DE1501658B1

DE1501658B1 - Tauch-Heissgas-Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE1501658B1
Application number: DE19661501658
Authority: DE
Inventors: Richardson James E; Santoleri Joseph J
Original assignee: Thermal Research and Engineering Corp
Current assignee: Thermal Research and Engineering Corp
Priority date: 1966-02-24
Filing date: 1966-06-24
Publication date: 1970-05-27
Also published as: GB1105686A; US3368548A; SE317990B; FR1487671A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Tauch-Heißgas-Wärmeaustauschern und betrifft einen derartigen Wärmeaustauscher mit hoher Kapazität. Es handelt sich um die Weiterbildung eines bekannten Tauch-Heißgas-Wärmetauschers mit einem Tank zur Aufnähme einer Wärmetauschflüssigkeit, mit einer über dem Tank angeordneten Brennvorrichtung mit abwärts gerichtetem Gasschacht, durch den die heißen Verbrennungsgase strömen, um anschließend in die Wärmetauschflüssigkeit einzutreten, femer mit einem in der Wärmetauschflüssigkeit angeordneten Rohrschlangensystem für das aufzuheizende Medium, wobei die durch die Verbrennungsgase aufgeheizte Wärmetauschflüssigkeit die Rohrschlangen umspült und dadurch das Medium aufheizt und wobei in dem Tank Leitplatten für die Wärmetauschflüssigkeit angeordnet sind.

Die grundsätzliche Arbeitsweise der Ausgangskonstruktion für die vorliegende Erfindung ist am besten in der USA.-Patentschrift 3 138 150 beschrieben. Diese Patentschrift betrifft einen Tauch-Heißgas-Wärmeaustauscher, der insbesondere zur Erhitzung extrem kalter Media, wie flüssigem Stickstoff, geeignet ist, um diese vom flüssigen in gasförmigen Zustand zu bringen. Obwohl die durch diesen Stand der Technik bekannte Vorrichtung für ihre Größe verhältnismäßig leistungsfähig ist, wünscht man sich in Zeiten hohen Bedarfs dennoch eine Einheit mit höherer Kapazität. Die konstruktiven Probleme der Schaffung eines größeren Tanks mit einer leistungsfähigeren Brennvorrichtung bereiten jedoch Schwierigkeiten, die bei der kleineren, nach dem erwähnten Stande der Technik bekannten Vorrichtung nicht auftraten.

Man kann zwar eine Wärmeaustauscheinheii der bekannten Grundform mit hoher Kapazität dadurch schaffen, daß man die Wärmeaustauschleistung der Einheit durch Verwendung eines Brenners mit höherer Verbrennungsleistung erhöht. Es wurde jedoch festgestellt, daß ein größerer Brenner eine erhebliche Vergrößerung des Brennerrohrs (Gasschacht) erforderlich macht, so daß diese konstruktive Lösung unpraktisch oder unzweckmäßig wird. Wenn nämlich die Länge des Brennerrohrs ver-Ferner soll die vorliegende Erfindung einen Tauch-Heißgas-Wärmeaustauscher hoher Leistungsfähigkeit mit mehreren Brennern schaffen, der sowohl hinsichtlich der erforderlichen Grundfläche als auch hinsichtlich der erforderlichen Höhe der Einheit eine kompakte Bauweise hat.

Die Erfindung kennzeichnet sich durch die Vereinigung der nachfolgenden Merkmale:

a) in dem Tank ist ein Gestellt angeordnet, welches außen mit Platten verkleidet ist und zur Aufhängung des im Inneren der durch die Platten gebildeten Verkleidung befindlichen Rohrschlangensystems dient:

b) auf das Gestell ist eine Tragvorrichtung für ausdrücklich: »mehrere« Brenner (also mehr als ein Brenner) aufgesetzt, wobei die Verbrennungsgase mittels eines von der Tragvorrichtung getragenen Schachtes (Mantel) geführt werden, um im Bereich des Bodens des Tanks in die Wärmetauschflüssigkeit überzutreten;

c) das Rohrschlangensystem liegt zwischen dem — in bezug auf die Rohrschlangen — innenliegenden Schacht (Mantel) und den — in bezug auf die Rohrschlangen — außenliegen Platten, derart, daß das zwischen dem Schacht (Mantel) und den Platten aufsteigende heiße Gemisch aus Verbrennungsgasen und Wärmetauschflüssigkeit das Rohrschlangensystem erhitzt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird.

F i g. 1 zeigt die auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Tauch-Heißgas-Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch das in F i g. I dargestellte Gerät nach seinem Zusammenbau;

F i g. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Gerät;

F i g. 4 stellt in größerem Maßstab einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 2 dar; F i a. 5 zeigt einen senkrechten Schnitt nach der

größert wird, ist auch eine Erhöhung des Wasserspiegels im Tank erforderlich, um das nach unten 45 Linie 5-5 in F i g. 4.

gerichtete Rohr wirksam kühlen zu können; hierbei Aus den Zeichnungen ist zu ersehen, daß der wird aber in nachteiliger Weise zur Überwindung des Wärmeaustauscher einen rechteckigen Tank 10 aufhöheren Wasserdrucks im Tank auch ein höherer weist. Selbstverständlich kann der Tank jede belie-Druck der Verbrennungsgase erforderlich. bige andere Gestalt haben: der Tank 10 dient zur Im Hinblick hierauf soll die vorliegende Erfindung 50 Aufnahme einer gewissen Menge Wärmeaustausch-

einen Tauch-Heißgas-Wärmeaustauscher hoher Leistungsfähigkeit schaffen, bei dem zwar die Wärmeaustauschprinzipien des erwähnten Standes derTechnik angewendet werden, der jedoch eine leistungsfähigere Bauart ohne die erwähnten Nachteile aufweist.

Ausgehend von der Konstruktion eines Wärmeaustauschers gemäß dem erwähnten Stande der Technik soll die Erfindung einen derartigen Wärmeaustauscher schaffen, dessen Tankgröße im Vergleich zu einem Wärmeaustauscher mit einem einzelnen großen Brenner gleicher Leistungsfähigkeit insgesamt wesentlich kleiner ist.

Die vorliegende Erfindung soll ferner einen Tauch-Heißgas-Wärmeaustauscher hoher Leistungsfähigkeit schaffen, bei dem das senkrechte Gasaustrittsrohr (Gasschacht oder Mantel) geringere Länge hat und dennoch die Leistungsfähigkeit einer Einheit mit einem einzelnen Brenner erreicht wird.

flüssigkeit, z. B. Wasser, sowie einer Vielzahl von ;n seinem Inneren anzuordnender Elemente. Der Tank lci.nn entweder über dem Erdboden auf Beinen 11 aufgestellt werden oder — wenn er entsprechend konstruiert ist — in den Boden eingelassen sein.

Im Inneren des Tanks ist auf dessen Boden ein Tragrahmen 20 mit Ständern 21 gelagert, wobei diese Ständer aus Rohr- oder Winkelprofilen bestehen: mit den Ständern 21 ist ein oberer Rahmen 22 verbunden. Im Inneren des Tragrahmens 22 befindet sich eine Tauchwand 24. die aus rundum laufenden und nach linien !längenden Seitenwänden 25 besteht. Die Tauchwand weist eine Oberkante 27 und eine Unterkante 26 auf, die oberhalb des unteren Endes der Ständer 21 und somit oberhalb des Tankbodens liegt, so daß ein Flüssigkeitsdurchgang unter der Tauchwand verbleibt. Im Inneren der Tauchwand 24 ist ein Schacht oder Mantel 40 montiert, der umlaufende.

nach unten hängende Seitenwände 41 und eine obere Tragvorrichtung 42 aufweist; diese besteht aus Längsund Quertragstäben 43 und 44, die am Rahmen 22 befestigt sind und von diesem getragen werden.

Aus den F i g. 4 und 5 ist zu ersehen, daß der Mantel 40 mehrere nach unten ragende Brenner 50 (im vorliegenden Falle in Längsrichtung des Mantels drei Brenner hintereinander angeordnet) trägt, die heiße Verbrennungsgase nach unten in den Mantel und durch zahlreiche Öffnungen 45 nach außen treiben, wobei diese Öffnungen 45 am unteren Rand des Mantels 40 radial nach außen gerichtet sind. Die Seitenwände 41 des Mantels 40 sind an ihrem unteren Ende durch einen Schirm 46 verbunden, der dazu beiträgt, daß der Gasstrom durch die Öffnungen 45 nach außen geleitet wird. Die Öffnungen 45 in den Seitenwänden 41 des Mantels 40 sind, wenn die Tragvorrichtung 42 auf den Rahmen 22 aufgesetzt ist, über der Unterkante 26 der Tauchwand 24 angeordnet. Außerdem ist im Inneren der Tauchwand 24 eine Einlaßsammelleitung 30 für das zu erhitzende Medium und eine Auslaßleitung 32 angeordnet, die durch Rohrschlangen 31 verbunden sind.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß der im Inneren des Tanks 10 montierte Tragrahmen 20 das ganze Konstruktionsgewicht der Tauchwand, des Mantels, der Sammelleitungen und der Rohrschlange trägt. Die hauptsächliche Forderung, die hinsichtlich der Konstruktion des Tanks gestellt werden muß, besteht also darin, daß der Boden des Tanks in der Lage sein muß, den Tragrahmen 20 zu tragen, wobei die senkrechten Wände des Tanks konstruktiv fest genug sein müssen, um eine gewisse Menge Wärmetauschflüssigkeit aufzunehmen.

Zur Erzeugung eines nach unten und durch die Öffnungen 45 des Mantels 40 nach außen gerichteten Heizgasstromes weist jeder der Brenner 50 ein Lufteinlaßrohr 51 auf, das zur Luftzufuhr zu den Brennern 50 an eine gemeinsame Sammelstelle 52 angeschlossen ist; die Brenner 50 weisen Brennstoffeinlässe 53 auf, die an eine gemeinsame Brennstoffsammelleitung 54 angeschlossen sind. In den Brennern findet eine Verbrennung statt, die mit ausreichendem Druck und ausreichender Geschwindigkeit nach unten in den Schacht (Mantel) gerichtet ist, um praktisch alle Wärmetauschflüssigkeit aus diesem Schacht bzw. Mantel auszutreiben.

Gemäß der Darstellung in F i g. 5 strömen die durch die Öffnungen 45 austretenden Verbrennungsgase in Form von Blasen entlang den Rohrschlangen 31 beiderseits des Mantels und zwischen dem Mantel und der Tauchwand 24 nach oben. Aus den F i g. 4 und 5 ist am besten zu erkennen, daß die Rohrschlangen 31 vorzugsweise von Hängestäben 33 getragen werden, die Vorsprünge aufweisen, welche in der dargestellten Ausführungsform die Gestalt von Querstäben 34 haben; die Stäbe 34 sind an jeweils zwei Hängestäben 33 festgeschweißt, und auf diesen Stäben 34 ruhen die Rohre. Gemäß der Darstellung in Fig.4 tragen die Stäbe34 Abstandsglieder34a, die zwischen den längsverlaufenden Teilen der Rohre angeordnet sind, um diese im Abstand voneinander zu halten und einen möglichst großen Wärmeübergang zwischen den Rohren und dem Bad zu erzielen. Im vorliegenden Fall sind die Hängestäbe an den bereits erwähnten Quertragstäben 44 befestigt.

Da der Heißgas-Wärmeaustauscher besonders zum Erhitzen von verflüssigtem Stickstoff, Methan, Propan, Naturgas, Wasserstoff, Sauerstoff, Ammoniak usw. anwendbar sein soll, die unterschiedlich niedrige Temperaturen haben, d.h. zwischen -33⁰C bei flüssigem Ammoniak und —251° C bei flüssigem Wasserstoff, ordnet man die Einlaßsammelleitung 30 für das zu erhitzende Medium vorzugsweise nahe an den Öffnungen 45 des Mantels 40 an und sieht Mittel vor, die eine Dehnung und Zusammenziehung dieser Sammelleitung bei diesen sehr verschiedenen Temperaturen ermöglichen. Hierzu ist — was am besten aus Fig.2 zu erkennen ist — die Einlaßsammelleitung 30 auf Gleitrollen 35 gelagert, die an den benachbarten Ständern 21 befestigt sind, so daß die Sammelleitung 30 sich dehnen und zusammenziehen kann. Außerdem ist — was am besten aus F i g. 5 zu erkennen ist — die Sammelleitung 30 neben einigen der Öffnungen 45 in einer der Seitenwände des Mantels angeordnet, was dazu beiträgt, daß die Bildung von Eis od. dgl. um die Sammelleitung 30 herum verhindert wird. Diese Eisbildung wird dadurch verhindert, daß die in der Wärmeaustauschflüssigkeit gebildeten Gasblasen auf die Sammelleitung auftreffen und eine gewisse Bewegung in die Flüssigkeit bringen. Auf ähnliche Weise ist die Auslaßsammelleitung 32 in Hängevorrichtungen 36 oder dergleichen gelagert, die unmittelbar an den Ständern 21 oder an dem Rahmen 22 befestigt sind.

Die Temperatur des aus der Auslaßsammelleitung 32 austretenden Mediums hängt von verschiedenen Faktoren, wie etwa der Umgebungstemperatur, der Ausgangstemperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit, der in die Einlaßleitung 30 eintretenden Flüssigkeit, der Verbrennungsgeschwindigkeit der Brenner 50 und der Art des Brennstoffes und des Brennstoff-Luft-Gemisches ab. Es hat sich gezeigt, daß im allgemeinen eine Auslaßtemperatur von etwa 4,4° C erstrebenswert und typisch ist. Im Betrieb werden die heißen Verbrennungsgase durch den Mantel an eine Stelle unter dem Flüssigkeitsspiegel gebracht, so daß die Gase unmittelbar in das Wärmeaustauschflüssigkeitsbad eintreten. Die Verbrennung mit hoher Geschwindigkeit in Verbindung mit der unmittelbaren Berührung erzeugt eine extrem hohe Wärmetauschfläche in Gestalt von Gasblasen und einer turbulenten Wärmeaustauschflüssigkeit, wodurch sich ein extrem schneller Wärmeaustausch ergibt. Die äußerst heftige Bewegung, die die Wärmeaustauschflüssigkeit erfährt, erzeugt in Verbindung mit der normalen Tendenz des Gases zum Aufsteigen eine Zirkulation mit hoher Geschwindigkeit der Wärmetauschflüssigkeit um die Rohrschlange 31 herum. Aus den F i g. 2, 4 und 5 ist zu erkennen, daß hierdurch die Flüssigkeit zwischen der Tauchwand und dem Mantel veranlaßt wird, aufzusteigen und über die Oberkante 27 der Tauchwand nach unten in den Raum zwischen der Tauchwand und dem Tank 10 einzutreten; gleichzeitig tritt Wärmetauschflüssigkeit unter der Unterkante 26 der Tauchwand hindurch in das Innere derselben.

Zwischen der Außenseite des Tanks und dem Tragrahmen 20 ist ein Abzugsrohr 55 vorgesehen, durch das die Verbrennungsgase austreten können, die durch die Rohrschlange 31 und über die Kante 27 der Tauchwand 24 getreten sind.

Um Wärmeverluste zu vermeiden und das Innere des Tanks zur Wartung und Reinigung des Tanks und/oder der in ihm enthaltenen Elemente erforderlichenf alles zugänglich zu machen, ist ein unterteilter Deckel 60 (s. F i g. 1) vorgesehen, der passend um

das Abzugsrohr 55, die Brenner 50 und die übrigen Leitungen angeordnet ist.

Desgleichen sind zur Füllung und Entleerung des Tanks — wenn eine Reinigung erwünscht ist — Füllleitungen 12 auf beiden Seiten des Tanks vorgesehen, durch die hindurch der Tank mit Wärmetauschflüssigkeit gefüllt oder gegebenenfalls nachgegefüllt wird; im Tankboden ist ein Ablauf rohr 13 mit einem Ventil 14 angeordnet.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Heißgas-Wärmeaustauscher der eingangs erwänten Art mit hoher Kapazität, der so gestaltet ist, daß er mehrere Brenner aufweist und eine kompakte Konstruktion darstellt, die sowohl hinsichtlich ihrer Grundfläche als auch hinsichtlich ihrer Höhe verhältnismäßig wenig Platz beansprucht und dennoch sehr leistungsfähig ist. Durch die Bauart der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird außerdem erreicht, daß sie leicht zusammenzubauen ist und daß das Innere der Vorrichtung leicht zugänglich ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Tauch-Heißgas-Wärmeaustauscher mit einem Tank zur Aufnahme einer Wärmetauschflüssigkeit, mit einer über dem Tank angeordneten Brennvorrichtung mit abwärts gerichtetem Gasschacht, durch den die heißen Verbrennungsgase strömen, um anschließend in die Wärmetauschflüssigkeit einzutreten, ferner mit einem in der Wärmetauschflüssigkeit angeordneten Rohrschlangensystem für das aufzuheizende Medium, wobei die durch die Verbrennungsgase aufgeheizte Wärmetauschflüssigkeit die Rohrschlangen umspült und dadurch das Medium aufheizt, und wobei in dem Tank Leitplatten für die Wärmeaustauschflüssigkeit angeordnet sind, gekennzeichnetdurchdie Vereinigung der nachfolgenden Merkmale:

a) in dem Tank (10) ist ein Gestell (20) angeordnet, welches außen mit Platten (25) verkleidet ist und zur Aufhängung des im Inneren der durch die Platten (25) gebildeten Verkleidung befindlichen Rohrschlangensystems (31) dient;

b) auf das Gestell (20) ist eine Tragvorrichtung (42) für mehrere Brenner (50) aufgesetzt, wobei die Verbrennungsgase mittels eines von der Tragvorrichtung (42) getragenen Schachtes (Mantel 40) geführt werden, um im Bereich des Bodens des Tanks (10) in die Wärme tauschflüssigkeit überzutreten;

c) das Rohrschlangensystem (31) liegt zwischen dem — in bezug auf die Rohrschlangen — innenliegenden Schacht (Mantel 40) und den — in bezug auf die Rohrschlangen — außeniiegenden Platten (25), derart, daß das zwischen dem Schacht (Mantel 40) und den Platten (25) aufsteigende, heiße Gemisch aus Verbrennungsgasen und Wärmetauschflüssigkeit das Rohrschlangensystem (31) erhitzt.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (40) unten durch eine Bodenwand (46) verschlossen ist und der Mantel (40) an seinem unteren Rand einen Kranz von Öffnungen (45) aufweist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufleitung (30) für das aufzuheizende Medium nahe bei den genannten Öffnungen (45) angeordnet ist.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Abdeckung des Tanks (10) einen mehrteiligen Deckel (60) aufweist.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Zuleitung (30) für das aufzunehmende Medium eine Expansionsrolle (35) angeordnet ist, die am Traggestell (20) befestigt ist.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung (42) Längs- und Querträger (43, 44) aufweist, wobei Hängestäbe (33) zur Auflagerung der Rohrschlange (31) an mindestens einem der Träger (43, 44) befestigt sind und wobei diese Hängestäbe (33) Vorsprünge (34) zur Auflagerung der Rohrschlange (31) aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen