CH655171A5 - Waermetauschervorrichtung. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauschervorrichtung an einer nach dem thermischen Regenerativverfahren arbeitenden Einrichtung mit einer zentral angeordneten Brennkammer, einer Anzahl aussen an die Brennkammer angebauten Wärmetauscherabschnitten, und mit den Wärmetauscherabschnitten gekoppelten Einrichtungen zur Zuführung von ungereinigten und Ableitungen von gereinigten Gasen zu bzw. von den Wärmetauscherabschnitten.

In der letzten Zeit ergaben sich mit dem Anstieg der Energiekosten zunehmend Forderungen nach Vorrichtungen, die Wärme einsparen und damit Brennstoffkosten verringern können. Eine derartige Vorrichtung, die besonders in nach dem thermischen Regenerativverfahren arbeitenden Einrichtungen für den Umweltschutz verwendbar ist, ist in der US-PS 3 895 918 beschrieben. Bei dieser Einrichtung ist eine in der Mitte angeordnete Brenn- oder Veraschungskammer vorgesehen, die von einer Anzahl unter gleichen Winkelab-s ständen daran angebauten Wärmetauscherabschnitten umgeben ist. Diese Wärmetauscherabschnitte stehen mit der Brennkammer und einer äusseren Zuführung von verunreinigten, beispielsweise schädlichen Ausströmungen von Industrieverfahren in Verbindung. Die Ausströmungen werden io unter Verwendung von automatischen Drosselklappen während eines vorgegebenen Betriebszyklus vorgegebenen Wärmetauscherabschnitten zugeführt. In jedem Wärmetauscherabschnitt befindet sich ein Wärmetauscherbett, das aus einer Anzahl von keramischen Wärmetauscherelementen besteht, 15 die nach aussen hin durch eine perforierte Stahlwand und nach innen hin (der Brennkammer am nächsten) durch eine weitere perforierte oder mit Jalousieschlitzen versehene Metallwand festgehalten werden. Weil eine grosse Anzahl von Wärmetauscherelementen in den Raum zwischen diesen 20 beiden Haltewänden festgehalten wird, ergibt sich ein grosser seitlicher Schub, der durch das Gewicht dieser Wärmetauscherelemente hervorgerufen wird.

Wenn die Ausströmungen während eines Verarbeitungszyklus durch einen vorgegebenen Wärmetauscherabschnitt 25 oder vorgegebene Wärmetauscherabschnitte geleitet werden, wird die Temperatur dieser Ausströmungen durch die in den keramischen Elementen des Wärmetauscherabschnittes enthaltene Restwärme erhöht, die von diesen Elementen in einem vorhergehenden Zyklus aufgenommen wurde, wenn in 30 der Brennkammer gereinigtes Gas durch diesen Wärmetauscherabschnitt zu einem Auslass hin hindurchgeleitet wurde. Nach der Vorwärmung in diesem Wärmetauscherabschnitt treten die ankommenden Ausströmungen in die Brennkammer ein, in der die schädlichen Bestandteile oxidiert 35 werden. Die gereinigte Ausströmung wird dann aus der Brennkammer heraus durch andere Wärmetauscherabschnitte in den Auslasskreis geleitet, von dem aus sie in die Umgebungsatmosphäre verteilt wird.

Bei derartigen nach dem Wärmeregenerationsverfahren 40 arbeitenden Anordnungen erforderte der erhebliche seitliche Schub der keramischen Wärmetauscherelemente in vielen Fällen die Verwendung von Stahl-Zugankern, die sich in Horizontalrichtung zwischen der vorderen Haltewand («heisse Stirnfläche») und der hinteren Haltewand («kalte 45 Stirnfläche») erstrecken. Diese Zuganker verhinderten weiterhin ein Durchbiegen oder eine Auslenkung der heissen Stirnfläche aufgrund der Wärme. An den Enden dieser Zuganker wurden spezielle Tellerfedern und Muttern verwendet, um die Spannung der Zuganker einzustellen. Speso zielle horizontale Bolzen wurden weiterhin in den Seitenkanten der vorderen Haltewand zur Vergrösserung der strukturellen Festigkeit angeordnet. Bei Verbrennungstemperaturen von bis zu ungefähr 640 bis 860°C bestand die heisse Stirnfläche in vielen Fällen aus sehr aufwendigem Material, 55 wie beispielsweise einem Stahl mit hohem Nickel-Chrom-Gehalt mit geringem Ausdehnungskoeffizienten. Für den Betrieb der Brennkammer bei noch höheren Temperaturen, beispielsweise im Bereich von 860 bis 1000°C, würde die Verwendung einer beträchtlich grösseren Menge dieses aufwen-oo digen Stahlmaterials erforderlich sein.

Weiterhin war die vordere Haltewand in üblichen Vorrichtungen häufig dem Angriff von korrodierenden oder anderen chemisch zerstörenden Wirkungen von manchen Bestandteilen der Ausströmungen ausgesetzt, was zu einer verkürzten 65 Lebensdauer derartiger Metallwände führt. Vordere Haltewände aus Metall wiesen weiterhin keine wesentlichen Wärmetauschereigenschaften auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärme

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tauschervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Wandung bei geringeren Herstellungs- und Unterhaltskosten eine höhere Temperaturbeständigkeit als in bekannten Wärmetauschervorrichtungen verwendeten Wandungen aufweist und die auch eine grössere Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Angriffen aufweist und gleichzeitig eine bessere Wärmetauscherwirkung ergibt, als übliche metallische Haltewände zeigen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Wärmetauschervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss gelöst durch eine die Brennkammer umgebende Wandung aus einer Anzahl feuerfester Blöcke, welche Wandung abwechslungsweise erste Bereiche mit perforierten Blöcken und zweite Bereiche mit nicht perforierten Blöcken aufweist, wobei jeder Wärmetauscherabschnitt ein Wandelement aufweist, das zusammen mit einem der ersten Bereiche ein Wärmetauscherelemente enhaltendes Wärmetauscherbett teilweise begrenzt, und ferner das Wandelement mit Mitteln versehen ist, die eine Gasströmung quer durch die Wärmetauscherelemente zu oder von der Brennkammer ermöglichen.

Durch die Anordnung einer die Brennkammer umgebenden Wandung aus feuerfesten Blöcken ergibt sich ein Aufbau, der eine höhere Temperaturbeständigkeit als übliche in Wärmetauschervorrichtungen verwendete Wände aufweist und weniger aufwendig in der Herstellung und Wartung ist. Gleichzeitig weist diese Wandung eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Angriffen auf, und sie ergibt grössere Wärmetauscherwirkungen als übliche Metall-Haltewände. Zusätzlich ergibt sich eine grössere Festigkeit für die gesamte Wandung der Wärmetauschervorrichtung als übliche Metall-Beton-Konstruktionen.

Die Wandung der Brennkammer weist vorteilhaft zumindest einen Bereich auf, der aus einer Vielzahl von feuerfesten Blöcken besteht, die von einer Vielzahl von vorzugsweise allgemein horizontalen Kanälen durchsetzt sind. Die Blöcke sind zweckmässig in aneinander angrenzender Weise in einer allgemein horizontalen kreisringförmigen Anordnung vor den Wärmetauscherelementen angeordnet. Die perforierten Blöcke sind dabei abwechselnd mit nicht-perforierten Blöcken oder Ziegeln angeordnet, um eine einstückige kreisförmige feuerfeste Baugruppe zu bilden.

Schachbrettartige feuerfeste Wände wurden zwar bereits zur Erzielung von Wärmetauschereigenschaften verwendet, doch sind sie im allgemeinen so konstruiert, dass sie nicht in der Lage sind, beträchtlichen Lasten zu widerstehen. In der US-PS 2 125 193 sind zwar feuerfeste Blöcke mit Nuten an einer Seite gezeigt, die mit den Nuten benachbarter Blöcke so angeordnet sind, dass eine axiale Öffnung gebildet wird, die eine Sauerstoffströmung durch diese Öffnungen ermöglicht. Diese US-PS ergibt jedoch keinen Hinweis auf die Ausbildung einer kreisringförmigen Wand, die aus einer Anzahl von feuerfesten Blöcken besteht, die axiale durchgehende Kanäle aufweisen. Eine derartig gekrümmte Wand dient bei der erfindungsgemässen Wärmetauschervorrichtung als zusätzliche Wärmetauscheranordnung, die in wirtschaftlicherer Weise höheren Brenntemperaturen und chemischen Angriffen widerstehen kann und gleichzeitig seitliche Druckkräfte aufnehmen kann.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine nach dem thermischen Regenerativverfahren arbeitende Einrichtung mit Wärmetauschervorrichtungen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Brennkammerwandung der Einrichtung,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch die Wandung der

Brennkammer und einen Wärmetauscherabschnitt nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine Seitenansicht entlang der Linie 4-4 nach Fig. 3.

s In Fig. 1 ist eine nach dem thermischen Regenerativreinigungsverfahren für Gase und Dämpfe arbeitende Einrichtung allgemein mit 10 bezeichnet. Diese Vorrichtung schliesst eine in der Mitte angeordnete Brennkammer 11 ein, in die Brenner 21 vorspringen. Um die Kammer 11 herum ist unter io gleichen Abständen eine Vielzahl von Wärmetauscherabschnitten 12 angeordnet, die jeweils eine perforierte äussere Haltewand 23 und von dieser aus nach innen ein Wärmetauscherbett 13 einschliessen, in dem eine grosse Anzahl von feuerfesten Wärmetauscherelementen 24 angeordnet ist. ls Industrielle Ausströmungen werden über einen Einlasskanal 17 einem allgemein kreisringförmigen Einlassring 15 zugeführt, der über einen Speisekanal 9 (Fig. 2) mit den Räumen 20 ausserhalb der äusseren Haltewand 23 verbunden ist. Ein Einlassventil 14 ist in jedem Speisekanal 9 angeordnet, um 20 Betriebszyklus-Änderungen zu ermöglichen. Ein weiterer Kanal 26 mit einem Ventil 26a tritt in den Raum 20 durch eine obere Wand 25 ein, die jeden Wärmetauscherabschnitt abdeckt, so dass das Einführen eines «Reinigungs»-Gases möglich ist, wenn dies erwünscht ist. Weiterhin ist an jedem 25 Wärmetauscherabschnitt 12 ein Auslasskanal 8 mit einem darin angeordneten Auslassventil 19 angeordnet. Die Auslasskanäle 8 stehen mit den Räumen 20 und mit einem kreisringförmigen Auslassring 15 in Verbindung, mit dem ein Auslasskanal 18 gekoppelt ist. Der Auslasskanal 18 kann mit 30 einem Auslassgebläse und einem Kamin verbunden sein.

Wie dies in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, werden die Wärmetauscherelemente 24 nach aussen hin durch eine perforierte Metallplatte oder Wand 23 und in Richtung auf die Brennkammer durch eine kreisringförmige Brennkammer-35 wandung festgehalten, die allgemein mit der Bezugsziffer 27 (Fig. 2) bezeichnet ist. Die Wandung 27 weist eine Vielzahl von Bereichen auf, die perforierte feuerfeste Ziegel 28 bzw. Blöcke einschliessen, die in gekrümmten Reihen gemäss den Fig. 2 und 3 verlegt sind. Diese gekrümmten Wandungen 27 40 sind zwischen anderen gekrümmten kreisförmigen Wandteilen 27b angeordnet, die aus Anordnungen von nicht-perforierten Ziegeln 30 bestehen, um eine durchgehende gekrümmte (zylindrische) Auskleidung für die Brennkammer 11 zu bilden.

45 Hinter den nicht-perforierten Ziegeln 30,31 und 32 befindet sich eine äussere Wand 34, die beispielsweise aus einem unter der Handelsbezeichnung «Monoblock» erhä-ltichen Isoliermaterial oder aus irgendeinem anderen im Handel erhältlichen Hochtemperatur-Isoliermaterial besteht, 50 das von einem Typ mit entweder niedriger oder hoher Dichte sein kann. Die feuerfesten Ziegel 30,31 und 32 werden von einem Metallmantel 35 umgeben und gehaltert, der ausserdem jeden Wärmetauscherabschnitt 12 umgibt.

55 Wie dies am besten aus den Fig. 2,3 und 4 zu erkennen ist, weist jeder feuerfeste Ziegel 28 eine Anzahl von radialen Kanälen bzw. Perforationen 28b auf, die es noch nicht gereinigten Ausströmungen ermöglichen, in die Brennkammer 11 einzutreten oder diese zu verlassen, um verarbeitet bzw. aus-60 gestossen zu werden. Die feuerfesten Ziegel bzw. Blöcke 28 weisen Kanäle bzw. Perforationen 28b auf, die ein Drittel des vertikalen Querschnittes des Blockes umfassen. Es wurde festgestellt, dass dieses Verhältnis es ermöglicht, den thermischen Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung in speziellen es Installationen aufrechtzuerhalten, weil kein unnötig hoher Druckabfall auftritt, während gleichzeitig eine ausreichende Strömung für eine vollständige Reinigung in der Brennkammer ermöglicht wird. Selbstverständlich kann jede

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Installation eigene Forderungen hinsichtlich der Anzahl oder Grösse der Perforationen für den Block ergeben.

Jeder Block 28 weist bei der dargestellten Ausführungsform weiterhin einen vertikalen Wulst 28a auf, der an einer Seite angeordnet ist und der mit einer entsprechenden Nut 28c zusammenpasst, die auf der entgegengesetzten Seite des benachbarten Ziegels angeordnet ist. Jeder Block weist bei der in den Fig. 2,3 und 4 gezeigten Ausführungsform einen horizontalen Querschnitt gemäss Fig. 3 auf, was die Errichtung eines bogenförmigen Wandteils 27a innerhalb jedes Wärmetauscherbettes 13 ermöglicht, so dass die gesamte Wandung 27 eine hohe Verbundfestigkeit aufweist. Die Blöcke 28 befinden sich allgemein vor der Öffnung, die durch die nicht-parallelen Wände jedes Wärmetauscherabschnittes 12 gebildet ist. Nicht-perforierte Ziegel 31 und 32 gemäss Fig. 2 bilden den Übergang zwischen den Blöcken 28 und den Ziegeln 30.

Der in den Zeichnungen gezeigte, aus perforierten feuerfesten Blöcken gestaltete Wandteil 27a ermöglicht erhebliche Kosteneinsparungen, verglichen mit einem metallischen Wandteil wie bisher üblich. Die Errichtung eines solchen Wandteils stellt lediglich eine Maureraufgabe dar und erfor-5 dert keine speziellen Stähle, keine speziellen Beilagscheiben, keine speziellen Zuganker, keine speziellen Seitenbolzen und ermöglicht die Einsparung weiterer Geräte- und Zusammenbaukosten. Der Betrieb der Wärmetauschervorrichtung ergibt weiterhin Kosteneinsparungen, weil diese Wärmetau-io schervorrichtung höheren Brennkammer-Temperaturen und deren nachteiligen Wirkungen widerstehen kann, ohne dass es erforderlich ist, sehr aufwendige Spezialstähle zu Hilfe zu nehmen, die andernfalls erforderlich sein würden. Diese Stahlwände sind in jedem Fall gegenüber einem chemischen is Angriff viel stärker empfindlich als feuerfeste Materialien, und sie können nicht die Wärmetauschereigenschaften der Wärmetauschervorrichtung verbessern, wie dies bei den erfindungsgemässen feuerfesten Materialien der Fall ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Wärmetauschervorrichtung an einer nach dem thermischen Regenerativverfahren arbeitenden Einrichtung mit einer zentral angeordneten Brennkammer (11), einer Anzahl aussen an die Brennkammer angebauter Wärmetauscherabschnitte (12) und mit den Wärmetauscherabschnitten gekoppelten Einrichtungen (8,9,14-19) zur Zuführung von ungereinigten und Ableitung von gereinigten Gasen zu bzw. von den Wärmetauscherabschnitten, gekennzeichnet durch eine die Brennkammer (11) umgebende Wandung (27) aus einer Anzahl feuerfester Blöcke (28,30,31,32), welche Wandung abwechslungsweise erste Bereiche (27a) mit perforierten Blöcken (28) und zweite Bereiche (27b) mit nicht perforierten Blöcken (30) aufweist, wobei jeder Wärmetauscherabschnitt (12) ein Wandelement (23) aufweist, das zusammen mit einem der ersten Bereiche (27a) ein Wärmetauscherelemente (24) enthaltendes Wärmetauscherbett (13) teilweise begrenzt, und ferner das Wandelement (23) mit Mitteln versehen ist, die eine Gasströmung quer durch die Wärmetauscherelemente (24) zu oder von der Brennkammer (11) ermöglichen.
2. 2. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (27) im wesentlichen kreisringförmig ist und dass die Blöcke (28) in den ersten Bereichen (27a) in horizontalen Reihen dicht zueinander verlegt sind.
3. 3. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforation der Blöcke (28) in den ersten Bereichen durch eine Anzahl Kanäle gebildet sind, die sich von der Vorderseite zur Rückseite jedes Blockes (28) erstrecken.
4. 4. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle jedes perforierten Blockes (28) 30 bis 40% von dessen Volumen bilden.
5. 5. Wärmetauschervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Block (28) in den ersten Bereichen einen Wulst (28a) auf einer Seite und eine Nut (28c) auf der anderen Seite aufweist, so dass benachbarte Blöcke (28) ineinandergreifen.
6. 6. Wärmetauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringförmige Wandung (27) eine im wesentlichen gleichmässige Stärke aufweist, dass die Stärke der Wandung (27) in den ersten Bereichen (27a) durch die bezügliche Abmessung eines einzigen Blocks (28) und dass die Stärke der Wandung (27) in den zweiten Bereichen durch mindestens zwei horizontal gegeneinander versetzte, jedoch aneinanderstossende horizontale Reihen von feuerfesten Blöcken gebildet ist.
7. 7. Wärmetauschervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus-senseite der Wärmetauscherabschnitte (12) von einem Metallmantel (35) umgeben ist.