DE1551448B2

DE1551448B2 - Waermeaustauscher mit achsparallelen rohren, die rechteckige enden aufweisen

Info

Publication number: DE1551448B2
Application number: DE19671551448
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing 7140 Ludwigsburg C21b7 20 Tiefenbacher
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1967-02-17
Filing date: 1967-02-17
Publication date: 1971-07-08
Also published as: DE1551448A1; GB1278308A; FR2077463A1; US3627039A

Description

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Die Erfindung betrifft einen rauchgasbeheizten Erhitzter mit parallelen Rohrstrecken, die zwischen ν einem Eingangs- und einem Ausgangssammler verlaufen und sich über den gesamten Querschnitt bzw. über die gesamte Breite des Rauchgaszuges erstrekken, wobei der Eintritt des Arbeitsmittels in den Eingangssammler beidseitig an dessen Enden vorgesehen ist, so daß er zur Mitte hin vom Arbeitsmittel axial durchströmt ist.

Über der Breite eines Rauchgaszuges stellt sich ein Rauchgas-Temperaturprofil ein, das in der Mitte erheblich höhere Temperaturen aufweist als an den Seiten. Dieser Temperaturunterschied hat eine unterschiedliche Beheizung der zu den Wänden des Rauchgaszuges parallel angeordneten Rohrstrecken zur Folge. Dementsprechend ergibt sich auch für die Rohrwandtemperaturen und die Temperaturen des Arbeitsmittels in den einzelnen Rohrstrecken ein ähnliches Temperaturprofil, das nach den seitlichen Begrenzungen des Rauchgaszuges hin ebenfalls abfällt.

Da die Mischtemperatur des Arbeitsmittels, die sich nach einer Vermischung der aus allen Rohrstrecken eines Erhitzers beispielsweise in einem Sammler zusammengeführten Teilströme ergibt, mit dem Sollwert übereinstimmt, besitzen die in der Mitte des Rauchgaszuges liegenden Rohrstrecken erhebliche Übertemperaturen, so daß die Beanspruchung des in der Mitte des Rauchgaszuges liegenden Werkstoffes vergrößert und die Betriebssicherheit des Erhitzers hierdurch gefährdet ist.

Man hat diese Schwierigkeiten bisher dadurch umgangen, daß man den Sollwert der Arbeitsmitteltemperatur derart niedrig gehalten hat, daß der sich aus dem Temperaturprofil ergebende Höchstwertegleich oder kleiner als die zulässige Temperatur bleibt. Bei Erhitzern mit niedrigeren Sollwert-Temperaturen hatte man weiterhin die Möglichkeit, einen hochwertigeren und damit teureren Werkstoff mit besserer Warmfestigkeit zu wählen. In beiden Fällen ergibt sich durch die ungenügende Ausnutzung der jeweiligen Werkstoffqualität eine Verschlechterung der Wirtschaftlichkeit, weil man über die Breite, des <_v; Rauchgaszuges jeweils nur eine Werkstoffqualität für jeden Erhitzer einsetzen kann, zumal sich die Form und Höhe des Rauchgas-Temperaturprofils nicht vor· ausbestimmen läßt und sich entsprechend der Kessellast ändern kann.

Um die Ubertemperaturen infolge des Temperaturprofils klein zu halten, hat man auch die Heizflächen des Erhitzers in einem niedrigen Rauchgasteinpe'-vso raturgebiet angeordnet, in welchem mit einem flacheren Verlauf des Temperaturprofils gerechnet werden kann. Schließlich hat man die Heizflächen in zwei Gruppen aufgeteilt und derart gekreuzt, daß die inneren Rohre der ersten Gruppe die äußeren Rohre der: zweiten Gruppe bilden. Hierdurch wird der Temperaturunterschied zwar verkleinert, jedoch nicht beseitigt. Es ergibt sich bei dieser Bauart ein größeres Bauvolumen, durch das derartige Erhitzter auch verteuert werden. Die infolge des Rauchgas-Temperaturprofils unterschiedliche Wärmeaufnahme in den Rohrstrecken ändert sich mit der Kessellast, so daß eine Vergleichmäßigung derselben mittels Blenden in den Ausströmöffnungen der Eingangssammler nur für eine bestimmte Last genau erreichbar ist. Es stellt nunmehr einen erheblichen technischen Aufwand dar, an Stelle fester Blenden verstellbare Regelorgane einzusetzen.

Es ist ein Rohrsystem für Wärmeaustauscher, insbesondere für Dampferzeuger bekannt, das aus mehreren parallelen Rohren zwischen zwei parallel zueinander angeordneten, zylindrischen oder prismatischen Sammlern besteht. Das Arbeitsmittel strömt von einer Seite axial in den Eintrittsammler, den Rohren zu und verläßt die Rohre auf derselben Seite axial durch den Austrittssammler. Es ist ferner versucht worden, ohne zusätzliche Druckverluste eine gleichmäßige Verteilung des Arbeitsmittels dadurch zu erreichen, daß die Abströmung axial nach der anderen Seite erfolgt. Der Versuch hat erwiesen, daß dadurch keine Besserung, sondern eine noch ungleichmäßigere Verteilung eintritt. Es wurden auch mehrere Anschlußrohre über die Länge des Sammlers verteilt. Dadurch tritt eine Besserung ein, es geht jedoch der für die Rohrleitungsführung wichtige Vorteil der axialen Zu- und Ableitung verloren. Wird dagegen die Anordnung des Rohrsystems verdoppelt, strömt das Arbeitsmittel den Sammlern von beiden Seiten axial zu bzw. ab. Bei Dampfüberhitzern empfiehlt es sich jedoch, das Verhältnis der Durchmesser im Ausgangssammler und Eingangssammler größer als 1,5 auszuführen. Dadurch erhalten die mittleren Rohre etwas mehr Dampf, er überhitzt sich nicht höher als der in den Außenrohren strömende, der von Feuergasen beheizt wird, welche einen Teil ihrer Wärme an die Feuerraumkühlwände abgegeben haben und deshalb weniger heiß sind als die in der Mitte strömenden. Das bedeutet aber auch, daß der Ausgangssammler im Vergleich zum Eingangssammler unverhältnismäßig groß dimensioniert werden muß und einen entsprechend großen technischen Aufwand erfordert.

Es ist ein Zwangumlauf kessel mit mehreren gleichzeitig fördernden Umwälzpumpen und mit ständiger Einführung des Speisewassers in Druckleitungen des Umwälzsystems bekannt. Vor Eintritt in die gemeinsame Mischkammer strömt das Speisewasser durch einen Wärmeaustauscher, der von dem Umwälzwasser erwärmt wird, das die Umwälzpumpen zuführen. Der Wärmeaustauscher ist in einem vorzugsweise unterhalb der Dampfabscheidetrommel liegenden Sammelgefäß angeordnet, von dem die Pumpensaugleitungen abgehen. Das Sammelgefäß besteht aus einem waagerecht liegenden Rohr, das durch eine Vielzahl von Rohren mit der Dampfabscheidetrommel verbunden ist.

Die Leitungen zwischen der Dampfabscheidetrommel und dem Sammelgefäß sind über die Länge beider verteilt angeordnet. Der Wärmeaustauscher kann axial in das Sammelgefäß eingeschoben werden, das mit einem Deckel, an dem die Zuleitungen zum Wärmeaustauscher und dessen Rohre selbst befestigt sind, verschlossen ist. Bei diesem bekannten.Zwangumlaufkessel ist der Wärmeaustauscher kein Sammler, von dem rauchgasbeheizte Parallelrohre abgehen, sondern ein Wärmeaustauscher, der von Arbeitsmittel durchströmt wird, das aus der Dampfabscheidetrommel über Rohre radial in den Wärmeaustauscher eintritt und nach einer begrenzten Axialbewegung über die Pumpensaugleitungen den Umwälzpumpen zugeführt wird. Das aus der Kesseltrommel zufließende Arbeitsmittel hat dabei eine einheitliche Temperatur (Sattdampftemperatur) und wird um einen einheitlichen Betrag abgekühlt.

Bei dieser bekannten Ausführung wird der durch Abkühlung auf diesem Strömungsweg infolge Längs-

Claims

1 551 447 strömen des Arbeitsmittels im Sammler auftretende Temperaturabfall des Arbeitsmittels nicht zur Versorgung von Heizflächenrohren mit verschieden temperiertem Arbeitsmittel benutzt, weil die Rohre relativ zum Sammler nicht Abflüsse, sondern Zuflüsse darstellen. Ferner ist ein zusammengesetzter Wärmetauscher für einen mit einem Wärmetauscher versehenen Atomreaktor bekannt, dessen Kühler über eine Leitung mit einem Wärmetauscher verbunden ist und über eine Pumpe und eine Rückleitung mit dem Reaktor verbunden ist. Der zusammengesetzte Wärmetauscher ist zur Druckprobe mit einem Gefäß versehen, das aus zwei getrennten Behältern besteht. Der eine Behälter ist zylindrisch ausgebildet und durch Trennwände in drei getrennte Kammern unterteilt. Dieser Behälter kann jedoch nicht als Eingangssammler angesehen werden, sondern stellt allgemein einen Sammler dar. Als Eingangssammler kann nur die an den Behälter grenzende Kammer gelten. Diese ist jedoch mindestens über den Längenbereich ihrer radialen Ausströmöffnungen nicht mit Kühlschlangen ) versehen, weil die in dem Behälter vorhandenen Kühlschlangen in diesem Bereich durch eine der Trennwände abgedeckt sind. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen rauchgasbeheizten Erhitzer mit parallelen Rohrstrecken zu schaffen, bei dem die Austrittstemperaturen des Arbeitsmittels am Ende der Rohrstrecken des Erhitzers über die Breite des Rauchgaszuges etwa den gleichen Wert besitzen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem rauchgasbeheizten Erhitzer mit zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssammler verlaufenden und sich über den gesamten Querschnitt bzw. die gesamte Breite des Rauchgaszuges erstreckenden parallelen Rohrschlangen dadurch gelöst, daß im Eingangssammler mindestens über den Längenbereich seiner radialen Ausströmöffnungen Kühlschlangen angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, das Arbeitsmittel vor dem Eintritt in die Rohrstrecken des Erhitzers derart zu kühlen, daß seine Austrittstemperatur am Ende der ^ Rohrstrecken über die Breite des Rauchgaszuges Jgleich ist. Die Abkühlung des Arbeitsmittels wird also der unterschiedlichen Beheizung in den nachgeschalteten rauchgasbeheizten Rohren angepaßt. Ferner ist es möglich, den kleinsten Sammler zu wählen, der sich aus den Festigkeitseigenschaften des verwendeten Werkstoffes ergibt. Eine besonders gute Anpassung an das Temperaturprofil des Rauchgases wird erreicht, wenn erfindungsgemäß zwei Kühlschlangen vorgesehen sind, die im Gleichstrom mit dem Arbeitsmittel geschaltet sind. In die Zulaufleitungen für das Kühlmittel sind Regelventile eingebaut. Zur Verstellung der Regelventile sind Regler vorgesehen, die mit den Werten von Temperaturmessern beaufschlagt sind, welche jeweils in den Enden einer innenliegenden und einer außenliegenden Rohrstrecke angeordnet sind. Die Erfindung ist in der Zeichnung am Ausführungsbeispiel eines rauchgasbeheizten Erhitzers in einem waagerechten Schnitt durch den Rauchgaszug veranschaulicht. Der von den Rauchgasen beheizte Erhitzer ist entweder gemäß der zeichnerischen Darstellung als den gesamten Querschnitt des Rauchgaszuges 6 überdekkender Berührungserhitzer oder als Strahlungserhitzer ausgebildet, der sich über die gesamte Breite einer Wand des Rauchgaszuges 6 erstreckt. Der Erhitzer besitzt einen Eingangssammler 2. und einen Ausgangssammler 4, zwischen denen sich die parallel verlaufenden Rohrstrecken 3 erstrecken. An den äußeren Enden des Eingangssammlers 2 sind Einströmstutzen 1 angeordnet, durch die das Arbeitsmittel in. den Eingangssammler 2 beidseitig von den Enden zur Mitte des Rauchgaszuges hin verlaufend einströmt. Im Eingangssammler 2 sind Kühlschlangen 5 angeordnet, die insbesondere im Bereich von radialen Ausströmöffnungen 12 des Eingangssammlers 2 verlaufen, an denen der Eingangssammler 2 mit den Rohrstrecken 3 verbunden ist. In den Enden verschiedener Rohrstrecken 3, insbesondere der außenliegenden und innenliegenden, sind Temperaturmesser 8 angeordnet, die ihre Meßwerte an Regler 9 weitergeben, die zur Betätigung von Regel-. ventilen 7 dienen, die in der Zulaufleitung 13 der Kühlschlangen 5 angeordnet sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Eingangssammler 2 in der Mitte mit einer Trennwand 11 versehen, so daß sich zwei exakt getrennte Arbeitsmittelströme ergeben. In jeder der beiden Hälften des Eingangssammlers 2 befindet sich eine Kühlschlange 5, durch die das Kühlmittel im Gleichstrom mit dem Arbeitsmittel vom außenliegenden Ende zur Mitte des Rauchgaszuges hin fließt. Das erwärmte Kühlmittel wird über Ablaufleitungen 10 in beliebiger Weise wieder in den Wärmeerzeugungsprozeß eingeführt. Durch die Anordnung der Kühlschlangen 5 erreicht man eine zur Mitte des Eingangssammlers 2 hin absinkende Temperatur des den einzelnen Rohrstrecken 3 zufließenden Arbeitsmittels. Dieser Temperaturabfall wird durch den zur Mitte des Rauchgaszuges 6 infolge des Temperaturprofils zunehmenden Wärmeübergang derart kompensiert, daß die Austrittstemperatur des Arbeitsmittels aus allen Rohrstrecken 3 etwa gleich ist. Um auch während des Betriebs des Dampferzeugers den Kühlmittelfluß einer Änderung des Temperaturprofils der Rauchgase im Rauchgaszug 6 anpassen zu können, sind die Regelventile 7 angeordnet, welche die Zufuhr des Kühlmittels durch die Zulaufleitungen 13 verändern. Diese Regelventile 7 werden von den Reglern 9 gesteuert, die ihrerseits ihre Impulse von den Temperaturmessern 8 erhalten, die in den Enden von Rohrstrecken 3 liegen, die sich einmal in der Mitte des Rauchgaszuges 6 und zum anderen am äußeren Ende desselben befinden. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Eingangssammler ohne die Trennwand 11 auszubilden und auf andere Weise für eine gleichmäßige Verteilung der beiden gegenläufigen Arbeitsmittelströme zu sorgen. In diesem Fall können auch die beiden Kühlschlangen 5 zu einer geeigneten Kühlschlangenanordnung zusammengefaßt werden. Andererseits ist es möglich, eine vollständige Trennung des Eingangs-Sammlers bzw. des gesamten Erhitzers durchzuführen, indem dieser in zwei separate Erhitzer aufgeteilt wird. Bei der Ausbildung der Kühlschlangen 5 ist hierbei zu beachten, daß diese dann zur Korrektur des halben Rauchgas-Temperaturprofils dienen müssen. Hierbei sind andere Kühlschlangenanordnungen und Flußrichtungen des Kühlmittels möglich. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, den Eingangssammler 2 auch dahingehend als Wärmetauscher aus- 1 551 zubilden, daß dieser nicht nur das Temperaturprofil der Rauchgase ausgleicht, sondern auch die mittlere Temperatur des Arbeitsmittels beeinflußt. Patentansprüche:

1. Rauchgasbeheizter Erhitzer mit parallelen Rohrstrecken, die zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssammler verlaufen und sich über den gesamten Querschnitt bzw. über die gesamte Breite des Rauchgaszuges erstrecken, wobei der Eintritt des Arbeitsmittels in den Eingangssammler beidseitig an dessen Enden vorgesehen ist, so daß er zur Mitte hin vom Arbeitsmittel axial durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangssammler (2) mindestens über den Längenbereich seiner radialen Ausströmöffnungen (12) Kühlschlangen (5) angeordnet sind.

2. Erhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kühlschlangen (5) vorgesehen sind, die im Gleichstrom mit dem Arbeitsmittel geschaltet sind.

3. Erhitzer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zulaufleitungen (13) für das Kühlmittel Regelventile (7) eingebaut sind.

4. Erhitzer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung der Regelventile (7) Regler (9) vorgesehen sind, die mit den Werten von Temperaturmessern (8) beaufschlagt sind, welche jeweils in den Enden einer innenliegenden und einer außenliegenden Rohrstrecke (3) angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen