DE1041063B

DE1041063B - Heat exchanger

Info

Publication number: DE1041063B
Application number: DE1955P0013978
Authority: DE
Inventors: Lloyd Edward Dean; Curt Emil Forkel
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1954-04-19
Filing date: 1955-04-19
Publication date: 1958-10-16

Description

Wärmeaustauscher Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher, bei denen ein Strom von Wärmesteinen die aufgenommene Wärme an ein gasförmiges, im Gegenstrom dazu geführtes Reaktionsmittel abgibt, wobei die Kammer, in der dieser Wärmeaustausch vor sich geht, unten mit einem Auslaßtrichter versehen ist, der so an dieser Kammer befestigt ist, daß die Verbindung trotz auftretender Wärmespannungen fest bleibt.Heat exchangers The invention relates to heat exchangers in which A stream of heat stones transfers the absorbed heat to a gaseous one, in countercurrent released reactant, the chamber in which this heat exchange going on, is provided at the bottom with an outlet funnel, which is so on this chamber is attached so that the connection remains firm despite the thermal stresses occurring.

Bei thermischen Umwandlungsprozessen, die in Wärmeaustauschern durchgeführt werden, verwendet man als strömende Masse ein festes Wärmeaustauschmaterial, das auf hohe Temperatur erhitzt wird, indem man in einem ersten direkten Wärmeaustausch heißes Gas durch diese Masse leitet und. sie dann in Berührung mit dem gasförmigen Reaktionsmittel bringt, das in einem zweiten direkten Wärmeaustausch Wärme aufnimmt. Die üblichen Wärmesteineerhitzer weisen im allgemeinen zwei Kammern auf, die im wesentlichen vertikal übereinander angeordnet sind. Das feste Wärmeaustauschmaterial wird in den oberen Teil der ersten oder oberen Kammer eingeführt. Dieses Material bildet ein sich bewegendes Bett aus festem Wärmeaustauschmaterial, das in direktem Wärmeaustausch mit dem heißen gasförmigen Wärmeaustauschmittel durch die Kammer nach unten strömt. Das feste Wärmeaustauschmaterial wird im Wärmeaustausch auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann durch eine zweite Kammer geführt, in der das heiße Wärmeaustauschmaterial in einem zweiten direkten Wärmeaustausch mit dem gasförmigen Reaktionsmittel in Berührung gebracht wird, so daß die Wärme für die Behandlung oder Umwandlung des darin enthaltenden gasförmigen Mittels geliefert wird.During thermal conversion processes that are carried out in heat exchangers a solid heat exchange material is used as the flowing mass, the is heated to high temperature by going in a first direct heat exchange directs hot gas through this mass and. they then come into contact with the gaseous Brings reactant, which absorbs heat in a second direct heat exchange. The usual heat stone heater generally have two chambers, which in the are arranged essentially vertically one above the other. The solid heat exchange material is inserted into the upper part of the first or upper chamber. This material forms a moving bed of solid heat exchange material, which in direct Heat exchange with the hot gaseous heat exchange medium through the chamber flows downwards. The solid heat exchange material is in heat exchange on a heated to a high temperature and then passed through a second chamber in which the hot Heat exchange material in a second direct heat exchange with the gaseous Reactant is brought into contact so that the heat for the treatment or conversion of the gaseous agent contained therein.

Die Schwierigkeiten, die beim Betrieb eines derartigen Wärmeaustauschers auftreten, liegen darin, daß die Kammer so ausgebildet sein soll, daß der Strom der Wärmesteine möglichst gleichmäßig über den Querschnitt der Kammer verteilt ist. Dies erreichte man durch den Einbau eines Hindernisses, z. B. einer Platte in die Mitte des unteren Teiles der Kammer, um die die Wärmesteine herumströmen müssen. Die Geschwindigkeit der strömenden Wärmesteine nimmt im mittleren Teil der Kammer ab und am Umfang der Kammer zu, so daß sich ein annähernd gleichmäßiger Strom über den ganzen Querschnitt der Kammer ergibt. Eine derartige Prallvorrichtung wurde auch bei der Verteilung des gasförmigen Mittels im Bett der Wärinesteine mit Erfolg verwendet. Es ist auch bekannt, dieses gasförmige Mittel zunächst in eine Speicherkammer einzuleiten, die zwischen dem Auslaßtrichter der Kammer und deren unterem Mantel gebildet wird.The difficulties encountered in operating such a heat exchanger occur, lie in the fact that the chamber should be designed so that the flow the heat stones are distributed as evenly as possible over the cross-section of the chamber. This was achieved by installing an obstacle, e.g. B. a plate in the Middle of the lower part of the chamber, around which the heat stones must flow. The speed of the flowing heat stones increases in the middle part of the chamber now and then at the periphery of the chamber, so that an approximately uniform flow is over it gives the entire cross-section of the chamber. One such impact device was also with the distribution of the gaseous agent in the bed of the heat stones with success used. It is also known to first place this gaseous agent in a storage chamber initiate between the outlet funnel of the chamber and its lower shell is formed.

Für die verschiedenen Bauteile dieses Wärmeaustauschers wurden häufig verschiedene Materialien verwendet. Die Folge davon war, daß sich wegen der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedene, ungleiche Ausdehnungen ergaben. Außerdem herrscht zwischen den inneren Teilen des Bette der Wärmesteine und den äußeren Wänden des Wärmeaustauschers eine beachtliche Temperaturdifferenz, und selbst wenn die einzelnen Bestandteile gleiche Ausdehnungskoeffizienten hätten, dann würden ungleiche Ausdehnungen auftreten.For the various components of this heat exchanger were frequently different materials used. The consequence of this was that because of the different Thermal expansion coefficients resulted in different, unequal expansions. aside from that there is between the inner parts of the bed of heat stones and the outer walls of the heat exchanger a considerable temperature difference, and even if the If individual components had the same expansion coefficients, then they would be unequal Expansions occur.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß bei einem Wärmeaustauscher mit einer Einrichtung zum Erhitzen eines Stromes von Wärmesteinen und mit einer Reaktionskammer, in der diese Wärmesteine im Gegenstrom mit einem gasförmigen Reaktionsmittel in Berührung gebracht werden, wobei die Reaktionskammer einen Auslaßtrichter für die Wärmesteine aufweist, der mit dem Mantel der Kammer eine Speicherkammer abgrenzt, in die die Beschickungsleitung für das zu erhitzende gasförmige Reaktionsmittel mündet, während in der Mitte in Höhe des oberen Randes des Auslaßtrichters eine Platte angeordnet ist, deren Fläche wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche des oberen Teiles des Trichters ist, und Mittel vorgesehen sind, um eine gleichmäßige Verteilung des gasförmigen Mittels in der unteren Kammer zu gewährleisten, gemäß der Erfindung der obere Rand des Auslaßtrichters dehnbar mit der Ummantelung der Kammer verbunden ist.This goal is achieved in that in a heat exchanger with a device for heating a stream of heat stones and with a Reaction chamber in which these heat stones are in countercurrent with a gaseous reactant be brought into contact, the reaction chamber having an outlet funnel for which has heat stones that delimit a storage chamber with the jacket of the chamber, into the feed line for the gaseous reactant to be heated opens, while in the middle at the level of the upper edge of the outlet funnel a Plate is arranged, the area of which is much smaller than the cross-sectional area of the upper part of the funnel is, and means are provided to ensure a uniform Ensure distribution of the gaseous agent in the lower chamber, according to of the invention, the upper edge of the outlet funnel is expandable with the casing of the Chamber is connected.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dieser Wärmeaustauscher so ausgebildet, daß der obere Rand des Auslaßtrichters nach außen ragt und daß in dessen Ebene eine ihn in gewissem Abstand umgebende Stütze vorgesehen ist. an der Stützwinkel befestigt sind, während unterhalb des Raudes eine kreisförmige Platte vorgesehen ist, die so bemessen ist, daß sie den Zwischenraum zwischen Rand und Stütze überbrückt und durch von den Stützwinkeln gehaltene Keile getragen wird.According to a preferred embodiment of the invention, this is a heat exchanger formed so that the upper edge of the outlet funnel outwards protrudes and that a support surrounding it at a certain distance is provided in its plane is. are attached to the support bracket, while below the rudder a circular Plate is provided which is dimensioned so that it the gap between the edge and support is bridged and supported by wedges held by the support brackets.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß mehrere gleichschennligeWinkeleisen auf der Platte dachförmig befestigt und radikal angeordnet sind und bis zum oberen Trichterrand führen, während Stützglieder von der Platte nach unten führen und vertikal unter den Winkeleisen angeordnet sind, und daß rings neben dem ol)ercn Ende des Auslaßtrichters Öffnungen vorgeselieii sind, von denen der eine Teil unter den äußeren Enden der Winkeleisen und der andere Teil versetzt zti den angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es. über Jeder der versetzt angeordneten Öffnungen Abschirinplatten vorzusehen.It is also useful that several isosceles angle irons fixed on the plate in the shape of a roof and arranged radically and up to the top Lead the funnel edge while support members lead down from the plate and vertically are arranged under the angle iron, and that all around next to the ol) ercn end of the Outlet funnel openings are provided, one part of which is below the outer one Ends of the angle iron and the other part offset zti are arranged. Particularly it is advantageous. Shielding plates over each of the staggered openings to be provided.

Eine beispielsweise Ausführungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Wärmeaustauschers ist in der Zeichnung dargestellt, in der Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Wärmeattstauschers zeigt: F;-. ? ist ein vergrößerter Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1: Fig. 3 ist-ein Querschnitt des Verteilers für die Beschickung längs der Linie 3-3 der Fig. ?, und Fig. : ist ein vergrößerter Schnitt eines Beschikktuigseinlasses längs der Linie 4--1 der Fig. 2.An example embodiment of one designed according to the invention Heat exchanger is shown in the drawing, in Fig. 1 a schematic View of a heat exchanger shows: F; -. ? is an enlarged longitudinal section on line 2-2 of Fig. 1: Fig. 3 is a cross-section of the feeder manifold taken along line 3-3 of Figures? and Figure: is an enlarged section of a feed inlet along the line 4--1 of FIG. 2.

Die Kammer 10 zur Vorerhitzung ist, wie man aus Fig. 1 erkennen kann. über der Reaktionskammer 11 angeordnet. und die Wärinesteine strömen von der Kaininer 10 durch die Leitung 12 in die Kammer 11. Die vom unteren Teil der R eaktiunskainmer ausgehende Leitung 13 stellt die Verbindung mit dem Elevator 14 her. Die Leitung 16 verbindet den oberen Teil des Elevators 14 mit dein oberen Teil der Kammer 10. Die Kammer 10 ist auch mit einem Kamin 17 und mit einem Abzug 18 ausgestattet. leben dein Elevator 14 ist ein Vorratsbehälter 19 für die Wärmesteine vorgesehen, der vermittels der Leitungen 21 und 22 mit dein Elevator verbunden ist. Durch die Leitungen 23 t:nd 24 wird das gasförmige -Material in die Reak-@ionsicammer 11 eingeführt und daraus abgezogen. Die ,_it der Brennstoffzuführungsleitung 27 ausgestatte@e @`erb-ennungsi:ammer 26 ist rings uin den unteren Teil der Kammer 10 angeordnet.The chamber 10 for preheating is, as can be seen from FIG. arranged above the reaction chamber 11. and the stones of warmth pour from the Kaininer 10 through the line 12 into the chamber 11. The from the lower part of the R eaktiunskainmer outgoing line 13 establishes the connection to the elevator 14. The administration 16 connects the upper part of the elevator 14 to the upper part of the chamber 10. The chamber 10 is also equipped with a chimney 17 and a vent 18. Life your elevator 14 is provided with a storage container 19 for the heat stones is connected to your elevator by means of lines 21 and 22. Through the lines 23 t: nd 24 the gaseous material is introduced into the reaction chamber 11 and deducted from it. The equipped with the fuel supply line 27 @ `erb-nungi: ammer 26 is arranged around the lower part of the chamber 10.

Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1, und sie zeigt den gemäß der Erfindung ausgebildeten Be,Thickungsverteiler von oben, und Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2. Diese beiden Figuren können miteinander beschrieben werden. Mit 11 st die Reaktionskammer bezeichnet, die einen lsoili#,cli geformten Boden 31 sowie einen Auslaß 13 für die W:#rmesteine aufweist. Innerhalb der Kammer 11 ist Isoliermaterial 32 vorgesehen. Ein Auslaßtrichtür 33 führt die Wärme.teine aus der Kammer 11 zur Auslaßleitung 13 für die ,t"ärmesteine. Der Raum zwischen dein Auslaßtrichter 33 und der Ummant°-Iting der Kammer 11 bildet eine Speicherkammer. Der Auslaßtrichter 13 ist mit Mitteln zur Einleitung des Real,tiovsmittels ausgestattet, wobei diese Einleitung gleichmäßig über die Querschnittsfläche des sich nach unten bewegenden Wärtnesteinbettes erfolgt. Diese Mi'tel weisen eine Reihe von Öffnungen auf, die bei dein oberen Rand des Auslaßtrichters 33 angeordnet sind. Eine Reihe wird durch die Öffnungen 34 gebildet, die durch Abschirmplatten 36 überdeckt sind. Das Gaströmt aus der Speicherkammer durch di, Öffnungen 34 in den äußeren Teil des WärniesLeinbettes, während die Abschirmplatten 36 ein Austreten der Wärmesteine in die Speicherkammer verhindern. Es sind auch Mittel für die Einleitung des Gases in den inneren Teil des Wärmesteinbettes vorgesehen. Diese Mittel weisen eine Platte 37 auf, die durch Stützglieder 38 gestützt wird, die sich nach unten zu dem Auslaßtrichter 33 erstrecken. Auf der Platte 37, radial zum äußeren Rand des Auslaßtrichters 33, sind tV inlteleisen 39 in Form eines umgedrehten V angeordnet. Diese Winkeleisen verlaufen bis zum Rand des Trichters, wobei ihre Enden bezüglich der Öffnungen 34 versetzt sind. Weiterhin sind diese tt'inkeleiseii vorzugsweise direkt über den Stützgliedern 38 angeordnet, da eine derartige Anordnung dem Wärmesteinestrom durch den Trichter den geringsten Widerstand bietet.Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 of Fig. 1 and showing the thickening manifold formed in accordance with the invention from above and Fig. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 of Fig. 2 thereof both figures can be described together. 11 st designates the reaction chamber, which has an isoili #, cli-shaped bottom 31 and an outlet 13 for the W: #rmesteins. Insulating material 32 is provided inside the chamber 11. An outlet funnel door 33 conducts the heat from the chamber 11 to the outlet line 13 for the "t" poor stones. The space between the outlet funnel 33 and the surrounding area of the chamber 11 forms a storage chamber. The outlet funnel 13 is provided with means for introducing the These means have a row of openings located at the upper edge of the outlet funnel 33. A row is formed by the openings 34. This introduction is evenly provided over the cross-sectional area of the downwardly moving wards nest bed which are covered by shielding plates 36. The gas flows from the storage chamber through openings 34 in the outer part of the thermal bed, while the shielding plates 36 prevent the heat stones from escaping into the storage chamber. There are also means for introducing the gas into the interior These means have a plate 37 which is supported by support members 38 which extend down to the outlet funnel 33. On the plate 37, radially to the outer edge of the outlet funnel 33, tV inlteleisen 39 are arranged in the form of an inverted V. These angle irons extend to the edge of the funnel, their ends being offset with respect to the openings 34. Furthermore, these tt'inkeleiseii are preferably arranged directly above the support members 38, since such an arrangement offers the lowest resistance to the flow of heat stones through the funnel.

Unmittelbar unter dem äußeren Ende jedes dieser V-förmigen Winkeleisen 39 sind weitere Öffnungen in dem Auslaßtrichter 33 vorgesehen, die das Gas aus der Speicherkammer unter diese V-förmigen Winkeleisen und in das Wärmesteinbett strömen lassen. Es wurde festgestellt, daß eine derartige Anordnung eine annähernd gleichmäßige Verteilung des Gases durch das ganze Wärmesteinbett und dabei einen gleichmäßige_i Strom der Wärmesteine über im wesentlichen die gesamte Höhe der Reaktionskammer ergibt. Da die Temperatur innerhalb des Bettes der Wärmesteine im Bereich von etwa 100° C bis zu einem Bereich von etwa 500 bis 1500° C liegt und die Außenseite der Reaktionskammer 11 eine wesentlich geringere Tentperatur aufweist, so ist eine besondere Dehnungsverbindung erforderlich, durch die der Auslaßtrichter 33 in der Kammer 11 gehalten wird. Der Auslaßtrichter 33 ist vorzugsweise zentral in der Kammer 11 angeordnet, damit der Strom der Wärmesteine an allen Punkten des Kammerumfangs gleichmäßig verläuft.Immediately below the outer end of each of these V-shaped angle irons 39 further openings are provided in the outlet funnel 33, which the gas from the Storage chamber flow under these V-shaped angle irons and into the heat stone bed permit. It has been found that such an arrangement is approximately uniform Distribution of the gas through the whole heat embedding bed and thereby a uniform_i Flow of the heat stones over substantially the entire height of the reaction chamber results. Because the temperature inside the bed of the heat stones is in the range of about 100 ° C to a range of about 500 to 1500 ° C and the outside of the Reaction chamber 11 has a significantly lower temperature, so is a special one Expansion joint required, through which the outlet funnel 33 in the chamber 11 is held. The outlet funnel 33 is preferably arranged centrally in the chamber 11, so that the flow of heat stones runs uniformly at all points of the chamber circumference.

Für diesen Zweck wurde eine besondere Ausdehnungsverbindung geschaffen, die am deutlichsten aus der Fig. 3 zu erkennen ist. Diese Verbindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern sie ist immer dann anwendbar, wenn alle Bestandteile einer Vorrichtung in zentrierter Lage gehalten werden sollen. Der obere Rand 51 des Auslaßtrichter, 33 weist einen Flansch auf. Eine Stütze 52, die an der äußeren Wand der Kammer 11 befestigt ist, liegt in der gleichen Ebene wie der Rand 51, hat jedoch einen gewissen Abstand von ihr, so daß sich dieser Rand aus'-(leimen kann. An der Stütze 52 sind Stützwinkel 53 angeordnet. Eine kreisringförmige Platte 54 ist unterhalb der äußeren Kante des Randes 51 und unterhalb der inneren Kante der Stütze 52 angeordnet. Diese Platte 54 wird durch Keile 56 gehalten, die an den Stützwinkeln 53 befestigt sind. Die Keile 56 können gewünschtenfalls nach ihrem Einbau angeschweißt werden. Die kreisringförmige Platte 54 ist mit einer Reihe von Schlitzen 57 ausgestattet, die unter dem Rand 51 liegen, und mit einer Reihe Schlitzen 61, die unter der Stütze 52 liegen. Zapfen 58 an dem Rand 51 ragen in die Schlitze 57, und Zapfen 59 an der Stütze 52 ragen in die Schlitze 61. Diese Zapfen, die in die entsprechenden Schlitze eingreifen, erleichtern den Zusammenbau der Vorrichtung, und sie halten die einzelnen Teile während des Zusammenbaues in ihrei Lage, wobei sie eine begrenzte Bewegung dieser Teil -zulassen.A special expansion joint was created for this purpose, which can be seen most clearly from FIG. This connection is not open this embodiment is limited, but it is always applicable when all components of a device are to be kept in a centered position. The upper edge 51 of the outlet funnel 33 has a flange. A support 52, which is attached to the outer wall of the chamber 11 lies in the same plane like the edge 51, but has a certain distance from it, so that this edge from '- (can glue. Support brackets 53 are arranged on the support 52. A circular ring-shaped Plate 54 is below the outer edge of rim 51 and below the inner one Edge of the support 52 arranged. This plate 54 is held by wedges 56, the are attached to the support brackets 53. The wedges 56 can if desired after be welded to their installation. The annular plate 54 is with a row equipped with slots 57 which lie under the edge 51, and with a row Slots 61 which lie under the support 52. Pins 58 on the edge 51 protrude in the slots 57, and pins 59 on the support 52 protrude into the slots 61. These Pins that engage in the corresponding slots facilitate assembly of the device, and they keep the individual parts in place during assembly their location, whereby they allow limited movement of this part.

Beim Betrieb wird das Reaktionsmittel in die Speicherkammer eingeführt, und es strömt durch die Öffnungen unter den Enden der Winkeleisen und durch die Öffnungen 34. Da die Wärmesteine aui einige hundert Grad C erhitzt werden, dehnt sich der Trichter aus und versucht, den Spalt zwischen dem Rand 51 und der Stütze 52 zu verschließen. Die Zapfen 58 lassen eine angemessene radiale Bewegung des oberen Teiles des Trichters und der kreisringförmigen Platte zu, wobei jedoch Trichter und kreisringförmige Platte nicht aus ihrer Mittellage bewegt werden können. Ein Abwärtsströmen der Gase durch die Leitung 13 wird durch eine an der Leitung 13 angeordnete, hier nicht dargestellte Dichtung verhindert.In operation, the reactant is introduced into the storage chamber, and it flows through the openings under the ends of the angle irons and by the openings 34. As the heat stones are heated to a few hundred degrees C, it expands the funnel and tries to clear the gap between the edge 51 and the support 52 to lock. The pins 58 allow adequate radial movement of the upper Part of the funnel and the annular plate to, but funnel and the circular plate cannot be moved out of its central position. A Downward flow of the gases through the line 13 is arranged on the line 13, Prevents seal, not shown here.

Aus den obigen Ausführungen erkennt man, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Halterung des Auslaßtrichters 33 im unteren Teil der Kammer 11 ermöglicht. Dieser Trichter wird nur an seinem oberen Rand gehalten, wobei sich sein unteres Ende in die Leitung 13 erstreckt, jedoch ohne diese zu berühren.From the above it can be seen that the inventive Device that enables the outlet funnel 33 to be held in the lower part of the chamber 11. This funnel is only held at its upper edge, while its lower End extends into the line 13, but without touching it.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Heat exchanger with a device for heating a stream of heat stones and with a reaction chamber in which these heat stones are brought into contact in countercurrent with a gaseous reactant, the reaction chamber having an outlet funnel for the heat stones which is connected to the jacket of the chamber delimits a storage chamber into which the feed line for the gaseous reactant opens, while in the middle at the level of the upper edge of the outlet funnel a plate is arranged, the area of which is substantially smaller than the cross-sectional area of the upper part of the funnel, and means are provided to to ensure an even distribution of the gaseous agent in the reaction chamber, characterized in that the upper edge (51) of the outlet funnel (33) is connected in an expandable manner to the casing of the reaction hammer (11).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the upper edge (51) of the outlet funnel protrudes outwards and that in its plane a support surrounding it at a certain distance (52) is provided to which the support brackets (53) are attached, while below the Edge a circular plate (54) is provided which is dimensioned so that it the space between the edge (51) and support (52) bridged and by the Support brackets (53) held wedges (56) is carried.

3. Heat exchanger after claims 1 and 2, characterized in that several equal angle irons (39) are attached to the plate (37) in a roof shape and arranged radially and up lead to the upper edge of the funnel, while support members (38) from the plate down lead and are arranged vertically under the angle iron, and that around the upper end of the outlet funnel openings (34) are provided, one of which Part under the outer ends of the angle irons and the other part offset to the Angle irons are arranged.

4. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that that shielding plates (36) are provided over each of the staggered openings are. Documents considered: German Patent No. 834 112: USA.-Patentschrift NTr. 2,320,318.