Wärmeanstauscher an Dampfkesseln. Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher an Dampfkesseln, welcher aus einer Reihe parallel im Heizgasstrom ste hender und von zum Heizgasstrom parallelen Stromfäden eines fliessenden Arbeitsmittels durchflossener, Wände bildender Rohrschlan gen besteht.
Störend bei solchen Wärmeaustauschern ist, dass das Arbeitsmittel in den einzelnen Rohrschlangen und der Baustoff dieser Rohr schlangen unterschiedlich stark aufgeheizt werden, wenn im Heizgasstrom - über seinen Querschnitt betrachtet - örtliche Zusammen ballungen von Wärme vorliegen. Derartige Wärmespitzen, welche durch Messung der Temperaturen an den verschiedenen Stellen des Heizgasstromes sichtbar gemacht werden können, können davon herrühren, dass in der Heizgas-Entwicklungskammer, in der Regel der Brennkammer, beispielsweise durch Aus fall des einen oder andern Brenners auf einer Seite mehr Wärme erzeugt wird als auf der andern.
Gleichzeitig oder für sich allein er geben sich solche Zusammenballungen von Wärme aber auch dadurch, dass der Heizgas strom vor Auftreffen auf den Wärmeaustau- scher einseitig gekühlt worden ist. Dieser Fall ist fast immer gegeben bei Brennkammern, welche mit Kühlrohren ganz oder teilweise ausgekleidet sind und bei welchen infolge dessen die neben den Kühlrohren herstrei- chenden Heizgase schon in der Brennkammer stärker abgekühlt werden als die im Kern der Brennkammer aufsteigenden Heizgase.
Die hierdurch verursachten Störungen sind nicht nur die stärkere bezw. schwächere Aufheizung des einen oder andern Strom fadens des aufzuheizenden Arbeitsmittels an sich, sondern mit der unterschiedlichen Be- heizung des Arbeitsmittels erwachsen auch für dieses unterschiedliche Volumenänderun gen in den einzelnen Rohrschlangen und da mit Unterschiede in den Geschwindigkeiten und Strömungswiderständen, die ihrerseits zu einer Drosselung und dadurch wieder zu einer noch stärkeren Erhitzung des Arbeitsmittels in den einzelnen Rohrschlangen führen kön nen.
Hierin werden wesentlich bessere Verhält nisse mit dem erfindungsgemässen Wärmeaus- tauscher dadurch geschaffen, dass aus nahe und parallel den Seiten des Heizgasstromes gelegenen Rohrwänden Rohrschlangenteile in Rohrschlangenteile übergehen, welche in näher der Mitte des Heizgasstromes liegenden Rohr wänden angeordnet sind, so dass zunächst in den Randschichten des Reizgasstromes erhitzte Stromfäden des Arbeitsmittels im weiteren Fluss von Kernschichten des Heizgasstromes erhitzt werden.
In der Zeichnung ist der Erfindungs gegenstand schematisch in mehreren Ausfüh rungsbeispielen dargestellt. Es zeigt die Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen waagrechten Heizgaskanal, in dem ein aus senkrecht gewickelten Rohrschlangen bestehender Überhitzer angeordnet ist, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Überhitzer nach Fig. 1, Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch einen waagrechten Heizgaskanal. in dem ein aus waagrecht gewickelten Rohrschlangen be stehender Überhitzer angeordnet ist,
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Überhitzer nach Fig. 3, Fig. 5 die Draufsicht auf einen ähnlich der Fig. 1 oder 3 angeordneten Überhitzer, Fig. 6 die Draufsicht auf eine ähnlich der Fig. 1 oder 3 angeordnete Überhitzerhälfte, Fig. 7 einen senkrechten Schnitt durch einen waagrechten Heizgaskanal, in dem ein aus waagrecht gewickelten Rohrschlangen be stehender Überhitzer angeordnet ist,
Fig. 8 einen senkrechten Schnitt durch einen Strahlungsdampfkessel.
Bei dem Strahlungskessel nach Fig. 8, welcher einer üblichen Bauart entspricht, ist die von den Brennern 7 mit Kohlenstaub ver sorgte Brennkammer 5 mit den Verdampfer rohren 3 und 4 sowie an den Seitenwänden mit den Verdampferrohren 6 ausgekleidet.
Unmittelbar oder mit Hilfe der Verbindungs- rotere 9 sind die Verdampferrohre zwischen die Trommeln 1 und 2 geschaltet, die ihrer seits durch Fallrohre begw. Dampfabfüh- rungsrohre 10 mit der Dampf-Sammel- und -Speisetrommel 8 verbunden sind. Über der Brennkammer befindet sich der aus Schlan genrohren bestehende Berührungs-Dampf- überhitzer, der in einem im wesentlichen waagrechten Rauchgaszuge liegt.
Bei diesem Kessel geben die Flammen bezw. die Rauch gase in der Brennkammer Wärme durch Strahlung und Berührung an die Kesselrohre 3, 4 und 6 ab, und zwar vor allem die jenigen Rauchgase, die in der Nachbarschaft der Kesselrohre in der Brennkammer aufstei gen, so dass diese Rauchgase bei Austritt aus der Brennkammer mehr abgekühlt sind, als die im Kern der Brennkammer aufsteigenden.
Diese verschiedene Verteilung der Wärme in dem Rauchgasstrom teilt sich dem Überhitzer in der Weise mit, dass von der Zahl der quer über den Rauchgasstrom verteilten Überhit zerrohrschlangen die aussenliegenden schwä cher beheizt werden als die innenliegenden, was einerseits zu einer anteilig ungleich mässigen Überhitzung der einzelnen durch die verschiedenen GO4rsOlangen führenden Dampffäden und ande:tseU' zu einer anteilig ungleichen Wärmebeanspruchung des Bau stoffes der Rohrschlangen und der sie verbin denden Sammler führt.
Dies gilt in über wiegendem Masse für die Rohrschlangen, wel che aussenliegend parallel zu den Brennkam- merseitenwänden stehen. Zwar unterliegen auch die neben der Stirn- und Rückwand der Brennkammer aufsteigenden Rauchgase einer stärkeren Abkühlung als die im Kern der Brennkammer aufsteigenden. Diese Ungleich heit fällt aber für die quer zu diesen Wänden gehenden Rohrschlangen nicht nachteilig ins Gewicht, da sie sich anteilig gleichmässig auf sämtliche Rohrschlangen verteilt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen nun einen in einem waagrechten, von den Wänden 12, 13, 14, 15 gebildeten Kanal angeordneten Über- hitzer, dessen an die Sammler 16 und 17 an geschlossene Rohrschlangen<I>A, B, C, D</I> paral lel zum Rauchgasstrom stehen, der aus einer mit Kühlflächen ausgekleideten Brennkam- mer zuströmt. Jede der Rohrschlangen ist in zwei Teile aufgelöst, von denen jeweils der eine nahe der einen oder andern Wand 12 oder 13 und der andere nahe der Mitte TI des Kanals angeordnet ist und die beiden Teile durch ein Rohrstück verbunden sind.
Beispielsweise verläuft die Rohrschlange 18 der Rohrgruppe A1 zwischen dem Sammler 16 und dem Sammler 17 zunächst neben der Wand 12, führt dann unter der Wand 14 hinweg zur Rohrgruppe A= und läuft hier als erstes Rohr neben der Mitte M des Kanals weiter. Anderseits verläuft die Rohrschlange 19 der Rohrgruppe C' zunächst als erstes Rohr neben der Mitte 111 des Kanals, führt dann unter der Wand 14 hinweg zur Rohr gruppe C' und läuft hier als erstes Rohr neben der Wand 12 weiter.
Die gegenüber dem ersten Teil C' der Rohrschlange 19 im ersten Teil A1 anteilig schwächer beheizte Rohrschlange 18 wird somit im zweiten Teil A= anteilig stärker beheizt als der zweite Teil C' der Rohrschlange 19 und somit die ver schiedene Lagerung der Wärme im Rauch gasstrom auf die Rohrschlangen des Überhit- zers ausgeglichen.
Dasselbe gilt natürlich auch für die übrigen Rohrschlangen der Rohrgruppen A'-A', B'-B2, C'-C2 und D'-D2. Mit dieser Anordnung ist gleich zeitig auch ein Ausgleich der Beheizung der Rohrschlangen dann verbunden, wenn etwa durch Ausfall des einen oder andern Bren ners in der Brennkammer beispielsweise im rechten Brennkammerteil und damit in der rechten Hälfte des Rauchgaskanals eine ge ringere Wärmezusammenballung als in der linken Hälfte des Kanals vorläge, weil die verschiedenen Teile ein und derselben Rohr schlange in den verschiedenen Hälften des Rauchgaskanals angeordnet sind.
In der Fig. 1 sind die Verbindungsrohre zwischen den Rohrschlangenteilen unterhalb der Wand 14 verlegt, teils um diese gegen die Rauchgase zu schützen, teils um von oben an die Verbindungen leicht herankommen zu können. Die Verbindungsrohre können in dessen auch unterhalb der Rohrschlangen oder aber in einer senkrechten Ebene ange ordnet werden, je nachdem dies in dem einen oder andern Fall baulich am zweck mässigsten wäre.
Die gezeigte Anordnung ist weiterhin nicht auf den liegenden Rauchgas kanal beschränkt; sie könnte ebensogut bei behalten werden, wenn der Kanal senkrecht etwa mit den Wänden 14', 15' verliefe und die Rauchgase von oben nach unten oder um gekehrt geführt werden müssten.
Stellen die Fig. 1 und 2 einen Überhitzer mit hängenden Rohrschlangen dar, so zeigen die Fig. 3, 4 und 7 Überhitzer mit liegenden Schlangen, die ebenfalls in liegenden oder senkrechten Rauchgaskanälen angeordnet sein können und deren Verbindungsrohre zwischen den verschiedenen Teilen einer Rohrschlange ebenfalls unter oder über die Schlangen hin weggeführt werden können.
In der Fig. 5 ist eine Anordnung darge stellt, bei welcher die ungleichen Wärmever teilungen im Rauchgasstrom auf jeder Kanal hälfte für sich durch entsprechende Führung der Rohrschlangen A'-AZ und B'-B2 aus geglichen sind, wohingegen die verschiedene Wärmeverteilung auf den beiden Kanalhälf ten durch die teils auf der einen, teils auf der andern Kanalhälfte angeordneten Rohr schlangen C'-C' und D'-D2 ausgeglichen sind.
Eine derartige Anordnung wird aller dings nur für Brennerfeuerungen in Betracht kommen, wogegen man bei Brennkammern mit Rostfeuerungen nur die durch die stärkere Abkühlung an den Seitenwänden sich erge bende ungleiche Wärmeverteilung in den Rauchgasen zu überwinden haben wird.
In diesen Fällen wird eine Anordnung gemäss Fig. 6, ihrer Einfachheit wegen, vorzuziehen sein, weil dort nur die äussern Rohrschlangen <I>B'</I> und A2 mit den nahe der Kanalmitte 31 gelegenen Rohrschlangen<I>A'</I> und BZ zusam mengefasst werden, wohingegen für die übri gen Überhitzerrohre die üblichen nur in einer einzigen Ebene durchlaufenden Rohrschlan gen C verwendet zu werden brauchen.
Die gezeigten Anordnungen sind unab hängig davon, ob der Dampf im Gleich- oder aber im Gegenstrom zum Rauchgasstrom durch die Überhitzerrohrschlangen strömt. Sie eignen sich ferner auch nicht nur für Dampferhitzer, sondern schlechthin für paral lel zum Heizgasstrom ausgebreitete Rohr schlangen, soweit diese als Wärmeaustauscher zwischen Rauchgasen einerseits und Dämp fen, Flüssigkeiten oder Gasen anderseits die nen, also für Verdampfungsheizflächen oder Vorwärmer oder dergleichen.
Heat exchanger on steam boilers. The invention relates to a heat exchanger on steam boilers, which consists of a series of parallel standing in the heating gas flow and parallel to the heating gas flow of stream filaments of a flowing working medium traversed, walls forming Rohrschlan conditions.
What is annoying with such heat exchangers is that the working fluid in the individual pipe coils and the building material of these pipe coils are heated to different degrees if there are local concentrations of heat in the heating gas flow - viewed across its cross section. Such heat peaks, which can be made visible by measuring the temperatures at the various points of the heating gas flow, can result from the fact that in the heating gas development chamber, usually the combustion chamber, more heat is increased on one side, for example due to failure of one or the other burner is generated than on the other.
At the same time or on its own, however, such agglomerations of heat also result from the fact that the heating gas flow has been cooled on one side before it hits the heat exchanger. This is almost always the case with combustion chambers which are completely or partially lined with cooling tubes and in which, as a result, the heating gases flowing next to the cooling tubes are already cooled more in the combustion chamber than the heating gases rising in the core of the combustion chamber.
The disturbances caused by this are not only the stronger or weaker heating of one or the other flow filament of the working medium to be heated, but with the different heating of the working medium, different volume changes arise in the individual pipe coils for this too and there with differences in the speeds and flow resistances, which in turn lead to a throttling and this again leads to an even greater heating of the working medium in the individual pipe coils.
Much better conditions are created here with the heat exchanger according to the invention in that the pipe walls located near and parallel to the sides of the heating gas flow merge pipe coil parts into pipe coil parts which are arranged in pipe walls closer to the center of the heating gas flow, so that initially in the edge layers The current filaments of the working medium heated by the irritant gas flow are heated in the further flow of core layers of the heating gas flow.
In the drawing, the subject of the invention is shown schematically in several examples approximately Ausfüh. 1 shows a vertical section through a horizontal heating gas duct in which a superheater consisting of vertically wound pipe coils is arranged, FIG. 2 is a plan view of the superheater according to FIG. 1, FIG. 3 is a vertical section through a horizontal heating gas duct. in which a superheater consisting of horizontally wound pipe coils is arranged,
4 shows a top view of the superheater according to FIG. 3, FIG. 5 shows the top view of a superheater arranged similar to FIG. 1 or 3, FIG. 6 shows the top view of a superheater half arranged similar to FIG. 1 or 3, FIG. 7 a vertical section through a horizontal heating gas duct in which a superheater consisting of horizontally wound coils is arranged,
8 shows a vertical section through a radiant steam boiler.
In the radiation boiler according to FIG. 8, which corresponds to a conventional design, the combustion chamber 5 provided by the burners 7 with coal dust is lined with the evaporator tubes 3 and 4 and on the side walls with the evaporator tubes 6.
The evaporator tubes are connected between the drums 1 and 2 directly or with the aid of the connecting rotors 9, which in turn are moved by downpipes. Steam discharge pipes 10 are connected to the steam collecting and feeding drum 8. Above the combustion chamber there is the contact steam superheater consisting of Schlan genrohren, which is located in an essentially horizontal flue gas draft.
In this boiler, the flames give respectively. The flue gases in the combustion chamber emit heat through radiation and contact to the boiler tubes 3, 4 and 6, especially those flue gases that rise in the vicinity of the boiler tubes in the combustion chamber, so that these flue gases exit the combustion chamber have cooled down more than those rising in the core of the combustion chamber.
This different distribution of heat in the flue gas flow is communicated to the superheater in such a way that of the number of superheater coils distributed across the flue gas flow, the outer ones are less heated than the inner ones, which on the one hand leads to a proportionately uneven overheating of the individual the various long steam threads and other: tseU 'leads to a proportionately unequal thermal load on the construction material of the pipe coils and the collectors connecting them.
This applies predominantly to the pipe coils which are on the outside parallel to the combustion chamber side walls. It is true that the flue gases rising up next to the front and rear walls of the combustion chamber are also subject to greater cooling than those rising in the core of the combustion chamber. However, this inequality does not have a disadvantageous effect on the pipe coils going transversely to these walls, since it is proportionally evenly distributed over all pipe coils.
1 and 2 now show a superheater, which is arranged in a horizontal channel formed by the walls 12, 13, 14, 15 and whose tube coils A, B, C, D are connected to the collectors 16 and 17 </I> are parallel to the flue gas flow that flows in from a combustion chamber lined with cooling surfaces. Each of the pipe coils is divided into two parts, one of which is arranged near one or the other wall 12 or 13 and the other near the center TI of the channel and the two parts are connected by a piece of pipe.
For example, the coil 18 of the pipe group A1 runs between the collector 16 and the collector 17 first next to the wall 12, then leads under the wall 14 to the pipe group A = and continues here as the first pipe next to the center M of the channel. On the other hand, the coil 19 of the pipe group C 'initially runs as the first pipe next to the center 111 of the channel, then leads under the wall 14 to the pipe group C' and continues here as the first pipe next to the wall 12.
The compared to the first part C 'of the coil 19 in the first part A1 proportionally weaker heated coil 18 is thus in the second part A = proportionally more heated than the second part C' of the coil 19 and thus the different storage of heat in the flue gas flow the coils of the superheater are balanced.
The same naturally also applies to the other coils of pipe groups A'-A ', B'-B2, C'-C2 and D'-D2. With this arrangement, a compensation of the heating of the coils is connected at the same time if, for example, due to failure of one or the other burner in the combustion chamber, for example in the right part of the combustion chamber and thus in the right half of the flue gas duct, a ge lower heat accumulation than in the left half of the duct, because the different parts of the same pipe are arranged in a snake in the different halves of the flue gas duct.
In Fig. 1, the connecting pipes are laid between the pipe coil parts below the wall 14, partly to protect them against the smoke gases, partly to be able to easily access the connections from above. The connecting pipes can also be arranged below the pipe coils or in a vertical plane, depending on whether this would be structurally most appropriate in one case or the other.
The arrangement shown is still not limited to the horizontal flue gas channel; it could just as well be retained if the channel ran vertically approximately with the walls 14 ', 15' and the smoke gases would have to be guided from top to bottom or vice versa.
1 and 2 show a superheater with hanging pipe coils, then FIGS. 3, 4 and 7 show superheaters with lying coils, which can also be arranged in horizontal or vertical flue gas ducts and their connecting pipes between the various parts of a pipe coil are also below or can be led away over the snakes.
In Fig. 5 an arrangement is Darge presents, in which the unequal Wärmever distributions in the flue gas flow on each channel half for itself by appropriate guidance of the coils A'-AZ and B'-B2 are balanced, whereas the different heat distribution on the two Channel halves through which pipe snakes C'-C 'and D'-D2 arranged partly on one and partly on the other channel half are balanced.
Such an arrangement will, however, only come into consideration for burner furnaces, whereas in combustion chambers with grate furnaces only the uneven heat distribution in the flue gases resulting from the stronger cooling on the side walls will have to be overcome.
In these cases, an arrangement according to FIG. 6 is to be preferred for its simplicity, because there only the outer pipe coils <I> B '</I> and A2 with the pipe coils <I> A' </ located near the channel center 31. I> and BZ are summarized, whereas for the rest of the superheater tubes the usual tube loops C, which run through only one level, need to be used.
The arrangements shown are independent of whether the steam flows in cocurrent or countercurrent to the flue gas flow through the superheater coils. They are also not only suitable for steam heaters, but simply for coiled pipes that are spread out parallel to the heating gas flow, as long as they act as heat exchangers between flue gases on the one hand and vapors, liquids or gases on the other, i.e. for evaporation heating surfaces or preheaters or the like.