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Die Erfindung betrifft eine Kühlrippenanordnung für ein Produktsammelrohr eines Dampfreformers, sowie einen Dampfreformer. Die Erfindung liegt daher insbesondere auf dem Gebiet der Dampfreformer und/oder Wasserstoffreformeranlagen zur Herstellung von Wasserstoff und/oder wasserstoffreicher Stoffe, kann aber auch für andere Prozesse, mit ähnlichen Anforderungen/Anordnungen angewendet werden.
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Stand der Technik
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Dampfreformer dienen dem Zweck, in einem industriellen Verfahren Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern und Wasser mittels Dampfreformierung herzustellen. Die Dampfreformierung findet dabei bei hohen Temperaturen in einer oder mehreren Reformerstrahlungszonen statt, wobei die Reformerstrahlungszonen mittels angeschweißter Stutzen mit einem Produktsammelrohr verbunden sind, in welches sodann der bei der Dampfreformierung erhaltene Wasserstoff geleitet wird. Aufgrund der meist sehr hohen Temperaturen, welche in den Reformerstrahlungszonen vorherrschen, weist auch der dabei gewonnene Wasserstoff und andere Produktgase eine sehr hohe Temperatur auf, wenn diese in das Produktsammelrohr geleitet werden. Dies führt zu sehr hohen thermischen Belastungen des Produktsammelrohrs und insbesondere zu stark ausgeprägten Temperaturgradienten über dessen Länge, wodurch das Produktsammelrohr oft starken mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.
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So kann es im Laufe des Betriebs des Dampfreformers häufig zu hitzebedingten mechanischen Deformierungen an dem typischerweise als Glattrohr ausgebildeten Produktsammelrohr kommen, welche das Produktsammelrohr beschädigen können und eine Reparatur und/oder einen Austausch dessen erforderlich machen. Auch kann eine starke Deformation kostenaufwändige Reparaturen und/oder einen Austausch einer optionalen Beton-Auskleidung des Produktsammelrohrs erforderlich machen. Aus diesen Gründen müssen häufig zeit- und kostenintensive Reparaturen an dem Dampfreformer durchgeführt werden, für welche zumeist eine vorübergehende Stilllegung des Dampfreformers und ggf. davon abhängiger Anlagen erforderlich ist.
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Daher sind Schäden an dem Produktsammelrohr oft mit wirtschaftlich sehr nachteilhaften Ausfällen des Dampfreformers verbunden. Ferner können solche Schäden eine große Unfallgefahr, insbesondere während der Reparatur und/oder des Austauschs, mit sich bringen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampfreformer und/oder ein Produktsammelrohr derart bereitzustellen und/oder anzupassen, dass dieser die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll ein Dampfreformer und/oder ein Produktsammelrohr dahingehend verbessert werden, dass dieser eine geringere Anfälligkeit für thermisch bedingte Schäden aufweist, z. B. Durchbiegungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch eine Kühlrippenanordnung, ein Produktsammelrohr und einen Dampfreformer mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Kühlrippenanordnung für ein Produktsammelrohr eines Dampfreformers, wobei die Kühlrippenanordnung zumindest eine Kühlrippe umfasst und an einer Außenseite des Produktsammelrohrs derart anordenbar ist, dass die Kühlrippe mit dem Produktsammelrohr in thermischem Kontakt steht. Die Kühlrippenanordnung ist derart ausgestaltet, dass die zumindest eine Kühlrippe eine Oberfläche der Außenseite des Produktsammelrohrs vergrößert, wenn die Kühlrippenanordnung an dem Produktsammelrohr angeordnet ist.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Produktsammelrohr für einen Dampfreformer. Das Produktsammelrohr weist eine Kühlrippe auf, welche an einer Außenseite des Produktsammelrohrs derart angeordnet ist, dass die Kühlrippe mit der Außenseite des Produktsammelrohrs in thermischem Kontakt steht und eine Oberfläche der Außenseite des Produktsammelrohrs vergrößert.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Dampfreformer umfassend eine erfindungsgemäße Kühlrippenanordnung und/oder ein erfindungsgemäßes Produktsammelrohr.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Wärmeabfuhr über die Oberfläche der Außenseite des Produktsammelrohrs verbessert wird. Dadurch kann die in das Produktsammelrohr eingetragene Wärme effizienter über die Außenseite abgeführt werden, sodass die Temperatur des Produktsammelrohrs verringert und/oder Temperaturgradienten im Produktsammelrohr verringert werden können.
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Die zumindest eine Kühlrippe bietet insbesondere den Vorteil, dass die von dem Produktsammelrohr gespeicherte Wärme in einem höheren Maß an die Umgebung abgeführt werden kann, beispielsweise an die Umgebungsluft, da die Kontaktfläche zwischen der Außenseite des Produktsammelrohrs und der Umgebung durch die zumindest eine Kühlrippe vergrößert wird.
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Folglich bietet die Erfindung den Vorteil, dass auch thermisch bedingte Deformationen (bzw. Verformungen) des Produktsammelrohrs verringert werden können und somit die Gefahren von Brüchen und/oder Rissen und/oder anderen Beschädigungen reduziert werden können. Aus diesem Grund kann erfindungsgemäß auch das Risiko von Unfällen und/oder Ausfällen des Dampfreformers aufgrund von Reparaturen verringert werden, sodass die Betriebssicherheit und die Wirtschaftlichkeit des Dampfreformers verbessert werden.
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Vorzugsweise weist die Kühlrippenanordnung ferner eine Befestigungsvorrichtung auf, mittels welcher die Kühlrippenanordnung mit dem Produktsammelrohr verbindbar und/oder befestigbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Kühlrippenanordnung auf einfache Weise an einem herkömmlichen Produktsammelrohr, welches beispielsweise als Glattrohr ausgebildet ist, installiert bzw. angebracht werden kann. Vorzugsweise kann die Befestigungsvorrichtung zumindest einen Spannring und/oder ein Metallband und/oder eine Wärmeleitpaste umfassen, mittels welchem die zumindest eine Kühlrippe an dem Produktsammelrohr befestigt werden kann. Dabei erfolgt die Befestigung vorzugsweise derart, dass ein thermischer Kontakt zwischen der Kühlrippe und der Außenseite des Produktsammelrohrs vorliegt, sodass die Wärme in ausreichendem Maße von dem Produktsammelrohr auf die Kühlrippe und von der Kühlrippe an die Umgebung übertragen werden kann. Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass mittels der Befestigungsvorrichtung die Kühlrippenanordnung vorzugsweise an einem bestehenden Produktsammelrohr nachträglich angeordnet werden kann, vorzugsweise ohne dass das Produktsammelrohr dazu aus dem Dampfreformer ausgebaut und/oder freigelegt werden muss (einfache Nachrüstmöglichkeit eines bereits bestehenden Systems). Insbesondere kann dies vorzugsweise ein Anbringen der Kühlrippenanordnung während des laufenden Betriebs des Dampfreformers ermöglichen.
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Vorzugsweise ist die Kühlrippenanordnung derart an dem Produktsammelrohr anordenbar, dass sich die zumindest eine Kühlrippe senkrecht zu einer Längsachse des Produktsammelrohrs erstreckt und/oder entlang einer Umfangsrichtung des Produktsammelrohrs verläuft und/oder parallel zur Längsachse des Produktsammelrohrs verläuft. Mit anderen Worten kann die zumindest eine Kühlrippe entlang der Umfangsrichtung des Produktsammelrohrs und/oder entlang der Längsachse des Produktsammelrohrs verlaufen. Auch sind Linearkombinationen daraus möglich, d.h. die zumindest eine Kühlrippe kann sich auch schräg, also weder genau senkrecht noch genau parallel, zur Längsachse des Produktsammelrohrs erstrecken. Auch muss die Kühlrippe nicht notwendigerweise geradlinig verlaufen, wenngleich dies möglich ist. Vielmehr kann die Kühlrippe zumindest teilweise auch einen gewellten und/oder stufenförmigen und/oder zackenförmigen Verlauf aufweisen. Die zumindest eine Kühlrippe erstreckt sich vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche der Außenseite des Produktsammelrohrs von dem Produktsammelrohr weg. Jedoch kann gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen die zumindest eine Kühlrippe auch in einem anderen Winkel von der Oberfläche weg erstrecken. Die Kühlrippen können beispielsweise eine Dicke von 1 cm bis 2 cm aufweisen und/oder eine Höhe von 3 cm bis 7 cm, wenngleich auch andere Abmessungen möglich sind und vorteilhaft sein können.
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Die Kühlrippen können sich dabei entlang der gesamten Länge des Produktsammelrohrs oder nur über einen Teil der Länge. Auch können sich die Kühlrippen um den ganzen Umfang des Produktsammelrohrs erstrecken, oder nur um einen Teil des Umfangs, wie etwa um einen halben oder einen viertelten Umfang des Produktsammelrohrs.
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Vorzugsweise ist die Kühlrippe aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt, insbesondere aus einem Metall. Dies bietet den Vorteil, dass eine effektive Wärmeabfuhr über die Kühlrippe ermöglicht wird. Die Kühlrippe und die Außenseite des Produktsammelrohrs können vorzugsweise zumindest teilweise aus unterschiedlichen Materialien und/oder aus dem gleichen Material gefertigt sein. Besonders bevorzugt sind jedoch sowohl die Kühlrippe als auch das Produktsammelrohr aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet und auch derart miteinander verbunden, dass ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Produktsammelrohr und der Kühlrippe besteht. Sofern das Produktsammelrohr einstückig mit einer oder mehreren Kühlrippen ausgebildet wird, kann es zugunsten des Herstellungsaufwands vorteilhaft sein, die Kühlrippe(n) aus dem gleichen Material auszubilden, aus dem das Produktsammelrohr gefertigt ist. Jedoch ist es nicht zwingend erforderlich, beim Nachrüsten eines Produktsammelrohrs mit Kühlrippen die Kühlrippen aus dem gleichen Material herzustellen, wie das bereits vorliegende Produktsammelrohr.
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Vorzugsweise weist die Kühlrippenanordnung und/oder das Produktsammelrohr mehrere Kühlrippen auf, welche einzeln und/oder miteinander verbunden an dem Produktsammelrohr anordenbar sind. Beispielsweise können mehrere Kühlrippen über eine Befestigungsvorrichtung miteinander verbunden sein, und somit gemeinsam an dem Produktsammelrohr befestigbar sein. Dies kann den Vorteil bieten, dass die Kühlrippenanordnung auf besonders einfache Weise an dem Produktsammelrohr befestigbar ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- Die 1A und 1B zeigen in schematischen Darstellungen einen Ausschnitt eines Produktsammelrohrs gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
- Die 2A und 2B zeigen in schematischen Darstellungen einen Ausschnitt eines Produktsammelrohrs 10 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1A und 1B zeigen in schematischen Darstellungen einen Ausschnitt eines Produktsammelrohrs 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Wie in 1A zu erkennen ist, ist das Produktsammelrohr 10 dabei mit einer Kühlrippenanordnung 12 versehen, die mehrere Kühlrippen 14 umfasst, welche sich senkrecht zu einer Längsachse 100 des Produktsammelrohrs 10 erstrecken. Da das Produktsammelrohr 10 in einem Dampfreformer typischerweise horizontal verlaufend angeordnet ist, d.h. dass die Längsachse 100 des Produktsammelrohrs 10 horizontal verläuft, sind die Kühlrippen 14 gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform in dieser Anordnung vertikal verlaufend ausgebildet.
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An der vertikal oben liegenden Seite des Produktsammelrohrs 10 sind Stutzen 16 ausgebildet, mittels welcher das Produktgas aus der bzw. den Reformerstrahlungszone(n) (nicht gezeigt) in das Produktsammelrohr 10 eingeleitet werden kann. Da das Produktgas beim Einleiten in das Produktsammelrohr 10 eine sehr hohe Temperatur aufweisen kann, kann es insbesondere in den Bereichen des Produktsammelrohrs 10, welche sich nahe an den Stutzen 16 befinden zu starken Temperaturerhöhungen beim Einleiten des Produktgases kommen, sodass sich über das Produktsammelrohr 10 ein oder mehrere räumliche Temperaturgradienten ausbilden können.
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Die Kühlrippen 14 können beispielsweise mittels einer Befestigungsvorrichtung an der Oberfläche der Außenseite des Produktsammelrohrs befestigt sein, oder daran festgeschweißt sein. Die Kühlrippen führen dazu, dass die Oberfläche des Produktsammelrohrs, wozu auch die Oberfläche der Kühlrippen zu zählen ist, vergrößert wird und somit eine größere Fläche für eine Wärmeabgabe an die Umgebung bereitgestellt wird. Dadurch kann die Temperatur des Produktsammelrohrs gesenkt werden.
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1B zeigt das Produktsammelrohr 10 aus 1A in einer Querschnittansicht. Dabei ist insbesondere erkennbar, dass sich die Kühlrippen 14 nicht um den ganzen Umfang des Produktsammelrohrs 10 herum erstrecken, sondern lediglich um etwa die obere Hälfte des Umfangs, so dass die Kühlrippen 14 in etwa 180° der Außenseite des Produktsammelrohrs 10 umspannen. Da das Produktsammelrohr 10 vor allem oben von den starken Temperaturerhöhungen betroffen ist, da dort das Produktgas eingeleitet wird und die heißen Gase aus thermodynamischen Gründen auch zum Aufsteigen tendieren, kann eine Ausbildung der Kühlrippen im oberen Bereich des Produktsammelrohrs 10 ausreichend sein. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen kann jedoch auch eine Ausbildung der Kühlrippen 14 um den ganzen Umfang des Produktsammelrohrs 10 herum oder eine Ausbildung in einem anderen Winkelbereich vorteilhaft sein.
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Die 2A und 2B zeigen in schematischen Darstellungen einen Ausschnitt eines Produktsammelrohrs 10 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Diese entspricht in vielen Aspekten der ersten bevorzugten Ausführungsform, unterscheidet sich jedoch von dieser darin, dass gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform die Kühlrippen 14 parallel zur Längsachse 100 angeordnet sind.
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Dabei ist erkennbar, dass sich die Kühlrippen 14 nicht über die gesamte Länge des Produktsammelrohrs 10 erstrecken, sondern diese jeweils lediglich abschnittsweise das Produktsammelrohr 10 bekleiden. Wie insbesondere in der Querschnittsansicht in 2B zu erkennen ist, sind die Kühlrippen 14 entlang von sechs zur Längsachse 100 parallel verlaufenden Verlaufslinien angeordnet, entlang welchen die jeweiligen Kühlrippen 14 hintereinander verlaufend angeordnet sind.
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Die Anordnung der Kühlrippen gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform kann gegenüber der ersten bevorzugten Ausführungsform den Vorteil aufweisen, dass eine nachträgliche Anordnung der Kühlrippenanordnung 12 bzw. der Kühlrippen 14 vereinfacht werden kann, da die Kühlrippen nicht mit einer durch die Außenseite des Produktsammelrohrs 10 vorgegebenen Krümmung bereitgestellt werden müssen.
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Anstatt dessen können geradlinig ausgebildete Kühlrippen 14 verwendet werden, weshalb nicht notwendigerweise die Kühlrippen an die exakten Abmessungen des Produktsammelrohrs 10, insbesondere dessen Außendurchmesser, angepasst werden müssen, sondern standardisierte Kühlrippen 14 bereitgestellt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Produktsammelrohr
- 12
- Kühlrippenanordnung
- 14
- Kühlrippe
- 16
- Stutzen
- 100
- Längsachse des Produktsammelrohrs
- 102
- Umfangsrichtung des Produktsammelrohrs