CH710596A1 - Wärmetauscher für einen Innenraum einer Verbrennungsanlage. - Google Patents

Abstract

Ein Wärmetauscher (100) für einen Innenraum einer Verbrennungsanlage umfasst mehrere über einen vorgegebenen Längenbereich parallel verlaufende Wärmetauscherrohre (11), die über diesen Längenbereich insgesamt von einer feuerfesten Schutzverkleidung (20) umgeben sind. Zwischen den Wärmetauscherrohren (11) und der Schutzverkleidung (20) ist mindestens ein Zwischenraum (30) ausgebildet. Der Wärmetauscher umfasst ferner Gaszuführmittel zum Zuführen eines Schutzgases in den mindestens einen Zwischenraum (30). Die Wärmetauscherrohre (11) bilden zusammen mit sie mechanisch verbindenden Stegen (12) eine Rohrwand. Der mindestens eine Zwischenraum (30) zwischen den Wärmetauscherrohren (11) und der Schutzverkleidung (20) ist beidseits der Rohrwand ausgebildet. Die Gaszuführmittel umfassen einen Gasverteilkasten (40), welcher mindestens eine Gaseinlassöffnung (41) für das Schutzgas und eine Mehrzahl von Gasauslassöffnungen (42) aufweist, welche in den mindestens einen Zwischenraum (30) zwischen den Wärmetauscherrohren (11) und der Schutzverkleidung (20) ausmünden.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.

[0002] Wärmetauscher mit mehreren über einen vorgegebenen Längenbereich parallel verlaufenden Wärmetauscherrohren werden typischerweise in Verbrennungsanlagen, insbesondere Kehricht- bzw. Müllverbrennungsanlagen, eingesetzt, wo sie in einem oder mehreren Zügen der Verbrennungsanlage meist frei hängend angeordnet sind und zur Kühlung der Rauchgase dienen. Die dabei gewonnene Energie wird üblicherweise zur Dampferzeugung bzw. Dampfüberhitzung ausgenutzt.

[0003] Ein gattungsgemässer Wärmetauscher für Verbrennungsanlagen ist in der EP 2 754 961 A2 beschrieben. Bei diesem sogenannten hinterlüfteten Wärmetauscher erfolgt die Luftzufuhr bzw. allgemeiner die Zufuhr von Schutzgas in einen Zwischenraum zwischen den Wärmetauscherrohren und deren Schutzverkleidung durch spezielle Gasrohre, die im Wesentlichen parallel zu den Wärmetauscherrohren verlaufen. Die aus Keramik oder vorzugsweise Metall bestehenden Gasrohre weisen mindestens eine Austrittsöffnung, vorzugsweise mehrere über ihre Länge verteilt angeordnete Austrittsöffnungen, auf, durch welche die Luft bzw. das Schutzgas an der oder den gewünschten Stellen entlang der Wärmetauscherrohre des Wärmetauschers in den Zwischenraum zwischen den Wärmetauscherrohren und der Schutzverkleidung austritt.

[0004] Die Luft- bzw. Gaszufuhr in den Zwischenraum mittels spezieller Gasrohre ist konstruktiv relativ aufwändig. Ausserdem ist es mit dieser Technologie praktisch kaum möglich, bestehende Wärmetauscher ohne Hinterlüftung nachträglich mit einer Hinterlüftung auszurüsten.

[0005] Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Wärmetauscher der gattungsgemässen Art hinsichtlich der Schutzgaszufuhr vereinfacht und verbessert werden.

[0006] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Wärmetauscher gelöst, wie er durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 spezifiziert ist, bzw. durch eine Verbrennungsanlage mit einem solchen Wärmetauscher gemäss dem unabhängigen Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Aspekte ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.

[0007] Der erfindungsgemässe Wärmetauscher für einen Innenraum einer Verbrennungsanlage umfasst mehrere über einen vorgegebenen Längenbereich parallel verlaufende Wärmetauscherrohre, die über diesen Längenbereich insgesamt von einer feuerfesten Schutzverkleidung umgeben sind. Zwischen den Wärmetauscherrohren und der Schutzverkleidung ist mindestens ein Zwischenraum ausgebildet und der Wärmetauscher umfasst Gaszuführmittel zum Zuführen eines Schutzgases in den mindestens einen Zwischenraum. Die Wärmetauscherrohre bilden zusammen mit sie mechanisch verbindenden Stegen eine Rohrwand. Der mindestens eine Zwischenraum zwischen den Wärmetauscherrohren und der Schutzverkleidung ist beidseits der Rohrwand ausgebildet. Die Gaszuführmittel umfassen einen Gasverteilkasten, welcher mindestens eine Gaseinlassöffnung für das Schutzgas und eine Mehrzahl von Gasauslassöffnungen aufweist, welche in den mindestens einen Zwischenraum zwischen den Wärmetauscherrohren und der Schutzverkleidung ausmünden.

[0008] Die Zufuhr von Schutzgas mittels eines Gasverteilkastens ist in konstruktiver Hinsicht besonders zweckmässig und vorteilhaft.

[0009] Vorzugsweise münden die Gasauslassöffnungen zu beiden Seiten der Rohrwand in den mindestens einen Zwischenraum aus. Dies führt beidseits der Rohrwand zu einer guten Hinterlüftung.

[0010] Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante besteht der Gasverteilkasten im Wesentlichen aus einem feuerfesten Material, vorzugsweise Keramikmaterial.

[0011] Bei einer alternativen vorteilhaften Ausführungsvariante besteht der Gasverteilkasten aus Stahl. Ein solcher Gasverteilkasten ist relativ kostengünstig und einfach herzustellen und zu montieren.

[0012] Mit Vorteil ist der Gasverteilkasten bezüglich der Einbaulage des Wärmetauschers am unteren Ende der Schutzverkleidung angeordnet. Dadurch kann eine optimale Hinterlüftung mit einem Schutzgasstrom von unten nach oben erreicht werden.

[0013] Vorzugsweise umfasst die Schutzverkleidung eine Vielzahl von neben- und übereinander angeordneten und an der Rohrwand befestigten Plattenelementen.

[0014] Vorteilhafterweise stützen sich zumindest einige der Plattenelemente der Schutzverkleidung auf dem Gasverteilkasten ab. Der Gasverteilkasten hat so neben seiner Schutzgasverteilfunktion auch eine mechanische Stützfunktion.

[0015] Zweckmässigerweise sind eine Vielzahl der Wärmetauscherrohre, vorzugsweise alle Wärmetauscherrohre, durch den Gasverteilkasten hindurchgeführt.

[0016] Vorteilhafterweise stimmen in einer zur Längsrichtung der Wärmetauscherrohre senkrechten Ebene die äusseren Querschnittsabmessungen des Gasverteilkastens im Wesentlichen mit den äusseren Querschnittsabmessungen der Schutzverkleidung überein.

[0017] Weitere vorteilhafte Aspekte ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemässen Wärmetauschers mit Hilfe der Zeichnungen. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Wärmetauschers; <tb>Fig. 2<SEP>einen Schnitt durch den Wärmetauscher gemäss der Linie II–II der Fig. 1 ; <tb>Fig. 3<SEP>einen Schnitt durch einen unteren Teil des Wärmetauschers gemäss der Linie III–III der Fig. 2 ; <tb>Fig. 4<SEP>eine perspektivische Teilansicht des Wärmetauschers der Fig. 1 ; <tb>Fig. 5<SEP>eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Wärmetauschers; <tb>Fig. 6<SEP>einen Schnitt durch den Wärmetauscher der Fig. 5 gemäss der Linie VI–VI der Fig. 5 ; <tb>Fig. 7<SEP>einen Schnitt durch einen unteren Teil des Wärmetauschers der Fig. 5 gemäss der Linie VII–VII der Fig. 6 ; <tb>Fig. 8<SEP>eine perspektivische Teilansicht des Wärmetauschers der Fig. 5 ; <tb>Fig. 9<SEP>eine schematisierte Schnittansicht einer Verbrennungsanlage mit einem darin angeordneten erfindungsgemässen Wärmetauscher und <tb>Fig. 10<SEP>eine Perspektivansicht einer aus mehreren Wärmetauschern bestehenden Wärmetauscheranordnung.

[0018] Für die nachstehende Beschreibung gilt die folgende Festlegung: Sind in einer Figur zum Zweck zeichnerischer Eindeutigkeit Bezugszeichen angegeben, aber im unmittelbar zugehörigen Beschreibungsteil nicht erwähnt, so wird auf deren Erläuterung in vorangehenden oder nachfolgenden Beschreibungsteilen verwiesen. Umgekehrt sind zur Vermeidung zeichnerischer Überladung für das unmittelbare Verständnis weniger relevante Bezugszeichen nicht in allen Figuren eingetragen. Hierzu wird auf die jeweils übrigen Figuren verwiesen. Die im Folgenden verwendeten Abmessungs- und Lageangaben wie oben, unten, seitlich, Länge bzw. Höhe, Breite und Dicke bzw. Tiefe beziehen sich auf die allgemein übliche, im Wesentlichen vertikale Einbauposition des Wärmetauschers in der Verbrennungsanlage.

[0019] Wie aus den Fig. 1 – 4 hervorgeht, hat der als Ganzer mit 100 bezeichnete Wärmetauscher im Wesentlichen die Gestalt einer im Verhältnis zu seiner Breite B und Höhe H relativ dünnen Wand (Dicke D, Fig. 3 ). Aufgrund dieser Gestalt wird der Wärmetauscher auch als Schott bezeichnet.

[0020] Der Wärmetauscher 100 umfasst eine metallische Rohrwand 10 (Fig. 2 ) und eine die Rohrwand 10 um alle vier Seiten herum umgebende Schutzverkleidung 20 aus einem feuerfesten Material, vorzugsweise einem Keramik-Material. Die Schutzverkleidung 20 ist in einem Abstand von 1–5 mm, vorzugsweise 1–3 mm, zur Rohrwand 10 angeordnet, so dass zwischen der Rohrwand 10 und der Schutzverkleidung 20 beidseits ein Zwischenraum 30 frei bleibt (siehe Fig. 3 ). Am in Einbaulage des Wärmetauschers 100 unteren Ende der Rohrwand 10 bzw. der Schutzverkleidung 20 ist ein Gasverteilkasten 40 angeordnet, dessen äussere Querschnittsabmessungen im Wesentlichen mit denen der Schutzverkleidung 20 übereinstimmen, so dass der Gasverteilkasten 40 äusserlich gewissennassen eine Verlängerung der Schutzverkleidung 20 bildet. Der Gasverteilkasten 40 besteht aus Metall oder vorzugsweise ebenfalls aus einem feuerfesten Keramikmaterial.

[0021] Die Rohrwand 10 im Inneren des Wärmetauschers 100 umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel verlaufenden Wärmetauscherrohren 11, die paarweise durch je einen Steg 12 mechanisch verbunden sind (Fig. 2 und 3 ).

[0022] Die Schutzverkleidung 20 ist aus einer Vielzahl von neben- und übereinander angeordneten und an der Rohrwand 10 befestigten feuerfesten Plattenelementen 21 zusammengesetzt, wobei die Fugen zwischen benachbarten Plattenelementen mit einem Dichtmaterial 22 gefüllt sind. Die unterste Reihe der Plattenelemente 21 stützt sich über ein Dichtmaterial 23 auf dem Gasverteilkasten 40 ab.

[0023] Die Plattenelemente 21 sind an Plattenhalterungen 27 befestigt, welche an den Stegen 12 der Rohrwand 10 angeschweisst sind. Die Plattenhalterungen 27 greifen in vertikal durchgehende, nicht näher bezeichnete Nuten der Plattenelemente 21 ein. Die Plattenelemente 21 sind mit Stützbrücken 28 versehen, mit welchen sie auf den Plattenhalterungen aufsitzen.

[0024] Die aus den Wärmetauscherrohren 11 und den sie verbindenden Stegen 12 bestehende Rohrwand 10 ist dicht durch den Gasverteilkasten 40 hindurchgefühlt. Die an der Unterseite des Gasverteilkastens 40 herausragenden Anschlussenden der Wärmetauscherrohre 11 sind mit 1 la bezeichnet. Im praktischen Einsatz ist der Wärmetauscher 100 über diese Anschlussenden 1 la an ein Leitungssystem LS zur Zu- und/oder Abfuhr von Wärmetauschmedium (üblicherweise Wasser) angeschlossen (Fig. 9 ).

[0025] Die Fig. 4 zeigt den Wärmetauscher 100 partiell in perspektivischer Ansicht.

[0026] Der Gasverteilkasten 40 ist zweckmässigerweise aus zwei Teilen zusammengesetzt, welche die Wärmetauscherrohre 11 kammartig umgreifen. Der Gasverteilkasten 40 wird deshalb auch als Kammkasten bezeichnet.

[0027] Der Gasverteilkasten 40 dient zur Einleitung von Schutzgas oder sogenanntem Sperrgas in die Zwischenräume 30 des Wärmetauschers 100. Das im Einsatz unter geringem Überdruck stehende Schutz- bzw. Sperrgas soll verhindern, dass durch unvermeidliche Ritzen oder andere Undichtigkeiten Rauchgas in den Innenraum des Wärmetauschers eindringen kann. Als Schutz- bzw. Sperrgas wird normalerweise Luft eingesetzt.

[0028] Der Gasverteilkasten 40 ist an seiner Unterseite mit einer Mehrzahl von Gaseinlassöffnungen 41 und an seiner Oberseite mit einer Mehrzahl von Gasauslassöffnungen 42 ausgestattet. Die Gasauslassöffnungen 42 münden direkt in den Zwischenraum 30 beidseits der Rohrwand 10 und sind über die Breite B des Wärmetauschers 100 verteilt angeordnet. Die Gasauslassöffnungen 42 können auch als Längsschlitze ausgebildet sein. Auch die Gaseinlassöffnungen 41 sind über die Breite B des Wärmetauschers 100 verteilt angeordnet.

[0029] An der Unterseite des Gasverteilkastens 40 sind in die Gaseinlassöffnungen 41 ausmündende Gaszufuhrrohre 43 vorgesehen. Im praktischen Einsatz ist der Wärmetauscher 100 bzw. der Gasverteilkasten 40 über diese Gaszufuhrrohre 43 und ein entsprechendes Leitungssystem an eine Sperrgas- bzw. Druckluftquelle angeschlossen.

[0030] Die Fig. 5 – 8 zeigen ein geringfügig modifiziertes zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Wärmetauschers, wobei die Unterschiede im Wesentlichen lediglich in der Zuführung des Sperrgases in den Gasverteilkasten und der dadurch bedingten Ausbildung des letzteren liegen. Die gegenüber der ersten Ausführungsform unveränderten Komponenten des Wärmetauschers sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 – 4 .

[0031] Der Wärmetauscher dieser Ausführungsform ist als Ganzes mit 100 ́ bezeichnet, der zugehörige Gasverteilkasten mit 40 ́, die Gaseinlassöffnungen mit 41 ́ und die Gasauslassöffnungen mit 42 ́. Anstelle der beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 – 4 gegenüber den Wärmetauscherrohren 11 seitlich versetzt angeordneten Gaszufuhrrohre 43 sind bei dieser Ausführungsvariante zwei Gaszufuhrrohre 43 ́ vorgesehen, welche jeweils mit einem Wärmetauscherrohr 11 fluchten, wobei das jeweils betreffende Wärmetauscherrohr 11 an seinem unteren Ende verschlossen und nicht durch den Gasverteil kästen 40 ́ durchgeführt ist (Fig. 5 , 7 und 8 ). Im gezeichneten Ausführungsbeispiel betrifft dies die beiden zweitäussersten Wärmetauscherrohre 11, die daher im Gegensatz zu den anderen Wärmetauscherrohren 11 keine an der Unterseite des Gasverteilkastens 40 ́ herausragenden Anschlussenden Ha aufweisen. Anstelle der zwei Gaszufuhrrohre 43 ́ könnten auch mehrere über die Breite des Wärmetauschers verteilt angeordnete Gaszufuhrrohre vorgesehen sein, wobei dann die entsprechende Anzahl Anschlussenden 11a wegfallen würde.

[0032] Die Fig. 8 zeigt den Wärmetauscher 100 ́ partiell in perspektivischer Ansicht.

[0033] Fig. 9 zeigt schematisch die Anordnung eines erfindungsgemässen Wärmetauschers 100 in einem Rauchgaszug Z einer Verbrennungsanlage VA. Ein Leitungssystem zur Zufuhr von Schutzgas und Abfuhr von Wärmetauschermedium ist mit LS1 bezeichnet, während ein Leitungssystem zur Zufuhr von Wärmetauschermedium mit LS2 bezeichnet ist. Die Anordnung des Wärmetauschers 100 im Rauchgaszug Z ist so, dass der Wärmetauscher von allen vier Seiten, das heisst von seinen beiden gegenüberliegenden flachen Seiten und den dazwischenliegenden schmalen Seiten, von Rauchgas angeströmt wird.

[0034] In der Praxis wird normalerweise nicht nur ein einzelner Wärmetauscher, sondern eine aus einer Vielzahl von Wärmetauschern bestehende Wärmetauscheranordnung in der Verbrennungsanlage eingesetzt. Fig. 10 zeigt eine solche Wärmetauscheranordnung 1000, die aus einer Vielzahl von parallel nebeneinander angeordneten erfindungsgemässen Wärmetauschern 100 zusammengesetzt ist.

[0035] Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, soll jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt sein. Vielmehr sind für den Fachmann zahlreiche Modifikationen denkbar, ohne dabei von der Lehre der Erfindung abzuweichen. Der Schutzbereich wird durch die nachstehenden Patentansprüche definiert.

Claims (11)

1. Wärmetauscher (100; 100 ́) für einen Innenraum einer Verbrennungsanlage, mit mehreren über einen vorgegebenen Längenbereich (H) parallel verlaufenden Wärmetauscherrohren (11), die über diesen Längenbereich insgesamt von einer feuerfesten Schutzverkleidung (20) umgeben sind, wobei zwischen den Wärmetauscherrohren (11) und der Schutzverkleidung (20) mindestens ein Zwischenraum (30) ausgebildet ist und der Wärmetauscher Gaszuführmittel zum Zuführen eines Schutzgases in den mindestens einen Zwischenraum (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (11) zusammen mit sie mechanisch verbindenden Stegen (12) eine Rohrwand (10) bilden, dass der mindestens eine Zwischenraum (30) zwischen den Wärmetauscherrohren (11) und der Schutzverkleidung (20) beidseits der Rohrwand (10) ausgebildet ist und dass die Gaszuführmittel einen Gasverteilkasten (40; 40 ́) umfassen, welcher mindestens eine Gaseinlassöffnung (41; 41 ́) für das Schutzgas und eine Mehrzahl von Gasauslassöffnungen (42; 42 ́) aufweist, welche in den mindestens einen Zwischenraum (30) zwischen den Wärmetauscherrohren (11) und der Schutzverkleidung (20) ausmünden.

2. Wärmetauscher (100; 100 ́) nach Ansprach 1, wobei die Gasauslassöffnungen (42; 42 ́) zu beiden Seiten der Rohrwand (10) in den mindestens einen Zwischenraum (30) ausmünden.

3. Wärmetauscher (100; 100 ́) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gasverteilkasten (40; 40 ́) im Wesentlichen aus einem feuerfesten Material, vorzugsweise Keramikmaterial, besteht.

4. Wärmetauscher (100; 100 ́) nach Ansprach 1 oder 2, wobei der Gasverteilkasten (40; 40 ́) aus Stahl besteht.

5. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gasverteilkasten (40: 40 ́) bezüglich der Einbaulage des Wärmetauschers am unteren Ende der Schutzverkleidung (20) angeordnet ist.

6. Wärmetauscher (100; 100 ́) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schutzverkleidung (20) eine Vielzahl von neben- und übereinander angeordneten und an der Rohrwand (10) befestigten Plattenelementen (21) umfasst.

7. Wärmetauscher (100; 100 ́) nach Anspruch 6, wobei sich zumindest einige der Plattenelemente (21) der Schutzverkleidung (20) auf dem Gasverteilkasten (40; 40 ́) abstützen.

8. Wärmetauscher (100; 100 ́) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl der Wärmetauscherrohre (11), vorzugsweise alle Wärmetauscherrohre (11), durch den Gasverteilkasten (40; 40 ́) hindurchgeführt sind.

9. Wärmetauscher (100; 100 ́) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in einer zur Längsrichtung der Wärmetauscherrohre (11) senkrechten Ebene die äusseren Querschnittsabmessungen des Gasverteilkastens (40; 40 ́) im Wesentlichen mit den äusseren Querschnittsabmessungen der Schutzverkleidung (20) übereinstimmen.

10. Verbrennungsanlage mit einem Wärmetauscher (100; 100 ́) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, der so in einem Innenraum der Verbrennungsanlage angeordnet ist, dass er von mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten von Rauchgas anströmbar ist.

11. Verbrennungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei parallel angeordnete Wärmetauscher (100; 100 ́) umfasst.