DE1551536B2 - Waermeaustauscher zum kuehlen von heissen gasen - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher, bestehend aus drei konzentrischen Rohren, die
eine zentrische Kammer und eine innere und äußere Ringkammer bilden, wovon die zentrische Kammer und
die innere Ringkammer von einem Kühlmittel, die äußere Ringkammer von einem heißen Gas durchflossen
sind, und die zentrische Kammer an beiden Enden öffnungen aufweist, wovon eine öffnung als Außenanschluß
dient, während die andere öffnung mit der inneren Ringkammer in Verbindung steht, die innere
Ringkammer einen Außenanschluß an demjenigen Ende aufweist, das dem mit der zentrischen Kammer
verbundenen Ende gegenüberliegt, die äußere Ringkammer einen Einlaß an einem Ende und einen Auslaß
am anderen Ende aufweist, wobei sich das äußere Mantelrohr im Bereich des Einlasses kegelförmig
erweitert und in dieser kegelförmigen Erweiterung ein konischer Verdrängerkörper angeordnet ist, dessen
Spitze im Bereich des Beginns der Erweiterung des äußeren Mantelrohrs liegt, der am Ende der inneren
Ringkammer angeschlossen ist und eine glatte, kontinu
ierliche Oberfläche an der Befestigungsstelle aufweist.
Die Temperaturen der z. B. aus Kracköfen ausströmenden Gase sind sehr hoch und bei diesen
Temperaturen gehen die Krackreaktionen sehr rasch vor sich. Um die Reaktionen im ausströmenden Gas im
wesentlichen zu unterbrechen und die Erzeugung unerwünschter Nebenprodukte auf ein Mindestmaß
herabzusetzen, ist es erforderlich, das ausströmende Gas nach dem Verlassen des Reaktors rasch auf eine
ίο Temperatur abzukühlen, bei welcher die Reaktionen im
wesentlichen aufhören.
Aus der US-PS 23 72 079 ist eine Wärmeaustauschvorrichtung des Manteltyps bekannt, welche abnehmbare
Enddeckel aufweist. Bestimmte Vorteile der Vorrichtung sind mit den Enddeckeln als eine Einheit
entfernbar. Die Vorrichtung ist so ausgebildet, daß das zu behandelnde Gas drei Durchgänge durch das
Erhitzungsende ausführt. Dabei wird das zu behandelnde Gas zwei Umkehrungen der Strömungsrichtung
unterworfen. Diese Vorrichtung ist sehr kompliziert. Sie sieht insbesondere keine Einrichtung zum raschen
Abkühlen heißer Medien unter solchen Bedingungen vor, daß in der Kühleinrichtung im wesentlichen kein
Druckabfall erfolgt. In dieser bekannten Vorrichtung bewirken die beiden Umkehrungen der Strömungsrichtung
eine beträchtliche Durchwirbelung des behandelten Mediums, die einen verhältnismäßig hohen Druckabfall
in der Vorrichtung ergibt.
Die aus dem DT-Gbm 18 05 150 bekannte Vorrichtung ist so ausgebildet, daß dem Gas eine wirbelnde
Bewegung erteilt wird, wodurch die Durchwirbelung des Gases und der Druckabfall in der Vorrichtung
verstärkt werden.
Die Wärmeaustauschvorrichtung, die in dem DT-PS 4 68 216 beschrieben wird, weist eine Oberfläche in
Form einer Schraube auf. Diese Ausbildung bedingt, daß das behandelte Gas beim Durchgang durch die
Vorrichtung um ihre Oberfläche herumwirbelt. Dies bewirkt eine beträchtliche Durchwirbelung des behandelten
Gases und erhöht wesentlich den Druckabfall des Gases in der Vorrichtung.
Die aus der US-PS 31 44 080 bekannte Kühleinrichtung weist eine Gaseinführungsvorrichtung und mehrere
Kühlrohre auf. Die heißen Gase, die in die Vorrichtung eindringen, werden stark durchwirbelt, was
zu einem Wirbelstrom im Gas führt und die Aufenthaltszeit zumindest eines Teiles des Gases in der
Einlaßvorrichtung verlängert. Diese verlängerte Aufenthaltszeit erfolgt bei Temperaturen, bei denen ein;
beträchtlicher Teil der Reaktionen stattfinden könnte,;';
und in einigen Fällen auch häufig stattfindet. Weiter "· weist diese Vorrichtung einen verhältnismäßig hohen
Druckabfall des Gases beim Durchgang durch die ' Kühleinrichtung auf. Besonderes Merkmal dieses ;
Patentes ist ein mehrfach-rohriger Wärmetauscher, bei 1 dem am Einlaß die Rohreingangsöffnung stufenweise j
von außen nach innen ansteigen, und bei dem eine ] Führungshaube im Innern des Gasansaugkopfes als j
Gasführungsvorrichtung zum Zuführen und .Verteilen j des Gases in den Rohren vorgesehen ist. Diese ,
Führungshaube deckt die Kammern in der Weise ab, j daß die Wand der Führungshaube, die sich vom
Gaseingang bis zur tiefsten Kammer erstreckt, einen spitzen Winkel mit der ansteigenden Schräge der
stufenweisen Kammervorrichtung bildet. Der spitze Winkel an der Gaseingangsvorrichtung führt notwendigerweise
zu einer allmählichen Abnahme der Querschnittsfläche des Einlasses in der Strömungsrichtung.
Der aus der US-PS 24 76 647 bekannte Stromkörper in einem zylindrischen Rohr führt zu einer allmählichen
Abnahme in Strömungsrichtung der Querschnittsfläche des Rohres. Dies führt zu einer Zunahme des
Druckabfalles am Einlaß der Kühlvorrichtung.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen
heißer Gase zu schaffen, die von den Gasen wirbelfrei durchströmt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Außenanschluß der zentrischen Kammer als
Einlaß und der Außenanschluß der inneren Ringkammer als Auslaß ausgebildet sind und daß der Anstieg der
Querschnittsfläche zwischen Verdrängerkörper und äußerem Mantelrohr in Strömungsrichtung pro Längeneinheit
dem Anstieg der Querschnittsfläche pro Längeneinheit eines konischen Rohres mit einem
öffnungswinkel von 4 bis 7" entspricht.
Die Einlaßkammer der Erfindung, welche mit der Kühlkammer in Verbindung steht, gestattet eine
gleichmäßige, im wesentlichen wirbelfreie Strömung der heißen Gase beim Durchgang aus dem Einlaß in den
ringförmigen Kühlraum. Es erfolgt keine Erhöhung der Aufenthaltszeit des Gases infolge Wirbelbildung und
kein Druckabfall in der Kühlkammer, was eine rasche Abkühlung der Gase erlaubt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und dadurch bedingte Vorteile werden anhand eines
Ausführungsbeispieles im folgenden beschrieben. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 den Längsschnitt einer Ausführungsform der Kühlvorrichtung und
F i g. 2 im Querschnitt nach der Linie C-C der F i g. 1
die konzentrischen Rohre und die Kühlrippen der Kühlvorrichtung.
Gemäß Fig. 1 besteht die Kühlvorrichtung aus drei konzentrischen Zylindern oder Rohren, die senkrecht
angeordnet sind. Die ausströmenden heißen Gase werden in die Kühlvorrichtung eingeführt und durch
Berührung mit der Kühlfläche rasch abgekühlt.
Die Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung bildet eine Vorrichtung zur genügend raschen Abkühlung der aus
dem Ofen ausströmenden Gase, um die Reaktion im wesentlichen zu unterbrechen, so daß die Gase einem
aus vielen Rohren bestehenden üblichen Wärmeaustauscher zugeführt werden können. Die Vorrichtung ist ein
Wärmeaustauscher, in welchem Hochdruckdampf erzeugt wird. Das Einlaßende der Abschreckungsvorrichtung
ist so ausgebildet, daß die Geschwindigkeit der aus dem Ofen strömenden Gase fortschreitend herabgesetzt
wird, so daß die Spitzengeschwindigkeit oder kinetische Energie in statischen Druck umgewandelt
wird. Die erzielte Druckwiedergewinnung kann den Reibungsdruckabfall durch die Vorrichtung teilweise,
ganz oder mehr als ausgleichen, je nach den besonderen Abmessungen der Vorrichtung und den Bedingungen,
unter denen dieselbe betrieben wird. Die rasche Abkühlung des Gases wird bewirkt, indem das Gas
durch einen ringförmigen Durchgang geführt wird, der gekühlt ist.
Das mittlere konzentrische Rohr 32 hat am oberen Ende eine Einlaßöffnung 73. Das zweite konzentrische
Rohr 34 ist am oberen Ende kurz vor dem Einlaß 73 nach innen gekrümmt und stößt gegen die Wand des
mittleren Rohres 32 Die Außenwand des mittleren Rohres 32 und die Innenwand des zweiten Rohres 34
bilden die innere Ringkammer 33. Ein Abstandsstück 48 hält das mittlere Rohr 32 im gleichen Abstand von der
Innenwand des zweiten Rohres 34. Das untere Ende des zweiten Rohres 34 weist ein abgerundetes Endteil 37
auf.
Das dritte konzentrische Rohr 36 erstreckt sich über die Länge der Vorrichtung und endet kurz vor dem
oberen Ende des zweiten Rohres 34. Oberhalb der Stelle, an welcher das dritte Rohr 36 endet, steht eine
Leitung 74 über eine Auslaßöffnung 75 mit der inneren Ringkammer 33 in Verbindung. Die Innenwand des
ίο dritten Rohres 36 und die Außenwand des zweiten
Rohres 34 bilden die äußere ringförmige Kammer 35. In der Nähe des oberen Endes der äußeren ringförmigen
Kammer 35 ist ein Prallring 46 vorgesehen, der verhindert, daß sich stagnierende Gase des Produkts im
oberen Ende der ringförmigen Kammer ansammeln. In der Nähe des oberen Endes der äußeren ringförmigen
Kammer 35 ist weiterhin eine Verbindungsleitung 44 vorgesehen, die über die Auslaßöffnung 45 mit der
äußeren ringförmigen Kammer 35 in Verbindung steht.
Der Prallring 46 und Abstandsstücke 47 halten das zweite konzentrische Rohr 34 in der Mitte der äußeren
ringförmigen Kammer35.
Ein wichtiges Merkmal der Kühlvorrichtung ist der Verdrängerkörper 38, der am Endteil 37 des zweiten
konzentrischen Rohres befestigt ist und zur Einlaßöffnung 43 des dritten konzentrischen Rohres hin
konvergiert. An einer an das Ende des geraden Teils des zweiten konzentrischen Rohres 34 angrenzenden Stelle
ist das dritte konzentrische Rohr 36 in der allgemeinen Richtung des Verdrängerkörpers 38 nach innen
verjüngt, um die Einlaßöffnung 43 zu bilden. Die Querschnittsfläche des ringförmigen Durchganges 40
nimmt von der Querschnittsfläche der Einlaßöffnung 43 bis zu dem durch die Wände der Rohre 34 und 36
gebildeten ringförmigen Raum fortschreitend zu.
Heiße Gase mit einer Geschwindigkeit von 210 bis 240 m/s treten in die Kühlvorrichtung durch die
Einlaßöffnung 43 ein und gelangen in die äußere ringförmige Kammer 35, in welcher sie auf ungefähr 120
bis 150 m/s verlangsamt werden und die Vorrichtung am
Ende der Kammer durch die Auslaßöffnung 45 verlassen. Das Kühlwasser wird durch die Einlaßöffnung
73 eingeführt und strömt in der mittleren Kammer 31 des konzentrischen Rohres 32 nach unten. Ein Gemisch
von Wasser und Dampf strömt in der inneren Ringkammer 33 nach oben und tritt in der Nähe des
oberen Endes durch die Auslaßöffnung 75 aus.
Um die Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Rohr 34 und den heißen Gasen zu verbessern, kann das
Rohr 34 mit einer Vielzahl von Kühlrippen 56 versehen sein, die in die äußere Ringkammer 35 in die heißen
Gase hineinragen.
Der Einlaßdiffusor oder Verdrängerkörper 38 sieht für die durch die Einlaßöffnung 43 eintretenden Gase
eine progressive Zunahme der Querschnittsfläche vor, welche den Druck der heißen Gase allmählich steigert,
wenn die Gasgeschwindigkeit verringert wird. Der Verdrängerkörper 38 gewährleistet eine gleichmäßige
Verteilung ohne die Erzeugung einer Wirbelbildung der Gasströmung. Gemäß der Erfindung wird durch die
Druckzunahme im Gas, die durch die allmähliche Zunahme der Querschnittsfläche im Einlaß bewirkt
wird, zu einem wesentlichen Teil der durch Reibung verursachte Druckverlust im Gas kompensiert. Der
Auslaßdruck des gekühlten Gases ist ungefähr gleich dem Einlaßdruck des heißen Gases. Der Durchgang 40
ist so bemessen, daß sich eine allmähliche Zunahme der Querschnittsfläche ergibt, durch welche die heißen Gase
strömen. Die allmähliche Zunahme wird durch die verjüngte Form des Verdrängerkörpers 38 und die
konvergierende Wand 39 des dritten Rohres 36 bewirkt. Die allmähliche Zunahme der Querschnittsfläche ergibt
eine allmähliche Abnahme der Gasgeschwindigkeit, die von einer Zunahme des Gasdruckes begleitet ist, um die
Gesamtenergie zu bewahren.
Die Winkel des Verdrängerkörpers 38 und der konvergierenden Wand 39 sind so gewählt, daß die
Zunahme der Querschnittsfläche des Ringraums pro Längeneinheit gleich ist der Zunahme der Querschnittsfläche pro Längeneinheit eines konischen Rohres mit
einem Divergenzwinkel von 4 bis 7°, beispielsweise 5°. Der Winkel des kegeligen Verdrängerkörpers 38 und
das Ausmaß, in welchem die konvergierende Wand 39 mit dem Winkel des Verdrängerkörpers übereinstimmt,
ergeben die erforderliche allmähliche Zunahme der Querschnittsfläche. Der Winkel des Verdrängerkörpers
kann 25 bis 30° betragen. Der bis zu einem Scheitel verlängerte Winkel der konvergierenden Wand 39 kann
20 bis 25° betragen. Der Verdrängerkörper 38 kann eine
ίο Länge von 20 bis 30 cm aufweisen. Die Kühlkammer,
d. h. die äußere ringförmige Kammer 35, hat über ihre ganze Länge die gleiche Querschnittsfläche.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Wärmetauscher bestehend aus drei konzentrischen Rohren, die eine zentrische Kammer und eine
innere und äußere Ringkammer bilden, wovon die zentrische Kammer und die innere Ringkammer von
einem Kühlmittel, die äußere Ringkammer von einem heißen Gas durchflossen sind, und die
zentrische Kammer an beiden Enden öffnungen aufweist, wovon eine öffnung als Außenanschluß
dient, während die andere öffnung mit der inneren Ringkammer in Verbindung steht, die innere
Ringkammer einen Außenanschluß an demjenigen Ende aufweist, das dem mit der zentrischen Kammer
verbundenen Ende gegenüberliegt, die äußere Ringkammer einen Einlaß an einem Ende und einen
Auslaß am anderen Ende aufweist, wobei sich das äußere Mantelrohr im Bereich des Einlasses
kegelförmig erweitert und in dieser kegelförmigen Erweiterung ein konischer Verdrängerkörper angeordnet
ist, dessen Spitze im Bereich des Beginns der Erweiterung des äußeren Mantelrohres liegt, der
am Ende der inneren Ringkammer angeschlossen ist und eine glatte kontinuierliche Oberfläche an der
Befestigungsstelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenanschluß (73) der
zentrischen Kammer (32) als Einlaß und der Außenanschluß (75) der inneren Ringkammer (33)
als Auslaß ausgebildet sind und daß der Anstieg der Querschnittsfläche zwischen Verdrängerkörper (38)
und äußerem Mantelrohr in Strömungsrichtung pro Längeneinheit dem Anstieg der Querschnittsfläche
pro Längeneinheit eines konischen Rohres mit einem öffnungswinkel von 4° bis 7° entspricht.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (38)
einen Winkel von 25° bis 30° und die kegelförmige Erweiterung einen Winkel von 20° bis 25°
einschließen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem an die innere
Ringkammer (33) anschließenden Rohr (34) Kühlrippen (56) vorgesehen sind.
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