DE1163867B

DE1163867B - Regenerative heat exchanger with a fine-grained storage mass

Info

Publication number: DE1163867B
Application number: DES56883A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans Sonnenschein
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-02-08
Filing date: 1958-02-08
Publication date: 1964-02-27

Description

Regenerativer Wärmeaustauscher mit einer feinkörnigen Speichermasse Es sind unter dem Namen »pebble heater« regenerative Wärmeaustauscher bekannt, bei. denen Gase zur Ermöglichung eines Wärmeaustausches durch zwei schachtförmige Wärmeaustauschkammern geführt werden, die mit im Kreislauf umgewälzten kugelförmigen Speicherkörpern angefüllt sind. In der Regel finden derartige Wärmeaustauscher in der Weise Anwendung, daß in der einen Wärmeaustauschkammer die Speichermassenkörper durch ein heißes Gas aufgeheizt werden und nach überleitung in die andere Wärmeaustauschkammer in dieser ihre Wärme an ein aufzuheizendes anderes Gas abgeben. Die bekannten Wärmeaustauscher dieser Art weisen den Nachteil auf, daß die Wärmeaustauschkörper in einer verhältnismäßig hohen Schicht angeordnet werden müssen, wobei praktisch die Schichthöhe in der Richtung des durchgeführten Gases von der gleichen Größenordnung wie der Durchmesser der zylindrischen Schachträume ist. Wärmeaustauscher dieser Art eignen sich nur für verhältnismäßig kleine Gasmengen, dabei treten verhältnismäßig große Druckabfälle und Druckverluste ein.Regenerative heat exchanger with a fine-grain storage mass Regenerative heat exchangers are known under the name "pebble heater", at. those gases to enable heat exchange through two shaft-shaped heat exchange chambers are performed, which are filled with circulating spherical storage bodies are. As a rule, such heat exchangers are used in such a way that in one heat exchange chamber, the storage mass body is replaced by a hot gas are heated and after transfer to the other heat exchange chamber in this give their heat to another gas to be heated. The well-known heat exchangers this type have the disadvantage that the heat exchange body in a relatively high layer must be arranged, practically the layer height in the direction of the passing gas of the same order of magnitude as the diameter of the cylindrical manholes. Heat exchangers of this type are only suitable for relatively small amounts of gas, with relatively large pressure drops and pressure drops.

Wesentlich günstigere Verhältnisse für den Wärmeübergang, insbesondere für den Wärmeaustausch mit größeren Gasmengen lassen sich, wie an sich bekannt, dadurch erzielen, daß bei Anwendung verhältnismäßig feinkörniger Masseteilchen diese durch Wärmeaustauschkammern größerer Länge mit einem verhältnismäßig schmalen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Masseteilchen geleitet werden und das im Wärmeaustausch stehende Gas im Kreuzstrom durch die großflächige, jedoch nur eine geringe Tiefe aufweisende Wärmeaustauschzone hindurchgeführt wird. Diese Anordnung ermöglicht zwar einen Wärmeaustausch mit großen Gasmengen ohne übermäßige Druckabfälle, sie hat jedoch den Nachteil, daß sich wegen der verhältnismäßig großen Länge der Wärmeaustauschzone bei Anwendung des reinen Kreuzstromprinzips bezüglich des Wärmeübergangs relativ ungünstige Verhältnisse ergeben.Much more favorable conditions for the heat transfer, in particular for the heat exchange with larger amounts of gas, as is known per se, achieve that when using relatively fine-grained mass particles this by heat exchange chambers of greater length with a relatively narrow rectangular one Cross-section are directed perpendicular to the direction of movement of the mass particles and the heat exchanging gas in cross flow through the large area, however only a shallow heat exchange zone is passed through. These Arrangement allows a heat exchange with large amounts of gas without excessive Pressure drop, however, has the disadvantage that because of the relatively large Length of the heat exchange zone when applying the pure cross-flow principle with regard to the heat transfer result in relatively unfavorable conditions.

Bezüglich des Wärmeübergangs günstigere Verhältnisse lassen sich durch Abwandlung des reinen Kreuzstromprinzips in das sogenannte Kreuzgegenstromprinzip erzielen. Es ist bereits eine Anordnung dieser Art bekanntgeworden, bei der zwei parallel arbeitende großflächige Wärmeaustauschzonen - die durch mit Gasdurchleitkanälen versehene Wände begrenzt werden - von außerhalb und innerhalb angeordneten Gaskammern eingeschlossen sind. Letztere ermöglichen infolge der Einschaltung von Querwänden das über die äußeren Kanäle zugeführte, mit den Masseteilchensäulen der Wärmeaustauschkammern im Wärmeaustausch stehende Gas abwechselnd im Kreuzstrom durch einzelne hintereinanderliegende Abschnitte der Masseteilchensäulen zu führen, wobei die zentral zwischen den Austauschzonen angeordnete gemeinsame Gaskammer jeweils eine Rückleitung des Gases durch die Masseteilchensäulen in die außenliegenden Gaskammern ermöglicht wird.With regard to the heat transfer, more favorable conditions can be achieved Modification of the pure cross flow principle into the so-called cross counter flow principle achieve. An arrangement of this type has already become known, in which two Large-area heat exchange zones working in parallel - those through with gas ducts provided walls are limited - from outside and inside arranged gas chambers are included. The latter allow due to the inclusion of transverse walls that supplied via the outer channels with the mass particle columns of the heat exchange chambers Gas exchanging heat alternately in a cross flow through individual one behind the other To guide sections of the mass particle columns, with the central between the exchange zones arranged common gas chamber in each case a return line of the gas through the mass particle columns is made possible in the external gas chambers.

Die Erfindung geht davon aus, daß diese bekannte Anordnung, für welche die Anwendung der doppelten Wärmeau.stauschkammern mit den innen- und außenliegenden Gaskanälen charakteristisch ist, einen verhältnismäßig hohen Aufwand bezüglich Raum und Material erfordert. Gegenstand der Erfindung ist eine wesentlich günstigere verbesserte Ausbildung regenerativer Wärmeaustauscher mit in den Wärmeaustauschzonen in geschlossener Säule in wenigstens einer durch gasdurchlässige Wände begrenzten schmalen Strömungsbahn bewegtem Masseteilchenstrom und Führung des gasförmigen Mediums im Kreuzgegenstrom durch die großflächigen Wärmeaustauschzonen, die sich dadurch auszeichnet, daß die mehrfache Umlenkung des gasförmigen Mediums mittels zu beiden Seiten jeder Wärmeaustauschzone angeordneter paralleler Führungswände erfolgt, die derart mehrfach hin- und hergebogen sind, daß gegenüberliegende Abschnitte parallel zueinander verlaufen.The invention assumes that this known arrangement for which the use of the double heat exchange chambers with internal and external ones Gas channels is characteristic, a relatively high expenditure in terms of space and material required. The subject of the invention is a much cheaper one improved training of regenerative heat exchangers with in the heat exchange zones in a closed column in at least one bounded by gas-permeable walls narrow flow path moving mass particle flow and guidance of the gaseous medium in cross-countercurrent through the large-area heat exchange zones, which are thereby is characterized by the fact that the multiple deflection of the gaseous medium means to both Side of each heat exchange zone arranged parallel guide walls takes place, the are bent back and forth several times in such a way that opposite sections are parallel run towards each other.

Die Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil beim Vorhandensein mehrerer paralleler Wärmeaustauschzonen anwenden. In diesem Falle sind die abwechselnd mit verschiedener Neigung angeordneten Führungswandabschnitte so angeordnet, daß sie gleichzeitig die Trennwände zwischen den benachbarten parallelen Wärmeaustauschzonen bilden.The invention can be used with particular advantage if it is present use several parallel heat exchange zones. In this case they are alternating arranged with different inclination guide wall sections so that they at the same time the partitions between the adjacent parallel heat exchange zones form.

Im folgenden sollen die Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen derselben an Hand der Zeichnung der Erfindung näher erläutert werden. In F i g. 1 und 2 der Zeichnung ist im Querschnitt und Grundriß die Ausbildung eines Wärmeaustauschelementes mit zwei parallelen Wärmeaustauschzonen wiedergegeben; F i g. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmeaustauschelemente, bei der zusätzlich mit einer nach dem Kreuzgegenstromprinzip durchströmten erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeaustauschzone eine weitere nach dem reinen Gegenstromprinzip arbeitende Zone kombiniert ist.In the following, the invention and further details and embodiments are intended same on hand the drawing of the invention will be explained in more detail. In Fig. 1 and 2 of the drawing is in cross-section and plan the formation of a Heat exchange element shown with two parallel heat exchange zones; F. i g. 3 shows a further embodiment of heat exchange elements designed according to the invention, in the case of the additionally flowed through according to the invention according to the cross-countercurrent principle formed heat exchange zone another according to the pure countercurrent principle working zone is combined.

Wie F i g. 1 und 2 zeigen, werden die parallelen Wärmeaustauschzonen w des Wärmeaustauschelementes durch zwei Reihen von ein Gitter oder eine Jalousie bildenden geneigten Leisten 21 begrenzt, die, wie der Grundriß der F i g. 2 zeigt, an den Seitenwandteilen 22 abgestützt und gehalten sind. Die gitterförmig übereinander angeordneten Leisten schließen zwischen sich einen prismatischen Strömungskanal 23 ein. Durch diesen verhältnismäßig schmalen Strömungskanal, der im übrigen eine im Verhältnis zu den Breitenabmessungen b große Länge h besitzt und eine dem Speichermassendurchsatz angepaßte Tiefe (senkrecht zur Zeichnungsebene betrachtet) erhalten kann, wird die Speichermasse 24 unter Zuführung durch eine obere Beschickungseinrichtung 25 langsam hindurchgeführt, wobei die durch die aneinander anliegenden Masseteilchen gebildete Masseteilchensäule oder Schicht langsam unter dem Einfluß ihrer Schwere sich von oben nach unten durch den bzw. die Kanäle 23 bewegt. Der Speichermassendurchsatz und damit die Bewegung der Masseteilchensäule wird durch eine Durchsatzregeleinrichtung 20 am unteren Ende der Speichermassenzone 23 bestimmt. Durch die geneigt angeordneten, ein Gitter bildenden Leisten 21, die gegenüber der Vertikalen den Neigungswinkel a aufweisen, ist sichergestellt, daß sich die einzelnen Speichermasseteilchen nur entsprechend dem Schüttwinkel im Bereich der das Gitter bildenden Leisten 21 ausbreiten können. Die Öffnungen zwischen den das Gitter bildenden Leisten 21 bieten die Möglichkeit, das im Wärmeaustausch durch die Masseteilchen senkrecht zu deren Bewegungsrichtung geführte Gas in die Masseteilchensäule einzuführen bzw. aus dieser wieder abzuleiten. Zu beiden Seiten der Speichermassenzone w sowie der durch die Leisten 21 gebildeten Gitter sind geneigte oder wellenförmig angeordnete Wandteile 25a bis 25f, 26a bis 26f zur Gasführung vorhanden, die parallel zueinander und so gegenüber den Gitterwänden angeordnet sind, daß durch diese abwechselnd nach verschiedenen Seiten hin- und hergebogene Leitwandteile in der durch den Kurvenzug 27 angedeuteten Weise das im Wärmeaustausch mit den Masseteilchen stehende Gas im Kreuzgegenstrom durch die Speichermassenschichten 24 hindurchgeführt werden kann, wobei, wie schon angedeutet, die Schlitze zwischen den Leisten 21 den Gasein- und -austritt ermöglichen.Like F i g. 1 and 2 show, the parallel heat exchange zones w of the heat exchange element are delimited by two rows of inclined strips 21 which form a grid or a blind and which, like the plan of FIGS. 2 shows, are supported and held on the side wall parts 22. The bars, which are arranged one above the other in the form of a grid, enclose a prismatic flow channel 23 between them. The storage mass 24 is slowly passed through this relatively narrow flow channel, which, moreover, has a length h which is great in relation to the width dimensions b and a depth adapted to the storage mass throughput (viewed perpendicular to the plane of the drawing), while being fed by an upper loading device 25, whereby the mass particle column or layer formed by the mass particles resting against one another slowly moves under the influence of their gravity from top to bottom through the channel or channels 23. The storage mass throughput and thus the movement of the mass particle column is determined by a throughput control device 20 at the lower end of the storage mass zone 23. The inclined bars 21 forming a grid, which have the angle of inclination α with respect to the vertical, ensure that the individual storage mass particles can only spread in the region of the bars 21 forming the grid according to the angle of repose. The openings between the strips 21 forming the grid offer the possibility of introducing the gas, which is carried through the mass particles in the heat exchange perpendicular to their direction of movement, into the mass particle column or discharging it again from it. On both sides of the storage mass zone w as well as the grid formed by the strips 21 there are inclined or undulating wall parts 25a to 25f, 26a to 26f for gas routing, which are arranged parallel to one another and opposite the grid walls so that they alternate on different sides - and curved guide wall parts in the manner indicated by the curve 27, the gas exchanging heat with the mass particles can be passed in cross-countercurrent through the storage mass layers 24, whereby, as already indicated, the slots between the strips 21 allow gas entry and exit.

In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 sind zwei parallele Wärmeaustausclizonen 1 und 1I vorhanden. Selbstverständlich ist es ohne Schwierigkeiten möglich, in der dargestellten Weise eine große Anzahl paralleler Wärmeaustauschzonen vorzusehen.In the embodiment of FIG. 1 are two parallel heat exchange zones 1 and 1I available. Of course, it is possible without difficulty in the To provide a large number of parallel heat exchange zones shown way.

Um in jedem Falle die erwünschte Querströmung durch die Speichermasse sicherzustellen und unerwünschte Längsströmungen in den Masseteilehen auszuschließen, empfiehlt es sich, im Bereich der Gitterwand, wie bei 28 angedeutet ist, Blenden vorzusehen, um dem strömenden Gas bestimmte Wege vorzuschreiben. Die Regelung der durch die Wärmeaustauschzonen geführten Masseteilchen und damit der Bewegungsgeschwindigkeit der Masseteilchensäulen oder Schichten kann mittels Durchsatzregeleinrichtungen 20 am unteren Ende der Wärmeaustauschzonen erzielt werden.In order to ensure the desired cross flow through the storage mass in any case and to exclude undesired longitudinal flows in the mass parts, it is advisable to provide diaphragms in the area of the grid wall, as indicated at 28 , in order to prescribe certain paths for the flowing gas. The regulation of the mass particles guided through the heat exchange zones and thus the speed of movement of the mass particle columns or layers can be achieved by means of throughput control devices 20 at the lower end of the heat exchange zones.

In der F i g. 1 und 2 der Zeichnung ist lediglich ein Wärmeaustauschelement mit zwei parallelen Wärmeaustauschzonen wiedergegeben. In der Regel wird man in der oben angedeuteten Weise für Regeneratoren zwei Elemente der dargestellten Art vorsehen, innerhalb deren die Speichermasseteilchen im Kreislauf umgewälzt werden. Das eine der Wärmeaustauschelemente dient dann zur Aufheizung der Masseteilchen durch ein heißes Gas, während in dem anderen Wärmeelement durch die erhitzten Masseteilchen ein anderes Gas aufgeheizt wird.In FIG. 1 and 2 of the drawing is merely a heat exchange element shown with two parallel heat exchange zones. Usually you will be in the manner indicated above for regenerators two elements of the type shown provide within which the storage mass particles are circulated in the circuit. One of the heat exchange elements then serves to heat the mass particles by a hot gas, while in the other heating element by the heated mass particles another gas is heated.

Die. beschriebene Anordnung kann im einzelnen abgeändert werden, beispielsweise können die Wärmeaustauschzonen mit einer gewissen Neigung angeordnet werden, wodurch sich Vorteile für die bauliche Anordnung oder die Masseteilchenzufuhr ergeben können.The. described arrangement can be modified in detail, for example the heat exchange zones can be arranged with a certain inclination, whereby there may be advantages for the structural arrangement or the supply of mass particles.

Unter Umständen kann es auch Vorteile bieten, bei Regeneratoren, welche mit sehr großen Temperaturdifferenzen arbeiten, für den höheren Temperaturbereich die Ausbildung der Wärmeaustauschzone gemäß F i g. 1 und 2 zu treffen, dagegen in dem unteren Temperaturbereich eine nach dem reinen Gegenstromprinzip ausgebildete Wärmeaustauschzone mit einer nach dem Kreuzgegenstromprinzip gasdurchströmten Wärmeaustauschzone zu kombinieren. Eine derartige Anordnung ist in F i g. 3 der Zeichnung wiedergegeben. Darin bedeutet 40 eine gemäß der Erfindung ausgebildete Wärmeaustauschzone, in welcher das gasförmige Mittel nach dem Kreuzgegenstromprinzip in der oben erläuterten Weise durch die Speichermasse hindurchgeführt wird. 41 bedeutet einen geneigten Wärmeaustauschzonenteil, durch den das gasförmige Medium im Gegenstrom zu der Speichermasse hindurchgeführt wird. Die etwas stärker, als dem Böschungswinkel entspricht, geneigte Wärmeaustauschzone 41 weist hierbei eine obere durch Führungsbleche begrenzte Beschickungszone 41a sowie eine auf der unteren Seite der Wärmeaustauschzone liegende Durchsatzregeleinrichtung 41 b auf. Es ist bei dieser Anordnung ohne weiteres möglich, die beiden nach dem Kreuzgegenstromprinzip bzw. dem reinen Gegenstromprinzip arbeitenden Wärmeaustauschzonenteile in solcher Weise zu kombinieren und mit Gasüberleitungen 43 zu versehen, daß der durch den oberen Wärmeaustauschzonenteil 40 geleitete Speichermassenstrom durch die Speichermassendurchsatzregeleinrichtung 41b des anderen Wärmeaustauschzonenteiles 41 geregelt werden kann.Under certain circumstances it can also offer advantages, in regenerators which work with very large temperature differences, to design the heat exchange zone according to FIG. 1 for the higher temperature range. 1 and 2, on the other hand, in the lower temperature range, to combine a heat exchange zone designed according to the pure countercurrent principle with a heat exchange zone through which gas flows according to the cross countercurrent principle. Such an arrangement is shown in FIG. 3 of the drawing. Therein, 40 denotes a heat exchange zone designed according to the invention, in which the gaseous medium is passed through the storage mass according to the cross-countercurrent principle in the manner explained above. 41 denotes an inclined heat exchange zone part through which the gaseous medium is passed in countercurrent to the storage mass. The heat exchange zone 41, which is slightly more inclined than the angle of repose, has an upper loading zone 41a delimited by guide plates and a throughput control device 41b located on the lower side of the heat exchange zone. With this arrangement it is easily possible to combine the two heat exchange zone parts working according to the cross-countercurrent principle or the pure countercurrent principle in such a way and to provide them with gas transfer lines 43 that the storage mass flow conducted through the upper heat exchange zone part 40 passes through the storage mass flow control device 41b of the other heat exchange zone part 41 can be regulated.

Claims

Claims: 1. Regenerative heat exchanger with a fine-grained Storage mass that absorbs heat from a gas in a heat exchange zone and it releases again to a gas in a second heat exchange zone, the mass particles in the closed column heat exchange zones in at least a relatively narrow flow path limited by gas-permeable walls with large surface dimensions in relation to the zone width and that Gaseous medium standing in heat exchange with the mass particles alternately several times in different directions perpendicular to the particle flow in the direction of the zone width Is guided through the heat exchange zones in such a way that - based on the respective entire heat exchange zone - results in a countercurrent effect, characterized in that that the multiple deflection of the gaseous medium means on both sides of each Heat exchange zone (w) arranged parallel guide walls (25a to 25f, 26a to 26f) takes place, which are so repeatedly bent back and forth that opposite Sections run parallel to each other.

2. Regenerative heat exchanger after Claim 1, wherein the exchange zones are divided into several parallel sections and in these sections subsets of the storage mass of subsets of the gases flowed through, characterized in that the partition walls between the parallel Heat exchange zone sections at the same time the guide walls for the gas flows are.

3. Regenerative heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that that the axes of the storage mass columns are at an angle to the vertical.

4. Regenerative heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that that at the lower end of the storage mass column each one the interception and adjustable Derivation of the storage mass enabling throughput control device is present.

5. Regenerative heat exchanger according to claim 1, characterized in that at least a substantially vertically arranged, cross-countercurrent of the gaseous medium Flow-through heat exchange zone with a heat exchange zone working purely in countercurrent is connected in series.

6. Regenerative heat exchanger according to claim 4 and 5, characterized in that a throughput control device is provided at the end of the exchange zone operated on the countercurrent principle. Considered publications: German Patent Specifications No. 712139, 102 359; German patent application p 4003 BI a / 17 f (published February 20, 1952); U.S. Patent Nos. 2,630,413, 2,576,058, 2,552,063, 1871166.