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