DE2229656A1

DE2229656A1 - Waermespeichernde einbauten von thermischen rekuperatoren und bauelement hierfuer

Info

Publication number: DE2229656A1
Application number: DE2229656A
Authority: DE
Inventors: Pierre Blanchet; Jacques Duchenoy; Joseph Recasens
Original assignee: Electro Refractaire SA
Current assignee: Societe Europeenne des Produits Refractaires SAS
Priority date: 1971-06-22
Filing date: 1972-06-19
Publication date: 1973-01-11
Also published as: FR2142624B1; DE2229656B2; GB1374643A; DE2229656C3; FR2142624A1; CA966656A; FR2248748A6; US3777805A

Description

, 75-PARISZFRAKfKREICH,

Rue Oambon 59

Wärmespeiohernde Einbauten von thermischen Rekuperatoren

und Bauelement hierfür

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet von Anlagen, mit denen Wärme zurückgewonnen wird, die in STuiden enthalten ist. Einrichtungen dieser Art, die man als Regeneratoren oder auch als Rekuperatoren bezeichnet, werden in Anlagen verwendet, die große Industrieöfen enthalten, wie Glasofen, Siemens-Martin-Öfen usw., um die Wärme zurückzugewinnen, -die in den Abgasen dieser Öfen enthalten ist, um diese Wärme der Verbrennungsluft oder gelegentlich auch dem Brennstoff zuzuführen.

Solche Rekuperatoren, die im allgemeinen Einbauten aus Steinen aus hochschmelzendem Material aufweisen, zwischen denen Durchlaßkanäle für Gas oder Luft angeordnet sind, arbeiten nach einem sich periodisch wiederholenden Zyklus, der aus abwechselnden Phasen besteht, wobei während einer Phase Rauchgase oder andere heiße Abgase zur Aufheizung der Steine die Kanäle durchströmen und während einer anderen Phase Verbrennungsluft oder Brennstoff die Kanäle durchströmt, um dieses Fluid durch die in den Steinen gespeicherte Wärme aufzuheizen.

- 2 209882/0676

Die meist verwendeten Steine sind Preßlinge aus hoehschmelzenden Oxiden, unter denen man z.B. nenen kann: Magnesiumoxid, Mischungen aus Chromoxid und Magnesiumoxid, Mischungen aus Siliziumoxid und Aluminiumoxid und Siliziumcad alleine.

Beim Studium der Betriebsbedingungen solcher Regeneratoren hat die Anmelderin festgestellt, daß ihr thermischer Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis der zurückgewonnenen Wärmemenge in der aufgeheizten Luft zu der in den Abgasen enthaltenen Wärmemenge, nicht so günstig ist, wie er sein könnte und daß diese Tatsache insbesondere der Dicke der verwendeten Steine zuzuschreiben ist. In der Praxis liegt die Dicke der Steine bei 63 mm, 70 mm, 110 mm und manchmal selbst bei 160 mm.

Diese verhältnismäßig große Dicke beruht auf der Tatsache, daß die Druckfestigkeit der Preßlinge, die dfe Bauelemente der Einbauten bilden, bei den hohen Temperaturen, die während des Betriebes erreicht werden können, sehr gering wird und daß man demgemäß dazu gezwungen ist, den Steinen eine Dicke zu geben, die ausreichend groß ist, damit im Inneren jedes Steines noch eine Zone verbleibt, deren Temperatur während des Betriebes kleiner bleibt als die Temperaturen, die während der Aufheizungsphase in den äußeren Bereichen entstehen. Außerdem ist die Wahl einer großen Dicke der Steine für die Stabilität der Einbauten nützlich.

- 3 209882/0676

PATENTANWÄLTE

NG. H. MISSLING 63 Gießen, 15. 6. 1972

DlPL-ING. R. SC H LE E S/HCL 11.199

DR.-ING. J. BOECKER

63 GIESSEN, Bismarckstraße 43 2229656

Die Anmelderin hat gefunden, daß man den thermischen Wirkungsgrad verbessern kann, wenn man erfindungsgemäß die hochschmelzenden Einbauten der Rekuperatoren oder Regeneratoren nicht mehr aus gepreßten oder gesinterten Bauelementen herstellt sondern aus Bauelementen, die aus einer Gießmasse gegossen sind, die aus hochschmelzenden Oxiden besteht, die zuvor geschmolzen wurden und wenn man den Bauelementen einerseits eine Dicke gibt, die kleiner als oder gleich 50 mm ist und andererseits einen Querschnitt von genügender Ausdehnung gibt, nämlich einer Ausdehnung derart, daß die Elemente im gestapelten Zustand gut aneinander halten, wobei die Herstellung durch Gießen die Schaffung einer solchen Form gestattet.

Eine geeignete Form der Bauelemente ist eine Form die mehreren parallelepipedförmigen Elementen entspricht, die durch das Gießen zu einem monolithischen leil vereinigt sind, wobei dieses Teil strahlenförmig angeordnete Arme aufweist.

Geeignete hochschmelzende Materialien sind unter anderem Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Chromoxid usw., wobei diese Oxide für sich allein oder in Form von Mischungen verwendet werden können. Die Auswahl der Oxide oder die Zusammensetzung der Mischungen wird durch die Satur der Abgase oder Rauchgase bestimmt, die mit den Einbauten im Regenerator in Berührung kommen, wobei insbesondere deren aggressive Eigenschaften zu berücksichtigen sind.

209882/067$. - 4 -

Beispielsweise wurden hei Regeneratoren, die Glasöfen zugeordnet sind, von der Anmelderin gute Resultate erhalten, wenn im Elektroofen eine Charge erschmolzen wird, die die folgende Zusammensetzung der Gießmasse ergibt:

SiOo 16 io

Al₂O₅ 50 $ ZrO₂ 33 36 Rest Ha₉O und Verunreinigungen.

Eine andere Zusammensetzung, die für Glasfen und metallurgischen Öfen zugeordnete Regeneratoren gut geeignet ist, ist folgende:

SiO₂	2°3»	20	*
Al₂O₅	70
ZrO₂	5	*
Rest Ee	TiO₂	, CaO und Ha₂O

S¹Ur Regeneratoren, die metallurgischen Öfen zugeordnet sind, kann man auch folgende Zusammensetzung benutzen:

Al₂O₅ 96 £ Ha₂O 4 i>

oder auch praktisch reines Al₂O₅.

209882/0676 " ⁵ "

Überraschender-weise sind die industriellen Vorteile, die durch die Erfindung erzielt werden, sehr bedeutend.

Zusätzlich zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades gestattet die Erfindung eine Verkleinerung der Volumina der Regeneratoren dank der geringeren Dicke der Bauelemente bei einem gegebenen Durchströmungsquerschnitt und eine Verlängerung der lebensdauer dank einer größeren Widerstandsfähigkeit gegen Eorrosion, einer geringeren Empfindlichkeit gegen Zusetzen der Gasdurchlaßkanäle und einer größeren Stabilität der Einbauten. Außerdem können die Zeit für die Aufheizung der Einbauten duch die Abgase und die Zeit für die Aufheizung der Verbrennungsluft oder des Brennstoffes reduziert werden dank der guten thermischen Leitfähigkeit von elektrisch erschmolzenen Oxiden. Aufgrund dieser !Tatsache kann das Wechselspiel zwischen zwei Generatoren, die im allgemeinen einem Ofen zugeordnet sind, wesentlich schneller sein als bei bekannten Anlagen.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Stapelelementes gemäß der Erfindung, das als sternförmiges Gußstück mit vier Armen ausgebildet ist,

209882/0676

Fig. 2 einen Aufriß eines Teiles eines Regenerator-Stapels, der aus Elementen gemäß Fig. 1 aufgetaut ist,

Fig. 3 einen Grundriß des Stapels nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Detail aus Fig. 2 in einem gegenüber Fig. 2 vergrößerten Maßstab,

Fig. 5 eine Draufsicht auf Stapelelemente, die als Sterne mit drei Armen ausgebildet sind und

Fig. 6 eine Draufsicht auf Stapelemente, die eine grössere Zahl von strahlenförmig verlaufenden Armen aufweisen.

Das in Fig. 1 dargestellte Teil hat die Form eines Kreuzes mit vier Armen 1, die etwa vier quaderförmigen Preßsteinen entsprechen, die an einer langen Seite miteinander verbunden sind, jedoch insgesamt dank der Herstellung durch Gießen monolithisch sind. Die Dicke e jedes strahlenförmig verlaufenden Armes ist kleiner oder höchstens gleich 50 mm. Gute Ergebnisse wurden mit einer Dicke von 40 mm erhalten. In der Mitte kann die Dicke etwas größer sein wegen der Abrundungen 2, die zwecks einer guten Verbindung der Arme untereinander vorgesehen sind. Die radiale Abmessung r der Arme kann beliebig sein, ebenso ihre Höhe h. Gute Resultate wurden mit einer radialen Abmessung r von ungefähr 165 mm und einer Höhe h von ungefähr 250 mm er-

^halten· 209882/0676

Wenn man solche Elemente nebeneinander setzt und aufeinander stapelt, erhält man eine Vielzahl von vertikalen Kaminen 3 mit quadratischem Querschnitt (siehe Eig. 3), die als Gaskanäle dienen. Um die Stabilität des Stapels zu verbessern, werden die Elemente einer Etage gegenüber der benachbarten Etage um eine Armlänge derart gegeneinander versetzt, daß sich die Arme eines Elementes einer Etage auf den Armen von vier Elementen der nächstunteren Etage abstützen. Dies ist in Pig. 3 dargestellt, in der die Elemente a einer Etage gestrichelt und die Elemente b der nächstoberen Etage mit ausgezogenen Iiiien dargestellt sind, wobei in der Zeichnung angenommen ist, daß die Dicke der Arme bei den Elementen der oberen Etage b größer ist als bei den Elementen der unteren Etage a um die Umrisse der Elemente beider Etagen in der Zeichnung sichtbar zu machen. In der Regel wird man natürlich für alle Etagen gleiche Elemente verwenden.. Angegossene Vorsprünge 4, mit denen jedes Element an seinem zentralen Teil oben und unten versehen ist, erleichtern die bequeme Herstellung eines Stapels. Bei der Herstellung eines Stapels greift jeder Vorsprung 4 (siehe Fig. 2) zwischen die Arme von vier Elementen der näehstoberen oder nächstunteren Etage ein. An den Seiten des Stapels, die dem aus irgendeinem geeigneten Material bestehenden Regeneratormantel 5 benachbart sind, können die Elemente nur drei Arme aufweisen, wie dies in Fig. 3 bei den Elementen c und d dargestellt ist.

- 8 209882/0676

Die Arme der Elemente oder wenigstens einige dieser Arme können außerdem an einem Ende, z.B. oben, einen kleinen kegelstumpf förmigen !Toppen 6 aufweisen, der angegossen ist und der einem Hohlraum 7 von entsprechender Form am anderen Ende derart entspricht, daß "bei der Stapelung das Eingreifen der Hoppen der Elemente einer Etage in die Ausnehmungen der Elemente der nächstoberen Etage die korrekte relative lage der Elemente zueinander gewährleistet. Diese Anordnung erleichtert die Montage außerordentlich und verbessert die Stabilität des Stapels.

In Pig. 5 ist eine Variante dargestellt, bei der die Elemente in Form eines Sternes geg-ossen sind, der drei Arme 8 aufweist, die unter einem Winkel von 120° gegeneinander versetzt sind. Die Stapelung kann in der Form durchgeführt werden, die in Fig. 3 dargestellt ist.

Diese Form der Elemente gestattet es, für den Durchgang der Gase Kanäle mit sechseckigem Querschnitt herzustellen, die we- , niger der Gefahr einer Verstopfung ausgesetzt sind.

Man kann sich natürlich auch andere Ausführungsformen vorstellen. Fig. 6 zeigt z.B. Elemente, von denen jedes sechs Arme aufweist, von denen vier Arme 9 kreuzförmig angeordnet sind, während zwei andere Arme 10, die eine größere radiale Abmessung haben, sich in zwei Zwischenräumen zwischen den Kreuzarmen erstrecken.

209882/0676

Eine solche Ausbildung der Elemente bringt, wie leicht zu sehen ist, eine Vergrößerung der Heizfläche, jedoch eine Verminderung der Kanalquerschnitte. Die relativ engen Kanäle können sich leichter zusetzen. Man wird deshalb diese Anordnung dann verwenden, wenn die Beschaffenheit der G-ase nur eine geringe Ver-'stopfungsgefahr für die Kanäle mit sich bringt.

Bei dieser Ausführungsform können, wie auch bei den vorhergehenden Ausführungsformen, die Elemente einer Etage gegenüber den Elementen der anderen Etage derart versetzt sein, daß die Arme 9 der Elemente einer Etage auf den Armen 9 von vier Elementen der nächstunteren Etage aufruhen.

Alle diese Formen sind leicht durch Gießen herstellbar, wobei als Gußmasse eine Charge aus zuvor erschmolzenen Oxiden mit hochliegendem Schmelzpunkt verwendet wird.Man kann insbesondere die Gießvorrichtung verwenden, die in der deutschen Offenlegungsschrift 2 125 242 beschrieben ist.

Die beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beipiele. Es ist klar, daß sie abgeändert werden könnten, insbesondere durch Anwendung äquivalenter Mittel, ohne daß deshalb der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

- 10 -

209882/0676

Claims

Patentansprüche;

1 ο Bauelement aus hochschmelzendem Material zur Herstellung der wärmespeichernden Einbauten von thermischen Regeneratoren oder Rekuperatoren, wie sie insbesondere in Anlagen mit Glasofen oder metallurgischen Öfen zur Rückgewinnung der in den Abgasen enthaltenen Wärme benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ausgehend von einem oder mehreren zunächst erschmolzenen Oxiden mit hoher Schmelztemperatur gegossen ist, daß die Dicke (e) des Bauelementes kleiner oder höchstens gleich 50 mm ist und daß sein Querschnitt so große Ausdehnungen hat, daß eine stabile Schichtung gewährleistet ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Querschnitt eine Form aufweist, die der Form mehrerer parallelepipedformiger Elemente entspricht, die durch das Gießen zu einem Monolithen vereinigt sind.
3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form seines Querschnittes strahlenförmig angeordnete Arme (1; 8; 9f 10) aufweist.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eines oder mehrere der folgenden Oxide enthält: Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Chromoxid.

20988 2/0676 - 11 -
5* Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß san. mittlerer $eil unten und oben einen Vorsprung (4) aufweist.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es an einem Ende einen oder mehrere exzentrische Koppen (6) und am anderen Ende eine oder mehrere entsprechend angeordnete Ausnehmungen (7) aufweist, um ein Ineinandergreifen zwischen zwei übereinander angeordneten Elementen zu erzielen.
7. Stapä. aus Bauelementen nael/einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente von Etage zu Etage derart gegeneinander versetzt sind, daß ein Element einer Etage (b) auf Teilen von mehreren Elementen der/aächstunteren Etage (a) aufruht.
8. Stapel nach Anspruch 7, der aus Bauelementen nach Anspruch 5 aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Vorsprünge (4) der Bauelemente einer Etage zwischen die Elemente der nächstunteren Etage und die Elemente der nächstoberen Etage eingreifen.

209832/0676

eerseite