DE3939029C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf einen Wirbel­ schicht-Wärmetauscher, insbesondere für belagbildende Flüssigkeiten, mit einem Rohrbündel aus parallelen vertikalen Wärmetauscherrohren, die endseitig an Rohrböden angeschlossen sind, mit einem Wärmetauschermantel mit Rohranschlüssen für im Eintrittskammer und einer oberen Austrittskammer mit Rohran­ schlüssen für ein durch die Wärmetauscherrohre geführtes Fluid, mit einem Rohreintrittsverschluß in der Eintrittskammer und mit Wirbelgut, das von dem aufwärtsströmenden Fluid in den Wärmetauscherrohren fluidisierbar ist und dabei eine Wirbel­ schicht bildet, wobei in der Eintrittskammer zwischen einem oberen Eintrittskammerabschnitt und einem unteren Eintritts­ kammerabschnitt ein Verteilerboden angeordnet ist, der von dem in die Eintrittskammer eintretenden Fluid mit einer die Wirbelgutsinkgeschwindigkeit übersteigenden Strömungsgeschwin­ digkeit durchströmbar ist, und wobei an die Wärmetauscherrohre Rohrverlängerungen angeschlossen sind, die in dem oberen Eintrittskammerabschnitt enden und in das während des Betriebes auf dem Verteilerboden gehaltene Wirbelgut eintauchen. - Wäh­ rend des Betriebes des Wirbelschicht-Wärmetauschers bildet der Verteilerboden eine Wirbelgutsperre, deren Sperrfunktion jedoch aufgehoben ist, sobald die Fluidströmung unterbrochen ist. Der Rohreintrittsverschluß verhindert ein Austreten des Wirbelgutes beim Abschalten des Wirbelschicht- Wärmetauschers. Die während des Wärmetauscher-Betriebes in das Wirbelgut eintauchenden Rohrverlängerungen sind erfor­ derlich, um in den Rohren eine gleichmäßige Wirbelschicht zu gewährleisten. Sie funktionieren besonders wirksam, wenn sie mit seitlichen Bypassöffnungen, die als Bohrungen oder Orgel­ pfeifenöffnungen ausgebildet sein können, ausgerüstet sind. Der Wirbelschicht-Wärmetauscher hat sich in der Praxis zur Behandlung belagbildender Flüssigkeiten bewährt. Die in den Wärmetauscherrohren enthaltene Wirbelschicht trägt zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs bei und verhindert wirksam eine Belagbildung an den Wärmetauscherflächen.

Ein Wirbelschicht-Wärmetauscher der beschriebenen Gattung ist aus der EP-PS 01 32 873 bekannt. Die Eintrittskammer ist kleinvolumig ausgebildet und so bemessen, daß der Rohrein­ trittsverschluß in der Eintrittskammer aufgenommen werden kann. Bei Betriebsunterbrechungen bildet sich infolge Sedimentation ein Wirbelgutfestbett, das in beachtlichem Maße in die Wärmetauscherrohre hineinreicht. Insbesondere bei langen Wirbelschicht-Wärmetauschern entstehen Probleme dadurch, daß das in den Wärmetauscherrohren stehende Wirbel­ gut kompaktiert und mit Flüssigkeitsinhaltsstoffen zusammen­ wächst. Er ergibt sich ein hoher Anfahrwiderstand, der bei wiedereinsetzender Fluidströmung überwunden werden muß. Nicht selten bleiben einige Wärmetauscherrohre bei wiedereinsetzen­ der Fluidstromung blockiert. Die Folge ist eine Abnahme der Wärmetauscherleistung sowie eine unerwünschte und nicht sicher beherrschbare Änderung der hydrodynamischen Verhältnisse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelschicht- Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art so auszu­ bilden, daß er ohne Leistungsminderung problemlos nach einer Betriebsunterbrechung oder einem Betriebsstillstand wieder in Betrieb genommen werden kann, und zwar auch dann, wenn er zur Behandlung belagbildender Flüssigkeiten eingesetzt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die aus dem unteren und dem oberen Eintrittskammerabschnitt zusam­ mengesetzte Eintrittskammer ein Fassungvolumen aufweist, welches das gesamte Wirbelgut während eines Betriebsstill­ standes so aufnimmt, daß sämtliche in dem oberen Eintrittskammerabschnitt endenden Rohrverlängerungen während des Betriebsstillstandes vollständig freiliegen, und daß in dem unteren, den größeren Teil des Wirbelgutes aufnehmenden Eintrittskammerabschnitt Strö­ mungseinbauten zum Wirbelguttransport in Form eines vertika­ len, endseitig offenen Zylinders angeordnet sind, wobei das in dem unteren Eintrittskammerabschnitt enthaltene Wirbelgut bei einsetzender Fluidströmung in den Bereich oberhalb des Verteilerbodens überführbar ist. - Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß beim Abschalten eines insbeson­ dere für belagbildende Flüssigkeiten eingesetzten Wirbel­ schicht-Wärmetauschers sorgfältig darauf geachtet werden muß, daß in den Wärmetauscherrohren kein Wirbelgutfestbett infolge Sedimentation gebildet wird, da dieses kompaktiert und mit Flüssigkeitsinhaltsstoffen zusammenwächst. Das führt zu der Überlegung, die Eintrittskammer so zu dimensionieren, daß das gesamte sedimentierende Wirbelgut in der Eintritts­ kammer Platz findet. Allein diese Maßnahme führt jedoch zu keinem brauchbaren Ergebnis. Werden keine zusätzlichen Maß­ nahmen getroffen, so stellt sich in der gesamten Ein­ trittskammer eine annähernd gleiche Wirbelgutverteilung ein.

Das während des Wärmetauscherbetriebes in der Eintrittskam­ mer enthaltene Wirbelgut trägt zum Wärmeübergang oder zu den Abreinigungsvorgängen an den Wärmetauscherrohren nicht bei.

Es verursacht einen zusätzlichen Druckverlust und erhöht in beachtlichem Maße den Anfahrwiderstand, wenn nach einem Betriebsstillstand oder einer Betriebsunterbrechung die Fluid­ strömung wieder einsetzt. Schließlich resultieren höhere Investitionskosten für das zusätzlich einzusetzende Wirbelgut. Überraschenderweise lassen sich die beschriebenen Probleme dadurch beseitigen, daß erfindungsgemäß in der Eintrittskammer unterhalb des Verteilerbodens Strömungseinbauten zum Wirbel­ guttransport angeordnet sind. Durch strömungstechnische Maß­ nahmen, die das Fassungsvolumen der Eintrittskammer kaum be­ einträchtigen, gelingt es auf einfache Weise, mit Hilfe der einsetzenden Fluidströmung das in dem unteren Eintrittskammer­ abschnitt sedimentierte Wirbelgut in den Eintrittskammerbe­ reich oberhalb des Verteilerbodens zu überführen. Es versteht sich, daß der untere Eintrittskammerabschnitt regelmäßig ein wesentlich größeres Fassungsvermögen aufweist als der obere Eintrittskammerabschnitt. Im Ergebnis kann trotz groß dimen­ sionierter Eintrittskammer mit einer Wirbelgutmenge gearbeitet werden, die sich gegenüber dem Stand der Technik nicht unter­ scheidet.

Die erfindungsgemäße Lehre kann sowohl bei einem Wirbel­ schicht-Wärmetauscher mit in den Wärmetauscherrohren stehender Wirbelschicht als auch bei einem Wirbelschicht- Wärmetauscher mit zirkulierender Wirbelschicht verwendet werden. Das Rohrbündel eines für eine zirkulierende Wirbel­ schicht eingerichteten Wärmetauschers weist in bekannter Weise zusätzlich zu den Rohren zumindest ein Wirbelgutrück­ führrohr mit einer in die Eintrittskammer ragenden Rückführ­ rohrverlängerung auf. Die Rückführrohrverlängerung ist länger ausgebildet, als die Rohrverlängerungen der als Steigrohre arbeitenden Wärmetauscherrohre. Arbeitet man mit einer zirku­ lierenden Wirbelschicht, so lehrt die Erfindung, daß die Rückführrohrverlängerungen ebenfalls in dem oberen Ein­ trittskammerabschnitt enden und während des Betriebsstill­ standes vollständig freiliegen. Im übrigen ist der Wärmeaus­ tauscher in der vorstehend beschriebenen Weise ausgerüstet.

Die Strömungseinbauten unterhalb des Verteilerbodens sol­ len das Fassungsvolumen der Eintrittskammer nicht wesentlich beeinträchtigen, und sie müssen andererseits bei ein­ setzender Fluidströmung Strömungsverhältnisse in der Ein­ trittskammer erzeugen, die das Wirbelgutfestbett auflockern und das Wirbelgut möglichst vollständig in den Ein­ trittskammerbereich oberhalb des Verteilerbodens überführen. Ferner soll der zusätzliche Druckverlust durch die Strömungseinbauten klein sein. Ein vertikaler, endseitig offener Zylinder, der nach Art einer Mammutströmung um­ strömbar ist, erfüllt diese Anforderungen. Dabei wird die Außenfläche des Zylinders von einer nach oben gerichteten Strömung überströmt, welche das Wirbelgut mitführt und durch den Verteilerboden hindurch in den Eintrittskammerbereich oberhalb der Wirbelgutsperre transportiert. Innerhalb des Zylinders tritt eine nach unten gerichtete Strömung auf, die den Austrag des Wirbelgutes an der unteren Stirnseite des Zylinders unterstützt. Die austretenden Wir­ belgutpartikel werden von der äußeren, nach oben gerichte­ ten Strömung erfaßt und mitgerissen. Der Zylinder ist mit Abstand zum Verteilerboden angeordnet. Dadurch wird er­ reicht, daß der Verteilerboden auf der gesamten Querschnitts­ fläche im wesentlichen gleichmäßig von der das Wirbelgut transportierenden Fluidströmung durchströmt wird. Der ge­ eignete Abstand ist anhand weniger Versuche auffindbar. Über­ raschenderweise kann mit einem kleinen Abstand gearbeitet werden. Auch bei großen Eintrittskammerquerschnitten von mehr als 1 m Durchmesser ist ein Abstand von weniger als 200 mm zwischen dem Zylinder und dem Verteilerboden ausreichend. Eine weitere Verbesserung des Wirbelguttransportes läßt sich da­ dadurch erreichen, daß der Rohreintrittsverschluß als kegel­ förmige Haube ausgebildet ist, wobei die Neigung des Kegel­ mantels größer ist als der Schuttwinkel des Wirbelguts im ruhenden Fluid.

Die Vorteile der Erfindung sind zunächst darin zu sehen, daß eine Blockierung von Wärmetauscherrohren während eines Be­ triebsstillstandes oder einer kurzzeitigen Betriebsunterbre­ chung sicher ausgeschlossen wird. Das trägt dazu bei, daß sich in dem Wirbelschicht-Wärmetauscher stabile hydrodynamische Verhältnisse einstellen. Eine Abnahme der Wärmetauscher­ leistung, die auf ein Blockieren von Wärmetauscherrohren zurückzuführen ist, tritt ebenfalls nicht mehr auf. Dadurch ist eine problemlose Anwendung des Wirbelschicht-Wärme­ tauschers für belagbildende Flüssigkeiten, insbesondere auch belagbildende Abwässer, gewährleistet, und zwar auch dann, wenn der Wärmetauscher ein Rohrbündel großer Länge enthält. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Ver­ besserung in funktionsmäßiger Hinsicht auf konstruktiv ein­ fache Weise erreicht wird und zusätzliche Steuerungseinrich­ tungen nicht erforderlich sind. Für die Praxis ist von be­ sonderem Vorteil, daß bestehende Wirbelschicht-Wärmeaus­ tauscher entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre ohne wei­ teres nachgerüstet werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher er­ läutert. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Wirbelschicht-Wärmetauscher in einer Ausführungsform mit zirkulierender Wirbelschicht. Der in der Figur dargestellte Wirbelschicht-Wärmetauscher ist für die Behandlung belagbildender Flüssigkeiten bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören ein Rohrbündel 1, ein-Wär­ metauschermantel 2, eine untere Eintrittskammer 3 sowie eine obere Austrittskammer 4, ein Rohreintrittsverschluß 5 und Wirbelgut 6. Das Rohrbündel 1 besteht aus endseitig an Rohr­ böden 7 angeschlossenen, parallelen vertikalen Wärmetauscher­ rohren 8 und Wirbelgutrückführrohren 9. Der Wärmetauscherman­ tel 2 ist mit Rohranschlüssen 10 für ein im Mantelraum ge­ führtes Heiz- oder Kühlmedium ausgerüstet. Die belagbildende Flüssigkeit wird durch die Wärmetauscherrohre 8 hindurchge­ führt. An der Eintrittskammer 3 und der Austrittskammer 4 er­ kennt man entsprechende Rohranschlüsse 11 für die Flüssig­ keit. Der in der Eintrittskammer 3 angeordnete Rohreintritts­ verschluß 5 ist als kegelförmige Haube ausgebildet und ver­ hindert den Austritt von Wirbelgut 6, wenn die Flüssigkeits­ durchströmung abgeschaltet wird und das Wirbelgut sedimen­ tiert. Die Flüssigkeit tritt aus einem zwischen dem Rohran­ schluß und der kegelförmigen Haube gebildeten umlaufenden Ringspalt 12 aus. Das Wirbelgut 6 ist von der aufwärtsströ­ menden Flüssigkeit in den Wärmetauscherrohren fluidisierbar und bildet dabei eine Wirbelschicht, die einerseits den Wärmeübergang verbessert und andererseits eine Belagbildung an den Wärmetauscherflächen durch mechanischen Abrieb verhindert. Das Wirbelgut 6 besteht aus inerten Feststoffteilchen. Aus Kostengründen kommt vor allem Quarzsand in Betracht. In der Eintrittskammer 3 ist ein Verteilerboden 13 angeordnet, der im Ausführungsbeispiel als Lochboden ausgebildet ist und von der in die Eintrittskammer 3 eintretenden Flüssigkeit mit einer die Wirbelgutsinkgeschwindigkeit übersteigenden Strömungsge­ schwindigkeit durchströmbar ist. Während des Betriebes des Wärmetauschers bildet der Verteilerboden 13 eine Wir­ belgutsperre. Man entnimmt der Figur, daß an die Wärme­ tauscherrohre 8 Rohrverlängerungen 14 angeschlossen sind, die oberhalb des eine Wirbelgutsperre bildenden Verteilerbodens 13 enden und während des Wärmetauscherbetriebes in das auf dem Verteilerboden 13 gehaltene Wirbelgut 6 eintauchen. Sie sind mit seitlichen Bypassöffnungen, die zur Wirbelschichtstabili­ sierung beitragen, ausgerüstet. An die Wirbelgutrückführrohre 9 sind ebenfalls in die Eintrittskammer 3 ragende Rückführ­ rohrverlängerungen 15 angeschlossen. Auch die Rückführrohrver­ längerungen 15, die stets mit größerer Länge als die Rohrver­ längerungen 14 ausgebildet sind, enden oberhalb des Verteiler­ bodens 13.

Die Figur zeigt den Wirbelschicht-Wärmetauscher während des Wärmetauscherbetriebes mit zirkulierender Wirbelschicht. Während eines Betriebsstillstandes, das heißt wenn die Flüs­ sigkeitszuführung abgesperrt wird, sedimentiert das im Wärme­ tauscher eingesetzte Wirbelgut 6 und bildet in der Ein­ trittskammer 3 ein Wirbelgutfestbett. Der Figur entnimmt man, daß die Eintrittskammer 3 ein Fassungsvolumen aufweist, welches das gesamte Wirbelgut 6 während eines Betriebsstill­ standes aufnimmt. Das Fassungsvolumen ist so bemessen, daß die Rohrverlängerungen 14 und auch die Rückführrohrverlänge­ rungen 15 während des Betriebsstillstandes vollständig frei­ liegen. Man erkennt ferner, daß in dem von dem Verteiler­ boden 13 oberseitig begrenzten unteren Eintrittskammerab­ schnitt 19 Strömungseinbauten 16 zum Wirbelguttransport angeordnet sind. Bei einsetzender Fluidströmung erzeugen diese Strömungseinbauten 16 Strömungsverhältnisse, durch die das Wirbelgut 6 in den Eintrittskammerabschnitt 17 ober­ halb des Verteilerbodens 13 überführbar ist. Sobald die Rohrverlängerungen 14 in das Wirbelgut 6 eintauchen, stellen Folge, daß sich eine gleichmäßige Wirbelschicht in den Wärmetauscherrohren 8 bildet. Die Strömungseinbauten 16 bestehen aus einem vertikalen endseitig offenen Zylinder 18, ses 5 austretenden Flüssigkeit außenseitig überströmt wird, wobei das Wirbelgut 6 mitgerissen wird. Innerhalb des Zy­ linders 18 entsteht eine nach unten gerichtete Strömung, die den Austrag von Wirbelgut 6 an der unteren Stirnseite des Zylinders 18 fördert. Im Ergebnis stellt sich eine Strömungsführung nach Art einer Mammutströmung ein, durch die das durch Sedimentation gebildete Wirbelgutfestbett aufgelockert und das in dem unteren Eintrittskammerabschnitt 19 enthaltene Wirbelgut 6 rasch in den Eintrittskammerab­ schnitt 17 oberhalb des Verteilerbodens 13 überführbar ist. Die Anordnung und Ausgestaltung des Rohreintritts­ verschlusses 5 unterstützt den Wirbelguttransport. Der Rohreintrittsverschluß 5 ist als kegelförmige Haube ausge­ bildet, wobei die Neigung α des Kegelmantels größer ist als der Schüttwinkel des Wirbelguts 6 im ruhenden Fluid. Bei ordnungsgemäßer Dimensionierung des Kegelwinkels trägt der kegelförmige Rohreintrittsverschluß zu einem problemlosen Einschleusen des Wirbelguts 6 in die nach oben gerichtete Fluidströmung bei der Inbetriebnahme des Wärmetauschers wesentlich bei. Ein besonders wirksamer Wirbelguttransport resultiert insbesondere dann, wenn der kegelförmige Rohrein­ trittsverschluß 5 zentrisch zu dem Zylinder 18 angeordnet ist. Der zwischen dem Zylinder 18 und dem kegelförmigen Rohrein­ trittsverschluß 5 zweckmäßigerweise einzuhaltende Abstand kann anhand weniger Versuche ermittelt werden.

Bei dem in der Figur dargestellten Wirbelschicht-Wärme­ tauscher ist eine zirkulierende Wirbelschicht verwirklicht. Bei der zirkulierenden Wirbelschicht wird ein aus den Wärme­ tauscherrohren 8 austretender Uberlauf von Wirbelgut durch das Wirbelgutrückführrohr 9 in die Eintrittskammer 3 zurückge­ führt. Es versteht sich, daß bei größeren Wirbelschicht-Wärme­ tauschern im allgemeinen eine Mehrzahl von Wirbelgutrück­ führrohren 9 vorgesehen sind. Wenngleich Wirbelschicht-Wärme­ tauscher mit einer zirkulierenden Wirbelschicht bevorzugt werden, kann auch ein Wirbelschicht-Wärmetauscher in einer Ausführungsform mit stehender Wirbelschicht erfindungsgemäß ausgerüstet werden. Wirbelschicht-Wärmetauscher mit stehen­ der Wirbelschicht unterscheiden sich von dem im Ausführungs­ beispiel erläuterten Wärmetauscher dadurch, daß ein Wirbel­ gutrückführrohr nicht vorhanden ist und das Rohrbündel 1 le­ diglich aus Wärmetauscherrohren 8 aufgebaut ist.

Claims (3)

1. Wirbelschicht-Wärmetauscher, insbesondere für belagbil­ dende Flüssigkeiten, - mit
einem Rohrbündel aus parallelen vertikalen Wärme­ tauscherrohren, die endseitig an Rohrböden angeschlos­ sen sind,
einem Wärmetauschermantel mit Rohranschlüssen für im Mantelraum geführtes Heiz- oder Kühlmedium,
einer unteren Eintrittskammer und einer oberen Aus­ trittskammer mit Rohranschlüssen für ein durch die Wärmetauscherrohre geführtes Fluid,
einem Rohreintrittsverschluß in der Eintrittskammer und
Wirbelgut, das von dem aufwärtsströmenden Fluid in den Wärmetauscherrohren fluidisierbar ist und dabei eine Wirbelschicht bildet,
wobei in der Eintrittskammer zwischen einem oberen Eintritts­ kammerabschnitt und einem unteren Eintrittskammerabschnitt ein Verteilerboden angeordnet ist, der von dem in die Eintritts­ kammer eintretenden Fluid mit einer die Wirbelgutsinkgeschwin­ digkeit übersteigenden Strömungsgeschwindigkeit durchströmbar ist, und wobei an die Wärmetauscherrohre Rohrverlängerungen angeschlossen sind, die in dem oberen Eintrittskammerab­ schnitt enden und in das während des Betriebes auf dem Ver­ teilerböden gehaltene Wirbelgut eintauchen, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem unteren und dem oberen Eintrittskammerabschnitt zusammengesetzte Eintritts­ kammer (3) ein Fassungsvolumen aufweist, welches das gesamte Wirbelgut (6) während eines Betriebsstillstandes so aufnimmt, daß sämtliche in dem oberen Eintrittskammerabschnitt (17) endenden Rohrverlängerungen (14, 15) während des Betriebsstillstandes vollständig freiliegen, und daß in dem unteren, den größeren Teil des Wirbelgutes aufneh­ menden Eintrittskammerabschnitt (19) Strömungseinbauten (16) zum Wirbelguttransport in Form eines vertikalen, endseitig offenen Zylinders (18) angeordnet sind, wobei das in dem unteren Eintrittskammerabschnitt (19) enthaltene Wirbelgut bei einsetzender Fluidströmung in den Bereich oberhalb des Verteilerbodens (13) überführbar ist.

2. Wirbelschicht-Wärmetauscher nach Anspruch 1 in einer Ausführungsform für eine zirkulierende Wirbelschicht, wobei das Rohrbündel zusätzlich zumindest ein Wirbelgut-Rückführrohr mit einer in die Eintrittskammer ragenden Rückführrohrver­ längerung (15) ebenfalls in dem oberen Eintrittskammerabschnitt (17) während des Betriebsstillstandes vollständig freiliegend, endet.

3. Wirbelschicht-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohreintrittsver­ schluß (5) als kegelförmige Haube ausgebildet ist und daß die Neigung (α) des Kegelmantels größer ist als der Schüttwinkel des Wirbelguts (6) im ruhenden Fluid.