DE3236857A1 - Heat exchanger - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
- F28D7/12—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type
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Description
WärmetauscherHeat exchanger
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen eines unter Druck stehenden Gases hoher Temperatur, insbesondere zur Wärmerückgewinnung. ·The invention relates to a heat exchanger for cooling a pressurized gas of high temperature, in particular for Heat recovery. ·
Die Schwierigkeiten beim Bau derartiger Wärmetauscher steigen mit zunehmender Temperatur und zunehmendem Druck des zu kühlenden Gases und mit dem Druck des zu erzeugenden Dampfes. Die Zusammensetzung des Gases erhöht diese Schwierigkeiten, insbesondere bei Gasen wie sie für die Synthese von Ammoniak oder anderen industriellen Stoffen vorhanden sind, die einen hohen Anteil an Wasserstoff und Stickstoff enthalten, wodurch eine Versprödung und Korrosion von Stahl eintreten kann, insbesondere unter Druck und erhöhter Temperatur.The difficulties in building such heat exchangers increase with increasing temperature and pressure of the gas to be cooled and with the pressure of the steam to be generated. the Composition of the gas increases these difficulties, especially with gases such as those used for the synthesis of ammonia or other industrial substances are present that contain high levels of hydrogen and nitrogen, creating a Embrittlement and corrosion of steel can occur, especially under pressure and elevated temperature.
Diese Erscheinungen trifft man besonders an bei Wärmetauschern mit geraden oder U-förmigen Rohren, wie sie für die oben genannten Zwecke verwendet werden. Bei Wärmetauschern mit geraden Rohren ist eine Wärmedehnung der zwischen zwei Halteplatten ausgespannten Rohre: nicht möglich. Die Platten stehen unter einem hohen Druck und müssen außerdem verhältnismäßig dick sein. Das zu kühlende Gas gelangt in eine Verteilerkammer, die zugleich den hohen Druck und die erhöhte Temperatur aushalten muß. Die Stützplatte, in der die Rohre eingesetzt sind, muß verhältnismäßig große Temperaturunterschiede an ihren Oberflächen aufnehmen können und einer hohen Korrosion an den Stellen, wo die Rohre eingesetzt sind, widerstehen können.These phenomena are particularly common in heat exchangers with straight or U-shaped tubes like those for the above Purposes. In the case of heat exchangers with straight tubes, thermal expansion is that between two retaining plates stretched pipes: not possible. The plates are under high pressure and must also be relatively thick. The gas to be cooled arrives in a distribution chamber, which can withstand the high pressure and the increased temperature at the same time got to. The support plate in which the pipes are inserted must have relatively large temperature differences on their surfaces and can withstand high levels of corrosion where the pipes are inserted.
Wärmetauscher mit U-förmigen Rohren weisen ebenfalls eine Verteilerkammer auf, in die die heißen, unter Druck stehenden Gase eingeleitet werden, und eine Stützplatte für die Rohre, welche ebenfalls beträchtlichen Wärmespannungen unterliegt, die sich sowohl über die Dicke der Stützplatte als auch in LängsrichtungHeat exchangers with U-shaped tubes also have a distribution chamber on into which the hot, pressurized gases are introduced, and a support plate for the pipes, which is also subject to considerable thermal stresses, which extend both over the thickness of the support plate and in the longitudinal direction
BADBATH
derselben auswirken. Die Stützplatte ist ebenfalls an den Durchtrittstellen der Rohre korrosionsgefährdet. Bei derartigen Wärmetauschern müssen auch Spezialstähle verwendet werden, mit denen gewisse Teile des Wärmetauschers ausgerüstet oder überzogen sind. the same effect. The support plate is also at the entry points the pipes are at risk of corrosion. With such heat exchangers special steels with which certain parts of the heat exchanger are equipped or coated must also be used.
Wärmetauscher der vorstehend genannten bekannten Art sind nicht nur verhältnismäßig teuer, sondern haben auch ein großes Gewicht und unterliegen zusätzlichen·mechanischen Beanspruchungen aufgrund von Temperaturunterschieden in den Stützplatten.Heat exchangers of the aforementioned known type are not only relatively expensive, but also have a great weight and are subject to additional mechanical stresses due to temperature differences in the support plates.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, bei der Wärmedehnungen der Rohre keine mechanischen Spannungen hervorrufen können.The invention is based on the object of creating a heat exchanger according to the preamble of the main claim, in which Thermal expansion of the pipes does not cause mechanical stresses can.
Die Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch eine Sammelkammer, die mit einem Auslaß für gekühltes Gas versehen ist und in der eine Anzahl Rohrstücke münden, deren entfernt von der Sammelkammer liegende Enden verschlossen sind, und durch eine Verteilerkammer, die mit einem Einlaß für das zu kühlende Gas versehen ist und in der eine Anzahl beidseitig offener Rohre münden, die sich jeweils in die Rohrstücke erstrecken.The solution to this problem is given by a collecting chamber, which is provided with an outlet for cooled gas and into which a number of pipe sections open, which are remote from the plenum lying ends are closed, and by a distribution chamber which is provided with an inlet for the gas to be cooled and in which a number of tubes open on both sides open, each of which extends into the tube pieces.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Verteilerkammer im Innenraum der Sammelkammer im Abstand von deren Wänden angeordnet und der Einlaß erstreckt sich durch eine Wand der Sammelkammer. Dadurch ergibt sich eine geringe Druckdifferenz zu beiden Seiten der Verteilerkammer.According to a further development, the distribution chamber is arranged in the interior of the collection chamber at a distance from its walls and the inlet extends through a wall of the plenum. This results in a slight pressure difference on both sides the distribution chamber.
Vorzugsweise erstrecken die Rohre sich über einen wesentlichen Teil der Länge der Rohrstücke, so daß auch an den Rohren, die temperaturmäßig am stärksten belastet werden, keine große Druckdifferenz auftritt.Preferably, the tubes extend over a substantial area Part of the length of the pipe sections, so that there is no great pressure difference even on the pipes that are subjected to the greatest temperature in terms of temperature occurs.
Es ist günstig, wenn die Rohrstücke und die Rohre jeweils in
eine Platte eingesetzt sind.It is advantageous if the pipe sections and the pipes are each in
a plate are inserted.
Bei der vorstehend genannten besonderen Ausführungsform kann
der Einlaß von einer Isoliermanschette.umgeben sein, um den
Wärmeübergang zur Sammelkammer weiter zu verringern.In the particular embodiment mentioned above,
the inlet must be surrounded by an insulating sleeve in order to
To further reduce heat transfer to the collecting chamber.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus '
den Unteransprüchen 6 bis 9.Other developments and refinements result from '
the dependent claims 6 to 9.
Die Erfindung ist im folgenden anhand einer einzigen Figur,
die einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher zeigt, an
einem Ausführungsbeispiel beschrieben.The invention is illustrated below with reference to a single figure,
which shows a longitudinal section through a heat exchanger
an embodiment described.
Der in der Figur dargestellte Wärmetauscher dient zur Wiedergewinnung von Wärme aus erhitzten Gasen. Der Wärmetauscher umfaßt eine Kühlkammer 1, die mit einem Einlaß 10 für zu verdampfendes Wasser und einem Auslaß 12 versehen ist. Die Kühlkammer grenzt an eine Platte 20, in der Rohrstücke 21 befestigt, z.B. eingeschweißt sind, die an ihren von der Platte entfernt liegenden Enden verschlossen sind. Zur Vereinfachung der Darstellung sind lediglich zwei Rohrstücke eingezeichnet.The heat exchanger shown in the figure is used for recovery of heat from heated gases. The heat exchanger comprises a cooling chamber 1 with an inlet 10 for to be evaporated Water and an outlet 12 is provided. The cooling chamber adjoins a plate 20 in which pipe sections 21 are fastened, e.g. welded, which are attached to their from the plate distant ends are closed. To simplify the illustration, only two pieces of pipe are shown.
Die Platte 20 bildet eine Wand einer Sammelkammer 2, in deren einer Seitenwand 24 sich ein Auslaß 25 für das gekühlte Gas befindet. Eine Seite der Sammelkammer 2 ist durch einen abnehmbaren Deckel 23 dicht verschlossen. .The plate 20 forms a wall of a collection chamber 2, in which a side wall 24 is an outlet 25 for the cooled gas. One side of the collection chamber 2 is removable by a Lid 23 tightly closed. .
Im Innenraum der Sammelkammer 2 befindet sich eine Verteilerkammer
3, die durch die Seitenwand 22 der Sammelkammer mit
einem Einlaß 32 für das zu kühlende Gas verbunden ist. Dieser Einlaß ist rohrförmig ausgebildet und weist eine Umhüllung 33
aus einem wärmeisolierenden Material auf, so daß der Wärmeübergang
von dem den Einlaß 32 durchströmenden Gas auf die angrenzende Wand 22 der Sammelkammer vermieden wird.In the interior of the collecting chamber 2 there is a distribution chamber 3, which through the side wall 22 of the collecting chamber with
an inlet 32 for the gas to be cooled is connected. This inlet is tubular and has a casing 33 made of a heat-insulating material, so that the transfer of heat from the gas flowing through the inlet 32 to the adjoining wall 22 of the collecting chamber is avoided.
SADSAD
Die Verteilerkammer 3 ist ansonsten mit lichtem Abstand von den Innenwänden der Sammelkammer 2 angeordnet und weist eine Platte 30 auf, in die beidseitig offene Rohre 31 eingesetzt sind, die einen kleineren Außendurchmesser haben als der Innendurchmesser der Rohrstücke 21, und die sich bis nahe an das verschlossene Ende der Rohrstücke 21 in diesen erstrecken.The distribution chamber 3 is otherwise at a clear distance from arranged on the inner walls of the collecting chamber 2 and has a plate 30 into which tubes 31, which are open on both sides, are inserted are, which have a smaller outer diameter than the inner diameter of the pipe sections 21, and which are close to the closed The end of the pipe sections 21 extend into these.
Die Kühlkammer 1 ist noch mit einem Mannloch 11 versehen, das einen Zugang zum Innenraum der Kühlkammer ermöglicht.The cooling chamber 1 is also provided with a manhole 11, which allows access to the interior of the cooling chamber.
Der Kühlkammer 1 wird durch den Einlaß 10 kontinuierlich Wasser und durch den Einlaß 32 heißes Gas von erhöhtem Druck zugeführt. Das heiße Gas gelangt in die Verteilerkammer 3, von wo aus es durch die Rohre 31 strömt, aus den Enden derselben austritt und nun durch den Zwischenraum zwischen den Rohrstücken 21 und den Rohren 31 in die Sammelkammer 2 strömt und dabei gekühlt wird, da die Rohrstücke 21 von Wasser umgeben sind. Die dabei auf das Wasser übergehende Wärme bringt das Wasser zum Verdampfen, und der Wasserdampf gelangt durch den Auslaß 12 nach außen. Es kann auch auf übliche Weise eine Trennung des Dampfes vom Heißwasser erfolgen.The cooling chamber 1 is continuously supplied with water through the inlet 10 and hot gas of increased pressure through the inlet 32. The hot gas enters the distribution chamber 3, from where it flows through the tubes 31, exits from the ends of the same and now flows through the space between the pipe sections 21 and the pipes 31 into the collecting chamber 2 and is cooled in the process, since the pipe sections 21 are surrounded by water. The heat transferred to the water causes the water to evaporate, and the water vapor passes through the outlet 12 to the outside. It the steam can also be separated from the hot water in the usual way.
Anstelle zur Dampferzeugung kann die Kühlwärme auch zur Warmwassergewinnung verwendet werden, etwa zur Gewinnung von Heißwasser, dessen Temperatur nur geringfügig unter der Verdampfungstemperatur liegt. Instead of generating steam, the cooling heat can also be used to generate hot water can be used, for example to obtain hot water, the temperature of which is only slightly below the evaporation temperature.
Der Wärmetauscher läßt sich sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Lage betreiben, wobei die Sammelkammer oben oder unten angeordnet sein kann.The heat exchanger can be operated both in a horizontal and in a vertical position, with the collecting chamber at the top or can be arranged below.
Wenn das zu kühlende Gas unter einem Druck von 200'bar steht und eine Temperatur von 480° C hat, und wenn man annimmt, daß in dem Kühlrohrbündel ein Druckabfall von 1 bar eintritt, dann beträgt der Druck in der Sammelkammer 199 bar und die Temperatur des gekühlten Gases 360° C.When the gas to be cooled is under a pressure of 200 bar and has a temperature of 480 ° C, and if it is assumed that a pressure drop of 1 bar occurs in the cooling tube bundle, then the pressure in the collecting chamber is 199 bar and the temperature of the cooled gas is 360 ° C.
BAD ORIGIMALORIGIMAL BATHROOM
Es ist offensichtlich, daß die Wände der Sammelkammer 2 und der Kühlkammer 1 den auftretenden hohen Drücken und Temperaturen widerstehen müssen. Zu diesem Zweck sind.die Wände der Sammelkammer 2 und der Kühlkammer 1 aus legiertem Stahl verhältnismäßig großer Wandstärke, beispielsweise 300 mm für die Sammelkammer 2 und 100 mm für die Kühlkammer 1, hergestellt.It is obvious that the walls of the collecting chamber 2 and the cooling chamber 1 can withstand the high pressures and temperatures that occur have to resist. For this purpose, the walls of the collection chamber 2 and the cooling chamber 1 made of alloy steel of relatively large wall thickness, for example 300 mm for the collecting chamber 2 and 100 mm for the cooling chamber 1.
Hinsichtlich der bei den vorhandenen Temperaturen und Drücken und einem eventuellen Anteil von Wasserstoff und Stickstoff in dem Gas vorhandenen Versprödung und Korrosion ermöglicht der erfindungsgemäße Wärmetauscher einen Schütz gegen diese Erscheinungen, ohne daß es erforderlich ist, größere Wandstärken oder Speziallegxerungen, etwa hochlegierte Chromnickelstähle, zu verwenden.With regard to the existing temperatures and pressures and a possible proportion of hydrogen and nitrogen in the embrittlement and corrosion present in the gas, the heat exchanger according to the invention enables protection against these phenomena, without the need to use larger wall thicknesses or special alloys, such as high-alloy chromium-nickel steels, to use.
Wärmespannungen sind aufgrund der Konstruktion wesentlich reduziert. Dies liegt im wesentlichen an der nur einseitigen Einspannung der Rohrstücke und Rohre, die teleskopartig und freibeweglich ineinander verschachtelt sind, und ferner an den folgenden Besonderheiten: .Thermal stresses are significantly reduced due to the design. This is essentially due to the only one-sided clamping of the pipe sections and pipes, which are nested telescopically and freely movable, and also to the following Particularities: .
Das zu kühlende Gas gelangt nicht in Kontakt mit der Platte 20 und der Sammelkammer 2, so daß diese Bauteile nicht den erschwerenden Bedingungen für Korrosion und Versprödungen unterworfen sind. Sie können aus leicht legiertem Stahl hergestellt sein, der preiswerter ist. Der maximale Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlenden Gas und dem Kühlwasser tritt nicht in der Ebene der Platte 20 auf, sondern an dem entgegengesetzten Ende, wo die Rohrstücke 21 verschlossen sind. In der Ebene der Platte beträgt die Temperaturdifferenz zwischen Gas und Wasser lediglich etwa 40° bis 50° C. Die Wärmespannungen sind daher gering, so daß sich an dieser Stelle auch kaum Dampfblasen bilden können. Am entgegengesetzten Ende, wo diese Gefahr besteht, lassen sich die Rohrstücke durch das Mannloch 11 leicht inspizieren. Ferner ist von Bedeutung, daß die Rohrstücke 21,, die nur mitThe gas to be cooled does not come into contact with the plate 20 and the collecting chamber 2, so that these components do not have the aggravating effect Conditions for corrosion and embrittlement are subject. They can be made from light alloy steel its cheaper. The maximum heat exchange between the gas to be cooled and the cooling water does not occur in the plane of the plate 20, but at the opposite end where the pipe sections 21 are closed. In the plane of the plate is the temperature difference between gas and water only around 40 ° to 50 ° C. The thermal stresses are therefore low, so that hardly any vapor bubbles can form at this point. Leave at the opposite end where this is a risk easily inspect the pipe sections through the manhole 11. It is also important that the pipe sections 21 ,, the only with
kühlem fclas in Berührung kommen, aus schwach legiertem Stahl hergestellt sein können, ohne daß eine Korrosion auftritt. Die besondere Anordnung der Verteilerkammor 3, die an keiner Stelle mit dor Sammelkammer 2 in Berührung kommt, ermöglicht eine Trennung der unter hoher Temperatur stehenden Bauteile von den Bauteilen niedriger Temperatur, so daß Wärmespannungen aufgrund von Temperaturdifferenzen in den dicken Wänden der Sammelkammer 2 und der Platte 20 vermieden werden. Die Platte 20 wird dabei weder in Richtung ihrer Dicke noch in Richtungen ihrer Ebene wesentlichen Temperaturdifferenzen ausgesetzt, so daß Wärmespannungen noch weiter verringert sind.cool fclas, made of weakly alloyed steel can be produced without corrosion occurring. The special arrangement of the distributor chamber 3 that nowhere with the collecting chamber 2 comes into contact, enables a separation of the high temperature components from the Components of low temperature, so that thermal stresses due to temperature differences in the thick walls of the collecting chamber 2 and the plate 20 are avoided. The plate 20 is exposed to significant temperature differences neither in the direction of their thickness nor in the directions of their plane, so that Thermal stresses are further reduced.
Die Innenwände der Verteilerkammer 3 und die Platte 30 sind zwar verhältnismäßig hohen Temperaturen ausgesetzt, jedoch herrscht zu beiden Seiten dieser Wände nur eine schwache Druckdifferenz, beispielsweise von 1 bar, so daß diese Teile aus dünnem Metall gefertigt sein können. Die Platte 30 ist beispielsweise 20 mm dick, und die übrigen Teile der Verteilerkammer 3 etwa 6 mm.The inner walls of the distribution chamber 3 and the plate 30 are exposed to relatively high temperatures, but there is only a slight pressure difference on both sides of these walls, for example from 1 bar, so that these parts can be made of thin metal. The plate 30 is for example 20 mm thick, and the remaining parts of the distribution chamber 3 about 6 mm.
Auch die Rohre 31, die das Gas mit höchster Temperatur führen, sind druckmäßig nur gering belastet, nämlich nur von dem Differenzdruck im Innenraum und Außenraum der Rohre, der von dem Strömungswiderstand herrührt.The pipes 31, which carry the gas at the highest temperature, are also only slightly loaded in terms of pressure, namely only by the differential pressure in the interior and exterior of the pipes, which results from the flow resistance.
Der beschriebene Wärmetauscher ist. trotz seiner hervorstechenden Eigenscheifton von einfacher und preiswerter Konstruktion.The heat exchanger described is. despite its outstanding characteristic, it is of a simple and inexpensive construction.
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