Gegenstrom-Wärmetauscher

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen schachtförmigen Gegenstrom-Wärmetauscher (1), bei dem die einzelnen Kammern (3, 4, 5) einerseits über eine zentrale Gasdurchtrittsöffnung (10) miteinander verbunden sind und andererseits über Gutleitungen (14) in Verbindung stehen, die vom unteren Ende des Kammerbodens ausgehen und in den oberen Bereich der nächst tieferen Kammer einmünden. Eine solche Ausführung zeichnet sich durch eine einfache Bauweise, einen hohen thermischen Wirkungsgrad und ein gleichmäßiges Produkt aus.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen schachtförmigen Gegenstromwärmetauscher entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betriebe eines derartigen Wärmetauschers.

[0002] Durch die EP-A- 5 469 ist bereits ein schachtförmiger Gegenstrom-Wärmetauscher bekannt, der eine Anzahl von übereinander angeordneten Kammern enthält, die über zentrale Gasdurchtrittsöffnungen miteinander verbunden sind. wobei der Schachtquerschnitt im Bereich dieser Gasdurchtrittsöffnungen verengt ist. Um ein freies Durchschießen von Gutsträhnen durch die Gasdurchtrittsöffnungen zu verhindern, sind bei diesem bekannten Gegenstrom-Wärmetauscher oberhalb der Gasdurchtrittsöffnungen kegelförmige Einbauten vorgesehen, die sich über Beine am Schachtumfang abstützen. Durch die zwischen diesen Beinen verbleibenden freien Querschnitte strömt von unten nach oben der Gasstrom, während das feinkörnige Gut die gleichen öffnungen von oben nach unten durchsetzt, um in die nächst tiefere Kammer zu gelangen.

[0003] Bei einem derartigen schachtförmigen Gegenstrom-Wärmetauscher muß ein Kompromiß zwischen der Gasgeschwindigkeit und dem von der Schwerkraft nach unten gezogenen feinkörnigen Gut geschlossen werden. Bei steigender Leistung des Wärmetauschers und demgemäß steigender Gasgeschwindigkeit sammeln sich verhältnismäßig große Gutwolken oberhalb der einzelnen Querschnittsverengungen des Schachtes an, um schließlich bei genügender Beladung stoßartig nach unten durchzubrechen. Dies hat zur Folge, daß der thermische Wirkungsgrad eines derartigen Wärmetauschers ein frühes Optimum erreicht, während sich bei weiterer Leistungssteigerung die Abgastemperatur eines solchen, als Vorwärmer eingesetzten Wärmetauschers vergrößert und damit der Wirkungsgrad sinkt. Die im Wärmetauscher auftretenden Gutpulsationen können ferner zu einem unruhigen Lauf eines nachgeschalteten Drehrohrofens führen. Problematisch ist ferner der Verschleiß der oben erwähnten kegelförmigen Einbauten, der in manchen Fällen zu einem erheblichen Wartungsaufwand führt.

[0004] Es ist weiterhin ein schachtförmiger Gegenstrom-Wärmetauscher entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt (FR-A- 1 559 407), bei dem die einzelnen Kammern nicht nur über eine zentrale Gasdurchtrittsöffnung verbunden sind, sondern darüber hinaus über am Schachtumfang angeordnete Gutleitungen miteinander in Verbindung stehen. Diese Gutleitungen gehen dabei vom oberen Bereich der einzelnen Kammern aus (und zwar auf einem Durchmesser entsprechend dem größten Kammerdurchmesser) und münden in den unteren Bereich der nächst tieferen Kammer. In jeder Kammer muß somit das eingetragene Gut durch den Gasstrom zunächst angehoben und bis an die innere Umfangswand des Schachtes getragen werden, ehe es die zur nächst tieferen Kammer führende Gutleitung erreicht.

[0005] Ein derartiger Gegenstrom-Wärmetauscher ist mit wesentlichen Nachteilen behaftet. So erfordert es einen großen Energieaufwand (Druckverlust), in jeder Kammer die Gesamtmasse des feinkörnigen Gutes durch den Gasstrom anzuheben und nach außen bis an die Schachtumfangswand zu tragen. Es besteht dabei in hohem Maße die Gefahr, daß zumindest ein Teil des Gutes durch den Gasstrom nicht zu den am Schachtumfang angeordneten Gutleitungen transportiert wird, sondern im Gegenstrom zum Gas die zentrale Gasdurchtrittsöffnung von oben nach unten durchsetzt. Dieses durchschießende Gut erfährt dabei in der Regelkeine ausreichende Wärmebehandlung, was die Homogenität des Produktes beeinträchtigt.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile der bekannten Ausführungen einen schachtförmigen Gegenstrom-Wärmetauscher entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß bei einfacher Bauweise und geringem Wartungsaufwand mit einem vergleichsweise geringen Energiebedarf ein besonders guter Wärmeaustausch zwischen Gas und Gut gewährleistet ist und eine sehr gleichmäßige Behandlung des Gutes erreicht wird.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruches 1 gelöst. Indem die Gutleitungen des erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers vom unteren Ende des Kammerbodens ausgehen und in den oberen Bereich der nächst tieferen Kammer einmünden, braucht das Gut in den einzelnen Kammern des Gegenstrom-Wärmetauschers durch den Gasstrom nicht unbedingt angehoben zu werden, um die Eintrittsmündung der zur nächst tieferen Kammer führenden Leitung zu erreichen. Die Schwerkraft des Gutes kann vielmehr für die Bewegung innerhalb der einzelnen Kammern voll ausgenutzt werden.

[0008] Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Lösung weiterhin, daß für das Gas und das Gut unterschiedliche Strömungswege beim Übergang von der einen zur nächsten Kammer vorgesehen sind. Die hierdurch gewährleistete Trennung von Gas und Gut beim Übergang zur nächsten Kammer verhindert ein unerwünschtes Pulsieren des Gutes oberhalb der Gasdurchtrittsöffnungen, vermeidet ein gefährliches Durchschießen von Gut durch die Gasdurchtrittsöffnungen und erhöht damit den thermischen Wirkungsgrad des Wärmetauschers bei gleichzeitiger Verbesserung der Produktqualität durch eine verbesserte Gleichmäßigkeit.

[0009] Die für die Gestaltung der zentralen Gasdurchtrittsöffnungen und der sie umgebenden Gutleitungen erforderlichen Einbauten sind verhältnismäßig einfach gestaltet. Sie sind ferner - bedingt durch die kurzen Hebelarme - nur geringen mechanischen Kräften ausgesetzt und unterliegen daher nur einem wesentlich kleineren Verschleiß als die bisher bekannten Einbauten. Wartungs- und Reparaturarbeiten werden damit erheblich vereinfacht.

[0010] Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im Zusammenhang mit der Beschreibung zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0011] In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Teil-Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Wärmetauschers,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Übergang zwischen zwei benachbarten Kammern des Wärmetauschers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles.

[0012] Der in Fig.1 schematisch dargestellte schachtförmige Gegenstrom-Wärmetauscher 1 ist Bestandteil einer im übrigen nicht dargestellten Anlage zum Vorwärmen und Brennen von feinkörnigem Gut, beispielsweise von Zementrohmaterial. Diese Anlage enthält einen (nicht dargestellten) Drehrohrofen, dessen Abgase zur Vorwärmung des feinkörnigen Gutes dienen und den Wärmetauscher 1 in Richtung der Pfeile 2 von unten nach oben durchsetzen.

[0013] Der Wärmetauscher 1 enthält mehrere übereinander angeordnete Kammern, von denen in Fig.1 die Kammern 3, 4 und 5 dargestellt sind. über der Kammer 5 befindet sich eine Vorwärmstufe mit einer Wirbelkammer 6, darüber eine Stufe mit Zyklonen 7a, 7b, 7c und 7d.

[0014] Der schachtförmige Wärmetauscher 1 ist im Bereich zwischen den übereinander angeordneten Kammern im Querschnitt verengt (vgl. die Einschnürungen 8 und 9 zwischen den Kammern 3 und 4 bzw. 4 und 5).

[0015] Benachbarte Kammern sind miteinander jeweils über eine zentrale Gasdurchtrittsöffnung 10 verbunden, deren Querschnitt kleiner als der größte Kammer-Querschnitt ist.

[0016] Fig. 2 zeigt die Verhältnisse im Bereich des überganges zwischen zwei Kammern im einzelnen (dargestellt ist der übergang von der Kammer 5 in die darunter liegende Kammer 4).

[0017] Der Boden 5a der Kammer 5 ist trichterförmig ausgebildet, d.h. konisch eingezogen. In entsprechender Weise ist die Decke 4b der Kammer 4 konisch erweitert.

[0018] Die zwischen den Kammern 4 und 5 befindliche zentrale Gasdurchtrittsöffnung 10 wird durch einen Einbaukörper 20 gebildet, der ein mit keramischem Material 11 ummanteltes Stahlskelett 12 enthält, dessen Hohlraum 13 von Kühlluft durchströmt wird.

[0019] Gutleitungen 14 gehen vom unteren Ende des trichterförmigen Bodens 5a der Kammer 5 aus und münden in den oberen Bereich der nächst tieferen Kammer 4 ein. Diese Gutleitungen 14 ragen dabei mit einem Teil ihrer Länge frei in die nächst tiefere Kammer 4 hinein. Wie Fig. 2 erkennen läßt, sind die Gutleitungen 14 am äußeren Umfang des die Gasdurchtrittsöffnung 10 bildenden Stahlskeletts 12 angeordnet. Zur Vermeidung von unerwünschten Gasströmungen sind in den Gutleitungen Pendelklappen 18 vorgesehen (vgl. Fig. 2).

[0020] Im Betrieb des Wärmetauschers wird das feinkörnige Gut (dessen Bewegung durch die gestrichelten Pfeile 15 angedeutet ist) nach Durchsetzen der beiden obersten Stufen (Zyklone 7a bis 7d sowie Wirbelkammer 6) über die Gutaustragsleitung 16 der Wirbelkammer 6 in die oberste Kammer 5 des schachtförmigen Gegenstrom-Wärmetauschers 1 eingetragen. Durch den von unten mit hoher Geschwindigkeit durch die Gasdurchtrittsöffnung 10 (im Bereich der Einschnürung 9) hindurchtretenden Heißgasstrom wird der Gutstrom aufgelöst. Es bilden sich in der Kammer 5 eine Anzahl von (in Fig.1 schematisch angedeuteten) Wirbeln 17 aus, in denen das Gut in innigen Wärmeaustausch mit dem Heißgasstrom kommt. Das im Bereich des trichterförmigen Bodens 5a der Kammer 5 abgeschiedene feinkörnige Gut gelangt dann bei seiner Abwärtsbewegung längs dieser konischen Wand zur Mündung der Gutleitungen 14 und wird durch diese Gutleitungen 14 in die nächst tiefere Kammer 4 eingetragen, wo sich die geschilderten Vorgänge in ähnlicher Weise wiederholen.

[0021] Die Geschwindigkeit des Gasstromes wird so eingestellt, daß kein Gut durch die zentralen Gasdurchtrittsöffnungen 10 hindurchfällt. Gut, das in die Nähe der Gasdurchtrittsöffnung 10 gelangt, wird durch die hier sehr hohe Gasgeschwindigkeit nach oben mitgerissen, bis sich die Gasgeschwindigkeit in einem Kammerbereich von größerem Querschnitt so weit verringert hat, daß das Gut seitlich ausfällt, wobei es dann in die Gutleitungen 14 gelangt.

[0022] Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt sei an folgendem praktischen Beispiel erläutert:

Ein bereits vorhandener schachtförmiger Gegenstrom-Wärmetauscher wurde im Sinne der Erfindung so umgebaut, daß sich folgende Verhältnisse ergaben:

[0023] Die im praktischen Betrieb in den Einschnürungen erreichten Gasgeschwindigkeiten lagen zwischen 20 und 25 m/s. Damit war sichergestellt, daß kein Gut entgegen dem Gasstrom durchfiel. Der kleinere Querschnitt und die Länge der Gutleitun- gen sowie die Pendelklappen 18/ gewahrleistete andererseits, daß das Gas nicht durch die Gutleitungen hindurchströmte. Das Gut gelangte damit über die Gutleitungen ungehindert in die nächst tiefere Kammer. Bedingt durch den kontinuierlichen Guttransport durch den wärmetauscher ergab sich eine deutliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades. Die gemessenen Abgastemperaturen verringerten sich von 430 bis 450°C auf etwa 400°C. Dadurch ergab sich eine Senkung des spezifischen Wärmebedarfes um ca. 113 kJ/kg Klinker.

[0024] Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem für dieselben Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 vorgesehen sind.

[0025] Abweichend gestaltet sind bei der Ausführung gemäß der Fig. 3 die Einbaukörper 20 zwischen den einzelnen Kammern sowie die Gutleitungen 14.

[0026] Der Einbaukörper 20, der auch bei diesem Auführungsbeispiel zweckmäßig durch ein mit keramischem Material 11 ummanteltes Stahlskelett 12 gebildet wird, weist an seiner Oberseite eine konische Dachfläche 20a auf, die zu den Gutleitungen 14 führt. Die Gutleitungen 14 besitzen im oberen Teil ihrer Länge eine nach außen gerichtete Neigung und im unteren Teil ihrer Länge eine nach innen gerichtete Neigung. Die zentralen Gasdurchtrittsöffnungen 20 verengen sich bei diesem Ausführungsbeispiel nach oben hin, d.h. in Strömungsrichtung des Gases.

[0027] Vorteilhaft ist bei dieser Gestaltung vor allem der zuverlässige Eintrag des Gutes über die konische Dachfläche 20a in die Gutleitungen 14.

Ansprüche

1. Schachtförmiger Gegenstrom-Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen einem den Wärmetauscher (1) von unten nach oben durchsetzenden Gasstrom und feinkörnigem Gut, das am oberen Ende des Wärmetauschers zugeführt und am unteren Ende abgezogen wird,

a) enthaltend eine Anzahl von übereinander angeordneten Kammern (3, 4, 5), die miteinander über zentrale Gasdurchtrittsöffnungen(10) verbunden sind, deren Querschnitt kleiner als der Kammer-Querschnitt ist,

b) wobei die einzelnen Kammern ferner über außermittig angeordnete Gutleitungen (14) miteinander in Verbindung stehen,
dadurch gekennzeichnet, daß

c) die Gutleitungen (14) vom unteren Ende des Kammerbodens (z.B.5a) ausgehen und in den oberen Bereich der nächst tieferen Kammer (z.B. 4) einmünden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei übereinander angeordneten Kammern (z.B. 4, 5) ein die zentrale Gasdurchtrittsöffnung (10) bildender Einbaukörper (20) vorgesehen ist, an dessen äußerem Umfang die Gutleitungen (14) angeordnet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite des Einbaukörpers (20) eine zu den Gutleitungen (14) führende konische Dachfläche (20a) aufweist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zentralen Gasdurchtrittsöffnungen (10) nach oben hin verengen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gutleitungen (14) im oberen Teil ihrer Länge eine nach außen gerichtete Neigung und im unteren Teil ihrer Länge eine nach innen gerichtete Neigung aufweisen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei Kammern (z.B. 4, 5) befindliche zentrale Gasdurchtrittsöffnung (10) durch ein keramisch ummanteltes, luftgekühltes Stahlskelett (12) gebildet wird.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gutleitungen (14) mit einem Teil ihrer Länge in die nächst tiefere Kammer frei hineinragen.

8. Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Einstellung der Gasgeschwindigkeit, daß kein Gut durch die Gasdurchtrittsöffnungen (10) hindurchfällt.

Zeichnung