DE112013003170T5 - Wärmeaustauscher mit Schwimmköpfen - Google Patents

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Abstract

Eine Wärmeaustauschervorrichtung umfasst zwei Wärmetauscherabschnitte wobei mindestens einer mit einem Schwimmkopfteil versehen ist, um eine unterschiedliche Wärmeausdehnung aufzunehmen. Die Wärmeaustauscherabschnitte sind von einer Innenmantelwand umschlossen, und ein externer Verbindungskanal ist außerhalb der Innenmantelwand vorgesehen, durch den eines der Fluide strömt. Der externe Verbindungskanal ist von einem Außenmantel umschlossen. Die Innenwand ist mit Öffnungen versehen, die mit dem externen Verbindungskanal kommunizieren. Die Öffnungen können in der Form eines im Wesentlichen kontinuierlichen Spalt oder diskreten Öffnungen sein. Spezifische Beispiele von Wärmeaustauschern mit dieser Konstruktion schließen einen Dampfgenerator, einen Dampfgenerator und kombinierten katalytischen Wandler und einen Wasser-Gas-Shiftreaktor ein.

Description

  • QUERVERWEIS ZUR VERWANDTEN ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der US-Patentanmeldung Nr. 13/537824, eingereicht am 29. Juni 2012, deren Inhalt hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher, die mindestens einen Wärmetauscherabschnitt aufweisen, der eine Mantel-Rohrkonstruktion haben kann, und insbesondere auf solche Wärmeaustauscher, bei denen die axiale thermische Ausdehnung der Rohre durch das Vorsehen eines Schwimmkopfes aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Wärmeaustauscher werden üblicherweise zum Übertragen von Wärme von einem sehr heißen Gas auf ein relativ kühles Gas und/oder eine relativ kühle Flüssigkeit verwendet. Signifikante Temperaturunterschiede können zwischen solchen Teilen des Wärmeaustauschers, die in Kontakt mit dem heißen Gas sind und solchen Teilen, die in Kontakt mit dem kühleren Gas und/oder der kühleren Flüssigkeit sind, auftreten. Diese Temperaturunterschiede können in einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Wärmetauscherkomponenten resultieren, die Beanspruchungen in den Dichtungen zwischen den verschiedenen Komponenten und den Komponenten selber bewirken kann. Über die Zeit können diese Beanspruchungen einen vorzeitigen Ausfall der Dichtungen und/oder der Wärmetauscherkomponenten bewirken.
  • In einem typischen Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher bzw. Rohrbündelwärmetauscher überträgt ein durch die Rohre strömender heißer Gasstrom Wärme an ein relativ kühles Gas und/oder eine Flüssigkeit, die durch den Mantel in Kontakt mit den Außenflächen der Rohre strömt. Die Rohre sind sehr vier heißer als der sie umgebende Mantel, was bewirkt, dass die Rohre axial (längenmäßig) sich um einen größeren Anteil ausdehnen als der Mantel. Diese unterschiedliche thermische Ausdehnung der Rohre und des Mantels bewirkt möglicherweise schädigende Beanspruchungen auf das Rohr und die Kopfdichtungen, sowie auf die Rohre, die Kopfteile und den Mantel.
  • Es ist bekannt, Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher (Rohrbündelwärmetauscher) mit Mitteln vorzusehen, die eine unterschiedliche Wärmeexpansion der Rohre und des Mantels zulassen. Beispielsweise beschreibt das vergebene US-Patent Nr. 7 220 392 (Rang et al.) einen Mantel-Rohr-Brennstoffumwandlungsreaktor, bei dem nur ein Ende der Rohre starr mit dem Mantel über ein Kopfteil verbunden ist. Das Kopfteil an dem entgegengesetzten Ende ist nicht starr mit dem Mantel verbunden und ”schwimmt” daher in Bezug auf den Mantel, wodurch die Rohre sich relativ zu dem Mantel frei expandieren bzw. ausdehnen können.
  • Der Rang et al. Wärmetauscher wird typischerweise als Brennstoffreformer verwendet, bei dem der Schwimmkopf mit einem zylindrischen Behälter für einen Katalysator integriert ist. Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher haben zahlreiche andere Anwendungen und es verbleibt ein Bedürfnis, Lösungen hinsichtlich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung in Mantel-Rohr-Wärmeaustauschern für andere Anwendungen vorzusehen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Nach einem Aspekt ist eine Wärmeaustauschervorrichtung vorgesehen, die einen ersten Wärmetauscherabschnitt und einen zweiten Wärmetauscherabschnitt umfasst, die in Reihe zueinander angeordnet sind. Die Wärmeaustauschervorrichtung umfasst: (a) einen Innenmantel, der ein erstes und ein zweites Ende aufweist und eine Innenmantelwand hat, die sich längs einer Achse zwischen dem ersten und zweiten Ende erstreckt, wobei der erste Wärmetauscherabschnitt und der zweite Wärmetauscherabschnitt von der Innenmantelwand umgeben sind; (b) einen ersten Fluideinlass, der in dem ersten Wärmetauscherabschnitt vorgesehen ist, und einen ersten Fluidauslass, der in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt vorgesehen ist; (c) einen zweiten Fluideinlass, der in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt vorgesehen ist, und einen zweiten Fluidauslass, der in dem ersten Wärmetauscherabschnitt vorgesehen ist; (d) einen sich axial erstreckenden ersten Fluidströmungskanal, der sich sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Wärmetauscherabschnitt von dem ersten Fluideinlass zu dem ersten Fluidauslass erstreckt, wobei das erste Fluid zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscherabschnitt durch einen innerhalb des Innenmantels liegenden inneren Verbindungskanal strömt; (e) einen sich axial erstreckenden zweiten Fluidströmungskanal, der sich sowohl durch den ersten als auch den zweiten Wärmetauscherabschnitt von dem zweiten Fluideinlass zu dem zweiten Fluidauslass erstreckt, wobei der erste und der zweite Fluidströmungskanal zueinander abgedichtet sind und wobei das zweite Fluid zwischen dem zweiten und dem ersten Wärmetauscherabschnitt durch einen externen Verbindungskanal strömt, der außerhalb des Innenmantels angeordnet ist; (f) einen Außenmantel, der den externen Verbindungskanal umgibt; (g) mindestens eine Öffnung durch den Innenmantel in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt, durch die das zweite Fluid von dem zweiten Wärmetauscherabschnitt in den externen Verbindungskanal strömt; und (h) mindesten eine Öffnung durch den Innenmantel in dem ersten Wärmetauscherabschnitt, durch die das zweite Fluid von dem externen Verbindungskanal in den ersten Wärmetauscherabschnitt strömt. Die mindestens eine Öffnung in dem ersten Wärmetauscherabschnitt umfasst einen ersten axialen Spalt, der zwischen einem ersten Bereich der Innenmantelwand und einem zweiten Bereich der Innenmantelwand vorgesehen ist.
  • In einem anderen Aspekt sind der erste und zweite Bereich der Innenmantelwand vollständig durch den ersten axialen Spalt getrennt, mit der Ausnahme, dass vor der ersten Benutzung der Vorrichtung der erste und zweite Bereich der Innenmantelwand miteinander durch eine Mehrzahl von Stegen verbunden sind, die jeweils den ersten axialen Spalt durchqueren. Die Stege können eine ausreichende Dicke und Steifigkeit haben, damit sie den ersten und zweiten Bereich der Innenmantelwand während der Herstellung der Wärmeaustauschervorrichtung halten können und wobei die Stege dünn genug sind, damit sie durch eine Kraft der axialen thermischen Ausdehnung während der Benutzung der Wärmeaustauschervorrichtung zerbrechen.
  • In einem anderen Aspekt weist der Außenmantel eine sich axial erstreckende Außenmantelwand auf, die den ersten axialen Spalt umgibt und wobei die Außenschalenwand von der Innenschalenwand beabstandet ist, so dass der externe Verbindungskanal einen Ringraum umfasst. Der Außenmantel kann ein erstes Ende, das in abgedichteter Weise mit einer Außenfläche des ersten Bereichs der Innenmantelwand verbunden ist, und ein zweites Ende aufweisen, das in abgedichteter Weise mit einer Außenfläche des zweiten Bereichs der Innenmantelwand verbunden ist.
  • Bei einem anderen Aspekt umfasst der zweite Wärmetauscherabschnitt einen konzentrischen Rohrwärmetauscher. Der konzentrische Rohrwärmetauscher kann umfassen: (a) ein axial sich erstreckendes Zwischenrohr, das mindestens teilweise in dem ersten Bereich der Innenmantelwand aufgenommen ist und dazu beabstandet ist, so dass ein äußerer Ringraum zwischen der Innenmantelwand und dem Zwischenrohr vorgesehen ist, wobei der äußere Ringraum einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals umfasst und zwischen dem zweiten Fluideinlass und der mindestens einen Öffnung durch den Innenmantel in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt liegt, durch die das zweite Fluid von dem zweiten Wärmetauscherabschnitt in den externen Verbindungskanal strömt; (b) ein axial sich erstreckendes Innenrohr, das in dem Zwischenrohr aufgenommen ist und dazu beabstandet ist, so dass ein innerer Ringraum zwischen dem Innenrohr und dem Zwischenrohr vorgesehen ist, wobei der innere Ringraum einen Teil des ersten Fluidströmungskanals umfasst und zwischen dem inneren Verbindungskanal und dem ersten Fluidauslass liegt. Mindestens ein Ende des Innenrohrs kann geschlossen sein, um ein Durchströmen des Fluids zu verhindern.
  • In einem anderen Aspekt kann der äußere Ringraum des konzentrischen Rohrwärmetauschers geschlossene Enden haben und der zweite Fluideinlass kann in dem Innenmantel vorgesehen sein. Auch kann die mindestens eine Öffnung, durch die das zweite Fluid von dem zweiten Wärmetauscherabschnitt in den externen Verbindungskanal strömt, eine Mehrzahl von beabstandeten Öffnungen durch den Innenmantel umfassen.
  • Bei einem anderen Aspekt kann der erste Wärmetauscherabschnitt einen Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher umfassen. Der Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher umfasst: (a) eine erste Mehrzahl von sich axial erstreckenden beabstandeten Rohren, die in dem Innenmantel eingeschlossen sind, wobei jedes Rohr der ersten Mehrzahl ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen hohlen Innenraum aufweist, wobei das erste und das zweite Ende offen sind und die hohlen Innenräume der Mehrzahl von Rohren zusammen einen Teil des ersten Fluidströmungskanals definieren; (b) ein erstes Kopfteil, das Durchbrüche aufweist, in die die ersten Enden der ersten Mehrzahl von Rohren in abgedichtetem Eingriff aufgenommen sind, wobei das erste Kopfteil einen äußeren Umfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise an der Innenmantelwand befestigt ist; (c) ein zweites Kopfteil mit Durchbrüchen, in die die zweiten Enden der ersten Mehrzahl von Rohren in abgedichtetem Eingriff aufgenommen sind, wobei das zweite Kopfteil einen äußeren Umfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise an der Innenmantelwand befestigt ist, wobei ein Raum, der von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umgeben ist, einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals definiert, wobei das erste Kopfteil an dem ersten Bereich des Innenmantels und das zweite Kopfteil an dem zweiten Bereich des Innenmantels befestigt ist, derart, dass der erste axiale Spalt zwischen dem ersten und zweiten Bereich der Innenmantelwand eine Kommunikation zwischen dem externen Verbindungskanal und dem von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umgebenen Raum vorsieht.
  • Der zweite Fluidauslass des Mantel-Rohr-Wärmeaustauschers kann eine Öffnung durch die Innenmantelwand umfassen und zwischen dem ersten Kopfteil und dem zweiten Kopfteil liegen, wobei das erste Kopfteil und der zweite Fluidauslass in der Nähe des ersten Endes des Innenmantels liegt.
  • In einem anderen Aspekt kann der erste Wärmetauscherabschnitt außerdem eine erste Prallplatte umfassen, die sich über den von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umschlossenen Raum erstreckt und diesen Raum in einen ersten und einen zweiten Bereich teilt. Die erste Prallplatte kann eine Außenumfangskante, die nahe der oder in Kontakt mit der Innenmantelwand ist, eine Mehrzahl von Durchbrüchen, durch die sich die erste Mehrzahl von Rohren erstreckt, und eine Öffnung aufweisen, die eine Kommunikation zwischen dem ersten und zweiten Bereich des Raums vorsieht. Die Außenumfangskante der ersten Prallplatte kann in abgedichteter Weise mit der Innenmantelwand verbunden sein. Die erste Prallplatte kann eine flache ringförmige Platte umfassen, die sich quer über den von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umschlossenen Raum erstreckt, wobei die Öffnung durch die erste Prallplatte in einem Mittelbereich der ersten Prallplatte liegt und wobei die erste Prallplatte ungefähr in der Mitte zwischen dem ersten und zweiten Kopfteil angeordnet ist.
  • In einem anderen Aspekt kann der zweite Fluidauslass in dem ersten Bereich des Raums in dem Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher liegen und der erste Wärmetauscherabschnitt kann außerdem eine zweite Prallplatte umfassen, die eine axial sich erstreckende rohrförmige Seitenwand aufweist, die einen hohlen Innenraum hat, der an beiden Enden offen ist; wobei die zweite Prallplatte in dem ersten Bereich des Raums liegt und sich axial zwischen der ersten Prallplatte und dem ersten Kopfteil erstreckt; wobei ein Ende der zweiten Prallplatte an die erste Prallplatte anstößt, wobei die rohrförmige Seitenwand der zweiten Prallplatte die Öffnung der ersten Prallplatte derart umgibt, dass die Öffnung der ersten Prallplatte mit dem hohlen Innenraum der rohrförmigen Seitenwand der zweiten Prallplatte kommuniziert; und wobei die rohrförmige Seitenwand der zweiten Prallplatte mindestens eine Öffnung aufweist, die eine Kommunikation zwischen dem hohlen Innenraum der zweiten Prallplatte und dem zweiten Fluidauslass vorsieht. Die mindestens eine Öffnung in der rohrförmigen Seitenwand der zweiten Prallplatte ist von der den zweiten Fluidauslass definierenden Öffnung weg gerichtet und die Öffnung in der rohrförmigen Seitenwand der zweiten Prallplatte kann winkelmäßig von der den zweiten Fluidauslass definierenden Öffnung um ungefähr 180 Grad beabstandet sein. Außerdem kann die Öffnung in der rohrförmigen Seitenwand der zweiten Prallplatte einen axial sich erstreckenden Schlitz umfassen, der sich beispielsweise von einem Ende zu dem anderen Ende der zweiten Prallplatte erstrecken kann.
  • In einem anderen Aspekt kann die Wärmeaustauschervorrichtung einen Dampfgenerator umfassen, wobei das erste Fluid ein heißes Abgas und das zweite Fluid flüssiges Wasser oder Dampf ist.
  • In einem anderen Aspekt umfasst der zweite Wärmetauscherabschnitt einen zweiten Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher, der aufweist: (a) eine zweite Mehrzahl von sich axial erstreckenden beabstandeten Rohren, die in dem Innenmantel eingeschlossen ist, wobei jedes Rohr der zweiten Mehrzahl ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen hohlen Innenraum aufweist, wobei das erste und zweite Ende offen sind und die hohlen Innenräume der zweiten Mehrzahl von Rohren zusammen einen Teil des ersten Fluidströmungskanals definieren; (b) ein drittes Kopfteil, das Durchbrüche aufweist, in die die ersten Enden der zweiten Mehrzahl von Rohren in abgedichtetem Eingriff aufgenommen sind, wobei das dritte Kopfteil einen äußeren Umfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise an der Innenmantelwand befestigt ist; (c) ein viertes Kopfteil mit Durchbrüchen, in die die zweiten Enden der zweiten Mehrzahl von Rohren in abgedichtetem Eingriff aufgenommen sind, wobei das vierte Kopfteil einen äußeren Umfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise an der Innenmantelwand befestigt ist, wobei ein Raum, der von dem Innenmantel und dem dritten und vierten Kopfteil umgeben ist, einen Teil des zweiten Strömungskanals definiert; (d) einen zweiten Fluideinlass in Strömungsverbindung mit dem zweiten Bereich des zweiten Fluidströmungskanals; und (e) einen zweiten Fluidauslass in Strömungsverbindung mit dem zweiten Bereich des zweiten Fluidströmungskanals.
  • In einem anderen Aspekt ist das dritte Kopfteil des zweiten Mantel-Rohr-Wärmeaustauschers an dem ersten Bereich der Innenmantelwand befestigt. Auch kann die Innenmantelwand einen dritten Bereich umfassen, an dem das vierte Kopfteil befestigt ist; ein zweiter axialer Spalt ist zwischen dem ersten und dem dritten Bereich der Innenmantelwand vorgesehen; und der zweite axiale Spalt sieht eine Kommunikation zwischen dem Raum, der von dem Innenmantel und dem dritten und vierten Kopfteil umschlossen ist, und dem externen Verbindungskanal vor.
  • Bei einem anderen Aspekt sind der erste und dritte Bereich der Innenmantelwand vollständig durch den zweiten axialen Spalt getrennt, mit der Ausnehme, dass vor der ersten Benutzung der Vorrichtung der erste und dritte Bereich der Innenmantelwand durch eine Mehrzahl von Stegen miteinander verbunden sind, wobei jeder Steg den zweiten axialen Spalt durchquert; wobei die Stege eine ausreichende Dicke und Steifigkeit aufweisen, derart, dass sie den ersten und dritten Bereich der Innenmantelwand während der Herstellung der Wärmetauschervorrichtung zusammenhalten und wobei die Stege dünn genug sind, dass sie durch die Kraft der Wärmeausdehnung während der Benutzung der Wärmetauschervorrichtung zerbrechen.
  • In einem anderen Aspekt kann die Wärmeaustauschervorrichtung ein in dem ersten Bereich der Innenmantelwand umschlossenes Katalysatorbett umfassen, das in dem inneren Verbindungskanal liegt. Die Wärmetauschervorrichtung kann beispielsweise einen Wasser-Gas-Shiftreaktor umfassen, bei dem das erste Fluid ein heißes Synthesegas und das zweite Fluid Luft ist.
  • In einem anderen Aspekt ist der zweite Mantel mit axial expandierbaren Wellungen versehen.
  • In einem anderen Aspekt umfasst der Wärmetauscherabschnitt: (a) ein einziges Wärmetauscherrohr mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem hohlen Innenraum, wobei das erste und zweite Ende offen sind und der hohle Innenraum des Wärmetauscherrohrs einen Teil des ersten Fluidströmungskanals definiert; (b) ein erstes Kopfteil, das einen Durchbruch aufweist, in dem das erste Ende des Wärmetauscherrohrs in abgedichteter Weise aufgenommen ist, wobei das erste Kopfteil einen Außenumfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise mit der Innenmantelwand verbunden ist; (c) ein zweites Kopfteil, das einen Durchbruch aufweist, in dem das zweite Ende des Wärmetauscherrohrs in abgedichtetem Eingriff aufgenommen ist, wobei das zweite Kopfteil einen Außenumfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise mit der Innenmantelwand verbunden ist, wobei ein von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umschlossener Raum einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals definiert; wobei das erste Kopfteil an dem ersten Bereich des Innenmantels und das zweite Kopfteil an dem zweiten Bereich des Innenmantels befestigt ist, derart, dass der erste axiale Spalt zwischen dem ersten und zweiten Bereich der Innenmantelwand eine Kommunikation zwischen dem externen Verbindungskanal und dem von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umschlossenen Raum vorsieht. Beispielsweise kann das Wärmetauscherrohr eine gewellte Rohrwand umfassen.
  • In einem anderen Aspekt kann der erste Wärmetauscherabschnitt einen konzentrischen Rohrwärmetauscher umfassen, der aufweist: (a) ein sich axial erstreckendes Zwischenrohr, das in der Innenmantelwand aufgenommen und davon beabstandet ist, so dass ein äußerer Ringraum zwischen der Innenmantelwand und dem Zwischenrohr vorgesehen ist, wobei der äußere Ringraum einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals umfasst; (b) ein axial sich erstreckendes Innenrohr, das in dem Zwischenrohr aufgenommen und dazu beabstandet ist, so dass ein innerer Ringraum zwischen dem Innenraum und dem Zwischenrohr vorgesehen ist, wobei der innere Ringraum einen Teil des ersten Fluidströmungskanals umfasst. Beispielsweise kann das Zwischenrohr aufgeweitete Enden aufweisen, die in abgedichteter Weise mit dem Innenmantel verbunden sind und wobei der äußere Ringraum mit dem zweiten Fluidauslass und mit dem externen Verbindungskanal über den axialen Spalt kommuniziert. Auch kann das Zwischenrohr mit Wellungen versehen sein, die eine axiale Ausdehnung des Zwischenrohrs gestatten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Erfindung wird nun nur in beispielhafter Form unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
  • 1 ein axialer Querschnitt entlang der Schnittlinie 1-1 der 2 ist, die einen Wärmetauscher nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
  • 2 eine Aufsicht davon, die von dem Auslassende des Wärmetauschers gesehen ist;
  • 3A ein Querschnitt davon entlang den Schnittlinien 3-3' der 1 ist;
  • 3B ein Segment eines der Mäntel davon darstellt, das ein Paar von Prallplatten zeigt;
  • 4 eine perspektivische Ansicht davon ist;
  • 5A ein Segment eines der Mäntel davon darstellt;
  • 5B und 5C genauere Ansichten sind, die unterschiedlichen Stegkonfigurationen in dem Mantelsegment der 5A zeigen;
  • 6 und 7 Teilquerschnittsansichten längs der Schnittlinie 1-1 sind, die darstellen, wie der Wärmetauscher des ersten Ausführungsbeispiels unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufnimmt;
  • 8 und 9 perspektivische Ansichten sind, die einen Teil des Mantels zeigen, in dem die Rohre aufgenommen sind, ebenfalls eine unterschiedliche Wärmeausdehnung darstellend;
  • 10 ein axialer Querschnitt des Wärmetauschers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
  • 11 ein axialer Querschnitts eines Dampfgenerators entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
  • 12 eine isolierte Ansicht eines einzigen Rohres und der zwei Kopfteile des ersten Wärmetauscherabschnitts des Dampfgenerators nach 1 ist;
  • 12A eine Prallanordnung für den Dampfgenerator der 11 und 12 darstellt;
  • 13 ein axialer Querschnitt eines Dampfgenerators nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
  • 14 ein Querschnitt längs der Schnittlinie 14-14 der 13 ist; und
  • 15 ein vergrößerter axialer Teilquerschnitt einer Variante des Dampfgenerators nach 13 ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Eine Wärmeaustauschervorrichtung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun weiter unten unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 beschrieben.
  • Begriffe, wie ”stromaufwärts”, ”stromabwärts”, ”Einlass” und ”Auslass” werden in der folgenden Beschreibung verwendet, um zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele, die in den Figuren gezeigt sind, beizutragen. Es sei jedoch bemerkt, dass diese Begriffe nur aus Einfachheit verwendet werden und dass sie nicht die Richtungen des Fluidstroms durch die hier beschriebenen Wärmetaustauscher einschränken. Es sei eher verstanden, dass die Strömungsrichtungen des einen oder beider Fluide, die durch die Wärmeaustauscher strömen, umgekehrt sein können, wo eine solche Strömungsumkehr vorteilhaft ist.
  • Die Wärmeaustauschervorrichtung 10 ist ein Dampfgenerator oder ein kombinierter Dampfgenerator und katalytischer Wandler, in dem Wärme von einem heißen Abgas (Tailgas) verwendet wird, um flüssiges Wasser in überhitzten Dampf umzuwandeln. Der Dampfgenerator 10 umfasst im Allgemeinen zwei Wärmetauscherabschnitte, einen ersten Wärmetauscherabschnitt 12, der einen Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher bzw. Rohrbündelwärmetauscher aufweist, und einen zweiten Wärmetauscherabschnitt 14, der einen koaxialen konzentrischen Rohrwärmetauscher aufweist. Sei Benutzung kann die Vorrichtung 10 so orientiert sein, wie in 1 gezeigt, mit dem zweiten Wärmetauscherabschnitt 14 über dem ersten Wärmetauscherabschnitt 12, aus Gründen, die weiter unten erkennbar werden.
  • Der Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher 12 umfasst eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden, voneinander beabstandeten Rohren 16, die in einem Rohrbündel angeordnet sind, in denen die Rohre 16 in paralleler und beabstandeter Beziehung zueinander liegen, wobei ihre Enden ausgerichtet sind. Obwohl es nicht für die Erfindung notwendig ist, kann das Rohrbündel eine grob zylindrische Form haben, wie es aus den 3, 8 und 9 ersichtlich ist. Jedes Rohr 16 ist zylindrisch und weist ein erstes (stromaufwärtiges) Ende 18, ein zweites (stromabwärtiges) Ende 20 und einen hohlen Innenraum auf. Die ersten und zweiten Enden 18, 20 sind offen, wobei der hohle Innenraum der Rohre 16 zusammen einen ersten Bereich eines ersten Fluidströmungskanals 22 bilden. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erste Fluid ein heißes Abgas oder Tailgas und daher wird der erste Bereich des ersten Fluidströmungskanals 22 manchmal hier als ”stromaufwärtiger Abgaskanal 22” bezeichnet. Wie aus der 1 zu erkennen ist, strömt das in den Dampfgenerator 10 eintretende Abgas in die ersten Enden 18 der Rohre 16, durch den hohlen Innenraum der Rohre 16 und verlässt die Rohre 16 über die zweiten Enden 20.
  • Der Dampfgenerator 10 umfasst ebenfalls einen ersten Fluideinlass 24, der manchmal hier als ”Abgaseinlass 24” bezeichnet wird. Der Abgaseinlass 24 dient nicht nur als ein Einlass, durch den Abgas in den stromaufwärts gelegenen Abgaskanal 22 eintreten kann, sondern dient auch als ein Einlass, durch den das Abgas in den Dampfgenerator 10 von einer externen Quelle (nicht gezeigt) einströmt. Daher ist der Abgaseinlass 24 mit einer Abgaseinlassarmatur 25 versehen, durch die das Abgas von der externen Quelle aufgenommen wird. Der Abgaseinlass 24 ist in Strömungsverbindung mit den ersten Enden 18 der Mehrzahl von Rohren 16. Wie in 1 gezeigt wird, kann ein Einlasssammelraum 26 zwischen dem ersten Fluideinlass 24 und den ersten Enden 18 der Rohre 16 vorgesehen sein.
  • Der Dampfgenerator 10 umfasst außerdem einen ersten Mantel 28 (manchmal hier als ”Innenmantel” bezeichnet), der eine erste sich axial erstreckende Mantelwand 30 (manchmal hier als ”Innenmantelwand” bezeichnet) aufweist, die die Mehrzahl von Rohren 16 umgibt. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die erste Mantelwand 30 durch den ersten Wärmetauscherabschnitt 12 und durch mindestens einen Teil des zweiten Wärmetauscherabschnitts 14. Obwohl es nicht essentiell für die Erfindung ist, kann die erste Mantelwand 30 eine zylindrische Form haben.
  • Bestimmte Konstruktionsdetails des ersten Mantels 28 sind in der Zeichnung gezeigt. In dieser Hinsicht kann der erste Mantel 28 aus zwei oder mehreren Segmenten konstruiert sein, die mit den Enden miteinander verbunden sind. Beispielsweise umfasst in dem Ausführungsbeispiel nach 1 der erste Mantel 28 einen Endkappenabschnitt 32, der eine geschlossene Stirnwand 34 aufweist, in der der erste Fluideinlass 24 vorgesehen ist; einen Mittelabschnitt 36, der in Alleinstellung in 5A gezeigt ist und weiter unten unter Bezugnahme auf die 5A–5C diskutiert wird; und einen Endabschnitt 38, der ein Teil des zweiten Wärmetauscherabschnitts 14 bildet. Es sei bemerkt, dass diese Art von Mantelkonstruktion, obwohl sie in dieser Erfindung nützlich ist, eine optionale Konstruktion ist, die nicht für die Erfindung notwendig ist.
  • Der Dampfgenerator 10 umfasst außerdem ein Paar von Kopfteilen, nämlich ein erstes (stromaufwärtiges) Kopfteil 40, das in der Nähe der ersten Enden 18 der Rohre 16 angeordnet ist, und ein zweites (stromabwärtiges) Kopfteil 42, das in der Nähe der zweiten Enden 20 der Rohre 16 angeordnet ist. Die Kopfteile 40, 42 sind jeweils mit einer Mehrzahl von Durchbrüchen 44 (wie in 3 gezeigt) versehen, in denen die jeweiligen ersten und zweiten Enden 18, 20 der Rohre 16 aufgenommen sind. Wie in 1 gezeigt, können die Enden 18, 20 der Rohre 16 sich vollständig durch die Durchbrüche 44 der Kopfteile 40, 42 erstrecken und sind zu diesen abgedichtet und starr mit den Kopfteilen 40, 42 durch jedes geeignete Mittel verbunden. Wenn beispielsweise die Rohre 16 und die Kopfteile 40, 42 aus Metall hergestellt sind, können sie durch Löten oder Schweißen miteinander verbunden sein.
  • Jedes Kopfteil 40, 42 weist einen äußeren Umfangsrand 46 auf, an dem es abgedichtet und mit der ersten Mantelwand 30 verbunden ist. Somit haben die Kopfteile 40, 42 eine kreisförmige Form für die Befestigung an der ersten Mantelwand 30. Es kann aus der Zeichnung gesehen werden, dass die erste Mantelwand 30 und das erste und zweite Kopfteil 40, 42 zusammen einen zweiten Bereich eines zweiten Fluidströmungskanals 50 bilden. Ein zweites Fluid, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Dampf und/oder flüssiges Wasser umfasst, strömt durch den Strömungskanal 50 in Kontakt mit Außenflächen der ersten Mehrzahl von Rohren 16. Somit wird der zweite Bereich des zweiten Fluidströmungskanals 50 manchmal hier als ”stromabwärtiger Dampfkanal 22” bezeichnet. Der stromabwärtige Strömungskanal kann mit mindestens einer Prallplatte (weiter unten beschrieben) versehen sein, um einen gewundenen Pfad für den durch Kanal 22 strömenden Dampf zu erzeugen, wobei der Strömungsweg verlängert wird und die Wärmeübertragung von dem Abgas an dem Dampf verbessert wird.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die drei Abschnitte 32, 36, 38 des ersten Mantels 28 durch die Kopfteile 40, 42 miteinander verbunden. In dieser Hinsicht hat jedes Kopfteil einen äußeren Umfangsrand 46, der mit einer sich axial erstreckenden Umfangswand 48 versehen ist, wobei die Wand 48 zwei der Abschnitte, die den ersten Mantel 28 bilden, aufnimmt und überlappt. Genauer gesagt, verbindet das erste Kopfteil 40 den Endkappenabschnitt 32 und ein Ende des mittleren Abschnitts 36, während das zweite Kopfteil 42 das entgegengesetzte Ende des mittleren Abschnitts 36 mit dem Endabschnitt 38 verbindet. Die Umfangswände 48 der Kopfteile 40, 42 sind mit den Mantelabschnitten 32, 36, 38 durch Überlappverbindungen, die durch Löten oder Schweißen gebildet werden können, verbunden. Wie schon oben beschrieben, ist die Mehrabschnittskonstruktion des Mantels 28 optional, wie auch die Verwendung der Kopfteile 40, 42, um die Abschnitte 32, 36, 38 zu verbinden. Es sei erkannt, dass zahlreiche andere Wege für die Konstruktion des Dampfgenerators existieren. Beispielsweise kann der erste Mantel 28 als eine einheitliche Konstruktion ausgebildet sein, wobei die Umfangsränder 46 der Kopfteile 40, 42 mit der Innenfläche der ersten Mantelwand 30 verbunden und abgedichtet sind. Jedoch sieht die segmentierte, in der Zeichnung gezeigte Konstruktion eine Vereinfachung im Zusammensetzen vor und stellt eine saubere Ausrichtung und Abdichtung der Kopfteile 40, 42 in diesem speziellen Ausführungsbeispiel sicher.
  • Der Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher 12 ist mit Öffnungen für den Einlass und Auslass versehen, damit das zweite Fluid (d. h. Dampf) in den zweiten Fluidströmungskanal 50 eintreten und austreten kann. In dieser Hinsicht sind ein zweiter Fluideinlass 52 (auch hier als ”Dampfeinlass 52” bezeichnet) und ein zweiter Fluidauslass (hier auch als der ”Auslass 54 für überhitzten Dampf” bezeichnet) in der ersten Mantelwand 30 in Strömungsverbindung mit dem Inneren des stromabwärtigen Dampfkanals 50 versehen. Da das Abgas und der Dampf im Gegenstrom zueinander sind, ist der Dampfeinlass 52 (wird weiter unten beschrieben) in der Nähe des zweiten Kopfteils 52 angeordnet, während der Auslass 54 für das überhitzte Gas in der Nähe des ersten Kopfteils 40 liegt. Der Auslass 54 für den überhitzten Dampf dient nicht nur als ein Auslass, damit der Dampf aus dem stromabwärts gelegenen Dampfkanal 50 ausströmen kann. sondern dient auch als ein Auslass, durch den der Dampf den Dampfgenerator 10 in überhitzter Form für die Verwendung in einer externen Systemkomponente (nicht gezeigt) verlässt. Daher ist der Auslass 54 für den überhitzten Dampf mit einer Dampfauslassarmatur 56 versehen, durch die der überhitzte Dampf an die externe Systemkomponente ausströmen kann.
  • Wie oben beschrieben, ist der Dampfeinlass 52 in der ersten Mantelwand 30 vorgesehen und umfasst in dem in den 1–9 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Schlitz oder Spalt 58, der sich über den gesamten Umfang oder im Wesentlichen den gesamten Umfang der ersten Mantelwand 30 erstreckt und die Mantelwand 30 in einen ersten Bereich 60 und einen zweiten Bereich 62 trennt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel schließt der erste Bereich 60 der ersten Mantelwand 30 den Bereich der Mantelwand 30 unter dem Spalt 58 (stromabwärts relativ zur Strömungsrichtung des Abgases) ein, während der zweite Bereich den Bereich der Mantelwand 30 über dem Spalt 58 (stromaufwärts relativ zu der Strömungsrichtung des Abgases) umfasst. Somit ist der erste Bereich 60 der Mantelwand 30 axial von dem zweiten Bereich 62 der Mantelwand 30 beabstandet. Der Spalt 58 wird daher hier manchmal als ”erster axialer Raum” bezeichnet. In dem in den 1–9 gezeigten Ausführungsbeispiel, dient der Spalt 58 als Dampfeinlass 52 in den stromabwärts gelegenen Dampfkanal 50, obwohl bemerkt sei, dass der Spalt 58 stattdessen als ein Auslass dienen kann, bei dem die Strömungsrichtung des Dampfes entgegengesetzt zu der in 1 gezeigten ist.
  • 5A zeigt den Mittelabschnitt 36 der ersten Mantelwand 30 allein vor dem Zusammenbau der Vorrichtung 10. Der Mittelabschnitt 36 umfasst ein offenes zylindrisches Rohr, das eine Öffnung für den Auslass 54 für überhitzten Dampf und auch einen sich über den Umfang erstreckenden Schlitz aufweist, der den Dampfeinlass 52 und den Spalt 58 umfasst. Wie gezeigt, sind der Spalt 58 und der Auslass 54 für den überhitzten Dampf nahe an entgegengesetzten Ende des mittleren Mantelabschnitts 36 angeordnet, wodurch ein benötigter Abstand zwischen dem Einlass 52 und dem Auslass 54 des zweiten Fluidströmungskanals 50 vorgesehen wird. Somit ist bei dem zusammengesetzten Dampfgenerator 10 der Spalt 58 in der Nähe des zweiten Kopfteils 42 angeordnet, während der Auslass 54 für den überhitzten Dampf in der Nähe des ersten Kopfteils 40 vorgesehen ist.
  • Wie in 5A gezeigt ist, ist der Mittelabschnitt 36 der ersten Mantelwand 30 mit einer Mehrzahl von Stegen 64 versehen, die sich axial über den Spalt 58 erstrecken, um den Mittelabschnitt der ersten Mantelwand 30 mit einer einheitlichen Struktur zu versehen. Bei dem zusammengesetzten Dampfgenerator 10 nach 1 sehen die Stege 64 auch eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bereich 60, 62, der ersten Mantelwand 30 vor. Die Stege 64 sind von ausreichender Dicke und Steifigkeit, um den ersten und zweiten Bereich 60, 62 zusammenzuhalten und beim Zusammenbauen des Dampfgenerators 10 während des Herstellungsprozesses zu helfen. Die Stege 64 sind jedoch ausreichend dünn, so dass sie nicht merkbar die Strömung des zweiten Fluids in oder aus den ersten Mantel 28 beeinträchtigen und somit ist der Spalt 58 im Wesentlichen kontinuierlich.
  • In dem in 5B gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Stege 64 ausreichend dünn, so dass sie durch die Kräfte der axialen Wärmeausdehnung der Mehrzahl von Rohren 16 während der Benutzung des Dampfgenerators 10 zerbrochen sind. In einem alternativen Ausführungsbeispiel nach 5C ist der Mittelabschnitt 36 der ersten Mantelwand 30 mit Stegen 64 versehen, die eine Sicke oder eine Wellung 65 aufweisen, die dem Steg die Fähigkeit gibt, in axialer Richtung abhängig von einer axialen Wärmeausdehnung des Mittelabschnitts 36 der ersten Mantelwand 30 zu expandieren und sich zusammenzuziehen. Somit unterstützen die Stege 64, unabhängig davon, ob sie trennbar oder expandierbar sind, die Mantelwand 30 mit Nachgiebigkeit, wodurch die Kopfteile ”schwimmen können” und dabei Beschädigungen des Wärmetauschers vermieden werden, die durch die axialen Kräfte von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen bewirkt werden.
  • Wie oben erwähnt, können eine oder mehrere Prallplatten vorgesehen werden, um einen gewundenen Pfad für den durch den Kanal 22 strömenden Dampf zu erzeugen. Ein Beispiel einer Prallanordnung ist in den 1, 3A und 3B dargestellt und wird unten beschrieben. Die Prallanordnung umfasst eine erste Prallplatte 94, die, wie in 1 gezeigt, eine flache Platte aufweist, die sich quer über die Richtung der Dampfströmung durch den Kanal 22 erstreckt und die zwischen dem Dampfeinlass 52 (d. h. Schlitz 58) und dem Dampfauslass 54 liegt. Die erste Prallplatte 94 hat eine Außenumfangskante, die nahe der oder in Kontakt mit der Innenfläche des ersten Mantels 28 angeordnet ist, so dass ein merkbarer Bypassstrom um die Prallplatte 94 herum vermieden wird. Die Außenumfangskante der ersten Prallplatte kann abgedichtet mit der Innenmantelwand verbunden sein. Ein äußerer Ringbereich der ersten Prallplatte 94 ist mit Löchern 112 versehen, die so bemessen sind, dass sie in abdichtender Weise die Rohre 16 aufnehmen. Der äußere Bereich der ersten Prallplatte 94 umgibt eine Öffnung 113, die mittig in der Prallplatte 94 angeordnet sein kann und durch die im Wesentlichen der gesamte Dampf zwischen dem Dampfeinlass 52 und dem Dampfauslass 54 strömt.
  • Die Prallanordnung umfasst auch eine zweite Prallplatte 25 (in den 3A und 3B allein gezeigt), die von der ersten Prallplatte 94 hochsteht und sich von der ersten Prallplatte 94 in Richtung des Dampfstroms (d. h. nach oben) zu dem ersten Kopfteil 40 erstreckt. Die zweite Prallplatte 25 umfasst eine sich axial erstreckende rohrförmige Seitenwand, die an beiden Enden offen ist und einen hohlen Innenraum aufweist. Ein Ende der zweiten Prallplatte 95 stößt an die erste Prallplatte und ist über der Mittelöffnung 113 der ersten Prallplatte 94 angeordnet, wobei die rohrförmige Seitenwand die Mittelöffnung 113 umgibt. Daher kommuniziert die Mittelöffnung 113 der ersten Prallplatte 94 mit dem hohlen Innenraum der rohrförmigen Seitenwand derart, dass die zweite Prallplatte 95 den durch die Öffnung 113 strömenden Dampf aufnimmt.
  • Die zweite Prallplatte 95 weist mindestens eine Öffnung 97 in der rohrförmigen Seitenwand auf, wodurch eine Verbindung zwischen dem hohlen Innenraum der zweiten Prallplatte 95 und dem Dampfauslass 54 vorgesehen wird. In dieser Hinsicht kann die Öffnung 97 von dem Dampfauslass 54 weg gerichtet sein, so dass der die Öffnung 97 verlassende Dampf um die rohrförmige Seitenwand der zweiten Prallplatte 95 herum strömen muss, um den Dampfauslass 54 zu erreichen. Wie gezeigt, kann die Öffnung 97 winkelmäßig von dem Dampfauslass um einen Winkel von ungefähr 180 Grad entfernt sein, so dass die Öffnung 97 direkt von dem Dampfauslass weggerichtet ist. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Öffnung 97 einen sich axial erstreckenden Schlitz, der sich über die Höhe der zweiten Prallplatte 95 von einem Ende zu anderen erstrecken kann. Es sei jedoch bemerkt, dass die rohrförmige Seitenwand mit einer oder mehreren der Öffnungen 97 versehen sein kann und die Öffnungen können diskrete Öffnungen oder Löcher anstelle eines Längsschlitzes sein. Darüberhinaus müssen die Löcher nicht axial zueinander ausgerichtet sein, sondern können um den Umfang der rohrförmigen Seitenwand der Prallplatte 95 herum beabstandet sein.
  • Es kann gesehen sein, dass die Prallanordnung einschließlich der Prallplatten 94 und 95 einen gewundenen Pfad für den durch den Kanal 22 strömenden Dampf erzeugt, wodurch der Strömungspfad verlängert wird und die Wärmeübertragung des Abgases an den Dampf verbessert wird. In dem in der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mittelöffnung 113 der Prallplatte 94 kreisförmig und die zweite Prallplatte 95 weist eine im Wesentlichen zylindrische ”C”-Form auf. Es sei bemerkt, dass andere Formen für die Öffnung 113 und die Prallplatte 95 möglich sind.
  • Der Dampfgenerator 10 umfasst auch einen zweiten Mantel 66 (der manchmal hier als ”Außenmantel” bezeichnet wird), der eine sich axial erstreckende Mantelwand 68 (manchmal hier als ”Außenmantelwand 68” bezeichnet) aufweist, die sich entlang mindestens eines Bereichs der Länge des ersten Mantels 28 erstreckt. Der zweite Mantel 66 umgibt den Bereich des ersten Mantels, in dem der Spalt 58 angeordnet ist und von größerem Durchmesser als der erste Mantel 28 ist, derart, dass die zweite Mantelwand 68 radial nach außen von der ersten Mantelwand 30 beabstandet ist. Dieser radiale Abstand sieht einen ringförmigen Sammelraum 70 (hier auch als ”externer Strömungskanal” bezeichnet) in Strömungsverbindung mit dem stromabwärts gerichteten Dampfkanal 50 über den Spalt 58 vor.
  • Da der zweite Mantel 66 einen Sammelraum 70 über dem Spalt 58 vorsieht, ist er an seinen Enden 72 mit der Außenfläche der ersten Mantelwand 30 in abgedichteter Weise verbunden. Zu diesem Zweck ist die zweite Mantelwand 66 an ihren Enden 72 im Durchmesser reduziert und endet in einem sich axial erstreckenden Kragen, der mit der ersten Mantelwand 30 durch Löten oder Schweißen in abgedichteter Weise verbunden ist. Wie in 1 gezeigt ist, ist einer der Kragen mit dem ersten Bereich 60 des ersten Mantels 28 verbunden, während der Kragen 74 am entgegengesetzten Ende 72 mit dem zweiten Bereich 62 des ersten Mantels verbunden ist und auf der ersten Mantelwand 30 zwischen dem Spalt 58 und dem Auslass 54 für überhitzten Dampf positioniert ist. Die zweite Mantelwand 66 des Dampfgenerators 10 weist Enden auf, die nach innen zu den axialen Kragen 74 geneigt sind. Die nach innen geneigten Enden sind etwas nachgiebig und nehmen eine axiale Ausdehnung und Zusammenziehung der zweiten Mantelwand 66 in Abhängigkeit von der Wärmeausdehnung und Zusammenziehung der Rohre 16 und der ersten Mantelwand auf. Anstelle von geneigten Endbereichen kann die zweite Mantelwand 66 mit umfänglichen Wellungen oder ”Falten” versehen sein, um die Wärmeausdehnung aufzunehmen. Die Wellungen können in ihrer Form ähnlich zu den gewellten Sicken 204 in dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel sein.
  • Wie oben beschrieben, umfasst die Wärmeaustauschvorrichtung 10 außerdem einen zweiten Wärmetauscherabschnitt 14, der in Reihe zu dem ersten Wärmetauscherabschnitt 12 angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscherabschnitt 14, der auch hier als ”Boiler” 14 bezeichnet wird, umfasst einen zweiten Bereich des ersten Fluidströmungskanals 76 (hier auch als ”stromabwärts gerichteter Abgaskanal 76”), der Abgas von dem stromaufwärts liegenden Abgaskanal 22 empfängt. Der zweite Wärmetauscherabschnitt 14 umfasst auch einen ersten Bereich des zweiten Fluidströmungskanals 78 (hier auch als ”stromaufwärtiger Wasser/Dampfkanal 78” bezeichnet), in dem flüssiges Wasser in Dampf gewandelt wird, der dann zu dem stromabwärtigen Dampfkanal 50 strömt.
  • Der zweite Wärmetauscherabschnitt 14 des Dampfgenerators 10 weist die Form eines konzentrischen Rohrwärmetauschers auf, in dem der erste Bereich der ersten Mantelwand 30 eine äußerste Rohrschicht bildet. Der konzentrische Rohrwärmetauscher 14 umfasst außerdem ein sich axial erstreckendes Zwischenrohr 80, das zumindest teilweise in dem ersten Bereich 60 der ersten Mantelwand 30 aufgenommen ist.
  • In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Zwischenrohr 80 ein erstes Ende 82, das innerhalb der ersten Mantelwand in dichter Nähe zu dem ersten Wärmetauscherabschnitt 12 aufgenommen ist, und ein zweites Ende 84 auf, das über das Ende des ersten Mantels 28 herausragt, und endet mit einer Stirnwand 86, in der der erste Fluidauslass 85 (hier auch als ”Abgasauslass 85” bezeichnet) vorgesehen ist. Der Abgasauslass 85 dient nicht nur als Auslass für das Ausströmen des Abgases aus dem stromabwärtigen Abgaskanal 76, sondern dient auch als ein Auslass, durch den das Abgas den Dampfgenerator 10 in abgekühlter Form relativ zu der Temperatur am Einlass 24 zum Abführen oder für die Verwendung in einer externen Systemkomponente (nicht gezeigt) verlässt. Daher ist der Abgasauslass 85 mit einer Abgasauslassarmatur 88 versehen, durch die das gekühlte Abgas aus dem Dampfgenerator 10 ausströmt.
  • Es sei verstanden, dass es im Wesentlichen keinen Wärmeaustausch in dem Bereich des Zwischenrohrs 80, das über das Ende des ersten Mantels 28 hervorragt, stattfindet. Stattdessen dient der hervorragende Bereich dazu, einen Auslasssammelraum 90 für das aus dem Dampfgenerator 10 über den Auslass 85 abzuführende Abgas vorzusehen.
  • Es kann gesehen werden, dass der stromaufwärtige Wasser/Dampfkanal 78 in einem äußeren Ringraum 91 zwischen der ersten Mantelwand 30 und dem Zwischenrohr 80 begrenzt ist und an seinen Enden beispielsweise durch ringförmige Abdichtringe 92 geschlossen ist, die den ringförmigen Raum 91 füllen und ein Mittel zur Verbindung zwischen dem ersten Mantel 28 und dem Zwischenrohr 80 vorsehen. Obwohl die Enden des Raums zwischen dem ersten Mantel 28 und dem Zwischenrohr 80 durch ringförmige Ringe 92 abgedichtet sind, ist erkennbar, dass dies nicht notwendig ist. Stattdessen kann der erste Mantel 28 im Durchmesser reduziert werden und/oder das Zwischenrohr 80 kann im Durchmesser erhöht werden, so dass Punkte vorgesehen werden, bei denen der erste Mantel 28 und das Zwischenrohr 80 verbunden werden.
  • Der konzentrische Rohrwärmetauscher 24 umfasst außerdem ein sich axial erstreckendes Innenrohr 96, das ein an einem oder beiden seiner Enden geschlossenes ”Blindrohr” ist und in dem Zwischenrohr 80 aufgenommen ist, wobei der stromabwärtige Abgaskanal 76 in einem inneren ringförmigen Raum 98 zwischen dem Innenrohr 96 und dem Zwischenrohr 80 begrenzt ist. Der innere ringförmige Raum 98 ist an seinen Enden offen, um eine Strömung des Abgases von dem inneren ringförmigen Raum 98 durch ihn hindurch in den Sammelraum 90 und zu dem Auslass 85 zu gestatten.
  • Der konzentrische Rohrwärmetauscher 14 umfasst ebenfalls einen ersten Fluideinlass 100 (auch hier als ”Abgaseinlass 100” bezeichnet), durch den das von dem Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher 12 ausströmende Gas in den Wärmetauscher 14 eintritt. Der Abgaseinlass 100 umfasst einen Sammelraum zwischen dem zweiten Enden 20 der Rohre 16 und einem Ende des inneren ringförmigen Raums 98. In diesem Abgaseinlass/Sammelraum 100 kann der erste Mantel 28 mit einem oder mehreren sich umfänglich erstreckenden Wellungen 108 versehen sein, deren Zweck und Funktion weiter unten beschrieben wird.
  • Ein zweiter Fluideinlass 102 (hier auch als ”Wassereinlass 102” bezeichnet) ist in der ersten Mantelwand 30 vorgesehen und ist in Strömungsverbindung mit dem äußeren ringförmigen Raum 91. Der Wassereinlass 102 dient nicht nur als ein Einlass für den Eintritt von flüssigem Wasser in den stromaufwärtigen Wasser/Dampfkanal 78, sondern dient auch als ein Einlass, durch den flüssiges Wasser in den Dampfgenerator 100 von einer externen Quelle (nicht gezeigt) eintritt. Daher ist der Wassereinlass 102 mit einer Wassereinlassarmatur 104 versehen, durch die das flüssige Wasser aus der externen Quelle aufgenommen wird.
  • Ein zweiter Fluidauslass 106 (hier auch als ”Dampfauslass 106” bezeichnet) ist in der ersten Mantelwand 30 vorgesehen und ist in Strömungsverbindung mit dem äußeren Ringraum 91. In dem in der Zeichnung dargestellten Dampfgenerator 10 umfasst der Dampfauslass 106 eine oder mehrere in dem ersten Mantel 28 gebildeten Öffnungen in dichter Nähe zu einem der geschlossenen Enden des äußeren Ringraums 91. Diese Öffnungen sehen ein Mittel vor, durch das der Dampf aus dem äußeren Ringraum 91 zu dem stromabwärtigen Dampfkanal 50 strömt.
  • Der Wassereinlass 102 empfängt flüssiges Wasser von einer externen Quelle (nicht gezeigt) und liefert das flüssige Wasser an den stromaufwärtigen Wasser/Dampfkanal 78. Der Kanal 78 dient als ein Raum, in dem das flüssige Wasser durch das durch den stromabwärtigen Abgaskanal 76 strömende Abgas aufgehetzt wird. Das flüssige Wasser wird in dem Kanal 78 zum Sieden aufgeheizt und wird in Dampf gewandelt. Daher dient der untere Bereich des Kanals 78 als ein Wasserreservoir von relativ geringem Volumen, der ungefähre Wasserpegel 101 ist in 1 gezeigt. Daher ist die Vorrichtung 10 in der Benutzung so orientiert, dass der Wassereinlass 102 unter dem Dampfauslass 106 liegt. Wie beispielsweise in 1 gezeigt ist, kann die Vorrichtung 10 eine im Wesentlichen vertikale Orientierung haben. Das Volumen an flüssigem Wasser in dem Ringkanal 78 ist gering und beschafft eine Vorrichtung mit einem hohen Grad an Ansprechempfindlichkeit, womit gemeint ist, dass Dampf sehr schnell abhängig von dem Strom von heißem Abgas durch den stromabwärtigen Abgaskanal 76 erzeugt wird.
  • Während des Betriebs der Vorrichtung 10 kann es einige Schwankungen im Wasserpegel 101 in dem stromaufwärtigen Wasser/Dampfkanal 78 geben. Um die schnelle Ansprechbarkeit des Boilers 14 zu optimieren, ist gewünscht, dass der Wasserstrom nahe an dem Pegel 101 und unter dem Dampfauslass 106 gehalten wird. Die Vorrichtung 10 kann mit Mitteln zum Steuern des Wasserpegels 101 in dem Boiler 14 versehen sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 10 mit einem Steuersystem versehen sein, das schematisch in 1 gezeigt ist und das ein Thermoelement 107 einschließt, um die Temperatur des den Boiler 14 verlassenden Dampfes zu überwachen, ein Ventil 109 zum Steuern des von einer Wasserquelle 114 in den Wassereinlass 102 des Boilers fließenden Wasserstroms zu steuern und einen elektronischen Controller 111, der die Temperaturinformation von dem Thermoelement 107 empfängt und die Operation des Ventils 109 steuert. Das Thermoelement 107 kann in dem durch den zweiten Mantel 66 umschlossenen Sammelraum 70 angeordnet sein. Wenn die von dem Thermoelement 107 detektierte Dampftemperatur zu niedrig ist, wird der Controller 111 teilweise oder vollständig das Ventil schließen, um den Wasserstrom in den Boiler 14 zu verringern und einen exzessiven Anstiegs des Wasserpegels 101 zu vermeiden. Auf der anderen Seite wird, wenn die von dem Thermoelement 107 detektierte Dampftemperatur zu hoch ist, der Controller teilweise oder vollständig das Ventil 109 öffnen, um so den Wasserstrom in den Boiler 14 zu erhöhen und einen exzessiven Abfall des Wasserpegels 101 zu vermeiden.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umgibt der zweite Mantel 66 auch den Bereich des ersten Mantels 28, in dem der Dampfauslass 106 ausgebildet ist, um so eine Strömungskommunikation zwischen dem äußeren Ringraum 91 und dem ringförmigen Sammelraum 70 vorzusehen. Sobald der Dampf in den Sammelraum 70 eintritt, ist er in der Lage, in den stromabwärtigen Dampfkanal 50 über den Spalt 58 zu strömen. Um das Sammeln von Wasser an dem Boden des zweiten Mantels 26 zu vermeiden, ist das untere Ende des zweiten Mantels 66 unmittelbar unter den Öffnungen angeordnet, die den Dampfauslass 106 bilden.
  • Um die Wärmeübertragung zwischen dem heißen Abgas und dem Wasser/Dampf in dem Boiler 14 zu optimieren, können der stromabwärtige Abgaskanal 76 und/oder der stromaufwärtige Wasser/Dampfkanal 76 mit turbulenzverbessernden Einsätzen in Form von gewellten Lamellen oder Turbulisern versehen werden, um Turbulenzen in den Ringkanälen 76, 78 zu erzeugen und dabei die Wärmeübertragung zu verbessern. Der turbulenzverbessernde Einsatz in dem stromabwärtigen Abgaskanal 76 wird durch das Bezugszeichen 103 in 1 identifiziert und der turbulenzverbessernde Einsatz in dem stromaufwärtigen Wasser/Dampfkanal 78 wird durch das Bezugszeichen 105 identifiziert. Der turbulenzverbessernde Einsatz 103 ist in Form eines Blattes ausgebildet, das um das Innenrohr 96 herum gewickelt ist, wobei die Spitzen und Böden der den Einsatz 103 bildenden Wellen in Kontakt mit dem Innenrohr 96 und dem Zwischenrohr 80 sind. In ähnlicher Weise ist der turbulenzverbessernde Einsatz 105 in der Form eines Blattes ausgebildet, das um das Zwischenrohr 80 gewickelt ist und in Kontakt mit dem Zwischenrohr 80 und der ersten Mantelwand 30 ist.
  • Die turbulenzverbessernden Einsätze 103, 105 können einfache gewellte Lamellen umfassen oder können versetzte oder geöffnete Streifenlamellen derart umfassen, wie sie in den US-Patenten Nr. Re 35 890 (So) und Nr. 6 273 183 (So et al.) beschrieben sind. Die Patenten von So und So et al. werden hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamteinheit eingeschlossen. Die Einsätze 103, 105 sind in den jeweiligen Kanälen 76, 78 aufgenommen, derart, dass die Niederdruckabfallrichtung des Einsatzes 103, 105 (d. h., das Fluid trifft auf die Vorderkante der Wellungen) parallel zu der Richtung des Gasstroms in den Kanälen 76 und 78 gerichtet ist. Mit den Einsätzen 103, 105 in dieser Orientierung gibt es einen relativ niedrigen Druckabfall in der Strömungsrichtung. Eine niedrige Druckabfallorientierung ist in 14 gezeigt und wird weiter unten beschrieben. Es sei bemerkt, dass eine hohe Druckabfallorientierung in einigen Ausführungsbeispielen bevorzugt sein kann. Bei einer hohen Druckabfallorientierung trifft das Fluid auf die Seiten der Wellungen.
  • Wenn turbulenzverbessernde Einsätze 103, 105 in Kanälen 76, 78 vorhanden sind, können sie über die gesamte Länge der Kanäle 76, 78 vorgesehen sein, oder sie können nur in den Bereichen der Kanäle 76, 78 vorgesehen sein, bei denen sie die günstige Wirkung haben. In dieser Hinsicht wird der turbulenzverbessernde Einsatz 103 in dem stromabwärtigen Abgaskanal 76 mindestens in dem unteren Bereich des Kanals unterhalb des Wasserpegels 101 vorgesehen sein, um eine Turbulenz in dem Abgas in dem Bereich des Kanals zu erzeugen, in dem die Wärme von dem Abgas an das flüssige Wasser im Kanal 78 übertragen wird. Der turbulenzverbessernde Einsatz 105 in dem stromaufwärtigen Wasser/Dampfkanal 78 wird mindestens in dem oberen Bereich des Kanals 78 über dem Wasserpegel 101 vorgesehen werden, um eine Turbulenz in dem Dampf in dem Bereich des Kanals 78 zu erzeugen, bei dem Wärme von dem Abgas an den Dampf übertragen wird. Es sei erkannt, dass die Struktur, Orientierung und Stelle der turbulenzverbessernden Einsätze 103, 105 durch eine Anzahl von Faktoren beherrscht werden, einschließlich der gewünschten Menge an Wärmeübertragung und der annehmbaren Größe des Druckabfalls in dem Boiler 14.
  • Um unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Rohre 96, 80 und 30 aufzunehmen und dabei die thermische Beanspruchung in dem Boiler 14 zu minimieren, können die Spitzen und/oder Böden der Wellungen der Einsätze 103, 105 zu den Flächen der Rohre, mit denen sie in Kontakt sind, unverbunden bleiben.
  • Statt der turbulenzverbessernden Einsätze 103, 105 in Form von Blättern, die in die Kanäle 76, 78 eingesetzt werden, können ein oder mehrere Rohre 96, 80 und 30 mit radial hervorspringenden Rippen und/oder Noppen (nicht gezeigt) versehen sein, die in den Kanal 76 und/oder 78 hereinragen und angeordnet sind, um einen gewundenen Strömungsweg in diesem Kanal 76 und/oder 78 zu erzeugen.
  • Die Betriebsweise des Dampfgenerators 10 wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, tritt flüssiges Wasser durch den Wassereinlass 102 in den Dampfgenerator 10 ein und sammelt sich in dem Wasserreservoir in dem unteren Bereich des stromaufwärtigen Wasser/Dampfkanal 78, d. h. in dem Bereich des Kanals 78, der unter dem Wasserpegel 101 liegt. Das flüssige Wasser im Kanal 78 wird durch das nach unten durch den stromabwärtigen Abgaskanal 76 strömende Abgas aufgeheizt, wobei die Wärme über das Zwischenrohr 80 übertragen wird. Das Aufheizen des flüssigen Wassers bewirkt, dass es zumindest teilweise in Dampf umgewandelt wird. Der Dampf strömt nach oben durch den Kanal 78, strömt durch den Dampfauslass 106 und tritt in den Sammelraum 70 zwischen dem ersten Mantel 28 und dem zweiten Mantel 66 ein. Der Dampf strömt dann durch den Spalt 58 und in den stromabwärtigen Dampfkanal 50, in dem er weiter durch Wärmeaustausch mit dem durch die Hohlinnenräume der Rohre 16 strömenden Abgas aufgeheizt wird. Im Kanal 50 wird Wärme von dem heißen Abgas an den Dampf über die Rohrwände übertragen, wodurch der Dampf überhitzt wird. Sobald der Dampf nach oben durch die Mittelöffnung 113 in der ersten Prallplatte 94 hindurchgeht und die Prallanaordnung durch die Öffnung 97 in der zweiten Prallplatte 95 verlässt, verlässt es dann Dampfgenerator über den Auslass 54 für überhitzten Dampf.
  • Abgas strömt in die entgegengesetzte Richtung, d. h. von oben nach unten in 1, wobei es in den Dampfgenerator 10 über den Abgaseinlass 24 eintritt und den Dampfgenerator 10 über den Abgasauslass 85 verlässt. Das durch den Einlass 24 strömende Abgas tritt in den Sammelraum 26 ein und tritt dann in den stromaufwärtigen Abgaskanal 22 ein, der durch die hohlen Innenräume der Rohre 16 gebildet wird. Wenn das Abgas durch die Rohre 16 nach unten strömt, wird Wärme von dem Abgas über die Rohrwände auf Dampf übertragen, der durch den stromabwärtigen Dampfkanal 50 strömt. Das Abgas strömt dann aus den zweiten Enden 20 der Rohre 16 heraus und strömt weiter nach unten in den Sammelraum 10 und von dort tritt das Abgas in den stromabwärtigen Abgaskanal 76 ein, in dem es zusätzlich Wärme an Wasser oder Dampf in dem stromaufwärtigen Wasser/Dampfkanal 78 überträgt. Schließlich verlässt das gekühlte Abgas den Kanal 76 und strömt in den Sammelraum 90 bevor er aus dem Dampfgenerator 10 über den Abgasauslass 85 ausgelassen wird.
  • Wie erkannt wird, ist das Abgas sehr viel heißer als der Dampf/Wasser und daher sind diejenigen Bereiche des Dampfgenerators 10, die in direktem Kontakt mit dem Abgas sind, im Allgemeinen auf einer sehr viel höheren Temperatur als diejenigen Bereiche des Dampfgenerators 10, die in direktem Kontakt mit dem Wasser/Dampf sind. Insbesondere sind die Rohre in direktem Kontakt mit dem heißen Abgas, während der Bereich des ersten Mantels 28, der den stromabwärtigen Dampfkanal 50 definiert, in direktem Kontakt mit dem Dampf ist. Somit könnten die Rohre 16 dazu neigen, in axialer Richtung um einen größeren Anteil zu expandieren, als der erste Mantel 28. Wie in 6 gezeigt ist, wird diese unterschiedliche Wärmeausdehnung von dem Spalt 58 aufgenommen, wobei der Spalt 58 größer wird, wenn die Rohre expandieren, wenn sie aufgeheizt werden, wie in 6 gezeigt wird. In umgekehrter Weise wird der Spalt kleiner sobald die Rohre sich zusammenziehen, wenn sie gekühlt werden, wie in 7 gezeigt. Diese Ausdehnung und Zusammenziehung des Spalts 58 hat die Wirkung, dass mögliche beschädigende thermische Beanspruchungen während der wiederholten Aufheiz/Abkühlzyklen reduziert werden. Da die zweiten Ende 18 der Rohre starr mit dem ersten Bereich 60 des Mantels 28 durch das Kopfteil 42 verbunden sind, erlaubt das Vorsehen der Wellungen 108, dass die Ausdehnung/Zusammenziehung der Rohre von dem ersten Mantel 28 aufgenommen wird, ebenfalls ohne exzessive Beanspruchungen der Komponenten des Dampfgenerators 10 zu bewirken.
  • Wie erkannt wird, ist die Temperatur des in den Dampfgenerator 10 einströmenden Abgases auf die Menge und die Temperatur des Dampfes bezogen, die erzeugt werden. Wenn beispielsweise das Abgas ein Abgas von der Kathode oder Anode einer Brennstoffzelle ist, muss es einer exothermischen Reaktion unterzogen werden, bevor es zur Dampferzeugung verwendet werden kann. Diese exothermische Reaktion kann eine katalytische Reaktion sein, wie eine bevorzugte Oxidation zum Umwandeln von Kohlenstoffmonoxid in dem Abgas in Kohlenstoffdioxid oder die exothermische Reaktion kann eine Verbrennung von molekularem Wasserstoff in dem Abgas umfassen.
  • Die exothermische Reaktion kann stromaufwärts zu dem Dampfgenerator 10 stattfinden oder kann in dem ersten Wärmetauscherabschnitt 12 stattfinden. Der spezifische, hier beschriebene Dampfgenerator 10 ist ausgebildet, ein vorgeheiztes Abgas durch den Einlass 24 zu empfangen, d. h. eines was einer exothermischen Reaktion stromaufwärts zu dem Dampfgenerator 10 unterzogen wurde. Jedoch können einfache Modifikationen an dem Dampfgenerator 10 vorgenommen werden, um die exothermische Reaktion innerhalb des ersten Wärmetauscherabschnitts 12 stattfinden zu lassen. Beispielsweise kann, wenn die exothermische Reaktion eine katalytische Reaktion, wie eine Teiloxidation ist, ein monolithischer Katalysator benachbart zum Abgaseinlass 24 in dem Einlasssammelraum 26 angeordnet werden oder katalysatorbeschichtete Strukturen, wie Lamellen können in die Rohre 16 eingesetzt werden. Wenn die katalytische Reaktion Sauerstoff oder Luft verlangt, kann das Abgas mit Sauerstoff oder Luft stromaufwärts zu dem Dampfgenerator 10 kombiniert werden oder ein Sauerstoff oder ein Lufteinlass können in dem ersten Wärmetauscherabschnitt 12 in der Nähe des Abgaseinlasses 24 vorgesehen werden.
  • Obwohl der oben beschrieben Dampfgenerator 10 ein heißes Abgas zum Erzeugen von Dampf verwendet, ist dies nicht notwendigerweise der Fall. Stattdessen kann jeder heiße Gasstrom, der Dampf erzeugen kann, in dem Dampfgenerator 10 verwendet werden.
  • Ein Wärmetauschertauscher 200 entsprechenden einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
  • Der Wärmeaustauscher 200 entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst einen Wasser-Gas-Shiftreaktor, in dem ein heißes Synthesegas (im Folgenden als ”Syngas” bezeichnet) gleichzeitig gekühlt und hinsichtlich des Kohlenstoffmonoxidgehalts reduziert wird. Der Wasser-Gas-Shiftreaktor 200 kann in einem Brennstoffzellensystem integriert sein und kann stromabwärts zu einem Syngasgenerator, wie einem Brennstoffreformer angeordnet sein, in dem das Syngas aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff erzeugt wird. Das Syngas umfasst typischerweise Wasserstoff, Wasser, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Methan. Bevor es in einer Brennstoffzelle verwendet wird, muss das Syngas gekühlt werden und der Kohlenmonoxidgehalt muss reduziert werden. Das Syngas wird daher einer leicht exothermischen, katalytischen Reaktion in dem Wasser-Gas-Shiftreaktor 200 unterzogen, wodurch Kohlenstoffmonoxid und Wasser zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgewandelt werden. Ein oder mehrere Wasser-Gas-Shiftreaktoren 200 können verlangt werden, um den Kohlenstoffmonoxidgehalt und/oder die Temperatur des Syngases auf annehmbare Niveaus zu reduzieren.
  • Der Wasser-Gas-Shiftreaktor 200 umfasst im Allgemeinen zwei Wärmetauscherabschnitte, einen ersten Wärmetauscherabschnitt 212, der einen Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher umfasst, und einen zweiten Wärmetauscherabschnitt 214, der einen Mantel-Rohr-Wärmeaustauscherabschnitt umfasst. Die zwei Wärmetauscherabschnitte 212 und 214 sind durch ein Wasser-Gas-Shift-Katalysatorbett 202 getrennt, in dem die katalytische Wasser-Gas-Shiftreaktion stattfindet. In dem Reaktor tritt das heiße Syngas am rechten Ende durch den Syngaseinlass 24 und die Syngaseinlassarmatur 25 in den Reaktor 200 ein und verlässt den Reaktor 200 an dem linken Ende durch den Syngasauslass 85 und die Syngasauslassarmatur 88.
  • Ein Kühlmittel, wie Luft, strömt im Gegenstrom relativ zur Richtung des Stroms des Syngases. Daher strömt das Kühlmittel von links nach rechts in 10, wobei es in den Reaktor 200 nahe dem linken Ende durch den Kühlmitteleinlass 102 und die Kühlmitteleinlassarmatur 104 eintritt und den Reaktor 200 nahe dem rechten Ende durch den Kühlmittelauslass 54 und die entsprechende Kühlmittelauslassarmatur (nicht in 10 sichtbar) verlässt. Die Luft wird durch das Syngas aufgeheizt und kann anderweitig in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden, wie in einem Brenner in dem Syngasgenerator oder in der Kathode einer Hochtemperaturbrennstoffzelle.
  • Beide, der erste und zweite Wärmetauscherabschnitt 212 und 214 des Reaktors 200 teilen viele Ähnlichkeiten und mit dem Mantel-Rohr-Wärmeaustauscherabschnitt 12 des Dampfgenerators 10, der oben beschrieben ist. In entsprechender Weise werden gleiche Komponenten der Wärmetauscherabschnitte 12, 212, 214 unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen beschrieben und die obige Beschreibung der gleichen Komponenten des Wärmetauscherabschnitts ist gleichermaßen anwendbar für die Wärmetauscherabschnitte 212, 214.
  • Die Mantel-Rohr-Wärmeaustauscherabschnitte 212, 214 umfassen jeweils eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden, zueinander beabstandeten Rohren 16, die in einem Rohrbündel, wie im oben beschriebenen Dampfgenerator 10, angeordnet sind. Die Rohre 16 sind in paralleler beabstandeter Beziehung zueinander angeordnet, wobei ihre Enden ausgerichtet sind. Jedes Rohr 16 ist zylindrisch und weist ein erstes Ende 18 und ein zweites Ende 20 und einen hohlen Innenraum auf. Das erste und zweite Ende 18, 20 der Rohre 16 sind offen, wobei die hohlen Innenräume der Rohre 16 zusammen einen ersten Fluidstromkanal 22 (manchmal hier als ”Syngaskanal 22” bezeichnet) definieren und wobei die Rohre 16 des ersten Wärmetauscherabschnitts 212 einen ersten (stromaufwärtigen) Bereich 22a davon definieren und die Rohre 16 des zweiten Wärmetauscherabschnitts 214 einen zweiten (stromabwärtigen) Bereich 22b davon definieren. Das Syngas tritt in den Reaktor 200 über den Einlass 24 ein, strömt zuerst durch den stromaufwärtigen Bereich 22a des Syngaskanals 22, tritt dann in das Katalysatorbett 202 ein, um einer Wasser-Gas-Shiftreaktion unterworfen zu werden, und strömt dann in den stromabwärtigen Bereich 22b des Syngaskanals 22 und wird dann aus dem Reaktor 200 durch den Auslass 85 und die Armatur 88 ausgelassen.
  • Der Reaktor 200 umfasst außerdem einen ersten Mantel 28, der eine sich axial erstreckende Mantelwand 30 aufweist, die sich durch die gesamte Länge des Reaktors 200 vom Syngaseinlass 24 zum Syngasauslass 85 erstreckt und die Rohre 16 beider Wärmetauscherabschnitte 212, 214 und auch das Katalysatorbett 202 umgibt.
  • Jeder Wärmetauscherabschnitt 212, 214 umfasst außerdem ein Paar von Kopfteilen, nämlich ein erstes Kopfteil 40, das in der Nähe der ersten Enden 18 der Rohre 16 angeordnet ist, und ein zweites Kopfteil 42, das in der Nähe der zweiten Enden 20 der Rohre 16 angeordnet ist. Die Kopfteile 40, 42 sehen jeweils eine Mehrzahl von Durchbrüchen 44 (nicht gezeigt) vor, in denen die jeweiligen ersten und zweiten Enden 18, 20 der Rohre 16 aufgenommen werden. Wie in 10 gezeigt wird, können die Enden 18, 20 der Rohre sich vollständig durch die Durchbrüche der Kopfteile 40, 42 erstrecken und sind zu den Kopfteilen 40, 42 abgedichtet und starr an ihnen durch jedes geeignete Mittel befestigt. Beispielsweise, wenn die Rohre 16 und Kopfteile 40, 42 aus Metall hergestellt sind, können sie miteinander durch Löten oder Schweißen verbunden werden.
  • Jedes Kopfteil 40, 42 hat einen äußeren Umfangsrand 46, mit dem es zu der ersten Mantelwand 60 abgedichtet und an dieser befestigt ist. Es kann aus der Zeichnung gesehen werden, dass die erste Mantelwand 30 und das erste und zweite Kopfteil 40, 42 zusammen einen zweiten Fluidströmungskanal 50 definieren (manchmal hier als ”Kühlmittelkanal 50” bezeichnet), wobei ein erster (stromaufwärtiger) Bereich 50a davon in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt 214 definiert ist und ein zweiter (stromabwärtiger) Bereich 50b davon in dem ersten Wärmetauscherabschnitt 212 definiert ist. Das Kühlmittel, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Luft umfassen kann, betritt den Reaktor 200 durch den Kühlmitteleinlass 102, strömt darauffolgend durch den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Kanal 50a, 50b in Kontakt mit den Außenflächen der Rohre 16 und verlässt den Reaktor 200 durch den Kühlmittelauslass 54. Obwohl es nicht in 10 ist, können die Kanäle 50a und 50b jeweils mit einer Prallanordnung, wie oben beschrieben, versehen sein und eine erste und zweite Prallplatte 94 und 95 umfassen, um einen gewundenen Weg für das Kühlmittel zu erzeugen, wodurch der Strömungsweg verlängert und die Wärmeübertragung mit dem Syngas verbessert wird.
  • Das Kühlmittel muss über die Außenfläche des ersten Mantels 28 strömen, wenn es von dem stromaufwärtigen Kanal 50a in den stromabwärtigen Kanal 50b übergeht. Daher umfasst der Reaktor 200 außerdem einen zweiten Mantel 66 (manchmal hier als ”Außenmantel 66” bezeichnet), der eine sich axial erstreckende zweite Mantelwand 68 (manchmal hier als ”Außenmantelwand 68” bezeichnet) aufweist, die sich entlang mindestens eines Bereichs der Länge des ersten Mantels 28 erstreckt. Der Außenmantel 66 ist radial nach außen von der ersten Mantelwand 30 gesehen beabstandet, um einen ringförmigen Kühlmittelströmungskanal 70 vorzusehen, der den ersten und zweiten Bereich 50a, 50b des Kühlmittelströmungskanals 50 miteinander verbindet.
  • Der Außenmantel 66 ist an seinen Enden 72 in abgedichteter Weise mit der Außenfläche der ersten Mantelwand 30 verbunden. In dieser Hinsicht ist die Außenmantelwand 66 an jedem Ende 72 in ihrem Durchmesser reduziert und weist nach innen geneigte Enden auf, von denen jedes in einem axial sich erstreckenden Kragen 74 endet, der durch Löten oder Schweißen mit der ersten Mantelwand 30 verbunden ist. Wie oben beschrieben sind die nach innen geneigten Enden etwas nachgiebig und nehmen eine axiale Ausdehnung und Zusammenziehung der zweiten Mantelwand 66 in Antwort auf eine Wärmeausdehnung und Zusammenziehung der Rohre 16 und der ersten Mantelwand 30 auf. Außerdem, wie in 10 gezeigt ist, kann der Außenmantel 66 mit einer oder mehreren gewellten Sicken 204 versehen sein, um eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des Reaktors aufzunehmen und Schäden, die durch thermische Beanspruchungen bewirkt werden, zu vermeiden. Es ist auch möglich, gewellte Sicken in dem Abschnitt der ersten Mantelwand 30, die das Wasser-Gas-Shift-Katalysatorbett 202 umgibt und die von dem Außenmantel 66 umschlossen wird, vorzusehen, entweder zusätzlich oder anstelle der gewellten Sicken 204 in dem Außenmantel 66. Die gewellten Sicken in der ersten Mantelwand würden im Erscheinungsbild ähnlich zu denen in dem Außenmantel sein, würden aber nur in Bereichen vorhanden sein, die zwischen dem Katalysatorbett 202 und den Enden 20 der Rohre 16 in den zwei Wärmetauscherabschnitten 212, 214 liegen.
  • Um eine Strömungskommunikation zwischen dem ringförmigen Kühlmittelströmungskanal 70 und den Innenräumen des stromaufwärtigen und stromabwärtigen Bereichs 50a, 50b des Kühlmittelkanals 50 vorzusehen, umfasst jeder Wärmetauscherabschnitt 212, 214 außerdem einen Schlitz oder Spalt 58, der sich um den gesamten Umfang der ersten Mantelwand 30 erstreckt und die Mantelwand 30 in einen ersten Bereich 60, einen zweiten Bereich 62 und einen dritten Bereich 62' trennt. Im Reaktor 20 umfasst der erste Bereich 60 der ersten Mantelwand 30 den Bereich der Mantelwand 30 zwischen dem Spalt 58 des Wärmetauscherabschnitts 212 und dem Spalt 58 des Wärmetauscherabschnitts 214, an dem Prallplatten 42 befestigt sind. Der zweite Bereich 62 umfasst den Bereich der Mantelwand 30, der sich nach rechts von dem ersten Bereich 60 erstreckt und einen Teil des ersten Wärmetauscherabschnitts 12 bildet, während der dritte Bereich 62' den Bereich der Mantelwand 30 umfasst, der sich vom ersten Bereich 60 nach links erstreckt und Teil des zweiten Wärmetauscherabschnitts 214 ist.
  • Somit ist der erste Bereich 60 der Mantelwand 30 axial zu dem zweiten Bereich 62 und dem dritten Bereich 62' der Mantelwand 30 beabstandet. Der Spalt 58 des Wärmetauscherabschnitts 212 dient als Kühlmitteleinlass 52, wodurch das Kühlmittel von dem ringförmigen Kühlmittelströmungskanal 40 in den stromabwärtigen Kühlmittelkanal 50b strömen kann. Der Spalt 58 des Wärmetauscherabschnitts 214 dient als ein Kühlmittelauslass, wodurch das Kühlmittel von dem stromaufwärtigen Kühlmittelkanal 50a in den ringförmigen Kühlmittelströmungskanal 70 strömen kann.
  • Obwohl es nicht in 10 gezeigt ist, haben die Spalte 58 des Reaktors 200 dieselbe Konfiguration, wie in 5 gezeigt ist, bei der die erste Mantelwand 30 mit einer Vielzahl von Stegen 64 versehen ist, die sich axial über die Spalte 58 erstrecken, um die erste Mantelwand 30 mit einer einheitlichen Struktur zu versehen. Auch in dem zusammengesetzten Reaktor 20, wie er in 10 gezeigt ist, sehen die Stege 64 eine Verbindung zwischen dem ersten Bereich 60 und dem zweiten und dritten Bereich 62, 62' der ersten Mantelwand 30 vor. Es sei bemerkt, dass die Stege 64 von ausreichender Dicke und Steifigkeit sind, dass sie den ersten, zweiten und dritten Bereich 60, 62, 62' zusammenhalten, um bei dem Zusammenbau des Reaktors 200 während des Herstellungsprozesses zu helfen. Die Stege 64 sind jedoch ausreichend dünn, dass sie nicht merkbar die Strömung des zweiten Fluids in den oder aus dem ersten Mantel 28 behindern und dass sie durch die Kraft der axialen Wärmeausdehnung der Mehrzahl von Rohren 16 während der Verwendung des Dampfgenerators 10 zerbrechen.
  • Bei der Benutzung tritt ein heißes Syngas, das eine Temperatur zwischen 600–1000 Grad Celsius haben kann, in den Reaktor 200 durch den Syngaseinlass 24 ein und strömt von rechts nach links durch den stromaufwärtigen Bereich 22a des Syngaskanals 22, der durch die Rohre 16 des ersten Wärmetauscherabschnitts 212 definiert ist. Wenn es durch den stromaufwärtigen Bereich 22a des Syngaskanals 22 strömt, wird das heiße Syngas teilweise durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmittelgas, wie Luft gekühlt, das durch den stromabwärtigen Bereich 50b des Kühlmittelkanals 50 strömt.
  • Das Syngas strömt aus den zweiten Enden 20 der Rohre 16 aus und tritt in das Wasser-Gas-Shift-Katalysatorbett 202 ein, wo es einer leicht exothermischen Gas-Shiftreaktion unterzogen wird, um den Kohlenstoffmonoxidgehalt zu reduzieren und den Wasserstoffgehalt zu erhöhen. Das Syngas verlässt dann das Katalysatorbett 202 und tritt in den stromabwärtigen Bereich 22b des Syngaskanals 22 ein, der durch die Rohre 16 des zweiten Wärmetauscherabschnitts 214 definiert ist. Wenn es durch den stromabwärtigen Bereich 22b des Syngaskanals 22 strömt, wird das heiße Syngas weiter durch Wärmeaustausch mit dem Kühlmittelgas, das durch den stromaufwärtigen Bereich 50a des Kühlmittelkanals 50 strömt, gekühlt. Schließlich verlässt das gekühlte und gereinigte Syngas den Kanal 22 und wird aus dem Reaktor 200 durch den Syngasauslass 85 ausgelassen.
  • Das Kühlmittel absorbiert Wärme von dem Syngas, wenn es aufeinanderfolgend durch den ersten und zweiten Bereich 50a, 50b des Kühlmittelkanals 50 strömt. Das Kühlmittel strömt durch den ringförmigen Kanal 70, um um das Katalysatorbett 202 herum zu strömen.
  • Wie es erkennbar ist, ist das Syngas sehr viel heißer als das Kühlmittel und daher werden diejenigen Teile des Reaktors 200, die in direktem Kontakt mit dem Syngas sind, im Allgemeinen auf einer höheren Temperatur als diejenigen Bereiche des Reaktors 200, die in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel sind, liegen. Insbesondere sind die Rohre 16 in direktem Kontakt mit dem heißen Syngas, wohingegen die Bereich des ersten Mantels 28, die den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Bereich 50a, 50b des Kühlkanals 50 umgeben und definieren, in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel sind. Somit tendieren die Rohre 16 in einem größeren Umfang in axialer Richtung zu expandieren als der erste Mantel 28. Diese unterschiedliche Wärmeausdehnung wird in der Weise, wie in 6 gezeigt, von dem Spalt 58 aufgenommen, wobei der Spalt 58 größer (in axialer Richtung) gemacht wird, sobald die Rohre expandieren, wenn sie aufgeheizt werden. In umgekehrter Weise wird der Spalt 58 schmaler, sobald die Rohre sich zusammenziehen, wenn sie, wie in 7 gezeigt, gekühlt werden. Diese Ausdehnung und Zusammenziehung des Spalts 58 hat die Wirkung, dass potentiell schädigende Wärmebeanspruchungen während der wiederholten Aufheiz/Abkühlzyklen reduziert werden. Da die zweiten Enden 18 der Rohre 16 starr an dem ersten Bereich 60 des Mantels 28 durch die Kopfteile 42 befestigt sind, ermöglicht das Vorsehen von Wellungen 204 im Außenmantel 66, dass das Ausdehnen/Zusammenziehen der Rohre 16 von dem Außenmantel 66 aufgenommen werden kann, ohne exzessive Beanspruchung der Komponenten des Dampfgenerators 10 zu bewirken.
  • Obwohl der oben beschriebene Dampfgenerator 10 einen ersten Wärmetauscherabschnitt 12, der einen Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher mit einem Bündel von dünnen Rohren umfasst, und ein zweiter Wärmetauscherabschnitt 14 umfasst, der einen koaxialen konzentrischen Rohrwärmetauscher umfasst, ist dies nicht notwendigerweise der Fall. Andere alternative Ausführungsbeispiele werden nun beschrieben, in denen der erste Wärmetauscherabschnitt eine andere Konfiguration aufweist.
  • Die 11, 12 und 12A stellen einen Dampfgenerator 310 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, der viele von den gleichen Elementen mit dem oben beschriebenen Dampfgenerator 10 teilt, Diese gleichen Elemente sind in der Zeichnung durch gleiche Bezugszeichen identifiziert und die obige Beschreibung dieser Elemente ist für das Ausführungsbeispiel der 11 und 12 anwendbar. Die folgende Beschreibung ist auf die Unterschiede zwischen dem Dampfgenerator 10 und dem Dampfgenerator 310 fokussiert.
  • Der Dampfgenerator 310 umfasst einen ersten und einen zweiten Wärmetauscherabschnitt 12, 14. Der zweite Wärmetauscherabschnitt 14 des Dampfgenerators 310 ist ein konzentrischer Rohrwärmetauscher, der identisch zu dem des Dampfgenerators 310 sein kann. Der erste Wärmetauscherabschnitt 12 des Dampfgenerators 10 ist eine Mantel-Rohrkonstruktion, unterscheidet sich aber von dem Dampfgenerator 10 darin, dass er nicht ein Rohrbündel umfasst. Stattdessen umfasst der erste Wärmetauscherabschnitt 12 des Dampfgenerators 310 ein einziges Rohr 312, das sich axial zwischen einem ersten Kopfteil 314 und einem zweiten Kopfteil 316 erstreckt. Das Rohr 312 ist an beiden Enden offen und weist einen hohlen Innenraum auf, der von einer Rohrwand umgeben ist, die aus einer Mehrzahl von Wellungen hergestellt ist, um so die Oberfläche, über die der Wärmeaustausch stattfindet, zu erhöhen. Die Wellungen des Rohres 312 sind in der Anzahl relativ gering und von relativ großer Amplitude, derart, dass das Rohr 312 einen sternförmigen Querschnitt mit sechs Keulen aufweist, von denen sich jede von nahe der Mitte des Rohrs 312 zu einem Punkt erstreckt, der nahe an den Umfangsrändern der Kopfteile 314, 316 liegt. Die Konfiguration des Rohrs 312, die in den 11 und 12 gezeigt ist, ist jedoch nur beispielhaft und das Rohr 312 kann eine unterschiedliche Form aufweisen. Obwohl ein kreisförmiger Flächenbereich in der Mitte des Rohrs gezeigt ist, ist dies nicht notwendig. Vielmehr können die inneren Enden der Wellungen oder Rohre sich in der Mitte des Rohrs 312 treffen.
  • Die Kopfteile 314, 316 haben eine einzige Öffnung 318, die an die Form des Rohrs 312 angepasst ist. Die Öffnung 318 kann durch einen hochstehenden Kragen 320 umgeben werden, um eine verbesserte Verbindung mit der Wand des Rohrs 312 vorzusehen. Die äußeren Umfangsränder der Kopfteile 314, 316 können so sein, wie in 11 dargestellt, wobei sie Segmente des Mantels 28 miteinander verbinden, oder die Umfangsränder können nur einen nach oben gerichteten Kragen 322 haben, der mit der Innenfläche des Mantels 28 beispielsweise durch Schweißen oder Löten zu verbinden ist.
  • In einer ähnlichen Weise, wie oben unter Bezugnahme auf den Dampfgenerator 10 diskutiert wurde, kann der hohle Innenraum des Rohrs 312 mit katalysatorbeschichteten Strukturen, wie Lamellen, versehen sein. Beispielsweise können katalysatorbeschichtete Lamellen in den Keulen vorgesehen sein und eine katalysatorbeschichtete Lamelle, die spiralförmige gewunden ist, kann in der Mitte des Rohrs 312 aufgenommen werden.
  • Wie in 12A gezeigt wird, kann der Dampfgenerator 310 ebenfalls eine Prallplatte 315, ähnlich zur Prallplatte 94, die oben beschrieben wurde, einschließen, die eine Mittelöffnung in der Abmessung und Form zur Aufnahme des Rohrs 312 aufweist. Wenn das Rohr 312 eine sternförmige oder gewellte Konstruktion, wie in der Zeichnung dargestellt, hat, wird die Prallplatte eine sternförmige Mittelöffnung 317 haben, die durch den flachen Bereich der Prallplatte 315 umgeben ist. Der flache Bereich wird sich nach innen erstreckende Keulen 319 haben, um mit der Form des Rohrs 312 übereinzustimmen. Die inneren Zipfel 321 von mindestens einigen der Keulen 319 sind jedoch weggeschnitten, um Lücken 323 zwischen der Prallplatte 315 und dem Rohr 312 zu erzeugen, wobei die Lücken 323 so nahe wie möglich an der Mitte des Wärmetauscherabschnitts 12 angeordnet sind, um so einen verwundenen Strömungsweg durch Abschnitt 12 zu erzeugen. Es sei erkannt, dass der flache Bereich der Prallplatte 315 mit Löchern 325 versehen sein kann, durch die es einen Teil der Fluidströmung geben kann. Nur ein Loch 325 ist in gestrichelten Linien in 12A gezeigt, es sei aber bemerkt, dass die Anzahl, Abmessung und Stelle dieser Löcher 325 abhängig von den gewünschten Strömungseigenschaften in dem Abschnitt 12 sein kann.
  • Die 13 bis 15 stellen einen Dampfgenerator 410 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, wobei viele der gleichen Elemente wie beim oben beschriebenen Dampfgenerator 10 geteilt werden. Die gleichen Elemente sind in der Zeichnung durch die gleichen Bezugszeichen identifiziert und die obige Beschreibung dieser Elemente ist für das Ausführungsbeispiel nach den 13 bis 15 anwendbar. Die folgende Beschreibung ist auf die Unterschiede zwischen den Dampfgeneratoren 10 und 410 fokussiert.
  • Der Dampfgenerator 410 umfasst einen ersten und einen zweiten Wärmetauscherabschnitt 12, 14. Der zweite Wärmetauscherabschnitt 14 des Dampfgenerators 410 ist ein konzentrischer Rohrwärmetauscher, der identisch zu dem des Dampfgenerators 10 sein kann. Der erste Wärmetauscherabschnitt 12 des Dampfgenerators 410 unterscheidet sich von dem des Dampfgenerators 10 darin, dass er nicht eine Mantel-Rohrkonstruktion hat und auch nicht Kopfteile einschließt. Stattdessen umfasst der erste Wärmetauscherabschnitt 12 des Dampfgenerators 410 einen konzentrischen Rohrwärmetauscher, der ein sich axial erstreckendes Zwischenrohr 412 aufweist, das an seinen Enden aufgeweitet ist und mit Kragen 414 versehen ist, die an der Innenseite des Innenmantels 28 befestigt sind, so dass der stromabwärtige Kanal 22 in einem äußeren Ringraum zwischen dem Innenmantel 28 und dem Zwischenrohr 412 vorgesehen wird und der stromabwärtige Dampfkanal 50 wird durch die aufgeweiteten Enden des Zwischenrohrs 412 abgedichtet.
  • Der erste Wärmetauscherabschnitt umfasst außerdem ein axial sich erstreckendes Innenrohr 416, das ein ”blindes Rohr” ist und an einem oder beiden Enden geschlossen ist, und es ist in dem Zwischenrohr 412 aufgenommen, wobei der stromaufwärtige Abgaskanal 22 in einem inneren Ringraum zwischen dem Innenrohr 416 und dem Zwischenrohr 412 begrenzt ist. Der innere Ringraum ist an seinen Enden offen, um eine Strömung des Abgases durch ihn hindurch zu gestatten.
  • Um die Wärmeübertragung zu optimieren können der stromaufwärtige Abgaskanal 22 und/oder der stromabwärtige Dampfkanal 50 mit turbulenzverbessernden Einsätzen in Form von gewellten Lamellen oder Turbulisern, wie oben beschrieben, versehen sein. Der turbulenzverbessernde Einsatz in dem stromaufwärtigen Abgaskanal 22 ist mit dem Bezugszeichen 418 in den 13 und 14 bezeichnet und der turbulenzverbessernde Einsatz in dem stromabwärtigen Dampfkanal 50 wird durch das Bezugszeichen 420 identifiziert. Die in 14 gezeigten turbulenzverbessernden Einsätze 418, 420 sind in einer Orientierung eines niederen Druckabfalls angeordnet, jedoch sei erkannt, dass die Kanäle 22 und 15 stattdessen mit turbulenzverbessernden Einsätzen versehen werden können, die eine Orientierung des hohen Druckabfalls haben.
  • Um das Innenrohr 416 zu stützen und die Wärmeübertragung zwischen dem Dampf und dem Abgas zu verbessern, kann die Lamelle 418 in dem stromaufwärtigen Abgaskanal 22 sowohl an dem Innenrohr 416 als auch an dem Zwischenrohr 412 beispielsweise durch Löten angesetzt sein. Auch kann für den Zweck der Verbesserung der Wärmeübertragung die Lamelle 420 in dem stromabwärtigen Dampfkanal 50 an das Zwischenrohr 412 beispielsweise durch Löten angesetzt sein. Für den Zweck des Aufnehmens einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Mantels 28 und des Zwischenrohrs 412 jedoch und zum Reduzieren von unerwünschten Wärmeverlusten durch den Mantel 28 kann die Lamelle 420 nicht mit dem Mantel 28 verbunden bleiben.
  • In Fällen, bei denen eine zusätzliche Aufnahme einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung gewünscht ist, kann das Zwischenrohr 412 mit sich über den Umfang erstreckenden Wellungen 422 versehen sein. Da die Wellungen 422 in den stromaufwärtigen Abgaskanal 22 hereinragen, können die Lamellen 420 in Segmente 420A, 420B, 420C, 420D aufgebrochen werden, die durch Wellungen 422 getrennt sind. Die Wellungen 422 versehen das Zwischenrohr 412 mit Nachgiebigkeit und verschaffen ihm etwas mehr Nachgiebigkeit als eine Lamelle 480, mit der es verbunden ist. Somit ermöglichen die Wellungen 422 dem Zwischenrohr 412, dass es axial gerichtete Kräfte der Wärmeausdehnung aufnehmen kann, um Beanspruchung und Schäden an den umgebenden Komponenten des Wärmetauschers zu vermeiden.
  • Obwohl die Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf begrenzt. Stattdessen umfasst die Erfindung alle Ausführungsbeispiele, die in den Schutzbereich der folgenden Ansprüche fallen.

Claims (20)

  1. Wärmeaustauschervorrichtung, die einen ersten Wärmetauscherabschnitt und einen zweiten Wärmetauscherabschnitt umfasst, die in Reihe zueinander angeordnet sind, wobei die Wärmeaustauschervorrichtung umfasst: (a) einen Innenmantel, der ein erstes und ein zweites Ende aufweist und eine Innenmantelwand hat, die sich längs einer Achse zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckt, wobei der erste Wärmetauscherabschnitt und der zweite Wärmetauscherabschnitt von der Innenmantelwand umgeben sind; (b) einen ersten Fluideinlass, der in dem ersten Wärmetauscherabschnitt vorgesehen ist, und einen ersten Fluidauslass, der in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt vorgesehen ist; (c) einen zweiten Fluideinlass, der in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt vorgesehen ist, und einen zweiten Fluidauslass, der in dem ersten Wärmetauscherabschnitt vorgesehen; (d) einen sich axial erstreckenden ersten Fluidströmungskanal, der sich sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Wärmetauscherabschnitt von dem ersten Fluideinlass zu dem ersten Fluidauslass erstreckt, wobei das erste Fluid zwischen dem ersten und zweiten Wärmetauscherabschnitt durch einen innerhalb des Innenmantels liegenden inneren Verbindungskanal strömt; (e) einen sich axial erstreckenden zweiten Fluidströmungskanal, der sich sowohl durch den ersten als auch den zweiten Wärmetauscherabschnitt von dem zweiten Fluideinlass zu dem zweiten Fluidauslass erstreckt, wobei der erste und der zweite Fluidströmungskanal zueinander abgedichtet sind und wobei das zweite Fluid zwischen dem zweiten und dem ersten Wärmetauscherabschnitt durch einen externen Verbindungskanal strömt, der außerhalb des Innenmantels angeordnet ist; (f) einen Außenmantel, der den externen Verbindungskanal umgibt; (g) mindestens eine Öffnung durch den Innenmantel in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt, durch die das zweite Fluid von dem zweiten Wärmetauscherabschnitt in den externen Verbindungskanal strömt; (h) mindestens eine Öffnung durch den Innenmantel in dem ersten Wärmetauscherabschnitt, durch die das zweite Fluid von dem externen Verbindungskanal in den ersten Wärmetauscherabschnitt strömt; wobei die mindestens eine Öffnung in dem ersten Wärmetauscherabschnitt einen ersten axialen Spalt umfasst, der zwischen einem ersten Bereich der Innenmantelwand und einem zweiten Bereich der Innenmantelwand vorgesehen ist.
  2. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste und zweite Bereich der Innenmantelwand vollständig durch den ersten axialen Spalt getrennt sind, mit der Ausnahme, dass vor der ersten Benutzung der Vorrichtung der erste und der zweite Bereich der Innenmantelwand miteinander durch eine Mehrzahl von Stegen verbunden sind, die jeweils den ersten axialen Spalt durchqueren.
  3. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Stege eine ausreichende Dicke und Steifigkeit haben, damit sie den ersten und zweiten Bereich der Innenmantelwand während der Herstellung der Wärmeaustauschervorrichtung zusammenhalten können und wobei die Stege dünn genug sind, damit sie durch eine Kraft der axialen Wärmeausdehnung während der Benutzung der Wärmeaustauschervorrichtung brechen.
  4. Wärmeaustauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Außenmantel eine sich axial erstreckende Außenmantelwand aufweist, die den ersten axialen Spalt umgibt, und wobei die Außenmantelwand von der Innenmantelwand beabstandet ist, so dass der externe Verbindungskanal einen Ringraum umfasst; und wobei der Außenmantel ein erstes Ende, das in abgedichteter Weise mit einer Außenfläche des ersten Bereichs der Innenmantelwand verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, dass in abgedichteter Weise mit einer Außenfläche des zweiten Bereichs der Innenmantelwand verbunden ist.
  5. Wärmeaustauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der zweite Wärmetauscherabschnitt einen konzentrischen Rohrwärmetauscher umfasst, der aufweist: (a) ein axial sich erstreckendes Zwischenrohr, das mindestens teilweise in dem ersten Bereich der Innenmantelwand aufgenommen ist, und dazu beabstandet ist, so dass ein äußerer Ringraum zwischen der Innenmantelwand und dem Zwischenrohr vorgesehen, wobei der äußere Ringraum einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals umfasst und zwischen dem zweiten Fluideinlass und der mindestens einen Öffnung durch den Innenmantel in dem zweiten Wärmetauscherabschnitt liegt, durch die das zweite Fluid von dem zweiten Wärmetauscherabschnitt in den externen Verbindungskanal strömt; (b) ein axial sich erstreckendes Innenrohr, das in dem Zwischenrohr aufgenommen ist und dazu beabstandet ist, so dass ein innerer Ringraum zwischen dem Innenrohr und dem Zwischenrohr vorgesehen ist, wobei der innere Ringraum einen Teil des ersten Fluidströmungskanals umfasst und zwischen dem inneren Verbindungskanal und dem ersten Fluidauslass liegt und wobei mindestens ein Ende des Innenrohrs geschlossen ist, um ein Durchströmen des Fluids zu verhindern.
  6. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die mindestens eine Öffnung, durch die das zweite Fluid von dem zweiten Wärmetauscherabschnitt in den externen Verbindungskanal strömt, eine Mehrzahl von beabstandeten Öffnungen durch den Innenmantel umfasst.
  7. Wärmeaustauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der erste Wärmetauschabschnitt einen Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher umfasst, der aufweist: (a) eine erste Mehrzahl von sich axial erstreckenden beabstandeten Rohren, die in dem Innenmantel eingeschlossen sind, wobei jedes Rohr der ersten Mehrzahl von Rohren ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen hohlen Innenraum aufweist, wobei das erste und das zweite Ende offen sind, wobei die hohlen Innenräume der ersten Mehrzahl von Rohren zusammen einen Teil des ersten Fluidströmungskanals definieren; (b) ein erstes Kopfteil, das Durchbrüche aufweist, in die die ersten Enden der ersten Mehrzahl von Rohren in abgedichtetem Eingriff aufgenommen sind, wobei das erste Kopfteil einen äußeren Umfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise an der Innenmantelwand befestigt ist; (c) ein zweites Kopfteil mit Durchbrüchen, in die die zweiten Enden der ersten Mehrzahl von Rohren in abgedichtetem Eingriff aufgenommen sind, wobei das zweite Kopfteil einen äußeren Umfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise an der Innenmantelwand befestigt ist, wobei ein Raum, der von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umgeben ist, einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals begrenzt; wobei das erste Kopfteil an dem ersten Bereich des Innenmantels und das zweite Kopfteil an dem zweiten Bereich des Innenmantels befestigt sind, derart, dass der erste axiale Spalt zwischen dem ersten und zweiten Bereich der Innenmantelwand eine Kommunikation zwischen dem externen Verbindungskanal und dem von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umgebenden Raum vorsieht.
  8. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 7, bei der der zweite Fluidauslass eine Öffnung durch die Innenmantelwand aufweist und zwischen dem ersten Kopfteil und dem zweien Kopfteil angeordnet ist, wobei das erste Kopfteil und der zweite Fluidauslass in der Nähe des ersten Endes des Innenmantels liegen; wobei der erste Wärmetauscherabschnitt außerdem eine erste Prallplatte umfasst, die sich über den von dem Innenmantel und dem ersten und dem ersten und zweiten Kopfteil umschlossen Raum erstreckt und diesen Raum in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich teilt; wobei die erste Prallplatte eine Außenumfangskante, die nahe der oder in Kontakt mit der Innenmantelwand ist, eine Mehrzahl von Durchbrüchen, durch die sich die erste Mehrzahl von Rohren erstreckt und eine Öffnung aufweist, die eine Kommunikation zwischen dem ersten und zweiten Bereich des Raums vorsieht; und wobei die Außenumfangskante in abgedichteter Weise mit der Innenmantelwand verbunden ist.
  9. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 8, bei der die erste Prallplatte eine flache ringförmige Platte ist und sich quer über den von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umschlossenen Raum erstreckt, wobei die Öffnung durch die erste Prallplatte in einem Mittelbereich der ersten Prallplatte liegt, und wobei die erste Prallplatte ungefähr in der Mitte zwischen dem ersten und zweiten Kopfteil angeordnet ist.
  10. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der der zweite Fluidauslass in dem ersten Bereich des Raums liegt; wobei der erste Wärmetauscherabschnitt außerdem eine zweite Prallplatte umfasst, die eine axial sich erstreckende rohrförmige Seitenwand aufweist, die einen hohlen Innenraum besitzt, der an beiden Enden offen ist, wobei die zweite Prallplatte in dem ersten Bereich des Raums liegt und sich axial zwischen der ersten Prallplatte und dem ersten Kopfteil erstreckt; wobei ein Ende der zweiten Prallplatte an die erste Prallplatte anstößt, wobei die rohrförmige Seitenwand der zweiten Prallplatte die Öffnung der ersten Prallplatte derart umgibt, dass die Öffnung der ersten Prallplatte mit dem hohlen Innenraum der rohrförmigen Seitenwand der zweiten Prallplatte kommuniziert; und wobei die rohrförmige Seitenwand der zweiten Prallplatte mindestens eine Öffnung aufweist, die eine Kommunikation zwischen dem hohlen Innenraum der zweiten Prallplatte und dem zweiten Fluidauslass vorsieht.
  11. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 10, bei der die mindestens eine Öffnung in der rohförmigen Seitenwand der zweiten Prallplatte von der den zweiten Fluidauslass definierenden Öffnung weg gerichtet ist.
  12. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Öffnung der rohrförmigen Seitenwand der zweiten Prallplatte einen sich axial erstreckenden Schlitz umfasst.
  13. Wärmeaustauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der zweite Wärmetauscherabschnitt einen – Rohr-Wärmetauscher umfasst, der aufweist: (a) eine zweite Mehrzahl von sich axial erstreckenden beabstandeten Rohren, die in dem Innenmantel eingeschlossen sind, wobei jedes Rohr der zweiten Mehrzahl von Rohren ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen hohlen Innenraum aufweist, wobei das erste und das zweite Ende offen sich; wobei die hohlen Innenräume der zweiten Mehrzahl von Rohren zusammen einen Teil des ersten Fluidströmungskanals definieren; (b) ein drittes Kopfteil, das Durchbrüche aufweist, in die die ersten Enden der zweiten Mehrzahl von Rohren in abgedichteten Eingriff aufgenommen sind, wobei das dritte Kopfteil einen äußeren Umfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise an der Innenmantelwand befestigt ist; (c) ein viertes Kopfteil mit Durchbrüchen, in die die zweiten Enden der zweiten Mehrzahl von Rohren in abgedichtetem Eingriff aufgenommen sind, wobei das vierte Kopfteil einen äußeren Umfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise an der Innenmantelwand befestigt ist, wobei ein Raum, der von dem Innenmantel und dem dritten und vierten Kopfteil umgeben ist, einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals definiert; (d) einen zweiten Fluideinlass in Strömungsverbindung mit dem zweiten Bereich des zweiten Fluidströmungskanals; und (e) einen zweiten Fluidauslass in Strömungsverbindung mit dem zweiten Bereich des zweiten Fluidströmungskanals.
  14. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 13, bei der: das dritte Kopfteil an dem ersten Bereich der Innenmantelwand befestigt ist; die Innenmantelwand einen dritten Bereich umfasst, an dem das vierte Kopfteil befestigt ist; ein zweiter axialer Spalt zwischen dem ersten und dem dritten Bereich der Innenmantelwand vorgesehen ist; und der zweite axiale Spalt eine Kommunikation zwischen dem Raum, der von dem Innenmantel und dem dritten und vierten Kopfteil umschlossen ist, und dem externen Verbindungskanal vorsieht.
  15. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 14, bei der der erste und der dritte Bereich der Innenmantelwand vollständig durch den zweiten axialen Spalt getrennt sind, mit der Ausnahme, dass vor der ersten Benutzung der Vorrichtung der erste und dritte Bereich der Innenmantelwand durch eine Mehrzahl von Stegen miteinander verbunden sind, wobei jeder Steg den zweiten axialen Spalt durchquert; wobei die Stege eine ausreichende Dicke und Steifigkeit aufweisen, derart, dass sie den ersten und dritten Bereich der Innenmantelwand während der Herstellung der Wärmeaustauschervorrichtung zusammenhalten und wobei die Stege dünn genug sind, dass sie durch die Kraft der Wärmeausdehnung während der Benutzung der Wärmeaustauschervorrichtung zerbrechen.
  16. Wärmeaustauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, weiterhin ein in dem ersten Bereich der Innenmantelwand umschlossenes Katalysatorbett umfassend, das in dem inneren Verbindungskanal liegt.
  17. Wärmeaustauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der der zweite Mantel mit sich axial expandierbaren Wellungen versehen ist.
  18. Wärmeaustauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der der erste Wärmetauscherabschnitt umfasst: (a) ein einziges Wärmetauscherrohr mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem hohlen Innenraum, wobei das erste und das zweite Ende offen sind; wobei der hohle Innenraum des Wärmetauscherrohrs einen Teil des ersten Fluidströmungskanals definiert; (b) ein erstes Kopfteil, das einen Durchbruch aufweist, in dem das erste Ende des Wärmetauscherrohrs in abgedichtetem Eingriff aufgenommen ist, wobei das erste Kopfteil einen Außenumfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise mit der Innenmantelwand verbunden ist; (c) ein zweites Kopfteil, das einen Durchbruch aufweist, in dem das zweite Ende des Wärmetauscherrohrs in abgedichtetem Eingriff aufgenommen ist, wobei das zweite Kopfteil einen Außenumfangsrand aufweist, der in abgedichteter Weise mit der Innenmantelwand verbunden ist, wobei ein von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umschlossener Raum einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals definiert; wobei das erste Kopfteil an dem ersten Bereich des Innenmantels und das zweite Kopfteil an dem zweiten Bereich des Innenmantels befestigt ist, derart, dass der erste axiale Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich der Innenmantelwand eine Kommunikation zwischen dem externen Verbindungskanal und dem von dem Innenmantel und dem ersten und zweiten Kopfteil umschlossenen Raum vorsieht; wobei das Wärmetauscherrohr eine gewellte Rohrwand umfasst.
  19. Wärmeaustauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der der erste Wärmetauscherabschnitt einen konzentrischen Rohrwärmetauscher umfasst, der aufweist: (a) ein sich axial erstreckendes Zwischenrohr, das in der Innenmantelwand aufgenommen und davon beabstandet ist, so dass ein äußerer Ringraum zwischen der Innenmantelwand und dem Zwischenraum vorgesehen ist, wobei der äußere Ringraum einen Teil des zweiten Fluidströmungskanals umfasst; (b) ein axial sich erstreckendes Innenrohr, das in dem Zwischenrohr aufgenommen und dazu beabstandet ist, so dass ein innerer Ringraum zwischen dem Innenrohr und dem Zwischenrohr vorgesehen ist, wobei der innere Ringraum einen Teil des ersten Fluidströmungskanals umfasst.
  20. Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 19, bei dem das Zwischenrohr aufgeweitete Enden aufweist, die in abgedichteter Weise mit dem Innenmantel verbunden sind, und wobei der äußere Ringraum mit dem zweiten Fluidauslass und mit dem externen Verbindungskanal über den axialen Spalt kommuniziert; und wobei das Zwischenrohr mit Wellungen versehen ist, die eine axiale Ausdehnung des Zwischenrohrs gestatten.
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