EP0166805B1 - Wärmeübertragersystem - Google Patents

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Publication number
EP0166805B1
EP0166805B1 EP84109863A EP84109863A EP0166805B1 EP 0166805 B1 EP0166805 B1 EP 0166805B1 EP 84109863 A EP84109863 A EP 84109863A EP 84109863 A EP84109863 A EP 84109863A EP 0166805 B1 EP0166805 B1 EP 0166805B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure vessel
duct
exchange system
heat exchange
branch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
EP84109863A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0166805A2 (de
EP0166805A3 (en
Inventor
Peter Baumberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Management AG
Original Assignee
Gebrueder Sulzer AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gebrueder Sulzer AG filed Critical Gebrueder Sulzer AG
Publication of EP0166805A2 publication Critical patent/EP0166805A2/de
Publication of EP0166805A3 publication Critical patent/EP0166805A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0166805B1 publication Critical patent/EP0166805B1/de
Expired legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B21/00—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically
    • F22B21/22—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes of form other than straight or substantially straight
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1838—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines the hot gas being under a high pressure, e.g. in chemical installations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers
    • F22B35/007—Control systems for waste heat boilers

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger system according to the preamble of claim 1.
  • Such a heat exchanger system is known from EP-A-0 111615, which, in addition to being compact, has good controllability.
  • the applicability of the known heat transfer system is limited, however, because on the one hand a predetermined proportion of the total amount of heat has to be supplied to the evaporator heating surface for control reasons and on the other hand the temperature of the hot gas in the region of the fork in two parallel branch channels is limited for design reasons; for example in the frequently occurring application of the known heat exchanger system for cooling synthesis gas to approx. 600 ° C.
  • the arrangement of the second branch channel downstream of the displacement body and coaxial to the first branch channel supports the striving for a compact design of the system.
  • the arrangement of another heat exchanger surface in the further duct section downstream of the mixing space enables the transfer of very large amounts of heat, even without a heat exchanger surface having to be provided in the second branch duct, so that this branch duct may only serve as a bypass for hot gas. This significantly increases the control range compared to the known system.
  • an existing heat exchanger surface in the second branch duct can be dimensioned small or possibly omitted entirely, it is possible to make the area of the fork in the branch ducts much less sensitive to high temperatures than before, whereas the other heat exchanger surface in the further duct section is only exposed to gas is that has been sufficiently cooled at least along the entire evaporator heating surface in the first branch duct.
  • the wall of the pressure vessel is easily protected from excessive temperatures.
  • the feature according to claim 2 leads to an optimal use of the space occupied by the heat exchanger system and thus to a smaller, relatively light pressure vessel, which is expressed in a low price, good portability and easy assembly.
  • the embodiment according to claim 3 is advantageous in terms of price, since the snake tubes can be produced very easily and the hanging of the tube boards does not require any special suspension means.
  • the embodiment according to claim 4 results in a particularly high heat transfer and in the event of a leak, the pipes affected can be easily blinded without this leading to hot streaks in the gas.
  • the arrangement according to claim 5 leads to a simple, relatively small throttle element which is located in a relatively cool area and is easy to operate.
  • the gas outlet connection inevitably lies in the lower region of the pressure vessel, so that the connections of all heat exchanger surfaces to the medium lines must be arranged in the uppermost region of the pressure vessel.
  • at least the medium connections of the other heat exchanger surface are arranged in the lower region of the pressure vessel, so that any liquid or solid residues of the medium can be removed from the other heat exchanger surface when the heat exchanger system is at a standstill.
  • the final temperature of the gas can be influenced in a simple manner.
  • the embodiment according to claim 8 has the advantage of reducing the coil tube temperature. It also allows a cross flow of part of the gas in the branching area without a high pressure drop occurring on the gas side.
  • the snake tubes By spacing by means of the cams according to claim 9, the snake tubes can be packed together to form a compact ring bundle that can easily be hung from the outermost tubes, as claimed in claim 10.
  • the lid according to claim 11 ensures good accessibility to the interior of the pressure vessel, in particular to the heating surfaces, whereas the thermal insulation leads to a relatively thin-walled lid.
  • a tubular lower part 2 is of a cylindrical pressure vessel 1 Claws 3 parked on a foundation 4.
  • the lower part 2 is connected at its lower end to a gas inlet line, not shown.
  • a gas outlet connection 5 is arranged laterally a little below its upper end.
  • the lower part 2 has a flange 6 on which a cover 7 sits, which forms the upper part of the pressure vessel 1 and has an internal thermal insulation 8.
  • a lining 10 extends over a central, extended height range of the lower part 2 at a small distance from its inner wall, forming an annular space 9, which ends at the top on an inner edge of an annular plate 12 and is tightly connected to the latter.
  • the periphery of the ring plate 12 is tightly connected to the lower part 2.
  • a middle channel wall 22 Arranged within the outer channel wall 20 is a middle channel wall 22, which is connected at its lower end to the wall of the lower part 2 via a tight but easily releasable connection 16.
  • An inner channel wall 28 is provided within the middle channel wall 22, which together with the middle channel wall 22 forms the first branch channel 32 with an annular cross section.
  • the channel wall 28 also forms a circular cylindrical, inner second branch channel 33 and carries a sheet metal cone 23 with a valve seat 24 at the top.
  • the valve seat 24 interacts with a throttle element 25 in the form of a poppet valve which is actuated by a servo motor 26.
  • a displacement body 14 is provided within it, which, together with the wall 22, delimits a channel section 30.
  • a displacement body 14 there is the fork in the two branch channels 32 and 33, the channel section 30 and the first branch channel 32 being aligned with one another.
  • a single coil heating surface 36 which is connected as an evaporator, extends over the entire height of the annular space formed by the channel section 30 and the first branch channel 32.
  • the coil heating surface 36 consists of thirty-six involute tube sheets 38 which are each formed from a tube with vertically directed legs. Such a tube sheet 38 is particularly highlighted in FIG. 2 and drawn in an unwound manner in FIG. 3.
  • a leg 51 (FIG. 3) running on an outermost tube cylinder 50 (FIG. 2) is connected via an inclined section 52 to a leg on an innermost tube cylinder 53 (FIG.
  • leg 54 (Fig. 3) connected.
  • the leg 54 is connected at the top via a manifold to a leg 55 which is connected at the bottom via a manifold to a further leg 56.
  • a leg 57 finally leads vertically upwards, where it leads together with the leg 51 to the cover 7, which the tube legs 51 and 57 pierce through known sealing sleeves.
  • the legs 51 and 57 are then connected to a distributor 58 and a collector 59 together with the corresponding legs of the remaining thirty-five tube plates 38.
  • the tube legs are spaced apart from one another by cams, not shown in the drawing, attached to the legs or by ribs running all around at different heights.
  • the tube sheets 38 are layered on the inner channel wall 28, bent into involute surfaces and radially compressed with tensioning belts (not shown) extending over the circumference of the coil heating surface 36.
  • the heating surface bundle formed in this way is encased in the area of the first branch duct 32 with a wire mesh.
  • the outermost pipe limbs 51 can rest on the middle channel wall 22, which is thereby cooled during operation.
  • a wire mesh made of a highly heat-resistant material or an insulation can also be provided here, possibly in several layers, which reduces the heat transfer to the central channel wall 22.
  • the annular space delimited by the outer channel wall 20 and the middle channel wall 22 forms a further channel section 34, in which another heat transfer surface 62, here a superheater heating surface, is arranged, which consists of ninety-two helically wound tubes 64 which form five tube cylinders.
  • the pipes 64 are connected to manifolds 75, 75 'via connecting pipes 72 which penetrate the wall of the lower part 2.
  • each pipe 64 is connected via a pipe bend 65 to one of the ninety-two down pipes 66 which run vertically in the annular channel formed between the lining 10 and the outer channel wall 20.
  • the tubes 66 leave the ring channel mentioned and emerge laterally through the wall of the lower part 2 through the wall of the lower part 2 through the wall of the lower part 2.
  • the downpipes are connected to two collectors 70, 70 '.
  • the heat exchanger surface 62 is freely stretchable upwards.
  • the tubes 64 of the heat exchanger surface 62 are held in perforated support plates 61 which are arranged within the further channel section 34 in three planes which are offset by 120 ° from one another and run through the vertical axis of the pressure vessel 1.
  • the lower ends of the support plates 61 are fastened laterally to the wall of the lower part 2, and the support plates 61 have bores 63 (FIG. 2) over the height region of the heat exchanger surface.
  • the tubes 64 are wound into these bores 63.
  • the support plates 61 are freely stretchable upwards.
  • a valve is arranged on the lower part 2, which consists of a handwheel 80, a horizontal valve rod 81 and a valve cone 82 acting in a circular opening of the liner 10.
  • the handwheel 80 is located outside of the pressure vessel 1.
  • the valve rod 81 penetrates the wall of the lower part 2, a thread (not shown) on the valve rod 81 being guided in a nut 83 fastened to the lower part 2 and the point of penetration of the valve rod 81 through the lower part 2 is sealed in a known manner.
  • the gas outlet nozzle 5 is lined with a feed plate 92 which forms an inlet nozzle and which leads into a static mixer 93.
  • connection 16 and the lowermost section of the lower part 2 are protected from excessive temperatures by a brick lining 76, which may contain cooling pipes, not shown.
  • the collector 59 is connected via a saturated steam line 45 to a separator 46, the steam outlet line 47 leading to the distributors 75 and 75 ', while separated water is discharged via an outlet connection 48 attached to the bottom of the separator 46.
  • a further steam supply line 49 is connected to the distributors 75, 75 '. B. comes from cooling devices or a boiler system.
  • the heat exchanger system according to FIGS. 1 to 3 works as follows:
  • the pressure vessel 1 is supplied with a process gas of, for example, 1000 ° C. and 20 to 40 bar at its lower end. This gas flows through the channel section 30, whereupon it is distributed to the first branch channel 32 and the second branch channel 33 after cooling to approximately 900 ° C.
  • the partial flow in the first branch duct 32 emits further heat and is cooled to, for example, 600 ° C.
  • the two partial flows combine, resulting in a mixing temperature of, for example, 700 ° C.
  • the combined gas flow then passes through the further channel section 34, where it is further cooled to, for example, 400 ° C., and the annular space 9, where it tempers the wall of the pressure vessel, into the annular space below the annular plate 12 and from there - through the gas outlet connection 5 - for further use.
  • the lining plate 92 In order that hot gas streaks that may result from the opening of the valve plate 82 neither cause hot spots on the wall of the lower part 2 nor on the gas outlet connection 5, the lining plate 92, optionally supported by additional guide plates, keeps such streaks away from the pressure-bearing wall.
  • the static mixer 93 then makes the gas temperature more uniform.
  • Preheated water is supplied to the heat exchanger system as a secondary medium via the distributor 58 and is fed into the coil heating surface 36 via the legs 51 serving as support tubes.
  • this coil heating surface 36 serves as an evaporator; therefore, a steam water mixture flows into the collector 59 via the legs 57.
  • the steam water mixture is then separated in the separator 46; the water is excreted through the nozzle 48 and the saturated steam is fed via line 47 into the distributors 75, 75 '.
  • the heating surfaces in the channel section 30 and in the first branch channel 32 are designed so large with regard to any heating surface contamination that initially it is possible to drive with the throttle element 25 and valve cone 82 open wide. A lot of heat is emitted in the channel section 30 and a very large part of the gas leaving the section 30 is conducted via the second branch channel 33, so that the amount of heat given off in the first branch channel 32 remains relatively small. Since the gas inlet temperature in the second branch duct 33 is already relatively low, there is no danger that it will overheat. Corresponding The result is a relatively low gas temperature downstream of the further channel section 34. By admixing a relatively large amount of hot gas via the wide-open valve cone 82, the temperature of the gas emerging from the pressure vessel 1 is raised again to the desired level.
  • the hot gas supply to the annular space 9 is throttled by closing the valve cone 82.
  • the cover 7 is lifted off to clean the heating surfaces, with the coil heating surface 36 and the inner channel wall 28 being pulled out.
  • the middle channel wall 22 can then also be pulled out relatively easily after the connection 16 has been released.
  • the tube sheets 38 can now be bent slightly outwards, in particular in the middle and lower part of the coil heating surface, so that they can be cleaned.
  • the other heat transfer surface 62 can be inspected from the inside and can also be cleaned from there.
  • the inner channel wall 28 can be shortened or extended downwards in a simple manner. It is also conceivable to make the branching point adjustable, for example by one or two ring slides or by a bypass provided in the inner channel wall 28.
  • the invention is not limited to the illustrated embodiment.
  • the heat exchanger surfaces are shown in the simplest form. But they can also be divided. The flow directions can also be reversed in whole or in part.
  • more than one secondary medium can be involved in the heat transfer. If throttling elements in the pressure vessel are to be avoided, they can also be placed in connecting lines which serve to guide the gas outside the pressure vessel.
  • the quantity distribution of the secondary medium or the secondary media can also be changed under certain circumstances.
  • the invention is by no means bound to the exemplary embodiment shown; for example, pocket pipes or heat pipes can also be used.
  • the branching to the branch channels can be staggered at different temperatures or temperature ranges.
  • the merging of the branch streams can also be staggered.
  • the opening controlled by the valve cone 82 can also be connected on the inlet side to locations of one or the other branch channel.
  • Redundancies can be provided to increase the operational safety of the system. It can e.g. B. two or more valve cones 82 with associated components may be present in the heat exchanger system according to the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein solches Wärmeübertragersystem ist aus derEP-A-0 111615 bekannt, das ausser einer kompakten Bauweise eine gute Regelbarkeit aufweist. Die Anwendbarkeit des bekannten Wärmeübertragersystems ist jedoch begrenzt, weil einerseits aus regeltechnischen Gründen der Verdampferheizfläche ein vorgegebener Anteil der gesamten Wärmemenge zugeführt werden muss und andererseits die Temperatur des heissen Gases im Bereich der Gabelung in zwei parallele Zweigkanäle aus konstruktiven Gründen limitiert ist; beispielsweise bei der häufig vorkommenden Anwendung des bekannten Wärmeübertragersystems zur Kühlung von Synthesegas auf ca. 600° C.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, das Wärmeübertragersystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass seine Anwendbarkeit erweitert wird, wobei seine bisherigen guten Eigenschaften im wesentlichen erhalten bleiben.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst. Durch die Anordnung des zweiten Zweigkanals stromunterhalb des Verdrängungskörpers und koaxial zum ersten Zweigkanal wird das Streben nach kompakter Bauweise des Systems unterstützt. Die Anordnung einer anderen Wärmeübertragerfläche im weiteren Kanalabschnitt stromunterhalb des Mischraumes ermöglicht die Übertragung sehr grosser Wärmemengen, sogar ohne dass eine Wärmeübertragerfläche im zweiten Zweigkanal vorgesehen werden müsste, so dass dieser Zweigkanal gegebenenfalls nur als Bypass für heisses Gas dient. Dadurch wird eine wesentliche Vergrösserung des Regelbereiches gegenüber dem bekannten System erzielt. Da ferner eine im zweiten Zweigkanal vorhandene Wärmeübertragerfläche klein dimensioniert werden kann oder evtl. ganz entfällt, ist es möglich, den Bereich der Gabelung in die Zweigkanäle wesentlich unempfindlicher auf hohe Temperaturen als bisher zu gestalten, wogegen die andere Wärmeübertragerfläche im weiteren Kanalabschnitt erst von Gas beaufschlagt wird, das mindestens entlang der gesamten Verdampferheizfläche im ersten Zweigkanal genügend gekühlt worden ist. Durch das Vorsehen des Ringraumes wird die Wand des Druckgefässes auf einfache Weise vor zu hohen Temperaturen geschützt.
  • Das Merkmal nach Anspruch 2 führt zu einer optimalen Ausnützung des vom Wärmeübertragersystem beanspruchten Raumes und somit zu einem kleineren, verhältnismässig leichten Druckgefäss, was sich in einem günstigen Preis, guter Transportierbarkeit und guter Montierbarkeit ausdrückt.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 3 ist preislich vorteilhaft, da die Schlangenrohre sich sehr einfach herstellen lassen und das Aufhängen der Rohrtafeln keine besonderen Tragmittel erfordert.
  • Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 ergibt einen besonders hohen Wärmeübergang und im Falle einer Leckage lassen sich die davon betroffenen Rohre leicht abblinden, ohne dass dies zu heissen Strähnen im Gas führen würde.
  • Die Anordnung gemäss Anspruch 5 führt zu einem einfachen, relativ kleinen Drosselorgan, das sich in einem relativ kühlen Bereich befindet und einfach zu betätigen ist.
  • Beim bekannten Wärmeübertragersystem kommt der Gasaustrittsstutzen zwangsläufig im unteren Bereich des Druckgefässes zu liegen, so dass die Anschlüsse sämtlicher Wärmeübertragerflächen an die Mediumleitungen im obersten Bereich des Druckgefässes angeordnet werden müssen. Nach Anspruch 6 dagegen werden mindestens die Mediumanschlüsse der anderen Wärmeübertragerfläche im unteren Bereich des Druckgefässes angeordnet, wodurch bei einem Stillstand des Wärmeübertragersystems ein Abführen von eventuellen flüssigen oder festen Rückständen des Mediums aus der anderen Wärmeübertragerfläche auf einfache Weise möglich ist.
  • Durch das Drosselorgan gemäss Anspruch 7 lässt sich auf einfache Art die Endtemperatur des Gases beeinflussen.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 8 bringt den Vorteil einer Reduktion der Schlangenrohrtemperatur. Sie gestattet überdies eine Querströmung eines Teils des Gases im Verzweigungsbereich, ohne dass gasseitig ein hoher Druckabfall auftritt.
  • Durch das Distanzieren mittels der Nocken gemäss Anspruch 9 lassen sich die Schlangenrohre zu einem kompakten Ringbündel zusammenpacken, das sich leicht an den äussersten Rohren aufhängen lasst, wie dies in Anspruch 10 beansprucht wird.
  • Der Deckel nach Anspruch 11 sichert eine gute Zugänglichkeit zum Inneren des Druckgefässes, insbesondere zu den Heizflächen, wogegen die thermische Isolierung zu einem relativ dünnwandigen Deckel führt.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 einen fragmentarischen, schematischen Vertikalschnitt durch ein Druckgefäss mit einem Wärmeübertragersystem nach der Erfindung,
    • Fig. 2 einen Sektor eines horizontalen Schnittes nach der Ebene 11-11 in Fig. 1, im grösseren Maßstab als in Fig. 1 und
    • Fig. 3 die Abwicklung einer Rohrtafel aus Schlangenrohren.
  • In Fig. 1 ist von einem zylindrischen Druckbehälter 1 ein rohrartiges Unterteil 2 mit Pratzen 3 auf einem Fundament 4 abgestellt. Das Unterteil 2 ist an seinem unteren Ende an eine nicht gezeichnete Gaseintrittsleitung angeschlossen. Wenig unterhalb seines oberen Endes ist seitlich ein Gasaustrittsstutzen 5 angeordnet. An seinem oberen Ende weist das Unterteil 2 einen Flansch 6 auf, auf dem ein Deckel 7 sitzt, der den Oberteil des Druckgefässes 1 bildet und eine innere Wärmeisolierung 8 aufweist.
  • Über einen mittleren, ausgedehnten Höhenbereich des Unterteils 2 erstreckt sich mit geringem Abstand von dessen Innenwand, einen Ringraum 9 bildend, ein Futter 10, das oben an einer Innenkante eines Ringbleches 12 endet und mit diesem dicht verbunden ist. Die Peripherie des Ringbleches 12 ist mit dem Unterteil 2 dicht verbunden.
  • Innerhalb des Futters 10 erstreckt sich mit geringem radialem Abstand vom Futter 10 eine äussere Kanalwand 20, die einen Rohrabschnitt bildet.
  • Innerhalb der äusseren Kanalwand 20 ist eine mittlere Kanalwand 22 angeordnet, die an ihrem unteren Ende über eine dichte, aber leicht lösbare Verbindung 16 an der Wand des Unterteils 2 angeschlossen ist.
  • Innerhalb der mittleren Kanalwand 22 ist eine innere Kanalwand 28 vorgesehen, die mit der mittleren Kanalwand 22 zusammen den ersten Zweigkanal 32 mit einem ringförmigen Querschnitt bildet. Die Kanalwand 28 bildet ausserdem einen kreiszylindrischen, inneren zweiten Zweigkanal 33 und trägt oben einen Blechkonus 23 mit einem Ventilsitz 24. Mit dem Ventilsitz 24 wirkt ein Drosselorgan 25 in Form eines Tellerventils zusammen, das von einem Servomotor 26 aus betätigt wird.
  • Im unteren Bereich der mittleren Kanalwand 22 ist innerhalb dieser ein Verdrängungskörper 14 vorgesehen, der zusammen mit der Wand 22 einen Kanalabschnitt 30 begrenzt. Oberhalb des Verdrängungskörpers 14 liegt also die Gabelung in die beiden Zweigkanäle 32 und 33, wobei der Kanalabschnitt 30 und der erste Zweigkanal 32 miteinander fluchten.
  • Über die ganze Höhe des vom Kanalbschnitt 30 und vom ersten Zweigkanal 32 gebildeten Ringraums erstreckt sich eine einzige Schlangenheizfläche 36, die als Verdampfer geschaltet ist. Die Schlangenheizfläche 36 besteht aus sechsunddreissig evolventenförmig gekrümmten Rohrtafeln 38, die aus je einem Rohr mit vertikal gerichteten Schenkeln gebildet sind. Eine solche Rohrtafel 38 ist in Fig. 2 besonders hervorgehoben und in Fig. 3 abgewickelt gezeichnet. Ein auf einem äussersten Rohrzylinder 50 (Fig. 2) verlaufender Schenkel 51 (Fig. 3) ist über einen Schrägabschnitt 52 mit einem auf einem innersten Rohrzylinder 53 (Fig.
  • 2) verlaufenden Schenkel 54 (Fig. 3) verbunden. Der Schenkel 54 ist oben über einen Krümmer mit einem Schenkel 55 verbunden, der unten über einen Krümmer an einem weiteren Schenkel 56 angeschlossen ist. Nach mehrmaligem Hin- und Herführen des Rohres führt schliesslich ein Schenkel 57 vertikal nach oben, wo er zusammen mit dem Schenkel 51 zum Deckel 7 führt, den die Rohrschenkel 51 und 57 über bekannte Dichthülsen durchstossen. Zusammen mit den entsprechenden Schenkeln der übrigen fünfunddreissig Rohrtafeln 38 sind die Schenkel 51 und 57 sodann an einem Verteiler 58 bzw. einem Sammler 59 angeschlossen.
  • Etwa auf der Höhe des unteren Endes der inneren Kanalwand 28 sind alle Schenkel der Rohrtafeln 38 im Durchmesser abgesetzt, indem sie unterhalb dieser Stelle einen kleineren Durchmesser d (Fig. 1) und oberhalb dieser Stelle einen grösseren Durchmesser D (Fig. 2) aufweisen. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Kanalabschnitt 30 herabgesetzt und gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit des zu verdampfenden Mediums erhöht. Es wird daher der Wärmeübergang auf der Aussenseite der Rohre herabgesetzt und auf der Innenseite der Rohre erhöht, was beides zu einer tieferen Temperatur des Rohrmaterials führt. Darüberhinaus wird durch den kleineren Rohrdurchmesser der Strömungsquerschnitt für den aus dem Kanalabschnitt 30 in den zweiten Zweigkanal 33 übertretenden Teilstrom des Gases vergrössert.
  • Innerhalb der Rohrtafeln 38 und zwischen ihnen sind die Rohrschenkel durch auf den Schenkeln angebrachte, in der Zeichnung nicht dargestellte Nocken oder durch auf verschiedenen Höhen angeordnete, rundum laufende Rippen voneinander distanziert. Zwecks Herstellung der Schlangenheizfläche 36 werden die Rohrtafeln 38 an die innere Kanalwand 28 geschichtet, nach Evolventenflächen gebogen und mit nichtgezeichneten, über den Umfang der Schlangenheizfläche 36 sich erstreckenden Spanngürteln radial zusammengepresst. Das so gebildete Heizflächenbündel wird im Bereich des ersten Zweigkanals 32 mit einem Drahtgeflecht umhüllt. Im Bereich des Kanalabschnittes 30 können die äussersten Rohrschenkel 51 an der mittleren Kanalwand 22 anliegen, die dadurch im Betrieb gekühlt wird. Es kann aber auch hier, gegebenenfalls in mehreren Schichten, ein Drahtgeflecht aus hochhitzebeständigem Material oder eine Isolation vorgesehen sein, die den Wärmeübergang an die mittlere Kanalwand 22 herabsetzt.
  • Der von der äusseren Kanalwand 20 und der mittleren Kanalwand 22 begrenzte Ringraum bildet einen weiteren Kanalabschnitt 34, in dem eine andere Wärmeübertragerfläche 62, hier eine Überhitzerheizfläche, angeordnet ist, die aus zweiundneunzig schraubenförmig gewundenen Rohren 64 besteht, die fünf Rohrzylinder bilden. An ihrem unteren Ende sind die Rohre 64 über Verbindungsrohre 72, die die Wand des Unterteils 2 durchdringen, mit Verteilern 75, 75' verbunden. An seinem oberen Ende ist jedes Rohr 64 über einen Rohrkrümmer 65 mit einem von zweiundneunzig Fallrohren 66 verbunden, die in dem zwischen dem Futter 10 und der äusseren Kanalwand 20 gebildeten Ringkanal vertikal verlaufen. Über eine nicht näher dargestellte, praktisch gasdichte Durchtrittsstelle verlassen die Rohre 66 den genannten Ringkanal und treten seitlich über Temperaturausgleichsstutzen - die unter dem Namen "Thermosleeves" bekannt sind - durch die Wand des Unterteils 2 aus dem Druckgefäss 1 aus. Die Fallrohre sind an zwei Sammlern 70, 70' angeschlossen. Die Wärmeübertragerfläche 62 ist nach oben frei dehnbar.
  • Die Rohre 64 der Wärmeübertragerfläche 62 werden in gelochten Tragblechen 61 gehalten, die innerhalb des weiteren Kanalabschnittes 34 in drei um 120° gegeneinander versetzten, durch die vertikale Achse des Druckgefässes 1 verlaufenden Ebenen angeordnet sind. Die unteren Enden der Tragbleche 61 sind seitlich an der Wand des Unterteils 2 befestigt, und die Tragbleche 61 weisen über den Höhenbereich der Wärmeübertragerfläche 62 Bohrungen 63 (Fig. 2) auf. In diesen Bohrungen 63 sind die Rohre 64 eingewunden. Die Tragbleche 61 sind nach Oben frei dehnbar.
  • Oberhalb des Gasaustrittsstutzen 5 ist am Unterteil 2 ein Ventil angeordnet, das aus einem Handrad 80, einer horizontalen Ventilstange 81 und einem in einer kreisrunden Öffnung des Futters 10 wirkenden Ventilkegel 82 besteht. Das Handrad 80 befindet sich ausserhalb des Druckbehälters 1. Die Ventilstange 81 durchstösst die Wand des Unterteils 2, wobei ein nichtgezeigtes Gewinde auf der Ventilstange 81 in einer am Unterteil 2 befestigten Mutter 83 geführt ist und wobei die Durchstoßstelle der Ventilstange 81 durch den Unterteil 2 auf bekannte Weise abgedichtet ist.
  • Der Gasaustrittsstutzen 5 ist mit einem eine Eintrittsdüse bildenden Futterblech 92 ausgekleidet, das in einen statischen Mischer 93 führt.
  • Unterhalb der Schlangenheizfläche 36 sind die Verbindung 16 und der unterste Abschnitt des Unterteils 2 durch eine Ausmauerung 76, die nicht gezeichnete Kühlrohre enthalten kann, vor zu hohen Temperaturen geschützt.
  • Der Sammler 59 ist über eine Sattdampfleitung 45 mit einem Abscheider 46 verbunden, dessen Dampfaustrittsleitung 47 zu den Verteilern 75 und 75' führt, während abgeschiedenes Wasser über einen am Grund des Abscheiders 46 angebrachten Ablaßstutzen 48 abgegeben wird. An die Verteiler 75, 75' ist zusätzlich zur Sattdampfleitung 47 eine weitere Dampfzufuhrleitung 49 angeschlossen, die z. B. von Kühleinrichtungen oder einer Kesselanlage herkommt.
  • Das Wärmeübertragersystem nach den Fig. 1 bis 3 funktioniert wie folgt: Dem Druckbehälter 1 wird an seinem unteren Ende ein Prozessgas von beispielsweise 1000° C und 20 bis 40 bar zugeführt. Dieses Gas strömt durch den Kanalabschnitt 30, worauf es sich nach Kühlung auf etwa 900° C auf den ersten Zweigkanal 32 und den zweiten Zweigkanal 33 verteilt. Der Teilstrom im ersten Zweigkanal 32 gibt weitere Wärme ab und wird auf beispielsweise 600°C abgekühlt.
  • Stromunterhalb des Drosselorgans 25 vereinigen sich die beiden Teilströme, wobei sich eine Mischtemperatur von beispielsweise 700° C ergibt. Der vereinigte Gasstrom gelangt sodann durch den weiteren Kanalabschnitt 34, wo er auf beispielsweise 400° C weiter gekühlt wird, und den Ringraum 9, wo er die Wand des Druckgefässes temperiert, in den Ringraum unterhalb des Ringbleches 12 und von dort - durch den Gasaustrittsstutzen 5 - zur weiteren Verwendung.
  • Ist die Temperatur des Gases am Austritt des Druckbehälters 1 zu tief, so wird diesem Gas durch Öffnen des Ventilkegels 82 heisses Gas aus dem Mischraum zugeführt. Das Dosieren dieser zugeführten Menge geschieht durch Verdrehen der Ventilstange 81 mit Hilfe des Handrades 80.
  • Damit eventuell durch das Öffnen des Ventiltellers 82 entstehende heisse Gasschlieren weder an der Wand des Unterteils 2 noch am Gasaustrittsstutzen 5 heisse Stellen hervorrufen, hält das Futterblech 92, gegebenenfalls unterstützt durch zusätzliche Leitbleche, solche Schlieren von der drucktragenden Wand fern. Anschliessend wird durch den statischen Mischer 93 die Gastemperatur vergleichmässigt.
  • Als Sekundärmedium wird dem Wärmeübertragersystem über den Verteiler 58 vorgewärmtes Wasser zugeführt, das über die als Tragrohre dienenden Schenkel 51 in die Schlangenheizfläche 36 eingespeist wird. Diese Schlangenheizfläche 36 dient, wie schon erwähnt, als Verdampfer; es strömt deshalb über die Schenkel 57 ein Dampfwassergemisch in den Sammler 59. Das Dampfwassergemisch wird sodann im Abscheider 46 getrennt; das Wasser wird über den Stutzen 48 ausgeschieden und der Sattdampf über die Leitung 47 in die Verteiler 75, 75' eingespeist.
  • In diese Verteiler 75, 75' kann über die Leitung 49 weiterer Sattdampf aus der im übrigen nicht dargestellten Anlage zugeführt werden. Der Sattdampf gelangt nun über die Verbindungsrohre 72, 72' in die andere Wärmeübertragerfläche 62, wo er in Gegenstrom zum heizenden Gas überhitzt wird. Der überhitzte Dampf verlässt über die Rohre 66 und die Sammler 70, 70' den Wärmeübertrager.
  • Die Heizflächen im Kanalabschnitt 30 und im ersten Zweigkanal 32 sind im Hinblick auf eine etwaige Heizflächenverschmutzung so gross ausgelegt, dass zunächst mit weit geöffnetem Drosselorgan 25 und Ventilkegel 82 gefahren werden kann. Im Kanalabschnitt 30 wird dabei viel Wärme abgegeben und ein sehr grosser Teil des den Abschnitt 30 verlassenden Gases über den zweiten Zweigkanal 33 geführt, so dass die im ersten Zweigkanal 32 abgegebene Wärmemenge relativ gering bleibt. Da die Gaseintrittstemperatur im zweiten Zweigkanal 33 schon verhältnismässig tief liegt, besteht keine Gefahr, dass dieser überhitzt wird. Entsprechend ergibt sich eine relativ tiefe Gastemperatur stromunterhalb des weiteren Kanalabschnittes 34. Durch Zumischen einer verhältnismässig grossen Menge heissen Gases über den weitgeöffneten Ventilkegel 82 wird die Temperatur des aus dem Druckbehälter 1 austretenden Gases wieder auf die gewünschte Höhe angehoben.
  • Sollte die Schlangenheizfläche 36 verschmutzen, nimmt sie zuwenig Wärme auf, was durch ein Verringern des Öffnungsquerschnittes des Drosselorgans 25 korrigiert werden kann. Da die andere Wärmeübertragerfläche 62 ebenfalls stark überdimensioniert ist, besteht dabei wenig Gefahr, dass die gewünschte Überhitzungstemperatur des Dampfes nicht erreicht wird.
  • Da im Falle eines Verschmutzens der anderen Wärmeübertragerfläche 62 die Temperatur des Gases im Ringraum 9 höher liegt als im Fall sauberer Heizflächen, wird durch Schliessen des Ventilkegels 82 die Heissgaszufuhr zum Ringraum 9 gedrosselt.
  • Schreitet die Verschmutzung der Heizflächen so stark fort, dass das Drosselorgan 25 voll geschlossen werden muss und die verlangten Temperaturen nicht mehr eingehalten werden, so wird zwecks Reinigung der Heizflächen der Deckel 7 abgehoben, wobei die Schlangenheizfläche 36 und die innere Kanalwand 28 mitherausgezogen werden. Die mittlere Kanalwand 22 lässt sich dann verhältnismässig leicht, nach dem Lösen der Verbindung 16, ebenfalls herausziehen.
  • Nach dem Entfernen der die Schlangenheizfläche 36 umgebenden Spanngürtel lassen sich nun, insbesondere im mittleren und unteren Teil der Schlangenheizfläche, die Rohrtafeln 38 leicht nach aussen biegen, so dass sie gereinigt werden können. Die andere Wärmeübertragerfläche 62 lässt sich von innen inspizieren und auch von dort aus reinigen.
  • Sollte es sich zeigen, dass bei der Auslegung des Systems die Gabelungs- oder Verzweigungsstelle zu tief oder zu hoch gelegt wurde, so lässt sich auf einfache Weise die innere Kanalwand 28 verkürzen oder nach unten verlängern. Es ist auch denkbar, die Verzweigungsstelle einstellbar zu gestalten, beispielsweise durch einen oder zwei Ringschieber oder durch einen in der inneren Kanalwand 28 vorgesehenen Bypass.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. So kann es beispielsweise auch vorteilhaft sein, die Kanalwände 20, 22 und 28, mindestens teilweise als Membranwände, das heisst aus zu Wänden verschweissten Rohren, auszubilden.
  • Im Ausführungsbeispiel sind die Wärmeübertragerflächen in einfachster Form dargestellt. Sie lassen sich aber auch unterteilen. Ebenfalls lassen sich die Strömungsrichtungen ganz oder partiell umkehren.
  • Schliesslich kann auch mehr als ein Sekundärmedium an der Wärmeübertragung beteiligt sein. Sollen Drosselorgane im Druckbehälter vermieden werden, so können diese auch in Verbindungsleitungen gelegt werden, die der Gasführung ausserhalb des Druckbehälters dienen.
  • Zur Verteilung der Wärmeübertragung auf verschiedene Heizflächen, kann unter Umständen auch die Mengenverteilung des Sekundärmediums oder der Sekundärmedien verändert werden. Auch bezüglich der Art der Wärmeübertragerflächen ist die Erfindung durchaus nicht an das gezeichnete Ausführungsbeispiel gebunden; so können beispielsweise auch Sackrohre oder Wärmerohre eingesetzt werden.
  • Die Verzweigung auf die Zweigkanäle kann bei verschiedenen Temperaturen oder Temperaturbereichen gestaffelt erfolgen. Auch das Zusammenführen der Zweigströme lässt sich staffeln. Die vom Ventilkegel 82 gesteuerte Öffnung kann eintrittsseitig ebenfalls mit Stellen des einen oder des anderen Zweigkanals verbunden sein. Je nach den gestellten Randbedingungen kann es auch zweckmässig sein, die Anordnung der Kanäle im Druckgefäss zu vertauschen oder sonstwie anders anzuordnen. Um das Abblinden einzelner Rohre, insbesondere im Überhitzerrohrbündel, zu erleichtern, kann es zweckmässig sein, etwa die Verbindungsrohre 72 nach der CH-A-384 602 an Rohrplatten anzuschliessen.
  • Um ein Ausbauen der anderen Wärmeübertragerfläche 62 zu erleichtern, kann es vorteilhaft sein, den Unterteil 2 des Druckgefässes 1 bis unterhalb der Befestigungsstelle der Tragplatten 61 durch horizontale Zwischenflansche zu unterteilen.
  • Um die Betriebssicherheit der Anlage zu vergrössern, können Redundanzen vorgesehen werden. Es können z. B. zwei oder mehr Ventilkegel 82 mit zugehörigen Komponenten im erfindungsgemässen Wärmeübertragersystem vorhanden sein.

Claims (11)

1. Wärmeübertragersystem zum Abführen von Wärme aus einem heissen Gas, vorzugsweise ein Prozessgas, an mehrere in einem einzigen, im wesentlichen zylindrischen Druckgefäss (1) untergebrachten Wärmeübertragerflächen (36, 62), wobei innerhalb des Druckgefässes (1) ein eine der Wärmeübertragerflächen (36, 62) enthaltender Kanalabschnitt (30) vorgesehen ist, der sich in zwei parallele Zweigkanäle (32, 33) fortsetzt, die in einen gemeinsamen Mischraum münden und von denen ein erster Zweigkanal (32) mit dem Kanalabschnitt (30) fluchtet, wobei ferner im Kanalabschnitt (30) und in dem ersten Zweigkanal (32) als Wärmeübertragerfläche eine Verdampferheizfläche (36) angeordnet ist und mindestens der eine der beiden Zweigkanäle (32, 33) ein verstellbares Drosselorgan (25) aufweist und wobei innerhalb des Druckgefässes (1) gasseitig stromunterhalb des Mischraumes ein weiterer Kanalabschnitt (34) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zweigkanal (33) als zylindrischer, gasseitig stromunterhalb eines zentral im Kanalabschnitt (30) angeordneten Verdrängungskörpers (14) und koaxial zum ersten Zweigkanal (32) angeordneter Kanal ausgebildet ist, dass der weitere Kanalabschnitt (34) eine andere Wärmeübertragerfläche enthält, in der Wärme aus dem Gas einem Medium zugeführt wird, und dass stromunterhalb des weiteren Kanalabschnittes (34) ein zwischen diesem und der Wand des Druckgefässes (1) angeordneter Ringraum (9) vorgesehen ist, der in den Gasaustrittsstutzen (5) mündet.
2. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalabschnitt (30), der erste Zweigkanal (32) und der weitere Kanalabschnitt (34) als zum Druckgefäss (1) koaxiale Ringkanäle ausgebildet sind.
3. Wärmeübertragersystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, mit vertikaler Achse des Druckgefässes (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferheizfläche (36) als Schlangenrohrheizfläche ausgebildet ist und dass deren Schlangenrohre mit zur Druckgefässachse parallelen Schenkeln (51, 54, 55) in evolventenförmig gebogenen Rohrtafeln (38) verlaufen.
4. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Wärmeübertragerfläche (62) im weiteren Kanalabschnitt (34) als schraubenlinienförmig gewickelte Rohrheizfläche ausgebildet ist.
5. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (25) als zentrales Tellerventil ausgebildet und gasseitig stromunterhalb des zylindrischen zweiten Zweigkanals (33) angeordnet ist.
6. Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgefäss (1) unten einen koaxialen Gaseintrittsstutzen und in seinem oberen Bereich mindestens einen seitlichen Gasaustrittsstutzen (5) aufweist.
7. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasaustrittsstutzen (5) über mindestens ein weiteres verstellbares Drosselorgan (82) gasseitig mit mindestens einem der Kanalabschnitte (30, 34) und/oder Zweigkanäle (32, 33) verbunden ist.
8. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlangenrohre im Kanalabschnitt (30) und im Bereich des Beginns der Zweigkanäle (32, 33) einen im Vergleich zur übrigen Rohrlänge erheblich kleineren Durchmesser aufweisen.
9. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlangenrohre durch an ihnen befestigte Nocken voneinander distanziert sind.
10. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrtafeln (38) an Rohren (51, 57) aufgehängt sind, über die das Arbeitsmittel für die Rohrtafeln (38) zugeführt oder abgeführt wird.
11. Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgefäss (1) am oberen Ende einen ihn überspannenden Deckel (7) aufweist, der auf seiner Innenseite mit einer thermischen Isolierung (8) bedeckt ist.
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