Beschreibung
Rohrbündelwirmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmetauscher mit einem Behälter, einem Einströmraum für den in die
Austauschrohre einströmenden Heizflächenstrom, einem den Wärmetauscher etwa mittig und parallel zu den
Austauschrohren durchsetzenden Teilstromrohr, einem
Ausströmraum für den aus den Austauschrohren strömenden Heizflächenstrom, einem über mindestens eine
Verbindungsöffnung mit dem Ausströmraum verbundenen
Abströmraum, einer dem Ausströmende des Teilstromrohres zugeordneten Regelkammer mit mindestens einem in der Regelkammer angeordneten und von außen betätigbaren
Regelg lied.
Bei dem aus der DE-AS 28 46 455 bekannten
Rohrbündelwärmetauscher ist zur Einhaltung
gleichbleibender Austrittstemperatur eines der beiden Medien vorgesehen, daß zum Aufbau einer Regeleinrichtung das teilweise oder ganz isolierte Teilstromrohr mit einer Verlängerung versehen ist und der Ausströmöffnung des Teilstromrohres eine Trennwand mit einer auf die
Verlängerung ausgerichteten Öffnung gegenübersteht. In der Verlängerung des Teilstromrohres ist ein axial
verschiebbarer Hohlzylinder angeordnet, der einen größeren
Durchmesser als die Öffnung zeigt. Zum Hinundherverschieben des Hohlzylinders ist eine mit ihm durch Rippen verbundene und aus dem Ausströmraum durch den Abströmraum nach außen führende axial verschiebbare Stange vorgesehen, die an ihrem in der Verlängerung befindlichen Ende eine
Abdeckplatte aufweist, die zum Hohlzylinder hin einen ringförmigen Querschnitt freigibt. In der inneren
Endstellung deckt die Abdeckplatte die Kontur des
Teilstromrohres dichtend ab. In der äußeren Endstellung der Stange wird der Hohlzylinder im Ausströmraum dichtend gegen die Trennwand gedrückt und in einer axialen
Zwischenstellung des als Versch Lußstück dienenden
Hohlzylinders mit Abdeckplatte ist axial beidseitig je ein ringförmiger Querscnitt gegeben.
Durch Verstellen der axialen Stellung des Verschlußstückes wird somit erreicht, daß bei öffnen des Teilstromrohres, das vom Gas ohne nennenswerten Wärmetausch durchströmt wird, automatisch der Druckverlust über die
Wärmeaustauschrohre erhöht wird, um somit eine
Zwangs rege lung zu erreichen. In der inneren Endstellung des Verschlußstückes wird der gesamte Heißgasstrom durch die Austauschrohre geführt, so daß der gesamte
Heißgasstrom am Wärmetausch teilnimmt.
Bei dem bekannten Rohrbündelwärmetauscher muß die Stange über eine eine axiale Gleitbewegung zulassende Dichtung nach außen geführt werden. Diese Dichtungen erfordern einen erheblichen Aufwand. Weiterhin erfolgt keine
ausreichende Kühlung der Elemente der Regeleinrichtung, die dem heißen Teilgasstrom ausgesetzt sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von. der DE-As 28 46 455 einen Wärmetauscher zu schaffen, bei dem der Dichtungsaufwand vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Regelglied um
eine zur Achse des Teilstromrohres senkrechte Achse mittels einer durch den Behältermantel radial nach außen geführten Welle verschwenkbar ist.
Da das Regelglied durch eine Drehbewegung verstellt wird, braucht die nach außen geführte Welle im Behältermantel nur gegen eine solche Bewegung abgedichtet zu werden.
Vorzugsweise sind die Regelkammer und ein in ihr
verschwenkbar angeordneter, um seine Achse drehbarer RegeIzylinder senkrecht zur Achse des Teilstromrohres stromauf der Verbi ndungsδff nung angeordnet, sind in mindestens einer Kopfplatte der Regelkammer und der zugeordneten Kopfplatte des Regelzylinders öffnungen vorgesehen, die durch Drehen des RegeIzylinders in
Überdeckung bringbar sind, um aus den Austauschrohren ausströmendes Medium in das Innere des RegeIzylinders zu leiten, sind in der Mantelfläche des Regelzylinders und in der Mantelfläche der Regelkammer öffnungen vorgesehen, wobei die öffnungen in Kopfplatten bzw. in den
Mantelflächen in vorgegebener WinkeIstelLung zueinander angeordnet sind.
Bei dieser vorzugsweise für niedrigere Gastemperaturen geeigneten Ausbildung von Regelkammer und Regelglied wird zumindest ein Teil des kühleren Heizflächenst romes direkt innerhalb des Regelzylinders mit dem Teilstrom in
Berührung gebracht, gemischt und somit die
Regeleinrichtung kalt gehalten.
Die Lagerung und Abdichtung des Regelzylinders in der zylindrischen Regelkammer erfolgt mittels
Keramikringelementen.
Zur weiteren Verbesserung der Kühlung von Regelkammer und Regelzylinder ist die Regelkammer von einem Kühlgehäuse umgeben, das mit aus den Austauschrohren ausströmenden
Medium beaufschlagbar ist.
In der Verbindungsöffnung ist zur Verbesserung der
Mischung des aus der Regelkammer abströmenden Mediums und der Einmischung des aus dem Gehäuse abströmenden Mediums ein sich in Strönungsri chtung aufweitender Abströmtrichter mit innenliegendem Mischkonus angeordnet, wobei in dem Abströmtrichter Einst römöffnungen für das aus dem
Kühlgehäuse austretenden Medium vorgesehen sind.
Es ist von Vorteil, wenn aus Druckverlustgründen nicht der ganze aus den Wärmeaustauschrohren austretende
Heizflächenstrom in den Regelzylinder eintritt. Zu diesem Zwecke ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Ausströmraum und dem Abströmraum mindestens eine weitere ungeregelte Zusatzverbindungsöffnung vorgesehen ist.
Für den Einsatz in einem höheren Temperaturniveau, z. B. im Temperaturniveau von 1000 bis 1100°C kann vorzugsweise der Wärmetauscher eingesetzt werden, bei dem der
Ausströmraum mit mindestens einem in den Abströmraum vorragenden Abströmkanal verbunden ist, und bei dem in einer Verlängerung des TeiIstromrohres und in dem
Abströmkanal jeweils eine auf gemeinsamer Welle sitzende Regelklappe vorgesehen sind, wobei die Regelklappe in der Verlängerung des Teilstromrohres über die gemeinsame Welle gekühlt ist und beide Regelklappen um einen vorgegebenen Winkel versetzt an der Betätigungswelle befestigt sind. Zweckmißigerweise erfolgt die Zufuhr und gegebenenfalls die Abfuhr des Kühlmittels über die Betätigungswelle.
Durch die vorzugsweise als Zwangskühlung ausgestaltete Kühlung der Regelklappe in der Verlängerung des
Teilstromrohres kann die Klappe mit einem heißen Teilstrom beaufschlagt werden.
Die Verlängerung des Teilstromrohres kann einstückig mit
dem Rohr oder als gesondert gefertigter Rohrabschnitt ausgebi Idet sein.
Um die Zwangskühlung der Teilstromregelklappe zu
verbessern, ist es zweckmäßig, in ihr ein Kühlkanalsystem vorzusehen.
Weiterhin ist es zweckmäßig, die Verlängerung des
Teilstromrohres zu kühlen, wenn das gesamte Gewicht der Regeleinrichtung auf der Verlängerung des Teilstromrohres abgestützt ist.
Um die Einmischung des Heizflächenstromes in den aus dem Teilstromrohr austretenden Strom zu verbessern, ist es zweckmäßig, wenn sich der Abströmkanal senkrecht zur Erst reckungsrichtung des Teilstromrohres öffnet.
Wenn die Welle zur Betätigung der Regelklappen aus zwei kuppelbaren Teilstücken besteht, ist es darüberhinaus zweckmäßig, daß zur überbrückung der Kupplung bezüglich der Kühlmittelführung eine Rohrspirale vorgesehen ist.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen
FIG. 1 einen Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform des Wärmetauschers,
FIG. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in FIG. 1,
FIG. 3 einen Teilschnitt durch eine zweite
Ausführungsform des Wärmetauschers und
FIG. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in FIG. 3.
In einem Behälter 1 sind Austauschrohre 2 und ein
Teilstromrohr 3 angeordnet. Die Rohre erstrecken sich von
einem nicht gezeigten und einen Einströmraum begrenzenden Rohrboden zu einem Rohrboden 4. In den Raum zwischen dem Mant e l 1 a und den be i de n Ro h rböden w i rd e i n Küh l med i um eingeführt und abgezogen.
An dem Rohrboden 4 ist ein einen Ausstrδmraum 5
begrenzendes Gehäuse 6 befestigt. Anstelle des Gehäuses 6 könnte - wie bei der DE-AS 28 46 455 - auch nur eine sich parallel zum Rohrboden 4 erstreckende Trennwand vorgesehen sein. Diese Trennwand müßte dann aber die in der FIG. 1 dargestellte Isolierung 7 durchsetzen.
Das Teilstromrohr 3 mit seiner Innenisolierung 3a ist in das Gehäuse 6 hinein verlängert. Mit seinem freien Ende ist eine sich senkrecht zur Achse des Teilstromrohres erstreckende zylindrische Regelkammer 8 mit einer oberen Kopfplatte 8a und einer unteren Kopfplatte 8b befestigt.
Im Inneren der Regelkammer ist ein RegeIzylinder 9 mit einer oberen Kopfplatte 9a und einer unteren Kopfplatte 9b angeordnet. Die Regelkammer 8 weist an ihrem oberen Ende eine Aufweitung 8c auf, an deren Aufweitungsdurchmesser der Durchmesser der oberen Kopfplatte 9a des
Regelzylinders derart angepaßt ist, daß der RegeIzylinder sich auf der Regelkammer unter Zwischenschaltung eines Keramikringelementes 10 abstützen kann. Der Durchmesser von Regelkaramer 8 und Rege Izy li nder 9 ist so gewählt, daß durch weitere Keramikringelemente 11 und 12 eine radiale AbStützung des Regelzylinders 9 in der Regelkammer gegeben ist. Durch eine öffnung 13 in der oberen Kopfplatte 8a erstreckt sich eine mit der Kopfplatte 9a verbundene
Betätigungswelle 14 radial durch das Gehäuse 6, die
Isolierung 7 und den Behältereantel 1a nach außen.
Das Teilstromrohr 3 und die Regelkammer 8 sind über eine öffnung 15 miteinander verbunden und das in die Regelkammer einströmende Medium kann über eine der öffnung 15
gegenüberliegende Öffnung 16 aus der Regelkammer
austreten. Mit der Öffnung 16 der Regelkammer ist ein sich durch eine Öffnung 6a in der Stirnwand des Gehäuses 6 erstreckender und sich in Ausströmrichtung des Mediums gesehen aufweitender Abströmtrichter 17 mit innenliegendem und über Stege 18 aufgehängten Mischkonus 19 verbunden. In der Mantelf läches des Regelzylinders 9 sind eine der
Öffnung 15 zugeordnete Öffnung 20 und einer der Öffnung 16 zugeordnete Öffnung 21 der aus den FIG. 1 und 2
ersichtlichen Geometrie vorgesehen.
Weiterhin sind in den Kopfplatten 8a und 8b der
Regelkammer drei um 120º versetzt angeordnete
Einströmöffnungen 8e und 8f vorgesehen.
Weiterhin sind in den Kopfplatten 9a und 9b des
Regelzylinders ebenfalls drei um 120° versetzte
Durchströmöffnungen 9c und 9d in der aus den FIG. 1 und 2 ersichtlichen Stellung relativ zueinander und zu den
Öffnungen 20 und 21 angeordnet.
Bei der in den FIG. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform sind die Kopfplatten 8a und 8b der Regelkammer integrale
Bestandteile zweier Gehäusewände 22a und 22b, die sich von der Rohrwand 4 zur Stirnseite des Gehäuses 6 erstrecken. Zusammen mit Wänden 22c und 22d bauen sie ein Kühlgehäuse 22 auf, in das ein Teil des Heizflächenstromes durch
Öffnungen 23 einströmen kann, um die Außenfläche der Regelkammer 8 zu kühlen. Aus dem Gehäuse strömt das
Kühlgas über in dem Trichter 17 vorgesehene Öffnungen 24 ab und wird in den aus dem Regelzylinder austretenden Gasstrom eingemischt, ehe dieser in einen Abströmraum 25 eintritt.
Es kann zweckmäßig sein, daß neben den in die Regelkammer eintretenden Teilstrom A. des Hei zf lächentei Istromes A ein anderer Teilstrom A2 ungeregelt über in der Stirnseite des
Gehäuses 6 vorgesehene und vorzugsweise auf die Achse des Rohres 3 zugerichtete Ausströmkanäle 26 in den Abströmraum eintritt.
Bei der in den FIG. 1 und 2 gezeigten Stellung strömt der gesamte Teilstrom B aus dem Teilstromrohr durch den
Regelzy li nder und tritt ohne Zumischung eines Anteiles des Heizflächenstromes A in die Ausströmkammer 25. Bei einer Drehung der Welle 14 um 60 gelangen die öffnungen 9c unter die öffnungen 8e und die öffnungen 9d über die öffnungen 8f, so daß ein Teil A1 des Heizflächenstromes in das Innere des Regelzylinders 9 einströmen kann. Die
Öffnung 15 ist durch den Mantel des Regelzylinders 9 verschlossen. Die Öffnung 21 deckt einen solchen
Umfangswinkel ab, daß auch bei Drehung um 60 das in den Zylinder eingeströmte Medium ungehindert durch den
Abströmtrichter 17 austreten kann.
In den Zwischenstellungen erfolgt eine entsprechende anteilige Vermischung von Heizflächenstrom A1 und
Teilstrom B. Durch diese St römungsfύhrung der Ströme erfolgt in dem Innneren des Regelzylinders 9 bereits eine intensive Mischung, die durch den Trichtereinbau 17, 18, 19 unterstützt wird.
Zur Kühlung von Regelkammer 8, Verlängerung des
Teilstromrohres 3 und des Abströmtrichters 17 tritt durch die öffnungen 23 ein Teil A3 des Heizflächenstromes ein und strömt durch die öffnungen 24 wieder ab. Aus
Druckverlustgründen wird ein Teil A2 des
Heizflächenstromes A über die öffnungen 26 ungeregelt abgeführt.
Die ganze Baugruppe kann durch ein Mannloch 6b im Gehäuse und ein nur skizziertes Mannloch 1b, 7a im Mantel ein- und ausgebaut werden. Zum Betätigen der Welle 14 ist ein Hebel 14a oder ein nicht dargestellter pneumatischer oder
elektrischer Antrieb vorgesehen.
Selbstverständlich kann auch eine andere Anordnung der Einströmöffnungen und Durchst römδffnungen in den
Kopfplatten von Regelkammer und RegeIzylinder vorgesehen sein. Es kommt nur darauf an, daß eine Zwangsregelung zwischen Teilstrom B und Heizflächenstrom A erfolgt, und daß der heiße Teilstrom möglichst schnell mit dem
Heizflächenstrom in Berührung kommt, sich mischt und damit das Regelorgan selbst kalt gehalten wird.
Bei der Aus führungsform gemäß den FIG. 3 und 4 ist auf der Abströmseite des Rohrbodens 4 ein ringartiges Gehäuse 30 angeordnet, dessen Inneres den Ausströmraum 31 begrenzt. Von der Stirnseite des Gehäuses 30 erstrecken sich zwei gegenüberliegende Abströmkanäle 32 und 33 in den
Abströmraum 25 hinein. Mittig zu dem ringartigen Gehäuse 30 erstreckt sich das ebenfalls mit einer Innenisolierung versehene Teilstromrohr 3.
In dem vorderen Ende der Verlängerung des Teilstromrohres 3 ist eine gekühlte kreiszylindrische Regelklappe 34 angeordnet, während in den einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Abströmkanälen 32 und 33 jeweils eine
rechteckige ungekühlte Regelklappe 35 bzw. 36 angeordnet ist. Die Regelklappen 35 und 36 sind zur Vereinfachung der Darstellung um 90° verdreht dargestellt, d. h. sie
erstrecken sich tatsächlich senkrecht zur Ebene der
Regelklappe 34.
Die Regelklappen 35 und 36 die aus je zwei klappentei len bestehen, sind mit einer gekühlten Welle 37 verschweißt, in die die Regelklappe 34 integriert ist. Die Welle 37 ist radial nach außen durch den Behältermantel 1a
hindurchgeführt. Bei der gezeigten Ausführungsform strömt Kühlmittel K durch einen ersten hohlen Wellenabschnitt 37a und tritt von dort in eine eine Kupplung 38 in der Welle
überbrückende Rohrspirale 39 ein. Aus dieser Rohrspirale 39 strömt das Kühlmittel in einen Wellenabschnitt 37b und von dort in einen Kanal 34a der Regelklappe 34, das das Kühlmittel zunächst über die gesamte linke Halfte (in FIG. 3) der Regelklappe führt. Danach strömt das Kühlmittel in einen weiteren Rohrabschnitt 37c der Welle 37 und wird an dem unteren Ende dieses Rohrabschnittes in einen in dem Rohrabschπi tt 37c konzentrisch angeordneten weiteren
Rohrabschntt 37d eingeleitet. Aus diesem Rohrabschnitt tritt das Kühlmittel in einen Kanal 34b ein, in dem es in der in der FIG. 3 rechten Hälfte der Regelklappe 34 geführt wird. Das Kanalsystem in der Regelklappe 34 kann aus einem zylindrischen Block gefräst werden und dann mit einer aufgeschweißten Platte abgedeckt werden. Es ist jedoch auch möglich, zwischen zwei Kreisscheiben mittels Stegen und einem umlaufenden Mantel ein solches
Kanalsystem auszubilden. Das Kühlmittel tritt dann in einen im Abschnitt 37b angeordneten Rohrabschnitt 37f ein, der zusammen mit dem Rohrabschnitt 37b einen Ringraum zur Führung des Kühlmittels nach unten bestimmt. An dessen oberem Ende ist eine Öffnung 37e vorgesehen, aus dem das Kühlmittel in den Abströmraum 25 austreten kann. Diese Konstruktion kann dann verwandt werden, wenn z. B.
Dampf/Wasser als Kühlmittel verwendet wird und der sich bildende Dampf ohne weiteres in das im Wärmetauscher zu kühlende Produktgas einströmen kann. Falls dieses nicht möglich ist, wird durch einen nicht näher dargestellten weiteren konzentrischen Rohreinsatz das Kühlmittel
außerhalb des Behälters geleitet.
Das in den Abströmraum vorragende Ende des Teilstromrohres
3 wird ebenfalls von außen mittels eines Kühlmittels gekühlt, wobei auf der Rohraußenseite eine Kühlschlange 40 mit einer in Richtung auf die Rohrplatte 4 vorlaufenden
Wicklung 40a und innerhalb dieser eine auf das freie Ende der Verlängerung zurücklaufenden Wicklung 40b vorgesehen ist. Auch hier kann das Kühlmittel aus der im freien Ende
der rücklaufenden Wicklung 40b austreten und über einen um das freie Ende des Teilstromrohres vorgesehenen Ringraum 41 in den Ausströmraum eintreten. Auf diese Weise wird auch der Sitz der Regelklappe besonders gekühlt. Weiterhin ist gemäß der FIG. 3 auf der Innenseite des Rohres eine Kerami kbeschi chtung 42 aufgetragen, um einen abriebfesten Ventilsitz zu erreichen.
Wie aus den FIG. 3 und 4 ersichtlich ist, öffnen sich die Abst rδmkanäle 32 und 33 aufeinander zu, so daß der aus ihnen austretende Hei zf lächentei Istrom AA1 bzw. AA2 in den von der Regelklappe 34 durchgelassenen Teilstrom B
eingemischt wird. Bei der in der FIG. 3 gezeigten Stellung der Regelklappe 34 sind (unter Berücksichtigung der tatsächlichen Stellung der Klappen 35 und 36) das
verlängerte Ende des Teilstromrohres völlig geöffnet und die Strömungsquerschnitte der Abströmkanäle 32 und 33 geschlossen.
Auch bei dieser Ausführungsform kann durch die Kühlung der Außenseite des überstehenden Teilstromrohres die gesamte Kraftaufnahme durch dieses Teilstromrohr erfolgen, d. h. die Regeleinrichtung ist im wesentlichen an dem
überstehenden Ende des Teilstromrohres aufgehängt. Durch die Anordnung der Kühlkanäle ist nicht nur die Regelklappe 34 zwangsgekühlt, sondern auch die Welle selbst und die Lagerung der Regelklappe. Es ist von Vorteil, wenn das Gehäuse 30 und die Abströmkanäle 32 und 33 abnehmbar sind, da dann der Rohrboden ohne Schwierigkeiten inspiziert werden kann. Selbstverständlich kann auch hier anstelle des angedeuteten Betätigungshebels 37g ein motorischer Antrieb vorgesehen sein. Falls das Kühlmittel für die Kühlung des Überstandes des Teilstromrohres 3 nicht mit in den
Produktgasstrom abgeführt werden kann, muß auch eine
Rückleitung vom Kühlmittel aus der Doppelwicklung 40a/40b vorgesehen sein.
(Hierzu 4 Blatt Zeichnungen)