DE3602935C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus dem Prospekt "Verfahrenstechnischer Apparatebau", Seite 13 der Firma L. & C. Steinmüller GmbH ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen unter Drücken bis etwa 100 bar und Temperaturen bis 1500°C erzeugte Prozeßgase einem dem Vergasungsreaktor als Dampferzeuger nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführt werden.

In dem Wärmetauscher wird nur Sattdampf erzeugt. In Gaserzeugungsanlagen, in denen Wasserstoff durch nichtkatalytische Spaltung von Kohlenwasserstoffen, basierend auf der partiellen Oxidation von Öl, erzeugt wird, ist es bekannt, den für den Vergasungsprozeß benötigten überhitzten Dampf in einem direkt befeuerten gesonderten Überhitzer zu erzeugen.

Aus "Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau", Springer Verlag 1966, S. 444, Bild 10, ist eine Abhitzekessel-Anlage für Gasmaschinen bekannt, bei der in einem von dem Abgas der Gasmaschinen durchströmten Behälter in Strömungsrichtung der Abgase gesehen ein Überhitzer, eine Verdampferheizfläche und ein Speisewasservorwärmer angeordnet sind, die mit einer getrennten Ausdampftrommel verbunden sind. Hierbei wird also das Wasser bzw. der Dampf in Rohrleitungen geführt, die von dem Abgas durchströmt sind. Die Erzeugung von Sattdampf erfolgt durch teilabgekühlte Rauchgase, während die Überhitzung durch noch nicht teilabgekühlte Abgase erfolgt. Das Ausdampfen des Sattdampfes aus dem Wasservorrat erfolgt in einer getrennten Ausdampftrommel.

Schließlich ist aus der US-PS 44 88 513 ein Dampferzeuger der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art bekannt, bei dem die Heizfläche und die Überhitzerheizfläche von einer durchgehenden gewickelten Heizfläche gebildet sind, bei der eine Wicklungslage aus dem Wasserraum in den Sattdampfraum aufsteigt und eine dazwischenliegende Wicklungslage aus dem Sattdampfraum in dem Wasserraum absteigt, wobei die freie Wasserfläche des Wasservorrates im Wasserraum durchsetzt wird. Bei dem bekannten Wärmetauscher umgibt das Führungshemd die oberhalb der Wasseroberfläche sich im Sattdampfraum erstreckenden Heizflächenwicklungen nur teilweise und das zentrale Führungsrohr erstreckt sich ebenfalls aus dem Wasserraum in den Sattdampfraum hinein und ist oberhalb des Niedrigwasserstandes mit einer Vielzahl von Durchbrechungen für den Wasser- bzw. Dampfaustausch versehen. Bei Wasserstandsschwankungen sind die Heizflächenrohre in unterschiedlicher Weise von Dampf bzw. Wasser beaufschlagt, was zu erheblichen Nachteilen beim Betrieb des Wärmetauschers führen kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von der US-PS 44 88 513 einen Wärmetauscher der genannten Art anzugeben, bei dem sichergestellt ist, daß Prozeßgasrohre definiert von Dampf bzw. Wasser beaufschlagt sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Da das Prozeßgas über Prozeßgasrohre aus dem Wasserraum in den Sattraum geführt wird und der Überhitzungsbereich vom Wasserraum und vom feuchten Sattdampfraum eindeutig getrennt ist, wird erreicht, daß die das Prozeßgas von der Heizfläche zu der getrennt davon ausgebildeten Überhitzungsheizfläche heranführenden Prozeßgasrohre in ihrem Durchtrittsbereich stets auf einer Seite von Dampf und auf der anderen Seite von Wasser beaufschlagt sind, und zwar unabhängig von Schwankungen des Wasserstandes in dem Behälter.

Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wärmetauschers ein eindeutiger Gegenstromwärmetausch zwischen dem Prozeßgas und dem zu überhitzenden Dampf gewährleistet, während bei dem Wärmetauscher gemäß der US-PS 44 88 513 wegen der Verschachtelung der aufsteigenden und der absteigenden Wicklungen ein Gegenstrom- und Parallelstromwärmeaustausch stattfindet, der hinsichtlich des Wirkungsgrades schlechter ist.

Bei der Ausbildung des Wärmetauschers werden zwei Ausführungsformen gemäß den Patentansprüchen 2 bzw. 3 bevorzugt.

Um ein Überhitzen der Druckbehälterwandung zu vermeiden, und insbesondere bei einem mehrteiligen Aufbau des Druckbehälters und Verwendung von Flanschverbindungen die Berechnungstemperatur für diese großen Flanschverbindungen entsprechend zu reduzieren, ist der Wärmetauscher bevorzugt gemäß Patentanspruch 4 ausgebildet.

Dabei ist wiederum bevorzugt, daß bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 3 der Sattdampf über mindestens ein Regelventil in den Dampfauslaß abführbar ist.

Damit dem aus der Überhitzerheizfläche austretenden Prozeßgas noch möglichst viel Wärme zur Dampferzeugung entnommen werden kann, ist es weiterhin von Vorteil, dem Gasauslaß eine in den Wasserraum abhängende Austrittsschleife vorzuschalten.

Schließlich wird bevorzugt, daß der Durchmesser des Druckbehälters im Bereich der Überhitzerheizfläche kleiner ist als im Bereich der Heizfläche.

Die Erfindung soll anhand der Figuren genauer erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Wärmetauschers, bei der der Sattdampf der Überhitzerheizfläche von unten nach oben durchströmt und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Wärmetauschers, bei der der Sattdampf der Überhitzerheizfläche von oben nach unten durchströmt.

Der Wärmetauscher weist einen stehenden Druckbehälter (1) auf, der aus einem im Durchmesser größeren Abschnitt (1 a) und einem im Durchmesser kleineren Abschnitt (1 b) besteht, wobei der Abschnitt (1 b) mittels einer Flanschverbindung (1 c) lösbar unterteilt ist.

Im Abschnitt (1 a) befindet sich ein Wasserraum (WR), wobei der Wasserstand (WS) in den gezeigten Grenzen schwanken kann. Im Wasserraum ist eine mehrteilige Heizfläche (2) angeordnet, deren Teile über Prozeßrohrleitungen (3) mit heißem unter Druck stehendem Prozeßgas beaufschlagbar sind. Die Prozeßgase verlassen die vorzugsweise mehrteilig gewickelte Heizfläche (2) im Bereich des Wasserraumes mit einer Temperatur, die ca. 100 bis 200°C über der Siedetemperatur (TS) liegt, und treten über Prozeßrohrleitungen (4) in ein an seinem unteren Ende geschlossenes und an seinem oberen Ende offenes Zentralrohr (5) ein. Das untere Ende des Zentralrohres liegt unterhalb des minimalen Wasserstandes (WS), und das Rohr erstreckt sich aus dem Abschnitt (1 a) in den Abschnitt (1 b) hinein.

Konzentrisch zum Zentralrohr (5) ist ein das obere Ende des Zentralrohrs überragendes Führungshemd (6) angeordnet, dessen unteres Ende genauso weit in den Wasserraum (WR) hineinragt wie das Zentralrohr und ebenfalls am unteren Ende geschlossen ist. (Es ist möglich, daß Zentralrohr (5) und Führungshemd (6) durch ein und dieselbe Platte (7) verschlossen sind.)

Das Führungshemd (6) ist an seinem oberen Ende durch einen Deckel (8) mit mittiger Öffnung (8 a) verschlossen, und diese Öffnung (8 a) ist mittels einer eine Wärmeausdehnung aufnehmenden Verbindungseinrichtung (9) mit einem zum angeflanschten Dampfauslaß (10) führenden Anschlußrohr (11) verbunden.

Die Durchmesser des Führungshemdes (6) und des Anschlußrohres (11) sind im Vergleich zum Innendurchmesser des Abschnittes (1 b) des Druckbehälters so gewählt, daß zwischen diesen ein Ringraum (12) verbleibt.

Um das Zentralrohr (5) ist eine Überhitzerheizfläche (13) mit mehreren Strängen gewickelt. Den oberen Enden dieser Stränge wird über die Prozeßgasrohrleitungen (4) das Prozeßgas zugeführt und an den unteren Enden über durch die Verschlußplatte (7) geführte Prozeßgasrohrleitungen (14) abgeführt, die ihrerseits zu in der Behälterwandung vorgesehenen Gasauslässen (15) führen. In den Prozeßgasrohrleitungen (14) sind in den Wasserraum (WR) und zwischen die Teile der Heizfläche abhängende Austrittsschleifen (14 a) ausgebildet. Die Durchführung der Prozeßgasleitungen (4) und (14) durch die Verschlußplatte (7) erfolgt über Wärmeausdehnungskompensatoren (16). An Stelle der Kompensatoren kann die Durchführung auch über verstärkte Scheiben erfolgen.

Der sich oberhalb des Wasserspiegels (WS) in einem Sattdampfraum (SR) zwischen der Innenwandung des Druckbehälters einerseits und dem Führungshemd (5) und einem Dampfleitblech (17) andererseits ansammelnde Sattdampf tritt über gleichmäßig auf den Umfang verteilte Wasserabscheider (18), insbesondere Fangrinnenabscheider in den Ringraum zwischen Zentralrohr (5) und Führungshemd (6) ein und strömt im Gegenstrom zu den in der Überhitzerheizfläche (13) geführten Prozeßgas in Richtung auf die Öffnung (8 a), wodurch er überhitzt wird. Durch in den Wasserabscheidern vorgesehene Öffnungen (18 a) tritt ein Teilstrom des Sattdampfes nach Wasserabscheidung in den Ringraum (12) ein und strömt einer Mantelstromauslaßöffnung (19) am oberen Ende des oberen Druckbehälterabschnittes (1 b) zu. Der Auslaßöffnung (19) ist eine Rohrleitung (20) mit einem Heißdampfregelventil (21) nachgeschaltet, die mit dem Dampfauslaß (10) verbunden ist. Das Heißdampfregelventil (21) wird in Abhängigkeit von einem die Temperatur des überhitzten Dampfes im Dampfauslaß (10) erfassenden Meßfühler (22) angesteuert. Damit kann die Innenwandung des Behälters im Bereich des Abschnittes (1 b) gegen Überhitzung geschützt werden. Weiterhin kann abhängig vom Fouling- Faktor auf der Rohrseite durch die Prozeßgase die Heißgastemperatur geregelt werden, indem der Mantelstrom im Ringspalt (12) über das Heißdampfregelventil (21) geregelt werden kann. Um die Füllung des Zentralrohres (5) mit Sattdampf zu erleichtern, sind im Bereich des unteren Endes mehrere Bohrungen (5 a) vorgesehen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, erfolgen Änderungen des Wasserstandes (WS) nur in solchen Bereichen, daß keine prozeßgasführenden Rohrleitungen abwechselnd beaufschlagt oder freigelegt werden. Die aus dem Wasserraum (WR) austretenden Prozeßgasrohre (4) und die in den Wasserraum eintretenden Prozeßgasrohre (14) werden auf der einen Seite (oberhalb der Verschlußplatte 7) nur vom Sattdampf und auf der anderen Seite (unterhalb der Verschlußplatte 7) nur von Wasser beaufschlagt. Somit führt ein schwankender Wasserstand nicht zu einer Verschiebung der Trennung zwischen Sattdampf und Wasser am Prozeßgasrohr. Hierdurch sind Probleme hinsichtlich Korrosion unwahrscheinlich.

Zusammengefaßt bietet die anhand der Fig. 1 beschriebene Verfahrensführung und der vorgeschlagene Wärmetauscher folgende Vorteile:

Das Prinzip des Abhitzekessels sowie die erprobte Konstruktion der Heizfläche (2) des Dampferzeugers können beibehalten werden. Die gasführenden Rohre (4) und (14) können durch während des Betriebes zwangsläufig schwankenden Wasserstandes hinsichtlich Korrosion und Spannungen nicht gefährdet werden. Durch Abtrennung des Mantelstromes in den Ringraum (12) wird sichergestellt, daß sich ein verändernder Fouling-Faktor auf der Innenseite der Prozeßgasrohre der Heizfläche (2) und der Überhitzerheizfläche (13) nicht zu einer Veränderung der Austrittstemperatur des überhitzten Dampfes am Auslaß (10) führt. Weiterhin sorgt der Mantelstrom aus Sattdampf dafür, daß der Druckbehälter, insbesondere Abschnitt (1 b), vor Überhitzung geschützt wird und daß die Berechnungstemperatur für die Flanschverbindung (1 c) entsprechend reduziert werden kann. Schließlich erlaubt der vorgeschlagene Wärmetauscher ein Abschalten einiger der Prozeßgaswege über die mehrteilige Heizfläche (2) und die mehrteilige Überhitzerheizfläche (13) ohne negativen Einfluß auf Umlauf und Heißdampferzeugung.

Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß der im Ringspalt (12) aufsteigende Dampf überhitzt wird, wenn auch in geringerem Maße als der im Ringraum zwischen Führungshemd und Zentralrohr nach oben strömende Dampf.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind so weit als möglich Bezugszeichen übernommen worden.

Bei dieser Ausführungsform ist der Druckbehälter (1) ein geradzylindrischer Behälter. Die Prozeßgasrohrleitungen (4) sind mit dem unteren Ende der Überhitzerheizfläche (13) verbunden. Die Wasserabscheider (18) sind am oberen Ende des Führungshemdes (6) angeordnet, wobei zum Druckbehälter (1) hin ein Leitblech (18 b) vorgesehen ist. Es ist aber auch möglich, daß sich das Führungshemd (6) bis zum Behälterdeckel hin erstreckt. Das abgeschiedene Wasser wird über Fallrohre (18 c) in den Wasserraum (WR) abgeleitet.

Die das obere Ende der Überhitzerheizfläche (13) verlassenden Prozeßgase werden über Prozeßgasrohrleitungen (24) zu oberhalb des Wasserraumes (WR) liegenden Gasauslässen (25) geführt. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ein Zentralrohr (26) vorgesehen, dessen unteres Ende oberhalb des Bodens (7) endet und dessen oberes Ende mit dem Dampfauslaß (27) des Druckbehälters verbunden ist. Der Sattdampf aus dem Sattdampfraum (SR) tritt in den oben offenen Ringraum zwischen Führungshemd (6) und Zentralrohr (26) ein und durchströmt dabei die Wasserabscheider (18) und durch die Überhitzerheizfläche (13) im Gegenstrom zu dem heißen Prozeßgas.

Auch bei dieser Ausführungsform kann die erprobte Konstruktion des Verdampfers mit der Heizfläche (2) beibehalten werden. Die alleine den Boden (7) des Führungshemdes (6) durchsetzenden gasführenden Rohre (4) sind durch schwankenden Wasserstand ebenfalls nicht hinsichtlich Korrosion und Spannung gefährdet. Der Druckbehälter ist im Überhitzungsbereich ebenfalls gegen Überhitzung geschützt, weil der Sattdampf in einem Mantelstrom nach oben strömt, dort umgelenkt und von oben in den Ringraum zwischen Zentralrohr (26) und Führungshemd (6) eintritt. Auch bei dieser Ausführungsform können einige Prozeßgaswege abgeschaltet werden, ohne daß der Umlauf und die Heizdampferzeugung negativ beeinflußt werden.

Claims (6)

1. Wärmetauscher mit einem stehenden Druckbehälter einschließlich eines Wasserraumes, mindestens einer in dem Wasserraum angeordneten und von unter Druck stehenden heißen Prozeßgasen durchströmten Heizfläche und einem Sattdampfraum oberhalb des Wasserraumes, sowie mindestens einem Gaseinlaß, einem Gasauslaß, einem Wassereinlaß und einem Dampfauslaß, bei dem im Sattdampfraum ein Wasserabscheider und mindestens eine von dem entwässerten Sattdampf durchströmte Überhitzerheizfläche angeordnet ist, die gasseitig über Prozeßgasrohre mit der Heizfläche und mit dem Gasauslaß verbunden ist, und wobei die Überhitzerheizfläche in einem mit dem Sattdampfraum in Verbindung stehenden Ringraum zwischen einem Zentralrohr und einem die Überhitzerheizfläche zumindest teilweise umgebenden Führungshemd angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfläche (2) und die Überhitzerheizfläche (13) getrennt voneinander ausgebildet sind, daß das Führungshemd (6) zumindest an seinem unteren Ende durch einen Boden (7) geschlossen ist und mit seinem geschlossenen Ende bis unter den Niedrigwasserstand im Wasserraum (WR) in diesen hineinragt und daß zumindest die das Prozeßgas von der Heizfläche (2) zur Überhitzerheizfläche (13) heranführenden Prozeßgasrohre (4) durch den Boden (7) des Führungshemdes geführt sind, wobei die Überhitzer­ heizfläche (13) von dem entwässerten Sattdampf im Gegenstrom zu dem Prozeßgas durchströmbar ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattdampf am oberen Ende in den Ringraum eintritt, daß das Zentralrohr (26) unverschlossen mit Abstand von dem Boden (7) des Führungshemdes (6) endet und der Auslaß (27) für den überhitzten Dampf am oberen Ende des Zentralrohres (26) vorgesehen ist, daß die das Prozeßgas heranführenden Prozeßgasrohre (4) mit dem unteren Ende der Überhitzerheizfläche (13) verbunden sind, und daß die das Prozeßgas aus der Überhitzerheizfläche (13) abführenden Prozeßgasrohre (24) mit dem oberhalb des Wasserraumes (WR) liegenden Gasauslaß (25) verbunden sind (Fig. 2).

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattdampf am unteren Ende in den Ringraum eintritt, daß das Zentralrohr (5) am unteren Ende ebenfalls verschlossen (7) ist, und die das Prozeßgas heranführenden Prozeßgasrohre (4) durch das oben offene Zentralrohr zum oberen Ende der Überhitzerheizfläche (13) geführt sind, daß die das Prozeßgas von der Überhitzerheizfläche (13) abführenden Prozeßgasrohre (14) durch den Boden (7) des Führungshemdes (6) in den Wasserraum (WR) geführt sind, und daß der Auslaß für den überhitzten Dampf am oberen geschlossenen Ende (8 a) des Führungshemdes (6) vorgesehen ist (Fig. 1).

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungshemd (6) zumindest über einen vorgegebenen Abschnitt seiner Länge mit Abstand von der Innenwandung des Druckbehälters (1) angeordnet ist, und der zwischen Führungshemd und Innenwandung des Druckbehälters aufgespannte Ringraum mit Sattdampf beaufschlagt ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattdampf über mindestens ein Regelventil (21) aus dem zwischen Führungshemd und Innenwandung des Druckbehälters aufgespannten Ringraum (12) in den Dampfauslaß (22) überführbar ist.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasauslaß (15) eine in den Wasserraum (WR) abhängende Austrittsschleife (14 a) vorgeschaltet ist.