DE1576802A1 - Industrieller Abwaermekessel - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.ING. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

I München 2, Rosental 7, 2.Autg.

T.i.-Adr. ulnpatMündraii Tarafon (0111)2(1·!·

d.n 3 0, Ciit, 1969

Unter Zeichen

Iw/St/F 53484

P 15 76 802.2-13
PIYES - PElIHOET

Industrieller Abwärmekessel

Die Erfindung "betrifft einen industriellen Abwärmekessel, insbesondere zur Rückgewinnung der fühlbaren Wärme eines Gases mit hoher Temperatur, mit einem rohrförmigen Körper mit lotrechter Achse, der ein entlang dieser Achse angeordnetes Bündel von Wasserrohren enthält, die oben und unten mit zwei Rohrplatten verbunden sind, die im Inneren des Körpers einen Zirkulationsraum für das heiße Gas begrenzen und ein Teil eines Dampfoder Emul,sionskastens bzw. eines Wasserkastens bilden.

Zahlreiche industrielle Prozesse, insbesondere in der chemischen Industrie und in verwandten Industrien, erzeugen erhebliche Mengen an Gasen mit hoher Temperatur, welche für ihre Benutzung in einem späteren Stadium des Prozesses oder einfach für ihre Abfuhr ins Freie beträoht-

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'Vt ' ? I Abc. 2 Nr. 1 S;:tz 3 des Änderi.no.

lieh abgekühlt werden müssen. Es iat offenbar zweckmäßig, die fühlbare Wärme dieser Gase zurückzugewinnen, um wirtschaftlich z. B. Dampf zu erzeugen, welcher entweder in dem Prozess selbst oder zur Speisung von Zubehörgeräten des Produktionsapparats benutzbar ist.

So erfordert z. B. die Herstellung einer großen Zahl von synthetischen Produkten gegenwärtig die vorherige Bildung eines synthetischen Gases, welches häufig bei einer hohen Temperatur von z. B. größenordnungsmäßig 1000° C und unter einem erheblichen Druck von z= B. größenordnungsmäßig 30 Bar erzeugt wird. Die spätere Behandlung dieser Gase entsprechend den Erfordernissen des Syntheseverfahrens kann eine erhebliche Senkung ihrer Temperatur erfordern, z. B. von 1000° auf 400° G.

Es ist klar, daß die Rückgewinnung der fühlbaren Wärme eines Gases mit derartigen Druok- und Temperatureigenschaften einen Kessel besonderer Ausbildung erfordert, welcher einen einfachen und kräftigen Aufbau aufweist, welcher hohe mechanische und thermische Beanspruchungen aushalten kann. Außerdem muß dieser Kessel dicht und leicht zu warten sein, um jeden Verlust und jede Verseuchung des seine Beheizung bewirkenden Gases zu vermeiden. Schließlich ist es, insbesondere wenn der von dem Kessel gelieferte Dampf in dem Syntheseverfahren benutzt werden soll, zweckmäßig, daß er unter einem hohen Druck erzeugt wird, welcher 150 Bar übersteigen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den eingangs erwähnten Abwärmekessel, der besonders zur Aufnahme von Gas mit der hohen Temperatur von 900 bis 1000° C

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bestimmt ist, ao auszugestalten, daß die beiden an den Enden angeordneten Rohrplatten vor direkter Berührung mit dem diese hohe Temperatur aufweisenden Gas geschützt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gaseintrittsöffnung etwa in der Mitte der Seite des Körpers liegt und daß der Ausgang für das nach der Umströmung der Rohre abgekühlte Gas aus zwei Austrittsöffnungen besteht, die an den beiden Enden des Körpers in der Nähe der Rohrplatten liegen.

Auf diese Weise werden die Rohrplatten nur von dem abgekühlten Gas bespült, das annähernd die Austrittstemperatur aufweist, die keine Gefahr mehr für die Rohrplatten darstellt.

Ein .weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, iaß das Rohrbündel eine Einheit bildet, die axial in den Korper einsetzbar ist und in einem Stück mit dem Dampfkasten, der sich zur dichten Verbindung an den oberen Hand des Körpers anlegen kann, und mit den Wasserkasten hergestellt ist, der sich zur dichten Verbindung an den inneren Plansch eines ringförmigen Teils anlegen kann, aas nit dem unteren Ende des Körpers über einen dichten Dennungsbalgen verbunden ist.

Die ständige Vereinigung der verschiedenen den ,V:::sserströmungskreis und den Dampfströmungskreis des Kessels Li-ienden Teile garantiert einerseits eine gute Beherheit und gestattet andererseits, die Einheit a^es zu entfernen, wodurch die Wartung des Kessels i-',: erleichtert wird.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Kesselkörper wenigstens eine zwischen den Eingangsund AusgangsÖffnungen angeordnete Nebenschlußöffnung auf_T duroh welche ein Teil des Gases abgeleitet werden kann, um die Ausgangstemperatur desselben einzustellen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Rohrbündel des Kessels mit in der Querrichtung angeordneten, axial auseinanderliegenden Ablenkern versehen, welche Prallsoheiben auf dem Weg des Gases bilden.

Diese Ablenker werden zweckmäßig durch abwechselnd angeordnete volle Hindernisse und ringförmige Blenden gebildet.

Diese Ausbildung, welche örtlich eine quer zu den Wasserrohren gerichtete Strömung des Gases erzeugt, kann natürlich mit anderen Führungseinrichtungen für das Gas kombiniert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert, deren einzige Figur einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abwärmekessel darstellt.

Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeiepiel der Erfindung ist ein Abwärmekessel zur Lieferung von Sattdampf unter einem sehr hohen Druok von z. B. 150 Bar, v/elcher z. B. mit einem synthetischen Gas beheizt wird, welches unter einem Druok von 30 Bar bei einer Temperatur von größenordnungsmäßig 1000° C erzeugt wird, dessen Temperatur z. B· auf 400° C gesenkt werden soll. Diese

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Kenngrößen des Heizgases entsprechen großen Wärmeaustausohkoeffizienten, welche die Verwendung von einfachen baulichen Anordnungen und insbesondere eines Wasser-Dampfströmungskreises mit Wasserrohren und natürlichem Umlauf gestatten.

Der dargestellte Kessel besitzt im wesentlichen einen Körper 10, welcher durch einen dicken Metallmantel 11 von etwa zylindrischer Rohrform und mit lotrechter Achse gebildet wird, welcher in seinem mittleren Abschnitt mit einer seitlichen Öffnung 12 zur Zufuhr des Heizgases G und an seinem oberen und unteren Ende mit seitlichen öffnungen 13' bzw. 13" für den Austritt dieses Gases verse-· hen ist. Die Innenfläche des Metallmantels 11 ist vollständig mit einem Futter H aus einem feuerfesten isolierenden Werkstoff überzogen, dessen Dicke örtlich beiderseits der Eintrittsöffnung des Heiagases 12 verstärkt ist, wofür der Durchmesser des Metallmantels 11 örtlich vergrößert ist. Diese Ausbildung gestattet es, eine Änderung des Innendurchmessers des Putters aus weiter unten erläuterten Gründen zu vermeiden.

Das obere Ende des Metallmantels 11 des Kesselkörpers 10 besitzt einen äußeren Flansch 15» während sein unteres Ende eine konische Verlängerung 16 aufweist, an deren Ende mittels eines dichten Dehnungsbalgens 17 ein mit einem inneren Flansch 19 versehenes ringförmiges Teil

18 befestigt ist.

Der Wasser- und Dampfströmungskreis enthält im wesentlichen ein Austausoherrohrbündel 20 mit einer äußeren zylindrischen Form, dessen Durohmesser kleiner als der

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der Innenfläche des Kesselkörpers ist und welches gleichachsig in diesem angeordnet ist. Zweckmäßig wird das Rohrbündel 20 einfach durch gerade lotreohte Wasserrohre 21 gebildet, welche in einem dichten Netz mit z. B. zentrierten seohseokigen LIaschen angeordnet sind. Die unteren Enden, der Wasserrohre 21 sind in eine Eohrplatte 31 eingesetzt, welche einen Bestandteil eines an dem unteren Ende 16 des Kesselkörpers 10 angeordneten Wasserkastens 30 bildet, welcher an seinem unteren Ende eine axiale Öffnung 32 zur Wasserzufuhr sowie einen äußeren Plansch 33 aufweist, mit welchem er dicht an dem Flansch 19 des ringförmigen Endstücks 18 des Kesselkörpers 10 befestigt ist.

Die oberen Enden der Wasserrohre 21 sind in gleicher Weise in eine Rohrplatte 41 eingesetzt, welche einen Bestandteil eines Emulsions- oder Dampfkastens 40 von etwa zylindrischer Form bildet, welcher einen seitlichen Anschluß 43 für den Austritt des Dampfs V und einen entfernbaren Deckel 43 aufweist. Der Kasten 40 ist dicht an dem äußeren Flansch 15 des Kesselkörpers 10 befestigt, so daß er das Rohrbündel 20 und den mit diesem fest verbundenen Wasserkasten 30 tragen kann<>

Aua den obigen Ausführungen geht hervor, daß die den Wasser- und Dampfströmungskreis bildenden Teile, d. h. das Rohrbündel 20, der Wasserkasten 30 und der Emulsionskasten 40, ein zusammenhängendes Ganzes bilden, welches beim Zusammenbau in einem Stück in den Kesselkörper 10 hinabgelassen werden und in der gleiohen Weise als Ganzes herausgezogen werden kann, z. B. zur vollständigen inneren Reinigung des Kesselkörpers.

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Das Heizgas G- verteilt sioh in dem Kessel auf zwei symmetrische durch die öffnungen 13' und 13" austretende Ströme. Zum Ausgleich der Austrittstemperaturen des Gases und zur Berücksichtigung der verschiedenen von jedem Gasstrom angetroffenen Austauschbedingungen kann entweder die Eintrittsöffnung 12 in ungleicher Entfernung von den Austrittsöffnungen 13' und 13" angeordnet v/erden, oder diese letzteren können verschiedene Durchtrittsquerschnitte erhalten, um die Umlaufgeschwindigkeiten der "beiden Gasströme abzustufen.

Außerdem kann, wie es dargestellt ist, der Kesselkö'rper 10 mit Hebenschlußöffnungen 51 und 52 versehen werden, welche stromabwärts von den Austrittsöffnungen 1-'' und 13" angeordnet sind und durch welche kontrollierte, nicht notwendigerweise gleiche Teile G¹ und G" des Gases .-iLjazweigt werden können, um die Austrittstemperatur des Gases durch die Öffnungen 13' und 13" individuell zu rej. el ii.

Die Erfindung hat ferner Einrichtungen zur "Verbesserung des Wärmeaustausche zwischen dem Heizgas G und äer. das Bündel 2G bildenden Wasserrohren zum Gegenstand, weiche einen gewundenen, zum größten Teil -juer zu den λehren verlaufenden Strömungsweg des Gases erzwingen.

Wie es dargestellt ist, werden diese Einrichtungen durch quergerichtete axial voneinander entfernt liegende Ablenker gebildet, welche von den Wasserrohren 21 getrager, werde:, und abwechselnd durch in der Achse des Rohrtu.-.dels angeordnete kreisförmige volle Hindernisse 61 und

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ringförmige Blenden 62 ,gebildet werden, deren äußerer Umfang praktisch mit der Innenfläche des feuerfesten Futters 14 in Berührung kommt. Zweckmäßig werden die an den Enden liegenden Ablenker sowie die die G-aseintrittsöffnung 12 einfassenden Ablenker durch Blenden gebildet, deren Vorhandensein ein gutes Bindringen des Heizgases bis in die Mitte des Rohrbündels bewirkt. Diese letzteren Maßnahmen führen offenbar zu einer solchen Strömung des Heizgases in dem Rohrbündel, daß das Gleichgewicht der Beheizung der verschiedenen dieses Bündel bildenden Rohre, insbesondere in dem mittleren Abschnitt des Rohrbündels, verbessert wird.

Diese Maßnahmen können getrennt angewandt oder auch mit anderen Pührungsmitteln kombiniert werden, z. B. mit den am Ende des Rohrbündels vor den AustrittsÖffnungen 13' und 13" angeordneten Ablenkern 25' bzw. 25", deren jeder durch eine Teilmuffe gebildet wird, welche das Rohrbündel 20 gegenüber der Austrittsöffnung umgibt. Die so ausgebildete Führung zwingt offenbar die Heizgase, ihre Längsbewegung innerhalb de3 Rchrbündels 20 bis zu dem Ende desselben forzusetzen, um hierauf durch den am Umfang gebildeten Ringraum bis zu der Stelle der Austrittsöffnung zu gelangen. Zweckmäßig werden die Muffen 25' und 25" durch fest mit den Uinfangsrohren des Rohrbündels 20 vereinigte Bleche aus rostfreiem Stahl gebildet, so daß die obige Anordnung von Teilen den Wasser-Dampf-Strömungskreis bildet.

Der obige Kessel arbeitet folgendermaßen» Das in den Wasserkasten 30 durch die axiale Ein-

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trittaöffnung 52 zugeführte Wasser E tritt duroh die !Rohrplatte 31 in die Vfosserrohre 21. Die von dem Heizgas G-abgegebenen Kalorien erzeugen in den Rohren eine Emulsion von Wasser und Dampf, deren geringere Dichte eine Auftriebskraft erzeugt, welche den natürlichen Umlauf des V/assers und hierauf der Emulsion zu dem Emulsions kasten 40 und von dort zu einem äußeren Ballon bewirkt, welcher Einrichtungen zur Abscheidung des Dampfs und seiner Y/eiterleitung zur Benutzungsstelle enthält»

Der einfache geometrische Aufbau des Kesselkörpers 10 ermöglicht die leichte Herstellung seines Metallman- · tels 11 aus dicken zusammengeschweißten Blechen, so daß der Kesselkörper hohe Innendrücke aushalten kann, dabei aber tadellos dicht bleibt, wobei er außerdem infolge seiner lotrechten Lage ein selbsttragendes Gebilde bilden kann, wodurch der Einbau des Kessels beträchtlich erleichtert wird. Ferner gestattet es die einfache geometrische Form des Kesselkörpers 10, ihn mit einem zusammenhängenden feuerfesten Putter H zu versehen, welches ihm eine große Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und ggfs. gegen die Korrosion durch das Heizgas G- erteilt.

Die Ausführung des Wasser-Dampf-Strömungskreises in Form einer aufgehängten Anordnung von fest miteinander verbundenen Teilen bietet besondere Vorteile hinsichtlich des Ausgleichs der unvermeidlichen Dehnungen insbesondere der Wasserrohre 21. Infolge der hohen Temperatur des Heizgases und der verhältnismäßig großen Länge des Rohrbündels würden nämlich diese Dehnungen unzulässige mechanische Beanspruchungen erzeugen, wenn die beiden

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Enden des Rohrbündels verankert wären. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung werden dagegen diese Dehnungen leicht duroh die Dehnungsdichtung 17 aufgenommen, welche bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel an dem unteren Teil des Kesselkörpers 10 vorgesehen ist, doch kann natürlich diese Dichtung bei Ausführungsabwandlungen auch anders ausgebildet sein. Die einstückige Ausbildung des Yfasser-Dampf-Stroniungskreises bietet weitere Vorteile, welche unmittelbar mit seinem leichten Ein- und Ausbau zusammenhängen, ?/elcher häuf ige Besichtigungen des Kesselkörpers ermöglicht, insbesondere zur Kontrolle des guten Zustands des feuerfesten Futters und ggfs. zur Entfernung von Ablagerungen, welche das Heizgas verseuchen können. Ferner ist zu bemerken, daß die das Rohrbündel bildenden geraden Rohre 21 mit oder ohne Ausbau des V/asser-Dampf-Strömungskreises einerseits von der axialen Wassereintrittsöffnung 32 und andererseits durch Entfernung des entfernbaren Deckels 43 des Emulsionskastens zugänglich sind, so daß das Innere eines Rohre3 leicht gereinigt oder dieses ersetzt werden kann»

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Industrieller Abwärmekessel, insbesondere zur Rückgewinnung der fühlbaren Wärme eines Gases mit hoher Temperatur, mit einem rohrförmigen Körper mit lotrechter Aohse, der ein entlang dieser Achse angeordnetes Bündel von Wasserrohren enthält, die oben und unten mit zwei Rohrplatten verbunden sind, die im Inneren des Körpers einen Zirkulationsraum für das heiße Gas begrenzen und ein Teil eines Dampf- oder Emuleionskastens bzw. eines Wasserkastens bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaaeintrittsöffnung (12) etwa in der Mitte der Seite des Körpers (10) liegt und daß der Ausgang für das nach der ÜTnströmung der Rohre (21) abgekühlte Gas aus zwei Austrittsöffnungen (13'» 13") besteht, die an den beiden Enden des Körpers in der Nähe der Rohrplatten (31 bzw. 41) liefen.

   2. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (20) eine Einheit bildet, die axial in den Körper (10) einsetzbar ist und in einem Stück mit dem Dampf kasten (4-0), der sich zur dichten Verbindung an den oberen Rund des Körpers anlegen kann, •and mit dem Wasserkasten (30) hergestellt ist, der sich ζ.ιτ dichten Verbindung an den inneren Plansch (19) eines ringförmigen Teils (18) anlegen kann, das mit den: unseren-Ende des Körpers (10) über einen dichten Dehnungsbalgen (17) verbunden ist.

   J, Kessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- -Jf-:-:.;::-?:. τ net, daß der Kesselkörper (10) durch einen LIe- ·. :;....: ■". (11) gebildet wird, v/elcher mit einem inne-

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   BAD

   ren Futter (H) aus einem feuerfesten isolierenden Material versehen ist.

   4-. Kessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Metallmantels (11) auf eine gewisse länge beiderseits der mittleren Öffnung (12) so vergrößert ist, daß die Dicke des Putters (14) ohne Veränderung seines Innendurchmessers örtlich verstärkt wird.

   5. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Austrittsöffnungen (13'» 13"), deren Summe praktisch gleich dem Querschnitt der EintrittsÖffnung (12) iut, und/oder die Lage dieser letzteren so gewählt sind, daß die Austrittstemperaturen der Sasströme praktisch gleioh sind.

   6«, Kessel nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kesselkörper (10) wenigstens eine i;ecenschlußcffrrang (51, 52) aufweist, welche zv/isohen der Eintritts öffnung (12) und einer der Austriitaöffnungen (13', 13") angeordnet ist und durch welche ein Teil des lases zur Einstellung der Austrittstenperatur-desselben abgezweigt werden kann.

   7. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (20) mit quergeriohteter. axial auseinanderlegenden Ablenkern (61, 62) versehen ist, welche einen gewundenen Weg des Gases erzwingen.

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   BAD OR=T- '

   8. Kessel nach. Anspruch 7_f dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenker durch abwechselnd angeordnete volle Hindernisse (61) und ringförmige Blenden (62) gebildet werden«

   9β Kessel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in unmittelbarer Nähe der Bintrittsöffnung (12) und der Austrittsöffnungen (13', 13") angeordneten Ablenker durch ringförmige Blenden (62) gebildet werden.

   10. Kessel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Enden liegenden Ablenker mit einer Teilmuffe (25', 25") versehen sind, welche an dem Umfang des Rohrbündels vor den Austrittsöffnungen (13', 13")
   angeordnet ist.

   11. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkasten (30) mit einer axialen WasserzufuhrÖffnung (32) versehen ist.

   12. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Emulsionskasten (40) einen seitlichen Ausgangsstutzen (42) aufweist und durch einen entfernbaren Deckel (43) verschlossen ist.

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