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Einrichtung zum Verteilen eines Wärme aufnehmenden Mediums, das über
ein Rohr zugeführt wird, auf mehrere Rohre Bei mit Rohren ausgerüsteten Destillationsanlagen,
bei Dampfkesseln sowie bei ähnlichen Einrichtungen wird das zu erhitzende Medium
durch ein System von Rohren geleitet, die in einem Heizraum angeordnet sind, welcher
mit einer oder mehreren Verbrennungsvorrichtungen ausgerüstet ist. In diesem Fall
können die verschiedenen Heizrohre auf beliebige bekannte Weise miteinander verbunden
sein, wobei man je nach der Art der Einrichtung mehrere Rohre hintereinander oder
parallel zueinander anordnet; ferner kann man eine Kombination dieser Anordnungen
vorsehen. Wenn mehrere Rohre hintereinandergeschaltet werden sollen, kann man die
Rohre auf einfache Weise mit Hilfe von Krümmern od. dgl. oder mittels besonderer
Verbindungsstücke miteinander verbinden. Bei parallelgeschalteten Rohren verwendet
man gewöhnlich Verteiler- bzw. Sammelleitungen von bekannter Konstruktion. Im letzteren
Fall sowie bei den erwähnten Kombinationen muß man das durch die Rohre hindurchgeleitete,
Wärme aufnehmende Medium in den meisten Fällen in mehrere Teilströme unterteilen.
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Wenn man ein Wärme aufnehmendes Medium verwendet, das während der
Wärmebehandlung eine solche Temperatur erreicht, daß mindestens ein Teil des Mediums
oder eine oder mehrere Fraktionen des Mediums, das ursprünglich als Gemisch aus
Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten vorhanden war, verdampft bzw. verdampfen,
kann die Aufteilung des Hauptstroms auf mehrere Teilströme zu Schwierigkeiten Anlaß
geben. Dies kann z. B. bei Industrieöfen der Fall sein, wie man sie in Ölraffinerien
oder allgemein in der petrochemischen Industrie verwendet und in denen ein Gemisch
aus Petroleumfraktionen oder anderen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten
auf die Umwandlungstemperatur oder den Siedepunkt einer bestimmten Fraktion erhitzt
wird oder in denen das Gemisch zur weiteren Behandlung auf einer bestimmten Temperatur
gehalten wird. Wenn das Medium über eine innerhalb des beheizten Raums angeordnete
Rohrleitung zugeführt wird und wenn es sich bei dem Medium um ein Gemisch aus Flüssigkeiten
und Gasen oder Dämpfen handelt oder wenn das Gemisch beim Passieren der Zuführungsleitung
teilweise verdampft, kann es vorkommen, daß das Medium ungleichmäßig auf die übrigen
Rohre verteilt wird, wenn man den Hauptstrom in mehrere Teilströme zerlegt; mit
anderen Worten, ein bestimmtes Rohr kann vorzugsweise die flüssige Phase aufnehmen,
während die gasförmige Phase vorzugsweise durch ein anderes Rohr strömt; dies kann
zu einer Überhitzung des betreffenden Rohrs oder zur Bildung von Koksablagerungen
auf der Rohrwand führen, so daß sich noch ungünstigere Bedingungen ergeben, da sich
der Wärmeübergang verschlechtert; in beiden Fällen können daher schwerwiegende Störungen
auftreten.
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Die bis jetzt bekannten Einrichtungen, mittels deren ein Medium auf
mehrere andere Rohre verteilt wird, das über eine in einem Heizraum angeordnete
Rohrleitung zugeführt wird, umfassen gewöhnlich eine Verteilerleitung, in welcher
die Zuführungsleitung gewöhnlich in der Mitte mündet, und die übrigen Rohre sind
an die Verteilerleitung in symmetrischer Anordnung zur Zuführung- oder Speiseleitung
angeschlossen; hierbei kann die Verteilerleitung mit Führungsorganen od. dgl. versehen
sein, oder man kann der Verteilerleitung eine besondere Innenform geben. In diesem
Zusammenhang ist es schon bekannt, das Austrittsende der Zuführung, d. h. das Innere
eines Verteilstückes, durch kernartige Zwischenstege so zu unterteilen, daß sich
die Zuführung in eine Mehrzahl runder Kanäle gabelt.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Bewirken einer
gleichmäßigen Verteilung eines
Mediums, bei dem es sich um ein Gemisch
aus Flüssigkeit und Gas oder Dampf handelt, welches über ein Heizflächenrohr zugeführt
wird, das in einem Heizraum eines Industrieofens oder eines Dampf-:cef-#sels angeordnet
ist, welcher mit Zwa.igsumwälzung des Wärme aufnehmenden Mediums arbeitet, wobei
das Medium auf mehrere ebenfalls in dem Heizraum angeordnete Heizflächenrohre verteilt
wird, welche über ein Verteilerstück mit dem Zuführungsrohr in Verbindung stehen.
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Zum Vermeiden der eingangs gebildeten Schwierigkeiten sieht die Erfindung
bei einer Einrichtung der genannten Art vor, daß das Zuführungsrohr den _ gleichen
Durchmesser hat wie die übrigen Heizflächenrohre, auf welche das Medium verteilt
werden soll, und daß in das Austrittsende des Zuführungsrohrs ein an sich bekannter,
als Rotationskörper ausgebildeter, sich axial erstreckendenKern oderDorn so eingebaut
ist, daß zwischen dem Kern oder Dorn und der Innenwand des Zuführungsrohrs ein ringförmiger
Kanal verbleibt, wobei sich der Kern oder Dorn über eine gewisse Strecke in das
Zuführungsrohr hineinerstreckt und in dem Verteilerstück befestigt ist.
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Dabei sei angemerkt, daß in Rohren konzentrisch angeordnete, als Rotationskörper
ausgebildete Kerne an anderer Stelle bereits bekannt sind, und zwar zur Erhöhung
des Wärmeaustausches und mit je nach dem gewünschten Strömungswiderstand verschiedener
Länge.
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Die Maßnahme gemäß der Erfindung hat zur Folge, daß der Strömungsverlauf
des Mediums, bei dem es sich um ein Gemisch aus Flüssigkeiten, Gasen oder Dämpfen
handelt, nahe dem Abgabeende des Zuführungsrohrs verändert wird. Während das Medium
in dem Zuführungsrohr anfangs in Form zylindrischer Körper oder Stopfen, die abwechselnd
aus Flüssigkeit oder Dampf bestehen, bewegt wird, tritt dort, wo der Dorn angeordnet
ist, eine Änderung des Strömungsverlaufs derart ein, daß sich ein Schaum bildet;
dies ist auf die Einschnürung des Durchtrittsquerschnitts und die hierdurch verursachte
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zurückzuführen. Die Erscheinung, daß sich
ein strömungsfähiges Medium in Form eines Stopfens bewegt, ist bereits in wissenschaftlichen
Veröffentlichungen beschrieben worden. Bei einer Strömung dieser Art wechseln ziemlich
große Dampf- oder Gasblasen in dem Strom, die gelegentlich den ganzen Rohrdurchmesser
ausfüllen können, mit strömender Flüssigkeit ab. Bei der schaumförmigen Strömung
sind dagegen die Gase oder Dämpfe mit der Flüssigkeit innig gemischt. Daher ergibt
sich eine sehr gleichmäßige Verteilung der Gase oder Dämpfe, z. B. in Form kleiner
Blasen in der Flüssigkeit, wenn der Strom des Mediums, bei welchem es sich sozusagen
nur um eine einzige Phase handelt, unterteilt wird, so daß eine gleichmäßige Verteilung
der Stoffe erreicht wird.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen außerdem zu mehreren weiteren
Vorteilen. Erstens ist es möglich, allen Rohren einen gleichmäßigen Durchmesser
zu geben, und dies führt zu einer Verbilligung der Bau- und Betriebskosten, wenn
irgendwelche Rohre erneuert werden müssen. Zweitens zeigt es sich, daß die Strömungswiderstandsverluste
sehr gering sind, und hierin ist natürlich ein sehr wesentlicher Vorteil zu erblicken.
Drittens ist es möglich, den Durchmesser des Dorns den gewünschten Betriebsbedingungen
entsprechend zu wählen. Der Dorn wird daher fest in die Verteilerleitung eingebaut,
und zwar in einer solchen Weise, daß man ihn nach dem Öffnen einer Abdeckung der
Verteilerleitung entfernen bzw. auswechseln kann.
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Der Kern oder Dorn kann in an sich bekannter Weise eine zylindrische
Form besitzen und in an sich bekannter Weise massiv oder hohl ausgebildet sein;
man kann nahe dem in das Zuführungsrohr hineinragenden Ende des Dorns in an sich
bekannter Weise Zentrierstege vorsehen, und man kann, wie an sich bekannt, das der
Strömung zugewandte Ende stromlinienförmig abrunden oder dem Dorn eine im wesentlichen
konische Form geben.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine schematisch gezeichnete Abwicklung eines Teils eines
Rohrsystems, das in den Heizraum eines Industrieofens für Zwecke der petrochemischen
Industrie eingebaut werden soll; F i g. 2 ist eine in größerem Maßstab gezeichnete
Seitenansicht einer Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Kerns oder Dorns.
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In F i g. 1 ist ein Teil des Rohrsystems für einen aufrecht stehenden
Industrieofen für die petrochemische Industrie in einer Abwicklung schematisch dargestellt.
Die Rohre sind in Form von Reihen an der Seitenwand eines Heizraums angeordnet und
können außerdem eine Heizzelle in einem Ofen teilweise abgrenzen. Das Wärme aufnehmende
Medium wird über ein Rohr 1 zugeführt und danach in zwei Teilströme unterteilt,
von denen jeder einer Anzahl von Rohren 2, 3, 4 bzw. 2', 3', 4' zugeführt wird;
diese Rohre sind jeweils gruppenweise hintereinandergeschaltet. Sämtliche Rohre
verlaufen geradlinig und sind paarweise an Verbindungsstücke 5, 5' bzw. 6, 6' angeschlossen.
Die beiden Teilströme werden in einem Verteilerstück 7 voneinander getrennt, an
dessen mittleren Teil das Rohr 1 angeschlossen ist, während nahe den Enden des Verteilerstücks
7 die Rohre 2 und 2' mit dem Verteilerstück verbunden sind. In das Verteilerstück
ist ein Dorn 8 so eingebaut, daß er sich axial in das Rohr 1 hineinerstreckt, wobei
zwischen dem Dorn und der Innenwand des Rohrs 1 ein Ringraum 9 vorhanden ist.
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Wie eingangs schon erwähnt, wird die Strömungsgeschwindigkeit in dem
Ringraum 9 durch diese Maßnahme wesentlich erhöht, und infolgedessen strömt das
in die Rohre eingeleitete Gemisch nicht mehr in Form eines Stopfen, sondern es bildet
sich ein schaumförmiges Gemisch. Es ist zweckmäßig, dem Dorn keine zu geringe axiale
Länge zu geben, denn andernfalls bildet sich kein genügend gleichmäßiges Gemisch
aus den Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten. Im Hinblick hierauf entspricht die Länge
des Dorns vorzugsweise mindestens einem Zehntel der Gesamtlänge des Zuführungsrohrs
1. Andererseits ist es jedoch ebensowenig ratsam, einen zu langen Dorn zu verwenden,
denn in diesem Fall ist mit erhöhten Widerstandsverlusten zu rechnen. Somit beträgt
die Länge des Dorns vorzugsweise höchstens ein Drittel der Gesamtlänge des Rohrs
1.
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In F i g. 2 ist ein erfindungsgemäßer Kern oder Dorn in größerem Maßstab
dargestellt. Im vorliegenden Fall umfaßt der Dorn einen hohlen Abschnitt
10 von zylindrischer Form. Das in das Verteilerstück hineinragende Ende des
zylindrischen Abschnitts ist mit einer Abdeckung 11 versehen, die einen Haltenocken
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und eine Aussparung 13 aufweist. Die Aussparung 13 bildet die Berührungsfläche für
einen Druckbolzen, mittels dessen das Aggregat in dem Verteilerstück in der Öffnung
einer Abdeckung von bekannter Konstruktion festgespannt werden kann; in diese Öffnung
paßt die Abdeckung oder Kappe 11, die eine kegelförmige Umfangsfläche 14 besitzt.
Der Dorn trägt außerdem vier Zentrierstege 15, die so bemessen sind, daß man den
Dorn einerseits leicht in das Rohr 1 einführen kann, daß es jedoch andererseits
nahezu unmöglich ist, den Dorn aus seiner axialen Stellung herauszubewegen, ohne
daß einer der Zentrierstege in Berührung mit der Innenfläche des Rohrs
1 kommt. Das obere Ende des Dorns ist ferner mit einer stromlinienförmigen
Abrundung versehen, welche die Endabschnitte 16 und 17 von kegelstumpfförmiger Gestalt
sowie eine Kappe 18 umfaßt. Damit sich die in dem Dorn enthaltene Luft ausdehnen
kann, ist der Dorn nach außen nicht vollständig abgeschlossen. Man kann den Dorn
locker an der Kappe 11 befestigen, und er kann z. B. durch einen Bolzen 19 zentriert
werden. Der Dorn wird allein infolge seines Eigengewichts in seiner Lage auf der
Kappe 11 gehalten. Um ein Einschleifen der Kappe zu ermöglichen, wird eine
Konstruktion bevorzugt, bei welcher der Dorn und die Kappe als getrennte Teile ausgebildet
sind. Diese Konstruktion erweist sich auch dann als vorteilhaft, wenn es z. B. erforderlich
ist, den Dorn durch einen anderen Dorn von anderem Durchmesser zu ersetzen. Wenn
der Dorn in den oberen Teil eines Rohrs eingebaut werden soll, könnte man einen
Bajonettverschluß vorsehen, während die Konstruktion im übrigen der vorstehenden
Beschreibung entspricht.
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Die Erfindung wurde in der Praxis bei einem Ofen einer Rohöldestillationsanlage
angewendet, wobei sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden. Abgesehen von
Industrieöfen läßt sich die Erfindung natürlich auch bei Dampfkesseln anwenden,
bei denen ein Bündel von Verdampfungsrohren an zwei Abzweigungen angeschlossen ist.