EP0130361B1 - Heat exchanger end palte with arrangement for cooling - Google Patents

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EP0130361B1 EP84106055A EP84106055A EP0130361B1 EP 0130361 B1 EP0130361 B1 EP 0130361B1 EP 84106055 A EP84106055 A EP 84106055A EP 84106055 A EP84106055 A EP 84106055A EP 0130361 B1 EP0130361 B1 EP 0130361B1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0229—Double end plates; Single end plates with hollow spaces

Definitions

  • the tube arranged in the bore is provided with guide elements at its end projecting beyond the ring.
  • the inlet of the cooling water can be placed in relation to the outlet of the steam emerging from the edge of the closed bore in such a way that the cooling water runs through optimally.

Abstract

A device is provided for direct cooling of thick essentially horizontal wall members which are charged with different temperatures and possibly different pressures on their upper and lower sides, such as for cooling a heat exchanger tube sheet. Cooling of the wall member or component from the "cold side" is afford by closed end bores formed in the wall member which bores are open on the "cold side" and closed on the "hot side". Each closed end bore has a tube projecting from the "cold side" of the wall member and extending into the bore with its end within the bore located adjacent the closed end of the bore. The diameter of the tube is smaller than the diameter of the bore so that flow through the tube into the bore can reverse direction at the closed end and flow through the space between the tube and the bore.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Rohrboden mit einer Einrichtung zu seiner Kühlung und mit Bohrungen zur Aufnahme von Wärmetauscherrohren.The invention is directed to a tube sheet with a device for cooling it and with bores for receiving heat exchanger tubes.

Rohrböden von Wärmetauschern zwischen NH3-Konverter verlassendem Kreislaufgas und Wasser sind in der Regel sehr unterschiedlichen Beanspruchungen auf der Kaltseite einerseits und Warmseite andererseits ausgesetzt, so daß schon Vorschläge gemacht worden sind, diese Beanspruchungen dadurch zu reduzieren, daß entweder die beidseitigen Temperaturunterschiede geringer werden oder aber besondere Baumaßnahmen vorgenommen werden, um die Beanspruchungen durch die aggressiven Medien zu reduzieren.Pipe bottoms of heat exchangers between circulating gas and NH3 converter are usually exposed to very different stresses on the cold side on the one hand and hot side on the other, so that proposals have already been made to reduce these stresses by either reducing the bilateral temperature differences or else special construction measures are carried out in order to reduce the stresses caused by the aggressive media.

Zum Temperaturausgleich beschreibt z. B. die DE-A-30 22 480 der Anmelderin bei einem einzigen Rohrboden und U-Förmigen Rohren eine spezielle Kreislaufgasführung. Bei dieser bekannten Lösung werden sehr gute Ergebnisse insbesondere auf dem speziellen Einsatzgebiet erreicht. Bei einer anderen Gestaltung nach der GB-A-20 29 955 mit geraden Wärmetauscherrohren und zwei Rohrböden findet die Kühlung am oberen Rohrboden statt. Dazu sind dort an der unteren Seite Kühltaschen vorgesehen. die mit einem besonderen Kühlsystem verbunden sind.For temperature compensation describes e.g. B. DE-A-30 22 480 of the applicant with a single tube sheet and U-shaped tubes a special recycle gas. With this known solution, very good results are achieved, particularly in the special field of application. In another design according to GB-A-20 29 955 with straight heat exchanger tubes and two tube plates, the cooling takes place on the upper tube plate. For this purpose, cool bags are provided on the lower side. which are connected to a special cooling system.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der die Rohrböden durch eine spezielle Gestaltung direkt gekühlt werden können, d. h. mit welcher die Temperatur der « kalten Seite den Rohrboden möglichst weit beaufschlagt.The object of the invention is to provide a solution with which the tube sheets can be cooled directly by a special design, i. H. with which the temperature of the «cold side is applied as far as possible to the tube sheet.

Bei einem Rohrboden der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Rohrboden von der einen Seite zur anderen Seite gerichtete, verschlossene Bohrungen vorgesehen sind, in welchen ein zu der erstgenannten Seite überstehendes, in den Fußbereich der Bohrungen hineinragendes Rohr vorgesehen ist, dessen Durchmesser kleiner als dasjenige der Bohrung ist.In the case of a tube sheet of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that in the tube sheet from one side to the other, directed bores are provided, in which a projecting to the first-mentioned side projecting into the foot region of the bores is provided whose diameter is smaller than that of the bore.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß durch die verschlossene Bohrung die « kalte Oberfläche des Rohrbodens vergrößert wird. Die in die verschlossenen Bohrungen hineinragenden Rohre kleineren Durchmessers ermöglichen es, wenn sich z. B. Kühlwasser auf der « kalten Seite des Rohrbodens befindet, daß dieses in die Bohrung eingesogen und durch das nach oben zur kälteren Seite überstehende Rohr wieder ausgestoßen wird, so daß hier eine zusätzliche Kühlung erreicht wird.With the invention it is achieved that the «cold surface of the tube sheet is enlarged by the closed bore. The smaller diameter tubes protruding into the closed bores make it possible if, for. B. cooling water is located on the «cold side of the tube sheet, that this is sucked into the bore and ejected again through the tube projecting upwards to the colder side, so that additional cooling is achieved here.

Die verschlossene Bohrung kann nunmehr in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein. So sieht die Erfindung nach einer Gestaltung vor, daß die Länge der verschlossenen Bohrung kleiner ist als die Dicke des Rohrbodens, d. h. bei der Bohrung kann es sich z. B. um eine sogenannte Sackbohrung handeln, oder aber es war eine ursprünglich durchgehende Bohrung, die dann mit einem Stopfen od. dgl. wieder geschlossen wurde.The closed bore can now be designed in different ways. So the invention provides for a design that the length of the closed bore is less than the thickness of the tube sheet, d. H. in the bore it can be z. B. is a so-called blind hole, or it was originally a through hole, which was then closed with a plug or the like. Again.

Eine andere Lösung besteht darin, daß im Rohrboden Durchgangsbohrungen vorgesehen sind, die mit einer den Rohrboden zur einen Seite hin überragenden Kappe verschlossen sind, und daß in jeder Bohrung ein zur anderen Seite überstehendes, in den Fußbereich der Bohrungen hineinragendes Rohr vorgesehen ist, dessen Durchmesser kleiner als dasjenige der Bohrung ist.Another solution is that through bores are provided in the tube sheet, which are closed with a cap projecting beyond the tube sheet on one side, and in each bore there is a tube projecting to the other side and projecting into the foot region of the bores, the diameter of which is smaller than that of the hole.

Diese Gestaltung ermöglicht es, z. B. Bohrungen über die « heiße Oberfläche des Rohrbodens hinausragend zu gestalten. Befindet sich z. B. auf der heißen Seite Rauchgas, so ermöglicht die in den Rauchgasstrom hineinragende Kappe, daß bei Wasserkühlung in der Kappe das Wasser verdampft und die Dampfblasen zur kalten Seite hin aufsteigen, so daß ein « Naturumlauf des Kühlwasser in der verschlossenen Bohrung durch das zentrische Rohr hindurch erfolgt. Dieser Effekt wird allerdings auch bei den anderen Bohrungsgestaltungen erzielt, wenngleich er hier bei der letztgenannten Gestaltung besonders vorteilhaft ausgenutzt ist.This design enables z. B. To make holes protruding beyond the «hot surface of the tube sheet. Is z. B. on the hot side of flue gas, the cap protruding into the flue gas stream enables water to evaporate in the cap when the water is cooled and the vapor bubbles rise to the cold side, so that a «natural circulation of the cooling water in the closed bore through the central tube through it. However, this effect is also achieved in the other bore designs, although it is used particularly advantageously in the latter design.

Zur günstigen Führung des Kühlmediums in den verschlossenen Bohrungen sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, daß die Bohrung im Rohrboden an ihrem nicht verschlossenen Ende mit einem Ring oder Steg verlängert ist und das in der Bohrung angeordnete Rohr diesen Ring überragt.For favorable guidance of the cooling medium in the closed bores, the invention provides in a further embodiment that the bore in the tube sheet is extended at its unlocked end with a ring or web and the tube arranged in the bore projects over this ring.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das in der Bohrung angeordnete Rohr an seinem den Ring überragenden Ende mit Leitelementen versehen ist. Damit kann der Eintritt des Kühlwassers gegenüber dem Austritt des aus der verschlossenen Bohrung randseitig austretenden Dampfes so gelegt werden, daß es zu einem optimalen Durchlauf des Kühlwassers kommt.Another embodiment of the invention is that the tube arranged in the bore is provided with guide elements at its end projecting beyond the ring. In this way, the inlet of the cooling water can be placed in relation to the outlet of the steam emerging from the edge of the closed bore in such a way that the cooling water runs through optimally.

Schließlich sieht die Erfindung auch vor, daß die Einrichtung zur Kühlung in einer Bohrung anstelle eines Wärmetauscherrohres vorgesehen ist. Diese Gestaltung ermöglicht eine sehr einfache und wirtschaftliche Fertigung des Rohrbodens, da dieser zunächst nur mit Durchgangsbohrungen gleicher Art versehen werden muß, unabhängig davon, ob eine Kühleinrichtung nach der Erfindung oder ein Wärmetauscherrohr letztendlich diese Bohrung durchsetzen bzw. beaufschlagen soll.Finally, the invention also provides that the device for cooling in a bore is provided instead of a heat exchanger tube. This design enables a very simple and economical manufacture of the tube sheet, since it first has to be provided only with through holes of the same type, irrespective of whether a cooling device according to the invention or a heat exchanger tube is ultimately intended to penetrate or act on this hole.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert : Diese zeigt in :

  • Figuren 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele der Einrichtung an Rohrböden sowie in
  • Figuren 3 bis 5 Verteilungsbeispiele von Einrichtungen an Rohrböden.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, for example: This shows in:
  • Figures 1 and 2 two embodiments of the device on tube sheets and in
  • Figures 3 to 5 distribution examples of facilities on tube sheets.

Bezugnehmend auf Fig. 1 besteht die allgemein mit 1 bezeichnete Einrichtung z. B. an einem Rohrboden 2 eines Wärmetauschers aus einer verschlossenen Bohrung 3, z. B. einer Sackbohrung, und einem in diese verschlossene Bohrung 3 hineinragenden Rohr 4, welches einen kleineren Durchmesser aufweist als die Bohrung 3 selbst. Dadurch ergibt sich ein Ringraum 5.Referring to Fig. 1, the device generally designated 1 z. B. on one Tube sheet 2 of a heat exchanger from a closed hole 3, for. B. a blind bore, and in this closed bore 3 protruding tube 4, which has a smaller diameter than the bore 3 itself. This results in an annular space 5th

Die Bohrung 3 ist mit einem Ring bzw. Steg 6 zu der mit 7 bezeichneten Kälteren Seite verlängert. Die wärmere Seite des Bauteiles 2 ist mit 8 bezeichnet.The bore 3 is extended with a ring or web 6 to the colder side designated 7. The warmer side of component 2 is designated 8.

Bei der kälteren Seite 7 kann es sich z. B. um Kühlmedium handeln, während die wärmere Seite 8 von Heißgas o. dgl. beaufschlagt sein kann bzw. von durch den Wärmetauscher hindurchgegangenges gekühltes Heißgas, welches die mit 9 bezeichneten Wärmetauscherrohre durchströmt.In the colder side 7 it can be z. B. act as cooling medium, while the warmer side 8 may be acted upon by hot gas or the like or by cooled hot gas which has passed through the heat exchanger and which flows through the heat exchanger tubes designated by 9.

Das in die Bohrung 3 hineinragende Rohr 4 überragt selbst ebenfalls zusätzlich noch den Ring 6, wie sich dies aus Fig. 1 ergibt, und ist mit einem Leitelement 10 ausgerüstet, dessen Funktion weiter unten näher beschrieben ist.The tube 4 protruding into the bore 3 also additionally projects beyond the ring 6, as can be seen in FIG. 1, and is equipped with a guide element 10, the function of which is described in more detail below.

Erkennt man aus Fig. 1, daß die Länge der Bohrung 3 kürzer als die Dicke des Bauteiles 2 ist, so zeichnet sich die Ausführungsform nach Fig. 2 dadurch aus, daß die Bohrung 3' im Bauteil bzw. Rohrboden 2' als Durchgangsbohrung ausgeführt ist und mit einer Kappe 11 in die wärmere Seite 8' hineinragt,1 that the length of the bore 3 is shorter than the thickness of the component 2, the embodiment according to FIG. 2 is characterized in that the bore 3 'in the component or tube sheet 2' is designed as a through bore and protrudes into the warmer side 8 'with a cap 11,

Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Kappe 11 als Hülsenelement ausgebldet sein, welches eine solche Länge aufweist, daß es gleichzeitig auch den überragenden Ring 6' zur kälteren Seite 7' hin bildet. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Im übrigen sind die funktionsgleichen Elemente in Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern versehen, wie diejenigen Elemente der Fig. 1, lediglich mit einem Strich.As shown in Fig. 2, the cap 11 can be hidden as a sleeve element which has a length such that it also forms the protruding ring 6 'towards the colder side 7'. Of course, the invention is not limited to this design. Otherwise, the functionally identical elements in FIG. 2 are provided with the same reference numbers as those elements in FIG. 1, only with a dash.

Am Beispiel der Fig. 2 sei die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung beschrieben :

  • Auf der kälteren Seite 7' soll sich Wasser befinden, auf der wärmeren Seite 8' Heißgas mit allerdings noch über der Verdampfungstemperatur von Wasser bei den entsprechenden Drücken liegender Gastemperatur. Das an der Kappe 11 vorbeistreichende Gas erwärmt das im Ringraum 5' befindliche Wasser derart, daß es verdampft und als Dampf den äußeren Ringraum emporsteigt. Dadurch wird in das Rohr 4' von oben, d. h. von der kalten Seite 7, das dort befindliche Wasser eingesogen, es verdampft in der Kappe 11 oder an den Wandbereichen des Rohrbodens 2' und tritt wiederum als Dampf aus. Damit ergibt sich ein «NatururnIauf von Kühlwasser in der Einrichtung 1'. Diese Wirkungsweise ist natürlich die gleiche beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Um die Phasen Dampf/Wasser besser zu trennen, sind die Leitelemente 6 bzw. 10 vorgesehen.
The functioning of the device according to the invention is described using the example of FIG. 2:
  • There should be water on the colder side 7 ', hot gas on the warmer side 8', but with the gas temperature still above the evaporation temperature of water at the corresponding pressures. The gas flowing past the cap 11 heats the water in the annular space 5 'in such a way that it evaporates and rises as steam to the outer annular space. As a result, the water located there is sucked into the tube 4 'from above, ie from the cold side 7, it evaporates in the cap 11 or on the wall regions of the tube sheet 2' and in turn emerges as steam. This results in a «natural circulation of cooling water in the device 1 '. This mode of operation is of course the same in the exemplary embodiment according to FIG. 1. In order to better separate the steam / water phases, the guide elements 6 and 10 are provided.

Schließlich zeigen die Fig. 3 bis 5 noch Verteilungsbeispiele der Kühleinrichtungen 1 bzw. 1'. Hier kann ein Teil der Bohrungen 12 für die Wärmetauscherrohre 9 mit einer Einrichtung ausgerüstet sein, wie sie erfindungsgemäß gestaltet ist, d. h. entweder sind derartige Bohrungen als Sackbohrungen oder nachträglich verschlossenen Bohrungen ausgebildet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, oder aber entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 gestaltet.Finally, FIGS. 3 to 5 also show distribution examples of the cooling devices 1 and 1 '. Here, part of the bores 12 for the heat exchanger tubes 9 can be equipped with a device as designed according to the invention, i. H. either such bores are designed as blind bores or subsequently closed bores, as shown in FIG. 1, or else are designed in accordance with the exemplary embodiment in FIG. 2.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern. ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So ist die Erfindung, wie dies auch in Fig. 2 angedeutet ist, nicht auf eine besondere Gestaltung des zu kühlenden Bauteiles beschränkt. Hier können Beschichtungen gegen aggressive Medien ebenso vorgesehen sein, wie besondere Rohrgestaltungen der heißgasführenden Kühlrohre. Die in dem Raum 8 des in der Regel aggressiven zu kühlenden Gases hineinragenden Kappen 11 können besonders beschichtet sein. Sackbohrungen gemäß Fig. 1 können mit solchen Gestaltungen wechseln, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind u. dgl. mehr. Dies trifft auch für die besondere dargestellte Gestaltung der Dampf- bzw. Wasserleitelemente zu. Diese können auch andere Gestaltungen haben, wesentlich ist lediglich, daß gewährleistet ist, daß das eintretende Kühlwasser nicht vom austretenden Wasserdampf am Eintritt gehindert wird.Of course, the exemplary embodiments described can still be modified in many ways. without leaving the basic idea of the invention. Thus, as is also indicated in FIG. 2, the invention is not restricted to a special design of the component to be cooled. Coatings against aggressive media can also be provided here, as can special pipe designs of the hot gas-carrying cooling pipes. The caps 11 projecting into the space 8 of the generally aggressive gas to be cooled can be specially coated. 1 can change with such designs, as shown in Fig. 2 u. Like. more. This also applies to the special design of the steam or water guiding elements shown. These can also have other designs, the only essential thing is that it is ensured that the cooling water entering is not prevented from entering by the emerging water vapor.

Claims (6)

1. A tube plate (2) having a means (1) for cooling thereof and having bores for accommodating heat exchanger tubes (9), characterised in that provided in the tube plate (2) are closed bores (3) which are directed from one side (7) to the other side (8) and in which there is provided a tube (4) which projects relative to the firstmen- tioned side (7) and which extends into the foot region of the bores and which is smaller in diameter than the diameter of the bores.
2. A tube plate according to claim 1 characterised in that the length of the closed bore (3) is less than the thickness of the tube plate.
- 3. A tube plate (2') having a means (1') for cooling thereof and having bores for accommodating heat exchanger tubes (9'), characterised in that provided in the tube plate (2') are through bores (3') which are closed by a cap (11) which projects beyond the tube plate towards one side (8'), and that provided in each bore (3') is a tube (4') which projects relative to the other side (T) and which extends into the foot region of the bores and which is smaller in diameter than the diameter of the bores.
4. A tube plate according to one of the preceding claims characterised in that the bore (3) or (3') in the tube plate is extended at its non-closed end by a ring (6. 6') or web portion and the tube (4, 4') arranged in the bore projects beyond said ring (6. 6').
5. A tube plate according to claim 4 characterised in that the tube (4, 4') arranged in the bore (3, 3') is provided with guide elements (10, 10'), at its end which projects beyond the ring (6, 6').
6. A tube plate according to one of claims 3 to 5 characterised in that the cooling means (1, 1') is provided in a bore instead of a heat exchanger tube (9').
EP84106055A 1983-07-01 1984-05-28 Heat exchanger end palte with arrangement for cooling Expired EP0130361B1 (en)

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EP0130361A2 EP0130361A2 (en) 1985-01-09
EP0130361A3 EP0130361A3 (en) 1985-05-22
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