DE1551536C3 - Wärmeaustauscher zum Kühlen von heißen Gasen - Google Patents

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 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 DE-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 DE-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 dem am Einlaß die Rohreingangsöffnung stufenweise von außen nach innen ansteigen, und bei dem eine Führungshaube im Innern des Gasansaugkopfes als Gasführungsvorrichtung zum Zuführen und .Verteilen des Gases in den Rohren vorgesehen ist. Diese Führungshaube deckt die Kammern in der Weise ab, 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 F i g. 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 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 Kammer 35.

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 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)

Patentansprüche:

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 gekernzeichnet, daß an dem an die innere Ringkammer (33) anschließenden Rohr (34) Kühlrippen (56) vorgesehen sind.