DE3640970C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmetauscher für den Betrieb bei hohen Gastemperaturen und hohen mantelseitigen Drücken, insbesondere Spaltgaskühler.

Derartige Rohrbündelwärmetauscher bestehen aus einem zylindrischen Mantel, der durch zwei Rohrböden abgeschlossen ist. Die Kühlrohre, durch die parallel zur Mantelachse das Gas strömt, sind in die Rohrböden eingelassen. Die Kühlrohre werden von außen umströmt. Je nach Anordnung unterscheidet man zwischen stehenden und liegenden Wärmetauschern.

Die Ausführung der Rohrböden bereitet keine besonderen Schwierigkeiten. Bei Spaltgaskühlern, bei denen die Gaseintrittstemperatur jedoch über 800°C liegt, die mantelseitig mit Drücken von über 100 bar beaufschlagt werden, wird der Rohrboden auf der Gaseintrittsseite sehr heiß und muß daher, um die im Boden auftretenden Temperaturspannungen niedrig zu halten, extrem dünn ausgeführt werden, damit die mantelseitige Kühlung gewährleistet ist. Die sich im Betrieb auf der Wasserseite bildende Schutzschicht aus Magnetit, die den Stahl vor der weiteren Oxydation weitgehend schützt, muß erhalten bleiben. Es muß also darauf geachtet werden, daß trotz der hohen Belastung, der der Rohrboden ausgesetzt ist, sich die Verformungen in Grenzen halten, damit diese Magnetitschutzschicht nicht zerstört wird.

Um bei Spaltgaskühlern, die unter den o. g. Bedingungen arbeiten müssen und die wegen der auftretenden Temperaturspannungen mit sehr dünnen "heißen" Rohrböden ausgeführt wurden, die Belastungen aufnehmen zu können, hat man an dem sogenannten heißen Rohrboden senkrecht zu seiner Mittelebene, über die Rohrbodenfläche in durchgehenden Rohrgassen gleichmäßig verteilt, Ankerbolzen geschweißt, die auf der Gegenseite an sehr steifen Traversen befestigt wurden, die sich an entsprechend stark ausgeführten Schmiederingen am Behältermantel abstützten.

Der sogenannte kalte Rohrboden des Spaltgaskühlers wurde entsprechend seiner Belastungen starkwandig dimensioniert. Der Berechnungsaufwand dieser Konstruktion ist groß.

Der Heißgaskühler nach der DE-OS 16 01 214 entspricht in etwa diesem zuvor beschriebenen Stand der Technik. Der sogenannte heiße Rohrboden weist senkrecht zu seiner Mittelebene Zuganker auf, die an einer kuppelartigen Haube befestigt sind. Diese Haube wird vom Innenbord des Mantelflansches getragen. Der Mantelflansch muß dementsprechend starkwandig ausgeführt werden.

Bei dem Rohrbündelwärmetauscher bzw. Rohrbodenanschluß für Behälter mit einem Rohrbündel nach der DE 26 42 800 A1 wird eine Ausführung mit sogenanntem Membranboden beschrieben, die sich zwar für Wärmetauscher mit hohen Auslegedrücken eignet, nicht aber für solche, bei denen hohe Gastemperaturen auftreten. Bei hohen Temperaturen würde sich der Membranboden mit verstärktem Randring unweigerlich verziehen. Die in dieser Druckschrift beschriebene Konstruktion weist keine Anker auf, die die Böden abspannen. Im Mittelbereich des Wärmetauschers sind keine wendelförmig ausgebildeten Rohrböden erkennbar.

Der Wärmetauscher nach der DE 26 56 412 C2 ist bei hohen Gaseintrittstemperaturen nicht verwendbar. Die extrem dicken Rohrböden würden aufgrund der Belastungen zu nicht zulässigen Wärmespannungen im Rohrboden selbst führen. Im oberen Bereich des Wärmetauschers bilden die Rohre zwar einen Dehnungsbogen, der aber im Vergleich zu Axialwendel zur Aufnahme extrem großer Wärmedehnungen nicht geeignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Konstruktion für die Ausführung eines Rohrbündelwärmetauschers, insbesondere Spaltgaskühlers, und hier insbesondere für die Rohrböden eines solchen Kühlers, der für hohe Gastemperaturen und mantelseitige Drücke geeignet sein soll, zu schaffen, die wirtschaftlicher und mit möglichst geringem Berechnungsaufwand zu erstellen ist. Dabei geht es vor allem darum, unter Wegfall der Schmiederinge die kostenintensiven Rohrböden leichter und preisgünstiger auszuführen, ohne dabei die Standzeit des Wärmetauschers zu verringern.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe in der Weise gelöst, wie es im Patentanspruch angegeben ist.

Durch die mit der Erfindung vorgeschlagene Kombination zweier dünner Rohrböden, die über Zuganker miteinander verbunden sind, und Wärmetauscherrohre, die über einen großen Bereich der Wärmetauscherlängsachse in Wendelform ausgeführt sind, lassen sich die bei hohen mantelseitigen Drücken und Gastemperaturen auftretenden Belastungen schadlos auffangen. Die gleichmäßige Temperaturbeaufschlagung des Mantels und der Anker, die somit gleichen Wärmeausdehnungen unterworfen sind, lassen den bisher gefährdeten Membranzonenbereich der Rohrböden vollkommen verschwinden, so daß der Berechnungsaufwand für die Rohrböden in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sich auf die größte eingeschriebene Fläche zwischen den Zugankern beschränkt und somit relativ gering ist. Man kann sich auf Berechnungen im Rahmen der einschlägigen technischen Regelwerke beschränken. Die mit höherer Temperatur beaufschlagten gewendelten Rohre geben nur einen geringen Teil ihrer Wärmeausdehnungen als Belastung auf die Rohrböden ab, da der größte Teil der Dehnung durch die Flexibilität der Wendel aufgenommen wird.

Dickere und entsprechend teure Bauteile, wie die Ausführung nach dem Stand der Technik sie vorsieht, sind bei der erfindungsgemäßen Konstruktion nicht notwendig.

An Hand der schematischen Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher,

Fig. 2 eine Draufsicht eines Teilstückes eines Rohrbodens und

Fig. 3 eine vergrößerte Teillängsansicht von Rohren, Zugankern und Rohrboden.

Fig. 1 zeigt einen liegend angeordneten Wärmetauscher, wie er beispielsweise als Spaltgaskühler verwendet werden kann.

Die äußere Struktur des Wärmetauschers wird durch einen druckfesten Mantel (1) mit den druckfesten Eintritts- und Austrittskammern (2, 3) gebildet. Die Eintrittskammer (2) weist eine feuerfeste Ausmauerung (4) auf.

Das zu kühlende Gas strömt in Pfeilrichtung über die Eintrittskammer (2) in die Rohre (5) des Wärmetauschers. Die Rohre (5) werden in den Rohrböden (6, 7) gehalten, die in den Mantel (1) eingeschweißt sind. Der Schmiedering (8) ist, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, nur bei ausgemauerter Eintrittskammer erforderlich und wird in Abhängigkeit von der Ausmauerungsdicke (4) dimensioniert. Über den Stutzen (10) seitlich aus der Austrittskammer (3) tritt das gekühlte Gas in Pfeilrichtung aus.

Das Kühlmedium, das die Wärmetauscherrohre (5) umspült, tritt über den Zulaufstutzen (11) ein, kühlt den Boden (6) und tritt über den Auslaufstutzen (12) aus.

Zwischen den Rohrböden (6, 7) erstrecken sich über die Längsachse des Wärmetauschers die Wärmetauscherrohre (5), die wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, in Teilkreisen der Rohrböden angeordnet sind. In jedem zweiten Teilkreis sind Zuganker (9) angeordnet, die die beiden Rohrböden (6, 7) abspannen.

Wie in Fig. 1 angedeutet, weisen die Wärmetauscherrohre (5) in den Bereichen I und III eine gerade Form auf, während sie im Bereich II gewendelt ausgeführt sind.

Claims (1)

1. Rohrbündelwärmetauscher für den Betrieb bei hohen Gastemperaturen und hohen mantelseitigen Drücken, insbesondere Spaltgaskühler

   • - mit je einem dünnen Rohrboden (6, 7) auf der Gaseintritts- und Gasaustrittsseite
   • - mit auf Teilkreisen der Rohrböden angeordneten Wärmetauscherrohren (5), die zwischen den beiden Rohrböden (6, 7) einen in Rohrlängsachse wendelförmigen Bereich aufweisen, wobei die Rohre (5) geradlinig in die Rohrböden (6, 7) übergehen und die Länge der geraden Rohrabschnitte am gaseintrittsseitigen Rohrboden (6) größer ist als am gasaustrittsseitigen Rohrboden (7) und
   • - mit auf jedem zweiten Teilkreis der beiden Rohrböden (6, 7) angeordneten, die Böden abspannenden Zugankern (9).