DK163745B - Varmeveksler - Google Patents

Description

i

DK 163745 B

Opfindelsen angår en varmeveksler af den art, som anvendes til varmeveksling mellem et pulverformet, fast materiale og en gas. Sådanne varmevekslere benyttes f.eks. til at forvarme mineralske råmaterialer, som derefter underkastes en brændingsproces, idet 5 forvarmningen sker ved udnyttelse af de varme afgangsgasser fra brændingsprocessen.

Forvarmningen af pulverformede, faste materialer kan ske i et cyklonsystem, som består af et antal cylinderformede cykloner med 10 lodret eller vandret hovedakse og konisk bund med udløb for det faste materiale, således som det f.eks. kendes fra kapital 20 i Duda: Cement-Data-Book, bind 1, 3. udgave (1985), Bauverlag GmbH,

Wiesbaden und Berlin.

15 Hidtil kendte cykloner med lodret akse er almindeligvis foroven afgrænset af en cirkulær flad topplade eller en cirkulær åbning på en nedad konkav cyklonoverdel. Gennem pladen eller åbningen kan et gasafgangsrør eller "centralrør" strække sig et stykke ned i cykloncylinderen. Fast materiale suspenderet i gas ledes via et su-20 spensionsindløb tangentielt ind i cylinderen. På grund af gassens cirkulerende bevægelse inde i denne slynges det faste materiale af centrifugalkraften ud mod beholdervæggen, hvor det stoppes og derpå glider ned ad væggen til den koniske bund og videre ud gennem materialeudløbet, mens gassen forlader beholderen gennem centralrø-25 ret. Sådanne varmevekslercykloner kendes f.eks. fra DE offentliggørelsesskrift nr. 1913305, SE patentskrift nr. 221971, US patentskrift nr. 4245981 og DE fremlæggelsesskrift nr. 1286696. Varmeveksling sker i cykloner af denne type som en medstrømsvarmeveksling, idet materialet under varmevekslingen af gasstrømmen føres med 30 rundt i cyklonen. For at opnå den til forvarmning forud for en brændingsproces ønskede temperatur af materialet er det almindeligvis nødvendigt at benytte flere sådanne medstrømsvarmevekslere i serie, som oftest fire eller fem trin til forvarmning af f.eks. cementråmaterialer, hvorved denne del af et ovnanlæg får en betrag-35 telig højde over terræn og kræver en ikke ringe materialeindsats til sin konstruktion.

Ved modstrømsvarmeveksling således som den for eksempel kendes fra GB-A-988284 eller fra dansk patentansøgning nr. 1600/85 udnyttes i

DK 163745 B

2 cykloner med vandret akse den tangentielt indførte gas' centripetale bevægelsesretning over for det nær cyklonaksen indførte materiales centrifugale bevægelsesretning til opnåelse af en større varmevekslingseffekt end i konventionelle cykloner med lodret akse, 5 ligesom anvendelsen af vandrette modstrømscykloner i forvarmere kan medvirke til en begrænsning af forvarmerens byggehøjde. Brugen af vandrette cykloner har imidlertid den ulempe, at deres udskillegrad ofte er mindre end udskillegraden i konventionelle cykloner.

10 Det er derfor formålet med opfindelsen at angive en varmeveksler med lodret hovedakse og arbejdende efter modstrømsprincippet, og som har en sådan virkningsgrad, både med hensyn til varmeveksling og med hensyn til materialeudskilning, at den kan erstatte mindst to af de hidtidige trin i en cyklonforvarmer.

15

Formålet opnås ifølge opfindelsen ved hjælp af en varmeveksler, der består af en cylinderformet midterdel med en nedad tilspidsende, konisk underdel, en konkav, mod midterdelen vendende overdel, som udgør varmevekslerens øvre begrænsning, et tangentielt gasindløb i 20 den cylinderformede dels væg og et aksi alt monteret gasudløb eller central rør, der sammen danner en spiralformet gasstrøm inde i beholderen, mindst et i overdelens top monteret materialeindløb og et materialeudløb i underdelens bund, idet indløb og udløb er således anbragt, at pulverformet, fast materiale, som tilføres 25 varmeveksleren, bibringes et centrifugalt bevægelsesmoment, hvorved materialet under udveksling af varme med gassen passerer gennem varmeveksleren i modstrøm af gassen, der centripetalt bevæger sig ind mod gasudløbsrøret, og som er ejendommelig ved, at det aksialt monterede gasudløb er et nedadrettet rør, som fra sin i det mindste 30 indledningsvis centrale anbringelse inde i beholderen er ført ud gennem dennes koniske underdel, at midterdelens radius b ligger i intervallet 1,5d<b<3,Od, hvor d er gasudløbsrørets diameter, og at afstanden a fra overkanten af gasudløbsrøret til toppen af overdelen ligger i intervallet 2d<a<5d.

35

Udformningen af overdelen med de ovenfor beskrevne mål betyder dels, at varmevekslerens akse bliver længere, hvorved der i beholderen opnås lavere radiære gashastigheder ind mod gasudløbsrøret og dermed mindre medrivning af materiale, der behandles, hvilket forøger

DK 163745 B

3 varmevekslerens udskillegrad, dels at der i forhold til de kendte varmevekslerkonstruktioner fås en forbedret aksi al materialestrømning, idet den resulterende kraft på partiklerne, som er sammensat af centrifugale og gravitionale kræfter, netop vil føre partiklerne 5 i modstrøm med gassen både i radiær og i aksi al retning.

Varmevekslerens gasudløbsrør er nedadrettet for at sikre et optimalt samspil mellem de aksiale og tangentiale gashastigheder og er derfor ført ud gennem den koniske underdel. På grund af den nedadrettede 10 aksialhastighed, der kan skabes i varmeveksleren, bliver materialet trukket ind i og fordelt i varmeveksleren, og på grund af tangential hastigheden bliver materialet slynget ud mod beholdervæggen, hvor det dels møder den varmeste gas, dels bliver udskilt fra gassen. Disse 2 effekter afpasses efter hinanden ved en tilpasning 15 af afstanden fra gasudløbsrørets top til toppens overdel.

Varmeveksleren har mindst et materialeindløb anbragt i toppen af det konkave dæksel i afstanden op til 1,5 gange gasudløbsrørets diameter fra cyklonaksen regnet i det vandrette plan og med en hældning i 20 forhold til dette på mindre end 90* i samme retning som gasstrømningen. Denne strømning danner en fra gasindførslen til central røret radiært indad rettet potenti alhvirvel, hvorfor materialet tilsættes i nærheden af centrum i denne hvirvel, således at der i den radiære retning opstår et modstrømsforhold mellem materiale og gas, fordi ,j 25 materialepartiklerne, der har en langt større densitet end gassen, j af centrifugalkraften bliver slynget udad mod beholdervæggen.

Varmevekslerens gasudløbsrør eller central rør er således monteret, at overkanten af rørets indløb inde i varmeveksleren ligger i 30 afstanden 0 til 2,0 gange centralrørets indre diameter over den cylindriske midterdels nedre endeflade. Nær selve indløbsåbningen kan røret til en forøgelse af varmevekslingen være forsynet med et fra røret nedadhældende skørt af varmebestandigt materiale. Skørtet kan danne en vinkel på mellem 40' og 70' med det vandrette plan og 35 strækker sig ud mod den koniske underdels indervæg, således at der mellem denne og skørtets omkreds dannes en ringspalte, gennem hvilken udskilt materiale kan passere ned mod et materialeudløb.

Skørtet bevirker, at der inde i varmevekslerkammeret opstår mere symmetriske tilstande for gassens og materialets bevægelser, idet

DK 163745 B

4 den forstyrrende indvirkning på disse ved centralrørets udføring gennem konusdelen elimineres samtidig med, at skørtet medvirker til at tvinge materialet ud mod beholderens indervæg i det område, hvor gastemperaturen er højest.

5 I en særlig udførelsesform for varmeveksleren danner en afkortet konisk underdel, undersiden af skørtet og gasudløbsrøret den nedre begrænsning af beholderen, hvorved en væsentlig reduktion af varmevekslerens højde kan opnås. Den mellem skørtet og konusdelen dannede 10 ringspalte leder i så fald det udskilte materiale til en opluft-ningstransportrende egnet til transport af varme materialer.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, der diagrammatisk og uden at være begrænsende viser nogle 15 udførelseseksempler.

Fig. 1 er et lodret aksialsnit af en varmeveksler med konisk underdel .

20 Fig. 2 er et lodret aksialsnit af en varmeveksler med en anden udformning af overdelen end den i fig. 1 viste.

Fig. 3 er den i fig. 1 viste varmeveksler set fra oven.

25 Fig. 4 er en varmeveksler med afkortet konisk underdel.

Den på fig. 1 og 2 viste varmeveksler består af en beholder med en hul cylindrisk midterdel 1 med lodret akse, en nedad tilspidsende, konisk underdel 2 med et materialeudløb 5, et på midterdelen 1 30 monteret gasindløb 3 for tangentiel indføring af gassen i beholderen og en som et konkavt mod midterdelen vendende dæksel 7 eller 7' udformet overdel. Den på fig. 1 viste varmeveksler har en el 1 ipsoideformet overdel, mens den på fig. 2 viste har en kegle-stubformet overdel. Inde i beholderen er monteret et aksialt 35 nedadrettet gasudløbsrør eller central rør 4, der er ført ud gennem sidevæggen på den koniske underdel 2. Beholderens radius b ligger i intervallet l,5d < b ^ 3,Od, hvor d er den indre diameter inde i beholderen af gasudløbsrøret. Afstanden a fra overkanten af gasudløbsrøret 4 inde i midterdelen 1 ligger i intervallet 2d < a < 5d.

DK 163745 B

5

Overdelen har i sin top et materialeindløb 8. Selve indløbsåbningen er anbragt i afstanden g liggende i intervallet 0 < g < l,5d fra beholderens lodrette akse regnet i det vandrette plan. Indløbet er udformet som et cirkulært rør, der ikke rager ind i beholderen, og 5 som danner en vinkel β på mindre end 90* med det vandrette plan, idet hældningen har samme retning som bevægelsesretningen af den spiralformede gasstrøm inde i beholderen. Afstanden g og hældningen β bidrager til etablering af det bedst muligt modstrømsforhold i radiær retning mellem materiale og gas inde i beholderen. På figu-10 rerne er kun vist et af flere mulige materialeindløb i toppen af en overdel.

På fig. 3 er med en stiplet pillinie antydet den gennem gasindløbet 3 tangentielt indførte gasstrøms bevægelse ind mod det aksialt 15 anbragte gasudløb 4 inde i midterdelen 1 og med en punkteret pillinie det tilførte materiales centrifugale bevægelse fra materialeindløbet 8 ud mod beholdervæggen.

Til skabelse af de for varmevekslingen optimale gashastigheder er 20 gasudløbet eller central røret 4 ført ud gennem den koniske underdel 2, med mindre denne af afkortet. Til yderligere sikring af de bedst mulige bevægelsesbetingelser for gas og materiale inde i beholderen er central røret nær selve gasindløbet inde i beholderen forsynet med et skørt 6, der danner en vinkel a i intervallet 40* < α < 70* med 25 vandret og strækker sig ud mod den koniske underdels 2 indervæg for sammen med denne at danne en ringspalte 9, gennem hvilken udskilt materiale kan passere ned mod materialeudløbet 5. Ringspalten kan eksempelvis have en bredde på 150 mm. Ved brug af skørt har selve indløbet på centralrøret 4 inde i beholderen hensigtsmæssigt en 30 højde f i intervallet 0 < f < 2,Od over den cylinderformede behol dermell emdel s 1 nedre endeflade.

Den på fig. 4 viste alternative udførelsesform for varmeveksleren ifølge opfindelsen, her med en keglestubformet overdel 7' med et 35 materialeindløb 8 og et gasindløb 3, udmærker sig ved en væsentlig afkortning af den koniske underdel 2, således at denne afkortede del, undersiden af skørtet 6 og centralrøret 4 danner varmevekslerens nedre begrænsning. Ved denne løsning ledes udskilt materiale fra ringspalten 9 til en ikke vist opluftningstransportrende for 5

DK 163745 B

6 varme materialer, som ved hjælp af transportrenden ledes til det efterfølgende behandlingstrin i anlægget.

10 I 15 20 25 30 35

Claims (4)

1. Varmeveksler udformet som en beholder med en cylinderformet midterdel (1), en nedad tilspidsende konisk underdel (2), en konkav, 5 mod midterdelen vendende overdel (7), som udgør varmevekslerens øvre begrænsning, et tangentielt gasindløb (3) i den cylinderformede midterdels væg og et aksi alt monteret gasudløb (4) til dannelse af en spiralformet gasstrøm inde i beholderen, mindst et materialeindløb (8) i beholderens top og et materialeudløb (5) i beholderens 10 bund, idet indløb og udløb er således anbragt, at pulverformet, fast materiale, som tilføres varmeveksleren bibringes et centrifugalt udadrettet bevægelsesmoment, hvorved materialet under udveksling af varme med gassen passerer gennem varmeveksleren i modstrøm af gassen, der centripetalt bevæger sig ind mod gasudløbsrøret, k e n -15 detegnet ved, at det aksi alt monterede gasudløb er et nedadrettet rør (4), som fra sin i det mindste indledningsvis aksiale anbringelse inde i beholderen er ført ud gennem dennes koniske underdel (2), at midterdelens (1) radius b ligger i intervallet 1,5d<b<3,Od, hvor d er gasudløbsrørets (4) diameter, og at 20 afstanden a fra overkanten af gasudløbsrøret (4) til toppen af overdelen (7) ligger i intervallet 2d^a<5d.

2. Varmeveksler ifølge krav 1, kendetegnet ved at det i foroven i overdelen anbragte materialeindløb (8) peger i samme 25 retning som bevægelsesretningen for den spiralformede gasstrøm inde i beholderen, og at dets hældning β i forhold til det vandrette plan er mindre end 90% og at dets indføring i toppen regnet i vandret plan ligger i afstanden g i intervallet 0 < g < l,5d fra varmevekslerens lodrette akse. 30

3. Varmeveksler ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at gasudløbsrørets (4) overkant inde i den cylindriske midterdel (1) ligger i afstanden f i intervallet 0 < f s 2,Od fra den cylindriske midterdels nedre endeflade og nær overkanten er forsynet med et fra 35 røret nedadhældende skørt (6) af varmebestandigt materiale, hvilket skørt danner en vinkel α på mellem 40* og 70* med det vandrette plan, og som strækker sig ud mod den koniske underdels (2) indervæg, således at der mellem denne og skørtets omkreds dannes en ringspalte (9). 8 DK 163745 B

4. Varmeveksler ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at kammerets koniske underdel (2) er afkortet, og at den afkortede koniske underdel og undersiden af skørtet (6) under dannelsen af ringspalten (9) og sammen med røret (4) udgør beholde-5 rens nedre begrænsning. 10 15 20 25 30 35