DE1929474C3 - Wärmeaustauscher für heiße strömende Gase - Google Patents

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 3 262 489 ist ein Wärmeaustauscher zum Erhitzen von Luft oder anderen Gasen miltels 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 Einlaßkammern zurückfließen könnte.

Aus der französischen Patentschrift i 519 256 ist ein Heißgaskühler 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" C7..r-t>richt.

Aus der USA.-Patentschrift 2'/!4 548 ist ein Wärmeaustauscher für heiße strömende Gase der eingangs genannten Art bekannt. In Weiterbildung eines solchen Wärmeaustauschers liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bei hohen thermischen Beanspruchungen auftretenden Brüche und damit Betriebsstörungen zu vermeiden, sowie den beim Durchgang heißer Gase durch einen Wärmeaustauscher auftretenden Druckabfall möglichst gering zu halten. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale gelöst, wie sie im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben sind.

ίο Hohe thermische Beanspruchungen treten beson-

' ders dann auf, wenn heiße Gase schnell abgekühlt

werden müssen, wie dies bei der Olefinherstellung durch Kracken von Kohlenwasserstoffen der Fall ist.

Um ein^ Zersetzung der Krackprodukte, wie Äthylen

und Propylen und damit auch eine Abscheidung von Koks zu vermeiden, sind die Krackgase in weniger als 30 Millisekunden von Temperaturen über SOO⁰C auf eine Temperatur im Bereich von 450 bis 750° C abzukühlen. Die in diesen sehr kurzen Zeiträumen gegebenen großen Temperaturänderungen bedingen entsprechend große thermische Spannungen. Die hiermit verbundenen Nachteile werden mit dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher vermieden.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausbil-

düngen des Wärmeaustauschers nach Anspruch 1 angegeben.

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

Fig. I einen Längsschnitt,

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

Im Gehäuse 31 sind rings um den Durchgang 30 eine Kühlmittelkammer 40 und Dampfkammern 41 und 42 angeordnet. Die Kühimittelkammer 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 Hoch 'ruckdampf. Die innere Wandung 44 bildet auch einen Teil des Heißgasdurchganges 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

Co praktisch Hohlräume im Gehäuse 31, durch welche zum Abschließen des Durchganges 30 an kritischen Stellen Dampf strömt. Die Dampfeinlässe 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

erstreckt. Die Dampfkammer 42 bef.ndet sich unmil-,elbar hinter der Kühlmittelkarrmer 40 und in Nachbarschaft eines Verbindungsstückes 59, das den Warmeaustauscher 29 mit der Abgangsleitung 37 für das gekühlte Gas verbindet. Das sich axial in den Heiß-Sasdurchgang 30 erstreckende Einlaßrohr 38 ist nur am Gaseinlaß 51 fest mit dem Gehäuse 31 verbunden. Es wurde gefunden, daß die Verbindung befriediaend durch eine Umfangsverschweißung erfolgen und dadurch die Dampfkammer 41 abgeschlossen werden kann. Die nur an einer Stelle bestehende Veibindung zwischen dem Einlaßrohr 38 und dem äußeren Gehäuse 31 hat zur Folge, daß sich therm.-sehe Spannungen im Wärmeaustauscher nicht ausb.lden können, da sich das heiße Ein.aßrohr 38 gegenüber dem kühleren Gehäuse 31 innen frei ausdehnen kann, wenn sich im Wärmeaustauscher 29 ein Temperamrgefälle entwickelt. Das Einlaßrohr 38 erstreckt sich vom Einlaß 51 ins Innere des Kühlman-,eis hinein, darr.lt d.e Streudüse 39 inmitten des *o Durchganges 30 festgehalten wird. Demzufolge liegen im Bereich der Streuduse 39 d.e Außenflache 55 des Einlaßrohres 38 und die Innenfläche 54 der Innenwandung 44 der Kühlmittelkammer dicht beie.n- ^

^dnAußerdem umgibt auch die Deckwand 53 welche sich von einer inneren Schulter 57 auf dem Gehäuseinnerennachvorwärtserstreckt,dasEinlalkohr38und bildet mit der Innenfläche 54 der Innenwandung der Kühlmittelkammer und der äußeren Oberflache 55 des Einlaßrohres einen ringförmigen Durehgang 56. Im Ringspalt 56 angeordnete Führungen 58 dienen. wie aus Fig. 2 ersichtlich, zum Zentrieren des Emlaßrohres 38 im Heißgasdurchgang 30. TJm zu verhindern, daß Gas aus dem Durchgang 30 m den Ringspalt 56 strömt, steht der Dampf im Ringspalt 56 unter Druck. Einschnitte 64 in der Deckwancf 53 dienen zur Ableitung von Kondensat.

Dampf wird durch den Einlaß 48 in die Dampfspalt 60 ein P^^^^^JSäam^r 2 mit tritt durch Einlaß »™ ^¹JjP^Eruckes im einem Druck ein ^"°*™S _durch den Ring-Gasdurchgang 30 heg ^gelang t du spalt 60 in den Gasdurchgang 30- UJ«n B

61 im Ringspalt 60 wird d.e Streuduse 4/, Fig 4 ersichtlich, gehalten ^

Die Dampfkammern 4 und «ί üic ^

Abschirmen der Wand des O^^usc* _derf f_{ür den} He.ßgasdurchgang; d.es gilt msbesonae

^Ein]<?^B, _η._Λ,._{nd 53 in erster} Linie als Leit-

^.^nW_d?_e"_t uJd Thermischen Stoß wand fur den Dampf dient um ü\vt _{d hat}

auf das innere Einlaßrohr 38herabz ^

f'«.^au=^hJ^fJShi" dadurch zu verteilen, ^f^^res 38 durch Äramung ^„^

daß d.e Warme übe d>c ?f™^na ₄₀

strömt, das durch das Kühlmittel in ae

gekühlt wird. _vr>n₇ieht sich in der Weise,

Der Wärmeaustausch vo ζ eh^ch m ^

^^^ingeSe^£ SS *e heißen Gase Jinl-B 45 en geie.tci wi > Gleichzeitig wird

durch den Durchgang 30 st ome ^ ^

Emiasse^ 481 und\49^n J^^^DuTdigang für 42 einge turm, ua , _{bei etwa} ι ,8 ata liegt,

der. Abstrom 'Jn all^|^^m™ _{fkammem 41 und} 42 muß de Druck ^t^ de V.^^ _Qj _{at hBher}

etwa z, aiaι >c.ι t , _Durehgang 30. Unter diesen Uegen_as aer _{der Dam fkammer} 41

J^.ngungen geht Uar ρ _{5fi hindurch n}

^^c™„ 5 _{30 u} ⁸ _{nd von} der Darnpfkamrr.er 42 den Uura¹^ _Durchgang 60 hindurch in

Ju ch d " ""^Sk 59 bzw. die Abgangsleitung 37 das yermnauny*iui.R

h.ne,n. _{des Gascs durch die Dü}s_e 39

-Th r nnirk da; Gases erhöht, seine Geschwinwird der °™^^α"^^ die Streuduse 47 wird

^fließt- _e, _{A w}..

Die Streudüse 47 am Ausgang 52 des Warmeaus-

tauschers erstreckt sich in das Verbindungsstuck Die Düse 47 und der Gasdurchgang 30 können em Teil bilden; vorzugsweise ist die Düse 47 e.n besonderes Rohrstück, dessen Ende 47' an das Gehäuse angeschweißt ist. Das Verbindungsstück 59 kann als einfaches Anschlußglied oder als Dehnungsausgle,-eher in Längsrichtung ausgebildet scm. D.e Düse ist in jedem Fall so angeordnet, daß s.e sich längs und radial ohne übermäßige Behinderung ausdehnen kann. Eine radiale Ausdehnung der Düse 47 tritt vvegen der Temperaluränderungen ein, die sich aus dem Unterschiedlichen Abstand der Düse 47 von der Kühlmittelkammer 40 ergeben. Ein nngform.gcr Durchgang 60 wird durch die Außenwand 62 der Streudüse 47 und der Innenwand 63 des Verb»,-dungss.ückes 59 bzw der Innenwand 63 der Abgangslcitung 37 gebildet.

Wie für den Ringspalt 56 ist auch tür den Ring-βKnI von Wirbelströmen an den Stellen aut ein B, dunfe^ von _{die GeschwindigkeU des}

^ Außerdem wird der Druckverlust _durch den Wärmeaustauscher auf ^^χ_{β hera}bgesetzt, wodurch das Fließen ^ MindestmaB ^b _{Wärmeaustauscher} gefördert

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uruc _{Komprirnierun}g_Seinrichtungen ausgegh-

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chen, χ^v"°°^{n mu} _äße wärmeaustauscher ermög-

55 Der «nndungsgemajUe W^ι _Wärrneaustau_Scher

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f ^^'^'"^ΕΓ von Sekunden auf etwa treten l^ukSen oine das die Lebensdauer des 60 h bt

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^¹¹" _Bereich von etwa 14 bis 175 at erhitzt. Druck im Bere.cn

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher für heiße strömende Gase, bestehend aus einem rohrförmigen Hcißgasdurchgang, 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, gekennzeichnet durch ein sich axial in den Heißgasdurchgang

(30) erstreckendes, nur am Gaseintritt mit ^dem Gehäuse (31) des Wärmeaustauschers (29) fest verbundenes Einlaßrohr (38); eine am Ende des Einlaßrohrcs (38) angeordnete, sich in Strömungsrichtung des Heißgases erweiternde Düse (39); eine vom Einlaßrohr (38) und dem Gehäuse

(31) begrenzte 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 1, gekennzeichnet durch eine am Ende des Gasdurchganges (30) angeordnete, sich in Strömuiiiisrichtung des Gases erweiternde Düse (47); eine in der Gehäusewand angeordnete Dampfkammer (42) mit Dampfeinlaß (49); und ein von der Dampfkammer (42) zum Gasaustritt gehender Rin^spalt (60).

3. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen I und 2, gekennzeichnet durch im Ringspalt (56) zur Führung des Einlaßrohres (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.