EP0233997B1 - Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Prozessgas oder zur Erhitzung von Dampf - Google Patents
Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Prozessgas oder zur Erhitzung von Dampf Download PDFInfo
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Definitions
- the invention relates to a heat exchanger, in particular for cooling process gas or for superheating steam, with a pressure vessel as a heat exchanger vessel with a tube bundle of heat exchanger tubes fastened in a tube sheet and an antechamber assigned to the tube sheet, the tube sheet and / or the antechamber with the Pressure vessels are / are connected in some areas via flanges.
- Hot gas coolers pose a number of problems which are related to the fact that high pressure and also high temperature gradients have to be processed.
- the corresponding superheater or gas cooler can be designed in very different ways.
- the tube bundle can be hanging or standing; they can be meandering, spiral or serpentine wound; the steam can be carried out in cocurrent or countercurrent u. Like. more.
- a problem area lies in particular in the connection between the pressure vessel wall on the one hand and the tube sheets or tube plates on the other hand or wherever the high pressure temperature differences lead to extreme loads on both the materials and the connections themselves. It is therefore not surprising if there are already possible solutions, such as: B. is shown in DE-A-3 022 480.
- the temperature differences also lead to thermal stresses in the area where these occur, for example in the entrance area of the tube bundles, which are subjected to steam at a comparatively low temperature.
- temperature differences of up to 400 ° C and more can occur.
- the object of the invention is therefore to provide a solution with which the disadvantages described here are avoided on the basis of an adapted tube sheet design, with which in particular the connection area between differently alloyed steels is relocated to a plane which is less at risk, areas of high temperature differences simultaneously being a Have design that can withstand the stresses that occur.
- the tube sheet consists of a flange ring made of low-alloy material with a concentric inner recess and is provided on the side facing the pressure vessel with an insulating layer and that the inner recess of the flange ring with a essentially pot-shaped, protruding into the pressure vessel from high-alloy material.
- the division of the tube sheet into a flange ring made of low-alloy material and a central pot-shaped insert made of high-alloy material makes it possible to lay the connecting seam between the flange ring on the one hand and the pot-shaped further tube sheet part used therein in an area in which high temperature differences do not occur, for example in the prechamber. which is usually traversed by steam of low temperature.
- the area that is exposed to the high pressures and temperature differences is made of high-alloy material with the associated advantages.
- the invention provides in an embodiment that the bottom of the insert is equipped with a central cone which tapers from the pressure container to the prechamber and is penetrated by a central steam collector which projects into the prechamber and the pressure container.
- This design offers a particularly high resistance to pressure differences. At the same time, it makes possible the problem of installing a central steam collector for the tube bundle in the pressure vessel.
- the device is set up so that the prechamber for the steam to be heated is arranged in the direction of gravity at the upper end of the pressure vessel and is designed via the flange connection so that the entire tube bundle can be lifted upwards.
- the steam collector will usually penetrate the prechamber at least in some areas.
- the invention provides that in this area the steam collector is provided with external insulation, not least so that the superheated steam cannot be cooled again by the steam temperature prevailing in the prechamber.
- the invention also provides that the steam collector is equipped with an inner insulation at least in the fastening area with the bottom of the insert.
- the invention also provides that the cup-shaped insert is formed in two parts with the bottom part having a cone and an edge part having a support rim.
- the cup-shaped insert is formed in two parts with the bottom part having a cone and an edge part having a support rim.
- simple turned parts can be produced from the high-alloy material, which can then be welded together. Elaborate designs are therefore unnecessary.
- the device generally designated 1, e.g. B. a high-pressure heat recovery boiler, has a vertically positioned pressure vessel 2 on a stand 3 with a process steam insertion opening 4 in the lower region of the pressure vessel 2 and an outlet opening 5 in the upper pressure vessel region.
- the pressure vessel 2 has a flange 6, which is covered by a flange ring 7 of a prechamber 8 fastened there.
- the flange 6 and the flange ring 7 are connected to one another in the position of use.
- the antechamber is equipped with a steam inlet connector 9 and a steam outlet connector 10.
- the flange ring 7 has a concentric inner recess 11, which is penetrated by a cup-shaped insert 12, which projects in some areas into the interior of the pressure vessel 2.
- This insert 11 is described in more detail below.
- a tube bundle 13 is provided in the pressure vessel 2, which, starting from the insert 12, passes through the pressure vessel and, in the example according to FIG. 1, opens into a lower base plate 14 of a steam collector 15 arranged centrally in the pressure vessel.
- the steam collector 15 passes through the pot-shaped insert 12 and passes through the prechamber 8 in some areas, in order then to end in the steam outlet connection 10.
- the wall of the pressure vessel 2 is equipped with an insulating layer 16.
- a corresponding insulating layer 16a is also provided on the tube sheet flange ring 7.
- part of the steam collector 15 which passes through the pre-chamber 8 has an outer insulation 17 and additionally has an inner insulation 18 in the transition area from the pressure vessel 2 into the pre-chamber 8.
- Essential to the invention is the design of the tube plate, generally designated 19, which, as already mentioned above, is of multi-part design, namely consisting of the flange ring 7 on the one hand and an insert 12 on the other.
- the insert 12 is pot-shaped. It consists of two elements, a pot base 20 and an edge part 22 provided with a brim 21. The two elements are welded together.
- the brim 21 is inserted into an annular groove on the pipe flange 7 and welded on the outer wheel side.
- the weld seam designated 23 in FIG. 2
- the insert 12 on the one hand and the tube sheet flange 7 on the other hand are formed from different steels, so that the weld seam 23 is a so-called mixed seam which should not be exposed to any particular stresses, which is due to the design according to the invention is achieved.
- the pressurizing bores 24 are provided for the heat exchanger tubes designated 25.
- the pot base 20 has a cone 26, which tapers the antechamber 8 and in which the steam collector 15 is welded in the center.
- the insulation 17 of the steam collector within the pre-chamber 8 also covers the weld seam between the cone 26 and the steam collector 15 in the example shown.
- the steam collector 15 is equipped with an apron 27 which largely keeps a flow of the process gas in the pressure vessel 2 away from this area of the steam collector 15.
- the heat exchanger tubes 25 in the area of this Apron 27 can be connected to the steam collector 15.
- the end points are designated 28.
- the heat exchanger tubes 25 can also be connected to the base plate 14 of the steam collector 15, as has already been mentioned above and is shown in FIG. 1, lower half of the figure.
- the mode of operation can be the following:
- a process gas with, for example, a temperature of 800 ° C enters the pressure vessel 2 at 4, flows through it from bottom to top and leaves the pressure vessel 2 through the pipe socket 5.
- the steam to be overheated enters the pipe socket 9 of the prechamber 8, is distributed from there via the insert 12 to the individual heat exchanger pipes 25, flows through the bundle 13 and enters the central steam collector 15; flows through the steam collector 15 and in turn exits the device 1 at 10.
- the process gas can z. B. cool from 800 ° C to 500 ° C with heat, while the steam was heated from, for example, 380 ° C to 700 ° C.
- the prechamber 8 with the steam collector 15 and the tube bundle 13 attached to it can be lifted out with simple means after loosening the flange connection between the flange 6 and the flange 7, which enables simple assembly and simple maintenance makes.
- the invention is not limited to the hanging arrangement of the tube bundle shown here.
- the heat exchanger and the pressure vessel can, for example, be arranged horizontally or upside down.
- the vessel wall of the pressure vessel 2 forming a sleeve could be designed to be liftable and u. Like. more.
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Description
- Die Erfindung richtet sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Prozeßgas oder zur Überhitzung von Dampf, mit einem Druckbehälter als Wärmetauschergefäß mit einem in einem Rohrboden befestigten Rohrbündel von Wärmetauscherrohren und einer dem Rohrboden zugeordneten Vorkammer, wobei der Rohrboden und/oder die Vorkammer mit dem Druckbehälter bereichsweise über Flansche verbunden sind/ist.
- Heißgaskühler werfen eine Reihe von Problemen auf, die damit zusammenhängen, daß hohe Druck- und auch hohe Temperaturgefälle zu verarbeiten sind. Dabei können die entsprechenden Überhitzer bzw. Gaskühler in sehr unterschiedlicher Weise gestaltet sein. Die Rohrbündel können hängend oder stehend ausgeführt werden; sie können meander-, spiral-oder schlangenförmig gewickelt sein; die Dampfführung kann im Gleich- oder Gegenstrom erfolgen u. dgl. mehr.
- Ein Problembereich liegt insbesondere in der Verbindung zwischen der Druckbehälterwand einerseits und den Rohrböden bzw. Rohrplatten andererseits bzw. überall dort, wo die hohen Drucktemperaturunterschiede zu extremen Belastungen sowohl der Werkstoffe als auch der Verbindungen selbst führen. Es verwundert daher nicht, wenn es hiervon bereits Lösungsmöglichkeiten gibt, wie z. B. in der DE-A-3 022 480 gezeigt.
- Wegen der großen unterschiedlichen Belastungen ist es notwendig, für die Wärmetauscherrohre und die Dampfaustrittsleitungen hochlegierte Werkstoffe heranzuziehen, während in der Regel, nicht zuletzt auch aus Wirtschaftlichkeitserwägungen, die Wände des Druckbehälters aus niedriglegierten Werkstoffen gestaltet werden sollten. Damit ergeben sich aber Probleme in den Verbindungsbereichen bzw. Verbindungsnähten zwischen den Rohrbündeln und den Druckbehälterwänden, da dort an sich Mischnähte aus austhenitischen und ferritischen Schweißverbindungen entstehen. Derartige Mischnähte sind aber in Temperaturbereichen oberhalb 500°C ausgesprochen problematisch, nicht zuletzt, da in der schweißbeeinflußten Zone auf der Seite des niedriglegierten Werkstoffes eine Kohlenstoffverarmung eintreten kann. Damit können Kriechschädigungen bei derartigen Temperaturen vorkommen. Neben der Problematik der unterschiedlich legierten Stähle, führen auch die Temperaturunterschiede zu thermischen Spannungen in dem Bereich, wo diese auftreten, etwa im Eingangsbereich der Rohrbündel, die mit Dampf vergleichsweise niedriger Temperatur beaufschlagt sind. Hierbei kann es je nach Prozeßführung zu Temperaturdifferenzen bis zu 400° C und mehr kommen.
- Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Lösung, mit der aufgrund einer angepaßten Rohrbodengestaltung die hier beschriebenen Nachteile vermieden werden, mit der insbesondere der Verbindungsbereich zwischen unterschiedlich legierten Stählen in eine solche Ebene verlegt wird, die weniger gefährdet ist, wobei gleichzeitig Bereiche hoher Temperaturdifferenzen eine Gestaltung aufweisen, die den auftretenden Spannungen gewachsen ist.
- Mit einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Rohrboden aus einem Flanschring aus niedriglegiertem Werkstoff mit einer konzentrischen Innenausnehmung besteht und auf der dem Druckbehälter zugewandten Seite mit einer Isolierschicht versehen ist und daß die Innenausnehmung des Flanschringes mit einem im wesentlichen topfförmigen, in den Druckbehälter hineinragenden Einsatz aus hochlegiertem Werkstoff ausgerüstet ist.
- Die Aufteilung des Rohrbodens in einen Flanschring aus niedriglegiertem Werkstoff und einem zentrischen topfförmigen Einsatz aus hochlegiertem Werkstoff ermöglicht es, die Verbindungsnaht zwischen Flanschring einerseits und darin eingesetzten topfförmigem weiteren Rohrbodenteil in einen Bereich zu verlegen, in dem hohe Temperaturunterschiede nicht vorkommen, beispielsweise in die Vorkammer, die im Regelfalle vom Dampf niedriger Temperatur durchströmt wird. Gleichzeitig wird derjenige Bereich, der den hohen Drücken und Temperaturunterschieden ausgesetzt ist, aus hochlegiertem Werkstoff gestaltet mit den damit verbundenen Vorteilen.
- Die Erfindung sieht in Ausgestaltung vor, daß der Boden des Einsatzes mit einem zentrischen, sich vom Druckbehälter zur Vorkammer hin verjüngenden Konus ausgerüstet ist, der von einem in die Vorkammer und den Druckbehälter ragenden zentrischen Dampfsammler durchsetzt ist.
- Diese Gestaltung bietet eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen Druckdifferenzen. Sie macht gleichzeitig das Problem des Einbauens eines zentrischen Dampfsammlers für das Rohrbündel im Druckbehälter möglich.
- Zweckmäßig ist es, wenn die Bohrungen für die Wärmetauscherrohre in dem im wesentlichen ebenen Boden des Einsatzes angeordnet sind. Dies ergibt eine konstruktiv sehr einfache und fertigungstechnisch sehr vorteilhafte Lösung, da die Anschlußbereiche der Rohrbündel in einer ebenen Fläche am Topfboden vorgesehen sind.
- Sinnvoll kann es sein, wenn der zentrische Dampfsammler im Bereich des Druckbehälters von einer Schürze umgeben ist. Diese Gestaltung macht es möglich, die Wärmetauscherrohre in den Dampfsammler im Druckbehälter in einem Totraum vorzusehen. Neben dieser Einleitung der Wärmetauscherrohre in den Bereich der Schürze kann auch vorgesehen sein, daß im Abstand zu dem der Vorkammer zugeordneten Rohrboden ein zweiter Rohrboden zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre angeordnet ist.
- Eine Möglichkeit der Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung so aufgestellt ist, daß die Vorkammer für den zu erhitzenden Dampf in Schwerkraftsrichtung am oberen Ende des Druckbehälters angeordnet ist und über die Flanschverbindung so gestaltet ist, daß das gesamte Rohrbündel nach oben ausgehoben werden kann.
- Überlicherweise wird der Dampfsammler bei dieser Gestaltungsart die Vorkammer wenigstens bereichsweise durchsetzen. In diesem Falle sieht die Erfindung vor, daß in diesem Bereich der Dampfsammler mit einer Außenisolierung versehen ist, nicht zuletzt, um den überhitzten Dampf nicht wieder durch die in der Vorkammer herrschende Dampftemperatur abkühlen zu lassen.
- Um Wärmespannungen noch weitergehend zu verhindern, sieht die Erfindung auch vor, daß der Dampfsammler wenigstens im Befestigungsbereich mit dem Boden des Einsatzes mit einer Innenisolierung ausgerüstet ist.
- Um eine noch weitergehende wirtschaftliche Herstellung der Vorrichtung zu ermöglichen, sieht die Erfindung auch vor, daß der topfförmige Einsatz zweiteilig mit dem einen Konus aufweisenden Bodenteil und einem eine Auflagekrempe aufweisenden Randteil ausgebildet ist. Damit können beispielsweise einfache Drehteile aus dem hochlegierten Werkstoff hergestellt werden, die dann miteinander verschweißt werden können. Aufwendige Gestaltungen sind daher entbehrlich.
- Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
- Fig. 1 in vereinfachter Darstellung den Schnitt durch ein Druckgefäß bzw. einen Hochdrucksabhitzekessel mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie in
- Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Kopfbereiches mit dem Rohrboden.
- Die allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung, z. B. ein Hochdruckabhitzekessel, verfügt über ein senkrecht aufgestelltes Druckgefäß 2 auf einem Ständer 3 mit einer Prozeßdampfeinführöffnung 4 im unteren Bereich des Druckgefäßes 2 und einer Austrittsöffnung 5 im oberen Druckgefäßberich.
- An seinem Kopfende weist das Druckgefäß 2 einen Flansch 6 auf, der von einem Flanschring 7 einer dort befestigten Vorkammer 8 überdeckt ist. Der Flansch 6 und der Flanschring 7 sind in der Gebrauchslage miteinander verbunden. Die Vorkammer ist mit einem Dampfeintrittsstutzen 9 und einem Dampfaustrittsstutzen 10 ausgerüstet.
- Der Flanschring 7 weist eine konzentrische Innenausnehmung 11 auf, die von einem topfförmigen Einsatz 12 durchsetzt ist, der bereichsweise in das Innere des Druckgefäßes 2 hineinragt. Die Ausgestaltung dieses Einsatzes 11 ist weiter unten näher beschrieben.
- Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, ist im Druckgefäß 2 ein Rohrbündel 13 vorgesehen, welches vom Einsatz 12 ausgehend das Druckgefäß durchsetzt und beim Beispiel nach Fig. 1 in eine untere Bodenplatte 14 eines zentrisch im Druckgefäß angeordneten Dampfsammlers 15 mündet.
- Der Dampfsammler 15 durchsetzt den topfförmigen Einsatz 12 und durchläuft bereichsweise die Vorkammer 8, um dann im Dampfauslaßstutzen 10 zu enden.
- Wie sich insbesondere aus Fig. 2 ergibt, ist die Wand des Druckbehälters 2 mit einer Isolierschicht 16 ausgerüstet. Eine entsprechende Isolierschicht 16a ist auch am Rohrbodenflanschring 7 vorgesehen.
- Wie sich ebenfalls aus Fig. 2 ergibt, weist derjenige Teil des Dampfsammlers 15, der die Vorkammer 8 durchsetzt, eine Außenisolierung 17 auf und im Übertrittsberich von dem Druckgefäß 2 in die Vorkammer 8 zusätzlich eine Innenisolierung 18.
- Wesentlich für die Erfindung ist die Gestaltung des allgemein mit 19 bezeichneten Rohrbodens, der, wie oben bereits erwähnt, mehrteilig ausgebildet ist, und zwar aus dem Flanschring 7 einerseits und einem Einsatz 12 andererseits besteht.
- Der Einsatz 12 ist topfförmig gestaltet. Er besteht aus zwei Elementen, einem Topfboden 20 und einem mit einer Krempe 21 versehenen Randteil 22. Die beiden Elemente sind miteindander verschweißt. Die Krempe 21 ist in eine Ringnut am Rohrflansch 7 eingelegt und außenradseitig verschweißt. Dies bedeutet, daß die Schweißnaht, in Fig. 2 mit 23 bezeichnet, zwischen dem Einsatz 12 und dem Rohrboden 19 zum Inneren der Vorkammer 8 hinweisend angeordnet und damit nur der dort herrschenden Temperatur ausgesetzt ist. Dies ist deswegen von besonderer Wichtigkeit, da der Einsatz 12 einerseits und der Rohrbodenflansch 7 andererseits aus unterschiedlichen Stählen gebildet sind, so daß es sich bei der Schweißnaht 23 um eine sogenannte Mischnaht handelt, die keinen besonderen Belastungen ausgesetzt sein soll, was durch die erfindungsgemäße Gestaltung erreicht wird.
- Im Topfboden 20 sind die Beaufschlagungsbohrungen 24 für die mit 25 bezeichneten Wärmetauscherrohre vorgesehen. In der Mitte weist der Topfboden 20 einen Konus 26 auf, der sich Vorkammer 8 hin verjüngt und in dem zentrisch der Dampfsammler 15 eingeschweißt ist. Die Isolierung 17 des Dampfsammlers innerhalb der Vorkammer 8 bedeckt im dargestellten Beispiel auch die Schweißnaht zwischen dem Konus 26 und dem Dampfsammler 15.
- Der Dampfsammler 15 ist im dargestellten Beispiel mit einer Schürze 27 ausgerüstet, die weitestgehend eine Strömung des Prozeßgases im Druckgefäß 2 von diesem Bereich des Dampfsammlers 15 fernhält. Im unteren Beriech der Fig. 2 ist die Möglichkeit eingezeichnet, daß die Wärmetauscherrohre 25 im Bereich dieser Schürze 27 mit dem Dampfsammler 15 verbunden sein können. Die Endpunkte sind mit 28 bezeichnet. Darüber hinaus können die Wärmetauscherrohre 25 auch mit der Bodenplatte 14 des Dampfsammlers 15 verbunden sein, wie dies weiter oben bereits erwähnt wurde und in Fig. 1, untere Figurenhälfte, dargestellt ist.
- Die Funktionsweise kann dabei die folgende sein:
- Ein Prozeßgas mit beispielsweise einer Temperatur von 800° C tritt bei4 in das Druckgefäß 2 ein, durchströmt dieses von unten nach oben und verläßt das Druckgefäß 2 durch den Rohrstutzen 5.
- Umgekehrt tritt beispielsweise der zu überhitzende Dampf in den Rohrstutzen 9 der Vorkammer 8 ein, wird von dort über den Einsatz 12 auf die einzelnen Wärmetauscherrohre 25 verteilt, durchströmt das Bündel 13 und tritt in den zentrischen Dampfsammler 15 ein; durchströmt den Dampfsammler 15 und tritt bei 10 wiederum aus der Vorrichtung 1 aus.
- Das Prozeßgas kann sich auf diesem Weg z. B. von 800°C auf 500°C unter Wärmeabgabe abkühlen, während der Dampf von beispeilsweise 380°C auf 700°C erhitzt wurde.
- Wie insbesondere aus Fig. 2 erkennbar ist, kann mit einfachen Mitteln die Vorkammer 8 mit dem Dampfsammler 15 und dem daran befestigten Rohrbündel 13 nach Lösen der Flanschverbindung zwischen dem Flansch 6 und dem Flansch 7 ausgehoben werden, was eine einfache Montage und eine einfache Wartung möglich macht.
- Die Erfindung ist nicht auf die hier dargestellte hängende Anordnung der Rohrbündel beschränkt. Der Wärmetauscher und das Druckgefäß können beispielsweise horizontal angeordnet sein oder aber auch auf dem Kopf stehend. In diesem Falle könnte zur Wartung beispielsweise die eine Hülse bildende Gefäßwand des Druckgefäßes 2 abhebbar ausgestaltet sein u. dgl. mehr.
Claims (8)
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rohrboden (19) aus einem Flanschring (7) aus niedriglegiertem Werkstoff mit einer konzentrischen Innenausnehmung (11) besteht und auf der dem Druckbehälter (2) zugewandten Seite mit einer Isolierschicht (16a) versehen ist und daß
dadurch gekennzeichnet,
daß der Boden (20) des Einsatzes (12) mit einem zentrischen sich vom Druckbehälter zur Vorkammer (8) hin verjüngenden Konus (26) ausgerüstet ist, der von einem in die Vorkammer (8) und den Druckbehälter (2) ragenden zentrischen Dampfsammler (15) durchsetzt ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bohrungen (24) für die Wärmetauscherrohre (25) in dem im wesentlichen ebenen Boden (20) des Einsatzes (12) angeordnet sind.
dadurch gekennzeichnet,
daß der zentrische Dampfsammler (15) im Bereich des Druckbehälters (2) von einer Schürze (27) umgeben ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß im Abstand zu dem der Vorkammer (8) zugeordneten Rohrboden (19) ein zweiter Rohrboden (14) zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre (25) angeordnet ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Dampfsammler (15) die Vorkammer (8) bereichsweise durchsetzt und in diesem Bereich mit einer Außenisolierung (17) versehen ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Dampfsammler (15) wenigstens im Befestigungsbereich mit dem Boden (20) des Einsatzes (12) mit einer Innenisolierung (18) ausgerüstet ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß der topfförmige Einsatz (12) zweiteilig mit dem einen Konus (26) aufweisenden Bodenteil (20) und einem eine Auflagekrempe (21) aufweisenden Randteil (22) ausgebildet ist.
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