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Die
Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, bei dem in einem in einer
annähernd
horizontalen Heizgasrichtung durchströmbarem Heizgaskanal eine Durchlaufheizfläche angeordnet
ist, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums
parallel geschalteten Dampferzeugerrohren umfasst, und die derart
ausgelegt ist, dass ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr
der selben Durchlaufheizfläche
mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr einen im Vergleich zum weiteren
Dampferzeugerrohr höheren
Durchsatz des Strömungsmediums
aufweist.
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Bei
einer Gas- und Dampfturbinenanlage wird die im entspannten Arbeitsmittel
oder Heizgas aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf
für die
Dampfturbine genutzt. Die Wärmeübertragung
erfolgt in einem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger,
in dem üblicherweise
eine Anzahl von Heizflächen
zur Wasservorwärmung,
zur Dampferzeugung und zur Dampfüberheizung
angeordnet ist. Die Heizflächen
sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet.
Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfasst üblicherweise mehrere, z.B.
drei, Druckstufen, wobei jede Druckstufe eine Verdampferheizfläche aufweisen
kann.
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Für den der
Gasturbine als Abhitzedampferzeuger heizgasseitig nachgeschalteten
Dampferzeuger kommen mehrere alternative Auslegungskonzepte, nämlich die
Auslegung als Durchlaufdampferzeuger oder die Auslegung als Umlaufdampferzeuger,
in Betracht. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren
vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums
in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf. Im Gegensatz dazu
wird bei einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger das im Umlauf
geführte
Wasser bei einem Durchlauf durch die Verdampferrohre nur teilweise verdampft.
Das dabei nicht verdampfte Wasser wird nach einer Abtrennung des
erzeugten Dampfes für eine
weitere Verdampfung den selben Verdampferrohren erneut zugeführt.
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Ein
Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Natur- oder
Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass Frischdampfdrücke weit über dem
kritischen Druck von Wasser (PKri ≈ 221 bar) – wo es
nur noch geringe Dichteunterschiede gibt zwischen flüssigkeitsähnlichem
und dampfähnlichem
Medium – möglich sind. Ein
hoher Frischdampfdruck begünstigt
einen hohen thermischen Wirkungsgrad und somit niedrige CO2-Emissionen eines fossilbeheizten Kraftwerks. Zudem
weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger
eine einfache Bauweise auf und ist somit mit besonders geringem Aufwand
herstellbar. Die Verwendung eines nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten
Dampferzeugers als Abhitzedampferzeuger einer Gas- und Dampfturbinenanlage
ist daher zur Erzielung eines hohen Gesamtwirkungsgrades der Gas-
und Dampfturbinenanlage bei einfacher Bauweise besonders günstig.
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Besondere
Vorteile hinsichtlich des Herstellungsaufwands, aber auch hinsichtlich
erforderlicher Wartungsarbeiten bietet ein Abhitzedampferzeuger in
liegender Bauweise, bei dem das beheizende Medium oder Heizgas,
also das Abgas aus der Gasturbine, in annähernd horizontaler Strömungsrichtung durch
den Dampferzeuger geführt
ist. Bei einem Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise können die
Dampferzeugerrohre einer Heizfläche
jedoch je nach ihrer Positionierung einer stark unterschiedlichen
Beheizung ausgesetzt sein. Insbesondere bei ausgangsseitig mit einem
gemeinsamen Sammler verbundenen Dampferzeugerrohren kann eine unterschiedliche
Beheizung einzelner Dampferzeugerrohre zu einer Zusammenführung von
Dampfströmen mit
stark voneinander abweichenden Dampfparametern und somit zu unerwünschten
Wirkungsgradverlusten, insbesondere zu einer vergleichsweise verringerten
Effektivität
der betroffenen Heizfläche
und einer dadurch reduzierten Dampferzeugung, führen. Eine unterschiedliche
Beheizung benachbarter Dampferzeugerrohre kann zudem, insbesondere
im Einmündungsbereich
von Sammlern, zu Schäden
an den Dampferzeugerrohren oder dem Sammler führen. Die an sich wünschenswerte
Verwendung eines in liegender Bauweise ausgeführten Durchlaufdampferzeugers
als Abhitzedampferzeuger für
eine Gasturbine kann somit erhebliche Probleme hinsichtlich einer
ausreichend stabilisierten Strömungsführung mit
sich bringen.
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Aus
der
EP 0944 801 B1 ist
ein Dampferzeuger bekannt, der für
eine Auslegung in liegender Bauweise geeignet ist und zudem die
genannten Vorteile eines Durchlaufdampferzeugers aufweist. Dazu
ist der bekannte Dampferzeuger hinsichtlich seiner Durchlaufheizfläche derart
ausgelegt, dass ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr
derselben Durchlaufheizfläche
mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr einen im Vergleich zum weiteren
Dampferzeugerrohr höheren
Durchsatz des Strömungsmediums
aufweist. Die Durchlaufheizfläche
des bekannten Dampferzeugers zeigt somit in der Art der Strömungscharakteristik
einer Naturumlaufverdampferheizfläche (Naturumlaufcharakteristik)
bei auftretender unterschiedlicher Beheizung einzelner Dampferzeugerrohre
ein selbststabilisierendes Verhalten, das ohne das Erfordernis äußerer Einflussnahme
zu einer Angleichung der austrittsseitigen Temperaturen auch an
unterschiedlich beheizten, strömungsmediumsseitig
parallel geschalteten Dampferzeugerrohren führt. Allerdings ist der bekannte
Dampferzeuger in konstruktiver Hinsicht, insbesondere im Hinblick auf
die wasser- und/oder dampfseitige Verteilung des Strömungsmediums,
vergleichsweise aufwendig. Zudem können zwischen benachbarten
Verdampferrohren problematische Differenzdehnungen auftreten, die
zu unzulässigen
thermischen Spannungen und damit zu Schäden an Rohren und Sammlern
führen können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger
der oben genannten Art anzugeben, der mit besonders geringem Aufwand
herstellbar ist, und der auch bei unter schiedlicher thermischer
Belastung eine besonders hohe mechanische Stabilität aufweist.
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Diese
Aufgabe wird mit den litteln des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass in einem mit besonders geringem Montage- und Fertigungsaufwand
herstellbaren Dampferzeuger für
ein besonders stabiles und gegenüber
Unterschieden in der thermischen Belastung besonders unempfindliches
Betriebsverhalten das bei dem bekannten Dampferzeuger angewandte
Auslegungsprinzip einer Naturumlaufcharakteristik für eine Durchlaufheizfläche konsequent
ausgebaut und weiter verbessert werden sollte. Die Durchlaufheizfläche sollte
dabei für
eine Beaufschlagung mit vergleichsweise geringer Massenstromdichte
mit vergleichsweise geringerem Reibungsdruckverlust ausgelegt sein.
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Um
die bei dieser Auslegung wirksame Naturumlaufcharakteristik der
Durchströmung
zu unterstützen,
ist eine Aufteilung der Dampferzeugerrohre der Durchlaufheizfläche in jeweils
zumindest zwei Segmente (von parallelen Rohren) vorgesehen, wobei
das erste Segment alle Fallrohrstücke umfasst und in Abwärtsrichtung
durchströmt
wird. Entsprechend umfasst das zweite Segment alle Steigrohrstücke und
wird in Aufwärtsrichtung
durchströmt.
In den Fallrohrstücken
des ersten Segments wirkt der Beitrag des geodätischen Drucks, also im Wesentlichen das
Gewicht der Wassersäule,
somit in Richtung der vorgesehenen Durchströmung und begünstigt diese durch
einen positiven Beitrag zur Druckänderung längs des Strömungsweges, also durch Druckgewinn.
Lediglich im zweiten Segment oder Steigrohrstück wirkt der Beitrag des geodätischen
Drucks ent gegen der vorgesehenen Durchströmungsrichtung und liefert somit
einen Beitrag zum Druckverlust. In Summe können sich die beiden geodätischen
Druckbeiträge
jedoch nahezu aufheben; es ist sogar denkbar, dass der durchströmungsfördernde
geodätische Druckbeitrag
im ersten Segment oder Fallrohrstück den durchströmungshemmenden
geodätischen Druckbeitrag
im zweiten Segment oder Steigrohrstück übersteigt, so dass wie in Naturumlaufsystemen
insgesamt ein strömungserhaltender
oder strömungsbegünstigender
Druckbeitrag vorliegt.
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Zweckmäßigerweise
ist das Fallrohrstück
jedes Dampferzeugerrohrs im Heizgaskanal in Heizgasrichtung gesehen
hinter dem ihm zugeordneten Steigrohrstück angeordnet. Mit anderen
Worten: zweckmäßigerweise
sind die Dampferzeugerrohre im Heizgaskanal räumlich derart positioniert,
dass das strömungsmediumsseitig
gesehen erste Segment oder Fallrohrstück rauchgasseitig stromabwärts vom
strömungsmediumsseitig
gesehen zweiten Segment oder Steigrohrstück angeordnet ist. Bei einer derartigen
Anordnung ist jedes Steigrohrstück
somit einer vergleichsweise stärkeren
Beheizung durch das Heizgas ausgesetzt als das ihm zugeordnete Fallrohrstück desselben
Dampferzeugerrohrs. Damit übersteigt
auch der relative Dampfanteil des Strömungsmediums im Steigrohrstück den relativen Dampfanteil
des Strömungsmediums
im Fallrohrstück
deutlich, so dass der geodätische
Druckbeitrag, im wesentlichen gegeben durch das Gewicht der Wasser-Dampf-Säule im jeweiligen
Rohrstück, im
Fallrohrstück
deutlich höher
ist als im ihm zugeordneten Steigrohrstück.
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Ein
besonders einfacher Aufbau der Durchlaufheizfläche einerseits sowie eine besonders
geringe mechanische Belastung der Durchlaufheizfläche auch
bei unterschiedlicher thermischer Beaufschlagung andererseits ist
erreichbar, indem in weiterer oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung
das Fallrohrstück
eines oder jedes Dampferzeugerrohrs mit dem ihm zugeordneten Steigrohrstück strömungsmediumsseitig über ein Überströmstück verbunden ist.
Bei einer derartigen Ausgestal tung weist das jeweilige Dampferzeugerrohr
somit im Wesentlichen eine u-förmige
Gestalt auf, bei dem die Schenkel durch das Steigrohrstück einerseits
und das Fallrohrstück
andererseits und der Bogen durch das diese verbindende Überströmstück gegeben
sind.
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Eine
derartige Anordnung ist besonders zur Dehnungskompensation bei sich ändernder
thermischer Belastung geeignet; das das Fallrohrstück und das
Steigrohrstück
verbindende Überströmstück dient
hierbei nämlich
als Dehnungsbogen, der relative Längenänderungen des Steigrohrstücks und/oder des
Fallrohrstücks
ohne weiteres kompensieren kann. Durch das Überströmstück ist somit eine Umlenkung
der Dampferzeugerrohre im unteren Bereich einer durch die Fallrohrstücke gegebenen
ersten Verdampferstufe mit direkter Weiterführung und erneuter Umlenkung
im unteren Bereich einer durch die Steigrohrstücke gebildeten zweiten Verdampferstufe
gegeben.
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Das Überströmstück ist vorteilhafterweise
innerhalb des Heizgaskanals verlegt. Alternativ kann das Überströmstück aber
auch außerhalb
des Heizgaskanals geführt
sein, insbesondere wenn aus Gründen
einer möglicherweise
erforderlichen Entwässerung
der Durchlaufheizfläche
ein Entwässerungssammler
an das Überströmstück angeschlossen
sein soll.
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Für den Fall,
dass der strömungsfördernde Druckbeitrag
im Fallrohrstück
eines Dampferzeugerohrs den strömungsbehindernden
Druckbeitrag im ihm zugeordneten Steigrohrstück in besonders hohem Maße übersteigt,
könnte
der daraus resultierende Abfluss von Strömungsmedium vom Fallrohrstück in das
Steigrohrstück
den eintrittsseitigen Zufluss an Strömungsmedium in das Fallrohrstück übersteigen. Deshalb
ist das oder jedes Dampferzeugerrohr vorteilhafterweise hinsichtlich
seiner gesamten Druckbilanz derart ausgelegt, dass der insgesamt
im Fallrohrstück
auftretende, strömungsfördernde
Druckbeitrag im Hinblick auf den im Steigrohrstück auftretenden, strömungshemmenden
Druckbeitrag nur begrenzt ist.
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Dazu
ist das Fallrohrstück
eines oder jedes Dampferzeugerrohrs des Dampferzeugers vorteilhafterweise
für einen
ausreichend hohen Reibungsdruckverlust des durchströmenden Strömungsmediums
ausgelegt. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Dimensionierung,
insbesondere im Querschnitt, der einzelnen Rohrstücke erfolgen.
Zweckmäßigerweise
umfasst dabei ein oder jedes Dampferzeugerrohr auch in der Art einer
Gabelung jeweils eine Mehrzahl von einem gemeinsamen Fallrohrstück strömungsmediumsseitig
nachgeschalteten, einander zur Durchströmung des Strömungsmediums
parallel geschalteten Steigrohrstücken. In alternativer oder
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist dem Fallrohrstück des oder
jedes Dampferzeugerrohrs strömungsmediumsseitig
jeweils eine Drosseleinrichtung vorgeschaltet, über die insbesondere der individuelle
Durchsatz bei der Bespeisung des jeweiligen Fallrohrstücks einstellbar
ist.
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Die
Dampferzeugerrohre können
innerhalb des Heizgaskanals zu Rohrreihen zusammengefasst sein,
von den jede jeweils eine Anzahl von senkrecht zur Heizgasrichtung
nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren umfasst. Bei einer
derartigen Ausgestaltung sind die Dampferzeugerrohre vorteilhafterweise
derart geführt,
dass den die am stärksten beheizte
Rohrreihe bildenden Steigrohrstücken,
also der in heizgasrichtung gesehen ersten Rohrreihe, die am schwächsten beheizte
oder in Heizgasrichtung gesehen letzte Rohrreihe der Fallrohrstücke zugeordnet
ist. Dazu sind zweckmäßigerweise
die Steigrohr- und
Fallrohrstücke
mehrerer Dampferzeugerrohre im Heizgaskanal relativ zueinander derart
positioniert, dass einem in Heizgasrichtung gesehen vergleichsweise
weit hinten liegenden Fallrohrstück
ein in Heizgasrichtung gesehen vergleichsweise weit vorn liegendes
Steigrohrstück
zugeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung, die in räumlicher
Hinsicht im Wesentlichen einer ineinandergeschachtelten Anordnung
mehrerer u-förmige
Dampferzeugerrohre entspricht, werden die vergleichsweise stark
beheizten Steigrohrstücke
mit vergleichsweise schwach vorbeheiztem, aus den Fallrohrstücken abströmendem Strömungsmedium
bespeist.
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Damit
ist gerade bei den vergleichsweise stark beheizten Steigrohrstücken der
insgesamt strömungsfördernde
geodätische
Druckbeitrag durch das jeweils vorgeschaltete Fallrohrstück besonders groß, so dass
selbsttätig
eine besonders starke Zusatzbespeisung mit Strömungsmedium aus dem zugeordneten
Fallrohrstück
erfolgt. Die selbsttätige
Zusatzbespeisung aus dem zugeordneten Fallrohrstück erfolgt in diesem Fall somit
besonders bedarfsgerecht gerade für stark beheizte Rohre, so
dass die erwünschte
Naturumlaufcharakteristik in besonderem Maße verstärkt wird.
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Um
den strömungsfördernden
geodätischen Druckbeitrag
im jeweiligen Dampferzeugerrohr bereitzustellen, kann das jeweilige
Dampferzeugerrohr derart ausgestaltet sein, dass es lediglich ein
Fallrohrstück
sowie lediglich ein diesem strömungsmediumsseitig
nachgeschaltetes Steigrohrstück
umfasst. Eine besonders hohe Flexibilität bei der Anpassung der Wärmeaufnahmekapazität des das
Dampferzeugerrohr durchströmenden
Strömungsmediums
an das Temperaturprofil des den Heizgaskanal durchströmenden Heizgases
ist jedoch erreichbar, indem eine Anzahl der Dampferzeugerrohre
jeweils eine Mehrzahl von strömungsmediumsseitig
alternierend hintereinander geschalteten Fallrohr- und Steigrohrstücken umfassen.
Jedes dieser Dampferzeugerrohre weist dabei in Strömungsrichtung
des Strömungsmediums
gesehen zunächst
ein erstes Fallrohrstück auf,
dem sich nach geeigneter Umlenkung, vorzugsweise über ein Überströmstück, ein
erstes, für
eine Durchströmung
des Strömungsmediums
in Aufwärtsrichtung
ausgebildetes Steigrohrstück
anschließt. Diesem
ist, vorzugsweise ebenfalls nach geeigneter Umlenkung über ein
innerhalb des Heizgaskanals angeordnetes Überströmstück, ein zweites, für die Durchströmung des
Strömungsmediums
in Abwärtsrichtung
ausgelegtes Fallrohrstück
nachgeschaltet. An das zweite Fallrohrstück schließt sich sodann erneut ein zweites
Steigrohrstück
an. Darüber
hinaus können
bedarfsweise auch noch mehrere Fallrohr- und Steigrohrstücke in alternierender
Reihenfolge nachgeschaltet sein.
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Zweckmäßigerweise
wird der Dampferzeuger als Abhitzedampferzeuger einer Gas- und Dampfturbinenanlage
verwendet. Dabei ist der Dampferzeuger vorteilhafterweise heizgasseitig
einer Gasturbine nachgeschaltet. Bei dieser Schaltung kann zweckmäßigerweise
hinter der Gasturbine eine Zusatzfeuerung zur Erhöhung der
Heizgastemperatur angeordnet sein.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch die zwei- oder mehrstufige Ausgestaltung der Dampferzeugerrohre mit
einem in Abwärtsrichtung
durchströmbaren
Fallrohrstück
und einem diesem strömungsmediumsseitig
nachgeschalteten, in Aufwärtsrichtung
durchströmbaren
Steigrohrstück
zumindest im ersten Segment des Dampferzeugerrohrs ein strömungsfördernder
Druckbeitrag über
den geodätischen
Druck der darin befindlichen Wassersäule bereit gestellt werden
kann.
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Zwar
führen
abwärts
durchströmte
beheizte Verdampfersysteme üblicherweise
zu Strömungsinstabilitäten, die
gerade beim Einsatz in Zwangdurchlaufverdampfern nicht tolerabel
sind. Bei einer Bespeisung mit vergleichsweise niedriger Massenstromdichte
ist durch den vergleichsweise geringen Reibungsdruckverlust aber
in zuverlässiger
Weise eine Naturumlaufcharakteristik des Dampferzeugerrohrs erzielbar,
die bei einer Mehrbeheizung eines Dampferzeugerrohrs im Vergleich
zu einem weiteren Dampferzeugerrohr zu einem vergleichsweise höheren Durchsatz
des Strömungsmediums
im mehrbeheizten Dampferzeugerrohr führt. Diese Naturumlaufcharakteristik
gewährleistet
auch bei Verwendung der abwärts
durchströmten
Segmente eine ausreichend stabile und zuverlässige Durchströmung der
Dampferzeugerrohre.
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Eine
derartige Charakteristik ist zudem mit besonders geringem baulichen
und Montageaufwand erreichbar, indem das Stei grohrstück dem ihm jeweils
zugeordneten Fallrohrstück
direkt und ohne Zwischenschaltung eines aufwendigen Sammler- oder
Verteilersystems nachgeschaltet ist. Der Dampferzeuger weist somit
bei besonders stabilem Strömungsverhalten
eine vergleichsweise geringe Anlagenkomplexität auf. Darüber hinaus können sowohl
das Fallrohrstück
als auch das diesem nachgeschaltete Steigrohrstück jedes Dampferzeugerrohrs jeweils
in hängender
Bauweise im Bereich der Gehäusedecke
des Heizgaskanals befestigt sein, wobei jeweils eine freie Längsdehnung
im unteren Bereich zugelassen ist. Derartige, durch thermische Effekte bedingte
Längsdehnungen
werden nunmehr durch das das jeweilige Steigrohrstück mit dem
Fallrohrstück
verbindende Überströmstück kompensiert,
so dass aufgrund thermischer Effekte keine Verspannungen auftreten.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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Die 1, 2 und 3 jeweils
in vereinfachter Darstellung im Längsschnitt einen Dampferzeuger
in liegender Bauweise.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der
Dampferzeuger 1, 1', 1'' gemäß den 1, 2 bzw. 3 ist
in der Art eines Abhitzedampferzeugers einer nicht näher dargestellten
Gasturbine abgasseitig nachgeschaltet. Der Dampferzeuger 1, 1', 1'' weist jeweils eine Umfassungswand 2 auf,
die einen in einer annähernd
horizontalen, durch die Pfeile 4 angedeuteten Heizgasrichtung
x durchströmbaren
Heizgaskanal 6 für
das Abgas aus der Gasturbine bildet. Im Heizgaskanal 6 ist
jeweils eine Anzahl von nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Heizflächen, auch
als Durchlaufheizflächen 8, 10 bzw. 12 bezeichnet,
angeordnet. In den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1, 2 und 3 ist
jeweils lediglich eine Durchlaufheizfläche 8, 10 bzw. 12 gezeigt,
es kann aber auch eine größere Anzahl
von Durchlaufheizflächen
vorgesehen sein.
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Das
aus den Durchlaufheizflächen 8, 10, bzw. 12 gebildete
Verdampfersystem ist jeweils mit Strömungsmedium W beaufschlagbar,
das bei einmaligem Durchlauf durch die jeweilige Durchlaufheizfläche 8, 10 bzw. 12 verdampft
und nach dem Austritt aus der Durchlaufheizfläche 8, 10 bzw. 12 als
Dampf D abgeführt
und üblicherweise
zur weiteren Überhitzung Überhitzerheizflächen zugeführt wird.
Das aus der jeweiligen Durchlaufheizfläche 8, 10 bzw. 12 gebildete
Verdampfersystem ist jeweils in den nicht näher dargestellten Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine
geschaltet. Zusätzlich
zu dem jeweiligen Verdampfersystem sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf
der Dampfturbine eine Anzahl weiterer, in den 1 bis 3 jeweils
schematisch angedeutete Heizflächen 20 geschaltet.
Bei den Heizflächen 20 kann
es sich beispielsweise um Überhitzer,
Mitteldruckverdampfer, Niederdruckverdampfer und/oder um Vorwärmer handeln.
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Die
Durchlaufheizfläche 8 des
Dampferzeugers 1 nach 1 umfasst
in der Art eines Rohrbündels
eine Mehrzahl von zur Durchströmung
des Strömungsmediums
W parallel geschalteten Dampferzeugerrohren 22. Dabei ist
jeweils eine Mehrzahl von Dampferzeugerrohren 22 in Heizgasrichtung
x gesehen nebeneinander angeordnet. Dabei ist jeweils lediglich
eines der so nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohre 22 sichtbar.
Den so nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren 22 ist
dabei strömungsmediumsseitig
jeweils ein gemeinsamer Verteiler 26 vor- und ein gemeinsamer
Austrittssammler 28 nachgeschaltet. Die Verteiler 26 sind
dabei ihrerseits eingangsseitig mit einem Hauptverteiler 30 verbunden,
wobei die Austrittssammler 28 ausgangsseitig an einen gemeinsamen
Hauptsammler 32 angeschlossen sind.
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Die
Durchlaufheizfläche 8 ist
derart ausgelegt, dass sie für
eine Bespeisung der Dampferzeugerrohre 22 mit vergleichsweise
niedriger Massenstromdichte geeignet ist, wobei die Dampferzeugerrohre 22 eine
Naturumlaufcharakteristik aufweisen. Bei dieser Naturumlaufcharakteristik
weist ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr 22 derselben
Durchlaufheizfläche 8 mehrbeheiztes
Dampferzeugerrohr 22 einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr 22 höheren Durchsatz
des Strömungsmediums
W auf. Um dies mit besonders einfachen konstruktiven Mitteln auf
besonders zuverlässige
Weise sicherzustellen, umfasst die Durchlaufheizfläche 8 zwei
strömungsmediumsseitig
in Reihe geschaltete Segmente. Im ersten Segment umfasst jedes Dampferzeugerrohr 22 der
Durchlaufheizfläche 8 dabei
ein annähernd
vertikal angeordnetes, vom Strömungsmedium
W in Abwärtsrichtung
durchströmbares
Fallrohrstück 34.
Im zweiten Segment umfasst jedes Dampferzeugerrohr 22 ein
dem Fallrohrstück 34 strömungsmediumsseitig
nachgeschaltetes, annähernd
vertikal angeordnetes und vom Strömungsmedium W in Aufwärtsrichtung
durchströmbares
Steigrohrstück 36.
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Das
Steigrohrstück 36 ist
mit dem ihm zugeordneten Fallrohrstück 34 dabei über ein Überströmstück 38 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel
sind die Überströmstücke innerhalb
des Heizgaskanals 6 geführt
und zur räumlichen
Fixierung durch eine im Heizgaskanal 6 angeordnete Lochplatte 40 geführt. Diese
bewirkt zwar eine lokale Verengung des für das Heizgas verfügbaren Strömungsquerschnitts
im Heizgaskanal 6; zu betonen ist jedoch, dass die Darstellung
in 1 nicht maßstäblich ist,
so dass die relative Verengung des Strömungsquerschnitts für das Heizgas
durch die Lochplatte 40 nur geringfügig ist.
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Alternativ
können
die Überströmstücke auch außerhalb,
insbesondere unterhalb, des Heizgaskanals 6 geführt sein.
Dies kann insbesondere für
den Fall günstig
sein, dass aus konstruktiven oder betrieblichen Gründen eine
Entwässerung
der Durchlaufheizfläche 8 vorgesehen
sein soll. Diese kann bei außerhalb
des Heizgaskanals 6 geführten Überströmstücken 38 durch
einen an diese angeschlossenen Entwässerungssammler erfolgen. In
diesem Fall ist der Entwässerungssammler
vorzugsweise räumlich
in der Nähe
der Fallrohrstücke
angeordnet, so dass die Beweglichkeit der Heizrohrstücke hinsichtlich
thermischer Ausdehnung ungehindert erhalten bleibt.
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Jedes
Dampferzeugerrohr 22 der Durchlaufheizfläche 8 weist,
wie dies in 1 erkennbar ist, eine nahezu
u-förmige
Form auf, wobei die Schenkel des U durch das Fallrohrstück 34 und
das Steigrohrstück 36 und
der Verbindungsbogen durch das Überströmstück 38 gebildet
sind. Bei einem derartig ausgestalteten Dampferzeugerrohr 22 erzeugt
der geodätische
Druckbeitrag des Strömungsmediums
W im Bereich des Fallrohrstücks 34 – im Gegensatz
zum Bereich des Steigrohrstücks 36 – einen
strömungsfördernden
und nicht einen strömungshemmenden Druckbeitrag.
Mit anderen Worten: die im Fallrohrstück 34 befindliche
Wassersäule
an unverdampftem Strömungsmedium
W „schiebt" die Durchströmung des
jeweiligen Dampferzeugerrohrs 22 noch mit an, statt diese
zu behindern. Dadurch weist das Dampferzeugerrohr 22 insgesamt
gesehen einen vergleichsweise geringen Druckverlust auf.
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Bei
der annähernd
u-förmigen
Bauweise ist jedes Dampferzeugerrohr 22 jeweils im Eintrittsbereich
seines Fallrohrstücks 34 und
im Austrittsbereich seines Steigrohrstücks 36 in der Art
einer hängenden
Bauweise an der Decke des Heizgaskanals 6 aufgehängt oder
befestigt. Die räumlich
gesehen unteren Enden des jeweiligen Fallrohrstückes 34 und des jeweiligen
Steigrohrstücks 36,
die durch ihr Überströmstück 38 miteinander
verbunden sind, sind hingegen nicht unmittelbar räumlich im
Heizgaskanal 6 fixiert. Längendehnungen dieser Segmente
der Dampferzeugerrohre sind somit ohne Schadensrisiko tolerierbar,
wobei das jeweilige Überströmstück 38 als
Dehnungsbogen wirkt. Diese Anordnung der Dampferzeugerrohre 22 ist
somit mechanisch besonders flexibel und hinsichtlich thermischer
Spannungen unempfindlich gegenüber
auftretenden Differenzdehnungen.
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Eine
Mehrbeheizung eines Dampferzeugerrohrs 22, insbesondere
in seinem Steigrohrstück 36, führt dabei
dort zunächst
zur Erhöhung
der Verdampfungsrate, wobei bereits aufgrund der Dimensionierung
des Dampferzeugerrohrs 22 infolge dieser Mehrbeheizung
eine Erhöhung
der Durchströmungsrate
durch das mehrbeheizte Dampferzeugerrohr 22 eintritt.
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Die
Dampferzeugerrohre 22 verschiedener Rohrreihen 24 der
Durchlaufheizfläche 8 sind
zudem in der Art ineinandergeschachtelter Us angeordnet. Dazu sind
die Steigrohrstücke 36 und
die Fallrohrstücke 34 mehrerer
Dampferzeugerrohre 22 im Heizgaskanal 6 relativ
zueinander derart positioniert, dass einem in Heizgasrichtung x
gesehen vergleichsweise hinten liegenden Fallrohrstück 34 ein
in Heizgasrichtung x gesehen vergleichsweise weit vorn liegendes
Steigrohrstück 36 zugeordnet
ist. Durch diese Anordnung kommuniziert ein vergleichsweise stark
beheiztes Steigrohrstück 36 mit
einem vergleichsweise schwach beheizten Fallrohrstück 34. Durch
diese relative Positionierung ist auch zwischen den Rohrreihen 24 ein
selbsttätig
ausgleichender Effekt erreicht. Gerade bei einem vergleichsweise
stark beheizten, weit vorn liegenden Steigrohrstück 36 bewirkt nämlich die
Mehrbeheizung eine besonders starke Dampfproduktion und somit einen
besonders starken Bedarf an Zusatzbespeisung mit Strömungsmedium
W. Gerade ein derartig stark beheiztes Steigrohrstück 36 ist
jedoch mit einem vergleichsweise schwach beheizten Fallrohrstück 34 verbunden. Dieses
weist aufgrund des vergleichsweise geringen Wärmeeintrags in das in ihm geführte Strömungsmedium
W einen besonders hohen strömungsfördernden
geodätischen
Druckbeitrag auf, so dass gerade ein derartiges, vergleichsweise
schwach beheiztes Fallrohrstück 34 zur
Bereitstellung einer zusätzlichen Einspeisemenge
an vergleichsweise kühlem
Strömungsmedium
W besonders geeignet ist.
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Die
Mehrbeheizung eines vergleichsweise weit vom angeordneten Steigrohrstücks 36 eines Dampferzeugerrohrs 22 bewirkt
besonders in dieser Anordnung, dass der strömungsfördernde geodätische Druckbeitrag
im Fallrohrstück 34 den
strömungshemmenden
geodätischen
Druckbeitrag im zugeordneten Steigrohrstück 36 in besonderem Maße übersteigt,
so dass zusätzlich
noch eine erhöhte
Bespeisung des jeweiligen Steigrohrstücks 36 mit Strömungsmedium
W erfolgt. Aufgrund dieser somit besonders ausgeprägten Naturumlaufcharakteristik der
Dampferzeugerrohre 22 weisen diese in besonderem Maße ein selbststabilisierendes
Verhalten gegenüber
lokal unterschiedlicher Beheizung auf: eine Mehrbeheizung einer
Reihe von Dampferzeugerrohren 22 führt dabei lokal zur erhöhten Zufuhr
von Strömungsmedium
W in diese Reihe von Dampferzeugerrohr 22, so dass aufgrund
der entsprechend vergrößerten Kühlwirkung
selbsttätig
eine Angleichung der jeweiligen Temperaturwerte einsetzt. Der in
den Hauptsammler 32 einströmende Frischdampf ist somit
hinsichtlich seiner Dampfparameter, unabhängig von der individuell durchlaufenen
Rohrreihe 24, besonders homogen.
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Je
nach Auslegungspunkt oder vorgesehenem Betriebspunkt des Dampferzeugers 1, 1', 1'' kann der durch ein abwärts durchströmtes Verdampfersegment
bereitgestellte strömungsfördernde
geodätische
Druckbeitrag den strömungshemmenden geodätischen
Druckbeitrag des nachgeschalteten zweiten Verdampfersegments deutlich übersteigen. Deshalb
kann es auslegungspunktabhängig
vorteilhaft sein, das erste Verdampfersegment für einen vergleichsweise hohen
Reibungsdruckverlust auszulegen. Dazu ist den Rohrreihen des Dampferzeugers 1 nach 1 zwischen
dem Hauptverteiler 30 und den ihnen jeweils zugeordneten
Verteilern 26 jeweils eine Drosseleinrichtung 42 vorgeschaltet,
die insbesondere auch einstellbar oder regelbar ausgebildet sein
kann.
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Alternativ
umfasst der Dampferzeuger 1' im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 dazu
eine Durchlaufheizfläche 10,
deren Dampferzeugerrohre 50 in einem ersten Segment jeweils
ebenfalls ein Fallrohrstück 52 aufweisen,
dem jedoch strömungsmediumsseitig
jeweils eine Mehrzahl von einander zur Durchströmung des Strömungsmediums
W parallel geschalteten Steigrohrstücken 54 nachgeschaltet
ist. Die Überströmstücke 56, über die
die Fallrohrstücke 52 jeweils
mit der ihnen zugeordneten Mehrzahl an Steigrohrstücken 54 verbunden
sind, sind dabei im Ausführungsbeispiel
wiederum innerhalb des Heizgaskanals 6 geführt und
in einem Lochblech 58 gehaltert. Bedarfsweise können sie
jedoch auch außerhalb
des Heizgaskanals 6 verlegt sein. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 sind
jedem Fallrohrstück 52 jeweils
2 strömungsmediumsseitig
parallel geschaltete Steigrohrstücke 54 nachgeschaltet.
Die dabei verwendeten Rohre weisen gleiche Dimensionierung auf,
so dass der freie Strömungsquerschnitt
für das
Strömungsmedium
W in den parallel geschalteten Steigrohrstücken 54 jeweils doppelt
so groß ist wie
der Strömungsquerschnitt
im ihnen gemeinsam vorgeschalteten Fallrohrstück 52. Alternativ
kann eine derartige Begrenzung des Reibungsdruckverlusts in den
Fallrohrstücken 52 im
Bedarfsfall auch durch eine geeignete Dimensionierung, insbesondere
durch die Wahl eines vergleichsweise kleineren Durchmessers, erzielt
werden.
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Der
Dampferzeuger 1'' im Ausführungsbeispiel
gemäß 3 umfasst
eine Durchlaufheizfläche 12,
die ebenfalls für
einen vergleichsweise geringen Reibungsdruckverlust ausgelegt und
somit zur Sicherstellung einer Naturumlaufcharakteristik bei vergleichsweise
geringer Massenstromdichte besonders geeignet ist. Die Durchlaufheizfläche 12 des Dampferzeugers 1'' ist jedoch darüber hinaus hinsichtlich ihres
Wärmeaufnahmevermögens an
das Temperaturprofil des den Heizgaskanal 6 durchströmenden Heizgases
besonders angepasst. Dazu umfasst jedes der die Durchlaufheizfläche 12 bildenden Dampferzeugerrohre 60 jeweils
eine Mehrzahl – im Ausführungsbeispiel
zwei – von
strömungsmediumsseitig
alternierend hintereinandergeschalteten Fallrohrstücken 62, 64 und
Steigrohrstücken 66, 68.
Das in Strömungsrichtung
des Strömungsmediums
W gesehen erste Fallrohrstück 62 ist
dabei jeweils über
ein Überströmstück 70 mit
dem ihm nachgeschalteten ersten Steigrohrstück 66 verbunden. Dieses
ist seinerseits ausgangsseitig über
ein Überströmstück 72 mit
dem ihm nachgeschalteten zweiten Fallrohrstück 64 verbunden. Das
zweite Fallrohrstück 64 ist über ein Überströmstück 74 an
das zweite Steigrohrstück 66 angeschlossen.
Die Überströmstücke 70, 72, 74 sind
wiederum innerhalb des Heizgaskanals 6 geführt und über jeweils
ein Lochblech 76, 78 bzw. 80 im Boden-
bzw. Deckenbereich des Heizgaskanals 6 befestigt.