DE3939028C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf einen Wärme­ tauscher mit zirkulierender Wirbelschicht zur Behandlung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel, insbesondere für belagbil­ dende Flüssigkeiten. Der gattungsgemäße Wärmetauscher weist ein Rohrbündel aus parallelen vertikalen Steigrohren und zumindest einem Rückführrohr sowie endseitigen Rohr­ böden, einen Wärmetauschermantel mit Rohranschlüssen für im Mantelraum geführtes Heiz- oder Kühlmedium und eine untere Verteilerkammer sowie eine obere Sammlerkammer für die durch das Rohrbündel geführte Flüssigkeit auf und enthält Wirbel­ gut aus inerten Feststoffteilchen, die in den Steigrohren durch die aufwärtsströmende Flüssigkeit fluidisiert sowie nach oben mitgeführt werden und durch das Rückführrohr in die Verteilerkammer zurückgelangen. An die Steigrohre sind einbautenfreie Rohrverlängerungen mit seitlichen Bypass­ öffnungen angeschlossen, die in der Verteilerkammer in ein Wirbelgutbett endseitig eintauchen. Fernerhin weist das Rückführrohr eine Rückführrohrverlängerung auf, die auf einem niedrigeren Niveau als die Rohrverlängerungen in dem Wirbelgutbett endet.

Bei dem aus der DE-OS 34 32 864 bekannten gattungsgemäßen Wärmetauscher ist in den sich in die Sammlerkammer öffnenden Enden der Steigrohre eine Einschnürung vorgesehen. Die Einschnürung dient der Vergrößerung der Austrittsströ­ mungsgeschwindigkeit und soll verhindern, daß die in die Sammlerkammer ausgetragenen Wirbelgutpartikel in die Steig­ rohre zurückfallen und dabei die hydrodynamischen Verhält­ nisse in unkontrollierter Weise beeinflussen. Die end­ seitigen Drosselöffnungen der Steigrohre tragen zu einer Stabilisierung der Wirbelschicht in den Steigrohren bei. Nachteilig ist der von den Drosselöffnungen verursachte Druckverlust. Ferner bilden sich um die Drosselöffnungen herum Strömungstoträume, in denen störende Ablagerungen entstehen können, die nach einer Betriebsunterbrechung zu einer Verblockung der Drosselöffnungen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärme­ tauscher der eingangs beschriebenen Art unter Beibehaltung seiner günstigen hydrodynamischen Eigenschaften so auszu­ bilden, daß die Bildung von Ablagerungen im Bereich des oberen Rohrbodens vermieden und Strömungsdruckverluste reduziert werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß an die Steigrohre Austrittselemente mit gleichem oder größerem Strömungsquerschnitt angeschlossen sind, die sich in die Sammlerkammer hinein erstrecken, und daß die Flüssigkeit oberhalb des Rohrbodens horizontal oder nach unten gerichtet aus den Austrittselementen austritt, wobei der Austritts­ querschnitt der Austrittselemente wesentlich größer ist als deren Strömungsquerschnitt. Durch die Strömungsumlenkung in den Austrittselementen gegenüber der vertikalen Strömungs­ richtung in Kombination mit einem Strömungsaustritt oberhalb des Rohrbodens wird verhindert, daß Wirbelgutpartikel aus der Sammlerkammer in Steigrohre eintreten und dabei die Strömungsverhältnisse unkontrolliert ändern. Da der Aus­ trittsquerschnitt der Austrittselemente größer ist als der Strömungsquerschnitt, tritt die Flüssigkeit mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit aus den Austrittselementen aus.

Überraschenderweise führen die Maßnahmen in ihrer Kombi­ nation zu einer ausreichenden Stabilisierung der auf Ände­ rungen der Strömungsverhältnisse empfindlich reagierenden Wirbelschicht, ohne daß eine druckverlustbehaftete Drosse­ lung in den Steigrohren erforderlich ist.

Aus der EP-PS 00 65 332 ist es bekannt, an die Steigrohre eines mit einer zirkulierenden Wirbelschicht arbeitenden Naturumlaufver­ dampfers Austrittselemente in Form gerader Rohrstücke anzu­ schließen, die sich in eine obere Sammlerkammer hinein erstrecken und aus denen Dampf mit hoher Strömungs­ geschwindigkeit vertikal austritt. Die Austrittselemente haben hier eine andere Funktion. Durch die Austrittselemente wird auf dem oberen Rohrboden ein Strömungstotraum geschaffen, aus dem ein im Verdampfer aufkonzentrierter Flüssigkeitsstrom abgezogen wird. In der unteren Verteiler­ kammer des aus EP-PS 00 65 332 bekannten Naturumlaufver­ dampfers ist ferner ein Verteilerboden mit Verteilerrohren vorgesehen, die an ihrem oberen Ende mit kleinen Düsen­ öffnungen ausgerüstet sind, aus denen Flüssigkeit mit hoher Strömungsgeschwindigkeit horizontal austritt. Der Zweck des Verteilerbodens besteht darin, die auf dem Verteilerboden gehaltene körnige Masse aufzulockern und den Transport zu dem Rohrbündel zu unterstützen. Ferner gehört es bei Wärmetauschern mit einer stehenden Wirbelschicht zum Stand der Technik, an die mit Wirbelgut gefüllten Wärme­ tauscherrohre oberhalb des Rohrbodens Austrittselemente mit beachtlicher Querschnittserweiterung anzuschließen, welche Auffangkammern für Wirbelgut bilden und einen Übertritt von Wirbelgut zwischen den Wärmetauscherrohren verhindern (DE-AS 25 02 354). Alle diese Maßnahmen haben zur Weiterentwicklung von Wärmetauschern mit zirkulierender Wirbelschicht, die zur Behandlung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel einge­ setzt werden, nichts beigetragen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Rohrbündel des Wärmetauschers eine Mehrzahl von Rückführrohren mit Rückführrohrverlängerungen, wobei die Rückführrohre in baulicher Hinsicht den Steigrohren ent­ sprechen und in gleichmäßiger Verteilung zwischen den Steigrohren angeordnet sind und wobei sämtliche Rückführ­ rohrverlängerungen auf einem niedrigeren Niveau als die Rohrverlängerungen der Steigrohre im Wirbelgutbett enden.

Bei dieser Ausführungsform ergeben sich besonders stabile Strömungsverhältnisse. Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Strömungsverteilung auf dem Rohrboden durch die Anordnung der Austrittsöffnungen der Austrittselemente zu beein­ flussen. Die Ausrichtung sollte so erfolgen, daß Strömungs­ wirbel im Bereich der Mündungen der Rückführrohre vermieden werden, da solche Wirbel den Eintritt von Wirbelgut in die Rückführrohre behindern. Vorteilhafte konstruktive Ausge­ staltungen der Austrittselemente sind Gegenstand der Ansprüche 3 und 4.

Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit einer gut zirku­ lierenden und stabilen Wirbelschicht bei zugleich kleinem Druckverlust arbeitet. Schwebstoffe in der zu behandelnden Flüssigkeit sowie abplatzende Inkrustationen führen zu keinen Störungen, da die Steigrohre ohne Einschnürung ausgebildet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher,

Fig. 2a bis 2c die Einzelheit X aus Fig. 1 in verschiedenen Ausführungsformen.

Der in den Figuren dargestellte Wärmetauscher arbeitet mit einer zirkulierenden Wirbelschicht und ist zur Behand­ lung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel, insbesondere für belagbildende Flüssigkeiten bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören ein Rohrbündel 1 aus parallelen vertikalen Steigrohren 2 und Rückführrohren 3 sowie endseitigen Rohr­ böden 4, ein Wärmetauschermantel 5 mit Rohranschlüssen 6 für im Mantelraum geführtes Heiz- oder Kühlmedium, eine untere Verteilerkammer 7 sowie eine obere Sammlerkammer 8 für die durch das Rohrbündel 1 geführte Flüssigkeit und Wirbelgut 9 aus inerten, fluidisierbaren Feststoffteilchen. In der Ver­ teilerkammer 7 ist ein glockenförmiger Eintrittsverschluß 10 angeordnet, der verhindert, daß die bei einem Betriebs­ stillstand sedimentierenden Wirbelgutpartikel aus dem Wärmetauscher austreten. Ferner ist in der Verteiler­ kammer 7 ein Lochboden 11 angeordnet, der während des Wärme­ tauscherbetriebes als Strömungsverteiler und Wirbelgutsperre arbeitet. Der Fig. 1 entnimmt man, daß das Wirbelgut 9 in den Steigrohren 2 von der aufwärtsströmenden Flüssigkeit zu einer Wirbelschicht fluidisiert und dabei nach oben im Flüssigkeitsstrom mitgeführt wird. Das in die Sammlerkammer 8 eintretende Wirbelgut gelangt in die Rückführrohre 3 und wird durch Sedimentation in die Verteilerkammer 7 zurück­ geführt. An den Steigrohren 2 sind einbautenfreie Rohr­ verlängerungen 12 angeschlossen, die in der Verteilerkammer 7 in ein Wirbelgutbett 13 endseitig eintauchen und oberhalb des Wirbelgutbettes 13 Bypassöffnungen 14 aufweisen. Die Anordnung und Ausbildung der Rohrverlängerungen 12 trägt zur Stabilisierung der Wirbelschicht in den Steigrohren 2 bei.

Die Rückführrohre 3 weisen Rückführrohrverlängerungen 15 auf, die auf einem niedrigeren Niveau a als die Rohr­ verlängerungen 12 der Steigrohre 2 ebenfalls im Wirbel­ gutbett 13 enden. Das Wirbelgutbett 13 wird von der aus dem Lochboden 11 austretenden Strömung auf dem Lochboden 11 gehalten.

An die Steigrohre 2 sind Austrittselemente 16 mit gleichem oder größerem Strömungsquerschnitt d angeschlossen, wobei die Austrittselemente 16 sich in die Sammlerkammer 8 hinein erstrecken und die Flüssigkeit so umlenken, daß sie oberhalb des Rohrbodens 4 und damit auf einem höheren Niveau als die Rückführrohrmündungen horizontal oder nach unten gerichtet austritt. Gemäß den in Fig. 2a bis 2c dargestellten Aus­ führungsbeispielen sind die Austrittselemente 16 als end­ seitig geschlossene gerade Rohrstücke 17 mit seitlichen Austrittsöffnungen 18 oder in Form gerader Anschlußstücke 20 mit glockenförmigen Endstücken 21 ausgebildet, wobei der Austrittsquerschnitt der Austrittselemente 16 stets wesent­ lich größer ist als der Strömungsquerschnitt d. Die Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 2a ist besonders bevorzugt, da sie eine fertigungstechnisch sehr einfache Lösung darstellt und sich durch einen geringen Platzbedarf auszeichnet. Dies ermög­ licht die Anwendung bei Rohrbündeln mit kleiner Rohrteilung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform des Wärmetauschers entsprechen die Rückführrohre 3 in baulicher Hinsicht den Steigrohren 2 und sind in gleich­ mäßiger Verteilung zwischen den Steigrohren 2 angeordnet.

Claims (4)

1. Wärmetauscher mit zirkulierender Wirbelschicht zur Be­ handlung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel, insbesondere für krustenbildende Flüssigkeiten, - mit
einem Rohrbündel aus parallelen vertikalen Steig­ rohren und zumindest einem Rückführrohr sowie end­ seitigen Rohrböden,
einem Wärmetauschermantel mit Rohranschlüssen für im Mantelraum geführtes Heiz- oder Kühlmedium,
einer unteren Verteilerkammer und einer oberen Sammlerkammer für die durch das Rohrbündel geführte Flüssigkeit und
Wirbelgut aus inerten Feststoffteilchen, die in den Steigrohren durch die aufwärtsströmende Flüssigkeit fluidisiert sowie nach oben mitgeführt werden und durch das Rückführrohr in die Verteilerkammer zu­ rückgelangen,
wobei an die Steigrohre einbautenfreie Rohrverlängerungen mit seitlichen Bypaßöffnungen angeschlossen sind, die in der Verteilerkammer in ein Wirbelgutbett endseitig eintauchen, und wobei das Rückführrohr eine Rückführrohrverlängerung aufweist, die auf einem niedrigeren Niveau als die Rohrver­ längerungen im Wirbelgutbett endet, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an die Steigrohre (2) Aus­ trittselemente (16) mit gleichem oder größeren Strömungs­ querschnitt (d) angeschlossen sind, die sich in die Sammler­ kammer (8) hineinerstrecken, und daß die Flüssigkeit ober­ halb des Rohrbodens (4) horizontal oder nach unten gerichtet aus den Austrittselementen (16) austritt, wobei der Aus­ trittsquerschnitt der Austrittselemente (16) wesentlich größer ist als deren Strömungsquerschnitt (d).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei das Rohrbündel eine Mehrzahl von Rückführrohren mit Rückführrohrverlängerun­ gen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführrohre (3) in baulicher Hinsicht den Steigrohren (2) entsprechen und in gleichmäßiger Verteilung zwischen den Steigrohren (2) angeordnet sind und daß sämtliche Rückführrohrverlängerungen (15) auf einem niedrigeren Niveau (a) als die Rohrverlänge­ rungen (12) der Steigrohre (2) im Wirbelgutbett (13) enden.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Austrittselemente (16) als endseitig ge­ schlossene gerade Rohrstücke (17) mit seitlichen Austritts­ öffnungen (18) ausgebildet sind.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittselemente (16) aus einem geraden Anschlußstück (20) mit glockenförmigem Endstück (21) bestehen.