EP0518880B1

EP0518880B1 - Vorrichtung zur indirekten beheizung von fluiden

Info

Publication number: EP0518880B1
Application number: EP91904137A
Authority: EP
Inventors: Quintiliano Valenti; Francesco Giacobbe; Raffaele Villante; Maurizio Bezzeccheri
Original assignee: Mannesmann AG; KTI Group BV
Current assignee: Vodafone GmbH; Technip Holding Benelux BV
Priority date: 1990-03-05
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1994-09-21
Anticipated expiration: 2011-02-27
Also published as: ATE112040T1; EP0518880A1; NO923440L; ES2060367T3; DK0518880T3; US5320071A; IT9047720A0; IT9047720A1; WO1991014139A1; JPH05506709A; IT1240789B; NO177653C; NO177653B; DE59103050D1; CA2077675A1; NO923440D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur indirekten Beheizung von Fluiden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Vorrichtungen werden insbesondere benötigt zur Durchführung von Hochtemperaturprozessen, wie sie in der Erdölverarbeitung und in der Petrochemie häufig vorkommen. Das zu beheizende Fluid, beispielsweise flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe oder ein Kohlenwasserstoff/Dampf-Gemisch, wird dabei üblicherweise in Wärmetauscherrohren durch einen Heizraum geführt und dabei durch die Rohrwand der Wärmetauscherrohre erwärmt, ohne mit dem Heizmedium in einen direkten Kontakt zu kommen. Die Wärmeübertragung auf die Rohrwand erfolgt meistens überwiegend durch Wärmestrahlung, die von einer freien Flamme eines im Heizraum verbrannten Brennstoffs ausgeht, und zu einem geringeren Teil durch die heißen Verbrennungsgase im Wege der Konvektion. Die Wärmetauscherrohre verlaufen in Form von Rohrschlangen durch den Heizraum.
Der große Nachteil offener Flammen ist darin zu sehen, daß eine gewünschte geometrische Form der Flamme und eine möglichst gleichförmige Temperaturverteilung nur sehr schwierig einstellbar sind. Insbesondere unter sich verändernden Betriebsbedingungen sind daher gleichmäßige Heizverhältnisse kaum erreichbar. Praktisch sind die Grenzen für entsprechende steuernde Eingriffe sehr eng gesetzt. Änderungen der Flammengeometrie sind gleichbedeutend mit Änderungen des Abstandes einzelner Stellen der Wärmetauscherrohre von der "Flammenoberfläche". Das bedeutet, daß der Wärmefluß durch die Wärmetauscherrohre nicht nur entlang der Rohrschlange stets beträchtliche Schwankungen aufweist. Ein ungleichmäßiger Wärmefluß ist insbesondere auch über den Umfang der Wärmetauscherrohre feststellbar, da die einzelnen Teilstücke der Rohroberfläche zwangsläufig eine unterschiedliche Ausrichtung zur Flamme haben, teilweise sogar von der Flamme abgewandt sind und somit unterschiedlich stark bestrahlt werden. Dies kann dazu führen, daß es an den Wärmetauscherrohren an einzelnen Stellen zu örtlichen Überhitzungen und gleichzeitig an anderen Stellen zu erheblichen Unterschreitungen der gewünschten Rohrwandtemperatur kommt. Dadurch können einerseits thermische Schädigungen der Wärmetauscherrohre von der Außenseite her auftreten, andererseits aber auch unerwünschte Effekte in bezug auf das zu beheizende Fluid ausgelöst werden (beispielsweise Verkokung der Rohrinnenoberfläche). In herkömmlichen Öfen für Hochtemperaturprozesse sind die Unterschiede vielfach so groß, daß das Verhältnis des maximalen zum mittleren Wärmefluß in den Wänden der Wärmetauscherrohre in einem Bereich von 3 : 1 bis 4 : 1 liegt.
Es ist bekannt, gasförmige Brennstoffe (Gase oder verdampfte Flüssigbrennstoffe) praktisch ohne Flammbildung in einem Brenner mit Wärmestrahlungsfläche zu verbrennen, indem der gasförmige Brennstoff vermischt mit einem sauerstoffhaltigen Gas (z.B. Luft) durch einen porösen Strahlungskörper hindurchgeführt und auf dessen Außenoberfläche gezündet und verbrannt wird. Die Zündung erfolgt dabei durch das Glühen dieser Außenoberfläche (Wärmestrahlungsfläche). Entsprechend der geometrischen Form des Strahlungskörpers weist die Wärmestrahlungsfläche eine regelmäßige Form auf, die sich im Unterschied zu einer offenen Flamme bei Veränderung der Brennstoffzufuhr nicht ändert. Außerdem ist die Temperaturverteilung innerhalb der Wärmestrahlungsfläche sehr gleichmäßig.
Ein derartiger Brenner mit Wärmestrahtungsfläche (Wärmestrahler) ist beispielsweise aus der US 4 722 681 bekannt. Sein Strahlungskörper ist aus einer Keramikfasermatrix gebildet und weist eine im Vergleich zur Bautiefe des Brenners große Länge und Breite auf, so daß sich eine große Wärmestrahlungsfläche ergibt. Dieser Brenner ist vorgesehen für die Wärmebehandlung von langen Papier- oder Gewebebahnen.
Weiterhin ist es aus der US 4 865 543 bekannt, einen Brenner mit Wärmestrahlungsfläche zur Beheizung eines Apparates zu verwenden, durch dessen Heizraum eine flache Rohrschlange als Wärmetauscher geführt ist. In der Rohrschlange fließt das zu behandelnde Fluid und wird infolge der Wärmestrahlung indirekt erwärmt. Der Wärmestrahler, der als Faserbrenner ausgebildet und am Boden des Heizraums angeordnet ist, setzt durch die Verbrennung heiße Verbrennungsgase frei, die hochsteigen und oben aus dem Heizraum abgeführt werden. Die Rohrschlange des Wärmetauschers liegt in einer vertikalen Ebene, wobei die Rohre der einzelnen Windungen der Rohrschlange im wesentlichen horizontal angeordnet sind.
Schließlich ist aus der EP 0 385 963 A1 ein Heizapparat bekannt, der aus einem zylindrischen Gehäuse gebildet ist, in dem ein ebenfalls zylindrischer Keramikhohlkörper mit poröser Wandung angeordnet ist. Im Abstand von der zylindrischen Oberfläche des Keramikkörpers ist in das Gehäuse außerdem ein wiederum zylinderförmiger Wärmetauscher eingebaut der von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. In dem Zwischenraum zwischen dem Gehäusemantel und der Außenoberfläche des Keramikkörpers kann ein unter überdruck stehendes Gemisch aus einem gasförmigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Gas eingeführt werden, das den Keramikkörper durchströmt und nach Zündung auf der Innenoberfläche des Keramikkörpers verbrennt. Die durch die Verbrennung entstehenden heißen Rauchgase können durch geeignete Durchtrittsöffnungen in der Mantelfläche des zylindrischen Wärmetauschers unter Wärmeabgabe in den von dem Wärmetauscher umgebenen Hohlraum eintreten und von dort nach außen abgeführt werden. Dieser Heizapparat, bei dem ein großer Teil der vom Wärmetauscher aufgenommenen Wärme durch Konvektion übertragen wird, ist in erster Linie als Heizkessel für Gebäudeheizungen gedacht und nicht geeignet für die Durchführung von Hochtemperaturprozessen.
Das zu beheizende Fluid wird von oben in den Wärmetauscher eingeleitet und unten wieder abgezogen, so daß die "Transportrichtung" der Rohrschlange dem aufwärtsgerichteten Strom der Verbrennungsabgase entgegengesetzt ist. Für die Verbrennung ist der Einsatz verdampfter Flüssigbrennstoffe wie Kerosin, Diesel, Naphta oder Alkohole vorgesehen.
Bei diesem bekannten Apparat sind die unteren Teile der Wärmetauscherrohrschlange einer starken Wärmestrahlung ausgesetzt, während die oberen Teile nicht mehr von der Wärmestrahlung des Brenners erreicht werden können und im wesentlichen durch Konvektion erwärmt werden. Aber selbst beim untersten Wärmetauscherrohr kann die Wärmestrahlung nur auf einen Teil der Rohroberfläche einwirken.
Während die Seitenbereiche der horizontal liegenden Rohre erheblich weniger bestrahlt werden als die Unterseite des untersten Wärmetauscherrohres, werden die Oberseiten der Wärmetauscherrohre überhaupt nicht direkt bestrahlt. Das bedeutet, daß der Wärmefluß sowohl in Umfangsrichtung der Wärmetauscherrohre als auch in Transportrichtung des Wärmetauschers erheblichen Schwankungen unterliegt.
Aus der EP 0 233 030 A2 ist eine Vorrichtung zur indirekten Beheizung von Fluiden bekannt, in dessen Heizraum im Abstand voneinander mehrere Reihen von flachen übereinander angeordneten Strahlungsbrennern parallel zueinander montiert sind. In den Zwischenräumen dieser Brennerreihen befindet sich jeweils ein Röhrenwärmetauscher mit einer Vielzahl von im wesentlichen horizontal verlaufenden Rohrwindungen, die im wesentlichen jeweils in zwei vertikalen Parallelebenen zu den Strahlungsbrennern angeordnet sind. Die Zwischenräume zwischen zwei unmittelbar benachbarten Rohrwindungen sind jeweils frei. Über den Rohrumfang der Rohrwindungen gesehen variieren sowohl die Entfernungen zu den wirksamen Strahlungsflächen der Strahlungsbrenner als auch der Einstrahlwinkel der Wärmestrahlung, so daß die Temperatur der Rohrwand über den Rohrumfang ungleichmäßig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur indirekten Beheizung von Fluiden vorzuschlagen, bei der ein wesentlich gleichmäßigerer Wärmefluß im Wärmetauscher gewährleistet ist.
Gelöst wird diese nufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben.
Die Erfindung sieht vor, daß die Rohre der Wärmetauscherrohrschlangen, durch die das zu beheizende Fluid hindurchgeführt wird, jeweils von zwei Wärmestrahlern bestrahlt werden, die sich bezüglich der Rohrachse und bezüglich der Fläche, in die sich die Rohrschlange erstreckt, auf gegenüberliegenden Seiten befinden Jede Rohrschlange ist also zwischen zwei mit ihrer Wärmestrahlung aufeinander zu gerichteten Wärmestrahlern angeordnet, so daß es auf dem Rohrumfang keine unbestrahlten abgewandten Flächen mehr gibt. Da die Wärmestrahlungsflächen der Wärmestrahler jeweils eine der flächenhaften Erstreckung der Wärmetauscherrohrschlange entsprechende Form aufweisen, kann auch in Transportrichtung des Wärmetauschers eine gleichmäßige Bestrahlung stattfinden.
Problematisch ist es jedoch, daß die Wärmetauscherrohrschlangen in der Regel keine geschlossene Fläche darstellen, sondern zwischen den einzelnen Windungen ein freier Zwischenraum verbleibt. Das bedeutet, daß die Wärmestrahlung der beiden gegenüberliegenden Wärmestrahler durch diese Zwischenräume hindurchtreten und zu unerwünschten Temperatursteigerungen in den entsprechenden Bereichen der beiden Wärmestrahlungsflächen führen könnte. Dadurch wäre nicht nur die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung der Wärmestrahlungsflächen beeinträchtigt, sondern es könnten auch Beschädigungen am Strahlungskörper der Wärmestrahler entstehen.
Die Erfindung sieht daher vor, an der Außenseite der Wärmetauscherrohre jeweils zwei diametral gegenüberliegende Längsrippen anzuordnen, die sich über die gesamte oder nahezu gesamte Länge der Rohre erstrecken und jeweils in die Zwischenräume der Rohrschlangen hineinragen. Damit stellen diese Längsrippen ein Hindernis für den Durchtritt der Wärmestrahlung durch die Zwischenräume der Rohrschlangen dar. Zweckmäßigerweise sollte eine möglichst vollständige Abdeckung dieser Zwischenräume gewährleistet sein.
Neben dem Abschirmeffekt wird mit den Längsrippen im Rahmen der Erfindung noch ein weiterer wesentlicher Zweck verfolgt. Da die Längsrippen durch die Wärmebestrahlung erhebliche Wärmemengen aufnehmen können, kann der Wärmefluß durch die seitlich zur Strahlungsrichtung der Wärmestrahler liegenden Bereiche der Rohrwände, also durch die weniger stark bestrahlten Rohrwandbereiche intensiviert werden, indem durch Wärmeleitung aus den Längsrippen zusätzliche Wärme in diese seitlichen Bereiche fließt. Die Längsrippen sollten daher einen möglichst guten Kontakt zur Rohroberfläche (z.B. Schweißverbindung) aufweisen. Es kann auch zweckmäßig sein, für die Längsrippen einen Werkstoff mit gegenüber dem Rohrwerkstoff höherer Wärmeleitfähigkeit einzusetzen.
Da der Wärmefluß unmittelbar von der Querschnittsfläche in Fließrichtung abhängt, sollte die Dicke der Längsrippen möglichst so ausgelegt sein, daß durch die Wärmeeinleitung aus den Längsrippen die Verminderung des Wärmeeintrags in die seitlichen Bereiche der Rohre infolge der geringeren direkten Wärmebestrahlung nahezu ausgeglichen wird. Die hierfür erforderliche Mindestdicke der Längsrippen läßt sich durch Berechnung in bekannter Weise ermitteln. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, anstelle von Längsrippen mit gleichbleibender Dicke solche Längsrippen einzusetzen, die einen etwa trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Dicke der Längsrippen in Richtung auf die Rohroberfläche zunimmt. Auf diese Weise läßt sich bei verringertem Gesamtgewicht und verringertem Materialaufwand eine gleichgute Wärmeleitung erzielen wie bei Längsrippen, die über ihre gesamte Höhe konstant eine Dicke aufweisen, die der dicksten Stelle der trapezförmigen Längsrippe entspricht.
Die Rohrschlange des Wärmetauschers, durch den das Fluid geführt wird, hat zweckmäßigerweise eine ebene Erstreckung, d.h. die Windungen der Rohrschlange liegen in einer Ebene. Grundsätzlich kann sich der Wärmetauscher auch in gekrümmte Flächen erstrecken, da die Wärmestrahlungsfläche durch entsprechende Formgebung des Strahlungskörpers dieser Fläche angepaßt werden kann. Aus Gründen der einfachen Herstellbarkeit empfiehlt sich in einem solchen Fall eine Zylindermantelfläche, wobei die Wärmetauscherrohre beispielsweise in Schraubenlinienform angeordnet werden können. Der Begriff "Rohrschlange" soll auch diese Ausführungsform mit beinhalten. Alternativ können die Rohre z.B. auch parallel zu den Zylindermantellinien verlaufen.
Selbstverständlich können im Heizraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch mehrere Rohrschlangen als Wärmetauscher vorgesehen sein. Empfehlenswert ist eine Ausführung, bei der die Rohrschlangen in vertikalen Ebenen parallel zueinander angeordnet werden. Dabei bleibt das Erfindungsprinzip unverändert, daß jeder Rohrschlangenfläche jeweils zwei einander gegenüberliegende Wärmestrahler zugeordnet sind. Dabei ist es möglich, die zwischen zwei benachbarten Rohrschlangen befindlichen Wärmestrahler jeweils in einem einzigen Brennergehäuse mit zwei in entgegengesetzter Richtung strahlenden Wärmestrahlflächen zusammenzufassen. Um über die gesamte Länge der Rohrschlange etwa konstante Heizbedingungen zu erzielen, empfiehlt es sich, die Rohrschlangen in ihrer vertikalen Ebene so anzuordnen, daß die zueinander parallelen Rohrabschnitte der Rohrschlange vertikal ausgerichtet sind. Das bedeutet, daß das zu beheizende Fluid in den gegenläufigen Rohrabschnitten der einzelnen Windungen der Rohrschlange jeweils abwechselnd nach unten und wieder nach oben geführt wird und bezüglich der Längenerstreckung der Rohrschlange insgesamt in horizontaler Richtung transportiert wird.
Auf diese Weise läßt sich ein störender Einfluß der nach oben steigenden heißen Rauchgase, die bei im wesentlichen horizontaler Führung der Rohrabschnitte zu unterschiedlichen Heizbedingungen führen können, weitgehend vermeiden. Wenn mehrere parallele Wärmetauscher vorgesehen sind, bietet es sich an, die Zuleitungen und Ableitungen des Fluids zu den einzelnen Wärmetauschern jeweils mit einer Sammelleitung, also einem Zuführsammler bzw. einem Abführsammler zu verbinden.
Es ist auch möglich, mehrere Wärmetauscher innerhalb derselben Ebene anzuordnen, wobei die Windungen der Wärmetauscher ineinander verschachtelt sind. In einem solchen Fall wird die Abdeckung der Zwischenräume zwischen den Wärmetauscherrohren jeweils durch das Zusammenwirken der Längsrippen mehrerer Wärmetauscher erreicht.
Da die Heizbedingungen für einen Wärmetauscher wegen der Zuordnung der Wärmestrahler bei der erfindungsgemäßen Bauweise praktisch vollständig unabhängig sind von den Heizbedingungen anderer Wärmetauscher in parallel dazu angeordneten Ebenen, ist es im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik ohne weiteres möglich, innerhalb desselben Heizraums einzelne Wärmetauscher mit untereinander unterschiedlichen Temperaturen zu betreiben. Darüber hinaus kann sogar ein und derselbe Wärmetauscher bezüglich seiner Transportrichtung in beispielsweise zwei oder drei Zonen mit gezielt unterschiedlicher Beheizung unterteilt werden, indem die zugeordnete Wärmestrahlungsfläche entsprechend unterteilt und mit unterschiedlicher Brennstoffmenge gespeist wird. Dies ist gleichbedeutend mit einer entsprechenden Serienschaltung von kleineren, unabhängig betreibbaren Wärmestrahlern, deren einzelne Wärmestrahlungsflächen sich zu einer der Fläche des Wärmetauschers entsprechenden Gesamtwärmestrahlungsfläche ergänzen.
Die herkömmliche Bauweise erlaubt eine solche gezielt unterschiedliche Beheizung nicht, da die nach oben steigenden Verbrennungsabgase der unten im Heizraum angeordneten Brenner unvermeidbar die Wirkung der oben angeordneten Brenner beeinflussen. Dagegen gestattet es die Erfindung, den Temperaturgradienten des Fluids auf seinem Weg durch die Rohrschlangen kontrolliert zu verändern.
Obwohl die Erfindung mit beliebigen flächenhaft ausgebildeten Wärmestrahlern durchführbar ist (z.B. elektrisch beheizte Strahlungselemente) eignen sich insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen vor allem Brenner mit porösen Strahlungskörpern, auf deren glühender Oberfläche gasförmige Brennstoffe mit sauerstoffhaltigem Gas flammlos verbrannt werden können. Besonders bevorzugt werden Keramikfaserbrenner.
Diese Art der Wärmestrahlungsquelle zeichnet sich nicht nur durch einfache Handhabung, geringe Druckverluste, rasches Ansprechen auf Lastschwankungen und geringen Geräuschpegel sondern insbesondere auch durch außerordentlich niedrige Werte an Stickstoffoxiden (weniger als 20 ppm), Kohlenmonoxid und unverbranntem Brennstoff im Verbrennungsabgas aus. Durch die Möglichkeit zur Anpassung der Geometrie der Wärmestrahlungsfläche an die Wärmetauschergeometrie und durch das Vermeiden der Unregelmäßigkeiten einer freien Flamme als Wärmequelle können Wärmestrahler und Wärmetauscher sehr nahe aneinandergebracht werden, ohne daß die Gefahr unkontrollierter örtlicher Überhitzungen besteht. Dadurch kann der Wärmetausch auf einem außerordentlich effizienten Niveau gehalten werden, und zwar auch dann, wenn die Anlage nur mit geringer Leistung betrieben werden soll. Bevorzugt werden Wärmestrahler mit vertikal angeordneter Wärmestrahlungsfläche. Die Erfindung ist jedoch auch mit horizontalen Wärmestrahlungsflächen ausführbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 7, in denen funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Figur 2a und 2b: einen Quer- bzw. Längsschnitt durch einen herkömmlichen Ofen für die Pyrolyse von Essigsäure,
Figur 3a und 3b: einen Quer- bzw. Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ofen für die Pyrolyse von Essigsäure,
Figur 4: einen Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr mit trapezförmigen Längsrippen,
Figur 5: einen Querschnitt durch eine Windung einer Wärmetauscherrohrschlange mit überlappten Längsrippen,
Figur 6: einen Teil eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zylindermantelförmig ausgebildeter Wärmetauscherrohrschlange und
Figur 7: einen Schnitt durch einen herkömmlichen Ofen für die Vorwärmung und Verdampfung einer Flüssigkeit.

Figur 1 zeigt im Querschnitt eine in einer vertikalen Ebene eines Heizraums 14 liegende Rohrschlange 4, die von zwei Wärmestrahlern 1 seitlich mit Wärmestrahlung beaufschlagt wird. Die Rohre der Rohrschlange 4 weisen an ihrer Ober- und Unterseite jeweils diametral gegenüberliegende und vertikal nach außen abstehende Längsrippen 5 auf, die außen mit dem Rohr verschweißt sind.
Die Wärmestrahler 1 haben einen Strahlungskörper 15 aus einem porösen Material (z.B. Keramikfaserwerkstoff), das in ein Brennergehäuse eingebettet ist, welches zu der der Rohrschlange 4 zugewandten Seite hin offen ist. Durch einen Gaseinlaß 2 kann ein Gemisch aus einem gasförmigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Gas in das Brennergehäuse eintreten und durchströmt in gleichmäßiger Flächenverteilung den Strahlungskörper 15, dessen Wärmestrahlungsfläche 3 glüht und die Zündung und Verbrennung des zugeführten Gasgemisches bewirkt. Diese Verbrennung findet in unmittelbarer Nähe der Strahlungsfläche 3 statt, so daß praktisch keine Flamme entsteht.
Die Wärmestrahlung der Wärmestrahlungsfläche 3 trifft auf die Rohre der Rohrschlange 4 und deren Längsrippen 5 und erwärmt diese. Da die Längsrippen 5 unmittelbar übereinander angeordneter Rohrleitungsabschnitte der Rohrschlange 4 mit ihren außen liegenden Stirnflächen dicht beieinander liegen oder sogar aufeinander stoßen, ist der Zwischenraum zwischen den Rohren der Rohrschlange 4 gegen einen unmittelbaren Durchtritt von Wärmestrahlung des einen Wärmestrahlers 1 zum anderen Wärmestrahler 1 praktisch vollständig abgeschirmt, so daß diese sich nicht gegenseitig negativ beeinflussen können. Die von den Längsrippen 5 aufgenommene Wärme wird durch Wärmeleitung jeweils in die Wand der Rohre der Rohrschlange 4 eingetragen und von dieser an das durchgeleitete Fluid weitergegeben. Die Dicke der Längsrippen 5 ist unter Berücksichtigung ihrer Wärmeleitfähigkeit so ausgelegt, daß der durch sie hindurchleitbare Wärmefluß ausreicht, um die an sich in den oberen und unteren Oberflächenbereichen (im Bereich der 12-Uhr- und der 6-Uhr-Lage) sonst wegen der dort verminderten Wärmeeinstrahlung (im Vergleich zum Bereich der 3-Uhr- und 9-Uhr-Lage) eintretende geringere Wärmeaufnahme in etwa auszugleichen oder die Unterschiede doch zumindest erheblich zu vermindern. Das bedeutet, daß das durch die Rohrschlange 4 geführte Fluid bezüglich der gesamten Innenoberfläche des Wärmetauschers auf etwa gleiche thermische Bedingungen trifft. Dies ist bei herkömmlichen Apparaten für Hochtemperaturprozesse nicht der Fall.
Um dies zu verdeutlichen, ist in den Figuren 2a und 2b ein Reaktionsofen z.B. für die Pyrolyse von Essigsäure zur Herstellung von Ketenen dargestellt. Der Heizraum 14 ist von einem wärmeisolierten Gehäuse 7 umgeben. Die mit 6 bezeichneten Rohrschlangen der beiden in parallelen vertikalen Ebenen angeordneten Wärmetauscher, durch die die Essigsäure geführt wird, sind im Heizraum 14 auf einer Hängevorrichtung 10 gelagert.
Wie aus Figur 2b hervorgeht, sind die untersten Wärmetauscherrohre der Rohrschlangen 6 an die Zuführleitungen 8 und die obersten Wärmetauscherrohre an die Abführleitungen 9 angeschlossen, so daß die Transportrichtung der Essigsäure durch den Wärmetauscher im Prinzip von unten nach oben gerichtet ist, obwohl die Rohrschlangen 6 im wesentlichen horizontal verlaufen. In der Gehäusewand 7 sind zu beiden Seiten der Rohrschlangen 6 Brenner 11 (schematisch durch strichpunktierte Linien angedeutet) angeordnet, deren freie Flammen auf die Wärmetauscherrohre gerichtet sind. Die durch die Verbrennung enstehenden Verbrennungsabgase werden durch die Rauchgasöffnung 12 oben aus dem Heizraum 14 geführt. Es ist offensichtlich, daß die einzelnen Oberflächenbereiche der Rohre der Rohrschlangen 6 wie oben bereits erläutert in unterschiedlicher Intensität mit Wärme bestrahlt werden. Dies gilt sowohl für die Längserstreckung der Rohre als auch bezüglich ihrer Umfangsrichtung, da die Wärmestrahler (Brenner 11) nicht großflächig ausgebildet sind und auch keine Längsrippen an den Rohren vorgesehen sind, die in den weniger stark bestrahlten Bereichen eine Verstärkung des Wärmeflusses bewirken könnten.
Die erheblich gleichmäßigere Wärmeeinbringung in die Wärmetauscherrohre bei der erfindungsgemäßen Ausführung bringt es mit sich, daß die Wärmetauscher insgesamt mit höherer Effizienz betreibbar sind. Das bedeutet, daß entweder bei gleicher Wärmetauschfläche einer Rohrschlange eine größere Wärmemenge oder bei gleicher maximal zulässiger Rohrwandtemperatur die gleiche Wärmemenge mit einer kleineren Wärmetauschfläche übertragen werden kann.
Bei jedem durch Wärmestrahler beheizten Wärmetauscher ist die Wärmeübertragungsleistung stets etwa ein Mittelwert zwischen dem maximalen Wärmefluß in den der Wärmestrahlung am stärksten und dem minimalen Wärmefluß in den der Wärmestrahlung am wenigsten ausgesetzten Bereichen der Wärmetauscherrohre. Im günstigsten Fall liegt bei herkömmlichen Wärmetauschern das Verhältnis des mittleren zum maximalen Wärmefluß bei etwa 1 : 1,2. Dagegen gestattet es die erfindungsgemäße Ausführung, dieses Verhältnis auf nahezu 1 : 1 zu bringen, da die gesamte Oberfläche der Wärmetauscherrohre eine fast gleichhohe Temperatur aufweist.
Die Bedeutung der Vergleichmäßigung des Wärmeflusses zeigt sich auch darin, daß die maximal zulässige Rohrwandtemperatur nicht allein von der Temperaturbeständigkeit des Rohrmaterials abhängt, sondern ganz wesentlich auch durch die thermischen Eigenschaften des beheizten Fluids bestimmt wird. So können beispielsweise oberhalb bestimmter kritischer Temperaturen Zersetzungsreaktionen stattfinden (z.B. Koksbildung), die zu Ablagerungen auf der Innenoberfläche der Wärmetauscherrohre führen und damit eine zunehmende Verschlechterung der Wärmeübertragungseigenschaften des Wärmetauschers mit sich bringen. Durch die Erfindung ist eine Betriebsweise möglich, bei der sogar örtlich eng begrenzte Überschreitungen der kritischen Temperaturgrenze sicher vermieden werden, ohne daß dabei gleichzeitig das Temperaturniveau des Wärmetauschers im Mittel deutlich unter diese kritische Grenze abgesenkt werden müßte. Durch die Vergleichmäßigung des Wärmeflusses auf dem Umfang der Wärmetauscherrohre kann die Rohrwandtemperatur praktisch auf dem gesamten Umfang auf dem maximal zulässigen Wert gehalten werden.
In den Figuren 3a und 3b ist in einem vertikalen Längs- bzw. Querschnitt ein dem Ofen aus den Figuren 2a und 2b entsprechender Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dem durch das Gehäuse 7 eingeschlossenen Heizraum 14 sind vier Rohrschlangen 4 als Wärmetauscherrohre in zueinander parallelen vertikalen Ebenen angeordnet. Die Zuführung 8 des zu beheizenden Fluids zu den Rohrschlangen 4 erfolgt durch eine gemeinsame Leitung (Zuführsammler 13). In entsprechender Weise ist für die Ableitung 9 des beheizten Fluids ein (nicht dargestellter) Abführsammler vorgesehen. Im Unterschied zu der herkömmlichen Ausführung entsprechend den Figuren 2a und 2b verlaufen die an Hängevorrichtungen 10 am Gehäuse 7 befestigten Wärmetauscherrohre der Rohrschlange 4 innerhalb der vertikalen Ebene (in den parallelen Rohrabschnitten) nicht im wesentlichen horizontal sondern vertikal. Die generelle Transportrichtung des Fluids durch den Wärmetauscher ist daher horizontal. Auf beiden Flachseiten jeder Rohrschlange 4 ist parallel im Abstand jeweils ein Wärmestrahler 1 angeordnet, dessen Wärmestrahlungsflächen 3 in ihrer Ausdehnung der flächenhaften Erstreckung der Rohrschlange 4 entsprechen. Der Gaseinlaß 2 zur Versorgung der als Faserbrenner ausgeführten Wärmestrahler 1 ist als gemeinsame Sammelleitung ausgebildet. Die entstehenden heißen Verbrennungsabgase werden durch die Rauchgasöffnung 12 oben aus dem Heizraum 14 herausgeführt. Mit Ausnahme der an den Außenseiten angeordneten Wärmestrahler 1 sind die übrigen Wärmestrahler 1 jeweils mit 2 in entgegengesetzter Richtung wirkenden Wärmestrahlungsflächen 3 versehen, wirken also wie zwei voneinander getrennte Wärmestrahler 1. Wie aus Figur 3b hervorgeht, schließen die an den Wärmetauscherrohren der Rohrschlangen 4 angebrachten Längsrippen 5 durch eine vollständige Abschirmung des zwischen den einzelnen gegenläufigen Rohrsträngen liegenden Zwischenraums eine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung der in ihrer Strahlungsrichtung gegeneinander gerichteten Wärmestrahler 1 aus.
Außerdem gewährleisten die Längsrippen 5 die bereits beschriebene Verstärkung des Wärmeflusses in den von der direkten Wärmebestrahlung weniger stark betroffenen Bereichen der Wärmetauscherrohrwände.
Da bei der erfindungsgemäßen Ausführung keine freien Flammen zur Beheizung eingesetzt werden, dürfen die Wärmestrahlungsflächen 3 relativ dicht an die Rohrschlangen 4 herangeführt werden. Dies ermöglicht eine außergewöhnlich kompakte Bauweise der Vorrichtung. Bei der konventionellen Bauweise würde eine ähnliche Annäherung der Brenner mit freier Flamme unvermeidbar zu örtlichen Überhitzungen an den Wärmetauscherrohren führen. Daher hat ein herkömmlicher Ofen bei gleicher Wärmeübertragungsleistung ein wesentlich größeres Heizraumvolumen. Für die erfindungsgemäße Ausführung resultiert daraus eine Reduzierung des erforderlichen Platzbedarfs auf nur noch ein Drittel des bisherigen Wertes, wie dies näherungsweise auch aus einem Vergleich der Figuren 2b und 3b hervorgeht. Hinzu kommt, daß durch das kleinere Volumen auch die Abstrahlungsverluste nach außen entsprechend geringer ausfallen. Dies führt zusammen mit der Steigerung der Effizienz der Wärmeübertragung infolge der Nähe der Wärmestrahlungsflächen 3 zur Oberfläche der Wärmetauscherrohre insgesamt zu einer deutlichen Einsparung im Brennstoffverbrauch.
In Figur 4 ist ein einzelnes Wärmetauscherrohr einer Rohrschlange 4 dargestellt, dessen Längsrippen 5a im Querschnitt etwa trapezförmig sind, wobei sich der Querschnitt zur Rohroberfläche hin verbreitert. Diese Form trägt dem Umstand Rechnung, daß die Wärmeableitung nur in Richtung auf das Wärmetauscherrohr erfolgen muß und die abzuleitende Wärmemenge zur Rohroberfläche hin über die Höhe der Längsrippe stetig zunimmt. Die Dicke der Längsrippen ist also in Abhängigkeit von der Entfernung zur Rohroberfläche so ausgelegt, daß der für die jeweilige Wärmemenge mindestens erforderliche Querschnitt gewährleistet ist.
Diese Art der Auslegung führt gegenüber einer Auslegung nach dem maximal erforderlichen Querschnitt (konstant über die gesamte Höhe der Längsrippen) zu Material- und Gewichtseinsparungen, ohne die Wärmeleitkapazität der Längsrippen 5a zu beeinträchtigen.
Während in Figur 1 und Figur 3a die Längsrippen 5 zweier unmittelbar benachbarter Rohrstränge der Rohrschlange 4 an ihren äußeren Stirnseiten jeweils unmittelbar aneinanderstoßen und miteinander fluchten, ist in Figur 5 eine Abwandlung dargestellt, bei der die Längsrippen 5b sich in ihrer Höhenerstreckung (von der Rohroberfläche) gegenseitig überlappen. Damit ist der Vorteil verbunden, daß stets eine vollständige Abschirmung der Zwischenräume zwischen den Strängen der Rohrschlange 4 gewährleistet werden kann. Dies wäre zwar auch dadurch möglich, daß anstelle zweier Längsrippen jeweils ein einziges durchgehendes Blech als gemeinsame Längsrippe für zwei benachbarte gegenläufige Rohrstränge vorgesehen würde. Dies würde jedoch zu erheblichen Problemen infolge der zu erwartenden thermischen Spannungen in der Konstruktion führen. Demgegenüber läßt die Lösung gemäß Figur 5 eine freie Ausdehnung der Rohre und Längsrippen 5b zu, ohne daß ein Spalt im Zwischenraum entsteht, durch den die Wärmestrahlung unmittelbar hindurchtreten könnte.
Figur 6 zeigt ausschnittsweise eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Rohrschlange 4 ebenso wie die Wärmestrahlungsflächen 3 der Strahlungskörper 15 der Wärmestrahler 1 eine gekrümmte Form, nämlich eine Zylindermantelform aufweisen. Die Rohrschlange 4 ist dabei in Form von parallelen Ringen oder auch in Form einer Schraubenlinie ausführbar. Das Grundprinzip entspricht dabei aber vollständig den Darstellungen der Figuren 1, 3a und 3b.
Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Bauweise wird besonders deutlich, wenn man diese auf einen Ofen zur Vorwärmung und Verdampfung von Rohöl anwendet, das anschließend einer atmosphärischen Destillation unterzogen werden soll. Die herkömmliche Bauweise ist in Figur 7 dargestellt. Unten im Heizraum 14 dieses Ofens sind Brenner 11 (nur ein Brenner ist dargestellt) angeordnet, die nach oben gerichtete freie Flammen erzeugen, welche die Beheizung der Rohrschlangen 6 bewirken. Das Rohöl wird durch Zuführleitungen 8 in der Nähe der Rauchgasöffnung 12 in die Rohrschlangen 6 eingeleitet und nach erfolgter Erwärmung und teilweiser Verdampfung unten aus dem Heizraum 14 durch die Abführleitungen 9 abgezogen und zur Destillationseinheit (nicht dargestellt) befördert. Da die Rohrschlangen 6 an den Wänden des Heizraums 14 angeordnet sind, erhalten sie nur von einer Seite aus die Strahlungswärme der Brennerflammen. Daher treten in Umfangsrichtung der Wärmetauscherrohre zwangsläufig erhebliche Temperaturdifferenzen auf. Darüber hinaus ergeben sich auch in vertikaler Richtung entlang der Rohrschlange 6 größere Temperaturunterschiede durch die unterschiedliche Entfernung der einzelnen Rohroberflächenbereiche zum Zentrum der Brennerflammen. Aus der nachfolgenden Tabelle geht im einzelnen hervor, welche erheblichen Vorteile eine erfindungsgemäße Ausführung eines solchen Ofens, bei dem also Längsrippen an den Wärmetauscherrohren angebracht sind und die Rohrschlangen von zwei Seiten mit Wärmestrahlung versorgt werden, gegenüber einem Ofen gemäß Figur 7 aufweist:
Bei gleicher Wärmeübertragungsleistung ist der Brennstoffverbrauch des erfindungsgemäßen Ofens um 37 % niedriger und der Ausstoß an Stickstoffoxiden um über 80 % geringer als beim herkömmlichen Ofen. Hinzu kommt die erheblich kompaktere Bauweise, die sich darin dokumentiert, daß die Rohrschlangenfläche um ca. 30 %, das Volumen des Heizraums um 66 % und die Oberfläche des Heizraums um 54 % kleiner ausfallen.

Claims

Vorrichtung zur indirekten Beheizung von Fluiden, insbesondere für Hochtemperaturprozesse, mit einem Heizraum, in dem mindestens eine flächenhaft ausgebildete Rohrschlange angeordnet ist, durch die das zu beheizende Fluid hindurchführbar und die von außen mit Strahlungswärme beaufschlagbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rohrschlange (4) jeweils ein Paar von Wärmestrahlern (1) zugeordnet ist, die eine der flächenhaften Erstreckung der Rohrschlange (4) entsprechen geformte Wärmestrahlungsfläche (3) aufweisen, wobei die Wärmestrahler (1) jeweils auf einander gegenüberliegenden Seiten der Rohrschlange (4) angeordnet sind und daß das Rohr der Rohrschlange (4) jeweils an seiner Außenseite an zwei bezüglich des Rohrquerschnittes einander gegenüberliegenden Seiten jeweils mit Längsrippen (5, 5a, 5b) versehen ist, wobei sich die Längsrippen (5, 5a, 5b) über die gesamte oder nahezu die gesamte Länge der Rohrschlange (4) hinweg in den zwischen den Windungen der Rohrschlange (4) befindlichen Zwischenraum erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längrippen (5, 5a, 5b) eine Höhe aufweisen, die eine vollständige oder nahezu vollständige Überdeckung des zwischen den Windungen der Rohrschlange (4) befindlichen Zwischenraumes gewährleistet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Längsrippen (5, 5a, 5b) unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit des Längsrippenmaterials und der Höhe der Längsrippen (5, 5a, 5b) so ausgelegt ist, daß der Wärmefluß, der über die Längsrippen (5, 5a, 5b) in die Wand der Rohre der Rohrschlange (4) hinein erfolgt, die sonst infolge der über den Rohrumfang ungleichmäßigen direkten Wärmebestrahlung sich einstellende verminderte Wärmezufuhr in den schräg zur Wärmestrahlungsfläche (3) des Wärmestrahlers (1) stehenden Oberflächenbereichen des Rohres der Rohrschlange (4) weitgehend ausgleicht.
Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsrippen (5a) im Querschnitt etwa trapezförmig ausgebildet sind, wobei ihre Dicke jeweils in Richtung auf die Oberfläche der Rohre der Rohrschlange (4) zunimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrschlange (4) und die Wärmestrahler (1) sich jeweils in einer ebenen Fläche erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrschlange (4) und die Wärmestrahler (1) sich jeweils in einer gekrümmten, insbesondere in einer zylindermantelförmigen Fläche erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Rohrschlangen (4) una mehrere Paar von Wärmestrahlern (1) im Heizraum (14) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Rohrschlangen (4) und die Wärmestrahler (1) jeweils parallel zueinander in einer vertikalen Ebene erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre der Rohrschlange (4) jeweils überwiegend vertikal verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Zuführsammler (13) und ein Abführsammler vorgesehen sind, von dem aus das zu beheizende Fluid zu den Rohrschlangen (4) führbar bzw. von diesen abführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das einer Rohrschlange (4) jeweils zugeordnete Paar von Wärmestrahlern (1) in seiner Heizleistung unabhängig von den Wärmestrahlern (1) anderer Rohrschlangen (4) regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß das einer Rohrschlange (4) jeweils zugeordnete Paar von Wärmestrahlern (1) (in Transportrichtung der Rohrschlange (4) gesehen) in bezüglich ihrer Heizleistung unabhängig voneinander regelbare Abschnitte der Wärmestrahlungsfläche (3) aufgeteilt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmestrahler (1) jeweils als Brenner mit einem porösen Strahlungskörper (15) ausgebildet ist, durch den hindurch ein Gemisch eines gas- oder dampfförmigen Brennstoffs und eines sauerstoffhaltigen Gases führbar und durch das Glühen des Strahlungskörpers (15) auf dessen Oberfläche (3) zündbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmestrahler (1) als Keramikfaserbrenner ausgebildet ist.