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Die
Anmeldung betrifft einen korrosionsgeschützten Rohrfeldstrahlungsüberhitzer.
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Überhitzer
werden in Dampfkesselanlagen verwendet. In diesen wird Wasserdampf über
seine Verdampfungstemperatur hinaus weiter erhitzt, sodass die Dampftemperatur
oberhalb des Kondensationspunktes liegt. Solcher Dampf wird auch
als Trockendampf oder Frischdampf bezeichnet. Durch die Überhitzung
kann bei der Verwendung des Dampfes in Anlagen der Anlagenwirkungsgrad – wie
z. B. bei dem Betrieb von Dampfturbinen zur Stromerzeugung – deutlich
erhöht werden.
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Rohrfelder
dienen bei Überhitzern zur Wärmeaufnahme. Ein
Rohrfeld bezeichnet eine flächig angeordnete Vielzahl an
Rohren, durch die der zu erwärmende Dampf hindurchgeleitet
und stetig mit einem Heizmedium konvektiv und/oder über
Strahlung aufgeheizt wird. Die einzelnen Rohre sind hierbei über
ihre gesamte Länge miteinander verbunden und bilden eine
durchgehende Fläche aus. Der Dampf wird hierbei je nach
Anordnung der Rohre einfach oder mehrfach und ggf. mit wechselnder,
relativer Flussrichtung zum beheizten Medium, sukzessive mit Wärme
beaufschlagt. Häufig sind Rohrfelder als durchgehend miteinander
verschweißte – und ggf. zwischen den Rohren angeordnete
Stege aufweisende – Wände ausgeführt,
welche an die Wandform des Kessels angepasst sind.
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Rauchgas
fällt als Heizmedium bei Verbrennungsanlagen an und ist
das durch Verbrennung erzeugte, heiße und über
Züge der jeweiligen Verbrennungsanlage abgeleitete Abgas.
Die Züge werden in Strahlungs- und in Konvektionszüge
unterteilt. In den Strahlungszügen können Strahlungsüberhitzer
verwendet werden, während in den Konvektionszügen Berührungsüberhitzer
verwendet werden.
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Bei
Berührungsüberhitzern wird durch konvektiven Wärmeübergang
aus einem beheizten Medium, welches sich im direkten Kontakt mit
der Wärmeaufnahmefläche des Überhitzers
befindet, Wärme entzogen und auf den Dampf übertragen.
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Bei
Strahlungsüberhitzern wird Wärme aus dem sehr
heißen Gas im Wesentlichen in Form von Strahlungsenergie
auf den Dampf übertragen. Dies erlaubt das Einstellen von
höheren Dampftemperaturen und macht wie vorbeschrieben
höhere Wirkungsgrade zugänglich. Die verbesserte Übertragung
von Wärme in Form von Wärmestrahlung ist jedoch
erst bei hohen Rauchgastemperaturen von mindestens 700°C
durchführbar.
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Ein
Problem besteht bei stark korrosiven Rauchgasen, welche bei der
hohen, notwendigen Temperatur von mindestens 700°C die
warmfesten, elastischen Legierungen des Rohrfelds im direkten Kontakt
massiv angreifen und innerhalb weniger Wochen so stark schädigen,
dass es zum Aufreißen der mit Überdruck von bis
zu 160 bar mit Dampf befüllten Rohre kommt.
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Korrosive
Gase bezeichnen hierbei Rauchgase mit einem Halogengehalt von 100
ppm und mehr, was in seiner Wirkung einem Gewichtsanteil an Chlor
bezogen auf Chlorwasserstoff von 50 mg pro Kubikmeter Rauchgas gleichgesetzt
werden kann. Besonders bei Schwefeloxidanteilen der gleichen Größenordnung
erhöht sich die Aggressivität des Rauchgases erheblich.
In Kombination mit Schwermetallsalzen aus der Gruppe der Sulfate
und Sulfite erfolgt eine aggressive, rasche Korrosion unter Bildung
von Mischsalzen und Mischoxiden, die zum raschen Versagen einzelner
Rohre innerhalb eines Rohrfelds eines Strahlungsüberhitzers
führen.
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Ein
korrosionsgeschützter Rohrfeld-Kesselüberhitzer
und ein Verfahren zur Herstellung desselben ist aus der
DE 26 08 000 A1 bekannt.
Hierbei wird ein Rohrfeld mit einer durchgehenden Schicht einer
feuerbeständigen Masse ummantelt, die als aushärtende
Flüssigkeit oder als aushärtendes Gemisch als
Ummantelungsschicht glatt auf das Rohrfeld zumindest teilweise aufgestrichen
und ausgehärtet wird. Die feuerbeständige Masse
wird über auf den Rohroberflächen angeschweißte
Dorne an dem Rohrfeld gehalten.
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Als
problematisch erwiesen sich solche ausgehärteten Massen
in der Anwendung bei Strahlungsüberhitzern, da die hohe
Temperatur des korrosiven Rauchgases auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von feuerfester Masse und warmfestem Stahl zum lokalen Aufreißen der
unter Spannung gesetzten Materialschicht und zur Ausbildung von
Spalten oder Klüften führte. Anschließend
erfolgte ein im normalen Betrieb nicht feststellbarer, korrosiver
Angriff über die Spalten und Klüfte, was ein vorzeitiges
Versagen einzelner Rohre nach sich zog.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es daher, einen korrosionsgeschützten
Rohrfeldstrahlungsüberhitzer bereitzustellen, der in einer
Verbrennungsanlage mit korrosiven Rauchgasvolumina verbaut und verwendet
werden kann, wobei das vorzeitige Versagen einzelner Rohre durch
Korrosion sicher vermieden wird.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
gelöst.
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Wesentlich
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist, dass in einem Rohrfeldstrahlungsüberhitzer 1 das
Rohrfeld 2 zum korrosiven Rauchgas hin einen Zwischenraum 3 aufweist.
Der Zwischenraum 3 erstreckt sich über die gesamte
Fläche des Rohrfelds 2 und hat zwei Seitenflächen,
nämlich eine dem Rohrfeld zugewandte Seitenfläche
und eine dem Rauchgasvolumen 5 zugewandte Seite. Der Zwischenraum 3 wird
an seinen Seitenflächen durch das Rohrfeld 2 und
auf der dem Rauchgas zugewandten Seite durch ein Zwischenmedium 4 begrenzt.
Das Zwischenmedium 4 besteht aus einem korrosionsfesten,
den Zwischenraum 3 vom Rauchgasvolumen 5 abtrennenden
Werkstoff. Als Werkstoff werden Materialien verwendet, welche einerseits
den korrosiven Angriffen des Rauchgases standhalten und andererseits
eine im Wesentlichen dichte Trennung von Zwischenraum 3 und
Rauchgasvolumen 5 gewährleisten.
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Solche
Materialien sind zum Beispiel korrosionsfeste Edelstahlbleche, Siliciumcarbidwerkstoffe, Kohleverbundwerkstoffe,
Aluminiumsilikate, Mineralfaserplatten oder auch Keramiken auf Aluminiumoxidbasis.
Besonders silicierte Kohleverbundwerkstoffe mit einer Oberfläche,
welche einzeln oder in Kombination aus Siliciumcarbid, -nitrid und
Oxid ausgebildet ist, stellen bei geringem Gewicht und guter, mechanischer
Stabilität ein vorteilhaft leichtes und im Wesentlichen
gasdichtes Zwischenmedium 4 bereit. Eine kontinuierliche
Ablagerung von korrosiven Salzen sowie Salzgemischen an Kältefallen
wird so erfindungsgemäß vermieden.
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Erfindungsgemäß ist
das Rohrfeld 2 von den korrosiven Rauchgasen des Rauchgasvolumens 5 dadurch
vollständig getrennt, dass der Zwischenraum 3 mit
einem nicht korrosiven Zwischenraumgas gefüllt ist. Zwischenraumgas
bezeichnet hierbei ein Gas oder Gasgemisch, welches frei von Halogenverbindungen,
insbesondere in Kombination mit Schwefelsalzen, ist. So wird vorteilhaft
natürliche, trockene Umgebungsluft, die einen Halogengehalt
von weniger als 10 ppm aufweist, als einfach bereitzustellendes
Zwischenraumgas in den Zwischenraum 3 eingefüllt.
Bevorzugt erhöhte Anteile an trockenen Gasen wie Stickstoff
oder Schutzgasen wie Neon oder Argon führen mit geringerer
Wärmeabsorption zu einer Gasmischung oder zu einem Gas,
welches zusätzlich eine verminderte Rostkorrosion bereitstellt.
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Durch
das nicht korrosive Zwischenraumgas ist das Rohrfeld 2 des
erfindungsgemäßen Rohrfeldstrahlungsüberhitzers 1 vor
Korrosion geschützt und das Zwischenmedium 4 verhindert
zuverlässig das direkte Eindringen von korrosiven Rauchgasanteilen in
den Zwischenraum 3. Im Bereich der Strahlungszüge
angeordnet, unterliegt das Zwischenmedium 4 einer starken
Wärmestrahlung, die das Zwischenmedium 4 auf mindestens
700°C aufheizen. Das Zwischenmedium 4 strahlt
die rauchgasseitig auftreffende Wärmestrahlung seinerseits über
den Zwischenraum 3 auf das Rohrfeld 2 ab.
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Bevorzugt
wird die dem Rohrfeld zugewandte Außenfläche des
Zwischenmediums 4 der Oberflächenform des Rohrfelds
teilweise nachgeformt, sodass ein Abstand von Außenfläche
des Zwischenmediums zum Rohrfeld 2 von 0,3 bis 10 cm vorliegt.
Bei diesem Abstandsbereich liegt eine verbesserte Wärmestrahlungsübertragung
von Zwischenmedium 4 auf das Rohrfeld 2 vor. Wird
der Abstand unterschritten, so kommt es zu ungleichmäßiger
Erwärmung in Bezug auf das einzelne Rohrprofil. Wird der
Abstand überschritten, so kommt es vermehrt zu Unregelmäßigkeiten
auf Grund von ungleichmäßigem konvektivem Wärmetransport
im Zwischenraum 3.
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Vorteilhaft
werden im Rauchgas von Brennstoffen mit schadstoffhaltigen Anteilen
erhaltene, toxische Verbindungen bei einer erhöhten Temperatur (von
850 +/– 50°C) innerhalb einer Reaktionszeit von 2
sec zersetzt. Direkt im Anschluss an diese Rauchgasbehandlung kann
der erfindungsgemäße Rohrfeldstrahlungsüberhitzer
mit erhöhter Wirksamkeit zur Verwertung der anfallenden
Strahlungsenergie verwendet werden.
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Mit
dem erfindungsgemäß korrosionsgeschützten
Rohrfeldstrahlungsüberhitzer konnte in einer Verbrennungsanlage
mit korrosivem Rauchgas Dampf bei einem Druck von 40 bar von 250°C
auf bis zu 550°C erhitzt werden. Die Zeit bis zur ersten,
korrosionsbedingten Reparaturmaßnahme stieg bei dem korrosionsgeschützten
Rohrfeldstrahlungsüberhitzer 1 im Vergleich zum
ungeschützten Strahlungsüberhitzer um ein bis
zwei Größenordnungen (Faktor 10 bis 100) an. Im
Vergleich mit einem mit feuerfesten, aushärtenden Massen
glatt abgezogenen Rohrfeldstrahlungsüberhitzer betrug die
Betriebszeit des erfindungsgemäßen Rohrfeldstrahlungsüberhitzers 1 mehr
als das 5 fache.
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Durch
die zusätzliche, effektivere Nutzung der Strahlungsenergie
im Bereich der Strahlungszüge von Verbrennungsanlagen mit
korrosiven Rauchgasen wird die CO2-Bilanz
solcher Verbrennungsanlagen deutlich verbessert und gleichzeitig
die Rentabilität auf Grund des verbesserten Wirkungsgrades stark
erhöht.
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Weitere
Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich
aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden
Erläuterung der Erfindung an Hand der Prinzipskizzen.
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Es
versteht sich, dass die Merkmale der vorliegenden Erfindung nicht
ausschließlich auf die in der vorliegenden Beschreibung
dargelegte Merkmalskombination beschränkt zu sehen sind.
Die beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch
in Kombination im Rahmen der Erfindung gemäß der
unabhängigen Ansprüche vorteilhaft Anwendung finden.
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Es
veranschaulichen schematisch:
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1 den
erfindungsgemäßen Aufbau eines korrosionsgeschützten
Rohrfeldstrahlungsüberhitzers der vorliegenden Erfindung.
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2 die
vorteilhafte Innenflächenprofilierung eines Zwischenmediums
eines korrosionsgeschützten Rohrfeldstrahlungsüberhitzers
der vorliegenden Erfindung.
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3 eine
vorteilhafte Ausführung einer Innenflächenprofilierung
gemäß 2.
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4 einen
vorteilhaften, mehrschichtigen Aufbau eines Zwischenmediums eines
korrosionsgeschützten Rohrfeldstrahlungsüberhitzers
der vorliegenden Erfindung.
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5 eine
vorteilhafte Ausführung eines korrosionsgeschützten
Rohrfeldstrahlungsüberhitzers der vorliegenden Erfindung.
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6 die
Einbau- und Anschlusssituation eines korrosionsgeschützten
Rohrfeldstrahlungsüberhitzers der vorliegenden Erfindung
in einer Verbrennungsanlage während des Betriebs.
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Ausführliche Beschreibung
der veranschaulichenden Figuren
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1 gibt
das Wirkprinzip eines erfindungsgemäßen Rohrfeldstrahlungsüberhitzers 1 in
einem Schnittbild wieder. Das im Rauchgasvolumen 5 vorliegende,
heiße, korrosive Rauchgas beaufschlagt das Zwischenmedium 4 mit
Hitzestrahlung und heizt das Zwischenmedium somit auf. Das heiße
Zwischenmedium 4 gibt seinerseits die Wärme in
Form von Wärmestrahlung über den mit Zwischenraumgas gefüllten
Zwischenraum 3 hinweg an das Rohrfeld 2 weiter,
wo die Wärmestrahlung zum Überhitzen von Dampf
genutzt wird. Der resultierende Wärmefluss aus dem heißen,
korrosiven Rauchgas über das Zwischenmedium 4 und
den Zwischenraum 3 zum Rohrfeld 2 wird in 1 durch
gewellte Strahlungspfeile veranschaulicht.
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2 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform eines Zwischenmediums 4.
Hierbei weist das Zwischenmedium 4 eine Innenflächenprofilierung 41 auf,
die im Querschnitt veranschaulicht ist. Auftreffende Wärmestrahlung
wird auf der zum Rauchgas zugewandten Innenfläche des Zwischenmediums 4 absorbiert.
Bei einer Innenflächenprofilierung wird die vom Zwischenmedium 4 seinerseits
freigesetzte Wärmestrahlung zumindest teilweise innerhalb
des Profils hin- und herreflektiert und absorbiert. Die Menge an
wieder in Richtung Rauchgasvolumen 5 abgestrahlte Wärme
wird so verringert und die Zeit bis zum vollständigen Aufheizen
des Zwischenmediums 4 verkürzt.
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3 gibt
eine vorteilhafte Ausführung der vorbeschriebenen Innenflächenprofilierung
in einem Schnittbild wieder. Die in Form der im Schnittbild dargestellten
Profilierung ist durch eine Profiltiefe 42, eine Profilbreite 43 sowie
einen eingeschlossenen Winkel Alpha 44 definiert.
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Bei
einer Profilbreite von weniger als 2 mm setzte sich das Profil dauerhaft
mit Flugstaub aus dem Rauchgasvolumen 5 zu und verlor schnell
an Wirksamkeit. Bei einer Profilbreite von mehr als 2 cm konnte
keine Verbesserung der Wärmeaufnahme mehr erzielt werden,
da zu wenig Wärmestrahlung innerhalb des Zwischenmediums 4 hin-
und herreflektiert wurde. Mit einer Profilbreite von 2 mm bis 2
cm konnte eine um etwa 20% geringere Aufheizzeit des Zwischenmediums
dauerhaft bereitgestellt werden.
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Bei
einem vorteilhaften Verhältnis von Profiltiefe 42 zu
Profilbreite 43 von mindestens 1,5 zu 1 wird stets eine
verbesserte Wärmeabstrahlung auf der Außenseite
des Zwischenmediums 4 durch innerhalb des Profils reflektierte
und erneut absorbierte Wärmestrahlung erreicht. Wird das
Verhältnis unterschritten, kann das verbesserte Abstrahlverhalten nicht
mehr sichergestellt werden. Besonders vorteilhaft wird das vorbeschriebene
Verhältnis in Kombination mit einem gleichsinnig wirkenden Öffnungswinkel
Alpha der Profilierung von mindestens 30° und maximal 90° kombiniert.
In Kombination ermöglichen die beiden Maßnahmen
eine um etwa 15% erhöhte Abstrahlung von Wärmeenergie
auf der Außenseite des Zwischenmediums 2 zum Rohrfeld 2 hin.
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4 veranschaulicht
einen vorteilhaften, mehrschichtigen Aufbau eines Zwischenmediums 4 eines
korrosionsgeschützten Rohrfeldstrahlungsüberhitzers.
Hierbei weist das abgebildete Zwischenmedium 4 eine Rauchgasschicht 45 sowie
eine Zwischenraumschicht 46 auf.
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Besonders
bevorzugt wird eine solche Rauchgasschicht 45 möglichst
dünn in Kombination mit außenseitig nachfolgenden
Schichten mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwendet.
Während eine niedrigere, thermische Leitfähigkeit
mit einer geringeren Verschmutzung der Innenfläche, insbesondere der
Ablagerung von Salzen, im Bereich von 600°C bis 800°C
einhergeht, kann über eine möglichst dünne
Schicht von maximal 4 mm Dicke mit außenseitig nachfolgender
Schichtfolge mit höherer Wärmeleitfähigkeit
ein guter Energietransport der Wärmeenergie in Richtung
des Rohrfelds 2 sichergestellt werden.
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Insbesondere
können Kompositwerkstoffe wie silicierte Kohlefaserverbundwerkstoffe
in Kombination mit verkohlenden, heißhärtenden
Harzen und/oder Glasfaser-Verbunden Materialien mit unterschiedlichen,
thermischen Eigenschaften bei gleichbleibender, mechanischer Stabilität
und Dichtigkeit das Zwischenmedium 4 bereitstellen. Schichtfolgen und/oder
Profilierungen lassen sich in diesen Werkstoffkombinationen bereits
bei der Herstellung des Zwischenmediums direkt einstellen.
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Besonders
bevorzugt wird ein Zwischenmedium mit einer Gesamtdicke von bis
zu 100 mm als Temperaturspitzen (z. B. Flammenschlag) zusätzlich dämpfendes
Element angebracht. Die auf das Rohrfeld einwirkende Wärmemenge
wird so deutlich gleichmäßiger gehalten.
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Vorteilhaft
weist das Zwischenmedium 4 zumindest auf seiner Innenfläche
eine schwarze, das sichtbare Licht absorbierende Farbe auf. Bei
Rauchgastemperaturen von 800°C und mehr zeigt das Emissionsspektrum
des aufgeheizten Zwischenmediums 4 bereits deutliche Anteile
an sichtbarem Licht. Dieser zunächst als schwache Rotglut
wahrnehmbare Emissionsanteil kann mit Hilfe von optisch schwarzen
Werkstoffen zusätzlich absorbiert und in nutzbare Wärmeenergie
umgewandelt werden.
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5 veranschaulicht
in einem Schnittbild eine vorteilhafte Ausführung eines
korrosionsgeschützten Rohrfeldstrahlungsüberhitzers.
Hierbei ist das Rohrfeld 2 vorteilhaft mit einem von Außen
zugänglichen Einwegventil 6 versehen, über
das der Zwischenraum 3 mit Zwischenraumgas befüllt
werden kann. Indem ein geringer Überdruck von bis zu 10
mbar in Bezug auf den im Rauchgasvolumen 5 herrschenden
Druck eingestellt wird, kann jegliches Eindringen von korrosivem
Rauchgas über Risse oder Spalten in den Zwischenraum 3 hinein
sicher vermieden werden.
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6 gibt
schematisch die Einbau- und Anschlusssituation des vorbeschriebenen
Rohrfeldstrahlungsüberhitzers in einer Verbrennungsanlage während
des Betriebs wieder. Hierbei sind übliche Einrichtungen
zur Temperatur- sowie Druckbestimmungen der Klarheit halber nicht
abgebildet. Aus einer Zwischenraumgas-Quelle 8 wird über
ein Zwischenraumgas-Ventil 9 ein konstanter Zwischenraumgas-Strom 7 durch
den vorbeschriebenen Anschluss im Rohrfeld 2 in den Zwischenraum 3 geleitet und
ein Überdruck relativ zum Druck im Rauchgasvolumen 5 von
10 mbar per Ventil-Steuereinrichtung 10 eingestellt. Ein
Sensor 12 dient zur Bestimmung der für die Aufrechterhaltung
des konstanten Überdrucks notwendigen Menge an Zwischenraumgas. Über eine
Sensorauswertung 13 wird der Messwert des Sensors 12 zur
Auswertung an eine Steuer- und Regelvorrichtung weitergeleitet.
Kommt es zu einem schlagartigen Anstieg des Gasverbrauchs, was durch
plötzliches Versagen des Zwischenmediums 4 durch
Risse oder Spalten oder durch das Bersten eines Rohres und nachfolgendes
Aufbrechen des Zwischenmediums 4 an einer Sollbruchstelle
erklärt werden kann, so löst die Vorrichtung 11 ein
Störsignal an einer angeschlossenen Störsignalanzeige 14 aus. Bei
gleichmäßig und geringfügig ansteigendem
Gasverbrauch, wie er durch normalen Verschleiß von Anlagenteilen
bedingt ist, regelt die Regeleinrichtung 10 über
das Zwischenraumgas-Ventil 9 den Überdruck im
Zwischenraum 3 entsprechend nach.
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In
jedem Fall löst die Steuer- und Regelvorrichtung 11 bei
mehr als 10 fachem Gasverbrauch eine kontrollierte Abschaltung aus,
da ein so stark gestiegener Gasverbrauch klar die Notwendigkeit
der Reparatur oder des Austausches der Zwischenmedien 4 kennzeichnet.
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Die
vorliegende Erfindung bietet einen korrosionsgeschützten
Rohrfeldstrahlungsüberhitzer, mit dem die Nutzung heißer,
korrosiver Rauchgase mit verbessertem Wirkungsgrad und erfindungsgemäße Verbrennungsanlagen
mit längeren Betriebszeiten und bei zuverlässig
vermiedener Korrosion des Rohrfelds bereitgestellt werden.
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- 1
- korrosionsgeschützter
Rohrfeldstrahlungsüberhitzer
- 2
- Rohrfeld
- 3
- Zwischenraum
- 4
- Zwischenmedium
- 41
- Innenflächenprofilierung
- 42
- Profiltiefe
- 43
- Profilbreite
- 44
- Profilwinkel
- 45
- Rauchgasschicht
- 46
- Zwischenraumschicht
- 5
- Rauchgasvolumen
- 6
- Einwegventil
- 7
- Zwischenraumgas-Strom
- 8
- Zwischenraumgas-Quelle
- 9
- Zwischenraumgas-Ventil
- 10
- Ventil-Steuereinrichtung
- 11
- Steuer-
und Regelvorrichtung
- 12
- Sensor
- 13
- Sensorauswertung
- 14
- Einrichtung
zur Störsignalanzeige und Notabschaltung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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