DE2502354B2 - Röhrenkesselapparat - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Röhrenkesselapparat nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Röhrenkesselapparat ist aus der US-Patentschrift 32 69 457 bekannt.

Röhrenkesselapparate dieser Art finden Verwendung in der chemischen und erdölchemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie, der Energiewirtschaft und in anderen Industriezweigen, wo bei Wärme- und Stofftauschern und chemischen Apparaten die Gefahr einer Ablagerung von Rückständen an den Innenflächen besteht. Speziell kann der Rückstandbildung aus Kühlwasser in Kühlern und Kondensatoren oder dem Ankleben eines Polymers an der Wandung von Polymerisationsreaktoren oder auch Koksablagerungen an den Wänden von Erdölanwärmern vorgebeugt werden.

Bei der bekannten Ausbildung ist der mit Festkörpern gefüllte Strömungsraum der Innenraum eines Rohres, das in dem Bereich, in dem sich die Wirbelschicht ausbildet, einen konstanten Querschnitt aufweist Somit liegt im Betrieb die obere Begrenzung der Wirbelschicht an irgendeiner Stelle des Rohres, wo dieses konstanten Querschnitt hat Daraus ergibt sich unmittelbar, daß diese Stelle nicht zuverlässig festliegen kann, sondern je nach der herrschenden Strömungsgeschwindigkeit schwanken wird. Damit ist auch nicht zuverlässig gewährleistet, daß die gesamte Länge des Rohres ίο geschützt wird. Außerdem besteht die Gefahr, daß die Festkörper bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten aus dem Rohr ausgetragen werden.

Aufgabe der Erfindung ist bei einem Röhrenkesselapparat der eingangs genannten Gattung die zuverlässige Gewährleistung eines gleichmäßigen Schutzes der gesamten Erstreckung der Strömungskanalwandung ohne Gefahr eines Austragens der Festkörper.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung kann die Strömungsgeschwindigkeit unterhalb dei Erweiterung größer sein als die Austragsgeschwindigkeit der Festkörper, so daß bis zu dieser Stelle die Wirbelschicht auseinar.dergezogen wird und die gesamte Länge der beaufschlagten Wände vor Ablagerungen geschützt ist. Dann, beim Durchströmen der Erweiterung, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit auf einen Wert unterhalb der Aust-agsgeschwindigkeit der Festkörperteilchen, so daß diese nicht weiter mitgenommen werden können. Bei einem Abfallen der Strömungsgeschwindigkeit können die Festkörper dann wieder in die Strömungsräume zurück gelangen.

Da die Strömungsgeschwindigkeit in dieser Erweiterung unter die Austragsgeschwindigkeit der Festkörper sinken muß, muß sich die obere Begrenzung der Wirbelschicht irgendwo zwischen Anfang und Ende der Erweiterung einstellen. Auf diese Weise wird einerseits zuverlässig die gesamte Länge der Rohrwandungen im Betrieb des Apparats von den Festkörpern beaufschlagt; genauso zuverlässig ist aber ein Austragen derselben aus dem Strömungsraum verhindert.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsvorschlags ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei Anspruch 2 den Fall betrifft, wo der Zwischenrohrraum vor Ablagerungen zu schützen ist.

Bei der Ausbildung gemäß Anspruch 3 dient die

Überlaufkante zur Gewährleistung eines gleichmäßigen

Überfließens des strömenden Mediums, nachdem dieses keine Festkörper mehr mitführt. Soweit gemäß Anspruch 5 die Innenwandung der Rohre vor Ablagerungen zu schützen ist, wird mit den Maßnahmen gemäß Ansprüchen 6 oder 7 auch noch zuverlässig verhindert, daß die Festkörper aus einem Rohr in ein benachbartes Rohr hinüberfliegen könnten.

Nachstehend werden konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Röhrenkesselwärmetauscher im axialen Vertikalschnitt;

F i g. 2 eine Ausführungsvariante des Röhrenkesselwärmetauschers;

Fig.3 einen Röhrenkesselapparat im axialen Vertikalschnitt;

F i g. 4 eine Ausführungsvariante des Röhrenkesselapparats;

F i g. 5 den Schnitt nach der Linie V-V der F i g. 4.

Der stehende Röhrenkesselwärmetauscher gemäß

Fig. 1 enthält ein Zylindergehäuse 33, an dessen oberem Stirnende mit seiner kleineren Grundfläche ein Kegelschuß 34 anliegt, der eine Erweiterung des Zylindergehäuses 33 darstellt An der oberen Grundfläche des Kegelschusses 34 und am unteren Ende des Zylindergehäuses 33 sind Flansche 35 und 36 befestigt, an welche elliptische Deckel 37 bzw. 38 montiert sind. Zwischen dem Gehäuse 33 und jedem der Deckel ist ein Rohrboden eingebaut, und zwar ein oberer Rohrboden 39 und ein unterer Rohrboden 40.

In diesen Rohrboden 39 und 40 sind Bohrungen vorgesehen, in welchen die senkrechtstehenden Heizrohre 41 mit ihren Enden befestigt sind. Die Rohrboden 39 und 40 stellen somit die obere und die untere Begrenzung des Rohrzwischenraums dar. In der Mitte des oberen Deckels 37 ist ein Stutzen 42 vorgesehen, durch welchen ein heißer Wärmeträger in den Rohrraum des Wärmetauschers eingeführt wird, und in der Mitte des unteren Deckels 38 wird ein Stutzen 43 zum Ableiten des gekühlten Wärmeträgers vorgesehen. Im unteren Teil des Gehäuses 33 sind Bohrungen mit Stutzen 44 zum Zuleiten des Kühlwassers zu dem Rohrzwischenraum des Wärmetauschers ausgespart, und im Oberteil des Kegelschusses 34 sind Bohrungen mit Stutzen 45 zum Ableiten des Kühlwassers; vorhanden.

Im Rohrzwischenraum des Wärmetauschers, etwa, oberhalb des Rohrstutzens 44, ist im Gehäuse 33 ein Verteilergitter 46 eingebaut, an welchem eine Schicht der Festteilchen 47 liegt, beispielsweise eine Schicht von Quarzsand. Die Größe der Teilchen 47 wird in Abhängigkeit der kleinsten Durchflußmenge des Kühlwassers derart gewählt, daß schon bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, die etwas unter deren Kleinstwert liegt, der Wirbelschichtzustand der Teilchen einsetzt. In den Rohrzwischenraum werden so viel Festteilchen 47 geschüttet, daß die obere Grenze der Wirbelschicht der Festteilchen 47 bei dem Nenndurchfluß des Kühlwassers in der Höhe der Verbindungslinie des Gehäuses 33 und Kegelschusses 34 liegt.

Je nach dem Werkstoff der Festteilchen 47 wird der Winkel zwischen der Erzeugenden des Kegelschusses. 34 und der Waagerechten etwas größer als der des Schüttwinkels der Festteilchen 47 gewählt. Die Höhe des Kegelschusses 34 wird aus der Bedingung gewählt, nach der die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in der Höhe der Stutzen 45 geringer als die Austraggeschwindigkeit der Festteilchen 47 ist.

Der Wärmetauscher arbeitet wie folgt:

Durch die Stutzen 44 wird das Kühlwasser fortlaufend zugeführt, das dann aus dem Rohrzwischenraum des Wärmetauschers über die Stutzen 45 abgeführt wird. Zu gleicher Zeit wird über den Stutzen 42 der abzukühlende Wärmeträger eingeführt, der aus dem Wärmetauscher durch den Stutzen 43 wieder austritt. Durch die Strömung des Kühlwassers werden die auf dem Gitter 46 liegenden Festteilchen 47 verwirbelt. Bei der Nenngeschwindigkeit der Wasserströmung nimmt die Wirbelschicht der Festteilchen 47 den ganzen Zylinderteil des Gehäuses 33 ein. Mit Zunahme der Strömungs- eo geschwindigkeit des Kühlwassers infolge niedergeschlagener Ablagerungen an der Oberfläche der Wärmeübertragungsrohre 41 oder aus einem anderen Grunde beginnt das Heraustragen der Festteilchen 47, in den Kgelschuß, welche Festteilchen aber die Höhe der Stutzen 45 nicht erreichen, da der Durchmesser des Kegelschusses 34 in dieser Höhe derart festgelegt ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers nicht die Austraggeschwindigkeit der Festteilchen 47 übersteigt Die im Wirbelschichtzustand befindlichen Festteilchen 47 vollführen im Rohrzwischenraum eine intensive Bewegung und üben an der Außenfläche der Rohre 41 und Innenfläche des Gehäuses 33 und des Kegelschusses 34 eine mechanische Einwirkung aus, indem sie an diesen der Bildung von Kesselstein oder Schlammablagerungen aus dem Kühlwasser vorbeugen. Darüber hinaus verstärkt sich durch eine stetige Zerstörung mit den Festteilchen 47 der laminaren Grenzschicht an der Oberfläche der Heizrohre 41 die Intensität des Wärmeübergangs zwischen dem in den Rohren 41 fließenden Wärmeträger und Kühlwasser.

Falls das Kühlwasser nur einmal benutzt wird und nach dem Wärmetauscher frei ins Becken abfließt: oder wenn das Zirkulationssystem des Kühlwassers zweistufig ausgeführt ist, ist zweckmäßigerweise der in F i g. 2 gezeigte Wärmeaustauscher zu benutzen. Dieser Wärmetauscher hat ein Zylindergehäuse 48, an dessen oberem Stirnende mit seiner kleineren Grundfläche ein Kegelschuß 49 anliegt Die größere Grundfläche des Kegelschusses 49 bleibt frei und dient als eine freie Überlaufkante für das Kühlwasser. Am unteren Stirnende des Gehäuses 48 liegt ein Flansch 50 zur Befestigung eines Deckels 51, in dessen Mitte eine Bohrung mit einem Stutzen 52 zur Ableitung des Wärmeträgers ausgeführt ist.

Zwischen dem Deckel 51 und dem Flansch 50 ist ein Rohrboden 53 mit Bohrungen für die starre Befestigung von Wärmeübertragungsrohren 54 zwischengelegt, die im Gehäuse 48 vertikal montiert sind. Die oberen Enden dieser Heizrohre sind im Rohrboden 55 festeiingeklemmt. Die Länge der Heizrohre 54 ist so groß gewählt, daß zwischen dem Rohrboden 55 und dem Stirnende des Kegelschusses 49 ein Abstand übrigbleibt, der zum freien Durchgang des Kühlwassers groß genug ist. Am Rohrboden 55 ist ein Deckel 56 befestigt, in dessen Mitte eine Bohrung mit einem Stutzen 57 zur Einführung des heißen Wärmeträgers vorgesehen ist.

Im Unterteil des Gehäuses 48 sind Bohrungen mit Stutzen 58 zur Zuleitung des Kühlwassers ausgeführt. Etwas unterhalb der Verbindungslinie des Kegelschusses 49 und Gehäuses 48 ist an diesem letzteren ein Behälter 59 zum Ansammeln des Kühlwassers befestigt. Dieser Behälter 59 weist an seiner Seitenfläche Bohrungen mit Stutzen 60 zum Abführen des verbrauchten Kühlwassers auf.

Im Gehäuse 48, etwas oberhalb der Stutzen 58, ist ein Gitter 61 befestigt, auf dem die Schicht von Festteillchen 62 liegt, beispielsweise von Quarzsand. Die Menge der Festteilchen 62, deren Abmessungen sowie der Kegelwinkel und die Höhe des Kegelschusses 49 werden wie bei dem Wärmetauscher gemäß F i g. 1 gewählt.

Der Wärmeaustauschapparat arbeitet wie folgt:

Durch den Stutzen 58 beginnt man, das Kühlwasser einzuführen, und durch den Stutzen 57 den heißen Wärmeträger. Das Kühlwasser umspült die Heizrohre und fließt bei seiner Weiterbewegung über die Kante des Kegelschusses 49 in den Behälter 59 hinüber, von wo es über die Stutzen 60 weitergeleitet wird. Der abgekühlte Wärmeträger wird durch den Stutzen 52 entfernt. Im Wärmeaustauscher strömt das Kühlwasser durch das Gitter 61 und versetzt darauf liegende Festziehen 62 in einen Wirbelschichtzustand.

Bei der Nenngeschwindigkeit des strömenden Kühlwassers nimmt die Wirbelschicht der Festteilchen 62 den ganzen Zylinderteil des Gehäuses 48 ein. Nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers im Rohr-

Zwischenraum zu, wird ein Teil der Festteilchen 62 in den Kegelschuß 49 herausgetragen, erreicht aber nicht die Höhe dessen größerer Grundfläche, da die Strömungsgeschwindigkeit in dieser Höhe immer kleiner als die Austraggeschwindigkeit der Festteilchen 62 bleibt Dieser Umstand wird durch die entsprechende Auswahl des Kegelwinkels und der Höhe des Kegelschusses 49 erreicht. Auf diese Weise tritt das Kühlwasser in den Sammelbehälter 59 ohne die Festteilchen 62 hinein.

Im Wirbelschichtzustand vollführen die Festteilchen 62 eine intensive Bewegung und üben ununterbrochen eine mechanische Einwirkung an der Außenfläche der Heizrohre 54 und Innenfläche des Gehäuses 48 aus, indem sie dadurch die Ablagerungsbildung aus dem Kühlwasser verhindern. Darüber hinaus steigt dank der fortlaufenden Zerstörung durch die Festteilchen 62 der laminaren Grenzschicht auf der Oberfläche der Heizrohre 54 die Intensität des Wärmeüberganges zwischen dem Kühlwasser und Wärmeträger an.

In F i g. 3 ist ein stehender Röhrenkesselwärmeaustauscher abgebildet Der Wärmetauscher ist zur Dampfkondensation vorgesehen und besitzt ein Zylindergehäuse 63, an dessen Stirnenden Rohrboden 64 befestigt sind, die zur Festlegung von Heizrohren 65 mit seinen Enden dienen, welche Rohre im Gehäuse 63 senkrecht stehen. An jedem der Rohrboden 64 sind mit Hilfe von Flanschen 66 und 67 ein Ober- und Unterdeckel 68 bzw. 69 befestigt Die Rohrboden 64 trennen den Rohrraum des Wärmetauschers vom Rohrzwischenraum. Im oberen Teil des Gehäuses 63 des Wärmetauschers ist ein Stutzen 70 zum Einführen des Dampfes und im unteren Teil des Gehäuses 63 ein Stutzen 71 zur Abführung des Kondensats vorgesehen. In der Mitte des Unterdeckels 69 ist eine Bohrung mit einem Stutzen 72 zur Zuleitung des Kühlwassers und in der Mitte des Oberdeckels 68 eine Bohrung mit einem Stutzen 73 zur Ableitung des Kühlwassers ausgeführt. In jedem der Heizrohre 65 an seinem Eintritt der Kühlwasserströmung ist eine Düse 74 montiert Diese Düsen 74 dienen zur gleichmäßigeren Verteilung des Kühlwassers zwischen den Heizrohren 65.

Jedes Heizrohr 65 ist zum Teil mit Porzellankugrln 75 gefüllt die als Festkörper zur Verhütung der Ablagerungsbildung aus dem Kühlwasser an der Innenfläche der Heizrohre 65 dienen. Der Durchmesser der Porzellankugeln 75 wird in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers derart gewählt daß die relaitve Sinkgeschwindigkeit etwas kleiner als die Mindestgeschwindigkeit der Wasserströmung in den Rohren 65 ist

In die Heizrohre 65 wird eine solche Menge der Porzellankugeln 75 geschüttet daß bei der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in diesen Heizrohren 65, die dessen Nenndurchfluß entspricht, die entstehende Wirbelschicht die Rohre vollkommen ausfüllt

Jedes Heizrohr 65 weist am Austritt des Wassers aus diesem eine Erweiterung auf, die zur Vermeidung des Heraustragens der Prozellankugeln 75 dient

im betreffenden Beispiel stellt jede solche Erweiterung einen Diffusor 76 dar, der am Rohr 65 mit seiner kleineren Grundfläche anliegt Der Kegelwinkel des Diffusors 76 wird etwas kleiner als der Winkel des natürlichen Schüttwinkels der Porzellankugeln 75 gewählt

Die Höhe des Diffusors 76 wird so gewählt, daß die höchstzulässige im Betrieb des Wärmetauschers auftretende Strömungsgeschwindigkeit in der Höhe der oberen Grundfläche des Diffusors 76 kleiner als die Austraggeschwindigkeit der Kugeln 75 ist.
Der Wärmeaustauscher arbeitet wie folgt:
Durch den Stutzen 70 wird der zu kondensierende Dampf zugeführt, der bei seinem Durchgang von oben nach unten im Rohrzwischenraum des Wärmetauschers die Heizrohre 65 umspült. Zur gleichen Zeit wird in den Rohrraum über den Stutzen 72 das Kühlwasser eingeführt das sich im Rohrraum des Wärmetauschers von unten nach oben bewegt Hiernach wird der kondensierte Dampf durch den Stutzen 71 und das

!5 angewärmte Kühlwasser im Stutzen 73 abgeführt. Auf seinem Wege durch die Düsen 74 und weiter in den Rohren 65 des Wärmetauschers versetzt das Kühlwasser die in jedem Heizrohr befindlichen Porzellankugeln 75 in einen Wirbelschichtzustand. Bei der Nennströmungsgeschw'wdigkeit des Kühlwassers in den Heizrohren 65 erstreckt sich die Wirbeischicht der Porzellankugeln 75 über die ganze Höhe der Heizrohre 65 bis zum Übergang in den Diffusor 76.
Bei Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, die infolge einer Zunahme des gesamten Wasserdurchflusses durch den Wärmetauscher oder wegen einer ungleichmäßigen Verteilung desselben zwischen den Heizrohren 65 auftreten kann, wird in einem oder mehreren Heizrohren 65 ein Teil der Porzellankugeln 75 in den Diffusor herausgetragen. Da aber die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers am Ende des Diffusors die Austraggeschwindigkeit der Kugeln nicht übersteigt bleiben diese Porzellankugeln 75 innerhalb des Diffusors 75 zurück. Bei Wiederherstellung der Nenngeschwindigkeit der Kühlwasserströmung kehren die Kugeln 75 in das entsprechende Heizrohr 65 zurück. Die im Wirbelschichtzustand befindlichen Porzellankugeln vollführen eine Bewegung und greifen ununterbrochen mechanisch an der Innenfläche der Heizrohre 65 an, indem sie dadurch die Ablagerungenbildung aus dem Kühlwasser verhindern.

Für den Fall, daß ein Wärmeaustauscher eine verhältnismäßig große Zahl von Heizrohren 65 pro Flächeneinheit des Rohrbodens 64 besitzt und die Heizrohre 65 so dicht aneinanderstehen, daß der Diffusor an jedem Rohr unmöglich ist ist es zweckmäßig, die Bauform gemäß F i g. 4/5 zu wählen. Deren Ausführung unterscheidet sich von der in F i g. 3 dargestellten dadurch, daß die Erweiterung jedes

so Rohres 65 eine Sektion 77 darstellt die durch den Heizrohren 65 parallele und deren Austrittsmündungen voneinander trennende Zwischenwände 78 und 79 (F i g. 5) gebildet wird. Diese Zwischenwände 78 und 79 liegen mit ihrem unteren Rand an dem oberen Rohrboden64(Fig.4)an.

Die Höhe dieser Zwischenwände 78 und 79 wird so gewählt, daß sie die Höhe fibersteigt, die die verwendeten Festkörper 75 auf Grund ihres Schüttwinkels auf dem Rohrboden 64 im die Mündung der Rohre 65 innerhalb der Sektionen 77 umgebenden Bereich erreichen können.

Die gegenseitige Anordnung der Zwischenwände 78 und 79 ist in F i g. 5 gezeigt und wird in Abhängigkeit der Verteilung und der Anzahl der Heizrohre 65 gewählt, die im Rohrboden befestigt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Röhrenkesselapparat aus einem Gehäuse mit Rohrböden, zwischen denen parallel zueinander senkrechte Rohre verlaufen, wobei sowohl der auf diese Weise gebildete Rohrinnenraum als auch der Zwischenraum je einen Eintritts- und Austrittsstutzen aufweist und wenigstens einer dieser Räume mit gegenüber dem Strömungsmedium inerten Festkörpern gefüllt ist, deren Herausfallen nach unten durch Verengungen des Durchtrittsquerschnitts verhindert ist, und die bei der Durchströmung des Raums in einen Wirbelschichtzustand geraten, in dem sie die Ablagerung von Rückständen an den beaufschlagten Wandungen verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende der festkörpergefüllten Strömungsräume eine Erweiterung von deren Durchtrittsquerschnitt so vorgesehen ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit unter die Austragsgeschwindigkeit der Festkörper sinkt

2. Röhrenkesselapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenrohrraum die Erweiterung (34) aufweist und der Austrittsstutzen (45) aus diesem oberhalb der Erweiterung mündet

3. Röhrenkesselapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenrohrraum die Erweiterung (49) aufweist, welche an ihrem oberen Ende eine Überlaufkante bildet, über die das Strömungsmedium in einen Behälter (59) überfließt, von welchem der Austrittsstutzen (60) abgeht.

4. Röhrenkesselapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Herausfallen der Festkörper (47, 62) verhindernden Verengungen des Durchtrittscjuerschnitts in Form eines Gitters (46; 61) ausgebildet sind.

5. Röhrenkesselapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrinnenraum die Erweiterung aufweist.

6. Röhrenkesselapparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Erweiterung einen Diffusor (76) darstellt.

7. Röhrenkesselapparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung jedes Rohres eine Sektion (77) darstellt, die durch den Rohren (65) parallele Zwischenwände (78 und 79) gebildet ist, die die Rohraustrittsöffnungen voneinander trennen.