EP0356648B1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP0356648B1
EP0356648B1 EP89111721A EP89111721A EP0356648B1 EP 0356648 B1 EP0356648 B1 EP 0356648B1 EP 89111721 A EP89111721 A EP 89111721A EP 89111721 A EP89111721 A EP 89111721A EP 0356648 B1 EP0356648 B1 EP 0356648B1
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EP
European Patent Office
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cylinder
heat exchanger
partial flow
tube
outlet
Prior art date
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EP89111721A
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English (en)
French (fr)
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EP0356648A1 (de
Inventor
Wolfgang Kehrer
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.)
Deutsche Babcock Borsig AG
Original Assignee
Deutsche Babcock Borsig AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0075—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for syngas or cracked gas cooling systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/06—Derivation channels, e.g. bypass

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with a tube bundle consisting of heat exchanger tubes according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a heat exchanger is known from DE-HC 28 46 455 and serves as a waste heat boiler in which the outlet temperature of the gas to be cooled can be varied.
  • the device for maintaining the outlet temperature consists of a piston which is displaceable in the cylinder and which carries an end plate which seals the partial flow pipe.
  • the outlet chamber of the known heat exchanger is divided into an outflow chamber and a mixing chamber, which is connected to the outlet connection, by a partition wall running transversely to the heat exchanger tubes. The partition hinders free access to the tube ends of the tube bundle.
  • the mixing of the medium flows flowing through the heat exchanger tubes and the partial flow tube within the outlet chamber is only completed far inside the partition. In the case of a medium that acts aggressively in a certain temperature range between the inlet and the outlet temperature, this can lead to the destruction of the outlet chamber or its internals.
  • the invention has for its object to design the generic heat exchanger so that the mixing of the partial flows takes place in a limited zone.
  • the mixing of the medium flows takes place within the mixing tube closed off from the outlet chamber.
  • a suitable material for the wall of the mixing tube it can be ensured that none Destruction of the outlet chamber or its internals takes place due to corrosion by the medium to be cooled.
  • Replacing the partition with the mixing tube makes the tube ends on the outlet side easier to access.
  • the mutual arrangement of the cylinder and the mixing tube enables the actuator to be configured to set the outlet temperature, which is easy to use and which largely prevents the uncooled medium from escaping into the outlet chamber when there is a 100% flow through the partial flow tube.
  • 1 to 3 each show in longitudinal section an embodiment of a heat exchanger.
  • the heat exchanger contains, within an outer jacket 1, a tube bundle of straight heat exchanger tubes 2, the ends of which are held in a tube plate 3, 4. At both ends of the tube bundle, an inlet chamber 5 and an outlet chamber 6 adjoin the tube plates 3, 4, which are provided with an inlet nozzle 7 or an outlet nozzle 8.
  • the space enclosed by the tube sheets 3, 4 and the jacket 1 is provided with a connector 9 for supply and with a connector 10 for removing a heat exchange medium. Vaporizing water is preferably used as the heat exchange medium.
  • a partial flow tube 11 serving as a bypass is guided through the heat exchanger.
  • the partial flow tube 11 penetrates the tube sheets 3, 4, the end of the partial flow tube 11 on the inlet side being within the inlet chamber 6.
  • the outlet-side end of the partial flow pipe 11 protrudes into the outlet chamber 6 and merges there into a cylinder 12 which has an enlarged diameter compared to the partial flow pipe 11.
  • the cylinder 12 receives an actuator for adjusting the outlet temperature of the medium flowing through the heat exchanger. This actuator will be described later.
  • the cylinder 12 is connected to a mixing tube 13 which is passed through the outlet chamber 6 and is connected directly to the outlet port 8.
  • the mixing tube 13 extends at an angle to the cylinder 12.
  • the longitudinal axis of the mixing tube 13 is preferably at a right angle to the longitudinal axis of the cylinder 12.
  • the cylinder 12 is arranged coaxially to the partial flow pipe 11 and open on one side.
  • the cylinder 12 is connected to the outlet chamber 6 via the opening 14 located in the extension of the partial flow tube 11.
  • a round control plate 16 serving as an actuator is arranged axially displaceably via a rod 15 led out of the heat exchanger.
  • the control plate 16 lies sealingly against the partial flow pipe 11, while in the other position the opening 14 facing the outlet chamber 6 is covered.
  • an annular space remains as a flow cross-section within the cylinder 12 on both sides of the control plate 16.
  • the medium flow 17 entering the inlet chamber 5 is divided into two partial flows 18, 19, one of which flows through the heat exchanger tubes 2 of the tube bundle and is thereby cooled.
  • the partial stream 18 emerges from the heat exchanger tubes 2 into the outlet chamber 6 and passes through the opening 14 through the cylinder 12 into the mixing tube 13, where it mixes with the uncooled partial stream 19 passed through the partial stream tube 11.
  • the quantity ratio of the partial flows 18, 19 and thus the temperature of the mixed medium flow 20 emerging through the outlet connection 8 can be set via the control plate 16.
  • the uncooled partial flow 19 flowing through the partial flow tube 11 is discharged directly via the outlet connection 8 without coming into contact with the outlet chamber 6.
  • the cylinder 12 and the mixing tube 13 need be made of a durable material.
  • the parts mentioned can also be provided with a lining.
  • the heat exchanger described in FIG. 2 largely corresponds to the heat exchanger according to FIG. 1.
  • two pivotable control plates 21, 22 designed as rotary flaps are provided, one of which is arranged at the outlet-side end of the partial flow pipe 11 and the other in the opening 14 of the cylinder 12.
  • the two pivotable control plates 21, 22 are actuated in opposite directions. They can be driven both individually and together. In the latter case, the control plates 21, 22 are connected to one another via a coupling linkage 23.
  • the longitudinal axis of the cylinder 12 is perpendicular to the longitudinal axis of the partial flow tube 11.
  • the bottoms of the cylinder 12 are closed.
  • the opening 14 to the outlet chamber 6 is provided in the lateral surface of the cylinder 12 on the side facing away from the partial flow pipe 11.
  • a control plate 24 is arranged in the cylinder 12 and can be pivoted about the longitudinal axis of the cylinder 12. Otherwise, the mode of operation of the heat exchangers shown in FIGS. 2 and 3 corresponds to that of the heat exchanger according to FIG. 1.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem aus Wärmetauscherrohren bestehenden Rohrbündel nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein solcher Wärmetauscher ist aus der DE-HC 28 46 455 bekannt und dient als Abhitzekessel, bei dem die Austrittstemperatur des zu kühlenden Gases zu variieren ist. Bei dem bekannten Wärmetauscher besteht die Einrichtung zur Einhaltung der Austrittstemperatur aus einem in dem Zylinder verschiebbaren Kolben, der eine das Teilstromrohr abdichtende Abschlußplatte trägt. Die Austrittskammer des bekannten Wärmetauschers ist durch eine quer zu den Wärmetauscherrohren verlaufende Trennwand in eine Ausströmkammer und eine Mischkammer, die mit dem Austrittsstutzen verbunden ist, aufgeteilt. Die Trennwand behindert den freien Zugang zu den Rohrenden des Rohrbündels. Außerdem ist die Vermischung der die Wärmetauscherrohre und das Teilstromrohr durchströmenden Mediumströme innerhalb der Austrittskammer erst weit inter der Trennwand abgeschlossen. Das kann bei einem Medium, das in einem bestimmten Temperaturbereich zwischen der Eintritts- und der Austrittstemperatur aggressiv wirkt, zur Zerstörung der Austrittskammer oder deren Einbauten führen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmetauscher so zu gestalten, daß die Vermischung der Teilströme in einer begrenzten Zone stattfindet.
  • Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher findet die Vermischung der Mediumströme innerhalb des gegenüber der Austrittskammer abgeschlossenen Mischrohres statt. Durch die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes für die Wandung des Mischrohres kann sichergestellt werden, daß keine Zerstörung der Austrittskammer oder deren Einbauten auf Grund von Korrosion durch das abzukühlende Medium erfolgt. Der Ersatz der Trennwand durch das Mischrohr macht die Rohrenden auf der Austrittsseite leichter zugänglich. Die gegenseitige Anordnung von Zylinder und Mischrohr ermöglicht eine Ausbildung des Stellorgans zur Einstellung der Austrittstemperatur, das einfach zu bedienen ist und das bei einer 100 %igen Durchströmung des Teilstromrohres ein Austreten des ungekühlten Mediums in die Austrittskammer weitgehend ausschaltet.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Die Fig. 1 bis 3 stellen jeweils im Längsschnitt eine Ausführungsform eines Wärmetauschers dar.
  • Der Wärmetauscher enthält innerhalb eines äußeren Mantels 1 ein Rohrbündel aus geraden Wärmetauscherrohren 2, deren Enden in je einem Rohrboden 3, 4 gehalten sind. Zu beiden Enden des Rohrbündels schließen sich an die Rohrböden 3, 4 eine Eintrittskammer 5 und eine Austrittskammer 6 an, die mit einem Eintrittsstutzen 7 oder einem Austrittsstutzen 8 versehen sind.
  • Der von den Rohrböden 3, 4 und dem Mantel 1 umschlossene Raum ist mit einem Stutzen 9 zur Zuführung und mit einem Stutzen 10 zur Abführung eines Wärmeaustauschmediums versehen. Als Wärmeaustauschmedium wird vorzugsweise verdampfendes Wasser verwendet.
  • Etwa mittig und parallel zu den Wärmetauscherrohren 2 ist durch den Wärmetauscher ein als Bypass dienendes Teilstromrohr 11 geführt. Das Teilstromrohr 11 durchdringt die Rohrböden 3, 4, wobei das eintrittsseitige Ende des Teilstromrohres 11 innerhalb der Eintrittskammer 6 liegt. Das austrittsseitige Ende des Teilstromrohres 11 ragt in die Austrittskammer 6 hinein und geht dort in einen Zylinder 12 über, der einen gegenüber dem Teilstromrohr 11 vergrößerten Durchmesser aufweist. Der Zylinder 12 nimmt ein Stellorgan zur Einstellung der Austrittstemperatur des den Wärmetauscher durchströmenden Mediums auf. Dieses Stellorgan wird später näher beschrieben.
  • Der Zylinder 12 ist mit einem Mischrohr 13 verbunden, das durch die Austrittskammer 6 hindurchgeführt und direkt mit dem Austrittsstutzen 8 verbunden ist. Das Mischrohr 13 verläuft unter einem Winkel zu dem Zylinder 12. Vorzugsweise liegt die Längsachse des Mischrohres 13 unter einem rechten Winkel zur Längsachse des Zylinders 12.
  • Gemäß Fig. 1 ist der Zylinder 12 koaxial zu dem Teilstromrohr 11 angeordnet und einseitig offen. Über die in der Verlängerung des Teilstromrohres 11 liegende Öffnung 14 steht der Zylinder 12 mit der Austrittskammer 6 in Verbindung. In dem Zylinder 12 ist über eine aus dem Wärmetauscher herausgeführte Stange 15 eine runde, als Stellorgan dienende Steuerplatte 16 axial verschiebbar angeordnet. In der einen Endstellung liegt die Steuerplatte 16 dichtend an dem Teilstromrohr 11 an, während in der anderen Stellung die zur Austrittskammer 6 weisende Öffnung 14 abgedeckt ist. In der Zwischenstellung verbleibt innerhalb des Zylinders 12 beiderseits der Steuerplatte 16 ein Ringraum als Durchströmquerschnitt frei.
  • Der in die Eintrittskammer 5 eintretende Mediumstrom 17 wird in zwei Teilströme 18, 19 aufgeteilt, von denen einer die Wärmetauscherrohre 2 des Rohrbündels durchströmt und dabei gekühlt wird. Der Teilstrom 18 tritt aus den Wärmetauscherrohren 2 in die Austrittskammer 6 aus und gelangt über die Öffnung 14 durch den Zylinder 12 in das Mischrohr 13, wo er sich mit dem durch das Teilstromrohr 11 geführten, ungekühlten Teilstrom 19 vermischt. Über die Steuerplatte 16 kann das Mengenverhältnis der Teilströme 18, 19 und damit die Temperatur des durch den Austrittsstutzen 8 austretenden, gemischten Mediumstromes 20 eingestellt werden.
  • Auf Grund der beschriebenen Anordnung von Zylinder 12, Mischrohr 13 und Steuerplatte 16 wird der das Teilstromrohr 11 durchströmende, ungekühlte Teilstrom 19 direkt über den Austrittsstutzen 8 abgeführt, ohne mit der Austrittskammer 6 in Berührung zu kommen. Für den Fall, daß das Medium innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches aggressiv wirkt, braucht daher nur das Teilstromrohr 11, der Zylinder 12 und das Mischrohr 13 aus einem beständigen Werkstoff gefertigt zu sein. Die genannten Teile können auch mit einer Ausmauerung versehen werden.
  • Der in der Fig. 2 beschriebene Wärmetauscher stimmt weitgehend mit dem Wärmetauscher gemäß Fig. 1 überein. Lediglich anstelle einer axial verschiebbaren Steuerplatte 16 sind zwei schwenkbare, als Drehklappen ausgebildete Steuerplatten 21, 22 vorgesehen, von denen eine am austrittsseitigen Ende des Teilstromrohres 11 und die andere in der Öffnung 14 des Zylinders 12 angeordnet ist. Die beiden schwenkbaren Steuerplatten 21, 22 werden gegensinnig betätigt. Sie können sowohl einzeln als auch gemeinsam angetrieben werden. Im letzten Fall sind die Steuerplatten 21, 22 über ein Kopplungsgestänge 23 miteinander verbunden.
  • Gemäß Fig. 3 liegt die Längsachse des Zylinders 12 senkrecht zur Längsachse des Teilstromrohres 11. Die Böden des Zylinders 12 sind geschlossen. Die Öffnung 14 zur Austrittskammer 6 ist in der Mantelfläche des Zylinders 12 auf der dem Teilstromrohr 11 abgewandten Seite vorgesehen. In dem Zylinder 12 ist eine Steuerplatte 24 angeordnet, die um die Längsachse des Zylinders 12 schwenkbar ist. Im übrigen stimmt die Wirkungsweise der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Wärmetauscher mit derjenigen des Wärmetauschers gemäß Fig. 1 überein.

Claims (6)

1. Wärmetauscher mit einem aus Wärmetauscherrohren (2) bestehenden Rohrbündel, mit je einer Eintritts- und Austrittskammer (5, 6) jenseits der beiden Enden des Rohrbündels und mit einem den Wärmetauscher etwa mittig und parallel zu den Wärmetauscherrohren (2) durchsetzenden, als Bypass dienenden Teilstromrohr (11), dessen eintrittsseitiges Ende mit der Eintrittskammer (5) und dessen austrittsseitiges Ende über einen Zylinder (12) mit einem gegenüber dem Teilstromrohr (11) vergrößertem Querschnitt mit einer in der Austrittskammer liegenden Mischkammer zur Mischung des durch das Teilstromrohr strömenden Teilstromes (19) mit dem das Rohrbündel durchströmenden Teilstrom (18) verbunden ist, wobei in dem Zylinder (12) eine Einrichtung zur Einstellung des Mengenverhältnisses der beiden Teilströme (18, 19) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer als Mischrohr (13) ausgebildet ist, das durch die Austrittskammer (6) hindurchgeführt und direkt mit dem Austrittsstutzen (8) verbunden ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Mischrohres (13) senkrecht zur Längsachse des Zylinders (12) angeordnet ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Austrittskammer (6) gerichtete Stirnseite des Zylinders (12) offen ist, daß der Zylinder (12) koaxial zu dem Teilstromrohr (11) angeordnet ist und daß innerhalb des Zylinders (12) einer Steuerplatte (16) über eine nach außen geführte Stange (15) axial verschiebbar angeordnet ist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Austrittskammer (6) gerichtete Stirnseite des Zylinders (12) offen ist, daß der Zylinder (12) koaxial zu dem Teilstromrohr (11) angeordnet ist und daß an dem austrittsseitigen Ende des Teilstromrohres (11) und in der Öffnung (14) des Zylinders (12) je eine schwenkbare Steuerplatte (21, 22) angeordnet ist.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuerplatten (21, 22) über ein Kopplungsgestänge (23) miteinander verbunden sind.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (12) beidseitig geschlossen ist, daß die Längsachse des Zylinders (12) senkrecht zur Längsachse des Teilstromrohres (12) angeordnet ist, daß in der Mantelfläche des Zylinders (12) auf der dem Teilstromrohr (11) gegenüber liegenden Seite eine Öffnung (14) vorgesehen ist und daß in dem Zylinder (12) eine Steuerplatte (24) um die Längsachse des Zylinders (12) schwenkbar angeordnet ist.
EP89111721A 1988-08-18 1989-06-28 Wärmetauscher Expired - Lifetime EP0356648B1 (de)

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DE3828034A DE3828034A1 (de) 1988-08-18 1988-08-18 Waermetauscher
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EP0356648A1 EP0356648A1 (de) 1990-03-07
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