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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für Druckrohre eines Wärmetauschers oder Heizkessels mit einem Druckrohr und mindestens einem Thermoelement sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung für Druckrohre.
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Bei der Gewinnung z. B. elektrischer Energie durch Verbrennung fossiler Brennstoffe wird üblicherweise die bei der Verbrennung des Brennstoffs entstehende thermische Energie dazu verwendet, Wasser, welches in Druckrohren fließt, zu erhitzen. Dabei wird das erhitzte Wasser z. B. dazu verwendet, Dampf zu erzeugen und eine Dampfturbine anzutreiben.
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Der Wirkungsgrad solcher Heizkessel oder von Wärmetauschern wird insbesondere von der Verschmutzung der Außenseiten und des Inneren der Druckrohre bestimmt. Beispielsweise führen Verbrennungsrückstände an der Außenseite der Rohre dazu, dass der Wärmewiderstand der Rohre zunimmt und ein Wärmlefluss vom Brennraum zum Wasser behindert wird. Ein erhöhter Wärmewiderstand bedeutet, dass ein geringerer Teil der bei der zu übertragenden Wärme vom Wasser aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Wie in der
GB 22 71 440 beschrieben kann durch Messen des Wärmeflusses durch die Rohrwand festgestellt werden, wann eine Reinigung der Druckrohre notwendig ist. Die Bedingungen, unter denen Wärmeflussmessungen an Hochdruckdampf führenden Leitungen durchgeführt werden müssen, stellen insbesondere im Hinblick auf die vorliegenden hohen Temperaturen ein besonderes Problem dar. Auch belastet der hohe Druck die Druckrohre von innen.
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Mit Hilfe eines Wärmeflusssensors wird der Wärmefluss (ausgedrückt in W/m2) durch die Wärmetauscheroberfläche gemessen. Diese Information kann dazu verwendet werden, das Verhalten des Heizkessels oder Wärmetauschers zu studieren, einen Brennraum zu kontrollieren, einen Wasserlanzenbläser zu führen und die Verschmutzung von Wärmetauscherflächen zu erfassen.
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Die generellen Anforderungen an einen Wärmeflusssensor an Druckrohren sind die Beständigkeit, die Stabilität und die Zuverlässigkeit der Sensoren unter den jeweiligen Bedingungen. Darüber hinaus sollen die Sensoren selbst so wenig wie möglich den Wärmefluss beeinflussen, d. h. aufgrund ihres Betriebs und der Größe und Abmessung so wenig wie möglich die Messgröße beeinflussen. Auch sollen die Sensoren so wenig wie möglich ein Überhitzen der Druckrohroberfläche bewirken. Sie sollen so wenig wie möglich dass Fließen des Druckmediums behindern. Aus Gründen der Zuverlässigkeit ist es zweckmäßig, die Sensoren so zu konzipieren, dass sie redundant angeordnet werden können.
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Bekannte Wärmeflusssensoren für Druckrohre eines Heizkessels werden in dem Beitrag von Neal S. H. B. C., Northover E. W. et al, Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 23, pp. 1023 bis 1031, Pergament Press, 1980 beschrieben. Hierbei werden zwei Sensoren entweder auf der Oberfläche eines Druckrohres auftragend aufgebracht oder alternativ in eine verdickte Leitung eingebracht. Bei der zweiten Ausführungsvariante wird ein Sensor in einer lokalen Konkavität des Druckrohres eingebettet. Es ist bekannt, dass diese zweite Ausführungsform allen Anforderungen genügt bis auf den Umstand, dass durch die lokale Konkavität ein Strömungswiderstand im Inneren des Druckrohrs aufgebaut wird, der beim Betrieb der Druckrohre hinderlich ist.
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Verdickte Druckrohrsensoren werden üblicherweise aus einem gewöhnlichen Druckrohr hergestellt, indem dieses mit einer Einbuchtung versehen wird, um Platz für einen Sensor zu schaffen. Die lokale Einbuchtung wird mit Auffüllmaterial typischerweise mit Schweißmaterial, aufgefüllt. Das Auffüllmaterial wird mechanisch so behandelt, dass ein Sensor eingebettet werden kann.
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Ein erster, wichtiger Aspekt ist, dass die Druckrohrwandtemperatur (und damit die Temperatur des Sensors) niedriger ist als die maximal zulässige Temperatur für das Druckrohr und den Sensor. Dieser kritische Wert ist materialspezifisch und kann beispielsweise bei etwa 600°C liegen. Ein Betrieb der Anlage oberhalb von 600° bewirkt dann eine schnelle Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit des Druckrohrs und des Sensors, so dass der Betrieb des Heizkessels durch eine Störung der Druckrohre gefährdet wird. Die Druckrohre weisen beispielsweise Wandstärken zwischen 4 mm und 10 mm auf und können vorteilhafterweise aus verschieden Molybdänstahllegierungen gefertigt sein. Beispielsweise bei einer Dampftemperatur von 420°C und einem Wärmefluss von etwa 250 kW/m2 sowie 6 mm Wanddicke, liegt die äußere Wandtemperatur bei rund 450°C. Wird auf bzw. in ein solches Druckrohr ein Wärmeflusssensor, der üblicherweise eine Bauhöhe von zwischen 5 und 8 mm hat, eingearbeitet, liegt die Außentemperatur der Druckrohre bei gleichem Wärmefluss und gleicher Dampftemperatur z. B. bei etwa 530°C, wenn man typische Materialwerte annimmt. Im Fall höherer Wärmeflüsse, höherer Dampftemperaturen oder einer Kühlungsstörung erreicht die Oberfläche des Druckrohrs beim Sensor leicht die kritische Temperatur von 600°C. Hierdurch wird deutlich, dass der thermische Widerstand des Wärmeflusssensors nicht zu vernachlässigen ist und somit reduziert werden muss.
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Neben dem Problem der Überhitzung der Außenwände stellt das Strömungsprofil des Druckmediums im Inneren der Druckrohre ein weiteres Problem. Ein nichtlaminarer Fluss des Druckmediums, z. B. ein lokaler Wirbel, kann lokal zu einer Reduktion des Wärmeübertrags führen, welches wiederum eine lokale Überhitzung bewirken kann. Aus diesem Grund ist es üblich, wie aus der
GB 2 271 440 bekannt, den Neigungswinkel der Einbuchtung in Flussrichtung des Druckmediums möglichst klein zu halten, um eine Strömungsablösung zu vermeiden. Ein weiteres Problem in Verbindung mit Einbuchtungen ist, dass insbesondere bei hohen Drücken des Druckmediums derartige Einbuchtungen zu mechanischen Instabilitäten der Druckrohre führen können.
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Der begrenzende Faktor für die Reduzierung der Einbuchtung ist zum einen die Sensitivität des Sensors, zum anderen die Möglichkeit die elektrischen Leitungen des Sensors von dem Sensor aus dem Brennraum heraus zu führen.
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Weiterhin ist es Ziel, möglichst umfassend und präzise die für den Betrieb eines Heizkessels relevanten Parameter zu ermitteln.
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Aus der
US 6 485 174 B1 ist ein Wärmestromsensor zur Bestimmung eines Wärmestroms an einer Wand eines Verbrennungskessels bekannt. Die Wand des Verbrennungskessels besteht aus einer Vielzahl von Wasserrohren, die durch Stege miteinander verbunden sind. Zumindest einer der Stege weist eine Öffnung auf, in der ein Sensorabschnitt eines Wärmestromsensors angeordnet ist. Der Wärmestromsensor weist zudem einen Befestigungsabschnitt auf, über den der Wärmestromsensor an dem Steg befestigt ist. Ausgehend von diesem Befestigungsabschnitt erstrecken sich zwei voneinander beabstandete Wärmefühler in den Sensorabschnitt des Wärmestromsensors.
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Die
US 4 595 297 A offenbart darüber hinaus einen Wärmestromsensor zur Bestimmung eines Wärmeflusses durch eine Wand eines Wärmetauscherrohres. Der Wärmestromsensor umfasst einen ersten Hohlzylinder aus einem ersten leitenden Metall, der eine Innenseite des Wärmetauscherrohres kontaktiert. Darüber hinaus umfasst der Wärmestromsensor einen zweiten Hohlzylinder aus einem zweiten thermoelektrisch leitenden Material besteht, wobei ein Außendurchmesser des zweiten Hohlzylinders einen Innendurchmesser des ersten Hohlzylinders kontaktiert. Zudem umfasst der Wärmestromsensor auch einen dritten Hohlzylinder aus einem dritten leitfähigen Material, wobei ein Außendurchmesser des dritten Hohlzylinders eine Innenfläche des zweiten Hohlzylinders kontaktiert. Der erste Hohlzylinder und der dritte Hohlzylinder sind mit elektrischen Verbindungsmitteln mit einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Wärmeflusses verbunden.
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Weiterhin ist aus der
US 4 527 908 A ein Instrument zur Bestimmung einer Temperatur und eines Wärmeflusses eines Dampferzeugers mit einer Vielzahl von parallelen Rohren bekannt. Dieses umfasst eine Temperaturmessvorrichtung aus einer Vielzahl von Sensoren, die sich von einem Befestigungsglied in komplementär gekrümmte Aufnahmen eines der Rohre erstrecken.
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Darüber hinaus offenbart die
US 3 724 267 A eine Heizzone mit zwei parallelen Kühlflüssigkeitsrohren, die miteinander über einen Steg verbunden sind. Ein Wärmestromsensor umfasst einen gestreckten Leiter und zwei Thermoelemente innerhalb des Leiters. Der Leiter hat zudem ein Ende, das sich durch eine Öffnung des Stegs in die Heizzone erstreckt, und ist an einer Befestigungsstelle mit dem Steg verbunden. Beide Thermoelemente sind zwischen dem Ende des Leiters und der Befestigungsstelle angeordnet und haben jeweils eine Kontaktstelle, die in Richtung einer Erstreckung des Leiters von einander beabstandet sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messeinrichtung für Druckrohre eines Heizkessels anzugeben, welche zum einen eine zuverlässige Messung des Wärmeflusses erlaubt, zum anderen aber die erwähnten Nachteile vermeidet. Des weiteren ist es Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung für Druckrohre anzugeben, nach dem derartige Druckrohre herstellbar sind. Auch sollen ein verbesserter Wärmetauscher und ein verbessertes Überwachungsverfahren zur Überwachung der Betriebszustände des Wärmetauschers angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Messeinrichtung für Druckrohre eines Heizkessels, durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung für Druckrohre, durch das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren, durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher und die erfindungsgemäße Verwendung wie in den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst. Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen, die jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander angewandt werden können, sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Messeinrichtung für Druckrohre eines Wärmetauschers mit einem Druckrohr und mindestens einem Thermoelement, wobei das Druckrohr eine Rohrwand aufweist, in der eine Einbuchtung vorhanden ist, die sich über einen Teilbereich des Umfangs der Rohrwand erstreckt, wobei die Einbuchtung das Thermoelement aufnimmt und mit Füllmaterial aufgefüllt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Thermoelement außermittig in dem von der Einbuchtung verformten Teilbereich angeordnet ist.
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Das Druckrohr ist aus einem mechanisch hochstabilen und thermisch stabilem Material, insbesondere Stahl wie zum Beispiel 15Mo3 gefertigt. Die Druckrohre werden durch den Brennraum des Heizkessels geführt, so dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Innenraum des Heizkessels und dem in den Druckrohren geführten Druckmediums stattfindet. Das Druckmedium kann beispielsweise Wasser sein, welches durch die Wärmeaufnahme in Wasserdampf überführt wird. Der Wärmetauscher kann zum Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden, insbesondere zwischen zwei Gasen verwendet werden. Er kann insbesondere auch ein Heizkessel für Verbrennung sein, bei dem die bei einer Verbrennung entstehende Wärme von einem Kühlmedium abgeführt wird. Der Wärmeaustauscher kann auch im Rahmen einer Müllverbrennungsanlage verwendet werden.
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Durch die außermittige Anordnung des Thermoelements in dem von der Einbuchtung verformten Teilbereich wird die Einbuchtung sowohl für die Aufnahme des Thermoelementes als auch für die Führung der elektrischen Leitungen des Thermoelementes genutzt. Dieses ist insbesondere dann wichtig, wenn die elektrischen Leitung vor mechanischen, thermischen oder chemischen Einwirkungen der Umgebung in einem Heizkessel wie zum Beispiel Verbrennungsgase geschützt werden müssen, welches dadurch erfolgen kann, dass sowohl das Thermoelement als auch die elektrischen Leitungen in das Füllmaterial eingebettet werden. Das Füllmaterial schützt somit das Thermoelement wie auch die elektrischen Leitungen. Das Füllmaterial kann beispielsweise Schweißmaterial sein.
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Durch die außermittige Anordnung können die elektrischen Leitungen des Thermoelementes über besonders lange Strecken in dem Füllmaterial geführt und geschützt werden.
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Die außermittige Anordnung führt auch dazu, dass bei dem durch das Thermoelement und durch die elektrischen Leitungen vorgegebenen Raumbedarf die Einbuchtung besonders effizient genutzt wird, wodurch die Einbuchtung im Verhältnis zum Querschnitt des Druckrohres im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen klein gewählt werden kann. Besonders kleine Einbuchtungen sind vor dem Hintergrund des Strömungsverhaltens des Druckmediums im Druckrohr wünschenswert, um den Strömungswiderstand im Druckrohr zu verringern.
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Durch die außermittige Anordnung und die somit ermöglichte verringerte Größe der Einbuchtung wird ein verbesserter Wärmefluss durch die Rohrwand ermöglicht. Der mit Füllmaterial aufzufüllende Teilbereich wird in seiner Größe reduziert, wodurch der Wärmewiderstand im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen klein bleibt. Auch wird durch die verringerte Größe der Einbuchtung allgemein die Krümmung der Rohrwand verringert, wodurch eine höhere Stabilität des Druckrohres erzielt wird, welches insbesondere für Hochdruckanwendungen besonders wichtig ist.
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Durch die außermittige Anordnung wird ein Temperaturanstieg im Bereich des Thermoelementes aufgrund von Wärmewiderständen minimiert, welches zum einem die Messgenauigkeit des Thermoelementes verbessert, zum anderen die mechanische Stabilität des Druckrohres verbessert. Durch die verringerte Größe der Einbuchtung werden Druckgefälle im Druckmedium entlang des Druckrohres vermieden, wodurch lokale Wirbel und Abschottungsbereiche vermieden werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass keine aufgrund des Strömungsverhaltens des Druckmediums bedingten lokalen Überhitzungen entstehen. Die Verringerung des Innenquerschnitts des Druckrohres bei der außermittigen Anordnung liegt bei weniger als 30%, vorteilhafterweise weniger als 27%, besonders bevorzugt weniger als 25%, welches gegenüber herkömmlichen Konstruktionen, die eine Innenquerschnittsverringerung von mindestens 38% aufweisen, einer Verbesserung von rund 20% entspricht. Durch die Verkleinerung der Einbuchtung werden die Druckverluste auch um 20% reduziert. Weniger Füllmaterial bedeutet aber auch, dass die Herstellungszeit einer solchen Messeinrichtung verkürzt wird, da die Herstellungszeit von dem Schritt des Auffüllen der Einbuchtung mit Füllmaterial bestimmt wird. Durch die Erfindung ist eine Reduktion des erforderlichen Füllmaterial von mehr als 20%, insbesondere mehr als 30%.
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Vorteilhafterweise sind zwei Thermoelemente zur Messung eines Wärmeflusses räumlich beabstandet außermittig in der Einbuchtung angeordnet. Mit Hilfe von zwei Thermoelementen können an verschiedenen Raumpunkten zwei Temperaturen gemessen werden, mit denen in erster Näherung der Gradient des Temperaturprofils bestimmt werden kann. Vorteilhafterweise sind die beiden Thermoelemente in der Einbuchtung übereinander angeordnet, so dass der Temperaturgradient durch die Rohrwand erfasst wird. Zur Erfassung eines Temperaturgradientens entlang der Rohrwand ist es zweckmäßig, zwei Thermoelemente in Längsrichtung des Druckrohres hintereinander räumlich zu beabstanden. Zur detaillierten Erfassung des Temperaturprofils ist es zweckcmäßig mehr als zwei Thermoelemente anzuordnen. Über das Temperaturprofil und nach Kalibrierung bzgl. der Wärmeleitkoeffizienten der verwendeten Materialien können Wärmeflüsse hinsichtlich ihres Betrages und/oder ihrer Richtung zeitlich erfasst werden. Auch können hiermit Temperaturen an verschiedenen Stellen gemessen werden.
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Vorteilhafterweise weist das Druckrohr einen Umfangsabschnitt auf, der von einem Heizfluidstrom beaufschlagbar ist und dessen Mitte räumlich beabstandet zu einem Zentrum der Einbuchtung angeordnet ist. Ein Heizfluidstrom ist beispielsweise ein bei einer Verbrennung in dem Heizkessel entstehender heißer Gasstrom wie z. B. eine Flammenfront. Der Umfangsabschnitt ist dem Heizfluidstom zugewandt und wird von diesem beaufschlagt. Gewöhnlicherweise ist dessen Mitte einer besonderen Temperaturbelastung ausgesetzt. Die Einbuchtung, die sich über einen Teilbereich des Umfangs der Rohrwand erstreckt, weist dass Zentrum auf welches seitlich zur Mitte des Umfangsabschnitt liegt. Hierdurch wird bewirkt, dass die elektrischen Leitungen eines Thermoelementes, welches vorteilhafterweise in der Nähe der Mitte angeordnet ist, im Füllmaterial der Einbuchtung geführt werden können, so dass die elektrischen Leitungen über eine besonders lange Strecke mechanisch, thermisch und chemisch geschützt werden.
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Zur Messung eines Wärmeflusses durch die Rohrwand sind die Thermoelemente in der Einbuchtung des Druckrohres im wesentlichen übereinander angeordnet. Die Druckrohre können im Innenraum eines Wärmetauschers frei verlaufen, sie können jedoch auch miteinander an ihren Seitenwandabschnitten gasdicht verbunden werden, so dass ein Innenraum des Wärmetauschers gebildet wird, in dem der Heizfluidstrom eingeschlossen und geführt werden kann. Die Seitenwandabschnitte können auch dazu verwendet werden, um die effektiv wirkende Oberfläche der Druckrohre zu vergrößern, so dass ein verbesserter Wärmeübergang vom Heizfluidstrom zum Druckmedium erfolgt. Hierbei wird die von den Seitenwandabschnitten aufgenommene Wärme an die Rohrwand des Druckrohres weitergeleitet und von dieser aufgenommen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Thermoelemente von mindestens einer Wärmeleitungsbarriere umgeben. Durch die Wärmeleitungsbarriere wird eine thermische Isolierung geschaffen, mit der unerwünschte Wärmeflüsse verhindert werden können, die insbesondere die Messung beeinträchtigen könnten. Beispielsweise ist es zweckmäßig zur Messung des Wärmeflusses durch die Rohrwand eine ringförmige Nut um die Thermoelemente anzuordnen, so dass ein Temperaturgefälle entlang des Rohres keinen Einfluss auf die Wärmeflussmessung durch die Rohrwand hat.
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Durch die Wahl unterschiedlicher Materialien für das Druckrohr und das Auffüllmaterial sowie für die Thermoelemente können lokal Wärmflussgradienten entstehen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Eine ringförmige Nut bewirkt, dass die Wärmeflussgradienten unterdrückt werden, die nicht parallel zur Achse des Ringes verlaufen.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Druckrohr ein Schutzrohr für elektrische Leitungen des Thermoelementes an einer im wesentlichen gegenüber dem Thermoelement liegenden Seite des Druckrohres befestigt. Mit Hilfe des Schutzrohres werden die elektrischen Leitungen des Thermoelementes vor mechanischen, thermischen oder chemischen Einwirkungen geschützt. Die Anordnung des Schutzrohres an einer gegenüber dem Thermoelement liegenden Seite des Druckrohres bewirkt, dass die Wärmeleitung des Schutzrohres nicht die Messung des Wärmeflusses durch die Rohrwand beeinflusst. Die elektrischen Leitungen des Thermoelementes sind vorteilhafterweise in der Einbuchtung verlegt.
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Es ist von Vorteil, wenn das Füllmaterial die Einbuchtung vorsprungsfrei ausfüllt. Hiermit wird sichergestellt, dass nur wenig Angriffsfläche für ansetzenden Schmutz vorhanden ist, wodurch ein nicht repräsentatives Verschmutzen der Außenwand der Druckrohre verhindert wird. Darüber hinaus bewirkt eine vorsprungsfreie Ausfüllung der Einbuchtung, dass die hydrodynamischen Eigenschaften, insbesondere der Strömungswiderstand des Druckrohres für den Heizfluidstrom vorteilhaft sind.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Messeinrichtung für einen Wärmetauscher ein Druckrohr und mindestens ein Thermoelement, wobei das Druckrohr eine Rohrwand aufweist, in der eine Einbuchtung vorhanden ist, die sich über einen Teilbereich des Umfangs der Rohrwand erstreckt, wobei die Einbuchtung das Thermoelement aufnimmt und mit Füllmaterial aufgefüllt ist, und wobei ein elektrischer Verbindungsanschluss am Druckrohr oder an einer Verbindungswand befestigt ist. Vorteilhafterweise ist der elektrische Verbindungsanschluss in der Einbuchtung angebracht.
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Nach dem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Messung eines Wärmeflusses zusätzlich dazu genutzt, um einen elektrischen Widerstand entlang oder quer zu Komponenten des Wärmetauschers zu messen. Hierzu wird ein elektrischer Verbindungsanschluss in die Einrichtung zur Messung des Wärmeflusses integriert; dabei wird die Einrichtung zur Messung eines Wärmeflusses in kompakter Weise zusammen mit elektrischen Verbindungsanschluss modulartig verbunden. Die Einrichtung zur Messung des Wärmeflusses kann die erfindungsgemäße Messeinrichtung, kann aber auch eine im Stand der Technik bekannte Einrichtung sein.
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Mit Hilfe des elektrischen Widerstands und dessen zeitlicher Änderung werden Rückschlüsse über den Korrosionsgrad des Wärmetauschers, insbesondere über das Ausmaß der Korrosion von den den aggressiven Gasen oder Flüssigkeiten ausgesetzten Druckrohren oder Verbindungswänden gezogen. Die durch eine Korrosion bedingte Abnahme der Wandstärken der Druckrohre bzw. Verbindungswände führt zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands entlang bzw. quer zu den Druckrohren oder Verbindungswänden.
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Die präzise Ermittlung des Korrosionsgrades dient der Überwachung des Wärmetauschers während seines Betriebs. Es werden Materialkennwerte wie beispielsweise der Materialverlust pro Betriebsdauer (in Einheiten von Nanometer pro Stunde) oder die Wandstärke der Druckrohre bzw. Verbindungswände ermittelt. Es existieren mehrere Verfahren zur Messung der Erosion und Korrosion. Die Patentschrift
GB 2262608 beschreibt einen lokalen Korrosionsmesssensor, der eine Kompensationsvorrichtung enthält, um den Einfluss von Temperaturschwankungen auf die Korrosionsmessung zu verringern. Weiterhin ist es bekannt, eine Vierpunktmessung entlang von Druckrohren vorzunehmen, um den Korrosionsgrad nicht nur lokal, sondern integral über größere Strecken zu ermitteln. Da der Widerstand stark temperaturabhängig ist, sind hier zusätzliche, über den Wärmetauscher verteilte Temperatursensoren erforderlich. Aus dem integral gemessenen elektrischen Widerstand wird der temperaturspezifische Beitrag mit Hilfe von zusätzlichen Temperaturmessungen entfernt und der korrosionsspezifische Anteil ermittelt. Die
US 2003/055586A1 offenbart eine mathematische Methode, mit der Messfehler bei der elektrischen Widerstandsmessung im Rahmen eines Regelungsmodels für elektrische Widerstandskartierung minimiert werden. Derartige Korrosionsmesseinrichtungen sind jedoch aufwendig, da nicht nur elektrische Verbindungskontakte, sondern auch zusätzliche Temperatursensoren an den Druckrohren befestigt werden müssen.
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Nach dem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Wärmeflusssensoren im Wärmetauscher in doppelter Weise genutzt, nämlich zur Ermittlung seines Verschmutzungsgrads und weiterer Materialkennwerte wie z. B. seines Korrosionsgrads. Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauweise der Sensoren erzielt und eine Installation bzw. Nachrüstung einer bestehenden Anlage vereinfacht; die Anzahl der erforderlichen zusätzlichen Temperatursensoren wird reduziert. Auch wird die Verkabelung der Sensoren vereinfacht. Außerdem können hierdurch Informationen über den Wärmefluss bei der Bestimmung der Materialkennwerte wie z. B. des Korrosionsgrads berücksichtigt werden, wodurch eine höhere Präzision bei der Bestimmung dieser Kennwerte erreicht wird. Mit Hilfe der Wärmeflusssensoren kann das Temperaturprofil im Wärmetauscher sehr viel genauer ermittelt werden, da die Wärmeflussdaten als Randbedingungen bei der thermischen Kartierung berücksichtig werden können. Hierdurch wird eine erheblich präzisere Bestimmung des Korrosionsgrads aus dem temperaturabhängigen elektrischen Widerstands ermöglicht. Vorteilhaft ist auch, dass die gleichzeitige Messung sowohl des elektrischen Widerstands als auch des Wärmeflusses messtechnische Redundanz bewirkt, so dass bei Ausfall eines Sensors, die anderen Sensoren seine Funktion übernehmen können. Insgesamt hat die Erfindung den Vorteil, dass die Lebensdauer des Wärmetauschers, insbesondere seiner Druckrohre, bzw. die Wartungsintervalle sehr viel genauer vorausgesagt werden können.
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Vorteilhafterweise werden Temperaturschwankungen dazu benutzt, den temperaturspezifischen Anteil des elektrischen Widerstands zu identifizieren. Hierzu wird der zeitaufgelöst gemessene integrale elektrische Widerstand mit der zeitaufgelöst gemessenen Temperaturschwankung korreliert und der temperaturspezifische Anteil aus dem integral gemessenen elektrischen Widerstand herausgelöst.
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Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Messeinrichtung einen elektrischen Verbindungsanschluss am Druckrohr und/oder den Verbindungswänden auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung für Druckrohre eines Wärmetauschers, insbesondere einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, umfasst folgende Schritte: Eine Einbuchtung wird vorgesehen, die sich über einen Teilbereich des Umfangs einer Rohrwand eines Druckrohres erstreckt; mindestens ein Thermoelement wird außermittig in dem von der Einbuchtung verformten Teilbereich angeordnet; die Einbuchtung wird mit Füllmaterial im wesentlichen aufgefüllt. Durch die außermittige Anordnung des Thermoelementes in der Einbuchtung wird die Größe der Einbuchtung verringert, wodurch die Menge des für die Auffüllung der Einbuchtung erforderlichen Füllmaterials reduziert wird. Die Reduzierung der Menge des aufzufüllenden Füllmaterials bewirkt eine Verkürzung der Herstellungszeit. Vorteilhafterweise werden mindestens zwei Thermoelemente räumlich beabstandet außermittig in der Einbuchtung angeordnet. Es ist von Vorteil, die Einbuchtung mit Füllmaterial vorsprungsfrei aufzufüllen.
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Vorteilhafterweise wird das Druckrohr oder eine Verbindungswand mit einem elektrischen Verbindungsanschluss versehen. Hierdurch wird auf einfache Weise eine doppelte Nutzung der Messeinrichtung, nämlich zur Messung eines Wärmeflusses und zur Messung eines elektrischen Widerstands, ermöglicht, wodurch Informationen sowohl über den Verschmutzungsgrad als auch über Materialkennwerte wie z. B. dessen Korrosion- bzw. Erosionszustand des Wärmetauschers mit einer modularen Einheit umfassend und präzise gewonnen werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung des Betriebzustandes eines Wärmetauschers wird ein elektrischer Widerstand zwischen einer ersten Stelle und einer zweiten Stelle des Wärmetauschers gemessen und der Wärmefluss an der ersten und/oder der zweiten Stelle erfasst. Vorteilhafterweise werden die Stellen beabstandet entlang und/oder quer zu den Druckrohren angeordnet. Die gleichzeitige Nutzung einer Stelle sowohl zur Messung des Wärmeflusses als auch zur Messung des Korrosionsgrades reduziert Kosten bei der Installation und Wartung des Überwachungssystems. Die von der Messeinrichtung an einer Stelle lokal gemessenen Temperaturen sowie Temperaturgradienten werden vorteilhafter Weise dazu genutzt, um das Temperaturprofil bzw. Temperaturgradientenprofil zwischen den Messpunkten zu interpolieren und so den temperaturabhängigen Anteil des elektrischen Widerstands abzuschätzen, wodurch die Bestimmung des Korrosionsgrads mit erheblich höherer Präzision bestimmt werden kann.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist eine Messeinrichtung wie in den Ansprüchen 1 bis 12 definiert auf. Der Wärmetauscher wird im Betrieb durch die Messeinrichtung zur Messung des Wärmeflusses durch die Rohrwand vergleichsweise wenig behindert und es werden lokale Überbitzungen der Rohrwand vermieden. Gegebenenfalls können hiermit darüber hinaus auf kostensparende Weise Informationen über den Korrosions- bzw. Erosionsgrad gewonnen werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird eine Einrichtung zur Messung des Wärmeflusses, insbesondere die erfindungsgemäße Messeinrichtung, bei der Ermittlung eines elektrischen Widerstands zur Bestimmung des Korrosionsgrads des Wärmetauschers verwendet. Die Messeinrichtung wird somit wie beschrieben in zweifacher Weise genutzt. Diese vorteilhafte doppelte Nutzung ist nicht nur in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung möglich, sondern auch in Verbindung mit Messeinrichtungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand der folgenden Zeichnung schematisch illustriert. Die Zeichnung soll die Erfindung nicht einschränken, sondern soll wesentliche Aspekte der Erfindung illustrieren.
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Es zeigen schematisch:
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1 eine erfindungsgemäße Messeinrichtung angebracht an Druckrohren eines Heizkessels in perspektivischer Ansicht;
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2 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Messeinrichtung gemäß 1; und
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3 ein vergrößerter Ausschnitt der erfindungsgemäßen Messeinrichtung nach 3 im Querschnitt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung in perspektivischer Ansicht mit drei nebeneinander angeordneten Druckrohren 1, 1', 1'' die jeweils durch eine Verbindungswand 11 an ihren Seitenwandabschnitten 10 miteinander verbunden sind. Die Druckrohre 1 weisen einen Umfangsabschnitt 7 auf, der von einem Heizfluidstrom 8 beaufschlagt wird und der eine Mitte 9 aufweist. Das Druckrohr weist eine Einbuchtung 4 an einer ersten Stelle 22 und eine Einbuchtung 4' an einer zweiten Stelle 23 auf, in welcher ein oder mehrere Thermoelemente 2, 2' und ein elektrischer Verbindungsanschluss 21, 21' eingebracht sind, welche über elektrische Leitungen 13 mit einem Steuermittel 16 verbunden sind. Das Steuermittel 13 wertet die Messdaten der Thermoelemente 2, 2' aus und bestimmt den zwischen den beiden Stellen 22, 23 quer zu den Druckrohren 1, 1' gemessenen elektrischen Widerstand, zeigt entsprechende Betriebszustände, insbesondere den Verschmutzungsgrad und den Korrosionsgrad, an und veranlasst geeignete Wartungs- bzw. Reinigungsarbeiten.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung im Querschnitt, wobei das Thermoelement 2, 2' außermittig in dem von der Einbuchtung 4 verformten Teilbereich 20 angeordnet ist. Die Rohrwand 3 ist durch die Einbuchtung 4 verformt, so dass der Innenraum 18 eine entsprechende Verformung aufweist. Die Reduzierung der Querschnittsfläche des Innenraums 8 liegt bei rund 20% im Vergleich zu der Querschnittsfläche eines unverformten Druckrohres 1. Die elektrischen Leitungen 13 des Thermoelementes 2, 2' verlaufen in der Einbuchtung 4 im Inneren eines Füllmaterials 6, wodurch diese vor mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen geschützt werden. Insbesondere an der einem Heizfluidstrom 8 zugewandten Seite, d. h. über den Umfangsabschnitt werden die elektrischen Leitungen 13 geschützt. Sie verlaufen im Füllmaterial 4 normalerweise bis hinter die zwei Druckrohre 1, 1' verbindende Verbindungswand 11. Hinter der Verbindungswand 11 werden sie in einem Schutzrohr 14 geführt, welches ebenso die elektrischen Leitungen schützt. Mit den elektrischen Verbindungsanschlüssen 21, 21' werden die Druckrohre 1, 1' elektrisch kontaktiert und über die Verbindungsleitungen 25 mit dem Steuermittel 16 elektrisch verbunden, wodurch eine Messung des elektrischen Widerstands entlang und/oder quer zu den Druckrohre 1, 1' ermöglicht wird. Mit Hilfe des elektrischen Widerstands werden Informationen über den Zustand des Wärmetauschers, insbesondere dessen Druckrohre, beispielsweise Information über seinen Korrosionsgrad, gewonnen.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung gemäß 2 im vergrößerten Querschnitt. Zu erkennen sind zwei Thermoelemente 2, 2' die übereinander in der Einbuchtung 4 angeordnet sind und von einer ringförmigen Nut 12 umgeben sind. Die ringförmige Nut 12 bewirkt, dass Wärmeflussgradienten schräg zu einem zu messenden Wärmestrom 17 unterdrückt werden, so dass die Messgenauigkeit der Messeinrichtung verbessert wird. Die elektrischen Leitungen 13 werden in dem Füllmaterial 6, welches die Einbuchtung 4 vorsprungsfrei ausfüllt, geführt. Durch die räumliche Beabstandung der beiden Thermoelemente 2, 2' wird unter Zuhilfenahme der Wärmeleitkoeffizienten der Wärmestrom 17 bestimmt.
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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für Druckrohre 1 eines Wärmetauschers mit einem Druckrohr 1 und mindestens einem Thermoelement 2, 2', wobei das Druckrohr 1 eine Rohrwand 3 aufweist, in der eine Einbuchtung 4 vorhanden ist, die sich über einen Teilbereich 20 des Umfangs der Rohrwand 3 erstreckt, wobei die Einbuchtung 4 das Thermoelement 2, 2' aufnimmt und mit Füllmaterial 6 aufgefüllt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement 2, 2' außermittig in dem von der Einbuchtung 4 verformten Teilbereich 20 angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren mm Herstellen derartiger Messeinrichtungen.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die außermittige Anordnung des Thermoelementes 2, 2' die Größe der Einbuchtung 4 bei konstant gehaltener Größe des Thermoelementes 2, 2' verkleinert werden kann, wodurch der Wärmefluss durch die Rohrwand 3 vergleichsweise wenig behindert wird und lokale Überhitzungen der Rohrwand 3 vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1', 1''
- Druckrohr
- 2, 2'
- Thermoelement
- 3
- Rohrwand
- 4
- Einbuchtung
- 5
- Zentrum
- 6
- Füllmaterial
- 7
- Umfangsabschnitt
- 8
- Heizfluidstrom
- 9
- Mitte
- 10
- Seitenwandabschnitt
- 11
- Verbindungswand
- 12
- Nut
- 13
- Leitungen
- 14
- Schutzrohr
- 15
- Seite
- 16
- Steuermittel
- 17
- Wärmestrom
- 18
- Innenraum
- 19
- Fluidstrom
- 20
- Teilbereich
- 21
- elektrischer Verbindungsanschluss
- 22
- erste Stelle
- 23
- zweite Stelle
- 24
- Wärmetauscher
- 25
- Verbindungsleitung
- 26
- Messeinrichtung
