NO138919B - Varmeveksler for kjoeling av varme gasser - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en varmeveksler for kjøling av varme gasser, omfattende et gasstilførselsrom utstyrt med en eller flere gasstilførselsledninger, et kjølerom utstyrt med en eller flere gassutløpsledninger, en eller flere kjølemiddeltilførsels-ledninger og en eller flere kjølemiddelutløpsledninger, en skilleplate som adskiller gasstilførselsrommet fra kjølerommet og gjennom hvilken det passerer ett eller flere gassrør hvis innløpsender er anbrakt i gasstilførselsrommet og ved kjølerør i kjølerommet er forbundet med kjølerommets gassutløpsledninger, idet hvert av gassrørene i gasstilførselsrommet er omgitt av en kjølekappe som passerer gjennom eller er forbundet med skilleplaten slik at rommene mellom gassrørene og kjølekappene står i forbindelse med kjølerommet, mens endene av gassrørene i gasstilførselsrommet er forbundet med endene av kjølekappene, og rommene mellom gassrørene og kjølekappene nær forbindelsene mellom gassrørene og kjølekappene er forbundet med tilførselsledninger for kjølemiddel.

Varmevekslere for kjøling av varme gasser må av øknomiske grunner ofte anvendes ved en stor trykkforskjell mellom de varme gasser som kjøles, og kjølemiddelet. Dette skjer f.eks.

i en prosess hvor en varmeveksler, i hvilken vann benyttes som kjølemiddel, for effektivitetens skyld må fremstille damp som har et mye høyere trykk enn de gasser som skal kjøles. Under hen-syntagen til den store temperaturforskjell og de trykkforhold ved hvilke en varmeveksler av denne type drives, er de mekaniske på-kjenninger og belastninger som varmeveksleren utsettes for, meget høye. Av denne grunn innebærer konstruksjonen av en varmeveksler som er egnet til å virke under disse forhold store tekniske vanskeligheter. Følgelig er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en konstruksjon for en varmeveksler med hvilken disse vanskeligheter kan bortskaffes.

En særlig teknisk vanskelighet er konstruksjonen

av skilleplaten mellom varmevekslerens gasstilførselsrom og kjøle-rom, da det er denne del som utsettes for de mest drastiske forhold. I tilfelle varmeveksleren har en liten diameter kan det ved valg

av en passende tykkelse av metallet i skilleplaten fåes en plate som er sterk nok til å tillate drift ved større temperatur- og trykkforskjeller, da den samlede kraft som virker på denne plate =; er relativt liten. Når det imidlertid dreier seg om varmevekslere med stor diameter, hvor den samlede kraft som virker på skilleplaten, blir meget stor som et resultat av den store trykkforskjell, er det ikke tilstrekkelig å konstruere en skilleplate av meget tykt metall, da en større metalltykkelse innebærer en høyere gjennom-snittstemperatur av metallet, slik at styrken av dette reduseres. Videre blir temperaturforskjellen tvers over skilleplaten meget

stor slik at varmepåkjenninger oppstår, og et resultat av dette er at platen er tilbøyelig til å bryte sammen. Av denne grunn tilsikter den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en varmeveksler som har en stor diameter hvis skilleplate er konstruert på en slik måte at en sikker drift sikres under tilstander med meget store temperatur- og trykkforskjeller.

For oppnåelse av de ovenfor angitte formål er

det tilveiebrakt en varmeveksler av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at de deler av kjølekappene som ligger nær gassrørenes innløpsender, har en større innerdiameter enn kjølekappens midtre deler, og de deler av kjølekappene som ligger nær skilleplaten, har mindre innerdiameter enn kjølekappenes midtre deler, at kjølerommet er beliggende vertikalt over gasstilførselsrommet i en i hovedsaken sylindrisk beholder, at skilleplaten er i hovedsaken halvkuleformet, og at den konvekse side vender mot gasstilførselsrommet.

Et konsentrisk innvendig rør er fortrinnsvis anordnet i kjølerommet, hvilket rør danner et ringformet rom med kjølerommets ytre vegg. I dette tilfelle er de for kjøling bestemte rør viklet om det indre rør på en slik måte at de er jevnt fordelt over dette rom. Denne jevne fordeling bedrer varmeoverføringen mellom den varme gass i rørene og kjølemiddelet rundt rørene.

En eller flere kjølemiddeltilførselsledninger er fortrinnsvis forbundet med den øvre del av det konsentriske indre rør eller munner ut i den nedre del av dette. I dette tilfelle drives kjølemiddelet til å strømme nedover i det indre rør og oppover i det ringformede rom rundt det indre rør, mens ekstra,relativt kaldt kjølemiddel vil strømme langs skilleplaten. Ved denne trykksirkulasjon oppnås en meget god varmeoverføring mellom den varme skilleplate og kjølemiddelet og mellom de skruelinjeformet viklede rør og kjølemiddelet. .Som allerede nevnt ovenfor kan varmeveksleren om-fatte ett eller flere gassrør og kjølerør og gassutløpsledninger forbundet med samme. Generelt vil det valgte antall ikke over-stige 100 da et større antall i høy grad ville komplisere konstruksjonen. Fortrinnsvis brukes 2-50 gassrør, kjølerør og gass-utløpsledninger .

Den innvendige diameter av kjølerommet kan velges innen vide grenser, avhengig av den ønskede grad av kjøling og den ønskede kapasitet av apparatet. Det samme gjelder den indre lengde av kjølerommet.

Av praktiske grunner velges den indre diameter fortrinnsvis i området fra 0,5 - 10 m og den indre lengde i området fra 3 - 30 m. Imidlertid foretrekkes at diameteren og lengden av kjølerommet ligger innenfor henholdsvis 1 - 5 og 5 - 20 m.

Den ytre omkrets av gasstilførselsrommet er fortrinnsvis lik kjølerommets omkrets slik at veggene av de to rom ligger på linje med hverandre. På grunn av den meget høye temperatur ved hvilken gassene kan bli ført inn i gasstilførselsrommet er dette rom fortrinnsvis foret på innsiden med et lag av ild-

fast materiale.. Tykkelsen av dette materiale er fortrinnsvis valgt i området fra 200 til 400 mm. Dette materiale er valgt slik at det har en varmeledningsevne i området fra 0,5 - 10 watt/m°C.

Gassrørenes innløpsender er som nevnt anbrakt inne

i gasstilførselsrommet. Grunnen til dette er å hindre at skilleplaten mellom gasstilførselsrommet og kjølerommet kommer i direkte kontakt med de varme gasser. Skilleplaten ville ellers bli for varm og følgelig for svak til å motstå den høye trykkforskjell mellom kjølerommet og gasstilførselsrommet. Ved det angitte arrangement strømmer de varme gasser ut gjennom innløpsendene av gassrørene uten å komme i kontakt med skilleplaten. For å opp-

rettholde riktig avstand mellom gassrørenes innløpsender og skilleplaten kan de partier av gassrørene som befinner seg i gasstil-førselsrommet, passende ha en lengde i området fra 0,2 - 4 m, og fortrinnsvis i området fra 0,4 - 2,5 m.

Slik som foran angitt, er også hvert av gassrørene omgitt av en kjølekappe på en slik måte at de ringformede rom mellom gassrørene og kjølekappene er forbundet med kjølerommet, mens gassrørenes innløpsender er forbundet med endene av kjølekappene. På denne måte kan hvert enkelt gassrør lett kjøles med kjølemiddel. Da tilførselsledningen for kjølemiddel er tilknyttet nær gass-rørenes innløpsender, blir disse best kjølt. Dette er nødvendig fordi den innstrømmende gass har denhøyeste temperatur ved dette punkt. Dårlig kjøling ville resultere i at også gassrørenes inn-løpsender får en meget høy temperatur som de ikke ville være i stand til å motstå.

Det kan skilles mellom tre deler av kjølekappene for gassrørene i gassinnløpsrommet, nemlig en første del nær gass-rørets innløpsende, en andre del som passerer gjennom skilleplaten og en tredje del som befinner seg mellom de to andre deler. Som foran angitt er kjølekappene i varmeveksleren ifølge oppfinnelsen

■formet på en slik måte at de deler som er nær gassrørenes inn-løpsender, har større indre diameter enn den indre diameter av midtdelene,. mens...de ..deler som går gjennom skilleplaten har en mindre indre diameter enn den indre diameter av de midtre deler.

En -fordelaktig utførelse av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at de deler av kjølekappene som ligger nær gassrørenes innløpsender, er forbundet med aksiale, rørformede skilledeler som oppdeler hvert av de ringformede rom mellom kjølekappene og gassrørene i to deler som står i åpen forbindelse med hverandre nær forbindelsen mellom gassrørenes inn-løpsender og kjølekappene. På denne måte sikres at kjølemiddelet som føres inn i de ringformede rom gjennom tilf^rselsledningene som er forbundet med kjølekappene, drives til å strømme direkte langs gassrørenes innløpsender. På denne måte blir disse innløps-ender optimalt kjølt, hvilket er viktig fordi de kommer i kontakt med varme gasser som ennå ikke er blitt utsatt for noen kjøling.

Forskjellen mellom den indre diameter av den del av en kjølekappe som er nær gassrørets innløpsende og den utven-dige diameter av gassrøret, er fortrinnsvis valgt i området fra 8-80 mm. Hvis tykkelsen av det ringformede rom mellom kjøle-kappen og gassrøret er mindre enn 8 mm, er det vanskelig å

feste i dette en aksial rørformet skilledel til kjølekappen.

Hvis tykkelsen av dette rom er større enn 80 mm, blir de ytre diametre av kjølekappene så store at bare et lite antall gassrør kan anordnes i gasstilførselsrommet.

Høyden av den aksiale, rørformede skilledel er fortrinnsvis i området fra 80 - 1450 mm, mens delene av kjøle-kappene som er nær gassrørenes innløpsender, og som har en større indre diameter enn de øvrige kjølekappedeler, har en lengde i området fra 82 - 1500 mm. Følgelig gjenstår en passasje mellom den nedre del av de aksiale rørformede skilledeler og forbindelsene av kjølekappene med gassrørenes innløpsender, hvilkan passasje fortrinnsvis har en høyde på fra 2 - 50 mm og mest fordelaktig på ca. 20 mm.

Som ovenfor angitt har de deler av kjølekappene

som går gjennom skilleplaten mindre diameter enn den midtre del av kjølekappene. Grunnen til dette er at det derved tilveie-bringes en motstand mot kjølemiddelet som strømmer langs gass-rørene gjennom skilleplaten inn i kjølerommet. På denne måte opp-nåes en jevn fordeling av kjølemiddelet over hele kjølekappene.

Av praktiske grunner er forskjellen mellom den indre diameter av den del av kjølekappen som passerer gjennom skilleplaten og den ytre diameter av et gassrør, fortrinnsvis valgt mellom 2 og 20 mm.

For å frembringe en god motstand for kjølemiddelet som strømmer til kjølerommet, må de smale ringformede rom mellom kjølekappenes øvre deler og gassrørene ha en viss lengde, og denne er fortrinnsvis fra 100 - 400 mm.

Kjølemiddelet strømmer fra de relativt vide inn-løpsender gjennom de midtre deler av de ringformede rom mellom gassrørene og kjølekappene til de forholdsvis smale utløpsender av' de ringformede rom. Disse midtre deler av de ringformede rom har fortrinnsvis en tykkelse i området fra 2 - 40 mm.

Temperaturen av kjølemiddelet som strømmer gjennom de ringformede rom mellom gassrørene og kjølekappene, er for-

trinnsvis valgt lav nok til å unngå dampdannelse i disse rom,

da dampdannelse resulterer i forstyrrelse av kjølemiddelstrømmen således at kjølingen blir utilstrekkelig.

Som foran angitt bør skilleplaten mellom kjøle-rommet og gasstilførselsrommet holdes så kald som mulig. For dette formål kan den nedre del av skilleplaten isoleres med ildsikkert materiale. Eksempelvis kan det benyttes en matte eller et lag av asbestfibre eller mineralull, eller et lag av keramisk materiale.

En mer foretrukket metode for å isolere skilleplaten fra de varme gasser i gasstilførselsrommet består i å anordnet en kjøler i dette rom. En utførelse ifølge oppfinnelsen er således kjennetegnet ved at en kjøler er anordnet i gasstil-førselsrommet, hvilken kjøler omslutter gassrørenes kjølekapper,

og med hvilken en eller flere kjølemiddeltilførselsledninger og en eller kjølemiddelutløpsledninger er forbundet. Denne kjøler er fortrinnsvis kasseformet og er avgrenset av to plane plater anordnet i to plan vinkelrett på gasstilførselsrommets midtakse,

og hvilke plater er forbundet ved en sylindrisk vegg anbrakt konsentrisk i forhold til nevnte midtakse, mens de to plane plater også er innbyrdes forbundet ved rør som omgir gassrørenes kjølekapper. Kjølerens sylindriske vegg har fortrinnsvis en diameter som ligger mellom diameteren av en sirkel som avgrenser de forenede kjølekapper og diameteren av gasstilførselsrommet.

Som angitt inneholder kjøleren rør som omgir kjøle-kappene for gassrørene. Det må være noe klaring mellom disse rør og kjølekappene for å absorbere virkningen av krymping og utvidelse når varmeveksleren settes ut av drift og startes.

Denne klaring må imidlertid ikke være for stor, da det ellers

er fare for at for mye varm gass vil lekke ut gjennom klaringen til skilleplaten. Det er funnet at det beste resultat oppnås dersom forskjellen mellom den indre diameter av rørene som omgir gassrørenes kjølekapper og den ytre diameter av kjølekappene på

det sted hvor de er omgitt av rørene, ligger i området fra 0,5 -

3 mm.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende ved hjelp av to utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk riss av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser en detalj på fig. 1 i forstørret målestokk, og fig. 3 viser samme detalj som fig. 2, men med en innbygget kjøler for isolasjon av skilleplaten fra de varme gasser i gasstilførselsrommet.

På fig. 1 er vist en sylindrisk varmevksler be-stående av et gasstilførselsrom 1 og et kjølerom 2.

Gasstilførselsrommets metallkappe er betegnet 3, og kjølerommets metallkappe er betegnet 4, og kjølerommet er anordnet vertikalt over gasstilførselsrommet. De to metall-kapper er innbyrdes forbundet ved en flens .5. Gasstilførsels-rommet er foret med ildfast materiale 6 og utstyrt med en gass-tilf ørselsledning 7. Kjølerommet er utstyrt med fire gassut-<l>ø<p>sledninger 8, en tilførselsledning 9 for kjølemiddel og en utløpsledning for kjølemiddel. Gasstilførselsrommet og kjøle-rommet er adskilt ved en skilleplate 11 gjennom hvilken det passerer fire gassrør 12 som er forbundet med gassutløpsledninger 8 fra kjølerommet-;2 via fire skruelinjeformede kjølerør 13 som strekker seg gjennom det indre av kjølerommet. Bare ett av de fire kjølerør 13 er fullstendig vist på fig. 1, et annet er bare vist delvis og de to siste er utelatt. Gassrørenes 12 innløps-ender 14 er anbrakt i gasstilførselsrommet 1, og hvert gassrør er omgitt av en kjølekappe 15 som går gjennom skilleplaten 11. Rommene 16 mellom gassrørene 12 og kjølekappene 15 står i forbindelse med kjølerommet 2 slik som vist på fig. 2. Endene 14 av gassrørene 12 er forbundet med endene av kjølekappene 15. Rommene 16 mellom gassrørene 12 og kjølekappene 15 er forbundet med tilførselsledninger 17 for kjølemiddel. I kjøle-rommet 2 er anordnet et konsentrisk indre rør 18 rundt hvilket kjølerørene 13 er viklet skruelinjeformet. Tilførselsrøret 9 for kjølemiddel munner ut i den nedre ende av det konsentriske indre rør 18, som er festet til skilleplaten 11 ved hjelp av fire bæredeler 19 hvorav to er vist på tegningen. De deler av kjølekappene 15 som ligger nær gassrørenes 12 innløpsender 14,

er forbundet med aksiale rørformede skilledeler 20 som oppdeler de nedre partier av de ringformede rom 16 i to deler som står i åpen forbindelse med hverandre nær forbindelsene av gassrørenes 12 innløpsender 14 og kjølekappene 15.

Kjølemiddel strømmer inn i varmeveksleren gjennom tilførselsledningene 17. Det strømmer først nedover langs det indre av de ringformede skilledeler 20, deretter langs forbindelsene mellom gassrørenes 12 innløpsender 14 og kjølekappene 15 og deretter oppover langs det indre av de rørformede skilledeler. Gjennom de ringformede rom 16 strømmer kjølemiddelet inn i kjøle-rommet og forlater dette gjennom utløpsledningen 10.

Strømmen av kaldt kjølemiddel langs gassrørenes

12 innløpsender 14 sikrer at den.gjennomsnittlige temperatur av innløpsendene 14 holdes på en lav verdi i den periode da varme gasser strømmer gjennom varmeveksleren. Gassrørene 12 er følgelig forsterket, og varmeveksleren kan virke sikkert ved meget høye trykkforskjeller mellom de varme gasser og kjølemiddelet. Oppfinnelsen tillater en varmeveksler som har en indre diameter på fra 0,5 til 10 m å virke sikkert og på en enkel måte ved en trykkforskjell opp til 226 bar abs.

I den på fig. 3 viste utførelse er en kjøler 21 anordnet i gasstilførselsrommet 1 for det formål å isolere skilleplaten 11 fra de varme gasser i gasstilførselsrommet. Kjøleren 21 omslutter gassrørenes 12 kjølekapper 15, og én eller flere kjølemiddeltilførselsledninger 22 og én eller flere kjølemiddel-utløpsledninger 23 er forbundet med kjøleren. Kjøleren er som vist kasseformet og avgrenset av to plane plater 24 og 25 som er anordnet i to plan vinkelrett på gasstilførselsrommets midtakse. Platene er forbundet ved en sylindrisk vegg 26 som er konsentrisk med den nevnte midtakse, og platene er videre innbyrdes forbundet ved rør 27 som omgir gassrørenes 12 kjølekapper 15. Kjølerens sylindriske vegg 26 har en diameter som ligger mellom diameteren av en sirkel som avgrenser de forenede kjølekapper 15, og diameteren av gasstilførselsrommet. Avstanden mellom de to plane plater 24, 25 av kjøleren, dvs. kjølerens indre høyde, ligger fortrinnsvis i området 10 - 100 mm.

Claims (7)

1. Varmeveksler for kjøling av varme gasser, omfattende et gasstilførselsrom (1) utstyrt med en eller flere gasstilførsels-ledninger (7), et kjølerom (2) utstyrt med en eller flere gassut-løpsledninger (8), en eller flere kjølemiddeltilførselsledninger (9) og en eller flere kjølemiddelutløpsledninger (10), en skilleplate (11) som adskiller gasstilførselsrommet (1) fra kjølerommet (2) og gjennom hvilken det passerer ett eller flere gassrør (12) hvis innløpsender (14) er anbrakt i gasstilførselsrommet (1) og ved kjølerør (13) i kjølerommet (2) er forbundet med kjølerommets gassutløpsledninger (8), idet hvert av gassrørene (12) i gass-tilførselsrommet (1) er omgitt av en kjølekappe (15) som passerer gjennom eller' er forbundet med skilleplaten slik at rommene (16) mellom gassrørene (12) og kjølekappene (15) står i forbindelse med kjølerommet (2), mens endene (14), av gassrørene (12) i gass-tilførselsrommet (1) er forbundet med endene av kjølekappene (15),og rommene (16) mellom gassrørene (12) og kjølekappene (15) nær forbindelsene mellom gassrørene (12) og kjølekappene (15) er forbundet med tilførselsledninger (17) for kjølemiddel, karakterisert ved at de deler av kjølekappene (15) som ligger nær gassrørenes (12) innløpsender (14), har en større innerdiameter enn kjølekappenes (15) midtre deler, og de deler av kjølekappene (15) som ligger nær skilleplaten (11), har mindre innerdiameter enn kjølekappenes (15) midtre deler, at kjølerommet (2) er beliggende vertikalt over gasstilførselsrom-met (1) i en i hovedsaken sylindrisk beholder, at skilleplaten (11) er i hovedsaken halvkuleformet,. og at den konvekse side vender mot gasstilførselsrommet (1).

2. Varmeveksler, ifølge krav 1, karakterisert ved at et konsentrisk indre rør (18) er anordnet i kjølerommet (2) og at kjølerørene (13) er viklet skruelinjeformet rundt det konsentriske indre rør.

3. Varmeveksler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at en eller flere kjølemiddeltilførsels-ledninger (9) er forbundet med den øvre del av det konsentriske indre rør (18) eller munner ut i den nedre del av dette.

4. Varmeveksler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at de deler av kjølekappene (15) som ligger nær gassrørenes (12) innløpsender (14), er forbundet med aksiale, rørformede skilledeler (20) som oppdeler hvert av de ringformede rom (16) mellom kjølekappene (15) og gassrørene (12) i to deler som står i åpen forbindelse med hverandre nær forbindelsen mellom gassrørenes (12) innløpsender (14) og kjølekappene (15).

5. Varmeveksler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at en kjøler (21) er anordnet i gasstilførselsrommet (1), hvilken kjøler (21) omslutter gass-rørenes (12) kjølekapper (15) , og med hvilken en eller flere kjøle-middeltilførselsledninger (22) og en eller flere kjølemiddelutløps-ledninger (23) er forbundet.

6. Varmeveksler ifølge krav 5, karakterisert ved at kjøleren (21) er kasseformet og avgrenset av to plane plater (24, 25) anordnet i to plan vinkelrett på gass-tilf ørselsrommets midtakse, og hvilke plater er forbundet ved en sylindrisk vegg (26) anbrakt konsentrisk i forhold til nevnte midtakse, mens de to plane plater (24, 25) også er innbyrdes forbundet ved.rør (27) som omgir gassrørenes (12) kjølekapper (15) .

7. Varmeveksler ifølge krav 6, karakterisert ved at kjølerens (21) sylindriske vegg (26) har en diameter som ligger mellom diameteren av en sirkel som avgrenser de forenede kjølekapper (15) og diameteren av gasstilførsels-rommet (1) .