EP1793189B1 - Abhitzekessel - Google Patents
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- EP1793189B1 EP1793189B1 EP06024178.3A EP06024178A EP1793189B1 EP 1793189 B1 EP1793189 B1 EP 1793189B1 EP 06024178 A EP06024178 A EP 06024178A EP 1793189 B1 EP1793189 B1 EP 1793189B1
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- stopper
- exhaust gas
- gas flow
- heat boiler
- waste
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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
- 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
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
- F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
- F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
- F22B1/1838—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines the hot gas being under a high pressure, e.g. in chemical installations
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- F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
- F22B1/1884—Hot gas heating tube boilers with one or more heating tubes
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- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B35/00—Control systems for steam boilers
- F22B35/001—Controlling by flue gas dampers
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
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- F22B35/00—Control systems for steam boilers
- F22B35/007—Control systems for waste heat boilers
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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
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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
- 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 waste heat boiler, comprising within a cylindrical shell a plurality of heat transfer tubes and a centrally arranged bypass tube, each having an inlet end and an outlet end and comprising a control device to maintain the waste heat recovery gas outlet temperature in a certain temperature range.
- the invention relates in particular to a waste heat boiler whose control device attaches to the outlet end of the bypass pipe in order to influence the waste heat boiler gas outlet temperature.
- Waste heat boilers are required for numerous chemical and petrochemical processes, which are fed with different gaseous and / or liquid media on the tube and shell side (channel side).
- the hot exhaust gas originating from a process is usually supplied to the heat transfer tubes, which are arranged as a tube bundle within the waste heat boiler shell, and to the bypass tube.
- the hot exhaust gas releases its heat to the shell-side cooling medium, usually water, and is then discharged from the waste heat boiler in a cooled state.
- a control element arranged at the outlet end of the bypass pipe for example a control flap or a control plug, is exposed to a high thermal load.
- the currently used control plugs have the disadvantage that exhaust gases from the open Flow bypass outlet end, forming a strong strand, so there is a danger of a hot spot on the wall of the gas outlet chamber.
- One or more of these hotspots cause thermal damage to the wall of the gas outlet chamber, which in turn leads to undesirably short maintenance intervals or to a shorter service life of the waste heat boiler.
- the object of the present invention is to provide a control plug which on the one hand can withstand the high exhaust gas temperatures and on the other hand avoids the formation of hot strands on exit of the exhaust gas from the bypass pipe outlet end.
- the above object is solved by the entirety of the features of claim 1.
- the solution provides that the stopper can be cooled by a cooling medium, that the stopper shaft connected to the stopper can be cooled by means of a cooling medium and the cooling medium can be fed to the stopper via the stopper shaft and that the cooling medium can flow through the stopper and / or the shaft leading guide of the outer wall of the plug and / or the plug shaft is adapted so that between the outer wall and the guide means a gap is formed through which the cooling medium is conductive.
- the stopper is seen in the flow direction of the exhaust gas stream at its downstream end with a relative to the stopper central part radially protruding plug plate plate formed for deflecting the exhaust gas flow in a largely radial direction.
- the outer diameter Dt of the plug plate plate is formed with at least 1.5 times the outer diameter Dk of the plug top plate.
- the outer contour of the plug central part over its longitudinal extent at least partially a cylindrical portion.
- the cylindrical region of the plug results in a fluidically most favorable cross-sectional widening in the gas passage region, which equals a high diffuser effect with a concomitant strong reduction of the gas velocity.
- the outer contour of the plug central part over its longitudinal extent at least partially a conical region, wherein in a particularly advantageous manner, the conicity of this conical portion of the plug central part corresponds to the taper of the conical outlet end of the bypass tube.
- the conicity of this conical portion of the plug central part corresponds to the taper of the conical outlet end of the bypass tube.
- the diffuser effect and thus the reduction of the exhaust gas velocity can be further enhanced by the taper of at least a portion of the conical plug central part deviates from the conicity of the cone-shaped outlet end of the bypass tube, the conicity of this region compared to the conicity of the outlet end of the bypass tube seen in the flow direction of the exhaust gas stream divergent runs.
- the stopper and / or stopper shaft can be designed to be only one-way coolable, so that the cooling medium after its passage through the shaft and / or plug exits from this and enters the flowing stream of exhaust gas.
- This design results in a structurally and structurally simple solution, wherein the cooling medium entering the exhaust gas stream further cools the hot exhaust gas stream and is disposed of at the same time.
- the conical outlet end of the bypass tube is advantageously provided on its inside with a lining.
- the bypass pipe has a larger inner diameter compared with the heat transfer tubes, in order, if appropriate, to be able to bypass a correspondingly high quantity of exhaust gas.
- FIG. 1 shows a waste heat boiler 1 shown schematically in longitudinal section.
- the waste heat boiler 1 has an outer casing 2, which encloses a plurality of heat transfer tubes 3 and a centrally arranged bypass tube 4, wherein the tubes 3, 4 are enclosed at their inlet and outlet ends 5, 6 of tube end plates 28, so that within the shell second and the end plates 28 a cavity for the passage of a cooling medium 31 for cooling the hot exhaust gas stream 27 is formed.
- the bypass tube 4, which preferably has a larger diameter than the heat transfer tubes 3, may be partially or completely thermally insulated over its length to allow hot exhaust gas 27 to flow through the waste heat boiler 1 via the bypass tube 4 without significant heat being released to the cooling medium 31.
- the waste heat boiler 1 means 7 for introducing a cooling medium 31, preferably water, and means 9 for deriving the cooling medium 31, preferably water / steam.
- the waste heat boiler 1 takes place between the guided through the heat transfer tubes 3 exhaust gas 27 and the introduced water or cooling medium 31 instead of an indirect heat exchange, wherein the hot exhaust 27 emits heat to the cooling medium 31.
- the control device 11 comprises a drive 17 which is arranged outside of the waste heat boiler 1 and which axially displaces the plug 12 by means of the plug shaft 16 connected to the plug 12.
- the passage of the plug stem 16 is sealed by the wall of the gas outlet chamber 30 with a bushing 18.
- the stopper 12 can be adjusted at the outlet end 6 of the bypass tube 4 such that a desired temperature or a desired temperature range of the exhaust gas 27 is maintained or maintained at the outlet from the waste heat boiler 1.
- control stopper 12 intervened and acted by reducing or increasing the exhaust gas flow rate through the bypass pipe 4 to the exhaust gas outlet temperature of the waste heat boiler 1. Due to the axial displacement of the plug 12 is also accompanied by a change in the gas velocity within the range outlet end 6 and plug 12.
- the outlet end 6 of the bypass tube 4 is inventively designed to avoid the gas strands in the flow direction of the exhaust stream 27 seen conically widened.
- the stopper 12 according to the invention by a cooling medium 32 is designed to cool and it projects into the cone-shaped extended outlet end 6 of the bypass tube 4, wherein the of the inner contour 19 of the bypass tube outlet end 6 and outer contour 20 of the plug 12 formed annular gas passage cross-section 22 extends uniformly or non-uniformly seen within the gas passage region 21 in the gas flow direction.
- the extension of the annular gas passage cross-section 22 within the gas passage region 21 is given or available regardless of the position of the plug 12 in the open state.
- the gas passage region 21, which has a gas passage cross-section 22 and extends in the axial direction relative to the bypass tube 4 and whose length Ld is determined by the position of the stopper 12 within the outlet end 6 of the bypass tube 4, is defined as the region 21 in which axial direction or viewed in the gas flow direction, the inner contour 19 of the bypass tube outlet end 6 and the outer contour 20 of the plug 12 according to the FIGS. 2 to 5 overlap or overlap.
- the stopper 12 is arranged in a compulsory manner coaxial with the bypass tube 4 or its outlet end 6.
- the conical outlet end 6 of the bypass tube 4 can, as in the FIGS. 2 to 5 shown formed at its inner diameter with a lining 26 to protect the bypass pipe outlet end 6 from heat-related corrosion and erosion.
- FIG. 4 shows a further variant of an inventive stopper 12, the plug center part 14 is conical.
- the conical portion 24 of the upstream plug center portion 14 corresponds to the cone of the bypass tube outlet end 6 and the conical portion 25 of the downstream plug center portion 14 deviates from the cone of the bypass tube outlet end 6, with the conicity of the portion 25 opposite the taper of the outlet end 6 of the bypass tube 4 seen in the gas flow direction is divergent.
- the gas passage cross-section 22 is expanded non-uniformly within the gas passage region 21, since the cross-section 22 widens more in the conical region 25 than in the conical region 24 and thus the diffuser effect is enhanced in the conical region 25 and the exhaust gas velocity within the gas passage region 21 even more relaxed can be.
- the conical region 25 of the plug central part 23 may be arranged upstream of the conical region 24 of the plug central part 23.
- the gas passage cross sections 22 within the gas passage regions 21 according to the Figures 2 . 3 and 5 have uniform extensions.
- FIG. 2 A further variant of a plug 12 designed according to the invention is shown FIG. 2 on, in which the plug center part 14 has a cylindrical portion 23.
- This variant is characterized by a high diffuser effect within the gas passage region 21, since the gas velocity can be greatly reduced because of the gas passage cross-section 22, which increases greatly in the gas flow direction.
- the plug-plate plate 15 has according to the Figures 2 . 3 and 4 an outer diameter Dt, which preferably corresponds to at least 1.5 times the outer diameter Dk of the plug top plate 13.
- a cooling medium or fluid 32 usually water, cooled
- the stopper 12 supplied cooling medium 32 is first passed through the shaft 16 and after flowing through the Plug 12 is again discharged through the shaft 16 is in accordance with the in FIG. 2 indicated arrows.
- the cooling medium 32 for example, as in FIG. 2 shown centrally, ie within the guide 33, fed, deflected within the plug 12 and then discharged in a formed by the guide 33 and the outer wall of the shaft 16 concentric annular cross-section over the shaft 16 again.
- FIG. 3 shows a one-way cooling of the plug 12 and stopper shaft 16 through a cooling medium 32, wherein one-way states that the cooling medium 32 while supplied to the stopper 12 within the shaft 16, but is no longer discharged via the shaft 16.
- the discharge takes place through the outlet of the cooling medium 32, for example, at an opening 34 of the top plate 13 of the plug 12, wherein the cooling medium 32 is thereby introduced into the flowing past the exhaust gas stream 27.
- the guide means 33 guiding the cooling medium 32 through the plug 12 and the shaft 16 may be adapted to the outer contour 20 of the plug 12 or the outer wall of the shaft 16 so that a gap is created between the outer wall and the guide 33, through which the cooling medium 32, in FIG usually water, can flow.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Abhitzekessel, der innerhalb eines zylindrischen Mantels eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren und ein zentrisch angeordnetes Bypassrohr umfasst, die jeweils ein Einlassende und ein Auslassende aufweisen und der eine Regeleinrichtung umfasst, um die Abhitzekessel-Gasaustrittstemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Abhitzekessel, dessen Regeleinrichtung am Auslassende des Bypassrohres ansetzt um die Abhitzekessel-Gasaustrittstemperatur zu beeinflussen.
- Für zahlreiche chemische und petrochemische Prozesse werden Abhitzekessel benötigt, die auf der Rohr- und Mantelseite (Kanalseite) mit unterschiedlichen gasförmigen und/oder flüssigen Medien beströmt werden. Dabei wird üblicherweise das aus einem Prozess stammende heiße Abgas den Wärmeübertragungsrohren, die als Rohrbündel innerhalb des Abhitzekesselmantels angeordnet sind, sowie dem Bypassrohr zugeführt. Beim Hindurchleiten durch die Wärmeübertragungsrohre gibt das heiße Abgas seine Wärme an das mantelseitige Kühlmedium, üblicherweise Wasser, ab und wird anschließend in gekühltem Zustand aus dem Abhitzekessel ausgeleitet. Um die Abhitzekessel - Gasaustrittstemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten kann es notwendig sein, die Austrittstemperatur mit Hilfe eines geregelten Bypasses zu beeinflussen, Dies kann beispielsweise mittels einer Regel klappe bzw. Regeldreh klappe oder eines Regelstopfens erfolgen, die am Auslassende des Bypassrohres angeordnet sind. Derartige Regeleinrichtungen sind aus den Druckschriften
DE AS 28 46 455 bzw.EP 0 356 648 A1 bekannt. Aus derEP 0 357 907 A1 ist ferner ebenfalls ein Wärmetauscher bekannt, bei dem Wärme von einem wärmeabgebenden Fluid an ein wärmeaufnehmendes Fluid abgegeben wird. - Da die Abgase im Bypassrohr des Abhitzekessels eine sehr hohe Temperatur aufweisen und in den überwiegenden Fällen es auch mit hoher Geschwindigkeit durchströmen, ist ein am Auslassende des Bypassrohres angeordnetes Regelorgan, beispielsweise eine Regelklappe oder ein Regelstopfen, einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Bei den derzeit eingesetzten Regelstopfen tritt der Nachteil auf, dass Abgase, die aus dem geöffneten Bypassrohr-Auslassende strömen, eine starke Strähne bilden, so dass die Gefahr eines Hotspots an der Wand der Gasaustrittskammer besteht. Ein oder mehrere dieser Hotspots verursachen thermische Schäden an der Wand der Gasaustrittskammer, was wiederum zu unerwünscht kurzen Wartungsintervallen bzw. zu einer kürzeren Lebensdauer des Abhitzekessels führt.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Regelstopfen zu schaffen, der einerseits den hohen Abgastemperaturen widerstehen kann und andererseits beim Austritt des Abgases aus dem Bypassrohr-Auslassende die Bildung von heißen Strähnen vermeidet.
- Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die Lösung sieht dabei vor, dass der Stopfen durch ein Kühlmedium kühlbar ist, dass der mit dem Stopfen verbundene Stopfen-Schaft mittels eines Kühlmediums kühlbar ist und das Kühlmedium dem Stopfen über den Stopfen-Schaft zuführbar ist und dass die das Kühlmedium durch den Stopfen und/oder den Schaft führende Leiteinrichtung der Außenwand des Stopfens und/oder des Stopfen-Schaftes angepasst ist, so dass zwischen Außenwand und Leiteinrichtung ein Spalt entsteht, durch den das Kühlmedium leitbar ist..
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Abhitzekessel -geschaffen, der die nachfolgenden Vorteile aufweist:
- Durch die Vermeidung von heißen Strähnen am Austritt des Abgases bleibt die Wand der Gasaustrittskammer unbeschädigt und die Lebensdauer des Abhitzekessels erhöht sich. Auch können Wartungsintervalle dadurch vergrößert werden,
- durch die Kühlung des Stopfens wird thermisch bedingte Korrosion an Stopfen vermieden und die Funktionalität sowie Lebensdauer des Regelorgans wird wesentlich verbessert bzw. erhöht,
- durch diese Kühlung des Stopfenschafts wird gewährleistet, dass der Stopfen- Schaft keine hitzebedingten Schäden erleidet und das Kühlmedium in konstruktiver und baulicher Hinsicht auf einfache Weise dem Stopfen zugeführt wird.
- In vorteilhafter Weise ist der Stopfen in Strömungsrichtung des Abgasstromes gesehen an seinem stromabwärts gelegenen Ende mit einer gegenüber den Stopfen-Mittelteil radial überstehenden Stopfen-Tellerplatte ausgebildet zur Umlenkung der Abgasströmung in eine weitestgehend radiale Richtung. Durch die Umlenkung der heißen Abgasströmung wird diese in etwa rechtwinkelig gegen das aus den Wärmeübertragungsrohren ausströmende und abgekühlte Abgas geleitet, mit diesem verwirbelt und eventuell vorhandene Gassträhnen in dem heißen Abgasstrom aufgelöst. Um eine sichere Umlenkung der heißen Abgasströmung um etwa 90° zu erzielen, ist der äußere Durchmesser Dt der Stopfen- Tellerplatte mit wenigstem dem 1,5-fachen des äußeren Durchmesser Dk der Stopfen- Kopfplatte ausgebildet.
- In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Außenkontur des Stopfenmittelteiles über dessen Längserstreckung zumindest teilweise einen zylindrischen Bereich auf. In Verbindung mit dem in Abgasströmungsrichtung gesehen konisch erweiterten Auslassende des Bypassrohres ergibt der zylindrische Bereich des Stopfens eine strömungstechnisch nahezu günstigste Querschnittserweiterung im Gasdurchtrittsbereich, was einer hohen Diffusorwirkung gleich kommt mit einhergehender starker Reduzierung der Gasgeschwindigkeit.
- In vorteilhafter Weise weist die Außenkontur des Stopfenmittelteiles über dessen Längserstreckung zumindest teilweise einen konischen Bereich auf, wobei in besonders vorteilhafter Weise die Konizität dieses konischen Bereiches des Stopfenmittelteiles der Konizität des konusförmigen Auslassendes des Bypassrohres entspricht. -Bei der quasi parallelen Ausbildung der Innenkontur des Bypassrohr-Auslassendes und des konischen Bereiches der Außenkontur des Stopfenmittelteiles wird durch die Vergrößerung des Gasdurchtrittquerschnittes in Gasströmungsrichtung gesehen (die radialen Abmessungen des Kreisringquerschnittes vergrößern sich in Gasströmungsrichtung und somit auch der Kreisringquerschnitt selbst) ebenfalls eine Diffusorwirkung mit Reduzierung der Abgasgeschwindigkeit erreicht.
- Die Diffusorwirkung und somit die Reduzierung der Abgasgeschwindigkeit kann noch verstärkt werden, indem die Konizität zumindest eines Bereiches des konischen Stopfenmittelteiles gegenüber der Konizität des konusförmigen Auslassendes des Bypassrohres abweicht, wobei die Konizität dieses Bereiches gegenüber der Konizität des Auslassendes des Bypassrohres) in Strömungsrichtung des Abgasstromes gesehen divergierend verläuft.
- Der Stopfen und/oder Stopfen-Schaft kann nur einwegig kühlbar ausgebildet sein, so dass das Kühlmedium nach dessen Hindurchführung durch Schaft und/oder Stopfen aus diesem austritt und in den vorbeiströmenden Abgasstrom eintritt. Diese Ausbildung ergibt eine konstruktiv und baulich einfache Lösung, wobei das in den Abgasstrom eintretende Kühlmedium den heißen Abgasstrom weiter abkühlt und gleichzeitig entsorgt ist.
- Um Überhitzungen und Korrosionen am Bypassrohr-Auslassende zu vermeiden ist das konische Auslassende des Bypassrohres vorteilhafterweise an seiner Innenseite mit einer Ausmauerung versehen. In vorteilhafter Ausgestaltung weist das Bypassrohr gegenüber den Wärmeübertragungsrohren einen größeren Innendurchmesser auf, um gegebenenfalls eine entsprechend hohe Abgasmenge bypassen zu können.
- Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.
- Es zeigt:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch einen Abhitzekessel,
- Fig. 2
- einen Längsschnitt durch das Bypassrohr-Auslassende eines Abhitzekessels, dessen Abgasaustrittstemperatur mittels eines am Bypassrohr-Auslassende angeordneten Stopfens geregelt ist,
- Fig. 3
- wie
Figur 2 , jedoch alternative Ausführung des Stopfens, - Fig. 4
- wie
Figur 2 , jedoch alternative Ausführung des Stopfens, - Fig. 5
- wie
Figur 2 , jedoch alternative Ausführung des Stopfens. -
Figur 1 zeigt einen Abhitzekessel 1 schematisch dargestellt im Längsschnitt. Derartige Abhitzekessel 1 werden für unterschiedlichste chemische und petrochemische Prozesse benötigt. Der Abhitzekessel 1 weist einen Außenmantel 2 auf, der eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren 3 und ein zentrisch angeordnetes Bypassrohr 4 umhüllt, wobei die Rohre 3, 4 an deren Einlass- sowie Auslassenden 5, 6 von Rohrendplatten 28 eingefasst werden, so dass innerhalb des Mantels 2 sowie der Endplatten 28 ein Hohlraum zur Durchleitung eines Kühlmediums 31 zur Abkühlung des heißen Abgasstromes 27 gebildet ist. Das Bypassrohr 4, das bevorzugt einen größeren Durchmesser aufweist als die Wärmeübertragungsrohre 3, kann über seine Länge teilweise oder ganz wärmeisoliert sein, um über das Bypassrohr 4 gegebenenfalls heißes Abgas 27 ohne wesentliche Wärmeabgabe an das Kühlmedium 31 durch den Abhitzekessel 1 strömen zu lassen. In Durchströmungsrichtung des Abgases 27 gesehen, d.h. parallel zur Längsachse des Abhitzekessels 1, ist stromaufwärts der Einlassenden 5 der Rohre 3, 4 eine Einrichtung 8 zum Einleiten des heißen Abgasstromes 27 sowie stromabwärts der Auslassenden 6 der Rohre 3, 4 eine Einrichtung 10 zum Ableiten des gekühlten Abgasstromes 27 vorgesehen, wobei die jeweiligen Einrichtungen 8, 10 wenigstens eine Gaseintritts- bzw. eine Gasaustrittskammer 29, 30 aufweisen. Mantelseitig weist der Abhitzekessel 1 Einrichtungen 7 zum Einleiten eines Kühlmediums 31, vorzugsweise Wasser, sowie Einrichtungen 9 zum Ableiten des Kühlmediums 31, vorzugsweise Wasser/Dampf auf. Innerhalb des Mantelbereiches, d.h. im Bereich der Wärmeübertragungsrohre 3, findet zwischen dem durch die Wärmeübertragungsrohre 3 geleiteten Abgas 27 und dem eingeführten Wasser bzw. Kühlmedium 31 ein indirekter Wärmeaustausch statt, wobei das heiße Abgas 27 Wärme an das Kühlmedium 31 abgibt. - Am Auslassende 6 des Bypassrohres 4 greift ein von einer Regeleinrichtung 11 axial verstellbarer Stopfen 12 ein. Die Regeleinrichtung 11 umfasst einen außerhalb des Abhitzekessels 1 angeordneten Antrieb 17, der den Stopfen 12 mittels des mit dem Stopfen 12 verbundenen Stopfenschaftes 16 axial verstellt. Zwecks gasseitiger Abdichtung wird der Durchtritt des Stopfenschaftes 16 durch die Wand der Gasaustrittskammer 30 mit einer Buchse 18 abgedichtet. Mittels der Regeleinrichtung 11 kann der Stopfen 12 am Auslassende 6 des Bypassrohres 4 derart justiert werden, dass eine gewünschte Temperatur bzw. ein gewünschter Temperaturbereich des Abgases 27 am Austritt aus dem Abhitzekessel 1 gehalten bzw. aufrechterhalten wird. Dies ist immer dann erforderlich, wenn sich durch Verschmutzung der Innenwände der Wärmeübertragungsrohre 3 der Wärmeübergangskoeffizient verschlechtert und sich infolgedessen die Abgastemperatur am Austritt erhöht. In diesem Fall wird mittels des Bypassrohres 4 und des an dessen Auslassende 6 befindlichen Regelstopfens 12 eingegriffen und durch Verminderung bzw. Erhöhung des Abgasmengenstromes durch das Bypassrohr 4 auf die Abgasaustrittstemperatur des Abhitzekessels 1 eingewirkt. Durch die axiale Verschiebung des Stopfens 12 geht auch eine Veränderung der Gasgeschwindigkeit innerhalb des Bereiches Auslassende 6 und Stopfen 12 einher.
- Da am Auslassende 6 des Bypassrohres 4 neben sehr hohen Gasaustrittsgeschwindigkeiten des Abgasstromes auch Gassträhnen auftreten, die an den Wänden der Gasaustrittskammer 30 Hotspots verursachen, ist das Auslassende 6 des Bypassrohres 4 zur Vermeidung der Gassträhnen erfindungsgemäß in Strömungsrichtung des Abgasstromes 27 gesehen konusförmig erweitert ausgebildet. Im Zusammenhang mit dieser Maßnahme ist der Stopfen 12 erfindungsgemäß durch ein Kühlmedium 32 kühlbar ausgebildet und er ragt in das konusförmig erweiterte Auslassende 6 des Bypassrohres 4 hinein, wobei der von der Innenkontur 19 des Bypassrohr-Auslassendes 6 und Außenkontur 20 des Stopfens 12 gebildete kreisringförmige Gasdurchtrittsquerschnitt 22 sich innerhalb des Gasdurchtrittsbereiches 21 in Gasströmungsrichtung gesehen gleichförmig oder ungleichförmig erweitert. Die Erweiterung des kreisringförmigen Gasdurchtrittquerschnittes 22 innerhalb des Gasdurchtrittbereiches 21 ist dabei unabhängig von der Lage des sich in geöffnetem Zustand befindlichen Stopfens 12 gegeben bzw. vorhanden. Der einen Gasdurchtrittsquerschnitt 22 aufweisende Gasdurchtrittsbereich 21, der sich bezogen auf das Bypassrohr 4 in axialer Richtung erstreckt und dessen Länge Ld von der Lage des Stopfens 12 innerhalb des Auslassendes 6 des Bypassrohres 4 bestimmt wird, ist definiert als der Bereich 21, bei dem sich in axialer Richtung bzw. in Gasströmungsrichtung gesehen die Innenkontur 19 des Bypassrohr-Auslassendes 6 und die Außenkontur 20 des Stopfens 12 gemäß der
Figuren 2 bis 5 überlappen bzw. überschneiden. Der Stopfen 12 ist in obligatorischer Weise koaxial zum Bypassrohr 4 bzw. dessen Auslassende 6 angeordnet. Das konische Auslassende 6 des Bypassrohres 4 kann, wie in denFiguren 2 bis 5 dargestellt, an seinem Innendurchmesser mit einer Ausmauerung 26 ausgebildet sein, um das Bypassrohr-Auslassende 6 vor hitzebedingter Korrosion sowie Erosion zu schützen. - Bei geschlossenem Bypassrohr 4 (nicht abgebildet) berührt der Rand der Kopfplatte 13 des Stopfens 12 den Konus des Bypassrohres 4 bzw. dessen Auslassende 6 und der Stopfen 12 verschließt dabei vollständig den Gasdurchtrittsquerschnitt 22 des Bypassrohres 4 bzw. dessen Auslassende 6. Beim Öffnen des Bypassrohres 4 durch axiales Verschieben des Stopfens 12 aus dem Bypassrohr 4 bzw. dessen Auslassende 6 heraus entsteht wie in
Figur 5 ersichtlich zwischen dem Rand der Kopfplatte 13 bzw. der Außenkontur 20 des Stopfens 12 und der konusförmigen Innenkontur 19 des Auslassendes 6 des Bypassrohres 4 ein Gasdurchtrittsquerschnitt 22, durch den das heiße Abgas mit einer hohen Geschwindigkeit ausströmt. Die Außenkontur 20 des Stopfens 12 weist im Stopfenmittelteil 14 einen konischen Bereich 24 auf, der der Konizität des konusförmigen Auslassendes 6 des Bypassrohres 4 entspricht. Durch die in Gasdurchströmungsrichtung gesehen konische Aufweitung von Bypassrohr-Auslassende 6 und Stopfenmittelteil 14 erhöhen sich gleichzeitig querschnittseitig deren radiale Abmessungen, was eine kontinuierliche Zunahme des Gasdurchtrittsquerschnittes 22 in Gasdurchströmungsrichtung gesehen ergibt. Dies ist gleichbedeutend mit einer Diffusorwirkung - da größer werdender Querschnitt - im Gasdurchtrittsbereich 21 zwischen Bypassrohr-Auslassende 6 und Stopfen 12. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, dass die hohe Gasgeschwindigkeit des durch den Gasdurchtrittsbereich 21 durchgeleiteten Abgases 27 reduziert und entspannt wird. Dabei werden vorhandene Gassträhnen ebenfalls entspannt und aufgelöst.Figur 4 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Stopfens 12, dessen Stopfenmittelteil 14 konisch ausgebildet ist. In Gasdurchströmungsrichtung gesehen entspricht hierbei der konische Bereich 24 des stromaufwärtigen Stopfenmittelteiles 14 dem Konus des Bypassrohr-Auslassendes 6 und der konische Bereich 25 des stromabwärtigen Stopfenmittelteiles 14 weicht vom Konus des Bypassrohr-Auslassendes 6 ab, wobei die Konizität des Bereiches 25 gegenüber der Konizität des Auslassendes 6 des Bypassrohres 4 in Gasströmungsrichtung gesehen divergierend verläuft. Bei dieser Ausbildung wird der Gasdurchtrittsquerschnitt 22 innerhalb des Gasdurchtrittbereiches 21 ungleichförmig erweitert, da der Querschnitt 22 sich im konischen Bereich 25 stärker erweitert als im konischen Bereich 24 und somit die Diffusorwirkung im konischen Bereich 25 verstärkt wird und die Abgasgeschwindigkeit innerhalb des Gasdurchtrittbereiches 21 noch stärker entspannt werden kann. Alternativ zu der Ausbildung gemäß derFigur 4 kann der konische Bereich 25 des Stopfenmittelteiles 23 stromaufwärts gegenüber dem konischen Bereich 24 des Stopfenmittelteiles 23 angeordnet sein. Die Gasdurchtrittsquerschnitte 22 innerhalb der Gasdurchtrittsbereiche 21 gemäß denFiguren 2 ,3 und5 weisen gleichförmige Erweiterungen auf. - Eine weitere Variante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Stopfens 12 zeigt
Figur 2 auf, bei der der Stopfenmittelteil 14 einen zylindrischen Bereich 23 aufweist. Diese Variante zeichnet sich durch eine hohe Diffusorwirkung innerhalb des Gasdurchtrittbereiches 21 aus, da wegen des in Gasströmungsrichtung gesehen stark zunehmenden Gasdurchtrittsquerschnittes 22 die Gasgeschwindigkeit stark herabgesetzt werden kann. - Eventuell am Austritt aus dem Auslassende 6 des Bypassrohres 4 restlich vorhandene Gassträhnen im heißen Abgasstrom können durch eine Umlenkung dieses Gasstromes um etwa 90° und durch die im wesentlichen rechtwinklige Einleitung in den aus den Auslassenden 6 der Wärmeübertragungsrohre 3 austretenden abgekühlten Abgasstrom aufgelöst werden. Die Umlenkung erfolgt mittels einer in Gasdurchströmungsrichtung gesehen am stromabwärtigen Ende des Stopfens 12 angeordneten Stopfen-Tellerplatte 15. Diese bewirkt, dass der zwischen Bypassrohr-Auslassende 6 und Stopfen 12 austretende und gegen die Tellerplatte 15 gerichtete Abgasstrom von dieser um etwa 90° in radialer Richtung abgelenkt wird. Durch das Einleiten des heißen Abgases aus dem Bypassrohr 4 in das aus den Auslassenden 6 der Wärmeübertragungsrohre 3 austretende abgekühlte Abgas kommt eine intensive Durchmischung von kalten und heißen Abgasen zustande und eventuell vorhandene Gassträhnen werden dabei aufgelöst. Die Stopfen-Tellerplatte 15 weist gemäß der
Figuren 2 ,3 und4 einen Außendurchmesser Dt auf, der vorzugsweise wenigstens dem 1,5-fachen des Außendurchmessers Dk der Stopfen-Kopfplatte 13 entspricht. - Neben dem Stopfen 12 wird auch der mit dem Stopfen 12 verbundene Stopfen-Schaft 16 durch ein Kühlmedium bzw. Fluid 32, in der Regel Wasser, gekühlt, wobei das dem Stopfen 12 zugeführte Kühlmedium 32 zuerst durch den Schaft 16 geleitet wird und nach Durchströmen des Stopfens 12 wieder durch den Schaft 16 ausgeleitet wird entsprechend der in
Figur 2 angegebenen Pfeile. Mittels einer Leiteinrichtung 33 wird das Kühlmedium 32 beispielsweise wie inFigur 2 dargestellt zentrisch, d.h. innerhalb der Leiteinrichtung 33, zugeführt, innerhalb des Stopfens 12 umgelenkt und anschließend in einem von der Leiteinrichtung 33 und der Außenwandung des Schaftes 16 gebildeten konzentrischen Ringquerschnitt wieder über den Schaft 16 abgeführt. -
Figur 3 zeigt eine einwegige Kühlung von Stopfen 12 und Stopfen-Schaft 16 durch ein Kühlmedium 32 auf, wobei einwegig besagt, dass das Kühlmedium 32 zwar innerhalb des Schaftes 16 dem Stopfen 12 zugeführt, jedoch nicht mehr über den Schaft 16 abgeführt wird. Die Abführung geschieht durch den Austritt des Kühlmediums 32 beispielsweise an einer Öffnung 34 der Kopfplatte 13 des Stopfens 12, wobei das Kühlmedium 32 dabei in den vorbeiströmenden Abgasstrom 27 eingeleitet wird. Die das Kühlmedium 32 durch den Stopfen 12 und den Schaft 16 führende Leiteinrichtung 33 kann der Außenkontur 20 des Stopfens 12 bzw. der Außenwand des Schaftes 16 angepasst sein, so dass zwischen Außenwand und Leiteinrichtung 33 ein Spalt entsteht, durch den das Kühlmedium 32, in der Regel Wasser, strömen kann. -
- 1
- Abhitzekessel
- 2
- Mantel bzw. Außenmantel
- 3
- Wärmeübertragungsrohr
- 4
- Bypassrohr
- 5
- Einlassende der Rohre 3, 4
- 6
- Auslassende der Rohre 3, 4
- 7
- Einrichtung zum Einleiten von Wasser
- 8
- Einrichtung zum Einleiten eines heißen Abgasstromes
- 9
- Einrichtung zum Ableiten von Wasser/Dampf
- 10
- Einrichtung zum Ableiten des gekühlten Abgasstromes
- 11
- Regeleinrichtung
- 12
- Stopfen
- 13
- Stopfen-Kopfplatte
- 14
- Stopfen-Mittelteil
- 15
- Stopfen-Tellerplatte
- 16
- Stopfen-Schaft
- 17
- Antrieb der Regeleinrichtung
- 18
- Buchse
- 19
- Innenkontur Auslassende des Bypassrohres
- 20
- Außenkontur Stopfen
- 21
- Gasdurchtrittsbereich zwischen Auslassende Bypassrohr und Stopfen
- 22
- Gasdurchtrittsquerschnitt
- 23
- Zylindrischer Bereich am Stopfen-Mittelteil
- 24
- Konischer Bereich am Stopfen-Mittelteil
- 25
- Konischer Bereich am Stopfen-Mittelteil
- 26
- Ausmauerung
- 27
- Abgas
- 28
- Rohrendplatte
- 29
- Gaseintrittskammer
- 30
- Gasaustrittskammer
- 31
- Kühlmedium im Abhitzekessel
- 32
- Kühlmedium im Stopfen/Schaft
- 33
- Leiteinrichtung
- 34
- Öffnung
Claims (10)
- Abhitzekessel, der innerhalb eines zylindrischen Mantels (2) eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren (3) und ein zentrisch angeordnetes Bypassrohr (4) umfasst, die jeweils ein Einlassende (5) und ein Auslassende (6) aufweisen;
der eine Einrichtung (7) umfasst, die mit dem Mantel (2) befestigt ist, zum Einleiten von Wasser (31) auf der Mantelseite der Rohre (3, 4),
der eine Einrichtung (8) zum Einleiten eines heißen Abgasstromes (27) in das Einlassende (5) der Rohre (3, 4) und Hindurchleiten des Abgasstromes (27) durch die Rohre (3, 4) in indirektem Wärmeaustausch mit dem Wasser (31) auf der Mantelseite der Rohre umfasst, um Dampf zu erzeugen und um den eingeleiteten Abgasstrom (27) zu kühlen,
der eine Einrichtung (9) zum Ableiten von erzeugtem Wasser/Dampf (31) und eine Einrichtung (10) zum Ableiten des gekühlten Abgasstromes (27) umfasst,
der eine Regeleinrichtung (11) umfasst, um die Abhitzekessel-Gasaustrittstemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten, wobei durch einen am Auslassende (6) des Bypassrohres (4) angeordneten und mittels der Regeleinrichtung (11) axial verstellbaren Stopfens (12) die Gasdurchtrittsgeschwindigkeit und - menge im Bypassrohr (4) regelbar ist,
wobei der Stopfen (12) in das in Strömungsrichtung des Abgasstromes (27) gesehen konusförmig erweiterte Auslassende (6) des Bypassrohres (4) hineinragt und der Gasdurchtrittsquerschnitt (22) sich innerhalb des von der Innenkontur (19) des Auslassendes (6) und der Außenkontur (20) des Stopfens (12) gegenseitig überlappten Gasdurchtrittsbereiches (21) und unabhängig von der Lage des geöffneten Stopfens (12) in Strömungsrichtung des Abgasstromes (27) gesehen gleichförmig oder ungleichförmig erweitert, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (12) durch ein Kühlmedium (32) kühlbar ist, dass der mit dem Stopfen (12) verbundene Stopfen-Schaft (16) mittels eines Kühlmediums (32) kühlbar ist und das Kühlmedium (32) dem Stopfen (12) durch den Stopfenschaft (16) zuführbar ist und dass der Abhitzekessel eine das Kühlmedium (32) durch den Stopfen (12) und/oder den Schaft (16) führende Leiteinrichtung (33) aufweist, die der Außenwand des Stopfens (12) und/oder des Stopfen-Schaftes (16) angepasst ist, so dass zwischen Außenwand und Leiteinrichtung (33) ein Spalt entsteht, durch den das Kühlmedium (32) leitbar ist. - Abhitzekessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (12) in Strömungsrichtung des Abgasstromes (27) gesehen an seinem stromabwärts gelegenen Ende mit einer Tellerplatte (15) ausgebildet ist zur Ablenkung des Abgasstromes (27) am Stopfen (12) in eine weitestgehend radiale Richtung.
- Abhitzekessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (20) des Stopfenmittelteiles (14) über dessen Längserstreckung zumindest teilweise einen zylindrischen Bereich (23) aufweist.
- Abhitzekessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (20) des Stopfenmittelteiles (14) über dessen Längserstreckung zumindest teilweise einen konischen Bereich (24, 25) aufweist.
- Abhitzekessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität des konischen Bereiches (24) des Stopfenmittelteiles (14) der Konizität des konusförmigen Auslassendes (6) des Bypassrohres (4) entspricht.
- Abhitzekessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität zumindest eines Bereiches (25) des konischen Stopfenmittelteiles (14) gegenüber der Konizität des konusförmigen Auslassendes (6) des Bypassrohres (4) abweicht, wobei die Konizität dieses Bereiches (25) gegenüber der Konizität des Auslassendes (6) des Bypassrohres (4) in Strömungsrichtung des Abgasstromes (27) gesehen divergierend verläuft.
- Abhitzekessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stopfen (12) und/oder Stopfen-Schaft (16) nur einwegig kühlbar ausgebildet sind und das Kühlmedium (32) nach dessen Hindurchführung durch Schaft (16) und/oder Stopfen (12) aus diesem austritt und in den Abgasstrom (27) eintritt.
- Abhitzekessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser (Dt) der Stopfen-Tellerplatte (15) wenigstem dem 1,5-fachen des äußeren Durchmesser (Dk) der Stopfen-Kopfplatte (13) entspricht.
- Abhitzekessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konische auslassende (6) des Bypassrohres (4) an seiner Innenseite mit einer Ausmauerung (26) ausgebildet ist.
- Abhitzekessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassrohr (4) gegenüber den Wärmeübertragungsrohren (3) einen größeren Innendurchmesser aufweist.
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