DE4102118A1 - Waermeaustauscher mit zirkulierender wirbelschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf einen Wärmeaus­ tauscher mit zirkulierender Wirbelschicht aus inerten Fest­ stoffteilchen - mit einem Rohrbündel aus parallelen verti­ kalen Steigrohren und zumindest einem Rückführrohr sowie endseitigen Rohrböden, einer unteren Verteilerkammer und einer oberen Sammlerkammer für den durch das Rohrbündel geführten Stoffstrom, wobei die Feststoffteilchen in den Steigrohren durch den aufwärtsströmenden Stoffstrom fluidi­ siert sowie nach oben mitgeführt werden und durch das Rückführrohr in die Verteilerkammer zurückgelangen und wobei an die Steigrohre sowie an das Rückführrohr Endstücke anschließen, die mit Abstand zu dem unteren Rohrboden in der Verteilerkammer ausmünden. - Bevorzugte Anwendung des Wärme­ tauschers ist die Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere belagbildenden Flüssigkeiten, ohne Phasenwechsel.

Ein Wärmeaustauscher des beschriebenen Aufbaus ist aus der DE-OS 34 32 864 bekannt. Der mit zirkulierender Wirbel­ schicht arbeitende Wärmeaustauscher zeichnet sich durch einen guten Wärmeübergang an der Innenseite der Wärmetau­ scherrohre aus. Belagbildungen an der Wärmetauscherfläche werden durch die Wirbelschicht aus inerten Feststoffen wirksam verhindert, so daß der Wärmeaustauscher seine Wärme­ tauscherleistung über lange Zeiträume hinweg beibehält. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen besteht das Rohrbündel aus metallischen Werkstoffen. Metallische Werkstoffe halten der abrasiven Beanspruchung durch die Wirbelschicht stand, doch ist die chemische Beständigkeit und Korrosionsfestigkeit solcher Werkstoffe nicht in allen Fällen ausreichend. Bei extremer Korrosionsbeanspruchung bietet sich die Verwen­ dung von Graphit an. Graphit ist gegenüber den meisten agressiven Medien widerstandsfähig, in weitem Temperatur­ bereich verwendbar und besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Abriebsfestigkeit von Graphit liegt jedoch weit unter der metallischer Werkstoffe. Zwar gehören Rohrbündelwärme­ austauscher aus Graphit zum Stand der Technik, doch sind die bekannten Ausführungen nicht als Wirbelschicht-Wärme­ austauscher geeignet. Versuche, die nicht zum Stand der Technik gehören, haben gezeigt, daß an den Graphit-Rohr­ bündeln ein nichtakzeptabler Verschleiß auftritt, wenn die Wärmeaustauscher ohne zusätzliche Maßnahmen mit einer zir­ kulierenden Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen betrieben werden. Dabei wurde festgestellt, daß der Ver­ schleißfortschritt einer Progression unterliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbel­ schichtwärmeaustauscher anzugeben, dessen Korrosionseigen­ schaften denen eines Graphit-Wärmeaustauschers entsprechen und der einer abrasiven Beanspruchung durch das Wirbelgut standhält.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Rohrbündel aus Graphitrohren und graphitischen Rohrböden besteht, wobei die Graphitrohre in Sacklöcher der Rohrböden eingesetzt sind und mit Anschlußbohrungen der Rohrböden Strömungskanäle bilden, daß die Anschlußbohrungen der beiden Rohrböden außenseitig endende Bohrungserweiterungen aufwei­ sen, in die nichtgraphitische zylindrische Verschleißschutz­ hülsen eingesetzt sind, wobei die in den unteren Rohrboden eingesetzten Verschleißschutzhülsen rückwärtig als Steig­ rohr- bzw. Rückführrohrendstücke ausgebildet sind und wobei die Verschleißschutzhülsen für die Austrittsmündungen der Steigrohre oberhalb des oberen Rohrbodens endende Austritts­ verlängerungen aufweisen, und daß der Durchmesser der Boh­ rungserweiterungen mindestens um das 2-fache Wandstärkenmaß der Verschleißschutzhülsen größer ist als der Strömungs­ kanaldurchmesser. - Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Strömungswirbel in Folge eines Carnot′schen Stoßverlustes an den Austrittsmündungen der Steigrohre und des Rückführrohres schädlich sind. Ähnliches gilt für den Einlaufbereich der Steigrohre und des Rückführrohres. Auch hier führen Strömungseffekte im Einlaufbereich zu einem erhöhten und die Standzeit des Wärmetauschers begrenzenden Verschleiß der Graphitbauteile. Besonders verschleißanfällig sind dabei Bereiche an und hinter rückspringenden Kanten. Erfindungsgemäß sind sowohl der untere Rohrboden als auch der obere Rohrboden an den verschleißgefährdeten Bereichen durch Verschleißschutzhülsen geschützt, die einzeln in Boh­ rungserweiterungen der Anschlußbohrungen eingesetzt sind. Anzustreben ist ein stufenloser Übergang zwischen der Ver­ schleißschutzhülse und dem anschließenden Strömungskanal. Der Innendurchmesser der Verschleißschutzhülsen darf auch etwas größer sein als der Durchmesser des sich anschließen­ den Strömungskanals. Eine im Einlaufbereich vorspringende Kante aus graphitischem Werkstoff wird durch die im Stoff­ strom fluidisierten Feststoffteilchen abgeschliffen, bis ein stufenloser Übergang ausgebildet ist. Keinesfalls darf der Innendurchmesser der Hülse kleiner sein als der Durchmesser der Anschlußbohrung bzw. der Innendurchmesser des anschlie­ ßenden Graphitrohres, da sich in Folge einer Strömungsablö­ sung hinter der rückspringenden Kante Strömungswirbel bil­ den, die örtlichen Verschleiß des Graphits zur Folge haben. Mit zunehmendem Verschleißfortschritt verstärkt sich dieser Effekt. Hingegen ist eine rückspringende Kante an den Austrittsmündungen der Steigrohre bzw. des Rückführrohres unschädlich, da die durch Ablösung verursachten Strömungs­ wirbel in einem Bereich auftreten, der durch die Verschleiß­ schutzhülse bewehrt ist.

Graphitrohre mit vorgegebenem Nenndurchmesser weisen beacht­ liche fertigungsbedingte Toleranzabweichungen von dem Nenn­ durchmesser auf. Diese Toleranzabweichungen können bei einem Graphitrohr mit einem Nenndurchmesser von 1 Zoll bis zu 2 Millimeter betragen. Bei einem Wärmeaustauscher mit einem Rohrbündel aus Graphitrohren gleichen Nenndurchmessers sind nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung alle Bohrungserweiterungen mit gleichem Durchmesser ausgeführt, wobei der Durchmesser der Bohrungserweiterungen um das 2-fache Wandstärkenmaß der Verschleißschutzhülse größer ist als der unter Berücksichtigung der Toleranzabweichungen größtmögliche Graphitrohrinnendurchmesser. Die Einspannlänge der Verschleißschutzhülsen kann ohne weiteres so bemessen werden, daß durch Unstetigkeitsstellen bewirkte Strömungs­ wirbel abgebaut sind, wenn der Stoffstrom graphitische Wandflächen erreicht. Vorzugsweise beträgt die Einspannlänge der Verschleißschutzhülsen in den Rohrböden das 2,5 bis 8-fache des Strömungskanaldurchmessers. Die an den Steig­ rohraustritten verursachten Strömungswirbel in Folge eines Carnot′schen Stoßverlustes sind unschädlich, wenn die Aus­ trittsverlängerungen der den Steigrohraustrittsmündungen zu­ geordneten Verschleißschutzhülsen mindestens das 2,5-fache des Strömungskanaldurchmessers betragen. Ein ausreichender Verschleißschutz der dem Rückführrohr zugeordneten Anschluß­ bohrung des oberen Rohrbodens ist insbesondere dann gewähr­ leistet, wenn die zugeordnete Verschleißschutzhülse mit vorstehendem Kragen an den Rohrboden anschließt. Kragen meint insbesondere einen Überstand von einigen wenigen Millimetern.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, Verschleißschutzhülsen aus keramischen Werkstoffen einzusetzen, die formschlüssig ein­ gesetzt, eingeklebt oder eingekittet sein können. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht jedoch vor, daß die Ver­ schleißschutzhülsen aus biegeelastischem Werkstoff bestehen und in ihrem Einspannbereich in Längsrichtung geschlitzt sind und daß die Verschleißschutzhülsen in dem Einspannbe­ reich mittels eines Klemmsitzes an den Rohrböden befestigt sind. In Betracht kommen Kunststoffe und insbesondere metal­ lische Werkstoffe, vorzugsweise hochfeste und korrosionsbe­ ständige Stähle. Ein Längsschlitz im Einspannbereich der Verschleißschutzhülsen wirkt als Dehnungsfuge und verhin­ dert, daß sich in den Rohrböden unzulässig hohe Druckspan­ nungen in Folge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung der Verschleißschutzhülsen und des Graphitbodens aufbauen. Gleichzeitig gewährleistet die Schlitzung der Verschleiß­ schutzhülsen eine für den Klemmsitz ausreichende Feder­ elastizität der in den Rohrböden eingesetzten Bauteile. Es versteht sich, daß die Verschleißschutzhülsen im Einspannbe­ reich mit einem oder auch mehreren Längsschlitzen ausgebil­ det sein können, deren Breite so bemessen ist, daß die im Stoffstrom fluidisierten Feststoffteilchen die Graphitwan­ dung nicht erreichen oder zumindest keine abrasive Wirkung auf die in dem Längsschlitz freigelegte Graphitwandung ausüben. Eine weitere Verbesserung des Klemmsitzes ist noch erreichbar, wenn die Verschleißschutzhülsen an der Mantel­ außenseite schraubenlinienförmig verlaufende Rillen oder Riefen aufweisen. Werden metallische Werkstoffe oder Kunst­ stoffe zur Herstellung der Verschleißschutzhülsen verwendet, so können diese Riefen oder Rillen durch spanabhebende Fertigungsverfahren ohne weiteres hergestellt werden.

Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und chemische Be­ ständigkeit von Graphit auch bei einem Wärmeaustauscher genutzt wird, der mit zirkulierender Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen betrieben wird. Der erfindungsge­ mäße Wärmeaustauscher zeichnet sich durch guten Wärmedurch­ gang und gute Korrosionsbeständigkeit aus und ermöglicht die Behandlung von belagbildenden Flüssigkeiten. Durch die er­ findungsgemäßen Maßnahmen ist der abrasive Verschleiß an dem graphitischen Rohrbündel beherrschbar. Ausreichende Stand­ zeiten können erreicht werden. Die Verschleißschutzhülsen unterliegen keiner Druckbeanspruchung und werden von Zeit zu Zeit ausgewechselt. Sie können folglich aus preiswerten Werkstoffen gefertigt werden. Das gilt insbesondere, wenn sie nach bevorzugter Ausführung der Erfindung durch einen Klemmsitz an den Rohrböden befestigt sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich er­ läutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit zirkulierender Wirbelschicht aus inerten Feststoff­ teilchen,

Fig. 2 einen Ausschnitt des unteren Rohrbodens des in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauschers, in vergrößerter Dar­ stellung,

Fig. 3 bis 6 Verschleißschutzhülsen für den Einbau in den unteren sowie den oberen Rohrboden des in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauschers.

Der in den Figuren dargestellte Wärmeaustauscher arbeitet mit einer zirkulierenden Wirbelschicht aus inerten Fest­ stoffteilchen und ist für die Wärmebehandlung von Flüssig­ keiten ohne Phasenwechsel bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau des Wärmetauschers gehören ein Rohrbündel 1 aus parallelen vertikalen Steigrohren 2 und zumindest einem Rückführrohr 3 sowie endseitigen Rohrböden 4, 5, eine untere Verteilerkammer 6 und eine obere Sammlerkammer 7 für den durch das Rohrbündel 1 geführten Stoffstrom. Im übrigen weist der Wärmeaustauscher einen Wärmetauschermantel 8 mit Rohranschlüssen für im Mantelraum geführtes Heiz- oder Kühlmedium auf. Die Feststoffteilchen 9 werden in den Steigrohren 2 durch den aufwärtsströmenden Stoffstrom flui­ disiert sowie nach oben mitgeführt. Durch das Rückführrohr 3 gelangen sie in die Verteilerkammer 6 zurück. Der Fig. 1 entnimmt man, daß an die Steigrohre sowie an das Rückführ­ rohr 3 Endstücke 10, 11 anschließen, die mit Abstand zu dem unteren Rohrboden 4 in der Verteilerkammer 6 ausmünden. Die den Steigrohren 2 zugeordneten Endstücke 10 enthalten seit­ liche Bypassöffnungen 12, die der Stabilisierung der Wirbel­ schicht dienen. Im übrigen sind die Endstücke 10 für die Steigrohre 2 einerseits und das Endstück 11 für das Rück­ führrohr 3 andererseits mit unterschiedlicher Länge ausge­ bildet.

Das Rohrbündel 1 besteht aus Graphitrohren 2, 3 und aus graphitischen Rohrböden 4, 5. Die Graphitrohre 2, 3 sind in Sacklöcher der Rohrböden 4, 5 eingesetzt und bilden mit Anschlußbohrungen 13 der Rohrböden glatte Strömungskanäle. Die Durchmesser der Anschlußbohrungen 13 und die Graphit­ rohrinnendurchmesser entsprechen sich und bilden den Strö­ mungskanaldurchmesser D. Die Anschlußbohrungen 13 sowohl des unteren als auch des oberen Rohrbodens 4, 5 weisen ferner außenseitig endende Bohrungserweiterungen 14 auf, in die nichtgraphitische zylindrische Verschleißschutzhülsen 15, 15′, 15′′ eingesetzt sind. Dabei sind die in den unteren Rohrboden 4 eingesetzten Verschleißschutzhülsen 15 rück­ wärtig als Steigrohrendstücke 10 bzw. Rückführrohrendstück 11 ausgebildet. Die Verschleißschutzhülsen 15′ für die Austrittsmündungen der Steigrohre 2 weisen oberhalb des oberen Rohrbodens 5 endende Austrittsverlängerungen 16 auf, die mindestens das 2,5-fache des Graphitrohrinnendurch­ messers D betragen sollen. In der Anschlußbohrung 13 des oberen Rohrbodens 5, die dem Rückführrohr 3 zugeordnet ist, ist ferner eine Verschleißschutzhülse 15′′ eingesetzt, die mit einem vorstehenden Kragen 17 an den Rohrboden an­ schließt. Kragen 17 meint hier einen Überstand von einigen Millimetern. Die Einspannlänge L der Verschleißschutzhülsen 15, 15′, 15′′ in den Rohrböden 4, 5 kann je nach Dicke des Rohrbodens das 2,5 bis 8-fache des Graphitrohrinnendurch­ messers D betragen.

Einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 2 entnimmt man, daß der Innendurchmesser D′ der Verschleißschutzhülsen 15, 15′, 15′′ und der Strömungskanaldurchmesser bzw. Innen­ durchmesser der Graphitrohre D nahezu übereinstimmen, wobei der Innendurchmesser D′ der Verschleißschutzhülsen auch etwas größer sein darf als der Durchmesser D des sich anschließenden Strömungskanals 13. Der Durchmesser der Boh­ rungserweiterung D_B ist also mindestens um das 2-fache Wandstärkenmaß s der Verschleißschutzhülsen 15, 15′, 15′′ größer als der Strömungskanaldurchmesser D. Besteht das Rohrbündel 1 aus Graphitrohren 2, 3 gleichen Nenndurch­ messers, deren Innendurchmesser D fertigungsbedingte Toleranzabweichungen von dem Nenndurchmesser aufweisen, so sind zweckmäßigerweise alle Bohrungserweiterungen 14 mit gleichem Durchmesser D_B ausgeführt, wobei der Durchmesser D_B der Bohrungserweiterungen um das 2-fache Wandstärkenmaß s der Verschleißschutzhülsen 15, 15′, 15′′ größer ist als der unter Berücksichtigung der Toleranzabweichungen größtmög­ liche Graphitrohrinnendurchmesser D.

Die in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Verschleißschutzhülsen 15, 15′, 15′′ bestehen aus metallischem Werkstoff, insbeson­ dere einem hochfesten und korrosionsbeständigen Stahl. Sie weisen einen in Längsrichtung geschlitzten Einspannbereich 18 auf. Mittels eines Klemmsitzes sind sie in dem Einspann­ bereich 18 an den Rohrböden 4, 5 befestigbar. Man erkennt, daß die Verschleißschutzhülsen 15 je nach der ihnen zuge­ dachten Funktion mit unterschiedlicher Länge ausgeführt sind und daß die als Steigrohrendstücke 10 an den unteren Rohrboden 4 angeschlossenen Verschleißschutzhülsen 15 zu­ sätzliche Bypassöffnungen 12 zur Stabilisierung der Wirbel­ schicht aufweisen. Die Außenfläche der Verschleißschutzhül­ sen ist glatt. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber, an der Mantelaußenseite schraubenlinienförmig verlaufende Riefen oder Rillen auszubilden. Diese bewirken einen zusätzlichen Formschluß der Verschleißschutzhülsen 15, 15′, 15′′ in dem graphitischen Rohrboden 4, 5.

Claims (8)

1. Wärmeaustauscher mit zirkulierender Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen - mit
einem Rohrbündel aus parallelen vertikalen Steig­ rohren und zumindest einem Rückführrohr sowie endseitigen Rohrböden,
einer unteren Verteilerkammer und einer oberen Sammlerkammer für den durch das Rohrbündel geführ­ ten Stoffstrom,
wobei die Feststoffteilchen in den Steigrohren durch den aufwärtsströmenden Stoffstrom fluidisiert sowie nach oben mitgeführt werden und durch das Rückführrohr in die Vertei­ lerkammer zurückgelangen und wobei an die Steigrohre sowie an das Rückführrohr Endstücke anschließen, die mit Abstand zu dem unteren Rohrboden in der Verteilerkammer ausmünden, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (1) aus Graphitrohren (2, 3) und graphitischen Rohrböden (4, 5) besteht, wobei die Graphitrohre (2, 3) in Sacklöcher der Rohrböden (4, 5) eingesetzt sind und mit Anschlußbohrungen (13) der Rohrböden (4, 5) Strömungskanäle bilden, daß die Anschlußbohrungen (13) der beiden Rohrböden (4, 5) außenseitig endende Bohrungserweiterungen (14) auf­ weisen, in die nichtgraphitische zylindrische Verschleiß­ schutzhülsen (15, 15′, 15′′) eingesetzt sind, wobei die in den unteren Rohrboden (4) eingesetzten Verschleißschutzhül­ sen (15) rückwärtig als Steigrohr- bzw. Rückführrohrend­ stücke (10, 11) ausgebildet sind und wobei die Verschleiß­ schutzhülsen (15) für die Austrittsmündungen der Steigrohre (10) oberhalb des oberen Rohrbodens (15) endende Aus­ trittsverlängerungen (16) aufweisen, und daß der Durchmesser (D_B) der Bohrungserweiterungen (14) mindestens um das 2­ fache Wandstärkenmaß (s) der Verschleißschutzhülsen (15, 15′, 15′′) größer ist als der Strömungskanaldurchmesser D.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 mit einem Rohrbündel aus Graphitrohren gleichen Nenndurchmessers, wobei die Innen­ durchmesser der Graphitrohre fertigungsbedingte Toleranzab­ weichungen von dem Nenndurchmesser aufweisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alle Bohrungserweiterungen (14) mit glei­ chem Durchmesser (D_B) ausgeführt sind und daß der Durch­ messer (D_B) der Bohrungserweiterungen (14) um das 2-fache Wandstärkenmaß (s) der Verschleißschutzhülsen (15, 15′, 15′′) größer ist als der unter Berücksichtigung der Toleranzabweichungen größtmögliche Graphitrohrin­ nendurchmesser.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einspannlänge (L) der Verschleißschutzhül­ sen (15, 15′, 15′′) in den Rohrböden (4, 5) das 2,5 bis 8-fache des Strömungskanaldurchmessers (D) beträgt.

4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsverlängerungen (16) der den Steigrohraustrittsmündungen zugeordneten Verschleiß­ schutzhülsen (15′) mindestens das 2,5-fache des Strömungs­ kanaldurchmessers (D) betragen.

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem oberen Rohrboden (5) in die dem Rückführrohr (3) zugeordnete Anschlußbohrung (13) eingesetzte Verschleißschutzhülse (15′′) mit einem vorste­ henden Kragen (17) an den Rohrboden (5) anschließt.

6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzhülsen (15, 15′, 15′′) aus biegeelastischem Werkstoff bestehen und in ihrem Einspannbereich (18) in Längsrichtung geschlitzt sind und daß die Verschleißschutzhülsen (15, 15′, 15′′) in dem Einspannbereich (18) mittels eines Klemmsitzes an den Rohr­ böden (4, 5) befestigt sind.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzhülsen (15, 15′, 15′′) aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise einem hochfesten und korrosionsbeständigen Stahl, bestehen.

8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzhülsen (15, 15′, 15′′) an der Mantelaußenseite schraubenlinienförmig verlaufende Riefen oder Rillen aufweisen.