DE3908277C2 - Erosionsschutz für Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Wärmetauscher, wie er beispielsweise in der DE- 37 15 712 C1 beschrieben wird, besteht aus einer Vielzahl von Doppelrohren, die innenseitig von heißen Prozeßgasen durchströmt und gleichzeitig außen von Speisewasser umströmt werden. Bei den Prozeßgasen handelt es sich um Spaltgas mit einer Temperatur von z. B. 840°C, das aus Öfen zum Wärmetau­ scher, der auch Spaltgaskühler oder Quenchboiler genannt wird, geleitet wird.

Während des bestimmungsgemäßen Betriebes der Anlage entsteht sowohl an der Innenseite der Ofenrohre als auch an der gas­ seitigen Wand der Doppelrohre des Wärmetauschers ein Koksbe­ lag, der in periodischen Abständen abgebrannt werden muß. Beim Abbrennen des Koksbelags in den Ofenrohren lösen sich feinste Partikel, die mit dem Gasstrom auf den Wärmetauscher treffen. Die Eintritts-Rohrplatte des Wärmetauschers ist da­ durch starken Materialabzehrungen infolge Erosion ausge­ setzt. Da aber die Wanddicken des Wärmetauschers möglichst gering sein müssen, damit ein guter Wärmeaustausch zwischen dem wärmeabgebenden heißen Spaltgas und dem wärmeaufnehmen­ dem Kühlmedium erfolgt, sind nur geringe Materialabzehrungen an der Eintrittsrohrplatte tolerierbar. Wenn das Material zu stark geschwächt ist, sind Reparaturen und unerwünschte Stillstandszeiten der Anlage notwendig.

Aus der GB-15 32 757 ist ein Wärmetauschersystem für gasge­ kühlte Hochtemperaturreaktoren bekannt, bei dem Wärme von einem Hochtemperatur-Primärgas, das von einem Reaktor abge­ geben wird, auf ein Arbeitsgas übertragen wird. Dieses Wär­ metauschersystem soll möglichst große Arbeitsgastemperaturen verwirklichen, ohne daß das Material des Wärmetauschers un­ zulässigen thermischen Dehnungen ausgesetzt ist. Unter an­ derem weist dieser bekannte Wärmetauscher einen statischen Mischer auf, der im Zuführrohr für das Primärgas vor den Röhren des Wärmetauschers angeordnet ist. Der statische Mi­ scher bewirkt, daß die Temperatur des Primärgases ausgegli­ chen wird. Dazu kann der statische Mischer aus einem System von kreuzweise angeordneten Graphitstäben bestehen, die in einem Winkel von 45° zur Fließrichtung des Primärgases ange­ ordnet sind.

In der US 4 098 329 wird ein Wärmetauscher zur Verwendung in Atomreaktoren beschrieben, mit einem Wärmetauscherrohr­ bündel, das im Eintrittsbereich des Primärgases mit einer kugelförmigen Haube abgedeckt ist. Mit Hilfe der Haube wer­ den die Enden des Rohrbündels vollständig abgedeckt und der Primärgasstrom zur Seite abgelenkt. Der Primärgasstrom tritt seitlich in das Wärmetauscherrohrbündel ein.

In der nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröf­ fentlichten DE 38 42 727 C2 wird ein Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas beschrieben, der ein zwischen zwei Rohrplatten gehaltenes Rohrbündel und zwei sich an die Rohrplatten an­ schließende, sich auf einen Stutzen verengende Endkammern aufweist. In der eintrittsseitigen Endkammer sind Einbauten angeordnet, die aus Stäben bestehen, die zu runden oder mehreckigen, konzentrisch angeordneten Ringen gebogen sind. Die Ringe sind in einem Abstand und parallel von der Rohr­ platte angeordnet und die Projektionsfläche der Ringe ist etwas größer als die Querschnittsfläche des Stutzens. Die Ringe sind entlang der Oberfläche eines Kegels angeordnet, dessen Spitze zu dem Gaseintritt weist. Der Außendurchmesser eines Ringes entspricht dabei vorzugsweise dem Innendurch­ messer des in Richtung auf die Rohrplatte folgenden Ringes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Erosionsschutz für einen Wärmetauscher, insbesondere zum Kühlen von Spaltgas zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß zwischen einer Eintritts-Rohrplatte und einer Eintrittshaube eines Wärmetauschers eine Gasverteileinrichtung parallel zur Rohrplatte angeordnet ist. Diese Gasverteileinrichtung hat den Vorteil, daß die mit hoher Geschwindigkeit im Gasstrom mitgeführten Kokspartikel derart abgelenkt und abgebremst werden, daß Schäden an der Eintritts-Rohrplatte vermieden werden. Es wird eine gleichmäßige Verteilung des Gasstromes und damit der Koksteilchen über die gesamte Rohrplatte er­ reicht. Die kinetische Energie sämtlicher Koksteilchen bzw. anderer im Gasstrom mitgeführter Partikel wird soweit redu­ ziert, daß sie keine zerstörende Wirkung mehr haben. Hier ist anzumerken, daß die Koksteilchen eine Größe von etwa 0,2 bis 3 mm aufweisen und die Geschwindigkeit des Gasstroms etwa 230-300 m/sec beträgt, wobei die Geschwindigkeit in der Mitte des Rohrs am höchsten ist.

Erfindungsgemäß umfaßt die Gasverteileinrichtung mindestens zwei Prallgitter, die das eintretende Gas teilweise hindurchlassen und im übrigen zu ihren Rändern ableiten. Dabei ist die Ma­ schenweite bzw. die Zahl und Größe der Löcher in dem Gitter so eingestellt, daß die gewünschte gleichmäßige Verteilung der eintretenden Gasströmung über den gesamten Eintritts­ querschnitt der Rohrplatte erzielt wird. Beispielsweise weist ein Prallgitter mit einer Fläche von 500×500 mm² etwa 250 Löcher mit einem Durchmesser von 20 mm auf.

Gemäß der Erfindung sind die Prallgitter parallel im Abstand zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Gitterlöcher des einen Prallgitters gegenüber den Gitterlöchern des anderen Prallgitters derart seit­ lich versetzt angeordnet, daß das durchtretende Gas beim Durchtritt von einem Prallgitter zum nächsten zu einer Ände­ rung der Strömungsrichtung gezwungen wird. Dies hat den Vor­ teil, daß die kinetische Energie sämtlicher im Gasstrom mit­ geführter Teilchen noch wirksamer vernichtet wird. Gegebe­ nenfalls werden mehr als zwei Prallgitter oder Prallbleche übereinander angeordnet.

Die Eintrittshaube des Wärmetauschers deckt die Eintritts- Rohrplatte des Wärmetauschers vollständig ab. Sie umfaßt einen Gaszufuhrkanal, der sich beispielsweise trichterförmig zur Rohrplatte hin aufweitet und in der Gaseintrittskammer mündet. Vorzugsweise ist das Prallgitter im Bereich der aus dem Gaszufuhrkanal in Richtung auf die Rohrplatte austreten­ den Hauptströmung des zu kühlenden Gases angeordnet. Damit ist der gefährdete Rohrplattenbereich, der aus früheren Wanddickenmessungen bekannt ist, 100%-ig abgedeckt und die schädigende kinetische Energie aller mitgeführten Partikel wird vernichtet, bevor sie auf die Rohrplatte auftreffen.

Vorteilhafterweise entspricht die Größe des Prallgitters im wesentlichen dem Querschnitt des Gaszufuhrkanals. Dabei ist das Prallgitter im Abstand vom Ende des Gaszufuhrkanals an­ geordnet, so daß die Gasströmung teilweise seitlich an dem Prallgitter vorbeigeführt wird. Dadurch wird in vorteilhaf­ ter Weise das im Gaszufuhrkanal vorherrschende Geschwindig­ keitsprofil der Gasströmung, wonach die Geschwindigkeit in der Mitte höher ist als an den Rändern des Rohres, in vor­ teilhafter Weise vergleichmäßigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gasverteileinrichtung an der Rohrplatte mittels Halte­ einrichtungen angebracht. Sie besteht vorzugsweise aus meh­ reren Stäben, die an der Rohrplatte angeschraubt, ange­ schweißt, angelötet oder geklebt werden.

Das Prallgitter besteht vorzugsweise aus einem hitzebestän­ digen harten Material, wie einem C-Stahl, das dem heißem Spaltgas und den darin mitgeführten Partikeln widersteht.

Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, daß die Repara­ turintervalle an der Eintritts-Rohrplatte des Wärmetauschers wesentlich vergrößert werden können und damit längere Be­ triebszeiten der Anlagen möglich sind, d. h. Repara­ turschweißungen an den erodierten Rohrplattenbereichen sind nur in größerem zeitlichen Abstand erforderlich. Damit ist die Haltbarkeitsdauer des Wärmetauschers insgesamt wesent­ lich erhöht.

Außerdem hat sich gezeigt, daß durch die offensichtlich bes­ sere Verteilung der Gasströme inklusive der Koksteilchen längere Laufzeiten des Wärmetauschers (Spaltgaskühler) und so­ mit auch gegebenenfalls der Öfen möglich ist. Die Anzahl der notwendigen Entkokungen kann dadurch herabgesetzt werden.

Bei einigen Wärmetauschern sind die Stege zwischen den ein­ zelnen Rohren im mittleren Rohrplattenbereich besonders ge­ fährdet. Durch den Strömungsverlauf des Wassers auf der Man­ telseite wird dieser Bereich der Rohrplatte besonders heiß und somit auch wesentlich anfälliger gegen die Erosion. Eine Verteilung des Gasstromes in die außenliegenden, gut durch­ strömten Bereiche verringert die Schäden daher wesentlich. Durch die gleichmäßigere Verteilung der Crackgase mit Hilfe der Gasverteileinrichtung geht die Verkokungsneigung der Wärmetauscherrohre während des Normalbetriebs zurück, so daß die Verkokung des Wärmetauschers nicht mehr limitierend für die Laufzeit des Systems Ofen/Wärmetauscher ist.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher erfordert also weniger Reinigungskosten und Instandhaltungskosten und bietet zugleich eine Kapazitätserhöhung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels und der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Wärmetauschers mit einer Prallgitteranordnung im Querschnitt, wobei die Ein­ trittshaube im Abstand von der Rohrplatte gezeigt ist,

Fig. 2 eine Teilansicht der Prallgitteranordnung und der Eintrittsrohrplatte des Wärmetauschers von unten,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Ausführungsform von Fig. 1,

Fig. 4 ein Detailansicht der Befestigung der Prallgitter­ anordnung an der Eintritts-Rohrplatte und

Fig. 5 eine Detailansicht der Prallgitteranordnung.

Der in Fig. 1 dargestellte Spaltgaskühler, ein spezieller Wärmetauscher für heißes Spaltgas, umfaßt eine Rohrbündelan­ ordnung 1 mit einer Eintritts-Rohrplatte 2 und einer Ein­ trittshaube 4. Die Eintrittshaube 4 ist in der Fig. 1 im Abstand von der Unterseite der Rohrbündelanordnung 1 ge­ zeigt. Die Position eines Gaszufuhrrohrs 8 in der Eintritts­ haube 4 ist in der Figur für den zusammengebauten Zustand in Strichlinien gezeigt. In der von der Rohrplatte 2 und der Eintrittshaube 4 gebildeten Gaseintrittskammer 6 ist eine Prallgitteranordnung 10 parallel zu der Rohrplatte 2 ange­ ordnet. Die Prallgitteranordnung befindet sich etwa in der Mitte zwischen dem Ende des Gaszufuhrrohrs 8 und der Rohr­ platte 2. Wie in der Figur angedeutet, wird der zugeführte Gasstrom teilweise von der Prallgitteranordnung hindurchge­ lassen und zum anderen Teil zur Seite abgelenkt. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung der Gasströmung über den gesamten Eintrittsquerschnitt der Eintritts-Rohrplatte er­ reicht.

In Fig. 2 ist ein Teil der Prallgitteranordnung 10 und der Eintritts-Rohrplatte 2 in der Ansicht von unten dargestellt. Die Eintritts-Rohrplatte weist mehrere Segmente auf, die je­ weils im gleichen Abstand zueinander angeordnete Doppelrohre 22, durch die das Gas hindurchgeleitet wird, umfassen. Die einzelnen Segmente sind mittels Schweißnähten 24 miteinander verbunden. Die Prallgitteranordnung 10 ist im Abstand von der Eintritts-Rohrplatte 2 angeordnet. Sie umfaßt zwei pa­ rallel zueinander angeordnete Prallgitter 12, 14. Die ein­ zelnen Prallgitter sind über ihre gesamte Fläche mit Öffnun­ gen 18, 20, die beispielsweise durch Ausstanzen hergestellt werden, versehen. In der Fig. 2 sind der Einfachheit halber lediglich zwei Reihen dieser kreisförmigen Ausstanzungen dargestellt.

Fig. 3 zeigt die Anordnung des Prallgitters 10 in der Sei­ tenansicht. Das obere Prallgitter 12 und das untere Prall­ gitter 14 werden gemeinsam von Haltestäben 16 getragen, die an der Unterseite der Rohrplatte 2 befestigt sind. Die Durchgangsöffnungen 20 des oberen Prallgitters 12 sind ge­ genüber den Durchgangsöffnungen 18 des unteren Prallgitters 14 seitlich versetzt angeordnet, so daß das durchströmende Gas gezwungen wird, seine Strömungsrichtung zu ändern. Die seitlich versetzte Anordnung der Öffnungen 18 und der Öff­ nungen 20 der beiden Prallgitter ist in Fig. 5 im Detail dargestellt.

In Fig. 4 ist die Eintritts-Rohrplatte im Detail im Quer­ schnitt zu sehen. Sie zeigt Doppelrohre 22 und die Schweißnähte 24 zur Verbindung der einzelnen Doppelrohrseg­ mente. Der Haltestab 16 für die Anbringung der Prallgitter­ anordnung 10 wird mit einem Ende an einer der vorhandenen Schweißnähte 24 angeschweißt.

Mit der dargestellten Prallgitteranordnung wird in vorteil­ hafter Weise eine gleichmäßigere Verteilung des Gasstroms erreicht und die im Gasstrom mitgeführten Kokspartikelchen derart abgebremst, daß Schäden an der Eintrittsrohrplatte verhindert werden.

Claims (6)

1. Wärmetauscher, insbesondere zum Kühlen von Spaltgas mit einer Eintritts-Rohrplatte (2) und einer Eintrittshaube (4), die gemeinsam eine Gaseintrittskammer (6) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gaseintrittskammer (6) im Abstand von der und parallel zur Rohrplatte (2) mindestens zwei Prallgitter (12, 14) parallel im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei Gitterlöcher (18) des einen Prallgitters (12) gegenüber Gitterlöchern (20) des anderen Prallgitters (14) seitlich versetzt angeordnet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlöcher derart zueinander seitlich versetzt angeordnet sind, daß die Prallgitter den in Strömungs­ richtung eines Gases dahinterliegenden Rohrplattenbe­ reich 100%-ig abdecken.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Eintrittshaube (4) einen Gaszufuhrka­ nal (8) aufweist und daß das Prallgitter (12, 14) im Be­ reich der aus dem Gaszufuhrkanal (8) in Richtung auf die Rohrplatte (2) austretenden Hauptströmung des Gases an­ geordnet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Prallgitters (12, 14) im wesentlichen dem Querschnitt des Gaszufuhrkanals (8) entspricht.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallgitter (12, 14) an der Rohrplatte (2) mittels Halteeinrichtungen (16) ange­ bracht ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung mehrere Stäbe (16) umfaßt, die an der Unterseite der Rohrplatte (2) angebracht sind.