WO2010034292A2 - Rohrbündel-wärmetauscher zur regelung eines breiten leistungsbereiches - Google Patents

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WO2010034292A2
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medium flow
heat exchanger
cooling medium
way valve
tube bundle
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Jiri Jekerle
Klaus Dieter Rothenpieler
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Alstom Technology Ltd.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction

Definitions

  • Tube bundle heat exchanger for controlling a wide power range
  • the invention relates to a shell and tube heat exchanger for controlling a wide power range.
  • heat exchangers for the cooling of medium streams, especially gases in numerous process engineering systems, such. B. gasification plants, thermal and catalytic cracking systems, steam reforming plants, etc.
  • heat exchangers in particular shell and tube heat exchanger (cooler), used in which flow to be cooled medium flows through straight Schundrohre and thereby the existing heat of the hot medium flow through the pipe wall deliver to the cooling medium surrounding the tubes.
  • the main object of such a heat exchanger or shell-and-tube heat exchanger is the transfer of heat between two media, wherein one medium (hot medium) dissipates a certain amount of heat and the other medium (cooling medium) is supplied with an adequate amount of heat.
  • the amount of heat transferred is known to depend on the size of the heat exchanger, the heat transfer coefficients of the two media, and the temperature difference between the two media. With single-phase media, the medium temperature changes with the heat supply or heat dissipation.
  • the temperature profile over the length of the apparatus of the heat exchanger is in this case similar to an exponential function.
  • a shell-and-tube heat exchanger generally comprises a large number of heating surface tubes, a pressure jacket surrounding the heating surface tubes and forming a jacket space, and two tube plates, between which the heating surface tubes are arranged.
  • the one medium flows through the tube inlet chamber of the heat exchanger, then through the Schundrohre and the tube outlet chamber of the heat exchanger.
  • the second medium flows through a nozzle into the shell space of the Heat exchanger, flows around the individual heating surfaces several times tube and then flows through a second nozzle out of the heat exchanger.
  • the two media can flow in a heat exchanger or tube bundle heat exchanger in the same axial direction of the heat exchanger (DC) or one of the two media in the opposite direction to the other medium (countercurrent) within the heat exchanger.
  • the temperature profile of the heat exchange of the media in the countercurrent and direct current is different and therefore leads to a different high mean logarithmic temperature difference between the two media.
  • the amount of heat transferred between the two media is therefore different for both circuits, i. Countercurrent or DC circuit, different sizes.
  • the performance of the heat exchanger or shell-and-tube heat exchanger can be changed by fouling (deposits or contaminants within the heating surface tubes) or other influences with the operating time of the shell-and-tube heat exchanger, resulting in a need for control intervention.
  • the thermal performance of the tube bundle heat exchanger is often a bypass control, consisting of a bypass line and a three-way mixing valve, that is a controlled three-way valve used.
  • a part of the medium stream is taken from the main stream before being introduced into the tube bundle heat exchanger and guided or bypassed around the tube bundle heat exchanger.
  • the reduced flow rate of a medium reduces the heat transfer and influences the average logarithmic temperature difference via the changed medium outlet temperature.
  • the achievable with this bypass arrangement control range or control intervention is relatively small.
  • the object of the present invention is to provide a tube bundle heat exchanger with a bypass system, in which the aforementioned disadvantages are avoided or in which the outlet temperatures of the media and the amount of heat to be transferred in a very wide range is regulated.
  • the above object is achieved with respect to the tube bundle heat exchanger by the entirety of the features of claim 1.
  • a shell-and-tube heat exchanger with a wide control range is made available, allowing for better control of tube bundle heat exchangers at the cold end of a heat recovery line.
  • controllable three-way valve is arranged with respect to the cooling medium flow in the discharge side of the tube bundle heat exchanger.
  • the advantage of this arrangement is the exact controllability of the medium outlet temperature.
  • the other three-way valve is formed as a changeover next to a regulated three-way valve. With the three-way valve designed as a reversing valve, the complete cooling medium flow can be clearly directed into the front or rear end of the jacket space or out of the front or rear end of the jacket space and thus a direct or countercurrent flow of the cooling medium to the first medium flow in the jacket space can be achieved.
  • the three-way valve designed as a reversing valve with respect to the cooling medium flow in the inlet side of the tube bundle heat exchanger.
  • the other three-way valves in addition to the one regulated three-way valve, also a regulated three-way valve.
  • control technology can be controlled, which works as a switching valve of both three-way valves.
  • a flow measuring device is arranged within the bypass line.
  • this flow measuring device (s)
  • the partial flow rates within the bypass line can be precisely recorded and thus act as controlled variables on the control process and the regulated three-way valves.
  • the nozzle at the rear end of the pressure jacket and / or the nozzle at the front end of the pressure jacket in the direction of the longitudinal axis L of the tube bundle heat exchanger seen are each gleichholz. This results in a short path when flowing through the jacket space in the case of bypassing a partial mass flow of the cooling medium.
  • nozzle at the rear end of the pressure jacket and / or the nozzle at the front end of the pressure jacket relative to a lying perpendicular to the longitudinal axis L of the tube bundle heat exchanger level E lie on the latter in each case at an arbitrary angle ,
  • the resistance or the pressure loss of the bypassing partial flow of the cooling medium flow can be reduced or kept small.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a tube bundle heat exchanger, in which the cooling medium is passed in countercurrent through the heat exchanger
  • FIG. 2 as in FIG. 1, but with a partial flow of the cooling medium flow being guided through the second bypass line,
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a tube bundle heat exchanger shown schematically, in which the cooling medium is passed through the heat exchanger in cocurrent, FIG. 4 as in FIG. 3, but with a partial stream of the cooling medium stream being branched off before being passed through the medium of the tube bundle heat exchanger and being supplied to the discharge line, FIG.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment to FIG. 2,
  • Fig. 6 shows a cross section through the tube bundle heat exchanger shown schematically at the level of the nozzle and according to section A-A in Figure 1.
  • the tube bundle heat exchanger 1 shows a tube bundle heat exchanger 1 shown schematically in longitudinal section.
  • Such tube bundle heat exchanger 1 are used in numerous process engineering systems, such. As gasification plants, thermal and catalytic crackers, steam reforming plants, etc., required, in which a process gas, an exhaust gas or the like. Is produced.
  • the tube bundle heat exchanger 1 is generally used for cooling the aforementioned hot gas or a first medium stream 7, which is introduced through a pipe, not shown, in the pipe inlet chamber 9 of the tube bundle heat exchanger 1 and passed from here through a plurality of straight Schuzan 2 , then collected in the tube outlet chamber 10 of the tube bundle heat exchanger 1 and discharged by means not shown line from the tube bundle heat exchanger 1.
  • the Schuvidrohre 2 takes place through which an indirect heat exchange with the Schuvidrohre 2 surrounding cooling medium 8, are each spaced from each other between two tube plates 3, 4 and with these firm and gas-tight - usually welded - connected.
  • the entire Schuphilrohre 2 are covered by a jacket 5 forming a pressure jacket 6.
  • a jacket 5 forming a pressure jacket 6.
  • the better assignment because here is the adjacent to the tube outlet chamber 10 end of the pressure jacket 6 as the rear end 15th and the end of the pressure jacket 6 adjoining the tube inlet chamber 9 is referred to as the front end 16.
  • the two ports 11, 13 for the supply of the cooling medium flow 8 are each connected to a first and second bypass line 21 a, 21 b, both bypass lines 21 a, 21 b lead to a first three-way valve 19 and are each connected to this.
  • the feed line 17 is connected to the three-way valve 19, through which the cooling medium flow m 0 8 the tube bundle heat exchanger 1 is supplied.
  • the two connecting pieces 12, 14 are each connected to a third and fourth bypass line 22a, 22b, whereby both bypass lines 22a, 22b lead to a second three-way valve 20 and respectively to this for the discharge of the cooling medium flow 8 are connected.
  • the drain line 18 is connected to the three-way valve 20, through which the K ⁇ hlmediumstrom m 0 8 is discharged from the tube bundle heat exchanger 1.
  • one of the two three-way valves 19, 20 is designed to be adjustable.
  • Figures 1 and 2 show circuits of the tube bundle heat exchanger 1 according to the invention, in which the cooling medium flow 8 flows through the heat exchanger in countercurrent to the first medium flow 7.
  • Figures 1 and 2 show thereby preferred variants, which provides a three-way valve in the second three-way valve 20 in the discharge line 18 and the first three-way valve 19 in the supply line 17 designed as a change-over valve three-way valve. According to FIG.
  • the three-way valve 19 designed as a reversing valve is controlled in such a way that the inflow of the cooling medium flow 8 through the feed line 17 and the first bypass line 21 a is conducted into the rear end 15 of the jacket space 5 and the three-way valve 20 is controlled such that the complete supplied mass flow m 0 of the cooling medium flow 8 passed through the jacket space 5 and is discharged through the third bypass line 22 a and the drain line 18.
  • FIG. 2 shows no change with respect to the circuit of FIG. 1 with regard to the three-way valve 19 configured as a reversing valve, that is, the inlet of the cooling medium flow 8 takes place in the ⁇
  • the three-way valve 20 is controlled such that a partial flow m 2 of the complete mass flow supplied m 0 of the cooling medium flow 8 through the fourth bypass line 22 b and the remaining partial flow m, passed through the shell space 5 and through the third bypass line 22a and both partial flows m, and m 2 is derived jointly through the drain line 18.
  • Trained as a switching valve three-way valve 19 is a controlled guide member and passes the supplied cooling medium flow 8 to one of the two existing outputs, as there are the bypass lines 21 a and 21 b.
  • Figures 3 and 4 show circuits of the tube bundle heat exchanger 1 according to the invention, in which the cooling medium stream 8 flows through the tube bundle heat exchanger 1 in direct current to the first medium flow 7, ie both medium streams 7, 8 have the same direction within the tube bundle heat exchanger 1.
  • Figures 3 and 4 show as before in Figures 1 and 2 preferred variants, which provides a three-way valve in the second three-way valve 20 in the discharge line 18 and the first three-way valve 19 in the supply line 17 designed as a three-way valve.
  • FIG. 1 preferred variants, which provides a three-way valve in the second three-way valve 20 in the discharge line 18 and the first three-way valve 19 in the supply line 17 designed as a three-way valve.
  • the three-way valve 19 designed as a reversing valve 19 is controlled in such a way that the inflow of the cooling medium flow 8 is conducted through the second bypass line 21b into the front end 16 of the jacket space 5 and the three-way valve 20 is controlled in such a way that the complete supply is effected Mass flow m 0 of the cooling medium flow 8 passed through the shell space 5 and then through the fourth bypass line 22 b and through the drain line 18 downstream of the three-way valve 20 is derived.
  • FIG. 4 shows no change with regard to the three-way valve 19 designed as a reversing valve with respect to the circuit of FIG.
  • the first three-way valve 19, ie the three-way valve located in the feed line 17, can be designed as a regulated three-way valve and the second three-way valve 20, ie the three-way valve located in the drain line 18, as a three-way valve designed as a reversing valve be formed.
  • FIG. 1 the first three-way valve 19, ie the three-way valve located in the feed line 17, can be designed as a regulated three-way valve and the second three-way valve 20, ie the three-way valve located in the drain line 18, as a three-way valve designed as a reversing valve be formed.
  • FIG. 5 shows this variant, in which the three-way valve 19 regulates the mass flow m 0 of the coolant stream 8 flowing through the inlet line 17 by supplying a partial mass flow ITi 1 through the first bypass line 21a to the jacket space 5 and a partial mass flow m 2 through the second bypass line 21 b and thus on the jacket space 5 of the tube bundle heat exchanger 1 over and in the front end 16 of the shell space 5 passes.
  • the complete mass flow m 0 then exits from the tube bundle heat exchanger 1 under the appropriate position of the three-way valve 20 designed as a changeover valve through the third bypass line 22 a and the drain line 18.
  • the regulated three-way valve 19 is arranged in the inlet and thus in the cold region of the cooling medium flow 8. This can be advantageous over arrangements in which cooling medium flows 8 emerge very strongly heated at the outlet, since thereby the contact of the regulated three-way valve 19 with the strongly heated cooling medium flow 8 is avoided.
  • the three-way valve 20 embodied as a changeover valve takes up the discharged cooling medium flow 8 in one of the two existing inputs, as there are the bypass lines 22a and 22b.
  • a further controlled three-way valve can be used, which would mean that both three-way valves 19, 20 are formed regulated. In such a case, however, it makes sense that one of the two controlled three-way valves 19, 20 takes over the function of a pure change-over valve.
  • FIG. 6 shows a further possibility in which the connecting pieces 11, 12 are at 45 ° to each other on a plane E which is perpendicular to the longitudinal axis L of the tube bundle heat exchanger 1.
  • This angle between the two nozzles can be designed as desired and depends inter alia on the narrowness of the passages between the Schuvinrohren 2 within the jacket space 5 from. If the passages are very narrow, one will rather choose a smaller angle between the two ports 11, 12 in order to allow a relatively resistance-free flow and exit for a partial mass flow of the cooling medium flow 8 intended for the bypass line 22b.
  • the above also applies to the nozzle 13, 14 at the front end 16 of the pressure jacket. 6

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Abstract

Rohrbündel-Wärmetauscher mit Heizflächenrohren (2), deren Enden in Rohrplatten (3, 4 ) gehalten sind und einen die Heizflächenrohre (2) umgebenden und einen Mantelraum (5) bildenden Druckmantel (6), wobei ein Kühlmediumstrom (8) zum Abkühlen eines durch die Heizflächenrohre (2) geleiteten ersten Mediumstromes (7) durch den Mantelraum (5) leitbar ist, mit wenigstens einer Rohreintrittskammer (9), von der aus der erste Mediumstrom (7) in die einzelnen Heizflächenrohre (2) eingeleitet wird und wenigstens einer Rohraustrittskammer (10), in der der durch die Heizflächenrohre (2) hindurchgeleitete erste Mediumstrom (7) gesammelt und abgeführt wird, mit zwei Stutzen (11, 12) für die Ein- und Ausleitung des Kühlmediumstromes (8), die am an die Rohraustrittskammer (10) grenzenden hinteren Ende (15) des Druckmantels (6) angeordnet sind, mit zwei Stutzen (13, 14) für die Ein- und Ausleitung des Kühlmediumstromes (8), die am an die Rohreintrittskammer (9) grenzenden vorderen Ende (16) des Druckmantels (6) angeordnet sind, mit einer Zulaufleitung (17) und einem daran angeordneten ersten Dreiwegeventil (19), von dem aus eine erste Bypassleitung (21 a) mit dem ersten Stutzen (11) am hinteren Ende (15) des Druckmantels (6) und eine zweite Bypassleitung (21 b) mit dem ersten Stutzen (13) am vorderen Ende (16) des Druckmantels (6) verbunden ist, und mit einer Ablaufleitung (18) und einem daran angeordneten zweiten Dreiwegeventil (20), von dem aus eine dritte Bypassleitung (22a) mit dem zweiten Stutzen (14) am vorderen Ende (16) des Druckmantels (6) und eine vierte Bypassleitung (22b) mit dem zweiten Stutzen (12) am hinteren Ende (15) des Druckmantels (6) verbunden ist, wobei eines der zwei Dreiwegeventile (19, 20) regelbar ausgebildet ist und dieses den Kühlmediumstrom m0 (8) durch den Mantelraum (5) oder als geregelte Teilmassenströme m1, m2 des Kühlmediumstromes m0 (8) durch den Mantelraum (5) und durch die Bypassleitung(en) (21 a, 21 b, 22 a, 22 b) hindurchleitet und mittels des weiteren Dreiwegeventils (19, 20) der Kühlmediumstrom (8) im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu dem ersten Mediumstrom ( 7 ) durch den Mantelraum ( 5 ) durchleitbar ist.

Description

Beschreibung
Rohrbündel-Wärmetαuscher zur Regelung eines breiten Leistungsbereiches
Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrbündel-Wärmetauscher zur Regelung eines breiten Leistungsbereiches.
Für die Kühlung von Mediumströmen, insbesondere Gasen in zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen, wie z. B. Vergasungsanlagen, thermischen und katalytischen Spaltanlagen, Dampfreformierungsanlagen etc., werden in der Regel Wärmetauscher, insbesondere Rohrbündel-Wärmetauscher (Kühler), eingesetzt, in denen die zu kühlenden Mediumströme durch gerade Heizflächenrohre strömen und dabei die vorhandene Wärme des heißen Mediumstromes über die Rohrwand an das die Rohre umgebende Kühlmedium abgeben.
Die Hauptaufgabe eines derartigen Wärmetauschers bzw. Rohrbündel-Wärmetauschers ist wie oben angeführt die Übertragung von Wärme zwischen zwei Medien, wobei dem einen Medium (heißes Medium) eine bestimmte Wärmemenge abgeführt und dem anderen Medium (Kühlmedium) eine adäquate Wärmemenge zugeführt wird. Die Menge der übertragenen Wärme hängt bekanntlich von der Größe des Wärmetauschers, von den Wärmeübertragungskoeffizienten der beiden Medien und von der Temperaturdifferenz zwischen beiden Medien ab. Bei einphasigen Medien verändert sich mit der Wärmezuführung oder Wärmeabführung die Mediumtemperatur. Der Temperaturverlauf über die Apparatelänge des Wärmetauschers ist in diesem Fall einer exponentiellen Funktion ähnlich.
Ein Rohrbündel-Wärmetauscher besteht in der Regel aus einer großen Anzahl von Heizflächenrohren, einem die Heizflächenrohre umgebenden und einen Mantelraum bildenden Druckmantel und zwei Rohrplatten, zwischen denen die Heizflächenrohre angeordnet sind. Das eine Medium strömt durch die Rohreintrittskammer des Wärmetauschers, danach durch die Heizflächenrohre und die Rohraustrittskammer des Wärmetauschers. Das zweite Medium strömt über einen Stutzen in den Mantelraum des Wärmetauschers, umströmt mehrmals die einzelnen Heizflächen röhre und strömt anschließend durch einen zweiten Stutzen aus dem Wärmetauscher raus.
Die beiden Medien können in einem Wärmetauscher bzw. Rohrbündel-Wärmetauscher in der gleichen axialen Richtung des Wärmetauschers (Gleichstrom) oder eines der beiden Medien in der gegensätzlichen Richtung zum anderen Medium (Gegenstrom) innerhalb des Wärmetauschers strömen. Der Temperaturverlauf des Wärmetausches der Medien beim Gegenstrom und Gleichstrom ist unterschiedlich und führt daher zu einer unterschiedlich hohen mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz zwischen beiden Medien. Die übertragende Wärmemenge zwischen den beiden Medien ist daher für beide Schaltungen, d.h. Gegenstrom- bzw. Gleichstromschaltung, unterschiedlich groß.
Die Leistung des Wärmetauschers bzw. Rohrbündel-Wärmetauschers kann sich durch Fouling (Ablagerungen bzw. Verschmutzungen innerhalb der Heizflächenrohre) oder andere Einflüsse mit der Betriebszeit des Rohrbündel-Wärmetauschers ändern, was zu einem Bedarf eines Regeleingriffes führt. Gleichzeitig besteht oft die Notwendigkeit, die zu übertragende Wärmemenge oder die Mediumaustrittstemperaturen an die gewünschte Betriebslast anzupassen. Für die Regelung der Mediumaustrittstemperaturen und damit der thermischen Leistung des Rohrbündel-Wärmetauschers wird häufig eine Bypassregelung, bestehend aus einer Bypassleitung und einem Dreiwegemischventil, d.h einem geregelten Dreiwegeventil, eingesetzt. Dabei wird ein Teil des Mediumstromes vor dem Einleiten in den Rohrbündel-Wärmetauscher dem Hauptstrom entnommen und um den Rohrbündel-Wärmetauscher geführt bzw. gebypasst. Die reduzierte Strömungsmenge eines Mediums verringert den Wärmeübergang und beeinflusst über die veränderte Mediumaustrittstemperatur die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz. Der mit dieser Bypassanordnung erzielbare Regelbereich bzw. Regeleingriff ist jedoch relativ klein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Rohrbündel- Wärmetauscher mit einem Bypasssystem zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden bzw. bei dem die Austrittstemperaturen der Medien und die zu übertragende Wärmemenge in einem sehr breiten Bereich regelbar ist. Die vorstehend genannte Aufgabe wird hinsichtlich des Rohrbündel-Wärmetauschers durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Rohrbündel-Wärmetauscher geschaffen, der die nachfolgenden Vorteile aufweist:
Es wird ein Rohrbündel-Wärmetauscher mit einem breiten Regelbereich verfügbar gemacht und damit eine bessere Regelung von Rohrbündel-Wärmetauscher am kalten Ende einer Abhitzestrecke ermöglicht.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das regelbar ausgebildete Dreiwegeventil bezüglich des Kühlmediumstromes in der Ablaufseite des Rohrbündel-Wärmetauschers angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der genauen Regelbarkeit der Mediumaustrittstemperatur. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist neben dem einen geregelten Dreiwegeventil das weitere Dreiwegeventile als Umschaltventil ausgebildet. Mit dem als Umschaltventil ausgebildeten Dreiwegeventil kann der komplette Kühlmediumstrom klar definiert in das vordere oder hintere Ende des Mantelraumes geleitet bzw. aus dem vorderen oder hinteren Ende des Mantelraumes herausgeleitet und somit ein Gleich- oder Gegenstrom des Kühlmediums zum ersten Mediumstrom im Mantelraum bewerkstelligt werden.
Zweckmäßig ist es, das als Umschaltventil ausgebildete Dreiwegeventil bezüglich des Kühlmediumstromes in der Zulaufseite des Rohrbündel-Wärmetauschers anzuordnen.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist neben dem einen geregelten Dreiwegeventil das weitere Dreiwegeventile ebenfalls ein geregeltes Dreiwegeventil. In diesem Fall kann regeltechnisch gesteuert werden, welches von beiden Dreiwegeventilen als Umschaltventil arbeitet.
In besonders vorteilhafter Weise ist innerhalb der Bypassleitung eine Durchflussmesseinrichtung angeordnet. Mittels dieser Durchflussmesseinrichtung(en) können die Teilmαssenströme innerhalb der Bypassleitung genauestens erfasst werden und damit als Regelgrößen auf den Regelungsprozess und das geregelte Dreiwegeventile einwirken.
In zweckmäßiger Weise sind die Stutzen am hinteren Ende des Druckmantels und/oder die Stutzen am vorderen Ende des Druckmantels in Richtung der Längsachse L des Rohrbündel-Wärmetauschers gesehen jeweils gleichauf liegen. Dadurch ergibt sich ein kurzer Weg beim Durchströmen des Mantelraumes im Falle einer Bypassung eines Teilmassenstromes des Kühlmediums.
Ferner sieht eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung vor, dass die Stutzen am hinteren Ende des Druckmantels und/oder die Stutzen am vorderen Ende des Druckmantels bezogen auf eine senkrecht zur Längsachse L des Rohrbündel-Wärmetauschers liegenden Ebene E auf dieser jeweils in einem beliebigen Winkel zueinander liegen. Dadurch kann der Widerstand bzw. der Druckverlust des zu bypassenden Teilstromes des Kühlmediumstromes verringert bzw. klein gehalten werden.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematisch dargestellten Längsschnitt durch einen Rohrbündel- Wärmetauscher, bei dem das Kühlmedium im Gegenstrom durch den Wärmetauscher geleitet wird,
Fig. 2 wie Figur 1 , wobei jedoch ein Teilstrom des Kühlmediumstromes durch die zweite Bypassleitung geführt wird,
Fig. 3 einen schematisch dargestellten Längsschnitt durch einen Rohrbündel- Wärmetauscher, bei dem das Kühlmedium im Gleichstrom durch den Wärmetauscher geleitet wird, Fig. 4 wie Figur 3, wobei jedoch ein Teilstrom des Kühlmediumstromes vor der Durchleitung durch den Mαntelrαum des Rohrbündel-Wärmetαuschers abgezweigt und der Ablaufleitung zugeführt wird,
Fig. 5 eine alternative Ausführung zu Figur 2,
Fig. 6 einen auf Ebene der Stutzen und gemäß Schnitt A-A in Figur 1 schematisch dargestellten Querschnitt durch den Rohrbündel-Wärmetauscher.
Figur 1 zeigt einen Rohrbündel-Wärmetauscher 1 schematisch dargestellt im Längsschnitt. Derartige Rohrbündel-Wärmetauscher 1 werden in zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen, wie z. B. Vergasungsanlagen, thermischen und katalytischen Spaltanlagen, Dampfreformierungsanlagen etc., benötigt, in denen ein Prozessgas, ein Abgas oder dgl. produziert wird. Der Rohrbündel-Wärmetauscher 1 dient in der Regel zum Kühlen des vorgenannten heißen Gases bzw. eines ersten Mediumstromes 7, der durch eine nicht dargestellte Leitung in die Rohreintrittskammer 9 des Rohrbündel-Wärmetauschers 1 eingeführt und von hier durch eine Vielzahl von geraden Heizflächenrohren 2 hindurchgeleitet wird, anschließend in der Rohraustrittskammer 10 des Rohrbündel-Wärmetauschers 1 gesammelt und mittels nicht dargestellter Leitung aus dem Rohrbündel-Wärmetauscher 1 abgeführt wird. Die Heizflächenrohre 2, durch die ein indirekter Wärmetausch mit einem die Heizflächenrohre 2 umgebenden Kühlmedium 8 stattfindet, sind dabei jeweils voneinander beabstandet zwischen zwei Rohrplatten 3, 4 angeordnet und mit diesen fest und gasdicht - in der Regel verschweißt - verbunden.
Die gesamten Heizflächenrohre 2 werden von einem einen Mantelraum 5 bildenden Druckmantel 6 umfasst. Jeweils an den beiden Enden des Druckmantels 6 sind zwei Stutzen für die Ein- bzw. Ausleitung des Kühlmediumstromes 8 in den bzw. aus dem Mantelraum 5. Der besseren Zuordnung wegen wird hier das an die Rohraustrittskammer 10 angrenzende Ende des Druckmantels 6 als hinteres Ende 15 und das an die Rohreintrittskammer 9 angrenzende Ende des Druckmantels 6 als vorderes Ende 16 bezeichnet. Erfindungsgemäß sind zwei Stutzen 1 1 , 12 am hinteren Ende 15 und zwei Stutzen 13, 14 am vorderen Ende 16 angeordnet, wobei der jeweils erste Stutzen 11 , 13 am hinteren sowie am vorderen Ende 15, 16 für die Zuleitung des Kühlmediumstromes 8 in den Mantelraum 5 und der jeweils zweite Stutzen 12, 14 am hinteren sowie am vorderen Ende 15, 16 für die Ableitung des Kühlmediumstromes 8 aus dem Mantelraum 5 dient. Erfindungsgemäß sind die zwei Stutzen 11 , 13 für die Zuleitung des Kühlmediumstromes 8 jeweils mit einer ersten und zweiten Bypassleitung 21 a, 21 b verbunden, wobei beide Bypassleitungen 21 a, 21 b zu einem ersten Dreiwegeventil 19 führen und jeweils an dieses angeschlossen sind. Als dritte Leitung ist die Zulaufleitung 17 mit dem Dreiwegeventil 19 verbunden, durch die der Kühlmediumstrom m0 8 dem Rohrbündel-Wärmetauscher 1 zugeführt wird.
Auf der Ablaufseite des Rohrbündel-Wärmetauschers 1 sind erfindungsgemäß die zwei Stutzen 12, 14 für die Ableitung des Kühlmediumstromes 8 jeweils mit einer dritten und vierten Bypassleitung 22a, 22b verbunden, wobei beide Bypassleitungen 22a, 22b zu einem zweiten Dreiwegeventil 20 führen und jeweils an dieses angeschlossen sind. Als dritte Leitung ist die Ablaufleitung 18 mit dem Dreiwegeventil 20 verbunden, durch die der Kϋhlmediumstrom m0 8 aus dem Rohrbündel-Wärmetauscher 1 abgeführt wird. Erfindungsgemäß ist eines der zwei Dreiwegeventile 19, 20 regelbar ausgebildet.
Die Figuren 1 und 2 zeigen Schaltungen des erfindungsgemäßen Rohrbündel- Wärmetauschers 1 auf, bei der der Kühlmediumstrom 8 im Gegenstrom zu dem ersten Mediumstrom 7 den Wärmetauscher durchströmt. Die Figuren 1 und 2 zeigen dabei bevorzugte Varianten auf, die beim zweiten Dreiwegeventil 20 in der Ablaufleitung 18 ein geregeltes Dreiwegeventil und beim ersten Dreiwegeventil 19 in der Zulaufleitung 17 ein als Umschaltventil ausgebildetes Dreiwegeventil vorsieht. Gemäß der Figur 1 ist das als Umschaltventil ausgebildete Dreiwegeventil 19 derart gesteuert, dass der Zulauf des Kühlmediumstromes 8 durch die Zulaufleitung 17 und die erste Bypassleitung 21 a in das hintere Ende 15 des Mantelraumes 5 geleitet wird und das Dreiwegeventil 20 derart geregelt, dass der komplette zugeführte Massenstrom m0 des Kühlmediumstromes 8 durch den Mantelraum 5 geleitet und durch die dritte Bypassleitung 22a und die Ablaufleitung 18 abgeleitet wird. Figur 2 zeigt hinsichtlich des als Umschaltventil ausgebildeten Dreiwegeventils 19 keine Änderung gegenüber der Schaltung der Figur 1 auf, d.h. der Zulauf des Kühlmediumstromes 8 erfolgt in das ^
hintere Ende 15 des Mαntelrαumes 5, wobei jedoch nunmehr das Dreiwegeventil 20 derart geregelt ist, dass ein Teilstrom m2 des kompletten zugeführten Massenstromes m0 des Kühlmediumstromes 8 durch die vierte Bypassleitung 22b und der restliche Teilstrom m, durch den Mantelraum 5 geleitet und durch die dritte Bypassleitung 22a und beide Teilströme m, und m2 gemeinsam durch die Ablaufleitung 18 abgeleitet wird. Das als Umschaltventil ausgebildete Dreiwegeventil 19 ist ein angesteuertes Leitorgan und leitet den zugeführten Kühlmediumstrom 8 zu einem der zwei vorhandenen Ausgänge, als da sind die Bypassleitungen 21 a und 21 b.
Die Figuren 3 und 4 zeigen Schaltungen des erfindungsgemäßen Rohrbündel- Wärmetauscher 1 auf, bei der der Kühlmediumstrom 8 im Gleichstrom zu dem ersten Mediumstrom 7 den Rohrbündel-Wärmetauscher 1 durchströmt, d.h. beide Mediumströme 7, 8 weisen dieselbe Richtung innerhalb des Rohrbündelwärmetauschers 1 auf. Die Figuren 3 und 4 zeigen wie schon vorhin bei den Figuren 1 und 2 bevorzugte Varianten auf, die beim zweiten Dreiwegeventil 20 in der Ablaufleitung 18 ein geregeltes Dreiwegeventil und beim ersten Dreiwegeventil 19 in der Zulaufleitung 17 ein als Umschaltventil ausgebildetes Dreiwegeventil vorsieht. Abweichend zu Figur 1 ist das als Umschaltventil ausgebildete Dreiwegeventil 19 gemäß der Figur 3 derart gesteuert, dass der Zulauf des Kühlmediumstromes 8 durch die zweite Bypassleitung 21b in das vordere Ende 16 des Mantelraumes 5 geleitet wird und das Dreiwegeventil 20 derart geregelt, dass der komplette zugeführte Massenstrom m0 des Kühlmediumstromes 8 durch den Mantelraum 5 geleitet und anschließend durch die vierte Bypassleitung 22b und durch die Ablaufleitung 18 stromabwärts des Dreiwegeventils 20 abgeleitet wird. Figur 4 zeigt hinsichtlich des als Umschaltventil ausgebildeten Dreiwegeventils 19 keine Änderung gegenüber der Schaltung der Figur 3 auf, d.h. der Zulauf des Kühlmediumstromes 8 erfolgt in das vordere Ende 16 des Mantelraumes 5, wobei jedoch nunmehr das Dreiwegeventil 20 derart geregelt ist, dass ein Teilstrom m2 des kompletten zugeführten Massenstromes m0 des Kühlmediumstromes 8 durch die dritte Bypassleitung 22a zwischen Stutzen 14 und Dreiwegeventil 20 und der restliche Teilstrom (Ti1 durch den Mantelraum 5 und die vierte Bypassleitung 22b geleitet und beide Teilströme Pn1 und m2 gemeinsam durch die Ablaufleitung 18 abgeleitet wird. Q
Mit den in den Figuren 1 bis 4 aufgezeigten Schaltungen ist es möglich, einen Rohrbündel-Wärmetauscher 1 in einem sehr breiten Regelbereich zu betreiben, da die zu übertragende Wärmemenge bzw. die Mediumaustrittstemperaturen zum einen durch Verändern der Durchströmungsrichtung eines der beiden Medien von Gleich- in Gegenstrom bzw. umgekehrt verändert werden kann und zum anderen durch das geregelte Dreiwegeventil die Kühlmediumströme geregelt auf den Mantelraum 5 sowie die Bypassleitung(en) 21 a, 21 b, 22a, 22b aufgeteilt und damit sehr differenziert die zu übertragende Wärmemenge bzw. die Mediumaustrittstemperaturen geregelt werden kann bzw. können.
Neben den in den Figuren 1 bis 4 aufgezeigten bevorzugten Schaltungsvarianten kann das erste Dreiwegeventil 19, d.h. das in der Zulaufleitung 17 befindliche Dreiwegeventil, als geregeltes Dreiwegeventil ausgebildet werden und das zweite Dreiwegeventil 20, d.h. das in der Ablaufleitung 18 befindliche Dreiwegeventil, als Umschaltventil ausgebildetes Dreiwegeventil ausgebildet werden. Figur 5 zeigt diese Variante auf, bei der das Dreiwegeventil 19 den durch die Zulaufleitung 17 zufließenden Massenstrom m0 des Kühlmittelstromes 8 regelt, indem es einen Teilmassenstrom ITi1 durch die erste Bypassleitung 21a dem Mantelraum 5 zuführt und einen Teilmassenstrom m2 durch die zweite Bypassleitung 21 b und somit am Mantelraum 5 des Rohrbündel-Wärmetauschers 1 vorbei und in das vordere Ende 16 des Mantelraums 5 leitet. Der komplette Massenstrom m0 tritt dann unter entsprechender Stellung des als Umschaltventil ausgebildeten Dreiwegeventils 20 durch die dritte Bypassleitung 22a und die Ablaufleitung 18 aus dem Rohrbündel-Wärmetauscher 1 aus. Vorteilhaft bei der Schaltung gemäß der Figur 5 ist, dass das geregelte Dreiwegeventil 19 im Zulauf und damit im kalten Bereich des Kühlmediumstromes 8 angeordnet ist. Dies kann gegenüber Anordnungen, bei denen Kühlmediumströme 8 am Ablauf sehr stark erhitzt austreten, von Vorteil sein, da dadurch der Kontakt des geregelten Dreiwegeventils 19 mit dem stark erhitzen Kühlmediumstrom 8 vermieden wird. Im Gegensatz zu den Anordnungen gemäß der Figuren 1 bis 4 nimmt hier das als Umschaltventil ausgebildete Dreiwegeventil 20 den abgeführten Kühlmediumstrom 8 in einem der zwei vorhandenen Eingänge auf, als da sind die Bypassleitungen 22a und 22b. g
Anstelle eines als Umschaltventil ausgebildeten Dreiwegeventils kann ein weiteres geregeltes Dreiwegeventil eingesetzt werden, was hieße, dass beide Dreiwegeventile 19, 20 geregelt ausgebildet werden. In einem solchen Fall ist es allerdings sinnvoll, dass eines der beiden geregelten Dreiwegeventile 19, 20 die Funktion eines reinen Umschaltventils übernimmt.
Gemäß der Figuren 1 bis 5 liegen die Stutzen 11 , 12 am hinteren Ende 15 des Druckmantels 6 und die Stutzen 13, 14 am vorderen Ende 16 des Druckmantels 6 in Richtung der Längsachse L des Rohrbündel-Wärmetauschers 1 gesehen jeweils gleichauf. Möglich ist es auch, die jeweiligen Stutzen 11 , 12 am hinteren Ende 15 und/oder die jeweiligen Stutzen 13, 14 am vorderen Ende 16 in Richtung der Längsachse L des Rohrbündel-Wärmetauschers 1 gesehen versetzt anzuordnen.
Während bei den Figuren 1 bis 5 die Stutzen 1 1 , 12 am hinteren Ende 15 sowie die Stutzen 13, 14 am vorderen Ende 16 zumindest in der schematischen Darstellung jeweils gegenüber angeordnet sind, d.h. am Umfang des Druckmantels unter 180° zueinander liegen, zeigt Figur 6 eine weitere Möglichkeit auf, bei der die Stutzen 11 , 12 beispielhaft auf einer Ebene E, die senkrecht zur Längsachse L des Rohrbündel- Wärmetauschers 1 liegt, unter 45° zueinander liegen. Dieser Winkel zwischen den beiden Stutzen kann beliebig ausgebildet werden und hängt unter anderem von der Enge der Durchgänge zwischen den Heizflächenrohren 2 innerhalb des Mantelraumes 5 ab. Sind die Durchgänge sehr eng, wird man eher einen kleineren Winkel zwischen den beiden Stutzen 1 1 , 12 wählen um einen relativ widerstandsfreien Durchfluss und Austritt für einen der Bypassleitung 22b zugedachten Teilmassenstrom des Kühlmediumstromes 8 zu ermöglichen. Das oben gesagte gilt ebenfalls für die Stutzen 13, 14 am vorderen Ende 16 des Druckmantels 6.
Um die Regelung der durch den Mantelraum 5 und gegebenenfalls durch die Bypassleitungen 21 a, 21 b, 22a, 22b durchzuleitenden Massenströme m0 bzw. Pn1 und m2 des Kühlmediumstromes 8 durch das Dreiwegeventil 19, 20 bewerkstelligen zu können, sind unter anderem gemäß Figuren 1 bis 5 beispielhaft in den Bypassieitungen 21 b, 22b Durchflussmesseinrichtungen 23, 24 angeordnet. Der in der Zulaufleitung 17 zugeführte Gesamtmassenstrom m0 des Kühlmediumstromes 8 ist anlagenseitig bekannt ^
und kann bzw. muss für eine regelungsseitige Aufteilung in die zwei Teilmassenströme ITi1 und ITi2 entsprechend herangezogen werden.
Bezugszeichenliste:
1 Rohrbündel-Wärmetαuscher
2 Heizflächenrohr
3 Rohrplatte, eingangseitig
4 Rohrplatte, ausgangseitig
5 Mantel räum
6 Druckmantel
7 Erster Mediumstrom
8 Kühlmediumstrom
9 Rohreintrittskammer
10 Rohraustrittskammer
11 Erster Stutzen am hinteren Ende des Druckmantels
12 Zweiter Stutzen am hinteren Ende des Druckmantels
13 Erster Stutzen am vorderen Ende des Druckmantels
14 Zweiter Stutzen am vorderen Ende des Druckmantels
15 Hinteres Ende des Druckmantels
16 Vorderes Ende des Druckmantels
17 Zulaufleitung
18 Ablaufleitung
19 Erstes Dreiwegeventil
20 Zweites Dreiwegeventil 21a Erste Bypassleitung 21 b Zweite Bypassleitung 22a Dritte Bypassleitung 22b Vierte Bypassleitung
23 Durchflussmesseinrichtung
24 Durchflussmesseinrichtung

Claims

Pαtentα nsprϋche
Rohrbündel-Wärmetαuscher mit Heizflächenrohren ( 2 ), deren Enden in Rohrplatten
( 3, 4 ) gehalten sind und einen die Heizflächenrohre ( 2 ) umgebenden und einen
Mantelraum ( 5 ) bildenden Druckmantel ( 6 ), wobei ein Kühlmediumstrom ( 8 ) zum Abkühlen eines durch die Heizflächenrohre ( 2 ) geleiteten ersten
Mediumstromes ( 7 ) durch den Mantelraum ( 5 ) leitbar ist, mit wenigstens einer Rohreintrittskammer ( 9 ), von der aus der erste Mediumstrom
( 7 ) in die einzelnen Heizflächenrohre ( 2 ) eingeleitet wird und wenigstens einer
Rohraustrittskammer ( 10 ), in der der durch die Heizflächenrohre ( 2 ) hindurchgeleitete erste Mediumstrom ( 7 ) gesammelt und abgeführt wird, mit zwei Stutzen ( 1 1 , 12 ) für die Ein- und Ausleitung des Kühlmediumstromes ( 8 ), die am an die Rohraustrittskammer ( 10 ) grenzenden hinteren Ende ( 15 ) des
Druckmantels ( 6 ) angeordnet sind, mit zwei Stutzen ( 13, 14 ) für die Ein- und Ausleitung des Kühlmediumstromes ( 8 ), die am an die Rohreintrittskammer ( 9 ) grenzenden vorderen Ende ( 16 ) des
Druckmantels ( 6 ) angeordnet sind, mit einer Zulaufleitung ( 17 ) und einem daran angeordneten ersten Dreiwegeventil
( 19 ), von dem aus eine erste Bypassleitung ( 21a ) mit dem ersten Stutzen ( 11 ) am hinteren Ende ( 15 ) des Druckmantels ( 6 ) und eine zweite Bypassleitung
( 21 b ) mit dem ersten Stutzen ( 13 ) am vorderen Ende ( 16 ) des Druckmantels
( 6 ) verbunden ist, und mit einer Ablaufleitung ( 18 ) und einem daran angeordneten zweiten
Dreiwegeventil ( 20 ), von dem aus eine dritte Bypassleitung ( 22a ) mit dem zweiten
Stutzen ( 14 ) am vorderen Ende ( 16 ) des Druckmantels ( 6 ) und eine vierte
Bypassleitung ( 22b ) mit dem zweiten Stutzen ( 12 ) am hinteren Ende ( 15 ) des
Druckmantels ( 6 ) verbunden ist, wobei eines der zwei Dreiwegeventile ( 19, 20 ) regelbar ausgebildet ist und dieses den Kühlmediumstrom m0 ( 8 ) durch den Mantelraum ( 5 ) oder als geregelte
Teilmassenströme m„ m2 des Kühlmediumstromes m0 ( 8 ) durch den Mantelraum
( 5 ) und durch die Bypassleitung(en) ( 21 a, 21 b, 22a, 22b ) hindurchleitet und mittels des weiteren Dreiwegeventils ( 19, 20 ) der Kühlmediumstrom ( 8 ) im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu dem ersten Mediumstrom ( 7 ) durch den Mαntelrαum ( 5 ) durchleitbαr ist.
2. Rohrbündel-Wärmetαuscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das regelbar ausgebildete Dreiwegeventil ( 19, 20 ) bezüglich des Kühlmediumstromes ( 8 ) in der Ablaufseite des Rohrbündel-Wärmetauschers 1 angeordnet ist.
3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass neben dem einen geregelten Dreiwegeventil ( 19, 20 ) das weitere Dreiwegeventile ( 19, 20 ) als Umschaltventil ausgebildet ist.
4. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das als Umschaltventil ausgebildete Dreiwegeventil bezüglich des Kühlmediumstromes ( 8 ) in der Zulaufseite des Rohrbündel-Wärmetauschers ( 1 ) angeordnet ist.
5. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass neben dem einen geregelten Dreiwegeventil ( 19, 20 ) das weitere Dreiwegeventile ( 19, 20 ) ebenfalls ein geregeltes Dreiwegeventil ist.
6. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Bypassleitung ( 21 a, 21 b, 22a, 22b ) eine Durchflussmesseinrichtung ( 23, 24 ) angeordnet ist.
7. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stutzen ( 11 , 12 ) am hinteren Ende ( 15 ) des Druckmantels ( 6 ) und/oder die Stutzen ( 13, 14 ) am vorderen Ende ( 16 ) des Druckmantels ( 6 ) in Richtung der Längsachse ( L ) des Rohrbündel-Wärmetauschers ( 1 ) gesehen jeweils gleichauf liegen.
8. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stutzen ( 1 1 , 12 ) am hinteren Ende ( 15 ) des Druckmantels ( 6 ) und/oder die Stutzen ( 13, 14 ) am vorderen Ende ( 16 ) des Druckmantels ( 6 ) bezogen auf eine senkrecht zur Längsachse ( L ) des Rohrbündel-Wärmetauschers ( 1 ) liegenden Ebene ( E ) auf dieser jeweils in einem beliebigen Winkel zueinander liegen.
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