Die Erfindung betrifft eine Wirbelschicht mit einem Wärmeübertrager, umfassend eine Wirbelschichtwandung, wobei der Wärmeübertrager zumindest ein Wärmeübertragerelement umfasst und das Wärmeübertragerelement weiter umfasst einen horizontalen Zulauf, einen horizontalen Ablauf, senkrechte Wärmeübertragerrohre, einen unteren horizontalen Sammler, wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre an deren unteren Ende mit dem unteren Sammler verbunden sind und der untere Sammler mit dem Ablauf verbunden ist, einen oberen horizontalen Verteiler, wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre an deren oberen Ende mit dem oberen Verteiler verbunden sind und der obere Verteiler mit dem Zulauf verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch die erfindungsgemäße Verwendung des Wärmeübertragerelements.

Für den Einsatz in Wirbelschichten haben sich verschiedene Wärmeübertrager besonders bewährt, wie zum Beispiel horizontale Rohrschlangenwärmeübertrager, Plattenwärmeübertrager und Wärmeübertrager mit senkrechten Rohren. Wärmeübertrager mit senkrechten Rohren zeichnen sich beispielsweise durch eine gute Zugänglichkeit und Reinigbarkeit aus, insbesondere aber auch im Betrieb mit Dampf als Wärmeträgermedium. Dazu wird der Dampf im oberen Bereich des Wärmeübertragers über einen Zulauf dem Wärmeübertrager zugegeben und im unteren Bereich des Wärmeübertragers wird die Mischung aus Dampf und Kondensat über einen Ablauf entnommen. Typischerweise ist der Wärmeübertrager in einer Wirbelschicht angeordnet, wobei Zulauf und Ablauf durch die Wandung der Wirbelschicht geführt sind. Eine Wärmeübertrager mit senkrechten Rohren ist beispielsweise in Figur 1 der AT 405 685 B dargestellt. Wärmeübertrager des Stands der Technik erlauben einen vorteilhaften Transport des Kondensats - da in Richtung der Schwerkraft - sind allerdings in der Bauhöhe aufgrund von Festigkeitsüberlegungen und Spannungsbeanspruchungen limitiert. Eine höhere Bauhöhe kann durch ein alternatives Design, wie dem horizontalen Rohrschlangenwärmeübertrager, oder aber durch eine hängende Anordnung der senkrechten Rohren des Wärmeübertragers realisiert werden. Eine solche hängende Anordnung ist beispielsweise in Figur 1 der DE 32 33 959 A1 dargestellt.

Die WO 2012 163 961 offenbart einen Dampferzeuger mit Dampfkesseln, welche Steigrohre aufweisen. Dabei umfasst der Dampfkessel einen Wärmetauscher, wobei dem Wärmetauscher Speisewasser über eine Speisewasserzuführung im unteren Bereich des Wärmetauschers zugeführt wird. Das Speisewasser steigt in den Rohren des Wärmetauschers hoch und wird im oberen Bereich dem Steigrohr zugefügt. An einem Verbindungsrohr, welches mit dem Steigrohr verbunden ist, ist weiters im tiefstgelegenen Bereich ein Ablassventil angeordnet, über welches das System entleert werden kann.

Ziel der Erfindung ist ein Wärmeübertrager bzw. ein Wärmeübertragerelement, welches einen vorteilhaften Kondensattransport in Richtung der Schwerkraft bzw. ein vorteilhaftes Entwässerungsverhalten aufweist, jedoch nicht in der Bauhöhe limitiert ist.

Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass ein vertikales Steigrohr zwischen dem Zulauf und dem oberen Verteiler angeordnet ist, wobei das Steigrohr den Zulauf und den oberen Verteiler verbindet und wobei das Steigrohr derart ausgebildet ist, dass der Zulauf näher am Ablauf als am oberen Verteiler angeordnet ist, wobei der Zulauf und der Ablauf durch die Wirbelschichtwandung geführt sind und das Steigrohr, der obere Verteiler, der untere Sammler und die senkrechten Wärmeübertragerrohre innerhalb der Wirbelschichtwandung angeordnet sind. Dabei sind Ablauf, unterer Sammler und die unteren Enden der Wärmeübertragerrohre unterhalb von Zulauf, oberer Verteiler und den oberen Enden der Wärmeübertragerrohre angeordnet. Ein Wärmeträgermedium, z.B. Dampf, ist über den Zulauf dem Wärmeübertragerelement zuführbar, wobei das Wärmeträgermedium durch das Steigrohr dem oberen Verteiler zuführbar ist. Die Wärmeübertragung durch das Steigrohr ist vergleichsweise vernachlässigbar, da das Steigrohr im Vergleich zu der Vielzahl von Wärmeübertragerrohren eine vernachlässigbare Oberfläche aufweist. Aus dem oberen Verteiler verteilt sich das Wärmeträgermedium über die Wärmeübertragerrohre und durchströmt diese nach unten. Eine dabei erfolgende Kondensation bzw. auftretendes Kondensat wird vorteilhaft in Richtung der Schwerkraft nach unten zum unteren Sammler transportiert, was vorteilhaft hinsichtlich des im Wärmeübertragerelements auftretenden Druckverlusts ist. Die Abfuhr des Wärmeträgermediums bzw. allfälligen Kondensats erfolgt weiter durch den Ablauf. Da Ablauf und Zulauf typischerweise durch eine das Wärmeübertragerelement umgebende Wandung geführt sind, wobei das Steigrohr erlaubt, Ablauf und Zulauf näher zueinander anzuordnen, d.h. sodass insbesondere der Zulauf näher am Ablauf als am oberen Verteiler angeordnet ist, kann wirksam die Spannungsbeanspruchung des Wärmeübertragerelements reduziert werden. Für die Spannungsbeanspruchung in Folge unterschiedlicher thermischer Dehnungen von umgebender Wandung und Wärmeübertragerelement ist insbesondere der Abstand von Zulauf und Ablauf entscheidend. Das erfindungsgemäße Wärmeübertragerelement erlaubt damit die Realisierung deutlich größerer Bauhöhen verglichen zum Stand der Technik. Zusammenfassend erlaubt die Erfindung synergistisch einen vorteilhaften Druckverlust bzw. Entwässerungsverhalten sowie eine vorteilhafte Spannungsbeanspruchung des Wärmeübertragerelements.

Vorteilhafterweise ist der untere Sammler und der obere Verteiler des Wärmeübertragerelements als Rohr ausgebildet. Die Ausbildung als Rohr ist besonders einfach und günstig umsetzbar. Der untere Sammler und der obere Verteiler sind vorteilhafterweise horizontal angeordnet, was in Bezug auf den auftretenden Druckverlust, insbesondere bei Auftreten von Kondensation, von Vorteil ist.

Ebenso bevorzugt ist, im Verbindungsbereich des oberen Verteilers und der senkrechten Wärmeübertragerrohre Verstärkungselemente, z.B. Muffen oder Kappen in LI-Form, zum Schutz vor Abrasion auszuführen. Der Verbindungsbereich des oberen Verteilers und der senkrechten Wärmeübertragerrohre ist beispielsweise durch Schweißen oder Löten realisiert. Durch die Anwendung von Verstärkungselementen im empfindlichen Verbindungsbereich kann der Verbindungsbereich entsprechend vor Abrasion geschützt werden.

Weiter vorteilhaft ist, ein Wärmeübertragerelement mit einem Verhältnis des hydraulischen Durchmessers des oberen Verteilers zum hydraulischen Durchmesser eines der Wärmeübertragerrohre kleiner 2.5 und bevorzugt kleiner 1.5 zu realisieren. Wenn mehrere Wärmeübertragerelemente zu einem Wärmeübertrager zusammengefasst werden und um Wärmeübertrager mit einer möglichst hohen Packungsdichte zu erhalten, ist es wichtig, dass die einzelnen Wärmeübertragerelemente hinreichend schlanke Abmessungen aufweisen. Durch eine vorteilhafte Dimensionierung des oberen Verteilers wird dies ermöglicht, wobei der hydraulische Durchmesser zu bilden ist als Quotient aus durchströmter Fläche und dem Umfang der durchströmten Fläche. Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem oberen Verteiler und den senkrechten Wärmeübertragerrohren Strömungselemente, z.B. Drosseln, Blenden, Ventile, Klappen, etc., zur Beeinflussung der Durchströmung der Wärmeübertragerrohre angeordnet sind. Das Wärmeträgermedium wird über den oberen Verteiler den Wärmeübertragerrohren zugeführt, wobei die Verteilung des Wärmeträgermediums der Druckverteilung im oberen Verteiler folgt. Um eine möglichst gleichmäßige und damit optimale Verteilung auf die einzelnen Wärmeübertragerrohre zu erzielen, sind vorteilhafterweise Strömungselemente zwischen dem oberen Verteiler und den Wärmeübertragerrohren angeordnet, die eine vergleichmäßigende Wirkung auf den lokalen Druck bzw. Durchfluss haben.

Erfindungsgemäß bildet zumindest ein Wärmeübertragerelement einen Wärmeübertrager für einen Wirbelschichttrockner, wobei besonders bevorzugt auch zwei oder mehrere Wärmeübertragerelemente den Wärmeübertrager bilden. Dabei können die Wärmeübertragerelemente parallel zueinander angeordnet sein. Gerade in Wirbelschichtanwendungen erlaubt dies weniger Ablagerungen am Wärmeübertrager als beispielsweise bei Wärmeübertragern mit horizontalen Rohrschlangen.

Erfindungsgemäß ist eine Wirbelschicht mit einer Wirbelschichtwandung und Wärmeübertrager mit Wärmeübertragerelementen umfasst, wobei Zulauf und Ablauf durch die Wirbelschichtwandung geführt sind, die senkrechten Wärmeübertragerrohre senkrecht, d.h. lotrecht, angeordnet sind und das Steigrohr, der obere Verteiler, der untere Sammler und die senkrechten Wärmeübertragerrohre innerhalb der Wirbelschichtwandung angeordnet sind. Entsprechend der Führung von Zulauf und Ablauf durch die Wandung und Anordnung des Steigrohrs in der Wirbelschicht, wobei das Steigrohr den Zulauf und den oberen Verteiler verbindet und wobei das Steigrohr derart ausgebildet ist, dass der Zulauf näher am Ablauf als am oberen Verteiler angeordnet ist, ergibt sich die erfindungsgemäße Wirkung.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Wärmeübertragers in einer Wirbelschicht mit Dampf als Wämeträgermedium. Gerade bei kondensierenden Medien - wie Dampf - hat der erfindungsgemäße Wärmeübertrager eine vorteilhafte Wirkung, wie niedrigen Druckverlust und optimale Entwässerungseigenschaften.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielhaft beschrieben. Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragerelement.

Fig. 1 zeigt ein Wärmeübertragerelement 1 mit einem Zulauf 2, einem Ablauf 3, senkrechten Wärmeübertragerrohren 4, einem unteren Sammler 5, wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre 4 an deren unteren Ende mit dem unteren Sammler 5 verbunden sind und der untere Sammler 5 mit dem Ablauf 3 verbunden ist, einem oberen Verteiler 6, wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre 4 an deren oberen Ende mit dem oberen Verteiler 6 verbunden sind und der obere Verteiler 6 mit dem Zulauf 2 verbunden ist. Weiter ist dargestellt, dass ein vertikales Steigrohr 7 zwischen dem Zulauf 2 und dem oberen Verteiler 6 angeordnet ist, wobei das Steigrohr 7 den Zulauf 2 und den oberen Verteiler 6 verbindet und wobei das Steigrohr 7 derart ausgebildet ist, dass der Zulauf 2 näher am Ablauf 3 als am oberen Verteiler 6 angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung bietet zahlreiche Vorteile. Das erfindungsgemäße Wärmeübertragerelement reduziert wirksam die Spannungsbeanspruchung des Wärmeübertragerelements und erlaubt größere Bauhöhen zu realisieren. Gleichzeitig erlaubt das erfindungsgemäße Wärmeübertragerelement einen vorteilhaften Druckverlust bzw. ein optimales Entwässerungsverhalten.