Dampferzeugungsanlage. An moderne Dampferzeuger werden heute normalerweise grössere Anforderungen ge stellt als an ältere Konstruktionen dieser Art. Unter anderem wird ein kleiner Raumbedarf, speziell eine niedere Bauhöhe verlangt, um so die Baukosten für den Kesselraum zu ernied rigen. Dies bedingt einen grossen Wirkungs- grad der Heizfläche. Endlich sollte mit mög lichst wenig Mauerwerk auszukommen sein, und dieses sollte durch mit Wasser gekühlte Röhren geschützt werden.
Heute werden diese Forderungen am besten durch Wasserrohrkessel mit zwang läufigem Wasserumlaiü erfüllt. Bei dieser Art von Dampferzeugern werden das Wasser und der Dampf durch Pumpen in den Siederohren vorwärtsgedrückt.
Diese Röhren, welche in den älteren Was serrohrkesseln mit natürlichem Umlauf ver wendet wurden, besassen einen ziemlich gro ssen Durchmesser (80-110 mm) und waren gerade oder nur leicht gebogen. In Dampf erzeugern mit zwangsweisem Wasserumlauf werden sie oft als vielfach gebogene Rohr schlangen ausgeführt.
Wegen dem zwangs weisen Wasserumlauf konnte man diese Röh ren mit kleinerem Innendurchmesser (10 bis 40 mm) und mit wesentlich grösserer Länge vorsehen als in den älteren Wasserrohrkes- seln, da angenommen wurde, dass der grössere Durchflusswiderstand, welcher sich bei dieser Konstruktion ergibt, wohl leicht durch den Pumpendruck überwunden werden kann, aber nicht durch die kleinen Druckunter schiede,
welche bei ältern Dampfkesseln. die treibende Kraft des natürlichen Umlaufes bilden.
Im weiteren wird eine bemerkenswert grosse Konstruktionsfreiheit erreicht, da diese Rohrschlangen auch bei grosser Reizbean- spruchung den Dampf-Wasser-Strom sowohl aufwärts wie waagrecht oder abwärts, in der Strömungsrichtung des Dampf-Wasser-Ge- misches gesehen, führen können. Es ist in die-- sein Falle auch nicht nötig, die Anforderun gen eines guten natürlichen Umlaufes bei der Anordnung der Röhren zu berücksichtigen,
da das Dampf-Wasser-Gemisch durch Pumpen druck in den Siederohren vorwärtsgepresst wird: Die meisten Kesselingenieure betrach ten dies als natürlich und beinahe selbstver ständlich.
Diese Konstruktion der Siederohre, das heisst der kleine Durchmesser, die grosse Länge, die Form als Rohrschlange und die Möglichkeit, die Rohre in jeder Richtung zu führen, weist in Dampferzeugern mit zwangs weisem Wasserumlauf verschiedene Vorteile auf, die Dampferzeugern mit natürlichem Umlauf und von gewöhnlicher Bauart fehlen. Diese Vorteile sind: 1.
Relativ kleiner Raumbedarf, vor allem die Möglichkeit, den Dampferzeuger einem gegebenen Raum anzupassen und eine niedere Bauhöhe zu erreichen, so dass die Baukosten für das Kesselhaus reduziert werden. 2. Relativ niedrige Herstellungspreise, da die hier gebrauchten Röhren mit ihrem klei nen Durchmesser billig kalt gebogen werden können.
3. Grosse Einsparungen in bezug auf die Heizfläche, da die Konvektionsheizfläche die ser kleinkalibrigen Rohre eine Wärmeübertra gung aufweist, die 40-50% grösser ist als die der Röhren mit weitem Durchmesser, welche in den älteren Dampferzeugern gebräuchlich waren.
4. Unempfindlichkeit gegenüber plötz lichen Temperatur- und Druckänderungen, da Hitzedehnungen jeder Art leicht durch die langen Rohrschlangen aufgenommen werden.
5. Grosse Gewichtsersparnis, speziell bei hohen Dampfdrücken, wo Röhren mit dem gewöhnlichen, weiten Durchmesser eine er heblich grössere Wandstärke aufweisen müss ten, als dies bei den kleinkalibrigen Rohr schlangen nötig ist.
Nun stehen aber diesen grossen und ge schätzten Vorzügen mehrere Unzulänglich keiten gegenüber, die durch das Prinzip des zwangsweisen Wasserumlaufes bedingt sind.
Der nach diesen Prinzipien gebaute Dampferzeuger, welcher jetzt eine so ausser- gewöhnlich grosse Verbreitung gefunden hat, arbeitet mit zwangsweisem Wasserumlauf, das heisst die Zirkulation wird durch spezielle < cZirkulations -Pumpen erzeugt, welche ledig- lich das im Dampferzeuger befindliche Was ser zum Zirkulieren bringen, im Gegensatz zu den Speisepumpen, welche das im Kessel ver dampfte Wasser durch eingepumptes Frisch wasser zu ersetzen haben.
Aus Sicherheitsgründen sind zwei ver schiedene, parallel geschaltete Pumpen nötig, von denen eine durch einen Elektromotor, die andere durch eine Dampfturbine angetrieben wird. Jede dieser Pumpen muss mit drei, manchmal ziemlich gross dimensionierten Ventilen versehen sein, das heisst einem Saug ventil, einem Druckventil und einem Rück schlagventil auf der Druckseite.
Falls die elektrisch angetriebene Pumpe infolge Ver sagens des Stromes ausfällt, muss die durch die Dampfturbine angetriebene Pumpe auto- matisch anlaufen, damit die Dampf erzeugen den Röhren des Kessels nicht überhitzt werden.
Dies wird gewöhnlich durch ein elektro magnetisch gesteuertes Anlassventil der Dampfturbine erreicht, das natürlich absolut zuverlässig sein muss. Das bedeutet aber, dass eine ganze Maschinenanlage nötig ist, um die oben erwähnten Vorteile zu erreichen. Auf diese Weise stellen sich den erwähnten Vor teilen folgende, durch die Maschinenanlage bedingte Nachteile gegenüber ra) Erhöhte Kosten, um die oben erwähnte Pumpenanlage herzustellen.
b) Erhöhte Spesen durch Gebrauch elek- trischer Energie und manchmal auch Dampf für den Betrieb der Pumpenanlage.
c) Erhöhtes Gewicht und erhöhter Raum bedarf wegen der Pumpenanlage.
d) Erhöhtes Risiko in bezug auf die Zu verlässigkeit des zwangsweisen Wasserum laufes, welches Risiko ganz von der korrekten Funktion der Pumpenanlage abhängt, oder erhöhte Spesen für das Überwachen dieser Anlage.
Natürlich werden mindestens die in Ziff.1, 2 und 5 erwähnten Vorteile durch die oben erwähnten Nachteile weitgehend reduziert. Daraus erfolgt, dass der Gewinn, welcher in normalen Fällen durch den zwangsweisen Wasserumlauf erreicht wird, beträchtlich her abgesetzt wird.
In bezug auf die grosse Wertschätzung der oben erwähnten Vorteile in der Industrie würde es natürlich einen grossen technischen Fortschritt darstellen, wenn ein Dampferzeu ger mit all diesen Vorteilen konstruiert wer den könnte, ohne durch den Gebrauch einer komplizierten Pumpenanlage mit all ihren Nachteilen behindert zu werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dieses Problem zu lösen. Sie betrifft eine Dampferzeugungsanlage für natürlichen Um lauf, mit einem geschlossenen Kreislauf für Wasser. und Dampf, die erfindungsgemäss da durch gekennzeichnet ist, dass zur Dampf erzeugung mittels äusserer Heizung dienende, im Kreislauf parallel geschaltete Siederohre als Rohrschlangen ausgebildet sind, deren Rohre mindestens zwei Biegestellen aufwei sen, derart, dass jedes Rohr wenigstens drei gerade, verschieden gerichtete Teilstücke be sitzt,
von denen wenigstens zwei Teilstücke reit dem sie verbindenden Rohrbogen in einer Horizontalebene liegen, wobei jede Rohr schlange derart im Kreislauf geschaltet ist, dass das eine Ende derselben, das Einlauf ende, mit dem Wasserraum eines Dampf- abscheiders und das andere Ende derselben, das Mündungsende, ebenfalls mit dem Dampf- abscheider verbunden ist, derart,
dass der höchste Punkt des zum Dampfabscheider zu rückführenden Teils des Kreislaufes höher liegt als die freie Wasseroberfläche im Dampf- abscheider, während die Rohre der verschie denen Rohrschlangen parallel zueinander ver laufen und annähernd an denselben Stellen ihre Richtung ändern, ferner dass die freie Wasseroberfläche im Dampfabscheider eine solche Höhe über den Einlaufenden der Rohr schlangen besitzt, dass der Druck der entspre chenden Wassersäule genügt, um einen natür lichen Umlauf im gesamten Kreislauf zu unterhalten, dessen Geschwindigkeit so gross ist,
dass ständig ein Überschuss von nicht ver dampftem Wasser aus dem Mündungsende jeder Rohrschlange strömt, wobei der Kreis lauf ferner so ausgebildet ist, dass die nicht horizontalen Teilstücke der Siederohre wenig stens annähernd senkrecht verlegt sind.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfin- dungsgegenstandes sind auf der beiliegenden Zeichnung teilweise dargestellt.
Fig. 1 und 2 zeigen einen zweckmässigen Einbau einer Konvektionsheizfläche in einen horizontalen Rauchgaskanal.
Fig. 3 und 4 zeigen die Auskleidung eines Feuerraums.
Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch einen horizontalen Rauchgaskanal mit ein gebauter Konvektionsheizfläche aus Rohr schlangen. Das Wasser kommt aus dem Dampfabscheider 33 und fliesst durch das Fall rohr 21 in den senkrechten Verteiler 22, von wo die Rohrschlangen ausgehen.
Das, eine Ende jeder Rohrschlange, das Einlaufende, ist also mit dem Wasserraum des Dampf- abscheiders 33 mittels des Fallrohres 21 und des Verteilers 22 verbunden. Die Zirkulations- richtung wird gewährleistet durch den Wa.s serabschluss 32 des Fallrohres und durch das Ableitungsrohr 30 des Verteilers, welches die Aufgabe hat, in den Verteiler zufällig, zum Beispiel infolge pulsierender Rückwärtsströ- mung,
in die Siederohre gelangenden Dampf zum Dampfraum des Dampfabscheiders ab zuleiten, damit dieser Dampf keine schädliche Wirkung auf die Verteilung des Umlaufwas sers auf die verschiedenen Siederohre aus üben kann. Wie man feststellen kann, liegt der Dampfabscheider nur unwesentlich höher als die Oberkante des Heizkanals.
Die Rohr schlangen sind durch vertikale Abschnitte 27 mit dem waagrechten Sammler 28 verbunden, von wo das Dampf-Wasser-Gemisch durch das Steigrohr 29 in den Dampfabscheider 33 geleitet wird. Die Anschlusspunkte der Rohr schlangen am Sammler 28 stellen also die Mündungsenden derselben dar. Der höchste.
Punkt des zum Dampfabscheider zurückkeh renden Teils des Kreislaufes liegt oben am obersten horizontalen Teil des Steigrohres 29 und liegt, wie in Fig. 1 gezeigt, höher als die freie Wasseroberfläche im Dampfabschei- der 33.
Das. ganze Rohrschlangenbündel und so also auch der ganze Rohrsatz ruht auf dem Rauchgasschirm 25 des Heizkanals, welcher, wie dargestellt ist, quer im Heizkanal an geordnet ist und so die Rauchgase von der darunterliegenden Aschenkammer trennt und verhindert, dass das Gas auf einem kürzeren Wege neben der Heizfläche durchströmt. Der Rauchschirm erstreckt sich auch in der Strö mungsrichtung der Rauchgase und ermög licht auf einfache Weise eine genügende Unterstützung der Rohrschlangen.
Wenn der senkrechte Abstand zwischen den waagrechten Rohrschlangenlagen dem Aussendurchmesser der Rohre entspricht, können sich die Rohrschlangen auf einfache Art gegenseitig unterstützen. Da die waag rechten Abschnitte der Rohrschlangen gegen einander zickzackförmig verschoben sind, ruhen sie mit den am Ende der geraden Rohr abschnitte angebrachten Bogenstücken auf einander.
Die unterste Lage der waagrechten Rohrschlangenabschnitte liegt auf dem frü her erwähnten Rauchgasschirm 25, und die darüber befindlichen Rohrabschnitte liegen nacheinanderfolgend aufeinander, schliesslich auch auf der untersten Rohrlage und folglich auf dem Rauchgasschirm. Ferner werden nur kleine Distanzstücke oder Ähnliches benötigt, um die einzelnen Rohrschlangen und Rohr schlangenabschnitte in ihrer Anordnung zu fixieren.
Abgesehen von der Projektion der Fig. 1 ist die Form jeder einzelnen Rohrschlange auch auf der perspektivischen Skizze von Fig. 2 ersichtlich. Aus dem senkrechten Ver teiler 22 erstreckt sich die Rohrschlange in waagrechter Richtung imd verbleibt zuerst ganz in einer waagrechten Ebene, welche sich parallel zur Stromrichtung des Rauchgases durch den Befestigungspunkt der Rohr-, schlange am Verteiler 22 erstreckt. Am An fang besteht die Rohrschlange aus einer An zahl gerader, waagrechter Abschnitte 31, welche quer zur Strömungsrichtung des Rauchgases liegen und an ihren Enden durch Rohrbogen miteinander verbunden sind.
Dar auf führt die Rohrschlange mit dem Ab schnitt 26 senkrecht nach oben zu einer höher gelegenen, waagrechten Ebene, in wel cher sie wieder aus einer Anzahl waagrechter Abschnitte 24 besteht, welche untereinander, wie die untern waagrechten Abschnitte, durch Rohrbogen verbunden sind. Endlich ist die Rohrschlange durch den senkrechten Ab schnitt 27 mit dem waagrechten Sammler 28 verbunden. Jede Rohrschlange besitzt somit mindestens drei gerade, verschieden gerich tete Teilstücke, von denen wenigstens zwei mit dem sie verbindenden Rohrbogen in einer Horizontalebene liegen.
Aus den Fig. 1 und 2 ist auch ersichtlich, dass die Rohre der ver schiedenen Rohrschlangen parallel zueinan der verlaufen und annähernd an denselben Stellen ihre Richtung ändern.
Sowohl die senkrechten wie die waag rechten, geraden, Abechnitte der in Fig. 1 ge- strichelt gezeichneten Rohrschlangen sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, so ange ordnet, dass sie genau vor die Zwischenräume der entsprechenden Rohrabschnitte, welche zu den ausgezogen gezeichneten Rohrschlan gen gehören, zu stehen kommen. Es resultiert daraus ein überall zickzackförmig angeord neter Rohrsatz, was in Anbetracht der rela tiv guten Hitzeübertragung einer solchen An ordnung wünschenswert ist.
Bei einer solchen Bauweise können über dies noch folgende Vorteile erreicht werden: Der Hauptteil der Rohrschlange ist in Ebenen angeordnet, welche mit der Strömungsrich tung der Rauchgase parallel laufen. Ferner sind die Rohrschlangen ungefähr gleich lang und erhalten deshalb von den Rauchgasen die gleiche Wärmemenge.
Diese Tatsache trägt wesentlich dazu bei, eine einigermassen gleichförmige Verteilung des Umlaufwassers auf die verschiedenen par allelgeschalteten Rohrschlangen zu bewirken. Die freie Wasseroberfläche im Dampfabschei- der 33 ist in eine solche Höhe über den Ein laufenden der Rohrschlange verlegt, dass ein natürlicher Umlauf im gesamten Kreislauf unterhalten wird, dessen Geschwindigkeit so gross ist, dass ein Überschuss von nicht ver dampftem Wasser im Mündungsende jeder Rohrschlange vorhanden ist, also auch in jener Rohrschlange, welche im Verhältnis zu dem in ihr erzeugten Dampf am wenigsten Wasser erhält.
Ferner sind die Rohrschlangen so ausgebil det, dass die nicht horizontalen Teilstücke der Siederohre wenigstens annähernd senkrecht verlegt sind; damit die Aufwärtsströmung des erzeugten Dampfes nicht nur in schwach ge neigten Teilstücken erfolgen muss, was eine Verminderung der zur Erzeugung des Um laufes zur Verfügung stehenden Treibkraft bewirken würde.
Dies alles gilt auch im an und für sich sehr ungünstigen Fall, dass die freie Wasserober fläche im DampfaIscheider 33 nicht höher als der Sammler 28 liegt, vorausgesetzt, dass die Länge der Rohrschlangen dem Druck der entsprechenden Wassersäule arigepasst wird. Weiter findet der Aufstieg des erzeugten Dampfes nur in aufwärtsgerichteten Teilen der Siederohre (wie 26 und<B>27)</B> selbst statt, weil die Verbindung zwischen dem Sammler 28 und dem Dampfabscheider hier keine auf wärtsgehenden Teile, wie 29,
aufweist. Der vortreibende Druck für die Zirkulation stammt hierbei ganz aus den senkrechten, geraden Abschnitten der Rohrschlange und nicht aus dem 'Steigrohr des Sammlers. Wenn diese senkrechten Abschnitte alle gleich lang wären, würde der vortreibende Druck und deshalb auch der Zirkulationskoeffizient in allen Rohrschlangen gleich sein. Jedoch ist dies nicht der Fall.
Trotzdem kann man an Hand der Zeichnungen feststellen, dass der Höhenunterschied zwischen den Endpunkten der obersten Rohrschlange grösser ist als die Hälfte des entsprechenden Höhenunterschie des der untersten Rohrschlange, was, zusam men mit andern Umständen, bewirkt, dass der höchste Zixkulationskoeffizient den nie dersten um nicht mehr als etwa 50% über- trifft; dies ist ein Resultat, das im Vergleich mit gewöhnlichen Wasserrohrkesseln mit na türlicher Zirkulation als sehr brauchbar be zeichnet wird.
Die Anordnungen auf den Fig. 3 und 4 der Zeichnung sind auf die oben gemachte Beob achtung begründet, dass das Wasser in einer waagrechten Rohrschlange im untern Teil des Rohres, der erzeugte Dampf im obern Teil desselben Rohres fliesst. Der obere Teil des Rohres wird dann, vorausgesetzt, dass der innere Durchmesser des Rohres genügend klein ist, zum Beispiel kleiner als 50 mm, durch die Spritzer und Schaum gekühlt, die beim Sieden des Wassers entstehen.
Diese Tatsache ermöglicht es, einen grossen Teil der verschiedenen geraden Rohrabschnitte abso lut waagrecht zu verlegen, was die Konstruk tion einer Feuerraumumgrenzung mit als Rohrschlangen ausgebildeten Siederohren sehr erleichtert.
Diese Anordnung kann bei allen rechtwinkligen Feuerräumen angewen det werden, ohne durch den Gebrauch einer grossen Anzahl langer Verteiler und Sammler mit der entsprechenden Anzahl von Steig- und Fallrohren, wie sie . für gewöhnliche Kessel mit natürlicher Zirkulation nötig sind, benächteiligt zu werden.
Trotzdem die Kühlung an der Oberseite der waagrechten Rohrabschnitte genügend gross ist, um Rohrbrüche zu verhindern, ist es augenscheinlich, dass bei grosser Hitzezufuhr oder bei aussergewöhnlich kleiner Zirkulations- geschwindigkeit eine grössere Verlässlichkeit erreicht wird, wenn vor allem der untere Teil des Rohres erhitzt wird und der obere Teil der Hitze gar nicht, oder doch weniger als der untere, ausgesetzt wird.
In den Ausführungen nach Fig. 3 und 4 wird diese Möglichkeit einer grösseren Zuver lässigkeit dadurch erreicht, dass Rohrschlan gen, die zur Feuerraumumgrenzung gehören, von wenigstens einem im untern Teil einer Wand des Feuerraumes angebrachten Ver teiler ausgehen, nachher zwei oder mehr Wände des Feuerraumes bilden und schliess- lich die Innenseite der Feuerraumdecke in der gleichen Art auskleiden und endlich direkt oder über einen Sammler mit dem Dampf- abscheider verbunden sind,
oder vorher-noch eine Konvektionsheizfläche in einem Rauch kanal nach dem Feuerraum bilden. Der Zir- kulationskoeffizient sinkt dabei in der Rohr schlange gleichmässigvomEinlass der Schlange bis zum Austritt, da in der Rohrschlange mehr und mehr Dampf erzeugt wird.
Die Gefahr ungenügender Kühlung des im Feuerraum ge legenen Rohrabschnittes muss folglich in dem dem Austrittsende am nächsten gelegenen Rohrabschnitt zufolge des kleinsten Zirku- lationskoeffizienten am grössten sein. Wenn sogar dieser Abschnitt die Innenseite der Feuerraumdecke bildet, wo die Hitze haupt sächlich der Unterseite des Rohres zugeführt wird, und wo die Kühlung,
wie oben erwähnt, zuverlässiger ist als auf der Oberseite des Rohres, ist es möglich, einen kleineren Zirku- lationskoeffizienten im Dampferzeugerrohr zu erlauben, als sonst hätte gestattet werden können. Daher können die ganzen- Rohr schlangen länger gemacht werden und eine sehr sparsame Anordnung der Feuerrauxn- umgrenzung wird so ermöglicht.
In den Fig. 3 (auf die Zeichenebene aus gebreitet) und 4 bedeutet 34 die Stirnwand 20 des Feuerraumes mit den Absperrklappen 46, 35 die linke Seitenwand, 36 die Rückwand, 37 die rechte Seitenwand, 38 die Decke, 42 den Verteiler für die Rohrschlangen, welche den Feuerraum auskleiden und die vom Ver teiler in waagrechter Richtung ausgehen, zuerst die linke Wand und die Rückwand bil den, und dann die rechte Seitenwand,
wo sie nach oben gebogen sind und die senkrechten Rohrabschnitte 40 bilden. Darauf kehren sie in waagrechter Richtung längs des obern Teils der rechten Seitenwand zurück, bilden darauf die Rückwand, die linke Seitenwand und schliesslich die Stirnwand im angegebenen Sinn. Die Abschnitte 49 der Rohrschlangen, welche den obern Teil der Rückwand 36 bil den sollten,
verkleiden die Rückwand des Einlaufes eines senkrecht abwärts führenden Rauchgaskanals 54. Der oberste Teil der Rückwand 36 des eigentlichen Feuerraumes ist durch eine zum entsprechenden Rauch gaskanal führende Öffnung für die Heizgase ersetzt.
Die Rohrschlangen bilden somit die Verkleidung des Einlaufes dieses Rauchgas kanals sowie der Verlängerung der Seiten wände des Feuerraumes über diesem Einlauf, und auch des obern Teils 49 der Rückwand dieses Kanals.
Von der Stirnwand biegen die Rohrschlan gen nach oben und bilden im weiteren mit den horizontalen Abschnitten 41 die Innen seite der Decke, um nachher in den Dampf- abscheider 44 zu münden.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, besitzt jede Rohrschlange wenigstens drei gerade, verschieden gerichtete Teilstücke, von denen wenigstens zwei mit den sie ver bindenden Rohrbogen in einer Horizontal ebene liegen. Ferner verlaufen die Rohre der verschiedenen Rohrschlangen parallel zuein ander und ändern ihre Richtung annähernd an denselben Stellen.
Der Verteiler 42 erhält Wasser aus dem Dampfabscheider durch das Fallrohr 43. So- mit sind die Binlaufenden der Aohrschlangen, die sich beim Verteiler befinden, mit dem Wasserraum des Dampfabscheiders 44 ver bunden.
Die Mündungsenden der Rohr schlangen sind auch mit dem Dampfabschei- der 44 verbunden, und zwar auch hier so, dass der höchste Punkt des zum Dampfabschei- der 44 zurückführenden Teils des Kreislaufes höher liegt als die freie Wasseroberfläche in demselben.
Dieser Höchstpunkt befindet sich hier an den Rohrschlangen 41 selbst ganz nahe deren Anschlusspunkt direkt am Dampf- abscheider. Diese Anschlusspunkte sind des halb hier identisch mit den Mündungsenden der Rohrschlangen. Der Verteiler 42 ist auch mit einem Überströmrohr 45 versehen, wel ches die oben unter Fig. 1 erwähnten Funk tionen hat.
Ferner wird bemerkt, dass auch in diesem Ausführungsbeispiel die freie Wasserober fläche im Dampfabscheider 44 in eine solche Höhe über dem Verteiler 42 verlegt ist, dass der Druck der Wassersäule im Niveau der Einlaufenden der Rohrschlangen 40 vollkom- men genügt, um einen natürlichen Umlauf im. gesamten Kreislauf 43-42-40-39-41-44 zu unterhalten, der so gross ist, dass ständig ein Überschuss von nicht verdampftem Wasser aus dem Mündungsende jeder Rohrschlange strömt.
Ferner sind die Rohrschlangen so ausge bildet, dass die nichthorizontalen Teilstücke der Siederohre wenigstens annähernd senk recht verlegt sind, damit eine Aufwärtsströ mung des erzeugten Dampfes nicht nur in schwach geneigten Teilstücken der Rohr schlangen erfolgen muss, was eine Herabset zung der zur Verfügung stehenden Treibkraft zur Bewirkung des Umlaufes zur Folge hätte.
Im abwärtsführenden Rauchgaskanal 54 ist eine Konvektionsheizfläche angebracht, welche aus den Rohrschlangen 47 besteht, welche vom Verteiler 51 gespiesen werden und in den Sammler 52 münden. Der Ver teiler 51 erhält zirkulierendes Wasser aus dem Fallrohr 50 und das Steigrohr 53 führt das Dampf-Wasser-Gemisch aus dem Samm ler 52 in den Dampfabscheider 44.
Die Rohr- schlangen im Rauchgaskanal 54 sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, zur Rauchgasrieh- tung im Gegenstrom angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die dem Verteiler zunächst gelegenen Rohrabschnitte dem bereits an gekühlten Rauchgas ausgesetzt sind. Diese Abschnitte erhalten deshalb einen kleineren Anteil der totalen Wärmeübertragung auf die Heizfläche als die andern Abschnitte dieser Rohrschlange. Daraus erfolgt, dass die grösste Dampf Bildung in den dem Sammler 52 zu nächst gelegenen Rohrabschnitten erfolgt.
Diese Tatsache reduziert die Möglichkeit des Zurückströmens von Dampf in den Verteiler wesentlich. Mit Rücksicht auf plötzliche Dampferzeugung im Fallrohr und Sammler durch plötzliche Druckschwankungen im Dampferzeuger ist dieser Sammler, ebenso wie die oben erwähnten Sammler, mit einem Ableitungsrohr versehen (in der Zeichnung nicht angegeben). In sämtlichen beschriebenen Ausführungs beispielen ist es möglich, zu einer günstigeren und billigeren Konstruktion zu kommen, wenn man nicht nur die Kühlung der Siede rohre durch das umlaufende Wasser berück sichtigt, sondern auch die Kühlwirkung des schnell strömenden, in den Rohren erzeugten Dampfes in Rechnung zieht.
Experimente haben gezeigt, dass die Dampfgeschwindig keit in wirksamer Weise zur Kühlung der Rohrwandung beitragen kann, wenn der Quotient zwischen der Länge und dem innern Durchmesser der ganzen Dampferzeuger röhre grösser ist als 200.
Steam generating plant. Today, modern steam generators are usually subject to greater demands than older constructions of this type. Among other things, a small space requirement, especially a low overall height, is required in order to lower the construction costs for the boiler room. This requires a high degree of efficiency of the heating surface. Finally, it should be possible to manage with as little masonry as possible, and this should be protected by pipes cooled with water.
Today, these requirements are best met by water-tube boilers with inevitable water circulation. In this type of steam generator, the water and steam are pushed forward by pumps in the boiler tubes.
These tubes, which were used in the older water-tube boilers with natural circulation, had a fairly large diameter (80-110 mm) and were straight or only slightly curved. In steam generators with forced water circulation, they are often designed as multi-bent pipes.
Because of the forced water circulation, these tubes could be provided with a smaller inner diameter (10 to 40 mm) and with a significantly greater length than in the older water tube boilers, since it was assumed that the greater flow resistance that results from this construction would be can easily be overcome by the pump pressure, but not by the small pressure differences,
which in older steam boilers. form the driving force of natural circulation.
In addition, a remarkably large amount of design freedom is achieved, since these pipe coils can guide the steam-water flow both upwards and horizontally or downwards, viewed in the direction of flow of the steam-water mixture, even when exposed to high levels of stimulus. In this case, it is also not necessary to take into account the requirements of a good natural circulation when arranging the tubes,
as the steam-water mixture is pushed forward in the boiler pipes by pump pressure: most boiler engineers consider this to be natural and almost a matter of course.
This construction of the boiler pipes, i.e. the small diameter, the great length, the shape as a pipe coil and the possibility of guiding the pipes in any direction, has various advantages in steam generators with forced water circulation, the steam generators with natural circulation and conventional ones Type is missing. These advantages are: 1.
Relatively small space requirement, above all the possibility of adapting the steam generator to a given room and of achieving a low construction height, so that the construction costs for the boiler house are reduced. 2. Relatively low production prices, since the tubes used here can be bent cheaply and cold with their small diameter.
3. Big savings in terms of heating surface, as the convection heating surface of these small-caliber tubes has a heat transfer that is 40-50% greater than that of the wide-diameter tubes that were used in older steam generators.
4. Insensitivity to sudden temperature and pressure changes, since heat expansions of any kind are easily absorbed by the long pipe coils.
5. Great weight savings, especially at high vapor pressures, where tubes with the usual, wide diameter must have a considerably greater wall thickness than is necessary for the small-caliber tube coils.
However, these great and valued advantages are opposed to several inadequacies that are caused by the principle of forced water circulation.
The steam generator built according to these principles, which has now become so exceptionally widespread, works with forced water circulation, that is, the circulation is generated by special <ccirculation pumps, which only cause the water in the steam generator to circulate In contrast to the feed pumps, which have to replace the water evaporated in the boiler with fresh water that has been pumped in.
For safety reasons, two different pumps connected in parallel are required, one of which is driven by an electric motor and the other by a steam turbine. Each of these pumps must be provided with three, sometimes quite large, valves, that is, a suction valve, a pressure valve and a check valve on the pressure side.
If the electrically driven pump fails as a result of a power failure, the pump driven by the steam turbine must start up automatically so that the steam generating the boiler tubes are not overheated.
This is usually achieved by an electro-magnetically controlled starting valve of the steam turbine, which of course must be absolutely reliable. However, this means that an entire machine system is required to achieve the advantages mentioned above. In this way, the mentioned before share the following disadvantages caused by the machine system compared to ra) Increased costs to produce the above-mentioned pump system.
b) Increased expenses due to the use of electrical energy and sometimes steam to operate the pump system.
c) Increased weight and space requirements due to the pump system.
d) Increased risk with regard to the reliability of the forced water circulation, which risk depends entirely on the correct functioning of the pump system, or increased expenses for monitoring this system.
Of course, at least the advantages mentioned in points 1, 2 and 5 are largely reduced by the disadvantages mentioned above. This means that the profit that is achieved in normal cases by the forced water circulation is reduced considerably.
With regard to the great appreciation of the above-mentioned advantages in the industry, it would of course represent a great technical advance if a steam generator could be designed with all these advantages without being hindered by the use of a complicated pump system with all its disadvantages.
The present invention enables this problem to be solved. It relates to a steam generator for natural circulation, with a closed circuit for water. and steam, which according to the invention is characterized in that boiler pipes connected in parallel in the circuit and used to generate steam by means of external heating are designed as pipe coils, the pipes of which have at least two bending points, such that each pipe is at least three straight, differently directed sections sits,
at least two sections of which lie on the pipe bend connecting them in a horizontal plane, with each pipe serpentine being connected in a circuit that one end of the pipe, the inlet end, with the water space of a steam separator and the other end of the same, the mouth end , is also connected to the steam separator, in such a way that
that the highest point of the part of the circuit to be returned to the steam separator is higher than the free water surface in the steam separator, while the pipes of the various pipe coils run parallel to each other and change their direction at approximately the same points, and that the free water surface in the steam separator has such a height above the inlet end of the coils that the pressure of the corresponding water column is sufficient to maintain a natural circulation in the entire circuit, the speed of which is so great that
that constantly an excess of non-evaporated water flows from the mouth end of each coil, the circuit is also designed so that the non-horizontal sections of the boiler pipes are little least almost vertically laid.
Two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are partially shown in the accompanying drawing.
1 and 2 show an expedient installation of a convection heating surface in a horizontal flue gas duct.
3 and 4 show the lining of a furnace.
Fig. 1 is a vertical section through a horizontal flue gas duct with a built convection heating surface from snake pipe. The water comes from the steam separator 33 and flows through the downpipe 21 into the vertical distributor 22, from where the coils start.
One end of each coil, the inlet end, is therefore connected to the water space of the steam separator 33 by means of the downpipe 21 and the distributor 22. The direction of circulation is ensured by the water seal 32 of the downpipe and by the discharge pipe 30 of the distributor, which has the task of randomly entering the distributor, for example as a result of a pulsating reverse flow,
In the boiler pipes coming steam to lead to the steam chamber of the steam separator, so that this steam can exert no harmful effect on the distribution of Umlaufwas sers on the various boiler pipes. As you can see, the steam separator is only slightly higher than the upper edge of the heating duct.
The pipe coils are connected by vertical sections 27 to the horizontal collector 28, from where the steam-water mixture is passed through the riser pipe 29 into the steam separator 33. The connection points of the pipe coiled on the collector 28 thus represent the mouth ends of the same. The highest.
The point of the part of the circuit returning to the steam separator lies at the top of the uppermost horizontal part of the riser pipe 29 and, as shown in FIG. 1, is higher than the free water surface in the steam separator 33.
The. whole tube bundle bundle and so also the whole tube set rests on the flue gas screen 25 of the heating duct, which, as shown, is arranged transversely in the heating duct and so separates the flue gases from the ash chamber below and prevents the gas on a shorter path next to the Flows through the heating surface. The smoke screen also extends in the direction of flow of the smoke gases and made light easy to provide sufficient support for the coils.
If the vertical distance between the horizontal pipe coil layers corresponds to the outer diameter of the pipes, the pipe coils can support one another in a simple manner. Since the right horizontal sections of the pipe coils are shifted zigzag against each other, they rest with the sections attached to the end of the straight pipe bend on each other.
The lowermost layer of the horizontal pipe coil sections lies on the previously mentioned flue gas screen 25, and the pipe sections above it lie one after the other, finally also on the lowermost pipe layer and consequently on the smoke gas screen. Furthermore, only small spacers or the like are required to fix the individual pipe coils and pipe coil sections in their arrangement.
Apart from the projection in FIG. 1, the shape of each individual coil can also be seen in the perspective sketch of FIG. From the vertical Ver divider 22, the coil extends in the horizontal direction imd first remains completely in a horizontal plane, which extends parallel to the flow direction of the flue gas through the fastening point of the pipe, coil on the manifold 22. At the beginning, the coil consists of a number of straight, horizontal sections 31, which are transverse to the flow direction of the flue gas and are connected at their ends by elbows.
This leads to the coil with the section 26 vertically upwards to a higher, horizontal plane in wel cher it again consists of a number of horizontal sections 24, which are interconnected, like the lower horizontal sections, by pipe bends. Finally, the coil is connected to the horizontal collector 28 through the vertical section 27 from. Each coil thus has at least three straight, differently directed portions, of which at least two are in a horizontal plane with the pipe bend connecting them.
From FIGS. 1 and 2 it can also be seen that the tubes of the different pipe coils run parallel to each other and change their direction at approximately the same points.
As can be seen from the drawing, both the vertical and the horizontal, straight cut-offs of the pipe coils shown in dashed lines in FIG. 1 are arranged in such a way that they are exactly in front of the spaces between the corresponding pipe sections which correspond to the pipe coils shown in solid lines belong, come to stand. The result is a set of pipes arranged in a zigzag shape, which is desirable in view of the relatively good heat transfer of such an arrangement.
With such a design, the following advantages can be achieved via this: The main part of the coil is arranged in planes which run parallel to the flow direction of the flue gases. Furthermore, the coils are approximately the same length and therefore receive the same amount of heat from the flue gases.
This fact contributes significantly to the effect of a reasonably uniform distribution of the circulating water on the various coils connected in parallel. The free water surface in the steam separator 33 is moved at such a height above the inlet of the pipe coil that a natural circulation is maintained in the entire circuit, the speed of which is so great that an excess of non-evaporated water is present at the mouth end of each pipe coil is, therefore also in the pipe coil which receives the least water in relation to the steam generated in it.
Furthermore, the pipe coils are designed so that the non-horizontal sections of the boiler pipes are at least approximately vertically laid; so that the upward flow of the generated steam does not only have to take place in weakly inclined sections, which would cause a reduction in the driving force available to generate the circulation.
All of this also applies in the very unfavorable case in and of itself that the free water surface in the steam separator 33 is not higher than the collector 28, provided that the length of the coils is adapted to the pressure of the corresponding water column. Furthermore, the rise of the generated steam only takes place in upwardly directed parts of the boiler pipes (such as 26 and 27), because the connection between the collector 28 and the steam separator does not have any downward parts, such as 29,
having. The driving pressure for the circulation comes entirely from the vertical, straight sections of the pipe coil and not from the 'riser pipe of the collector. If these vertical sections were all the same length, the driving pressure and therefore also the circulation coefficient would be the same in all coils. However, this is not the case.
Nevertheless, one can see from the drawings that the difference in height between the end points of the uppermost pipe coil is greater than half the corresponding height difference between that of the lowest pipe coil, which, together with other circumstances, means that the highest zixculation coefficient is not the lowest exceeds about 50%; this is a result that is considered to be very useful in comparison with ordinary water-tube boilers with natural circulation.
The arrangements in FIGS. 3 and 4 of the drawing are based on the observation made above that the water flows in a horizontal pipe coil in the lower part of the pipe, the steam generated in the upper part of the same pipe. The upper part of the pipe is then, provided that the inner diameter of the pipe is sufficiently small, for example less than 50 mm, is cooled by the splashes and foam that arise when the water is boiled.
This fact makes it possible to lay a large part of the various straight pipe sections absolutely horizontally, which greatly facilitates the construction of a combustion chamber boundary with boiler pipes designed as coiled pipes.
This arrangement can be used in all right-angled fireplaces without the use of a large number of long manifolds and collectors with the corresponding number of risers and downpipes, as they do. necessary for ordinary boilers with natural circulation to be disadvantaged.
Even though the cooling at the top of the horizontal pipe sections is sufficiently large to prevent pipe ruptures, it is evident that greater reliability is achieved with a large amount of heat or with an unusually low circulation speed, especially when the lower part of the pipe is heated and the upper part of the heat is not exposed at all, or at least less than the lower part.
In the embodiments according to FIGS. 3 and 4, this possibility of greater reliability is achieved in that Rohrschlan conditions, which belong to the combustion chamber boundary, proceed from at least one distributor attached in the lower part of a wall of the combustion chamber, followed by two or more walls of the combustion chamber and finally line the inside of the combustion chamber ceiling in the same way and are finally connected to the steam separator either directly or via a collector,
or before-form a convection heating surface in a smoke channel after the combustion chamber. The circulation coefficient in the coil drops evenly from the inlet of the coil to the outlet, as more and more steam is generated in the coil.
The risk of insufficient cooling of the pipe section placed in the combustion chamber must consequently be greatest in the pipe section closest to the outlet end due to the smallest circulation coefficient. If even this section forms the inside of the furnace roof, where the heat is mainly supplied to the underside of the pipe, and where the cooling,
As mentioned above, is more reliable than on the top of the pipe, it is possible to allow a smaller circulation coefficient in the steam generator pipe than could otherwise have been allowed. Therefore, the whole pipe coils can be made longer and a very economical arrangement of the fire room boundary is made possible.
In Figs. 3 (spread on the plane of the drawing) and 4, 34 means the end wall 20 of the combustion chamber with the shut-off valves 46, 35 the left side wall, 36 the rear wall, 37 the right side wall, 38 the ceiling, 42 the manifold for the coils which line the combustion chamber and which extend horizontally from the distributor, first form the left wall and the rear wall, and then the right side wall,
where they are bent upwards and form the vertical pipe sections 40. Then they return in a horizontal direction along the upper part of the right side wall, then form the rear wall, the left side wall and finally the front wall in the sense indicated. The sections 49 of the coils, which should form the upper part of the rear wall 36,
cover the rear wall of the inlet of a vertically downwardly leading flue gas duct 54. The uppermost part of the rear wall 36 of the actual combustion chamber is replaced by an opening for the heating gases leading to the corresponding flue gas duct.
The coils thus form the lining of the inlet of this flue gas channel and the extension of the side walls of the furnace above this inlet, and also the upper part 49 of the rear wall of this channel.
From the end wall, the pipe coils bend upwards and together with the horizontal sections 41 form the inner side of the ceiling, in order to open into the steam separator 44 afterwards.
As can be seen from FIGS. 3 and 4, each coil has at least three straight, differently directed sections, of which at least two are plane with the ver binding pipe bends. Furthermore, the tubes of the various coils run parallel to each other and change their direction at approximately the same points.
The distributor 42 receives water from the steam separator through the downpipe 43. Thus, the ends of the tubes that are located at the distributor are connected to the water space of the steam separator 44.
The mouth ends of the coiled pipes are also connected to the steam separator 44, namely in such a way that the highest point of the part of the circuit leading back to the steam separator 44 is higher than the free water surface in the same.
This maximum point is here on the coils 41 themselves very close to their connection point directly on the steam separator. These connection points are therefore identical here with the mouth ends of the pipe coils. The manifold 42 is also provided with an overflow pipe 45 which has the functions mentioned above under FIG. 1 wel Ches.
It is also noted that in this exemplary embodiment, too, the free water surface in the steam separator 44 is relocated to such a height above the distributor 42 that the pressure of the water column at the level of the inlet ends of the coils 40 is completely sufficient for natural circulation in the. to maintain the entire circuit 43-42-40-39-41-44, which is so large that a constant excess of non-evaporated water flows out of the mouth end of each coil.
Furthermore, the pipe coils are designed in such a way that the non-horizontal sections of the boiler pipes are laid at least approximately vertically so that an upward flow of the steam generated does not only have to take place in slightly inclined sections of the pipe coils, which reduces the available driving force Effect of the circulation would result.
A convection heating surface, which consists of the pipe coils 47, which are fed from the distributor 51 and open into the collector 52, is fitted in the downwardly leading smoke gas duct 54. The distributor 51 receives circulating water from the downpipe 50 and the riser pipe 53 guides the steam-water mixture from the collector 52 into the steam separator 44.
As can be seen from the drawing, the pipe coils in the flue gas duct 54 are arranged in counterflow to the flue gas direction. It is thereby achieved that the pipe sections which are initially located at the distributor are exposed to the already cooled flue gas. These sections therefore receive a smaller proportion of the total heat transfer to the heating surface than the other sections of this pipe coil. This results in the greatest steam formation occurring in the pipe sections closest to the collector 52.
This fact significantly reduces the possibility of steam flowing back into the manifold. In view of the sudden generation of steam in the downpipe and collector due to sudden pressure fluctuations in the steam generator, this collector, like the collectors mentioned above, is provided with a discharge pipe (not shown in the drawing). In all of the execution examples described, it is possible to come to a cheaper and cheaper construction if you not only take into account the cooling of the boiling tubes by the circulating water, but also take into account the cooling effect of the fast-flowing steam generated in the tubes .
Experiments have shown that the steam speed can contribute effectively to the cooling of the pipe wall if the quotient between the length and the inner diameter of the entire steam generator pipe is greater than 200.