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Strahlungs- und Konvektionserhitzer Die Erfindung betrifft einen Strahlungs-
und Konvektionserhitzer, dessen Strahlungsteil vertikale Erhitzerrohre aufweist,
welche an den einen Enden in eine den ganzen Arbeitsmittelstrom führende, bewegungsfeste,
horizontale Sammelleitung münden und welche an den anderen Enden in mehrere je nur
einen Teil des Arbeitsmittelstromes führende, in Erhitzerrohrachsrichtung bewegliche,
horizontale, durch einfache Vorrichtungen wie Gewichte oder Federn angenähert gewichtskompensierte
Teilsammelleitungen münden, welche mit dem bewegungsfesten Arbeitsmittelaustrittstutzen
des Konvektionsteils nachgiebig verbunden sind.
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In Wärmekraftanlagen mit gasförmigem Arbeitsmittel und geschlossenem
Kreislauf, in welchen Strahlungs- und Konvektionserhitzer der genannten Art verwendet
werden, wird das Arbeitsmittel bis auf 750° C und höher erhitzt, was die Verwendung
von aus austenitischem Material bestehenden Erhitzerrohren im Strahlungsteil notwendig
macht, die sich bei den auftretenden Temperaturen in beträchtlichem Maße ausdehnen.
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Um dabei den geraden Verlauf bzw. gestreckten Zustand der Erhitzerrohre
zu gewährleisten, werden diese an ihrem einen Ende in eine bewegungsfeste Sammelleitung
eingeführt und an ihrem anderen Ende nachgiebig mit dem jeweils zugeordneten Anlagekeil
verbunden. Da eine möglichst kurze Verbindungsleitung zwischen dem Strahlungsteil
des Erhitzers und der Wärmekraftmaschine der Wärmekraftanlage angestrebt wird. befindet
sich der Arbeitsmittelaustrittstutzen des Strahlungsteils an der am Fuße der Brennkammer
angeordneten, bewegungsfesten Sammelleitung der Erhitzerrohre, und es werden die
oberen Enden der Erhitzerrohre nachgiebig mit dem bewegungsfesten Arbeitsmittelaustrittstutzen
des Konvektionsteils des Erhitzers verbunden.
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Es hat stets Schwierigkeiten bereitet, alle Erhitzerrohre in eine
gemeinsame obere bewegliche Sammelleitung münden zu lassen. Auch bei möglichst vieleckiger
oder kreisförmiger Anordnung der Erhitzerrohre, wodurch sich im wesentlichen gleiche
Abstände der Erhitzerrohre von der Flammenachse ergeben, ist es im praktischen Betrieb,
insbesondere bei Kohlenstaubfeuerung, nicht möglich, Flammenverlagerungen und damit
die Bildung von Gassträhnen unterschiedlicher Temperatur zu vermeiden; zusätzliche
Schwierigkeiten dieser Art ergeben sich bei Verwendung mehrerer Brenner bzw. Teillastbetrieb
mit einem Teil von mehreren Brennern. Diese Umstände bewirken, daß insbesondere
verhältnismäßig weit voneinander entfernte Erhitzerrohre Wandtemperaturen von beträchtlichem
Unterschied aufweisen können, wodurch sich auch eine stark verschiedene Ausdehnung
derselben ergibt. Bei einer einzigen gemeinsamen beweglichen Sammelleitung würden
in solchen Fällen die kältesten Erhitzerrohre unzulässig hohen Stauchbeanspruchungen
und die heißesten Erhitzerrohre entsprechenden Streckbeanspruchungen ausgesetzt.
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Dieser Nachteil wird in bekannten Erhitzern dadurch vermieden, daß
je eine Anzahl benachbarter Erhitzerrohre in je eine von mehreren beweglichen Teilsammelleitungen
mündet. So ist beispielsweise ein Erhitzer mit einem Strahlungsteil mit achteckigem
Grundriß bekannt, der acht bewegliche obere Teilsammelleitungen aufweist. Die Verbindung
zwischen den beweglichen Teilsammelleitungen und dem bewegungsfesten Arbeitsmittelaustrittstutzen
des Konvektionsteils, welche auch Änderungen der Achsrichtungen der Teilsammelleitungen
zueinander aufzunehmen hat, besteht dabei aus je Teilsammelleitung vier, insgesamt
zweiunddreißig nachgiebigen schlangenförmig verlaufenden Verbindungsrohren von die
kürzeste Entfernung zwischen den zu verbindenden Stellen um ein Mehrfaches überschreitender
Länge, durch welche kombinierten Maßnahmen die notwendige Nachgiebigkeit erreicht
wird. Diese Ausführungsart hat den großen Nachteil, daß kaum zwei Verbindungsrohre
gleiche Länge und Form aufweisen, so daß an jeder Steile des Übertrittes eines Verbindungsrohres
in eine Teilsammelleitung unterschiedliche Arbeitsmitteldrücke herrschen und daher
in
den einzelnen Erhitzerrohren verschiedene Arbeitsmittelmengen, was bei Zusammentreffen
geringeren Arbeitsmittelstromes mit flammenseitig stärkerer Erhitzung zu einer zusätzlichen
stärkeren Ausdehnung des davon betroffenen Erhitzerrohres führt.
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Ferner ist die Verbindung der vielen Verbindungsrohre mit den Teilsammelleitungen
und den in den Arbeitsmittelaustrittstutzen des Konvektionsteils mündenden Sammlern
aufwendig und die überwachung und Instandhaltung der vielen Verbindungsrohre insbesondere
dort, wo sie nahe beieinander verlaufen, erschwert. Die nachgiebige Abstützung und
die Wärmeisolierung der vielen Verbindungsrohre ist umständlich, ebenso wie deren
nachgiebige Durchführung durch die Wände des die Teilsammelleitungen umgebenden
wärmeisolierenden Gehäuses.
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Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu überwinden. Zu diesem Zweck
wird ein Strahlungs- und Konvektionserhitzer der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß
derart ausgebildet, daß eine den ganzen Arbeitsmittelstrom führende, in Erhitzerrohrachsrichtung
bewegliche, horizontale, durch nachgiebige Verbindungsstutzen mit den Teilsammelleitungen
verbundene Sammelleitung vorgesehen ist, welche durch mindestens ein nachgiebiges
Verbindungsrohr mit dem Arbeitsmittelausträgstutzen des Konvektionsteils verbunden
ist, und daß eine die Relativlage der beweglichen Sammelleitung zu einer oder mehreren
der Teilsammelleitungen messende Meßvorrichtung sowie eine Verstellvorrichtung für
die bewegliche Sammelleitung vorgesehen sind.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht
dargestellt; die einzige Figur zeigt einen Strahlungs- und Konvektionserhitzer im
Vertikalschnitt.
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Der Erhitzer weist den vertikalen Strahlungsteil 1 und den Konvektionsteil2
auf. Im Strahlungsteil l sind nahe der Innenfläche der zylindrischen Brennkammerwand
3 verlaufende vertikale Erhitzerrohre 4 aus austenitischem Werkstoff vorgesehen.
Über der Brennkammer ist ein durch Stützwände 5 verstärktes, wärmeisolierendes Gehäuse
6 angebracht. Am Fuße des Strahlungsteils 1 münden unterhalb der Brennkammer alle
Erhitzerrohre 4 in eine den ganzen Arbeitsmittelstrom führende, bewegungsfeste,
horizontale, ringförmige Sammelleitung 7, die den Arbeitsmittelaustrittsstutzen
8 trägt, von dem eine nicht gezeigte Arbeitsmittelleitung zu einer nicht gezeigten
Wärmekraftmaschine führt. In der Decke der Brennkammer sind vier Brenner 9 angeordnet,
von denen nur zwei sichtbar sind. Oberhalb der Brennkammer münden je eine gleiche
Anzahl von Erhitzerrohren 4 in vier je nur einen Teil des Arbeitsmittelstromes führende,
in Erhitzerrohrachsrichtung bewegliche, horizontale, ringsektorförmige, im unteren
Bereich des Gehäuses 6 gelegene Teilsammelleitungen 10, von denen
nur eine ganz und zwei teilweise sichtbar sind. Oben am Gehäuse 6 sind Laschen 11
angebracht, in denen zweiarmige Hebel 12 gelagert sind. Je ein kürzerer Hebelarm
ist über ein Joch 13 mit einer Teilsammelleitung 10 verbunden, während je
ein längerer Hebelarm über eine Stange 14 ein Gewicht 15
trägt, wobei
die Teilsammelleitungen 10 angenähert gewichtskompensiert sind; in der Zeichnung
ist nur eine einzige solche Ausgleichsvorrichtung dargestellt.
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Der mit dem Strahlungsteil 1 über ein Kanalstück 16 verbundene Konvektionsteil
2 weist einen Arbeitsmitteleintrittstutzen 17, ein Erhitzerrohrschlangensystem
18 sowie einen bewegungsfesten Arbeitsmittelaustrittsstutzen 19 auf.
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Oberhalb der Teilsammelleitungen 10 ist eine den ganzen Arbeitsmittelstrom
führende, in Erhitzerrohrachsrichtung bewegliche, horizontale, ringförmige, mit
den Teilsammelleitungen 10 vertikal fluchtende und mit diesen durch je einen
erhitzerrohrachsparallelen, nachgiebigen, balgförmigen, im Bereich des je einen
zugeordneten Joches 13 angeordneten Verbindungsstutzen 20 verbundene, innerhalb
des Gehäuses 6 gelegene Sammelleitung 21 angeordnet. Zu diesen Verbindungsstutzen
20 koaxiale und ihnen entsprechende Blindstutzen 22 führen vom Scheitel der beweglichen
Sammelleitung 21 zu den oberen horizontalen Balken der Joche 13, wobei das
Innere der Blindstutzen 22
mit dem Inneren der beweglichen Sammelleitung 21
in Verbindung steht und die Blindstutzen 22 oben abgeschlossen sind. Oben
am Gehäuse 6 sind Laschen 23 angebracht, in denen zweiarmige Hebel 24 drehbar gelagert
sind. Je ein kürzerer Hebelarm ist über eine Zugstange 25 mit der beweglichen Sammelleitung
21 verbunden, während je ein längerer Hebelarm über eine Zugstange 26 ein Gewicht
27 trägt, wobei die bewegliche Sammelleitung 21 angenähert gewichtskompensiert
ist; in der Zeichnung ist nur eine einzige solche Ausgleichvorrichtung dargestellt.
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Die bewegliche Sammelleitung 21 ist durch zwei symmetrische, im ganzen
gesehen nachgiebige Verbindungsrohre 28, von denen nur eines sichtbar ist, mit dem
Arbeitsmittelaustrittstutzen 19 des Konvektionsteils 2 verbunden. Jedes Verbindungsrohr
28
weist einen vertikalen Schenkel 29 sowie einen horizontalen Schenkel
30 auf, in welchen zwei balgförmige nachgiebige Rohrstücke 31, 32 eingefügt
sind.
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Der obere horizontale Balken des dargestellten Joches 13 ist als Abschnitt
einer Stange 33 ausgebildet, die durch eine vertikale Schlitzöffnung 34 in
der Wand des Gehäuses 6 hindurch nach außen führt. Im Bereich des genannten Joches
13 trägt die bewegliche Sammelleitung 21 eine horizontale, zur Stange 33
parallele, senkrecht unter dieser gelegene Stange. 35, die durch eine vertikale
Schlitzöffnung 36 hindurch nach außen führt. Die Stangen 33, 35 sind mit einer ihre
gegenseitige Entfernung, somit die Relativlage der beweglichen Sammelleitung
21 zu einer der Teilsammelleitungen 10 messenden Meßvorrichtung 37 verbunden,
welche so ausgebildet ist, daß bei Abweichen der genannten Relativlage von einem
Bereich vorgegebener Breite in der einen oder in der anderen Richtung eine der Richtung
der Abweichung entsprechende Steuerkraft erzeugt wird. Die Meßvorrichtung 37 ist
über eine Steuerleitung 38 mit einer Steuervorrichtung 39 verbunden. Die
Steuervorrichtung 39 ist einerseits über eine Kraftleitung 40 mit
einer nicht gezeigten Kraftquelle und andererseits über eine Stelleitung 41 mit
einem eine rotierende Bewegung in der einen bzw. in der anderen Richtung erzeugenden
Stellmotor 42 verbunden.
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Gemäß der Darstellung in der Zeichnung weist die Meßvorrichtung 37
zwei mit der Stange 35 feste Kontakte 43, 44 sowie einen mit der Stange 33 festen
Kontakt 45 auf, wobei elektrische Steuerkräfte ausgelöst werden; der Stellmotor
42 ist vorteilhafterweise als in beiden Drehrichtungen arbeitender Elektromotor
ausgebildet. Selbstverständlich kann als Meßvorrichtung, Steuervorrichtung und Stellmotor
jede geeignete Ausführungsart verwendet werden.
Die rotierende Welle
46 des Stellmotors 42 trägt an ihrem freien Ende ein Kegelritzel47, das in ein in
Achsrichtung bewegungsfestes Kegeltellerrad 48 mit vertikaler Achse eingreift, dessen
Nabe mit einem Innengewinde versehen ist, welches eine drehfeste, in Kegeltellerradachsrichtung
bewegliche Gewindespindel 49 aufnimmt. Die Gewindespindel 49 ist durch eine Schubstange
50 über zwei Gelenke 51, 52 mit dem inneren Ende des horizontalen Schenkels 30 des
Verbindungsrohres 28 verbunden. Der Stellmotor 42 treibt in nicht dargestellter
Weise ein dem Kegeltellerrad 48 mit Innengewinde entsprechendes, nicht sichtbares
Kegeltellerrad synchron zu diesem an, das eine der dargestellten Gewindespindel
49 entsprechende, nicht sichtbare Gewindespindel aufnimmt, welche entsprechend der
gezeigten Weise mit dem nicht sichtbaren, zum Verbindungsrohr 28 symmetrischen Verbindungsrohr
verbunden ist. Der Stellmotor 42, die Kegelradgetriebe und die Gewindespindeln bilden
die wesentlichen Teile einer Verstellvorrichtung für die bewegliche Verbindungsleitung
28.
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Die dargestellte Anlage arbeitet folgendermaßen. Bei Befeuerung der
Brennkammer dehnen sich die das Arbeitsmittel in seinem heißesten Zustand führenden
Erhitzerrohre 4 aus austenitischem Werkstoff beträchtlich aus; dabei ist die Ausdehnung
erheblich größer als diejenige der vertikalen Schenkel 29 der Verbindungsrohre
28, die aus ferritischem Material bestehen und in denen das Arbeitsmittel eine geringere
Temperatur aufweist; in einer ausgeführten Anlage beträgt der Ausdehnungsunterschied
bis zu 60 mm.
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Da die untere Sammelleitung 7 bewegungsfest ausgebildet ist, bewegen
sich die Teilsammelleitungen 10
entsprechend der Wärmeausdehnung der Erhitzerrohre
4 nach oben, wobei unterschiedliche Ausdehnung einzelner Erhitzerrohre 4
zufolge unsymmetrischer Flamme unterschiedliche Bewegungen der einzelnen Teilsammelleitungen
10 in Erhitzerrohrachsrichtung und/oder unterschiedlichen Achsrichtungsverlauf
der Teilsammelleitungen 10 zueinander bewirken. Die Bewegungen jeder der
Teilsammelleitungen 10 wirken durch die ihnen zugeordneten Verbindungsstutzen 20
sowie die entsprechenden Blindstutzen 22 und Joche 13 auf die bewegliche Sammelleitung
21 ein. Dabei werden unterschiedliche Bewegungen und/oder unterschiedlicher Achsrichtungsverlauf
einzelner Teilsammelleitungen 10 durch die Verbindungs- und Blindstutzen in der
Weise ausgeglichen, daß der Durchschnitt aller Bewegungen der Teilsammelleitungen
10 auf die bewegliche Sammelleitung 21 einwirkt. Dadurch sowie zufolge des
symmetrischen Anschlusses der beiden symmetrischen Verbindungsleitungen 28 an die
bewegliche Sammelleitung 21 behält diese in allen Lagen im wesentlichen ihre horizontale
Achsrichtung bei. Da sich im Inneren jedes Blindstutzens 22 Arbeitsmittel gleicherTemperatur
befindet wie imInneren jedes zugeordneten Verbindungsstutzens 20, werden
wärmebedingte Dehnungsmomente der Verbindungsstutzen 20 durch entsprechende
Momente der zugeordneten Blindstutzen 22 kompensiert.
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Die gewichtskompensierten Teilsammelleitungen 10 können sich als solche
bei wärmebedingter Ausdehnung der Erhitzerrohre 4 gegen vernachlässigbar
geringe Widerstände nach oben bewegen. Auch die bewegliche Sammelleitung 21 ist
nebst dem auf sie einwirkenden Teil des Gewichtes der Verbindungsrohre
28 sowie der Verbindungsstutzen 20 und der Blindstutzen 22 gewichtskompensiert.
Dennoch kann sie nur unter überwindung beträchtlicher Widerstände in Achsrichtung,
bei wärmebedingter Ausdehnung der Erhitzerrohre 4 also, nach oben bewegt werden.
Hierbei handelt es sich um Reibungswiderstände der Verbindungsrohre 28 bei deren
Durchführung durch die Wand des wärmeisolierenden Gehäuses 6 und um Deformationswiderstände
in den balgförmigen nachgiebigen Rohrstücken 31,32 in den horizontalen Schenkeln
der Verbindungsrohre 28. Zufolge dieses Widerstandes gegen eine Verschiebung der
beweglichen Sammelleitung 21 werden bei Bewegung der Teilsammelleitung 10 nach oben
die Verbindungsstutzen 20 zusammengedrückt und die Blindstutzen 22 auseinandergezogen,
und die bewegliche Sammelleitung 21 bewegt sich nicht oder nicht ganz und/oder verzögert
entsprechend der Bewegung der Teilsammelleitungen 10 nach oben, und es tritt
somit eine Änderung der Relativlage der beweglichen Sammelleitung 21 zu den
Teilsammelleitungen 10 ein. Entsprechend der Verringerung des Abstandes der
beweglichen Sammelleitung 21 zu den Teilsammelleitungen 10 vergrößert sich
die Entfernung der Stange 33 zur Stange 35. Demzufolge kommt der Kontakt 45 mit
dem Kontakt 44 der Meßeinrichtung 37 in Berührung, wodurch die Steuervorrichtung
39 in dem Sinne betätigt wird, daß dem Stellmotor 42 eine Stellenergie zugeführt
wird, die bewirkt, daß die Motorachse 46 in demjenigen Drehsinn dreht, daß die bewegliche
Sammelleitung 21 durch die vertikalen Schenkel 29 der Verbindungsrohre 28 nach oben
bewegt wird, bis die vorgegebene Relativlage zwischen der beweglichen Sammelleitung
21 und den Teilsammelleitungen 10 wiederhergestellt und damit die vorgegebene Entfernung
zwischen der Stange 33 und der Stange 35 wieder erreicht ist, wobei die Berührung
zwischen den Kontakten 44, 45 unterbrochen wird und dem Stellmotor 42 keine Stellenergie
mehr zugeführt wird. Bei Zusammenziehen der Erhitzerrohre zufolge Abkühlung berührt
der Kontakt 45 den Kontakt 43 und bewirkt ein Senken der beweglichen Sammelleitung
21.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, dem Strahlungsteil
eines Strahlungs- und Konvektionserhitzers das Arbeitsmittel in der Weise zuzuführen,
daß in jeder beweglichen Teilsammelleitung der gleiche Arbeitsmitteldruck herrscht
und daß in allen Erhitzerrohren die gleiche Arbeitsmittelmenge strömt, wobei man
mit einer geringeren Anzahl von nachgiebigen Verbindungsrohren zwischen dem Konvektions-
und dem Strahlungsteil auskommt, als Teilsammelleitungen vorhanden sind. Ein weiterer
Vorteil der dargestellten Anlage besteht darin, daß die Ausdehnung der Erhitzerrohre
als Steuergröße verwendet wird und die Verstellung der beweglichen Sammelleitung
durch eine fremde Kraft erfolgt, die Erhitzerrohre somit immer zwangläufig gerade
gerichtet und keinen Stauchbeanspruchungen ausgesetzt sind.
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In der dargestellten Anlage erfaßt die Meßvorrichtung die Lage nur
einer Teilsammelleitung. Um ein Meßresultat zu erhalten, dem die mittlere Lage aller
Teilsammelleitungen zugrunde liegt, ist beispielsweise entweder jeder Teilsammelleitung
eine eigene Meßvorrichtung zuzuordnen, wobei die Steuervorrichtung den Ausgleich
besorgt, oder es kann jede Teilsammelleitung an eine deren mittlere Lage an die
Steuervorrichtung
weitergebende Ausgleichsvorrichtung angeschlossen werden.
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An Stelle der beiden vertikalen Stangen der Joche 13 kann eine im
Inneren der Verbindungsstutzen 20 und der diesen zugeordneten Blindstutzen
22 verlaufende Stange vorgesehen werden, welche Ausführungsart den Vorteil
hat, daß die innere Stange dieselbe Temperatur aufweist wie der Verbindungs- und
der Blindstutzen und die Wärmedehnung dieser Stutzen angenähert der Wärmedehnung
der inneren Stange entspricht, womit entsprechende Belastungen von V erbindungs-
und Blindstutzen aus wärmebedingter Ausdehnung vermieden werden.
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Bei richtig ausgelegten Gewichtskompensationsvorrichtungen für die
bewegliche Sammelleitung und die Teilsammelleitungen sind die notwendigen Verstellkräfte
nicht besonders groß. Es ist daher ohne weiteres möglich, eine von Hand direkt betätigte
Verstellvorrichtung vorzusehen. Eine solche Handverstellvorrichtung wird zweckmäßigerweise
als Hilfsverstellvorrichtung für den Fall eines Versagens der automatischen Kraftverstellvorrichtung
vorgesehen. Dabei wird zweckmäßigerweise dafür gesorgt, daß bei Einkuppeln der Handverstellvorrichtung
die Kraftverstellvorrichtung abgekuppelt wird. Dies kann etwa dadurch geschehen,
daß die Ein- und Ausrückvorrichtung beider Verstellvorrichtungen alternativ miteinander
gekuppelt sind; ein besonderes zuverlässiges Auskuppeln der Kraftverstellvorrichtung
erhält man dadurch, daß der elektrische Stellmotor als Schubankermotor ausgebildet
ist, dessen Abtriebswelle nur bei Leistungszuführung bzw. -abgabe in Einkuppelungsstellung
gerückt wird, so daß bei Ausfall der Kraftverstellvorrichtung diese stets ausgekuppelt
ist. Die Notwendigkeit, die Handverstellvorrichtung zu betätigen, wird zweckmäßigerweise
durch eine aufdringlich wirkende, beispielsweise eine akustische Warnvorrichtung
angezeigt, die von einer ohne besonderen Aufwand zuverlässig eine Kraft speichernden
Vorrichtung, beispielsweise einer Feder oder einem Gewicht, angetrieben und von
den Stangen 33, 34 gesteuert wird.