DE2911144C2 - Rohrwärmetauscher mit in einem allseitig geschlossenen Gehäuse verlaufenden Rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrwärmetauscher mit in einem allseitig geschlossenen Gehäuse verlaufenden Rohren, bei dem erste Abschnitte der Rohre von der oberen Gehäusewand nach unten und daran anschließend zweite Abschnitte der Rohre von unten in gewickelter Form zur oberen Gehäusewand zurückverlaufen, und die freien Enden der ersten und zweiten Rohrabschnitte in je einen von zwei koaxial zueinander verlaufenden Strömungsquerschnitten einer Gehäusedurchführung münden.

Ein derartiger Rohrwärmetauscher ist bereits in der deutschen Offenlegungsschrift 2120 563 beschrieben.

ίο Die Rohre dieses Wärmetauschers sind aus nebeneinander angeordneten und hintereinandergeschalteten Rohrspiralen zusammengesetzt, deren Wickelachsen in der Achse seines zylindrischen Gehäuses liegen, wobei einander benachbarte Spiralen gegenläufige Windun gen aufweisen. Als Zu- und Ableitungen der Rohre sind im Deckel des Gehäuses angeordnete, gleichachsig ineinander verschachtelte Durchführungsrohre vorgesehen. Die Rohre dienen zur Führung eines der am Wärmetausch beteiligten Fluide, ein zweites Fluid strömt innerhalb des Gehäusemantels auf der Außenseite der Rohre.

Der beschriebene Rohrwärmetauseher weist den Nachteil auf, daß seine Einsatzmöglichkeiten beschränkt sind. Die Verwendung von stark verunreinig- ten Fluiden, also von Fluiden, die z. B. korrodierende Bestandteile, Ruß, Teer oder Staubteilchen enthalten, ist hier nicht möglich, weil sich Verunreinigungen, die sich im Wärmetauscher ablagern, nicht oder nur unter erheblichem Aufwand entfernen lassen. Die Folge sind häufige Betriebsunterbrechungen und kurze Standzeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrwärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch leichte Reinigbarkeit und hohe Betriebssicherheit bei gleichzeitig günstigen Herstellungskosten auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweiten Rohrabschnitte auf ein Kernrohr gewickelt sind und die ersten, geradlinig und vertikal verlaufenden Rohrabschnitte an de oberen Gehäusewand befestigt sind und mit dem äußeren Strömungsweg der beiden Strömungswege der Gehäusedurchführung in Verbindung stehen, wobei die Rohre von der Wickelachse her zugänglich sind.

Beim erfindungsgemäßen Rohrwärmetauscher ist die Gehäusedurchführung außerhalb des Kernrohres angeordnet. Je nach den Verfahrensbedingungen und der Anzahl der im Wärmetauscher angeordneten Rohre oder Rohrbündel können eine oder aber auch mehrere Durchführungen vorgesehen sein. Der äußere Strömungsweg der Durchführung mündet in außerhalb des Kernrohres geradlinig nach unten verlaufende erste Rohrabschnitte, die in zweite Rohrabschnitte übergehen, wobei die zweiten Rohrabschnitte wendelförmig um das Kernrohr gewickelt sind und nach oben zurückverlaufen, und schließlich in den inneren Strömungsweg der Durchführung münden. Diese Anordnung ergibt eine große Heizflächendichte und guten Wärmeübergang, wodurch das Gehäuse klein dimensio niert sein kann.

Eine Abzweigung der geradlinig verlaufenden Rohrabschnitte ist an der Gehäusewand befestigt. Die Abzweigung wird beispielsweise mit Hilfe eines T-förmigen Anschlußstückes hergestellt. Das mantelsei tige Fluid wird an einer beliebigen geeigneten Stelle in das Gehäuse eingeführt.

Durch den Erfindungsgegenstand ist es möglich, auf einfache Weise durch den vom Kernrohr eebildeten

Schacht in den Wärmetauscher einzusteigen und vom Kernrohr aus Verunreinigungen, die mit dem mantelseitigen Fluid in den Wärmetauscher eingebracht worden sind, und sich auf den Rohren niedergeschlagen haben, zu entfernen. Hierzu werden beispielsweise Fenster in das Kernrohr geschweißt, oder das Kernrohr ist als Korb ausgebildet und mit einem Dichthemd abgedichtet, das zur Reinigung abgenommen wird. Durch die öffnungen des Kernrohrs werden dann die Verunreinigungen abgekmczt Als zusätzliche Reinigungsmöglich- keit bietet es sich an, die Rohrwicklungen mit Flüssigkeit aus einer Brause zu beaufschlagen und angelagerte Verunreinigungen abzuwaschen. Schweißungen am Kernrohr bzw. die Verwendung relativ dünnwandiger Dichthemden sind auch beim Einsatz des erfindungsge- is mäßen Rohrwärmetauschers im Hochtemperatur- und Hochdruckbereich möglich, weil auf beiden Seiten des Kernrohrs im wesentlichen derselbe Druck herrscht und das Kernrohr in diesem Sinn kein kritisches Bauteil darstellt Zur Herstellung von Druckgleichheit ist das Kernrohr beispielsweise an seiner Unterseite offen.

Dadurch, daß eine Abzweigung der geradlinigen Rohrabschnitte an der Gehäusewand befestigt ist, und diese Rohrabschnitte mit dem äußeren Strömuagsweg der Durchführungen verbunden sind, ergibt sich der weitere Vorteil, daß auch bei für das Material kritischen Temperatur- und Druckbedingungen die Rohrwicklungen sicher aufgehängt und die Durchführungen sicher am Gehäuse befestigt sind. Hierzu ist es erforderlich, daß beim Betrieb des Wärmetauschers das »kalte Ende« sich an der äußeren Durchführung befindet, d.h. das rohrseitige Fluid wird so geführt, daß es im kälteren Zustand durch den äußeren und im wärmeren Zustand durch den inneren Strömungsweg der koaxialen Durchführungen strömt Auf diese Weise wird eine Wärmeübertragung vom »heißen Ende« des Wärmetauschers auf das Gehäuse verhindert. Da die Rohrwicklungen über eine Abzweigung der mit dem »kalten Ende« verbundenen Rohrabschnitte am Gehäuse befestigt sind, ist die Aufhängung durch eines der am Verfahren beteiligten Fluide gekühlt und eine übermäßige Erwärmung des Gehäuses an der Aufhängung ausgeschlossen. Um die unterschiedliche Wärmedehnung der Wicklung gegenüber den innen gekühlten Rohren aufnehmen zu können, sollte der seitliche Abstand zwischen den vertikalen Rohrabschnitten einerseits und der Zuführung für die gewickelten Rohrabschnitte andererseits möglichst groß sein.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind die geradlinigen Rohrabschnitte als Stege für die Wicklungen der zweiten Rohrabschnitte ausgebildet. Die Stege halten benachbarte Lagen von Wicklungen auf Abstand.

Bei einer günstigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist das Kernrohr hängend oder stehend v> am Gehäuse befestigt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß das Kernrohr nach Lösen einer Schweißoder Flanschverbindung nach oben herausgezogen werden kann. Die Wicklungen liegen dann völlig frei und sind von der Achse der Wicklung aus besonders leicht zu reinigen.

Es erweist sich hierbei als zweckmäßig, wenn gemäß einer Modifikation des Erfindungsgegenstandes das Kernrohr aus mehreren lösbar miteinander verbundenen Längsabsehnitlen zusammengesetzt ist. Vor allem μ bei großen Wärmetauschern erweist sich diese Bauweise als vorteilhaft, weil ein zum Heben des Kernrohres benötigter Kran klein angelegt werden kann. Es wird jeweils ein Teilstück des Kernrohres aus dem Gehäuse gehoben, das nächste Teilstück fixiert und die Verbindung zwischen den beiden Teilstücken gelöst untso weiter, bis das letzte Teilstück aus dem Gehäuse gehoben wird.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, die Innenseite der Behälterwand mit einer Wärmeisolierung zu versehen, die an ihrer Innenseite eine metallische Auskleidung trägt Auf diese Weise wird die Temperatur der Gehäusewand niedrig gehalten. Die metallische Auskleidung besteht zweckmäßigerweise aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff. Die Aufgabe der Auskleidung ist es, die Isolierungen vor Gaskomponenten, wie Schwefelwasserstoff, zu schützen, die das Isoliermaterial angreifen. Damit sichergestellt ist daß der Druck im Isolierraum niemals höher wird als auf der Innenseite der Auskleidung, muß die Auskleidung »atmen« können. Es läßt sich dann aber nicht vermeiden, daß auch unerwünschte Bestandteile, wie Schwefelwasserstoff, die die Wärmeisolierung angreifen, ,.j-ter die Auskleidung gelangen. Deshalb wird zur Lösung der gesteiiten Aufgabe als zusätzliche Maßnahme vorgeschlagen, den die Wärmeisolierung enthaltenden Raum mit der koaxialen Durchführung zu verbinden. Ein Teilstrom des im inneren oder äußeren Strömungsweg der Durchführung strömenden Fluids wird an der Verbindungsstelle abgezweigt und als Spülgas für den Isolierraum verwendet

Bei einer weiteren Ausführungsform Jes erfindungsgemäßen Rohrwärmetauscher sind um das Kernrohr weitere Rohre gewickelt die einen unabhängigen Strömungsweg bilden. Mit dieser Anordnung kann ein bei bestimmten Verfahren erforderlicher weiterer Wärmetauscher in dem Gehäuse untergebracht werden und damit eine hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzte Veriahrenskomponente eingespart werden. Dies stellt einen erheblichen Vorteil dar, denn Hochtemperatur- und Hochdruckbauteile verursachen aufgrund der Sicherheitsauflagen erhebliche Kosten. Mit der Integration eines zweiten Wärmetauschers in das Gehäuse können zwei Böden eingespart werden, außerdem ergibt sich eine niedrige Gesamtbauhöhe.

Als Modifikation des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, die Zu- und Abführungen der weiteren Rohre in verschiedenen Höhen aus dem Gehäuse zu führen. Wird nämlich ein zu verdampfendes Fluid an der tiefergelegenen Durchführung zugeführt, stellt sich für das Fluid ein natürlicher Umlauf ein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist bei den Wicklungen der zweiten Rohrabschnitte und/oder der weiteren Rohre der vertikale Abstand zweier benachbarter Rohre kleiner eis der radiale Abstand zweier benachbarter Rohre. Ablagerungen, die sich an der Oberseite der Rohre ansetzen, können dadurch ohne weiteres zwischen zwei Wicklungen nach unten fallen und somit leicht entfernt werden.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes oberhalb der Wicklungen Brausen vorgesehen sind. Durch die Brausen wird eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, zum Entfernen der auf den Rohren angelagerten Verunreinigungen auf die Wicklungen aufgegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand eines schematisch dargestellten Wärmetauschers beschrieben. Hierbei zeigt

Fig. I einen erfindungsgemäßen Rohrwärmetau-

scher im Längsschnitt,

Fig. 2einen Ausschnitt aus Fig. I.

Ein Wärmetauscher, wie er im folgenden beschrieben ist, wird bei einem Verfahren zur hydrierenden Kohlevergasung als Hydriergasanwärmer eingesetzt. In einem zylindrischen Gehäuse 1 mit vertikaler Achse is! koaxial zur Gehäuseachse ein Kernrohr 2 angeordnet. Das Gehäuse hat z. B. einen Durchmesser von 1.2 m und eine Länge von 15 m und liegt über einem Tragring 19 auf einem nicht dargestellten Fundament auf. Das Kernrohr ist mittels einer Flanschung 3 am oberen Boden 4 des Gehäuses 1 frei hängend befestigt. Es ist aus mehreren lösbar miteinander verbundenen Längsabschnitten 2a. 2b, 2c, 2d, 2e, 2ί zusammengesetzt. |eder Längsabschnitt 2a bis 2f hat am oberen Finde eine (nicht dargestellte) Haltevorrichtung. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das Kernrohr 2 nach oben auszubauen, wobei hierzu nur leichtes Hebezeug mit geringer Höhe erforderlich ist. Nach dem Ausbau des Kernrohrs 2 sind

Lösen der Flanschverbindung am oberen Boden und der innenliegenden Flanschverbindungen der Durchführungen 10,11 beide Wicklungen nach oben auszubauen.
Das Gehäuse 1 ist an seiner Innenseite mit einer Hochtemperaturisolierung 17, z. B. aus AIOj, ausgestattet, die an der Oberfläche eine Auskleidung 18 aus einem hochtemperaturfesien Metall, wie hochwertigem Nikkeistahl, aufweist. Die Wärmedehnung der Auskleidung 18 wird über in der Figur nicht dargestellte Kompensa-

Mi toren ausgeglichen.

Die Wicklungen 13, 15 sind so aufgebaut, daß der vertikale Abstand zweier benachbarter Rohre einer Wicklung kleiner ist als die Steghöhe, also der Abstand zweier benachbarter Wickellagen (siehe hier/u auch

ι, F i g. 2). Bei der Wicklung 13, bei der die vertikalen Rohrabschnitte 12 als Stege ausgebildet sind, entspricht dieser Abstand dem Rohrdurchmesser. Bei der Wicklung 15 ist der Abstand gleich der Dicke der Stege 16. Mil diesem Aufbau der Wicklungen ist es gewährleistet.

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bzw. zu befahren. Das Kernrohr 2 ist nach unten offen, so daß in seinem Inneren im wesentlichen derselbe Druck herrscht wie an seiner Außenseite. Im Gehäuse I sind Durchführungen 5, 6, 7, 10, 11 zur Zu- und Abführung der am Wärmetausch beteiligten Fluide angeordnet. Symbolisch ist für jede Zu· und Abführung nur eine Durchführung angeordnet, selbstverständlich können bei Bedarf auch mehr Durchführungen vorgesehen sein. Die Durchführungen 5 und 6 dienen zur Zu- und Abführung des mantelseitigen Fluids Die Durchführung 7 weist zwei koaxial angeordnete Sirömungswege 8 und 9 auf. wobei erfindungsgemäß der äußere Strömungsweg 9 mit geradlinig vertikal nach unten verlaufenden Rohrabschnitten 12 verbunden ist. Die ersten Rohrabschnitte 12 gehen in /weile Rohrübschnitte 13 über, die wendelförmig um das Kernrohr 2 gewickelt sind und nach oben zurück verlaufen, wo sie schließlich in den inneren Strömungsweg 8 der Durchführung 7 münden. Wie aus der Figur zu entnehmen ist. sollte de- Abstand /wischen den vertikalen Rohrabschnitten 12 einerseits und der Durchführung 7 und den wendelförmigcp Rohrabschnitten 13 andererseits möglichst groß sein, damit die unterschiedliche Wärmedehnung der Wicklung gegenüber den — wie weiter unten noch beschrieben wird — innengekühlten Rohren besser ausgeglichen werden kann. Mittels einer T-förmigen Abzweigung ist von der Verbindung mit vertikalen Rohrabschnitten 12 mit der Durchführung 7 ein Rohr 14 abgezweigt und am Gehäuse 1 befestigt. Das Anschlußstück ist mit einer Wärmeisolierung 17 umgeben, um die Aufhängung vor hohen Temperaturbelastungen zu schützen. Das Rohr 14dient als Aufhängung für die Rohrabschnitte 11,12.

In das Gehäuse 1 ist eine weitere Wicklung 15 integriert, die aus um das Kernrohr 2 gewickelten Rohren besteht. Die Wicklung 15 ist an Megen 16 befestigt, die sich am Boden des Gehäuses 1 abstützen. Die beiden Enden der Rohre 15 (in der Figur ist der besseren Übersichtlichkeit halber nur ein Rohr symbolisch dargestellt) münden in zwei in verschiedenen Höhen angeordneten Durchführungen 10, 11. Die Durchführungen 10, 11 können in der üblichen Stützbauform ausgeführt sein. Es ist jedoch vorteilhaft, die Rohrenden bzw. mit den Rohrenden verbundene Rohrboden, wie ir. ier Figur dargestellt, über innenliegende Flanschverbindungen mit den Durchführungen 10,!! 7u verbinden.

Mit der gezeigten Anordnung ist es möglich, nach beim Ablösen durch den Spalt fallen können. Das Entfernen der Rückstände kann durch mechanisches Abkratzen nach Herausheben des Kernrohres 2 von dem verbleibenden Schacht aus erfolgen oder durch Herauswaschen. Hierzu ist oberhalb der Wicklungen 13 eine schematisch dargestellte Brause 20 vorgesehen, durch die während des Betriebs oder in Beiriebspausen eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, auf die Rohre der Wi- ''Jungen 13, 15 aufgegeben wird. Die Zahl und Lage der Brausen ist durch die optimal erreichbare Reinigung der Rohre und die Platzverhältnisse im Inneren des Gehäuses 1 bestimmt.

Das bei der Kohlvergasung entstehende Rohgas wird mit einem Druck von 120 bar und einer Temperatur von etwa 850" C über die Durchführung 5 in das Gehäuse I des erfindungsgemäßen Wärmetauschers eingeführt und dort gegen in den Rohrabschnitten 12,13 geführten Wasserstoff (Hydriergas) abgekühlt. Nach dem Wärmetausch mit dem Hydriergas hat das Rohgas etwa einen Druck von 120 bar und eine Temperatur von 500" C. Die Restwärme des Rohgases wird zur Dampferzeugung verwendet. Hierzu wird der unteren Wicklung 15 des Wärmetauschers Wasser mit 30 bar und 230" C in flüssiger l-orm zugelühri und dort verdampft. An der oberen Durchführung 11 tritt Wasserdampf mit 30 bar und 230 C aus. Durch die Anordnung der Zu- und Abführungen übereinander arbeitet der Dampferzeuger mit natürlichem Umlauf.

Der Wasserdampf wird mit etwa 125 bar und 1000" C dem inneren Strömungsweg der koaxialen Durchführung 7 zugeführt. Der relativ kalte Wasserstoff isoliert das Gehäuse 1 vor der heißen, innenlief nden Wasserstoffabführung 8. Der kalte Wasserstoff gelangt dann über die vertikalen Rohrabschnitte 12 in die gewickelten Rohrabschnitte 13 und erwärmt sich durch Wärmetausch mit dem heißen Rohgas auf etwa 600^cC (Druck 125 bar) und wird über den inneren Strömungsweg 8 der koaxialen Durchführung 7 aus dem Wärmetauscher abgeführt. Mit etwa 600^cC gelangt der Wasserstoff in die vor dem Kohlevergaser angeordnete Brennkammer. Durch die Abkühlung der Durchführung 7 ist sichergestellt, daß der obere Boden 4 keine hohe Temperaturbelastung bekommt, auch wenn der Wasserstoffaustritt durch einen besonderen Betriebszustand extrem heiß wird. Es ist ferner sichergestellt daß heißer Wasserstoff nur anfallen kann, wenn kalter Wasserstoff zur Verfügung steht Der kalte Wasserstoff, der über das T-förmige Anschlußstück gleichzeitig in das Rohr 14

gelangt, kühlt clic Aufhängung der Rohnthschnitie 15 von innen her. Von dem über die Durchführung 7 /ugeführten kalten Wasserstoff kann ein kleiner Teilstrom abgezweigt und zum Spülen des Isolierraums 17 verwendet werden (nicht dargestellt).

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. I, wobei für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszcichen verwendet sind. Aufeinanderfolgende Lagen 13«, 136 von Rohrwickiiipgen sind durch vertikale Rohrabschnitte 12a, 12/), die als Stege ausgebildet sind, auf Abstand gehalten. Damit Verunreinigungen, die sich an der Rohroberseite anlagern, leicht zwischen den Wickellagen 13a, 13ö herunterfallen können, ist der vertikale Abstand a zweier benachbarter Rohre kleiner als die Breite der Stege, also in diesem Fall der Durchmesser der Rohrabschnitte 12a, \2b. Dies gilt analog bei der unteren Wicklung 15 für die Stege 16.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche;

1. Rohrwärmetausoher mit in einem allseitig geschlossenen Gehäuse verlaufenden Rohren, bei dem erste Abschnitte der Rohre von der oberen Gehäusewand nach unten und daran anschließend zweite Abschnitte der Rohre von unten in gewickelter Form zur oberen Gehäusewand zurückverlaufen, und die freien Enden der ersten und zweiten Rohrabschnitte in je einen von zwei koaxial zueinander verlaufenden Strömungsquerschnitten einer Gehäusedurchführung münden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Rohrabschnitte (13) auf ein Kernrohr (2) gewickelt sind und die ersten, geradlinig und vertikal verlaufenden Rohrabschnitte (12) an der oberen Gehäusewand befestigt sind und mit dem äußeren Strömungsweg (9) der beiden Strömungswege (8, 9) der Gehäusedurchführung in Verbindung stehen, wobei die Rohre von der Wickelachse her zugänglich sind.

2. Rohnvärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Rohrabsehniite (12) als Abstandsstege für die Wicklungen der zweiten Rohrabschnitte (13) ausgebildet sind.

3. Rohrwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (2) hängend oder stehend am Gehäuse (1) befestigt und nach oben aus dem Gehäuse (1) herausziehbar ist

4. Rohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (2) aus mehreren lösbar miteinander verbunden«· Längsabschnitten (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f) zusammengesetzt ist

5. Rohrwärmetauscher nac'n einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite der Behälterwand m'u einer Wärmeisolierung (17) versehen ist, die auf ihrer Innenseite eine metallische Auskleidung (18) trägt.

6. Rohrwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wärmeisolierung (17) enthaltende Raum mit der Gehäusedurchführung (7) in Verbindung steht.

7. Rohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch weitere, einen unabhängigen Strömungsweg bildende, um das Kernrohr (2) gewickelte Rohre (15).

8. Rohrwärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Zu- und Abführungen (10 und 11) für die weiteren Rohre (15) jeweils in verschiedenen Höhen durch das Gehäuse (1) geführt sind.

9. Rohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Wicklungen der zweiten Rohrabschnitte (13) und/ oder der weiteren Rohre (15) der vertikale Abstand (a)zweier benachbarter Rohre kleiner als der radiale Abstand zweier benachbarter Rohre ist.

10. Rohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Wicklungen (13, 15) Brausen (20) vorgesehen sind.