DE2456321B2

DE2456321B2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2456321B2
Application number: DE2456321A
Authority: DE
Inventors: Dick Gerrit Hillegom Klaren (Niederlande)
Original assignee: PIEPER GUSTAV ADOLF HEEMSTEDE (NIEDERLANDE)
Current assignee: PIEPER GUSTAV ADOLF HEEMSTEDE (NIEDERLANDE)
Priority date: 1973-11-30
Filing date: 1974-11-28
Publication date: 1980-07-24
Also published as: NL170888C; IL46115A; AU7579074A; NL7316401A; FR2253196B1; NL170888B; IL46115A0; FR2253196A1; GB1443298A; US3991816A; DE2456321A1; BR7410038A; DE2456321C3

Description

y - 0,65 ^L'^j

Ap > (0,20E -

worin

Ap den Druckunterschied im Sekundärmedium infolge der Drosselwirkung;

E das Verhältnis zwischen der Länge des Wärmetauscherrohres (3) zwischen den oberen und unteren, mit dem Primärfluidum in Berührung stehenden Punkten und der Länge, bis zu welcher das Wärmetauscherrohr unter nichtfluidisierten Bedingungen durch die im Betrieb fluidisierten Teilchen gefüllt ist;

G das Gewicht aller Feststoffteilchen (8) im Wärmetauscherrohr (3);

F die Querschnittsfläche des Wärmetauscherrohres (3);

ρ die durchschnittliche Dichte des Sekundärmediums im Wärmetauscherrohr (3);

L Die Länge des Wärmetauscherrohres (3) zwischen dem oberen und dem unteren Punkt der Berührung mit dem Primärmedium, und

g die Schwerkraftsbeschleunigung

bedeuten.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Drosselrohres (12) in der Strömungsbahn des Sekundärmediums eine Siebplatte (15) vorgesehen ist, die Offnungen mit kleinerer Querschnittsfläche als derjenige! der Bohrung des Drosselrohres (12) hat.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Wärmetauscherrohr (3) stromab des Drosselrohres (12) eine. Prallplatte (16) zum Aufbrechen der Strömung aus dem Drosselrohr (12) vorgesehen ist.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die im oberen Auslaßkasten (7) angeordnete Rühr- und Umwälzeinrichtung (Welle 10, Schaufel 11, Flügel 18) ein hin- und hergehend bewegtes Schlagwerk ist

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlagwerk in mindestens einer Ebene mehrere an einer senkrechten Welle (10) befestigte Schaufeln (11) bzw. Flügel (18) aufweist

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkasten (6) sich in Richtung der Aufwärtsströmung kegelförmig erweitert wobei am schlanken unteren Ende ein Auslaß zum Ablassen von sich in diesem Ende ansammelnden Feststoffen vorgesehen ist und/oder wobei die größte Querschnittsfläche des Einlaßkastens größer ist als die größte Querschnittsfläche des Auslaßkastens (7).

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 —8, dadurch gekennzeichnet daß die WärmetauscherrohTe (3) an der Innenseite gerillt sind.

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der US-PS

« 2919118 bekannt Er weist eine Kammer für den Durchgang eines Primärmediums (Kühlluft) auf, welche von einem Bündel vertikaler Wärmetauscherrohre durchsetzt ist in denen ein Sekundärmedium (heiße Verbrennungsgase) von unten aus einem unteren Einlaßkasten nach oben in einen oberen Auslaßkasten strömt In den Wärmetauscherrohren befinden sich Feststoffteilchen, wobei während des Betriebes durch die Aufwärtsströmung des Sekundärmediums in jedem Rohr ein Fließbett entsteht. Es erfolgt eine sogenannte Fluidisierung der Feststoffteilchen. Um ein Entweichen der Feststoffteilchen nach außen zu verhindern, sind oberhalb und unterhalb der Wärmetauscherrohre im Auslaßkasten und Einlaßkasten jeweils Siebe angeordnet An den unteren Enden der Wärmetauscherrohre sind ferner jeweils Klappen vorgesehen, die geschlossen werden können, um die Gasgeschwindigkeit in den restlichen Wärmetauscherrohren auf einer solchen Höhe zu halten, daß eine Fluidisierung der darin befindlichen Feststoffteilchen garantiert ist Während des Betriebes sammeln sich Feststoffteilchen oberhalb der Einmündungen der Wärmetauscherrohre in dem oberen Auslaßkasten an. Es entsteht unterhalb des oberen Siebes ein Feststoffbett. Dabei sammeln sich die Feststoffteilchen insbesondere zwischen den Einmün-

W) düngen der Wärmetauscherrohre in dem oberen Auslaßkasten an, mit der Folge, daß nach Abschalten des Wärmetauschers und Wieder-Inbetriebnahme nicht gewährleistet ist, daß in jedes Wärmetauscherrohr die jeweils erforderliche gleiche Menge Feststoffteilchen

b5 zurückgelangt. Eine Vorkehrung, die Feststoffteilchen des oberen Feststoffbettes wieder in die Wärmetauscherrohre zurückzuführen, fehlt. Ferner fehlen bei dem

Abschalten das Herausfallen von Feststoffteilchen aus den Wärmetauscherrohren verhindern. Nach dem Abschalten des Wärmetauschers sammeln sich die noch in den Wärmetauscherrohren befindlichen Feststoffteilchen oberhalb des unteres Siebes an. Bei erneuter Inbetriebnahme ist dann nicht gewährleistet, daß sich die Feststoffteilchen auf die Wärmetauscherrohre gleichmäßig verteilen.

Das gleiche gilt im wesentlichen für den Wärmetauscher gemäii der US-PS 29 90 161. Zwar sind bei diesem bekannten Wärmetauscher an den unteren Enden der Wärmetauscherrohre Siebe vorgesehen, die ein Herausfallen von Feststoffteilchen aus den Wärmetauscherrohren nach Abschalten des Wärmetauschers verhindern. Die Siebe neigen jedoch zum schnellen Verstopfen durch vom Sekundärmedium mitgeführte Teilchen oder Verunreinigungen. Eine derartige Verstopfung könnte nur durch intensives Vorfiltern des Sekundärmediums verhindert werden, wodurch der Gesamtaufwand und auch der Energieverbrauch erhöht würden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art so weiterzuentwickeln, daß eine gleichmäßige Fluidisierung der Wärmetauscherrohre und gleichmäßige Rückverteilung von Feststoffteilchen erreicht wird.

Diese Aufgabe soll durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst werden.

Die Anordnung einer Rühr- und Umwälzeinrichtung oberhalb der Einmündungen der Wärmetauscherrohre in den oberen Auslaßkasten gewährleistet eine gleichmäßige Rückverteilung von Feststoffteilchen in die einzelnen Wärmetauscherrohre. Die Rühr- und Umwälzeinrichtung verhindert auch die Bildung von sogenannten Feststoffbrücken oberhalb der oberen Enden der Wärmetauscherrohre.

An sich ist ?ine Rühr- und Umwälzeinrichtung ähnlicher Art bei einem Wärmetauscher bekannt (US-PS 23 36 378).

Die Anordnung von Drosselrohren an den unteren Enden der Wärmetauscherrohre mit einem Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Wärmetauscherrohre gewährleistet eine gleichmäßige Fluidisierung innerhalb der Wärmetauscherrohre. Die Drosselrohre haben ferner den Vorteil, daß sie gegenüber Verstopfen unempfichlich sind. Schließlich ist die Anordnung von Drosselrohren wesentlich weniger aufwendig, als die Anordnung von beweglichen Klappen, wie sie z. B. bei den Lösungen gemäß den US-PS 29 19 118 und 29 90 161 vorgesehen ist

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsforrrien der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Wärmetauscher und

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform eines Einlaßkastens für den Wärmetauscher gemäß F i g. 1.

Gemäß F i g. 1 weist der Wärmetauscher einen Mantel 1 auf, der in mehrere Kammern 2 unterteilt ist, die jeweils von parallelen, lotrechten Wärmetauscherrohren 3, im folgenden einfach als Rohre bezeichnet, durchsetzt werden. Die Rohre 3 sind an ihren Enden in Rohrboden 4 und 5 befestigt.

In den Kammern 2 wird ein Primärmedium außerhalb der Rohre 3 umgewälzt Dieses Priniärmediurri kann in den einzelnen Kammern 2 jeweils ein anderes Medium sein, wogegen das Sekundärmedium, das von einem Einlaßkasten 6 über die Rohre 3 aufwärts zu einem Aushßkastcn 7 fließt, in allen Kammern jeweils das gleiche Medium ist

Die Rohre 3 sind teilweise mit Feststoffteilchen 8 gefüllt die nicht nach unten aus den Rohren 3 herausfallen können, weil im Einlaß jedes Rohres 3 ein Drosselrohr 12 vorgesehen ist- Unter normalen

ίο Betriebsbedingungen sind die festen Teilchen als Fließbett fluidisiert das infolge der Aufwärtsströmung des Sekundärmediums bis zum Auslaßkasten 7 reicht und sich mithin über die Gesamtlänge der Rohre 3 erstreckt Im Normalbetrieb sind die festen Teilchen in einer Schicht 9 über den Auslaßöffnungen der Rohre 3 und auf dem Rohrboden 4 vorhanden.

Der Wärmetauscher eignet sich besonders für einen wirksamen Wärmeaustausch bei niedrigen Strömungsoder Durchsatzmengen in den Rohren 3. Die erforderli- ehe Drosselung, die normalerweise zu einem beträchtlichen Druckabfall führt wird durch Drosselrohre erreicht deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser eines Wärmetauschrohres 3 ist Drosselplatten neigen dagegen zu einem Verstopfen durch die vom

Sekundärmedium mitgeführten Teilchen. Eine derartige Verstopfung kann nur durch intensives Filtern des Sekundärmediums verhindert werden, was jedoch

kostspielig ist und zu Komplikationen führt

Gemäß F i g. 1 ist in jedem Wärmetauscherrohr 3 ein

JO Drosselrohr 12 mit einem Innendurchmesser angeordnet, der im Vergleich zu demjenigen des Rohrs 3 ziemlich klein ist Das Drosselrohr 12 ist dabei in einen Stopfen 13 eingesetzt der seinerseits durch eine Druckplatte 14 in die Einlaßöffnung des Rohrs 3

r> hineingedrückt wird. Der Drosselungsgrad des Sekundärmediums am Einlaß des Rohrs 3 wird durch die Länge und den Innendurchmesser des Drosselrohrs 12 sowie durch die Strömungsgeschwindigkeit des Sekundärmediums im Drosselrohr 12 bestimmt. Der letztge- nannte Faktor hängt einerseits von der Strömungsgeschwindigkeit des Sekundärmediums im Rohr 3 und andererseits vom Querschnittsverhältnis zwischen den Rohren 12 und 3 ab. Daß sich das Drosselrohr 12 verstopft kann durch

<r> Vergrößerung seines Querschnitts entsprechend verringert werden, während die gewünschte Drosselwirkung dennoch durch entsprechende Verlängerung des Drosselrohrs 12 erzielt werden kann. Je nach der erforderlichen Länge des Drosselrohrs 12 und dem zur

^r>o Verfügung stehenden Raumangebot kann das Drosselrohr 12 gerade, in Spiralform, rund oder wendelförmig ausgebildet sein.

Es wird ein längeres Drosselrohr 12 in Form einer Spirale oder Wendel bevorzugt, weil in bestimmten

^r'^r> Fällen eine vergrößerte Rohrlänge in einem möglichst kleinen Raum untergebracht werden soll.

Im Fall eines Wärmetauschers mit parallelen Rohren, bei welchem die Gesamtlänge zwischen den Rohrboden 4, S im Einlaß- und im Auslaßkasten 6 bzw. 7 10 m

m> beträgt, das Querschnittsverhältnis zwischen den Rohren 12 und 3 einen Faktor 2 hat und die Feststoffteilchen 8 aus Glaskugeln mit einem Durchmesser von 2 mm bestehen, sollte der erforderliche Mindestdruckabfall über die Drosselrohre 12 etwa 2,5 m

b5 Wassersäule (Hg) betragen. Wenn die Rohre 3 einen Innendurchmesser von 13,44 mm haben (5/8"-Rohr mit einer Wanddicke von 1,22 mm) und die Strömungsge-

SCiiWiiluigiCciL ctWä ιu Cm/5 uctfugt, UFiu uäS lsFOSSci-

rohr 12 einen Innendurchmesser von 3 mm besitzt, ergibt sich anhand der Berechnung des Druckabfalls eine erforderliche Länge des Drosselrohres von etwa 1,20 m. Bei Ausbildung des Drosselrohres 12 in Form einer Spirale oder Wendel, lassen sich erhebliche Einsparungen bezüglich, des von den Drosselrohren 12 eingenommenen Raums erzielen.

Um ein Verstopfen der Drosselrohre 12 weiterhin zu vermeiden, sind im Einlaßkasten 6 eine oder mehrere Siebplatten 15 vorgesehen, die Löcher mit kleinerer Querschnittsfläche als derjenigen der Bohrung der Drosselrohre 12 aufweisen.

Der Wärmetauscher gemäß F i g. 1 hat noch folgende weitere Vorteile:

a) Eine Prallplatte 16 bricht den Strom des aus dem Drosselrohr 12 ausströmenden Sekundärmediums und verringert dabei seine Geschwindigkeit, so daß der Sekundärmediumstrom gleichmäßig über den Querschnitt des Wärmetauscherrohrs 3 verteilt wird.

b) Es bildet sich eine Schicht von Feststoffteilchen 17, die im Vergleich zu den Feststoffteilchen 8 grob bzw. groß sind und welche infolge der Wahl ihrer Größe und ihres spezifischen Gewichts durch das Sekundärmedium nicht fluidisiert werden können. Außerdem verhindern diese Teilchen ein Verstopfen der öffnungen der Prallplatte 16 und/oder der Bohrung des betreffenden Drosselrohrs 12; und infolge ihres Vorhandenseins wird die Möglichkeit zu einer Verstopfung durch die feineren, fluidisierbaren Feststoffteilchen verringert.

Gemäß F i g. 1 ist über den Wärmetauscherrohren 3 die Schicht 9 der Feststoffteilchen 8 dort vorhanden, wo sie in den Auslaßkasten 7 einmünden. Die Schicht 9 ermöglicht eine Änderung, d. h. die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Sekundärmediums, da die Einstellung der Menge an Feststoffteilchen 8 im Fließbett in jedem Wärmetauscherrohr 3 auf die für die gewählte Strömungsgeschwindigkeit oder -menge richtige Größe innerhalb bestimmter Grenzen automatisch erfolgt. Durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Sekundärmediums wird dabei die Menge der in jedem Rohr 3 enthaltenen Teilchen verringert und die Dicke der Schicht 9 vergrößert wogegen bei einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Sekundärmediums die Fließbetten in den Rohren 3 durch von der Schicht 9 her eintretende Teilchen ergänzt werden.

Um einen gleichmäßigen Übergang der Feststoffteilchen zwischen den Wärmetauscherrohren 3 und der Schicht 9 zu gewährleisten, wird letztere umgerührt, d.h. in eine kontinuierliche oder intermittierende Bewegung versetzt Beim Wärmetauscher gemäß F i g. 1 ist ein Rührwerk an einer lotrechten Welle 10 montiert die durch mechanische oder hydraulische Mittel in Drehung versetzt wird. Das Rührwerk besteht aus einer oder mehreren am freien Ende der Welle 10 befestigten Schaufeln 11, die sich dabei in der Schicht 9 der Feststoffteilchen nahe den Auslaßöffnungen der Wärmetauscherrohre 3 befinden, wo sie sich waagerecht drehen. Wahlweise kann eine schlagende Bewegung erfolgen. Falls die Feststoffteilchenschicht 9 eine sehr große Oberfläche hat können mehrere parallele Rührwerke verwendet werden, welche gemeinsam die gesamte Schicht umwälzen.

Mehrere Rührwerke können auch dann verwendei werden, wenn die Strömung des Sekundärmediums aul ■i einen Wert vermindert werden soll, der zum Aufrechterhalten einer Feststoffteilchenschicht 9 im Auslaßkasten 7 unzureichend ist. Soll der Massendurchsat: im Betrieb des Wärmetauschers so stark herabgesetzt werden, werden Einlaß- und Auslaßkasten 6 bzw. 1

ίο vorzugsweise in Segmente unterteilt so daß ein oder mehrere Segmente vollständig außer Betrieb gesetzt wenden können. Die Wärmetauscherrohre 3 der restlichen Segmente setzen dabei ihre normale Arbeitsweise fort wobei die Fließbetten in den Rohren 3 in den Auslaßkasten 7 hineinreichen. Möglicherweise kann dann im Auslaßkasten 7 kein sich drehendes Rührwerk verwendet werden und es muß auf Schlagwerke übergegangen werden. Schlagarme können dabei auf die gleiche Weise an einer lotrechten Welle befestigt sein, die mit einem oder mehreren Schlagarmen versehen ist

Neben dem Aufbrechen von Feststoffkuppeln bzw. -brücken in der Schicht 9 nahe den Austrittsöffnungen der Wärmetauscherrohre 3 wird durch das Umwälzen der Schicht 9 auch ein Verstopfen der Rohre 3 durch vom Sekundärmedium mitgeführte Verunreinigungen vermieden. Zu diesem Zweck sind zusätzlich zu den Schaufeln 11, die dicht über den Austrittsöffnungen der Rohre 3 angeordnet sind und eine Kuppel- oder Brückenbildung verhindern, an der Welle 10 eine oder mehrere Flügel 18 in einer oder mehreren Ebenen über den Schaufeln 11 angebracht die den Teil der Feststoffteilchenschicht 9 aufrühren, der von den Schaufeln 11 nicht erreicht wird.

Der Einlaßkasten 6 kann mit einem divergierenden Einlauf versehen sein, um eine gleichmäßige Strömung zum Rohrboden 5 zu gewährleisten. Wenn das Sekundärmedium viele Verunreinigungen enthält empfiehlt es sich, den Einlaßkasten 6 auf die in Fig.2 gezeigte Weise auszubilden. Hierbei hat der Einlaßkasten 6 über einen Teil seiner Höhe die Form eines umgekehrten Kegelstumpfes mit einem Auslaß am schlanken unteren Ende. Das Sekundärmedium wird dabei über einen oder mehrere Einlasse in den Einlaßkasten 6 eingeführt Infolge der außerordentlich geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Einlaßkasten können sich Verunreinigungen bzw. Schwebestoffe im konischen Teil des Einlaßkastens 6 absetzen und periodisch aus ihm abgelassen werden. Eine weitere

so Möglichkeit besteht darin, die größte Querschnittsfläche des Einlaßkastens 6 größer zu wählen als diejenige des Auslaßkastens. 7. Auf diese Weise können sich Verunreinigungen, die sich nicht im Einlaßkasten 6 absetzen, auch nicht im Auslaßkasten 7 absetzen. Es kann praktisch jegliche Ansammlung von Verunreinigungen in der Anlage verhindert werden.

Die die Wärmeaustauschflächen bildenden Wärmetauscherrohre 3 können normale, polierte zylindrische Röhren sein; sie können aber auch einen gerillten

μ Innenmantel haben. In diesem Fall sollte der Krümmungsradius in der Sohle jeder Rille an der Innenseite des Rohrs gleich groß oder größer sein als der durchschnittliche Radius der zu fluidisierenden Teilchen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher mit mindestens einer Kammer für ein Primärmedium, welche von einer Vielzahl von vertikalen Wärmetauscherrohren durchgesetzt ist, in denen ein Sekundärmedium von unten aus einem unteren Einlaßkasten nach oben in einen oberen Auslaßkasten stiönrt, wobei .sich in den Wärmetauscherronren Feststoffteilchen befinden, derart, daß während des Betriebes durch die Aufwärtsströmung des Sekundärmediuins in jedem Rohr ein Fließbett entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Auslaßkasten (7) oberhalb der Einmündungen der Wärmetauscherrohre (3) eine Rühr- und Umwäheinrichtung (Welle 10, Schaufei 11, Flügel 18) für die sich über den Einmündungen der Wärmetauscherrohre (3) ansammelnden Feststoffteilchen und an den unteren Enden der Wärmetauscherrohre (3) jeweils ein Drosselrohr (12) mit einem Durchmesser vorgesehen ist, der kleiner als der Durchmesser eines Wärmetauscherrohres ist

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser und die Länge der Drosselrohre (12) so gewählt sind, daß die Abweichungen zwischen den einzelnen Wärmetauscherrohren (3) bezüglich der Feststffteilchendichte in deren Fließbetten verringert sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselrohre (12) so bemessen sind, daß bei jedem Wärmetauscherrohr (3) die folgende Beziehung erfüllt ist: