EP0496070B1 - Wärmeaustauscher mit zirkulierender Wirbelschicht - Google Patents

Wärmeaustauscher mit zirkulierender Wirbelschicht Download PDF

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EP0496070B1
EP0496070B1 EP91121246A EP91121246A EP0496070B1 EP 0496070 B1 EP0496070 B1 EP 0496070B1 EP 91121246 A EP91121246 A EP 91121246A EP 91121246 A EP91121246 A EP 91121246A EP 0496070 B1 EP0496070 B1 EP 0496070B1
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EP
European Patent Office
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wear protection
heat exchanger
tube
diameter
endplates
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP91121246A
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English (en)
French (fr)
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EP0496070A1 (de
Inventor
Robert Prof. Dr.-Ing. Rautenbach
Wolfgang Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Dahm
Jochen Stephan Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Kollbach
Christoph Dipl.-Ing. Erdmann
Jürgen Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Künzel
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.)
SGL Technik GmbH
Original Assignee
Kollbach Jochen Stephan Dipl Ing Dr Ing
SGL Carbon SE
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Publication date
Application filed by Kollbach Jochen Stephan Dipl Ing Dr Ing, SGL Carbon SE filed Critical Kollbach Jochen Stephan Dipl Ing Dr Ing
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/02—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of carbon, e.g. graphite
    • 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
    • F28D13/00—Heat-exchange apparatus using a fluidised bed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers

Definitions

  • the invention relates generically to a heat exchanger with a circulating fluidized bed of inert solid particles - with a tube bundle made of parallel vertical riser tubes and at least one return tube and end tube sheets, a lower distributor chamber and an upper header chamber for the material flow passed through the tube bundle, the solid particles in the Riser pipes are fluidized by the upstream material flow and carried upwards and return through the return pipe to the distribution chamber.
  • the preferred application of the heat exchanger is the treatment of liquids, in particular deposit-forming liquids, without phase change.
  • a heat exchanger of the structure described is known from DE-OS 34 32 864.
  • the circulating fluidized bed heat exchanger is characterized by good heat transfer on the inside of the heat exchanger tubes.
  • the fluidized bed of inert solids effectively prevents deposits from forming on the heat exchanger surface, so that the heat exchanger maintains its heat exchanger performance over long periods of time.
  • the tube bundle consists of metallic materials. Metallic materials withstand the abrasive stress caused by the fluidized bed, but the chemical resistance and corrosion resistance of such materials is not sufficient in all cases. In the event of extreme corrosion, the use of graphite is recommended. Graphite is aggressive towards most Media resistant, usable in a wide temperature range and has a high thermal conductivity.
  • the invention is based on the object of specifying a fluidized bed heat exchanger whose corrosion properties correspond to those of a graphite heat exchanger and which withstands an abrasive stress from the fluidized material.
  • the invention teaches that the tube bundle consists of graphite tubes and graphite tube sheets, the graphite tubes being inserted into blind holes in the tube sheets and forming smooth flow channels with connection bores of the tube sheets, that the connection bores of the two tube sheets have bore extensions ending on the outside, into the metallic ones , ceramic or plastic cylindrical wear protection sleeves are used, that the lower wear protection sleeves used in the lower tube sheet at a distance end of the lower tube sheet in the distribution chamber, the wear protection sleeves assigned to the riser tubes on the one hand and the lower wear protection sleeve for the return tube on the other hand having different lengths that the upper wear protection sleeves inserted into the upper tube sheet and assigned to the riser tubes end above the upper tube sheet in the collector chamber and that the diameter of the bore extensions is at least twice the wall thickness of the wear protection sleeves larger than the diameter of the flow channels.
  • the invention is based on the knowledge that flow vortices are harmful as a result of Carnot's shock loss at the outlet mouths of the riser pipes and the return pipe. The same applies to the inlet area of the riser pipes and the return pipe.
  • flow effects in the inlet area lead to increased wear of the graphite components, which limits the service life of the heat exchanger. Areas on and behind recessed edges are particularly susceptible to wear.
  • both the lower tube sheet and the upper tube sheet are protected at the areas at risk of wear by wear protection sleeves which are used individually in bore extensions of the connection bores. The aim should be a smooth transition between the wear protection sleeve and the subsequent flow channel.
  • the inner diameter of the wear protection sleeves may also be somewhat larger than the diameter of the adjoining flow channel.
  • One in The protruding edge of the graphite material protruding from the inlet area is ground down by the solid particles fluidized in the material flow until a stepless transition is formed.
  • the inside diameter of the sleeve be smaller than the diameter of the connection bore or the inside diameter of the subsequent graphite tube, since flow vortices form behind the recessed edge as a result of flow separation, which results in local wear of the graphite. This effect increases with increasing wear.
  • a recessed edge 4 at the outlet openings of the riser pipes or the return pipe is harmless, since the flow eddies caused by detachment occur in an area that is reinforced by the wear protection sleeve.
  • Graphite tubes with a predetermined nominal diameter have considerable manufacturing-related tolerance deviations from the nominal diameter. These tolerance deviations can be up to 2 millimeters with a graphite tube with a nominal diameter of 1 inch.
  • all of the bore extensions are of the same diameter, the diameter of the bore extensions being twice the wall thickness of the wear protection sleeve than the largest possible graphite tube inner diameter, taking into account the tolerance deviations.
  • the clamping length the wear protection sleeves can easily be dimensioned such that flow vortices caused by discontinuities are reduced when the material flow reaches graphitic wall surfaces.
  • the clamping length of the wear sleeves in the tube sheets is preferably 2.5 to 8 times the flow channel diameter.
  • the flow vortices caused at the riser pipe outlets as a result of a Carnot impact loss are harmless if the protrusion of the upper wear protection sleeves assigned to the riser pipes from the upper pipe base is at least 2.5 times the diameter of the flow channels.
  • Adequate wear protection of the connection bore of the upper tube plate assigned to the return tube is ensured in particular if the assigned wear protection sleeve connects with the protruding collar to the tube plate.
  • Collar means in particular a protrusion of a few millimeters.
  • wear protection sleeves made of ceramic materials, which can be inserted, glued or cemented in a form-fitting manner.
  • a preferred embodiment provides, however, that the wear protection sleeves consist of flexible material and are slit in the clamping area in the longitudinal direction and fastened to the tube sheets by means of a clamp fit. Plastics and in particular high-strength and corrosion-resistant steels come into consideration.
  • a longitudinal slot in the clamping area of the wear protection sleeves acts as an expansion joint and prevents inadmissibly high pressure stresses in the tube sheets as a result of different thermal expansion of the wear protection sleeves and build up the graphite floor.
  • the slitting of the wear protection sleeves ensures sufficient spring elasticity of the components used in the tube sheets for the press fit.
  • the wear protection sleeves in the clamping area can be formed with one or more longitudinal slots, the width of which is dimensioned such that the solid particles fluidized in the material flow do not reach the graphite wall or at least have no abrasive effect on the graphite wall exposed in the longitudinal slot.
  • a further improvement of the clamp fit can be achieved if the wear protection sleeves have grooves or grooves running on the outside of the casing in a helical shape. If metallic materials or plastics are used for the production of the wear protection sleeves, these grooves or grooves can easily be produced by machining production processes.
  • the advantages of the invention can be seen in the fact that the excellent corrosion resistance and chemical resistance of graphite is also used in a heat exchanger which is operated with a circulating fluidized bed composed of inert solid particles.
  • the heat exchanger according to the invention is characterized by good heat transfer and good corrosion resistance and enables the treatment of deposit-forming liquids.
  • the abrasive wear on the graphitic tube bundle can be controlled by the measures according to the invention. Sufficient downtimes can be achieved.
  • the wear protection sleeves are not subject to pressure and are replaced from time to time. They can therefore be made from inexpensive materials. This applies in particular if, according to the preferred embodiment of the invention, they are fastened to the tube sheets by a clamp fit.
  • the heat exchanger shown in the figures works with a circulating fluidized bed of inert solid particles and is intended for the heat treatment of liquids without a phase change.
  • the basic structure of the heat exchanger includes a tube bundle 1 composed of parallel vertical riser tubes 2 and at least one return tube 3 and end tube plates 4, 5, a lower distributor chamber 6 and an upper header chamber 7 for the material flow led through the tube bundle 1. Otherwise, the heat exchanger has a heat exchanger jacket 8 with pipe connections for heating or cooling medium guided in the jacket room.
  • the solid particles 9 are fluidized in the risers 2 by the upward flowing material flow as well as carried upwards. Through the return pipe 3, they return to the distribution chamber 6.
  • end pieces 10, 11 connect to the riser pipes and to the return pipe, which end at a distance from the lower tube sheet 4 in the distributor chamber 6.
  • the end pieces 10 assigned to the riser pipes 2 contain lateral bypass openings 12 which serve to stabilize the fluidized bed. Otherwise, the end pieces 10 for the riser pipes 2 on the one hand and the end piece 11 for the return pipe 3 on the other hand are formed with different lengths.
  • the tube bundle 1 consists of graphite tubes 2, 3 and graphite tube sheets 4, 5.
  • the graphite tubes 2, 3 are inserted into blind holes in the tube sheets 4, 5 and form smooth flow channels with connection bores 13 of the tube sheets.
  • the diameters of the connection bores 13 and the graphite tube inner diameters correspond and form the flow channel diameter D.
  • the connection bores 13 of both the lower and the upper tube plate 4, 5 also have bore extensions 14 which end on the outside and into which non-graphitic cylindrical wear protection sleeves 15, 15 ', 15''are used.
  • the wear protection sleeves 15 inserted into the lower tube sheet 4 are designed at the rear as riser tube end pieces 10 or return tube end piece 11.
  • the wear protection sleeves 15 'for the outlet openings of the riser tubes 2 have outlet extensions 16 which end above the upper tube plate 5 and which should be at least 2.5 times the inner diameter D of the graphite tube.
  • a wear protection sleeve 15 ′′ is also used, which connects to the tube sheet with a projecting collar 17.
  • Collar 17 here means a protrusion of a few millimeters.
  • the clamping length L of the wear protection sleeves 15, 15 ', 15''in the tube sheets 4, 5 can be 2.5 to 8 times the inner diameter D of the graphite tube, depending on the thickness of the tube sheet.
  • FIGS. 1 and 2 A comparative examination of FIGS. 1 and 2 reveals that the inner diameter D 'of the wear protection sleeves 15, 15', 15 '' and the flow channel diameter or inner diameter of the graphite tubes D almost match, the inner diameter D 'of the wear protection sleeves also being somewhat larger may be the diameter D of the adjoining flow channel 13.
  • the diameter of the bore extension D B is therefore at least twice the wall thickness dimension s of the wear protection sleeves 15, 15 ', 15''larger than the flow channel diameter D.
  • the outer surface of the wear protection sleeves is smooth. However, it is within the scope of the invention to form helical grooves or grooves on the outside of the casing. These bring about an additional positive locking of the wear protection sleeves 15, 15 ', 15''in the graphitic tube sheet 4, 5.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf einen Wärmeaustauscher mit zirkulierender Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen - mit einem Rohrbündel aus parallelen vertikalen Steigrohren und zumindest einem Rückführrohr sowie endseitigen Rohrböden, einer unteren Verteilerkammer und einer oberen Sammlerkammer für den durch das Rohrbündel geführten Stoffstrom, wobei die Feststoffteilchen in den Steigrohren durch den aufwärtsströmenden Stoffstrom fluidisiert sowie nach oben mitgeführt werden und durch das Rückführrohr in die Verteilerkammer zurückgelangen. - Bevorzugte Anwendung des Wärmeaustauschers ist die Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere belagbildenden Flüssigkeiten, ohne Phasenwechsel.
  • Ein Wärmeaustauscher des beschriebenen Aufbaus ist aus der DE-OS 34 32 864 bekannt. Der mit zirkulierender Wirbelschicht arbeitende Wärmeaustauscher zeichnet sich durch einen guten Wärmeübergang an der Innenseite der Wärmetauscherrohre aus. Belagbildungen an der Wärmetauscherfläche werden durch die Wirbelschicht aus inerten Feststoffen wirksam verhindert, so daß der Wärmeaustauscher seine Wärmetauscherleistung über lange Zeiträume hinweg beibehält. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen besteht das Rohrbündel aus metallischen Werkstoffen. Metallische Werkstoffe halten der abrasiven Beanspruchung durch die Wirbelschicht stand, doch ist die chemische Beständigkeit und Korrosionsfestigkeit solcher Werkstoffe nicht in allen Fällen ausreichend. Bei extremer Korrosionsbeanspruchung bietet sich die Verwendung von Graphit an. Graphit ist gegenüber den meisten agressiven Medien widerstandsfähig, in weitem Temperaturbereich verwendbar und besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Abriebsfestigkeit von Graphit liegt jedoch weit unter der metallischer Werkstoffe. Zwar gehören Rohrbündelwärmeaustauscher aus Graphit zum Stand der Technik, doch sind die bekannten Ausführungen nicht als Wirbelschicht-Wärmeaustauscher geeignet. Versuche haben gezeigt, daß an den Graphit-Rohrbündeln ein nichtakzeptabler Verschleiß auftritt, wenn die Wärmeaustauscher ohne zusätzliche Maßnahmen mit einer zirkulierenden Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen betrieben werden. Dabei wurde festgestellt, daß der Verschleißfortschritt einer Progression unterliegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelschichtwärmeaustauscher anzugeben, dessen Korrosionseigenschaften denen eines Graphit-Wärmeaustauschers entsprechen und der einer abrasiven Beanspruchung durch das Wirbelgut standhält.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Rohrbündel aus Graphitrohren und graphitischen Rohrböden besteht, wobei die Graphitrohre in Sacklöcher der Rohrböden eingesetzt sind und mit Anschlußbohrungen der Rohrböden glatte Strömungskanäle bilden, daß die Anschlußbohrungen der beiden Rohrböden außenseitig endende Bohrungserweiterungen aufweisen, in die metallische, keramische oder aus Kunststoff bestehende zylindrische Verschleißschutzhülsen eingesetzt sind, daß die in den unteren Rohrboden eingesetzten unteren Verschleißschutzhülsen mit Abstand von dem unteren Rohrboden in der Verteilerkammer enden, wobei die den Steigrohren zugeordneten Verschleißschutzhülsen einerseits und die untere Verschleißschutzhülse für das Rückführrohr andererseits unterschiedliche Längen besitzen, daß die in den oberen Rohrboden eingesetzten und den Steigrohren zugeordneten oberen Verschleißschutzhülsen oberhalb des oberen Rohrbodens in der Sammlerkammer enden und daß der Durchmesser der Bohrungserweiterungen mindestens um das zweifache Wandstärkenmaß der Verschleißschutzhülsen größer ist als der Durchmesser der Strömungskanäle. - Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Strömungswirbel in Folge des Carnot'schen Stoßverlustes an den Austrittsmündungen der Steigrohre und des Rückführrohres schädlich sind. Ähnliches gilt für den Einlaufbereich der Steigrohre und des Rückführrohres. Auch hier führen Strömungseffekte im Einlaufbereich zu einem erhöhten und die Standzeit des Wärmetauschers begrenzenden Verschleiß der Graphitbauteile. Besonders verschleißanfällig sind dabei Bereiche an und hinter rückspringenden Kanten. Erfindungsgemäß sind sowohl der untere Rohrboden als auch der obere Rohrboden an den verschleißgefährdeten Bereichen durch Verschleißschutzhülsen geschützt, die einzeln in Bohrungserweiterungen der Anschlußbohrungen eingesetzt sind. Anzustreben ist ein stufenloser Übergang zwischen Verschleißschutzhülse und dem anschließenden Strömungskanal. Der Innendurchmesser der Verschleißschutzhülsen darf auch etwas größer sein als der Durchmesser des sich anschließenden Strömungskanals. Eine im Einlaufbereich vorspringende Kante aus graphitischem Werkstoff wird durch die im Stoffstrom fluidisierten Festteilchen abgeschliffen, bis ein stufenloser Übergang ausgebildet ist. Keinesfalls darf der Innendurchmesser der Hülse kleiner sein als der Durchmesser der Anschlußbohrung bzw. der Innendurchmesser des anschließenden Graphitrohres, da sich in Folge einer Strömungsablösung hinter der rückspringenden Kante Strömungswirbel bilden, die örtlichen Verschleiß des Graphits zur Folge haben. Mit zunehmendem Verschleißfortschritt verstärkt sich dieser Effekt. Hingegen ist eine rückspringende Kante 4 an den Austrittsmündungen der Steigrohre bzw. des Rückführrohres unschädlich, da die durch Ablösung verursachten Strömungswirbel in einem Bereich auftreten, der durch die Verschleißschutzhülse bewehrt ist.
  • Graphitrohre mit vorgegebenem Nenndurchmesser weisen beachtliche fertigungsbedingte Toleranzabweichungen von dem Nenndurchmesser auf. Diese Toleranzabweichungen können bei einem Graphitrohr mit einem Nenndurchmesser von 1 Zoll bis zu 2 Millimeter betragen. Bei einem Wärmeaustauscher mit einem Rohrbündel aus Graphitrohren gleichen Nenndurchmessers sind nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung alle Bohrungserweiterungen mit gleichem Durchmesser ausgeführt, wobei der Durchmesser der Bohrungserweiterungen um das 2-fache Wandstärkenmaß der Verschleißschutzhülse größer ist als der unter Berücksichtigung der Toleranzabweichungen größtmögliche Graphitrohrinnendurchmesser. Die Einspannlänge der Verschleißschutzhülsen kann ohne weiteres so bemessen werden, daß durch Unstetigkeitsstellen bewirkte Strömungswirbel abgebaut sind, wenn der Stoffstrom graphitische Wandflächen erreicht. Vorzugsweise beträgt die Einspannlänge der Verschleißhülsen in den Rohrböden das 2,5 bis 8-fache des Strömungskanaldurchmessers. Die an den Steigrohraustritten verursachten Strömungswirbel in Folge eines Carnot'schen Stoßverlustes sind unschädlich, wenn der Überstand der oberen, den Steigrohren zugeordneten Verschleißschutzhülsen von dem oberen Rohrboden mindestens das 2,5-fache des Durchmessers der Strömungskanäle beträgt. Ein ausreichender Verschleißschutz der dem Rückführrohr zugeordneten Anschlußbohrung des oberen Rohrbodens ist insbesondere dann gewährleistet, wenn die zugeordnete Verschleißschutzhülse mit vorstehendem Kragen an den Rohrboden anschließt. Kragen meint insbesondere einen Überstand von einigen wenigen Millimetern.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt es, Verschleißschutzhülsen aus keramischen Werkstoffen einzusetzen, die formschlüssig eingesetzt, eingeklebt oder eingekittet sein können. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht jedoch vor, daß die Verschleißschutzhülsen aus biegeelastischem Werkstoff bestehen und in ihrem Einspannbereich in Längsrichtung geschlitzt und mittels eines Klemmsitzes an den Rohrböden befestigt sind. In Betracht kommen Kunststoffe und insbesondere hochfeste und korrosionsbeständige Stähle. Ein Längsschlitz im Einspannbereich der Verschleißschutzhülsen wirkt als Dehnungsfuge und verhindert, daß sich in den Rohrböden unzulässig hohe Durckspannungen in Folge unterschiedlicher thermischer Ausdehung der Verschleißschutzhülsen und des Graphitbodens aufbauen. Gleichzeitig gewährleistet die Schlitzung der Verschleißschutzhülsen eine für den Klemmsitz ausreichende Federelastizität der in den Rohrböden eingesetzten Bauteile. Es versteht sich, daß die Verschleißschutzhülsen im Einspannbereich mit einem oder auch mehreren Längsschlitzen ausgebildet sein können, deren Breite so bemessen ist, daß die im Stoffstrom fluidisierten Feststoffteilchen die Graphitwandung nicht erreichen oder zumindest keine abrasive Wirkung auf die in dem Längsschlitz freigelegte Graphitwandung ausüben. Eine weitere Verbesserung des Klemmsitzes ist erreichbar, wenn die Verschleißschutzhülsen an der Mantelaußenseite schraubenlinienförmig verlaufende Rillen oder Riefen aufweisen. Werden metallische Werkstoffe oder Kunststoffe zur Herstellung der Verschleißschutzhülsen verwendet, so können diese Riefen oder Rillen durch spanabhebende Fertigungsverfahren ohne weiteres hergestellt werden.
  • Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und chemische Beständigkeit von Graphit auch bei einem Wärmeaustauscher genutzt wird, der mit zirkulierender Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen betrieben wird. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher zeichnet sich durch guten Wärmedurchgang und gute Korrosionsbeständigkeit aus und ermöglicht die Behandlung von belagbildenden Flüssigkeiten. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist der abrasive Verschleiß an dem graphitischen Rohrbündel beherrschbar. Ausreichende Standzeiten können erreicht werden. Die Verschleißschutzhülsen unterliegen keiner Druckbeanspruchung und werden von Zeit zu Zeit ausgewechselt. Sie können folglich aus preiswerten Werkstoffen gefertigt werden. Das gilt insbesondere, wenn sie nach bevorzugter Ausführung der Erfindung durch einen Klemmsitz an den Rohrböden befestigt sind.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit zirkulierender Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen,
    Fig. 2
    einen Ausschnitt des unteren Rohrbodens des in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauschers, in vergrößerter Darstellung,
    Fig. 3
    bis 6 Verschleißschutzhülsen für den Einbau in den unteren sowie den oberen Rohrboden des in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauschers.
  • Der in den Figuren dargestellte Wärmeaustauscher arbeitet mit einer zirkulierenden Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen und ist für die Wärmebehandlung von Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau des Wärmetauschers gehören ein Rohrbündel 1 aus parallelen vertikalen Steigrohren 2 und zumindest einem Rückführrohr 3 sowie endseitigen Rohrböden 4, 5, eine untere Verteilerkammer 6 und eine obere Sammlerkammer 7 für den durch das Rohrbündel 1 geführten Stoffstrom. Im übrigen weist der Wärmeaustauscher einen Wärmetauschermantel 8 mit Rohranschlüssen für im Mantelraum geführtes Heiz- oder Kühlmedium auf. Die Feststoffteilchen 9 werden in den Steigrohren 2 durch den aufwärtsströmenden Stoffstrom fluidisiert sowie nach oben mitgeführt. Durch das Rückführrohr 3 gelangen sie in die Verteilerkammer 6 zurück. Der Fig. 1 entnimmt man, daß an die Steigrohre sowie an das Rückführrohr 3 Endstücke 10, 11 anschließen, die mit Abstand zu dem unteren Rohrboden 4 in der Verteilerkammer 6 ausmünden. Die den Steigrohren 2 zugeordneten Endstücke 10 enthalten seitliche Bypassöffnungen 12, die der Stabilisierung der Wirbelschicht dienen. Im übrigen sind die Endstücke 10 für die Steigrohre 2 einerseits und das Endstück 11 für das Rückführrohr 3 andererseits mit unterschiedlicher Länge ausgebildet.
  • Das Rohrbündel 1 besteht aus Graphitrohren 2, 3 und aus graphitischen Rohrböden 4, 5. Die Graphitrohre 2, 3 sind in Sacklöcher der Rohrböden 4, 5 eingesetzt und bilden mit Anschlußbohrungen 13 der Rohrböden glatte Strömungskanäle. Die Durchmesser der Anschlußbohrungen 13 und die Graphitrohrinnendurchmesser entsprechen sich und bilden den Strömungskanaldurchmesser D. Die Anschlußbohrungen 13 sowohl des unteren als auch des oberen Rohrbodens 4, 5 weisen ferner außenseitig endende Bohrungserweiterungen 14 auf, in die nichtgraphitische zylindrische Verschleißschutzhülsen 15, 15', 15'' eingesetzt sind. Dabei sind die in den unteren Rohrboden 4 eingesetzten Verschleißschutzhülsen 15 rückwärtig als Steigrohrendstücke 10 bzw. Rückführrohrendstück 11 ausgebildet. Die Verschleißschutzhülsen 15' für die Austrittsmündungen der Steigrohre 2 weisen oberhalb des oberen Rohrbodens 5 endende Austrittsverlängerungen 16 auf, die mindestens das 2,5-fache des Graphitrohrinnendurchmessers D betragen sollen. In der Anschlußbohrung 13 des oberen Rohrbodens 5, die dem Rückführrohr 3 zugeordnet ist, ist ferner eine Verschleißschutzhülse 15'' eingesetzt, die mit einem vorstehenden Kragen 17 an den Rohrboden anschließt. Kragen 17 meint hier einen Überstand von einigen Millimetern. Die Einspannlänge L der Verschleißschutzhülsen 15, 15', 15'' in den Rohrböden 4, 5 kann je nach Dicke des Rohrbodens das 2,5 bis 8-fache des Graphitrohrinnendurchmessers D betragen.
  • Einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 2 entnimmt man, daß der Innendurchmesser D' der Verschleißschutzhülsen 15, 15', 15'' und der Strömungskanaldurchmesser bzw. Innendurchmesser der Graphitrohre D nahezu übereinstimmen, wobei der Innendurchmesser D' der Verschleißschutzhülsen auch etwas größer sein darf als der Durchmesser D des sich anschließenden Strömungskanals 13. Der Durchmesser der Bohrungserweiterung DB ist also mindestens um das 2-fache Wandstärkenmaß s der Verschleißschutzhülsen 15, 15', 15'' größer als der Strömungskanaldurchmesser D. Besteht das Rohrbündel 1 aus Graphitrohren 2, 3 gleichen Nenndurchmessers, deren Innendurchmesser D fertigungsbedingte Toleranzabweichungen von dem Nenndurchmesser aufweisen, so sind zweckmäßigerweise alle Bohrungserweiterungen 14 mit gleichem Durchmesser DB ausgeführt, wobei der Durchmesser DB der Bohrungserweiterungen um das 2-fache Wandstärkenmaß s der Verschleißschutzhülsen 15, 15', 15'' größer ist als der unter Berücksichtigung der Toleranzabweichungen größtmögliche Graphitrohrinnendurchmesser D.
  • Die in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Verschleißschutzhülsen 15, 15', 15'' bestehen aus metallischem Werkstoff, insbesondere einem hochfesten und korrosionsbeständigen Stahl. Sie weisen einen in Längsrichtung geschlitzten Einspannbereich 18 auf. Mittels eines Klemmsitzes sind sie in dem Einspannbereich 18 an den Rohrböden 4, 5 befestigbar. Man erkennt, daß die Verschleißschutzhülsen 15 je nach der ihnen zugedachten Funktion mit unterschiedlicher Länge ausgeführt sind und daß die als Steigrohrendstücke 10 an den unteren Rohrboden 4 angeschlossenen Verschleißschutzhülsen 15 zusätzliche Bypassöffnungen 12 zur Stabilisierung der Wirbelschicht aufweisen. Die Außenfläche der Verschleißschutzhülsen ist glatt. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber, an der Mantelaußenseite schraubenlinienförmig verlaufende Riefen oder Rillen auszubilden. Diese bewirken einen zusätzlichen Formschluß der Verschleißschutzhülsen 15, 15', 15'' in dem graphitischen Rohrboden 4, 5.

Claims (8)

  1. Wärmeaustauscher mit zirkulierender Wirbelschicht aus inerten Feststoffteilchen, - mit
       einem Rohrbündel (1) aus parallelen vertikalen Steigrohren (2) und zumindest einem Rückführrohr (3) sowie endseitigen Rohrböden (4,5),
       einer unteren Verteilerkammer (6) und einer oberen Sammlerkammer (7) für den durch das Rohrbündel (1) geführten Stoffstrom,
    wobei die Feststoffteilchen in den Steigrohren (2) durch den aufwärtsströmenden Stoffstrom fluidisiert sowie nach oben mitgeführt werden und durch das Rückführrohr (3) in die Verteilerkammer (6) zurückgelangen, dadurch gekennzeichnet,
       daß das Rohrbündel (1) aus Graphitrohren (2, 3) und graphitischen Rohrböden (4, 5) besteht, wobei die Graphitrohre (2, 3) in Sacklöcher der Rohrböden (4, 5) eingesetzt sind und mit Anschlußbohrungen (13) der Rohrböden (4, 5) glatte Strömungskanäle bilden,
       daß die Anschlußbohrungen (13) der beiden Rohrböden (4,5) außenseitig endende Bohrungserweiterungen (14) aufweisen, in die metallische, keramische oder aus kunststoff bestehende zylindrische Verschleißschutzhülsen (15, 15', 15'') eingesetzt sind,
       daß die in den unteren Rohrboden (4) eingesetzten unteren Verschleißschutzhülsen (15) mit Abstand von dem unteren Rohrboden (4) in der Verteilerkammer (6) enden, wobei die den Steigrohren (2) zugeordneten unteren Verschleißschutzhülsen einerseits und die untere Verschleißschutzhülse für das Rückführrohr (3) andererseits unterschiedliche Längen besitzen,
       daß die in den oberen Rohrboden (5) eingesetzten und den Steigrohren (2) zugeordneten oberen Verschleißschutzhülsen (15') oberhalb des oberen Rohrbodens (5) in der Sammlerkammer (7) enden, und
    daß der Durchmesser (DB) der Bohrungserweiterungen (14) mindestens um das 2-fache Wandstärkenmaß (s) der Verschleißschutzhülsen (15, 15', 15'') größer ist als der Durchmesser (D) der Strömungskanäle.
  2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (DB) der Bohrungserweiterungen (14) um das 2-fache Wandstärkenmaß (s) der Verschleißschutzhülsen (15, 15', 15'') größer ist als der unter Berücksichtigung der Toleranzabweichungen größtmögliche Graphitrohrinnendurchmesser.
  3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannlänge (L) der Verschleißschutzhülsen (15, 15', 15'') in den Rohrböden (4, 5) das 2,5 bis 8-fache des Durchmessers (D) der Strömungskanäle beträgt.
  4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet, daß der Überstand (16) der oberen, den Steigrohren (2) zugeordneten Verschleißschutzhülsen (15') von dem oberen Rohrboden (5) mindestens das 2,5-fache des Durchmessers (D) der Strömungskanäle beträgt.
  5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den oberen Rohrboden (5) eingesetzte und dem Rückführrohr (3) zugeordnete obere Verschleißschutzhülse (15'') mit einem vorstehenden Kragen (17) an der Oberseite des Rohrbodens (5) abschließt.
  6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzhülsen (15, 15', 15'') aus biegeelastischem Werkstoff bestehen und in ihrem Einspannbereich (18) in Längsrichtung geschlitzt und mittels eines Klemmsitzes an den Rohrböden (4, 5) befestigt sind.
  7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzhülsen (15, 15', 15'') aus einem hochfesten und korrosionsbeständigen Stahl bestehen.
  8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzhülsen (15, 15', 15'') an der Mantelaußenseite schraubenlinienförmig verlaufende Riefen oder Rillen aufweisen.
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