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Dokumentenidentifikation DE10234771A1 04.03.2004
Titel Wärmespeicherbett für regenerative Wärmeübertragung
Anmelder Rauschert Verfahrenstechnik GmbH, 96349 Steinwiesen, DE
Erfinder Geipel, Werner, Dr., 96349 Steinwiesen, DE;
Lehner, Markus, Dr., 96364 Marktrodach, DE
Vertreter Dr. Weber, Dipl.-Phys. Seiffert, Dr. Lieke, 65183 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 30.07.2002
DE-Aktenzeichen 10234771
Offenlegungstag 04.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.03.2004
IPC-Hauptklasse F28D 17/00
Zusammenfassung Ein Wärmespeicherbett für regenerative Wärmeübertragung mit wenigstens einem nebeneinander und übereinander angeordnete Wärmespeicherkörper enthaltenden Behältnis, wobei die Wärmespeicherkörper (2) wenigstens zum Teil von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchgehende Strömungskanäle aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wärmespeicherbett Turbulenz erzeugende Einrichtungen (3) vorgesehen sind, die in der Hauptströmungsrichtung vor wenigstens einem Teil der Eintrittsenden der Strömungskanäle oder in wenigstens einem Teilbereich innerhalb der Strömungskanäle angeordnet sind, und/oder der hydraulische Durchmesser der Strömungskanäle in der Hauptströmungsrichtung vom kühleren (6) zum wärmeren Ende (7) des Wärmespeicherbettes zunimmt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeicherbett für regenerative Wärmeübertragung. Bei der regenerativen Wärmeübertragung wird Wärme in einem Wärmespeicherbett durch Hindurchleiten eines gasförmigen Trägers durch Kanäle in diesem Bett gespeichert und in einem zweiten Arbeitsschritt unter Umkehr des Stromes des gasförmigen Trägers wieder aus dem Wärmespeicherbett entfernt, um die regenerativ übertragene Wärme in einer Reaktion zu verwenden.

Derartige regenerative Wärmeübertragungen werden vornehmlich bei der Verbrennung von organischen Schadstoffen und/oder Stickstoffverbindungen in Abgasen oder Abluftströmen, die beispielsweise beim Lackieren entstehen, oder zum Vorwärmen von Brennerluft etwa in der Eisenhüttenindustrie eingesetzt.

Die hierzu verwendeten Regeneratoren wurden ursprünglich mit Füllkörperschüttungen gefüllt, die aber zum Geringhalten der Druckverluste nur mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten arbeiten können. Anstelle solcher Füllkörperschüttungen wurden daher in jüngerer Vergangenheit als Wärmespeicherkörper, aus denen die Wärmespeicherbetten aufgebaut sind, sogenannte Wabenkörper verwendet, die aus von Kanälen durchzogenen Keramik-Steinen bestanden, wobei diese Keramik-Steine nebeneinander und übereinander in einem Behältnis eingesetzt waren, so daß einander gegenüberliegende Stirnflächen der prismenförmigen Wärmespeicherkörper miteinander fluchteten und daher in dem Wärmespeicherbett ein durchgehendes Strömungskanalsystem ergaben, in dem die Strömungskanäle alle parallel zu der Hauptströmungsrichtung lagen. Derartige Regeneratorausstattungen sind beispielsweise in der EP-B-0 472 605 beschrieben. In diesem europäischen Patent wird klargemacht, daß es bei derartigen Wärmespeichermassen in Form von Wabenkörpern auf eine ganze Reihe aufeinander abgestimmter Bemessungen und anderer Parameter ankommt. Unter anderem stellt sich dieses Patent die Aufgabe, die Druckverluste in dem Wärmespeicherbett gering zu halten, unter anderem deswegen, um eine kompakte Baugröße und hohe Wirkungsgrade zu erzielen.

Derartige Wabenkörper haben jedoch gewisse Nachteile. Sie werden laminar vom Trägergas durchströmt, was einerseits zu einem laminaren Wärmeübergang führt und dies wiederum große Oberflächen und damit relativ geringe Strömungsgeschwindigkeiten ergibt. Damit verbunden treten Verschmutzungsprobleme auf, da in die engen Strömungskanäle der Wabenkörper feine Schmutzpartikel eindringen können und die engen Kanäle nicht zu reinigen sind. Relativ große Temperaturgradienten und hohe Temperaturen können in den Wabenkörpern zur Zerstörung von Wabenkörpern führen. Außerdem erfolgt in den bekannten Anlagen kein ausreichender Queraustausch quer zur Hauptströmungsrichtung.

Andererseits haben Wabenkörper eine Reihe von Vorteilen. Sie besitzen eine homogene Struktur des Wärmespeicherkörpers, relativ geringen Druckverlust, große Oberflächen, hohe Wärmespeicherkapazität, einfache Herstellbarkeit und sehr gute Verhältnisse zwischen Oberfläche und eingebrachter Masse. Sie können aus keramischen Massen durch Extrudieren oder Pressen in einfacher Weise hergestellt werden.

Nachteilig wird jedoch vielfach empfunden, daß die aus Wabenkörpern aufgebauten Wärmespeicherbetten unerwünscht große Bauvolumina einnehmen, was bereits in der oben zitierten EP-B-0 472 605 als nachteilig beanstandet wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand somit darin, das erforderliche Bauvolumen von Wärmespeicherbetten aus nebeneinander und übereinander angeordneten Wabenkörpern zu vermindern. Besonders soll diese Aufgabe durch einfache technische Mittel gelöst werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe betrifft die Erfindung ein Wärmespeicherbett für regenerative Wärmeübertragung mit wenigstens einem nebeneinander und übereinander angeordnete Wärmespeicherkörper enthaltenden Behältnis, wobei die Wärmespeicherkörper wenigstens ein zum Teil von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchgehende, vorzugsweise zueinander im wesentlichen parallele Strömungskanäle aufweisen. Erfindungsgemäß sind diese Wärmespeicherbetten dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wärmespeicherbett Turbulenz erzeugende Einrichtungen vorgesehen sind, die in der Hauptströmungsrichtung vor wenigstens einem Teil der Eintrittsenden der Strömungskanäle oder in einem Teilbereich innerhalb der Strömungskanäle angeordnet sind, und/oder der hydraulische Durchmesser der Strömungskanäle in der Hauptströmungsrichtung vom kühleren zum wärmeren Ende des Wärmespeicherbettes zunimmt.

Die Turbulenz der Durchströmung der Strömungskanäle des Wärmespeicherkörpers führt zu einem sehr guten turbulenten Wärmeübergang zwischen Gas- und Wärmespeichermedien, wobei Ungleichverteilungen in der Gasströmung weitgehend vermieden werden. Es können hohe Gasströmungsgeschwindigkeiten zugelassen werden, was zu kleineren Abmessungen der Gesamtanlage führt. Durch die Turbulenz entsteht eine sehr gute Durchmischung und ein Queraustausch der Gasströmung. Auch wenn einzelne Kanäle versagen, führt dies nicht zu einem Versagen über die gesamte Bauhöhe des Wärmespeicherkörpers.

Andererseits führt die Zunahme des hydraulischen Durchmessers der Strömungskanäle in der Hauptströmungsrichtung vom kühleren zum wärmeren Ende des Wärmespeicherbettes hin zu einer Verringerung des Druckverlusts, was letztlich wiederum zu einer Reduzierung des Bauvolumens der Anlage benutzt werden kann. Außerdem bekommt man durch dieses Merkmal eine gleichförmigere Strömungsgeschwindigkeit sowie Vorteile im Falle autothermer Verbrennung von Lösemittel und für die Wärmeübertragung durch Strahlung.

Turbulenzerzeugung einerseits und gestaffelte Geometrie des Wärmespeicherbettes andererseits können jeweils separat oder gemeinsam, sich ergänzend angewendet werden.

Die Wärmespeicherkörper, die nebeneinander unter vollständiger Ausfüllung des Querschnitts des sie enthaltenden Behältnisses gesetzt werden, und unter Bildung zusammenhängender Schichten übereinander plaziert werden, können prismenförmig ausgebildet sein, d.h. einander gegenüberliegende, parallel zueinander ausgerichtete Seiten haben und zweckmäßig quaderförmig oder würfelförmig sein. Sie können aber auch jede andere Form haben, soweit diese Form geeignet ist, die Wärmespeicherkörper so nebeneinander zu setzen, daß das sie enthaltende Behältnis im Querschnitt praktisch vollständig ausgefüllt wird. Die Strömungskanäle verlaufen zweckmäßig in der Hauptströmungsrichtung des Gasstromes, doch kann es auch vorteilhaft sein, die Strömungskanäle in einem Winkel, vorzugsweise in einem Winkel von 5 bis 20° zu der Hauptströmungsrichtung innerhalb des Wärmespeicherbettes zu neigen. Auf diese Weise können die Strömungskanäle in der Hauptströmungsrichtung von Wärmespeicherkörper zu Wärmespeicherkörper ihre Durchströmungsrichtung wechseln und entweder eine Zickzackform oder eine Art Spiralform annehmen, was die Wärmeübertragung zusätzlich erhöht. Die Strömungskanäle können von beliebiger Form sein und beispielsweise quadratische, rechteckige, vieleckige oder runde Form haben.

Die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen kann man mit unterschiedlichen Mitteln bekommen. Zweckmäßig ist es, in Strömungsrichtung vor den Eintrittsenden der Strömungskanäle angeordnete Räume vorzusehen, die eine laminare Strömung störende Körper enthalten. Solche die laminare Strömung störende Körper können in diesen Räumen eingebaute oder eingelegte Drahtnetze, Streckmetalle, Lochscheiben oder Düsenplatten oder bevorzugt Füllkörperschüttungen, etwa Sattelkörperschüttungen sein. Auf diese Weise strömen die Gase in dem Wärmespeicherbett abwechselnd durch eine Turbulenz erzeugende Zone und eine Wärmespeicherzone, wobei es zweckmäßig ist, daß die Baulänge der die Turbulenz erzeugenden Zone in der Hauptströmungsrichtung etwa 5 bis 20% der Baulänge der Wärmespeicherkörper in der gleichen Richtung beträgt.

Die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen können aber auch innerhalb wenigstens eines Teilbereichs der Strömungskanäle angeordnet sein, zweckmäßig am Eintrittsende der Strömungskanäle. Solchermaßen angeordnete, die Turbulenz erzeugende Einrichtungen können düsenartige Verengungen, starke Aufrauhungen im Eintrittsbereich der Strömungskanäle oder eingelegte Einbauten, wie Drahtwendeln sein.

Die Wärmespeicherkörper nach der Erfindung bestehen im Regelfall aus keramischem Material und können daher durch Strangpressen oder Formpressen hergestellt werden. Um dabei unerwünschte Verformungen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Baulänge der Wärmespeicherkörper in der Hauptströmungsrichtung auf etwa 50 bis 250 mm zu halten. Der hydraulische Durchmesser der aufeinanderfolgenden Wärmespeicherkörper liegt beispielsweise am kühleren unteren Ende bei 2 mm, am wärmeren Ende dagegen im Bereich von 15 bis 20 mm. Die Bauhöhe der Turbulenz erzeugenden Zone liegt zweckmäßig im Bereich von 10 bis 100 mm, bevorzugt im Bereich von 10 bis 50 mm. Die spezifische Oberfläche am kalten Ende kann beispielsweise 1000 m2/m3 betragen und zum wärmeren Ende hin auf 150 m2/m3 abfallen.

Der hydraulische Durchmesser ist der Quotient aus der vierfachen Querschnittsfläche des Strömungskanals, geteilt durch dessen Umfang. Er nimmt vorzugsweise vom kühleren Ende zum wärmeren Ende des Bettes um 1 bis 3 mm, besonders um 1 bis 2 mm je 100°C Wärmesteigerung zu.

Durch die Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert. In dieser bedeutet:

1 eine schematische senkrechte Schnittdarstellung durch ein Wärmespeicherbett nach der Erfindung,

2 eine schematische Darstellung eines weggebrochenen Teils eines senkrechten Schnittes des Eintrittsendes mit fünf parallelen Strömungskanälen mit Turbulenz erzeugenden Einrichtungen am Eintritt und

3 eine senkrechte Schnittdarstellung eines anderen Wärmespeicherbettes nach der Erfindung mit nach oben hin zunehmendem hydraulischem Durchmesser.

In 1 ist schematisch ein senkrechter Schnitt durch ein Wärmespeicherbett nach der Erfindung gezeigt. Dieses besteht aus einem Behältnis 1, in welchem alternierend drei Zonen A und drei Zonen B übereinander angeordnet sind. Die Zonen A bestehen aus einem den gesamten Querschnitt des Behältnisses 1 umfassenden Raum, der Turbulenz erzeugende Einrichtungen, speziell jeweils eine Schüttung von Sattelkörpern 3, enthält. Die Zonen B bestehen aus dicht nebeneinander angeordneten Wärmespeicherkörpern 2, die von unten nach oben durchgehende Strömungskanäle aufweisen, die in der Zeichnung weggelassen wurden. Der Deutlichkeit halber wurden in der Zeichnung die Wärmespeicherkörper 2 mit seitlichem Abstand voneinander abgebildet, doch sitzen in Wirklichkeit die Wärmespeicherkörper eng aneinander, um das von unten anströmende Trägergas möglichst vollständig durch die Strömungskanäle der Wärmespeicherkörper zu zwingen.

Der in 2 dargestellte senkrechte Teilschnitt durch einen Wärmespeicherkörper nach der Erfindung zeigt schematisch fünf Strömungskanäle 4, die an ihrem Einlaßende Turbulenz erzeugende düsenartige Verengungen 5 aufweisen. Diese fünf verschiedenen Ausführungsformen von Verengungen sind Beispiele, wie die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen innerhalb der Strömungskanäle selbst, insbesondere an deren Eintrittsende, ausgebildet werden können.

In 3 ist wiederum schematisch ein senkrechter Schnitt durch ein Wärmespeicherbett nach der Erfindung abgebildet. In diesem alternieren, wie in 1, Turbulenz erzeugende Zonen A und Wärmespeicherzonen B, wobei die kalte Seite 6 mit einer Temperatur von 20 bis 50°C, an der das Trägergas anströmt, am unteren Ende und die heiße Seite 7 mit ca. 800°C am oberen Ende liegt. Die Schichten von Wärmespeicherkörpern unterscheiden sich bezüglich des hydraulischen Durchmessers, dessen Definition oben gegeben ist. In der Zeichnung hat beispielsweise die unterste Lage der Wärmespeicherkörper Strömungskanäle mit einem hydraulischen Durchmesser von etwa 2 mm, die zweite Lage Strömungskanäle mit einem hydraulischen Durchmesser von ca. 5 mm, die dritte Lage Strömungskanäle mit einem hydraulischen Durchmesser von etwa 10 mm und die oberste Lage Strömungskanäle mit einem hydraulischen Durchmesser von etwa 15 mm.


Anspruch[de]
  1. Wärmespeicherbett für regenerative Wärmeübertragung mit wenigstens einem nebeneinander und übereinander angeordnete Wärmespeicherkörper enthaltenden Behältnis, wobei die Wärmespeicherkörper (2) wenigstens zum Teil von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchgehende Strömungskanäle aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wärmespeicherbett Turbulenz erzeugende Einrichtungen (3) vorgesehen sind, die in der Hauptströmungsrichtung vor wenigstens einem Teil der Eintrittsenden der Strömungskanäle (5) oder in wenigstens einem Teilbereich innerhalb der Strömungskanäle angeordnet sind, und/oder der hydraulische Durchmesser der Strömungskanäle in der Hauptströmungsrichtung vom kühleren (6) zum wärmeren Ende (7) des Wärmespeicherbettes zunimmt.
  2. Wärmespeicherbett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen in Strömungsrichtung vor den Eintrittsenden der Strömungskanäle angeordnete Räume sind, die eine laminate Strömung störende Körper (3) enthalten.
  3. Wärmespeicherbett nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine laminate Strömung störenden Körper Drahtnetze, Streckmetalle, Lochscheiben oder Düsenplatten sind.
  4. Wärmespeicherbett nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine laminate Strömung störenden Körper Füllkörperschüttungen, vorzugsweise Sattelkörper, sind.
  5. Wärmespeicherbett nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen von den Eintrittsenden der Strömungskanäle gebildet werden.
  6. Wärmespeicherbett nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baulänge der Turbulenz erzeugenden Räume in der Hauptströmungsrichtung etwa 5 bis 20% der Baulänge der Wärmespeicherkörper in der gleichen Richtung beträgt.
  7. Wärmespeicherbett nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Baulänge der Wärmespeicherkörper in der Hauptströmungsrichtung etwa 50 bis 250 mm beträgt.
  8. Wärmespeicherbett nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle in einem Winkel, vorzugsweise im Winkel von 5. bis 20 zu der Hauptströmungsrichtung innerhalb des Wärmespeicherbettes geneigt sind.
  9. Wärmespeicherbett nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle in der Hauptströmungsrichtung von Wärmespeicherkörper zu Wärmespeicherkörper die Durchströmungsrichtung wechseln.
  10. Wärmespeicherbett nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Durchmesser vom kühleren Ende zum wärmeren Ende um 1 bis 3 mm, vorzugsweise 1 bis 2 mm je 100°C Wärmesteigerung zunimmt.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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