Röhrengaserhitzer zur Erzielung hoher Gastemperaturen. Die Erfindung betrifft einen Röhrengas erhitzer zur Erzielung hoher Gastempera turen.
Soll ein Gas, beispielsweise Luft, in Röh- renerhitzern durch die Röhren bestreichende Feuergase auf hohe Temperaturen, beispiels weise über 500 , erhitzt werden, so müssen für die Erhitzerbauteile hochhitzebeständige Baustoffe verwendet werden. Kann dabei aus Wirkungsgradrücksichten keine oder nur ungenügende künstliche Kühlung .der Bau teile vorgesehen werden, so haben die be- nötigten heissen Halteteile, z.
B. für die Röh ren, Wände und dergleichen, auch noch ver hältnismässig grosse Kräfte und Gewichte zu übertragen. Da jedoch die zulässigen Bean spruchungen sowohl dm Stähle als auch der übrigen Sonderbaustoffe, die für solche Er hitzer in Betracht kommen, bei Temperatu ren von 500 und darüber sehr rasch ab fallen, so ist daher zur Übertragung ge gebener Gewichte der Rohrbündel, des Iso liermaterials und dergleichen, viel Baustoff erforderlich, so dass die Baukosten ausser ordentlich hoch werden und damit der ganze Erhitzer unwirtschaftlich wird.
Eine weitere; nicht zu unterschätzende Schwierigkeit beim Bau von Gaserhitzern für hohe Gastemperaturen entsteht dadurch, dass in solchen Erhitzern sowohl am Beginn der Heizperiode wie auch während des nor malen Betriebes, oder dann bei Belastungs schwankungen, infolge der naturgemäss gro ssen Temperaturunterschiede zwischen einzel nen, oft benachbarten Teilen, grosse Unter schiede in den Wärmedehnungen auftreten. Weisem :die Erhitzer z.
B. einen zentralen Feuerraum auf, so ist das Innere dersel ben sehr heiss, während die äussern Teile kühler sind. Zufolge der in solchen Fällen unvermeidlichen Wärmedehnungen entstehen dann unerwünschte Wärmespannungen, wel che häufig grosse zusätzliche Beanspru chungen der bereits durch die Hitze ange strengten Bauteile zur Folge haben. Die Verhältnisse liegen in dieser Beziehung bei einem ungekühlten Gaserhitzer viel un günstiger als bei einem Dampferzeuger.
Bei tropfbaren Medien, also zum Beispiel Wasser, ist nämlich der Wärmeübergang bedeutend besser als bei einem Gas, so däss beispiels weise in einem Dampfkessel das Wasser oder der Dampf die beheizten Teile verhältnis mässig stark kühlt und dementsprechend die Temperaturen herabsetzt.
Um nun den gesteigerten Schwierigkeiten bei einem feuergasbeheizten Gaserhitzer für hohe Endgastemperaturen auf wirtschaftliche Art mit einem Mindestmass an Baustoffauf- wand begegnen zu können, sind bei einem solchen Erhitzer gemäss vorliegender Erfin dung die um einen zentralen Feuer- und Ab gaseraum gelegenen, je eine Schlange mit senkrechten Strängen bildenden Röhren um die Axe dieses Raumes angeordnet und ledig lich am obern Ende der Stränge in eine Trag platte aus feuerbeständigem Material einge lassen. Diese Tragplatte ist dann ihrerseits durch Zugstangen an einem äussern Tragge rüst frei beweglich aufgehängt.
Bei einem Gaserhitzer nach der Erfin dung können sich die schlangenförmigen Röhren, welche im wesentlichen von der Tragplatte getragen werden, ungehindert nach unten ausdehnen, so dass sich Wärme dehnungen dieser Rohre frei auswirken kön nen. Infolgedessen ist die Tragplatte für die asymmetrisch im Feuerraum angeordneten Röhren keinen grossen Zug- oder Druckbean spruchungen ausgesetzt. Auch die die Trag platte mit dem äussern Traggertist verbinden den Zugstangen sind lediglich auf Zug bean sprucht.
Folglich benötigen alle diese Teile relativ wenig Baustoff, wobei dieser zudem keine oder nur unwesentliche Biegungsbean- spruchungen übertragen muss. Das ganze ausserhalb des Bereiches hoher Temperaturen liegende und daher verhältnismässig kühle Traggerüst, welches sämtliche innern Teile trägt, braucht nicht aus teuren Sonderbau stoffen hergestellt zu werden. Somit ist bei der vorliegenden Erhitzerbauart der Auf wand an teurem, hitzebeständigem Tragmate rial auf ein Mindestmass beschränkt.
Diese Vorteile lassen sich in noch ausgeprägterem Masse erreichen, wenn in zweckmässiger Weise die Zugstangen mit Balken des äussern Traggerüstes gelenkig verbunden und ferner auch die den Feuer- und Abgaseraum um gebende Isolierung samt den letztere umhül lenden Mantelblechen an der Tragplatte auf gehängt werden.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfin dungsgegenstandes in vereinfachter Darstel lungsweise veranschaulicht. Es ist: Fig. 1 ein senkrechter Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2 durch den Röhrengas erhitzer; Fig. 2 zeigt in der linken Hälfte einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 und in der rechten Hälfte eine Draufsicht auf den Erhitzer; Fig. 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen einer Einzelheit im Schnitt.
Der gezeigte Gaserhitzer weist einen zen tralen Feuer- und Abgasraum 1 auf, in den ein als Leitvorrichtung für die Feuergase dienender, zylindrischer Blechkörper 2, 3 ein gebaut ist. Im untern Teil dieses Körpers ist ein Brenner 4 angeordnet. Der Feuer- und Abgaseraum 1 ist von einer als zylindrischer Körper ausgebildeten Isolierung 5 umgeben, die aus zwischen Mantelblechen 6 verstauter Schlackenwolle, Aluminiumfolie, Glaswolle, oder dergleichen bestehen kann. Der zylin drische Körper 5, 6 ruht auf einer Stützplatte 7, die ihrerseits auf dem Fundament 8 des Erhitzers aufliegt.
Im Feuer- und Abgase raum 1 sind strahlenförmig um dessen Axe eine grosse Anzahl von Röhren 9 angeordnet, von denen jede eine Schlange mit senkrech ten Strängen und diese verbindenden Um lenkbogen 12 bildet. Die verschiedenen. Rohr schlangen 9 sind unten an eine gemeinsame, ringförmige Verteilleitung 10 für das zu er hitzende Gas und oben an eine gemeinsame, ringförmige Sammelleitung 11 für das er- bitzte Gas angeschlossen, wobei der An schluss an letztere je über einen elastischen Bogen 12' erfolgt.
Die geraden Stränge und die diese verbindenden Umlenkbogen einer Schlange liegen praktisch in einer Ebene, die zur Axe des zentralen Raumes 1 radial verläuft. Die Rohrschlangen 9 sind lediglich am obern Ende ihrer senkrechten Stränge in eine Tragplatte 13 eingelassen, die aus einem feuerbeständigen, auch bei den in Betracht kommenden hohen Temperaturen noch genü gende Festigkeit aufweisenden Baustoff, zum Beispiel Chromnickelstahl, besteht. Die Trag platte 13 ist ihrerseits durch Zugstangen 14 an einem äussern Traggerüst aufgehängt, das zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Balken 16, sowie an diesen befestigte Trag ringe 15 aufweist.
Die letzteren ermöglichen eine gelenkige Verbindung der Zugstangen 1.4 mit den Balken 16. Die ringförmige Sammelleitung 11 ist ebenfalls durch Zug stangen 17 an einem Tragring 18 der Balken 16 gelenkig aufgehängt. Die Balken 16 des Traggerüstes ruhen auf Stützen 20, die un ten durch an der Stützplatte 7 befestigte La schen 21 und ferner durch Versteifungsringe 22 untereinander verbunden sind. Um die Tragplatte 13, wenn erforderlich, auch in radialer Richtung zu spannen, ist sie noch gelenkig mit Spannschrauben 23 verbunden, die an den Stützen 20 befestigt sind. Zwi schen der Tragplatte 13 und dem äussern Traggerüst ist eine weitere Isolierung 231 vorgesehen.
Das zu erhitzende Gas, vorzugsweise Luft, strömt durch eine Leitung 24 der Ver- teilleitung 10 zu und dann aus dieser in die verschiedenen Rohrschlangen 9, die es in Richtung der Pfeile A durchströmt, um, nachdem es auf den erforderlichen Grad er hitzt worden ist, in die. Sammelleitung 11 zu strömen, aus der es schliesslich durch die Lei tung 25 nach der Verwendungsstelle gelangt. Die zum Erhitzen des die Schlangen 9 durch- str ömenden Gases dienenden Feuergase be wegen sieh in Richtung der Pfeile ss durch den Feuer- und Abgaseraum 1 und strömen durch den Kanal 26 aus dem Erhitzer aus.
Die Rohrschlangen 9, welche, wie erwähnt, nur am obern Ende ihrer senkrechten Stränge in die Tragplatte 13 eingelassen sind; können sich beim Erwärmen ungehindert nach unten ausdehnen, so dass sie in dieser Platte keine die Festigkeit der letzteren ge fährdenden Spannungen erzeugen.
Wie in Fig: 3 gezeigt, kann das Ein lassen der senkrechten Stränge der Schlangen in die Tragplatten 13 auch so erfolgen, da.ss in letztere Rohrnippel 27 eingeschraubt und diese an ihrem obern, freien Ende mit einem durch den betreffenden Nippel mit etwas Spiel (nicht gezeichnet) gesteckten Rohr strang 28 durch eine Verschweissung 29 fest verbunden werden. Dadurch wird erreicht, dass nicht ein dünnes Rohr mit der dicken Tragplatte unmittelbar zu verschweissen ist, leas ein Verziehen der letzteren zur Folge hätte.
Diese Verbindung ist zudem elastisch und verhindert ein Zwängen zwischen Rohr und Platte bei Wärmedehnungen.
Wie in Fig. 4 gezeigt, kann in zylin drische Ausnehmungen der Tragplatte 13 auch je ein Nippel 30 eingesetzt und am obern, freien Ende durch eine Schweissung 32 mit einem Rohrstrang 33 verbunden wer den. Der Nippel wird, wenn nötig, noch durch eine Punktschweissung 31 mit der Platte 13 leicht verbunden.
Das Gewicht der Rohrstränge wird jedoch in den meisten Fäl len selbst eine schwache Verbindung zwi schen Nippel und Tragplatte überflüssig machen. Die Verbindungsaxten nach Fig. 3 und 4 unterbinden auch einen grösseren Wärmestrom zwischen Tragplatte und Röh ren.
Anstatt die den Feuer- und Abgaseraum umgebende zylindrische Isolierung auf der untern Stützplatte aufliegen zu lassen, kann. sie auch samt den sie umhüllenden Mantel blechen an der Tragplatte für die Rohr schlangen aufgehängt werden, so dass sie sich dann nicht, wie in Fig. 1 gezeigt, frei nach oben, sondern frei nach unten ausdehnen kann. Unter Umständen kann es von Vorteil sein, die Tragplatte nicht aus einem einzigen Stück, sondern aus einer Anzahl Segmente herzustellen.
Röhrengaserhitzer der beschriebenen Bau art sind vor allem geeignet, um in Wärme- kraftanlagen angewendet zu werden, in wel chen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugs weise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf beschreibt, wobei das in einem Röhrengaserhitzer durch äussere Wärmezu fuhr erhitzte Arbeitsmittel unter äusserer Leistungsabgabe in mindestens einer Turbine expandiert und hierauf in mindestens einem Turboverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird.
Die Erfindung lässt sich bei jeder Grund- rissform des Erhitzers, Feuerraumes und der Tragplatte für die Röhren anwenden.
Ferner spielt es für deren Anwendung keine Rolle, in welcher Richtung das zu er hitzende Gas, durch die Röhren strömt oder wie letztere von den: Feuergasen umspült werden.
Tubular gas heater to achieve high gas temperatures. The invention relates to a tubular gas heater to achieve high gas tempera tures.
If a gas, for example air, is to be heated to high temperatures, for example above 500, in tubular heaters, which are swept through the tubes, then highly heat-resistant building materials must be used for the heater components. If no or only insufficient artificial cooling of the components can be provided for reasons of efficiency, the required hot holding parts, e.g.
B. for the Röh ren, walls and the like, also to transfer relatively large forces and weights ver. However, since the permissible loads on both the steels and the other special building materials that come into consideration for such heaters drop very quickly at temperatures of 500 and above, the tube bundle, the insulating material, must therefore be transferred to the given weights and the like, a lot of building material required, so that the building costs are exceptionally high and thus the whole heater is uneconomical.
Another; The difficulty in building gas heaters for high gas temperatures, which should not be underestimated, arises from the fact that in such heaters both at the beginning of the heating season and during normal operation, or during load fluctuations, due to the naturally large temperature differences between individual, often adjacent parts , large differences occur in the thermal expansion. Weisem: the heater z.
B. on a central firebox, the inside dersel ben is very hot, while the outer parts are cooler. As a result of the inevitable thermal expansions in such cases, undesirable thermal stresses arise, which often result in large additional stresses on the components that have already been subjected to the heat. The conditions in this respect are much less favorable for an uncooled gas heater than for a steam generator.
In the case of drip media, for example water, the heat transfer is namely significantly better than with a gas, so that, for example, in a steam boiler the water or steam cools the heated parts relatively moderately and accordingly lowers the temperatures.
In order to be able to counter the increased difficulties with a fuel gas-heated gas heater for high end-gas temperatures in an economical way with a minimum of building material expenditure, in such a heater according to the present invention the ones around a central fire and exhaust gas room each have a queue Tubes forming vertical strands are arranged around the axis of this space and let single Lich at the upper end of the strands in a support plate made of fire-resistant material. This support plate is then in turn suspended freely movable by tie rods on an outer support frame.
In the case of a gas heater according to the invention, the serpentine tubes, which are essentially carried by the support plate, can expand downward unhindered, so that thermal expansions of these tubes can have a free effect. As a result, the support plate for the tubes arranged asymmetrically in the furnace is not exposed to any major tensile or compressive stresses. The tie rods that connect the support plate to the outer support frame are only required to be pulled.
As a result, all of these parts require relatively little building material, which also does not have to transfer any or only insignificant bending loads. The whole outside the range of high temperatures and therefore relatively cool supporting structure, which carries all the inner parts, does not need to be made of expensive special building materials. Thus, with the present heater design, the expenditure on expensive, heat-resistant supporting material is limited to a minimum.
These advantages can be achieved in an even more pronounced way if the tie rods are articulated with the beams of the outer supporting structure and also the insulation surrounding the fire and exhaust gas room, together with the latter enveloping cladding sheets, are hung on the support plate.
In the accompanying drawing, an example embodiment of the subject of the invention is illustrated in a simplified representation. It is: Figure 1 is a vertical section along the line I-I of Figure 2 through the tubular gas heater; FIG. 2 shows in the left half a section along the line II-II of FIG. 1 and in the right half a plan view of the heater; 3 and 4 show two different embodiments of a detail in section.
The gas heater shown has a central fire and exhaust gas chamber 1, in which a serving as a guide device for the fire gases, cylindrical sheet metal body 2, 3 is built. A burner 4 is arranged in the lower part of this body. The fire and exhaust gas chamber 1 is surrounded by an insulation 5 designed as a cylindrical body, which can consist of slag wool, aluminum foil, glass wool, or the like stowed between jacket plates 6. The zylin drical body 5, 6 rests on a support plate 7, which in turn rests on the foundation 8 of the heater.
In the fire and exhaust gas room 1 a large number of tubes 9 are arranged in a radial manner around its axis, each of which forms a snake with vertical strands and these connecting arches 12. The different. Coiled pipes 9 are connected at the bottom to a common, ring-shaped distribution line 10 for the gas to be heated and at the top to a common, ring-shaped collecting line 11 for the heated gas, the connection to the latter taking place via an elastic bend 12 '.
The straight strands and the connecting bends of a snake are practically in a plane which runs radially to the axis of the central space 1. The coils 9 are only embedded at the upper end of their vertical strands in a support plate 13, which is made of a fire-resistant, even at the high temperatures in question still sufficient strength having building material, for example chrome-nickel steel. The support plate 13 is in turn suspended by tie rods 14 on an outer support frame, which has two bars 16 arranged at right angles to one another, and support rings 15 attached to these.
The latter allow an articulated connection of the tie rods 1.4 with the beams 16. The annular manifold 11 is also hinged by pull rods 17 on a support ring 18 of the beams 16. The beams 16 of the supporting structure rest on supports 20 which are un th by attached to the support plate 7 La rule 21 and also connected by stiffening rings 22 with each other. In order to also tension the support plate 13 in the radial direction, if necessary, it is still connected in an articulated manner with tensioning screws 23 which are fastened to the supports 20. Further insulation 231 is provided between tween the support plate 13 and the outer support structure.
The gas to be heated, preferably air, flows through a line 24 to the distribution line 10 and then out of this into the various coils 9, through which it flows in the direction of arrows A, after it has been heated to the required degree , in the. To flow collecting line 11, from which it finally passes through the line 25 to the point of use. The fire gases used to heat the gas flowing through the coils 9 move through the fire and exhaust gas chamber 1 in the direction of the arrows ss and flow out of the heater through the duct 26.
The pipe coils 9, which, as mentioned, are embedded in the support plate 13 only at the upper end of their vertical strands; can expand downwards unhindered when heated, so that they do not create any stresses in this plate that could jeopardize the strength of the latter.
As shown in Fig. 3, the vertical strands of the snakes can also be inserted into the support plates 13 in such a way that they are screwed into the latter pipe nipple 27 and at their upper, free end with a slight play through the nipple in question not shown) inserted pipe string 28 are firmly connected by a weld 29. This ensures that a thin tube does not have to be welded directly to the thick support plate, which would result in warping of the latter.
This connection is also elastic and prevents the pipe and plate from being forced in the event of thermal expansion.
As shown in Fig. 4, a nipple 30 can be used in cylin drical recesses of the support plate 13 and connected at the upper, free end by a weld 32 to a pipe string 33 who the. If necessary, the nipple is also easily connected to the plate 13 by a spot weld 31.
However, the weight of the pipe strings will in most cases make even a weak connection between the nipple and the support plate superfluous. The connecting axes according to Fig. 3 and 4 also prevent a larger heat flow between the support plate and Röh ren.
Instead of letting the cylindrical insulation surrounding the fire and exhaust gas space rest on the lower support plate, one can. they also, together with the sheath covering them, are suspended from the support plate for the pipe snakes, so that they can then not expand freely upwards, as shown in FIG. 1, but freely downwards. Under certain circumstances it can be advantageous not to manufacture the support plate from a single piece but from a number of segments.
Tubular gas heaters of the type described are particularly suitable to be used in thermal power plants, in which a gaseous working medium, preferably air, continuously describes a closed circuit, with the working medium heated in a tubular gas heater by external heat input under external power output expanded in at least one turbine and then brought back to higher pressure in at least one turbo compressor.
The invention can be applied to any basic plan shape of the heater, combustion chamber and support plate for the tubes.
Furthermore, it does not matter for their application in which direction the gas to be heated flows through the tubes or how the latter are washed by the fire gases.