Dampferzeuger. An neuere Dampferzeuger stellt man ge wöhnlich bedeutend grössere Anforderungen als bei älteren Konstruktionen für denselben Zweck. Der Dampferzeuger darf u. a. nicht zu viel Raum beanspruchen, insbesondere muss die Bauhöhe niedrig sein, um die Bau kosten für den Kesselraum herabzusetzen. Dies bedeutet wiederum eine hohe Leistungs fähigkeit der Heizfläche.
Diese Forderungen sind gegenwärtig in den Dampferzeugern von Wasserrohrbauart, die mit Zwangslauf arbeiten, am besten er füllt. Hierbei werden das Wasser und der Dampf in den Siederohren mit Pumpdruck vorwärts getrieben.
Diese Rohre, die in älteren Wasserrohr kesseln für natürlichen Umlauf durch ziem lich weite, grade oder unbedeutend ge- krümmte Rohre (80-110 mm Durchmesser) gebildet waren, sind in den Zwangslauf- dampferzeugern als oft vielfach umgebogene Rohrschlangen ausgeführt. Auf Grund des Zwangslaufes war man der Meinung, diese Rohrschlangen mit kleinerem Innendurch messer (10-40 mm) und mit wesentlich grö sserer Länge, als es in älteren Wasserrohr- kesseln üblich ist, herstellen zu können.
Da ist auch gelungen, und durch die Anwendung von solchen schmalen Rohren (gewöhnlich nur etwa 25 mm) hat man eine beträchtliche Erniedrigung des Raumbedarfes der Berüh rungsheizfläche und dadurch sehr oft auch eine Erniedrigung der Bauhöhe erreicht. Der Raumbedarf dieser Heizfläche ist in erster Annäherung dem äussern Rohrdurchmesser proportional. Die Heizfläche selbst wird aber auch bei kleinem Rohrdurchmesser leistungs fähiger als bei grossem, denn der Wärme übergang pro. Oberflächenheit wird sich ver grössern, wenn der Rohrdurchmesser verklei nert wird.
Den erheblichen Vorteilen des Zwangs umlaufes, besonders in Form von kleinem Raumbedarf und Bauhöhe, stehen aber be trächtliche Nachteile entgegen, die haupt sächlich damit verbunden sind, dass dabei eine ganze Maschinenanlage für die Umwälzung des Wassers in dem Dampferzeuger erforder lich ist. Aus Sicherheitsgründen sind hier zwei verschiedene parallel geschaltete Pum pen erforderlich, von welchen die eine mit Elektromotor und die andere mit Dampf turbine betrieben wird. Diese Anlage erfor dert erhöhte Anschaffungskosten, erhöhte Kosten für Verbrauch von elektrischer Ener gie und endlich auch vergrösserten Raum bedarf.
Ausserdem muss man mit erhöhten Gefahren für die Betriebssicherheit rechnen, da diese ganz von der richtigen Arbeit der Pumpenmaschinenanlage abhängig ist.
Im Hinblick auf die gross@e.Wertschätzung, die die erwähnten Vorteile auf dem Markt erlangt haben, würde es natürlich ein äusserst bedeutungsvoller technischer Fortschritt sein, wenn man das Problem, einen Dampferzeuger mit sämtlichen diesen Vorteilen herzustellen, lösen könnte, ohne deswegen zu einer kompli- zierten Pumpenmaschinenanlage mit allen damit verbundenen Nachteilen greifen zu müssen.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Lösung dieses Problemes. Sie gründet sich vor allem auf die Entdeckung, däss die bis jetzt unter Dampfkesseltechnikern herrschen den Vorstellungen und die in der technischen Literatur dargelegten Ansichten betreffend den Bedingungen einer guten Kühlung hori zontal angebrachter Siederohre in w@esent- lichen
Beziehungen irreführend und jeden falls unvollständig sind. Gewisse Beobachtun gen au liegenden weiten Rohren (in den natürlichen Dampfkesselumlauf eingeschal tet) hat man, nämlich so gedeutet, als ob der Wasserumlauf in solchen Rohren immer man gelhaft und ungenügend sei. Solche Rohre haben sich nämlich nicht als betriebssicher erwiesen, Rohrrisse sind dabei oft entstanden.
Anderseits haben sieh horizontale Rohre von kleinem Durchmesser in Zwangsumlauf- kesseln bei guter Kesselwasserpflege immer als störungsfrei gezeigt. Man hat diese Tat sache darauf zurückgeführt, dass nur die grosse Geschwindigkeit, die mit Zwangsum lauf zu erreichen ist, imstande ist, die Rohre während des Betriebes gut zu kühlen.
Gleich- zeitig hat man die Möglichkeit, mit so engen Rohren arbeiten zu können, darauf zurück- geführt, däss, man nur mit Pumpendruck den grossen Strömungswiderstand, der notwendi- gerweise in so schmalen und langen Rohr schlangen entstehen muss, überwinden kann.
Nach den Entdeckungen des Erfinders sind aber sämtliche oben erwähnten Annah men falsch. Versuche mit Glasrohren und entsprechende Betriebsversuche mit Ver suchsrohren im Feuerraum eines Dampfkes sels haben gezeigt, däss die Kiihlung eines horizontalen Siederohres im untern Teil durch am Boden des Rohres fliessendes Wasser und im obern Teil, der hauptsächlich strömenden Dampf enthält, durch den Schaum, der von dem siedenden Wasser selbst herrührt, be wirkt wird.
Sobald die Rohrwand mitWasser benetzt wird, ist die Kühlung sehr gut, denn dieses Wasser muss dann sieden und die Wärmeübergangskoeffizienten von der Rohr wand auf siedendes Wasser sind immer sehr gut. Dann ist aber nicht die Geschwindigkeit des Umlaufwassers, sondern die Grösse des innern Rohrdurchmessers von entscheidender Bedeutung.
Denn bei grossem Durchmesser wird der von dem am Rohrboden siedenden Wasser herrührende Schaum nicht die obere Wandfläche erreichen, was jedoch bei klei nen Durchmessern, z. B. unter 40 mm, immer der Fall ist. Hierdurch werden die schlechten Erfahrungen bei natürlichem Umlauf und weiten Rohren ebenso wie die guten Erfah rungen bei engen Rohren und Zwangsumlauf völlig erklärt.
Die vorliegende Erfindung stützt sich auf diese Entdeckung. Sie betrifft einen Dampf erzeuger, bei dem in, einem horizontal ver legten Rauchgaszug eine für Dampferzeu gung bestimmte Berührungsheizfläche ange ordnet ist, welche aus Rohrschlangen von höchstens 40 mm innerem Durchmesser ge bildet ist, und der dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Rohrschlange wenigstens einen schlangenförmigen Teil hat, der in einer mit der Strömungsrichtung der Rauchgase par allelen Ebene verlegt ist.
Ausserdem gehen sämtliche Rohrschlangen von wenigstens einem Verteilerkasten aus, der mittels wenig stens eines Fallrohres mit dem Wasserraum eines höher gelegenen Dampfabstheiders un mittelbar verbunden ist, derart, dass das Was ser unter Selbstdruck vom Verteilerkasten zufliesst und dadurch einen natürlichen Um lauf in den Siederohren bewirkt.
Zweckmässig sind die Auslassenden der Rohrschlangen auch mit dem Dampfabschei- der verbunden, und zwar im allgemeinen mit dessen Dampfraum. Diese Verbindung kann direkt sein oder auch indirekt über wenig stenseinen Sammelkasten und Steigrohr.
Hierdurch ist es möglich, den --rögten Teil der Berührune;soberfläche eines Dam erzeugers in einen horizontalen Rauchgaszu2: zu verlegen, was eine weit geringere Bau höhe des ganzen Dampferzeugers ermöglicht, als es sonst notwendig ist.
Die Erfindung setzt voraus, dass die Länge der Rohrschlangen derart abgepasst i@Trden kann, dass der natürliche Umlauf ge nügt, um sie während des Betriebes zu küh len, was sich gemäss ausgeführter Forschungs arbeiten als möglich herausgestellt hat. Ent sprechende Massnahmen werden nachstehend beschrieben werden.
Es hat sich gezeigt, dass der Reibungs- tviderstand einer Rohrschlange, deren ver- schiede-ne Teile einer konstanten Wärmezu fuhr pro Längeneinheit ausgesetzt werden, der dritten Potenz der Rohrlänge annähernd proportional ist, wenn das Verhältnis zwi schen der in die Schlange einströmenden Wassermenge und der erzeugten Dampf menge, die sog. Umlaufszahl, ebenfalls kon stant ist. Auf Grund dieser Feststellung kann ein ungefährer Vergleich zwischen den Längen der Rohrschlangen bei natürlichem Umlauf und bei Zwangsumlauf gemacht wer den.
Der für die Überwindung des Reibungs widerstandes zur Verfügung stehende Druck kann im ersten Fall als beispielsweise 1000 kg,@m' angenommen werden, und er rührt natürlich vom Gewichtsunterschied zwischen dem Wasser in den Fallrohren und dem Dampf in den Dampfrohren her. Im zweiten Fall kann er als 1 kg/cm' =10 000 kg/m', also zehnmal so gross, angenommen werden, und er wird dabei in einer Pumpe erzeugt.
Das Verhältnis zwischen den Rohrlängen wird indessen gemäss dem obenerwähnten Gesetz nur
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Während die Rohrschlangen bei Zwangsumlauf im allge- m-einen 20 bis 30 m lang gemacht werden. können sie also bei natürlichem Umlauf 10 bis 15 m lang gemacht werden, wenn Wärme- Belastung, Innendurchmesser und Umlauf zahl beim Vergleich gleich sind.
Wegen der erhöhten Anzahl Einwalzpunkte entstehen zwar Mehrkosten, aber diese Kosten haben sehr wenig zu bedeuten im Vergleich zu den jährlichen Kosten für den vermehrten Kraft verbrauch bei den Umlaufpumpen bei Zwangs umlauf und zu den übrigen damit verbun denen Nachteilen. Die Verwendung einer relativ geringen Anzahl von Fallrohren und Steigrohren kann dadurch ermöglicht werden, da.ss die umlau fende Wassermenge und infolgedessen auch die Umlaufszahl niedrig gehalten werden.
Es ist daher von grosser Bedeutung, dass die Um laufszahlen in den verschiedenen, unterein- .er parallel geschalteten Siederohren mög- i and t' lichst gleich werden, denn die vorkommende niedrigste Umlaufszahl muss, jedenfalls ge nügend gross sein, damit das entsprechende Rohr während des Betriebes hinreichend ge kühlt wird. Vorteilhaft können daher auch Vorrichtungen vorhanden sein, die es ermög lichen.
die parallel beschalteten Rohre ungoe- fä.hr gleich lang zu machen, so dass sie unge fähr gleich viel Wärme erhalten, wodurch auf die einfachste Weise erreicht wird, dass die Umlaufszahlen gleiche oder annähernd gleiche Werte annehmen.
Der Dampferzeuger nach der Erfindung ist auf den beigefügten Zeichnungen bei spielsweise veranschaulicht.
Fig. 1 und 2 stellen einen senkrechten Schnitt bezw. einen waagrechten Schnitt durch einen Dampferzeuger mit waagrechten Rohrschlangen in einem waagrechten Rauch gaszug dar.
Fig. 3-7 zeigen eine zweckmässige Lö sung des Problems zur Anordnung von Rohr schlangen für natürlichen Umlauf in eineng waagrechten Rauchgaszug in dem Falle, wo die Höhe des Dampfabacheiders über dem Zug ziemlich klein ist.
Fig. 8-10 zeigen eine Anordnung von Rohrschlangen, die sowohl die Wände der Feuerung bekleiden als auch eine Berüh- rungsheizfläche in einem hinter der Feue rung vorgesehenen, waagrechten Rauchgaszug bilden.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte An ordnung von Rohrschlangen in einem waag rechten Rauchgaszug zeichnet sich durch ihre Einfachheit aus. Dabei ist aber Voraus setzung, dae der Dampfabscheider 1 auf einer gewissen Höhe über dem Dach des Rauch gaszuges und nicht ganz unmittelbar darauf liegt.
Die Schlangen 22 sind bei gleicher Tei- lung übereinander in waagrechten Ebenen verlegt und an senkrechten Verteilerkästen 23, 24 und 25 und Sammelkästen 26, 27 und 28 befestigt. Die Schlangen bestehen aus einer Anzahl gleich langer, waagrechter Ab schnitte, die miteinander mittels 180 Rohr- krümmern vereinigt sind.
Die übereinander angeordneten Rohre lie gen versetzt, weshalb eine Schlangenlage mit vollen Linien und eine zweite Schlangenlage mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Da die Schlangenlagen übereinander in Abstän den gleich dem Rohrdurchmesser verlegt wer den, ist keine besondere Aufhängevorrich tung für dieselben erforderlich, sondern sie ruhen mit den Krümmern direkt aufeinander.
Da die Sehlangen vollständig in waagrechten Ebenen liegen, wird der Umlauf ausschliess lich durch -den Druckunterschied zwischen der Wassersäule im Fallrohr 20 und dem Dampf wassergemisch im Steigrohr 21 bewirkt. Diese Anordnung ist vom Gesichtspunkt eines guten Umlaufes aus sehr vorteilhaft.
Indem die untereinander gleich langen Schlangen in zu der Strömungsrichtung des, Rauchgases parallelen Ebenen verlegt sind, werden die Wärmezufuhr und infolgedessen die erzeugte Dampfmenge für alle Schlangen praktisch gleich gross.
Die zur Überwindung der Rei- bungswiderstände zur Verfügung stehende Antriebskraft wird indessen niedriger für die am höchsten gelegenen Schlangen als für die am niedrigsten gelegenen Schlangen. Infolge- dessen wird die Umlaufzahl etwas niedriger in den obersten Schlangen als in den unter sten; ein Unterschied, der um so geringer wird, je höher der Höhenunterschied zwischen dem Dampfabscheider 1 und der obersten Rohrschlange im Verhältnis zu der Höhe des Rohrsatzes ist.
Indem der Dampfabscheider auf genügender Höhe über dem Rohrsatz ver legt wird, kann somit bewirkt werden, dass dieser Unterschied für die Betriebssicherheit ohne Bedeutung wird.
Hierbei ist eine solche Aufteilung des Rohrsatzes erforderlich, dass die Länge der Schlangen in der erwünschten Weise mit Rücksicht auf den Umlauf begrenzt wird. Dank der Lage der Schlangen ist dies indes sen hier gerade bei derjenigen Länge, die die Berechnung als erforderlich zeigt, leicht aus zuführen.
Die Aufteilung in der Fig. 2 ist zwi schen den Sammelkasten 26 und den Ver teilerkasten 24 und zwischen den Sammel- kasten 27 und den Verteilerkasten 25 ver legt. Wie aus der Figur hervorgeht, kann die Schlangenlänge grösser gemacht werden, je mehr das Rauchgas gekühlt wird und je we niger Wärme es deswegen an die Schlangen abgibt.
Die Fallrohre 20 sind an die Verteiler- kästen 23-25 an einer Stelle angeschlossen, der unterhalb der Einwalzpunkte der Rohr schlangen in den Kästen liegt. Hierdurch wird ein Wasserverschluss gebildet, der wirk sam verhindert, dass der Dampf durch die Fallrohre nach dem Dampfabscheider rück wärts strömt, und der ihn statt dessen zwingt, sieh gegen die Sammelkästen zu bewegen, um von dort durch die Steigrohre in den Dampfabscheider auszuströmen.
Bei der Rohrschlangenanordnung in einem waagrechten Rauchgaszug gemäss Fig. 3-7 zeigt Fig. 3 einen waagrechten Schnitt un mittelbar unter der Decke des Rauchgaszuges nach der Linie III-III der Fig. 4. Das heisse Rauchgas tritt beim Pfeil 12 ein und tritt in abgekühltem Zustande beim Pfeil 13 aus.
In dieser Figur zeichnen sich die in waagrechten Ebenen befindlichen Teile der Schlangen 6 ab, die von dem senkrechten Ver- teilerka.sten 3 ausgehen und in dem oberhalb der Papierebene befindlichen Sammelkasten 10 gesammelt werden. Die Fig. 4 und 5 sind senkrechte Schnitte nach den Linien IV-IV und V-V der Fig. 3.
Das Wasser wird dem Dampfabscheider 1 entnommen und von dort durch das Fallrohr 2 zu dem senkrechten Verteilerkasten 3 geführt, von wo die Schlau gen ausgehen. Wie ersichtlich, liegt der Dampfabscheider nur unbedeutend höher als der obere Rand des Rauchgaszuges. Die Schlangen sind mittels senkrechter Schlan genteile 9 an den waagrechten Sammelkasten 10 anges-chlos en,
von wo das Dampfwaeser- gemisch durch. das Steigrohr 11 zu dem. .Uampfabscheider 1 geführt wird. Das ganze bchlangenpaket und infolgedessen der ganze 1-,ohrsatz ruht auf den Rauchgassclurmen i. Diese gehen sowohl quer als auch längs zu dem .Liauchgaszug,
so dass@ einerseits das P'auchgas unten gegen eventuelle Asohe- taschen abgesperrt und daran verhindert wird, einen kürzeren Weg an der Berührungs- heizfläche vorbei zu nehmen, und dass ande rerseits für das Schlangenpaket genügende l:nterstützung erzielt wird.
Wird die Teilung zwischen den waag rechten Schlangenebenen in der senkrechten Richtung ungefähr gleich dem äussern Rohr durchmesser ausgeführt, so werden die Schlan gen einander in einfachster Weise tragen.
Da die waagrechten Schlangenteile im Verhält nis zueinander versetzt liegen, so werden sie nämlich mittels der am Ende der waagrech ten Schlangenteile befindlichen Rohrkrüm mer in 180 Winkel aufeinander ruhen (siehe Fig. <B>7).</B> Der unterste der waagrechten Schlan- genteile ruht auf den vorher erwähnten Rauchgasschirmen 7 und die darüber befind lichen Schlangenteile ruhen der Reihe nach aufeinander,
und damit also auf dem unter sten Schlangenteil und infolgedessen auf den Rauchgasschirmen. Darüber hinaus sind nur kleinere Abstandeisen oder dergleichen erfor derlich, um die Ordnung zwischen den ein zelnen Schlangen und Schlangenteilen auf rechtzuerhalten. Diese Anordnung geht in ihrem Ganzen aus Fig. 7 am deutlichsten hervor, die einem Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 4 entspricht.
Wie jede einzelne Rohrschlange ausgebil det ist, kann am besten dem Schaubild der Fig. 6 entnommen werden. Von dem senk rechten Verteilerkasten 3 erstreckt sich die Rohrschlange in der waagrechten Richtung und hält sich zunächst in der zu der Strö mungsrichtung des. Rauchgases parallelen waagrechten Ebene, die durch den Einwalz- Punkt im Verteilerkasten gelegt werden kann.
Sie besteht zunächst aus einer Anzahl ge rader waagrechter Teile 14, die zu der Strö mungsrichtung des Rauchgases senfrecht ste- hen und miteinander mittels 180 Rohrkrüm- mern verbunden sind. Dann nimmt die Schlange eine senkrechte Richtung mittels eines darin enthaltenen'senkrechten Teils 8 an, der sie in eine höher gelegene waagrechte Ebene hinaufführt;
wo sie, wiederum aus einer Anzahl waagrechter Teile besteht, die mit einander mittels Rohrkümmern verbunden sind, die genau so liegen, wie die untern waagrechten Teile. Schliesslich wird die Schlange mittels des senkrechten Teils 9 an den waagrechten Sammelkasten 10 ange schlossen.
Die gestrichelten Rohrschlangen können gegen die in ausgezogenen Linien dargestell ten Rohrschlangen so verschoben sein, dass sowohl die senkrechten als auch die waag rechten Rohrteile der einen Art gerade vor die Zwischenräume der entsprechendere Rohr teile der andern Art zu liegen kommen. Hier durch erhält man einen durchgehend versetz ten Rohrsatz, was im Hinblick auf die gute Wärmeübertragung, die sich aus einer sol chen Anordnung ergibt, eiwünseht ist.
Die Vorteile, die im übrigen durch eine solche Anordnung erzielt werden können sind folgende. Der Hauptteil der Rohrschlan gen ist in zu der Strömungsrichtung des Rauchgases parallelen Ebenen verlegt. Ausser dem sind sie ungefähr gleich Ion,-" weshalb sie ungefähr dieselbe Wärmemenge von dem Rauchgas erhalten.
Die Antriebskraft für den Umlauf rührt im wesentlichen von den senkrechten, geraden Teilen der Schlangen her, nicht von dem Steigrohr des Sammelkastens. Da der Höhen unterschied zwischen den Endpunkten der obersten Schlange grösser ist als die Hälfte des entsprechenden Höhenunterschiedes für die unterste Sehlange, so ergeben sieh für die verschiedenen Schlangen Unterschiede in der Umlaufszahl; es überschreitet aber die höch ste Um!laufszahl die niedrigste nicht um mehr als etwa<B>50%,</B> was ein Resultat ist, das im Vergleich mit Wasserrohrkesseln üblicher Art für natürlichen Umlauf als sehr annehm bar betrachtet werden muss.
Pig. $ bis 10 zeigen einen Dampferzeuger, der beispielsweise mit Kettenrost ausgerüstet ist, wo der Feuerraum selbst parallelepipe- disch ausgebildet ist und wo die Rauchgase die Feuerung durch eine im obern Teil der Rückwand gelegene Öffnung verlassen. Die Gase gehen dann in der waagrechten Rich tung durch einen waagrechten Rauchgaszug, wo sie in einer Berührungsheizfläche abge kühlt werden.
Dann gelangen sie durch einen senkrecht abwärtsgehenden Rauch gaszug ab wärts, der gegebenenfalls auch Wärme- übertrabgungsflä.chen von derselben oder an derer Art enthalten kann, wodurch das Rauchgas weiter abgekühlt wird.
Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch den Dampferzeuger in der Bewegungsrichtung des Kettenrostes. Man sieht hier, wie die in der Figur ersichtliche Feuerungswand mit sehr nahe aneinander liegenden Siederohren in Form von Rohrschlangen bekleidet ist. Diese sind in zwei Systeme von untereinander parallel geschalteten Schlangen verteilt. Das eine System geht von dem Verteilerkasten 3 aus, zu welchem das Wasser von dem Dampf abscheider 1 durch das wärmeisolierte Fall rohr 2 geführt wird.
Die Schlangen geben ein Gemisch von Dampf und Wasser an. den Sammelkasten 4 ab, von wo dieses Gemisch durch das wärmeisolierte Steigrohr 5 weiter zu dem Dampfabscheider geführt wird. Das zweite System wird durch das Fallrohr 6 mit Wasser vergehen, und seine Schlangen 8 gehen von dem damit verbundenen Verteilerkasten 7 aus. Diese Schlangen erstrecken sich in ihrem letzteren Teil auch in den waagrechten Rauchgaszug 9, wo sie die Berührungsheiz fläche 10 bilden.
Wie aus der Figur hervor geht, besteht ihr in der Feuerung gelegener Teil aus einem mit dem Verteilerkasten ver bundenen, senkrechten Teil 11, der dann oben mittels eines kleinen Rohrkrümmers mit einem waagrechten Teil 12 verbunden ist, der bis an den einen Rand der Mündung 13 des waag- rechten Rauchgaszuges geht.
Wie die Schlan gen dann innerhalb der Berührungsheiz fläche verlaufen, geht am besten aus Fig. 9 hervor die einen Schnitt durch den Dampf- erztuger nach der Linie IX-IX zeigt. Sie bestehen, wie aus dieser Figur hervorgeht, . aus einer Reihe von waagrechten, aber ge raden Rohrteilen 14, die in waagrechten Ebe nen, also in zu der Strömungsrichtung des Rauchgases parallelen Ebenen verlegt und miteinander mittels kleiner Rohrkrümmer in 180 Biegungswinkel verbunden sind.
Diese waagrechten Teile gehen, wie ersichtlich., nur bis in die Mitte 15 .des Rauehgas zuges; seine andere Hälfte 16 ist in einer hiermit ganz symmetrischen Weise durch eine Berührungs- heizfläche ausgefüllt, die aus Rohrschlangen besteht, die von der entgegengesetzten Seiten wand der Feuerung 17 ausgehen.
Ixi dieser Weise werden also Rohrsehlangen von beiden Seitenwänden der Feuerung mit Schlangen teilen je eines: Teils des waagrechten Ra.uch- gaszuges vereinigt.
Aus Fig. 9 und auch aus Fig. 8 geht hervor, dass die Schlangen derart angeordnet sind, dass die waagrechten Teile benachbarter Schlangen gegeneinander in senkrechter Richtung um annähernd die Hälfte der Windungsbreite der Schlange ver setzt sind, wodurch der Rohrsatz einen Zick- zackcharakter erhält, der für die Wärmeüber tragung günstig ist.
Die Schlangen sind hinten im Rohrsatz mit aufwärtsgehenden senkrechten Teilen 18 und 19 (Fig. 8) verbunden, die an den Dampf abscheid:er 1 direkt ,angeschlossen sind. Wie diese im übrigen angeordnet sind, geht aus Fig. 10 hervor, die einen Schnitt nach der Linie X-X darstellt. Hieraus geht hervor, dass die senkrechten Teile, die mit den waag rechten mittels kleiner Rohrkrümmer ver einigt sind, derart verlegt sind, d:ass die Tei lung zwischen ihnen ungefähr die gleiche ist wie zwischen den waagrechten Teilen.
Ferner ist auch hier jeder zweite- Teil, der zu den in der Figur gestrichelten Rohrschlangen gehört, um eine halbe Teilung sowohl längs als auch senkrecht zur Papierebene versetzt, wodurch der Zickzackcharakter des Rohrsatzes auch an dieser Stelle beibehalten wird. Aus diesem Grunde werden sowohl die Rauch geschwindigkeit als auch die Wärmeübertra gung für die Zonen mit senkrecht stehenden Pbohren vollkommen die gleichen wie für die Zonen mit waagrecht verlaufenden Rohren.
Der Vorteil der in Fig. 8-10 gezeigten Anordnung besteht darin, dass die Antriebs kraft für den Umlauf, die in den in der Feuerung befindlichen senkrechten Schlan genteilen 8 auf Grund des grossen Höhen unterschiedes entsteht, so gross wird, dass sie auch den in den waagrechten Rauchgaszug befindlichen Schlangenteilen zur Überwin dung des dortigen Reibungswiderstandes zu gute kommt. Die Schlangen können wesent lich kürzer sein, als es sonst möglich wäre.
Steam generator. Newer steam generators are usually subject to significantly greater requirements than older designs for the same purpose. The steam generator may u. a. do not take up too much space, in particular the overall height must be low in order to reduce the construction costs for the boiler room. This in turn means a high performance of the heating surface.
These requirements are currently in the steam generators of the water pipe type, which work with positive flow, he meets best. Here the water and the steam in the boiler pipes are driven forward with pump pressure.
These pipes, which in older water-tube boilers were formed for natural circulation by fairly wide, straight or slightly curved pipes (80-110 mm diameter), are often designed as coiled pipes in the forced-air steam generators. Due to the forced running, it was believed that these pipe coils could be manufactured with a smaller inner diameter (10-40 mm) and with a significantly greater length than is usual in older water-tube boilers.
It has also been successful, and by using such narrow tubes (usually only about 25 mm), a considerable reduction in the space required for the heating surface and thus very often also a reduction in the overall height has been achieved. As a first approximation, the space required for this heating surface is proportional to the outer pipe diameter. The heating surface itself is more efficient even with a small pipe diameter than with a large one, because the heat transfer pro. Surface texture will increase when the pipe diameter is reduced.
The considerable advantages of forced circulation, especially in the form of small space requirements and overall height, are opposed by considerable disadvantages, which are mainly related to the fact that an entire machine system is required for circulating the water in the steam generator. For safety reasons, two different pumps connected in parallel are required here, one of which is operated with an electric motor and the other with a steam turbine. This system requires increased acquisition costs, increased costs for the consumption of electrical energy and, finally, increased space requirements.
In addition, one must reckon with increased dangers for operational safety, since this depends entirely on the correct work of the pump machine system.
In view of gross@e.'s estimate that the advantages mentioned have achieved in the market, it would of course be an extremely significant technical advance if one could solve the problem of manufacturing a steam generator with all these advantages without having to do one Complicated pump machine system with all the associated disadvantages.
The present invention is directed to solving this problem. It is based above all on the discovery that the ideas that have prevailed up to now among steam boiler technicians and the views expressed in technical literature regarding the conditions for good cooling of horizontally mounted boiler tubes in essential parts
Relationships are misleading and in any case incomplete. Certain observations of large pipes lying on the ground (switched into the natural steam boiler circulation) have been interpreted as if the water circulation in such pipes is always poor and insufficient. Such pipes have not proven to be operationally safe, pipe cracks have often occurred.
On the other hand, horizontal pipes with a small diameter in forced circulation boilers have always been shown to be trouble-free with good boiler water care. This fact has been attributed to the fact that only the high speed that can be achieved with forced circulation is able to cool the pipes well during operation.
At the same time, the possibility of being able to work with such narrow pipes is attributed to the fact that one can only overcome the great flow resistance that has to arise in such narrow and long coils with pump pressure.
According to the inventor's discoveries, however, all of the above-mentioned assumptions are incorrect. Tests with glass pipes and corresponding operational tests with test pipes in the furnace of a steam boiler have shown that the lower part of a horizontal boiler pipe is cooled by water flowing at the bottom of the pipe and in the upper part, which mainly contains flowing steam, by the foam produced by originates from the boiling water itself.
As soon as the pipe wall is wetted with water, the cooling is very good, because this water must then boil and the heat transfer coefficients from the pipe wall to boiling water are always very good. Then it is not the speed of the circulating water but the size of the inner pipe diameter that is of decisive importance.
Because with a large diameter, the foam originating from the boiling water on the tube sheet will not reach the upper wall surface, but this is the case with small diameters such. B. below 40 mm, is always the case. This fully explains the bad experiences with natural circulation and wide pipes, as well as the good experiences with narrow pipes and forced circulation.
The present invention is based on this discovery. It relates to a steam generator in which, in a horizontally laid flue gas duct, a contact heating surface intended for steam generation is arranged, which is formed from pipe coils with an inner diameter of at most 40 mm, and which is characterized in that each pipe coil has at least one serpentine Has part that is laid in a plane parallel to the flow direction of the flue gases.
In addition, all pipe coils go from at least one distribution box, which is directly connected to the water space of a higher steam separator by means of at least one downpipe, so that the water flows under self-pressure from the distribution box and thus causes a natural circulation in the boiler pipes.
The outlet ends of the pipe coils are expediently also connected to the steam separator, specifically generally to its steam space. This connection can be direct or also indirectly via at least one collecting tank and riser pipe.
This makes it possible to lay the red part of the contact rune surface of a dam generator in a horizontal flue gas duct, which enables the entire steam generator to be built much less than is otherwise necessary.
The invention assumes that the length of the pipe coils can be adjusted in such a way that the natural circulation is sufficient to cool them during operation, which has been shown to be possible according to research carried out. Corresponding measures are described below.
It has been shown that the frictional resistance of a pipe coil, the various parts of which are exposed to a constant supply of heat per unit length, is approximately proportional to the cube of the pipe length if the ratio between the amount of water flowing into the coil and the amount of steam generated, the so-called rotation number, is also constant. On the basis of this finding, an approximate comparison can be made between the lengths of the coils in natural circulation and in forced circulation.
The pressure available for overcoming the frictional resistance can in the first case be assumed to be 1000 kg, @ m ', for example, and it is of course due to the weight difference between the water in the downpipes and the steam in the steam pipes. In the second case it can be assumed to be 1 kg / cm '= 10,000 kg / m', i.e. ten times as large, and it is generated in a pump.
The ratio between the pipe lengths is, however, according to the above law only
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While the pipe coils are generally made 20 to 30 m long with forced circulation. they can therefore be made 10 to 15 m long with natural circulation if the heat load, inner diameter and number of rotations are the same when compared.
Because of the increased number of roll-in points, there are additional costs, but these costs mean very little compared to the annual costs for the increased power consumption in the circulation pumps with forced circulation and the other associated disadvantages. The use of a relatively small number of downpipes and riser pipes can be made possible by keeping the amount of water circulating and consequently also the number of circulations low.
It is therefore of great importance that the circulation numbers in the various boiler tubes connected in parallel are, if possible, the same, because the lowest circulation number that occurs must, in any case, be sufficiently large so that the corresponding tube during of operation is sufficiently cooled. Devices that make it possible can therefore also advantageously be present.
To make the pipes connected in parallel about the same length, so that they receive about the same amount of heat, which in the simplest way ensures that the numbers of revolutions assume the same or approximately the same values.
The steam generator according to the invention is illustrated in the accompanying drawings for example.
Fig. 1 and 2 represent a vertical section BEZW. represents a horizontal section through a steam generator with horizontal pipe coils in a horizontal flue.
Fig. 3-7 show an appropriate solution to the problem of arranging pipe coils for natural circulation in a horizontal flue gas flue in the case where the height of the Dampfabacheiders above the train is quite small.
8-10 show an arrangement of pipe coils which both clothe the walls of the furnace and also form a contact heating surface in a horizontal flue gas pass provided behind the furnace.
The order of pipe coils shown in Figs. 1 and 2 in a horizontal flue is characterized by its simplicity. However, it is a prerequisite that the steam separator 1 is at a certain height above the roof of the flue gas pass and not directly on it.
The coils 22 are laid one above the other in horizontal planes with the same division and are attached to vertical distribution boxes 23, 24 and 25 and collecting boxes 26, 27 and 28. The snakes consist of a number of horizontal sections of equal length, which are combined with one another by means of 180 pipe bends.
The tubes arranged one above the other are offset, which is why one serpentine layer is shown with full lines and a second serpentine layer with dashed lines. Since the snake layers are laid on top of each other in Abstän the same as the pipe diameter, no special Aufhangvorrich device is required for the same, but they rest with the bends directly on each other.
Since the Sehlangen lie completely in horizontal planes, the circulation is caused exclusively by the pressure difference between the water column in the downpipe 20 and the steam / water mixture in the riser pipe 21. This arrangement is very advantageous from the point of view of good circulation.
Since the coils of equal length are laid in planes parallel to the direction of flow of the flue gas, the heat supply and, as a result, the amount of steam generated are practically the same for all coils.
The driving force available to overcome the frictional resistance is, however, lower for the highest-lying snakes than for the lowest-lying snakes. As a result, the circulation rate is somewhat lower in the top lines than in the bottom lines; a difference which becomes smaller, the higher the difference in height between the steam separator 1 and the uppermost pipe coil is in relation to the height of the pipe set.
By laying the steam separator at a sufficient height above the pipe set, this difference can be made to be irrelevant for operational safety.
Here, such a division of the pipe set is necessary that the length of the snakes is limited in the desired manner with regard to the circulation. Thanks to the position of the snakes, however, this is easy to do with the length that the calculation shows as required.
The division in FIG. 2 is laid between the collecting box 26 and the distributor box 24 and between the collecting box 27 and the junction box 25. As can be seen from the figure, the length of the snake can be made larger, the more the flue gas is cooled and the less heat it gives off to the snakes.
The downpipes 20 are connected to the distribution boxes 23-25 at a point which is below the rolling points of the coiled pipes in the boxes. This creates a water seal that effectively prevents the steam from flowing backwards through the downpipes to the steam separator and instead forces it to move towards the collecting tanks in order to flow out from there through the riser pipes into the steam separator.
In the coiled pipe arrangement in a horizontal flue according to Fig. 3-7, Fig. 3 shows a horizontal section un indirectly under the ceiling of the flue along the line III-III of Fig. 4. The hot flue gas occurs at arrow 12 and occurs in cooled Exit at arrow 13.
In this figure, the parts of the snakes 6 located in horizontal planes can be seen, which proceed from the vertical distribution box 3 and are collected in the collecting box 10 located above the plane of the paper. 4 and 5 are vertical sections along lines IV-IV and V-V of FIG.
The water is taken from the steam separator 1 and passed from there through the downpipe 2 to the vertical distribution box 3, from where the Schlau gene go out. As can be seen, the steam separator is only slightly higher than the upper edge of the flue gas flue. The snakes are connected to the horizontal collecting box 10 by means of vertical snake parts 9,
from where the steam mixture through. the riser 11 to the. .Uampfabscheider 1 is performed. The whole bundle of snakes and consequently the whole set of ears rests on the smoke clurmen i. These go both transversely and lengthways to the .Liauchgaszug,
so that, on the one hand, the exhaust gas at the bottom is shut off from any ashes pockets and prevented from taking a shorter route past the contact heating surface, and on the other hand, sufficient support is achieved for the snake package.
If the division between the horizontal snake levels in the vertical direction is approximately the same as the outer pipe diameter, the snakes will carry each other in the simplest possible way.
Since the horizontal snake parts are offset relative to one another, they will namely rest at 180 angles on each other by means of the pipe bends located at the end of the horizontal snake parts (see Fig. 7). </B> The bottom of the horizontal snake - Genteile rests on the previously mentioned flue gas screens 7 and the snake parts located above are in sequence,
and thus on the lower snake part and consequently on the smoke shields. In addition, only smaller spacers or the like are neces sary to maintain the order between the individual snakes and snake parts on right. This arrangement can be seen most clearly in its entirety from FIG. 7, which corresponds to a section along the line VII-VII in FIG.
How each individual coil is designed can best be seen in the diagram in FIG. From the vertical right distribution box 3, the coil extends in the horizontal direction and is initially held in the horizontal plane parallel to the flow direction of the flue gas, which can be placed through the rolling point in the distribution box.
It consists first of all of a number of straight, horizontal parts 14, which are at right angles to the flow direction of the flue gas and are connected to one another by means of 180 pipe bends. Then the snake assumes a vertical direction by means of a vertical part 8 contained therein, which leads it up to a higher horizontal plane;
where it, in turn, consists of a number of horizontal parts, which are connected to each other by means of pipe bends, which lie exactly as the lower horizontal parts. Finally, the snake is connected to the horizontal collecting box 10 by means of the vertical part 9.
The dashed pipe coils can be moved against the dargestell th pipe coils in solid lines so that both the vertical and the horizontal right pipe parts of one type come to lie just in front of the spaces between the corresponding pipe parts of the other type. This gives you a continuously offset tube set, which is desirable in terms of the good heat transfer that results from such an arrangement.
The other advantages that can be obtained by such an arrangement are as follows. The main part of the Rohrschlan gene is laid in planes parallel to the flow direction of the flue gas. Besides, they are roughly equal to Ion, - "which is why they receive roughly the same amount of heat from the flue gas.
The driving force for the circulation derives essentially from the vertical, straight parts of the snakes, not from the riser pipe of the collecting tank. Since the difference in height between the end points of the uppermost snake is greater than half of the corresponding height difference for the lowest length, there are differences in the number of revolutions for the various snakes; However, the highest number of circulations does not exceed the lowest number by more than about <B> 50%, </B> which is a result that must be regarded as very acceptable for natural circulation in comparison with conventional water tube boilers.
Pig. $ to 10 show a steam generator that is equipped, for example, with a chain grate, where the combustion chamber itself is designed in a parallelepiped manner and where the flue gases leave the combustion through an opening in the upper part of the rear wall. The gases then go in the horizontal direction through a horizontal flue gas, where they are cooled abge in a contact heating surface.
Then they move downwards through a vertical downward flue gas flue, which may also contain heat transfer areas of the same or different types, whereby the flue gas is cooled further.
Fig. 8 shows a longitudinal section through the steam generator in the direction of movement of the chain grate. You can see here how the furnace wall shown in the figure is covered with boiler pipes in the form of coiled pipes that lie very close to one another. These are distributed in two systems of queues connected in parallel. One system is based on the distribution box 3, to which the water from the steam separator 1 is passed through the heat-insulated drop pipe 2.
The snakes indicate a mixture of steam and water. the collecting box 4, from where this mixture is passed through the thermally insulated riser pipe 5 to the steam separator. The second system will pass through the downpipe 6 with water, and its coils 8 emanate from the junction box 7 connected to it. These snakes extend in their latter part into the horizontal flue 9, where they form the surface 10 touch heating.
As can be seen from the figure, its part located in the furnace consists of a vertical part 11 connected to the distribution box, which is then connected at the top by means of a small pipe bend to a horizontal part 12 which extends to one edge of the mouth 13 of the horizontal flue gas pass.
How the snakes then run within the touch heating surface is best shown in FIG. 9, which shows a section through the steam generator along the line IX-IX. They consist, as can be seen from this figure,. from a number of horizontal, but straight pipe parts 14, which NEN in horizontal Ebe, so laid in planes parallel to the direction of flow of the flue gas and connected to each other by means of small pipe bends at 180 bending angles.
These horizontal parts go, as can be seen., Only up to the middle 15 .des Rauehgas zuges; its other half 16 is filled in a completely symmetrical manner hereby by a contact heating surface, which consists of coiled tubes which extend from the opposite side wall of the furnace 17.
In this way, lengths of pipe from both side walls of the furnace are combined with snakes sharing one part each: part of the horizontal flue gas flue.
From Fig. 9 and also from Fig. 8 it can be seen that the snakes are arranged in such a way that the horizontal parts of adjacent snakes are offset against each other in the vertical direction by approximately half the winding width of the snake, giving the pipe set a zigzag character , which is favorable for heat transfer.
The snakes are connected at the back of the pipe set with upwardly extending vertical parts 18 and 19 (Fig. 8), which are connected to the vapor separator: he 1 directly. How these are otherwise arranged can be seen from Fig. 10, which represents a section along the line X-X. This shows that the vertical parts, which are united with the horizontal parts by means of small pipe bends, are laid in such a way that the division between them is approximately the same as between the horizontal parts.
Furthermore, every second part belonging to the pipe coils shown in dashed lines in the figure is offset by half a division both longitudinally and perpendicularly to the plane of the paper, whereby the zigzag character of the pipe set is retained at this point. For this reason, both the smoke speed and the heat transfer for the zones with vertical P-boreholes are completely the same as for the zones with horizontal pipes.
The advantage of the arrangement shown in Fig. 8-10 is that the driving force for the circulation, which arises in the vertical serpentine parts 8 in the furnace due to the great difference in height, is so great that it is also the in the snake parts located in the horizontal flue gas to overcome the frictional resistance there. The queues can be much shorter than would otherwise be possible.