EP0436828B1

EP0436828B1 - Wärmetauscher zum Kühlen von heissem Reaktionsgas

Info

Publication number: EP0436828B1
Application number: EP90123071A
Authority: EP
Inventors: Peter Brücher; Wolfgang Kehrer; Dieter Bormann
Original assignee: Deutsche Babcock Borsig AG
Current assignee: Deutsche Babcock Borsig AG
Priority date: 1990-01-10
Filing date: 1990-12-03
Publication date: 1993-12-29
Anticipated expiration: 2010-12-03
Also published as: US5088551A; DE59004035D1; EP0436828A3; ATE99409T1; EP0436828A2; DE4000527A1; JPH06201290A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von heißem Reaktionsgas mit Hilfe eines Kühlmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Ein bekannter Wärmetauscher (DE-A-28 18 892) enthält eine Rohrplatte, die aus einem dicken Rohrboden, der von den gasführenden Rohren unter Bildung von Ringspalten durchdrungen ist, und aus einem dünnen Rohrboden besteht, in den die gasführenden Rohre eingeschweißt sind. Der dünne Rohrboden ist am Außenumfang mit dem dicken Rohrboden verbunden und auf diesem über die gasführenden Rohre abgestützt. In den Zwischenraum zwischen den beiden Rohrböden mündet eine Zuführungsleitung für das Kühlmedium ein, das durch die Ringspalten in den Innenraum des Wärmetauschers eintritt. Abgesehen davon, daß hier die gasführenden und damit druckbelasteten Rohre als Anker für den dünnen Rohrboden eingesetzt sind, hat der bekannte Wärmetauscher den Nachteil, daß Partikel, die in dem als Kühlmedium dienenden Wasser enthalten sind, sich auf der Innenseite des dünnen Rohrbodens ablagern und dort zu Überhitzungen führen können.
Weiterhin ist ein Wärmetauscher stehender Bauart mit einem in zwei Rohrböden gehaltenen Rohrbündel bekannt (AT-A-361 953), bei dem der auf der Gasaustrittsseite angeordnete, obere Rohrboden mit
Kühlkanälen versehen ist. Diese Kühlkanäle stehen über die die gasführenden Rohre umgebenden Ringspalten mit dem Innenraum des Wärmetauschers in Verbindung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmetauscher derart auszubilden, daß dessen Rohrplatte auf der Gasseite eine geringe Wanddicke aufweist und daß das Kühlmedium so durch die Rohrplatte geführt wird, daß sich keine Feststoffpartikel aus dem Kühlmedium auf der Kühlmediumseite der Rohrplatte ablagern können.
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.
Die Rohrplatte des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann insgesamt dick ausgeführt werden und damit die Anforderung erfüllen, dem hohen Druck des Kühlmediums zu widerstehen. Durch die Anordnung der die Rohrplatte durchdringenden Kühlkanäle kann die Wanddicke zwischen dem wärmeabgebenden heißen Reaktionsgas und dem unter hohen Druck stehenden wärmeaufnehmenden, als Kühlmedium dienenden siedenden Wasser gering gehalten werden. Auf diese Weise können thermische Spannungen vermindert und niedrige Wandtemperaturen in der Rohrplatte erreicht werden. In den Kühlkanälen läßt sich das Kühlmedium in einer solchen Weise und mit einer solchen Geschwindigkeit führen, daß die in dem Kühlmedium enthaltenen Feststoffpartikel sich nicht auf der Kühlmediumseite der Rohrplatte ablagern können, sondern fortgespült werden. Da die Rohrplatte höher liegt als die Unterkante des umschließenden Mantels, können sich die Feststoffpartikel unterhalb der Rohrplatte in dem tiefsten Punkt des Wärmetauschers sammeln. Dieser tiefste Punkt kann zudem in Ausgestaltung der Erfindung unbeheizt sein. Bei einem Ausfall der Kühlmediumzufuhr und bei einer darauf folgenden Unterbrechung der Gasbeaufschlagung entsteht in den zum Mantel hin offenen Kühlkanälen eine Strömung des Kühlmediums, die eine zur Abführung der Restwärme ausreichende Notkühlung der Rohrplatte herbeiführt.
Durch das wechselweise Verschließen der Kanalenden gemäß Patentanspruch 2 werden in benachbarten Kühlkanälen einander entgegengerichtete Strömungen des Kühlmediums eingestellt. Diese bewirken in den die gasführenden Rohre umgebenden Ringspalten eine Drehströmung, die eine sehr intensive Kühlung in diesem Bereich zur Folge hat.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: schematisch den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher,
Fig. 2: die Einzelheit Z nach Fig. 1,
Fig. 3: den Schnitt III - III nach Fig. 2 und
Fig. 4: die Einzelheit Z nach Fig. 1 gemäß einer anderen Ausführungsform.

Der Wärmetauscher ist von stehender Bauart und besteht aus einem Mantel 1, der oben durch eine Kuppel 2 verschlossen und an seiner Unterkante mit einem Flansch 3 versehen ist. Der Wärmetauscher steht auf einer Gaszuführungskammer 4 auf, deren Mantel auf der Innenseite mit einer feuerfesten Verkleidung 5 versehen ist. An die Gaszuführungskammer 4 schließt sich ein nicht dargestellter, unter Druck betriebener Reaktor an, der zu einer Ölvergasungsanlage gehören kann.
Der Mantel 1 des Wärmetauschers ist von der Gaszuführungskammer 4 durch eine Rohrplatte 6 getrennt. Die Rohrplatte 6 weist einen geringeren Durchmesser als der Mantel 1 auf. Über einen nach innen weisenden Konus 7 ist die Rohrplatte 6 mit dem die Unterkante des Mantels 1 darstellenden Flansch 3 derart verbunden, daß die Rohrplatte 6 oberhalb des Flansches 3 liegt. Der Konus 7 ist ebenso wie die Gaszuführungskammer mit einer feuerfesten Verkleidung 5 versehen.
Die Rohrplatte 6 ist in Längsrichtung des Wärmetauschers mit Rohrbohrungen 8 versehen, durch die Rohre 9 hindurchgeführt sind. Dabei besteht zwischen jedem Rohr 9 und der dazugehörenden Rohrbohrung 8 ein Ringspalt 10. Die Eintrittsenden der Rohre 9 sind auf der von dem Gas aus der Gaszuführungskammer 4 angeströmten Seite in die Rohrplatte 6 dicht eingeschweißt.
Die Rohre 9 sind oberhalb der Rohrplatte 6 geradlinig nach oben bis in die Nähe der Kuppel 3 geführt. Anschließend ist jedes Rohr 9 zu einer Rohrspirale gebogen, deren Ende mit einem Anschlußstutzen 11 verbunden ist, der kurz oberhalb der Rohrplatte 6 durch den Mantel 1 hindurchgeführt ist.
Das Gas aus der Gaszuführungskammer 4 durchströmt die Rohre 9 und wird dabei durch ein Kühlmedium gekühlt, das in der später beschriebenen Weise durch mehrere Zuführungsleitungen 12 in den von dem Mantel 1 umschlossenen Innenraum 13 des Wärmetauschers eingespeist wird. Als Kühlmedium dient unter Druck stehendes Wasser, das durch den Wärmetausch mit dem heißen Gas verdampft und als Dampf über einen Auslaßstutzen 14 in der Kuppel 3 den Wärmetauscher verläßt.
Die Rohrplatte 6 ist in der dem Gaseintritt zugewandten Hälfte mit parallelen Kühlkanälen 15 versehen, die zum Innenraum 13 des Wärmetauschers hin offen sind. Die Breite der Kühlkanäle 15 ist so gewählt, daß die Kühlkanäle 15 die Rohrbohrungen 8 anschneiden. Vorzugsweise sind die Kühlkanäle 15 einseitig durch einen mit dem Außenumfang der Rohrplatte 9 verbundenen Deckel 16 verschlossen. Dabei können benachbarte Kühlkanäle 15 an gegenüberliegenden Enden verschlossen sein.
Jeder Kühlkanal 15 ist in der Nähe des geschlossenen Endes mit einer der Zuführungsleitungen 12 für das Kühlmedium versehen. Gemäß Fig. 2 ist die Zuführungsleitung 12 von oben durch die Rohrplatte 6 in den betreffenden Kühlkanal 15 geführt. Das Kühlmedium kann auch seitlich in die Kühlkanäle 15 eingespeist werden. Sind benachbarte Kühlkanäle 15 an gegenüberliegenden Enden verschlossen, so ergeben sich daraus in benachbarten Kühlkanälen 15 entgegengerichtete Strömungen des Kühlmediums. Dabei dringt das Kühlmedium in die Ringspalten 10 ein und erzeugt eine Drehströmung rund um die Rohre 9, woraus eine intensive Kühlung dieser heißen Partien resultiert.
Das durch die Zuführungsleitungen 12 eingespeiste Wasser tritt in die Kühlkanäle 15 ein, durchströmt diese, steigt zum Teil durch die Ringspalten 10 auf und tritt in den Innenraum 13 des Wärmetauschers ein. Der restliche Anteil des Kühlmediums fließt durch die offenen Enden der Kühlkanäle 15 direkt in den Innenraum 13. Feststoffpartikel, die in dem Kühlmedium trotz sorgfältiger Aufbereitung noch enthalten sind, werden mit dem Kühlmediumstrom aus den Kühlkanälen 15 herausgespült und setzen sich in dem tiefsten Punkt des Wärmetauschers ab. Dieser tiefste Punkt liegt unterhalb der Rohrplatte 6 in dem Ringraum zwischen dem Konus 7 und dem Mantel 1. Dieser Ringraum ist unbeheizt, da der Konus 7 auf der Gasseite mit der feuerfesten Verkleidung 5 versehen ist. In den Ringraum mündet eine Absaugleitung 17 ein, über die die abgesetzten Feststoffpartikel aus dem Wärmetauscher entfernt werden können.
Die Rohrplatte 6 hat bei einem Ausfall der Kühlmediumzufuhr und bei einer darauf folgenden Unterbrechung der Gasbeaufschlagung Notkühleigenschaften. In diesem Fall ist noch die gespeicherte Wärme abzuführen, was dadurch geschieht, daß Kühlmedium aus dem Innenraum 13 durch die Kühlkanäle 15 angesaugt wird. Dieser Kühlmediumstrom sorgt für eine Kühlung der Rohrplatte 6.
Um die Partien der Rohrplatte 6 zwischen den Kühlkanälen 15 zusätzlich zu kühlen, können parallel zu den Kühlkanälen 15 beidseitig offene Kühlbohrungen 18 durch die Rohrplatte 6 nahe der von dem Gas beaufschlagten Seite geführt sein. Diese Kühlbohrungen 18 weisen einen geringeren Querschnitt als die Kühlkanäle 15 auf. Die innenliegenden Kühlbohrungen 18 münden in die Ringspalten 10 ein.
Die Kühlkanäle 15 können auch, wie in Fig. 4 gezeigt ist, durch eine Trennplatte 19 in zwei übereinanderliegende Teilkanäle 20, 21 aufgeteilt sein. Unter Verwendung einer als Doppelrohr ausgebildeten Zuführungsleitung 12 kann jeder Teilkanal 20, 21 mit einem eigenen Kühlmediumanschluß versehen sein. Dabei führt das Innenrohr 22 kälteres Kühlmedium, z. B. Frischwasser, in den unteren Teilkanal 20, während der obere Teilkanal 21 mit wärmerem Kühlmedium, z. B. Umlaufwasser, aus dem Ringraum zwischen dem Innenrohr 22 und dem Mantel der Zuführungsleitung 12 gespeist wird.

Claims

Wärmetauscher zum Kühlen von heißem Reaktionsgas mit Hilfe eines Kühlmediums, der auf eine Gaszuführungskammer (4) aufgesetzt ist und gasführende Rohre (9) aufweist, die zu einem Austrittsstutzen (11) geführt sind, wobei die gasführenden Rohre (9) innerhalb eines Mantels (1) angeordnet sind, der von der Gaszuführungskammer (4) durch eine die gasführenden Rohre (9) aufnehmende Rohrplatte (6) getrennt ist, wobei die gasführenden Rohre (9) durch Rohrbohrungen (8) in der Rohrplatte (6) unter Bildung von Ringspalten (10) geführt und auf der Gaseintrittsseite dicht mit der Rohrplatte (6) verbunden sind, und wobei mindestens eine Zuführungsleitung (12) für das Kühlmedium an der dem Gaseintritt abgewandten Seite der Rohrplatte (6) endet, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrplatte (6) einen geringeren Durchmesser als der Mantel (1) aufweist und über einen nach oben weisenden Konus (7) mit einem die Unterkante des Mantels (1) darstellenden Flansch (3) derart verbunden ist, daß die Rohrplatte (6) oberhalb des Flansches (3) liegt und daß die Rohrplatte (6) mit mindestens an einem Ende zum Innenraum (13) des Wärmetauschers hin offenen mit den Zuführungsleitungen (12) für das Kühlmedium verbundenen Kühlkanälen (15) versehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem geschlossenen Ende in jedem Kühlkanal (15) eine der Zuführungsleitungen (12) für das Kühlmedium mündet, daß die benachbarten Kühlkanäle (15) an gengenüberliegenden Enden einseitig geschlossen sind und daß die Kühlkanäle (15) die Rohrbohrungen (8) in der Rohrplatte (6) anschneiden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konus (7) auf der von dem Reaktionsgas angeströmten Seite mit einer feuerfesten Verkleidung (5) versehen ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Kühlkanälen (15) beidseitig offene Kühlbohrungen (18) durch die Rohrplatte (6) geführt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (15) und die Kühlbohrungen (18) in der der Gasseite zugewandten Hälfte der Rohrplatte (6) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (15) durch eine Trennplatte (19) in zwei übereinanderliegende Teilkanäle (20, 21) getrennt sind, die mit jeweils einem eigenen Kühlmediumanschluß versehen sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gasführenden Rohre (9) geradlinig nach oben und anschließend als Spirale zu einem in der Nähe der Rohrplatte (6) angeordneten Austrittsstutzen (11) geführt sind.