DE3811852C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Wärmetauscher sind aus der GB-21 37 330 bekannt.

Der bekannte Wärmetauscher ist mit einer Vielzahl zueinander paralleler, horizontaler Tauscherrohre versehen, durch welche kondensierender Dampf hindurchströmt. Jedes Tauscherrohr ist an seinem Auslaßende mit einer Strömungsdrossel versehen, wobei die Drosseln über ihren gesamten Querschnitt mit Kondensat angefüllt sind. Damit wird ein Rückströmen von Dampf aus der Auslaß-Sammelleitung in den Auslaß bestimmter Rohre vermieden, weil durch das Kondensat ein Flüssigkeitsverschluß besteht. Verständlicherweise ist ein solcher Kondensat-Flüssigkeitsverschluß nur bei horizontalen Tauscherrohren möglich. Die Strömungsdrosseln des bekannten Wärmetauschers haben die Form von untereinander unabhängigen Einsätzen für das Ende jedes Tauscherrohrs und sind aus den Tauscherrohren herausnehmbar. Sollen die Drosseln insgesamt entfernt werden, etwa zum Zweck des Austausches, dann ist es erforderlich, jede Drossel einzeln aus ihrem zugehörigen Rohrende herauszunehmen.

Weiterhin sind Wärmetauscher bekannt, bei denen die Tauscherrohre vertikal verlaufen. Ein solcher bekannter Wärmetauscher wobei es sich um einen Erdölverdampfer handelt, ist in Fig. 5 dargestellt.

Dort wird flüssiges Erdöl in einen trommel- oder zylinderartigen Behälter 2 eingeleitet, und zwar tritt das flüssige Erdöl durch ein Einlaßrohr 1 in ein Kopfstück 3 und wird dann durch Sprühdüsen 4 zu feinen Teilchen zerstäubt und in die einlaßseitige Wasserkammer 5 eingesprüht. Ein im wesentlichen aus Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas bestehendes Zumischgas wird durch eine Mischgasleitung 6 ebenfalls in die einlaßseitige Wasserkammer 5 eingeleitet, in der das Zumischgas mit dem zerstäubten Erdöl vermischt wird. Das Mischgas wird dann den Tauscherrohren 7 zugeführt, die in Parallelanordnung eine Wärmetauschkammer 7 a durchsetzen, wobei jedes der Tauscherrohre 7 an seinen beiden Enden durch Rohrplatten 12 a und 12 b und in seinem Mittelbereich durch Halteplatten 13 a und 13 b gehaltert ist, die an der Innenwand des Behälters 2 befestigt sind.

Das den Tauscherrohren 7 zugeführte Mischgas strömt durch die Rohre und wird dabei durch den Wärmeaustausch erhitzt, der zwischen dem Mischgas in den Tauscherrohren 7 und dem Heizgas stattfindet, das durch den Heizgas-Einlaß 10 in den Behälter 2 eingeleitet wird und an den Außenflächen der Tau­ scherrohre 7 entlangströmt. Infolge des Wärmeaustausches wird das im Mischgas enthaltene Erdöl verdampft und strömt als überhitztes Gas zur auslaßseitigen Wasserkammer 8, die sich im Behälter 2 entgegengesetzt der einlaßseitigen Wasserkammer 5 befindet. Das Mischgas wird daraufhin als gasförmiger Brenn­ stoff einem nicht dargestellten Reaktor zugeführt, und zwar durch einen Brennstoffgas-Auslaß 9, der sich in der Wandung der auslaßseitigen Wasserkammer 8 befindet, worauf dann der gasförmige Brennstoff einem ebenfalls nicht dargestellten Um­ former zugeführt wird.

Das in den Behälter 2 eingeleitete Heizgas fließt mäanderar­ tig entlang der Außenfläche der Wärmetauschrohre 7. Während dieses Vorgangs wird die Temperatur des Heizgases durch den Wärmetausch zwischen Heizgas und Mischgas der Tauscherrohre 7 vermindert. Das Heizgas wird dann schließlich über einen Heiz­ gas-Auslaß 11 aus dem Gehäuse 2 entlassen. Selbstverständlich ist es wünschenswert, daß sich der Heizgas-Einlaß 10 nahe be­ nachbart der Rohrplatte 12 a und der Heizgas-Auslaß 11 nahe benachbart der Rohrplatte 12 b befindet.

Bei einem Erdölverdampfer der beschriebenen Konstruktion kann eine sogenannte Rezirkulation auftreten, also eine Rückwärts­ strömung des erhitzten Brennstoffgases von der auslaßseitigen Wasserkammer 8 durch die Tauscherrohre 8 hindurch in einer der normalen Strömungsrichtung entgegengesetzten Richtung zur einlaßseitigen Wasserkammer 5 hin, und zwar dann, wenn das von den Sprühdüsen 4 zerstäubte Erdöl in ungleichmäßiger Menge zu­ sammen mit dem Mischgas in die Tauscherrohre 7 eingespeist wird. In diesem Fall kann dann eine konstante Strömungsmenge von flüssigem Erdöl durch die entsprechenden Tauscherrohre 7 hindurch nicht aufrechterhalten werden.

Wird ein Mittelwert der Strömungsmenge des flüssigen Erdöls sichergestellt, dann kann dessen statisches Druckgefälle auf­ rechterhalten werden, und der Innendruck in der auslaßseitigen Wasserkammer 8 bleibt höher als derjenige in der einlaßseitigen Wasserkammer 5, wohingegen dann, wenn die Strömungsmenge des flüssigen Erdöls beträchtlich unter dem Strömungsmenge-Mittel­ wert liegt, das statische Druckgefälle jedenfalls erniedrigt ist, und das Druckverhältnis zwischen Wasserkammer 5 und Wasser­ kammer 8 durch die Tauscherrohre 7 hindurch kann sich umkehren. In einem solchen Umkehr-Zustand strömt das erhitzte Brenngas in der auslaßseitigen Wasserkammer 8 in umgekehrter Richtung aus der Wasserkammer 8 in Richtung zur einlaßseitigen Wasserkammer 5, d. h. es beginnt eine Rezirkulation des erhitzten Brennstoffga­ ses.

Es wurden Simulationsversuche durchgeführt, um die Möglichkeit des Auftretens der Rezirkulation zu untersuchen. Dabei zeigte sich, daß das flüssige Erdöl einer Strömungsmenge doppelt dem Strömungsmenge-Mittelwert in einem bestimmten Tauscherrohr 7 maximaler Durchflußmenge strömt und daß das flüssige Erdöl ei­ ner Strömungsmenge mit nur etwa dem halben Strömungsmenge­ Mittelwert in einem bestimmten Tauscherrohr 7 minimaler Durch­ flußmenge strömt. Aus diesen Simulationsversuchen kann ge­ schlossen werden, daß das erhitzte Brennstoffgas im Tauscher­ rohr minimaler Durchflußmenge bei etwa halbem Strömungsmenge- Mittelwert in umgekehrter Richtung fließen muß.

Bei einem Auftreten von Rezirkulation des erhitzten Brennstoff­ gases können die Rohrplatte 12 a der einlaßseitigen Wasserkam­ mer 5 und das Tauscherrohr 7 durch schnelle Temperaturänderun­ gen beeinträchtigt werden, und es ergeben sich extrem große thermische Spannungen. Die Wiederholung des Rezirkulationseffekts kann schließlich zu einem Bruch dieser Bauteile infolge Material­ ermüdung führen.

Ausgehend von dem eingangs erwähnten Wärmetauscher mit horizontalen Tauscherrohren ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher mit vertikalen Tauscherrohren zu schaffen, bei dem ein Zurückströmen des zugeführten Gases vermieden und der leicht zu warten ist, insbesondere der Austausch der Drosselkörper schnell und mühelos erfolgen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Besonders zweckmäßige Ausgestaltungen des Wärmetauschers sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 4 in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Wärmetauscher,

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt zur Darstellung einer Lagerscheibe und eines Drosselkörpers des Wärmetauschers von Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht von unten her, wobei Teile weg­ gebrochen sind, auf den Wärmetauscher, und zwar in Richtung der Pfeile III-III von Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt ähnlich Fig. 2 zur Darstellung ei­ ner weiteren Form des Wärmetauschers und

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch einen Wärmetauscher vorbekannter Bauart.

In Fig. 1 ist ein Behälter 21 dargestellt, der die Form einer Trommel oder eines Zylinders hat. Im Behälter 21 sind Rohrplatten 22 a und 22 b zum Haltern der Tauscherrohre angeordnet, welche eine einlaßseitige Wasserkammer 23 und eine auslaßseitige Wasserkammer 24 an den axialen Enden des Behälters 21 begrenzen. Zwischen den beiden Wasserkammern 23 und 24 befindet sich ein mittlerer Wärme­ tauschdurchgang 25 a, der durch eine Vielzahl metallischer Tau­ scherrohre 25 durchsetzt wird, die parallel zueinander angeord­ net sind, derart, daß beide Enden jedes Tauscherrohrs 25 durch die Rohrplatten 22 a und 22 b gehaltert sind. Die Tauscherrohre 25 stehen mit der einlaßseitigen und mit der auslaßseitigen Wasserkammer 23 bzw. 24 in Verbindung. Die Tauscherrohre 25 sind außerdem an zwischenliegenden Stellen durch mehrere Plat­ ten 28 a und 28 b gehaltert, welche im wesentlichen die Form von Halbkreisscheiben haben und in vertikaler Richtung abwechselnd an einer der beiden Seiten angeordnet sind. Ein Heizgaseinlaß 26 ist in die Behälterwandung eingesetzt, und zwar im Bereich des Wärmetauschdurchgangs 25 a nahe der oberen Rohrplatte 22 a. Ein Heizgasauslaß 27 ist in die Behälterwandung an einer Stelle innerhalb des Wärmetauschdurchgangs 25 a nahe der unteren Rohrplat­ te 22 b eingesetzt.

Ein Einlaßrohr 29 zum Zuführen flüssigen Erdöls mündet in die einlaßseitige Wasserkammer 23 und verläuft koaxial zum Behälter 21. Das durch das Einlaßrohr 29 zugeführte flüssige Erdöl wird mittels Sprühdüsen 30 in feine Tröpfchen zerstäubt. Die Sprüh­ düsen 30 befinden sich an einem Kopfstück 31, das am Innen­ ende des Einlaßrohres 29 befestigt ist. Die zerstäubten Erdöl­ tröpfchen werden mit einem Zumischgas vermischt, das im we­ sentlichen aus Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas besteht, wobei das Zumischgas durch einen Zumischgas-Einlaß 32 in die einlaßseitige Wasserkammer 23 eingeleitet wird. Das sich er­ gebende Mischgas strömt von der einlaßseitigen Wasserkammer 23 durch die Tauscherrohre 25 hindurch zur auslaßseitigen Wasserkammer 24. Das Heizgas strömt vom Heizgaseinlaß 26 zum Heizgasauslaß 27, und zwar mäanderartig infolge der Anwesen­ heit der halbkreisförmigen Platten 28 a und 28 b. Der effektive Wärme­ tauschvorgang zwischen dem Heizgas und dem durch die Tauscher­ rohre 25 strömenden Mischgas kann somit auf wirksame Weise er­ folgen. Nach erfolgtem Wärmetauschvorgang wird das Mischgas in die auslaßseitige Wasserkammer 24 eingeleitet und verläßt diese durch eine Auslaßleitung 33 als Brennstoffgas.

Der bisher beschriebene Aufbau und Betrieb des als Erdölver­ dampfer dienenden Wärmetauschers sind im wesentlichen gleich dem vorbekannten Verdampfer gemäß Fig. 5.

Der in Fig. 1 dargestellte Erdölverdampfer nach der Erfindung weist nun darüber hinaus einen Tragkörper 34 in Form einer Scheibenplatte auf, die an den Mündungsenden der Tauscherrohre 25 entsprechenden Stellen mit Durchbohrungen 36 versehen ist, deren Innenfläche als Muttergewinde ausgebildet ist. Der Trag­ körper 34 ist lösbar an mittels Schraubbolzen 35 an der unteren Rohrplatte 22 b befestigt. Außerdem weist der Wärmetauscher eine Vielzahl metallischer Drossel­ körper 37 für die Gaströmung auf, die einstellbar die unteren Mündungsenden der Tauscherrohre 25 berühren und in die unteren Mündungen der Tauscherroh­ re 25 eingesetzt sind.

Der Tragkörper 34 und die Drosselkörper 37 sind in den Fig. 2 und 3 im einzelnen dargestellt.

Jede der Durchbohrungen 36 des Tragkörper 34 hat einen Durch­ messer, der um einen konstanten Betrag größer ist als der Aus­ sendurchmesser des Tauscherrohrs 25, wie dies auch aus Fig. 2 ersichtlich ist. Bei dem Drosselkörper 37 handelt es sich um einen zylindrischen oder rohrförmigen Körper aus Metall mit einem oberen sich verjüngenden Teil 39 und einem unteren Zylinderteil 38, das mit einem Außengewinde versehen ist, welches in das Muttergewinde der Durchbohrung 36 eingreift, wenn der Drosselkörper 37 in das Tauscherrohr 25 eingesetzt wird.

Der Teil 39 liegt am Endflächenbereich des Tau­ scherrohrs 25 an, so daß sich ein inniger Metall-Metall-Kon­ takt ergibt. Eine kleine axiale Mittelbohrung 37 a durchsetzt den Drosselkörper 37 im wesentlichen zentral, womit das Hindurchströmen von Gas gedrosselt wird. In die äußere Endfläche des Drosselkörpers 37 ist, wie in den Fig. 2 und 3 ersichtlich, eine Nut 40 für den Eingriff eines Schraubwerk­ zeugs eingeformt, womit es möglich ist, den Drosselkörper 37 zu drehen, wenn er in das Tauscherrohr 25 eingesetzt werden soll.

Der Wärmetauscher eben beschriebener Konstruktion arbeitet fol­ gendermaßen.

Das flüssige, durch die Sprühdüsen 30 in die einlaßseitige Wasserkammer 23 eingesprühte Erdöl wird in dieser mit dem Zu­ mischgas des Zumischgas-Einlasses 32 vermischt, und das sich dabei ergebende Mischgas wird in die Tauscherrohre 25 verteilt. Auf einem Weg durch die Tauscherrohre 25 hindurch wird das Mischgas durch das Heizgas erhitzt, welches entlang der äuße­ ren Oberfläche der Tauscherrohre 25 strömt, worauf dann das erhitzte Gas in die auslaßseitige Wasserkammer 24 als Brennstoffgas eingeleitet wird, und zwar durch die Mittelbohrungen 37 a der sich verjüngenden Drosselkörper 37 hindurch. Beim Durchgang durch die Mittelbohrungen 37 a wird der Strom an erhitztem Gas gedrosselt, womit sich ein Druckabfall an dieser Stelle ergibt. Damit nimmt der statische Druck nahe der Auslaßmün­ dungen der Tauscherrohre 25 ab, und der Druckunterschied zwi­ schen dem Einlaß und dem Auslaß der Wärmetauscherrohre 25 steigt an.

Selbst dann also, wenn die Strömungsmenge des Zumischgases infolge einer ungleichmäßigen Strömungsmenge des flüssigen Erdöls beträchtlich ansteigt, kann das Druckverhältnis zwi­ schen der einlaßseitigen und der auslaßseitigen Wasserkammer 23 bzw. 24 nicht umgekehrt werden. Somit aber kann keine Re­ zirkulation des Brennstoffgases von der auslaßseitigen Wasser­ kammer 24 zur einlaßseitigen Wasserkammer 23 auftreten. Schließlich wird auch ein extrem schneller Temperaturanstieg der Tauscherrohre 25 wirkungsvoll vermieden.

Der Teil 39 der Drosselkörper 37 liegt nach dem Zusammenbau dicht an der Endfläche des Tauscherrohres 25 an, womit sich eine einwandfreie Abdichtung ergibt, der er­ wähnte Druckabfall an dieser Stelle gewährleistet ist und ei­ ne direkte Strömung des Brennstoffgases in die auslaßseitige Wasserkammer 24 verhindert wird. Wenn die Rohrplatte 22 b durch Restspannungen, wie sie sich beim Anschweißen der Tauscherrohre 25 an die Rohrplatte 22 b ergeben können, verformt ist und die Tau­ scherrohre 25 nicht genau an der gewünschten Stelle sitzen, so ist trotzdem die Abdichtung gewährleistet, und zwar des­ halb, weil der Ort der sich verjüngenden Drosselkörper 37 wunschgemäß justiert werden kann, und zwar infolge der Ver­ schraubungsmöglichkeit zwischen dem Tragkörper 34 und dem Drosselkörper 37.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung sich verjüngender Drossel­ körper 37 wird nachfolgend erläutert. Wenn ein üblicher Dich­ tungskörper, beispielsweise eine Packung, zur Abdichtung des Auslaßendes des Tauscherrohres verwendet würde, dann bestünde die Gefahr einer schnellen Zerstörung der Packung, weil die Temperatur des Brennstoffgases auf etwa 300°C und höher an­ steigt. Aus diesem Grund kann mit einer üblichen Dichtung der erwünschte Dichtungseffekt nicht gewährleistet werden. Demgegenüber erbringen die Tauscher­ rohre 15 und die Teile 39 der Drosselkörper 37 einen di­ rekten Metall-Metall-Kontakt, womit die Verwendung einer Packung überflüssig und ein ausgezeichneter Abdichtungsef­ fekt gewährleistet wird.

Fig. 4 zeigt eine weitere Form des Konstruktionsteils von Fig. 2, wobei die Tauscherrohre 25 an Stellen dicht an­ geschweißt sind, die mit konstantem Abstand von der unteren Oberfläche der Rohrplatte 22 b her gesehen nach innen ver­ setzt sind. Bei dieser Form besteht noch weniger die Möglichkeit eines Vorstehens der Enden der Tauscherrohre 25 einschließlich der Schweißstellen über die Oberflächen der Rohrplatte 22 b hinaus. Außerdem ist gemäß Fig. 4 eine Scheibe 41 vorgesehen, die eine Vielzahl von Gewindelöchern 42 aufweist, deren jedes einen Durchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Tauscherrohres 25 ist, wobei der Schraubteil 44 des Drosselkörpers 43 in dieses Gewindeloch 42 eingeschraubt ist.

In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen 45 und 46 einen sich verjüngenden Teil und eine Nut des rohrförmigen Drosselkörpers 43, wobei diese Teile den Teilen 39 und 40 des rohrförmigen Drosselkörpers 37 der Fig. 2 und 3 entsprechen.

Der rohrförmige Drosselkörper 43 von Fig. 4 wirkt im wesentli­ chen in der gleichen Weise wie der Drosselkörper 37 der ersten Aus­ führungsform, so daß sich eine ins Einzelne gehende Beschrei­ bung erübrigt.

Bei der Ausführungsform von Fig. 4 kann der Drosselkörper 43 im Ver­ gleich mit dem Drosselkörper 37 der ersten Ausführungsform sehr kom­ pakt gestaltet werden, was seine Handhabung beim Zusammenbau der Anlage erleichtert.

Wie ausführlich beschrieben worden ist, wird bei dem Wärmetauscher für jedes Tauscherrohr ein die Gasströmung drosselnder Drosselkörper vorgesehen, wobei die­ ser Drosselkörper mittels eines Tragkörpers an der unteren Mündung des sich in die auslaßseitige Wasserkammer öffnende Tauscherrohres befestigt ist. Die Folge ist, daß der Druck­ abfall an der unteren Mündung, also dem unteren Auslaß jedes Tauscherrohrs gesteigert werden kann. Aus diesem Grund kann unter den verschiedensten Betriebsbedingungen des Wärmetau­ schers es nicht vorkommen, daß sich das Druckverhältnis zwi­ schen der einlaßseitigen und der auslaßseitigen Wasserkammer umkehrt. Eine Rezirkulation des Brennstoffgases von der aus­ laßseitigen Wasserkammer zur einlaßseitigen Wasserkammer wird also vermieden, womit die Rohrplatten, die Tauscherrohre und ähnliche Bauelemente gegen Brüche und Zerstörungen durch Ma­ terialermüdung geschützt werden.

Claims (5)

1. Wärmetauscher mit einem Gehäuse, das durch zwei Rohrplatten in eine eingangsseitige Wasserkammer, einen mittleren Wärmetauschdurchgang und eine ausgangsseitige Wasserkammer unterteilt ist, und aus einer Vielzahl metallischer Tauscherrohre, die in Parallelanordnung derart im Wärmetauschdurchgang angeordnet sind, daß sich ihre eingangsseitigen, mit eingangsseitigen Rohrplatte verbundenen Enden in die eingangsseitige Wasserkammer und ihre ausgangsseitigen, mit der ausgangsseitigen Rohrplatte verbundenen Enden in die ausgangsseitige Wasserkammer öffnen, wobei im ausgangsseitigen Mündungsbereich der Tauscherrohre Drosselkörper angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei sich vertikal erstreckenden Tauscherrohren (25) an der unteren Rohrplatte (22 b) ein Tragkörper (34) lösbar befestigt ist, der eine Vielzahl von Durchbohrungen (36) aufweist, die sich in den Mündungen der Tauscherrohre (25) entsprechenden Stellen befinden, und daß die metallischen Drosselkörper (37) einstellbar am Tragkörper (34), mit dessen Durchbohrungen (36) fluchtend, derart befestigt sind, daß jeder Drosselkörper (37 die Mündung des ihm zugeordneten Tauscherrohrs (25) abdichtend kontaktiert.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Drosselkörper (37) mit einer kleinen Mittelbohrung (37 a), die sich durch den Körper hindurch erstreckt, einem oberen Teil (39) mit sich verjüngender Oberfläche, der in die untere Mündung des Tauscherrohrs (25) eingesetzt ist, und mit einem unteren Zylinderteil (38), der kontinuierlich in den oberen sich verjüngenden Teil (39) übergeht, versehen ist, wobei der Teil (39) mit einem Teil seiner Oberfläche die untere Endfläche des zugehörigen Tauscherrohrs 25) berührt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der untere Zylinderteil (38) des Drosselkörpers (37) eine Außenfläche aufweist, in die Schraubengänge eingeschnitten sind, und daß jede der Durchbohrungen (36) des Tragkörpers (34) mit dem Schraubgewinde des unteren Zylinderteils (38) des Drosselkörpers (37) verschraubbar ist,

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbohrungen (36) des Tragkörpers einen Durchmesser aufweisen, der im wesentlichen gleich ist dem Außendurchmesser der Tauscherrohre (25).

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (34) eine Scheibenplatte ist.