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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Temperaturänderung eines Mediums, die Verwendung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers.
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In verschiedensten Anwendungen werden Wärmetauscher eingesetzt, um Medien abzukühlen oder anzuwärmen. Beispielsweise wird das in einem Vergasungsreaktor erzeugte heiße Syntheserohgas in einem Prozess-Gas-Kühler bzw. -Anwärmer unter Produktion von Hochdruckdampf abgekühlt.
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Bei der Verwendung solcher Wärmetauscher wird ein erstes Medium, also beispielsweise Prozess-Gas, zunächst in eine Eintrittskammer eingeleitet und von dort über mehrere erste Kanäle in eine von einer der Eintrittskammer beabstandete Austrittskammer geleitet. Diese ersten Kanäle, oftmals auch als Rohrbündel oder, insbesondere im Falle eines Rohrbündelwärmetausches als rohrseitige Kanäle bezeichnet, sind dabei von einem Mantel umgeben, der durch einen zweiten Kanal, dann auch als mantelseitiger Kanal bezeichnet, gebildet wird, durch den ein weiteres bzw. zweites Medium strömen kann, um das erste Medium, das durch die ersten Kanäle strömt, je nach Verwendung abzukühlen oder anzuwärmen. Aus der Austrittskammer kann das abgekühlte bzw. angewärmte Medium dann aus dem Wärmetauscher herausgeführt werden.
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Weiterhin kann dieses erste Medium von der Eintrittskammer über einen Bypass in die Austrittskammer geführt werden, welcher Bypass dabei parallel zu den ersten Kanälen bzw. dem Rohrbündel geführt ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Temperaturänderung des ersten Mediums einzustellen, indem der Strom dieses Mediums durch den Bypass eingestellt wird.
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Nachteilig an solchen Wärmetauschern kann jedoch sein, dass diese verhältnismäßig viel Platz einnehmen, insbesondere in derjenigen Richtung, in welcher sich das Rohrbündel erstreckt. Dies geht darüber hinaus mit verhältnismäßig hohen Materialkosten bzw. Herstellungskosten einher.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen kompakteren und/oder günstigeren Wärmetauscher bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher, eine Verwendung eines Wärmetauschers sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art, der zur Temperaturänderung eines ersten Mediums dient. Ein solcher Wärmetauscher weist eine Eintrittskammer mit einer Einlassöffnung auf, durch welche das erste Medium in die Eintrittskammer einbringbar ist. Zudem weist der Wärmetauscher eine Austrittskammer mit einer Auslassöffnung auf, durch welche das erste Medium aus der Austrittskammer und damit insbesondere auch aus dem Wärmetauscher herausführbar ist. Zudem sind mehrere erste Kanäle vorgesehen, durch welche die Eintrittskammer und die Austrittskammer derart verbunden sind, dass das erste Medium von der Eintrittskammer über die ersten Kanäle in die Austrittskammer strömen kann. Diese ersten Kanäle können in Form von mehreren Rohren, insbesondere in Form eines sog. Rohrbündels, vorliegen. In diesem Zusammenhang ist oftmals auch von einem Rohrbündelwärmetauscher mit rohrseitigen Kanälen die Rede.
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Weiterhin ist ein zweiter Kanal mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung für ein zweites Medium vorgesehen, der die ersten Kanäle umgibt. Ein solcher zweiter Kanal kann beispielsweise sehr einfach dadurch gebildet sein, dass ein Mantel vorgesehen ist, der die ersten Kanäle bzw. das Rohrbündel umgibt. Innerhalb dieses Mantels können vorzugsweise auch noch geeignete Trennwände oder dergleichen vorgesehen sein, um den zweiten bzw. mantelseitigen Kanal beispielsweise besser an den ersten Kanälen entlang zu führen. Außerdem ist ein Bypass zwischen der Eintrittskammer und der Austrittskammer für das erste Medium vorgesehen. Wie bereits erwähnt, kann über einen solchen Bypass das erste Medium an den ersten Kanälen vorbeigeführt werden, um so letztendlich die Temperaturänderung des ersten Mediums einzustellen.
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Erfindungsgemäß grenzen die Eintrittskammer und die Austrittskammer aneinander an, wobei der Bypass durch einander zugewandten Seitenflächen der Eintrittskammer und der Austrittskammer geführt ist. Insbesondere können die Eintrittskammer und die Austrittskammer hierzu eine gemeinsame Wand aufweisen, durch die der Bypass geführt ist. Dies bedeutet insbesondere auch, dass die ersten Kanäle nicht mehr nur gerade angeordnet sein müssen, sondern in gewisser Weise bogenförmig von der Eintrittskammer zur Austrittskammer verlaufen können. Im Vergleich zu einer geraden Ausführung der ersten Kanäle und einer entsprechend von der Eintrittskammer beabstandeten Austrittskammer ist auf diese Weise eine deutlich kompaktere Bauform möglich. Hierzu trägt vor allem auch bei, dass die Eintrittskammer und die Austrittskammer eine gemeinsame Wand aufweisen, durch die zudem auch der Bypass geführt ist. Dieser muss daher auch nicht mehr über die gesamte Länge der ersten Kanäle geführt werden. Auch hier sind erhebliche Material- und Kosteneinsparungen möglich.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Eintrittskammer und die Austrittskammer auf einer gemeinsamen Seite bezüglich einer Haupterstreckungsrichtung der ersten Kanäle angeordnet sind. Unter einer Haupterstreckungsrichtung soll hierbei insbesondere diejenige Erstreckungsrichtung der ersten Kanäle verstanden werden, die die größte Abmessunge aufweist. Bevorzugt ist dabei auch, wenn die ersten Kanäle U-förmig angeordnet sind. Im Vergleich zu einer herkömmlichen, d.h. geraden Anordnung der ersten Kanäle, ist es auf diese Weise möglich, die Länge des Wärmetauschers in etwa zu halbieren. Trotz etwaiger Vergrößerungen in den anderen Richtungen bedeutet dies eine erhebliche Material- und Kosteneinsparung.
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Vorzugsweise weist die Eintrittskammer eine wärmeisolierende, insbesondere auch feuerfeste, Auskleidung auf. Da das erste Medium in die Eintrittskammer mit verhältnismäßig hohen Temperaturen, beispielsweise ca. 850 °C, eingeleitet wird, kann durch die Verwendung einer solchen Auskleidung die Effizienz des Wärmetauschers erheblich gesteigert werden. Zudem kann auf diese Weise erreicht werden, dass eine äußere Wandung der Eintrittskammer aus einem herkömmlichen Material wie beispielsweise Chrom-Molybdän-Stahl (Cr-Mo) ausgebildet werden kann. Dieser Stahl kann im Übrigen beispielsweise auch für die Austrittskammer und einen den zweiten Kanal bildenden Mantel verwendet werden.
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Vorteilhafterweise weisen die Eintrittskammer und die Austrittskammer eine gemeinsame Wand auf, in der eine verschließbare Durchgangsöffnung (zusätzlich zum Bypass) vorgesehen ist. Mittels einer solchen Durchgangsöffnung kann die Herstellung des Wärmetauschers, insbesondere die Anbringung der Auskleidung in der Eintrittskammer, deutlich erleichtert werden. Hierzu sei auch auf die noch folgenden Ausführungen zur Herstellung eines Wärmetauschers verwiesen.
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Besonders bevorzugt ist auch, wenn für den Bypass ein Ventil vorgesehen ist. Ein solches Ventil kann dabei insbesondere auf Seiten der Austrittskammer angeordnet sein. Durch die Verwendung eines solchen Ventils kann ein Durchfluss eines ersten Mediums von der Eintrittskammer in die Austrittskammer versperrt oder freigegeben werden, um so die Temperaturänderung des ersten Mediums einzustellen. Durch eine Anordnung des Ventils auf Seiten der Austrittskammer wird zudem erreicht, dass dieses Ventil einer geringeren Degradation, beispielsweise durch gewisse Bestandteile oder Stoffe in dem ersten Medium, die das Ventil bzw. dessen Material angreifen, unterliegt. Der Grund hierfür liegt darin, dass auf Seiten der Austrittskammer eine deutlich geringere Temperatur vorherrscht als auf Seiten der Eintrittskammer. Die Temperatur auf Seiten der Austrittskammer beträgt beispielsweise ca. 330 °C. Zudem ist es besonders zweckmäßig, wenn das Ventil ein besonders widerstandsfähiges Material wie beispielsweise Alloy 602CA aufweist oder aus diesem besteht.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn ein solches Ventil einstell- und/oder regelbar ist, da auf diese Weise eine Temperaturänderung des ersten Mediums besonders genau eingestellt bzw. geregelt werden kann. Vorzugsweise kann dabei auch eine Einstell- und/oder Regeleinheit für das Ventil vorgesehen sein, die insbesondere außerhalb des Wärmetauschers oder an dessen Außenseite angeordnet sein kann. Dies ermöglicht eine besonders einfache Einstellung oder Regelung des Ventils.
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Vorzugsweise sind die Austrittskammer und/oder der zweite Kanal jeweils wenigstens teilweise mit einer Wärmeisolierung umgeben. Denkbar ist auch, dass die Wärmeisolierung die Austrittskammer und/oder den mantelseitigen Kanal vollständig umgibt. Auf diese Weise wird eine unnötige Wärmeabfuhr nach Außen vermieden, sodass die Effizienz des Wärmetauschers erhöht wird.
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Vorteilhafterweise sind von Seiten der Eintrittskammer Hülsen in die ersten Kanäle eingebracht. Solche Hülsen (engl. „ferrules“) dienen dem Schutz der ersten Kanäle zumindest auf Seiten der Eintrittskammer vor Degradation beispielsweise durch gewisse Bestandteile oder Stoffe in dem ersten Medium, die das Material der ersten Kanäle angreifen. Insofern ist es besonders zweckmäßig, wenn die Hülsen ein besonders widerstandsfähiges Material wie beispielsweise Alloy 602CA aufweisen oder aus diesem bestehen.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers als Prozess-Gas-Kühler und/oder als Prozess-Gas-Anwärmer mit dem ersten Medium als Prozess-Gas. Als erstes Medium bzw. als Prozess-Gas kommt dabei insbesondere reformiertes Gas in Frage, das insbesondere aus einer Synthesegasanlage stammen kann, wie dies beispielsweise auch eingangs bereits erwähnt wurde. Als zweites Medium kommt insbesondere gasförmiges Medium wie beispielsweise Wasserdampf oder aber auch eine Flüssigkeit in Frage. Der Wasserdampf oder generell das zweite Medium kann dabei eine Temperatur von beispielsweise ca. 270 °C aufweisen.
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Hinsichtlich der Vorteile dieser Verwendung sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zum Wärmetauscher verwiesen.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, der die erwähnte Durchlassöffnung in der gemeinsamen Wand sowie eine wärmeisolierende Auskleidung in der Eintrittskammer aufweist. Hierbei wird nun bei geöffneter Durchgangsöffnung zunächst die wärmeisolierende Auskleidung in der Eintrittskammer angebracht. Dies bedeutet insbesondere auch, dass die Durchgangsöffnung zunächst von wärmeisolierender Auskleidung frei bleibt. Anschließend wird dann die Durchgangsöffnung unter Anbringung der wärmeisolierenden Auskleidung auch in der Durchgangsöffnung verschlossen. Hierzu kann beispielsweise die wärmeisolierende Auskleidung auf einem Verschlussdeckel angebracht werden, welcher dann zum Verschließen der Durchgangsöffnung verwendet wird. Während eine Zugänglichkeit zur Eintrittskammer zwar bereits durch die Einlassöffnung für das erste Medium gewährleistet sein kann, wird eine solche Zugänglichkeit durch diese zusätzliche Durchgangsöffnung deutlich verbessert. Insbesondere wird die Herstellung nach dem erwähnten Verfahren ermöglicht, was eine deutlich schnellere Herstellung des Wärmetauschers zur Folge hat.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen nicht erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
- 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in bevorzugter Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist schematisch ein nicht erfindungsgemäßer Wärmetauscher 100 dargestellt, wie er beispielsweise auch eingangs erwähnt wurde. Der Wärmetauscher 100 weist eine Eintrittskammer 110 und eine Austrittskammer 120 auf. Über eine Einlassöffnung 111 kann einn erstes Medium a, beispielsweise ein Prozess-Gas, in die Eintrittskammer angebracht werden und über mehrere erste bzw. rohrseitige Kanäle 130, die beispielsweise in Form eines Rohrbündels vorliegen können, kann das erste Medium a von der Eintrittskammer 110 in die Austrittskammer 120 strömen. Durch eine Auslassöffnung 121 kann das erste Medium a dann aus der Austrittskammer 120 und damit auch aus dem Wärmetauscher 100 herausgeführt werden.
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Weiterhin ist ein zweiter bzw. mantelseitiger Kanal 150 vorgesehen, der hier durch einen Mantel 151, welcher die rohrseitigen Kanäle 130 umgibt, gebildet wird. Über eine Einlassöffnung 131 kann ein zweites Medium b, beispielsweise Wasserdampf, in den mantelseitigen Kanal 150 eingebracht werden, welches dann durch diesen mantelseitigen Kanal hindurchfließt und anschließend durch die Auslassöffnung 132 wieder ausgebracht werden kann. Auf diese Weise kann das durch die rohrseitigen Kanäle 130 fließende erste Medium a - je nach Verwendung - gekühlt oder angewärmt werden.
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Weiterhin ist ein Bypass 160 vorgesehen, der die Eintrittskammer 110 und die Austrittskammer 120 verbindet und über welchen ebenfalls erstes Medium von der Eintrittskammer 110 in die Austrittskammer 120 strömen kann. Ein Durchmesser dieses Bypasses 160 ist jedoch deutlich größer als der Durchmesser der einzelnen rohrseitigen Kanäle bzw. Rohre 130. Für den Bypass 160 ist zudem ein Ventil 161 vorgesehen, welches mittels einer Einstell-Vorrichtung 162 eingestellt werden kann, sodass ein Volumenstrom durch den Bypass 160 eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine Abkühlung oder Erwärmung ersten Mediums a eingestellt werden.
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In der Eintrittskammer 110 ist eine wärmeisolierende, insbesondere feuerfeste, Auskleidung 112 vorgesehen. An der Außenseite des mantelseitigen Kanals 150 bzw. des Mantels 151, gegebenenfalls auch an der Außenseite der Austrittskammer 120, ist ebenfalls eine Wärmeisolierung 125 vorgesehen. Von Seiten der Eintrittskammer 110 sind zudem Hülsen 135 in die rohrseitigen Kanäle 130 eingebracht.
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An der Eintrittskammer 110 ist zudem eine Zugangsöffnung 170 vorgesehen, durch welche es möglich ist, die Auskleidung 112 innerhalb der Eintrittskammer 110 anzubringen.
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In 2 ist nun ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher 200 in bevorzugter Ausführungsform schematisch dargestellt. Der Wärmetauscher 200 weist eine Eintrittskammer 210 und eine Austrittskammer 220 auf. Im Vergleich zu dem Wärmetauscher gemäß 1 sind die Eintrittskammer 210 und die Austrittskammer 220 hier aneinander angrenzend angeordnet und weisen eine gemeinsame Wand 215 auf. Insbesondere können die Eintrittskammer 210 und die Austrittskammer 220 aus einer einzigen Kammer hergestellt sein, die durch die Wand 215 in zwei Teile getrennt wird. Sowohl die Eintrittskammer 210 als auch die Austrittskammer 210 und die gemeinsame Wand 215 können beispielsweise aus Chrom-Molybdän-Stahl bestehen.
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Über eine Einlassöffnung 211 kann ein erstes Medium a, beispielsweise ein Prozessgas, in die Eintrittskammer eingebracht werden, beispielsweise mit einer Temperatur von ca. 850 °C. Über mehrere erste bzw, rohrseitige Kanäle 230, die beispielsweise in Form eines Rohrbündels vorliegen können, kann das erste Medium a von der Eintrittskammer 210 in die Austrittskammer 220 strömen, in welcher dann eine Temperatur von beispielsweise noch ca. 330 °C, insbesondere bei einem Druck von ca. 28 bar, vorliegt. Durch eine Auslassöffnung 221 kann das erste Medium a dann aus der Austrittskammer 220 und damit auch aus dem Wärmetauscher 200 herausgeführt werden.
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Entsprechend der Anordnung der Eintrittskammer 210 und der Austrittskammer 220 sind die rohrseitigen Kanäle 230 gebogen, hier insbesondere U-förmig, angeordnet. Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Wärmetauscher sind also bei gleicher Länge der einzelnen rohrseitigen Kanäle deutlich geringere Abmessungen des gesamten Wärmetauschers, zumindest hinsichtlich seiner größten Abmessung, möglich, wenn die einzelnen Rohre gebogen sind.
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Weiterhin ist ein zweitere bzw. mantelseitiger Kanal 250 vorgesehen, der durch einen Mantel 251, welcher die rohrseitigen Kanäle 230 umgibt, gebildet wird. Über eine Einlassöffnung 231 kann ein zweites Medium b, beispielsweise Wasserdampf, in den mantelseitigen Kanal 250 eingebracht werden. Der Wasserdampf bzw. das zweite Medium, kann eine Temperatur von ca. 270 °C, insbesondere bei einem Druck von ca. 52 bar, aufweisen. Das zweite Medium b kann dann durch diesen mantelseitigen Kanal 250 hindurch fließen und anschließend durch die Auslassöffnung 232 wieder aus dem mantelseitigen Kanal 250 bzw. dem Wärmetauscher 200 ausgebracht werden.
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Innerhalb des Mantels 251 können auch noch Trennwände oder Umlenkbleche vorgesehen sein, wie beispielsweise mit dem Bezugszeichen 240 gezeigt, um den mantelseitigen Kanal auf geeignete Weise zu führen. Sowohl der Mantel 251 als auch die rohrseitigen Kanäle bzw. Rohre 230 können beispielsweise aus Chrom-Molybdän-Stahl hergestellt sein.
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Weiterhin ist ein Bypass 260 vorgesehen, der die Eintrittskammer 210 und Austrittskammer 220 verbindet und dabei durch die Wand 215 führt. Im gezeigten Fall ist der Bypass 260 durch ein kurzes Rohrstück gebildet. Über diesen Bypass 260 kann erstes Medium von der Eintrittskammer 210 in die Austrittskammer 220 strömen. Für den Bypass 260 ist zudem in Ventil 261 vorgesehen, hier in Form einer Klappe. Das Ventil 261 ist hier auf Seiten der Austrittskammer 220 vorgesehen und kann zudem aus dem Werkstoff Alloy 602CA bestehen oder diesen umfassen.
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An der Außenseite des Wärmetauschers 200 ist eine Einstell- bzw. Regeleinheit 262 vorgesehen, mit der das Ventil 261 eingestellt bzw. geregelt werden kann. Im gezeigten Fall kann dazu beispielsweise ein Verbindungsstab zur Betätigung der Klappe vorgesehen sein, um die Öffnung der Klappe variieren zu können.
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In der Eintrittskammer 210 ist eine wärmeisolierende, insbesondere auch feuerfeste, Auskleidung 112 vorgesehen. Diese kann insbesondere auch gemauert sein. Diese Auskleidung 212 kann bei der Montage bzw. Herstellung des Wärmetauschers 200 derart eingebracht werden, dass zunächst über eine Durchgangsöffnung 270, gegebenenfalls auch durch die Einlassöffnung 211, der Großteil der Auskleidung 212 in der Eintrittskammer 210 angebracht wird. Anschließend kann die Durchgangsöffnung 270 durch einen geeigneten Deckel oder dergleichen unter Anbringung der restlichen Auskleidung verschlossen werden.
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Bei der Dicke der Auskleidung, insbesondere an der gemeinsamen Wand 215, sollte darauf geachtet werden, dass kein oder zumindest kein zu großer Wärmeverlust durch die unterschiedlichen Temperaturen in der Eintrittskammer 210 bzw. der Austrittskammer 220 auftritt.
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An der Außenseite des mantelseitigen Kanals 250 bzw. des Mantels 221 und teilweise auch an der Außenseite der Austrittskammer 220 ist ebenfalls eine Wärmeisolierung 225 vorgesehen. Von Seiten der Eintrittskammer 210 sind zusätzlich Hülsen 235 bis zu einer gewissen Länge in die rohrseitigen Kanäle 230 eingebracht. Diese Hülsen 235 können insbesondere Alloy 602CA umfassen oder daraus bestehen. Hierbei handelt es sich um einen Werkstoff, der vor Korrosion schützt.
