömungsrichtung sogar nur mit einem Plattenformat, falls die verlängerte Seite jeweils abwechselnd gegenüberliegend verlegt wird.A particularly favorable form of the configuration of the deflection seal is the extension of the plate, which on the inflow side delimits the downstream flow region at the bottom in the direction of flow. It thus forms the deflection plate. Because of the matching grid of the frusto-conical depressions, the entire heat exchanger can be represented in this way with two plate formats, in the case of only one flow area in one flow direction, even with only one plate format, if the elongated side is alternately laid opposite one another.
Eine Ausfuhrungsform, bei der jeweils mindestens zwei aufeinanderliegende Platten ein Plattenpaket bilden und die Pakete voneinander jeweils durch einen Raum getrennt werden, in den die Strömungskanäle münden und aus dem sie austreten, hat den besonderen Vorteil, daß die obere und untere Abgrenzung des Raums zu den darunter und darüber befindlichen Strömungsbereichen eine zusätzlich Wärmeübergangsfläche darstellen. Auf diese Art ist es möglich, den Wärmetauschvorgang zu intensivieren und zu beschleunigen. Die schon mehrfach erwähnte vorteilhafte Beeinflussung des Wärmeübergangs durch Strömungsturbulenz kann auch dadurch erreicht werden, daß der Außenmantel der Vertiefungen eine Form aufweist, die zu einer Durchwirbelung der strömenden Medien führt.An embodiment in which at least two plates lying one on top of the other form a plate package and the packages are separated from one another by a space into which the flow channels open and from which they emerge has the particular advantage that the upper and lower boundaries of the space to the below and above flow areas represent an additional heat transfer surface. In this way it is possible to intensify and accelerate the heat exchange process. They do Advantageously influencing the heat transfer by flow turbulence, which has been mentioned several times, can also be achieved in that the outer jacket of the depressions has a shape which leads to a swirling of the flowing media.
Ganz besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsform, in der die Strömungskanäle für die Führung des Primärgasstroms von unten nach oben ausgebildet sind. Diese Ausfuhrungsform, die im völligen Gegensatz zu der in der DE 195 12 939 AI beschriebenen Form des Rohrbündel- Wärmetauschers steht, hat den großen Vorteil, daß die mit flüssigen Schlacken behafteten Primärgasströme über vertikale Kanäle von unten nach oben gefühlt werden, so daß die sich an den Kanalwandungen absetzenden Schlacken nach unten abtropfen können.An embodiment in which the flow channels for guiding the primary gas flow from bottom to top is particularly advantageous. This embodiment, which is in complete contrast to the form of the tube bundle heat exchanger described in DE 195 12 939 AI, has the great advantage that the primary gas streams containing liquid slags can be felt from bottom to top via vertical channels, so that the can drip down slag depositing on the channel walls.
Die Ausbildung der Innenoberfläche der Strömungkanäle wird durch das Profil des unteren Vertiefungsabschlusses bestimmt. Es wird bei der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele noch im einzelnen aufgezeigt, wie dieses Profil aussehen kann. In jedem Fall ist davon auszugehen, daß die innere Kanalwandung keine glatte Oberfläche aufweist, die dem Inneren eines Rohres vergleichbar wäre. Dadurch ist auch hier eine Beeinflussung im Sinne einer turbulenten Strömung zu erwarten.The formation of the inner surface of the flow channels is determined by the profile of the lower recess end. In the description of the exemplary embodiments shown in the drawing, it is shown in detail how this profile can look. In any case, it can be assumed that the inner channel wall does not have a smooth surface that would be comparable to the inside of a pipe. As a result, an influence in the sense of a turbulent flow can also be expected here.
Durch den MoSi2-Anteil ist der verwendete Werkstoff elektrisch leitend. Dadurch ergibt sich die günstige Möglichkeit, die Platten besonders in den Bereichen, die im Ausströmbereich des Primär- beziehungsweise im Einströmbereich des Sekundärgasstroms liegen und daher nicht auf höchstem Temperaturniveau sind, mit elektrischem Strom zu beaufschlagen und durch Widerstandsbeheizung auf solche Temperaturen zu erwärmen, daß gegebenenfalls zäher werdende oder gar sich verfestigende Schlacken wieder dünnflüssig aufgeschmolzen werden, um nach unten abtropfen zu können. Auf diese Art ist es möglich, den Wärmetauscher auch während intermittierender Reinigungsphasen weiterzubetreiben. Dies hat Vorteile gegenüber der Überhitzung durch Verbrennen zusätzlicher Brennstoffe oder des zeitweisen Reduzierens des Sekundärgasstroms. Diese Art derThe MoSi 2 component makes the material used electrically conductive. This results in the favorable possibility of applying electric current to the plates, particularly in the areas which are in the outflow area of the primary or in the inflow area of the secondary gas stream, and therefore are not at the highest temperature level, and to be heated to such temperatures by resistance heating that, if appropriate slag that becomes tougher or even solidifies is melted again in a thin liquid so that it can drip downwards. In this way it is possible to use the heat exchanger even during continue to operate intermittent cleaning phases. This has advantages over overheating by burning additional fuels or temporarily reducing the secondary gas flow. That kind of
Abschmelzung anhaftender Schlacken zur Reinigung des Wärmetauschers ist natürlich von besonderem Vorteil bei der Anordnung, bei der die schlacke- bzw. aschebehafteten Primärgasströme durch die vertikalenMelting of adhering slags for cleaning the heat exchanger is of course of particular advantage in the arrangement in which the slag or ash-laden primary gas flows through the vertical
Kanäle geführt werden. Bei dieser Anordnung läßt sich auch in besonders günstiger Form die Abfuhrung der aus den Kanälen abfließender flüssigerChannels are led. With this arrangement, the discharge of the liquid flowing out of the channels can also be carried out in a particularly favorable form
Schlacken bewerkstelligen, so daß keine Beeinträchtigung der Kanalanströmung zu befürchten ist.Carry out slags so that there is no fear of impairing the inflow of sewers.
Eine Ausführungsform, bei der dem Wärmetauscher für den schlackebehafteten Primärgasstrom ein Trägheitsabscheider aus SiC/MoSi vorgeschaltet ist, bietet besondere Vorteile bei hohen Schlackeanteilen im Gasstrom. Trägheitsabscheider aus den höchsttemperaturbeständigen Materialien lassen sich in besonders günstiger Form als Kugelhaufen-, Prallplatten- oder Zyklonabscheider darstellen. Durch das neuartige Material lassen sich im Mantel der Trägheitsabscheider Kanäle ausbilden, in denen der im Wärmetauscher vorgewärmte Sekundärgasstrom dem Primärgasstrom noch weiter entgegengeführt werden kann, was zu einer nochmaligen Erhöhung des Temperaturniveaus führt. Eine besonders günstige Ausbildungsform hierfür ist gegeben, wenn die Kanäle im Mantel des Trägheitsabscheiders spiralförmig verlaufen.An embodiment in which an inertia separator made of SiC / MoSi is connected upstream of the heat exchanger for the slag-containing primary gas stream offers particular advantages with high slag fractions in the gas stream. Inertia separators made of the highest temperature-resistant materials can be produced in a particularly favorable form as a ball pile, baffle plate or cyclone separator. The novel material allows channels to be formed in the jacket of the inertia separator, in which the secondary gas stream preheated in the heat exchanger can be directed further towards the primary gas stream, which leads to a further increase in the temperature level. A particularly favorable form of training is provided if the channels in the jacket of the inertial separator run in a spiral.
Für die Anwendungsfälle, in denen der Primärgasstrom Verwendungen auf möglichst hohem Temperaturniveau zugeführt werden soll, für die das Primärgas weitestgehend auch von feinsten Schlackebestandteilen frei sein muß, läßt sich bei dem vorgeschlagenen Wärmetauscher in vorteilhafter Weise zwischen Trägheitsabscheider und Wärmetauscher ein Feinfilter anordnen, das in besonders vorteilhafter Weise ebenfalls auf der Basis von SiC/MoSi2 hergestellt und damit höchsttemperaturbeständig ist. Der Wärmetauscher kann nicht nur als bloßer Wärmetauscher eingesetzt werden, sondern wegen des durch Einsatz der höchsttemperaturbeständigen Werkstoffe und des erfmdungsgemäßen Konstruktionsprinzips möglichen sehr hohen TemperatuiTiiveaus auch in besonders günstiger Form als Reformer. Dabei werden im Sekundär System gasförmige Kohlenwasserstoffe eingesetzt, die thermisch gespalten werden.For the applications in which the primary gas flow is to be used at the highest possible temperature level, for which the primary gas must also be largely free of the finest slag constituents, the proposed heat exchanger can advantageously arrange a fine filter between the inertial separator and the heat exchanger, which in particular also advantageously produced on the basis of SiC / MoSi 2 and is therefore extremely temperature-resistant. The heat exchanger can not only be used as a mere heat exchanger, but also because of the very high temperature levels possible due to the use of the highest temperature-resistant materials and the construction principle according to the invention, in a particularly favorable form as a reformer. The secondary system uses gaseous hydrocarbons that are thermally split.
Eine besonders günstige Möglichkeit für den Energieverbund mit dem Höchsttemperatur-Wärmetauscher bietet der Einsatz eines Stirling-Motors. In dieser Variante erwärmt das Rauchgas auf der Sekundärseite Luft. Die Temperatur der Luft, die den Wärmetauscher verläßt, variiert je nach Brenngut zwischen 1.200 und 1.400 Grad Celsius.The use of a Stirling engine offers a particularly favorable option for the energy network with the maximum temperature heat exchanger. In this variant, the flue gas heats air on the secondary side. The temperature of the air leaving the heat exchanger varies between 1,200 and 1,400 degrees Celsius, depending on the firing material.
Die Luft wird vor dem Eintritt in den Wärmetauscher durch ein Gebläse auf eine Geschwindigkeit von etwa 10 bis etwa 50 m/s beschleunigt. Die Geschwindigkeit der Luft ist abhängig von der Baugröße des Wärmetauschers, das heißt vom Massendurchsatz. Sie geht aus wärmetechnischen Gründen direkt in die Berechnung des konvektiven Wärmeübergangs ein. Für den jeweiligen Wärmetauscher muß aus Gründen der Anlagenoptimierung die entsprechende Luftgeschwindigkeit eingestellt werden. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher kann die Luft vorgereinigt und getrocknet werden. Um eine Mischung der Sekundärluft mit dem Rauchgas zu verhindern, wird die Sekundärseite mit einem leichten Überdruck betrieben.The air is accelerated by a fan to a speed of about 10 to about 50 m / s before entering the heat exchanger. The speed of the air depends on the size of the heat exchanger, i.e. the mass flow. For thermal reasons, it goes directly into the calculation of the convective heat transfer. The appropriate air speed must be set for the respective heat exchanger in order to optimize the system. The air can be pre-cleaned and dried before entering the heat exchanger. To prevent the secondary air from mixing with the flue gas, the secondary side is operated with a slight overpressure.
Die erhitzte Luft wird nach Verlassen des Höchsttemperatur- Wärmetauschers auf einen Stirling-Motor weitergeleitet. Der Stirling-Motor ist eine Wärme-Kraft-Maschine, bei der die Antriebsenergie von außen über den Erhitzer- Wärmetauscher zugeführt wird. Ebenfalls von außen wird über den Kühler-Wärmetauscher eine zweite, niedrigere Temperatur eingestellt. Aus der Differenz zwischen hohem und niedrigen Temperaturniveau wird, unter Berücksichtigung des thermodynamischen Wirkungsgrades, mechanische Arbeit geleistet. Im Gegensatz zum Otto- oder Dieselmotor gibt es bei diesem System keine innere Verbrennung und keinen Ladungswechsel; vielmehr werden zwei konstante Temperaturen von außen eingestellt. Im Stirling-Motor wird ein entsprechender Generator nachgeschaltet, der die mechanische Arbeit in elektrische Energie umwandelt. Die den Stirling-Motor verlassende Luft hat eine Temperatur von 400 Grad bis 700 Grad Celsius. Diese heiße Luft läßt sich energetisch in verschiedener Weise weiter nutzen, wovon hier einige Möglichkeiten kurz skizziert werden.The heated air is passed on to a Stirling engine after leaving the maximum temperature heat exchanger. The Stirling engine is a heat and power machine, in which the drive energy is supplied from the outside via the heater heat exchanger. A second, lower temperature is also set externally via the cooler heat exchanger. Mechanical work is done from the difference between the high and low temperature levels, taking into account the thermodynamic efficiency. In contrast to the petrol or diesel engine, this system has no internal combustion and no charge change; rather, two constant temperatures are set from the outside. A corresponding generator is connected in the Stirling engine, which converts the mechanical work into electrical energy. The air leaving the Stirling engine has a temperature of 400 degrees to 700 degrees Celsius. This hot air can be used energetically in various ways, some of which are briefly outlined here.
Beispielsweise kann sie zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt werden. Hierzu wird die 400 bis 700 Grad heiße Luft mit Außenluft gemischt und als Verbrennungsluft in der Feuerung eingesetzt. Durch diese Maßnahme läßt sich der Wirkungsgrad der Feuerung wesentlich erhöhen.For example, it can be used to preheat the combustion air. For this purpose, the 400 to 700 degree hot air is mixed with outside air and used as combustion air in the furnace. This measure significantly increases the efficiency of the furnace.
Möglich ist auch die Verwendung als Primär-/Sekundärluft in der Feuerung. Bei dieser Verfahrensvariante ist vorgesehen, die heiße Luft als Sekundärluft in den Feuerraum, beispielsweise in die Nachbrennzone einzugeben. Dadurch lassen sich wesentlich höhere Rauchgastemperaturen erzeugen. Diese Maßnahme hat zur Folge, daß die Rauchgase nach Verlassen der Nachbrennzone eine wesentlich höhere Temperatur erreichen und so die Luft auf der Sekundärseite des Wärmetauschers ebenfalls einen höheren Wärmeinhalt aufweist. Die angeschlossene Kraftwärmemaschine arbeitet ebenfalls auf einem höheren Energieniveau, was sich positiv auf ihren Wirkungsgrad auswirkt. Bei schwer entzündbaren Brennmaterialien kann die Entflammbarkeit durch die Zuführung von Heißluft erhöht werden, was sich positiv auf die Abbrandvorgänge und damit auf den Feuerungswirkungsgrad auswirkt. Eine weitere Nutzungsmöglichkeit besteht in der Trocknung desIt can also be used as primary / secondary air in the furnace. In this variant of the method, provision is made for the hot air to be introduced as secondary air into the combustion chamber, for example into the afterburning zone. As a result, significantly higher flue gas temperatures can be generated. The result of this measure is that the flue gases reach a significantly higher temperature after leaving the afterburning zone and the air on the secondary side of the heat exchanger also has a higher heat content. The connected heat engine also works at a higher energy level, which has a positive effect on its efficiency. In the case of flame-retardant fuels, the flammability can be increased by supplying hot air, which has a positive effect on the combustion processes and thus on the efficiency of the furnace. Another possible use is to dry the
Brenngutes. Der Verbrennungsstufe kann für die thermische Nutzung von feuchtem Brenngut, beispielsweise feuchtem Holz oder Schlamm, eineBrenngutes. The combustion stage can be used for the thermal use of moist fuel, for example damp wood or sludge
Trocknungsstufe vorgeschaltet werden. Die heiße Luft kann zu diesem Zweck über das zu trocknende Gut geleitet werden. Nach Verlassen desDrying stage upstream. For this purpose, the hot air can be directed over the material to be dried. After leaving the
Trocknungsraums wird die feuchte Luft in einem Kondensator entwässert und je nach Trocknungsgut gereinigt. Die Luft kann dann in die Atmosphäre abgegeben oder als Verbrennungsluft in die Feuerung geleitet werden. Je nach Bauart der verwendeten Trockner, beispielsweise Wirbelschichttrockner usw., sind auch andere Verfahrensvariationen realisierbar.In the drying room, the moist air is dewatered in a condenser and cleaned depending on the material to be dried. The air can then be released into the atmosphere or directed into the furnace as combustion air. Depending on the type of dryer used, for example fluidized bed dryer etc., other process variations can also be implemented.
Sehr wirkungsvoll kann auch die Nutzung zur Pyrolyse des Brenngutes sein. Zur Homogenisierung der Brennstoffeigenschaften läßt sich der eigentlichen Verbrennung eine Pyrolyse vorschalten. Der Brennstoff wird unter Luftausschluß durch die heiße Luft erhitzt und so in eine feste, flüssige und gasförmige Fraktion unterteilt. Sind im Brenngut metallische Verunreinigungen enthalten, kann der Pyrolyse eine Magnetabscheidung folgen, durch die metallische Fremdstoffe abgeschieden werden. Die drei Fraktionen können dann als feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe der Feuerung zugeführt werden.The use for pyrolysis of the fired material can also be very effective. In order to homogenize the fuel properties, the actual combustion can be preceded by pyrolysis. The fuel is heated in the absence of air by the hot air and divided into a solid, liquid and gaseous fraction. If metallic contaminants are contained in the firing material, pyrolysis can be followed by magnetic separation, through which metallic foreign substances are separated. The three fractions can then be fed to the furnace as solid, liquid and gaseous fuels.
Nach dem Verlassen des Stirling-Motors kann die heiße Luft auch für einen sonstigen nachgeschalteten Trocknungsprozeß genutzt werden. Durch die saubere, heiße Luft können beispielsweise größere Mengen Holz beim Einsatz in Sägewerken oder Lebensmittel wie Obst und Teigwaren getrocknet werden. Zur Realisierung dieser Verfahrensvariante wird die heiße Luft direkt in den Trockenraum geleitet. Um eine konstante Trocknungstemperatur zu erreichen oder eine gestufte Trocknung durchzuführen, kann der heißen Luft kalte in entsprechender Dosierung zugemischt werden. Die den Trockenraum verlassende Luft kann je nach Grad der Abkühlung entweder in die Atmosphäre oder nach Zumischung zu dem Rauchgasstrom aus dem Wärmetauscher in einen Warmwasseraufbereiter gegeben werden. Bei dieser Variante ist es ebenfalls denkbar, eine Teil der Heißluft der Ansaugluft für den Wärmetauscher beizumischen und so eine Vorwärmung und dadurch einen höheren Wärmeaustauschwirkungsgrad zu erzielen.After leaving the Stirling engine, the hot air can also be used for another downstream drying process. The clean, hot air allows, for example, large quantities of wood to be dried when used in sawmills or foods such as fruit and pasta. To implement this process variant, the hot air is led directly into the drying room. In order to achieve a constant drying temperature or to carry out a staged drying, the hot air can be mixed in with the appropriate dosage. The air leaving the drying room can vary depending on the degree the cooling either in the atmosphere or after admixing to the flue gas stream from the heat exchanger in a water heater. In this variant, it is also conceivable to add a portion of the hot air to the intake air for the heat exchanger and thus to achieve preheating and thereby higher heat exchange efficiency.
In einem Blockheizkraftwerk bringt die Trennung des Rauchgas- und Luftstromes wesentliche Vorteile für den Betrieb des Stirling-Motors mit sich. Die Schwierigkeiten für die Einbindung eines Stirling-Motors in eine Feststoffeuerung und der direkten Beaufschlagung des Stirling- Wärmetauschers mit Rauchgasen setzt ein möglichst staubfreies Rauchgas voraus, was bisher nicht möglich war. Der Reststaub im Rauchgas verschmutzt den Wärmetauscher, verkürzt aufgrund chemischer Reaktionen einiger Bestandteile des Rauchgases mit den metallischen Komponenten des Wärmetauschers die Lebensdauer. Dadurch wird die Wärmeübertragungschaiakteristik dieses kalorischen Apparates derart beeinträchtigt, daß sich der Wirkungsgrad des Stirling-Motors bei längerem Betrieb wesentlich verschlechtert, so daß eine Reinigung erforderlich ist. Dieses Problem läßt sich bei konventionellen Anlagen nur verhindern, wenn man staubfreie Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas verbrennt. Der Einsatz eines keramischen Wärmetauschers macht den Betrieb des Stirling- Motors vom eingesetzten Brennstoff unabhängig, da man immer eine Trennung von Heiß- und Arbeitsmedium, das heißt von Rauchgas und Luft hat. Durch den Wärmetauscher kann der Stirling-Motor als Wärme-Kraft- Maschine universell eingesetzt werden.In a combined heat and power plant, the separation of the flue gas and air flow has significant advantages for the operation of the Stirling engine. The difficulties in integrating a Stirling engine into a solid fuel heating system and the direct loading of the Stirling heat exchanger with flue gases require a flue gas that is as dust-free as possible, which was previously not possible. The residual dust in the flue gas pollutes the heat exchanger and shortens the service life due to chemical reactions of some components of the flue gas with the metallic components of the heat exchanger. As a result, the heat transfer characteristic of this caloric apparatus is impaired in such a way that the efficiency of the Stirling engine deteriorates considerably over long periods of operation, so that cleaning is necessary. This problem can only be prevented in conventional systems if you burn dust-free fuels such as natural gas. The use of a ceramic heat exchanger makes the operation of the Stirling engine independent of the fuel used, since there is always a separation of the hot and working medium, i.e. the flue gas and air. Thanks to the heat exchanger, the Stirling engine can be used universally as a heat engine.
Durch den Einsatz des keramischen Wärmetauschers läßt sich elektrischeBy using the ceramic heat exchanger, electrical
Energie unabhängig vom eingesetzten Brennstoff auch mittels Gasturbinen erzeugen. Bei dieser Verfahrensvariante wird die Luft vor dem Eintritt in den Wärmetauscher verdichtet, im Wärmetauscher auf eine Temperatur von 1200 Grad Celsius erhitzt und anschließend in einer entsprechend dimensionierten Gasturbinen entspannt. Die Gasturbine treibt zur Erzeugung der elektrischen Energie einen Generator an. Die entspannte Heißluft kann im weiteren Verlauf des Prozesses in einem nachgeschalteten Wärmetauscher weiter energetisch genutzt werden, beispielsweise in Trocknung, Brennstoff- oder Warmwasseraufbereitung. Bei größeren Anlagen kann ein Dampfkraftprozeß nachgeschaltet werden.Generate energy using gas turbines regardless of the fuel used. In this process variant, the air is compressed before entering the heat exchanger, in the heat exchanger to a temperature of Heated 1200 degrees Celsius and then relaxed in an appropriately dimensioned gas turbine. The gas turbine drives a generator to generate the electrical energy. The relaxed hot air can be used for further energy in a downstream heat exchanger, for example in drying, fuel or hot water preparation. A steam power process can be added to larger systems.
Bei der Verwendung metallischer Gasturbinen kann die Eintrittstemperatur aufgrund werkstoffspezifischer Eigenschaften der Metalle nicht beliebig erhöht werden. Da der Gesamtwirkungsgrad der Anlage von der Höhe der Turbmeneintrittstemperatur abhängt, läßt sich der verfahrensimmanente Wirkungsgrad, das heißt der Carnot'sche Wirkungsgrad, nur durch die Erhöhung der Eintrittstemperaur steigern. Setzt man anstelle der Luft als Arbeitsgas ein sauerstofffreies Gas, beispielsweise Edelgase oder Stickstoff ein, so können alternative Turbinenwerkstoffe eingesetzt werden. Denkbar für diesen Fall ist der Einsatz von kohlenstoffaserverstärtem Kohlenstoff (CFC). Dieser Werkstoff kann bis auf Temperaturen von etwa 2000 °C in nicht oxidierenden Atmosphären eingesetzt werden. Durch den Einsatz dieses Werkstoffs ist man unabhängig von der Turbineneintrittstemperatur, die bei der Verbrennung von kohlenstoffreichen Brennmaterialien auf bis zu 1600 Grad Celsius gesteigert werden kann. Entsprechend hohe Temperaturen lassen sich aber auch durch Einsatz entsprechend vorgewärmter oder sauerstoffangereicherter Luft erreichen.When using metallic gas turbines, the inlet temperature cannot be increased arbitrarily due to the material-specific properties of the metals. Since the overall efficiency of the system depends on the level of the turbine inlet temperature, the efficiency inherent in the process, that is, Carnot's efficiency, can only be increased by increasing the inlet temperature. If an oxygen-free gas, for example noble gases or nitrogen, is used as the working gas instead of the air, alternative turbine materials can be used. In this case, the use of carbon fiber reinforced carbon (CFC) is conceivable. This material can be used up to temperatures of around 2000 ° C in non-oxidizing atmospheres. By using this material you are independent of the turbine inlet temperature, which can be increased to up to 1600 degrees Celsius when burning carbon-rich fuels. Correspondingly high temperatures can also be achieved by using appropriately preheated or oxygen-enriched air.
Bei diesem Verfahren ist es sinnvoll, die Inertgase in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren zu lassen. Das Inertgas wird vor dem Eintritt in den Wärmetauscher verdichtet, im Wärmetauscher erhitzt und in der CFC- Turbine entspannt. Das die Turbine verlassende Heißgas wird auf Raumtemperatur abgekühlt, um die Verdichterleistung zu nrinimieren, und wieder verdichtet. Die Abkühlung des Rauchgases kann durch einen nachgeschalteten Dampfkraftprozeß erfolgen. Bei kleineren Einheiten läßt sich der Abkühlprozeß mehrstufig durchführen. Die bei diesem Vorgang abgezweigten Wäimeströme lassen sich weiter energetisch nutzen. Mögliche weitere Anwendungen sind Vorwärmung der Verbrennungsluft oder eines Inertgasstromes oder Trocknung von Brenngut oder von Fremdmaterialien.With this method, it makes sense to circulate the inert gases in a closed circuit. The inert gas is compressed before entering the heat exchanger, heated in the heat exchanger and expanded in the CFC turbine. The hot gas leaving the turbine is cooled to room temperature to minimize compressor performance and then compressed again. The flue gas can be cooled by a downstream steam power process take place. In the case of smaller units, the cooling process can be carried out in several stages. The heat flows diverted during this process can continue to be used for energy. Other possible applications include preheating the combustion air or an inert gas flow or drying fuel or foreign materials.
Es ist auch möglich, anstelle der Turbine einen Heißgaslader zur Entspannung des Heißluft- bzw. Inertgasstromes zu verwenden. Dieser Heißgaslader, der normalerweise als Verdichter eingesetzt wird, wie im beschriebenen Fall aber auch als Entspannungsmaschine betrieben werden kann, muß bei Temperaturen über 1000 Grad Celsius auch aus keramischen Materialien hergestellt werden. Die Einbindung in die Anlage entspricht der der Turbine und wurde bereits vorstehend erläutert.It is also possible to use a hot gas charger instead of the turbine to relax the hot air or inert gas flow. This hot gas charger, which is normally used as a compressor, but can also be operated as a relaxation machine in the case described, must also be produced from ceramic materials at temperatures above 1000 degrees Celsius. The integration into the system corresponds to that of the turbine and has already been explained above.
Die beschriebenen Vorteile und darüber hinaus weitere Vorteile werden deutlich bei der Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen, die in beigefügter Zeichnung dargestellt sind. Darin zeigtThe advantages described and further advantages become clear from the description of exemplary embodiments which are illustrated in the attached drawing. In it shows
Fig. 1 einen Apparat in geschnittener Seitenansicht, in dem übereinander ein Wärmetauscher und ein Trägheitsabscheider angeordnet sind; Fig. 2 eine Platte, aus der der Wärmetauscher aufgebaut wird, in geschnittener Seitenansicht und in Draufsicht; Fig. 3 in stilisierter Darstellung ein Wärmetauschersegment aus vier übereinandergestapelten Platten; Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Strömungsbereich gemäß der1 shows an apparatus in a sectional side view, in which a heat exchanger and an inertial separator are arranged one above the other; Figure 2 is a plate from which the heat exchanger is built, in a sectional side view and in plan view. Fig. 3 in a stylized representation of a heat exchanger segment from four stacked plates; Fig. 4 is a plan view of a flow area according to the
Draufsicht IV-IV in Fig. 3; Fig. 5 eine Ausführungsform mit Plattenpaketen und zwischen den Paketen angeordneten Durchhöhlungsräumen in schematischerTop view IV-IV in Fig. 3; Fig. 5 shows an embodiment with plate packs and perforation spaces arranged between the packs in a schematic
Darstellung und Fig. 6 eine sehr vereinfachte Systemskizze für Anlagenkonzepte mit integrativer Einbindung des Höchsttemperaturwärmetauschers.Representation and Fig. 6 is a very simplified system sketch for plant concepts with integrative integration of the maximum temperature heat exchanger.
In Fig. 1 ist in prinzipieller Darstellung ein Apparat gezeigt, bei dem der Wärmetauscher 1 über einem Zyklon 2 als Trägheitsabscheider angeordnet ist und bei dem - gestrichelt - die Konturen für die mögliche Einbaustelle eines Feinfilters 3 angedeutet sind. Der gesamte Apparat ist von einem hochtemperaturbeständigen, wärmedämmenden Mantel umgeben, in dem die Zu- und Abführungen der Primärmedien P, der Sekundärmedien S und des Ascheabflusses A ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel wird der schlackenbelastete Primärgasstrom etwa in der Mitte der linken Seite zunächst in den Zyklon 2 geleitet, in dem die gröberen flüssigen Schlackenpartikel abgeschieden und nach unten in flüssiger Form ausgetragen werden. Der vorgereinigte Primärgasstrom P wird dann nach oben geführt und, gegebenenfalls nach Durchlauf eines Feinfilters 3, in die vertikalen Strömungskanäle des Wärmetauschers 1 geleitet.In Fig. 1, an apparatus is shown in principle, in which the heat exchanger 1 is arranged above a cyclone 2 as an inertial separator and in which - with dashed lines - the contours for the possible installation point of a fine filter 3 are indicated. The entire apparatus is surrounded by a high-temperature-resistant, heat-insulating jacket in which the inlets and outlets of the primary media P, the secondary media S and the ash drain A are formed. In the exemplary embodiment, the slag-laden primary gas stream is initially passed approximately in the middle of the left side into cyclone 2, in which the coarser liquid slag particles are separated off and discharged downward in liquid form. The pre-cleaned primary gas flow P is then conducted upwards and, if necessary after passing through a fine filter 3, is passed into the vertical flow channels of the heat exchanger 1.
Der Sekundärgasstrom S wird auf der oberen rechten Seite in den Apparat eingeführt und durch jeweils vier parallel geschaltete Strömungsbereiche im Kreuzstrom dem nach oben gerichteten Primärgasstrom P entgegengefühlt. Dabei werden die Sekundärgasströme S in Umlenkräumen 9 erfaßt und in die darunterliegenden Strömungsbereiche in entgegengesetzter Richtung eingeführt. Im Ausführungsbeispiel ist angedeutet, daß der Sekundärgasstrom S alternativ nach Durchlauf des Wärmetauschers 1 als Sekundärgasstrom S' abgeführt oder zur weiteren Überhitzung dem Trägheitsabscheider 2 über entsprechende Kanäle 12 im Mantel des hier als Zyklon 3 ausgebildeten Trägheitsabscheiders entgegengeführt werden. In diesem Fall wird der Sekundärgasstrom S am unteren Ende des Apparats nach rechts abgeführt. In Fig. 2 ist eine Platte 6 dargestellt, in die ein regelmäßiges Raster an kegelstumpfartigen Vertiefungen 7 eingeformt ist. Im oberen Teil der Darstellung wird die Platte 6 in geschnittener Seitenansicht und im unteren Teil der Darstellung in Draufsicht gezeigt. Werden diese Platten 6 derart übereinandergestapelt, daß das rohrförmige untere Ende des Mantels der Veitiefungen 7 in der oberen Platte auf dem Kegelmantel der Veitiefungen 7 der darunter angeordneten Platte aufliegt, ergibt sich ein Wärmetauscher 1, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Die Platten 6 bilden in horizontaler Orientierung die Strömungsbereiche 5 und in vertikaler Orientierung die Strömungskanäle 4.The secondary gas flow S is introduced into the apparatus on the upper right-hand side and is counter-sensed to the upward directed primary gas flow P by four flow areas connected in parallel in a cross flow. The secondary gas flows S are detected in deflection chambers 9 and introduced into the flow areas below in the opposite direction. In the exemplary embodiment it is indicated that the secondary gas stream S is alternatively discharged after passing through the heat exchanger 1 as a secondary gas stream S 'or, for further overheating, the inertia separator 2 is directed towards the inertial separator 2 via corresponding channels 12 in the jacket of the inertial separator designed here as a cyclone 3. In this case, the secondary gas flow S is discharged to the right at the lower end of the apparatus. In Fig. 2, a plate 6 is shown, in which a regular grid of frustoconical depressions 7 is formed. In the upper part of the illustration, the plate 6 is shown in a sectional side view and in the lower part of the illustration in a top view. If these plates 6 are stacked one on top of the other in such a way that the tubular lower end of the jacket of the Veitiefungen 7 in the upper plate rests on the conical jacket of the Veitiefungen 7 of the plate arranged below it, a heat exchanger 1 results, as shown in FIG. The plates 6 form the flow areas 5 in a horizontal orientation and the flow channels 4 in a vertical orientation.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das Primärmedium P, beispielsweise Rauchgas, von unten nach oben und ist, wie das von links nach rechts durch die Strömungsbereiche 5 strömende Sekundärmedium S durch entsprechende Pfeile angedeutet. In dieser Darstellung sind die Strömungskanäle 4 deutlich erkennbar. Da die Innenwand der Strömungskanäle 4 durch das untere Ende der Vertiefungen 7 gebildet wird, ist ihre Form und Struktur von der Ausbildung des unteren Mantelabschlusses der Veitiefungen 7 abhängig. Im linken Teil der Fig. 3 sind drei Beispiele für einen solchen Abschluß angedeutet, wobei der obere und untere einen zur Plattenoberfläche parallelen Abschluß und die beiden darunter liegenden Platten eine nach innen abgeschrägte Foim aufweisen, die sich der Manteloberfläche der darunter liegenden Platte 6 zunehmend anpaßt. In dieser angepaßten Form ist eine höhere Dichte der Abgrenzung von Strömungskanal 4 zu Strömungsbereich 5 zu erwarten. Geringe Undichtigkeiten in dieser Abgrenzung werden erwartungsgemäß durch anhaftende Schlackenbestandteile abgedichtet. Da derartige Wärmetauscher 1 normalerweise mit einem Überdruck im Bereich des Sekundärmediums S gefahren werden, so daß sich zwar möglicherweise geringe Leckagen vom Sekundärmedium S in das Primärmedium P ergeben können, aber nicht umgekehrt, ist diesem Punkt keine zu große Bedeutung beizumessen. Andererseits fördert die nicht glatte Ausbildung der Innenoberfläche der Strömungskanäle 4 die Durchwirbelung des aufströmenden Primärmediums P, wie im zweiten Strömungskanal 4 auf der linken Seite angedeutet. Es wurde bereits mehrfach darauf hingewiesen, daß die Turbulenz der Strömung den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs erhöht.In the exemplary embodiment shown, the primary medium P, for example flue gas, flows from bottom to top and, like the secondary medium S flowing through the flow regions 5 from left to right, is indicated by corresponding arrows. The flow channels 4 are clearly visible in this illustration. Since the inner wall of the flow channels 4 is formed by the lower end of the depressions 7, their shape and structure depends on the design of the lower jacket end of the recesses 7. Three examples of such a termination are indicated in the left part of FIG. 3, the upper and lower ends having a termination parallel to the plate surface and the two underlying plates having an inwardly beveled foam which increasingly adapts to the jacket surface of the underlying plate 6 . In this adapted form, a higher density of the delimitation from flow channel 4 to flow area 5 is to be expected. As expected, minor leaks in this delimitation are sealed by adhering slag components. Since such heat exchangers 1 are normally operated with an overpressure in the area of the secondary medium S, so that there may be slight leakages from the secondary medium S into the primary medium P, but not vice versa, this point should not be given too great importance. On the other hand, the non-smooth formation of the inner surface of the flow channels 4 promotes the swirling of the inflowing primary medium P, as indicated in the second flow channel 4 on the left side. It has been pointed out several times that the turbulence of the flow increases the efficiency of the heat exchange.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den unteren Abschluß eines Strömungsbereichs 5 entsprechend der in Fig. 3 angedeuteten Blicklichtung IV. Auch hier ist der Sekundärgasstrom S durch Pfeile angedeutet, während der Primärgasstrom P durch die Öffnungen der Veitiefungen 7 quasi dem Betrachter entgegenströmt. Es ist deutlich zu erkennen, daß die säulenartig in den Strömungsbereich 5 ragenden Vertiefungsmäntel sich dem Sekundärgasstrom S entgegenstellen und zu dessen Durchwirbelung führen.FIG. 4 shows a plan view of the lower end of a flow area 5 corresponding to the viewing clearing IV indicated in FIG. 3. Here too, the secondary gas flow S is indicated by arrows, while the primary gas flow P flows through the openings of the vee depressions 7, as it were, towards the viewer. It can be clearly seen that the recessed jackets projecting into the flow area 5 in a columnar manner oppose the secondary gas flow S and lead to its swirling.
In Fig. 5 ist ganz schematisch ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem Platten 6 zu Plattenpaketen 10 zusammengefaßt und diese derart beabstandet voneinander angeordnet werden, daß sich zwischen den Paketen 10 Räume 11 ergeben. In diese Räume 11 münden die Strömungskanäle 4 ein, um auf der anderen Seite wieder in die Stiömungskanäle 4 des darüberliegenden Pakets 10 einzustiömen. Bis auf diese Ein- und Ausströmöffiiungen sind die Räume 11 allseits verschlossen. In den Räumen 11 ergibt sich eine Durchwirbelung der Teilströme P, die mit den jeweils äußeren Platten den unteren und oberen Abschluß des Raums 11 berühren. Damit sind mit diesen Flächen große Anteile zusätzlicher Wärmeübertragungsflächen gegeben, was zu einer Intensivierung und Beschleunigung des Wärmeübergangs führt. Es ist angedeutet, daß der Sekundärgasstrom S durch jeweils drei Strömungsbereiche 5 im Kreuzstrom entgegen und um die Räume 11 durch Umlenkräume 9 hemmgeführt wird. In Fig. 6 sind verschiedene Integrationsmöglichkeiten für den Wärmetauscher 1, beziehungsweise die Kombination von Wärmetauscher 1 und Vorabscheider 2 schematisch angedeutet. Der Primärgasstrom P tiitt aus einer Druckfeuerung in den kombinierten Apparat ein und durchläuft, wie besonders im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, den als Zyklon ausgebildeten Trägheitsabscheider 2 und den Wärmetauscher 1, um oben auszutreten. Das gereinigte Rauchgas P kann zu den beschriebenen Anwendungen gefühlt werden, von denen hier ein Brauchwassertauscher und ein Luft-/Gastauscher für die Trocknung angedeutet sind.5 very schematically shows an exemplary embodiment in which plates 6 are combined to form plate packs 10 and these are arranged at a distance from one another such that spaces 11 result between the packets 10. The flow channels 4 open into these spaces 11, in order to again flow into the flow channels 4 of the package 10 above them on the other side. Except for these inflow and outflow openings, the rooms 11 are closed on all sides. In the rooms 11 there is a swirling of the partial flows P, which touch the lower and upper end of the room 11 with the respective outer plates. Large areas of additional heat transfer surfaces are thus provided with these surfaces, which leads to an intensification and acceleration of the heat transfer. It is indicated that the secondary gas flow S is countercurrently directed through three flow areas 5 and around the spaces 11 by deflection spaces 9. In Fig. 6 different integration options for the heat exchanger 1, or the combination of heat exchanger 1 and pre-separator 2 are indicated schematically. The primary gas flow P tiitt from a pressure furnace in the combined apparatus and, as particularly described in connection with FIG. 1, passes through the inertial separator 2, which is designed as a cyclone, and through the heat exchanger 1, in order to exit at the top. The cleaned flue gas P can be felt for the applications described, of which a process water exchanger and an air / gas exchanger for drying are indicated.
Es sind zwei Sekundärgasströme S angedeutet. Beispiele für Sekundärmedien S] sind Luft oder Inertgase wie Stickstoff, die nach entsprechender Hochwärmung beispielsweise einem Stirlingmotor, einer CFC-Turbine oder einem Heißgaslader zugeführt werden. Als zweiter Sekundärgasstrom S2 ist die Hochwärmung von Kohlenwasserstoffen und deren Spaltung bei entsprechend hohem Temperaturniveau angedeutet. Die Spaltungsprodukte können einer Brennstoffzelle zugeführt werden und dort Elektrizität erzeugen und einer weiteren Nutzwärmenutzung zugeführt werden. Zur Unterscheidung ist der Sekundärgasstrom 1 mit durchgezogener Linie und der Sekundärgasstrom 2 durch strichlierte Linien angedeutet. Der Einsatz des modifizierten Wärmetauschers 1 als Reformer macht es möglich, bei den herrschenden hohen Temperaturen Synthesegase aus Biomassen, Öl oder Gas herzustellen. Er dient quasi als Spaltofen, in dem die Kohlenwasserstoffe gecrackt werden. Die weitere Aufbereitung des Synthesegases erfolgt nach konventionellen, in der Technik erprobten Methoden. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, daß man nicht, wie bei dem bisher erreichbaren Temperaturniveau von etwa 900 Grad Celsius, mit Katalysatoren arbeiten muß. Vielmehr erreicht man hier ein Temperaturniveau von bis zu 1300 Grad Celsius und damit bessere Wirkungsgrade ohne den Einsatz aufwendiger und empfindlicher Katalysatorsysteme . Two secondary gas flows S are indicated. Examples of secondary media S] are air or inert gases such as nitrogen, which, after appropriate heating, are fed to a Stirling engine, a CFC turbine or a hot gas charger, for example. The second secondary gas stream S 2 indicates the heating up of hydrocarbons and their splitting at a correspondingly high temperature level. The fission products can be fed to a fuel cell, where they can generate electricity and be used for further useful heat. To differentiate, the secondary gas stream 1 is indicated by a solid line and the secondary gas stream 2 by dashed lines. The use of the modified heat exchanger 1 as a reformer makes it possible to produce synthesis gases from biomass, oil or gas at the prevailing high temperatures. It serves as a kind of cracking furnace in which the hydrocarbons are cracked. The synthesis gas is further processed using conventional methods that have been tried and tested in technology. The advantage over the prior art is that you do not have to work with catalysts, as was the case with the previously achievable temperature level of about 900 degrees Celsius. Rather, a temperature level of up to 1300 degrees Celsius is achieved here and thus better efficiency levels without the use of complex and sensitive catalyst systems.

Claims

Patentansprüche claims
1. Keramischer rekuperativer Hochtemperatur-Wärmetauscher, bei dem alle mit den Primär (P)- und/oder Sekundärmedien (S) in1. Ceramic recuperative high-temperature heat exchanger, in which all with the primary (P) and / or secondary media (S) in
Berührung kommenden Bauteile aus hochtemperaturfestem Material hergestellt sind, das aus einem Gemisch von SiC und MoSi2 besteht,Contacting components are made of high temperature resistant material, which consists of a mixture of SiC and MoSi 2 ,
dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that
die gegeneinander abgegrenzten Strömungskanäle (4) und Strömungsbereiche (5) des Wärmetauschers (1 ) durch Platten (6) gebildet werden, in die ein übereinstimmendes Raster kegelstumpfartiger Vertiefungen (7) mit offenem Boden eingeformt ist, wobei die Platten (6) derart übereinander gestapelt sind, daß das rohrförmige untere Ende des Mantels der Vertiefungen (7) der oberen Platte (6) auf dem Kegelmantel der Vertiefungen der darunter angeordneten Platte (6) derart aufliegt, daß durch die im wesentlichen miteinander fluchtenden Vertiefungen (7) Strömungskanäle (4) gebildet werden.the mutually delimited flow channels (4) and flow areas (5) of the heat exchanger (1) are formed by plates (6) into which a matching grid of truncated cone-shaped depressions (7) with an open bottom is formed, the plates (6) being stacked one above the other are that the tubular lower end of the casing of the recesses (7) of the upper plate (6) rests on the conical casing of the recesses of the plate (6) arranged underneath such that flow channels (4) through the essentially flush recesses (7) be formed.
2. Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Platten (6) gebildete Strömungsbereich (7) niedriger ist als die Höhe der Vertiefungen (7) und von den Mänteln der Vertiefungen (7) säulenartig durchsetzt ist, wobei die Strömungsbereiche (5) nur Einström -und Ausströmöffnungen aufweisen und zwischen den Öffnungen Umlenkeinrichtungen (8) vorgesehen sind.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the flow region (7) formed between the plates (6) is lower than the height of the depressions (7) and is penetrated by the jackets of the depressions (7) in a columnar manner, the flow regions ( 5) have only inflow and outflow openings and deflection devices (8) are provided between the openings.
3. Wärmetauscher gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung der Medien derart gestaltet ist, daß jeweils auch mehrere Strömungsbereiche (5) für die Durchströmung in Art eines Kreuz- Gegenstromverfahrens zusammenfaßbar sind.3. Heat exchanger according to claim 2, characterized in that the management of the media is designed such that in each case several flow areas (5) for the flow can be summarized in the manner of a cross-countercurrent process.
4. Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 , 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf der Einströmseite die Platte (6), die den in Umströmrichtung hinteren Strömungsbereich (5) unten begrenzt, derart verlängert ist, daß sie in Art einer Umlenkplatte (8) den Umlenkraum (9) begrenzt.4. Heat exchanger according to claim 1, 2 or 3, characterized in that in each case on the inflow side, the plate (6), which limits the downstream flow region (5) below, is extended such that it in the manner of a baffle plate (8) Deflection space (9) limited.
5. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens zwei aufeinanderliegende Platten (6) ein Plattenpaket (10) bilden und die Pakete voneinander derart beabstandet angeordnet sind, daß zwischen den Paketen ein Raum (1 1 ) gebildet wird, in den die Strömungskanäle (4) münden bzw. aus dem sie austreten, wobei der Raum (1 1 ) im übrigen allseits geschlossen ist und die Umlenkung (8, 9) in den nächsten Strömungsbereich (5) an dem Raum (11 ) jeweils vorbeigeführt ist.5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that in each case at least two superimposed plates (6) form a plate pack (10) and the packets are spaced from one another such that a space (1 1) is formed between the packets , into which the flow channels (4) open or from which they emerge, the space (11) being closed on all sides and the deflection (8, 9) into the next flow area (5) on the space (11) in each case is passed.
6. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die säulenartigen Kanäle (4) im6. Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the columnar channels (4) in
Strömungsbereich (5) derart ausgebildet sind, daß sie eine turbulente Strömung fördern.Flow area (5) are designed such that they promote a turbulent flow.
7. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anorndung der Zu- und Abführkanäle und der Strömungskanäle (5) für die Führung des Primärgasstroms (P) von unten nach oben ausgebildet sind.7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the arrangement of the supply and discharge channels and the flow channels (5) for guiding the primary gas stream (P) are formed from bottom to top.
8. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (6) zumindest teilweise elektrische8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized in that the plates (6) at least partially electrical
Anschlüsse für eine Widerstandsbeheizung aufweisen. Have connections for resistance heating.
9. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Wärmetauschers (1 ) an den Kanälen (4) Vorrichtungen für das Abführen flüssiger Schlacken vorgesehen sind.9. Heat exchanger according to one of claims 1 to 8, characterized in that devices for the removal of liquid slags are provided below the heat exchanger (1) on the channels (4).
10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ihm für den Primärgasstrom (P) ein Trägheitsabscheider (2) auf SiC/MoSi2 Basis vorgeschaltet ist.10. Heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterized in that it is preceded by an inertia separator (2) based on SiC / MoSi 2 for the primary gas flow (P).
1 1. Wärmetauscher gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Mantel des Trägheitsabscheiders (2) Kanäle (12) ausgebildet sind, in denen der im Wärmetauscher (1 ) vorgewärmte Sekundärgasstrom (5) dem Primärgasstrom (P) entgegenführbar ist.1 1. Heat exchanger according to claim 10, characterized in that in the jacket of the inertial separator (2) channels (12) are formed, in which the preheated secondary gas stream (5) in the heat exchanger (1) of the primary gas stream (P) can be counteracted.
12. Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (12) im Mantel spiralförmig verlaufen.12. Heat exchanger according to claim 1 1, characterized in that the channels (12) extend spirally in the jacket.
13. Wärmetauscher gemäß Anspruch 10, 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Trägheitsabscheider (2) und Wärmetauscher (1 ) ein Feinfilter (3) für den Primärgasstrom (P) angeordnet ist.13. Heat exchanger according to claim 10, 1 1 or 12, characterized in that a fine filter (3) for the primary gas stream (P) is arranged between the inertial separator (2) and the heat exchanger (1).
14. Wärmetauscher gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Feinfilter (3) aus SiC, SiC/MoSi2 oder porösem faserverstärktem Verbundwerkstoff auf der Basis von SiC oder SiC/MoSi2 hergestellt ist.14. Heat exchanger according to claim 13, characterized in that the fine filter (3) made of SiC, SiC / MoSi 2 or porous fiber-reinforced composite material based on SiC or SiC / MoSi 2 .
15. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis14, dadurch gekennzeichnet, daß er im Wärmetauscherteil (1 ) als Reformer zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen verwendet wird, die dem System im Sekundärgasstrom zugeführt werden. 15. Heat exchanger according to one of claims 1 to 14, characterized in that it is used in the heat exchanger part (1) as a reformer for the thermal cracking of hydrocarbons which are supplied to the system in the secondary gas stream.
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