DD276521A1 - Ringwaermetauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Ring-Waermetauscher zur Kuehlung von Gasen im Waermeaustausch mit einem waermeaufnehmenden Medium. Ziel der Erfindung ist ein Waermetauscher, der fuer die Kuehlung von heissen, mit festen Partikeln verunreinigten unter Druck stehenden Gasen unter gleichzeitiger Erzeugung von hochwertigem Dampf geeignet ist. Aufgabe der Erfindung ist die Kuehlung von beispielsweise 900C heissen und unter hohem Druck stehenden Gasen. Erfindungsgemaess sind die Waermetauscherrohre U-foermig und mit unterschiedlichen Biegeradien ausgefuehrt und entlang der Gehaeuseachse angeordnet. Der Fall- und der Steigrohrteil der U-foermigen Rohre liegen auf einem Radialstrahl, wobei die Rohre mit dem geringeren Biegeradius von den Rohren mit dem groesseren Biegeradius umgeben sind. Der Fallrohrteil der Rohre mit dem kleinsten Biegeradius bildet den gasdichten Rohrkuehlschirm. Zwischen dem oberen Teil des Kollektors fuer die Zufuhr des zu erwaermenden Mediums und dem Deckel des Gehaeuses ist ein gasdichter, zylindrischer Mantelschuss angeordnet. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Dio Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Wärmetauscher und kann sowohl in der chemischen Industrie als auch in der energieerzeugenden Industrie zur Kühlung von Gasen mit einer Tomparatur von 650-900"C auf eine Temperatur von 120-25O⁰C im Wärmeaustausch mit einem vvärmeaufnehmenden Medium genutzt werden. Als wt -meaufnehmendes Medium dient vorzugsweise Wasser oder Dampf, so daß der erfindungsgemäße Ringwfirmetauscher zur Gewinnung von Sattdampf oder überhitztem Dampf mit für die nachfolgende Verwertung interessanten Parametern eingesetzt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Bekannt ist ein Wärmetauscher mit einem zylindrischen Gehäuse mit Stutzen zur Zuführung und Abführung eines Heizmediums, einem mit einer zweigeteilten Kammer versehenen Gehäusedeckel mit Stutzen zur Zuführung und Abführung des wärmeaufnohmenden Mediums sowie mit LMörmigon Wärmeaustauschrohren, deren Enden mit der zweigeteilten Kammer dos Gehäusedeckels verbunden sind. Die genannte Kammer wird nach dem Innenraum dos Gehäuses zu durch einen ebenen Boden abgeschk ssen, der senkrecht zur Gehäuseachse angeordnet ist und in dem die Enden der Wärmeaustauschrohre befestigt sind. Die Zweiteilung der Kammer wird durch eine ebene, längs der Achse zwischen Gehäusedeckel und ebenem Boden angeordneten Platte erreicht. Außerdem sind über die Länge des Gehäuses verteilte Segment-Trennwände zur Strömungsführung dos Heizmediums vorgesehen. (Grigor'ev V. Α., ΚοΙλα T. A. u. a. Kratkij spravoonik po teploobmennym apparatam (Kleines Nachschlagewerk zu Wärmetauschern), Gosenergoizdat, 1962, S.51) Dieser Wärmetauscher hat folgende Nachteile:

1. Weil die zweigeteilte Kammer des Gehäusedecke's aus einem ebenen Boden und ei·,or plattenförmigen Trennwand gebildet ist, hat der Wärmetauscher nur eine geringe Zuverlässigkeit beim Betrieb mit einerr Heizmedium hoher Temperatur oder bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Ein- und Ausgang aufgrund auftretender Verformung von Trennwänden und Boden.

2. Weil der Wärmetauscher mit Segmenttrennwänden zur Richtungsführung des Heizmittels ausgerüstet ist, ist er bei Heizmitteltemperaturen oberhalb SOO⁰C nicht mehr einsetzbar, da im Material der Trennwände Schäden auftreten.

Es ist weiter ein Ringwärmetauscher bekannt, der aus einem innen isolierten Gehäuse mit Stutzen für dio Zuführung und .Abführung des Heizmediums und Wärmeaustauschrohren besteht, die mit einem Ende an einem Eingangskollektor, mit dem anderen Ende an einem Ausgangskolloktor angeschlossen sind. Eingangs- und Ausgangskollektoren dienen der Zu- bzw. Abführung des wärmeaufnehmenden Mediums. Sie haben die Form von Rohren unterschiedlicher Länge, die koaxi&l ineinander geschachtelt, von einer zylinderfötmigen Isolationsschicht umgeben, längs der Gehäuseachse durch einen Deckel nach außen geführt und dort mit entsprechenden Anschlußstutzen versohen sind. Die Wärmeaustauschrohre sind in Form von

spiralförmigen Rohrschlangen mit gleicher Windungszahl und gleichem Windur.gsabstand ausgeführt und in koaxiale Pakete zusammengefaßt, die in der Mitte Übergangsstücke in Form sich kreuzender Rohre aufweisen, wobei die Wärmeaustauschrohre mit den Kollektoren über Verbindungsrohre verbunden sind, die radial die zylinderförmige Isolationsschicht durchdringen (UdSSR Urheberschein Nr. 1139219, KL.G28D, 7/02,1985).

Dieser Wärmetauscher ist für den vorgesehenen Einsatzfall geeignet, ist aber konstruktiv sehr kompliziert und demzufolge teuer ir. der Herstellung, der Mor.age und bei Reparaturen.

Ziel der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher, der für die Kühlung von heißen, mit festen Partikeln verunreinigten, unter Druck stehenden Gasen unter gleichzeitiger Erzeugung von hochwertigem Dampf geeignet ist, und der sich durch einfache Konstruktion, relativ geringem Fertigungs- und Montageaufwand und niedrigem Wartungs- und Instandhaltungsaufwand auszeichnet.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die Kühlung von beispielsweise 900"C heißen und unter hohem Druck

stehenden Gasen geeigneten Ringwftrmetautcher unter Verwertung an sich bekannter Elemente der

Wärmeübertragungstechnik zu schaffen, der einerseits die kostengünstige Fertigung und die kompakte Montage und Demontage der Wärmeaustauschflächen erlaubt, andererseits die effektive Gegenstromführung von Heizmedien und

wärmeaufnehmondon Medien sowie die Abscheidung von festen Verunreinigungen aus den Heizmedien und dessen Austragermöglicht.

Die Erfindung geht aus von einem Ringwärmetauscher, bestehend aus einem isolierten Gehäuse mit einem Deckel und mit Stutzen zur Zuführung und Abführung eines Heizmediums, einem Eingangs- und einem Ausgangskollektor für die Zuführung

und die Abführung eines aufzuwärmenden Mediums, die innerhalb des Gehäuses in dessen oberem Teil angeordnet sind, und

U-förmigen Wärmeaustauschrohren, die jeweils mit einem Schenkel mit dem Eingangskollektor und mit dem anderen Schenkel

mit dem Ausgangskollektor verbunden sind.

Erfindungsgernäß bestehen sowohl der Eingangskollektor als auch der Ausgangskollektor jeweils aus zwei zum Gehäuse

koaxialen, zylindrischen Mantelschüssen mit halbtoroidalen Boden.

Der Eingangskollektor ist längs seines vollen Umfanges mit dem Kopf seines Gehäuses gasdicht verbunden, beispielsweise

durch einen mit dem oberen Boden des Eingangskollektors und dem Kopf des Gehäuses verschweißten zylindrischen

Mantelschuß als Zwischenstück. F.rfindungsgemäß sind weiter die U-förmigen Wärmeaustauschrohre mit unterschiedlichem Biegeradius ausgeführt, wobei die Wärmeaustauschrohre mit geringerem Bieceradius von denen mit größerem Biegeradius umgeben sind. Die an dem Eingangskollektor angeschlossenen und als Fallrohrteil dienenden Schenkel der U-förmigen Wärmeaustauschrohre

mit dem geringsten Biepjradius sind auf einer koaxial zum Gehäuse liegenden Zylinderfläche angeordnet und zu einergasdichten Membrf»- ./and verbunden. Das kann beispielsweise in bekannter Weise durch Verschweißon mit Zwischenstegenerfolgen. Die Mf .oranwand unterteilt den Innenraum des Gehäuses in zwei koaxiale Züge, wobei der erste Zug mit dem Stutzenzur Zuführur _, des Heizmediums vorsehen ist und die an den Ausgangskollektor angeschlossenen und als Steigrohrteildienenden' .chenkel der Wärmeaustauschrohre aufnimmt, und der zweite Zug mit dem Stutzen zur Abführung des Heizmediumsversehen is und dio als Fallrohrteil dienenden, an den Eingangskollektor angeschlossene η Schenkel der Wärmeaustauschiohreaufnimmt, ine Verbindung zwischen den beiden Zügen besteht nur unterhalb der Membranwand, im unteren Teil des

Gehäuses, it. dem auch die die beiden Schenkel der U-förmigen Wärmeaustauschrohre verbindenden Rohrkrümmer angeordnet

sind. Dazu ist die Membranwand gasdicht mit dem Einyangskollektor verbunden.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Schenkel der U-förmigen Wärmeaustauschrohre im überwiegenden Teil ihrer Länge parallel zur Gehäuseachse angeordnet. Die beiden Schenkel jedes U-förmigen Wärmeaustauschrohres liegen

vorzugsweise in einer radial zum Gehäuse orientierten Ebene, wobei die Vorteile besonders dann zur Geltung kommen, wenndergenannte erste Schuß außen liegt, also als Ringraum den zweiten Schuß umgibt.

Die U-förmigen Wärmeausteuschrohre, die Membranwand, die den Innenraum des Gehäuses in zwei Züge unterteilt, und die Anordnung der Stoigrohrteile der U-förmigen Wärmeaustauschrohre in dem ersten Zug, der Fallrohrtoilo im zwoiton Zug

gewährleisten eine Seibetkompensation der thermischen Dehnung dieser Bauteile, die Gegenstromführung von Heizmedienund watmeaufnehmendon Medien und einfache Bauweise.

Dio Umlenkung der Gasströmung unterhalb der Membranwand führt durch Flienkraftwirkung zur Ausschoidung mitgeführter

fetter Partikel aus dem Strom des Heizmediums. Die abgetrennten Partikel können einfach über einen Stutzen Im Boden des

Gehäuses ausgetragen werden. Die Ausführung von Eingangs- und Ausgangskollektoren aus koaxialen zylindrischen Mantelschüssen und halbtoroidalen Böden bietet dio günstigste Möglichkeit der Einbindung der Wärmeaustauschrohrs in die Kollektoren und der Anordnung der Kollektoren im Oberteil des Gehäuses. Beides führt zu einer sehr kompakten Konstruktiv -ι,

erleichtert die Zuführung bzw. Abführung des wärmeaufnenmenden Mediums zu bzw. von den Kollektoren und bietet &'.

Möglichkeit, die Kollektoren und die Wärmeaustauschrohre als geschlossenes Paket zu montieren. Der gasdichte Schuß zwischen Membranwand, Eingangskollektor und Kopf des Gehäuses verhindert sicher Nebenströme von

heißem Heizmedium an der Wand des Gehäuses und damit Hochtempersturkorrosionen am Werkstoff dos Gehäuses.

Auslührungsbelspiel

Die Erfindung und ihre Wirkungsweise sei an einem Ausführungsbeispiel und der zugehörigen Figur näher erläutert. Dabei zeigt die Figur einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ringwärmetauscher.

Der Wärmetauscher besteht aus dem Gehäuse 1 mit der inneren Isolation und dem als Deckel 3 gestalteten Gehäusekopf. Der Deckel 3 mit einem gewölbten Bodon ist durch in der Figur nicht dargestellte Flansche mit dem zylindrischen Teil des Gehäuses 1 verbunden. Weiter ist seitlich am Gehäuse 1 unterhalb des Deckels 3, der Stutzen 4 für die Zufuhr des Heizmediums und in der Mitte des Deckels 3 der Stutzen 5 zur Abführung des Heizmediums angeordnet. Im unteren Teil des Gehäuses 1 befindet sich der Stutzen 6 zum Austrag von abgeschiedenen festen Verunreinigungen. Im oberen Teil des Gehäuses 1 sind der Eingangskollektor 7, der über das Verbindungsstück 9 in Form eines zylindrischen Mantelschusses gasdicht mit dem Deckel 3 verbunden ist, und der Ausgangskollektor 8 angeordnet. Die U-förmigen Wärmeaustauschrohre 10, die mit Biegeradius unterschiedlichen Durchmessers ausgeführt sind, sind mit den Enden ii.rer Schenkel in die innen liegenden Mantelflächen der Kollektoren eingebunden und hängend so angeordnet, daß die Wärmeaustauschrohre mit dem geringsten Biegeradius von den Wärmeaustauschrohren mit dem größten Biegeradius umgeben sind, und daß die in den Eingangskollektor 7 eingebundenen Schenkel der Wärmeaustauschrohre mit dem geringsten Biegeradius in einer koaxialen Zylinderfläche liegen und durch eingeschweißte Verbindungsstege zu einer gasdichten Membranwand 11 verbunden sind. Die Schenkel der U-förmigen Wärmeaustausc'trohre 10 verlaufen auf dem überwiegenden Teil ihrer Länge parallel zur Gehäuseachse, wobei die beiden Schenkel eines Wärmeaustauschrohres 10 jeweils in einer radial zum Gehäuse orientierten Ebene angeordnet sind. Dem Eingangskollektor 7 wird das aufzuwärmende Medium, in der Regel Speisewasser, zugeführt. Es durchströmt die U-förmigen Wärmeaustauschrohre zunächst in fallender, dann in steigender Richtung, wird dabei erwärmt oder !eilweise verdampft, tritt in den Ausgangskollektor 8 und wird von dort aus einem Verbraucher oder einer Ausdampftrommel zugeleitet. Über den Stutzen 4 wird heißes mit festen Aschepartikeln beladenes, in einem Gasgenerator erzeugtes Gae als Heizmedium zugeführt, strömt in einem ersten, durch die innere Isolation 2 des Gehäuses 1 und die Membranwand 11 begrenzton Zug abwärts, wird unterhalb der Membranwand 11 umgelenkt, strömt durch den zweiten, inneren Zug nach unten und wird über den Stutzen 5 aus dem Wärmetauscher abgeführt. Auf diesem Wege entlang der U-förmigen Wärmeaustauschrohre 10 gibt das Heizmedium seine Wärme an das im Gegenstrom geführte wärmeaufnehmende Medium ab. Bei der Umlenkung der Gasströmung unterhalb der Unterkantn der Membranwand 11 fällt ein bedeutender Teil der mitgeführten festen Partikel aus und wird über den Stutzen 6 ausgetragen. Die gasdichte Verbindung zwischen der Membranwand 11 und dem Eingangskollektor 7 sowie zwischen diesem und dem als Deckel 3 ausgebildeten Kopf des Gehäuses 1 verhindert einen möglichen Nebenstrom von heißem Gas entlang der Gehäusewand beziehungsweise durch die Isolation unter Umgehung des Kontaktes mit den Wärmeaustauschrohren 10.

Neben den bereits dargestellten Vorteilen bietet die fast ausschließlich längs der Wärmeaustauschrohre geführte Gasströmung günstigste Bedingungen zur Einschränkung von Ascheansätzen an den Wärmeaustauschrohren. Dem gleichen Zweck kommt zugute, daß im als Ringraum ausgebildeten ersten Zug, in dem das Heizmedium mit der höchsten Temperatur und dem höchsten Verunreinigungsgrad strömt, die Abstände zwischen den Wärmeaustauschrohren größer sind als im zweiten Zug. Schließlich erlauben die zylindrischen Mantelschüsse der Kollektoren eine beliebig große Anzahl von Reihen U-förmiger Wärmeaustauschrohre einzubinden. Die Böden garantieren ausreichende Festigkeit der Kollektoren bei geringer Wandstärke.

Claims (4)

1. Ringwärmetauscher, bestehend aus einem isolierten Gehäuse mit Stutzen zur Zuführung und Abführung eines Heizmediums, einem Eingangs- und einem Ausganyskollektor für die Zuführung und die Abführung eines aufzuwärmenden Mediums, welche innerhalb des Gehäuses in dessen oberem Teil angeordnet sind, und U-förmigen Wärmeaustauschrohren, die jeweils mit dem Eingangs- und mit dem Ausgangskollektor verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskollektor 7 und der Ausgangskollektor 8 aus zu dem Gehäuse 1 koaxialen zylindrischen Mantelschüssen mit halbtoroidalen Böden bestehen, der Eingangskollektor 7 auf seinem vollen Umfang mit dem Kopf des Gehäuses 1 gasdicht verbunden ist, die U-förmigen Wärmeaustauschrohre 10 mit unterschiedlichem Biegeradius ausgeführt sind, wobei die Wärmeaustauschrohre mit geringerem Biegeradius von denen mit größerem Ringeradius umgeben sind, die an den Eingangskollektor 7 angeschlossenen und als Fallrohrteile dienenden Schenkel der U-förmigen Wärmeaustauschrohre 10 mit dem geringsten Biegeradius auf einer koaxial zum Gehäuse liegenden Zylinderfiäche angeordnet und zu einer gasdichten Membranwand 11 verbunden sind, wobei zwei koaxiale Züge gebildet werden, von denen der erste Zug mix dem Stutzen 4 zur Zuführung des Heizmediums versehen ist und die an den Ausgangskollektor 8 angeschlossenen und als Steigrohrteil dienenden Schenkel der Wäirneausteuschrohre 10 aufnimmt und der zweite Zug die an den Eingangskollektor 7 angeschlossenen Schenkel enthält und mit dem Stutzen 5 zur Abführung des Heizmediums versehen ist.

2. Ringwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die .Schenkel der U-förmigen Wärmeaustauschrohre 10 im überwiegenden Teil ihrer Länge parallel zur Gehäuseachse angeordnet sind.

3. Ring Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schenkel der U-förmigen Wärmeaustauschrohre jeweils in einer radial zum Gehäuse orientierten Ebene liegen.

4. Ringwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste Zug den zweiten Zug als Ringraum umgibt.