EP4368933B1 - Regelvorrichtung zur regelung der temperatur eines prozessgases und wärmeaustauscher mit einer regelvorrichtung - Google Patents

Regelvorrichtung zur regelung der temperatur eines prozessgases und wärmeaustauscher mit einer regelvorrichtung Download PDF

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EP4368933B1
EP4368933B1 EP22206671.4A EP22206671A EP4368933B1 EP 4368933 B1 EP4368933 B1 EP 4368933B1 EP 22206671 A EP22206671 A EP 22206671A EP 4368933 B1 EP4368933 B1 EP 4368933B1
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control device
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the invention relates to a control device for controlling the temperature of a process gas, in particular for controlling the temperature of a process gas in a heat exchanger.
  • the invention further relates to a heat exchanger comprising a control device according to the invention.
  • Heat exchangers for cooling hot process gases are well known in the art.
  • Such heat exchangers are often designed as shell-and-tube heat exchangers, comprising a bundle of indirectly cooled heat exchanger tubes carrying process gas and a bypass tube, often located centrally, which also carries process gas.
  • the hot process gas is cooled by a cooling medium conducted in a shell space of the heat exchanger.
  • the process gas conducted in the bypass tube is not cooled or is only cooled insignificantly because the bypass tube has a much larger diameter than the heat exchanger tubes.
  • the bypass tube can also be routed outside the shell of the heat exchanger, so that the portion of the process gas flowing through the bypass tube is not cooled at all.
  • the cooling medium used usually water
  • the cooling medium used is converted into steam and can be used for other purposes, such as heating steam or process steam.
  • Heat exchangers of this type are often referred to as waste heat boilers.
  • the temperature of the process gas at the heat exchanger outlet is controlled by the amount of process gas passing through the heat exchanger tubes or the bypass tube. Often, the sole control of the flow rate through the bypass tube is used, with corresponding control devices located within the bypass tube serving as temperature control devices.
  • the heat exchanger comprises at least two tube bundles, each of which is provided with a dedicated gas flow control device, wherein the flow distribution and flow velocity between the different tube bundles are controlled to regulate the temperature of the process gas at the heat exchanger outlet.
  • damper-based temperature control devices commonly used in industry often do not allow the maximum possible control range, i.e., from no flow through the bypass to full flow through the bypass. This may be due to the fact that damper control creates a pressure drop that shifts the flow from the main cooling surface of the heat exchanger to the bypass (and vice versa).
  • the main cooling surface is defined by the heat exchanger tubes, which are indirectly cooled by the cooling medium.
  • Undesirable (leakage) flows also often occur within the heat exchanger itself if the corresponding temperature control device is not completely sealed. This is particularly the case with damper-based systems.
  • the maximum opening rate of the bypass tube should be mechanically limited for the worst-case critical design case.
  • This design case is typically defined as the plant operating at full load and, in particular, the internal fouling of the heat exchanger tubes being maximal.
  • the heat transfer to the process gas is therefore significantly poorer than with unfouled heat exchanger tubes, and the temperature of the cooled process gas is correspondingly higher.
  • a temperature control device which, in the event of a fault, closes with spring support and thus reduces the flow through the bypass pipe to zero is not desirable, since an uncontrolled closing of the bypass can reduce the outlet temperature of the process gas (mixed from uncooled and cooled process gas) below a defined minimum temperature, which is required for the safe operation of downstream system components.
  • EP 1 498 678 discloses a heat exchanger with a bypass tube that is tightly connected to a guide tube, wherein a piston designed as a closure member is axially displaceably arranged in the guide tube.
  • the piston is double-walled, and cooling channels through which a coolant flows are arranged in the double wall of the piston.
  • DE 10 2012 007 721 A1 discloses a process gas cooler with lever-controlled process gas cooler flaps.
  • a flap shaft is provided, which is connected to a drive body by means of levers and connecting rods in such a way that the gas flow rate and flow rate of the process gas through the process gas cooler flaps can be controlled externally with the aid of the drive body.
  • EP 3 159 646 A1 discloses a heat exchanger with a control device comprising a throttle valve connected to a drive for adjusting a gas outlet temperature of the heat exchanger to a specific temperature range.
  • An outlet velocity and outlet quantity of the uncooled exhaust gas flow from the bypass pipe can be controlled by a throttle valve arranged at the outlet end of a bypass pipe and adjustable by means of the drive of the control device.
  • the throttle valve is made of a material resistant to high-temperature corrosion in a temperature range sensitive to high-temperature corrosion.
  • DE-A-2846455 discloses another heat exchanger with a control device for setting a gas outlet temperature of the heat exchanger to a specific temperature range.
  • An object of the present invention is to at least partially overcome the disadvantages of the prior art.
  • control device for controlling the temperature of a process gas, which comprises the control of the entire temperature range from maximally cooled process gas to uncooled process gas.
  • Another object of the present invention is to provide a control device for controlling the temperature of a process gas, which minimizes the occurrence of leakage flows with respect to the process gas flow.
  • a further object of the present invention is to provide a control device for controlling the temperature of a process gas, which, in the event of a technical failure of the control device, does not lead to a state in which a maximum permissible outlet temperature of the process gas can be exceeded.
  • a further object of the present invention is to provide a heat exchanger with a control device for controlling the temperature of a process gas, which at least partially solves at least one of the aforementioned objects.
  • the control device has an inner housing which extends from an inflow chamber of the control device through a mechanical separating element into an outflow chamber, and a piston designed as a hollow body which is arranged within the inner housing and is displaceable in the axial direction within the inner housing.
  • the inner housing has openings through which hot process gas can flow into the inner housing via the first housing inlet opening and cooled process gas can flow into the inner housing via the second housing inlet opening.
  • the inner housing has at least one further opening, here a housing outlet opening, through which temperature-controlled process gas can flow out of the interior of the inner housing into the outflow chamber.
  • the piston which is designed as a hollow body and through which flow can pass, has corresponding openings.
  • Hot process gas can flow into the piston interior via a first piston inlet opening, in particular after it has passed through the first housing inlet opening of the inner housing.
  • Cooled process gas can flow into the piston interior via the second piston inlet opening, in particular after it has passed through the second housing inlet opening of the inner housing.
  • the hot process gas and the cooled process gas are mixed in the piston interior. This mixing makes the temperature-controlled process gas available. This can then first pass through the piston outlet opening, can thereby flow into the interior of the inner housing, and can then pass through the housing outlet opening of the inner housing, in particular.
  • the temperature-controlled process gas can then flow into the outlet chamber, as the inner housing extends through the mechanical separating element into the outlet chamber, and the housing outlet opening is arranged so that temperature-controlled process gas can flow from the interior of the inner housing into the outlet chamber.
  • the temperature-controlled process gas can then flow out of the control device via the outlet nozzle.
  • the inner housing comprises a first housing inlet opening which is arranged such that hot process gas can flow into the interior of the inner housing, in particular from the at least one hot gas line into the interior of the inner housing.
  • the inner housing comprises a second housing inlet opening which is arranged such that cooled process gas can flow into the interior of the inner housing, in particular from the inflow space into the interior of the inner housing.
  • the interior of the inner housing is fluidically connected to at least one hot gas line for conducting hot process gas, in particular fluidically connected to the at least one hot gas line via the first housing inlet opening. Furthermore, the interior of the inner housing is fluidically connected to the inflow chamber, in particular fluidically connected to the inflow chamber via the second housing inlet opening. Furthermore, the interior of the inner housing is fluidically connected to the outflow chamber, in particular fluidically connected to the outflow chamber via the housing outlet opening.
  • the piston comprises a first piston inlet opening which is arranged such that hot process gas can flow into the piston interior, in particular from the interior of the inner housing into the piston interior.
  • the piston comprises a second piston inlet opening which is arranged such that cooled process gas can flow into the piston interior, in particular from the inflow space into the piston interior.
  • the piston comprises a piston outlet opening which is arranged so that temperature-controlled process gas can flow out of the piston interior, in particular from the piston interior into the interior of the inner housing.
  • the housing outlet opening of the inner housing is arranged adjacent to the outflow chamber.
  • the first housing inlet opening of the inner housing is arranged adjacent to the hot gas line.
  • the second housing inlet opening of the inner housing is arranged adjacent to the inflow chamber.
  • the piston is axially displaceable within the inner housing. This allows the freely flowable cross-sectional area defined by the second piston inlet opening to be varied. This is possible because the second housing inlet opening and the second piston inlet opening are arranged in such a way that the freely flowable cross-sectional area of the second piston inlet opening can be increased or decreased by axially displacing the piston within the interior of the inner housing, or in extreme cases, can be closed.
  • the wall of the inner housing and the second housing inlet located within the wall of the inner housing allow the free-flow cross-sectional area of the second piston inlet to be varied, i.e., changed, by moving the piston in the axial direction. Depending on the degree of opening of the second piston inlet and the resulting freely flowable cross-sectional area, a large amount, a small amount, or no cooled process gas flows into the piston interior. This allows for appropriate temperature control of the process gas.
  • the outer side of the piston's shell-side wall is in surface contact with the inner side of the shell-side wall of the inner housing.
  • Appropriate seals can be provided to minimize leakage currents between the piston and the inner housing.
  • the design of the control device with a piston and defined openings offers the advantage that leakage currents can be largely or completely avoided, which is not the case, for example, with devices based on flap systems.
  • the piston is displaceable in the axial direction via an actuator.
  • the piston is displaceable along its physical or imaginary longitudinal axis.
  • the first housing inlet opening is arranged in the region of a front wall of the inner housing, in particular a first front wall of the inner housing.
  • the second housing inlet opening is arranged in the region of a shell-side wall of the inner housing.
  • the housing outlet opening is arranged in the region of a further end wall of the inner housing, in particular in the region of a second end wall of the inner housing.
  • the first end wall of the inner housing borders the hot gas line.
  • the second end wall of the inner housing borders the outflow chamber.
  • the shell-side wall of the inner housing borders the inflow chamber and the outflow chamber.
  • the first piston inlet opening is arranged in the region of an end wall of the piston, in particular a first end wall of the piston.
  • the second piston inlet opening is arranged in the region of a jacket-side wall of the piston.
  • the piston outlet opening is arranged in the region of an end wall of the piston, in particular in the region of a second end wall of the piston.
  • a “shell-side wall” is understood to mean, regardless of the geometric design of the piston or the inner housing, a wall which runs around the piston and/or the inner housing parallel or substantially parallel to a physical or imaginary longitudinal axis of the piston and/or the inner housing.
  • a “frontal wall” is understood to mean a wall which is arranged perpendicular or substantially perpendicular to a physical or imaginary longitudinal axis of the piston and/or the inner housing, regardless of the geometric design of the piston or the inner housing.
  • the inner housing and the piston each have two end walls (a first and a second end wall), and the respective shell-side wall extends between these two end walls.
  • the hot process gas emerging from the at least one hot gas line and flowing into the piston interior via the first housing inlet opening and the first piston inlet opening can also be referred to as uncooled process gas or essentially uncooled process gas.
  • the (at least one) hot gas line can also be referred to as a bypass line. This means that the hot gas line in question is not cooled or is only insignificantly cooled, i.e. its cooling is bypassed. This can be due to the fact that the hot process gas in the hot gas line is not cooled by indirect cooling with the aid of a cooling medium, or the hot gas line has such a large diameter that no cooling or only insignificant cooling occurs through indirect cooling via a cooling medium flowing around the hot gas line.
  • the interior of the inner housing is fluidically connected to the at least one hot gas line.
  • the interior of the inner housing can be connected to the hot gas line directly or, for example, via one or more transition pieces.
  • the control device can also comprise multiple hot gas lines, for which the same configuration applies. This means that the interior of the inner housing is then fluidically connected to this plurality of hot gas lines, so that the total amount of hot process gas from these hot gas lines can flow into the interior of the inner housing.
  • the inflow chamber is fluidically connected to at least one cold gas line, but usually to a plurality of cold gas lines.
  • the cold gas line or the plurality of cold gas lines forms/form the main cooling surface of the device for providing the cooled process gas.
  • a cooling medium flows around the cold gas line or the plurality of cold gas lines, which cools the process gas and thus provides cooled process gas. Accordingly, the cold gas line(s) carry the cooled process gas.
  • Temporative-controlled process gas is understood to mean, in particular, the process gas which can be generated by mixing the hot process gas and the cooled process gas in the piston interior and which, after flowing out of the piston interior into the interior of the inner housing and then flowing out into the outflow chamber, can be discharged from the device via the outlet nozzle, i.e. can be flowed out.
  • the "temperature-controlled process gas" for this extreme case can also be a process gas which has the same or substantially the same temperature as the hot process gas.
  • An embodiment of the control device is characterized in that the first housing inlet opening of the inner housing is arranged within a first end wall of the inner housing, and the first piston inlet opening is arranged within a first end wall of the piston, wherein said openings are arranged relative to one another in such a way that the first housing inlet opening of the inner housing and the first piston inlet opening cannot be flowed through by the hot process gas when there is surface contact between said end walls.
  • the control device allows the control device to be operated in such a way that no hot process gas passes through the inner housing toward the discharge chamber.
  • the second piston inlet opening is simultaneously fully open.
  • the control device thus makes it possible to control the temperature of the process gas over the entire temperature range of the two process gas types, cooled and hot process gas.
  • the second housing inlet opening and the second piston inlet opening are arranged in such a way, in particular the second housing inlet opening is arranged in the region of the jacket-side wall of the inner housing and the second piston inlet opening is arranged in the region of the jacket-side wall of the piston in such a way that when the first end wall of the inner housing and the first end wall of the piston are in planar contact, the freely flowable cross-sectional area of the second piston inlet opening corresponds to the maximum opening area of the second piston inlet opening.
  • a preferred embodiment of the control device is characterized in that the first end wall of the piston has a sealing element mechanically connected to this end wall.
  • An embodiment of the control device is characterized in that the piston is mechanically connected to the actuator via a shaft.
  • the mechanical stop element is permanently connected to the shaft, i.e., connected to the shaft in such a way that the position of the stop element cannot be changed during operation of the control device.
  • the stop element is connected to the shaft in a force-locking manner, for example, via a screw connection or a clamp connection.
  • the stop element can be arranged in the interior of the inner housing and thus outside the piston. According to this embodiment, the stop element can, according to one example, strike against a wall of the inner housing during a corresponding stroke of the piston, in particular strike against the inner side of the second end wall of the inner housing.
  • a preferred embodiment of the control device is characterized in that the mechanical stop element can be changed in its position along the shaft in the axial direction, in particular its position can be changed depending on the prevailing operating conditions.
  • the mechanical stop element is not connected to the shaft by a material connection, such as a welded connection. Rather, the stop element is connected to the shaft by a detachable connection, such as a force-locking connection, so that the position of the stop element can be changed, for example, during maintenance work on a respective system.
  • a preferred embodiment of the control device is therefore characterized in that the position of the mechanical stop element can be changed in the axial direction along the shaft depending on the temperature of the cooled process gas and/or the temperature of the uncooled process gas.
  • a preferred embodiment of the control device is characterized in that the piston is rotatable in the radial direction via an actuator, so that the freely flowable cross-sectional area of the second piston inlet opening can be changed by rotating the piston in the radial direction.
  • the piston has the shape of a straight hollow cylinder, or the shape of a substantially straight hollow cylinder, or substantially the shape of a straight hollow cylinder.
  • the piston is preferably shaped as a straight hollow cylinder. This geometry allows for complete closure of the opening(s) to at least one hot gas line while simultaneously maintaining low leakage rates in the space between the piston and the inside of the inner housing.
  • At least one of the aforementioned objects is further at least partially achieved by a heat exchanger comprising a control device according to one of the aforementioned embodiments, wherein the heat exchanger has a plurality of cold gas lines arranged parallel to one another and configured as tube bundles, which are fluidically connected to the inflow space, and wherein the heat exchanger has a centrally arranged hot gas line which has a larger diameter than the cold gas lines.
  • the heat exchanger comprises the control device according to the invention, or the control device forms part of the heat exchanger.
  • the heat exchanger is preferably a shell-and-tube heat exchanger.
  • the heat exchanger has a centrally arranged hot gas line, but according to one embodiment, it can also comprise several centrally arranged hot gas lines.
  • the hot gas line or lines and the cold gas lines can be arranged coaxially.
  • the hot gas line can also be referred to as a bypass line. This means that the cooling of the process gas in the hot gas line is either completely or essentially completely bypassed.
  • a preferred embodiment of the heat exchanger is characterized in that the cold gas lines each have an inlet end and an outlet end, and the hot gas line has an inlet end and an outlet end, wherein the outlet ends of the cold gas lines merge into the inflow space and the outlet end of the hot gas line merges into the inner housing, and wherein the inlet ends of the cold gas lines and the inlet end of the hot gas line merge into a process gas inflow space, wherein the process gas inflow space has a process gas inlet nozzle.
  • Hot process gas can flow into both the hot gas line and the cold gas lines via the process gas inlet chamber. Part of the hot process gas is subsequently cooled in the cold gas lines, while part flows through the hot gas line and is not cooled or essentially not cooled.
  • At least one of the aforementioned objects is further at least partially achieved by the use of the control device according to one of the aforementioned embodiments of the control device or according to one of the aforementioned embodiments of the heat exchanger for cooling synthesis gas from a steam reformer or an autothermal reformer.
  • Figure 1 shows a simplified representation of a lateral cross-sectional view of the control device according to the invention with the first piston inlet opening closed and the second piston inlet opening fully open.
  • the control device 1 has an outer housing 10, which comprises an inflow chamber 11 and an outflow chamber 14.
  • the inflow chamber 11 and the outflow chamber 14 are spatially separated from one another by a mechanical separating element 17.
  • An inner housing 18 is arranged within the outer housing 10 and extends within the inflow chamber 11, through the mechanical separating element 17, and within the outflow chamber 14.
  • the inner housing is fluidically connected via several openings 22, 23, and 24 (opening 24 not shown) to a hot gas line 20, the inflow chamber 11, and the outflow chamber 14.
  • the inner housing 18 has an interior space 19.
  • the openings 22, 23, and 24 are located within the wall of the inner housing and thus establish fluidic connections between the interior space 19 of the inner housing 18 and the hot gas line 20, the inflow chamber 11, and the outflow chamber 14.
  • the control device 1 further comprises a plurality of cold gas lines 13, which are fluidically connected to the inflow chamber. While cooled process gas 12 flows through the cold gas lines 13, hot process gas 21 flows through the hot gas line 20. Due to the large diameter of the hot gas line 20 compared to the small diameter of the cold gas lines 13, the hot process gas 21 is only insignificantly cooled in the hot gas line 20.
  • the outlet ends of the cold gas lines 13 (not shown) and the outlet end of the hot gas line 20 (not shown) are fixed within the holes (not shown) of a perforated plate 37, which extends across the cross-sectional area of the outer housing.
  • a cooling medium flows around the cold gas lines 13 and the hot gas line 20, thereby cooling the process gas flowing in the cold gas lines 13.
  • the control device 1 can also be considered part of a shell-and-tube heat exchanger with a centrally arranged bypass pipe, here the hot gas line 20.
  • a heat exchanger as is known to those skilled in the art, has a corresponding inlet connection and an outlet connection for the cooling medium. The connections are not shown in the figures.
  • the cooling medium is, in particular, cooling water, which is discharged from the heat exchanger as steam due to the cooling of the hot process gas and can subsequently be used as heating steam or process steam.
  • the hot gas line 20 extends through the perforated plate 37 into the inflow chamber 11 and is thereby mechanically firmly connected to the inner housing 18.
  • the part of the hot gas line 20 which extends through the inflow chamber 14 can also be regarded not as part of the hot gas line 20, but as a connecting piece or transition piece between the hot gas line 20 and the inner housing 18.
  • the inner housing 18 has a first end wall 31 in which a first housing inlet opening 22 designed as an annular gap is arranged.
  • the hot process gas 21 can flow through the first housing inlet opening 22 into the interior space 19 of the inner housing 18 when the opening 22 is open and thus flowable.
  • the inner housing 18 also has a housing outlet opening 24 (opening not shown), which is arranged within a second end wall 32 of the inner housing.
  • a temperature-controlled process gas 15 can flow out of the interior space 19 of the inner housing 18 into the outflow chamber 14 via the housing outlet opening 24.
  • the temperature-controlled process gas 15 can then be discharged from the control device 1 via an outlet nozzle 16 from the outflow chamber 14.
  • the inner housing 18 further has a second housing inlet opening 23, which is arranged within the shell-side wall 38 of the inner housing. As shown in the figure, several such openings 23 can be present.
  • a piston 25 Arranged in the interior 19 of the inner housing 18 is a piston 25, which is designed as a cylindrical hollow body and is connected to an actuator 27a and another actuator 27b via a shaft 35.
  • the piston 25 has a piston interior 26.
  • the shaft is mechanically fixedly connected to the piston, i.e., the piston 25 and the shaft 35 form a mechanical unit that is movable via the actuators 27a and 27b.
  • the piston 25 can be displaced in the axial direction, i.e., along its longitudinal axis, which is partially formed by the shaft 35. This type of movement is indicated by the arrow on both sides of the actuator 27a.
  • the piston 25, designed as a hollow body, has a plurality of openings 28, 29, and 30 through which flow can pass.
  • a first piston inlet opening 28 is arranged within a first end wall 33 of the piston 25.
  • Hot process gas 21 can flow into the piston interior 26 through the first piston inlet opening 28 after passing through the first housing inlet opening 22, provided the piston 25 is positioned accordingly.
  • a second piston inlet opening 29 is arranged within a jacket-side wall 39 of the piston. As shown in the figure, a plurality of such openings 29 can be present. Cooled process gas 12 can flow into the piston interior 25 through the second piston inlet opening 29 after passing through the second housing inlet opening 23, provided the piston 25 is positioned accordingly.
  • the piston 25 is in a position in which the second piston inlet opening 29 is opened to its maximum extent, i.e. the entire opening or the entire cross-sectional area of this opening is available for the flow of cooled process gas 12.
  • the second housing inlet opening 23 and the second piston inlet opening 29 are congruently positioned one above the other.
  • the flow-through areas defined by the second housing inlet opening 23 and the second piston inlet opening 29 do not have to be the same size, but can also be different.
  • the only decisive factor is that both openings are arranged relative to each other in such a way that the freely flow-through cross-sectional area of the second piston inlet opening 29 is variable.

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Description

    Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases, insbesondere zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases in einem Wärmeaustauscher. Die Erfindung betrifft ferner einen Wärmeaustauscher, welcher eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung umfasst.
    • Stand der Technik
  • Wärmeaustauscher zur Kühlung von heißen Prozessgasen, beispielsweise aus petrochemischen Anlagen wie Dampfreformern, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Oft sind solche Wärmeaustauscher als Rohrbündelwärmeaustauscher ausgebildet, welche ein Bündel von Prozessgas führenden und indirekt gekühlten Wärmeaustauscherrohren und ein oft mittig angeordnetes, ebenfalls Prozessgas führendes Bypassrohr umfassen. In den Wärmeaustauscherrohren wird das heiße Prozessgas durch in einem Mantelraum des Wärmeaustauschers geführtes Kühlmedium gekühlt. Das im Bypassrohr geführte Prozessgas wird nicht oder nur unwesentlich gekühlt, da das Bypassrohr einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist als die Wärmeaustauscherrohre. Alternativ kann das Bypassrohr auch außerhalb des Mantels des Wärmeaustauschers geführt werden, so dass gar keine Kühlung des Anteils des Prozessgases erfolgt, welcher das Bypassrohr durchströmt.
  • Das verwendete Kühlmedium, in der Regel Wasser, wird in Dampf umgewandelt und kann anderweitig als Heizdampf oder Prozessdampf genutzt werden. Wärmeaustauscher dieses Typs werden oft auch als Abhitzekessel bezeichnet.
  • Die Regelung der Temperatur des Prozessgases am Auslass des Wärmeaustauschers erfolgt über die jeweilige Menge an Prozessgas, welche die Wärmeaustauscherrohre beziehungsweise das Bypassrohr passiert. Oft wird dabei auf die alleinige Regelung der Durchflussmenge durch das Bypassrohr abgestellt, wobei entsprechende innerhalb des Bypassrohres angeordnete Stellvorrichtungen als Temperaturregelvorrichtungen in Frage kommen.
  • Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist aus der EP 0 617 230 B1 bekannt. Hier umfasst der Wärmeaustauscher zumindest zwei Rohrbündel, von denen jedes mit einer dedizierten Gasdurchfluss-Steuervorrichtung versehen ist, wobei die Durchflussverteilung und die Durchflussgeschwindigkeit zwischen den unterschiedlichen Rohrbündeln geregelt wird, um die Temperatur des Prozessgases am Wärmeaustauscher-Auslass zu regeln.
  • Die industriell häufig verwendeten und auf Klappen basierenden Temperaturregelvorrichtungen ermöglichen regelmäßig nicht die Nutzung des maximal möglichen Regelbereichs, das heißt von keinem Durchfluss durch den Bypass bis zu einem vollen Durchfluss durch den Bypass. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass die Regelung mit Klappen einen Druckabfall erzeugt, der den Durchfluss von der Hauptkühlfläche des Wärmeaustauschers zum Bypass (und umgekehrt) verlagert. Die Hauptkühlfläche wird dabei durch die durch das Kühlmedium indirekt gekühlten Wärmeaustauscherrohre des Wärmeaustauschers definiert.
  • Auch treten häufig nicht erwünschte (Leck-)Ströme innerhalb des Wärmeaustauschers selbst auf, wenn die entsprechende Temperaturregelvorrichtung nicht vollständig abdichtet. Dies ist insbesondere bei klappenbasierten Systemen der Fall.
  • In bekannten industriell angewandten Lösungen ist ein vollständiges Schließen des Bypass-Rohres (kein Durchfluss durch das Bypass-Rohr) somit nicht ohne weiteres möglich. Diese Begrenzung des Regelbereichs hat zur Folge, dass die Hauptkühlfläche größer als eigentlich erforderlich ausgelegt werden muss, um diesen stets vorhandenen heißen Prozessgasstrom durch das Bypass-Rohr zu kompensieren.
  • Auch das vollständige Öffnen des Bypass-Rohres bei gleichzeitiger Unterbrechung des von der Hauptkühlfläche kommenden Durchflusses ist in bekannten industriell angewandten Lösungen nicht ohne weiteres möglich. Diese Einschränkung kann die Gesamtkapazität der Anlage für den Betrieb bei niedriger Auslastung einschränken, da die erforderliche Mindestaustrittstemperatur des Prozessgases aus dem Wärmeaustauscher erst ab einer bestimmten (höheren) Anlagenlast erreicht werden kann.
  • In Anbetracht eines möglichen Ausfalls der Temperaturregeleinrichtung und ihres Stellantriebs, der zu einer unerwünschten vollständigen Öffnung des Bypass-Rohres führen kann, sollte die maximale Öffnungsrate desselben für den ungünstigsten kritischen Auslegungsfall mechanisch begrenzt werden. Dieser Auslegungsfall wird typischerweise darüber definiert, dass die betreffende Anlage unter Volllast gefahren wird und insbesondere die Wärmeaustauscherrohre innen einen maximalen Verschmutzungsgrad aufweisen. Die Wärmeübertragung auf das Prozessgas ist entsprechend signifikant schlechter als bei nicht verschmutzten Wärmeaustauscherrohren und die Temperatur des gekühlten Prozessgases entsprechend höher.
  • Eine Temperaturregelvorrichtung, welche bei einer Störung zum Beispiel federunterstützt schließt und so den Durchfluss durch das Bypassrohr auf null senkt, ist nicht erwünscht, da ein unkontrolliertes Schließen des Bypasses die Austrittstemperatur des (aus ungekühltem und gekühltem Prozessgas gemischtem) Prozessgas unter eine definierte Mindesttemperatur senken kann, welche für den sicheren Betrieb nachgeschalteter Anlagenkomponenten erforderlich ist.
  • EP 1 498 678 offenbart einen Wärmeaustauscher mit einem Bypassrohr, welches mit einem Führungsrohr dicht verbunden ist, wobei in dem Führungsrohr ein als Verschlussorgan ausgebildeter Kolben axial verschiebbar angeordnet ist. Der Kolben ist doppelwandig ausgeführt, und in der Doppelwand des Kolbens sind von einem Kühlmittel durchflossene Kühlkanäle angebracht.
  • DE 10 2012 007 721 A1 offenbart einen Prozessgaskühler mit hebelgesteuerten Prozessgaskühlerklappen. Dabei ist eine Klappenwelle vorgesehen, welche mittels Hebeln und Verbindungsstangen mit einem Antriebskörper derart verbunden ist, dass die Gasdurchtrittsgeschwindigkeit und -menge des Prozessgases durch die Prozessgaskühlerklappen von außen mit Hilfe des Antriebskörpers gesteuert werden kann.
  • EP 3 159 646 A1 offenbart einen Wärmeaustauscher mit einer Regelvorrichtung, die eine mit einem Antrieb verbundene Drosselklappe zum Einstellen einer Gasaustrittstemperatur des Wärmeaustauschers auf einen bestimmten Temperaturbereich umfasst. Dabei ist durch eine am Auslassende eines Bypassrohres angeordnete und mittels des Antriebes der Regelvorrichtung verstellbare Drosselklappe eine Austrittsgeschwindigkeit und eine Austrittsmenge des ungekühlten Abgasstroms aus dem Bypassrohr regelbar, wobei die Drosselklappe in einem für Hochtemperaturkorrosion empfindlichen Temperaturbereich aus einem gegen Hochtemperaturkorrosion resistenten Material gefertigt ist.
  • DE-A-2846455 offenbart einen weiteren Wärmeaustauscher mit einer Regelvorrichtung zum Einstellen einer Gasautrittstemperatur des Wärmeaustauschers auf einen bestimmmten Temperaturbereich.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden.
  • Insbesondere besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin eine Regelvorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases bereitzustellen, welche einen möglichst großen Regelbereich in Bezug auf die einzustellende Prozessgastemperatur ermöglicht.
  • Insbesondere besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin eine Regelvorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases bereitzustellen, welche die Regelung des gesamten Temperaturbereichs von maximal gekühltem Prozessgas bis ungekühltem Prozessgas umfasst.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Regelvorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases bereitzustellen, welche das Auftreten von Leck-Strömen in Bezug auf den Prozessgasstrom minimiert.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Regelvorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases bereitzustellen, welche bei einem technischen Ausfall der Regelvorrichtung nicht zu einem Zustand führt, in welchem eine maximal zulässige Austrittstemperatur des Prozessgases überschritten werden kann.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen Wärmeaustauscher mit einer Regelvorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases bereitzustellen, welcher zumindest einer der vorgenannten Aufgaben zumindest teilweise löst.
  • Ein Beitrag zur mindestens teilweisen Erfüllung mindestens einer der obigen Aufgaben wird durch die unabhängigen Ansprüche geleistet. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit, die zur mindestens teilweisen Erfüllung mindestens einer der Aufgaben beitragen. Bevorzugte Ausgestaltungen von Bestandteilen einer erfindungsgemäßen Kategorie sind, soweit zutreffend, ebenso bevorzugt für gleichnamige oder entsprechende Bestandteile einer jeweils anderen erfindungsgemäßen Kategorie.
  • Die Ausdrücke "aufweisend", "umfassend" oder "beinhaltend" etc. schließen nicht aus, dass weitere Elemente, Inhaltsstoffe etc. enthalten sein können. Der unbestimmte Artikel "ein" schließt nicht aus, dass eine Mehrzahl vorhanden sein kann.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Regelvorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases vorgeschlagen, aufweisend
    • ein Außengehäuse;
    • einen innerhalb des Außengehäuses angeordneten Einströmraum für gekühltes Prozessgas, wobei der Einströmraum mit zumindest einer Kaltgasleitung zum Führen des gekühlten Prozessgases fluidisch verbunden ist;
    • einen innerhalb des Außengehäuses angeordneten Ausströmraum für temperaturgeregeltes Prozessgas;
    • einen Austrittstutzen, welcher sich im Bereich des Ausströmraums durch das Außengehäuse hindurch erstreckt, wobei der Austrittsstutzen zum Ausleiten des temperaturgeregelten Prozessgases aus dem Außengehäuse konfiguriert ist;
    • ein mechanisches Trennelement, welches den Einströmraum und den Ausströmraum räumlich voneinander trennt;
    • ein Innengehäuse mit einem Innenraum, wobei
      • der Innenraum mit zumindest einer Heißgasleitung zum Führen von heißem Prozessgas fluidisch verbunden ist, wobei
      • sich das Innengehäuse innerhalb des Einströmraums und durch das mechanische Trennelement hindurch in den Ausströmraum erstreckt, wobei das Innengehäuse eine erste Gehäuseeintrittsöffnung umfasst welche so angeordnet ist, dass das heiße Prozessgas in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist, und wobei
      • das Innengehäuse eine zweite Gehäuseeintrittsöffnung umfasst welche so angeordnet ist, dass gekühltes Prozessgas in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist, und wobei
      • das Innengehäuse eine Gehäuseaustrittsöffnung umfasst welche so angeordnet ist, dass temperaturgeregeltes Prozessgas aus dem Innenraum des Innengehäuses in den Ausströmraum ausströmbar ist;
    • ein durchströmbarer und als Hohlkörper ausgestalteter Kolben mit einem Kolbeninnenraum, wobei der Kolben über einen Stellantrieb innerhalb des Innengehäuses in axialer Richtung verschiebbar ist, wobei
      • der Kolben eine erste Kolbeneintrittsöffnung umfasst welche so angeordnet ist, dass heißes Prozessgas in den Kolbeninnenraum einströmbar ist, und wobei
      • der Kolben eine zweite Kolbeneintrittsöffnung umfasst welche so angeordnet ist, dass gekühltes Prozessgas in den Kolbeninnenraum einströmbar ist, und wobei
      • der Kolben eine Kolbenaustrittsöffnung umfasst welche so angeordnet ist, dass temperaturgeregeltes Prozessgas aus dem Kolbeninnenraum in den Innenraum des Innengehäuses ausströmbar ist, wobei
    • die zweite Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses und die zweite Kolbeneintrittsöffnung so zueinander angeordnet sind, dass eine frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung durch das Verschieben des Kolbens in axialer Richtung veränderbar ist, wodurch eine Menge an gekühltem Prozessgas regelbar ist, welche über die zweite Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses und über die zweite Kolbeneintrittsöffnung in den Kolbeninnenraum einströmbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung weist ein Innengehäuse auf, welches sich von einem Einströmraum der Regelvorrichtung durch ein mechanisches Trennelement hindurch in einen Ausströmraum erstreckt, sowie einen als Hohlkörper ausgestalteten Kolben, welcher innerhalb des Innengehäuses angeordnet und innerhalb des Innengehäuses in axialer Richtung verschiebbar ist. Das Innengehäuse weist Öffnungen auf, über welche heißes Prozessgas über die erste Gehäuseeintrittsöffnung und gekühltes Prozessgas über die zweite Gehäuseeintrittsöffnung in das Innengehäuse einströmbar sind. Ferner weist das Innengehäuse zumindest eine weitere Öffnung auf, hier eine Gehäuseaustrittsöffnung, über welche temperaturgeregeltes Prozessgas aus dem Innenraum des Innengehäuses in den Ausströmraum ausströmbar ist.
  • Entsprechende Öffnungen weist der als Hohlkörper ausgestaltete und durchströmbare Kolben auf. Über eine erste Kolbeneintrittsöffnung ist heißes Prozessgas, insbesondere nachdem es die erste Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses passiert hat, über die erste Kolbeneintrittsöffnung in den Kolbeninnenraum einströmbar. Entsprechend ist gekühltes Prozessgas, insbesondere nachdem es die zweite Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses passiert hat, über die zweite Kolbeneintrittsöffnung in den Kolbeninnenraum einströmbar. Im Kolbeninnenraum findet eine Mischung des heißen Prozessgases und des gekühlten Prozessgases statt. Durch diese Mischung ist das temperaturgeregelte Prozessgas erhältlich. Dieses kann anschließend zunächst die Kolbenaustrittsöffnung passieren, kann dadurch in den Innenraum des Innengehäuses einströmen, und kann anschließend insbesondere die Gehäuseaustrittsöffnung des Innengehäuses passieren. Das temperaturgeregelte Prozessgas ist dadurch anschließend in den Ausströmraum ausströmbar, da sich das Innengehäuse durch das mechanische Trennelement in den Ausströmraum erstreckt und die Gehäuseaustrittsöffnung so angeordnet ist, dass temperaturgeregeltes Prozessgas aus dem Innenraum des Innengehäuses in den Ausströmraum ausströmbar ist. Das temperaturgeregelte Prozessgas ist anschließend über den Austrittsstutzen aus der Regelvorrichtung ausströmbar.
  • Das Innengehäuse umfasst eine erste Gehäuseeintrittsöffnung, welche so angeordnet ist, dass heißes Prozessgas in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist, insbesondere von der zumindest einen Heißgasleitung in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist.
  • Das Innengehäuse umfasst eine zweite Gehäuseeintrittsöffnung, welche so angeordnet ist, dass gekühltes Prozessgas in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist, insbesondere von dem Einströmraum in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist.
  • Der Innenraum des Innengehäuses ist mit zumindest einer Heißgasleitung zum Führen von heißem Prozessgas fluidisch verbunden, insbesondere über die erste Gehäuseeintrittsöffnung fluidisch mit der zumindest einen Heißgasleitung verbunden. Darüber hinaus ist der Innenraum des Innengehäuses mit dem Einströmraum fluidisch verbunden, insbesondere über die zweite Gehäuseeintrittsöffnung mit dem Einströmraum fluidisch verbunden. Darüber hinaus ist der Innenraum des Innengehäuses mit dem Ausströmraum fluidisch verbunden, insbesondere über die Gehäuseaustrittsöffnung mit dem Ausströmraum fluidisch verbunden.
  • Der Kolben umfasst eine erste Kolbeneintrittsöffnung, welche so angeordnet ist, dass heißes Prozessgas in den Kolbeninnenraum einströmbar ist, insbesondere aus dem Innenraum des Innengehäuses in den Kolbeninnenraum einströmbar ist.
  • Der Kolben umfasst eine zweite Kolbeneintrittsöffnung, welche so angeordnet ist, dass gekühltes Prozessgas in den Kolbeninnenraum einströmbar ist, insbesondere aus dem Einströmraum in den Kolbeninnenraum einströmbar ist.
  • Der Kolben umfasst eine Kolbenaustrittsöffnung, welche so angeordnet ist, dass temperaturgeregeltes Prozessgas aus dem Kolbeninnenraum ausströmbar ist, insbesondere aus dem Kolbeninnenraum in den Innenraum des Innengehäuses ausströmbar ist.
  • Die Gehäuseaustrittsöffnung des Innengehäuses ist gemäß einer Ausführungsform an den Ausströmraum angrenzend angeordnet. Die erste Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses ist gemäß einer Ausführungsform an die Heißgasleitung angrenzend angeordnet. Die zweite Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses ist gemäß einer Ausführungsform an den Einströmraum angrenzend angeordnet.
  • Der Kolben ist innerhalb des Innengehäuses in axialer Richtung verschiebbar. Dadurch ist die durch die zweite Kolbeneintrittsöffnung definierte, frei durchströmbare Querschnittsfläche veränderbar. Dies ist der Fall, da die zweite Gehäuseeintrittsöffnung und die zweite Kolbeneintrittsöffnung so zueinander angeordnet sind, dass die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung durch das axiale Verschieben des Kolbens innerhalb des Innenraums des Innengehäuses vergrößerbar oder verkleinerbar ist, oder im Extremfall verschließbar ist.
  • Durch die Wandung des Innengehäuses und die innerhalb der Wandung des Innengehäuses angeordnete zweite Gehäuseeintrittsöffnung wird durch das Verschieben des Kolbens in axialer Richtung ermöglicht, dass die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung variierbar, also veränderbar, ist. Entsprechend strömt, je nach Öffnungsgrad der zweiten Kolbeneintrittsöffnung und die dadurch definierte frei durchströmbare Querschnittsfläche, viel oder wenig, oder kein gekühltes Prozessgas in den Kolbeninnenraum ein. Dadurch wird eine entsprechende Temperaturregelung des Prozessgases erreicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Außenseite der mantelseitigen Wandung des Kolbens in flächigem Kontakt mit der Innenseite der mantelseitigen Wandung des Innengehäuses. Entsprechende Dichtungen können vorgesehen sein, um Leckströme zwischen dem Kolben und dem Innengehäuse zu minimieren. Grundsätzlich bietet die Ausgestaltung der Regelvorrichtung mit einem Kolben und der definierten Öffnungen den Vorteil, dass Leckströme weitgehend bis vollständig vermieden werden können, was beispielsweise bei auf Klappensystemen beruhenden Vorrichtungen nicht der Fall ist.
  • Der Kolben ist in axialer Richtung über einen Stellantrieb verschiebbar. Mit anderen Worten, der Kolben ist entlang seiner physischen oder imaginären Längsachse verschiebbar.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Gehäuseeintrittsöffnung im Bereich einer stirnseitigen Wandung des Innengehäuses angeordnet, insbesondere einer ersten stirnseitigen Wandung des Innengehäuses angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Gehäuseeintrittsöffnung im Bereich einer mantelseitigen Wandung des Innengehäuses angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Gehäuseaustrittsöffnung im Bereich einer weiteren stirnseitigen Wandung des Innengehäuses angeordnet, insbesondere im Bereich einer zweiten stirnseitigen Wandung des Innengehäuses angeordnet.
  • Die erste stirnseitige Wandung des Innengehäuses grenzt gemäß einer Ausführungsform an die Heißgasleitung an. Die zweite stirnseitige Wandung des Innengehäuses grenzt gemäß einer Ausführungsform an den Ausströmraum an. Die mantelseitige Wandung des Innengehäuses grenzt gemäß einer Ausführungsform an den Einströmraum und an den Ausströmraum an.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Kolbeneintrittsöffnung im Bereich einer stirnseitigen Wandung des Kolbens angeordnet, insbesondere einer ersten stirnseitigen Wandung des Kolbens angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Kolbeneintrittsöffnung im Bereich einer mantelseitigen Wandung des Kolbens angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Kolbenaustrittsöffnung im Bereich einer stirnseitigen Wandung des Kolbens angeordnet, insbesondere im Bereich einer zweiten stirnseitigen Wandung des Kolbens angeordnet.
  • Unter einer "mantelseitigen Wandung" wird unabhängig von der geometrischen Ausgestaltung des Kolbens oder des Innengehäuses eine Wandung verstanden, welche den Kolben und/oder das Innengehäuse parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer physischen oder imaginären Längsachse des Kolbens und/oder des Innengehäuses umläuft.
  • Unter einer "stirnseitigen Wandung" wird dabei unabhängig von der geometrischen Ausgestaltung des Kolbens oder des Innengehäuses eine Wandung verstanden, welche senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer physischen oder imaginären Längsachse des Kolbens und/oder des Innengehäuses angeordnet ist.
  • Insbesondere weisen das Innengehäuse und der Kolben jeweils zwei stirnseitige Wandungen auf (eine erste und eine zweite stirnseitige Wandung), und die jeweilige mantelseitige Wandung erstreckt sich zwischen diesen beiden stirnseitigen Wandungen.
  • Durch das Verschieben des Kolbens in axialer Richtung ist nicht nur die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung, insbesondre deren Betrag, veränderbar. Vielmehr ist durch das Verschieben des Kolbens in axialer Richtung auch der Abstand zwischen insbesondere einer ersten stirnseitigen Wandung des Kolbens und einer ersten stirnseitigen Wandung des Innengehäuses, und dadurch der Abstand zwischen der ersten Gehäuseeintrittsöffnung und der ersten Kolbeneintrittsöffnung, veränderbar.
  • Durch die Veränderung der frei durchströmbaren Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung und dadurch der Veränderung des Volumenstroms an gekühltem Prozessgas, welches in den Kolbeninnenraum einströmt, ergibt sich ein entsprechender Druckabfall, welcher wiederum zu unterschiedlichen Druckniveaus im Einströmraum und dem Ausströmraum führt. Im Bestreben der fluidisch miteinander verbundenen Räume und der darin vorherrschenden Strömungen dieses sich einstellende unterschiedliche Druckniveau auszugleichen, verändert sich der Volumenstrom des heißen Prozessgases, welches über die erste Gehäuseeintrittsöffnung und die erste Kolbeneintrittsöffnung in den Kolbeninnenraum einströmen kann, entsprechend. Dadurch stellt sich auch eine Regelung des Volumenstroms des heißen Prozessgases ein.
  • Das aus der zumindest einen Heißgasleitung austretende und über die erste Gehäuseeintrittsöffnung und die erste Kolbeneintrittsöffnung in den Kolbeninnenraum einströmbare heiße Prozessgas kann auch als ungekühltes Prozessgas oder im Wesentlichen ungekühltes Prozessgas bezeichnet werden. Die (zumindest eine) Heißgasleitung kann auch als Bypassleitung bezeichnet werden. Darunter ist zu verstehen, dass die betreffende Heißgasleitung nicht oder nur unwesentlich gekühlt wird, also deren Kühlung umgangen wird. Dies kann darin begründet liegen, dass das heiße Prozessgas in der Heißgasleitung nicht durch eine indirekte Kühlung mit Hilfe eines Kühlmediums gekühlt wird, oder die Heißgasleitung einen so großen Durchmesser aufweist, dass keine Kühlung oder eine nur unwesentliche Kühlung durch eine indirekte Kühlung über ein die Heißgasleitung umströmendes Kühlmedium erfolgt.
  • Der Innenraum des Innengehäuses ist fluidisch mit der zumindest einen Heißgasleitung verbunden. Dabei kann der Innenraum des Innengehäuses direkt oder beispielsweise über ein oder mehrere Übergangsstücke mit der Heißgasleitung verbunden sein. Die Regelvorrichtung kann auch mehrere Heißgasleitungen umfassen, wofür die gleiche Konfiguration gilt. Das heißt der Innenraum des Innengehäuses ist dann fluidisch mit dieser Mehrzahl von Heißgasleitungen verbunden, so dass die Gesamtmenge des heißen Prozessgases aus diesen Heißgasleitungen in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist.
  • Der Einströmraum ist mit zumindest einer Kaltgasleitung, regelmäßig jedoch einer Vielzahl von Kaltgasleitungen, fluidisch verbunden. Die Kaltgasleitung oder die Vielzahl von Kaltgasleitungen bildet/bilden dabei die Hauptkühlfläche der Vorrichtung zur Bereitstellung des gekühlten Prozessgases. Die Kaltgasleitung oder die Vielzahl von Kaltgasleitungen wird/werden insbesondere von einem Kühlmedium umströmt, welches das Prozessgas kühlt und so gekühltes Prozessgas bereitstellt. Entsprechend führt/führen die Kaltgasleitung(en) das gekühlte Prozessgas.
  • Unter "temperaturgeregeltem Prozessgas" wird insbesondere das Prozessgas verstanden, welches durch Mischen des heißen Prozessgases und des gekühlten Prozessgase im Kolbeninnenraum erzeugbar ist und nach Ausströmen aus dem Kolbeninnenraum in den Innenraum des Innengehäuses und anschließendes Ausströmen in den Ausströmraum über den Austrittstutzen aus der Vorrichtung ausschleusbar, das heißt ausströmbar, ist.
  • Da es die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise erlaubt, die zweite Kolbeneintrittsöffnung vollständig zu verschließen, so dass die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung gleich null ist, kann es sich bei dem "temperaturgeregelten Prozessgas" für diesen Extremfall auch um ein Prozessgas handeln, welches die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Temperatur wie das heiße Prozessgas aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es ferner in vorteilhafter Weise, die erste Kolbeneintrittsöffnung vollständig zu schließen, wobei die Regelvorrichtung so konfiguriert ist, dass die erste Kolbeneintrittsöffnung gleichzeitig geöffnet ist, gemäß einer Ausführungsform vollständig geöffnet ist. Für diesen Extremfall kann es sich bei dem "temperaturgeregelten Prozessgas" um ein Prozessgas handeln, welches die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Temperatur wie das gekühlte Prozessgas aufweist.
  • Eine Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses innerhalb einer ersten stirnseitigen Wandung des Innengehäuses angeordnet ist, und die erste Kolbeneintrittsöffnung innerhalb einer ersten stirnseitigen Wandung des Kolbens angeordnet ist, wobei genannte Öffnungen so zueinander angeordnet sind, dass die erste Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses und die erste Kolbeneintrittsöffnung bei einer flächigen Kontaktierung der genannten stirnseitigen Wandungen nicht durch das heiße Prozessgas durchströmbar sind.
  • Dadurch kann die Regelvorrichtung so betrieben werden, dass kein heißes Prozessgas das Innengehäuse in Richtung des Ausströmraums passiert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Kolbeneintrittsöffnung gleichzeitig vollständig geöffnet.
  • Die erste Gehäuseeintrittsöffnung und die erste Kolbeneintrittsöffnung können derart versetzt zueinander angeordnet sein, dass diese Öffnungen bei einer flächigen Kontaktierung der genannten stirnseitigen Wandungen nicht von dem heißen Prozessgas durchströmbar sind. Mit anderen Worten sind diese Öffnungen so angeordnet, dass sie sich im Falle einer flächigen Kontaktierung besagter stirnseitiger Wandungen nicht überschneiden, so dass keine Durchströmung dieser Öffnungen möglich ist.
  • Durch das axiale Verschieben des Kolbens kann die zweite Kolbeneintrittsöffnung vollständig verschlossen werden, so dass nur heißes Prozessgas die Vorrichtung passiert. Durch die vorgenannte Ausführungsform kann somit der andere Extremfall realisiert werden, nämlich dass ausschließlich heißes Prozessgas die Vorrichtung passiert.
  • Die Regelvorrichtung ermöglicht es somit, die Temperatur des Prozessgases über den gesamten Temperaturbereich der beiden Prozessgasarten, gekühltes und heißes Prozessgas, zu regeln.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind daher die zweite Gehäuseeintrittsöffnung und die zweite Kolbeneintrittsöffnung so angeordnet, insbesondere die zweite Gehäuseeintrittsöffnung im Bereich der mantelseitigen Wandung des Innengehäuses und die zweite Kolbeneintrittsöffnung im Bereich der mantelseitigen Wandung des Kolbens so angeordnet, dass bei einer flächigen Kontaktierung der ersten stirnseitigen Wandung des Innengehäuses und der ersten stirnseitigen Wandung des Kolbens, die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung der maximalen Öffnungsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung entspricht.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses und/oder die erste Kolbeneintrittsöffnung als Ringspalt ausgebildet sind/ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste stirnseitige Wandung des Kolbens ein mit dieser stirnseitigen Wandung mechanisch verbundenes Dichtungselement aufweist.
  • Dadurch können heißgasleitungsseitige Leckströme auf ein Minimum reduziert werden.
  • Eine Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben über eine Welle mit dem Stellantrieb mechanisch verbunden ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben über eine Welle mit dem Stellantrieb mechanisch verbunden ist, und die Welle ein mit ihr fest verbundenes mechanisches Anschlagelement aufweist, wobei das Anschlagelement
    • im Innenraum des Innengehäuses und außerhalb des Kolbens angeordnet ist, oder
    • innerhalb des Ausströmraums und außerhalb des Innengehäuses angeordnet ist,
    und dabei so angeordnet ist, dass ein vollständiges Verschließen der Öffnung, welche über die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung definiert ist, verhinderbar ist.
  • Das mechanische Anschlagelement ist fest mit der Welle verbunden, das heißt so mit der Welle verbunden, dass die Position des Anschlagelements im laufenden Betrieb der Regelvorrichtung nicht veränderbar ist. Gemäß einem Beispiel ist das Anschlagelement kraftschlüssig mit der Welle verbunden, beispielsweise über eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung mit der Welle verbunden.
  • Das Anschlagelement kann im Innenraum des Innengehäuses und dabei außerhalb des Kolbens angeordnet sein. Gemäß dieser Ausführungsform kann das Anschlagelement gemäß einem Beispiel bei einem entsprechenden Hub des Kolbens an eine Wandung des Innengehäuses anschlagen, insbesondere an die Innenseite der zweiten stirnseitigen Wandung des Innengehäuses anschlagen.
  • Das Anschlagelement kann innerhalb des Ausströmraums und dabei außerhalb des Innengehäuses angeordnet sein. Gemäß dieser Ausführungsform kann das Anschlagelement gemäß einem Beispiel bei einem entsprechenden Hub des Kolbens an eine Wandung des Außengehäuses anschlagen, insbesondere an eine Innenseite einer Wandung des Außengehäuses anschlagen.
  • Das Anschlagelement ist dabei derart angeordnet, dass ein vollständiges Verschließen der Öffnung, welche die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung definiert, verhinderbar ist oder verhindert wird. Mit anderen Worten ist das Anschlagelement an einer definierten Position fest mit der Welle mechanisch verbunden, wobei es die Positionierung des Anschlagelements nicht erlaubt, dass die zweite Kolbeneintrittsöffnung verschlossen wird, wodurch diese nicht (mehr) durch gekühltes Prozessgas aus dem Einströmraum durchströmbar wäre.
  • Durch das Anschlagelement wird beim Ausfall der Regelvorrichtung verhindert, dass sich die Verbindung zwischen Einströmraum und Kolbeninnenraum vollständig schließt, und die Regelvorrichtung dadurch nur noch von heißem Prozessgas aus der Heißgasleitung durchströmt würde. Dadurch werden zu hohe Temperaturen im Bereich des Auslasses der Regelvorrichtung, insbesondere im Bereich des Austrittstutzens, verhindert. Zu hohe Temperaturen am Auslass der Vorrichtung können stromabwärts der Regelvorrichtung angeordnete Vorrichtungen schädigen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Anschlagelement entlang der Welle in axialer Richtung in seiner Position veränderbar ist, insbesondere in Abhängigkeit von den vorherrschenden Betriebsbedingungen in seiner Position veränderbar ist.
  • Entsprechend dieser Ausführungsform ist das mechanische Anschlagelement insbesondere nicht durch eine stoffschlüssige Verbindung, wie beispielsweise eine Schweißverbindung, mit der Welle verbunden. Vielmehr ist das Anschlagelement durch eine lösbare Verbindung, beispielsweise durch eine kraftschlüssige Verbindung, mit der Welle verbunden, so dass die Position des Anschlagelements zum Beispiel während Wartungsarbeiten an einer betreffenden Anlage veränderbar ist.
  • So kann es beispielsweise sinnvoll sein, die durch die zweite Kolbeneintrittsöffnung definierte, frei durchströmbare Querschnittsfläche für den Fall des Anschlags des Anschlagelements (bei Ausfall der Regelvorrichtung) mit fortschreitender Verschmutzung oder Korrosion der Kaltgasleitungen zu vergrößern. Durch eine solche fortschreitende Verschmutzung oder Korrosion wird das betreffende Prozessgas weniger gekühlt, wodurch es von Vorteil ist, den Volumenstrom des gekühlten Prozessgases entsprechend zu vergrößern. Durch die Vergrößerung des Volumenstroms durch die Kaltgasleitungen wird der Wärmeübergang von Gas zu Wasser (Kühlmittel) verbessert. Somit wird die isolierende Wirkung einer Schmutzschicht ausgeglichen, welche sich vorrangig auf der Außenseite der Kaltgasleitungen, also auf der Kühlmittelseite, bildet. Entsprechende Überlegungen sind bezüglich der Heißgasleitung(en) anzustellen, welche das ungekühlte Prozessgas führt/führen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Anschlagelement in Abhängigkeit von der Temperatur des gekühlten Prozessgases und/oder der Temperatur des ungekühlten Prozessgases entlang der Welle in axialer Richtung in seiner Position veränderbar ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist aus obigen Gründen in vorteilhafter Weise dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Anschlagelement in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad der zumindest einen Kaltgasleitung und/oder vom Verschmutzungsgrad der zumindest einen Heißgasleitung entlang der Welle in axialer Richtung in seiner Position veränderbar ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben über einen Stellantrieb in radialer Richtung drehbar ist, so dass die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung durch das Drehen des Kolbens in radialer Richtung veränderbar ist.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird ein weiterer Freiheitsgrad eingeführt, welcher sich auf die Veränderbarkeit der durch die zweite Kolbeneintrittsöffnung definierten, frei durchströmbaren Querschnittsfläche, bezieht.
  • Dadurch kann die Welle beispielsweise in einem Fall in radialer Richtung gedreht werden, wenn das Anschlagelement seine Endposition, also die Position des mechanischen Anschlags, erreicht hat. Dadurch kann die zweite Kolbeneintrittsöffnung auch bei Erreichen des Anschlags geschlossen werden, wodurch eine Erhöhung der Temperatur des temperaturgeregelten Prozessgases auf die maximale Temperatur (entsprechend der Temperatur des heißen Prozessgases) auch am mechanischen Anschlag ermöglicht wird. Dies wird unabhängig vom Betrieb des Stellantriebs ermöglicht, welcher die axiale Verschiebung des Kolbens regelt. Dadurch wird eine von der Verschmutzungsrate der Kaltgasleitungen und Heißgasleitung(en) abhängige Einstellung des mechanischen Anschlags ermöglicht.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben über einen ersten Stellantrieb in axialer Richtung verschiebbar ist und der Kolben über einen zweiten Stellantrieb in radialer Richtung drehbar ist.
  • Dadurch können das axiale Verschieben und das radiale Verschieben unabhängig voneinander betrieben werden. So ist dann beispielsweise das radiale Drehen des Kolbens durch den zweiten Stellantrieb auch dann noch möglich, wenn der erste Stellantrieb ausgefallen ist, und sich der Kolben in der Position des mechanischen Anschlags befindet.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Regelvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben die Form eines geraden Hohlzylinders aufweist.
  • Gemäß dieser Ausführungsform weist der Kolben die Form eines geraden Hohlzylinders auf, oder die Form eines im Wesentlichen geraden Hohlzylinders auf, oder im Wesentlichen die Form eines geraden Hohlzylinders auf.
  • Zur Vereinfachung von Konstruktion und Wartung ist der Kolben vorzugsweise als gerader Hohlzylinder geformt. Diese Geometrie ermöglicht ein vollständiges Schließen der Öffnung(en) zur zumindest einen Heißgasleitung bei gleichzeitig niedrigen Leckage-Raten bezüglich des Raumes zwischen dem Kolben und der Innenseite des Innengehäuses.
  • Alternativ dazu weist der Kolben die Form eines hohlen Kegelstumpfs auf, wobei sich der Durchmesser des Kegelstumpfs entlang der Durchflussrichtung der den Kolbeninnenraum durchströmenden Gase verringert.
  • Dadurch kann die Oberfläche des Kolbens gegen die Innenseite des Innengehäuses insbesondere bei großem Hub (Abstand zwischen den stirnseitigen Wandungen des Innengehäuses und des Kolbens) effizient abgedichtet werden, wodurch niedrigere Leckage-Raten als im Falle der Konstruktion als gerader Hohlzylinder erzielt werden können.
  • Zumindest eine der vorgenannten Aufgaben wird ferner zumindest teilweise gelöst durch einen Wärmeaustauscher, aufweisend eine Regelvorrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei der Wärmeaustauscher eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten und als Rohrbündel konfigurierten Kaltgasleitungen aufweist, welche fluidisch mit dem Einströmraum verbunden sind, und wobei der Wärmeaustauscher eine zentral angeordnete Heißgasleitung aufweist, welche einen größeren Durchmesser aufweist als die Kaltgasleitungen.
  • Der Wärmeaustaucher umfasst die erfindungsgemäße Regelvorrichtung, oder die Regelvorrichtung bildet einen Teil des Wärmeaustauschers. Vorzugsweise handelt es sich beim dem Wärmeaustauscher um einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher. Der Wärmeaustauscher weist eine zentral angeordnete Heißgasleitung auf, kann gemäß einer Ausführungsform jedoch auch mehrere zentral angeordnete Heißgasleitungen umfassen. Die Heißgasleitung oder Heißgasleitungen, und die Kaltgasleitungen können dabei koaxial angeordnet sein. Die Heißgasleitung kann auch als Bypassleitung bezeichnet werden. Darunter ist zu verstehen, dass die Kühlung des Prozessgases in der Heißgasleitung entweder vollständig oder im Wesentlichen vollständig umgangen wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Wärmeaustauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltgasleitungen jeweils ein Einlassende und ein Auslassende aufweisen, und die Heißgasleitung ein Einlassende und ein Auslassende aufweist, wobei die Auslassenden der Kaltgasleitungen in den Einströmraum übergehen und das Auslassende der Heißgasleitung in das Innengehäuse übergeht, und wobei die Einlassenden der Kaltgasleitungen und das Einlassende der Heißgasleitung in einen Prozessgaseinströmraum übergehen, wobei der Prozessgaseinströmraum über einen Prozessgaseinlassstutzen verfügt.
  • Über den Prozessgaseinströmraum ist heißes Prozessgas sowohl in die Heißgasleitung als auch in die Kaltgasleitungen einströmbar. Ein Teil des heißen Prozessgases wird anschließend in den Kaltgasleitungen gekühlt, ein Teil durchströmt die Heißgasleitung und wird dabei nicht gekühlt oder im Wesentlichen nicht gekühlt.
  • Zumindest eine der vorgenannten Aufgaben wird ferner zumindest teilweise gelöst durch die Verwendung der Regelvorrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen der Regelvorrichtung oder nach einer der vorgenannten Ausführungsformen des Wärmeaustauschers zur Abkühlung von Synthesegas aus einem Dampfreformer oder einem autothermen Reformer.
    • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird im Folgenden durch Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der folgenden detaillierten Beschreibung wird dabei auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, welche illustrativ spezifische Ausführungsformen der Erfindung darstellen. In diesem Zusammenhang wird richtungsspezifische Terminologie wie "oben", "unten", "vorne", "hinten" usw. in Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Vielzahl von Ausrichtungen positioniert werden können, dient die richtungsspezifische Terminologie zur Veranschaulichung und ist in keiner Weise limitierend. Der Fachmann ist sich darüber im Klaren, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzumfang der Ausführungsformen wird durch die beigefügten Ansprüche definiert. Die Zeichnungen sind, soweit nicht anders angegeben, nicht maßstabsgetreu.
  • Es zeigt
    • Figur 1
    eine seitliche Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung bei geschlossener erster Kolbeneintrittsöffnung und vollständig geöffneter zweiter Kolbeneintrittsöffnung,
    Figur 2
    eine seitliche Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung bei geöffneter erster Kolbeneintrittsöffnung und vollständig geschlossener zweiter Kolbeneintrittsöffnung, und
    Figur 3
    eine seitliche Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung mit mechanischem Anschlagelement, bei geöffneter erster Kolbeneintrittsöffnung und teilweise geöffneter zweiter Kolbeneintrittsöffnung.
  • In den Figuren 1 bis 3 sind gleiche Element jeweils mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Figur 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer seitlichen Querschnittansicht der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung bei geschlossener erster Kolbeneintrittsöffnung und vollständig geöffneter zweiten Kolbeneintrittsöffnung.
  • Die Regelvorrichtung 1 weist ein Außengehäuse 10 auf, welches einen Einströmraum 11 und einen Ausströmraum 14 umfasst. Der Einströmraum 11 und der Ausströmraum 14 sind durch ein mechanisches Trennelement 17 räumlich voneinander getrennt. Innerhalb des Außengehäuses 10 ist ein Innengehäuse 18 angeordnet, welches sich innerhalb des Einströmraums 11, durch das mechanische Trennelement 17 hindurch, und innerhalb des Ausströmraums 14 erstreckt. Das Innengehäuse ist über mehrere Öffnungen 22, 23 und 24 (Öffnung 24 nicht gezeigt) sowohl mit einer Heißgasleitung 20, dem Einströmraum 11, sowie dem Ausströmraum 14 fluidisch verbunden. Das Innengehäuse 18 weist einen Innenraum 19 auf. Die Öffnungen 22, 23 und 24 befinden sich innerhalb der Wandung des Innengehäuses und stellen so fluidische Verbindungen zwischen dem Innenraum 19 des Innengehäuses 18 und der Heißgasleitung 20, dem Einströmraum 11, sowie dem Ausströmraum 14 her. Die Regelvorrichtung 1 weist darüber hinausgehend eine Vielzahl von Kaltgasleitungen 13 auf, welche fluidisch mit dem Einströmraum verbunden sind. Während die Kaltgasleitungen 13 von gekühltem Prozessgas 12 durchströmt werden, wird die Heißgasleitung 20 von heißem Prozessgas 21 durchströmt. Aufgrund des großen Durchmessers der Heißgasleitung 20 im Vergleich zum kleinen Durchmesser der Kaltgasleitungen 13 wird das heiße Prozessgas 21 in der Heißgasleitung 20 nur unwesentlich gekühlt. Die Auslassenden der Kaltgasleitungen 13 (nicht gezeigt) und das Auslassende der Heißgasleitung 20 (nicht gezeigt) sind innerhalb der Löcher (nicht gezeigt) einer Lochplatte 37 fixiert, welche sich über die Querschnittsfläche des Außengehäuses erstreckt. Die Kaltgasleitungen 13 und die Heißgasleitung 20 werden von einem Kühlmedium umströmt, wodurch eine Kühlung des in den Kaltgasleitungen 13 strömenden Prozessgases erzielt wird.
  • Die Regelvorrichtung 1 kann auch als Teil eines Rohrbündelwärmeaustauschers mit zentral angeordnetem Bypassrohr, hier der Heißgasleitung 20, aufgefasst werden. Ein solcher Wärmeaustauscher verfügt, wie dem Fachmann bekannt, über einen entsprechenden Einlassstutzen sowie einen Auslassstutzen für Kühlmedium. Die Stutzen sind in den Figuren nicht gezeigt. Bei dem Kühlmedium handelt es sich insbesondere um Kühlwasser, welches durch die Kühlung des heißen Prozessgases als Dampf aus dem Wärmeaustauscher ausgeleitet wird und anschließend als Heizdampf oder Prozessdampf Verwendung finden kann.
  • Die Heißgasleitung 20 erstreckt sich durch die Lochplatte 37 hindurch in den Einströmraum 11 und ist dadurch mit dem Innengehäuse 18 mechanisch fest verbunden. Der Teil der Heißgasleitung 20, welcher sich durch den Einströmraum 14 hindurch erstreckt, kann auch nicht als Teil der Heißgasleitung 20, sondern als Verbindungsstück oder Übergangsstück zwischen der Heißgasleitung 20 und dem Innengehäuse 18 aufgefasst werden. Das Innengehäuse 18 weist eine erste stirnseitige Wandung 31 auf, in welcher eine als Ringspalt ausgebildete erste Gehäuseeintrittsöffnung 22 angeordnet ist. Durch die erste Gehäuseeintrittsöffnung 22 ist das heiße Prozessgas 21 bei geöffneter und somit durchströmbarer Öffnung 22 in den Innenraum 19 des Innengehäuses 18 einströmbar. Das Innengehäuse 18 weist auch eine Gehäuseaustrittsöffnung 24 (Öffnung nicht gezeigt) auf, welche innerhalb einer zweiten stirnseitigen Wandung 32 des Innengehäuses angeordnet ist. Über die Gehäuseaustrittsöffnung 24 ist ein temperaturgeregeltes Prozessgas 15 aus dem Innenraum 19 des Innengehäuses 18 in den Ausströmraum 14 ausströmbar. Das temperaturgeregelte Prozessgas 15 kann aus der Regelvorrichtung 1 anschließend über einen Austrittstutzen 16 aus dem Ausströmraum 14 ausgeleitet werden. Das Innengehäuse 18 weist ferner eine zweite Gehäuseeintrittsöffnung 23 auf, welche innerhalb der mantelseitigen Wandung 38 des Innengehäuses angeordnet ist. Wie in der Figur gezeigt, können mehrere solche Öffnungen 23 vorhanden sein.
  • Im Innenraum 19 des Innengehäuses 18 ist ein Kolben 25 angeordnet, welcher als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist und über eine Welle 35 mit einem Stellantrieb 27a und einem weiteren Stellantrieb 27b verbunden ist. Der Kolben 25 weist einen Kolbeninnenraum 26 auf. Die Welle ist mechanisch fest mit dem Kolben verbunden, das heißt der Kolben 25 und die Welle 35 bilden eine mechanische Einheit, welche über die Stellantriebe 27a und 27b bewegbar ist.
  • Über den Stellantrieb 27a ist der Kolben 25 in axialer Richtung, das heißt entlang seiner Längsachse, welche teilweise durch die Welle 35 gebildet wird, verschiebbar. Diese Art der Bewegung ist durch den beidseitigen Pfeil am Stellantrieb 27a angedeutet.
  • Der als Hohlkörper ausgestaltete Kolben 25 weist mehrere Öffnungen 28, 29 und 30 auf, durch welche der Kolben durchströmbar ist. Eine erste Kolbeneintrittsöffnung 28 ist dabei innerhalb einer ersten stirnseitigen Wandung 33 des Kolbens 25 angeordnet. Durch die erste Kolbeneintrittsöffnung 28 kann heißes Prozessgas 21 nach Passieren der ersten Gehäuseeintrittsöffnung 22 bei entsprechender Stellung des Kolbens 25 in den Kolbeninnenraum 26 einströmen. Eine zweite Kolbeneintrittsöffnung 29 ist innerhalb einer mantelseitigen Wandung 39 des Kolbens angeordnet. Wie in der Figur gezeigt, können mehrere solche Öffnungen 29 vorhanden sein. Durch die zweite Kolbeneintrittsöffnung 29 kann gekühltes Prozessgas 12 nach Passieren der zweiten Gehäuseeintrittsöffnung 23 bei entsprechender Stellung des Kolbens 25 in den Kolbeninnenraum 25 einströmen.
  • Durch das Verschieben des Kolbens 25 in axialer Richtung durch den Stellantrieb 27a ist die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung veränderbar. Das heißt die zweite Gehäuseeintrittsöffnung 23 und die zweite Kolbeneintrittsöffnung 29 sind so zueinander angeordnet, dass die Größe der zweiten Kolbeneintrittsöffnung und damit der Betrag der frei durchströmbaren Querschnittsfläche dieser Öffnung veränderbar ist.
  • Im Beispiel gemäß Figur 1 befindet sich der Kolben 25 in einer Stellung, in welcher die zweite Kolbeneintrittsöffnung 29 maximal weit geöffnet ist, das heißt die gesamte Öffnung oder die gesamte Querschnittsfläche dieser Öffnung zum Durchströmen mit gekühltem Prozessgas 12 zur Verfügung steht. Dabei liegen gemäß dem Beispiel der Figur 1 die zweite Gehäuseeintrittsöffnung 23 und die zweite Kolbeneintrittsöffnung 29 kongruent übereinander. Die durch die zweite Gehäuseeintrittsöffnung 23 und die zweite Kolbeneintrittsöffnung 29 definierten durchströmbaren Flächen müssen dabei nicht gleich groß sein, sondern können auch unterschiedlich groß sein. Entscheidend ist lediglich, dass beide Öffnungen so zueinander angeordnet sind, dass die frei durchströmbare Querschnittfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung 29 veränderbar ist.
  • Im Beispiel gemäß Figur 1 befindet sich der Kolben 25 ferner in einer Stellung, in welcher der Zugang zur Heißgasleitung 20 verschlossen ist. Dies kommt dadurch zustande, dass die erste Gehäuseeintrittsöffnung 22 und die erste Kolbeneintrittsöffnung 28 so zueinander angeordnet sind, dass diese bei einer flächigen Kontaktierung der ersten stirnseitigen Wandung 31 des Innengehäuses 18 und der ersten stirnseitigen Wandung 33 des Kolbens 35 nicht von dem heißen Prozessgas 21 durchströmt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass die entsprechenden Öffnungen 22 und 28 versetzt zueinander und bei entsprechender flächiger Kontaktierung nicht überschneidend angeordnet sind.
  • Figur 2 zeigt eine seitliche Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung bei geöffneter erster Kolbeneintrittsöffnung und vollständig geschlossener zweiten Kolbeneintrittsöffnung.
  • Im Beispiel gemäß der Figur 2 ist die Regelvorrichtung 1 mit einer Stellung des Kolbens 25 gezeigt, in welchem der Zugang zur zweiten Kolbeneintrittsöffnung 29 vollständig verschlossen ist. Gleichzeitig ist der Zugang zur Heißgasleitung 20 dadurch vollständig geöffnet, wodurch ein maximaler Durchfluss von heißem Prozessgas 21 ermöglicht wird. Der Durchfluss von gekühltem Prozessgas 12 ist damit null, beziehungsweise auf zu vernachlässigende Leckströme begrenzt. Wird der Kolben 25 über den Stellantrieb 27a kontinuierlich nach links bewegt, wird die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung 29 kontinuierlich vergrößert und dadurch entsprechend der Durchfluss an gekühltem Prozessgas 12 ebenfalls kontinuierlich vergrößert. Dabei verändert sich ebenso der Druckabfall zwischen dem Einströmraum 11 und dem Ausströmraum 14, wodurch sich auch die in den Kolben 25 einströmbare Menge an heißem Prozessgas 21 verändert, das heißt sich der Durchfluss an heißem Prozessgas 21 kontinuierlich verkleinert.
  • Im Kolbeninnenraum findet eine Mischung des heißen Prozessgases 21 und des gekühlten Prozessgases 12 statt, wodurch das temperaturgeregelte Prozessgas 15 erhalten wird. Dieses strömt über die Kolbenaustrittsöffnung 30 und die Gehäuseaustrittsöffnung 24 in den Ausströmraum. Wie bereits oben erwähnt ist auch dann von einem "temperaturgeregelten Prozessgas" 15 die Rede, wenn der Zugang zur Heißgasleitung 20 oder zum Einströmraum 11 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 25 verschlossen ist.
  • Die Regelvorrichtung 1 weist ferner einen zweiten Stellantrieb 27b auf, durch welchen der Kolben in radialer Richtung bewegt werde kann, also um seine Längsachse gedreht werden kann. Dieser zweite Stellantrieb 27b stellt somit einen weiteren Freiheitsgrad bezüglich der Veränderbarkeit der frei durchströmbaren Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung 29. Handelt es sich bei der zweiten Kolbeneintrittsöffnung beispielsweise um eine kreisförmige Öffnung, kann diese Öffnung 29 auch bei übereinanderliegenden Öffnungen 23 und 29 durch die radiale Bewegung geschlossen werden oder zumindest weiter verkleinert werden. Die radiale Bewegung des Kolbens 25 über die Welle 35 mittels des zweiten Stellantriebs 27b ist durch den halbkreisförmigen Pfeil angedeutet.
  • Figur 3 zeigt eine seitliche Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung mit mechanischem Anschlagelement, bei geöffneter erster Kolbeneintrittsöffnung und teilweise geöffneter zweiter Kolbeneintrittsöffnung.
  • Figur 3 zeigt ein Beispiel einer Regelvorrichtung 2 mit integriertem mechanischem Anschlagelement 36. Das Anschlagelement 36 ist innerhalb des Innengehäuses 18, also im Innenraum 19 des Innengehäuses 18 angeordnet und fest mit Welle 35 verbunden. Dies feste Verbindung kann beispielsweise durch eine kraftschlüssige Verbindung wie eine Schraubverbindung realisiert werden. Entscheidend ist, dass es sich bei der Verbindung um eine lösbare Verbindung handelt. Vorzugsweise ist das Anschlagelement 36 somit nicht über eine stoffschlüssige Verbindung wie eine Schweißverbindung mit der Welle 35 verbunden. Eine lösbare Verbindung ermöglicht die Änderung der Position des Anschlagelements 36 in Abhängigkeit von bestimmten vorherrschenden Betriebsparameter, wie beispielsweise dem Verschmutzungsgrad der Heißgasleitung 20 und der Kaltgasleitungen 13. Das Anschlagelement 36 sorgt dafür, dass die Welle 35 zusammen mit dem Kolben 25 auch bei einem technischen Versagen der Regelvorrichtung 2, insbesondere des Stellantriebs 27a, nicht soweit bewegt werden kann, dass die zweite Kolbeneintrittsöffnung 29 geschlossen wird. Dadurch wird verhindert, dass ausschließlich heißes Prozessgas 21 die Regelvorrichtung 2 über den Austrittstutzen 16 verlässt. Dies kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Anlage wünschenswert sein, da zu heiße Prozessgase stromabwärts angeordnete Anlagenbauteile schädigen können. Sollte ein vollständiges Schließen der zweiten Kolbeneintrittsöffnung 29 in so einem Fall trotzdem wünschenswert sein, ist dies über den zweiten Stellantrieb 27b möglich.
    • Bezugszeichenliste
    • 1, 2
    Regelvorrichtung
    10
    Außengehäuse
    11
    Einströmraum
    12
    Gekühltes Prozessgas
    13
    Kaltgasleitung
    14
    Ausströmraum
    15
    Temperaturgeregeltes Prozessgas
    16
    Austrittstutzen
    17
    Mechanisches Trennelement
    18
    Innengehäuse
    19
    Innenraum des Innengehäuses
    20
    Heißgasleitung
    21
    Ungekühltes Prozessgas
    22
    Erste Gehäuseeintrittsöffnung
    23
    Zweite Gehäuseeintrittsöffnung
    24
    Gehäuseaustrittsöffnung
    25
    Kolben
    26
    Kolbeninnenraum
    27a
    Erster Stellantrieb
    27b
    Zweiter Stellantrieb
    28
    Erste Kolbeneintrittsöffnung
    29
    Zweite Kolbeneintrittsöffnung
    30
    Kolbenaustrittsöffnung
    31
    Erste stirnseitige Wandung Innengehäuse
    32
    Zweite stirnseitige Wandung Innengehäuse
    33
    Erste stirnseitige Wandung Kolben
    34
    Zweite Stirnseitige Wandung Kolben
    35
    Welle
    36
    Anschlagelement
    37
    Lochplatte
    38
    Mantelseitige Wandung Innengehäuse
    39
    Mantelseitige Wandung Kolben

Claims (15)

  1. Regelvorrichtung (1, 2) zur Regelung der Temperatur eines Prozessgases, aufweisend
    - ein Außengehäuse (10);
    - einen innerhalb des Außengehäuses angeordneten Einströmraum (11) für gekühltes Prozessgas (12), wobei der Einströmraum mit zumindest einer Kaltgasleitung (13) zum Führen des gekühlten Prozessgases fluidisch verbunden ist;
    - einen innerhalb des Außengehäuses angeordneten Ausströmraum (14) für temperaturgeregeltes Prozessgas (15);
    - einen Austrittstutzen (16), welcher sich im Bereich des Ausströmraums durch das Außengehäuse hindurch erstreckt, wobei der Austrittsstutzen zum Ausleiten des temperaturgeregelten Prozessgases aus dem Außengehäuse konfiguriert ist;
    - ein mechanisches Trennelement (17), welches den Einströmraum und den Ausströmraum räumlich voneinander trennt;
    - ein Innengehäuse (18) mit einem Innenraum (19), wobei der Innenraum mit zumindest einer Heißgasleitung (20) zum Führen von heißem Prozessgas (21) fluidisch verbunden ist, wobei sich das Innengehäuse innerhalb des Einströmraums und durch das mechanische Trennelement hindurch in den Ausströmraum erstreckt, wobei das Innengehäuse eine erste Gehäuseeintrittsöffnung (22) umfasst welche so angeordnet ist, dass das heiße Prozessgas in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist, und wobei
    das Innengehäuse eine zweite Gehäuseeintrittsöffnung (23) umfasst welche so angeordnet ist, dass gekühltes Prozessgas in den Innenraum des Innengehäuses einströmbar ist, und wobei
    das Innengehäuse eine Gehäuseaustrittsöffnung (24) umfasst welche so angeordnet ist, dass temperaturgeregeltes Prozessgas aus dem Innenraum des Innengehäuses in den Ausströmraum ausströmbar ist;
    - ein durchströmbarer und als Hohlkörper ausgestalteter Kolben (25) mit einem Kolbeninnenraum (26), wobei der Kolben über einen Stellantrieb (27a) innerhalb des Innengehäuses in axialer Richtung verschiebbar ist, wobei
    der Kolben eine erste Kolbeneintrittsöffnung (28) umfasst welche so angeordnet ist, dass heißes Prozessgas in den Kolbeninnenraum einströmbar ist, und wobei
    der Kolben eine zweite Kolbeneintrittsöffnung (29) umfasst welche so angeordnet ist, dass gekühltes Prozessgas in den Kolbeninnenraum einströmbar ist, und wobei
    der Kolben eine Kolbenaustrittsöffnung (30) umfasst welche so angeordnet ist, dass temperaturgeregeltes Prozessgas aus dem Kolbeninnenraum in den Innenraum des Innengehäuses ausströmbar ist, wobei
    - die zweite Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses und die zweite Kolbeneintrittsöffnung so zueinander angeordnet sind, dass eine frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung durch das Verschieben des Kolbens in axialer Richtung veränderbar ist, wodurch eine Menge an gekühltem Prozessgas regelbar ist, welche über die zweite Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses und über die zweite Kolbeneintrittsöffnung in den Kolbeninnenraum einströmbar ist.
  2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses innerhalb einer ersten stirnseitigen Wandung (31) des Innengehäuses angeordnet ist, und die erste Kolbeneintrittsöffnung innerhalb einer ersten stirnseitigen Wandung (33) des Kolbens angeordnet ist, wobei genannte Öffnungen so zueinander angeordnet sind, dass die erste Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses und die erste Kolbeneintrittsöffnung bei einer flächigen Kontaktierung der genannten stirnseitigen Wandungen nicht durch das heiße Prozessgas durchströmbar sind.
  3. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäuseeintrittsöffnung des Innengehäuses und/oder die erste Kolbeneintrittsöffnung als Ringspalt ausgebildet sind/ist.
  4. Regelvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stirnseitige Wandung des Kolbens ein mit dieser stirnseitigen Wandung mechanisch verbundenes Dichtungselement aufweist.
  5. Regelvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben über eine Welle (35) mit dem Stellantrieb mechanisch verbunden ist, und die Welle ein mit ihr fest verbundenes mechanisches Anschlagelement (36) aufweist, wobei das Anschlagelement
    - im Innenraum des Innengehäuses und außerhalb des Kolbens angeordnet ist, oder
    - innerhalb des Ausströmraums und außerhalb des Innengehäuses angeordnet ist,
    und dabei so angeordnet ist, dass ein vollständiges Verschließen der Öffnung, welche über die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung definiert ist, verhinderbar ist.
  6. Regelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Anschlagelement entlang der Welle in axialer Richtung in seiner Position veränderbar ist, insbesondere in Abhängigkeit von den vorherrschenden Betriebsbedingungen in seiner Position veränderbar ist.
  7. Regelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Anschlagelement in Abhängigkeit von der Temperatur des gekühlten Prozessgases und/oder der Temperatur des ungekühlten Prozessgases entlang der Welle in axialer Richtung in seiner Position veränderbar ist.
  8. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Anschlagelement in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad der zumindest einen Kaltgasleitung und/oder vom Verschmutzungsgrad der zumindest einen Heißgasleitung entlang der Welle in axialer Richtung in seiner Position veränderbar ist.
  9. Regelvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben über einen Stellantrieb (27b) in radialer Richtung drehbar ist, so dass die frei durchströmbare Querschnittsfläche der zweiten Kolbeneintrittsöffnung durch das Drehen des Kolbens in radialer Richtung veränderbar ist.
  10. Regelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben über einen ersten Stellantrieb (27a) in axialer Richtung verschiebbar ist und der Kolben über einen zweiten Stellantrieb (27b) in radialer Richtung drehbar ist.
  11. Regelvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben die Form eines geraden Hohlzylinders aufweist.
  12. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben die Form eines hohlen Kegelstumpfs aufweist, wobei sich der Durchmesser des Kegelstumpfs entlang der Durchflussrichtung der den Kolbeninnenraum durchströmenden Gase verringert.
  13. Wärmeaustauscher, aufweisend eine Regelvorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Wärmeaustauscher eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten und als Rohrbündel konfigurierten Kaltgasleitungen (13) aufweist, welche fluidisch mit dem Einströmraum verbunden sind, und wobei der Wärmeaustauscher eine zentral angeordnete Heißgasleitung (20) aufweist, welche einen größeren Durchmesser aufweist als die Kaltgasleitungen.
  14. Wärmeaustauscher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltgasleitungen jeweils ein Einlassende und ein Auslassende aufweisen, und die Heißgasleitung ein Einlassende und ein Auslassende aufweist, wobei die Auslassenden der Kaltgasleitungen in den Einströmraum übergehen und das Auslassende der Heißgasleitung in das Innengehäuse übergeht, und wobei die Einlassenden der Kaltgasleitungen und das Einlassende der Heißgasleitung in einen Prozessgaseinströmraum übergehen, wobei der Prozessgaseinströmraum über einen Prozessgaseinlassstutzen verfügt.
  15. Verwendung der Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder des Wärmeaustauschers nach einem der Ansprüche 13 oder 14 zur Abkühlung von Synthesegas aus einem Dampfreformer oder einem autothermen Reformer.
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