DE3604288A1 - Vorrichtung als waermetauscher, insbesondere zur kuehlung von prozessgas oder zur erhitzung von dampf - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung als Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Prozeßgas oder zur Erhitzung von Dampf, mit einem Druckbehälter als Wärmetauschergefäß und mit einem über einen Rohrboden befestigten Rohrbündel und einer dem Rohrboden zugeordneten Vorkammer, wobei der Rohrboden und/oder die Vorkammer mit dem Druckgefäß beispielsweise über Flansche verbunden sind/ist.

Heißgaskühler werfen eine Reihe von Problemen auf, die damit zusammenhängen, daß hohe Druck- und auch hohe Temperaturgefälle zu verarbeiten sind. Dabei können die entsprechenden Überhitzer bzw. Gaskühler in sehr unterschiedlicher Weise gestaltet sein. Die Rohrbündel können hängend oder stehend ausgeführt werden; sie können meander-, spiral- oder schlangenförmig gewickelt sein; die Dampfführung kann im Gleich- oder Gegenstrom erfolgen u. dgl. mehr.

Ein Problembereich liegt insbesondere in der Verbindung zwischen der Druckbehälterwand einerseits und den Rohrböden bzw. Rohrplatten andererseits bzw. überall dort, wo die hohen Drucktemperaturunterschiede zu extremen Belastungen sowohl der Werkstoffe als auch der Verbindungen selbst führen.

Es verwundert daher nicht, wenn es hierfür bereits eine ganze Palette von unterschiedlichen Lösungsmöglichkeiten gibt, wie z. B. die DE-PS 20 07 528 oder die DE-OS 30 22 480 der Anmelderin zeigen. Als technologischer Hintergrund sei noch auf die US-PS 39 82 585 und 40 71 083, die DE-AS 23 30 015, DE-PS 17 51 085, FR-PS 15 73 869 und GB-PS 11 82 995 verwiesen, wobei alle Druckschriften sich im wesentlichen mit dem Problem der Durchführungen der Wärmetauscherrohre durch den Rohrboden beschäftigen. Die Gestaltung des Rohrbodens selbst ist in diesen Druckschriften nicht angesprochen.

Wegen der großen unterschiedlichen Belastungen ist es notwendig, für die Wärmetauscherrohre und die Dampfaustrittsleitungen hochlegierte Werkstoffe heranzuziehen, während in der Regel, nicht zuletzt auch aus Wirtschaftlichkeitserwägungen, die Wände des Druckbehälters aus niedriglegierten Werkstoffen gestaltet werden sollten. Damit ergeben sich aber Probleme in den Verbindungsbereichen bzw. Verbindungsnähten zwischen den Rohrbündeln und den Druckbehälterwänden, da dort an sich Mischnähte aus austhenitischen und ferritischen Schweißverbindungen entstehen. Derartige Mischnähte sind aber in Temperaturbereichen oberhalb 500°C ausgesprochen problematisch, nicht zuletzt, da in der schweißbeeinflußten Zone auf der Seite des niedriglegierten Werkstoffes eine Kohlenstoffverarmung eintreten kann. Damit können Kriechschädigungen bei derartigen Temperaturen vorkommen. Neben der Problematik der unterschiedlich legierten Stähle, führen auch die Temperaturunterschiede zu thermischen Spannungen in dem Bereich, wo diese auftreten, etwa im Eingangsbereich der Rohrbündel, die mit Dampf vergleichsweise niedriger Temperatur beaufschlagt sind. Hierbei kann es je nach Prozeßführung zu Temperaturdifferenzen bis zu 400°C und mehr kommen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Lösung, mit der aufgrund einer angepaßten Rohrbodengestaltung die hier beschriebenen Nachteile vermieden werden, mit der insbesondere der Verbindungsbereich zwischen unterschiedlich legierten Stählen in eine solche Ebene verlegt wird, die weniger gefährdet ist, wobei gleichzeitig Bereiche hoher Temperaturdifferenzen eine Gestaltung aufweisen, die den auftretenden Spannungen gewachsen ist.

Mit einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Rohrboden aus einem Flanschring aus niedriglegiertem Werkstoff mit einer konzentrischen Innenausnehmung gefertigt und in der Gebrauchslage auf der dem Druckgefäß zugewandten Seite mit einer Isolierschicht versehen ist und daß die Innenausnehmung des Rohrbodenflansches mit einem im wesentlichen topfförmigen, in den Druckbehälter hineinragenden Einsatz aus hochlegiertem Werkstoff ausgerüstet ist.

Die Aufteilung des Rohrbodens in einen Flanschring aus niedriglegiertem Werkstoff und einem zentrischen topfförmigen Einsatz aus hochlegiertem Werkstoff ermöglicht es, die Verbindungsnaht zwischen Flanschring einerseits und darin eingesetzten topfförmigem weiteren Rohrbodenteil in einen Bereich zu verlegen, in dem hohe Temperaturunterschiede nicht vorkommen, beispielsweise in die Vorkammer, die im Regelfalle vom Dampf niedriger Temperatur durchströmt wird. Gleichzeitig wird derjenige Bereich, der den hohen Drücken und Temperaturunterschieden ausgesetzt ist, aus hochlegiertem Werkstoff gestaltet mit den damit verbundenen Vorteilen.

Die Erfindung sieht in Ausgestaltung vor, daß der Topfboden mit einem zentrischen, sich vom Druckbehälter zur Vorkammer hin verjüngenden Konus ausgerüstet ist, wobei der Konus von einem in die Vorkammer und den Druckbehälter ragenden Dampfsammler durchsetzt ist.

Diese Gestaltung bietet eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen Druckdifferenzen. Sie macht gleichzeitig das Problem des Einbauens eines zentrischen Dampfsammlers für das Rohrbündel im Druckbehälter möglich.

Zweckmäßig ist es, wenn in dem im wesentlichen ebenen Topfbodenbereich die Beaufschlagungsbohrungen für die Wärmetauscherrohre angeordnet sind. Dies ergibt eine konstruktiv sehr einfache und fertigungstechnisch sehr vorteilhafte Lösung, da die Anschlußbereiche der Rohrbündel in einer ebenen Fläche am Topfboden vorgesehen sind.

Sinnvoll kann es sein, wenn der zentrische Dampfsammler im Bereich des Druckgefäßes von einer Schürze umgeben ist. Diese Gestaltung macht es möglich, die Wärmetauscherrohre in den Dampfsammler im Druckbehälter in einem Totraum vorzusehen. Neben dieser Einleitung der Wärmetauscherrohre in den Bereich der Schürze kann auch vorgesehen sein, daß diese in einer Rohrplatte an dem der Vorkammer abgewandten Ende des Dampfsammlers vorgesehen sind.

Eine Möglichkeit der Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung so aufgestellt ist, daß die Vorkammer für den zu erhitzenden Dampf in Schwerkraftsrichtung am oberen Ende des Druckbehälters angeordnet ist und über die Flanschverbindung so gestaltet ist, daß das gesamte Rohrbündel nach oben ausgehoben werden kann.

Für diese Art der Aufstellung befindet sich die soeben erwähnte Rohrplatte am unteren Ende des Dampfsammlers.

Üblicherweise wird der Dampfsammler bei dieser Gestaltungsart die Vorkammer wenigstens bereichsweise durchsetzen. In diesem Falle sieht die Erfindung vor, daß in diesem Bereich der Dampfsammler mit einer Außenisolierung versehen ist, nicht zuletzt, um den überhitzten Dampf nicht wieder durch die in der Vorkammer herrschende Dampftemperatur abkühlen zu lassen.

Um Wärmespannungen noch weitergehend zu verhindern, sieht die Erfindung auch vor, daß der Dampfsammler wenigstens im Befestigungsbereich zum Topfboden zusätzlich mit einer Innenisolierung ausgerüstet ist.

Um eine noch weitergehende wirtschaftliche Herstellung der Vorrichtung zu ermöglichen, sieht die Erfindung auch vor, daß der topfförmige Einsatz zweiteilig mit einem den Konus aufweisenden Bodenteil und einem eine Auflagekrempe aufweisenden Randteil ausgebildet ist. Damit können beispielsweise einfache Drehteile aus dem hochlegierten Werkstoff hergestellt werden, die dann miteinander verschweißt werden können. Aufwendige Gestaltungen sind daher entbehrlich.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung den Schnitt durch ein Druckgefäß bzw. einen Hochdruckabhitzekessel mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie in

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Kopfbereiches mit dem Rohrboden.

Die allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung, z. B. ein Hochdruckabhitzekessel, verfügt über ein senkrecht aufgestelltes Druckgefäß 2 auf einem Ständer 3 mit einer Prozeßdampfeinführöffnung 4 im unteren Bereich des Druckgefäßes 2 und einer Austrittsöffnung 5 im oberen Druckgefäßbereich.

An seinem Kopfende weist das Druckgefäß 2 einen Flansch 6 auf, der von einem Flanschring 7 einer dort befestigten Vorkammer 8 überdeckt ist. Der Flansch 6 und der Flanschring 7 sind in der Gebrauchslage miteinander verbunden. Die Vorkammer ist mit einem Dampfeintrittsstutzen 9 und einem Dampfaustrittsstutzen 10 ausgerüstet.

Der Flanschring 7 weist eine konzentrische Innenausnehmung 11 auf, die von einem topfförmigen Einsatz 12 durchsetzt ist, der bereichsweise in das Innere des Druckgefäßes 2 hineinragt. Die Ausgestaltung dieses Einsatzes 11 ist weiter unten näher beschrieben.

Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, ist im Druckgefäß 2 ein Rohrbündel 13 vorgesehen, welches vom Einsatz 12 ausgehend das Druckgefäß durchsetzt und beim Beispiel nach Fig. 1 in eine untere Bodenplatte 14 eines zentrisch im Druckgefäß angeordneten Dampfsammlers 15 mündet.

Der Dampfsammler 15 durchsetzt den topfförmigen Einsatz 12 und durchläuft bereichsweise die Vorkammer 8, um dann im Dampfauslaßstutzen 10 zu enden.

Wie sich insbesondere aus Fig. 2 ergibt, ist die Wand des Druckbehälters 2 mit einer Isolierschicht 16 ausgerüstet. Eine entsprechende Isolierschicht 16 a ist auch am Rohrbodenflanschring 7 vorgesehen.

Wie sich ebenfalls aus Fig. 2 ergibt, weist derjenige Teil des Dampfsammlers 15, der die Vorkammer 8 durchsetzt, eine Außenisolierung 17 auf und im Übertrittsbereich von dem Druckgefäß 2 in die Vorkammer 8 zusätzlich eine Innenisolierung 18.

Wesentlich für die Erfindung ist die Gestaltung des allgemein mit 19 bezeichneten Rohrbodens, der, wie oben bereits erwähnt, mehrteilig ausgebildet ist, und zwar aus dem Flanschring 7 einerseits und einem Einsatz 12 andererseits besteht.

Der Einsatz 12 ist topfförmig gestaltet. Er besteht aus zwei Elementen, einem Topfboden 20 und einem mit einer Krempe 21 versehenen Randteil 22. Die beiden Elemente sind miteinander verschweißt. Die Krempe 21 ist in eine Ringnut am Rohrflansch 7 eingelegt und außenrandseitig verschweißt. Dies bedeutet, daß die Schweißnaht, in Fig. 2 mit 23 bezeichnet, zwischen dem Einsatz 12 und dem Rohrboden 19 zum Inneren der Vorkammer 8 hinweisend angeordnet und damit nur der dort herrschenden Temperatur ausgesetzt ist. Dies ist deswegen von besonderer Wichtigkeit, da der Einsatz 12 einerseits und der Rohrbodenflansch 7 andererseits aus unterschiedlichen Stählen gebildet sind, so daß es sich bei der Schweißnaht 23 um eine sogenannte Mischnaht handelt, die keinen besonderen Belastungen ausgesetzt sein soll, was durch die erfindungsgemäße Gestaltung erreicht wird.

Im Topfboden 20 sind die Beaufschlagungsbohrungen 24 für die mit 25 bezeichneten Wärmetauscherrohre vorgesehen. In der Mitte weist der Topfboden 20 einen Konus 26 auf, der sich zur Vorkammer 8 hin verjüngt und in dem zentrisch der Dampfsammler 15 eingeschweißt ist. Die Isolierung 17 des Dampfsammlers innerhalb der Vorkammer 8 bedeckt im dargestellten Beispiel auch die Schweißnaht zwischen dem Konus 26 und dem Dampfsammler 15.

Der Dampfsammler 15 ist im dargestellten Beispiel mit einer Schürze 27 ausgerüstet, die weitestgehend eine Strömung des Prozeßgases im Druckgefäß 2 von diesem Bereich des Dampfsammlers 15 fernhält. Im unteren Bereich der Fig. 2 ist die Möglichkeit eingezeichnet, daß die Wärmetauscherrohre 25 im Bereich dieser Schürze 27 mit dem Dampfsammler 15 verbunden sein können. Die Endpunkte sind mit 28 bezeichnet. Darüber hinaus können die Wärmetauscherrohre 25 auch mit der Bodenplatte 14 des Dampfsammlers 15 verbunden sein, wie dies weiter oben bereits erwähnt wurde und in Fig. 1, untere Figurenhälfte, dargestellt ist.

Die Funktionsweise kann dabei die folgende sein:

Ein Prozeßgas mit beispielsweise einer Temperatur von 800°C tritt bei 4 in das Druckgefäß 2 ein, durchströmt dieses von unten nach oben und verläßt das Druckgefäß 2 durch den Rohrstutzen 5.

Umgekehrt tritt beispielsweise der zu überhitzende Dampf in den Rohrstutzen 9 der Vorkammer 8 ein, wird von dort über den Einsatz 12 auf die einzelnen Wärmetauscherrohre 25 verteilt, durchströmt das Bündel 13 und tritt in den zentrischen Dampfsammler 15 ein; durchströmt den Dampfsammler 15 und tritt bei 10 wiederum aus der Vorrichtung 1 aus.

Das Prozeßgas kann sich auf diesem Weg z. B. von 800°C auf 500°C unter Wärmeabgabe abkühlen, während der Dampf von beispielsweise 380°C auf 700°C erhitzt wurde.

Wie insbesondere aus Fig. 2 erkennbar ist, kann mit einfachen Mitteln die Vorkammer 8 mit dem Dampfsammler 15 und dem daran befestigten Rohrbündel 13 nach Lösen der Flanschverbindung zwischen dem Flansch 6 und dem Flansch 7 ausgehoben werden, was eine einfache Montage und eine einfache Wartung möglich macht.

Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So ist die Erfindung nicht auf die hier dargestellte hängende Anordnung der Rohrbündel beschränkt. Der Wärmetauscher und das Druckgefäß können beispielsweise horizontal angeordnet sein oder aber auch auf dem Kopf stehend. In diesem Falle könnte zur Wartung beispielsweise die eine Hülse bildende Gefäßwand des Druckgefäßes 2 abhebbar ausgestaltet sein u. dgl. mehr.

Claims (8)

1. Vorrichtung als Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Prozeßgas oder zur Überhitzung von Dampf, mit einem Druckbehälter als Wärmetauschergefäß und mit einem über einen Rohrboden befestigten Rohrbündel und einer dem Rohrboden zugeordneten Vorkammer, wobei der Rohrboden und/oder die Vorkammer mit dem Druckgefäß bereichsweise über Flansche verbunden sind/ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rohrboden (19) aus einem Flanschring (7) aus niedriglegiertem Werkstoff mit einer konzentrischen Innenausnehmung (11) gefertigt und in der Gebrauchslage auf der dem Druckgefäß (2) zugewandten Seite mit einer Isolierschicht (16 a) versehen ist und daß
die Innenausnehmung (11) des Rohrbodenflansches (7) mit einem im wesentlichen topfförmigen, in den Druckbehälter (2) hineinragenden Einsatz (12) aus hochlegiertem Werkstoff ausgerüstet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfboden (20) mit einem zentrischen sich vom Druckbehälter zur Vorkammer (8) hin verjüngenden Konus (26) ausgerüstet ist, wobei der Konus (26) von einem in die Vorkammer (8) und den Druckbehälter (2) ragenden Dampfsammler (15) durchsetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem im wesentlichen ebenen Topfbodenbereich (20) die Beaufschlagungsbohrungen (24) für die Wärmetauscherrohre angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrische Dampfsammler (15) im Bereich des Druckgefäßes von einer Schürze (27) umgeben ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung der Wärmetauscherrohre (25) in den zentrischen Dampfsammler (15) im Bereich der Schürze (27) und/oder in eine Rohrplatte (14) an dem der Vorkammer (8) abgewandten Ende des Dampfsammlers vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfsammler (15) die Vorkammer (8) bereichsweise durchsetzt und in diesem Bereich mit einer Außenisolierung (17) versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfsammler (15) wenigstens im Befestigungsbereich zum Topfboden (26, 27) zusätzlich mit einer Innenisolierung (18) ausgerüstet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der topfförmige Einsatz (12) zweiteilig mit einem den Konus (26) aufweisenden Bodenteil (20) und einem eine Auflagekrempe (21) aufweisenden Randteil (22) ausgebildet ist.