DE19629185A1 - Röhrenwärmeaustauscher mit Aufprallverteiler - Google Patents

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Röhrenwärmeaustauscher und im spezielleren einen Abhitzekessel und einen Aufprallverteiler für das Einlaßgas, um die Wärmeübertragungsspitzen auf den äußersten Röhren zu verringern.

Hintergrund der Erfindung

Abhitzekessel werden herkömmlicherweise in Produktionsanlagen verwendet, um Hitze aus Abgasen zurückzugewinnen, die bei Hochtemperaturverfahren, wie etwa Spaltrohr-, katalytische Crack-, Kohlevergasungs-, Turbinenenergiegewinnungsverfahren u. dgl. erzeugt werden. Wasserröhrenabhitzekessel umfassen typischerweise Röhrenwärmeaustauscher, worin das heiße eintretende Abgas zur Mantelseite geleitet wird. Kesselwasser, das durch die Röhreninnenseite strömt, wird erhitzt und teilweise verdampft.

Die Röhren derartiger Hochtemperaturwärmeaustauscher unterliegen einer Störung wenn die mechanische Integrität der Wand durch Faktoren, wie etwa Korrosion, Kesselsteinbildung oder Fouling von Kesselwasser mit niederer Qualität oder durch Erosion aufgrund des aufprallenden Einlaßgases geschwächt wird. Zum Beispiel erhöht ein röhrenseitiges Fouling die Röhrenwandtemperatur, was in extremen Fällen zum Röhrenbetriebsausfall aufgrund von Überhitzung führen kann. Die Betriebsbedingungshärte, einschließlich übermäßige Wärmeübertragung, können die Integritätsprobleme verschärfen und die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen bezüglich der Kesselwasserqualität erhöhen.

Die Betriebssicherheit des Abhitzekessels kann signifikant verbessert werden, selbst in Fällen, in welchen die Kesselwasserqualität schwankt, indem das Problem übermäßiger Wärmeübertragungsverteilung und Wärmeaufprall, im speziellen auf den äußersten Röhren, die dem Heißgaseinlaß am nächsten sind, angegangen wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch Ablenken des Aufpralls von heißem eintretendem Gas von den Wänden von der äußersten Rohrreihe in einem Röhrenwärmeaustauscher kann die Empfindlichkeit derartiger äußerer Röhren gegenüber einer Schwankung der Kesselwasserqualität zugunsten einer erhöhten Betriebssicherheit verringert werden.

In einer Hinsicht liefert die vorliegende Erfindung einen verbesserten Röhrenwärmeaustauscher. Als ein erstes Element wird ein im allgemeinen longitudinal im Mantel angeordnetes Röhrenbündel zum Durchleiten eines röhrenseitigen Fluids durch den Austauscher bereitgestellt. Als ein anderes Element wird ein mantelseitiger Einlaß bereitgestellt, der in Fluidverbindung mit einem ringförmigen Verteilerkanal ist, der durch eine zylindrische Verteilerplatte begrenzt ist, die um das Röhrenbündel angeordnet ist und von einer Innenoberfläche des Mantels beabstandet ist. Eine Vielzahl von in der Verteilerplatte ausgebildeten Perforierungen wird bereitgestellt, um Fluid aus dem ringförmigen Kanal zu verteilen, um durch das Röhrenbündel über die Außenflächen der Röhren zu einem kesselseitigen Fluidauslaß zu strömen. Eine Vielzahl von Prallstäben ist zwischen einer Reihe von äußeren Röhren des Bündels und einer Innenfläche der Verteilerplatte angeordnet. Die Stäbe liegen den Perforationen für Fluid, das durch die Perforationen strömt, um auf den Stäben aufzuprallen, gegenüber. Die Perforationen können in einer Vielzahl von longitudinalen Reihen angeordnet sein und ein Prallstab kann longitudinal mit jeder Perforationsreihe ausgerichtet sein und über die allgemeine Länge davon verlaufen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind erste und zweite ringförmige Dichtplatten an entgegengesetzten Enden des Verteilerkanals, die sich von der Verteilerplatte radial nach außen bis in die Nähe der Innenfläche des Mantels erstrecken, vorgesehen. Der Austauscher umfaßt eine oder mehrere Verteilerablenkplatten, welche sich von dem Röhrenbündel radial nach außen erstrecken, so daß sie der Innenfläche der Verteilerplatte benachbart sind. In einem äußeren Profil der Verteilerablenkplatte oder -platten sind Ausnehmungen ausgebildet, um die Prallstäbe aufzunehmen und eine radiale Ausrichtung des Röhrenbündels bezüglich der Verteilerplatte und der Prallstäbe aufrechtzuerhalten.

In einer Anordnung haben Röhren vorzugsweise einen radialen Zwischenraum und die Prallstäbe sind mit longitudinalen Abständen zwischen benachbarten Röhren in der äußeren Reihe ausgerichtet. Der Austauscher umfaßt eine Mehrzahl von longitudinal beabstandeten Führungsringen, die an der Verteilerplatte befestigt sind und sich von diesen radial nach innen erstrecken. Längslöcher sind in den Führungsringen ausgebildet, um die Prallstäbe aufzunehmen und sie in radialer Ausrichtung zu halten. Die Führungsringe haben vorzugsweise einen Innenquerschnitt, der einer Kontur der äußeren Röhrenreihe entspricht. Einige der Prallstäbe können Verbindungsstäbe umfassen, die im allgemeinen über die Länge des Röhrenbündels verlaufen, um eine Strukturunterstützung für die Ablenkplatten und Trägerplatten bereitzustellen.

In einer anderen Anordnung haben die Prallstäbe eine konkave Fläche, die benachbart der Innenfläche der Verteilerplatte angeordnet und davon beabstandet ist. Die Prallstäbe sind vorzugsweise mit benachbarten Röhren in der äußeren Reihe ausgerichtet. Die Prallstäbe sind vorzugsweise an der Verteilerplatte durch Bolzen befestigt und von deren Innenfläche durch Abstandshalter beabstandet.

In einer anderen Hinsicht liefert die vorliegende Erfindung einen Abhitzekessel mit einem hitzefest ausgekleideten zylindrischen Mantelgehäuse, das ein longitudinales Röhrenbündel aufnimmt und entsprechende rohrseitige und mantelseitige Fluideinlässe und -auslässe enthält. Eine Mehrzahl von Ablenkplatten ist perforiert, um verschiebbar eine radiale Ausrichtung von Röhren in dem Röhrenbündel aufzunehmen und aufrechtzuerhalten. Die Ablenkplatten sind voneinander longitudinal durch Verbindungsstäbe beabstandet, die durch Bohrungen in den Ablenkplatten dringen und durch ringförmige Beabstandungselemente, die einen größeren äußeren Durchmesser als die Bohrungen haben. Eine zylindrische Verteilerplatte ist um das Rohrenbündel und radial von einer Innenfläche des Mantels beabstandet angeordnet, um einen Heißgaseinlaßringraum zu bilden, der in Fluidverbindung mit dem mantelseitigen Fluideinlaß steht. Obere und untere Abschlußplatten sind benachbart an entgegengesetzten longitudinalen oberen und unteren Enden der Verteilerplatte befestigt und erstrecken sich von diesen radial nach außen, so daß sie der Innenfläche des Mantels benachbart sind, um eine Fluidabdichtung an entsprechenden Enden des Heißgaseinlaßringraumes zu bilden. Eine der Ablenkplatten ist eine Trägerablenkplatte, die sich radial nach außen von dem Röhrenbündel erstreckt, so daß die der Innenfläche des Mantels unter dem unteren Ende der Verteilerplatte benachbart ist, um die Verteilerplatte auf einer oberen Fläche der Trägerablenkplatte zu stützen. Eine Mehrzahl von Perforationen, welche in voneinander beabstandeten longitudinalen Reihen angeordnet sind, ist in der Verteilerplatte ausgebildet. Eine Mehrzahl von longitudinalen Prallstäben ist benachbart einem äußeren Umfang des Röhrenbündels und der Verteilerplatte angeordnet. Jeder der Prallstäbe, der so angeordnet ist, ist ausgerichtet mit und entgegengesetzt einer Reihe von Perforationen für Heißgas, das durch die Perforationen gelangt, um direkt auf einen entsprechenden Prallstab aufzuprallen und gelangt dann zwischen zwei benachbarten Aufprallstäben in das Röhrenbündel. Eine oder mehrere der Ablenkplatten sind Verteilerablenkplatten, die sich radial nach außen von dem Röhrenbündel zwischen den longitudinalen Enden der Verteilerplatte erstrecken und umfassen eine äußere Kontur, die benachbart einer Innenfläche der Verteilerplatte mit umfangsmäßigen Ausnehmungen ist, um lateral die Prallstäbe aufzunehmen und eine radiale Ausrichtung des Röhrenbündels und der Verbindungsstäbe hinsichtlich der Prallstäbe und Verteilerplatte aufrecht zu erhalten. Eine der Ablenkplatten ist vorzugsweise eine Trägerablenkplatte, die sich radial nach außen von dem Röhrenbündel erstreckt, so daß sie der Innenfläche des Mantels über dem oberen Ende der Verteilerplatte benachbart ist, um die Verteilerplatte vertikal zwischen den oberen und unteren Trägerablenkplatten zu positionieren. Die Ablenkplatten sind vorzugsweise in einer Scheiben- oder Ringkonfiguration. Die Trägerablenkplatten sind vorzugsweise als Ringe konfiguriert; die Verteilerablenkplatten als Scheiben.

In einer Anordnung können einige der Prallstäbe Verbindungsstäbe sein. Eine Vielzahl von Führungsringen ist an beabstandeten Intervallen entlang der Länge der Verteilerplatte befestigt und erstreckt sich davon radial nach innen zu einem inneren Querschnitt, der einer radialen Kontur des Röhrenbündels und der Befestigungsstäbe entspricht. Die Führungsringe sind perforiert, um die Prallstäbe in der Ausrichtung mit den Perforationsreihen aufzunehmen und zu halten. Die Prallstäbe und Befestigungsstäbe, die den Perforationen in dem Abhitzekessel gegenüberliegen, sind vorzugsweise in einem Ring, der konzentrisch zur Verteilerplatte ist, angeordnet. Die Röhren sind ebenfalls vorzugsweise in einem Ringmuster konzentrisch zur Verteilerplatte angeordnet und die Perforationen in der Verteilerplatte sind vorzugsweise mit einem Zwischenraum zwischen benachbarten Röhren in einer äußersten Reihe ausgerichtet. Die Prallstäbe sind vorzugsweise an einem der Führungsringe befestigt und verschiebbar in den Perforationen der anderen Führungsringe aufgenommen, um eine longitudinale thermische Ausdehnung zu erlauben.

In einer anderen Anordnung haben die Prallstäbe eine konkave Fläche, die benachbart der Innenfläche der Verteilerplatte angeordnet und davon beabstandet ist. Die Perforationen in der Verteilerplatte sind vorzugsweise mit benachbarten Röhren in einer äußersten Reihe ausgerichtet. Die Prallstäbe sind vorzugsweise an der Verteilerplatte durch Bolzen befestigt und von der Innenfläche dieser durch Abstandshalter beabstandet.

Als eine andere Ausführungsform liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme aus einem Heißgasstrom. Als ein Schritt wird ein Heißgasstrom zu einem ringförmigen Verteilerkanal eines Röhrenwärmeaustauschers geführt. Der Wärmeaustauscher hat ein Röhrenbündel das im allgemeinen longitudinal in dem Mantel bzw. Kesselmantel angeordnet ist, um ein röhrenseitiges Fluid durch den Austauscher zu führen. Der ringförmige Verteilerkanal steht in Verbindung mit Fluid von einem mantelseitigen Einlaß und ist durch eine zylindrische Verteilerplatte begrenzt, die um das Röhrenbündel und beabstandet von einer Innenfläche des Mantels angeordnet ist. Heißgas wird von dem ringförmigen Kanal verteilt, um durch das Röhrenbündel über Außenflächen der Röhren zu einem mantelseitigen Auslaß durch eine Mehrzahl von Perforationen, die in der Verteilerplatte ausgebildet sind, zu strömen. Gas wird durch die Perforationen geleitet und prallt gegen eine Mehrzahl von Prallstäben, die zwischen einer Reihe von äußeren Röhren des Bündels und einer inneren Fläche der Verteilerplatte angeordnet sind, worin die Stäbe den Perforationen gegenüberliegen. Hitze von dem durch die Verteilerplatte verteilten Gas wird mit dem Fluß durch das Röhrenbündel ausgetauscht. Ein gekühltes Gas wird von dem mantelseitigen Auslaß abgezogen und ein erhitztes Fluid wird von einem röhrenseitigen Auslaß abgezogen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Röhrenkessels, die eine Ausführungsform des Prallverteilers der vorliegenden Erfindung an dem mantelseitigem Gaseinlaß zeigt.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Längsschnittansicht des Aufprallverteilers von Fig. 1, welche Prallstäbe 56 und Halteführungsringe 70 zeigt.

Fig. 3 ist eine Detaillängsschnittansicht der Prallstäbe, Führungsringe und von Ablenk- und Dichtplatten des Prallverteilers von Fig. 2.

Fig. 4 ist ein teilweise Draufsicht auf die Führungsringe in dem Prallverteiler von Fig. 3, entlang der Linien 4-4.

Fig. 5 ist eine teilweise Draufsicht auf die Verteilerablenkplatten in dem Prallverteiler von Fig. 3, entlang den Linien 5-5.

Fig. 6 ist eine teilweise Draufsicht auf den Wärmeaustauscher von Fig. 2, entlang den Linien 6-6, welche die Orientierung des Aufprallverteilers und von Röhrenreihen zeigt.

Fig. 7 ist eine Längsschnittdetailansicht einer anderen Ausführungsform des Aufprallverteilers der vorliegenden Erfindung, welche Prallstäbe 102 zeigt, die mit der Innenfläche einer Verteilerplatte verbolzt sind und davon beabstandet sind.

Fig. 8 ist eine teilweise Draufsicht auf eine Verteilerablenkplatte in dem Aufprallverteiler von Fig. 7 entlang den Linien 8-8, welche die Prallstäbe 104 zeigt, die mit den Röhren der äußeren Röhrenreihe ausgerichtet sind.

Fig. 9 ist eine Detailansicht von Fig. 7, welche den Prallstab 104 zeigt.

Fig. 10 ist eine ebene Draufsicht des Prallstabs 104 von Fig. 9 entlang den Linien 10-10, welche die konkave Fläche 106 zeigt, die benachbart der Innenfläche der Verteilerplatte im Abstand ist.

Fig. 11 zeigt eine Computer-simulierte isotherme Verteilung (1800 bis 2080°R) eines eintretenden Gases in einem Abhitzekessel, der abströmig eines zweiten Reformers bei einer Synthesegaserzeugung verwendet wird, wobei die Figur einen indirekten Flußweg 58 zeigt, der durch die Aufprallverteilerausführungsform von Fig. 1 bis 6 begrenzt ist.

Fig. 12 zeigt die Geschwindigkeitsvektoren des eintretenden Gases am indirekten Flußweg 58 von Fig. 11, wobei der Aufprall auf die Prallstäbe 56 gezeigt wird.

Fig. 13 zeigt Isothermen einer Röhrenwand 84 von Fig. 11 unter Verwendung der Prallstäbe 56, um direkten Aufprall des eintretenden Gases auf die Röhrenwand 84 zu minimieren.

Fig. 14 zeigt Computer-simulierte Geschwindigkeitsvektoren eines eintretenden Gases in einem Abwärmekessel, der abströmig eines zweiten Reformers bei der Synthesegaserzeugung verwendet wird, wobei ein indirekter Flußweg 114 gezeigt wird, der durch die Aufprallverteilerausführungsformen von Fig. 7 bis 10 begrenzt wird.

Fig. 15 zeigt Computer-simulierte Isothermen in dem Abhitzekessel von Fig. 14.

Fig. 16 (Stand der Technik) zeigt eine Computer-simulierte Isothermenverteilung (1800 bis 2080°R) eines eintretenden Gases in einem Abhitzekessel nach dem Stand der Technik, der abströmig eines Reformers bei der Synthesegaserzeugung ohne die Prallstäbe in dem Aufprallverteiler verwendet wird.

Fig. 17 (Stand der Technik) zeigt die Geschwindigkeitsvektoren des eintretenden Gases in dem Kessel nach dem Stand der Technik von Fig. 16.

Fig. 18 (Stand der Technik) zeigt Isothermen einer Röhrenwand, auf die direkt das eintretende Gas in einem Kessel von Fig. 16 nach dem Stand der Technik aufprallt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Ein perforierter Verteiler in Verbindung mit Prallstäben, die mit den Perforationen ausgerichtet sind, verbessert den Fluß und die Wärmeübertragungsverteilung auf die äußeren Röhren eines Röhrenwärmeaustauschers signifikant.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 15, worin sich gleiche Ziffern auf ähnliche Elemente beziehen, sind Ausführungsformen 10, 100 des Röhrenwärmeaustauschers der vorliegenden Erfindung beispielhaft dargestellt, aber nicht auf einen Abhitzerückgewinnungskessel begrenzt, umfassend eine Kesselummantelung 12, in welcher ein Röhrenbündel 14 befestigt ist, welches mit Aufprallverteilern 16, 102 der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.

Wie in der Technik allgemein bekannt, umfaßt der Mantel 12 einen mantelseitigen Weg 18, um einen Mantelseitenfluidkontakt mit einer äußeren Fläche der Röhren 20 zu ergeben. Der Mantel 12 umfaßt eine oder mehrere Einlaßdüsen 22 für die Einleitung eines heißen, mantelseitigen Fluids 24 und eine oder mehrere Auslaßdüsen 26 für das Abziehen eines Fluids 28, das einen verringerten thermischen Zustand aufweist. Der Weg 18 ist begrenzt durch eine Vielzahl von axial befestigten Ablenkplatten 30, 30′ des Scheiben- und Ringtyps, um im allgemeinen vollständigen Wärmeaustauschkontakt mit den äußeren Flächen der Röhren 20 zu erleichtern. Es ist allgemein anerkannt, daß die genaue Zahl und Konfiguration der Einlaß- und Auslaßdüsen 22, 26 und Ablenkplatten 30, 30′ der Bevorzugung durch den Praktiker obliegt, in Abhängigkeit von vielen Faktoren, wie etwa Typen von Strömen, die umfaßt sind, Wärmeaustauscherfordernissen, Verfahrensökonomie u. dgl. Zusätzlich, wie in Fig. 1 gezeigt, kann der Mantel einen Kühlmantel 32 umfassen, um den Mantel 12 im Falle eines Versagen der Feuerfestigkeit zu schützen.

Hitze wird von dem mantelseitigem Fluid auf ein röhrenseitiges Fluid, das durch einen röhrenseitigen Weg 34 des Röhrenbündels 14 strömt, übertragen. Der röhrenseitige Weg 34 umfaßt, wie in der Technik allgemein bekannt, eine oder mehrere Einlaßdüsen 36, eine Einlaßrohrplatte 38 zum Verteilen des röhrenseitigen Fluids auf die Röhren 20 und zur mechanischen Halterungen derselben, eine Auslaßrohrplatte 40 und eine oder mehrere Auslaßdüsen 42.

Zum Erleichtern des Zusammenbaus, der Wartung und Herstellung wird das Röhrenbündel 14 im allgemeinen als eine unabhängige Einheit der Röhren 20 zusammengebaut, die an jedem Ende durch die Röhrenplatten 38, 40 zusammengefaßt sind und eine Basis zum Befestigen der mantelseitigen Ablenkplatten 30, 30′ bereitstellen. Mittel zum Halten des Röhrenbündels 14 zum Erlauben einer erforderlichen thermischen Ausdehnung in dem Mantel 12 sind allgemein bekannt. Typischerweise wird nur ein Ende des Bündels 14 mit dem Mantel 12 verbolzt, z. B. an die Röhrenplatte 40. Das andere Ende "schwimmt" in dem Mantel 12 und der Mantel 12 wird mit einer Ausdehnungsverbindung 44 an der Einlaßdüse 36 zum Ausdehnen und Kontrahieren davon bereitgestellt.

Mittel zum Halten der Ablenkplatten 30, 30′ sind ebenfalls allgemein bekannt. Die Ablenkplatten 30, 30′ sind perforiert, um Röhren 20 in dem Röhrenbündel 14 verschiebbar aufzunehmen und eine radiale Ausrichtung aufrechtzuerhalten. Die Ablenkplatten 30, 30′ sind longitudinal voneinander durch eine Vielzahl von Verbindungsstäbe 45 (siehe Fig. 4 bis 6) beabstandet, welche durch Bohrungen in den Ablenkplatten und ringförmige Abstandselemente 47, die einen Außendurchmesser haben, der größer als der der Bohrungen ist, durchsetzen. Die Verbindungsstäbe 45 (vorzugsweise als zwei verbundene Abschnitte) erstrecken sich typischerweise über die Länge des Röhrenbündels 14 und sind im allgemeinen an beide Röhrenplatten 38, 40 befestigt. Die Platten 30, 30′ und die Abstandselemente 47 sind entlang der Verbindungsstäbe 45 abwechselnd angeordnet. Somit halten die Abstandselemente 47 die Ablenkplatten 30, 30′ in longitudinaler Position und die Perforationen in den Ablenkplatten 30, 30′ halten die Röhren 20 in relativer radialer Position. Die Platten 30, 30′ in Scheiben- und Ringform sind ebenfalls im allgemeinen abwechselnd angeordnet, wie in Fig. 1 ersichtlich, um einen Querfluß des Heißgases über die Außenfläche der Röhren 20 zu verbessern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die zylindrischen Aufprallverteiler 16, 102 um den Umfang des Röhrenbündels 14 befestigt und gehalten und von einer inneren Fläche 46 des Mantels 12 beabstandet, der mantelseitigen Einlaßdüse 22 benachbart beabstandet. Die Verteiler 16, 102 begrenzen einen ringförmigen Verteilerkanal 48, um das eintretende mantelseitige Fluid gleichmäßig an einen Einlaß 49 des mantelseitigen Wegs bzw. der Wege 18 zu verteilen und um direkten Aufprall des heißen eintretenden Fluids auf eine äußerste Röhrenreihe 50 zu verringern.

Die Aufprallverteiler 16, 102 der vorliegenden Erfindung umfassen eine Verteilerplatte 52 mit einer Vielzahl von Perforationen 54, die darin ausgebildet sind. Eine Vielzahl von longitudinal befestigten Prallstäben 56, 104 ist zwischen der äußeren Röhrenreihe 50 und einer inneren Fläche der Verteilerplatte 52, die den Perforationen 54 gegenüberliegt (siehe Fig. 4 bis 9) befestigt. Die Perforationen 54 sind in einer Vielzahl von longitudinalen Säulen angeordnet und ein Prallstab ist longitudinal mit jeder Säule von Perforationen ausgerichtet und läuft entlang der allgemeinen Länge davon.

Die bevorzugte Position der Prallstäbe 56, 104 bezüglich den äußeren Röhren der Röhrenreihe 50 wird von der Querschnittgeometrie der Stäbe und dem Abstand der Röhren abhängen. Für einen Prallstab mit einem konvexen Querschnitt und worin die Röhren einen umfangsmäßigen Abstand haben, sind Prallstäbe 56 wünschenswerterweise mit einem longitudinalen Zwischenraum 57 zwischen benachbarten Röhren in der äußeren Reihe 50 ausgerichtet, um einen indirekten Flußweg 58 zu begrenzen, wie in den Fig. 4 bis 6 und 11 bis 12 ersichtlich. Auf eine derartige Art können die Stäbe 56 so positioniert sein, daß sie aufprallende Gase um ihre Seiten und durch den Zwischenraum 57 ablenken, wobei ein direkter Aufprall auf die äußersten Röhren vermieden wird. Beispiele geeigneter Querschnitte für den Prallstab 56 sind ringförmig, elliptisch, rechtwinklig, oval u. dgl., wobei ein ringförmiger Querschnitt bevorzugt ist. Wenn ein länglicher Querschnitt verwendet wird, ist die flachere Seite vorzugsweise longitudinal zu der Perforationssäule ausgerichtet.

Alternativ sind für einen Prallstab mit einem konkaven Querschnitt und Röhren mit einem umfangsmäßigen Abstand die Prallstäbe 104 wünschenswerterweise mit den benachbarten Röhren in einer äußeren Reihe 50′ ausgerichtet, wie in Fig. 8, 15 bis 16 ersichtlich. Zusätzlich sind die Prallstäbe 104 so angeordnet, daß eine konkave Fläche 106 davon in Richtung der Verteilerplatte 52 orientiert ist, welche der Perforationssäule gegenüberliegt und davon beabstandet ist. Auf eine solche Art werden aufprallende Gase zurück auf die Verteilerplatte 52 und durch longitudinale Schlitze 108, die entlang den Seiten der Stäbe 104 ausgebildet sind (siehe Fig. 15) zurückgelenkt. Die räumliche Beziehung zwischen den Prallstäben 104 und der äußeren Reihe 50′ begrenzt einen indirekten Flußweg 110 durch einen Zwischenraum 112 zwischen benachbarten Röhren der äußeren Reihe, um einen direkt aufprallenden Fluß zu vermeiden. Die Prallstäbe 104 umfassen vorzugsweise Röhrenabschnitte, die in der Hälfte longitudinal getrennt sind.

Im speziellen bezugnehmend auf Fig. 2 bis 5, 7 bis 8, sind obere und untere Abdeckplatten 60, 62 benachbart an gegenüberliegenden longitudinalen oberen und unteren Enden der Verteilerplatte 52 befestigt und erstrecken sich von der Verteilerplatte 52 radial nach außen, so daß sie der inneren Fläche 46 des Mantels 12 benachbart sind, um Fluidabdichtungen an jeweiligen Enden des Heißgaseinlaßringraums 48 zu bilden. Die Dichtplatten 60, 62 sind an der Verteilerplatte 52 durch herkömmliche Mittel, wie etwa durch Schweißen, befestigt. Die Dichtplatten 60, 62 (im speziellen die untere Dichtplatte 62) sind vorzugsweise durch Versteifungsteile (nicht gezeigt) auf einer freien Fläche davon und/oder einen benachbarten verstärkenden Ring (nicht gezeigt), der daran befestigt ist, verstärkt, um ein Knicken unter dem Gewicht des Verteilers 16 zu vermeiden.

Die Stäbe 56 von Ausführungsform 10 sind umgekehrt vorzugsweise durch eine Vielzahl von Führungsringen 70 befestigt. Wie in Fig. 3 ersichtlich, sind die Stäbe 56 an einem Ende an einen oberen Führungsring 70′ durch Schweißen befestigt und ein freies Ende 68 ist verschiebbar durch die anderen Öffnungen der Führungsringe 70 aufgenommen, um die Stäbe 56 in Ausrichtung mit den Perforationsreihen 54 zu halten und um eine thermische Ausdehnung der Stäbe 56 bezüglich der Führungsringe 70 zu erlauben.

Die Führungsringe 70, 70′ sind vorzugsweise an beabstandeten Intervallen entlang der Länge der Verteilerplatte 52 befestigt und erstrecken sich von diesen nach radial innen bis zu einem inneren Profil 72, welches radiale Nuten 74 und Zungen 76 entsprechend einer radialen Kontur der äußeren Röhrenreihe 50, und Ausnehmungen bzw. Nuten 80, entsprechend dem Radius des Verbindungsstababstandelements 47 zum Aufnehmen der Röhren 50 und der Verbindungsstäbe 45 umfaßt.

Die Prallstäbe 104 (siehe Fig. 7 bis 10) sind vorzugsweise an die Verteilerplatte 52 durch eine Vielzahl von Bolzen 114 mit einer Mutter 116 befestigt, so daß die konkave Fläche 106 benachbart der Innenfläche Platte und davon beabstandet durch Abstandelemente 118 von angeordnet ist, um die longitudialen Schlitze 108 zwischen den Stäben 104 und der inneren Verteilerplattenfläche, wie vorstehend erwähnt, zu bilden. Eine Mehrzahl von regelmäßigen, longitudinal beabstandeten Aussparungen 120 ist vorzugsweise auf den Stäben 104 zum Aufnehmen eines im allgemeinen hexagonalen Kopfes 122 der Schrauben 114, gebildet. Wenn sie einmal festgeschraubt sind, werden die Muttern 116 vorzugsweise verschweißt, um ein Lösen zu verhindern.

Eine oder mehrere Ablenkplatten 30, 30′ sind Verteilerablenkplatten 30a, 30b, die sich von dem Röhrenbündel 14 radial nach außen zwischen den longitudinalen Enden der Verteilerplatte 52 erstrecken. Verteilerablenkplatten sind bereitgestellt mit einem äußeren Profil 79 mit periphären Ausnehmungen 78, benachbart einer inneren Fläche der Verteilerplatte 52. Die Ausnehmungen 78 nehmen lateral die Prallstäbe 56, 104 auf, um eine radiale Ausrichtung des Röhrenbündels 14 und der Verbindungsstäbe 45 bezüglich der Verteilerplatte 52 aufrechtzuerhalten. Die Zahl und Form der verwendeten Verteilerablenkplatten wird ein Gegenstand im Ermessen eines Praktikers sein.

In der Ausgestaltungspraxis der vorliegenden Erfindung können einige der Verbindungsstäbe 45, die im allgemeinen entlang der Länge des Röhrenbündels 14 verlaufen, um einen strukturellen Halt für Ablenkplatten und Trägerplatten bereitzustellen, Prallstäbe in der Ausführungsform 10 (siehe Fig. 2 bis 6) umfassen. Ähnlich den Prallstäben 56, sind die Verbindungsstäbe 45 zwischen der inneren Mantelwand und der Verteilerplatte 52 in longitudinaler Ausrichtung mit einer Reihe von Perforationen 54 und mit den longitudinalen Zwischenräumen 57 zwischen benachbarten Röhren in der äußeren Reihe 50 angeordnet. Die Zahl von Prallstäben, die Verbindungsstäbe sind, wird von den mechanischen Halterungsausgestaltungskriterien des Austauschers 10 abhängen.

Die Verteiler 16, 102 werden vorzugsweise in dem Mantel 12 durch eine der Ablenkplatten 30, 30′ gehalten, welche sich von dem Röhrenbündel 14 nach radial außen erstrecken, um der inneren Fläche des Mantels 12 unter dem unteren Ende der Verteilerplatte 52 benachbart zu sein. Wie in Fig. 1 bis 3 und 7 gezeigt, begrenzen Ringablenkplatten, die den longitudinalen Enden der Verteilerplatte 52 benachbart longitudinal positioniert sind, obere und untere Trägerplatten 30′a, 30′b, so daß die untere Trägerplatte 30′b an die untere Dichtplatte 62 anliegt. Typischerweise sind im kalten Zustand die Verteiler 16, 102 im allgemeinen nur auf der unteren Trägerablenkplatte 30′b (wie in Fig. 1 bis 3 und 7 gesehen) in Eingriff, aber in einem erhitzten Zustand expandieren die Dichtplatten 60, 62 ebenfalls gegen die innere Wand 46 an eine feuerfeste Auskleidung 13 des Mantels 12.

Die Orientierung der Röhren 20 in dem Röhrenbündel 14 und andere Ausgestaltungsmerkmale davon, wie etwa Konstruktionsmaterialien, sind typischerweise ein Gegenstand, der den Erfahrungen des Praktikers unterliegt. Wie in Fig. 6 und 8 gezeigt, kann eine gestaffelte Röhrenorientierung verwendet werden.

Im speziellen bezugnehmend auf die Fig. 11 bis 14 und 17 bis 18 werden Flußgeschwindigkeitsvektoren und Temperaturisothermen für einen Röhrenwärmeaustauscher, der in einer typischen Abwärmerückgewinnungsanwendung verwendet wird, wie etwa einer Methanolanlage, umfassend den Aufprallverteiler 16 der vorliegenden Erfindung, durch Computer simuliert und mit einer ähnlichen Anwendung verglichen, worin die Prallstäbe 56 der Aufprallverteiler 16 nicht verwendet werden. Es ist ersichtlich, daß die Heißgastemperatur nahe einer Röhrenwand 82 in dem longitudinalen Zwischenraum 57 im wesentlichen die gleiche bleibt, wenn der vorliegende Prallverteiler 16 verwendet wird. Somit tritt der vorliegende Verteiler 16 nicht wesentlich mit der Wärmeübertragung in dem Austauscher 10 in Wechselwirkung. Jedoch zeigt ein Vergleich von Wandisothermen einer Röhre 84 in longitudinaler Ausrichtung zu den Perforationen 54 mit und ohne den Prallstäben 56 (wie in Fig. 9 und 12 ersichtlich), daß die Prallstäbe 56 wesentlich die Maximaltemperatur, die an der Röhrenwand auftritt (größer als 50°R), verringern.

Im speziellen bezugnehmend auf Figuren die 15 bis 16 wird eine Computermodellierung verwendet, um Geschwindigkeitsvektoren für einen Röhrenwärmeaustauscher, die in einer typischen Abwärmerückgewinnungsanwendung, wie etwa einer den Aufprallverteiler 102 umfassenden Methanolanlage, verwendet werden, zu untersuchen. Die Wärmeübertragung bzw. der Wärmeübergang in dem Austauscher 100 wird nicht gestört und direkter Aufprall auf die äußeren Röhren 50′ (wie durch kleine Geschwindigkeitsvektoren gezeigt) wird vermieden.

Um die Röhrenaustauscher 10, 100 der vorliegenden Erfindung zu betreiben, werden heiße Abgase, von welchen Hitze gewonnen werden kann, zusammengeführt und zu der Einlaßdüse 22 auf der Mantelseite des Austauschers 10 zur Verteilung durch den ringförmigen Kanal 48 des Aufprallverteilers 16 geführt. Im Verteilerkanal 48 prallt das Gas anfangs auf die Prallstäbe 56, 104 zur Ablenkung von einem direkten Aufprall auf die äußersten Röhren 50, wobei die Temperatur der Röhrenwände 84 verringert wird. Hitze des eintretenden Gases wird mit einem kühlen röhrenseitigen Fluid, im allgemeinen Kesseleinspeisungswasser, das durch die Röhren 20 fließt, ausgetauscht. Gekühltes Gas wird dann von der Kesselwand 12 des Austauschers 10 an den Auslaßdüsen 26 entfernt. Erhitztes Kesseleinspeisungswasser wird von dem Austauscher 10 an der Auslaßdüse 42 abgezogen.

Der vorliegende Röhrenaustauscher wird mittels der vorstehenden Beschreibung und Beispiele veranschaulicht. Die vorstehende Beschreibung ist als nicht begrenzende Veranschaulichung vorgesehen, da viele Variationen für den Fachmann in der Technik im Hinblick darauf offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, daß alle derartigen Variationen im Bereich und Geist der anhängigen Ansprüche hiermit umfaßt sind.

Claims (21)

1. Röhrenwärmeaustauscher, umfassend: ein Röhrenbündel, welches im allgemeinen longitudinal in einem Mantel angeordnet ist, um ein röhrenseitiges Fluid durch den Austauscher zu leiten; einen mantelseitigen Einlaß in Fluidverbindung mit einem ringförmigen Verteilerkanal, begrenzt durch eine zylindrische Verteilerplatte, die um das Röhrenbündel angeordnet und von einer Innenfläche des Mantels beabstandet ist; eine Mehrzahl von Perforationen, die in der Verteilerplatte ausgebildet sind, um Fluid aus dem ringförmigen Kanal so zu verteilen, daß es durch das Röhrenbündel über Außenflächen der Röhren zu einem mantelseitigen Fluidauslaß strömt; eine Mehrzahl von Prallstäben, die zwischen einer Reihe von äußeren Röhren des Bündels und einer Innenfläche der Verteilerplatte angeordnet ist, worin die Stäbe jeder der Perforationen gegenüberliegen, damit Fluid, das durch die Perforationen strömt, auf die Stäbe aufprallt und um direkten Aufprall des heißen Gases auf die Röhren zu vermeiden.

2. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, worin die Perforationen in einer Mehrzahl von longitudinalen Reihen angeordnet sind und ein Prallstab longitudinal mit jeder Reihe von Perforationen ausgerichtet ist und entlang der allgemeinen Länge davon verläuft.

3. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, umfassend: erste und zweite ringförmige Dichtplatten an entgegengesetzten Enden des Verteilerkanals, die sich radial von der Verteilerplatte nach außen erstrecken, so daß sie der Innenfläche des Mantels benachbart sind.

4. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 2, umfassend eine oder mehrere Verteilerablenkplatten, die sich radial von dem Röhrenbündel nach außen erstrecken, so daß sie der Innenfläche der Verteilerplatte benachbart sind; und Ausnehmungen, die in einem äußeren Profil der Verteilerablenkplatte(n) ausgebildet sind, um die Prallstäbe radial aufzunehmen und eine radiale Ausrichtung des Röhrenbündels bezüglich der Verteilerplatte und den Prallstäben aufrechtzuerhalten.

5. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 4, worin die Prallstäbe mit einem longitudinalen Zwischenraum zwischen benachbarten Röhren in der äußeren Reihe ausgerichtet sind.

6. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 5, umfassend: eine Mehrzahl von longitudinal beabstandeten Führungsringen, die an der Verteilerplatte befestigt sind und sich von dieser radial nach innen erstrecken; und longitudinale Löcher, die in den Führungsringen ausgebildet sind und die Prallstäbe aufnehmen, um die Prallstäbe in radialer Ausrichtung bezüglich der Verteilerplatte zu halten.

7. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 6, worin die Führungsringe einen inneren Querschnitt entsprechend einer Kontur der äußeren Röhrenreihe aufweisen.

8. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 7, worin mindestens einige der Prallstäbe Verbindungsstäbe, die im allgemeinen entlang der Länge des Röhrenbündels verlaufen, umfassen.

9. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 4, worin die Prallstäbe eine konkave Fläche aufweisen, die benachbart der Innenfläche der Verteilerplatte und im Abstand von dieser angeordnet ist, und worin die Prallstäbe mit benachbarten Röhren in der äußeren Reihe ausgerichtet sind.

10. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 9, worin die Prallstäbe an der Verteilerplatte durch Bolzen befestigt sind und von der Innenfläche der Verteilerplatte durch Abstandhalter beabstandet sind.

11. Abwärmekessel, umfassend: einen hitzefest ausgekleideten zylindrischen Mantel, der ein Bündel von longitudinalen Röhren aufnimmt und entsprechende röhrenseitige und mantelseitige Fluideinlässe und -auslässe aufweist; eine Mehrzahl von Ablenkplatten die perforiert sind, um Röhren des Röhrenbündels verschiebbar aufzunehmen und eine radiale Ausrichtung derselben aufrechtzuhalten, worin die Ablenkplatten voneinander longitudinal beabstandet sind, durch Verbindungsstäbe, die Bohrungen in den Ablenkplatten und ringförmige Abstandhalteelemente mit einem Außendurchmesser, der größer als die Bohrungen ist, durchsetzen; eine zylindrische Verteilerplatte, die um das Röhrenbündel angeordnet ist und radial von einer Innenfläche des Mantels beabstandet ist, um einen Heißgaseinlaßringraum in Fluidverbindung mit dem mantelseitigen Fluideinlaß zu bilden; obere und untere Dichtplatten, die in der Nähe von gegenüberliegenden longitudinalen oberen und unteren Enden der Verteilerplatte befestigt sind und sich von diesen radial nach außen erstrecken, daß sie der Innenfläche des Mantels benachbart sind, um Fluiddichtungen an jeweiligen Enden des Heißgaseinlaßringraumes zu bilden; worin eine der Ablenkplatten eine Trägerablenkplatte ist, die sich von dem Röhrenbündel radial nach außen erstreckt, daß sie der Innenfläche des Mantels unter dem unteren Ende der Verteilerplatte benachbart ist, um die Verteilerplatte an einer oberen Fläche der Trägerablenkplatte abzustützen; eine Mehrzahl von Perforationen, die in der Verteilerplatte ausgebildet sind und in voneinander beabstandeten longitudinalen Reihen angeordnet sind; eine Mehrzahl von longitudinalen Prallstäben, die benachbart einem äußeren Umfang des Röhrenbündels und einer Innenfläche der Verteilerplatte angeordnet sind und jeweils mit einer Reihe der Perforationen ausgerichtet sind und dieser gegenüberliegen, so daß Heißgas, das durch die Perforationen strömt, direkt auf einen jeweiligen Prallstab aufprallt und dann zwischen benachbarten Prallstäben in das Röhrenbündel strömt; worin eine oder mehrere der Ablenkplatten Verteilerablenkplatten sind, die sich von dem Röhrenbündel zwischen den longitudialen Enden der Verteilerplatte radial nach außen erstrecken und eine, der Innenfläche der Verteilerplatte benachbarte Außenkontur mit periphären Ausnehmungen aufweisen, um die Prallstäbe lateral aufzunehmen und eine radiale Ausrichtung des Röhrenbündels und der Verbindungsstäbe bezüglich der Prallstäbe und Verteilerplatte aufrechtzuerhalten.

12. Kessel nach Anspruch 11, worin eine der Ablenkplatten eine Trägerablenkplatte ist, die sich von dem Röhrenbündel radial nach außen erstreckt, so daß sie der Innenfläche des Mantels über dem oberen Ende der Verteilerplatte benachbart ist, um die Verteilerplatte zwischen den oberen und unteren Trägerablenkplatten vertikal zu positionieren.

13. Kessel nach Anspruch 12, worin die Röhren in einem ringförmigen Muster konzentrisch zur Verteilerplatte angeordnet sind.

14. Kessel nach Anspruch 13, worin einige der Prallstäbe Verbindungsstäbe sind, die Perforationen in der Verteilerplatte mit einem Zwischenraum zwischen benachbarten Röhren in einer äußersten Reihe ausgerichtet sind und die Prallstäbe und Verbindungsstäbe, die den Perforationen gegenüberliegen, in einem zur Verteilerplatte konzentrischen Kreis angeordnet sind.

15. Kessel nach Anspruch 14, umfassend eine Mehrzahl von Führungsringen, die in Intervallen entlang der Länge der Verteilerplatte befestigt sind und sich von dieser radial nach innen bis zu einem Innenprofil erstrecken, das einer radialen Kontur des Röhrenbündels und der Verbindungsstäbe entspricht, worin die Führungsringe perforiert sind, um die Prallstäbe aufzunehmen und in Ausrichtung mit den Reihen von Perforationen zu halten.

16. Kessel nach Anspruch 15, worin die Prallstäbe an einen der Führungsringe befestigt sind und verschiebbar in den Perforationen der anderen Führungsringe aufgenommen sind, um eine longitudinale thermische Ausdehnung zu erlauben.

17. Kessel nach Anspruch 13, worin die Prallstäbe eine konkave Fläche haben, die der Innenfläche der Verteilerplatte benachbart und im Abstand von dieser angeordnet ist, und worin die Perforationen in der Verteilerplatte mit benachbarten Röhren in einer äußersten Reihe ausgerichtet sind.

18. Kessel nach Anspruch 17, worin die Prallstäbe an der Verteilerplatte durch Bolzen befestigt sind und von der Innenfläche der Verteilerplatte durch Abstandshalter beabstandet sind.

19. Kessel nach Anspruch 12, worin die Ablenkplatten eine Scheiben- und Ringkonfiguration haben, worin die Trägerablenkplatten Ringe umfassen.

20. Kessel nach Anspruch 19, worin die Verteilerablenkplatten Scheiben umfassen.

21. Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme aus einem Heißgas in einem Röhrenwärmeaustauscher mit einem Röhrenbündel, das im allgemeinen longitudinal in einem Mantel angeordnet ist, um ein röhrenseitiges Fluid durch den Austauscher zu führen, umfassend die Schritte: (a) Führen des Heißgases zu einem ringförmigen Verteilungskanal des Röhrenwärmeaustauschers, wobei der ringförmige Verteilungskanal in Fluidverbindung mit einem mantelseitigem Einlaß ist und durch eine zylindrische Verteilerplatte, die um das Röhrenbündel angeordnet ist und von einer Innenfläche des Mantels beabstandet ist, begrenzt ist; (b) Verteilen des Heißgases aus dem ringförmigen Kanal, so daß es durch eine Mehrzahl von Perforationen, die in der Verteilerplatte ausgebildet sind, durch das Röhrenbündel über Außenflächen der Röhren und zu einem mantelseitigem Gasauslaß strömt; (c) Aufprallen lassen des Fluids, das durch die Perforationen strömt, auf eine Mehrzahl von Prallstäben, die zwischen einer Reihe von äußeren Röhren des Bündels und einer Innenfläche der Verteilerplatte angeordnet sind, worin die Stäbe den Perforationen gegenüberliegen; (d) Übertragung von Hitze des Gases, das durch die Verteilerplatte verteilt wird, auf das Fluid, das durch das Röhrenbündel strömt; (e) Abziehen eines gekühlten Gases von dem mantelseitigen Auslaß und eines erhitzten Fluids von einem röhrenseitigen Auslaß.