DE1551553C - Verfahren zur Temperaturbegrenzung der Heißgaskanalwände und weiterer Bauteile eines Trennwand-Wärmetauschers, Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens und Anwendung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbegrenzung der Heißgaskanalwände und weiterer Bauteile eines Trennwand-Wärmetauschers, bei dem die Wärmetauschfluide teils nach dem Gleich- und teils nach dem Gegenstromprinzip zueinander geführt werden, und zwar das wärmeabgebende Fluid in rohrartigen Kanälen, während ein erster Strom des wärmeaufnehmenden Fluids zuerst im Gleichstrom mit dem heißesten Fluid und anschließend in Umgehung des Gegenstromabschnitts des Wärmetauschers entlang der Gehäusewandung zum Eintritt des Gegenstromabschnitts geführt wird und ein zweiter Strom des wärmeaufnehmenden Fluids längs der Gehäusewandung zum Eintritt des'Gegenstromabschnitts geleitet, dabei mit dem ersten Strom gemischt und mit diesem zusammen durch den Gegenstromabschnitt geführt wird. '

Bei einem bekannten Wärmetauscher dieser Gattung (USA.-Patentschrift 1673 418) wird der zweite Strom des wärmeaufnehmenden Fluids zunächst ebenfalls im Gleichstrom zum wärmeabgebenden Fluid geführt. Dabei sind die Kanäle für beide Fluide als Sektionen mit ebenen Wänden ausgebildet, wobei jede für das wärmeabgebende Fluid bestimmte Sektion an der Gehäusewandung jeweils für sich einen Überleitkanal vom Gleichstrom- zum Gegenstromabschnitt aufweist. Dies bedeutet, daß die Gehäusewandteile der das heiße wärmeabgebende Fluid führenden Sektionen durch die Überleitkanäle nicht gekühlt werden. Das in einem Endbereich des Überleitkanals angeordnete Leitblech für den ersten Strom des wärmeaufnehmenden Fluids, bevor sich dieser mit dem zweiten Strom trifft, dient der Vermeidung eines Totraums in diesem Endbereich, um dort eine Überhitzung der Bauteile zu vermeiden. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist auch, daß sie nicht für ein Fluid mit erheblichen Arbeitsdrücken anwendbar ist, weil es sich nicht um einen Rohrbündel-Wärmetauscher handelt.

Ferner ist ein Röhren-Wärmetauscher bekannt, bei dem ein vom eintretenden wärmeaufnehmenden Fluid abgezweigter Teilstrom den zuerst vom Hauptstrom durchflossenen Gleichstromteil umgeht und zur Kühlung anderer Bauteile, nämlich Tragrohren der Berührungsheizflächen, herangezogen wird, bevor er mit dem Hauptstrom gemischt wird und mit diesem zusammen einen Gegenstromabschnitt des Wärmetauschers durchströmt (deutsche Patentschrift 976 659, insbesodere A b b. 5).

Bei einem bekannten Rohrbündelwärmetauscher strömt das die Rohre umspülende Fluid durch einen zwischen einem Innen- und dem Außenmantel gebildeten Zwischenraum zu oder ab, wobei der Innenmantel das Rohrbündel möglichst dicht umschließt. Doch ist auch hier wie bei den vorgenannten Ausführungsformen nicht ein Zweigstrom gezielt zur Kühlung der Behälterwandung benutzt (deutsche Patentschrift 845 052).

Schließlich ist auch schon ein aus konzentrischen Rohirkanälen aufgebauter Hochtemperatur-Lufterhitzer bekannt, bei dem im ringförmigen Luftkanal Strahlungsbleche vorgesehen sind; der ringförmige Luftkanal dient hier jedoch auch nicht der Behälterkühlung, sondern stellt den eigentlichen Wärmetauschkanal dar (belgische Patentschrift 565 621).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Verfahren der eingangs bezeichneten bekannten Art die Vorteile des bekannten Verfahrens für druckfestere Rohrbündel-Wärmetauscher nutzbar zu machen und zusätzlich für alle Stellen des Druckbehälters eine wirksame Temperaturbegrenzung zu erzielen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Verbindung der folgenden Merkmale:

a) Das Verfahren wird bei Rohrbündel-Wärmetauschern mit als Druckbehälter ausgebildetem Gehäuse angewendet;

b) der zweite Strom des wärmeaufnehmenden Fluids wird entlang der Druckbehälterwandung, unter Umgehung des Gleichstromabschnitts des Wärmetauschers in einem diesen Abschnitt und anschließend den Gegenstromabschnitt ringförmig umgebenden Kühlkanal geführt, wobei er mindestens ein in diesem Kühlkanal angeordnetes Strahlungsblech bespült.^:

Eine vorteilhafte vorrichtungsmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht an mit Rohrplatten an den Rohrenden versehenen Rohrbündel-Wärmetauschern darin, zur Trennung des Gegenstromabschnitts vom Gleichstromabschnitt eine Zwischenrohrplatte vorzusehen, an deren Randbereich zur Bildung des den Gegenstromabschnitt umgebenden Kühlkanalabschnitts ein Leitblechmantel anschließt. ··

Die Vorrichtung kann weiter vorteilhaft dadurch ausgestaltet sein, daß zur Bildung des den Gleichstromabschnitt umgebenden Kühlkanalabschnitts ein weiterer Leitblechmantel vorgesehen ist, der zur Bildung des Austritts des Gleichstromabschnitts die Zwischenrohrplatte mit Abstand umfaßt.

Ein weiterer Vorteil ist in der Anwendung des vorbeschriebenen Wärmetauschers in den Fällen zu sehen, bei denen ein Arbeitsfhiid von einer Wärmequelle kommend den Wärmetauscher als Heißgas durchsetzt und nach Abkühlung und Druckerhöhung — als wärmeaufnehmendes Fluid denselben Wärmetauscher durchströmt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den F i g. 1 und 2, und zwar zeigt

F i g. 1 schematisch den Aufbau und die Schaltung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers und

F i g. 2 in gedrängter Darstellung konstruktive Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Der Knick des Wärmetauschers nach F i g. 1 ermöglicht die Aufnahme von unterschiedlichen Wärmedehnungen der einzelnen Rohre, die durch Ungleichmäßigkeiten in der Gasströmung oder dem Rohrdurchmesser auftreten können. Durch den Knick ist die Richtung des Ausweichens der Rohre vorgegeben. Das heißere Fluid 1 strömt von links nach rechts durch den diffusorartigen Eintrittsteil 17 in die Rohrplatte 16 bzw. in die Wärmetauschrohre 2 ein. Das Fluid 1 verläßt im abgekühlten Zustand die Rohre 2 an der Rohrplatte 20. Es strömt dann durch den düsenförmigen Austrittsteil 23 und verläßt den Wärmetauscher durch die Leitung 14.

Das zweite, kühlere Fluid 6 strömt durch einen seitlichen Einströmstutzen 7 in den Gleichstromabschnitt 3 des Rohrbündelwärmetauschers, welchen es durch den ringförmigen Austritt 8 in der Nähe der Druckbehälterwandung 5 verläßt.

In den nun folgenden ringförmigen Kanälen strömt das Fluid zwischen der Druckbehälterwandung S, dem Strahlungsblech 10 und dem Leitblechmantel 25 in die Umlenkkammer 12. Das Fluid 6 wird an seiner Eintrittsstelle in den Druckbehälter 15, 5 geteilt, und zwar in einen ersten Strom, der in den Gleichstromabschnitt 3, und einen zweiten Strom, der zwischen dem weiteren Leitblechmantel 11, dem Strahlungsblech 10 und der Druckbehälterwandung 5 zur Umlenkkammer 12 strömt. Der erste Strom gelangt vom Gleichstromabschnitt 3 durch die vom Strahlungsblech 10 und Leitblechmantel 25 gebildeten Ring- räume ebenfalls zur Umlenkkammer 12.

Bei hohen Temperaturen im Wärmetauscher wird die Temperatur der Druckbehälterwandung 5 höher liegen als die Gastemperatur des Fluids 6, weil von den Rohren 2 bzw. vom Leitblechmantel 25 Wärme durch Festkörperstrahlung an die Druckbehälterwandung 5 übertragen wird. Daher wird zwischen der Druckbehälterwandung 5 und dem Leitblechmantel 25 ein ähnlich geformtes, vorzugsweise zylindrisches Strahlungsblech 10 angeordnet, das die Menge der durch Strahlung vom Gegenstromabschnitt 4 des Wärmetauschers an die Druckbehälterwandung 5 übertragenen Wärmemenge reduziert. In besonderen Fällen können auch mehrere Strahlungsbleche 10 angeordnet werden. Auf diese Weise wird die Wirkung verstärkt und die Temperatur der Druckbehälterwandung 5 erniedrigt.

Von der Umlenkkammer 12 wird das Fluid in den Gegenstromabschnitt 4 des Rohrbündelwärmetauschers eingeleitet und auf die Endtemperatur gebracht. Das Fluid 6 verläßt den Wärmetauscher durch den Stutzen 13.

Die Einrichtung gestattet, die maximalen Wandtemperaturen des Wärmetauschers trotz hoher Temperaturen des Fluids 1 und der hohen Aufheiztemperaturen des kälteren Fluids 6 relativ niedrig zu halten.

Die Einrichtung ist unter anderem geeignet für regenerative Wärmetauscher, das sind Wärmetauscher, deren Arbeitsfluide von einer Wärmequelle kommend den Rohrbündelwärmetauscher zunächst als heißes Fluid 1 durchsetzen und nach Abkühlung und Druckerhöhung als kaltes Fluid 6 nochmals den Wärmetauscher durchströmen. Eine solche Anwendung ist bei einer magnetogasdynamischen Anlage gegeben, bei der nach dem mit höchsten Temperaturen arbeitenden magnetogasdynamischen Generator zunächst die heiße Seite des Rohrbündelwärmetauschers durchsetzt wird, worauf sich ein Dampferzeuger und/oder Vorkühler sowie ein Kompressor anschließen, bevor die kältere Seite des Wärmetauschers sodann die Wärmequelle, z.B. ein Höchsttemperatur-Kernreaktor, im geschlossenen Kreislauf durchströmt werden.

Für derartige Anwendungen mit hohen Temperaturen von z. B. 1000° C und mit höherem Druck — in der Größenordnung von etwa 10 bis 50 at. auf der kälteren Seite und 2 bis 20 at. auf der heißeren Seite — ist es erforderlich, hohe Temperaturen auf die Rohre 2 zu beschränken, die einen relativ geringen Durchmesser aufweisen und nur auf den Differenzdruck zwischen kälterem und heißerem Fluid beansprucht sind. Das Druckgefäß muß dem vollen Druck gegenüber der Atmosphäre standhalten und darf daher im Hinblick auf die Warmfestigkeit des verwendeten Materials keine zu hohe Temperatur annehmen.

Durch die erwärmten Maßnahmen gelingt es, die Maximaltemperaturen der Rohrwandung und des Druckgefäßes gegenüber den bekannten Wärmetauschern zu verringern.

F i g. 2 zeigt den konstruktiven Aufbau eines Wärmetauschers ähnlich F i g. 1 in gedrängter Darstellung. Es gelten dieselben Bezugszeichen. Das heißere Fluid 1 strömt durch die Rohre 2, das kältere Fluid 6 um die Rohre. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges und der Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit sind Führungsbleche 18,19 im Raum um die Rohre angeordnet. Durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wird die Kühlung der Rohre erhöht und damit die Rohrwandtemperatur niedrig

gehalten. Bei Vorhandensein derartiger Gasführungsbleche handelt es sich daher um einen Kreuz-Gleichstrom und Kreuz-Gegenstromwärmetauscherteil im Gegensatz zu den in F i g. 1 beschriebenen reinen Gleichstrom- und Gegenstrom-Wärmetauscherabschnitten. Nach Passieren des Gleichstromabschnitts 3 strömt das kältere Fluid 6 in den Ringräumen 9 zwischen der Druckbehälterwandung 5, dem Strahlungsblech 10 und dem Leitblechmantel 25 des [Druckgefäßes 15 in die Umlenkkammer 12 und in den Gegenstromabschnitt 4 des Wärmetauschers, welcher am anderen Ende mittels einer Zwischenrohrplatte 21 abgeschlossen ist, die auf den Rohren 2 des Rohrbündelwärmetauschers mit geringem Spielraum gleitet. (Diese Zwischenrohrplatte 21 trennt den Gleichstrom- und Gegenstromabschnitt. Das Spiel zwischen den Bohrungen der Zwischenrohrplatte 21 und den Rohren 2 ist so groß gehalten, daß eine Verschiebung der Rohre 2 möglich ist, aber so klein, daß die Leckverluste zwischen dem unter höherem Druck stehenden Fluid im Gleichstromabschnitt und dem unter geringerem Druck stehenden Fluid im Gegenstromabschnitt möglichst gering sind. Bei einem Regenerativwärmetauscher sind solche Leckverluste tragbar. Der aus der Zwischenrohrplatte 21, dem Leitblechmantel 25 sowie aus den Gasführungsblechen 19 und dem Austrittsstutzen 13 des Fluids 6 bestehende Einbauteil ist gegenüber dem Rohrsystem 2 frei beweglich und wird durch den Austrittsstutzen 13 mit der Druckbehälterwandung 5 verbunden. Das heißere Fluid 1 tritt durch einen konisch erweiterten Eintrittsteil 17 über die Eintrittsrohrplatte 16, die mittels dünnwandiger Wärmedämmbleche 22 stirnseitig von

ίο der Berührung mit dem heißen Fluid geschützt ist, in das Rohrbündel 2 ein. Zwischen den Wärmedämmblechen 22 und der Rohrplatte 16 bildet sich eine stagnierende Schicht des Fluids 1, welche die Wärmedämmung erhöht.

Die Austrittsrohrplatte 20 kann im Vergleich zu den Platten 16 und 21 eine geringe Wandstärke aufweisen, was eine gewisse Differenzdehnung der einzelnen Rohre 2 ermöglicht. Die Aufnahme der Differenzdehnung zwischen dem Rohrbündel 2 sowie dem Eintrittskonus 17 und der Druckbehälterwandung 5 erfolgt mit Hilfe der Kolbenringdichtung 24. Selbstverständlich kann die Kolbenringdichtung 24 auch nach der Einziehung auf den Austrittsdurchmesser angeordnet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Temperaturbegrenzung der Heißgaskanalwände und weiterer Bauteile eines Trennwand-Wärmetauschers, bei dem die Wärmetauschfluide teils nach dem Gleich- und teils nach dem Gegenstromprinzip zueinander geführt werden, und zwar das wärmeabgebende Fluid in rohrartigen Kanälen, während ein erster Strom des wärmeaufnehmenden Fluids zuerst imGleichstrom ίο mit dem heißesten Fluid und anschließend in Umgehung des Gegenstromabschnitts des Wärmetauschers entlang der Gehäusewandung zum Eintritt des Gegenstromabschnitts geführt wird und ein zweiter Strom des wärmeaufnehmenden Fluids längs der Gehäusewandung zum Eintritt des Gegenstromabschnitts geleitet, dabei mit dem ersten Strom gemischt und mit diesem zusammen durch den Gegenstromabschnitt geführt wird, gekennzeichnet durch die Verbindung der folgen- den Merkmale:

a) Das Verfahren wird bei Rohrbündelwärmetauschern mit als Druckbehälter ausgebildetem Gehäuse angewendet;

b) der zweite Strom des wärmeaufnehmenden Fluids wird entlang der Druckbehälterwandung, unter Umgehung des Gleichstromabschnitts des Wärmetauschers in einem diesen Abschnitt und anschließend den Gegenstromabschnitt ringförmig umgebenden Kühlkanal geführt, wobei er mindestens ein in diesem Kühlkanal angeordnetes Strahlungsblech bespült.

2. Mit Rohrplatten an den Rohrenden versehener Rohrbündel-Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung des Gegenstromabschnitts (4) vom Gleichstromabschnitt (3) eine Zwischenrohrplatte (21) vorgesehen ist, an deren Randbereich zur Bildung des den Gegenstromabschnitt umgebenden Kühlkanalabschnitts ein Leitblechmantel (25) anschließt.

3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des den Gleichstromabschnitt umgebenden Kühlkanalabschnitts ein weiterer Leitblechmantel (11) vorgesehen ist, der zur Bildung des Austritts (8) des Gleichstromabschnitts die Zwischenrohrplatte (21) mit Abstand umfaßt.

4. Anwendung des Wärmetauschers nach Anspruch 2 oder 3 in Fällen, bei denen ein Arbeitsfluid von einer Wärmequelle kommend den Wärmetauscher als Heißgas durchsetzt und nach Abkühlung und Druckerhöhung als wäumeaufnehmendes Fluid denselben Wärmetauscher durchströmt. / ·