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Die Erfindung betrifft einen gasbeheizten Wärmetauscher, der als Dampferzeuger
arbeitet, in rotationssymmetrischer Ausführung, wobei innerhalb des Wärmetauschergefäßes
durch ein Leitgefäß Ringräume gebildet werden und wobei in wenigstens einem Ringraum
vom Heizgas umströmte Wärmetauschflächen angeordnet sind.
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Insbesondere in der chemischen Industrie werden Wärmetauscher zur
Abkühlung von Prozeßgasen verhältnismäßig hohen Drucks benötigt; dabei wird die
fühlbare und mitunter auch ein Teil der chemischen Wärme, die während der Abkühlung
frei wird, zur Erzeugung von Hochdruckdampf verwendet. In diesen Wärmetauschern,
die allgemein als Abhitzekessel bezeichnet werden, kann je nach dem angewendeten
chemischen Verfahren auch ein Vorwärmer und,'oder ein Dampfüberhitzer eingebaut
werden.
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Bekannt ist ein Wärmetauscher, bei dem innerhalb eines Wärmetauscher-Druckgefäßes
ein Leit.gefäß vorgesehen ist, bei dem im Inneren des Leitgefäßes ein zentrales
Fallrohr angeordnet ist, das zu einer kugelförmigen Verteilereinrichtung führt.
Bei dieser Konstruktion sind sowohl zwischen dem Fallrohr und dem Leitgefäß als
auch zwischen dem Leitgefäß und dem Druck-efäßmantel Wärmetauschflächen voraesehen.
Nachteilig bei dieser Ausführungsforrn ist, daß die Kesselleistung nicht mit einfachen
Mitteln re-ulierbar ist; außerdem kann man die Abgastemperatur nicht beeinflussen,
z. B. kann man das heiße Abgas nicht in einem aewünschten Maße so kühl halten,
daß man unter Umständen eine Innenisolierung des Wärmetauschers einsparen kann.
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Aufgabe der Erfinduno, ist es, einen Wärmetauscher, der als Dampferzeuger
arbeitet, bei chemischen Anlagen mit schwankender Abgasmenge und Temperatur so zu
gestalten, daß die Kesselleistung reguliert und/oder die Abaastemperatur beeinflußt
werden kann.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, daß die beiden Rin-räume
durch we#liselweise verschließbare öffnungen im Leitgefäß miteinander verbunden
sind, wobei die öffnungen in unterschiedlichen Temperaturbereichen des wärmeabgebenden
Mediums angeordnet sind.
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Das Leitgefäß kann aus zwei fluchtenden Teilen bestehen, wobei ein
zylindrisches Teil in Hauptachsrichtung parallel zu sich selbst bewegbar angeordnet
ist.
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Das bewegliche Teil des Leitoefäßes kommt in einer Endstellung in
gasdichte Berührung mit einer korrespondierenden Dichtfläche des Wärmetauschergefäßes
und in seiner anderen Endstelluno, in gasdichte Berührunc, mit einer korresoondierenden
Dielitfl#che am festen Teil des Leitgefäßes.
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Überhitzerheizflächen können zwischen dem Leitgefäß und einem zylindrischen
Verdrängungskörper in der Nähe des Heizgaseintrittsstutzens angeordnet sein.
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In dem Verdrängungskörper kann ein Gas-Bypassventil vorgesehen sein.
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In dem Rincyraum sind zwischen dem Leitgefäß und dem Wärmetauschergefäß
Vorwärmbrheizflächen angeordnet.
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Ein Teil der überhitzerheizfläche kann aasseitia nach den Verdampferflächen
vorgesehen sein. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnuncy
und Beschreibung, und zwar zeigt C l# C> F i g. 1 einen erfindungsgemäßen
Wärmetauscher im Schnitt, F i g. 2 eine ähnliche Wärmetauscherkonstruktion
und F i g. 3 ein Detail eines Wärmetauschers.
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In einem zylindrischen Druckgefäß 1 mit dem Gaseintrittsstutzen
2 und dem Gasaustrittsstutzen 3 ist ein aus zwei Teilen bestehendes zylindrisches
Leitgefäß 4 für das Gas vorgesehen; das zylindrische Teil 5 des Leitgefäßes
4 kann mittels eines Hubmechanismus 6 von außen in vertikaler Richtung bewegt
werden, so daß er auf dem oberen Sitz 7 bzw. auf dem unteren Sitz
8 oder in einer Zwischenstel-lung, wie in F i g. 1 dargestellt,
aufsitzt und einmal - ganz oder teilweise - die öffnung
17 bzw. 17'
freigibt bzw. verschließt. Das Leitgefäß 4 teilt im Beispiel
das zylindrische Druckgefäß 1 in die beiden Ringräume 15, 16. Ein
konisches Blechleitstück 9 ist am Leitgefäß 4 angeordnet, das das abgekühlte
Hochdruckgas zwingt, in Richtung des Pfeiles 10 entlang der Wand des Druckoefäßes
1 bis zu dem Gasaus-C trittsstutzen 3 zu strömen. Das heiße Gas strömt
also vom Eintrittsstutzen 2 innerhalb des Leiterefäßes 4 in c
Richtung der
Pfeile 11 durch das Rohrbündel 12 und strömt dann in zwei Teilströme
13 und 14, welche mit Hilfe des einstellbaren Blechzylinders 5 gegeneinander
abgestimmt werden können. Ein _großer Vorteil wird darin gesehen, daß die Dichtfläche
8 von einem bereits abgekühlten Medium umströmt wird. Das abgekühlte Gas
strömt dann in dem Ringrauni zwischen dem äußeren Druckgefäß 1 und dem Leitgefäß
4 abwärts, so daß die Wand des Druckgefäßes nur mit den abgekühlten Gasen in Berührung
kommt und festigkeitsmäßig nur niedrige Temperaturen zu berücksichtigen sind.
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Das Siedewasser strömt von der nicht dargestellten Trommel oder von
einer nicht dargestellten Umwälzpumpe in den Wärmetauscher und tritt bei 21 in das
Leitrohr 22 ein, das in dem starkwandigen Hochdruckrohr 23 konzentrisch gelagert
ist. Es wird so ein zentraler Raum für die Abwärtsströmung des Siedewassers und
ein konzentrischerRingraum für die Aufwärtsströmung des Dampf-Wasser-Gemisches gebildet.
Das Leitrohr 22 ist vorteilhafterweise nur an einem Ende mit dem Hochdruckdampfrohr
23 verbunden. Am anderen Ende ist das Leitrohr 22 durch eine Gleitverbindung
24 strömungsmäßig gegen das Rohr 23 abgeschlossen.
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Am unteren Ende des Hochdruckrohres 23 entspringen in an sich
bekannter Weise die Siederohre, welche das Bündel 12 bilden und an ihrem oberen
Ende wieder in das Hochdruckrohr 23 einaebunden sind. Das in den Siederohren
aufwärts strömende Dampf-Wasser-Gemisch mündet in den Ringraum zwischen dem Hochdruckrohr23
und dem Leitrohr 22, welches also nur die Druckdifferenz zwischen Steig- und Fallrohr
des Siedesystems auszuhalten hat.
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Das Rolirbündel besteht im einfachsten Falle aus geraden, parallel
zur vertikalen Längsachse des Druckgefäßes angeordneten Siederohren. Es kann aber
auch aus ineinander verschachtelten Schraubenrohren bestehen. Diese Anordnung weist
besondere Vorteile bei Zwangumlaufsystemen auf, da die Strömungsquerschnitte auf
der Wasserseite sehr gerim, sind.
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Um die bei der erst-enannten Anordnung auftretenden Differenzen in
den Rohrlängen des Rohrbündels 12 zwischen den achsnahen und den achsfernen
Rohren
zu kompensieren, ist es möglich, die achsnahen Rohre in einer sehr steilgängigen
Schraubenform zu verlegen, was den Naturumlauf nicht beeinträchtigt, die äußeren
Rohre aber gerade zu lassen, so daß etwa gleiche Längen und damit gleiche Strömungswiderstände
und gleiche Heizflächen pro Rohr erzielt werden können.
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Das zentrale Leitrohr 22 kann aus dem Hochdruckrohr 23 durch
Abheben des oberen Abschlußdeckels mit diesem Deckel nach oben ausgezogen werden,
so daß alle Siederohre von der Innenseite her zugänglich sind, z. B. zur Inspektion
oder zum Abstoppeln undicht gewordener Rohre des Bündels.
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In F i g. 2 ist eine weitere, dem gleichen Grundgedanken folgende
Konstruktion gezeigt, bei der Vorwärmerheizflächen 32 und überhitzerheizflächen
34 im gleichen Druckgefäß untergebracht sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen die
gleichen Bauteile wie in der F i g. 1. Die Zuführungsrohre 31 und
die Austrittsrohre 33 für den Vorwärmer 32 durchdringen das Druckgefäß
1. Die Zuführungsrohre 31 können gleichzeitig zur Aufhängung des aus
schraubenförmig gebogenen Rohren zusammengesetzten Vorwärmerrohrbündels
32 dienen. Sie durchdringen von oben nach unten das Rohrbündel und werden
am unteren Ende etwa rechtwinklig abgebogen und gehen so in die schraubenförmigen
Heizflächenrohre über. Der Vorwärmer wird wasserseitig ordnungsgemäß von unten nach
oben durchströmt. Das Gas strömt im Ringraum zwischen Druckgefäß 1 und Leitgefäß
4, der hier etwas größer sein muß als im Beispiel nach F i g. 1, weil in
ihm der Vorwärmer 32 untergebracht ist, abwärts, so daß das Gegenstromprinzip
angewendet wird.
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Der überhitzer 34, welcher ebenfalls aus schraubenförmig gebogenen
Rohren aufgebaut ist, ist im Ringraum zwischen dem Leitgefäß 4 und einem Verdrängungskörper
37 untergebracht. Der Sammler 35
dient der Zuführung des Sattdampfes.
Der überhitzte Dampf wird über den Austrittssammler 36 abgeleitet. Ein weiteres
Gas-Bypass-System 38 dient zur Regelung der Heißdampftemperatur bzw. zur
wunschgemäßen Aufteilung der Wärmemengen auf überhitzer und Verdampfer.
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Es ist grundsätzlich möglich, den Vorwärmer 32 an anderer Stelle
als im Ringraum, wie z. B. oberhalb des Siederohrbündels 12, innerhalb des Druckgefäßes
4 unterzubrin2en. Ebenso kann der überhitzer 34 in mehrere Teile aufgeteilt werden,
so daß ein Teil des überhitzers gasseitig vor dem Verdampferbündel liegt.
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Wenn das Siederohrbündel 12 durch Zwangdurchlaut oder Zwangumlauf
dampfseitig beaufschlagt wird, kann diese Konstruktion eines Abhitzekessels auch
in horizontaler Lage verwendet werden. Es ist auch ohne Änderung des Prinzips möglich,
die heißen Gase von oben her in das Druckgefäß eintreten zu lassen. In diesem Falle
müßte dann das Hochdruckdampf führende Zentralrohr23 konzentrisch durch das obenliegende
Gaseintrittsrohr 2 hindurchgeführt werden.
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Bei Naturumlauf können Störungen auftreten, wenn Siederohre mit sehr
verschiedenem Enddampfgehalt von ein und demselben Eintrittssammler ausgehend zu
ein und demselben Austrittssammler hinführen.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführung, welche diesen Störungen konstruktiv
begegnet. Erfindungsgemäß soll nun die Trennung der Eintritts- und Austrittssammler
für die achsnahen und die achsfernen Siederohre, die thermisch verschieden belastet
sind, dadurch geschehen, daß koaxial im Zentralrohr liegende, drucklose Leitrohre
angeordnet werden, welche sinngemäß verschiedene, durch Schottwände abgeteilte Räume
dieses Zentralrohres miteinander verbinden.
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Das achsnahe Siederohr 40 des Siederohrbündels 12 ist ausgespannt
zwischen dem Wassereintrittsraum 42 und dem Dampfaustrittsraum 43, das achsferne
Siederohr 41 ist zwischen dem Wassereintrittsraum 44 und dem Dampfaustrittsraum
45 ausgespannt. Die Siedewasserzuführung zu dem Raum42 erfolgt vom Fallrohr 46 durch
den Ringraum zwischen dem Leitrohr 22 und dem koaxial in diesem liegenden Leitrohr
47. Der Raum 42 ist durch die Schottwände 48 und 49 begrenzt, welche ihrerseits
z. B. durch Ringdichtungen 50 an die Leitrohre 22 bzw. 47 angeschlossen sind.
Die Leitrohre 22 und 47 können ohne weiteres nach oben hin aus dern Zentralrohr
23 herausgezogen werden.
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Auch die übrigen Schottwände und Leitrohre zur Trennung von Ein- und
Austrittssammelräumen sind analog ausgebildet. Ihre Funktion geht aus der F i
g. 3
unter Beachtung der Strömungsrichtungspfeile ohne weitere Erklärung hervor.
Erwähnt sei nur noch, daß das koaxiale Leitrohr 51 in diesem Beispiel nach
unten hin in Achsrichtung weggeschoben werden kann, um so die Einwalzstellen der
Siederohre von innen her zugänglich zu machen.
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An Stelle der koaxial angeordneten Leitrohre können natürlich auch
andere Verbindungsrohre verwendet werden, sofern sie sinngemäß die einzelnen durch
Schottwände abgetrennten Sammelräume miteinander verbinden.
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Beim Betrieb eines Wärmetauschers strömt das Heizgas in einem Ringraum
zwischen einem Leitgefäß und dem Hochdruckdampfrohr und überträgt dabei zumindest
einen Teil seiner Wärme an das andere Medium, wird dann in vorzugsweise zwei Teilströmen
umgelenkt und längs der Außenseite des Leitgefäßes abgeleitet, wobei es gegebenenfalls
einen Teil seiner Wärme an die Vorwärmerflächen abgibt. Die Regelung,der Wärmetauscherleistung
erfolgt, indem die Menge des Heizgases, welche einen Teil der Wärmetauscherflächen
beaufschlagt, geregelt wird, indem dem Heizgas eine kleinere und eine größere Teilmenge
über einen Bypass entzogen wird.