Wärmeaustauscher Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit einer Mehrzahl von einzelnen Stellen der Wärme austauschfläche zugeordneten örtlichen Temperatur- Signalgebern und mit einem Mittelwert-Signalgeber, welcher ein eine mittlere Temperatur der Wärme austauschfläche abbildendes Signal erzeugt, sowie mit Mitteln zur Beeinflussung der Temperatur der Wärmeaustauschfläche.
Die thermische Belastbarkeit von Wärmeaus tauschflächen wird im wesentlichen begrenzt durch die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes der Aus tauschfläche. Um die Austauschfläche möglichst klein halten zu können, ist man bestrebt, die maximale Arbeitstemperatur möglichst nahe der für den betref fenden Werkstoff zulässigen Grenztemperatur zu wäh len. Hinzu kommt nun aber, dass infolge von nur schwer erfassbaren Erscheinungen örtliche Tempe raturspitzen auftreten können, die wesentlich über der mittleren Arbeitstemperatur der Austauschfläche lie gen.
Insbesondere bei in einzelne Rohre aufgeteilten Heizflächen von Dampferzeugern hat es sich gezeigt, dass zahlreiche, nicht kontrollierbare Erscheinungen die Arbeitsbedingungen verschieben können - z. B. Störungen einzelner Brenner, Verschlackung ein zelner Rohre, Störungen in der Sekundärluftzufuhr-, wobei einzelne Teile der Wärmeaustauschfläche vor übergehend oder aber auch während längerer Zeit verändert beheizt werden oder Veränderungen in der Arbeitsmittelzufuhr erleiden, so dass einzelne Teile der Wärmeaustauschfläche einer stärkeren thermischen Belastung ausgesetzt sind als andere.
Eine einzige Stelle der Austauschfläche zur Regelung des Betrie bes der gesamten Austauschfläche heranzuziehen, kann deshalb zu empfindlichen Temperaturverände rungen der gesamten Dampfmenge führen, wenn ge rade an der zur Regelung des Austauschers ausge wählten Stelle infolge einer Unregelmässigkeit oder Störung eine Veränderung der Beheizung eintritt.
Solche Temperaturveränderungen können Schäden verursachen, wenn sie nicht sofort entdeckt werden, insbesondere dann, wenn die betreffende Stelle relativ zu wenig beheizt wird und deshalb für die gesamte Austauschfläche eine zu niedrige Temperatur vor täuscht, womit die ganze Austauschfläche auf höhere Arbeitstemperatur gebracht wird.
Es ist denn auch bereits vorgeschlagen worden, in einem Zwangdurchfluss-Dampferzeuger mit im Be reich der Verdampfung und der beginnenden über hitzung in parallele Rohre aufgeteilter Wärmeaus tauschfläche einer grösseren Anzahl der parallelen Rohre Temperatur-Signalgeber zuzuordnen, wobei die Temperatur-Signalgeber über eine Sperrvorrichtung auf Mittel zur Vergrösserung der durchströmenden, zu erhitzenden Arbeitsmittelmenge einwirken und wobei die Sperrvorrichtung nur die Signalübertragung von demjenigen Signalgeber freigibt, der augenblick lich von der höchsten Temperatur beeinflusst wird.
Wenn es auch auf die geschilderte Weise gelingt, Schäden infolge übermässiger Temperaturbelastung zu vermeiden, ergibt sich als Nachteil, dass auch dann der die höchste Temperatur abbildende Signalgeber die Mittel zur Beeinflussung der Temperatur der Wärmeaustauschfläche beeinflusst, wenn diese höchste Temperatur sich nicht im Bereich der aus Festig keitsgründen zu vermeidenden Grenztemperatur be findet.
Insbesondere dann, wenn die festgestellte ört liche Maximaltemperatur die Folge einer Störung ist, bleibt die Betriebsführung in den übrigen Teilen der Wärmeaustauschfläche an diese keineswegs das Ge samtverhalten des Austauschers repräsentierende ört liche Maximaltemperatur als Führungsgrösse gebun den. Dies führt beispielsweise bei Dampferzeugern zu einer mittleren Temperatur des aus der betreffen den Heizfläche abströmenden Arbeitsmittels, die un- vereinbar ist mit den von der Kessel- bzw. Turbinen regelung verlangten Temperatur.
Die Erfindung ermöglicht, die geschilderten Nach teile auszuschalten. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert-Signalgeber undloder der jeweils den höchsten Temperaturwert abbildende örtliche Temperatur-Signalgeber auf die Mittel zur Beeinflus sung der Temperatur der Wärmeaustauschfläche ein wirken können, dass jedoch die Einwirkung des die höchste Temperatur abbildenden örtlichen Tempe- ratur-Signalgebers durch eine Sperrvorrichtung unter brochen ist, solange .dieser höchste Temperaturwert unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes liegt.
Die Erfindung bewirkt, dass auch bei örtlichen Temperaturunterschieden zwischen vergleichbaren Stellen der Wärmeaustauschfläche die Mittel zur Be einflussung der Temperatur der Wärmeaustausch fläche dem Einfluss einer mittleren Temperatur der Austauschfläche unterstehen, solange die höchste ört liche Temperatur sich ausserhalb der Gefahrenzone befindet. Erst wenn die jeweils festgestellte höchste örtliche Temperatur einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird die Einwirkung des betreffenden Signalgebers auf die Mittel zur Beeinflussung der Temperatur der Austauschfläche freigegeben.
Auf diese Weise lässt sich ein wesentlich verbessertes Regelverhalten des Austauschers erreichen.
Der Wärmeaustauscher kann vorteilhaft - ins besondere bei Dampferzeugern - eine Mehrzahl par allel geschalteter Wärmeaustauschrohre aufweisen. Hierbei kann zweckmässig das Mittelwe-rtsignal durch Messung einer der mittleren Temperatur des aus den einzelnen Rohren abströmenden Arbeitsmittels entsprechenden Temperatur gebildet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Mittelwert-Signalgeber und der den höch sten Temperaturwert abbildende örtliche Tempera tur-Signalgeber auf ein und dasselbe Mittel zur Beein flussung der Temperatur der Wärmeaustauschfläche einwirken, z. B. auf Mittel, welche den Wärme zufluss oder die Wärmestrahlung vom heizenden Me dium an die Rohrwand beeinflussen. Es ist aber auch möglich, die beiden Signalgeber auf unterschied liche Mittel zur Beeinflussung der Temperatur der Wärmeaustauschfläche einwirken zu lassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Einwirkung des Mittelwert-Signalgebers unterbrochen sein, solange der den höchsten Tem peraturwert abbildende örtliche Temperatur-Signal- geber auf die Mittel zur Beeinflussung der Tempe ratur der Wärmeaustauschfläche einwirkt.
Unter Umständen kann es sich auch empfehlen, bei einem mit einzelnen parallelen Rohren versehe- nen Wärmeaustauscher einem einzelnen Wärme austauschrohr mehr als einen örtlichen Temperatur- Signalgeber zuzuordnen. Schliesslich kann zweckmässig der Temperaturgrenzwert, welcher die Einwirkung des die höchste Temperatur abbildenden örtlichen Temperatur-Signalgebers auf die Mittel zur Beein flussung der Temperatur der Wärmeaustauschfläche bestimmt, einstellbar sein.
Besonders vorteilhaft kann eine Vorrichtung zur Verstellung dieses Grenzwertes in Abhängigkeit einer Betriebsgrösse des Austauschers oder der den Austauscher aufweisenden Anlage vor handen sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbei spiele näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: Fi.g. 1 eine erfindungsgemässe Anordnung für eine in parallele Rohre aufgeteilte Heizfläche eines Dampf erzeugers mit Mitteln zum Einspritzen kälteren Ar beitsmittels in die Zulaufleitung der Heizfläche, Fig.2 eine ähnliche Anordnung wie Fig. 1,
je doch mit einer anders ausgebildeten Sperrvorrichtung in der Verbindung zwischen den örtlichen Tempera tur-Signalgebern und den Einspritzmitteln und Fig. 3 eine Heizfläche eines Dampferzeugers mit zwei verschiedenen Mitteln zum Beeinflussen der Temperatur der Austauschfläche.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 bildet der Wärme- austauscher eine überhitzerheizfläche eines Dampf erzeugers, der beispielsweise mit Zwangdurchfluss des Arbeitsmittels betrieben wird. Der Austauscher kann im Strahlungs- oder Berührungsteil liegen. Der Dampf strömt durch die Leitung 1 in den Verteiler 2 und hierauf durch die parallelen Rohre 3a,<I>b, c, d in</I> den Austrittssammler 4 und in die Abströmleitung 5.
Zur Regelung der Temperatur des abströmenden Dampfes bzw. der Wärmeaustauschfläche ist an die Leitung 1 eine Einspritzleitung 6 mit Regelventil 7 ange schlossen. Kälteres Arbeitsmittel - z. B. Wasser kann durch die Leitung 6 in die Leitung 1 einge spritzt werden.
Der Durchflussquerschnitt des Ventils 7 wird be- einflusst durch einen die Gemischtemperatur des Ar beitsmittels in der Leitung 5 überwachenden Mittel- wert-Signalgeber. Zu diesem Zweck wird die Ge mischtemperatur auf bekannte Weise durch Messung der Wärmedehnung eines Abschnittes der Leitung 5 mit Hilfe des Massstabes 8 gemessen. Jeder Tempera tur der Wand der Leitung 5 bzw. des durch die Leitung 5 strömenden Dampfes entspricht eine be stimmte Stellung der am einen Stabende drehbar gelagerten Schneide 9, die mit ihrem freien Ende über die Feder 10 auf dem im Zylinder 12 ver schiebbaren Kolben 11 abgestützt ist.
In der Wand des Zylinders 12 ist eine Zuflussöffnung 13 und eine Abflussöffnung 14 für ein Druckmittel angeordnet. Der vom Kolben 11 abgeschlossene Zylinderraum ist über die Druckleitung 15 mit dem Druckraum des Servomotors 16 verbunden, derart, dass der durch die Leitung 15 übertragene Druck auf die Unter seite des durch die Feder 17 belasteten Kolbens 18 wirkt.
Die geschilderte Anordnung arbeitet so, dass jeder am Rohr 5 gemessenen Temperatur ein ganz be stimmter Druck in der Leitung 15 und damit eine ganz bestimmte Stellung des Kolbens 18 entspricht. Am Kolben 18 ist eine Stange 19 befestigt, welche für den gezeichneten Betriebsfall auf der Schienne 20 anliegt. Diese Schiene ist mit einer Stange 23 fest verbunden, die in den Lagern 21 und 22 schwenkbar gelagert ist. Die Stange -23 ist mit der nicht näher bezeichneten Ventilstange des Ventils 7 verbunden. Eine Druckfeder 24 sorgt dafür, dass die Schiene 20 allen Bewegungen der Stange 19 folgt.
Ein Ansteigen der Arbeitsmitteltemperatur in der Leitung 5, das heisst einer mittleren Temperatur der durch die Rohre 3 gebildeten Wärmeaustauschfläche über einen vor bestimmten Wert bewirkt ein Öffnen des Einspritz- ventils 7 und umgekehrt.
Jedem der Rohre 3a,<I>b, c, d</I> sind örtliche Tem- peratur-Signalgeber 25, 26, 27 bzw. 28 zugeordnet, die gleich aufgebaut sind wie der eben beschriebene Mittelwert-Signalgeber 9 bis 14. Diese örtlichen Tem- peratur-Signalgeber sind über Signalleitungen 29, 30, 31 bzw. 32 mit Servomotoren 33, 34, 35 bzw. 36 verbunden, die wiederum gleich gebaut sind wie der Servomotor 16. Die Federn der Servomotoren 33, 34, 35 und 36 sind jedoch stärker vorgespannt als die Feder 17 des Servomotors 16.
Die Kolbenstangen der Servomotoren 33 bis 36 können ebenfalls auf die Schiene 20 und damit auf das Einspritzventil 7 einwirken. Die Anordnung ist aber so getroffen, dass einerseits nur einer der Servo motoren 33 bis 36 mit dem grössten Ausschlag seiner Kolbenstange auf die Schiene einwirken kann und dass anderseits dieser Ausschlag grösser sein muss als derjenige des vom Mittelwert-Signalgeber beein flussten Servomotorkolbens 19, um die genannte Ein wirkung zu erzielen.
Die beschriebene Anordnung wirkt also als Sperrvorrichtung, wobei die Einwirkung des die höchste Temperatur abbildenden örtlichen Temperatur-Signalgebers unterbrochen ist, solange dieser höchste Temperaturwert unterhalb eines dem Unterschied der Vorspannung der Feder 17 des Servomotors 16 und der Vorspannung der Federn der Servomotoren 33 bis 36 entsprechenden Grenz wertes liegt.
Mit Hilfe der geschilderten Anordnung wird er reicht, dass die höchste Temperatur an irgendeinem Rohr sich um einen gewissen Mindestbetrag von der mittleren Temperatur nach dem Austrittssammler 4 unterscheiden muss, damit die letztere ihren Einfluss an die jeweils höchste Rohrtemperatur überträgt. Auf diese Weise wird die überhitzungstemperatur regel technisch einwandfrei so lange von der mittleren Temperatur an der Abströmleitung beeinflusst, als keine Rohrschäden infolge einer der eingangs er wähnten Störungen auftreten können.
Erreicht die Temperatur an einem einzelnen Rohr den vorbe stimmten zulässigen Grenzwert, kommt die Schiene 20 ausser Eingriff mit der Kolbenstange 19 und wird durch die Kolbenstange desjenigen Servomotors im Sinne einer Vergrösserung der Einspritzmenge ange hoben, der mit dem die höchste Temperatur abbilden den Temperatur-Signalgeber verbunden ist.
Die Anordnung nach Fig. 2 arbeitet auf ähnliche Weise wie diejenige nach Fig. 1. Der vorstehend be- schriebenen schwächeren Vorspannung der Servo- motorfeder entspricht hier die Addition eines kleinen Signals 4t zum Temperatursignal, der vom Mittel wert-Signalgeber 41 nach Massgabe der Gemischtem peratur in der Abströmleitung 40 der drei parallele Rohre<I>42a, b,</I> c umfassenden Heizfläche eines Dampf erzeugers gebildet wird.
Jedem der drei Rohre ist ein örtlicher Temperatur-Signalgeber 43, 44 bzw. 45 zu geordnet, deren Signale zusammen mit dem um den Betrag 4t vergrösserten Mittelwertsignal auf die Ver gleichsvorrichtung 46 geleitet werden. Letztere er mittelt das der höchsten Temperatur an den verschie denen Messstellen entsprechende Signal und beein flusst nach Massgabe dieses Signals über die Signal- leitung 47 den Proportional-Integral-Charakter auf weisenden Regler 48, der seinerseits auf den Stell motor SM des Einspritzventils 49 einwirkt.
Zum Aus gang des Reglers 48 wird noch ein Vorsignal addiert, das mit Hilfe des Temperatur-Signalgebers 50 an einem der Eintrittsstelle des Arbeitsmittels in die Heizfläche näher gelegenen Punkt abgegriffen wird und über einen Proportional-Regler 51 in die zum Stellmotor SM führende Signalleitung 52 eingegeben wird.
Die Arbeitsweise ist wiederum so, dass die höchste örtliche Temperatur (t1, t, oder t3) sich um einen vorbestimmten Mindestbetrag - nämlich um 4t <I>-</I> von der an der Leitung 40 gemessenen Mittel werttemperatur unterscheiden muss, damit die Ein- spritzregelung in Abhängigkeit des jeweiligen Höchst wertes der örtlichen Temperaturen erfolgt.
Der zum Signal des Mittelwert-Signalgebers ad dierte Impuls<I>dt</I> kann mit Hilfe des Handrades 54 verstellt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind zwei voneinander verschiedene Mittel zur Beeinflussung der Temperatur der Austauschfläche vorhanden, nämlich einerseits eine Regulierung der Feuerinten sität und anderseits die bereits erwähnte Einspritz- regulierung. Im Endabschnitt der die Wärmeaus tauschfläche bildenden parallelen Rohre 61a, b, c sind Temperatur-Signalgeber 62, 63 bzw.. 64 ange ordnet, welche über Signalleitungen 65, 66,
67 mit der den Mittelwert der eingehenden Signale bildenden Vorrichtung 68 verbunden sind. Nach Massgabe des jeweiligen Mittelwertes wird der proportional-integral wirkende Regler 69 über die Signalleitung 70 beein flusst; der Regler 69 wirkt derart auf das Einspritz ventil 71, dass beim Überschreiten des durch die Signalleitung 72 eingegebenen Sollwertes dieser mitt leren Temperatur das Einspritzventil stärker geöffnet wird und umgekehrt.
Gleichzeitig wird über den Temperatur-Signalgeber 73 und den Proportionalreg- ler 73a ein Vorsignal in die Signalleitung zwischen dem Regler 69 und dem Ventil 71 gegeben, um sich ändernde Betriebsbedingungen möglichst früh zeitig zu erfassen.
Jedem der Rohre<I>61a, b,</I> c ist ein örtlicher Tem- peratur-Signalgeber 74, 75 bzw. 76 zugeordnet, die über Signalleitungen 77, 78 bzw. 79 mit der Ver gleichsvorrichtung 80 verbunden sind. In diese Vor- richteng führen gleichzeitig auch die Signalleitungen 66 bis 68.
Das von der Vergleichsvorrichtung 80 ermittelte, die höchste Temperatur aller gemessenen Temperaturen abbildende Signal wird über die Signal leitung 81 in die Vorrichtung 82 gegeben, welche die Differenz zwischen dem betreffenden Höchstwert und dem mit Hilfe des Handrades 83 an der Vor richtung 84 eingestellten Grenzwert bildet.
Die Wir kungsweise ist derart, dass, sobald der Betrag der Differenz der Höchsttemperatur an irgendeiner Mess- stelle und dem eingestellten Temperatur-Grenzwert den Wert Null übersteigt, die Vorrichtung 82 über den Proportional-Integral-Differential-Regler 85 das Brennstoffventil 86 des Brenners 87 im Sinne einer Verminderung der zugeführten Brennstoffmenge be einflusst und somit die thermische Belastung der Wärmeaustauschfläche vermindert.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 tritt hier die Beeinflussung der Temperatur der Wärmeaustauschfläche durch den Mittelwert-Signalgeber nicht ausser Funktion, wenn eine Beeinflussung nach Massgabe eines örtlichen Temperatur-Höchstwertes erfolgt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Wahl der Charakteristik der einzelnen Regler in. dem Sinne getroffen ist, dass die Beeinflussung der Temperatur der Wärmeaustausch fläche durch Änderung der Feuerintensität die Be einflussung durch Veränderung der Einspritzmenge in. gewissem Sinne übersteuert.
Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Aus führungsbeispiele beschränkt. Die Wärmeaustausch fläche kann auch eine grössere Anzahl von Rohren aufweisen als jeweils schematisch gezeigt wurde, wo bei nicht unbedingt alle Rohre mit örtlichen Tem- peratur-Signalgebern versehen zu sein brauchen, son- dern, z. B. nur jedes zweite oder dritte Rohr einer Heizfläche mit parallelen Rohren.
Bei als überhitzer in Dampferzeugern ausgebildeten Wärmeaustausch flächen wäre es ferner möglich, einen Teil der Aus tauschfläche in den Strahlungsteil und einen an schliessenden Teil in den Berührungsteil des Dampf erzeugers zu legen, wo die Wärmeabgabe vorwiegend durch Rauchgase erfolgt.
Bei einer solchen An ordnung sind vornehmlich die im Strahlungsteil be findlichen Rohre gefährdet; es empfiehlt sich deshalb, die örtlichen Temperatur-Signalgeber ebenfalls in diesem Bereich vorzusehen, während anderseits der Mittelwert-Signalgeber dem Berührungsteil zugeord net sein könnte.
Weiter wäre es auch möglich, das Mittelwertsignal an einem Zwischenbereich der gesamten Austausch fläche zu bilden, das heisst dort, wo die Tempera tur des zu erhitzenden Arbeitsmittels noch nicht den Endwert erreicht hat. Ferner ist es nicht nötig, dass die Wärmeaustauschfläche durch einzelne parallele Rohre gebildet wird; ganz allgemein kann die Erfin dung auf jede beliebige Form einer Austauschfläche angewendet werden, welche an einzelnen Stellen ört liche Temperatur-Signalgeber aufweist.
Bei Dampf erzeugern könnte die Erfindung auch auf andere Heizflächen als Überhitzer-Heizflächen angewendet werden, z. B. auf Heizflächen, die im Bereich der Verdampfung liegen.
Bei Dampferzeugern wie auch bei anderen Zwek- ken dienenden Wärmeaustauschflächen können auch andere als die beschriebenen Mittel zur Beeinflus sung der Temperatur der Wärmeaustauschfläche vor gesehen sein. Hierunter fallen alle Mittel, welche den Wärmefluss vom heizenden Medium an die Aus tauschfläche vermindern, nämlich Absenken der Temperatur des Heizmediums oder Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Druckes des Heizmediums.
Als weitere Mittel seien genannt eine örtliche Verlagerung der Flamme relativ zur Aus tauschfläche, eine Veränderung der Karburierung des Brennstoffes oder eine Abschirmung der Austausch fläche; diese Mittel vermindern oder beeinflussen die Wärmezustrahlung zur Austauschfläche. Ferner können solche Mittel herangezogen werden, die den Wärmeabfluss aus der Austauschwand erhöhen, wie Absenken der Temperatur des zu erhitzenden Me diums, Erhöhung dessen Strömungsgeschwindigkeit oder Druckes und Vergrösserung der spezifischen Wärme des zu erhitzenden Mediums. Schliesslich kön nen allgemein solche Mittel benützt werden, welche die Wärmeabstrahlung verbessern.
Der jeweilige vorbestimmte Grenzwert für die höchste' örtliche Temperatur der Wärmeaustausch fläche muss nicht unbedingt einen gleichbleibenden Wert aufweisen. Besonders vorteilhaft ist eine Ver stellung des Grenzwertes in Funktion einer Betriebs grösse des Austauschers oder der diesen enthaltenden Anlage, bei Dampferzeugern beispielsweise in Funk tion der Kesselbelastung. Hier kann z.
B. der Grenz wert bei jeweils nur kurze Zeit andauernder Spitzen last höher liegen als im hauptsächlich vorherrschen den tieferen Lastbereich, und zwar mit Rücksicht darauf, dass die Gefährdung der Rohre durch über mässig hohe Temperatur auch eine Funktion der Erhitzungsdauer ist und im wesentlichen durch das Zeitstandverhalten der verwendeten warmfesten Werkstoffe bestimmt ist.
Weiter wäre es auch möglich, bei einer in Rohre aufgeteilten Wärmeaustauschfläche pro Rohr meh rere örtliche Temperatur-Signalgeber vorzusehen. Wertvoll wäre auch eine Warnvorrichtung, die aku stische oder optische Signale erzeugt, sobald der zulässige Temperatur-Grenzwert überschritten wird.
Schliesslich ist die Erfindung auch nicht auf die besondere Art der Ermittlung der in Frage kom menden Temperaturen beschränkt. Diese Tempera turen können auch so durch Signale abgebildet wer den, dass die Temperatur des wärmeaufnehmenden Mittels auf der einen Seite der Austauschfläche an der jeweiligen Stelle gemessen wird.