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Vorrichtung zum mittelbaren Wärmeaustausch zwischen wärmeabgebenden,
gasförmigen oder flüssigen Medien und wärmeaufnehmenden feuchten und staubhaltigen
Gasen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mittelbaren Wärmeaustausch zwischen
wärmeabgebenden, gasförmigen oder flüssigen Medien und wärmeaufnehmenden, feuchten
und staubhaltigen Gasen. In bezug auf ihren Betriebszustand enthält eine solche
Vorrichtung eine Erstzone, in der das kalt zugeleitete wärmeaufnehmende Gas etwas
über seinen Taupunkt erhitzt wird, und eine Hauptzone, die zum weiteren Erhitzen
dieses Gases bis auf eine wesentlich höher liegende Endtemperatur dient.
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Naß gereinigtes Gas, z. B. Gicht- oder Generator-Gas, verläßt die
Reinigung mit einem Restgehalt an Staub und gewöhnlich mit einer über der Außentemperatur
liegenden Temperatur. Auf dem Weg von der Reinigung zum Wärmeaustauscher kühlt sich
das mit Feuchtigkeit gesättigte Gas unter seinen Taupunkt ab, so daß sich in ihm
feine Nebeltröpfchen bilden, die je ein Staubteilchen als Kondensationskern umschließen.
In der Erstzone des Wärmeaustauschers kommen die im wärmeaufnehmenden Gas enthaltenen
Nebeltröpfchen mit den durch das wärmeabgebende Medium erhitzten Austauschflächen
in Berührung und verdampfen, wobei sich die in den Tröpfchen enthaltenen Staubteilchen
an den betreffenden Wärmeaustauschflächen festsetzen. Dadurch entstehen an den Wärmeaustauschflächen
nach und nach zementartige dichte Krusten, deren Dicke und Form von den an den betreffenden
Stellen des Wärmeaustauschers herrschenden Betriebsverhältnissen abhängen. Wird
das wärmeaufnehmende Gas in der Erstzone durch die Wärmeaustauscherrohre geleitet,
so bilden sich im Inneren dieser Rohre nach den Beobachtungen des Erfinders Krusten,
deren Innenfläche mehr oder weniger die Gestalt einer langgestreckten Lavaldüse
hat.
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Die Rohrverkrustung in der Erstzone des Wärmeaustauschers ist sowohl
in den einzelnen Rohren in bezug auf den Rohrumfang als auch von Rohr zu Rohr eines
Rohrbündels ungleichmäßig. Auf derjenigen Rohrhälfte, die dem Strom des wärmeabgebenden
Mediums entgegenliegt, findet nämlich ein lebhafterer Wärmeaustausch statt als auf
der anderen Rohrhälfte. Außerdem läßt sich erfahrungsgemäß weder das wärmeaufnehmende
Gas noch das wärmeabgebende Medium ganz gleichmäßig auf alle Rohre eines Bündels
verteilen, so daß einige Rohre mit dem einen oder anderen Wärmeaustausch-Medium
stärker beaufschlagt werden als andere Rohre des Bündels. Dabei kommt es erfahrungsgemäß
vor, daß die mit verhältnismäßig wenig wärmeaufnehmendem Gas beaufschlagten Rohre
durch das wärmeabgebende Medium zu stark erhitzt werden und infolgedessen verzundern
und verschleißen.
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Die in der Erstzone unvermeidbare Krustenbildung hat bei den bekannten
Wärmeaustauschern mit verhältnismäßig engen Rohren zur Folge, daß diese Rohre sich
nahezu vollständig zusetzen und dem durchströmenden wärmeaufnehmenden Gas einen
immer größeren Strömungswiderstand leisten. Außerdem erfordert die Reinigung der
engen Rohre von den an ihren Innenwänden fest anhaftenden zementartigen Krusten
einen großen. Arbeits- und Zeitaufwand. Dazu kommt noch die vorerwähnte Verzunderung
einzelner Rohre, so daß die bekannten Wärrneaustauscher, die zum Erhitzen von feuchten
und staubhaltigen Gasen dienen, in ihrer Erstzone zu Reinigungs- und Reparaturzwecken
häufig außer Betrieb genommen werden müssen.
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Zur Vermeidung dieses übelstandes und zur Verminderung der erheblichen
Reinigungs- und Reparaturkosten hat man versucht, die Krustenbildung in der Erstzone
des Wärmeaustauschers nach Möglichkeit vollständig zu unterbinden. Nämlich dadurch,
daß dieser Zone ein bereits über seinen Taupunkt vorgewärmtes und infolgedessen
nicht mehr feuchtes, staubhaltiges Gas zugeführt wird. Ein solches Gas enthält nur
noch trockenen Staub, der teils vom Gas durch die Rohre des Wärmeaustauschers mitgerissen
wird, teils sich durch Prallwirkung an Rohrkrümmungen, Verteilkästen u. dgl. als
loser Staub ansammelt und durch Ausblasen leicht entfernt werden
kann.
Der vorgenannte Vorschlag geht im Grunde darauf hinaus, den Wärineaustauscher gewissermaßen
nur als Hauptzone mit geringerer Staubablagerung und bequemer Reinigungsmöglichkeit
zu betreiben und die Erstzone durch eine entsprechende Vorwärmung des feuchten staubhaltigen
Gases vor Eintritt in den Wärmeaustauscher zu ersetzen. Zu diesem Zweck hat man
ständig eine Teilmenge des im Wärmeaustauscher auf Endtemperatur gebrachten wärmeaufnehmenden
Gases aus der Heißgas-Ableitung abgezogen und im Kreislauf in die Kaltgas-Zuleitung
zurückgeführt. Abgesehen von den erheblichen Betriebskosten für das Umwälzen der
Kreislaufmenge muß der Wärmeaustauscher auch um diese Menge größer ausgelegt werden,
als es sonst erforderlich wäre.
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Um ohne Kreislaufmenge auskommen zu können, hat man dem kalten wärmeaufnehmenden
Gas vor Eintritt in den Wärmeaustauscher eine gewisse Teilmenge entzogen, diese
verbrannt und als heißes Feuergas dem kalten Gas wieder beigemischt. Der Nachteil
dieses Verfahrens besteht darin, daß die inerten Bestandteile des Feuergases das
vorzuwärmende Gicht- oder Generatorgas entsprechend verdünnen und seinen an sich
schon geringen Heizwert noch mehr herabsetzen. Außerdem muß die Teilverbrennung
sorgfältig überwacht werden. Anderenfalls besteht die Gefahr, daß infolge unvollkommener
Verbrennung das beizumischende Feuergas noch Sauerstoff enthält. Der auf diese Weise
in das wärmeaufnehmende Gas gelangte Sauerstoff kann mit brennbaren Bestandteilen
dieses Gases an irgendeiner Stelle des Wärmeaustauschers verbrennen und dort gefährliche
örtliche 'Überhitzungen hervorrufen.
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Die vorerwähnten Vorschläge haben weiterhin den gemeinsamen Nachteil,
daß sich das zugesetzte Heißgas nicht so gleichmäßig innerhalb des kalten Gases
verteilt, daß ein homogenes Gasgemisch entsteht. Es bilden sich vielmehr wärmere
und kältere Gasströme, wobei die letztgenannten gewöhnlich eine unter dem Gastaupunkt
liegende Temperatur haben und dann doch im Wärineaustauscher eine Krustenbildung
hervorrufen. Aus allen diesen Gründen haben sich die bekannten Vorschläge, das feuchte
und staubhaltige Gas bereits vor Eintritt in den Wärmeaustauscher auf eine über
seinem Taupunkt liegende Temperatur durch Zusetzen von Heißgas vorzuwärmen, in der
Praxis nicht durchsetzen können. Bei den in Betrieb befindlichen Wärmeaustauschern
zum Erhitzen von feuchten und staubhaltigen Gasen wird daher fast immer dieses Gas
ohne besondere Vorwärmung dem Wärmeaustauscher zugeleitet und verursacht dann die
eingangs erwähnten gefährlichen Krustenbildungen an den Rohren der Erstzone.
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Hier setzt die Erfindung ein. Sie hat sich die Aufgabe gestellt, die
Erstzone des Wärmeaustauschers so auszubilden, daß die in ihr unvermeidbare Krustenbildung
aus den im wärmeaufnehmenden Gas enthaltenen Staubresten weder zu untragbaren Querschnittsverengungen
der Wärmeaustauscherrohrenoch zu dem Zwang führt, diese Rohre in verhältnismäßig
kurzen Zeitabständen von den angesetzten Krusten reinigen zu müssen. Zur Lösung
dieser Aufgabe macht sich die Erfindung den Umstand zunutze, daß in der Erstzone
ein ungleich kleinerer stattfindet als in der Hauptzone ist. Wenn nur die Hauptzone
mit bestmöglichem Wirkungsgrad arbeitet. kann der Wirkungsgrad der Erstzone verhältnismäßig
gering sein, ohne daß sich wärmetechnisch dadurch der Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung
in nennenswertem Maße verschlechtert. Demzufolge schreibt die Erfindung vor, die
Erstzone als besonderen Wärmeaustauscher mit z. B. aus weiten Rohren bestehenden
Austauschflächen und die Hauptzone als Hochleistungswärmeaustauscher auszubilden,
der beispielsweise mehrere Bündel dicht nebeneinander liegender, vergleichsweise
enger Rohre aufweist. Die weiten Rohre des besonderen Wärmeaustauschers lassen an
ihren Berührungsseiten mit dem wärmeaufnehmenden feuchten Gas weitgehend Krustenansätze
ohne Verstopfung des Gasweges zu. Der Strömungswiderstand innerhalb der weiten Rohre
vergrößert sich nur recht wenig, auch wenn sich verhältnismäßig dicke Krusten gebildet
haben. Man muß dabei berücksichtigen, daß es bei vorgegebenen und einigermaßen gleichbleibenden
Betriebsverhältnissen innerhalb der einzelnen Rohre zu einem Beharrungszustand kommt,
wenn die sich bildende Kruste eine gewisse Dicke erlangt hat. Das Wärmegefälle innerhalb
der Rohrwandung und der auf dieser sitzenden Kruste von der durch das wärmeabgebende
Medium umspülten Fläche bis zur Berührungsfläche mit dem wärmeaufnehmenden Gas wird
mit zunehmender Krustenbildung immer größer. Der Beharrungszustand tritt ein, wenn
es an der Berührungsfläche der Kruste mit dem wärmeaufnehmenden Gas nicht mehr zu
einem Verdampfen der im Gas enthaltenen Nebeltröpfchen kommt. Wie die praktische
Erfahrung gezeigt hat, kann man den Wärineaustauscher nach der Erfindung jahrelang
ungestört in Betrieb halten, ohne die weiten Rohre seiner durch den besonderen Wärmeaustauscher
gebildeten Erstzone von den an diesen Rohren angesetzten Krusten reinigen zu müssen.
Außerdem gestaltet sich die Reinigung selbst wegen der vergleichsweise großen Rohrdurchmesser
sehr viel einfacher als bei engen Rohren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in der üblichen Weise mit heißem
Abgas als wärmeabgebendem Medium beschickt werden, das aus irgendeiner vorhandenen
Quelle stammt, beispielsweise aus einer der Vorrichtung nachgeschalteten Kesselanlage,
in welcher das in der Vorrichtung erhitzte staubhaltige Gas verbrannt wird. Das
heiße Abgas kann zweckmäßig im Quer- oder Gegenstrom zu dem wärmeaufnehmenden staubhaltigen
Gas zuerst durch die Hauptzone und sodann durch den als Erstzone dienenden besonderen
Wärmeaustauscher der erfindungsgemäßen Vorrichtung geführt werden. Man kann aber
auch den besonderen Wärmeaustauschermit einemFeuergas beheizen, das durch Verbrennung
einer abgezweigten Teilmenge des wärmeaufnehmenden Gases erzeugt wird. Die Teilverbrennung
bedarf keiner dauernden Aufsicht und Wartung, weil das erzeugte Feuergas ja nicht
dem kalten wärmeaufnehmenden Gas zugesetzt wird.
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Wenn das feuchte und staubhaltige Gas der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Außentemperatur zuströmt, braucht es in den die Erstzone der Vorrichtung bildenden
weiten Rohren des besonderen Wärmeaustauschers nur um die verhältnismäßig kleine
Spanne von Außentemperatur bis auf eine etwas über seinem Taupunkt liegende Temperatur
erhitzt zu werden. Diese Spanne macht nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Temperaturspanne
zwischen der Eintritts- und der Austrittstemperatur des wärmeaufnehmenden Gases
in der Hauptzone der
Vorrichtung aus. Da die Hauptzone erfindungsgemäß
durch einen Hochleistungswärmeaustauscher mit entsprechend hohem wärmetechnischem
Wirkungsgrad gebildet wird, spielt der vergleichsweise geringe Wirkungsgrad des
die Erstzone bildenden besonderen Wärmeaustauschers praktisch nur eine ganz untergeordnete
Rolle, da in diesem nur die vorerwähnte kleine Temperaturspanne zu überwinden ist.
Für beide Wärmeaustauscher der erfindungsgemäßen Vorrichtung erheben sich wegen
der klaren und begrenzten Aufgabe, die jeder einzelne Vorrichtungsteil zu erfüllen
hat, einfache und übersichtliche Konstruktionen, die nach bekannten und bewährten
Vorbildern ausgeführt sein können.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter
Darstellungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt Fig.l eine Wärmeaustauschanlage
zum Erhitzen von maß gereinigtem kaltem Gichtgas im Längsschnitt, Fig. 2 einen Teilquerschnitt
nach Linie II-Il der Fig. 1 und Fig.3 einen weiteren Teilquerschnitt nach Linie
III-111 der Fig. 1.
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Die im ganzen mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum mittelbaren Erhitzen
von maß gereinigtem Gichtgas oder einem anderen feuchten und staubhaltigen Gas mit
Hilfe heißen Abgases als wärmeabgebendem Medium enthält keramische Wandungen 2,
metallische Wärmeaustauschflächen in Gestalt von Rohren 3 und 4 sowie Verteil- bzw.
Sammel- und Umlenkungskästen 5. Die Erstzone der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet
ein besonderer Wärmeaustauscherla mit verhältnismäßig weiten Rohren 3, die von dem
bei 6 kalt zugeführten Gichtgas von links nach rechts durchströmt werden. Eine regelbare
Teilmenge des kalten Gichtgases wird durch eine Düse 7 einer Brennkammer 8 zugeleitet
und dort unter Frischluftzusatz verbrannt. Die in der Kammer 8 entstehenden Feuergase
umspülen die Rohre 3 im Querstrom zu dem durch diese Rohre geführten Gichtgas von
unten nach oben und ziehen bei 9 aus dem Wärmeaustauscher 1 a zu einem (nicht gezeichneten)
Kamin ab. In Abhängigkeit von der Gesamtmenge und Temperatur sowie dem Wassergehalt
des Gichtgases wird die in der Kammer 8 zu verbrennende Teilmenge so eingestellt,
daß die entstehenden Feuergase das durch die Rohre 3 strömende Gichtgas auf eine
etwa 10 bis 20° C über seinem Taupunkt liegende Temperatur vorwärmen.
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Die Rohre 3 des Austauschers 1 a setzen sich wegen ihrer
großen Durchmesser bis zum Eintritt des vorerwähnten Beharrungszustandes keinesfalls
so weit mit Krusten zu, daß dadurch die Gaswege verstopft würden. Sie brauchen daher
in der Regel überhaupt nicht gereinigt zu werden, was sich im übrigen bei einem
gelegentlichen Stillstand der Gesamtanlage verhältnismäßig schnell und bequem durchführen
läßt.
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Aus dem Wärmeaustauscherla gelangt das über seinen Taupunkt vorgewärmte
und daher, wenn überhaupt, nur noch trockene Staubreste enthaltende Gichtgas durch
eine Leitung 10 in einen HochleistungsWärmeaustauscher mit Rohrbündeln
1 b, 1 c ....
die aus dicht nebeneinander liegenden und vergleichsweise
engen Rohren 4 bestehen. In den Rohren 4 wird das in Richtung der
Pfeile A strömende Gichtgas durch mittelbaren Wärmeaustausch mit dem heißen, im
Querstrom zu ihm in Richtung der Pfeile B geführten Abgas auf die gewünschte Endtemperatur
gebracht.
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Wenn das in der Vorrichtung 1 erhitzte Gichtgas zur Beheizung eines
Industrieofens dient, beschickt man die Hauptzone der Vorrichtung 1 zweckmäßig mit
dem Abgas der Ofenbeheizung als wärmeabgebendem Medium. Selbstverständlich steht
nichts im Wege, das aus dem Rohrbündel 1 b des Hochleistungs-Wärmeaustauschers austretende
Abgas auch zur Vorwärmung des kalten Gichtgases im Wärmeaustauscher la zu verwenden
und gegebenenfalls beide Wärmeaustauscher räumlich vereint anzuordnen. Ferner kann
man das wärmeabgebende Medium durch entsprechende konstruktive Ausbildung der Vorrichtung
l auch im Gegenstrom zu dem wärmeaufnehmenden Gas und/oder innen durch die Rohre
3 und 4 führen, die in diesem Fall außen von dem zu erhitzenden Gas umspült werden.