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Patent Searching and Data


Title:
SCREW HEAT EXCHANGER, IN PARTICULAR FOR BULK MATERIALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/185388
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a screw heat exchanger, in particular for bulk materials, made of a tubular casing (1), in which a driven hollow shaft (4) is rotatably mounted that forms a heat transfer surface and has openings (5) at both ends, wherein the outer surface of the shaft is welded to an outer spiral belt (8) for conveying a material through a gap (7) between the shaft (4) and the casing (1), and the inner surface of said shaft is welded to an inner spiral belt (8) for conveying a material with a sensible heat which is to be transferred, said belts (6, 7) being wound in opposite winding directions.

Inventors:
ČECH BOHUMÍR (CZ)
SZELIGA ZBYSZEK (CZ)
DVOŘÁK PAVEL (CZ)
FOJTŮ RADIM (CZ)
Application Number:
PCT/CZ2020/000056
Publication Date:
September 23, 2021
Filing Date:
December 29, 2020
Export Citation:
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Assignee:
VS BANSKA TECHNICKA UNIVERZITA OSTRAVA (CZ)
International Classes:
F28D7/10; B65G33/14; B65G33/30; F26B17/18; F28D11/02; F28F5/04; F28F5/06
Attorney, Agent or Firm:
MARKES, Libor (CZ)
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Claims:
Patentansprüche

1. Schneckenwärmeübertrager, insbesondere für Schüttmaterialien, dadurch gekennzeichnet, dass er durch einen rohrförmigen Mantel (1) gebildet ist, in dem eine getriebene hohle, Wärmeübergangsfläche bildende Welle (4) drehbar gelagert ist, die an beiden Enden Öffnungen (5) hat, an deren äußeren Oberfläche ein äußerer spiralförmiger Gürtel (6) zur Beförderung eines Materials durch einen Spalt (7) zwischen der Welle (4) und dem Mantel (1) angeschweißt ist und an deren inneren Oberfläche ein innerer spiralförmiger Gürtel (8) zur Beförderung eines seine sensible Wärme zu übergebenden Materials angeschweißt ist, wobei die Gürtel (6, 8) im umgekehrten Wicklungssinn gewickelt sind.

2. Der Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an seinem einen Ende sich ein Eintritt (9) für das Material in den Spalt (7) zwischen dem Mantel (1) und der hohlen Welle (4), sowie ein Austritt (10) für das Material aus dem Hohlraum der Welle (4) befindet, wobei der Spalt (7) mit dem Hohlraum der Welle (4) am anderen Ende des Wärmeübertragers verbunden ist und wobei der Wärmeübertrager am anderen Ende mit Mitteln zur Erwärmung des Materials versehen ist.

3. Der Wärmeübetrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er an seinem einen Ende mit einem Eintritt (9) für das zu erwärmende Material in den Spalt (7) zwischen dem Mantel (7) und der hohlen Welle (4), sowie mit einem Austritt (10) für ein die sensible Wärme übergebenes Material aus dem Hohlraum der Welle (4) versehen ist, wobei er an seinem anderen Ende mit einem Austritt (13) für das erwärmte Material versehen ist, und wobei der Hohlraum der Welle (4) am anderen Ende an eine Zufuhr (14) eines die sensible Wärme zu übergebenden Materials angeschlossen ist.

4. Der Wärmeübetrager nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere spiralförmige Gürtel (8) am anderen Ende des Wärmeübertragers aus dem Hohlraum der Welle (4) herausragt.

5. Der Wärmeübetrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (9) zwischen dem Mantel (1) und der hohlen Welle (4) mit Luftkanälen (15) zur Abfuhr gasförmiger Produkte versehen ist.

6. Der Wärmeübetrager nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager der hohlen Welle (4) mit Zuleitungen (16) der Dichtungsluft versehen sind.

7. Der Wärmeübetrager nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Ränder des Spalts (7) zwischen dem Mantel (1) und der hohlen Welle (4) mit Paaren von Kreisringen zu einer Zufuhr (17) der Trennungsluft versehen sind.

8. Der Wärmeübetrager nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmigen Gürtel (6, 8) an der äußeren sowie inneren Oberfläche der hohlen Welle (4) unterbrochen sind.

9. Der Wärmeübetrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gürtelabschnitte an ihren hinteren Enden gegen den Sinn der Drehungen der Welle (4) gebogen sind.

10. Der Wärmeübetrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gürtelabschnitte in den Kontaktlinien mit der Welle (4) mit Öffnungen versehen sind.

Description:
Schneckenwärmeübertrager, insbesondere für Schüttmaterialien

Die Erfindung betrifft die Konstruktion eines schneckenförmigen Wärmeübertragers zur Übertragung von Wärme zwischen zwei schüttbaren Materialien, der insbesondere bei der Produktion von Baumaterialien und in der Energietechnik verwendbar ist.

Die SNCR-Methode (selective non-catalytic reduction) ist ein Verfahren zur Reduktion des Stickstoffinhalts in Emissionen der Kraftwerke, die Kohle, Biomasse oder Abfall verbrennen. In den Feuerraum des Kessels wird Ammoniakwasser oder Harnstoff gespritzt, wobei die Rauchgase bei Temperaturen von 760 °C bis 1000 °C mit Stickstoffoxiden reagieren. Endprodukte dieser Reaktion sind Stickstoff, Kohlenoxid und Wasser. Neben der Denitrifikationsreaktion entstehen ungewünschte Ammoniakverbindungen, die bei niedrigeren Temperaturen an der Oberfläche der Flugasche kondensieren und Ammoniaksalze bilden. Die Salze beschränken die Verwertung der Asche im Bauwesen, weil sich beim Zugeben von Wasser oder einer beliebigen Alkalie, z.B. Kalzium, Ammoniaksalze lösen, was einen unangenehmen Geruch des Baumaterials zur Folge hat.

Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass die Ammoniaksalze mittels Chemikalien verdrängt werden. Dadurch werden jedoch die erforderlichen Eigenschaften der Asche, insbesondere die Zementbildung, beeinträchtigt. Eine andere Lösung dieses Problems besteht in der thermischen Verdrängung der Ammoniumsalze durch deren Sublimation bei Temperaturen von 200 °C bis 400 °C. Bei diesem Verfahren bewahrt die Asche zwar die für die Bauindustrie wichtigen Eigenschaften, das Verfahren hat jedoch einen großen Energieverbrauch zum Nachteil. Die Asche ist dabei auf Temperaturen von 200 °C bis 400 °C zu erwärmen und nachher auf eine für Lagerung und nachfolgende Manipulation geeignete Temperatur abzukühlen.

Ähnliche Probleme entstehen bei der Produktion von beliebigen bröckeligen Baumaterialien, wie Zement, Kalk oder Gipsstein, die am Ende des Produktionsverfahrens hohe Temperaturen aufweisen. Die Temperatur ist auf ein sicheres Niveau zu senken. Die sensible Wärme, die dem Produkt z.B. mittels von Kühlwasser entnommen wird, wird dann ohne weitere Nutzung in die Umgebung abgeführt.

Die RU 2616630 präsentiert eine Anlage zur Verwendung von Kommunalabfall, in der das Material mit einer Förderschnecke durch eine zylinderförmige Pyrolysekammer befördert wird. Durch einen hohlen Mantel der Kammer strömt ein Heizmedium - zusätzlich auf die Temperatur von 1100 °C erwärmte Abgase eines Blockheizkraftwerks. Es handelt sich um einen Schneckenwärmetauscher, dessen Konstruktion jedoch keine Wärmeübertragung zwischen Schüttmaterialien von verschiedener Temperatur ermöglicht.

Aus der DE 3012829 ist eine Fermentationseinrichtung bekannt, die durch einen zylindrischen Behälter gebildet ist, in dessen senkrechten Achse ein Schneckenmischwerk angebracht ist, wobei an der Innenwand des Behälters ein spiralförmiger Band angeschweißt ist. Diese Anordnung dient lediglich zur vollkommenen Durchmischung des flüssigen Behälterinhalts.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Konstruktion eines Wärmeübertragers zu entwerfen, welcher die Ausnutzung der in einem Schüttmaterial enthaltenen sensiblen Wärme zur Vorheizung eines anderen Schüttmaterials bei Temperaturen von bis zu 400 °C ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Wärmeübertrager mit Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Schneckenwärmeübertrager ist durch einen rohrförmigen Mantel gebildet, in dem eine getriebene hohle, Wärmeübergangsfläche bildende Welle drehbar gelagert ist, die an beiden Enden Öffnungen hat, an deren äußeren Oberfläche ein äußerer spiralförmiger Gürtel zur Beförderung eines Materials durch einen Spalt zwischen der Welle und dem Mantel angeschweißt ist und an deren inneren Oberfläche ein innerer spiralförmiger Gürtel zur Beförderung eines seine sensible Wärme zu übergebenden Materials angeschweißt ist, wobei die Gürtel im umgekehrten Wicklungssinn gewickelt sind. In einer Ausführung des Wärmeübertragers befindet sich ein Eintritt für das Material in den Spalt zwischen dem Mantel und der hohlen Welle sowie ein Austritt für das Material aus dem Hohlraum der Welle an einem Ende des Wärmeübertragers, wobei der Spalt am anderen Ende des Wärmeübertragers mit dem Hohlraum der Welle verbunden ist und wobei der Wärmeübertrager am anderen Ende mit Mitteln zur Erwärmung des Materials versehen ist.

In einer anderen Ausführung ist der Wärmeübetrager an einem Ende mit einem Eintritt für das zu erwärmende Material in den Spalt zwischen dem Mantel und der hohlen Welle, sowie mit einem Austritt für das seine sensible Wärme zu übergebenen Material aus dem Hohlraum der Welle versehen, wobei er am anderen Ende mit dem Austritt für das erwärmte Material versehen ist, und wobei der Hohlraum der Welle am anderen Ende an eine Zufuhr eines seine sensible Wärme zu übergebenden Materials angeschlossen ist.

Der innere spiralförmige Gürtel kann mit Vorzug am anderen Ende des Wärmeübertragers aus dem Hohlraum der Welle herausragen, damit er in das Material bzw. Baustoff eingreift, der sich in dem den Hohlraum und den Spalt verbindenden Raum bzw. in der Materialzufuhr befindet.

Der Spalt zwischen dem Mantel und der hohlen Welle ist mit Luftkanälen zur Abfuhr gasförmiger Produkte versehen.

Lager der hohlen Welle sind mit Zuleitungen von Dichtungsluft versehen.

Beide Ränder der Spalt zwischen dem Mantel und der hohlen Welle sind mit Vorzug mit Paaren von Kreisringen zu einer Zufuhr der Trennungsluft versehen.

Die spiralförmigen Gürtel an der äußeren sowie inneren Oberfläche der hohlen Welle sind in einer anderen Ausführung des Wärmeübertragers unterbrochen, und in diesem Fall können die Gürtelabschnitte an ihren hinteren Enden gegen den Sinn der Drehungen der Welle gebogen oder in den Kontaktlinien mit der Welle mit Öffnungen versehen sein. Die Erfindung stellt also die Konstruktion eines kontinuierlich arbeitenden Wärmetausches dar, der die Wärmeübertragung zwischen Schüttmaterialien verschiedener Temperaturen ermöglicht. Zum Unterschied von den bekannten Wärmetauschern für Schüttmassen erfolgt die Wärmeübertragung unmittelbar zwischen den Massen, wobei kein Wärmevermittlungsträger nötig ist.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers besteht also in einem Paar spiralförmiger umgekehrt gewickelter Gürtel, die an der inneren bzw. äußeren Wand einer sich drehenden hohlen Welle angeschweißt sind und die das Material entlang der Wand der Welle in umgekehrten Richtungen befördern. Dabei wird die Wärme von einem Material zum anderen von verschiedener Temperatur durch die Wand der hohlen Welle übertragen. Die Materialien bewegen sich dabei im Gegenstrom, was zu einem hohen Wirkungsgrad des Wärmeübertragers beiträgt.

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Schneckenwärmeübertrager, in dem das

Schüttmaterial zuerst mittels einer externen Wärmequelle geheizt wird, bis es die zum Herausfließen der unerwünschten Begleitsubstanz nötige Temperatur erreicht hat, und nachher wird die erworbene sensible Wärme im aufgeheizten Material zum Vorwärmen des eintretenden Materials genutzt,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführung des

Schneckenwärmeübertragers, der zum Abkühlen eines heißen schüttbaren Endprodukts, z.B. bei der Produktion von Zement, Kalk oder Gips, und zur simultanen Übergabe von dessen sensiblen Wärme in das eintretende Material bestimmt ist,

Fig. 3 bis 5 verschiedene Ausführungen der hohlen Welle mit dem unterbrochenen äußeren Gürtel, bzw. mit Abschnitten des äußeren Gürtels,

Fig. 4 Gürtelabschnitte mit gebogenen hinteren Enden Fig. 5 Gürtelabschnitte, die in den Kontaktlinien mit der Welle mit Öffnungen versehen sind.

Der Schneckenwärmeübertrager nach Fig. 1 und 2 ist durch einen rohrförmigen Mantel 1 gebildet, in dem mittels zwei Halbachsen 2 - s. Fig. 1 - bzw. mittels einer Halbachse 2 und eines Lagers 3 - s. Fig.2 - eine drehbar gelagerte, getriebene hohle Welle 4 gelagert ist, die eine Wärmeübergangsfläche bildet und an beiden Enden mit Öffnungen 5 versehen ist. An der äußeren Oberfläche der hohlen Welle 4 ist ein äußerer spiralförmiger Gürtel 6 angeschweißt, der bei Drehungen der Welle 4 ein zu erwärmendes Material durch einen Spalt 7 zwischen dem Mantel 1 und der Welle 4 nach links befördert. An der inneren Oberfläche der hohlen Welle 4 ist ein innerer spiralförmiger Gürtel 8 angeschweißt, der bei Drehungen der Welle 4 das abzukühlende und seine sensible Wärme zu übergebende Material durch den inneren Raum der Welle 4 nach rechts befördert. Die Gürtel 6, 8, die eigentlich zwei Förderschnecken darstellen, sind im umgekehrten Wicklungssinn gewickelt.

Der Wärmeübertrager nach Fig. 1 ist zum zeitweiligen Aufwärmen des Materials und dessen anschließender Abkühlung bestimmt. Ein Eintritt 9 für das zu erwärmende Material in den Spalt 7 zwischen dem Mantel 1 und der Welle 4 und ein Austritt 10 für das abgekühlte Material aus dem inneren Raum der Welle 4 befinden sich hier am rechten Ende des Wärmeübertragers. Am linken Ende des Wärmeübertragers zwischen dem Mantel 1 und der Welle 4 ist eine Lücke 11 gebildet, die den Spalt 7 mit dem inneren Raum der Welle 4 verbindet. Am linken Ende ist der Wärmeübertrager mit einer externen Wärmequelle 12 versehen, die zum Nachwärmen des Materials dient. Das kann z.B. ein Gas- oder Ölbrenner oder ein Abwärme ausnutzender Wärmetauscher sein.

Der Wärmeübertrager nach Fig. 2 ist zur Nutzung der sensiblen Wärme eines frisch gebrannten Baustoffs bestimmt. Der Eintritt 9 für das zu erwärmende Material in den Spalt 7 zwischen dem Mantel 1 und der Welle 4 und der Austritt 10 für den abgekühlten Baustoff aus dem inneren Raum der Welle 4 befinden sich hier am rechten Ende des Wärmeübertragers. Am linken Ende des Wärmeübertragers befindet sich ein Austritt 13 für das erwärmte Material aus dem Spalt 7. An diesem Ende ist der Innere Raum der Welle 4 an eine Zufuhr 14 eines heißen Baustoffs, z.B. eines Klinkers aus einem Zementofen, angeschlossen, der seine sensible Wärme übergeben soll.

In beiden Ausführungen ragt der innere spiralförmige Gürtel 8 am anderen Ende des Wärmeübertragers aus dem Hohlraum der Welle 4 heraus, und greift so in das Material ein, das sich in der den inneren Raum der Welle 4 und den Spalt 7 verbindenden Lücke 11 bzw. in der Zufuhr 14 des Baustoffs befindet. Auf diese Weise wird die Materialzufuhr in den inneren Raum der Welle 4 unterstützt.

In der Ausführung nach Fig. 1 ist der Spalt 7 zwischen dem Mantel 1 und der hohlen Welle 4 mit Luftkanälen 15 zur Abfuhr von Gasprodukten versehen.

Wellenlager 2 sind bei beiden Ausführungen des Wärmeübertragers mit Zuleitungen 16 für die Dichtungsluft, und die Ränder des Spalts 7 zwischen dem Mantel 1 und der Welle 4 mit Paaren von Kreisringen zur Zufuhr 17 von Trennungsluft versehen.

In anderen Ausführungen ist der an der äußeren Oberfläche der Welle 4 befestigte äußere Gürtel 6 in Abschnitte getrennt - s. Fig. 3 bis 5. Diese Abschnitte können dann an ihren hinteren Enden gegen den Sinn der Drehungen der Welle 4 gebogen - s. Fig. 4, gegebenenfalls in den Kontaktlinien mit der Welle 4 mit Öffnungen versehen werden - s. Fig. 5.

Zu der Ausführung nach Fig. 1 :

Das zum Erwärmen bestimmte Material wird durch den Eintritt 9 in den Spalt 7 zwischen dem Mantel 1 und der hohlen Welle 4 zugeführt, in dem sich der spiralförmige an der Welle 4 angeschweißte äußere Gürtel 6 dreht, der das Material durch den nichtbeheizten Abschnitt des Spalts 7 nach links schiebt. Das Material wird in dem Endabschnitt, der mit der externen Wärmequelle 12 versehen ist, auf die Solltemperatur erwärmt. Am linken Ende des Wärmeübertragers füllt das Material die Lücke 11 und tritt in den inneren Raum der Welle 4 ein, wo es der im umgekehrten Wicklungssinn gewickelte innere Gürtel 8 nach rechts zum Austritt 10 schiebt. Dabei übergibt das Material die angenommene sensible Wärme durch die Wand der Welle 4 dem Material, das sich durch den Spalt 7 bewegt. Zugleich wird die sublimierte Komponente, wie Ammoniak und dessen Verbindungen, durch Luftkanäle 15 aus dem Material zur Neutralisierung abgeführt. Das Material fällt dann durch die Öffnung 5 in den Austritt 10 am rechten Ende des Wärmeübertragers. Um das Stauben der Anlage zu verringern, wird den Lagern an beiden Enden des Wärmeübertragers eine geringe Menge Dichtungsluft durch die Zuleitungen 16 zugeführt. Gleichzeitig wird hier eine geringe Menge Trennungsluft zwischen die Kreisringe zugeführt, die den Spalt 7 von dem Austrittsraum trennen. Der Wärmeübertrager ist mit einer Wärmeisolierung 18 versehen.

Zu der Ausführung nach Fig. 2:

Auch in diesem Wärmeübertrager bewegen sich die Medien im Gegenstrom. Der Baustoff von hoher Temperatur tritt durch die Zufuhr 14 für den heißen Baustoff in den Wärmeübertrager und wird mittels des inneren Gürtels 8, der aus dem inneren Raum der Welle 4 herausragt, in diesen Raum hineingezogen. Der Baustoff wird dann beim Drehen der Welle 4 mittels des inneren Gürtels 8 von links nach rechts geschoben, übergibt seine sensible Wärme über die Wand der Welle 4, seine Temperatur sinkt und er fällt am Ende der Welle 4 durch die Öffnung 5 in den Wärmeübertrageraustritt 10. Das kalte schüttbare Material (Beschickung) wird durch den Eintritt 9 dem Spalt 7 zugeführt und durch diesen nach links geschoben. Das vorgewärmte Material tritt dann durch den Austritt 13 aus dem Wärmeübertrager. Um das Stauben der Anlage zu verringern, wird eine geringe Menge Dichtungsluft den Lagern an beiden Enden des Wärmeübertragers durch die Zuleitungen 16 zugeführt. Gleichzeitig wird hier eine geringe Menge Trennungsluft zwischen die Kreisringe zugeführt, die den Spalt 7 von der Zufuhr 14 für den heißen Baustoff bzw. von dem Austrittsraum trennen. Der Wärmeübertrager ist gleichfalls mit einer Wärmeisolierung 18 versehen.

Um die Wärmeübertragung zu erhöhen, können die spiralförmigen Gürtel 6, 8 unterbrochen sein - s. Fig. 3 bis 5 - und ihre an die innere Oberfläche der hohlen Welle 4 in einem geeigneten Winkel angeschweißten Gürtelabschnitte können geformt sein. Sie können an ihren hinteren Enden gegen den Sinn der Drehungen der Welle 4 gebogen - s. Fig.4, oder in den Kontaktlinien mit der Welle 4 zwecks Umschüttelns des Materials mit Öffnungen versehen - s. Fig. 5 - sein. Das Umschütteln des Materials an der Wand der Welle 4 erhöht die Wärmeübertragung über die Wellenwand und dadurch den Wirkungsgrad des Wärmeübertragers. Der Wärmeübetrager ist bei den Temperaturen über dem Kondensationspunkt zu betreiben.

Der erfindungsgemäße Wärmeübetrager wurde in zwei Varianten entworfen:

In der Ausführung nach Fig. 1 dient er zur Erwärmung von schüttförmigem Material durch eine externe Wärmequelle für eine erforderliche bestimmte Zeit und dann zur Rücknutzung der sensiblen Wärme in dem abzukühlenden Material zum Erwärmen des eintretenden Materials.

In der Ausführung nach Fig. 2 ist der Wärmeübertrager zur Nutzung der sensiblen Wärme eines aus einem Produktionsprozess austretenden heißen schüttbaren Baustoffs, u. zw. zum Vorwärmen eines Rohstoffs, der in den Prozess eintritt. Die Anlage kann ihren Einsatz in der Zementindustrie finden, wo es nötig ist, den austretenden Baustoff von hoher Temperatur auf ein gefahrloses Niveau abzukühlen.

Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager zeigt seine Vorteile besonders in Betrieben, wo kontinuierlich mit größeren Materialmengen gearbeitet wird. So einen Fall stellen insbesondere Wärmetauscher zur Durchführung von Denitrifikationsmethoden dar, bei denen es notwendig ist, aus der den Verbrennungsprozess verlassenden Asche auf thermische Weise Ammoniumsalze zu entfernen.