CN101929546B - 包括在已冷却管和未冷却管之间的管形连接的用于冷却反应气的换热器 - Google Patents
包括在已冷却管和未冷却管之间的管形连接的用于冷却反应气的换热器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于冷却反应气的换热器，该换热器包括在已冷却管和未冷却管之间的管形连接，因而已冷却内管(3)被管形套管(4)围绕，并且经由与未冷却管连接并且具有叉形截面的进入口头部(11)与未冷却的热管连接。该进入口头部(11)具有外管形部分(13)和内管形部分(12)，在该外管形部分(13)和内管形部分(12)之间设置用隔热材料填充的中间空间。该外管形部分(13)与管形套管(4)连接。该内管形部分(12)与内管(3)稍稍轴向间隔开，并且密封件设置在该内管(3)的端面和内管形部分(12)的端面之间。该密封件做成U形环(19)并且设置在该进入口头部(11)的内管形部分(12)的端面中的凹口(18)中，因而该凹口(18)被形成为从与内管(3)稍稍轴向隔开的内管形部分(12)的外凸边缘区(17)径向向外。该进入口头部(11)的内管形部分(12)的边缘区(17)和内管(3)之间的稍小轴向间隔等于或小于该进入口头部(11)的最大热膨胀。
Description
技术领域
本发明涉及用于冷却反应气的换热器，并且包括在已冷却管和未冷却管之间的管形连接，且该换热器具有权利要求1的前序部分中的特征。
背景技术
从DE 195 31 330 C2了解到用于冷却反应气并且包括管形连接的这种类型的换热器。反应气是在反应炉中通过碳氢化合物的热反应而产生的。这种反应炉具有许多外部加热的反应管，所用的碳氢化合物伴随有附加水蒸汽被输送通过所述反应管。产生的反应气以高至900℃的温度离开反应管，并且必需被快速冷却，以稳定其分子组成。反应气的快速冷却是在反应气冷却器中利用从反应气到高压下的汽化水的热交换来实现的。
关于从DE 195 31 330 C2得知的管形连接，未冷却管的端部具有进入口头部(inlet head)，该进入口头部以叉形方式变宽并且具有内、外管形部分。用隔热材料填充在该两个管形部分之间的中间空间。该外管形部分焊接于已冷却双管的管形外壳或套管。该内管形部分与已冷却双管的内管轴向间隔开，因而做成如环(C形、O形、U形或V形)的密封件被设置在该内管形部分和该内管的端面之间；该密封环是用来防止反应气渗入隔热材料中。
用于未冷却管与已冷却管的连接、用隔热材料填充的叉形进入口头部也与从EP 810 414 B1中得知的用于冷却反应气的换热器一起使用。关于这种已知的换热器，已冷却管由被管形外壳以径向隔开的方式围绕内管组成。用于供给冷却剂的水箱围绕该已冷却管的进口端。水箱由整体的方形或长方形部件构成，具有圆截面的凹入部分被引入该整体的方形或长方形部件中。该凹入部分容纳单个已冷却管，因而，已冷却管的内管焊接于该凹入部分的底部(base)，而管形外壳焊接于该水箱。进入口头部的外管形部分在背离该管形外壳的一侧焊接于该水箱，而进入口头部的内管形部分与已冷却管的内管轴向间隔开。
由于内管和内管形部分之间的轴向间隙，该已知的进入口头部允许热引起的不受限制的长度膨胀。引入的隔热件使得与已冷却管固定地连接的进入口头部的外管形部分呈现出低于流过该未冷却管的气体温度的壁温。以这种方式管子在连接位置所达到的壁温相互适应，因此使在该连接位置的热应力最小。内管形部分和内管之间的密封环(C形、O形、U形或V形)防止反应气渗入进入口头部的隔热材料中。高于550℃时碳能够从反应气中析出并且能够沉积在该密封环上。结果，密封环能够泄漏，因此反应气能够渗入隔热材料中。作为另一个结果，从反应气的泄漏流中析出的碳能够沉积在隔热材料上，导致在该进入口头部的内管形部分中的屈曲应力以及外管形部分中圆周应力。
发明内容
本发明的目的是构造前述类型的换热器，其包括在未冷却管和已冷却管之间的管形连接，以当碳被析出时改进关于反应气的密封。
对于前述类型的换热器，通过权利要去1的特征创造性地实现了该目的，其中该换热器包括在未冷却管和已冷却管之间的管形连接。本发明的有利实施例是从属权利要求的实质内容。
关于包括在未冷却管和已冷却管之间的管形连接部分的创造性换热器，做成U形环的密封环在达到500至600℃的温度之前承担第一密封装置的任务。如果高于550℃，则开始从反应气中析出碳，热引起的内管形部分的长度延伸或膨胀发展到如下程度，即使得从密封环径向向内设置的该内管形部分的凸出边缘区和该内管之间的间隙被跨接，因此产生金属与金属的接触。这种接触防止反应气沿着朝着密封环和该进入口头部的内和外管形部分之间的中间空间的方向渗透，并且用作第二密封装置。在本发明的另一个实施例中，隔离用隔热材料填充的该中间空间的柔性薄膜使可能渗透的反应气完全远离该隔热材料。以这种方式，该柔性薄膜用作第三密封装置。
附图说明
本发明的多个示例性实施例将在下面将详细描述并且示于附图中，其中：
图1是通过依据本发明的具有管形连接的换热器的下部的纵向剖视图；
图2示出图1或图3的区域Z的细节；及
图3是通过依据本发明的具有不同管形连接的换热器的下部的纵向剖视图。
具体实施方式
反应气是在反应炉中通过碳氢化合物与水蒸汽或蒸气反应而产生的。反应炉具有反应管1，该反应管1被外部地加热，并且所用的材料流过该反应管1。以高达900℃的温度离开该反应管1的反应气直接进入反应气冷却器，该反应气冷却器直接设置在该反应炉上方。在反应气冷却器中，通过突然冷却并且与高压下的汽化水热交换来稳定反应气的分子组成。
反应气冷却器包含多个冷却管2，所述多个冷却管2以相互相邻成排的方式设置使得每个冷却管2与未冷却反应管1之一相关联，并且以其轴向延伸方式设置。每个冷却管2由被管形外壳或套管4围绕的已冷却内管3组成，且其中形成有冷却剂通过的环形空间。如图所示，反应管1和内管3的内直径通常是类似大小。
冷却剂的供给和抽出分别是经由水箱5来实现的，水箱5围绕冷却管2的所示下端和未示出上端。水箱5由整体的正方形或长方形件制造，且具有圆形截面的凹入部分6形成在其中；冷却管2与每个凹入部分6相关联。管形套管4在背离反应管1的一侧上被焊接于水箱5。这样做，在焊接位置该管形套筒4的内直径与凹入部分6的直径一致。
凹入部分6在形成水箱5的件内到达如下深度，即留下了具有小剩余厚度的环形底部7。内管3焊接于该底部7。环形底部7的表面由内管3的外直径和凹入部分6的直径限定。
孔8优选在底部7的水平(level)处切向地打开到每个凹入部分6内。孔8经由连接件9分别与冷却剂供给管路10连接。冷却剂以高速通过孔8并进入凹入部分6，产生绕内管3的旋转流。这个流确保对凹入部分6的底部7的良好冷却，并且还防止颗粒物沉积在底部7上，而沉积在底部7上的颗粒物将导致损坏、局部过热。
反应管1的排出端以叉形方式变宽，并形成进入口头部11。这个进入口头部11由形成反应管1的延伸部分的内管形部分12和外管形部分13构成；两个管形部分在一端相互连接。该外管形部分13焊接于水箱5的底侧。进入口头部11的内管形部分12相对内管3轴向地间隔开。
隔热件被引入到进入口头部11的内管形部分12和外管形部分13之间的环形中间空间中。隔热件由若干层隔热材料构成，所述若干层被设置成沿着轴向方向一个跟着一个。在所示的实施例中，提供三层，具体说第一层14、第二层15和第三层16。层14、15和16的热传导率互不相同。就此而论，层14、15和16以如下方式被引入到中间空间中，即面向内管3的第一层14具有最低的传热系数，而面向反应管1的第三层具16有最高的传热系数。设置在它们之间的层15具有中等传热系数。因此层14、15、16的隔热效果沿着朝向内管3的方向(即沿着背离反应管1的方向)增加。能够通过选择层14、15、16的材料或密度或厚度来改变不同的传热系数。单个的层14、15、16沿着轴向方向的高度可以不同，并且通过所需隔热效果的变化来确定。
传热系数的差值是在面向反应管3的一侧上的10W/m*K和面向内管3的一侧上的0.2至0.6W/m*K之间。隔热件可以由矿物材料或纤维材料构成，并且作为浇注或铸造的并且可固化的质量或作为模制部件被引入到中间空间中。
内管形部分12的内直径与内管3的内直径相同。正如从图2所认识到的，内管形部分12的端面具有从内直径开始并且向外突出的边缘区17。从该边缘区17径向向外，内管形部分12的端面具有环形凹口18。做成U形环19的密封环被放置在凹口18中。该U形环19的支腿抵靠在凹口18的底部上和内管3的端面上。U形环19用作第一密封件以便在低温下防止反应气沿着朝向在进入口头部11内的中间空间的方向逸出以及防止被引入其中的隔热材料逃逸。
内管形部分12的向内设置的边缘区17距内管3的端面的轴向间隔小于该进入口头部11的由热引起的最大长度延伸或膨胀，该延伸或膨胀是由于进入口头部11的尺寸在工作期间发生的。当已经达到预定的温度时，由于继续进行长度膨胀，所以进入口头部11和内管3之间的间隔被跨接，造成内管形部分12的外凸边缘区17和内管3之间产生金属-金属接触。这种金属-金属接触用作第二密封件，并且在较高温度下防止反应气沿着朝向该U形环19和该进入口头部11内的中间空间的方向渗透，或至少大大地限制这种渗透。
该进入口头部11内的容纳隔热材料的中间空间由不能透过气体的环形弹性薄膜20封闭。该薄膜20密封地固定于内、外管形部分12、13。薄膜20优选是波纹的。它用作第三密封件以防止可能已经穿过该U形环19的排气到达隔热材料。
不用上面所述的水箱5，则该进入口头部11也能够焊接于用于向已冷却管供给冷却剂的不同构造的收集装置。
如图3所示，通过将进入口头部11的外管形部分13朝外焊接于已冷却管，该进入口头部11也能够直接连接于由内管3和环形套管4构成的已冷却管。进入口头部11的内管形部分12呈现为上面所述的方式，并且被置于在已冷却管的封闭端的对面，因而U形环19用作在外凸边缘区17前径向向外的内管形部分12端面内的凹口18中的密封环，并且在该进入口头部11的内、外管形部分12、13之间的中间空间由气体不能透过的薄膜20封闭。
Claims (6)
1.一种用于冷却反应气的换热器，包括在已冷却管(2)和未冷却管(1)之间的管形连接，其中所述已冷却管(2)包括已冷却内管(3)和套管(4)，其中所述已冷却内管(3)被所述套管(4)围绕并且其中所述已冷却管(2)经由与所述未冷却管(1)连接并具有叉形截面的进入口头部(11)与所述未冷却管(1)连接，该进入口头部(11)具有外管形部分(13)和内管形部分(12)，在该外管形部分(13)和内管形部分(12)之间设置有用隔热材料填充的中间空间，其中该外管形部分(13)与所述套管(4)连接，而所述内管形部分(12)与所述内管(3)稍稍轴向间隔开，并且密封件被设置在该内管(3)的端面和该内管形部分(12)的端面之间，所述换热器的特征在于该密封件做成U形环(19)并且被设置在该进入口头部(11)的所述内管形部分(12)的端面中的凹口(18)中，其中该凹口(18)径向向外地形成在与所述内管(3)稍稍轴向隔开的所述内管形部分(12)的外凸边缘区(17)中，并且其中该进入口头部(11)的所述内管形部分(12)的所述边缘区(17)和所述内管(3)之间的稍小轴向间隔等于或小于该进入口头部(11)的最大热膨胀。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于在所述进入口头部(11)容纳所述隔热材料的所述中间空间上方设置有气体不能透过的柔性薄膜(20)，该柔性薄膜(20)以与所述进入口头部(11)的所述内和外管形部分(12、13)密封的方式熔合。
3.根据权利要求2所述的换热器，其特征在于该气体不能透过的薄膜(20)是波纹的。
4.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于该进入口头部(11)的所述外管形部分(13)和所述套管(4)在相互分别对面设置的端部处连接于水箱(5)，其中该水箱(5)由整体的杆形件构成，且圆形凹入部分(6)被引入到该整体的杆形件内且分别围绕被焊接于该凹入部分(6)的薄底部(7)的单个内管(3)，并且其中该凹入部分(6)的直径对应于该套管(4)的内直径。
5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于该进入口头部(11)的所述外管形部分(13)直接连接于该套管(4)。
6.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于该隔热材料由沿着轴向方向一个跟着一个设置的多层(14、15、16)组成，并且所述层的传热系数随着距所述内管(3)的距离的增加而增加。
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