DE2725347B2

DE2725347B2 - Wärmeaustauschverfahren, insbesondere zum Kühlen von Spaltgasen, und Wärmeaustauscher zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE2725347B2
Application number: DE19772725347
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 3500 Kassel Herrmann
Original assignee: SCHMIDT'SCHE HEISSDAMPF-GESELLSCHAFT MBH 3500 KASSEL
Current assignee: SCHMIDT'SCHE HEISSDAMPF-GESELLSCHAFT MBH 3500 KASSEL
Priority date: 1977-06-04
Filing date: 1977-06-04
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DD135535A5; DE2725347C3; JPS5710998B2; FR2393256A1; DE2725347A1; JPS542565A; CS205060B2; FR2393256B1; GB1602995A

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschverfahren, insbesondere zum Kühlen von Spaltgasen, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Wärmetauschverfahren ist schon vor längerer Zeit bei Wärmeaustauschern für Kernkraftwerke angewandt worden (siehe Luquid-Metals Handbook, Sodium-NaK Supplement der Atomic Energy Commission-Department of the Navy, Washington,

D. C vom 1.7,1955). Der Wärmeaustausch erfolgt hier zwischen flüssigem Na und Nak bzw. zwischen NaK. und Wasser über einen Flüssigmetallzwischenträger, wobei als Zwischenträger Quecksilber benutzt wird. Letzteres hat neben seiner Funktion als Wärmeübertragunsmedium die Aufgabe, das Bedienungspersonal vor Gefahren zu schützen, die sich bei Leckverlusten in den Wärmetauschrohren ergeben würden, wenn die beiden Wärmetauschmedien direkt miteinander in Verbindung kommen könnten. Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist es bei den bekannten Wärmeaustauschern erforderlich, die Zwischenträgerfüllung stets auf dem maximalen Füllstand zu halten, damit nirgends eine direkte Verbindung zwischen den Wärmeaustauschmedien entstehen kann.

is Dieses aus der Kernkrafttechnik bekannte Verfahren bietet nicht die Möglichkeit, die Wärmetauschleistung des Apparates zu regulieren. Dadurch ist es bei anderen Wärmeaustauschprozessen, insbesondere zum Kühlen von heißen Spaltgasen ungeeignet

Spaltgase werden bekanntlich durch thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart eines inerten Gases (Wasserdampf, CO2 eta) durch Hydropyrolyse vorzugsweise schwerer Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von an der Reaktion beteiligtem Wasser stoff oder auch durch katalytische Spaltung erzeugt und müssen anschließend abgekühlt werden. Hierbei entsteht auf den Heizfächen des Wärmetauschers eine mehr oder weniger starke Petrolkoksbildung, die es erforderlich macht, den Apparat von Zeit zu Zeit zu

>o entkoken. Die Verkokungsneigung des Spaltgases und somit die Häufigkeit der erforderlichen Entkokungsvorgänge hängt dabei vom jeweils eingesetzten Ausgangsprodukt (Naphta, Gasöl usw.) ab. Da das bekannte Wärmeaustauschverfahren eine Regelung der Wärme tauschleistung nicht zuläßt, wäre es bei Anwendung des Verfahrens zum Kühlen von Spaltgasen nicht möglich, die Laufzeit des Apparates zwischen den erforderlichen Entkokungsvorgängen abhängig von dem jeweils eingesetzten Produkt zu· optimieren.

■»0 Darüber hinaus wäre es in diesem Anwendungsfall nicht möglich, den Wärmeaustauscher nach dem sogenannten »on-line-decoking«-Verfahren zu entkoken, ohne vorher das Kühlwasser abzulassen. Die Entkokung nach dem »on-line-decokingw-Verfahren erfolgt bekanntlich durch Abbrennen bzw. Vergasen des Kokses mit einem Wasserdampf-Luftgemisch oder auch nur mit unter hohen Temperaturen stehendem Wasserdampf, wobei eine Vergasung bzw. eine Verbrennung des auf den Heizlfächen abgelagerten Petrolkokses

*' stattfindet. Das »on-line-decokingw-Verfahren umgeht das sonst sehr zeitaufwendige mechanische Reinigen des Wärmeaustauschers, welches grundsätzlich ein öffnen desselben durch den Abbau von Gashauben erfordern würde. Bei einem nach dem bekannten Verfahren arbeitenden Wärmeaustauscher wären die wasserberührten und hochdruckführenden Teile des Apparates bei Anwendung des »on-line-decokingw-Verfahrens aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Zwischenträgers einer sehr hohen Temperatur ausge-

w setzt, was zu einer Schädigung des Apparates durch Zerstören der wasserseitigen Schutzschicht aus Magnetit (Fe₃O₄) führen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannte ten Art zu schaffen, die eine Regelung der Wärmeaustauschleistung ermöglichen und außerdem geeignet sind, bei Einsatz des Apparates zum Kühlen von heißen Spaltgasen das Entkoken der Wärmetauschflächen nach

dem »on-line-decolcingtt-Verfahren durchzuführen, ohne daß vorher das Kühlwasser abgelassen werden muß.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Mittel gelöst.

Als Zwischenträger kann vorzugsweise ein Flüssigmetall eingesetzt werden. Hierbei sind niedrig schmelzende Metalle, insbesondere Schwermetallegierungen von Vorteil.

Wird Zwischenträger abgelassen, verringert sich damit die wirksame Heiz- bzw. Kühlfläche, die für die Wärmetauschleistung des Apparates bestimmend ist. Wird dagegen dem Apparat Zwischenträger zugeführt, so nimmt die wirksame Heiz- bzw. Kühlfläche zu, was is eine Erhöhung der Wärmeiauschieistung zufolge hat Auf diese Weise ist es möglich, die Wärmetauschleistung abhängig von der Beschaffenheit der jeweils zum Einsatz kommenden Produkte zu regulieren. Wird das Verfahren zum Kühlen von Spaltgasen angewendet, kann somit die Temperatur auf der Gasaustrittsseite der Verkokungsneigung der Spaltgase angepaßt werden, mit dem Ziel, stets eine möglichst lange Laufzeit zwischen den Entkokungsvorgängen zu erzielen. Zum Entkoken des Apparates wird in diesem Fall die Zwischenträgerfüllung vollständig abgezogen, so daß danach nahezu keine Wärmeübertragung mehr zu den vom Kühlwasser durchströmten Rohren hin stattfindet. Anschließend werden die Heizflächen mittels Dampf oder Wasserdampf-Luftgemisch aufgeheizt, wobei eine jh Vergasung bzw. Verbrennung des abgelagerten Petrolkokses stattfindet. Die wasserberührten Teile des Apparates werden dabei keinen höheren Temperaturen ausgesetzt, wodurch eine Schädigung des Apparates durch Zerstören der wasserseitigen Schutzschicht vermieden wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Entkokung vorzunehmen, ohne vorher das Kühlwasser abzulassen, so daß man sehr schnell von Kühl- auf Entkokungsbetrieb umschalten kann.

Der Füllstand der Zwischenträgerfüllung kann nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung schnell und in einfacher Weise verändert werden, indem der Zwischenträger durch Druckbeaufschlagung abgeführt und durch Zulauf unter natürlichem Gefälle zugeführt wird. Hierdurch ist eine schnelle Regelung der WärmeausU'iuschleistang gewährleiste, t.

Die Erfindung sieht ferner einen Wärmeaustauscher zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens vor, bestehend aus Wärmetauschrohren, die von dem einen Wärmetauschmedium dui^h- oder umströmt und von w Zwischenträgerelementen äußerlich bzw. innerlich umgeben sird, welche vom anderen Wärmetauschmedium um- bzw. durchströmt und mit einer Zwischenträgerfüllung von festgelegtem Füllstand versehen sind, wobei erfindungsgtmäß die Zwischenträgerelemente « zum Ändern ihres Füllstandes über Ein- und Auslaßventile mit einem Zwischenträger-Vorratsbehälter verbunden sind.

Nach einer Weiterbildung des genannten Wärmetauschers gemäß der Erfindung sind die Zwischenträgerele- m> mente an eine Druckmittelquelle angeschlossen, und der Zwischenträger-Vorratsbehälter liegt höher als die Zwischenträgerelemente. Der Zwischenträger wird durch Beaufschlagung der Zwischenträgerfüllung mit Hilfe der Druckmittelquelle, beispielsweise einer Stickstoff-Batterie, aus den Zwischenträgerelementen abgeführt. Die Zwischenträger Zuführung erfolgt aufgrund des natürlichen Gefälles, das zwischen dem Vorratsbehälter und den Zwischenträgerelementen geschaffen wird.

Der vorgeschlagene Aufbau ermöglicht verschiedene Ausführungen der Zwischenträgerelemente, die je nach Bedarf einzelne oder auch mehrere Wärmetauschrohre umgeben können.

So ist es bei einer zweckmäßigen Ausbildungsform vorgesehen, daß die Wärmetauschrohre in Rohrreihen angeordnet sind, die von je einem plattenförmigen Zwischenträgerelement umgeben sind.

Bei einer anderen Ausbildungsform ist jedes Wärmetauschrohr von einem koaxialen, rohrförmigen Zwisehenträgerelement umgeben.

Es ist auch möglich, als Wärmetauschrohre sogenannte Fieldrohre zu verwenden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Rohrwärmetauscher zum Kühlen von Spaltgasen mit einem höherliegenden Zwischenträger-Vorratsbehälter und einer Stickstoff-Batterie zum Zu- bzw. Abführen von Zwischenträeer. schematisch dargestellt,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher entlang der Linie H-II in Fig. 1,

F i g. 3 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher entlang uer Linie IH-III in F i g. 2,

Fig.4 ein Zwischenträgerelement des Wärmetauschers nach den F i g. 1 bis 3, im Längsschnitt dargestellt,

Fig.5 einen Schnitt durch das Zwischenträgerelement entlang der Linie V-V in F i g. 4,

F i g. 6 eine andere Ausführungsform des Zwischenträgerelementes in Doppelrohrbauweise, im Längsschnittdargestellt,

F i g. 7 einen Schnitt durch das Zwischenträgerelement entlang der Linie VII-VII in F i g. 6,

F i g. 8 eine weitere Ausführungsform des Zwischenträgerelementes für einen Wärmeaustauscher in Fieldrohrbauweise, ebenfalls im Längsschnitt dargestellt,

Fig.9 einen Schnitt durch das Zwischenträgerelement entlang der Linie IX-IX in F i g. 8 und

Fi 5.10 ein Zwischenträgerelement für einen Rauchrohrkessel im Längsschnitt dargestellt.

Die Anlage nach der F i g. 1 weist einen Spaltgaskühler 1 auf. der über Leitungen 2 und 3 n;it einer Dampftrommel 4 und über Leitungen 5 und 6 mit einem Flüssigmetall-Vorratsbehälter 7 verbunden ist Letzterer ist mit einer dampf- oder elektrisch betriebenen Heizvorrichtung 8 versehen, welche das Metall im Vorratsbehälter 7 flüssig hält. In den Leitungen 5 und 6 sind ein Einlaßventil 9 bzw. ein Auslaßventil 10 angeordnet Zwischtn dem Spaltgaskühler 1 und dem Einlaßventil 9 befindet sich eine Zweigleitung 11, in die ein Absperrventil 12 eingebaut ist. Die Zweigleitung 11 führt zu einer Stickstoffbatterie 13, die als Druckquelle dient und mit komprimiertem Stickstoffgas gefüllt ist

Der SpE.ltgaskühler 1 hat ein Gehäuse 14, einen Gaseintrittskopf 15 und einen Gasaustrittskopf 16 (Fig. 2 und 3). Im Innenraum des Gehäuses 14 sind mehrere Reihen vo" Wärmetauschrohren 17 angeordnet, wobei jede Rohrreihe von einem plattenförmigen Zwisehenlrägerelement 18 umgeben ist.

Nach F i g. 4 und 5 sind die Wärmetauschrohre 17 mit ihren Enden im Sammler 19a und 196 bzw. Verteiler 20a und 20b für das Kühlwasser eingeschweißt Sammler und Verteiler werden seitlich aus den Zwischenträgerelementen 18 herausgeführt und weisen an diesen Stellen angeschweißte Flansche 21 auf, die über Dehniingsausgleicher 22 mit dem kastenförmigen Teil

der Zwischenträgerelemente 18 verbunden sind. Die Zwischenträgerelemente weisen ferner je einen Einlaßstutzen 23 und je einen Auslaßstutzen 24 für das Flüssigmetall auf, wobei die Einlaßstutzen 23 über Verteiler 25 mit einer Leitung 5 und die Auslaßstutzen ί 24 über Sammler 26 mit der Leitung 6 des Flüssigmetallvorratsbehälters 7 verbunden sind.

Die Sammler 19a und 196 und die Verteiler 20a und 206 stehen ihrerseits mit der Leitung 2 bzw. 3 über Hauptsammler27aund276bzw. Hauptverteiler28aund 286und damit mit der Kühlwasserzufuhr in Verbindung.

Das zu kühlende Spaltgas tritt durch den Gaseintrittskopf 15 in den Innenraum des Wärmeaustauschers ein. umströmt dort die plattenförmigen Zwischenträgerelemente 18 und strömt schließlich durch den Gasaustritts- ι > kopf 16 wieder heraus. Gleichzeitig fließt Kühlwasser aus der Dampftrommel 4 über die Leitung 2. die Hauptverteiler 28a und 286 und die Verteiler 20a und ΟΛΑ jj» xlje Wnrmotjinfrkrnhrg 17 <*·" Clr/Smt HlIT^h iJjPQP durch und fließt dann in Form eines Dampfwassergemi- ?n sches durch die Sammler 19a und 196, die Hauptsammler 27a und 276 sowie die Leitung 3 in die Dampftrommel 4 wieder zurück.

Die Zwischenträgerelemente 18 sind mit einer Flüssigmetallfüllung versehen, welche die Zwischenräu- :> me zwischen den Zwischenträgerelementen 18 und den Kühlwasser führenden Wärmetauschrohren 17 füllt und eine sehr gut wärmeleitende Verbindung zwischen diesen und den gasberührten Plattenkörpern der Zwischenträgerelemente 18 herstellt. u>

Der Wärmeaustausch zwischen den heißen Spaltgasen und dem Kühlwasser erfolgt also über die Flüssigmetallfüllung, wobei hierfür ein niedrig schmelzendes Metall, vorzugsweise eine Schwermetallcgierung, verwendet wird. ΐί

Die Wärmeaustauschleistung des Apparates kann durch Veränderung des Füllstandes der Zwischenträgerelemente 18 mit Flüssigmetall geregelt werden. Soll beispielsweise die Wärmetauschleisuing verringert werden, so wird ein Teil der Füllung über den u> Auslaßstutzen 24 abgelassen, indem bei geschlossenem Einlaßventil 9 das Auslaßventil 10 geöffnet und die Füllung von Flüssigmetall mit dem Druck der Stickstoffbatterie 13 durch Umschalten des Absperrventils 12 beaufschlagt wird. Auf diese Weise verringert Ji sich die aktive Heiz- bzw. Kühlfläche der Zwischenträgerelemente 18 bzw. der Wärmetauschrohre 17, was auch eine Verringerung der Wärmetauschleistung des Apparates zur Folge hat. Soll umgekehrt die Wärmetauschleistung erhöht werden, so wird den Flüssigträgerelementen 18 Flüssigmetall aus dem Vorratsbehälter 7 zugeführt. Das geschieht durch öffnen der Ventile 9 und 10 bei geschlossenem Ventil 12, wodurch ein Zulauf des Flüssigmetalls aus dem Vorratsbehälter 7 zu den tiefer liegenden Zwischenträgerelementen 18 unter natürlichem Gefälle hergestellt wird. Die Zuführung von Flüssigmetall kann auch unter Druck mit Hilfe einer Druckquelle durchgeführt werden.

Zum Entkoken des Apparates nach dem »on-line-decoking«-Verfahren wird das Flüssigmetall vollständig aus den Zwischer.trägereiementen 18 abgezogen, so daß danach nahezu kein Wärmetransport mehr vom Plattenkörper der Zwischenträgerelemente 18 zu den Wärmetauschrohren 17 hin stattfindet Anschließend werden die Zwischenträgerelemente 18 mit einem sie umströmenden Dampf- oder Wasserdampf-Luftgemisch auf eine hohe Temperatur aufgeheizt, so daß eine Vergasung bzw. Verbrennung des auf ihren Heizflächen abgelagerten Petrolkokses stattfindet. Hierbei verbleibt das Kühlwasser in den Wärmetauschrohren 17, welche somit auf niedrigen Temperaturen gehalten werden. Die den hohen Temperaturen ausgesetzten Plattcnkörper der Zwischenträgerelemente 18 werden aus hitzebeständigen Legierungen hergestellt. Die Wärmetauschrohre 17 für das Kühlwasser können dagegen aus Kohlenstoffstahl oder aus niedrig legiertem Material hergestellt werden.

Bei der Ausführungsform nach den Fig.6 und 7 bestehen die 7.wischenträgcrelcmcntc 18' aus Rohren 30 aus hitzebeständigem Werkstoff, welche die Kühlwasserführenden Wärmetauschrohre 17 umgeben und an beiden Finden mit Halbschalenkopfkammern 31 und 32 verschweißt sind. Das Flüssigmetall füllt hier den Ringspalt zwischen den Wärmetauschrohren 17 und den Rohren 30 sowie die Hohlräume in den Halbschalen kopfkammern 31 und 32.

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die Wärmetauschrohre 17 als Fieldrohre, bestehend aus ic einem Mantelrohr 34 und einem Tauchrohr 35 ausgebildet. Die Zwischenträgerelcmente 18" bestehen ähnlich wie bei der Ausführungsform nach den F i g. 6 und 7 aus Rohren 30, welche die Wärmetauschrohre 17. d. h. die Fieldrohre umgeben und an dem einen finde mit der Halbschalenkopfkammer 31 verschweißt sind. An dem anderen Finde sind sie über Verbindungsrohre 39 und ein' Sammelleitung 40 mit dem Sammler 26 und der Fliissigmetallablaßleitung 6 in Verbindung. Das Kühlwasser gelangt in die Wärmetauschrohre 17. d.h. die Fieldrohre. über ein Verteilerrohr 37. das mit den Tauchrohren 35 verbunden is·. Das sich bildende Wasserdampfgemisch strömt dann durch den Ringspalt zwischen dem Mantelrohr 34 und dem Tauschroh" 35 in einen Sammler 36 und wird durch einen Austrit'.sstutzen 38 abgezogen. Mit dieser Ausführung lassen sich die auftretenden Differenzdehnungsprobleme ohne Verwendung von Kompensatoren oder ähnliche Hilfsmittel beherrschen.

Bei der Ausführung nach der Fig. 10 handelt es sich um einen Rauchrohrkessel, bestehend aus Kesselrohrcn als Wärmetauschrohren 41, die beidseitig mit je einer Bodenplatte 42 und 43 verschweißt sind. In den Wärmetauschrohren 41 sind Einsteckrohre aus hitzebeständigem Werkstoff angeordnet, welche als Randrohre 44 von den Rauchgasen durchstömt sind und gleichzeitig als Zwischenträgerelemente 18'" dienen. Die Wärmetauschrohre 41 und die Rauchrohre 44 sind miteinander durch angeschweißte Flansche 45 und 46 sowie durch Kompensatoren 47 verbunden, wobei der Zwischenraum zwischen dem Wärmetauschrohr 4' und dem Randrohr 44 mit dem als Wärmezwischenträger dienenden Flüssigmetall gefüllt ist Dieses kann über Stutzen 48 und 49 ab- und zugeführt werden. Die Zwischenträgerelemente 18'" sind ähnlich wie bei der Ausführungsform nach F i g. 4 und 5 ausgebildet, wobei hier die Heizfläche auf der Seite des Innenrohres und die Kühlfläche auf der Seite des Außenrohres liegt.

Das vorgeschlagene Wärmetauschverfahren bzw. die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eignet sich somit nicht nur als Kühler sondern auch als Dampferzeuger, dessen Dampferzeugungsleistung durch Verändern des Füllstandes der Flüssigmetallfüllung im Zwischenträgerelement 18'" regelbar ist

Der vorgeschlagene Apparat ist als regelbarer Wärmeaustauscher für beliebige Medienkombinatior und Wärmeflußrichtung verwendbar. Zur Steuerung des

Fülhtustandes der Zwischenträgerelemente können Magnetventile oder ähnliche Steuerorgane verwendet werden. Die Gasströmung kann ohne Änderung des Verfahrens auch umgekehrt, d. h. von unten nach oben erfolgen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauschveriahren, insbesondere zum Kühlen von Spaltgasen, wobei ein strömendes Wärmetauschmedium seine Wärme auf ein anderes strömendes Wärmetauschmedium über eine Zwischenträgerfüllung mit einem festgelegten Füllstand überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Wärmetauschleistung der Füllstand der Zwischenträgerfüllung durch Ab- und Zuführen von Zwischenträger geändert wird.

2. Wärmeaustausch verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenträger ein Flüssigmetall eingesetzt wird.

3. Wärmeaustauschverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger durch Druckbeaufschlagung abgeführt und durch Zulauf unter natürlichem Gefalle zugeführt wird.

4. Wärmeaustauscher zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus Wärmetauschrohren, die von dem einen Wärmetauschmedium durch- oder umströmt und von Zwischenträgerelementen äußerlich bzw. innerlich umgeben sind, welche vom anderen Wärmetauschmedium um- bzw. durchströmt sind und mit einer Zwischenträgerfüllung von festgelegtem Füllstand versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenträgerelemente (18, 18', 18" bzw. 18'") zum Ändern ihres Füllstandes über Ein- und Auslaßventile (9 bzw. 10) mit einem Zwischenträger-Vorratsbehälter (Flüssigmetall- Vorratsbehälter 7) verbunden sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwisc.ienträgerelemente (18, 18', 18" bzw. 18'") an eine Druckmittelquelle (Stickstoffbatterie 13) angeschlossen sind und der Zwischenträger-Vorratsbehälter (Flüssigmetall-Vorratsbehälter 7) höher als die Zwischenträgerelemente liegt.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohre (17) jeweils in Rohrreihen angeordnet sind, die von einem plattenförmigen Zwischenträgerelement (18) umgeben sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmetauschrohr (17 bzw. 41) von einem koaxialen, rohrförmigen Zwischenträgerelement (18', 18" bzw. 18'") umgeben ist.

8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohre (18") als Fieldrohre ausgebildet sind.