DE3939028A1 - Waermeaustauscher mit zirkulierender wirbelschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf einen Wärmeaus­ tauscher mit zirkulierender Wirbelschicht zur Behandlung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel, insbesondere für belagbil­ dende Flüssigkeiten. Der gattungsgemäße Wärmeaustauscher weist ein Rohrbündel aus parallelen vertikalen Steigrohren und zumindest einem Rückführrohr sowie endseitigen Rohrböden, einen Wärmetauschermantel mit Rohranschlüssen für im Mantel­ raum geführtes Heiz- oder Kühlmedium und eine untere Vertei­ lerkammer sowie eine obere Sammlerkammer für die durch das Rohrbündel geführte Flüssigkeit auf und enthält Wirbelgut aus inerten Feststoffteilchen, die in den Steigrohren durch die aufwärtsströmende Flüssigkeit fluidisiert sowie nach oben mitgeführt werden und durch das Rückführrohr in die Vertei­ lerkammer zurückgelangen. An die Steigrohre sind einbauten­ freie Rohrverlängerungen mit seitlichen Bypassöffnungen ange­ schlossen, die in der Verteilerkammer in ein Wirbelgutbett endseitig eintauchen. Fernerhin weist das Rückführrohr eine Rückführrohrverlängerung auf, die auf einem niedrigeren Niveau als die Rohrverlängerungen in dem Wirbelgutbett endet.

Bei dem aus der DE-OS 34 32 864 bekannten gattungsgemäßen Wärmeaustauscher ist in den sich in die Sammlerkammer öffnen­ den Enden der Steigrohre eine Einschnürung vorgesehen. Die Einschnürung dient der Vergrößerung der Austrittsströmungs­ geschwindigkeit und soll verhindern, daß die in die Sammler­ kammer ausgetragenen Wirbelgutpartikel in die Steigrohre zu­ rückfallen und dabei die hydrodynamischen Verhältnisse in unkontrollierter Weise beeinflussen. Die endseitigen Drossel­ öffnungen der Steigrohre tragen zu einer Stabilisierung der Wirbelschicht in den Steigrohren bei. Nachteilig ist der von den Drosselöffnungen verursachte Druckverlust. Ferner bilden sich um die Drosselöffnungen herum Strömungstoträume, in denen störende Ablagerungen entstehen können, die nach einer Betriebsunterbrechung zu einer Verblockung der Drosselöffnun­ gen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmeaustau­ scher der eingangs beschriebenen Art unter Beibehaltung sei­ ner günstigen hydrodynamischen Eigenschaften so auszubilden, daß die Bildung von Ablagerungen im Bereich des oberen Rohr­ bodens vermieden und Strömungsdruckverluste reduziert werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß an die Steigrohre Austrittselemente mit gleichem oder größerem Strö­ mungsquerschnitt angeschlossen sind, wobei die Austrittsele­ mente sich in die Sammlerkammer hinein erstrecken und die Flüssigkeit so umlenken, daß die Flüssigkeit oberhalb des Rohrbodens mit einer Ablenkung zur Vertikalen austritt. Vor­ zugsweise tritt die Flüssigkeit aus den Austrittselementen oberhalb des Rohrbodens horizontal oder nach unten gerichtet aus. Durch die Strömungsumlenkung in den Austrittselementen gegenüber der vertikalen Strömungsrichtung wird verhindert, daß Wirbelgutpartikel aus der Sammlerkammer in Steigrohre eintreten und dabei die Strömungsverhältnisse unkontrolliert ändern. Zur Verhinderung einer unkontrollierten Rückführung von Wirbelgutpartikeln trägt auch bei, daß der Strömungsaus­ tritt oberhalb des Rohrbodens und dem in dem Rohrboden aus­ mündenden Rückführrohr angeordnet ist. Überraschenderweise führen die Maßnahmen in ihrer Kombination zu einer ausrei­ chenden Stabilisierung der auf Änderungen der Strömungsver­ hältnisse empfindlich reagierenden Wirbelschicht, ohne daß eine druckverlustbehaftete Drosselung in den Steigrohren er­ forderlich ist. Eine weitere Stabilisierung der Strömungsver­ hältnisse mit einer Vergleichmäßigung der Wirbelschicht in den Steigrohren kann dadurch erreicht werden, daß die Aus­ trittselemente mit einer geringfügigen Querschnittserweite­ rung ausgebildet sind. - Aus der EP-PS 00 65 332 ist es be­ kannt, an die Steigrohre eines mit einer zirkulierenden Wir­ belschicht arbeitenden Naturumlaufverdampfers Austrittsele­ mente anzuschließen, die sich in eine obere Sammlerkammer hinein erstrecken. Es handelt sich hier um gerade Rohr­ stücke, aus denen Dampf mit hoher Strömungsgeschwindigkeit vertikal austritt. Die Austrittselemente haben hier eine andere Funktion. Durch die Austrittselemente wird auf dem oberen Rohrboden ein Strömungstotraum geschaffen, aus dem ein im Verdampfer aufkonzentrierter Flüssigkeitsstrom abgezo­ gen wird. Ferner gehört es bei Wärmeaustauschern mit einer stehenden Wirbelschicht zum Stand der Technik, an die mit Wirbelgut gefüllten Wärmetauscherrohren oberhalb des Rohrbo­ dens Austrittselemente mit beachtlicher Querschnittserweite­ rung anzuschließen (DE-AS 25 02 354). Die Austrittselemente bilden Auffangkammern für Wirbelgut und verhindern den Über­ tritt von Wirbelgut zwischen den Wärmetauscherrohren. Diese Maßnahmen haben zur Weiterentwicklung von Wärmeaustauschern mit zirkulierender Wirbelschicht, die zur Behandlung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel eingesetzt werden, nicht beigetragen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Rohrbündel des Wärmeaustauschers eine Mehrzahl von Rück­ führrohren mit Rückführrohrverlängerungen, wobei die Rück­ führrohre in baulicher Hinsicht den Steigrohren entsprechen und in gleichmäßiger Verteilung zwischen den Steigrohren an­ geordnet sind und wobei sämtliche Rückführrohrverlängerungen auf einem niedrigeren Niveau als die Rohrverlängerungen der Steigrohre im Wirbelgutbett enden. Bei dieser Ausführungsform ergeben sich besonders stabile Strömungsverhältnisse. Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Strömungsverteilung auf dem Rohrboden durch die Anordnung der Austrittsöffnungen der Austrittselemente zu beeinflussen. Die Ausrichtung sollte so erfolgen, daß Strömungswirbel im Bereich der Mündungen der Rückführrohre vermieden werden, da solche Wirbel den Eintritt von Wirbelgut in die Rückführrohre behindern. Im Rahmen der Erfindung ist es ausreichend, wenn die Austrittselemente mit Austrittsöffnungen ausgebildet sind, die etwa dem Strömungs­ querschnitt der Austrittselemente entsprechen. Die Zirkula­ tion der Wirbelschicht kann jedoch weiter verbessert und sta­ bilisiert werden, wenn die Flüssigkeit aus den Austrittsele­ menten mit möglichst kleiner Geschwindigkeit austritt. Vor­ zugsweise sind die Austrittsöffnungen der Austrittselemente daher wesentlich größer als deren Strömungsquerschnitt ausge­ bildet. Diese Maßnahme trägt auch zur Vermeidung von Strö­ mungstoträumen auf dem oberen Rohrboden bei. Vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen der Austrittselemente sind Ge­ genstand der Ansprüche 5 bis 8.

Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß der er­ findungsgemäße Wärmeaustauscher mit einer gut zirkulierenden und stabilen Wirbelschicht bei zugleich kleinem Druckverlust arbeitet. Schwebstoffe in der zu behandelnden Flüssigkeit so­ wie abplatzende Inkrustationen führen zu keinen Störungen, da die Steigrohre ohne Einschnürung ausgebildet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher er­ läutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Längsschnitt, durch den erfindungsgemäßen Wärme­ austauscher,

Fig. 2a bis 2d die Einzelheit X aus Fig. 1 in verschiedenen Ausführungsformen.

Der in den Figuren dargestellte Wärmeaustauscher arbeitet mit einer zirkulierenden Wirbelschicht und ist zur Behandlung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel, insbesondere für belagbil­ dende Flüssigkeiten bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau ge­ hören ein Rohrbündel 1 aus parallelen vertikalen Steigrohren 2 und Rückführrohren 3 sowie endseitigen Rohrböden 4, ein Wärmetauschermantel 5 mit Rohranschlüssen 6 für im Mantelraum geführtes Heiz- oder Kühlmedium, eine untere Verteilerkammer 7 sowie eine obere Sammlerkammer 8 für die durch das Rohrbündel 1 geführte Flüssigkeit und Wirbelgut 9 aus inerten, flui­ disierbaren Feststoffteilchen. In der Verteilerkammer 7 ist ein glockenförmiger Eintrittsverschluß 10 angeordnet, der verhindert, daß die bei einem Betriebsstillstand sedimentie­ renden Wirbelgutpartikel aus dem Wärmeaustauscher austreten. Ferner ist in der Verteilerkammer 7 ein Lochboden 11 angeord­ net, der während des Wärmetauscherbetriebes als Strömungsver­ teiler und Wirbelgutsperre arbeitet. Der Fig. 1 entnimmt man, daß das Wirbelgut 9 in den Steigrohren 2 von der aufwärts­ strömenden Flüssigkeit zu einer Wirbelschicht fluidisiert und dabei nach oben im Flüssigkeitsstrom mitgeführt wird. Das in die Sammlerkammer 8 eintretende Wirbelgut gelangt in die Rückführrohre 3 und wird durch Sedimentation in die Vertei­ lerkammer 7 zurückgeführt. An den Steigrohren 2 sind einbau­ tenfreie Rohrverlängerungen 12 angeschlossen, die in der Ver­ teilerkammer 7 in ein Wirbelgutbett 13 endseitig eintauchen und oberhalb des Wirbelgutbettes 13 Bypassöffnungen 14 auf­ weisen. Die Anordnung und Ausbildung der Rohrverlängerungen 12 trägt zur Stabilisierung der Wirbelschicht in den Steig­ rohren 2 bei. Die Rückführrohre 3 weisen Rückführrohrverlän­ gerungen 15 auf, die auf einem niedrigeren Niveau a als die Rohrverlängerungen 12 der Steigrohre 2 ebenfalls im Wirbel­ gutbett 13 enden. Das Wirbelgutbett 13 wird von der aus dem Lochboden 11 austretenden Strömung auf dem Lochboden 11 ge­ halten.

An die Steigrohre 2 sind Austrittselemente 16 mit gleichem oder größerem Strömungsquerschnitt d angeschlossen, wobei die Austrittselemente 16 sich in die Sammlerkammer 8 hinein er­ strecken und die Flüssigkeit so umlenken, daß sie oberhalb des Rohrbodens 4 und damit auf einem höheren Niveau als die Rückführrohrmündungen mit einer Ablenkung zur Vertikalen, vorzugsweise horizontal oder nach unten gerichtet, austritt. Einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 sowie 2a bis 2d entnimmt man, daß für die konstruktive Ausgestaltung der Aus­ trittselemente 16 eine Vielzahl von Möglichkeiten vorhanden sind. Gemäß den Ausführungsbeispielen sind die Austrittsele­ mente 16 als endseitig geschlossene gerade Rohrstücke 17 mit seitlichen Austrittsöffnungen 18 oder als Rohrkrümmer 19 oder in Form gerader Anschlußstücke 20 mit glockenförmigen End­ stücken 21 ausgebildet. Die Ausführungsform gemäß Fig. 2a ist dabei besonders bevorzugt, da sie eine fertigungstechnisch sehr einfache Lösung darstellt und sich durch einen geringen Platzbedarf auszeichnet. Dies ermöglicht die Anwendung bei Rohrbündeln mit kleiner Rohrteilung. Vorteilhaft ist es, wenn die Austrittsöffnungen 18 der Austrittselemente 16 wesentlich größer ist als deren Strömungsquerschnitt d. Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform entsprechen die Rückführrohre 3 in baulicher Hinsicht den Steigrohren 2 und sind in gleichmäßiger Verteilung zwischen den Steigrohren 2 angeordnet.

Claims (8)

1. Wärmeaustauscher mit zirkulierender Wirbelschicht zur Be­ handlung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel, insbesondere für krustenbildende Flüssigkeiten, - mit
einem Rohrbündel aus parallelen vertikalen Steig­ rohren und zumindest einem Rückführrohr sowie end­ seitigen Rohrböden,
einem Wärmetauschermantel mit Rohranschlüssen für im Mantelraum geführtes Heiz- oder Kühlmedium,
einer unteren Verteilerkammer und einer oberen Sammlerkammer für die durch das Rohrbündel geführte Flüssigkeit und
Wirbelgut aus inerten Feststoffteilchen, die in den Steigrohren durch die aufwärtsströmende Flüssigkeit fluidisiert sowie nach oben mitgeführt werden und durch das Rückführrohr in die Verteilerkammer zu­ rückgelangen,
wobei an die Steigrohre einbautenfreie Rohrverlängerungen mit seitlichen Bypassöffnungen angeschlossen sind, die in der Verteilerkammer in ein Wirbelgutbett endseitig eintauchen, und wobei das Rückführrohr eine Rückführrohrverlängerung auf­ weist, die auf einem niedrigeren Niveau als die Rohrverlänge­ rungen im Wirbelgutbett endet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die Steigrohre (2) Austrittsele­ mente (16) mit gleichem oder größerem Strömungsquerschnitt (d) angeschlossen sind, wobei die Austrittselemente (16) sich in die Sammlerkammer (8) hinein erstrecken und die Flüssig­ keit so umlenken, daß die Flüssigkeit oberhalb des Rohrbodens (4) mit einer Ablenkung zur Vertikalen austritt.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit aus den Austrittselementen (16) oberhalb des Rohrbodens (4) horizontal oder nach unten gerichtet aus­ tritt.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rohr­ bündel eine Mehrzahl von Rückführrohren mit Rückführrohrver­ längerungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rück­ führrohre (3) in baulicher Hinsicht den Steigrohren (2) ent­ sprechen und in gleichmäßiger Verteilung zwischen den Steig­ rohren (2) angeordnet sind und daß sämtliche Rückführrohrver­ längerungen (15) auf einem niedrigeren Niveau (a) als die Rohrverlängerungen (12) der Steigrohre (2) im Wirbelgutbett (13) enden.

4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (18) der Austritts­ elemente (16) wesentlich größer ist als deren Strömungsquer­ schnitt (d).

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittselemente (16) als endseitig geschlossene gerade Rohrstücke (17) mit seitlichen Austritts­ öffnungen (18) ausgebildet sind.

6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittselemente (16) als Rohrkrüm­ mer (19) ausgebildet sind.

7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittselemente (16) aus einem ge­ raden Anschlußstück (20) mit glockenförmigem Endstück (21) bestehen.

8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittselemente (16) Ventilkörper enthalten.