NL8003247A - Geisoleerd huis voor een keramische warmte-recuperator en het hiermee samenhangende samenstel. - Google Patents

Description

I 4

Geïsoleerd huis voor een keramische warmte-recuperator en het hiermee samenhangende samenstel

De uitvinding heeft betrekking op een huis voor een industriële warmte-recuperator en meer in het bijzonder op een recuperatorsamenstel van een keramische dwarsstroom-warmterecupe-rator in een dergelijk huis, die voor stookovens en andere ovens 5 en voor voorverwarmers wordt gebruikt.

Een keramische recuperator voor het terugwinnen van industriële afvalwarmte bezit verschillende voordelen ten opzichte van een klassieke metalen recuperator. Keramisch materiaal bezit bijvoorbeeld in het algemeen een hoge corrosieweerstand, als-10 mede een hoge mechanische sterkte bij hogere temperaturen een lage warmte-uitzettingscoefficient (TEC) en een goede bestendigheid tegen warmteschokken, zodat dit materiaal dus een uitstekende bestendigheid bij het ondergaan van warmte-cyclussen vertoont; alsmede een lichtgewicht bezit (ongeveer 1/3 van het gewicht van roestvast staal); 15 en met betrekking tot de kostprijs concurrerend met legeringen voor hoge temperatuur is. Verder zijn keramische recuperatoren in een grote verscheidenheid aan vormen, afmetingen, hydraulische diameters, (de hydraulische diameter is een maat van de grootte van de doorsnede gedeeld door de bevochtigde omtrek) en samenstellingen beschikbaar.

20 Om een dergelijke keramische recuperator met de constructie van een bestaande stookoven, andere oven of voorverwarmer te kunnen verenigen, zijn speciale huizen hiervoor ontworpen.

Uit het Amerikaanse octrooischrift 4.083.400 ten name van aanvrager is een keramische dwarsstroom-recuperatorkern bekend, 25 die in een metalen huis is opgenomen, dat zodanig is uitgevoerd dat dit aan de achterkant aan de metalen bevestigingen van bestaande stookovens, andere ovens en voorverwarmers kan worden bevestigd. Door isolatie- en veerkrachtige afdichtlagen tussen de kern en het huis worden de door het metalen huis plaatsvindende warmteverliezen tot 800 32 47 2 een minimum teruggebracht en wordt het weglekken van warmte-over-dragende fluida, zoals uittredende rookgassen en intredende verbrandingslucht langs de kern voorkomen.

In de op 16 oktober 1978 ingediende Amerikaanse 5 octrooiaanvrage Serial Number 951.438 ten name van aanvrager wordt een huis voor een keramische stroomrecuperator beschreven, dat uit twee paren tegenover elkaar geplaatste en van openingen voorziene platen bestaat, en verder uit middelen om de platen in stevige aanraking met de inlaat- en uitlaatvlakken van de keramische recuperator 10 te houden. Deze platen en de keramische vlakken kunnen op gemakkelijke wijze machinaal worden bewerkt, zodat de platte oppervlakken ervan aan nauwe toleranties voldoen teneinde een optimaal afdichtingscontact te verkrijgen, waardoor het mogelijk is om het lekken van gassen langs de keramische-metalen afdichting tot een minimum terug te 15 brengen. Op korte afstand vanaf de buitenvlakken van de platen tegenover de contactvlakken strekken zich de metalen leidingen uit, die zodanig zijn uitgevoerd dat deze met leidingen voor het warmte-overdrachtfluidum kunnen worden verbonden.

In de beide boven aangehaalde ontwerpen zijn de 20 leidinggedeelten in hoofdzaak schuin toelopend naar binnen in een richting uitgevoerd, die van het huis af naar het verbindingspunt met de uitwendige fluidumleidingen toe is gelicht, teneinde te bereiken dat deze gedeelten in vergelijking met de keramische recuperator-vlakken met de iets kleinere doorsnede van dergelijke leidingen kunnen 25 samenvallen. Voor een dergelijk schuin toelopen wordt een groter oppervlak van de leidingswand vereist dan bij een cilindrisch ontwerp, hetgeen dientengevolge Int een groter warmteverlies door de wand heen leidt.

Volgens de uitvinding wordt een metalen huis voor 30 een keramische recuperator verschaft, dat minstens drie leidingsgedeel-ten bezit, die zich vanaf de buitenvlakken van het huis op zodanige wijze uitstrelg^1 dat deze een verbinding tussen de keramische recupe-ratorwerkvlakken en de uitwendige fluidumleidingen kunnen vormen, waarbij minstens de twee in de nabijheid van de hete werkvlakken van 35 de keramische recuperatorkem verlopende leidinggedeelten door middel 800 32 47 t -» 3 van keramische lagen zijn geïsoleerd, die in aanraking met de binnenvlakken van deze leidinggedeelten verkeren.

Volgens een bij voorkeur toegepaste uitvoeringsvorm heeft de grootste doorsnede van tenminste één geïsoleerd leidingge-5 deelte minstens een afmeting, die groter is dan het vlak van het huis waaruit dit leidinggedeelte uitsteekt, zodat op deze wijze een • aanzienlijke dikte van de isolatie kan worden toegepast zonder dat hierdoor op nadelige wijze de stroom door het hete vlak van de keramische recuperator wordt beperkt.

10 Volgens een andere bijjvooikeur toegepaste uitvoe ringsvorm is de keramische isolatielaag schuin lopend naar binnen naar het betreffende vlak van het huis uitgevoerd teneinde een maximale stroom langs het hete vlak van de keramische recuperator mogelijk te maken en toch een maximale dikte van de bekleding aan het 15 dunne einde van het leidinggedeelte te kunnen handhaven.

Van het recuperatorsamenstel volgens de uitvinding kan bijvoorbeeld op nuttige wijze gebruik worden gemaakt om intredende verwarmings- of verbrandingslucht en/of brandstof voor te verwarmen, waardoor het nuttig effect van bestaande stookovens, andere 20 ovens en voorverwarmers van verschillende typen en afmetingen wordt verhoogd.

De uitvinding zal thans aan de hand van de figuren nader worden toegelicht.

Figuur 1 geeft een perspectivisch aanzicht van een 25 uitvoeringsvorm van de warmterecuperatie-inrichting volgens de uitvinding weer, waarin de keramische recuperatorkem met een huis in de samengestelde toestand zijn afgebeeld; figuur 2 geeft een doorsnede van het samenstel volgens figuur 1; 30 figuur 3 geeft een perspectivisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een keramische dwarsstroom-warmterecuperatiekern van de inrichting volgens figuur 1 weer; en figuur 4 geeft een perspectivisch en gedeeltelijk weggesneden aanzicht van een gedeelte van een inrichting weer, die soort-35 gelijk is als die volgens figuur 1 behalve dat de bouten door een 800 32 47 4 keramische isolatielaag zijn bedekt.

In figuur 1 is in perspectief een uitvoeringsvorm van het recuperatorsamenstel 10 volgens de uitvinding afgebeeld, dat uit een centrale kern 11 van een keramische dwarsstroomrecuperator 5 is samengesteld, die een eerste en tweede paar tegenover elkaar gelegen vlakken bezit, waardoor de celopeningen voor de doorgang in onderlinge dwarsrichtingen van een eerste en een tweede warmte-overdrachtsfluidum worden bepaald, waarbij gedurende deze doorgang door de cellen warmte van het eerste fluidum aan het tweede fluidum 10 wordt overgedragen, en elk paar vlakken tijdens bedrijf uit een heet vlak en een koud vlak bestaat, terwijl door het hete vlak van het eerste paar het inlaatvlak voor het eerste fluidum wordt gevormd, en door het hete vlak van het tweede paar het uitlaatvlak voor het tweede fluidum wordt gevormd. De recuperatorkern wordt dus door de door-15 gang van hete uitlaatgassen door onderling elkaar afwisselende lagen, ervan verwarmd, waarbij de intredende koude lucht of de brandstof weer door de kern wordt voorverwarmd als deze in dwarsrichting door de elkaar onderling afwisselende lagen van de kern heen stroom.

Een dergelijke constructie waarin van ribben voorziene platen zodanig 20 op elkaar zijn gestapeld, dat deze ribben afwisselend dwars ten opzichte van elkaar verlopen, is beschreven in de op 1 september 1978 ingediende Amerikaanse octrooiaanvrage Serial Number 939.094 ten name van aanvrager. Bepaalde als voorbeeld dienende keramische materialen, die voor het vervaardigen van keramische recuperatoren kun-25 nen worden gebruikt, worden door mulliet, zirkoon, magnesium, aluminiumsilicaat, porcelein, aluminiumoxyde en siliciumnitride gevormd. Het metalen huis 13 bestaat uit twee paren tegenover elkaar geplaatste en van openingen voorziene platen 13a en 13b en 13c en 13d. Deze paren worden door middel van een aantal lange bouten 14 en 30 moeren 15 in stevige aanraking met de vlakken van de keramische kern 11 gehouden. De bouten lopen dichtbij de twee dichte vlakken (waarvan 11a is afgebeeld) door de kern 11 heen..De resterende vier vlakken van de kern 11 bevatten de openingen van de door de ribben gevormde cellen en 'zullen als de werkvlakken worden aangeduid (waar-35 van in figuur 3 11b en 11c zijn afgebeeld). De toegang tot deze vlak- 800 32 47 4- * 5 ken vindt door schuin toelopende en van flenzen voorziene leidingen 13e, 13f en 13g plaats en door de alleen van flenzen voorziene leiding 13h in de platen 13a, 13b, 13d respectievelijk 13c.

Het metalen huis 13 kan uit gietstukken zijn opge-5 bouwd, of uit machinaal bewerkte en/of aan elkaar gelaste onderdelen, en bestaat bij toepassingen waarbij corrosie kan optreden en een uitwendige temperatuur van het huis boven 30Q°C uit corrosie bestendig metaal zoals roestvast staal.

In figuur 2 is een doorsnede van het samenstel vol-10 gens figuur 1 afgeheeld, waaruit blijkt dat de schuin toelopende en van flenzen voorziene leidingen 13f en 13g, en de alleen van flenzen voorziene leiding 13a met keramische isolatielagen 17, 18 respectievelijk 19 zijn bekleed. Tijdens het bedrijf zullen rook- o gassen met een betrekkelijk hoge temperatuur zoals bijvoorbeeld 1316 C 15 door de van flenzen voorziene leiding 13h in de recuperator intreden, alsmede de keramische wanden verwarmen en weer door de schuin toelopende leiding 13g naar buiten treden. Door de isolatielaag 8 in de leiding 13g wordt de temperatuur van het buitenvlak van de leiding 13g op een betrekkelijk lage waarde gehouden zoals bijvoorbeeld onge-20 veer 204°C. Door een dergelijke constructie is het mogelijk om deze samenstellen in de nabijheid van plaatsen aan te brengen, waar voetgangers verkeren, zonder dat ongewilde risico's voor de veiligheid ontstaan tengevolge van ongewilde aanrakingen hiermee.

Uit de figuur blijkt dat de platen 13c en 13d 25 enigszins te grote afmetingen hebben, zodat deze voorbij de randen van de kern 11 en de platen 13a en 13b naar buiten uitsteken. Verder zijn de leidingen 13g en 13h nabij de buitenranden van de platen 13c en 13d hiermee verenigd teneinde keramisch isolatiemateriaal van aanzienlijke dikte te kunnen opnemen zonder dat de toegangsopening tot 30 de vlakken van de kern 11 hierdoor op onbedoelde wijze te klein zou worden. Uit figuur 1 blijkt, dat de zijden 131 en 133 van de leiding 13g nabij de buitenranden van de van een opening voorziene plaat 13d, hiermee zijn verbonden, en dat de hieraan grenzende zijdei 132 en 134 op een korte afstand vanaf de randen van deze plaat hiermee zijn 35 verbonden. Een dergelijke maatregel is nodig teneinde de bouten 14 800 32 47 6 en moeren 15 dichtbij de zijde*132 en 134 te kunnen opnemen. Doch uit figuur 1 blijkt ook, dat de plaat 13d voorbij de randen van de kern 11 naar buiten kan uitsteken teneinde te bereiken dat hierdoor keramisch isolatiemateriaal van aanzienlijke dikte kan worden opge-5 nomen zonder dat de toegangsopening hierdoor op onbedoelde wijze wordt beperkt.

Het zal duidelijk zijn dat de boven gegeven toelichting evenzo voor de constructie van de plaat 13c en de leiding 13h opgaat.

10 Voorts blijkt uit figuur 1 dat de intredende ver brandingslucht door de leiding 13e naar binnentreedt, door de kern 11 stroomt waarin hierdoor de in de keramische celwanden opgeslagen warmte wordt opgenomen, en tenslotte door de leiding 13f weer naar buiten treedt. Om te bereiken dat er een zo klein mogelijk verlies 15 van de opgenomen warmte naar de metalen leiding 13f optreedt, is het binnenvlak hiervan door middel van een keramische isolatielaag 17 bekleed. De overgang van de leiding 13f met de plaat 13b is soortgelijk als die van de leiding 13g met de plaat 13d en van de leiding 13h met de plaat 13c. Dit wil zeggen dat de betreffende leiding 20 nabij de buitenrand ervan en aangrenzend aan de betreffende platen 13c en 13d hiermee is verbonden, doch in de dwarsrichting op een bepaalde afstand van de buitenrand van de platen teneinde de bouten 14 te kunnen opnemen. Doch door het uitsteken van de platen 13c en 13d voorbij de rand van de plaat 13b wordt een soortgelijk uitstéken 25 van de plaat 13b naar buiten belet. Om de toegang tot de kern 11 dan ook zo groot mogelijk te maken, is de keramische isolatielaag 17 schuin toelopend met een afnemende dikte in de richting van de kern 11 uitgevoerd.

Zoals in figuur 3 is afgebeeld bezit de kern 11 een 30 uitwendig uit cellen (waarvan 111 en 112 zijn afgebeeld) bestaand grensvlak van elk werkvlak (waarvan 11b en 11c zijn afgebeeld), dat met een keramisch bindmiddel is afgedicht teneinde het weglekken van warmte-overdrachtsfluida tot een minimum te beperken en verdere isolatie tegen warmteverliezen te verschaffen. Bovendien zijn, zoals 35 uit figuur 2 blijkt, dunne lagen van een afdichtingsmiddel zoals bij- 800 32 47 • * 7 voorbeeld een keramisch bindmiddel 20a, 20b, 20c en 20d op de contactplaatsen tussen de kern en de platen van het huis aangebracht om een verdere afdichting te verkrijgen.

Uit figuur 1 blijkt voorts, dat lagen keramisch 5 isolatiemateriaal 16 op de dichte vlakken (waarvan 11a is afgebeeld) van de kern 11 achter de bouten 14 zijn aangebracht, teneinde het 'warmteverlies van deze overigens vrij toegankelijke vlakken tot een minimum te beperken. Bij een andere in figuur 4 afgebeelde uitvoeringsvorm zijn de bouten 14 door middel van een dikke isolatielaag 10 16 uit een vormbare keramische samenstelling omhuld. Als voorbeeld dienenxde keramische vormbare samenstellingen, die voor het vormen van de in deze beschrijving beschreven isolatielagen kunnen worden toegepast, bestaan uit produkten van de firma Carborundum Co., die door de handelsnamen Fiberfrax en LSD Moldable worden aangeduid.

15 Dergelijke vormbare samenstellingen bestaan als basis meestal uit vezeldoek van een hoeveelheid tot een bepaalde lengte afgehakte mullietvezels 2 SiO^), die met vloeibare cement zijn ge mengd zoals bijvoorbeeld één of meer dan één alkalimetaalsilicaat.

Andere leveranciers van dergelijke samenstellingen zijn Johns-Manville 20 en Babcock & Wilcox. Behalve dat dergelijke isolatielagen uit een vormbare samenstelling worden vervaardigd, kunnen deze ook als van tevoren gegoten inzetbare delen worden uitgevoerd, of ter plaatse zelf worden gegoten. De lagen 17 en 18 lenen zich in het bijzonder goed om als van te voren gegoten inzetbare delen te worden 25 uitgevoerd, terwijl de afgedichte grensvlakken 111 en 112 van de kern 11 ter plaatse kunnen worden gegoten.

Doelmatige materialen voor het vervaardigen van gegoten keramische inzetbare delen 11 voor het gieten op de plaats zelf bestaan uit gietbare samenstellingen van aluminiumoxyde, zir-30 koon, mulliet en zirkoonoxyde. Als voorbeeld dienende gietbare samenstellingen bezitten twee bepaalde verdelingen van de deeltjesafmetingen, namelijk een zeer ruw bereik, dat op kenmerkende wijze door de maasgrootten van 6 tot 10 wordt bepaald, en een zeer fijn bereik, dat zich op kenmerkende wijze van 325 mazen tot minder dan 1 micron 35 uitstrekt, waarbij 50 tot 75 gew.% uit ruwe deeltjes bestaat en de 800 32 47 8 rest uit fijne deeltjes. Het verharden wordt door het verlies aan hydraatwater bewerkstelligd. Andere gietbare samenstellingen worden door een stelsel met slechts één enkele verdeling van de deeltjesgrootte gevormd, en berusten op kenmerkende wijze op een fosfaat 5 voor het verharden.

De bovenbeschreven warmte-recuperatie-inrichting, waarbij van een keramische recuperatie-dwarsstroomkern wordt gebruik gemaakt kan op nuttige wijze voor een grote verscheidenheid aan industriële verwarmingsinrichtingen worden toegepast, zoals stook-10 ovens, gewone ovens, gloei-ovens en voorverwarmers, waarbij het gewenst is om voor verbrandingsdoeleinden de afvalwarmteverliezen weer terug te winnen en dergelijke afvalwarmte voor het voorverwarmen van de intredende lucht en/of de brandstof voor het verbrandingsproces toe te passen. Door een dergelijke warmte-recuperatie-inrichting 15 aan de achterzijde van bestaande stookovens enz., te bevestigen kan een aanzienlijke besparing van brandstof worden verkregen.

800 32 47

Claims (15)

1. Warmte-recuperatorsamenstel dat is samengesteld uit een door een keramische dwarsstroomrecuperator gevormde kern met een eerste en tweede paar tegenover elkaar gelegen vlakken, 5 waardoor celopeningen voor de doorvoer in onderlinge dwarsrichtingen ten opzichte van elkaar van een eerste en tweede warmte-overdrachts-fluidum worden bepaald, waarbij door het eerste fluïdum gedurende de doorvoer door de cellen op zodanige wijze warmte aan het tweede fluidum wordt overgedragen, dat elk paar vlakken tijdens het bedrijf 10 een heet vlak en een koud vlak bezit, waarbij door het hete vlak van het eerste paar het inlaatvlak voor het eerste fluidum wordt gevormd, en door het hete vlak van het tweede paar het uitlaatvlak voor het tweede fluidum; en uit een metalen huis, waardoor de kern wordt omgeven, waarbij dit huis in de nabijheid van de werkvlakken van de kern 15 van vlakken met een opening is voorzien, en van minstens drie lei-dingsgedeelten, die vanaf de vlakken van het huis naar buiten uitsteken en dienst doen om een verbinding tussen de kernvlakken en de uitwendige fluidumleidingen te vormen, met het kenmerk, dat het samenstel voorts middelen bevat om minstens één van de leidinggedeelten 20 thermisch te isoleren.

2. Samenstel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat minstens één afmeting van de grootste doorsnede van tenminste één van de geïsoleerde leidinggedeelten groter is dan de opening van het vlak van het huis, waarvan dit gedeelte naar buiten uitsteekt, ten- 25 einde isolatiemiddelen van aanzienlijke dikte te kunnen opnemen zonder dat de omvang van de warmte-overdrachtfluidumstroom op onbedoelde wijze wordt beperkt.

3. Samenstel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de isolatiemiddelen uit een laag keramisch materiaal bestaat, 30 die over nagenoeg het gehele oppervlak in aanraking met het binnenvlak van het leidinggedeelte verkeert.

4. Samenstel volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat minstens één keramische laag een afnemende dikte in een naar het vlak van het huis toegekeerde richting vertoont, zodat op deze wijze 35 in een van het vlak van het huis afgekeerde richting een keramische 800 32 47 laag met aanzienlijke dikte kan worden opgenomen zonder dat de omvang van de warmte-overdrachtfluidumstroom voorbij het buitenvlak van de keramische kern op onbedoelde wijze te zeer wordt beperkt.

5. Samenstel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk/ 5 dat minstens de twee leidinggedeelten van thermische isolatiemidde- len zijn voorzien, die zich in de nabijheid van de hete werkvlakken van de keramische kern bevinden.

6. Samenstel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat minstens een gedeelte van elk van de drie leidinggedeelten 10 schuin toelopend met een afnemende doorsnede in een richting is uitgevoerd, die van het betreffende vlak van het huis is afgekeerd.

7. Samenstel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het huis is samengesteld uit twee paren tegenover elkaar gelegen en van een opening voorziene platen, die van tegen elkaar gelegen 15 binnenvlakken zijn voorzien welke in aanraking met de hete en koude werkvlakken van de kern kunnen komen; alsmede uit leidingstukken, die zich vanaf de buitenvlakken van de platen naar buiten uitstrekken; uit middelen om de leidingstukken met de uitwendige fluidumleidingen te koppelen; en uit middelen om de binnenvlakken ervan in aanraking 20 met de werkvlakken van de kern te houden.

8. Samenstel volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de genoemde middelen om de binnenvlakken in aanraking met de werkvlakken van de kern te houden uit twee stellen langwerpige bouten en moeren bestaan, waarbij de bouten van elk stel zich tussen 25 een betreffend paar tegenover elkaar gelegen platen uitstrekt.

9. Samenstel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat een gedeelte van de buitenste cellen van de werkvlakken van de kern van afdichtingsmiddelen is voorzien, zodat door het afgedichte buitenste gedeelte van deze cellen een isolerend en afdichtend huis 30 voor het niet afgedichte binnenste gedeelte ervan wordt gevormd.

10. Samenstel volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat de buitenste dichte vlakken van de kern in de nabijheid van de bevestigingsmiddelen van thermische isolatiemiddelen zijn voorzien.

11. Samenstel volgens conclusie 10, met het kenmerk, 35 dat de bevestigingsmiddelen door middel van isolatiemiddelen zijn 800 32 47 omgeven.

12. Samenstel volgens volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat de leidinggedeelten van minstens één paar tegenover elkaar gelegen platen een rechthoekige doorsnede bezitten 5 en dat minstens twee tegenover elkaar gelegen zijden van de genoemde leidinggedeelten nabij de buitenranden van de platen hiermee • zijn verbonden.

13. Samenstel volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat de koppelmiddelen flenzen bevatten.

14. Samenstel volgens conclusie 1, 2, 7 of 8, met het kenmerk, dat tussen de keramische recuperatorvlakken en de van een opening voorziene huisvlakken een afdichtingsmiddel is aangebracht.

15. Warmte-recuperatorsamenstel in hoofdzaak zoals 15 beschreven in de beschrijving en/of weergegeven in de tekeningen. 8003247 t