DE1929474B2

DE1929474B2 - Wärmeaustauscher fur heiße stro mende Gase

Info

Publication number: DE1929474B2
Application number: DE1929474A
Authority: DE
Inventors: Bronislaw K. New York N.Y. Dutkiewicz; Wilfrido R. Natick Mass. Espanola; Herman N. Lexington Mass. Woebcke
Original assignee: Stone and Webster Engineering Corp
Current assignee: Stone and Webster Engineering Corp
Priority date: 1969-02-27
Filing date: 1969-06-11
Publication date: 1973-10-25
Also published as: FR2032438A1; GB1263001A; NL6908062A; NL158922B; DE1929474C3; ES369036A1; BE736443A; FR2032438B1; US3583476A; DE1929474A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für heiße strömende Gase, bestehend aus einem rohrförmigen Heißgasdurchgang, der über den größten Teil seiner Länge von einer Kühlkammer konzentrisch umgeben ist, die innerhalb der Gehäusewand angeordnet ist und einen Einlaß und Auslaß für das Kühlmittel aufweist.

Aus der USA.-Patentschrift 3 262 4S9 ist ein Wärmeaustauscher zum Erhitzen von Luft oder anderen Gasen mittels überhitzten Dampfes bekannt, der durch einseitig eingespannte Einlaßrohre in den Wärmeaustauscher gelangt. Diese Einlaßrohre haben einen sich in der Strömungsrichtung des Dampfes verengenden Querschnitt, damit Kondensat mitgerissen wird, das sich in den Durchgangsrohren niedergeschlagen hat und in die Einlaßkammem zurückfließen könnte.

Aus der französischen Patentschrift 1519 256 ist ein Heißgaskühlcr bekannt, dessen Einlaßteil für das Heißgas so bemessen ist, daß die in Strömungsrichtung des Heißgases vorhandene Querschnittszunahme dem Öffnungswinkel eines konischen Rohres, d. h. einer Düse von 4 bis 7° entspricht.

Aus der USA.-Patenlschrift 2 214 548 ist ein Wärmeaustauscher für heiße strömende Gase der eineanas genannten Art bekannt. In Weiterbildung eines solchen Wärmeaustauschers liegt viirlieüeiu! " Erfindung die Aufgabe zuerunde. die bei hohen thermischen Beanspruchungen auftretenden Bräche und damit Betriebsstörungen zu vermeiden, sowie den beim Durchkam: heißer Gase durch einen Wärmeaustausche! auftretenden Druckabfall möglichst gering zu hallen. Diese Auig.ilv wird durch die Merkmale gelöst. v\iu sie im Kenn/eichen des Anspruches 1 angegeben s in J.

in Hoiie thermische Beanspruchungen treten besonders dann auf. wenn heiße Gase schnell abgekühlt werden müssen, wie dies bei der Olefinherstellung durch Kracken von Kohlenwasserstoffen der Fall ist. <Jm eine Zersetzung der Krackprodukie. wie Äthylen und Propylen und damit auch eine Abscheidung »«1 Koks zu vermeiden, sind die Krackgase in weniger als 30 Millisekunden von Tempc:aturen über Ndü C auf eine Temperatur im Bereich von 450 bis 750 C abzukühlen. Die in diesen sehr kurzen Zeiträumen «egebenen großen Temperaturänderuneen bedingen entsprechend große thermische Spannungen. Die hiermit verbundenen Nachteile werden mit dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher vermieden.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausbildüngen des Wärmeaustauschers nach Anspruch 1 angegeben.

Eine beispielsweise Ausführung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt.

F i g. 2 einen Schnitt nach 2-2 der F i g. I und
F i g. 3 einen Schnitt nach 3-3 der Fig. 1.
Wie aus F i g. 1 ersichtlich, weist der Wärmeaustauscher 29 im wesentlichen ein äußeres Gehäuse 31 und ein zentrisch angeordnetes Einlaßrohr 38 auf. das sich von einer Verbindungslcitung 28. durch welches die heißen Gase kommen, ois zu einer Düse 39 erstreckt, die sich in Strömungsrichtung des Heißgases erweitert. Die Düse hat einen Neigungswinkel von 4 bis 10 .

Der sich an die Düse 39 anschließende Heißgasdurchgang 30 erweitert sich am Ausgang 52 des Wärmaustauschers ebenfalls in Strömungsrichtung zu einer Düse 47 mit einer Neigung von 4 bis 10 .

Im Gehäuse 31 sind rings um den Durchgang 30 eine Kühlmittelkammer 40 und Dampfkammern 41 und 42 angeordnet. Die Kühlmittelkammer 40 hat eine äußere Wandung 43 und eine innere Wandung 44 und besitzt einen Einlaß 45 für ein Kühlmittel, wie Wasser, und einen Auslaß 46 für den während der Kühlung erzeugten Hochdruckdampf. Die innere Wandung 44 bildet auch einen Teil des Hcißgasdurchganges 30. Die Abstandsstücke 50 in Kühlmittelkammer 40 bewirken, daß die Breite der ringförmigen Kühlkammer in ihrer ganzen Ausdehnung gleich ist.

Die Dampfkammern 41 und 42 sind rings um den Durchgang 30 am Ein- und Auslaß des Wärmeaustauschers angeordnet; die Dampfkammern sind praktisch Hohlräume im Gehäuse 31, durch welche zum Abschließen des Durchganges 30 an kritischen Stellen Dampf strömt. Die Dampfcinlässe sind mit 48 und 49 bezeichnet. Die unmittelbar hinter dem Einlaß 51 des Wärmeaustauschers angeordnete Dampfkammer 41 ist mit einer Deckwand 53 versehen, die konzentrisch zum Durchgang 30 angeordnet ist und sich vom hinteren Ende der Dampfkammer 41 zum Gascinlaß hin bis zu einem Zwischenpunkt in dieser

erstrech. Die Dampfkammer 42 befindet -ich unmil- -palt 60 ein Dampfab-chluß vorgesehen. Der Dampt

teibar hinter der Kühlmi-;elkammer 40 und in Na.h- tritt durch Hinlaß 49 in die Dampfkammer 42 mi;

barsehaft eine- Verbindungsstückes 59. da- den War- einem Druck ein. welcher oberhalb de- Drucke- im

meau-tauscher 29 mit der Abüa:iL'-'ei;un^ 37 für das Gasdurchszan» 30 'iegt und gelangt durch den Ring-

gekühlie Ga- verbindet. Das -ich" axial in den Heiß- ." spalt 60 in den (.,.-d'iirchgang 30. Durch huim: ^eP

gasdurehgang 30 er-ireekende Hinlal.'.rohr 38 ist nur 61 im Ringspait 60 wird die Streudü-e 47. wie a¹:-

am Ga-einkiß 51 fest mit dem Gehäuse 31 verhim- F i g. 4 ersichtlich, gehalten.

den. Hs wurde befunden, da!'· die Verbindung bei'rie- Ui. Dampikammern 41 und 42 dienen auch zum

digcnd durch eine Urnfang-verschweißung en'oltien Abschirmen der Wand des Gehäuse- 31 gegen de:i

und dadurch die Dampfkammer 41 abgeschlossen io Heißiia-uurchgang: di. gilt insbesondere tür den

werden kann. Die nur an einer Steile bestehende Einlaß.

Verbindung /wischen dem Einlaßrohr 38 und dem Während die Deckwand 53 in erster Linie als l.e-'.iäußeren Gehau-e 31 hat zur Fo! .. daß sich thermi- wand für den Dampf dient, um den thermischen Stoß sehe Spannungen im Wirmeau- .uscher nicht ausbil- aul das innere Hinlaßrohr 38 herabzumindern, na; den können, da -ich das heiße hinlal.'.rohr 38 gesien- 15 die-e auch die Funktion, die !litze de- heißen hinüber dem kühlet. 11 Gehäuse 31 innen frei ausdehnen kii'rohre- 38 durch Strahlung dadurch zu verteilen. V.ar.11. wenn sich im Wärmeaustauscher 29 ein Tem- daij die Wärme über die Deckwand 53 zum Genau-.· peraturgefälle entwickelt. Das Einlaßrohr 38 er- strömt, das durch das Kühlmittel in der Kammer -?0 streckt sich vom Einlaß 51 ins Innere des Kühlman- gekühlt wird.

teis hinein, damit die Streudüse 39 I -mitten des 20 Der Wärmeaustausch vollzieht sich in der Weise.

Durchganges 30 festgehalten wird. Demzufolge lie- daß Wasser in die Kühlmittelkammer 40 durch den

gen im Bereich der Streudüse 39 die Außenfläche 55 Einlaß 45 eingeleitet wird, während die heißen Gase

des Hinlaßrohres 38 und die Innenfläche 54 der In- durr-h den Durchgang 30 strömen. Gleichzeitig wird

nenwandung 44 der Kühlmittelkammer dicht beiein- Dampf mit einem Druck, welcher etwas höher als der

ander. 25 Druck im Durchgang 30 ist. kontinuierlich durch die

Außerdem umgibt auch die Deckwand 53. welche Einlasse 48 und 49 in die Dampfkammern 4i bzw.

sich von einer inneren Schulter 57 auf dem Gehäuse- ⁴^ eingeführt. Da der Gasdruck im Durchgang für

inneren nach vorwärts erstreckt, das Einlaßrohr38 und den Abstrom im allgemeinen bei etwa 1.8 ata liegt.

bildet mit der Innenfläche 54 der Innenwandung der muß der Druck in den Dampfkammern 41 und 42

Kühlmittelkammer und der äußeren Oberfläche 55 30 etwa 2.1 ata betragen, bzw. mindestens 0.3 at höher

des Einlaßrohres einen ringförmigen Durchgang 56. Hegen als der Druck im Durchgang 30. Unter diesen

Im Ringspait 56 angeordnete Führungen 58" dienen. Bedingungen geht Dampf von der Dampfkammer 41

wie aus 7 i g. 2 ersichtlich, zum Zentrieren des Ein- durch den ringförmigen Durchgang 56 hindurch in

laßrohres 38 im Heißgasdurchgang 30. Um zu ver- den Durchgang 30 und von der Dampfkammer 42

hindern, daß Gas aus dem Durchgang 30 in den 35 durch den ringförmigen Durchgang 60 hindurch in

Ringspait 56 strömt, steht der Dampf Im Ringspait das Verbindungsstück 59 bzw. die Abgangsleitung 37

56 unter Druck. Einschnitte 64 in der Deckwand 53 hinein,

dienen zur Ableitung \ on Kondensat. Beim Durchgang des Gases durch die Düse 39

Dampf wird durch den Einlaß 48 in die Dampf- vviid der Druck des Gases erhöht, seine Geschwin-

kammer 41 mit einem Druck eingeführt, der ober- 40 digkeit aber vermindert. Durch die S'reudüse 47 wird

halb des Druckes im Gasdurchgang 30 liegt, so daß der Druck des Gases wiederum gesteigert und die

Dampf aus der Dampfkammer 41 durch den Ring- Geschwindigkeit vermindert.

spalt 56 und schließlich in den Gasdurchgan« 30 Die zweistufige Expansion des Gases ergibt ein

fließt. stromlinienförmiges Strömen des Gases und setzt die

Die Streudüse 47 am Ausgang 52 des Wärmeaus- 45 Bildung von Wirbelströmen an den Stellen auf ein

tauschers erstreckt sich in das Verbindungsstück 59. Mindestmaß herab, wo sich die Geschwindigkeit des

Die Düse 47 und der Gasdurchgang 30 können ein Stromes ändert. Außerdem wird der Druckverlust

Teil bilden: vorzugsweise ist dic^Diise 47 ein beson- beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher auf

deres Rohrstück, dessen Ende 47' an das Gehäuse ein Mindestmaß herabgesetzt, wodurch das Fließen

angeschweißt ist. Das Verbindungsstück 59 kann als 5" des Gases durch den Wärmeaustauscher gefördert

einfaches Anschlußglied oder als Dehnungsausglei- wird. Die Druckgewinnung ist sehr wichtig, weil

eher in Längsrichtung ausgebildet sein. Die Düse 47 Druckvcrluste durch nachfolgende kostspielige

ist in jedem Fall so angeordnet, daß sie sich längs Pump- und Komprimierungscinnchtungen ausgegli-

und radial ohne übermäßige Behinderung ausdehnen chen werden müssen.

kann. Eine radiale Ausdehnung der Düse 47 tritt we- 55 Der erfind"iigsgemäße Wärmeaustauscher crmög-

gen der Temperaturänderungen ein, die sich aus dem licht, heiße Gase, wenn sie in den Wärmeaustauscher

unterschiedlichen Abstand der Düse 47 von der z.B. mit einer Temperatur von mehr als 8OU C ein-

KühlmitteJkammcr 40 ergeben. Ein ringförmiger treten, in Bruchteilen von Sekunden auf etwa

Durchgang 60 wird durch die Außenwand 62 der 450^c C abzukühlen, ohne das die Lebensdauer des

Streudüse 47 und der Innenwand 63 des Verbin- 60 Wärmeaustauschers beeinträchtigende Wärmestauun-

dungsstückes 59 bzw. der Innenwand 63' der Ab- gen auftreten. Das Kühlmittel in der Kammer 40

gangsleitung 37 gebildet. wird dabei unter Bildung von Dampf mit einem

Wie für den Ringspait 56 ist auch für den Ring- Druck im Bereich von etwa 14 bis 175 at erhitzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ΑΊΑ Patentansprüche:

1. W ärmeaiisuiuscher für heiße strömende Gase, begehend aus einem rohrförmigen Heißgasdurchgang. der über den größten Teil meiner Lange \on einer Kühlkammer konzentrisch umgeben ist. die innerhalb der Gehäusewand angeordne; is; und eint η Einlaß und Auslaß für das Kühlmittel aufweist, g e k e η η ζ e ι c Ii η e ι durch ein sich axial in den Heißgasdurchgang

(30) erstreckendes, nur am Gaseintritt mit dem Gehäuse (31) des Wärmeaustauschers (2'-M fest verbundenes Einiaßrohr (38): eine am Linde des Einlaßrohres (38) angeordnete, sich in Strömungsrichtung des Heißgases erweiternde Düse (39)·. eine vom Einlaikohr (38) und dem Gehäuse

(31) begrer^-'e Dampfkammer (41) mit Dampfeinlaß (48): und einen das Einlaßrohr (38) umgebenden, von der Dampfkammer (41) bis zum Heißgasdurchgang (30) geführten Ringspalt (56).

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch!, gekennzeichnet durch eine am Ende des Gasdurehganaes ί30) angeordnete, sich in Strömungsrichtung de- Gases erweiternde Düse (47): eine in der Gehäusewand angeordnete Dampfkammer (42) mit Dampfeinlaß (49): und ein von der Dampfkammer (42) zum Gasaustritt sehender Rinsspalt (60).

3. Wärmeaustauscher nac'i den Ansprüchen 1 und 2. gekennzeichnet durch im Ringspalt (56) zur Führung des EinlaLirohr^s (38) dienende Führungsstücke (58) und durch im Ringspalt (60) zur Führung der Düse (47) dienende Führungsstücke (61).

4. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (39 und 47) einen Neigungswinkel von 4 bis 10 haben.