Verfahren zur Begrenzung der Wandtemperatur einer Trennwand zwischen wärmetauschenden Medien und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Begrenzung der Wandtemperatur einer Trennwand zwi schen wärmeaustauschenden Medien und auf eine Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, dass zwischen der Temperatur eines Materials und dessen Festigkeitseigenschaften be stimmte Zusammenhänge bestehen. Hiedurch wird die Anwendung von Materialien für Betriebsfälle mit be stimmten Temperaturbedingungen begrenzt. So werden z. B. beim Wärmeaustausch zwischen zwei verschieden heissen, flüssigen oder gasförmigen Medien die zwischen diesen beiden Medien angeordneten Trennwände beson deren Temperaturbedingungen unterworfen. Die Mate- rialtemp:ratur solcher Trennwände ist abhängig von den Temperaturen der beiden wärmetauschenden Medien, von deren Wärmeübergangszahl an die Trennwand und von der Wärmeleitzahl der Trennwand selbst.
Die Ein- und Austrittstemperaturen der wärmetau schenden Medien sind für gewöhnlich gegeben und kön nen nicht geändert werden. Es ist aber bekannt, zur Be grenzung der Trennwandtemperatur die beiden wärme tauschenden Medien im Gleichstrom zueinander strö men zu lassen, obwohl hiedurch der Wärmeaustausch verschlechtert und die gesamte Wärmetauschfläche ver- grössert wird.
Eine derartige Lösung stellt also einen Kompromiss dar, durch welchen zu Gunsten einer nied rigeren Trennwandtemperatur bzw. zwecks Vermeidung eines teueren Trennwandmaterials eine grössere Wär- metauschfläche in Kauf genommen wird.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu grunde, einen derartigen Nachteil zu vermeiden, wobei davon ausgegangen wird, dass bei Wärmetauschern, bei welchen die wärmetauschenden Medien durch eine Trennwand getrennt sind, die Trennwandtemperaturen, über die gesamte Strömungsstrecke gesehen, zwischen einem Höchst- und einem Tiefstwert variieren.
Hohe Trennwandtemperaturen treten vor allem an Stellen auf, an welchen hohe Temperaturen des wärmeabgebenden Mediums auch hohe Temperaturen des wärmeaufneh menden Mediums entsprechen, und umgekehrt treten niedrige Trennwandtemperaturen an Stellen auf, an wel chen tiefe Temperaturen des wärmeabgebenden Mediums tiefen Temperaturen des wärmeaufnehmenden Mediums entsprechen, wie dies beispielsweise bei wirt schaftlichen Gegenstromschaltungen der Fall ist.
Ge- mäss dem Verfahren nach der Erfindung wird im Strö mungsweg des wärmeaufnehmenden Mediums und/oder des wärmeabgebenden Mediums möglichst über den ge samten Bereich der Wärmetauschfläche das Verhältnis der Wärmeübergangszahl des wärmeabgebenden Mediums zu der des wärmeaufnehmenden Mediums an keiner Stelle dieses Bereiches grösser gehalten, als das Verhältnis der Differenz zwischen der höchstzulässigen Wandtemperatur und der Temperatur des wärmeauf nehmenden Mediums an dieser Stelle zu der Differenz zwischen der Temperatur des wärmeabgebenden Mediums und der höchstzulässigen Wandtemperatur an der gleichen Stelle.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens, die gekenn zeichnet ist durch eine derartige Ausbildung der Trenn wand zwischen den wärmeaustauschenden Medien und/ oder der übrigen für die Strömungsführung des einen Mediums vorgesehenen Begrenzungswand, dass in Rich tung steigender Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums bzw. in dessen Strömungsrichtung die Wärme übergangszahlen an der Trennwand auf der Seite des wärmeabgebenden Mediums abnehmen und/oder auf der Seite des wärmeaufnehmenden Mediums zunehmen.
Ferner betrifft die Erfindung die Anwendung des Verfahrens auf einen Dampfkessel, bei dem das wärme abgebende Medium Rauchgas und das wärmeaufneh mende Medium überhitzter Dampf ist.
Vorteilhaft kann bei,der Vorrichtung zur Durchfüh rung des vorliegenden Verfahrens eine derartige Ausbil dung der Trennwand und/oder der übrigen Begren zungswand vorgesehen sein, dass in Richtung steigender Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums die Strömungsgeschwindigkeit des wärmeabgebenden Mediums abnimmt und/oder die Strömungsgeschwindig keit des wärmeaufnehmenden Mediums zunimmt.
Hierfür kann die Ausbildung der Trennwand und/ oder der übrigen Begrenzungswand zweckmässig so ge wählt sein, dass in Richtung steigender Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums der Strömungsquer schnitt des bzw. der Strömungskanäle für das wärmeab gebende Medium zunimmt und/oder der Strömungs querschnitt des bzw. der Strömungskanäle für das wär meaufnehmende Medium abnimmt.
Dabei kann die Trennwand aus Rohren bestehen, die die Strömungska näle für eines der beiden wärmeaustauschenden Medien bilden und deren Rohrdurchmesser in Strömungsrich tung dieses einen Mediums stetig oder schrittweise ab nimmt, wobei die Rohre derart angeordnet sind, dass sie von dem anderen Medium quer zur Rohrachse um strömt werden und der zwischen den Rohren verblei bende Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung die ses anderen Mediums abnimmt.
Weiter kann bei der Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens die Trennwand unidioder die übrige Begrenzungswand vorteilhaft derart ausge bildet sein, dass die für den Wärmeübergang wirksame Trennwandoberfläche pro Wegeinheit in Richtung stei gender Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums auf der Seite des wärmeabgebenden Mediums abnehmen und/oder auf der Seite des wärmeaufnehmenden Mediums zunehmen.
Hierfür können zweckmässig an der Trennwand auf der Seite des wärmeabgebenden Mediums und/oder auf der Seite des wärmeaufnehmenden Mediums Rippen angeordnet sein, deren Höhe jeweils in Strömungsrich tung des betreffenden Mediums zunimmt. Zweckmässig kann ferner dabei die Trennwand aus Rohren bestehen, die die Strömungskanäle für eines der beiden wärmeaus tauschenden Medien bilden, deren Abstand in Strö mungsrichtung des anderen Mediums abnimmt.
Im folgenden sind zunächst die für das Verfahren nach der Erfindung allgemein geltenden Grundlagen näher erläutert, und anschliessend sind anhand der Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele der erfindungs- gemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung beschrieben.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird vorteil haft an Stellen hoher Temp--raturen des wärmeabgeben den und wärmeaufnehmenden Mediums durch Vermin derung der Strömungsgeschwindigkeit des wärmeabge benden Mediums dessen Wärmeübergang an die Trenn wand vermindert und andererseits durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des wärmeaufnehmenden Mediums der Wärmeübergang von der Trennwand an das wärmeaufnehmende Medium und somit dessen Kühlwirkung auf die Trennwand erhöht.
Anderseits kann an Stellen niedriger Temperaturen des wärmeab gebenden und wärmeaufnehmenden Mediums die für das Trennwandmaterial höchst zulässige Temperatur da durch besser ausgenützt werden, dass durch Er höhung der Geschwindigkeit des wärmeabgebenden Mediums dessen Wärmeübergang an die Trennwand verbessert und andererseits durch Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit des wärmeaufnehmenden Me diums der Wärmeübergang von der Trennwand an das wärmeaufnehmende Medium und somit dessen Kühl wirkung auf die Trennwand verschlechtert wird.
Die gleichen Effekte wie durch Variation der Strö mungsgeschwindigkeit können auch dadurch erzielt wer den, dass die Wärmeübergangszahlen auf der Seite eines oder beider wärmetauschenden Medien durch konstruk tive Massnahmen verändert werden. Dies kann z. B. durch die Veränderung der Teilung von Rohrbündeln in Strömungsrichtung des einen wärmetauschenden Mediums geschehen, wobei die Teilung der Rohre quer zur Strömungsrichtung, der Rohrdurchmesser und somit der Strömungsquerschnitt konstant bleiben. Aber auch die Anordnung von Rippen an der Trennwand mit veränderlicher Teilung kann den Wärmeübergang verändern, wobei Querschnitt und Geschwindigkeit für das strömende Medium im wesentlichen konstant blei ben können.
Es ist bekannt, dass Veränderungen der Strömungs geschwindigkeiten von wärmetauschenden Medien oder der konstruktiven Ausbildung der Trennwand beträcht liche Veränderungen der zur Aufrechterhaltung der Strömung erforderlichen Druckunterschiede verursa chen. So hat z. B. eine Verdopplung der Strömungsge schwindigkeit den drei- bis dreieinhalbfachen Druckver lust und den sechs- bis sechseinhalbfachen Energiever lust zur Folge. Gewöhnlich ist man bestrebt, für einen Wärmetauscher die Gesamtdruck- und Energieverluste für jedes der beiden wärmetauschenden Medien mög lichst gering zu halten, oder es wird zur Bedingung ge macht, dass bestimmte, vorgegebene Gesamtdruckver1u- ste nicht überschritten werden.
Dieser Forderung kann dadurch entsprochen werden, dass über die gesamte Strömungsstrecke die Geschwindigkeitsverteilung bzw. die konstruktive Beeinflussung des Wärmeüberganges und damit die Verteilung der Druckverluste für das wär meabgebende bzw.
das wärmeaufnehmende Medium derart erfolgt, dass der quadratische Mittelwert aus der höchsten und der niedrigsten Strömungsgeschwindigkeit längs des Strömungsweges etwa gleich der Durch- schnittsströmungsgeschwindigkeit bei konventioneller Wärmeaustauschern ist, dass also Bereichen mit gegen über dieser Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit er höhter Strömungsgeschwindigkeit, solche mit gegenüber dieser Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit vermin derter Strömungsgeschwindigkeit gegenüberstehen.
Da in den meisten Fällen die pro Zeiteinheit strö menden Mengen der wärmetauschenden Medien gege ben sind, wird die Verminderung der Strömungsge schwindigkeit am besten dadurch verwirklicht, dass die Querschnitte der Strömungskanäle über die Strömungs strecke entsprechend variiert werden. Dies kann durch stufenlose, aber auch durch abgestufte Querschnittsver- änderungen geschehen. Bei Röhrenbündeln in reiner Gegenstromschaltung ergibt sich bei gleichbleibender Rohrteilung durch Vergrösserung bzw. Verkleinerung des Rohrdurchmessers zwangsläufig eine Verkleinerung bzw. Vergrösserung des Querschnittes für das ausser- halb der Rohre strömende Medium.
In ähnlicher Weise ergibt sich bei Röhrenbündeln, welche im Kreuzg gen- strom geschaltet sind, bei gleichbleibender Rohrteilung durch Verminderung des Rohrdurchmessers ein kleine rer Querschnitt für das in den Rohren strömende Medium, gleichzeitig an derselben Stelle aber eine Ver- grösserung des Querschnittes für das um die Rohre strö mende Medium und umgekehrt.
Eine andere Möglichkeit, den Querschnitt für die strömenden Medien und hiemit den Wärmeübergang beidseits der Trennwand und die Druckverlu,te zu be einflussen, besteht in der Anordnung von Rippen auf der einen Seite oder auf beiden Seiten der Trennwand. Solche Rippen können quer zur Rohrachse, parallel zur Rohrachse oder auch schraubenlinienförmig angeordnet sein. Durch Variation der Rippenhöhe lässt sich der Strömungsquerschnitt entsprechend den Anforderungen beeinflussen.
Normalerweise wird durch Variation der Rippenhöhe gleichzeitig auch der Rippenwirkungsgrad für die Wärmeübertragungszahl zwischen dem stömen- den Medium und der Trennwand verändert. Der Wär meübergang und die Druckverluste der strömenden Medien lassen sich zusätzlich auch noch durch Verände rung der Rippenteilung vergrössern oder verkleinern. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die be schriebenen Massnahmen in geeigneter Form zu kombi nieren.
Das vorliegende Verfahren kann mit besonderem Vorteil auf Dampfkessel angewendet werden, und zwar insbesondere auf jene Heizflächenabschnitte des Dampfkessels, in welchen die für ferritisches Rohr wandmaterial zulässigen Rohrwandtemperaturen über schritten werden.
Es sind dies vor allem die überhitzer- und Zwischenüberhitzerheizflächen. Es ist bekannt, dass infolge der laufenden Steigerung der Leistungen und Wirkungsgrade von Dampfkraftanlagen die überhit- zungstemperaturen für Frisch- und Zwischendampf in Dampfkesseln so hohe Werte erreicht haben, dass für das Rohrmaterial für Dampfüberhitzer vielfach austeni- tische Stähle verwendet werden müssen, welche den hierbei auftretenden hohen Wandtemperaturen mit Sicherheit standhalten.
Es ist auch bekannt, dass die Preise für Rohre aus austenitischem Material wesentlich höher sind als für Rohre aus den üblichen ferritischen Stählen. Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Verteue rung solcher Dampfüberhitzer für hohe überhitzungs- temperaturen, und man hat im Dampfkesselbau ver schiedene Massnahmen getroffen, um bei hohen Dampf temperaturen mit ferritischem Rohrmaterial auszukom men. Bekannt ist z.
B. die bereits erwähnte Möglichkeit, temperaturmässig besonders hochbeanspruchte überhit- zerrohre von den Heizgasen bzw. vom Dampf im Gleichstrom beaufschlagen zu lassen. Das vorliegende Verfahren bietet nun auch hier die Möglichkeit, die wirtschaftliche Gegenstromschaltung beizubehalten und trotzdem bei Einhaltung eines vorbestimmten Gesamt druckverlustes auf der Gas- oder Dampfseite, die im Be trieb auftretenden Rohrwandtemperaturen so zu begren zen, dass die für ferritisches Rohrmaterial höchst zuläs sige Wandtemperatur nicht überschritten wird.
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge- mässen Verfahrens sind beispielsweise in den Fig. 1 bis 6 dargestellt. Fig. 1 zeigt prinzipiell die Anordnung eines Wärmetauschkanales mit unterschiedlichen Querschnit ten, so dass die Geschwindigkeiten und Druckverluste der wärmeaustauschenden Medien über der gesamten Strömungsstrecke ändern,
Fig. 2 und 3 zeigen Quer schnitte durch ein von den Wärmeaustauschmedien im Gegenstrom durchströmendes Wärmetauscherrohrbün- del. In Fig.4 ist ein von den Wärmetauschmedien durchströmtes Rohrbündel dargestellt.
Schliesslich zeigt Fig. 5 ein Wärmetauscherrohr, dessen Trennwände bei derseits mit verschieden hohen Rippen versehen sind und Fig. 6 einen aus Rohrschlangen bestehenden Wär metauscher, mit in der Strömungsrichtung des wärmeab- g-benden Mediums veränderlicher Rohrteilung, im Querschnitt.
In Fig. 1 ist ein Strömung-kanal mit der Trennwand 3 dargestellt, durch welche das wärmeaufnehmende Medium 1 in Richtung der Pfeile strömt. Ausserhalb der Trennwand 3 fliesst im Gegenstrom :das wärmeabge bende Medium 2 ebenfalls in Richtung der Pfeile.
Das wärmeaufnehmende Medium 1 hat im Eintritt in den Strömungskanal die niedrige Temperatur t1 und am Austritt die hohe Temperatur T, Das wärmeabgebende Medium 2 hat an seinem Eintritt in den äusseren Strö mungskanal die hohe Temperatur T2 und an seinem Austritt die niedrige Temperatur t2. Im Bereich der hohen Temperaturen des wärmeabgebenden und wär meaufnehmenden Mediums, beispielsweise an der strichpunktierten eingezeichneten Stelle 4-4, hat das wärmeabgebende Medium 2 einen grossen Strömungs querschnitt q2,
4 und somit eine kleine Strömungsge schwindigkeit v",. Infolge derselben ist der Wärme übergang vom Medium 2 an die Trennwand 3 an dieser Stelle relativ schlecht. Anderseits hat das wärmeaufneh mende Medium 1 an der Stelle 4-4 einen kleinen Strö mungsquerschnitt q1,4 und somit eine hohe Strö mungsgeschwindigkeit v1,4. Hierdurch ist der Wärme übergang von der Trennwand 3 an das wärmeaufneh mende Medium 1 an dieser Stelle relativ gut. Durch diese Massnahmen ist es möglich, die Temperatur der Trennwand 3 an dieser Stelle auf ein zulässiges Mass zu begrenzen.
Umgekehrt hat an der strichpunktiert einge tragenen Stelle 5-5 im Bereich der niedrigen Tempera turen der wärmetauschenden Medien das wärmeabge bende Medium 2 einen kleinen Strömungquerschnitt q2,, und somit eine hohe Strömungsgeschwindigkeit v2,5. Das wärmeaufnehmende Medium hingegen hat an dieser Stelle einen grossen Strömungsquerschnitt q1,5. An der Stelle 5-5 ist daher der Wärmeübergang vom Medium 2 auf die Trennwand 3 relativ gut und der Wärmeübergang von der Trennwand 3 auf das Medium 1 relativ schlecht. Durch diese Massnahme wird daher die an und für sich niedrige Temperatur der Trennwand 3 erhöht.
Wie bereits erwähnt, ändern sich mit den ver schiedenen Strömungsgeschwindigkeiten die Druckver luste /\p. Es werden daher für das wärmeabgebende Medium die Druckverluste Ap2,4 an der Stelle 4-4 verhältnismässig niedrig sein, während die Druckverlu ste /\p2,5 an der Stelle 5-5 relativ hoch sein werden. Durch diesen Unterschied in den Druckverlusten ist es möglich, den Gesamtdruckverlust über die ganze Strö mungslänge als Summe der Einzeldruckverluste in den vorgegebenen Grenzen zu halten.
Das gleiche ergibt sich auch für das wärmeaufnehmende Medium 1, bei wel chem die Druckverluste Ap1,4 an der Stelle 4-4 rela tiv hoch sein werden, während .die Verluste Apl,s an der Stelle 5-5 relativ niedrig sind.
In den Fig. 2 und 3 ist ein Wärmetauscherrohrbün- del entsprechend dem Prinzip von Fig. 1 im Querschnitt dargestellt, und zwar entspricht der Schnitt in Fig. 2 etwa der Stelle 4-4 von Fig. 1 und der Schnitt in Fig. 3 etwa der Stelle 5-5. Die Strömungskanäle für das wär meaufnehmende Medium 1 werden hier durch kreiszy lindrische Rohre mit einer gleichbleibenden Teilung t gebildet. Das wärmeabgebende Medium 2 strömt aus- serhalb der Rohre, jedoch innerhalb des Wärmetau schermantels 6.
Die Rohrwände 3 bilden die Trenn wand, deren höchstzulässige Temperatur an keiner Stelle überschritten werden soll. Im Bereich der hohen Temperaturen der wärmetauschenden Medien werden die Rohrdurchmesser d klein gewählt, so dass bei gege bener Teilung t die Zwischenräume S zwischen den ein zelnen Rohren und hiemit die Strömungsquerschnitte für das wärmeabgebende Medium 2 zwangsläufig gross aus fallen (siehe Fig. 2).
Umgekehrt verhält es sich, wie in Fig. 3 gezeigt, im Bereich der niedrigen Temperaturen der wärmetauschenden Medien, wo durch grosse Rohr- durchmesser D bei gleicher Teilung t die Zwischen räume s zwischen den Rohren und mit ihnen die Quer schnitte für das wärmeabgebende Medium 2 relativ klein sind.
Fig.4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei welchem das wärmeabgebende Medium 2 zwischen den Wänden 7 und 8 eines Strömungskanales fliesst. In die sem befinden sich Rohrbündel, in welchen das wärme aufnehmende Medium 1 im Kreuz-Gegenstrom zum wärmeabgebenden Medium 2 strömt. Die einzelnen, vertikal übereinander dargestellten Rohrreihen sind mit einander in Serie geschaltet. In horizontaler Richtung haben die Rohre 1 die gleichbleibende Rohrteilung t.
Auch hier sind im Bereich der hohen Temperaturen T1 und T. der wärmeaustauschenden Medien ;die Rohr durchmesser d klein und die Zwischenräume S zwischen den Rohren gross. Hingegen sind im Bereich der niedri gen Temperaturen t1 und t2 der wärmeaustauschenden Medien die Rohrdurchmesser D gross uriKl hiermit die Zwischenräume s zwischen den Rohren klein. Für die strichpunktiert eingetragenen Stellen 4-4 und 5-5 gilt bezüglich der Rohrwandtemperaturen und der Druck verluste das Gleiche wie das, was für Fig. 1 gesagt wurde.
Fig. 5 zeigt beispielsweise eine andere Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeiten .der wärmetauschenden Medien und deren Druckverluste zu variieren. Zu die sem Zweck trägt die Trennwand 3 sowohl auf der Strö mungsseite des wärmeaufnehmenden Mediums 1 als auch auf der Strömungsseite des wärmeabgebenden Mediums 2 Rippen 10 bzw. 9 quer zur Strömungsrich tung. Durch Veränderung der Rippenhöhe kann der Strömungsquerschnitt und hiermit der Wärmeübergang und der Druckverlust variiert werden. Daher werden bei der in Fig. 5 gezeigten Gegenstromschaltung die an der Innenseite befindlichen Rippen 10 an den Stellen hoher Temperaturen der wärmeaustauschenden Medien höher ausgeführt als an den Stellen niedriger Temperaturen.
Umgekehrt werden die an der Aussenseite der Trenn wand 3 liegenden Rippen 9 an den Stellen hoher Tem peraturen der wärmeaustauschenden Medien niedriger ausg führt als an den Stellen niedriger Temperaturen. Hierdurch ist der Strömungsquerschnitt q2,4 für das wärmeabgebende Medium 2 an der strichpunktiert ein- gestragenen Stelle 4-4 grösser als der Querschnitt q2..; an der Stelle 5-5.
Mit den Strömungsgeschwindigkeiten und den Druckverlusten verhält es sich umgekehrt. An dererseits ist der Strömungsquerschnitt q1,4 für das wärmeaufnehmende Medium 1 an der Stelle 4-4 kleiner als der Querschnitt q1,5 an der Stelle 5-5.
Durch diese Massnahmen können die Trennwandtemperaturen an der Stelle 4-4 auf das für das Trennwandmaterial zuläs sige Mass begrenzt werden, während die Wandtempera turen an der Stelle 5-5, welche mit Rücksicht auf die niedrigen Temperaturen .der beiden Medien tief liegen, im Sinne einer wirtschaftlicheren Ausnützung des Trennwandmaterials angehoben werden. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel für den Erfindungsgedanken spielt aber nicht nur der veränderliche Querschnitt eine Rolle für den Wärmeübergang, sondern auch die ver schieden hohen Rippen.
Die Druckverluste :der strömen den Medien ergeben sich aus den Widerständen der Rippen und den Strömungsgeschwindigkeiten und daher kann auch für dieses Ausführungsbeispiel der Gesamt druckverlust der strömenden Medien so gehalten wer den, dass er einen bestimmten vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Schliesslich ist in Fig. 6 eine Ausführungsvariante dargestellt, bei welcher in einem Strömungskanal mit den Begrenzungswänden 11 das wärmeabgebende Medium 2 strömt. In .diesem Kanal sind die drei Rohr schlangen 12, 13 und 14 ineinander angeordnet.
Die Steigung derselben ändert sich in der Strömungsrichtung derart, dass im Bereich der hohen Temperaturen T2 des wärmeabgebenden Mediums 2 die Teilung S der Rohre in der Strömungsrichtung gross ist, wodurch die Wärme übergangszahl an dieser Stelle verkleinert und der Wär meübergang vermindert wird. Im Bereich der niedrigen Temperaturen t2 des wärmeabgebenden Mediums sind hingegen die Rohrteilungen s in der Strömungsrichtung klein, so dass an diesen Stellen der Wärmeübergang gut ist. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel sind die hori zontale Teilung und der Rohrdurchmesser d über die gesamte Strömungsstrecke konstant, so dass auch Strö mungsquerschnitt und Strömungsgeschwindigkeit gleich bleiben.
Die Erfindung ist auf die in den Fig. 1 bis 6 darge stellten Anwendungsbeispiele nicht beschränkt, und die Variationen der Querschnitte, der Geschwindigkeiten und der genannten konstruktiven Massnahmen können auch auf nur eines der beiden wärmetauschenden Medien angewendet werden, während das andere mit konstanter Geschwindigkeit durch Kanäle gleichbleiben den Querschnittes strömt.
Die verschiedenen erfindungsgemässen Massnahmen zur Begrenzung der Trennwandtemperaturen lassen sich auf Grund der Gesetze der Wärmeübertragung mathe matisch angenähert durch die Formel
EMI0004.0047
ausdrücken.
Es bedeutet a2 Wärmeübergangszahl des wärmeabgebenden (heissen) Mediums, a1 Wärmeüber- gangszahl des wärmeaufnehmenden (kalten) Mediums, t" zul. die höchstzulässige Trennwandtemperatur, t1 die Temperatur des wärmeaufnehmenden (kalten) Mediums, t2 Temperatur des wärmeabgebenden (heis- sen) Mediums.
Diese Formel besagt, dass das Verhältnis der beiden Wärmeübergangszahlen auf den beiden Sei ten der Trennwand an keiner Stelle der Wärmeaus- tauschfläche höher sein soll als das Verhältnis der Dif ferenz zwischen der höchstzulässigen Wandtemperatur und der Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums zu der Differenz zwischen der Temperatur des wärme abgebenden Mediums und der höchstzulässigen Wand temperatur.
Method for limiting the wall temperature of a partition between heat-exchanging media and a device for carrying out the method The invention relates to a method for limiting the wall temperature of a partition between heat-exchanging media and a device for carrying out the method.
It is known that certain relationships exist between the temperature of a material and its strength properties. This limits the use of materials for operating cases with certain temperature conditions. So z. B. when exchanging heat between two differently hot, liquid or gaseous media, the partitions arranged between these two media are particularly subject to their temperature conditions. The material temperature of such partition walls depends on the temperatures of the two heat-exchanging media, on their coefficient of heat transfer to the partition and on the coefficient of thermal conductivity of the partition itself.
The inlet and outlet temperatures of the heat-exchanging media are usually given and cannot be changed. It is known, however, to allow the two heat-exchanging media to flow to one another in cocurrent to limit the temperature of the partition, although this worsens the heat exchange and increases the total heat exchange surface.
Such a solution thus represents a compromise by means of which a larger heat exchange surface is accepted in favor of a lower partition wall temperature or in order to avoid an expensive partition wall material.
The present invention was based on the object of avoiding such a disadvantage, it being assumed that in heat exchangers in which the heat-exchanging media are separated by a partition, the partition temperatures, viewed over the entire flow path, are between a maximum and a Minimum value vary.
High partition wall temperatures occur mainly in places where high temperatures of the heat-emitting medium also correspond to high temperatures of the heat-absorbing medium, and conversely, low partition temperatures occur in places where low temperatures of the heat-emitting medium correspond to low temperatures of the heat-absorbing medium, such as this is the case, for example, with economic countercurrent circuits.
According to the method according to the invention, in the flow path of the heat-absorbing medium and / or the heat-emitting medium, if possible over the entire area of the heat exchange surface, the ratio of the heat transfer coefficient of the heat-emitting medium to that of the heat-absorbing medium is kept greater than at any point in this area the ratio of the difference between the maximum permissible wall temperature and the temperature of the heat-absorbing medium at this point to the difference between the temperature of the heat-emitting medium and the maximum permissible wall temperature at the same point.
The invention also relates to a Vorrich device for performing the method, which is characterized by such a design of the partition between the heat exchanging media and / or the other intended for the flow of a medium delimitation wall that in the direction of increasing temperature of the heat-absorbing medium or in its flow direction, the heat transfer coefficients decrease on the partition on the side of the heat-emitting medium and / or increase on the side of the heat-absorbing medium.
The invention further relates to the application of the method to a steam boiler in which the heat-emitting medium is flue gas and the heat-absorbing medium is superheated steam.
Advantageously, in the device for carrying out the present method, the partition wall and / or the rest of the boundary wall can be designed in such a way that, in the direction of increasing temperature of the heat-absorbing medium, the flow speed of the heat-emitting medium decreases and / or the flow speed of the heat-absorbing medium decreases Medium increases.
For this purpose, the design of the partition and / or the rest of the boundary wall can expediently be chosen so that in the direction of the increasing temperature of the heat-absorbing medium, the flow cross-section of the flow channel or channels for the heat-emitting medium increases and / or the flow cross-section of the Flow channels for the heat-absorbing medium decreases.
The partition wall can consist of tubes that form the flow channels for one of the two heat-exchanging media and whose tube diameter decreases steadily or gradually in the flow direction of this one medium, the tubes being arranged in such a way that they are transverse to the tube axis from the other medium to be flowed and the remaining flow cross-section between the pipes decreases in the flow direction of this other medium.
Furthermore, in the device for carrying out the present method, the partition wall or the rest of the boundary wall can advantageously be designed in such a way that the partition wall surface effective for heat transfer decreases and / or increases per unit of travel in the direction of increasing temperature of the heat-absorbing medium on the side of the heat-emitting medium the side of the heat absorbing medium increase.
For this purpose, ribs can expediently be arranged on the partition wall on the side of the heat-emitting medium and / or on the side of the heat-absorbing medium, the height of which increases in each case in the flow direction of the medium in question. Advantageously, the partition wall can also consist of tubes which form the flow channels for one of the two wärmeaus exchanging media, the distance between which decreases in the direction of flow of the other medium.
In the following, the principles generally applicable to the method according to the invention are first explained in more detail, and then some exemplary embodiments of the device according to the invention for performing the method according to the invention are described with reference to the drawings.
In the method according to the invention, the heat transfer to the dividing wall is advantageously reduced at points of high temperatures of the heat-emitting and heat-absorbing medium by reducing the flow rate of the heat-emitting medium and, on the other hand, the heat transfer from the heat-absorbing medium by increasing the flow rate of the heat-absorbing medium the partition wall to the heat-absorbing medium and thus increased its cooling effect on the partition wall.
On the other hand, at low temperatures of the heat-emitting and heat-absorbing medium, the highest permissible temperature for the partition material can be better utilized because by increasing the speed of the heat-emitting medium, its heat transfer to the partition is improved and, on the other hand, by reducing the flow rate of the heat-absorbing medium the heat transfer from the partition to the heat-absorbing medium and thus its cooling effect on the partition is impaired.
The same effects as by varying the flow velocity can also be achieved by changing the heat transfer coefficients on the side of one or both of the heat-exchanging media by means of constructive measures. This can e.g. B. done by changing the division of tube bundles in the flow direction of the one heat-exchanging medium, the division of the tubes transverse to the flow direction, the tube diameter and thus the flow cross-section remain constant. But the arrangement of ribs on the partition with variable pitch can change the heat transfer, with the cross-section and speed for the flowing medium can remain essentially constant ben.
It is known that changes in the flow speeds of heat-exchanging media or the structural design of the partition wall cause considerable changes in the pressure differences required to maintain the flow. So has z. B. a doubling of the Strömge speed three to three and a half times Druckver loss and six to six and a half times Energiever loss result. Usually one strives for a heat exchanger to keep the total pressure and energy losses for each of the two heat-exchanging media as low as possible, or it is made a condition that certain, predetermined total pressure losses are not exceeded.
This requirement can be met by the fact that the speed distribution or the structural influence on the heat transfer and thus the distribution of the pressure losses for the heat emitting or
the heat-absorbing medium is carried out in such a way that the root mean square value of the highest and the lowest flow velocity along the flow path is approximately equal to the average flow velocity in conventional heat exchangers, i.e. areas with a higher flow velocity than this average flow velocity and those with a reduced flow velocity compared with this average flow velocity Facing flow velocity.
Since in most cases the quantities of heat exchanging media flowing per unit of time are given, the reduction of the flow rate is best achieved by varying the cross-sections of the flow channels over the flow path accordingly. This can be done through stepless, but also through graduated changes in cross-section. In the case of tube bundles in a pure countercurrent circuit, if the tube division remains the same, an increase or decrease in the tube diameter inevitably results in a decrease or increase in the cross section for the medium flowing outside the tubes.
In a similar way, with tube bundles that are connected in cross-countercurrent, with constant tube spacing, a smaller cross-section for the medium flowing in the tubes results by reducing the tube diameter, but at the same time an increase in the cross-section for the medium at the same point the pipes flowing medium and vice versa.
Another possibility of influencing the cross-section for the flowing media and thus the heat transfer on both sides of the partition and the pressure losses is to arrange ribs on one side or on both sides of the partition. Such ribs can be arranged transversely to the pipe axis, parallel to the pipe axis or else helically. By varying the rib height, the flow cross-section can be influenced according to the requirements.
Normally, by varying the fin height, the fin efficiency for the heat transfer coefficient between the flowing medium and the partition is also changed at the same time. The heat transfer and the pressure loss of the flowing media can also be increased or decreased by changing the spacing of the ribs. Of course, there is also the possibility of combining the measures described in a suitable form.
The present method can be used with particular advantage on steam boilers, in particular on those heating surface sections of the steam boiler in which the pipe wall temperatures permissible for ferritic pipe wall material are exceeded.
These are above all the superheater and reheater heating surfaces. It is known that as a result of the ongoing increase in the performance and efficiency of steam power plants, the superheating temperatures for fresh and intermediate steam in steam boilers have reached such high values that austenitic steels often have to be used for the pipe material for steam superheaters Withstand high wall temperatures that occur with certainty.
It is also known that the prices for tubes made of austenitic material are much higher than for tubes made of the usual ferritic steels. This results in a substantial increase in the price of such steam superheaters for high superheating temperatures, and various measures have been taken in steam boiler construction to get by with ferritic pipe material at high steam temperatures. Is known z.
B. the already mentioned possibility of having superheater pipes which are particularly highly stressed in terms of temperature acted upon by the heating gases or by the steam in direct current. The present method now also offers the possibility here of maintaining the economical countercurrent circuit and nevertheless, while maintaining a predetermined total pressure loss on the gas or steam side, to limit the pipe wall temperatures occurring during operation so that the wall temperature which is the highest permissible for ferritic pipe material is not is exceeded.
Apparatus for performing the method according to the invention are shown, for example, in FIGS. 1 to 6. Fig. 1 shows in principle the arrangement of a heat exchange channel with different cross sections, so that the speeds and pressure losses of the heat exchanging media change over the entire flow path,
2 and 3 show cross sections through a heat exchanger tube bundle through which the heat exchange media flows in countercurrent. In FIG. 4, a tube bundle through which the heat exchange media flows is shown.
Finally, FIG. 5 shows a heat exchanger tube, the partition walls of which are provided with ribs of different heights on the other side, and FIG. 6 shows a heat exchanger consisting of coiled tubes, with a tube division that can be changed in the flow direction of the heat-emitting medium, in cross section.
In Fig. 1, a flow channel with the partition 3 is shown, through which the heat-absorbing medium 1 flows in the direction of the arrows. Outside the partition 3 flows in countercurrent: the heat emitting medium 2 also flows in the direction of the arrows.
The heat-absorbing medium 1 has the low temperature t1 at the entry into the flow channel and the high temperature T at the exit. The heat-emitting medium 2 has the high temperature T2 at its entry into the outer flow channel and the low temperature t2 at its exit. In the area of high temperatures of the heat-emitting and heat-absorbing medium, for example at the dot-dashed point 4-4, the heat-emitting medium 2 has a large flow cross section q2,
4 and thus a low flow velocity v ". As a result of this, the heat transfer from medium 2 to partition 3 is relatively poor at this point. On the other hand, heat-absorbing medium 1 has a small flow cross-section q1,4 at point 4-4 As a result, the heat transfer from the partition 3 to the heat-absorbing medium 1 is relatively good at this point. These measures make it possible to reduce the temperature of the partition 3 at this point to a permissible level to limit.
Conversely, at the dot-dashed point 5-5 in the range of low temperatures of the heat-exchanging media, the heat-emitting medium 2 has a small flow cross-section q2 ,, and thus a high flow velocity v2.5. The heat-absorbing medium, on the other hand, has a large flow cross-section q1.5 at this point. At point 5-5, the heat transfer from the medium 2 to the partition 3 is therefore relatively good and the heat transfer from the partition 3 to the medium 1 is relatively poor. This measure therefore increases the inherently low temperature of the partition 3.
As already mentioned, the pressure losses / \ p change with the different flow velocities. The pressure losses Ap2,4 at point 4-4 will therefore be relatively low for the heat-emitting medium, while the pressure losses will be relatively high at point 5-5. This difference in pressure losses makes it possible to keep the total pressure loss over the entire flow length as the sum of the individual pressure losses within the specified limits.
The same also applies to the heat-absorbing medium 1, in which the pressure losses Ap1,4 at the point 4-4 will be relatively high, while the losses Apl, s at the point 5-5 are relatively low.
In FIGS. 2 and 3, a heat exchanger tube bundle is shown in cross section according to the principle of FIG. 1, namely the section in FIG. 2 corresponds approximately to the point 4-4 of FIG. 1 and the section in FIG. 3 approximately the position 5-5. The flow channels for the heat-receiving medium 1 are formed here by Kreiszy cylindrical tubes with a constant pitch t. The heat-emitting medium 2 flows outside the tubes, but inside the heat exchanger jacket 6.
The pipe walls 3 form the partition wall, the maximum permissible temperature should not be exceeded at any point. In the area of the high temperatures of the heat-exchanging media, the pipe diameters d are chosen to be small, so that with a given pitch t the spaces S between the individual pipes and thus the flow cross-sections for the heat-emitting medium 2 are inevitably large (see Fig. 2).
The opposite is true, as shown in FIG. 3, in the area of the low temperatures of the heat-exchanging media, where large pipe diameters D with the same pitch t result in the spaces s between the pipes and with them the cross-sections for the heat-emitting medium 2 are relatively small.
FIG. 4 shows another embodiment in which the heat-emitting medium 2 flows between the walls 7 and 8 of a flow channel. In the sem there are tube bundles in which the heat-absorbing medium 1 flows in cross-countercurrent to the heat-emitting medium 2. The individual rows of tubes shown vertically one above the other are connected in series with one another. In the horizontal direction, the tubes 1 have the same tube spacing t.
Here, too, in the area of high temperatures T1 and T. of the heat-exchanging media; the pipe diameter d is small and the spaces S between the pipes are large. In contrast, in the region of the low temperatures t1 and t2 of the heat-exchanging media, the pipe diameters D large and the spaces s between the pipes are small. For the dot-dashed points 4-4 and 5-5, the same applies to the pipe wall temperatures and the pressure losses as what was said for FIG. 1.
For example, FIG. 5 shows another possibility of varying the flow speeds of the heat-exchanging media and their pressure losses. For this purpose, the partition 3 carries both on the flow side of the heat-absorbing medium 1 and on the flow side of the heat-emitting medium 2 ribs 10 and 9 transversely to the flow direction. By changing the height of the ribs, the flow cross-section and thus the heat transfer and pressure loss can be varied. Therefore, in the countercurrent circuit shown in FIG. 5, the ribs 10 located on the inside are made higher at the locations of high temperatures of the heat exchanging media than at the locations of low temperatures.
Conversely, the lying on the outside of the partition wall 3 ribs 9 at the points of high Tem temperatures of the heat exchanging media leads lower out than at the points of low temperatures. As a result, the flow cross-section q2,4 for the heat-emitting medium 2 at the point 4-4 shown in dash-dotted lines is larger than the cross-section q2 ..; at point 5-5.
It is the other way around with the flow velocities and the pressure losses. On the other hand, the flow cross-section q1,4 for the heat-absorbing medium 1 at the point 4-4 is smaller than the cross-section q1,5 at the point 5-5.
Through these measures, the partition wall temperatures at point 4-4 can be limited to the permissible level for the partition wall material, while the wall temperatures at point 5-5, which are low in view of the low temperatures of the two media, in the sense a more economical use of the partition material. In the example of the inventive concept shown in FIG. 5, however, not only does the variable cross section play a role for the heat transfer, but also the ribs of different heights.
The pressure losses: of the flowing media result from the resistance of the ribs and the flow velocities and therefore the total pressure loss of the flowing media can also be kept for this embodiment so that it does not exceed a certain predetermined value. Finally, FIG. 6 shows an embodiment variant in which the heat-emitting medium 2 flows in a flow channel with the boundary walls 11. In .diesem channel the three coiled tubes 12, 13 and 14 are arranged one inside the other.
The slope of the same changes in the direction of flow such that in the area of high temperatures T2 of the heat-emitting medium 2 the pitch S of the tubes in the direction of flow is large, whereby the heat transfer coefficient is reduced at this point and the heat transfer is reduced. In the area of the low temperatures t2 of the heat-emitting medium, however, the pipe pitches s in the flow direction are small, so that the heat transfer is good at these points. In the example shown in FIG. 6, the horizontal pitch and the pipe diameter d are constant over the entire flow path, so that the flow cross-section and flow velocity also remain the same.
The invention is not limited to the application examples shown in FIGS. 1 to 6, and the variations in the cross-sections, the speeds and the structural measures mentioned can also be applied to only one of the two heat-exchanging media, while the other passes through at constant speed Channels remain the same as the cross-section flows.
The various measures according to the invention for limiting the partition wall temperatures can be mathematically approximated by the formula on the basis of the laws of heat transfer
EMI0004.0047
express.
It means a2 heat transfer coefficient of the heat-emitting (hot) medium, a1 heat transfer coefficient of the heat-absorbing (cold) medium, t "perm. The maximum permissible partition wall temperature, t1 the temperature of the heat-absorbing (cold) medium, t2 temperature of the heat-emitting (hot) medium .
This formula says that the ratio of the two heat transfer coefficients on the two sides of the partition wall should not be higher at any point on the heat exchange surface than the ratio of the difference between the maximum permissible wall temperature and the temperature of the heat-absorbing medium to the difference between the temperature of the heat emitting medium and the maximum permissible wall temperature.