WO2013050129A1 - Einrichtung zur wärmerückgewinnung aus heissen abgasen, wärmeübertragungsmodul zur verwendung in einer solchen einrichtung und reinigungsvorrichtung zum reinigen eines solchen wärmeübertragungsmoduls - Google Patents

Einrichtung zur wärmerückgewinnung aus heissen abgasen, wärmeübertragungsmodul zur verwendung in einer solchen einrichtung und reinigungsvorrichtung zum reinigen eines solchen wärmeübertragungsmoduls Download PDF

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heat transfer
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Paul Müller
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Mueller Paul
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    • F28G1/00—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances
    • F28G1/08—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted
    • F28G1/10—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted resiliently mounted

Definitions

  • Heat transfer module for use in such a device and cleaning device for cleaning such a heat transfer module
  • the invention relates to a device for heat recovery from hot exhaust gases according to the preamble of claim 1 and a heat transfer module for use in such a device according to the preamble of claim 13.
  • the invention further relates to a cleaning device for cleaning a heat transfer module according to the preamble of claim 27.
  • Heat recovery devices and methods are already known from the prior art, with which the amounts of energy contained in the hot exhaust gases can be at least partially recovered and fed to an energy conversion process or a thermodynamic cycle.
  • British Patent Application GB 2471771-A discloses a heat recovery system with a heat exchanger, with which heat energy can be recovered from a hot gas stream in order to produce steam with which a steam turbine is operated.
  • the heat exchanger comprises a first chamber and a second chamber and an array of heat pipes extending from the first chamber into the second chamber, the first chamber containing a water inlet and a steam outlet and the second chamber having an inlet for the hot gas and a gas outlet, wherein the hot gas flows around the arrangement of the heat pipes in the second chamber and thereby gives heat to these heat pipes, which is transmitted to the extending in the first chamber portion of the heat pipes to the located in the first chamber water to heat and evaporate.
  • the hot exhaust gases which are supplied to the heat exchanger often contain dirt particles and / or condensing contaminants.
  • the heat recovery efficiency during operation of such heat recovery systems is reduced as fouling on the heat transfer surface (outer surface) of the heat pipes, especially if the hot exhaust gases contain wet components and water or other liquids as the exhaust gasses cool Condensate the outer surface of the heat pipes, solid dirt particles from the exhaust stream can mix with the condensed liquids and baked on the outer surface of the heat pipes.
  • the resulting dirt layer on the heat transfer surface of the heat pipe reduces heat transfer considerably and may even lead to the inoperability of the heat exchanger.
  • European patent application EP 0 774 640 A1 describes, for example, an apparatus for cleaning an outer surface of a pipe arrangement exposed to a flue gas stream from a waste incineration plant with a cleaning tool resting on its outer surface and movable relative to the pipe arrangement.
  • the cleaning device comprises a carrier which can be moved along the outer surface of the tube arrangement and on which cleaning tools, which may be designed, for example, as cleaning brushes, are movable.
  • the invention has the object, a generic device for heat recovery from hot and strongly polluted exhaust gases continue to form so that the most efficient heat recovery takes place and a discharge of dirt particles from the hot exhaust gas flow is made possible. Furthermore, an energy-efficient heat transfer module for use in such a heat recovery device is to be shown. Finally, the invention has for its object to show a cleaning device for cleaning a politiciansrübertragermoduls with an array of mutually parallel heat pipes, with the simplest possible and effective cleaning of the outer surface of the heat pipes of dirt deposits is made possible.
  • FIG. 2 Detail view of the device for heat recovery from the system of Fig. 1;
  • FIG. 3 Perspective cross-sectional view of the device for
  • FIG. 4 Perspective view of a heat transfer module of the heat recovery device of Fig. 3;
  • FIG. 6 shows a perspective view of the heat recovery device of FIG. 5 with the housing shown in partial elevation;
  • FIG. 7 is a perspective view of a first embodiment of a heat transfer module from the heat recovery device of FIG. 5;
  • Fig. 8 is a perspective view of a second embodiment of a heat transfer module for use in the heat recovery device of Fig. 5;
  • FIG. 9 is a detail view of the cleaning device of the heat transfer module of FIG. 7 in a first embodiment
  • FIG. 10 shows a detail of the cleaning device of the heat transfer module of FIG. 7 in a second embodiment
  • FIG. 11 is a detail view of the cleaning device of the heat transfer module of FIG. 7 in a third embodiment
  • FIG. 12 is a detail view of the cleaning device of the heat transfer module of FIG. 7 in a fourth embodiment
  • FIG. 13a to 13c show further embodiments of the cleaning device for cleaning the heat transfer module
  • FIGS. 14a and 14b show various perspective views of a further embodiment variant of a cleaning device for use in the heat transfer module.
  • a process for heat recovery from the exhaust gases of an arc furnace 40 is shown schematically.
  • the hot exhaust gases emitted by the arc furnace are supplied to a heat exchanger 2 via an exhaust pipe 10.
  • a portion of the heat contained in the hot exhaust gas stream is transferred to a heat transfer fluid and the thus heated heat transfer fluid is supplied by means of a pump 50 in a pipe 51 a thermodynamic Krei- slui 52 with a heat storage 53.
  • the thermodynamic cycle 52 may, for example, be an "ORGANIC RANKINE CYCLE" (ORC), so that electrical energy can be generated or the heat recovered from the hot exhaust gas flow can be supplied via the thermodynamic cycle 52 for energy-efficient use For example, in a district heating, for a biomass drying (for example, for a predrying of wood chips, etc.) or for a cooling process.
  • ORC ORGANIC RANKINE CYCLE
  • the cooled in the heat exchanger 2 exhaust stream is fed via a further exhaust pipe 60 a quencher 70, a cyclone 80, a filter 90 and finally an exhaust stack 100.
  • the plant parts of the arc furnace 40 are cooled with conventional water cooling systems only for the protection of the components.
  • the Return temperature can be maximized thereby leading to smaller volume flows and lower pump energy loss.
  • the exhaust stream from the arc furnace 40 can be left as hot as possible in this way. In particular, no additional cooling is provided at the exhaust manifold and at the exhaust pipes 10.
  • the exhaust pipe 10 is suitably lined fireproof.
  • the exhaust stream emitted by the arc furnace 40 typically has temperatures of about 1600 ° C. In the heat exchanger 2, the exhaust gas stream is cooled to at least about 500 ° C. This ensures that the exhaust gas flow in the downstream quencher 70 can pass through the critical temperature range as quickly as possible and thus prevents the formation of dioxin. If necessary, after the quencher 70, a further heat extraction from the exhaust gas flow by means of a further heat exchanger (which is not shown in the drawing in Fig. 1) take place.
  • the heat exchanger 2 and the downstream quencher 70 is shown in detail.
  • the heat exchanger 2 is coupled to the exhaust pipe 10, via which the hot exhaust gas emitted by the electric arc furnace 40 is conducted into the heat exchanger 2.
  • part of the heat contained in the hot exhaust gas flow is transferred to a heat transfer fluid and the hot exhaust gas is thereby cooled.
  • the cooled exhaust gas flow is conducted via the exhaust line 60 into the quencher 70.
  • the heat exchanger 2 comprises a box-shaped housing 30 with an upper housing area 30a and a lower housing area 30b and a housing cover 31. In the upper housing area 30a, a plurality of heat transfer modules 4 are arranged.
  • the heat transfer Supply modules 4 are arranged interchangeably in the heat exchanger 2 and can be removed from the top of the heat exchanger 2 or inserted therein.
  • openings for inserting the heat transfer modules 4 are provided in the housing cover 31, through which the heat transfer modules 4 can be suspended in the upper housing portion 30 a of the heat exchanger 2.
  • Each of the heat transfer modules 4 has on its upper side via an inlet 23 and a drain 24 for supply and discharge of the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid may be, for example, water or a heat transfer oil, such as a silicone oil. Appropriately come as heat transfer media synthetic, organic or inorganic liquids with a high evaporation temperature into consideration.
  • FIG. 3 shows the heat exchanger of Fig. 2 in cross section.
  • the structure of the heat exchanger 2 is apparent from the illustration of FIG. 3 in detail, which shows the heat exchanger of Fig. 2 in cross section.
  • Within the housing 30 of the heat exchanger 2 is divided into several areas, which are delimited from each other by vertical partitions 32, 33, 34, 35.
  • a first vertical wall 32 is provided in the region of the inlet opening 11, to which the exhaust pipe 10 is coupled.
  • the first vertical wall 32 extends from the bottom of the lower housing portion 30b to about the upper half of the upper housing portion 30a.
  • Parallel and at a distance from the first wall 32, a second wall 33 is arranged, which extends from the housing cover 31 down to about half the height of the upper housing portion 30 a.
  • a third vertical wall 34 is spaced and parallel to the second wall 33 and extends, like the first wall 32, from the bottom of the lower housing portion 30b to about half way Height of the upper housing portion 30a.
  • a fourth vertical wall 35 is spaced from and parallel to the third vertical wall 34. This fourth wall 35 in turn, like the second wall 33, extends from the housing cover 31 to approximately half the height of the upper housing section 30a.
  • the arrangement of the vertical walls 32, 33, 34 and 35, a zigzag-shaped course is specified in the flow direction of the exhaust gas flow.
  • the exhaust gas flow thereby flows from the exhaust pipe 10 in the upper housing portion 30a of the heat exchanger 2 and from there cascade on the vertical walls 32, 33, 34 and 35 over into the exhaust pipe 60, which is arranged at an outlet opening 13 in the housing cover 31 and the Heat exchanger 2 connects to the quencher 70.
  • a plurality of heat transfer modules 4 are mounted in the area between the vertical walls 32 to 35, as shown in Fig. 3, a plurality of heat transfer modules 4 are mounted.
  • the heat transfer modules 4 are slightly above the housing cover 31 outside the housing 30 and extend in the interior of the housing 30 almost over the entire height of the upper housing portion 30a.
  • the heat transfer modules 4 each contain an arrangement of several packets for absorbing the heat from the hot exhaust gas flow. parallel to each other and grid-shaped arranged heat pipes 5, which are flowed around by the hot exhaust gas stream.
  • the arrangement of the heat pipes 5 and the configuration of the heat transfer modules 4 is shown in detail in FIG. 4.
  • each heat transfer module 4 comprises a chamber 8 having side walls 14, 14 ', a chamber lid 12 shown in elevation in FIG. 4 for clarity, and a chamber bottom 20 provided with openings 21 (FIG. 6). Through each opening 21 of the chamber bottom 20, a heat pipe 5 is guided.
  • the upper portion 5a of each heat pipe 5 extends into the interior of the chamber 8 and the remaining lower portion 5b protrudes through the openings 21 out of the chamber 8.
  • each heat pipe 5 is fluid-tightly closed at the end. All heat pipes 5 are straight, so they have no bends or branches.
  • each heat pipe 5 is designed as a gravity-driven thermosyphon tube with a working medium located therein.
  • the heat pipes 5 can be designed for this purpose, for example, as a copper tube, in which water is as a working medium.
  • thermosiphon pipes which are also known as two-phase thermosyphon, which are self-contained, are ideal for transporting large amounts of heat on a small cross-sectional area.
  • Each of the heat transfer modules 4 suspended in the housing 30 forms a two-chamber arrangement, wherein a first chamber 3 is formed by the interior of the housing 30, into which the exhaust gas flow is directed through the exhaust pipe 10.
  • the second chamber is formed in each case by the chamber 8 of the respective heat transfer module 4, in which the heat transfer fluid is located.
  • the first Chamber 3 is separated from the second chamber 8 in each case by the chamber bottom 20 of each heat transfer module 4.
  • the hot exhaust gas flow is introduced into the first chamber 3 and the heat of the hot exhaust gas flow is partly transmitted to the section 5b of the heat pipes 5 located in the first chamber 3.
  • the heat pipes 5 pass on the heat to their upper portion 5a further, which is located in the second chamber 8, where the heat transfer fluid is located.
  • the heat transfer fluid flows around in the second chamber 8, the upper portion 5a of the heat pipes 5, whereby the heat is transferred from the first chamber 3 via the heat pipes 5 to the heat transfer fluid in the second chamber 8.
  • the lower housing portion 30b of the heat exchanger 2 is formed as a settling chamber 6.
  • the settling chamber 6 is disposed below the heat transfer modules 4 and designed to collect dirt particles that fall from the introduced into the housing 30 exhaust stream or have attached to the outer surface of the heat pipes 5 and fall from there to the ground. The dirt particles that have accumulated in the settling chamber 6 can be removed in this way. Depending on the humidity of the exhaust gas stream, strong condensation may occur at the heat transfer surfaces of the heat pipes 5. The forming condensate helps to wash away deposits on heat exchanger surfaces of the heat pipes 5. The mixture of condensate and deposits is also collected in the settling chamber 6.
  • settling chamber 6 downstream settling tank (which is not shown here in the drawing) larger dirt particles and coarse impurities can be separated from the condensate.
  • dissolved contaminants are suitably supplied to a condensate treatment plant to remove the dissolved substances from the condensate.
  • washing nozzles can be used to wash off dirt deposits on the heat transfer surfaces of the heat pipes 5.
  • the mixture of washing liquid and detached dirt particles flows into the settling chamber 6 below the heat transfer modules 4.
  • each heat transfer module 4 comprises a cleaning device 7 for removing dirt particles.
  • FIGS. 7 to 14 show various exemplary embodiments and detailed representations of the cleaning device 7.
  • the cleaning device 7 comprises a frame part 22 which on both sides of the side walls 14 'of the chamber 8 downwards (in the direction of the settling chamber 6) and over the entire length of Heat pipes 5 extends.
  • the frame part 22 has two guide rails 36, which are respectively arranged on the side walls 14 'of the chamber 8 and extend parallel to the heat pipes 5 and also extend over the entire length of the heat pipes 5.
  • the guide rails 36 serve to guide a stripper plate 25, which is arranged below the bottom 20 of the chamber 8 and extending parallel to this. In the stripper plate 25 openings 26 are provided through which the heat pipes 5 are guided.
  • the stripper plate 25 is along the guide rails 36 and over the entire length of the out of the chamber 8 varnish-protruding portion 5b of the heat pipes 5 slidably.
  • a drive 27 is arranged on the frame part 22, with which the scraper plate 25 along the guide rails 36 is displaceable.
  • Fig. 9 shows a detail of the stripper plate 25 and a guided through one of the openings 26 heat pipe 5 in section.
  • the diameter of the opening 26 is slightly larger than the diameter of the heat pipe 5.
  • a recess 37 is provided in the stripper plate 25.
  • the recess 37 serves to receive an annular scraper disc 27, which is floatingly mounted in the recess 37 and between the recess 37 limiting upper portion 25a and the lower portion 25b of the stripper plate 25.
  • the scraper disc 27 has an inner diameter which corresponds approximately to the outer diameter of the heat pipe 5 performed. As a result, the inner surface of the scraper disk 27 engages closely and positively against the outer circumference of the heat pipe 5.
  • the scraper disk 27 is movable within the recess 37 with play.
  • the stripper plate 25 is displaced along the heat pipes 5 by means of the drive 27 in a stripping direction (starting from the chamber 8 in the direction of the settling chamber 6). In this case, dirt deposits on the outer surface of the heat pipes 5 are scraped off by friction of the wiper disks 27 resting close to the outer surface of the heat pipes 5.
  • Abstreiferpanel 27 prevents it during movement of the scrapers plate 25 along the heat pipes 5 can come to jamming or jamming and it will be compensated inaccuracies and manufacturing tolerances caused by temperature differences or distortions of the heat pipes 5, when the stripper plate 25 moves relative to the heat pipes 5.
  • Fig. 10 an alternative embodiment for the formation of a scraper plate 25 floating scraper mounted is shown.
  • the wiper member 29 is a sheet metal torus which is disposed in the recess 37 with clearance and floating.
  • the annular bead is compressible in the axial direction and can be adapted in this way during a movement of the stripper plate 25 relative to the heat pipe 5 in its shape and position.
  • the inner diameter of the annular bead also corresponds approximately to the outer diameter of the heat pipe 5, so that the annular bead rests closely and positively on the outer circumference of the heat pipe 5.
  • FIG. 1 1 A third variant for a floating in the recess 37 scraper 28 is shown in FIG. 1 1 can be seen.
  • the wiper member 28 is formed as a wiper brush, the bristles 28 ' lie positively against the outer periphery of the heat pipe 5.
  • the annular brush core 28 " is in turn floatingly supported with clearance in the recess 37 of the stripper plate 25, so that the position of the stripper brush 28 to the shape and position of the heat pipe 5, the outer circumference surrounds them, with a movement of the stripper plate 25 along the heat pipe 5 can adjust.
  • FIG. 1 Another embodiment of a heat transfer module 4 with a cleaning device 7 for removing dirt particles which have accumulated on the outer surface of the heat pipes 5 is shown in FIG.
  • a arranged on both side walls 14 'of the chamber 8 frame part 22 is also provided with guide rails 36.
  • the frame part 22 on both sides of the chamber 8 does not extend over the entire length of the heat pipes 5, but only over the upper portion.
  • a drive 27 is arranged on the frame part 22, in turn.
  • the cleaning device 7 comprises in addition to the frame part 22 and the drive 27 disposed thereon, a plurality of Abstreiferspiralen 30, wherein around each heat pipe 5 a Abstreiferspirale 30 is wound.
  • Each Abstreiferspirale 30 is axially displaceable or rotatable by means of the drive 27 relative to the heat pipe 5, around which the respective Abstreiferspirale 30 is wound.
  • the spiral portions of the voltage applied to the respective heat pipe 5 Abstreiferspirale 30 move in the axial direction, whereby dirt particles that have been deposited on the outer surface of the heat pipe 5, scraped.
  • the Abstreiferspiralen 30 in the axial direction relative to the heat pipes 5 over at least one winding height of a Abstreiferspirale 30 are displaced.
  • This embodiment of the cleaning device 7 with wiper spirals 30 is particularly suitable for stripping off hard, porous and / or dry adhesions on the outer surface of the heat pipes 5.
  • the embodiment of the cleaning device 7 with Abstreiferspiralen 30 is shown in a detail view, wherein a portion of a heat pipe 5 is shown with a wound around and close-fitting Abstreiferspirale 30.
  • FIG. 13 various embodiments of the embodiment of a cleaning device 7 with Abstreiferspiralen 30 or Abstreiferringen 30 'are shown.
  • a wiper spiral 30 instead of a wiper spiral 30, a plurality of wiper rings 30 ' arranged at an axial distance from one another are arranged on the outer circumference of the heat pipes 5.
  • the scraper rings 30 ' are connected by parallel to the heat pipe 5 extending support rods 38.
  • the support rods 38 with the Abstreiferringen 30 ' attached thereto are longitudinally displaceable by the drive 27 relative to the heat pipe 5.
  • the assembly of the support rods 38 and the scraper rings 30 ' attached thereto is slidable over a height opposite the heat pipe 5 which is at least equal to the distance of two adjacent scraper rings 30 ' to the entire length of the heat pipe protruding from the chamber 8b 5 to be able to clean.
  • FIGS. 13b and 13c show variant embodiments of a cleaning device 7 with wiper spirals 30 in which the wiper spirals 30 are respectively stabilized by a holding rod 38 arranged parallel to the heat pipe 5.
  • a holding rod 38 arranged parallel to the heat pipe 5.
  • Fig. 13b extends the support rod 38 over the entire length of the Abstreiferspirale 30 (in the axial direction).
  • a holding rod 38 arranged over the entire length of the wiper spiral 30 instead of a holding rod 38 arranged over the entire length of the wiper spiral 30, a plurality of holding rod sections 38 'are provided, which are arranged radially and axially offset on the outer circumference of the wiper spiral 30 and serve to stiffen the wiper spiral 30.
  • FIGS. 14a and 14b Another embodiment of a cleaning device 7 for cleaning a heat transfer module 4 with a wiper part 27 floatingly mounted in the wiper plate 25 is shown in FIGS. 14a and 14b, respectively.
  • a wiper part 27 designed as a ring is also movably mounted in a recess 37 of the wiper plate 25 in this exemplary embodiment as well.
  • the wiper part 27 is annular or ring-segment-shaped with a conically tapered inner and outer periphery.
  • the recess 37 in which the wiper part is mounted in a floating manner, is likewise provided in its upper region 37 'with a conically tapering inner circumference. In the lower region 37 ", the recess 37 is circular.
  • the shape of the wiper part 27 can adapt to the dimensions and shape of the heat pipe 5 when the wiper plate 25 moves relative to the heat pipe 5 in order to ensure the best possible form fit between the wiper element Inner circumference of the scraper part 25 and the outer periphery of the heat pipe 5 to guarantee.
  • the conical design of the annular stripper part 27 causes the stripper part 27 to move into the upper section 37 '.
  • the recess is pushed and then contracts inward in the radial direction and thereby reduces the diameter of the inner circumference.
  • the inner circumference of the wiper part 27 is pressed against the outer circumference of the heat pipe 5, so that a good positive engagement with the outer circumference of the heat pipe is ensured. In this way, encrustations which strongly adhere to the outer surface of the heat pipe 5 can be scraped off by means of the scraper part 27.
  • the annular scraper part 27 opens, since this first in the lower circular portion 37 "of the recess 37 falls and then expanded again to the original diameter, because the annular scraper part 27 is not compressed in the lower portion 37 "of the recess 37.
  • the scraper 27 is therefore not pressed against the outer periphery of the heat pipe 5, whereby the frictional resistance when pushing back the scraper plate 25 is reduced against the stripping.

Abstract

Bei einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung werden heiße Abgase von einer Wärmequelle (1) emittiert und einem Wärmeübertrager (2) zugeführt. Die in den Abgasen enthaltene Wärme wird teilweise an ein Wärmeträgerfluid übertragen. Der Wärmeübertrager (2) umfasst eine erste Kammer (3), in welche die heißen Abgase eingeleitet werden, sowie wenigstens ein Wärmeübertragungsmodul (4) mit einer zweiten Kammer (8) und einer Anordnung von Wärmerohren (5). Um die Wärme der in die erste Kammer (3) eingeleiteten Abgase an das sich in der zweiten Kammer (8) befindliche Wärmeträgerfluid zu übertragen, ist eine mit der ersten Kammer (3) in Verbindung stehende Absetzkammer (6) vorgesehen, in der sich Schmutzpartikel sammeln. Damit wird eine möglichst effiziente Wärmerückgewinnung und eine Abführung der Schmutzpartikel aus dem heißen Abgasstrom ermöglicht.

Description

EINRICHTUNG ZUR WÄRMERÜCKGEWINNUNG AUS HEISSEN ABGASEN,
WÄRMEÜBERTRAGUNGSMODUL ZUR VERWENDUNG IN EINER SOLCHEN EINRICHTUNG UND REINIGUNGSVORRICHTUNG ZUM REINIGEN EINES SOLCHEN WÄRMEÜBERTRAGUNGSMODULS
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus heißen Abgasen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Wärmeübertragungsmodul zur Verwendung in einer solchen Einrichtung nach dem Obergriff des Anspruchs 13. Die Erfindung betrifft ferner eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen eines Wärmeübertragungsmoduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 27.
BESTÄTIGUNGSKOPIE In vielen energieintensiven industriellen Prozessen, beispielsweise in einem Elektrostahlwerk mit einem Lichtbogenofen oder in Müllverbrennungsanlagen, entstehen heiße Abgase, die erhebliche Wärmemengen enthalten.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Wärmerückgewinnungseinrichtungen und -verfahren bekannt, mit denen die in den heißen Abgasen enthaltenen Energiemengen zumindest zum Teil zurückgewonnen und einem Energieumwandlungsprozess oder einem thermodynamischen Kreisprozess zugeführt werden können.
So ist beispielsweise aus der britischen Patentanmeldung GB 2471771-A eine Wärmerückgewinnungsanlage mit einem Wärmeübertrager bekannt, mit dem Wärmeenergie aus einem heißen Gasstrom zurückgewonnen werden kann, um damit Wasserdampf zu erzeugen, mit dem eine Dampfturbine betrieben wird. Der Wärmeübertrager umfasst dabei eine erste Kammer und eine zweite Kammer sowie eine Anordnung von Wärmerohren, die sich von der ersten Kammer in die zweite Kammer erstrecken, wobei die erste Kammer einen Wassereinlass sowie einen Dampfauslass enthält und die zweite Kammer einen Einlass für das heiße Gas und einen Gasauslass umfasst, wobei das heiße Gas die Anordnung der Wärmerohre in der zweiten Kammer umströmt und dadurch Wärme an diese Wärmerohre abgibt, welche an den sich in der ersten Kammer erstreckenden Abschnitt der Wärmerohre übertragen wird, um das sich in der ersten Kammer befindliche Wasser zu erhitzen und zu verdampfen.
Da die heißen Abgase, welche dem Wärmeübertrager zugeführt werden, häufig Schmutzpartikel und/oder kondensierende Schmutzstoffe enthal- ten, die sich als Schmutzschicht („fouling") auf der Wärmeübertragerfläche (Außenfläche) der Wärmerohre ablagern können, vermindert sich die Wärmerückgewinnungseffizienz im laufenden Betrieb solcher Wärmerückgewinnungsanlagen. Insbesondere wenn die heißen Abgase feuchte Bestandteile enthalten und beim Abkühlen der Abgase Wasser oder andere Flüssigkeiten an der Außenfläche der Wärmerohre kondensieren, können sich feste Schmutzpartikel aus dem Abgasstrom mit den kondensierten Flüssigkeiten vermischen und an der Außenfläche der Wärmerohre festbacken. Die dadurch entstehende Schmutzschicht auf der Wärmeübertragerfläche der Wärmerohre reduziert den Wärmeübergang beträchtlich und kann unter Umständen sogar zur Funktionsunfähigkeit des Wärmeübertragers führen.
Zur Erhöhung der Wärmerückgewinnungseffizienz sind daher aus dem Stand der Technik Reinigungsvorrichtungen zum Reinigen der Außenfläche von Wärmerohren solcher Wärmerückgewinnungsanlagen bekannt. Die europäische Patentanmeldung EP 0 774 640 A1 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zum Reinigen einer einem Rauchgasstrom aus einer Müllverbrennungsanlage ausgesetzten Außenfläche einer Rohranordnung mit einem an deren Außenfläche anliegenden und bezüglich der Rohranordnung bewegbaren Reinigungswerkzeug. Die Reinigungsvorrichtung umfasst einen längs der Außenfläche der Rohranordnung bewegbaren Träger, an dem Reinigungswerkzeuge, welche beispielsweise als Reinigungsbürsten ausgebildet sein können, bewegbar sind.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus heißen und stark verschmutzten Abgasen so weiter zu bilden, dass eine möglichst effiziente Wärmerückgewinnung erfolgt und eine Abführung der Schmutzpartikel aus dem heißen Abgasstrom ermöglicht wird. Ferner soll ein energieeffizientes Wärmeübertragungsmodul zur Verwendung in einer solchen Wärmerückgewinnungseinrichtung aufgezeigt werden. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen eines Wärmerübertragermoduls mit einer Anordnung von parallel zueinander angeordneten Wärmerohren aufzuzeigen, mit der eine möglichst einfache und wirksame Reinigung der Außenfläche der Wärmerohre von Schmutzablagerungen ermöglicht wird.
Diese Aufgaben werden mit einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Abgasen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Wärmerübertragermodul zur Verwendung in einer solchen Wärmerückgewinnungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Eine Reinigungsvorrichtung zur wirksamen und dauerhaften Reinigung eines Wärmeübertragungsmoduls für eine solche Wärmerückgewinnungseinrichtung ist dem Anspruch 27 zu entnehmen. Bevorzugte Ausführungsformen der Wärmerückgewinnungseinrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 12 aufgezeigt und die Ansprüche 14 bis 26 zeigen bevorzugte Ausführungsformen des Wärmeübertragungsmoduls auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Schematische Darstellung einer Anlage zur Wärmerückgewinnung aus heißen Abgasen eines Lichtbogenofens und zur Wei- terleitung der aus den heißen Abgasen entzogenen Wärme an einen thermodynamischen Kreisprozess;
Fig. 2 Detaildarstellung der Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Anlage von Fig. 1 ;
Fig. 3 Perspektivische Querschnitts-Darstellung der Einrichtung zur
Wärmerückgewinnung von Fig. 2 mit geöffneten Gehäusewänden;
Fig. 4 Perspektivische Darstellung eines Wärmeübertragungsmoduls der Wärmerückgewinnungseinrichtung von Fig. 3;
Fig. 5 Perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungseinrichtung;
Fig. 6 Perspektivische Darstellung der Wärmerückgewinnungseinrichtung von Fig. 5 mit im Teilaufriss dargestelltem Gehäuse;
Fig. 7 Perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragungsmoduls aus der Wärmerückgewinnungseinrichtung von Fig. 5;
Fig. 8 Perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragungsmoduls zur Verwendung in der Wärmerückgewinnungseinrichtung von Fig. 5;
Fig. 9 Detaildarstellung der Reinigungsvorrichtung des Wärmeübertragungsmoduls von Fig. 7 in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 10 Detaildarstellung der Reinigungsvorrichtung des Wärmeübertragungsmoduls von Fig. 7 in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 11 Detaildarstellung der Reinigungsvorrichtung des Wärmeübertragungsmoduls von Fig. 7 in einer dritten Ausführungsform;
Fig. 12 Detaildarstellung der Reinigungsvorrichtung des Wärmeübertragungsmoduls von Fig. 7 in einer vierten Ausführungsform; Fig. 13a bis Fig. 13c Weitere Ausführungsvarianten der Reinigungsvorrichtung zur Reinigung des Wärmeübertragungsmoduls; und
Fig. 14a und Fig. 14b Verschiedene perspektivische Darstellungen einer weiteren Ausführungsvariante einer Reinigungsvorrichtung zur Verwendung in dem Wärmeübertragungsmodul.
In Fig. 1 ist schematisch ein Prozess zur Wärmerückgewinnung aus den Abgasen eines Lichtbogenofens 40 gezeigt. Die heißen Abgase, die von dem Lichtbogenofen emittiert werden, werden über eine Abgasleitung 10 einem Wärmeübertrager 2 zugeführt. In dem Wärmeübertrager 2 wird ein Teil der in dem heißen Abgasstrom enthaltenen Wärme an ein Wärmeträgerfluid übertragen und das so erhitzte Wärmeträgerfluid wird mittels einer Pumpe 50 in einer Rohrleitung 51 einem thermodynamischen Krei- sprozess 52 mit einem Wärmespeicher 53 zugeführt. Bei dem thermodynamischen Kreisprozess 52 kann es sich beispielsweise um einen„Or- ganic Rankine Cycle" (ORC) handeln. Damit kann elektrische Energie erzeugt werden bzw. die aus dem heißen Abgasstrom gewonnene Wärme kann so über den thermodynamischen Kreisprozess 52 einer energieeffizienten Nutzung zugeführt werden, beispielsweise in einer Fernheizung, für eine Biomassetrocknung (beispielweise für eine Vortrocknung von Hackschnitzel etc.) oder für einen Kühlprozess.
Der in dem Wärmeübertrager 2 gekühlte Abgasstrom wird über eine weitere Abgasleitung 60 einem Quencher 70, einem Zyklon 80, einem Filter 90 und schließlich einem Abgaskamin 100 zugeführt.
Die Anlagenteile des Lichtbogenofens 40 werden mit herkömmlichen Wasserkühlsystemen lediglich zum Schutz der Bauteile gekühlt. Die Rücklauftemperatur kann dadurch maximiert werden und führt dadurch zu kleineren Volumenströmen und geringerem Pumpenergieverlust. Der Abgasstrom aus dem Lichtbogenofen 40 kann auf diese Weise so heiß als möglich belassen werden. Insbesondere ist keine zusätzliche Kühlung beim Abgaskrümmer und an den Abgasleitungen 10 vorgesehen. Die Abgasleitung 10 ist zweckmäßig feuerfest ausgekleidet. Der von dem Lichtbogenofen 40 emittierte Abgasstrom weist typischerweise Temperaturen von ca. 1600° C auf. In dem Wärmeübertrager 2 wird der Abgasstrom auf mindestens ca. 500° C abgekühlt. Damit wird sichergestellt, dass der Abgasstrom im nachgeschalteten Quencher 70 möglichst schnell durch den kritischen Temperaturbereich durchfahren kann und so die Bildung von Dioxin verhindert wird. Erforderlichenfalls kann nach dem Quencher 70 eine weitere Wärmeauskopplung aus dem Abgasstrom mittels eines weiteren Wärmeübertragers (welcher zeichnerisch in Fig. 1 nicht dargestellt ist) erfolgen.
In Fig. 2 ist der Wärmeübertrager 2 und der nachgeschaltete Quencher 70 im Detail dargestellt. Der Wärmeübertrager 2 ist an die Abgasleitung 10 gekoppelt, über welche das von dem Lichtbogenofen 40 emittierte heiße Abgas in den Wärmeübertrager 2 geleitet wird. Im Inneren des Wärmeübertragers 2 wird ein Teil der in dem heißen Abgasstrom enthaltenen Wärme an ein Wärmeträgerfluid übertragen und das heiße Abgas wird dadurch gekühlt. Der abgekühlte Abgasstrom wird über die Abgasleitung 60 in den Quencher 70 geleitet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich um- fasst der Wärmeübertrager 2 ein kastenförmiges Gehäuse 30 mit einem oberen Gehäusebereich 30a und einem unteren Gehäusebereich 30b sowie einem Gehäusedeckel 31. Im oberen Gehäusebereich 30a sind mehrere Wärmeübertragungsmodule 4 angeordnet. Die Wärmeübertra- gungsmodule 4 sind austauschbar in dem Wärmeübertrager 2 angeordnet und können von oben aus dem Wärmeübertrager 2 entnommen bzw. darin eingesetzt werden. Zum Einsetzen der Wärmeübertragungsmodule 4 sind in dem Gehäusedeckel 31 Öffnungen zum Einfügen der Wärmeübertragungsmodule 4 vorgesehen, durch welche die Wärmeübertragungsmodule 4 in den oberen Gehäusebereich 30a des Wärmeübertragers 2 eingehängt werden können. Jedes der Wärmeübertragungsmodule 4 verfügt an seiner Oberseite über einen Zulauf 23 und einen Ablauf 24 zur Zu- bzw. Abführung des Wärmeträgerfluids. Bei dem Wärmeträ- gerfluid kann es sich beispielsweise um Wasser oder ein Wärmeüberträ- geröl, wie z.B. ein Silikonöl handeln. Zweckmäßig kommen als Wärmeüberträgermedien synthetische, organische bzw. anorganische Flüssigkeiten mit einer hohen Verdampfungstemperatur in Betracht.
Der Aufbau des Wärmeübertragers 2 geht aus der Darstellung der Fig. 3 im Detail hervor, welche den Wärmeübertrager von Fig. 2 im Querschnitt zeigt. Innerhalb des Gehäuses 30 ist der Wärmeübertrager 2 in mehrere Bereiche unterteilt, welche durch vertikale Trennwände 32, 33, 34, 35 voneinander abgegrenzt sind. Eine erste vertikale Wand 32 ist im Bereich der Eintrittsöffnung 1 1 vorgesehen, an der die Abgasleitung 10 angekoppelt ist. Die erste vertikale Wand 32 erstreckt sich vom Boden des unteren Gehäuseabschnitts 30b bis etwa zur oberen Hälfte des oberen Gehäuseabschnitts 30a. Parallel und im Abstand zur ersten Wand 32 ist eine zweite Wand 33 angeordnet, welche sich vom Gehäusedeckel 31 nach unten bis etwa zur halben Höhe des oberen Gehäuseabschnitts 30a erstreckt. Eine dritte vertikale Wand 34 ist im Abstand und parallel zur zweiten Wand 33 angeordnet und erstreckt sich - wie die erste Wand 32 - vom Boden des unteren Gehäuseabschnitts 30b bis etwa zur halben Höhe des oberen Gehäuseabschnitts 30a. Schließlich ist eine vierte vertikale Wand 35 im Abstand zur dritten vertikalen Wand 34 und parallel zu dieser angeordnet. Diese vierte Wand 35 erstreckt sich wiederum, wie die zweite Wand 33, vom Gehäusedeckel 31 bis etwa zur halben Höhe des oberen Gehäuseabschnitts 30a. Durch die Anordnung der vertikalen Wände 32, 33, 34 und 35 wird in Strömungsrichtung des Abgasstroms ein zickzack-förmiger Verlauf vorgegeben. Der Abgasstrom strömt dadurch von der Abgasleitung 10 in den oberen Gehäusebereich 30a des Wärmeübertragers 2 ein und von dort kaskadenartig an den vertikalen Wänden 32, 33, 34 und 35 vorbei in die Abgasleitung 60, welche an einer Auslassöffnung 13 im Gehäusedeckel 31 angeordnet ist und den Wärmeübertrager 2 mit dem Quencher 70 verbindet.
Im Bereich zwischen den vertikalen Wänden 32 bis 35 sind, wie in Fig. 3 gezeigt, mehrere Wärmeübertragungsmodule 4 eingehängt. Die Wärmeübertragungsmodule 4 stehen dabei über dem Gehäusedeckel 31 außerhalb des Gehäuses 30 geringfügig über und erstrecken sich im Inneren des Gehäuses 30 fast über die gesamte Höhe des oberen Gehäuseabschnitts 30a. Durch die Anordnung der vertikalen Wände 32, 33, 34 und 35 wird der durch die Abgasleitung 10 in den Wärmeübertrager 2 eingeleitete Abgasstrom kaskadenförmig so an den Wärmeübertragungsmodulen 4 vorbei geführt, dass eine möglichst große Oberfläche der Wärmeübertragungsmodule 4 von dem Abgasstrom umströmt wird. Auf diese Weise kann eine effiziente Wärmeübertragung von dem heißen Abgasstrom an die Wärmeübertragungsmodule 4 erfolgen.
Die Wärmeübertragungsmodule 4 enthalten zur Aufnahme der Wärme aus dem heißen Abgasstrom jeweils eine Anordnung von mehreren pa- rallel zueinander und gitterförmig angeordneter Wärmerohre 5, welche von dem heißen Abgasstrom umströmt werden. Die Anordnung der Wärmerohre 5 und die Ausgestaltung der Wärmeübertragungsmodule 4 ist im Einzelnen in Fig. 4 dargestellt. Im oberen Bereich umfasst jedes Wärmeübertragungsmodul 4 eine Kammer 8 mit Seitenwänden 14, 14' einem in Fig. 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit im Aufriß dargestellten Kammerdeckel 12 und einem Kammerboden 20, der mit Öffnungen 21 versehen ist (Fig. 6). Durch jede Öffnung 21 des Kammerbodens 20 ist ein Wärmerohr 5 geführt. Der obere Teilabschnitt 5a jedes Wärmerohrs 5 erstreckt sich in das Innere der Kammer 8 und der verbleibende untere Teilabschnitt 5b ragt durch die Öffnungen 21 aus der Kammer 8 heraus. Am oberen und am unteren Ende ist jedes Wärmerohr 5 stirnseitig fluid- dicht verschlossen. Alle Wärmerohre 5 sind gerade ausgebildet, weisen also keine Krümmungen oder Abzweige auf. Zweckmäßig ist jedes Wärmerohr 5 als schwerkraftgetriebenes Thermosiphon-Rohr mit einem darin befindlichen Arbeitsmedium ausgebildet. Die Wärmerohre 5 können hierfür beispielsweise als Kupferrohr ausgebildet sein, in dem sich Wasser als Arbeitsmedium befindet. Solche Thermosiphon-Rohre, welche auch als Zwei-Phasen-Thermosiphons bekannt sind, die in sich geschlossen sind, eignen sich bestens zum Transport großer Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche.
Jedes der in das Gehäuse 30 eingehängten Wärmeübertragungsmodule 4 bildet eine Zwei-Kammer-Anordnung aus, wobei eine erste Kammer 3 durch das Innere des Gehäuses 30 gebildet ist, in welche der Abgasstrom durch die Abgasleitung 10 geleitet wird. Die zweite Kammer wird jeweils durch die Kammer 8 des jeweiligen Wärmeübertragungsmoduls 4 gebildet, in der sich das Wärmeträgerfluid befindet. Die erste Kammer 3 ist dabei von der zweiten Kammer 8 jeweils durch den Kammerboden 20 jedes Wärmeübertragungsmoduls 4 getrennt. In die erste Kammer 3 wird der heiße Abgasstrom eingeleitet und die Wärme des heißen Abgasstroms wird teilweise an den sich in der ersten Kammer 3 befindlichen Abschnitt 5b der Wärmerohre 5 übertragen. Die Wärmerohre 5 leiten die Wärme an ihren oberen Teilabschnitt 5a weiter, der sich in der zweiten Kammer 8 befindet, wo sich auch das Wärmeträgerfluid befindet. Das Wärmeträgerfluid umströmt in der zweiten Kammer 8 den oberen Teilabschnitt 5a der Wärmerohre 5, wodurch die Wärme von der ersten Kammer 3 über die Wärmerohre 5 auf das Wärmeträgerfluid in der zweiten Kammer 8 übertragen wird.
Der untere Gehäuseabschnitt 30b des Wärmeübertragers 2 als Absetzkammer 6 ausgebildet. Die Absetzkammer 6 ist unterhalb der Wärmeübertragungsmodule 4 angeordnet und dafür vorgesehen, Schmutzpartikel zu sammeln, die aus dem in das Gehäuse 30 eingeleiteten Abgasstrom herabfallen oder sich an der Außenfläche der Wärmerohre 5 angelagert haben und von dort zum Boden abfallen. Die Schmutzpartikel, die sich in der Absetzkammer 6 gesammelt haben, können auf diese Weise abgeführt werden. Je nach Feuchtigkeit des Abgasstroms kann es zu starker Kondensation an den Wärmeübertragerflächen der Wärmerohre 5 kommen. Das sich bildende Kondensat trägt dazu bei, Ablagerungen an Wärmeübertragerflächer der Wärmerohre 5 abzuwaschen. Das Gemisch aus Kondensat und Ablagerungen wird ebenfalls in der Absetzkammer 6 gesammelt. In einem der Absetzkammer 6 nachgeschalteten Absetzbecken (welches hier zeichnerisch nicht dargestellt ist) können größere Schmutzpartikel und grobe Verunreinigungen vom Kondensat abgetrennt werden. In dem Kondensat gelöste Schmutzstoffe werden zweckmäßig einer Kondensataufbereitungsanlage zugeführt, um die gelösten Stoffe aus dem Kondensat zu entfernen. Falls der Abgasstrom nur trockene Abgase enthält, können Waschdüsen eingesetzt werden, um Schmutzablagerungen an den Wärmeübertragerflächen der Wärmerohre 5 abzuwaschen. Auch bei dieser Ausführungsvariante fließt das Gemisch aus Waschflüssigkeit und abgelösten Schmutzpartikeln in die Absetzkammer 6 unterhalb der Wärmeübertragungsmodule 4.
Zur Entfernung von Schmutzablagerungen an den Wärmeübertragerflächen der Wärmerohre 5 umfasst jedes Wärmeübertragungsmodul 4 eine Reinigungsvorrichtung 7 zum Entfernen von Schmutzpartikel. In den Fig.en 7 bis 14 sind verschiedene Ausführungsbeispiele und Detaildarstellungen der Reinigungsvorrichtung 7 gezeigt.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragungsmoduls 4 mit einer Reinigungsvorrichtung 7 umfasst die Reinigungsvorrichtung 7 ein Rahmenteil 22, welches sich beidseitig an den Seitenwänden 14' der Kammer 8 nach unten hin (in Richtung der Absetzkammer 6) und über die gesamte Länge der Wärmerohre 5 erstreckt. Das Rahmenteil 22 weist zwei Führungsschienen 36 auf, welche jeweils an den Seitenwänden 14' der Kammer 8 angeordnet sind und parallel zu den Wärmerohren 5 verlaufen und sich ebenfalls über die gesamte Länge der Wärmerohre 5 erstrecken. Die Führungsschienen 36 dienen zur Führung einer Abstreiferplatte 25, welche unterhalb des Bodens 20 der Kammer 8 und parallel zu diesem verlaufend angeordnet ist. In der Abstreiferplatte 25 sind Öffnungen 26 vorgesehen, durch welche die Wärmerohre 5 geführt sind. Die Abstreiferplatte 25 ist längs der Führungsschienen 36 und über die gesamte Länge des aus der Kammer 8 heraus- ragenden Abschnitts 5b der Wärmerohre 5 verschiebbar. Zum Verschieben der Abstreiferplatte 25 ist ein Antrieb 27 an dem Rahmenteil 22 angeordnet, mit dem die Abstreiferplatte 25 längs der Führungsschienen 36 verschiebbar ist.
Fig. 9 zeigt einen Detailausschnitt der Abstreiferplatte 25 und eines durch eine der Öffnungen 26 geführten Wärmerohrs 5 im Schnitt. Wie aus der Detailansicht der Fig. 9 zu erkennen, ist der Durchmesser der Öffnung 26 etwas größer als der Durchmesser des Wärmerohrs 5. Im Bereich der Öffnung 26 ist eine Ausnehmung 37 in der Abstreiferplatte 25 vorgesehen. Die Ausnehmung 37 dient zur Aufnahme einer ringförmigen Abstreiferscheibe 27, welche schwimmend in der Ausnehmung 37 und zwischen dem die Ausnehmung 37 begrenzenden oberen Abschnitt 25a und dem unterem Abschnitt 25b der Abstreiferplatte 25 gelagert ist. Die Abstreiferscheibe 27 weist einen Innendurchmesser auf, welcher in etwa dem Außendurchmesser des durchgeführten Wärmerohrs 5 entspricht. Dadurch liegt die Innenfläche der Abstreiferscheibe 27 eng und formschlüssig an dem Außenumfang des Wärmerohrs 5 an. In radialer Richtung ist die Abstreiferscheibe 27 innerhalb der Ausnehmung 37 mit Spiel beweglich. Zum Entfernen von Schmutzablagerungen auf der Außenfläche der Wärmerohre 5 wird die Abstreiferplatte 25 längs der Wärmerohre 5 mittels des Antriebs 27 in einer Abstreifrichtung (ausgehend von der Kammer 8 in Richtung der Absetzkammer 6) verschoben. Dabei werden Schmutzablagerungen auf der Außenfläche der Wärmerohre 5 durch Reibung der eng an der Außenfläche der Wärmerohre 5 anliegenden Abstreiferscheiben 27 abgeschabt. Durch die beschriebene Anordnung mit der schwimmend in der Ausnehmung 37 gelagerten Abstreiferscheibe 27 wird verhindert, dass es bei einer Bewegung der Abstreifer- platte 25 längs der Wärmerohre 5 zu Verkantungen oder Verklemmungen kommen kann und es werden Ungenauigkeiten und Fertigungstoleranzen sowie durch Temperaturdifferenzen hervorgerufene Verwerfungen oder Verbiegungen der Wärmerohre 5 ausgeglichen, wenn sich die Abstreiferplatte 25 gegenüber den Wärmerohren 5 bewegt.
In Fig. 10 ist eine alternative Ausführungsform für die Ausbildung eines in der Abstreiferplatte 25 schwimmend gelagerten Abstreiferteils gezeigt. Anders als bei der Ausführungsform von Fig. 9 handelt es sich bei dem Abstreiferteil 29 um einen Ringwulst aus Blech, der in der Ausnehmung 37 mit Spiel und schwimmend gelagert angeordnet ist. Der Ringwulst ist in axialer Richtung zusammendrückbar und kann sich auf diese Weise bei einer Bewegung der Abstreiferplatte 25 gegenüber dem Wärmerohr 5 an dessen Form und Position anpassen. Der Innendurchmesser des Ringwulsts entspricht dabei ebenfalls in etwa dem Außendurchmesser des Wärmerohrs 5, so dass der Ringwulst eng und formschlüssig am Außenumfang des Wärmerohrs 5 anliegt.
Eine dritte Ausführungsvariante für ein in der Ausnehmung 37 schwimmend gelagertes Abstreiferteil 28 ist der Fig. 1 1 zu entnehmen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Abstreiferteil 28 als Abstreiferbürste ausgebildet, deren Borsten 28' formschlüssig am Außenumfang des Wärmerohrs 5 anliegen. Der ringförmige Bürstenkern 28" ist wiederum schwimmend mit Spiel in der Ausnehmung 37 der Abstreiferplatte 25 gelagert, so dass sich die Lage der Abstreiferbürste 28 an die Form und Position des Wärmerohrs 5, dessen Außenumfang sie umgibt, bei einer Bewegung der Abstreiferplatte 25 längs des Wärmerohrs 5 anpassen kann. Eine weitere Ausführungsform eines Wärmeübertragungsmoduls 4 mit einer Reinigungsvorrichtung 7 zum Entfernen von Schmutzpartikeln, die sich auf der Außenfläche der Wärmerohre 5 angelagert haben, ist in Fig. 8 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ebenfalls ein an beiden Seitenwänden 14' der Kammer 8 angeordnetes Rahmenteil 22 mit Führungsschienen 36 vorgesehen. Anders als bei der Ausführungsform von Fig. 7 erstreckt sich das Rahmenteil 22 zu beiden Seiten der Kammer 8 jedoch nicht über die gesamte Länge der Wärmerohre 5, sondern nur über den oberen Teilbereich. An dem Rahmenteil 22 ist wiederum ein Antrieb 27 angeordnet. Die Reinigungsvorrichtung 7 umfasst neben dem Rahmenteil 22 und dem daran angeordneten Antrieb 27 eine Mehrzahl von Abstreiferspiralen 30, wobei um jedes Wärmerohr 5 eine Abstreiferspirale 30 gewickelt ist. Jede Abstreiferspirale 30 ist mittels des Antriebs 27 gegenüber dem Wärmerohr 5, um das die jeweilige Abstreiferspirale 30 gewickelt ist, axial verschiebbar bzw. verdrehbar. Bei einer Verdrehung der Abstreiferspiralen 30 gegenüber dem jeweiligen Wärmerohr bewegen sich die Spiralabschnitte der eng an dem jeweiligen Wärmerohr 5 anliegenden Abstreiferspirale 30 in axialer Richtung, wodurch Schmutzpartikel, die sich auf der Außenfläche des Wärmerohrs 5 abgelagert haben, abgeschabt werden. Um eine vollständige Reinigung der Wärmerohre 5 über den gesamten aus der Kammer 8 herausragenden Abschnitt 5b zu erreichen, sind die Abstreiferspiralen 30 in axialer Richtung gegenüber den Wärmerohren 5 über wenigstens eine Windungshöhe einer Abstreiferspirale 30 verschiebbar. Diese Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 7 mit Abstreiferspiralen 30 eignet sich insbesondere zum Abstreifen von harten, porösen und/oder trockenen Anhaftun- gen an der Außenfläche der Wärmerohre 5. In Fig. 12 ist die Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 7 mit Abstreiferspiralen 30 in einer Detailansicht gezeigt, wobei ein Abschnitt eines Wärmerohrs 5 mit einer darum gewickelten und eng anliegenden Abstreiferspirale 30 dargestellt ist.
In Fig. 13 sind verschiedene Ausführungsvarianten der Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung 7 mit Abstreiferspiralen 30 oder mit Abstreiferringen 30' dargestellt. In der Ausführungsvariante der Fig. 13a sind statt einer Abstreiferspirale 30 mehrere im axialen Abstand zueinander angeordnete Abstreiferringe 30' am Außenumfang der Wärmerohre 5 angeordnet. Die Abstreiferringe 30' sind durch parallel zum Wärmerohr 5 verlaufende Haltestangen 38 miteinander verbunden. Die Haltestangen 38 mit den daran befestigten Abstreiferringen 30' sind in Längsrichtung durch den Antrieb 27 gegenüber dem Wärmerohr 5 verschiebbar. Beim Verschieben der eng am Außenumfang des Wärmerohrs 5 anliegenden Abstreiferringe 30' werden Schmutzablagerungen auf der Außenfläche des Wärmerohrs 5 abgeschabt. Zweckmäßig ist die Anordnung aus den Haltestangen 38 und den daran befestigten Abstreiferringen 30' über eine Höhe gegenüber dem Wärmerohr 5 verschiebbar, welche wenigstens dem Abstand von zwei benachbarten Abstreiferringen 30' entspricht, um die gesamte Länge des aus der Kammer 8 herausragenden Abschnitts 5b des Wärmerohrs 5 reinigen zu können.
In Fig. 13b und Fig. 13c sind Ausführungsvarianten einer Reinigungsvorrichtung 7 mit Abstreiferspiralen 30 gezeigt, bei denen die Abstreiferspiralen 30 jeweils durch eine parallel zum Wärmerohr 5 angeordnete Haltestange 38 stabilisiert sind. Bei der Ausführungsvariante der Fig. 13b erstreckt sich die Haltestange 38 dabei über die gesamte Länge der Abstreiferspirale 30 (in axialer Richtung).
Bei der Ausführungsvariante der Fig. 13c sind statt einer über die gesamte Länge der Abstreiferspirale 30 angeordnete Haltestange 38 mehrere Haltestangenabschnitte 38' vorgesehen, welche radial und axial versetzt am Außenumfang der Abstreiferspirale 30 angeordnet sind und der Versteifung der Abstreiferspirale 30 dienen.
Eine weitere Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung 7 zum Reinigen eines Wärmeübertragungsmoduls 4 mit einem schwimmend in der Abstreiferplatte 25 gelagerten Abstreiferteil 27 ist in Fig. 14a bzw. 14b gezeigt. Wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 9 ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein als Ring ausgebildetes Abstreiferteil 27 in einer Ausnehmung 37 der Abstreiferplatte 25 beweglich gelagert. Das Abstreiferteil 27 ist dabei ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet mit konisch sich nach oben verjüngendem Innen- und Außenumfang. Die Ausnehmung 37, in der das Abstreiferteil schwimmend gelagert ist, ist in ihrem oberen Bereich 37' ebenfalls mit einem konisch sich nach oben hin verjüngenden Innenumfang versehen. Im unteren Bereich 37" ist die Ausnehmung 37 kreisrund ausgebildet.
Durch die konische Ausbildung des Außenumfangs des ring- oder ring- segmentförmigen Abstreiferteils 27 kann sich die Form des Abstreiferteils 27 bei einer Bewegung der Abstreiferplatte 25 gegenüber dem Wärmerohr 5 an die Abmessungen und die Form des Wärmerohrs 5 anpassen, um einen möglichst guten Formschluss zwischen dem Innenumfang des Abstreiferteils 25 und dem Außenumfang des Wärmerohrs 5 zu gewährleisten. Bei einer Bewegung der Abstreiferplatte 25 in Abstreifrichtung R (in Fig. 14a mit dem nach unten weisenden Pfeil gekennzeichnet, d.h. auf die Absetzkammer 6 zu gerichtet) bewirkt die konische Ausbildung des ringförmigen Abstreiferteils 27, dass das Abstreiferteil 27 zunächst in den oberen Abschnitt 37' der Ausnehmung geschoben wird und sich dann in radialer Richtung nach innen zusammenzieht und dadurch den Durchmesser des Innenumfangs verkleinert. Dadurch wird der Innenumfang des Abstreiferteils 27 an den Außenumfang des Wärmerohrs 5 gepresst, so dass ein guter Formschluss mit dem Außenumfang des Wärmerohrs gewährleistet wird. Auf diese Weise können auch Verkrustungen, die stark an der Außenfläche des Wärmerohrs 5 anhaften, mittels des Abstreiferteils 27 abgeschabt werden. Wird die Abstreiferplatte 25 durch den Antrieb 27 wieder von ihrer unteren Stellung entgegen der Abstreifrichtung in ihre Ausgangsstellung nach oben (d.h. in Richtung der Kammer 8) verschoben, öffnet sich das ringförmige Abstreiferteil 27, da dieses zunächst in den unteren kreisförmigen Bereich 37" der Ausnehmung 37 fällt und sich dann wieder auf den ursprünglichen Durchmesser erweitert, weil das ringförmige Abstreiferteil 27 in dem unteren Bereich 37" der Ausnehmung 37 nicht zusammengedrückt wird. Beim Hochziehen der Abstreiferplatte 25 in Richtung der Kammer 8 wird das Abstreiferteil 27 daher nicht gegen den Außenumfang des Wärmerohrs 5 gepresst, wodurch sich der Reibwiderstand beim Zurückschieben der Abstreiferplatte 25 entgegen der Abstreifrichtung verringert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus heißen Abgasen, welche von einer Wärmequelle (1 ) emittiert und einem Wärmeübertrager (2) zugeführt werden, in dem die in den Abgasen enthaltene Wärme teilweise an ein Wärmeträgerfluid übertragen wird, wobei der Wärmeübertrager (2) eine erste Kammer (3), in welche die heißen Abgase eingeleitet werden, sowie wenigstens ein Wärmeübertragungsmodul (4) mit einer zweiten Kammer (8) und einer Anordnung von Wärmerohren (5) umfasst, die sich von der ersten Kammer (3) in die zweite Kammer (8) erstrecken, um die Wärme der in die erste Kammer (3) eingeleiteten Abgase an das sich in der zweiten Kammer (8) befindliche Wärmeträgerfluid zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass
eine mit der ersten Kammer (3) in Verbindung stehende Absetzkammer (6) vorgesehen ist, in der sich Schmutzpartikel sammeln, die in den Abgasen enthalten sind und/oder sich auf der Außenfläche der Wärmerohre (5) angelagert haben.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmeübertragungsmodul (4) eine Reinigungsvorrichtung (7) zum Entfernen von Schmutzpartikel aufweist, die sich auf der Außenfläche der Wärmerohre (5) angelagert haben.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Absetzkammer (6) zumindest teilweise unterhalb der ersten Kammer (3) erstreckt, so dass Schmutzpartikel, die sich auf der Außenfläche der Wärmerohre (5) angelagert haben und von dort abfallen in die Absetzkammer (6) gelangen.
4. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2) eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Modulen (4) mit jeweils einer Anordnung von parallel zueinander angeordneten geraden Wärmerohren (5) umfasst.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Wärmeübertragungsmodule (4) voneinander durch Trennwände (32, 33, 34, 35) abgetrennt sind und durch Öffnungen (9) miteinander in Verbindung stehen, so dass das in die erste Kammer (3) eingeleitete Abgas kaskadenartig durch die in Strömungsrichtung des Abgases in Reihe angeordneten Wärmeübertragungsmodule (4) strömen kann.
6. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (3) eine an eine Abgasleitung (10) gekoppelte Eintrittsöffnung (1 1 ) sowie eine an eine weitere Abgasleitung (12) gekoppelte Auslassöffnung (13) aufweist.
7. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (5) als schwerkraftgetriebene Thermosiphon-Rohre ausgebildet sind, in denen sich ein Arbeitsmedium befindet und dort zirkuliert.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die als schwerkraftgetriebene Thermosiphon-Rohre ausgebildeten Wärmerohre (5) fluiddicht abgeschlossen sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den als schwerkraftgetriebene Thermosiphon-Rohre ausgebildeten Wärmerohre (5) der einzelnen Module (4) zumindest zum Teil unterschiedliche Arbeitsmedien eingebracht sind, wobei in den Modulen (4), die näher an der Eintrittsöffnung (11 ) liegen, ein Arbeitsmedium mit vergleichsweise höherer Verdampfungstemperatur und in den Modulen (4), die näher an der Auslasssöffnung (13) liegen ein Arbeitsmedium mit vergleichsweise niedrigerer Verdampfungstemperatur verwendet wird.
10. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (5) mittels Schnellwechselverschlüssen in den Modulen (4) austauschbar befestigt sind.
11. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pufferspeicher vorgesehen ist, in dem die an das Wärmeträgerfluid übertragene Wärme gespeichert wird.
12. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2) an einen thermodynami- schen Kreisprozess gekoppelt ist, dem die an das Wärmeträgerfluid übertragene Wärme zugeführt wird.
13. Wärmeübertragungsmodul zur Verwendung in einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit einer Anordnung von parallel zueinander angeordneten Wärmerohren (5) und einer Kammer (8) mit einem Kammerboden (20), der mit Öffnungen (21 ) versehen ist, wobei durch jede Öffnung (21 ) ein Wärmerohr (5) geführt ist, so dass sich ein Teilabschnitt (5a) jedes Wärmerohrs (5) in das Innere der Kammer (8) erstreckt und der verbleibende Teilabschnitt (5b) aus der Kammer (8) herausragt, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmodul (4) eine Reinigungsvorrichtung (7) zum Entfernen von Schmutzpartikel aufweist, die sich auf der Außenfläche der Wärmerohre (5) angelagert haben.
14. Wärmeübertragungsmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Wärmerohren (5) um gerade und stirnseitig fluiddicht verschlossene Rohre handelt.
15. Wärmeübertragungsmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Wärmerohren (5) um Thermosiphon- Rohre handelt, in denen ein Arbeitsmedium enthalten ist.
16. Wärmeübertragungsmodul nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung (7) ein Rahmenteil (22) umfasst.
17. Wärmeübertragungsmodul nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (8) kastenförmig ausgebildet ist und den Kammerboden (20) sowie Seitenwände (16) und einen Deckel (15) umfasst.
18. Wärmeübertragungsmodul nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (8) einen Zulauf (23) und einen Ablauf (24) zur Zu- bzw. Abführung eines Wärmeträgerfluids enthält.
19. Wärmeübertragungsmodul nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung (7) eine in Längsrichtung der Wärmerohre (5) verschiebbare Abstreiferplatte (25) umfasst, welche Öffnungen (26) enthält, durch welche die Wärmerohre (5) geführt werden.
20. Wärmeübertragungsmodul nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreiferplatte (25) mittels eines Antriebs (27) in Längsrichtung der Wärmerohre (5) und insbesondere über deren aus der Kammer (8) herausragenden Teilabschnitt (5b) verschiebbar ist.
21. Wärmeübertragungsmodul nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass in den Öffnungen (26) der Abstreiferplatte (25) jeweils ein gegenüber der Abstreiferplatte (25) schwimmend gelagertes Abstreiferteil (27, 28, 29) angeordnet ist, welches ein Wärmerohr (5) vollumfänglich und formschlüssig umschließt.
22. Wärmeübertragungsmodul nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Abstreiferteil (27, 28, 29) um eine Abstreiferscheibe (27) mit einer zentralen Bohrung, eine Abstreiferbürste (28) mit ein Wärmerohr (5) umschließende Borsten oder um einen Ringwulst aus Blech (29) handelt.
23. Wärmeübertragungsmodul nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass um jedes Wärmerohr (5) eine gegenüber dem jeweiligen Wärmerohr (5) axial verschiebbare und/oder verdrehbare Abstreiferspirale (30) angeordnet ist.
24. Wärmeübertragungsmodul nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstreiferspirale (30) durch einen Antrieb (27) gegenüber dem jeweiligen Wärmerohr (5) axial verschiebbare und/oder verdrehbar ist.
25. Wärmeübertragungsmodul nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass um jedes Wärmerohr (5) eine Mehrzahl von in axialem Abstand zueinander angeordnete und konzentrisch um das jeweilige Wärmerohr ausgerichtete Abstreiferringe (30') angeordnet sind, welche jeweils an wenigstens einer in Längsrichtung und parallel zum jeweiligen Wärmerohr (5) verlaufenden Haltestange (38) befestigt sind.
26. Wärmeübertragungsmodul nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Haltestange (38) mit den daran befestigten Abstreiferringen (30') in Längsrichtung gegenüber dem jeweiligen Wärmerohr (5) mittels eines Antriebs (27) verschiebbar ist.
27. Reinigungsvorrichtung (7) zum Reinigen eines Wärmeübertragungsmoduls (4) mit einer Anordnung von parallel zueinander angeordneten Wärmerohren (5), die einem Abgasstrom ausgesetzt werden, wobei die Reinigungsvorrichtung (7) ein Rahmenteil (22) und ein an dem Rahmenteil (22) angeordnetes Reinigungswerkzeug umfasst, welches in Längsrichtung der Wärmerohre (5) bewegbar ist, um an der Außenfläche der Wärmerohre (5) anhaftende Schmutzpartikel zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungswerkzeug eine in Längsrichtung der Wärmerohre (5) verschiebbare Abstreiferplatte (25) umfasst, welche Öffnungen (26) enthält, durch welche die Wärmerohre (5) geführt werden und in denen jeweils ein in und gegenüber der Abstreiferplatte (25) gelagertes Abstreiferteil (27, 28, 29) angeordnet ist, welches das darin geführte Wärmerohr (5) formschlüssig umschließt.
28. Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreiferplatte (25) mittels eines Antriebs (27) in Längsrichtung der Wärmerohre (5) verschiebbar ist.
29. Reinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Abstreiferteil (27, 28, 29) um eine Abstreiferscheibe (27) mit einer zentralen Bohrung, eine Abstreiferbürste (28) mit ein das Wärmerohr (5) umschließende Borsten (28') oder um einen Ringwulst aus Blech (29) handelt.
30. Reinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreiferteil (27, 28, 29) in einer Ausnehmung (37) der Abstreiferplatte (25) mit Spiel und in radialer Richtung beweglich gelagert ist.
31. Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreiferteil (27, 28, 29) ringförmig ausgebildet ist und einen konischen Außenumfang und/oder einen konischen Innenumfang aufweist.
32. Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreiferteil (27, 28, 29) ringförmig ausgebildet mit einem konischen Außenumfang und in einer kreisförmigen Ausnehmung (37) der Abstreiferplatte (25) mit konischem Umfangsverlauf gelagert ist.
33. Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innenumfang jedes Abstreiferteils (27, 28, 29) bei einer Verschiebung der Abstreiferplatte gegenüber den Wärmerohren (5) in einer Abstreifrichtung verkleinert, so dass der Innenumfang des Abstreiferteils (27, 28, 29) in formschlüssiger Anlage an den Außenumfang des jeweiligen Wärmerohrs (5) kommt.
34. Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innenumfang jedes Abstreiferteils (27, 28, 29) bei einer Verschiebung der Abstreiferplatte gegenüber den Wärmerohren (5) entgegen der Abstreifrichtung vergrößert, so dass der Innenumfang des Abstreiferteils (27, 28, 29) vom Außenumfang des jeweiligen Wärmerohrs (5) entfernt wird.
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