DE3930205A1 - Rohrbuendel-waermetauscher - Google Patents
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- F28D2021/0075—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for syngas or cracked gas cooling systems
Description
Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Wärmetauscher mit den
Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Derartige Rohrbündel-Wärmetauscher dienen als Prozeßgas-
Abhitzekessel zur schnellen Abkühlung von Reaktionsgasen aus
Spaltöfen oder Chemieanlagen-Reaktoren bei gleichzeitiger Erzeugung
von Hochdruckdampf als wärmeabführendes Medium. Zur Beherrschung
der hohen Gastemperaturen und des hohen Druckunterschiedes zwischen
dem Gas und dem wärmeabführenden Kühlmedium ist die auf der
Gaseintrittsseite angeordnete Rohrplatte im Vergleich zu der auf der
Gasaustrittsseite liegenden Rohrplatte dünn ausgeführt (DE-PS
12 94 981, AT-PS 3 61 953). Dabei ist die dünne Rohrplatte durch
Tragbleche versteift, die mit Abstand von der Rohrplatte angeordnet
und durch Anker mit dieser verbunden sind.
Bei einem anderen bekannten Rohrbündel-Wärmetauscher (DE-PS
35 33 219) ist die dünne Rohrplatte über eingeschweißte Tragfinger
auf einer Tragplatte abgestützt. Der Raum zwischen der Tragplatte
und der Rohrplatte ist von Kühlmedium durchströmt, das durch eine
Ringkammer zugeführt und durch Ringspalte zwischen den Rohren und
der Tragplatte in den Wärmetauscher eintritt. Auf diese Weise läßt
sich eine Führung des Kühlmediums quer über die dünne Rohrplatte
erreichen. Diese Wasserführung bewirkt eine gute Kühlung der
Rohrplatte und erzeugt eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, die
Ablagerungen von Partikeln aus dem Kühlmedium auf der Rohrplatte
verhindert. Dieser doppelte Boden hat sich im Betrieb gut bewährt,
jedoch ist seine Herstellung verhältnismäßig aufwendig.
Weiterhin ist es bekannt, die auf der Gasaustrittsseite angeordnete
dicke Rohrplatte eines Rohrbündelwärmetauschers der gattungsgemäßen
Art (AT-PS 3 61 953) mit Kühlkanälen zu versehen. Auf diese Weise
kann bei einer ausreichenden Festigkeit der Rohrplatte eine hohe
Gasaustrittstemperatur von 550 bis 650 Grad C zugelassen werden.
Bei dieser bekannten Rohrplatte sind die Kühlkanäle zwischen den
Rohrreihen und in einem verhältnismäßig großen Abstand voneinander
und von der mit dem Gas in Berührung kommenden Seite der Rohrplatte
angeordnet. Die durch diese Anordnung der Kühlkanäle erwirkte
Kühlung der Rohrplatte reicht gerade aus, um die Gastemperaturen
auf der Gasaustrittsseite des Wärmetauschers zu beherrschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gekühlte Rohrplatte
des gattungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauschers derart auszubilden,
daß bei geringer Wanddicke auf der Gasseite eine gleichmäßige
Kühlmediumverteilung erreicht wird und daß Gastemperaturen von
mehr als 1000 Grad C zu beherrschen sind.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Rohrbündel-
Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Rohrplatte kann insgesamt dick ausgeführt
werden und damit die Anforderung erfüllen, dem hohen Druck des
Kühlmedium zu widerstehen. Dadurch, daß die Rohre die Kühlkanäle
durchdringen und damit geradlinig längs einer Rohrreihe verlaufen,
können die Kühlkanäle eng beieinander verlegt werden, so daß das
Kühlmedium eine große Fläche beströmt. Die Kanalsohle von
gleichbleibender Wanddicke vermeidet eine Materialanhäufung auf
der Kanalinnenseite. Beides führt zu einer so intensiven Kühlung
der Rohrplatte, daß hohe Gastemperaturen von mehr als 1000 Grad C
zu beherrschen sind. Die Geschwindigkeit des Kühlmediums in den
Kühlkanälen läßt sich auf einen solchen Wert einstellen, daß sich
eventuell in dem Kühlmedium enthaltene Partikel nicht ablagern
können, so daß keine Gefahr einer Überhitzung der Rohrplatte
entsteht. Auf der Gaseintrittsseite der Rohrplatte kann somit ein
dünner Bodenteil gebildet werden, der sich über die zwischen den
Kühlkanälen verbleibenden Stege auf einem dicken Bodenteil der
Rohrplatte abstützt. Diese Abstützung ist günstiger als eine
Abstützung über einzelne Anker, was sich in einer gleichmäßigeren
Spannungsverteilung bemerkbar macht. Der dünne Bodenteil läßt eine
wärmespannungsarme Kühlung zu und ermöglicht eine spaltfreie und
qualitativ hochwertige Ausführung der Einschweißung der Rohre in
die Rohrplatte.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher,
Fig. 2 die Draufsicht auf die der Gaseintrittsseite zugeordnete
Rohrplatte,
Fig. 3 den Schnitt III-III nach Fig. 2,
Fig. 4 den Schnitt IV-IV nach Fig. 2,
Fig. 5 die Einzelheit Z nach Fig. 3,
Fig. 6 die Draufsicht auf Fig. 5,
Fig. 7 die Draufsicht auf eine dem Gaseintritt zugeordnete
Rohrplatte gemäß einer anderen Ausführungsform,
Fig. 8 den Schnitt VIII-VIII nach Fig. 7 und
Fig. 9 die Einzelheit Z nach Fig. 3 gemäß einer anderen
Ausführungsform.
Der dargestellte Wärmetauscher dient insbesondere zum Kühlen von
Spaltgas mit Hilfe von unter Hochdruck stehendem, verdampfenden
Wasser. Der Wärmetauscher besteht aus einem Rohrbündel aus einzelnen
Rohren 1, die von dem zu kühlenden Gas durchströmt und von einem
Mantel 2 umgeben sind. Der Übersichtlichkeit halber sind nur
einzelne Rohre 7 gezeigt. Die Rohre 1 sind in zwei Rohrplatten 3, 4
gehalten, an die sich ein Gaseintritt 5 und ein Gasaustritt 6
anschließen und die in den Mantel 2 eingeschweißt sind.
Die auf der Gaseintrittsseite angeordnete Rohrplatte 3 ist mit
parallel zueinander verlaufenden Kühlkanälen 7 versehen. Die
Kühlkanäle 7 sind so in die Rohrplatte 3 verlegt, daß in axialer
Richtung der Rohrplatte 3 gesehen, die Kühlkanäle 7 zur Gasseite
der Rohrplatte 3 einen geringeren Abstand aufweisen als zum Inneren
des Mantels 2. Auf diese Weise entsteht ein dünner zur Gasseite
weisender Bodenteil 8 und ein zum Mantel 2 weisender dickerer
Bodenteil 9.
Die Kühlkanäle 7 gemäß den Fig. 1 bis 6 sind beidseitig offen
und münden in eine Eintrittskammer 10 ein, die die Rohrplatte 3
ringförmig umgibt. Die Eintrittskammer 10 ist mit einem oder
mehreren Zuführungsstutzen 11 versehen, über die das unter hohem
Druck stehende Kühlmedium zugeführt wird.
Die Kühlkanäle 7 können als zylindrische Bohrungen parallel zur
Plattenoberfläche durch die Rohrplatte 3 geführt sein. Anschließend
wird jedoch der zunächst kreisförmige Querschnitt durch spanende
Bearbeitung zu einem tunnelförmigen Profil erweitert. Diese
tunnelförmige Querschnittsform ist in der Zeichnung dargestellt
und zeichnet sich durch eine gewölbte Decke und durch eine ebene
Sohle 12 aus, die parallel zur Oberseite der Rohrplatte 3 verläuft.
Auf diese Weise läßt sich besonders einfach ein dünner Bodenteil
von gleichbleibender Wanddicke herstellen. Die Seitenwände 13 der
tunnelförmigen Kühlkanäle 7 sind ebenfalls eben und verlaufen
vorzugsweise senkrecht zur Sohle 12. Diese Seitenwände 13 bilden
schmale Stege 14, über die sich der dünne Bodenteil 8 auf dem
dicken Bodenteil 9 über eine große Stützlänge abstützt.
Innerhalb des dicken Bodenteiles 9 ist die Rohrplatte 3 mit
Ausdrehungen 15 versehen, die zum Inneren des Mantels 2 hin offen
sind und in die Kühlkanäle 7 senkrecht zu deren Längserstreckung
münden. Durch diese Ausdrehungen 15 sind die Rohre 1 des Rohrbündels
unter Bildung eines Ringspaltes mit Spiel hindurchgeführt. Die
Rohre 1 jeweils einer Rohrreihe durchdringen einen der Kühlkanäle 7
und sind in den dünnen Bodenteil 8 der Rohrplatte 3 durch eine voll
durchschweißte Naht 16 spaltfrei eingeschweißt. Die Breite der
so gebildeten Kühlkanäle 7 entspricht etwa dem 1- bis 2-fachen
Wert des Durchmessers der Rohre 1.
Das durch den Zuführungsstutzen 11 in die Eintrittskammer 10
eingespeiste Kühlmedium gelangt in die Kühlkanäle 7 und tritt
durch die Ringspalten zwischen den Rohren 1 und den Ausdrehungen 15
in den von dem Mantel 2 umschlossenen Innenraum des Wärmetauschers
ein. Das Kühlmedium steigt entlang den Außenseiten der Rohre 1 in
dem Mantel 2 auf und tritt als Hochdruckdampf aus einem in den
Mantel 2 eingeschweißten Austrittsstutzen 17 aus.
Damit alle Kühlkanäle 7 gleichmäßig durchströmt sind, kann der
Strömungswiderstand der außenliegenden, kürzeren Kühlkanäle 7
dem Strömungswiderstand der zentralen, längeren Kühlkanäle 7
angepaßt werden. Das kann dadurch geschehen, daß der Querschnitt
der außenliegenden Kühlkanäle 7 geringer ist oder daß in diesen
außenliegenden Kühlkanälen 7 Drosselstellen eingebaut sind.
In den Fig. 7 und 8 ist eine innenliegende Eintrittskammer 18 für
das Kühlmedium gezeigt, die sich über eine Hälfte des Umfanges des
Wärmetauschers erstreckt. Die Wandung dieser Eintrittskammer 18
ist mit der Innenwand des Mantels 2 und im Randbereich mit der
Rohrplatte 3 verbunden. Eine axiale Bohrung 19 am Ende jedes
Kühlkanals 7 mündet in die Eintrittskammer 18 hinein. Die
Kühlkanäle 7 sind bei dieser Ausführungsform an beiden Enden
durch jeweils einen Deckel 20 verschlossen.
Die Kühlkanäle 7 können auch, wie in Fig. 9 gezeigt ist, als
Randausnehmungen in die Rohrplatte 3 eingeschnitten werden. Die so
gebildeten Kühlkanäle 7 können eine gewölbte oder eine ebene Decke
aufweisen. Diese Randausnehmungen sind durch Blechstreifen 21
abgedeckt, die mit den zwischen den Kühlkanälen 7 verbleibenden
Stege 14 verschweißt werden. In die Blechstreifen 21 sind die
Rohre 1 eingeschweißt. Diese Ausführungsform erfordert gegenüber
der in den Fig. 7 bis 8 dargestellten Ausführungsform eine erhöhte
Anzahl an Schweißnähten, die zu zusätzlichen Spannungen führen und
schwächend wirken könnte, ist aber unter Umständen in der Herstellung
einfacher.
Claims (7)
1. Rohrbündel-Wärmetauscher mit Rohren (1), die beidseitig in
Rohrplatten (3, 4) gehalten sind, zum Wärmetausch zwischen
einem heißen, die Rohre (1) durchströmenden Gas und einem
flüssigen oder dampfförmigen, die Rohre (1) umströmenden
Kühlmedium, wobei die Rohrplatten (3, 4) mit einem das Rohrbündel
umschließenden Mantel (2) verbunden sind, wobei eine der
Rohrplatten (3, 4) in der dem Mantel (2) abgewandten axialen
Hälfte mit parallelen Kühlkanälen (7) versehen ist, die von
dem Kühlmedium durchströmt sind und wobei diese Rohrplatte
(3) mit zum Inneren des Mantels (2) hin offenen Ausdrehungen
(15) versehen ist, die mit den Kühlkanälen (7) in Verbindung
stehen und die die Rohre (1) konzentrisch umgeben, dadurch
gekennzeichnet, daß die mit den Kühlkanälen (7) versehene
Rohrplatte (3) auf der Gaseintrittsseite des Wärmetauschers
angeordnet ist, daß die Rohre (1) jeweils einer Rohrreihe
Kühlkanäle (7) durchdringen und daß die Kühlkanäle (7) auf
der von dem Gas angeströmten Seite eine Sohle (12) von
gleichbleibender Wanddicke aufweisen.
2. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlkanäle (7) ein tunnelförmiges Profil mit einer
gewölbten Decke mit einer ebenen Sohle (12) und mit ebenen,
senkrecht dazu verlaufenden Seitenwänden (13) aufweisen.
3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2 dadurch
gekennzeichnet, daß die Rohrplatte (3) von einer ringförmigen
Eintrittskammer (10) für das Kühlmedium umgeben ist, in die die
beidseitig offenen Kühlkanäle (7) einmünden.
4. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2 dadurch
gekennzeichnet, daß eine Eintrittskammer (18) für das Kühlmedium
sich über eine Hälfte des Umfanges des Wärmetauschers erstreckt,
daß diese Eintrittskammer (18) mit der Innenseite des Mantels (2)
und mit dem Randbereich der Rohrplatte (3) verbunden ist und
daß jeder der beidseitig geschlossenen Kühlkanäle (7) über
eine axiale Bohrung (19) mit der Eintrittskammer (18) verbunden
ist.
5. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die außenliegenden Kühlkanäle (7)
einen größeren Strömungswiderstand als die innenliegenden
Kühlkanäle (7) aufweisen.
6. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (7) in eine einstückige
Platte eingearbeitet sind.
7. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (7) als
Randausnehmungen in die Rohrplatte (3) eingearbeitet und durch
ebene Blechstreifen (21) abgedeckt sind.
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