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Wärmetauscher, insbesondere für druckgefeuerte Dampfkessel
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für druckgefeuerte Dampfkessel, bestehend aus schraubenförmig gewundenen und ineinanderliegend angeordneten Rohrwendeln, die von dem einen
Medium, z. B. überhitztem Dampf, durchströmt und von dem andern Medium, z. B. Rauchgas, quer angeströmt werden, wobei die einzelnen Rohrwendeln insgesamt im Gegenstrom zu den Rauchgasen durchströmt werden.
Es ist bekannt, dass zwischen der Temperatur eines Materials und dessen Festigkeitseigenschaften bestimmte Zusammenhänge bestehen. Hiedurch wird die Anwendung von Materialien für Betriebsfälle mit bestimmten Temperaturbedingungen begrenzt. So werden z. B. beim Wärmeaustausch zwischen zwei verschieden heissen, flüssigen oder gasförmigen Medien die zwischen diesen beiden Medien angeordneten Trennwände besonderen Temperaturbedingungen unterworfen. Die Materialtemperatur solcher Trennwände ist abhängig von den Temperaturen der beiden wärmetauschenden Medien, von deren Wärmeübergangszahl an die Trennwand und von der Wärmeleitzahl der Trennwand selbst.
Die Ein- und Austrittstemperaturen der wärmetauschenden Medien sind für gewöhnlich gegeben und können nicht geändert werden. Es ist aber bekannt, zur Begrenzung der Trennwandtemperatur die beiden wärmetauschenden Medien im Gleichstrom zueinander strömen zu lassen, obwohl hiedurch der Wärmeaustausch verschlechtert und die gesamteWärmetauschfläche vergrössert wird. Eine derartige Lösung stellt also einen Kompromiss dar, durch welchen zu Gunsten einer niedrigeren Trennwandtemperatur bzw. zwecks Vermeidung eines teueren Trennwandmaterials eine grössere Wärmetauschfläche in Kauf genommen wird.
Die Erfindung geht davon aus, dass bei Wärmetauschern, bei welchen die wärmetauschenden Medien durch Trennwände getrennt sind, die Trennwandtemperaturen in üblicher Weise über die gesamte Strömungsstrecke gesehen, zwischen einem Höchst- und einem Tiefstwert variieren. Hohe Trennwandtemperaturen treten vor allem an Stellen auf, an welchen hohe Temperaturen des wärmeabgebenden Mediums auch hohen Temperaturen des wärmeaufnehmenden Mediums entsprechen, und umgekehrt treten niedrige Trennwandtemperaturen an Stellen auf, an welchen tiefe Temperaturen des wärmeabgebenden Mediums tiefen Temperaturen des wärmeaufnehmenden Mediums entsprechen, wie dies beispielsweise bei Gegenstromschaltungen der Fall ist.
Solche Temperaturverhältnisse treten auch bei einer bekannten Bauart eines Wärmetauschers auf, der aus schraubenförmig gewundenen und ineinander angeordneten Rohrwendeln besteht, die von einem Medium durchströmt und von dem andern Medium quer angeströmt werden, wobei die einzelnen Rohrwendeln insgesamt im Gegenstrom durchströmt werden. Diese Konstruktion hat also den Nachteil, dass wegen der hohen Trennwandtemperaturen ein teueres Trennwandmaterial verwendet werden muss und dieses im Bereich der niederen Wandtemperaturen nicht ausgenutzt ist. Letzteres bedingt, dass eine relativ grosse Heizfläche vorgesehen werden muss.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, die genannten Nachteile zu vermeiden, also einerseits die Rohrwandtemperaturen zu begrenzen, so dass kein teueres Rohrwandmaterial verwendet werden muss, und anderseits die Rohrwandtemperatur, die bei den bekannten Ausführungen in bestimmten Bereichen niedrig ist, so zu erhöhen, dass das Wandmaterial ausgenutzt bzw. die Heizfläche entsprechend verkleinert ist.
Die Aufgabe der Erfindung lässt sich auch so formulieren, dass die Wärmeübertragungszahl im Strömungs-
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zug des wärmeaufnehmenden und/oder des wärmeabgebenden Mediums möglichst über die gesamte Wärmetauschfläche durch konstruktive Massnahmen so beeinflusst werden soll, dass das Verhältnis der Wärme- übergangszahl des wärmeabgebenden Mediums zu der des wärmeaufnehmenden Mediums an keiner Stelle der Wärmetauschflächen grösser ist als das Verhältnis der Differenz zwischen der höchst zulässigen Wandtemperatur und der Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums an dieser Stelle zu der Differenz zwischen der Temperatur des wärmeabgebenden Mediums und der höchstzulässigen Wandtemperatur an der gleichen Stelle.
Mathematisch lässt sich die Aufgabe der Erfindung auf Grund der Gesetze der Wärme- übertragung angenähert durch die Formel
EMI2.1
EMI2.2
temperatur, tl die Temperatur des wärmeaufnehmenden (kalten) Mediums und t2 die Temperatur des wärmeabgebenden (heissen) Mediums.
Der Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwendeln im Bereich hoher Temperaturen des um sie strömenden Mediums, z. B. Rauchgas, eine grössere Steigung aufweisen als im Bereich niedriger Temperatur dieses Mediums. Nach einem zweiten Kennzeichen der Erfindung bleibt die radiale Teilung zwischen den Rohrwendeln in an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung des die Rohre umströmenden Mediums, z. B. Rauchgas, gleich, wobei vorzugsweise auch der innere Strömungsquerschnitt der Rohrwendeln gleich gross ausgeführt ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine zusätzliche Änderung des Wärmeüberganges durch Änderung des Formfaktors auf mindestens einer Seite der Rohrwände der Rohrwendeln erfolgt. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass an den Trennwänden Rippen mit veränderlicher Teilung angeordnet werden.
Einen besonderen Fall der Erfindung stellt deren Anwendung auf Dampfkessel dar, u. zw. insbesondere auf jene Heizflächenabschnitte des Dampfkessels, in welchen die für ferritisches Rohrwandmaterial zulässigen Rohrwandtemperaturen überschritten werden. Es sind dies vor allem die Überhitzer- und Zwischenüberhitzerheizflächen. Es ist bekannt, dass infolge der laufenden Steigerung der Leistungen und Wirkungsgrade von Dampfkraftanlagen die Überhitzungstemperaturen für Frisch- und Zwischendampf in Dampfkesseln so hohewerte erreicht haben, dass für das Rohrmaterial für Dampfüberhitzer vielfach austenitische Stähle verwendet werden müssen, welche den hiebei auftretenden hohen Wandtemperaturen mit Sicherheit standhalten.
Es ist auch bekannt, dass die Preise für Rohre aus austenitischem Material wesentlich höher sind als für Rohre aus den üblichen ferritischen Stählen. Hiedurch ergibt sich eine wesentliche Verteuerung solcher Dampfüberhitzer für hoheüberhitzungstemperaturen und man hat im Dampfkesselbau verschiedene Massnahmen getroffen, um bei hohen Dampftemperaturen mit ferritischem Rohrmaterial das
EMI2.3
Bekannt ist z. B.Die Erfindung bietet nun auch hier die Möglichkeit, die wirtschaftliche Gegenstromschaltung beizubehalten und trotzdem bei Einhaltung eines vorgegebenen Gesamtdruckverlustes auf der Gas-und/oder Dampfseite die im Betrieb auftretenden Rohrwandtemperaturen so zu begrenzen, dass die für. ferritisches Rohrmaterial höchst zulässige Wandtemperatur nicht überschritten wird. In der einzigen Figur der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt.
Die Figur lässt eineAusführungsform erkennen, bei welcher in einemStrömungskanal mit den Begrenzungswänden 11 das wärmeabgebende Medium 2 strömt. In diesem Kanal sind die drei Rohrspiralen 12,13 und 14 ineinander angeordnet. Die Steigung derselben ändert sich in der Strömungsrichtung derart, dass im Bereich der hohen Temperaturen T2 des wärmeabgebenden Mediums 2 die Teilung S der Rohre in der Strömungsrichtung gross ist, wodurch der Formfaktor der Wärmeübergangszahl an dieser Stelle verkleinert und der Wärmeübergang vermindert wird. Im Bereich der niedrigen Temperaturen t2 des wärmeabgebenden Mediums sind hingegen die Rohrteilungen s in der Strömungsrichtung klein, so dass an diesen Stellen der Formfaktor gross und der Wärmeübergang gut ist.
Bei dieser Konstruktion sind die horizontale Teilung und der Rohrdurchmesser d über die gesamte Strömungsstrecke konstant, so dass auch Strömungsquerschnitt und Strömungsgeschwindigkeit gleich bleiben. Mit 3 ist die Trennwand zwischen den wärmetauschenden Medien 1 und 2 bezeichnet. Die Stellen niedriger Temperaturen tl und hoher Temperaturen T, des wärmeaufnehmenden Mediums sind ebenfalls aus der Zeichnung zu ersehen.