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Vorrichtung zum Erhitzen von Arbeitsmitteln
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und sie kann demgemäss verhältnismässig dünn gewählt werden. Ferner können Wärmeaustauscher und Hilfsgeräte, wie Sammelrohre, Verbindungskästen usw., mit der grössten Leichtigkeit gebaut werden. Gemäss der Erfindung besteht auch der Wärmeaustauscher nicht mehr aus einer grossen Anzahl von Heizkörpern geringen Durchmessers, sondern aus einer sehr kleinen Anzahl von Elementen mit einem verhältnismässig grossen Durchmesser. Diese Elemente sind an der Aussenseite der Feuerungswand befestigt und erstrecken sich auch ausserhalb dieser Feuerung. Wegen des verhältnismässig grossen Durchmessers ist es nicht erforderlich, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase übermässige Werte erreicht und sie kann z. B. auf einige hundert Meter je Sekunde beschränkt werden.
Dieser Umstand bewirkt in Verbindung mit dem verhältnismässig grossen Durchmesser, dass der Leitungsverlust der Gase in den Heizkörpern nur einen kleinen Bruchteil des Anfangsdruckes beträgt. Es ergibt sich daraus, dass die Verbrennungsgase bei ihrem Austritt aus dem Kessel in sehr vorteilhafter Weise zum Betreiben einer Gasturbine dienen können.
Unter solchen Verhältnissen sind die je Quadratmeter Austauschfläche übertragenen Wärmemengen sehr wesentlich und die durch die Wärme verursachtenBeanspruchungen des Wärmeaustauschers sind selbst sehr gross, jedoch kann der Werkstoff des Wärmeaustauschers diesen Beanspruchungen widerstehen, weil auf ihn keinewesentlichen mechanischen Beanspruchungen einwirken. Er ist deshalb der Gefahr des Fliessens entzogen.
Die erfindungsgemässen Vorrichtungen sollen ganz allgemein zum Erhitzen von Gasen und Flüssigkeiten dienen. Sie können als Kessel zur Erzeugung eines sehr hoch verdichteten und sehr heissen Dampfes betrieben werden. Man kann sie ferner als Geräte zur Erwärmung von Kohlenwasserstoffen, zur Destillation und gegebenenfalls zum Spalten dieser Kohlenwasserstoffe sowie zur chemischen Umwandlung von Flüssigkeiten oder Dämpfen unter der Einwirkung der Temperatur und des Druckes anwenden.
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Abgesehen von der Anwendungsart besteht das gemeinsame Merkmal dieser Geräte darin, dass einerseits die notwendige Wärme durch die Verbrennung fester, flüssiger oder gasförmiger
Brennstoffe in einer vorher stark verdichteten
Luft geschieht, u. zw. in einer Feuerung, die durch eine entsprechend druckfeste Wand be- grenzt ist, welche selbst der Einwirkung des
Feuers durch einen unteren Wassermantel oder eine gleichwertige Vorrichtung entzogen ist.
Die Geräte kennzeichnen sich ferner dadurch, dass die Erhitzung des zu erhitzenden Mittels durch die aus der Feuerung herkommenden
Verbrennungsgase in einem oder mehreren Aus- tauschern geschieht, die an der Aussenseite der Feuerungswand angeordnet sind und sich deshalb ganz oder teilweise ausserhalb der
Feuerung befinden, wobei jeder der Heizkörper aus einem oder mehreren dünnwandigen Rohren besteht, die sich innerhalb des gemeinsamen äusseren Rohres befinden, das allein eine ge- nügende Wandstärke besitzt, um dem Betriebs- druck widerstehen zu können. Die Verbrennungs- gase strömen durch die dünnwandigen Rohre, wogegen das zu erhitzende Mittel durch den
Raum zwischen den Innenrohren und dem
Aussenrohr strömt.
Die erfindungsgemässen Geräte kennzeichnen sich ferner dadurch, dass der Druck der Gase in der Feuerung und in den Heizelementen sehr hoch ist, indem er wenigstens 20 Atm. beträgt und bis zu 100 oder gar 200 Atm. getrieben werden kann. Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der Druck der Heizgase durch die Strömungsverluste in der Vorrichtung nur wenig herabgesetzt wird.
Schliesslich kennzeichnen sich solche Vorrichtungen dadurch, dass durch die Anordnung selbsttätiger Regler der Druck der Verbrennungsgase in der Feuerung und in den Heizelementen beständig auf einem Wert erhalten wird, der sehr nahe am Druck des erhitzten Mittels liegt.
Wenn die Heizkörper aus zwei konzentrischen Rohren bestehen, strömen die verdichteten und heissen Gase, die aus der Feuerung mit sehr hoher Temperatur austreten, durch das mittlere Rohr eines jeden Heizkörpers, wogegen die zu erhitzenden, gegebenenfalls zu verdampfenden und zu überhitzenden Produkte durch den ringförmigen Raum zwischen dem mittleren Rohr und dem äusseren Rohr eines jeden Heizkörpers strömen.
Für Heizkörper mit drei konzentrischen Rohren bestehen viele Anordnungen. Meistens strömt der zu erhitzende Stoff oft in flüssigem Zustand durch das mittlere Rohr, wogegen die verdichteten und heissen Gase der Feuerung durch den ringförmigen Raum in Berührung mit dem mittleren Rohr strömen. Der aus dem mittleren Rohr austretende Stoff, der bereits teilweise erhitzt und verdampft ist, strömt durch den ringförmigen Raum in Berührung mit dem äusseren Rohr des Heizkörpers. Bei anderen besonderen Anordnungen können das mittlere Rohr und der äussere ringförmige Raum in der ganzen Länge oder nur auf einem Teil dieser Länge entweder eine andere als die zu behandelnde Flüssigkeit erhalten oder aber verdichtete Luft für die Feuerung.
Bei zwei oder drei konzentrischen Rohren kann jedes Heizelement der Länge nach durch Querwände geteilt werden, die den Durchgang für die Strömung der heissen Gase frei lassen, aber die Kanäle für die Flüssigkeit oder die zu behandelnden Stoffe in nacheinanderfolgende Abschnitte teilen, wobei jeder Abschnitt einer bestimmten Behandlung zugeordnet ist. Im Fall eines Kessels dient z. B. der erste Abschnitt zur Verdampfung, der zweite Abschnitt zur Überhitzung, der dritte Abschnitt gegebenenfalls als zusätzlicher Verdampfer oder als Sparvorrichtung zur Erwärmung des Speisewassers oder auch als Vorwärmer für die Brennluft.
Gegebenenfalls können auch mehr als drei nacheinanderfolgende Abschnitte vorgesehen sein.
Bei einer besonderen Ausführung besteht jedes Element aus einem äusseren Rohr, das mehrere innere Rohre enthält, die in beliebiger Anzahl und nicht konzentrisch angeordnet sind.
Die inneren Rohre werden von den Gasen der Feuerung durchströmt und der Raum zwischen den inneren Rohren und dem äusseren Rohr dient zur Aufnahme der zu erhitzenden Produkte.
Die anliegende Zeichnung zeigt beispielsweise verschiedene Ausführungsarten des Er-
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Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt gemäss der Achse der Feuerung, die in diesem Fall zylindrisch ist und zeigt zwei Heizkörper, von denen der eine mit zwei und der andere mit drei konzentrischen Rohren versehen ist. Diese Anordnung ist beispielsweise für eine Spaltvorrichtung bestimmt.
Fig. 2 ist ein waagerechter Schnitt gemäss der Linie 11-11 der Fig. 1, mit Grundansicht der Feuerung.
Fig. 3 zeigt die Anordnung der Scheidewände, welche zwei aufeinanderfolgende Abschnitte eines Heizelementes mit zwei konzentrischen Rohren voneinander trennen. In diesem Fall dient der linke Abschnitt zur Verdampfung und der rechte Abschnitt zur Überhitzung.
Fig. 4 zeigt die Ausbildung eines Flansches für eine Dichtung, die einen Körper, z. B. einen zweirohrigen Körper, gänzlich abtrennt.
Fig. 5 zeigt die Gesamtanordnung eines Heizelementes, wenn dieses eine beträchtliche Länge hat.
Fig. 6 zeigt die Gesamtanordnung eines Elementes ähnlicher Art, wenn dieses trotz der grossen Länge gestreckt bleiben soll.
Die Fig. 7 und 8 zeigen die Ausbildung eines Hilfskörpers für das Ausbauen des inneren Rohres bei einem Heizelement mit zwei nicht gestreckten Rohren.
Fig. 9 zeigt eine Anordnung zur Einstellung der Überhitzungstemperatur eines Heizelementes.
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Fig. 10 zeigt eine selbsttätige Reinigung- vorrichtung für die wirksame Oberfläche der
Heizelemente.
Fig. 11 ist ein Querschnitt durch eine andere
Ausbildung des Heizelementes.
Fig. 12 ist ein entsprechender Teilschnitt parallel zur Achse.
Fig. 13 zeigt schematisch eine weitere Aus- führungsart.
Gemäss den Fig. 1 und 2 ist der druckfeste zylindrische Mantel der Feuerung 1 auf einer
Seite durch eine halbkugelförmige Haube 2 abgeschlossen, auf der entgegengesetzten Seite aber durch einen abnehmbaren Boden 3. Die halbkugelförmige Haube trägt den Brenner 4, die Leitungen 6 und 7 für die Primär-und
Nebenluft, die Zündkerze 5, die Lufteinlass- rohre 8. Die Haube 2 ist durch den Doppel- mantel 11 gegen die Wärme der Feuerung ge- schützt. Zwischen der Haube 2 und dem Doppel- mantel 11 strömt z. B. die Luft für die Feuerung.
Eine feuerfeste Auskleidung 9 vervollständigt den Schutz. Der zylindrische Körper 1 der
Feuerung ist mit einem Doppelmantel 10 ver- sehen. Zwischen dem Körper der Feuerung und dem Doppelmantel fliesst z. B. die zu er- hitzende Flüssigkeit.
Bei 12 ist die Ausfluss- öffnung für die flüssigen Schlacken der Feuerung angedeutet.
Das Heizelement mit drei konzentrischen
Rohren besteht aus dem mittleren Rohr 13, dem Zwischenrohr 14 und dem äusseren Rohr 15.
Die zu behandelnde Flüssigkeit, tritt in das mittlere Rohr durch die Einlassleitung 16 ein.
Das mittlere Rohr geht durch die ganze Feuerung hindurch, tritt bei 17 durch eine Dichtung aus und lässt die Flüssigkeit durch die Öffnung 18 in den Doppelmantel der Feuerung eintreten, aus welcher sie bei 19 austritt, um dann von unten nach oben hin den äusseren ringförmigen Raum des Heizelementes mit drei konzentrischen Rohren zu durchströmen, wonach sie in die Reaktionskammer 21 eintritt. Die Eintritts- öffnung dieser Reaktionskammer ist bei 20 angedeutet. Die heissen Gase treten bei 22 in den ringförmigen Raum ein, der das mittlere Rohr umgibt. Sie treten bei 23 wieder aus, um dann z. B. in einer Gasturbine benutzt zu werden.
Ein Deckel 28 gestattet die Besichtigung des Heizelementes.
Das Heizelement mit zwei konzentrischen Rohren besteht aus dem Innenrohr 29 und dem Aussenrohr 30. Das zu erhitzende Produkt tritt in den ringförmigen Raum bei 24 ein und tritt bei 26 wieder aus, um sofort in die Reaktionskammer 21 einzutreten. Die Verbrennungsgase treten bei 27 in das mittlere Rohr ein und durch die Leitung 25 wieder aus. Durch die Anordnung der Zuführungsleitungen für die Flüssigkeit, die bei 19 und 24 angedeutet sind, erhält diese Flüssigkeit eine stark kreisende Bewegung.
Fig. 3 zeigt ein Heizelement für einen Kessel mit zwei konzentrischen Rohren. Das innere Rohr 29 wird beständig von den Verbrennungs- gasen durchströmt. Das äussere Rohr 30 bildet mit dem Rohr 29 einen Ringraum mit einer
Trennwand 37, die auf der äusseren Wand des mittleren Rohres befestigt ist. Auf der linken
Seite dieser Trennwand strömt die aus Wasser und Dampf bestehende Emulsion, die durch die Öffnungen 38 und 31 in die Leitung 32 und dann in die Wasser- und Damfkammer 33 übertritt. Der gesättigte Dampf tritt durch die Leitung 34 aus und dann durch die Öffnungen 35 und 36 in den Ringraum auf der rechten Seite der Trennwand 37.
Die gleiche Anordnung kann auch in der gestrichelt angedeuteten Weise getroffen werden.
Dabei wird bei 39 eine Dichtung vorgesehen, durch welche das Heizelement zwischen dem Verdampfungs-und dem Überhitzungsabschnitt geteilt wird.
Die Anordnung gemäss Fig. 3 gilt allgemein und kann für jede Anwendung der Abschnitte des Heizelementes getroffen werden.
Fig. 4 zeigt einen der beiden Flansche zum Trennen eines Heizelementes, für das Ausbauen ohne Unterbrechung des mittleren Rohres oder des ringförmigen Raumes, der sich durch die Öffnungen 40 des Flansches fortsetzt. Solche Öffnungen sind ebenfalls im zweiten Flansch vorgesehen, der mit dem ersten die Abdichtung bildet.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine äusserst bedeutsame Anordnung. Hier ist die Lösung der Aufgabe die folgende : Wenn z. B. für einen Kessel gemäss der Erfindung und für einen genügend hohen Betriebsdruck, z. B. einen Druck von 50 Atm. oder mehr, für das innere Rohr eines Heizelementes mit zwei konzentrischen Rohren ein genügend grosser Durchmesser vorgesehen wird, z. B. von 120 mm und mehr, wenn ferner für die heissen Gase eine Strömungsgeschwindigkeit von 80 m/sec. oder mehr vorgesehen wird, muss das Heizelement eine verhältnismässig grosse Länge erhalten, die bis zu 60 m oder mehr erreichen kann. Gleichzeitig erreicht aber die mittlere Ziffer des Temperaturaustausches durch die Wand des mittleren Rohres 600.000 und sogar 800.000 WE je Quadratmeter und Stunde.
Mit einem einzigen Heizelement gelingt es dann eine Leistung zu erzielen, die z. B. 20.000 kW entspricht. Man kann sogar bis zu 50.000 k W treiben ohne für den Querschnitt der Rohre übermässige Abmessungen zu erhalten. Man kann auf diese Weise äusserst einfache Kessel herstellen, die im wesentlichen keinen Unterhalt erfordern und die sich insbesondere ohne Schwierigkeit für die Verbrennung von Staubkohle eignen. Solche Kessel können mit nur einem Heizelement versehen sein. Man kann sie nach Art der einrohrigen Kessel ohne Dampfsammler bauen. Die Anwendung eines Dampfsammlers erfordert aber nur (Fig. 3) so einfache Anordnungen, dass diese Anwendung in der Regel angebracht ist.
Der erreichbare, äusserst grosse Wärmeaustausch ist nur mit der Gleichdruckanordnung möglich,
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weil diese Anordnung das mittlere Rohr gegen jede mechanische Beanspruchung schützt und gerade dadurch die Gefahr des Fliessens des Metalles vermeidet.
Zur Herstellung von Heizelementen von der gewünschten Länge mit dem geringsten Raumbedarf ist es in der Regel vorteilhaft, die Elemente mit übereinanderliegenden oder nebeneinander angeordneten Windungen auszubilden, wobei jede Windung aus geraden Stücken besteht, die durch halbkreisförmige Krümmer mit passend gewähltem Halbmesser miteinander verbunden sind, derart, dass übermässige Leitungsverluste vermieden werden. Bei einer solchen Anordnung besteht das innere Rohr am besten aus miteinander endweise verschweissten Stücken. Die Schweissstellen werden insbesondere an den Übergangsstellen zwischen den geraden Stücken und den Krümmern vorgesehen. Das äussere Rohr ist an diesen Stellen mit Dichtungsmitteln 41 a, 41 b, 42 a, 42 b versehen.
Für jede Windung wird höchstens an einer Stelle eine besondere Muffe 43 vorgesehen, die in einer diametralen Ebene in zwei Hälften geteilt ist, wie dies aus den Fig. 7 und 8 zu ersehen ist.
Damit trotz dieser Teilung eine gute Abdichtung an den Flächen der Flansche 44 und 45 erzielt wird, wird die richtige Lage der beiden Schalen durch zwei Zentrierstifte 46 und 47 gesichert, die vollkommen eingepasst sind. Unter solchen Umständen ist es leicht verständlich, dass die Muffe 43 infolge ihrer Teilung leicht abgenommen werden kann. Nach abgenommener Muffe können die geraden oder gekrümmten Stücke des äusseren Rohres axial derart verschoben werden, dass die gewünschte oder gewünschten Dichtungsvorrichtungen 41 a, 41 b, 42 a, 42 b geöffnet werden können. Für das Ausbauen des mittleren Rohres wird dieses an einer oder mehreren auf diese Weise blossgelegten Schweissstellen durchgeschnitten. Für das neue Einbauen werden die Schweissstellen durch eine gleiche Öffnung wiederhergestellt.
Ein besonderer Fall gemäss Fig. 5 besteht darin, gegebenenfalls Windungen anzuwenden, die keine geraden Stücke aufweisen, also kreisförmige oder schraubenförmige Windungen.
Fig. 6 betrifft den Fall, bei dem das Heizelement trotz seiner Länge geradlinig ist. Dieser Fall kann z. B. bei Spaltvorrichtungen eintreten. Es müssen dann besondere Vorsichtsmassnahmen getroffen werden, damit sich das mittlere Rohr frei ausdehnen kann, dessen Temperatur höher liegt als diejenige des äusseren Rohres, wodurch das Knicken des ersten Rohres vermieden werden soll. Zu diesem Zweck lässt man das mittlere Rohr durch eine Dichtung 50 des an einem Ende vorgesehenen Deckels austreten. Ferner ist das mittlere Rohr durch ein Gegengewicht 51 gespannt, das im Punkte 52 angreift und an einer über eine Scheibe 53 laufenden Kette hängt.
Selbstverständlich ist das äussere Rohr an allen
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Um eine einwandfreie Dehnung des mittleren Rohres bei gewundenen Elementen zu sichern, erhält das kalte Rohr eine kürzere Länge, die derart berechnet ist, dass das gedehnte Rohr die richtige Lage einnimmt.
Das gute Zentrieren des mittleren Rohres wird durch aufgeschweisste Keile erzielt.
Im ringförmigen Raum sind auf dem mittleren Rohr Rippen befestigt, die das erhitzte Mittel um das mittlere Rohr herum in eine kreisende Bewegung versetzen.
Fig. 9 zeigt, wie man bei den Elementen eines Kessels gemäss der Erfindung eine genaue Einstellung der Überhitzung erzielen kann, indem man einen einstellbaren Teil der heissen Gase derart abzweigt, dass ein Teil oder der ganze Abschnitt für die Überhitzung kurzgeschlossen wird.
Der untere Teil der Fig. 9 zeigt einen Abschnitt eines Überhitzers. Bei 60 geht eine Zweigleitung vom inneren Rohr 29 (Gasrohr) ab. In diese Zweigleitung ist eine Drosselklappe 61 aus feuerfestem Gusseisen eingebaut. Sie mündet bei 62 in den Verdampfungsabschnitt des Elementes, der an der Trennwand 63 gemäss der normalen Anordnung beginnt. Die Zweigleitung und die Drosselklappe 61 sind von einem Wassermantel umgeben, der durch eine konzentrisch zur Zweigleitung verlaufende Leitung 64 gebildet ist.
Das zu verdampfende Wasser tritt in diesen Mantel durch die Öffnungen 65 ein. Nach dem Durchströmen dieses Mantels tritt das Wasser in den Ringraum des Verdampfungsabschnittes durch die Öffnungen 66 ein.
In den geraden Stücken kann man leicht eine selbsttätige Reinigungsvorrichtung für die wirksame Austauschfläche vorsehen, die mit der zu behandelnden Flüssigkeit in Berührung steht. Der Grundgedanke dieser Vorrichtung ist in Fig. 10 angedeutet. Das äussere Rohr 30 dreht sich um die Achse des Elementes und trägt eine gewisse Anzahl von federnden Schabern 69, welche die ganze äussere Fläche des mittleren Rohres 29 abkratzen.
Bei der Anordnung gemäss den Fig. 11 und 12 ist 70 das äussere Rohr. 72, 73, 74 und 75 bezeichnen die inneren Rohre, von denen in diesem Falle beispielsweise vier vorgesehen sind. Die inneren Rohre können einander gleich oder verschieden ausgebildet sein.
In Fig. 12 sind mit 70 das äussere Rohr und mit 73 und 74 die beiden inneren Rohre bezeichnet. 77 ist eine Trennwand, durch welche sich die Kanäle der heissen Gase fortsetzen. Auf der linken Seite dieser Trennwand befindet sich z. B. der Verdampfungsabschnitt und auf der rechten Seite der Überhitzungsabschnitt.
Die Heizelemente können in der vorbeschriebenen Weise ausgebildet sein.
Anstatt die inneren Rohre parallel zum äusseren Rohr verlaufen zu lassen, können die Rohre 72, 73, 74, 75 auch schraubenförmig mit grosser Steigung um die Achse des mittleren Rohres 70 laufen, wie dies schematisch in Fig. 13 angedeutet
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ist. Mit einer solchen Anordnung lassen sich die Ziffern des Wärmeaustausches verbessern.
PATENTANSPRÜCHE : l. Vorrichtung zum Erhitzen von Arbeitsmitteln, die als Kessel oder als Vorrichtung zum Spalten von Kohlenwasserstoffen oder für sonstige chemische Vorgänge dienen kann und bei welcher die Wärme durch Verbrennung in hochverdichteter Luft in einer Feuerung erzeugt wird, deren Wandung hochdruckfest ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Arbeitsmittels in einem oder mehreren teilweise oder ganz ausserhalb der Feuerung angeordneten Wärmeaustauschern (13, 14, 15, 29, 30) geschieht, die jeweils aus einem oder mehreren dünnwandigen, in einem äusseren dickwandigen Rohr (15)
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