DE19548688C2 - Wärmetauscher zum Kühlen von stickstoffhaltigem Gas hoher Temperatur - Google Patents

Wärmetauscher zum Kühlen von stickstoffhaltigem Gas hoher Temperatur

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Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von stickstoffhaltigem Gas hoher Temperatur, insbesondere zur Abwärmenutzung in der chemischen Industrie, mit an ihren Enden in Bohrungen mindestens einer Rohrplatte druckdicht befestigten Wärmetauscherrohren aus ferritischem Werkstoff, die in einem von einem Kühlmedium durchflossenen Wärmetauschergehäuse angeordnet sind.
Derartige Wärmetauscher sind beispielsweise aus der DE 38 22 808 C2 bekannt. Bei diesen Wärmetauschern besteht die Gefahr der Versprödung des ferritischen Rohrwerkstoffes, wenn das in den Rohren strömende stickstoffhaltige Gas Temperaturen oberhalb 350°C aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus ferritischem Werk­ stoff bestehenden Wärmetauscherrohre derartiger Wärmetauscher vor Ver­ sprödung zu schützen.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest im hohen Temperaturbereich der Wärme­ tauscherrohre jeweils ein Schutzrohr aus versprödungsunempfindlichem Material, beispielsweise Chromnickelstahl angeordnet ist, das durch hydrau­ lisches Aufweiten im Bereich der Rohrplatte im Wärmetauscherrohr befestigt ist.
Durch die zumindest im hohen Temperaturbereich innerhalb der Wärme­ tauscherrohre angeordneten Schutzrohre aus versprödungsunempfindlichem Material, beispielsweise Chromnickelstahl, wird die Diffusion von Gasmolekülen des wärmeabgebenden Mediums in den ferritischen Werkstoff der Wärmetauscherrohre verhindert, so daß diese wirksam vor Versprödung geschützt sind. Durch hydraulisches Aufweiten der Schutzrohre im Bereich der Rohrplatte werden diese auf besonders einfache, aber wirksame Weise im je­ weiligen Wärmetauscherrohr befestigt.
Auch die Wärmetauscherrohre können in an sich bekannter Weise durch hydraulisches Aufweiten in der Rohrplatte befestigt werden. Hierdurch erfolgt eine zuverlässige Befestigung der Wärmetauscherrohre in der Rohrplatte, ohne daß eine gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die stirnseitigen Enden der Wärmetauscherrohre mit der Rohrplatte verbindende Dichtschweißnaht mit axialen Rohrkräften belastet wird.
Aus der JP 58-178 196 (A), 194 Vol. 8/Nr. 20 war zwar ein Dampferzeuger für Druckwasserreaktoren bekannt, bei dem im Inneren der in Bohrungen einer Rohrplatte druckdicht befestigten Wärmetauscherrohre Innenrohre angeordnet sind, die gemeinsam mit den Wärmetauscherrohren durch hydraulisches Aufweiten an der Rohrplatte befestigt sind. Diese Innenrohre haben die Aufgabe, beim Aufweiten der Wärmetauscherrohre das Entstehen von Rissen in den Wärmetauscherrohren, insbesondere im Bereich des Überganges zwischen der Rohrplatte und dem aus der Rohrplatte heraustretenden Rohrstück zu vermeiden. Da der Druckwasserreaktor mit Wasser gekühlt wird, entsteht bei dieser bekannten Konstruktion keine Gefahr einer Versprödung der Wärmetauscherrohre. Aufgrund dieses grundlegenden Unterschiedes hat diese bekannte Konstruktion keine Berührung zu der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabenstellung und deren erfindungsgemäßer Lösung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Schutzrohre im Bereich der hydraulischen Aufweitung der Wärmetauscherrohre hydraulisch aufgeweitet, wobei dieser Aufweitvorgang der Wärmetauscherrohre einerseits und der Schutzrohre andererseits entweder gleichzeitig oder zeitlich aufeinan­ derfolgend erfolgen kann.
Um die Rohrplatte des Wärmetauschers während der An- und Abfahrvorgänge des Wärmetauschers vor thermoschockartigen Belastungen zu schützen, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, im Eintrittsbereich der Schutz­ rohre jeweils ein zusätzliches, auf seiner Außenseite mit einer Isolierung ver­ sehenes Einsatzrohr aus versprödungsunempfindlichem Material, beispiels­ weise Chromnickelstahl anzuordnen, dessen Isolierung vorzugsweise eine mindestens der Dicke der Rohrplatte entsprechende axiale Erstreckung hat und das außerhalb der Rohrplatte durch hydraulisches Aufweiten am Schutz­ rohr festgelegt ist. Mit diesem Vorschlag ergibt sich zusätzlich zum Schutz der Wärmetauscherrohre gegen Versprödung ein Schutz der Rohrplatte gegen thermoschockartige Belastungen, wobei die Festlegung der Einsatzrohre am Schutzrohr durch außerhalb der Rohrplatte erfolgendes hydraulisches Auf­ weiten sicherstellt, daß die gegen Belastungen empfindliche Isolierung zwischen Schutzrohr und Einsatzrohr nicht überbelastet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ragen die Schutzrohre und ggf. die Einsatzrohre einströmseitig aus der Rohrplatte und den Wärmetauscherrohren heraus und sind mit ihrem Ende an einem Zwischenboden eines Eintritt­ sammlers befestigt, vorzugsweise durch Schweißen. Auf diese Weise läßt sich eine zusätzliche Sicherung der Rohrplatte gegen eine zu hohe Temperaturbe­ lastung erzielen.
In an sich bekannter Weise kann die Rohrplatte einströmseitig mit einer Plattie­ rung aus versprödungsunempfindlichem Material, beispielsweise Chrom­ nickelstahl versehen sein, um bei einer direkten Beaufschlagung der Rohrplatte mit heißem Gas Versprödungen der Rohrplatte zu vermeiden.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kompletten Wärmetauschers,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel anhand eines Schnittes durch ein in der Rohrplatte druckdicht befestigtes Wärmetauscherrohr und
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Der in Fig. 1 nur schematisch dargestellte, beispielsweise zur Abwärmenut­ zung in der chemischen Industrie eingesetzte Wärmetauscher umfaßt eine Gasleitung 1, aus der das beispielsweise 480°C heiße, stickstoffhaltige Gas Gh einem Eintrittsammler 2 zugeführt wird. Aus diesem Eintrittsammler 2 ge­ langt das heiße Gas Gh in Wärmetauscherrohre 3, die beim Ausführungsbei­ spiel U-förmig ausgeführt und mit beiden Enden in einer Rohrplatte 4 druckdicht befestigt sind. Die Wärmetauscherrohre 3 sind hierbei von einem Gehäuse 5 umgeben, das mit auf der Zeichnung nicht dargestellten Anschlüssen für die Zufuhr und Abfuhr eines aus dem heißen Gas Gh Wärme aufnehmenden Mediums versehen ist.
Beim Ausführungsbeispiel ragen die zuströmseitigen Enden 3a der Wärme­ tauscherrohre 3 aus der Rohrplatte 4 heraus. Sie sind in einer als Zwischen­ boden 2a zur Rohrplatte 4 anzusehenden Wand des Eintrittsammlers 2 druck­ dicht befestigt, so daß das heiße Gas Gh aus dem Eintrittsammler 2 in die Enden 3a der Wärmetauscherrohre 3 eintritt. Bei der Durchströmung des heißen Gases Gh durch die im Gehäuse 5 angeordneten Wärmetauscherrohre 3 wird dem Gas Wärme entzogen, so daß es beim gewählten Ausführungsbeispiel die auf der Unterseite der Rohrplatte 4 endenden Wärmetauscherrohre 3 beispielsweise mit einer Temperatur von 330°C verläßt. Dieses abgekühlte Gas Gk ist durch einen Pfeil in Fig. 1 symbolisiert.
Um eine insbesondere durch die hohen Temperaturen begünstigte Ver­ sprödung der aus ferritischem Werkstoff bestehenden Wärmetauscherrohre 3 zu verhindern, ist bei beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 und 3 im hohen Temperaturbereich der Wärmetauscherrohre 3 in jedem Wärme­ tauscherrohr 3 jeweils ein Schutzrohr 6 angeordnet, das aus einem ver­ sprödungsunempfindlichen Material, beispielsweise Chromnickelstahl besteht. Dieses Schutzrohr 6 ist im Bereich der Rohrplatte 4 durch hydraulisches Auf­ weiten im jeweiligen Wärmetauscherrohr 3 befestigt. Bei den beiden Aus­ führungsbeispielen sind auch die Wärmetauscherrohre 3 durch hydraulisches Aufweiten in entsprechende ringförmige Ausnehmungen in den Bohrungen der Rohrplatte 4 an dieser befestigt. Die sich hierbei ergebenden ringförmigen Vertiefungen im Inneren der Wärmetauscherrohre 3 wurden für das hydraulische Aufweiten der Schutzrohre 6 benutzt. Das hydraulische Aufweiten einerseits der Wärmetauscherrohre 3 und andererseits der Schutzrohre 6 kann zeitlich aufeinanderfolgend oder gleichzeitig erfolgen.
Durch die im hohen Temperaturbereich innerhalb der Wärmetauscherrohre 3 angeordneten Schutzrohre 6 aus versprödungsunempfindlichem Material wird die Diffusion von Gasmolekülen des wärmeabgebenden Mediums, insbeson­ dere eines stickstoffhaltigen Gases in den ferritischen Werkstoff der Wärme­ tauscherrohre 3 verhindert, so daß diese wirksam vor Versprödung geschützt sind. Die axiale Länge der Schutzrohre 6 hängt hierbei im wesentlichen vom Temperaturverlauf in axialer Richtung der Wärmetauscherrohre 3 und damit von der Intensität der Kühlung der Wärmetauscherrohre 3 ab. Beim darge­ stellten Ausführungsbeispiel ist die Kühlung derart intensiv, daß die Schutz­ rohre 6 mit einer nur geringfügigen axialen Erstreckung abströmseitig die Rohrplatte 4 überragen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ragt das Schutzrohr 6 einströmseitig aus der Rohrplatte 4 heraus. Dieses zuströmseitige Ende 6a der Schutzrohre 6 ist gemäß Fig. 2 in einem Zwischenboden 2a druckdicht befestigt, der gemäß Fig. 1 Teil eines Eintrittsammlers 2 sein kann. Die Befestigung des Schutz­ rohres 6 am Zwischenboden 2a erfolgt beim Ausführungsbeispiel durch eine Schweißnaht 7.
Um auch die ungekühlte Oberfläche der Rohrplatte 4 vor einer unerwünschten Versprödung zu schützen, ist die Rohrplatte 4 einströmseitig mit einer Plattie­ rung 4a versehen. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um ein mit ferritischem Material verschweißbares Material, so daß zwischen Plattierung 4a und der Stirnseite jedes Wärmetauscherrohres 3 eine Dichtschweißnaht 8 gelegt werden kann. Aufgrund der Festlegung des Wärmetauscherrohres 3 an der Rohrplatte 4 durch hydraulisches Aufweiten ist diese insbesondere der besseren Abdichtung dienende Dichtschweißnaht 8 von axialen Rohrkräften entlastet.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist im Eintrittsbereich der Schutzrohre 6 jeweils ein zusätzliches, auf seiner Außenseite mit einer Isolie­ rung 9 versehenes Einsatzrohr 10 angeordnet, das ebenfalls aus einem ver­ sprödungsunempfindlichen Material besteht. Die zwischen dem innenliegenden Einsatzrohr 10 und dem außenliegenden Schutzrohr 6 angeordnete Isolierung 9 schützt insbesondere bei Anfahr- und Abfahrvorgängen gegen thermo­ schockartige Belastungen. Die Isolierung 9 erstreckt sich vorzugsweise min­ destens über eine der Dicke der Rohrplatte 4 entsprechende axiale Länge. Um die empfindliche Isolierung 9 vor Beschädigungen oder Zerstörungen zu schützen, erfolgt die Festlegung jedes Einsatzrohres 10 am Schutzrohr 6 durch außerhalb der Rohrplatte 4 erfolgendes hydraulisches Aufweiten, d. h. durch ein Aufweiten in einem Bereich, in dem die Einsatzrohre 10 und Schutz­ rohre 6 unmittelbar, d. h. ohne zwischenliegende Isolierung 9 aneinanderliegen.
Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Rohrplatte 4 ein­ strömseitig mit einer Plattierung 4a versehen, zwischen der und dem Wärme­ tauscherrohr 3 jeweils eine Dichtschweißnaht 8 gelegt ist. Außer dem Schutz­ rohr 6 ragt auch das Einsatzrohr 10 aus der Rohrplatte 4 heraus, wobei bei dieser Ausführungsform das konisch aufgeweitete Einsatzrohr 10 mittels einer Schweißnaht 7 am Zwischenboden 2a des Eintrittsammlers 2 befestigt ist.
Bezugszeichenliste
1
Gasleitung
2
Eintrittsammler
2
aZwischenboden
3
Wärmetauscherrohr
3
azuströmseitiges Ende
4
Rohrplatte
4
aPlattierung
5
Gehäuse
6
Schutzrohr
6
azuströmseitiges Ende
7
Schweißnaht
8
Dichtschweißnaht
9
Isolierung
10
Einsatzrohr
Ga
heißes Gas
Gk
abgekühltes Gas

Claims (8)

1. Wärmetauscher zum Kühlen von stickstoffhaltigem Gas hoher Temperatur, insbesondere zur Abwärmenutzung in der chemischen Industrie, mit an ihren Enden in Bohrungen mindestens einer Rohrplatte druckdicht befestigten Wärmetauscherrohren aus ferritischem Werkstoff, die in einem von einem Kühlmedium durchflossenen Wärmetauscherge­ häuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im hohen Temperaturbereich der Wärmetauscherrohre (3) jeweils ein Schutzrohr (6) aus versprödungsunempfindlichem Material, beispielsweise Chromnickelstahl angeordnet ist, das durch hydraulisches Aufweiten im Bereich der Rohrplatte (4) im Wärmetauscherrohr (3) be­ festigt ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (3) durch hydraulisches Aufweiten in der Rohrplatte (4) befestigt sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitigen Enden der Wärmetauscherrohre (3) mit der Rohrplatte (4) durch eine Dichtschweißnaht (8) verbunden sind.
4. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzrohre (6) im Bereich der hydraulischen Aufweitung der Wärmetauscherrohre (3) hydraulisch aufgeweitet sind.
5. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Eintrittsbereich der Schutzrohre (6) jeweils ein zusätzliches, auf seiner Außenseite mit einer Isolierung (9) versehenes Einsatzrohr (10) aus versprödungsunempfindlichem Material, beispiels­ weise Chromnickelstahl angeordnet ist, das außerhalb der Rohrplatte (4) durch hydraulisches Aufweiten am Schutzrohr (6) festgelegt ist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Iso­ lierung eine mindestens der Dicke der Rohrplatte (4) entsprechende axiale Erstreckung hat.
7. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzrohre (6) und ggf. Einsatzrohre (10) ein­ strömseitig aus der Rohrplatte (4) und den Wärmetauscherrohren (3) her­ ausragen und mit diesem Ende an einem Zwischenboden (2a) eines Ein­ trittsammlers (2) befestigt sind.
8. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrplatte (4) einströmseitig mit einer Plattie­ rung (4a) versehen ist.
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