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Wärmeaustauscher für Dampferzeuger Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher
für einen Dampferzeuger, bei dem von einem heißen Gas umströmte U-förmig gebogene
Rohre zur Durchleitung des wärmeaufnehmenden Mediums vorgesehen sind, deren jeweilige
Schenkelenden in voneinander getrennten Gruppen jeweils in zwei gesonderten, jedoch
aneinander befestigten Rohrböden enden.
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Es sind bereits Wärmeaustauscher beschrieben worden, bei denen U-förmige
Rohre zum Durchleiten des wärmeaufnehmenden Mediums verwendet werden, die mit ihren
Schenkeln jeweils an verschiedenen Rohrböden, die miteinander verbunden sind, enden.
Die U-förmigen Rohre und die zugehörigen Böden sind bei diesen bekannten Wärmeaustauschern
symmetrisch zur Zylinderachse eine umgebenden Mantels angeordnet, und zwar dergestalt,
daß derselben Temperatur zugeordneten Rohrenden symmetrisch in einer kreisförmigen
Platte und die anderen Rohrenden ebenfalls symmetrisch am Umfang einer ringförmigen
Platte befestigt sind. Die beiden Platten sind bei diesem bekannten Wärmeaustauscher
über ein Gehäuse und ein Rohr-Stopfbüchsenverbindung miteinander verbunden.
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Diese bekannte Vorrichtung hat jedoch erhebliche Nachteile. Der Dehnungsausgleich
wird bei der bekannten Vorrichtung durch die Stopfbüchse bewirkt, die damit zugleich
ständigen Belastungen ausgesetzt wird, wodurch die ohnehin bei jeder Stopfbüchse
bestehende Leckgefahr noch weiter vergrößert wird. Die Konstruktion ist außerordentlich
aufwendig, und die mechanische Verbindung zwischen den beiden Böden wird im wesentlichen
durch die schwachen Stellen der Stopfbüchse und der U-Rohre gekennzeichnet. Es ging
somit bei dieser bekannten Anordnung nur darum, die unterschiedliche Längsausdehnung
der Rohrschenkel zu vermeiden oder zu kompensieren.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile
der bekannten Wärmeaustauscher zu vermeiden und insbesondere einen Wärmeaustauscher
zu schaffen, bei dem sowohl die thermischen als auch die mechanischen Eigenschaften
entsprechend den Anforderungen an die Rohre, die Rohrplatte und ihre Verbindungsstellen
optimal sind, und zwar auf konstruktiv einfache, betrieblich sichere und raumsparende
Weise, und bei dem eine günstige Führung des Heizgases gewährleistet ist, wobei
diese Aufgabe dadurch zusätzlich erschwert wird, daß die U-förmigen Rohre aus einem
hitzebeständigeren Material als dem der Rohrplatte bestehen sollen. Spezielle Aufgabe
der Erfindung ist es, die Verbesserung der bekannten Wärmeaustaucher durch die gegenseitige
Anordnung und Befestigung zweier bei unterschiedlichem Temperaturniveau arbeitender
Rohrböden derart zu erreichen, daß durch formmäßige Ausbildung ihrer Verbindungsglieder
der Wärmeübergang zwischen beiden Rohrböden entscheidend reduziert wird, und zwar
auf konstruktiv einfachste sowie betrieblich sichere Art und Weise und vor allem
auch bei geringst möglichem Raumbedarf und wirkungsvollster Gasführung des Heizgases,
so daß das bisher anstehende Problem der Wärmespannungen schon von vornherein weitgehend
ausgeschaltet ist.
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Diese Aufgabe wurde nun erfindungsgemäß durch einen Wärmeaustauscher
der eingangs definierten Art gelöst, der sich dadurch auszeichnet, daß der eine
Rohrboden eine Öffnung aufweist, die dem Befestigungsbereich der Gruppe der einen
Schenkelenden gegenüber seitlich versetzt angeordnet ist, daß um die Öffnung herum
unter Ausbildung eines ringförmigen Stegs in dem einen Rohrboden eine tiefe Ringnut
vorgesehen ist, und daß der andere Rohrboden um seinen Rand einen hochragenden Bund
aufweist, über den dieser Rohrboden unter Bildung eines Wärmeleitungs-Engpasses
an dem ringförmigen Steg des einen Rohrbodens befestigt ist.
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Es hat sich erfindungsgemäß zusätzlich als besonders vorteilhaft erwiesen,
wenn außerdem von dem anderen Rohrboden aus ein Rohrkörper durch die Öffnung hindurchragt,
der in einem einen erhöhten Wärmeübergang-Widerstand bildenden Abstand
von
der Innenwand des Bundes und des ringförmigen Stegs angeordnet ist.
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Durch die erfindungsgemäße technische Lehre werden sehr zahlreiche
und bedeutsame Vorteile erzielt. Neben der Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
ist durch die erfindungsgemäße Lehre ein Wärmeaustauscher geschaffen worden, dessen
Rohrplatten in einfachster Weise sehr fest und sogar einstückig miteinander verbunden
sein können und die dennoch thermisch ausreichend voneinander getrennt sind. Zu
letzterem trägt insbesondere die asymmetrische Anordnung der Rohrplatten bei, durch
die der thermische Widerstand zwischen den Platten zusätzlich erhöht wird. Die Konstruktion
ist sehr stabil und kann Gewichte, Erschütterungen und Dehnungen in störunanfälliger
Weise aufnehmen. Es ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher eine thermische
Schranke zwischen den Teilen hoher Temperatur und denen niedriger Temperatur der
Rohrplatte geschaffen, so daß in vorteilhafter Weise praktisch keine oder nur eine
geringe Temperaturdifferenz zwischen den Rohrenden und den zugehörigen Rohrplatten
bzw. Rohrplattenabschnitten besteht.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel
an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch einen
Wärmeaustauscher, wobei zwecks Vereinfachung der Darstellung bestimmte Anschlußstücke
in die Schnittebene gedreht wurden, F i g. 2 eine Aufsicht im Schnitt praktisch
längs der Linie 7-7 in F i g. l., F i g. 3 einen teilweise weggebrochenen Querschnitt
praktisch längs der Linie 3-3 in F i g. 1, F i g. 4 einen Teilquerschnitt durch
einen Abschnitt von F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.
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Der allgemein mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Wärmeaustauscher
weist ein Gehäuse 11, einen Rohrboden 12 und ein Hohlglied 13 auf,
das durch die Rohrplatte 12 zu einem einzigen Stück mit dem Gehäuse
11 verbunden wird. Das im wesentlichen Zylinderform besitzende Gehäuse 11
ist vorzugsweise lotrecht aufrecht stehend angeordnet und ist mit einer Bodenwand
14 sowie einem mit dem Rohrboden 12 verbundenen, sich verjüngenden Abschnitt 15
versehen. Innerhalb des Gehäuses 11 ist ein Rohrbündel 16 aufrecht stehend
angeordnet, welches eine große Anzahl von U-förmig gebogenen Rohren einschließlich
Vorwärmerrohren 17, Verdampferrohren 18 und überhitzerrohren 19 umfaßt.
Beide Enden jedes Vorwärmerrohres 17 und jedes Verdampferrohres 18 sind auf herkömmliche
Weise in dem Rohrboden 12 befestigt und stehen mit dem Innenraum des Hohlglieds
13 in Verbindung. Von den überhitzerrohren 19 ist jedoch nur jeweils ein Ende in
der Rohrplatte 12 befestigt, während die anderen Enden auf die später erläuterte
Weise befestigt sind. Heißes Gas, wie z. B. gasförmiges Helium, tritt durch ein
Einlaßrohr 21 in das Gehäuse 11 ein und verläßt dieses nach dem Durchströmen des
Rohrbündels 16 in abgekühltem Zustand durch ein Auslaßrohr 22. Im Anschluß
hieran wird das Helium durch einen nicht dargestellten Kompressor geleitet und erneut
erhitzt, um sodann erneut in den Kreislauf zurückgeführt zu werden, indem es durch
das Rohr 21 in das Gehäuse 11 eingeleitet wird.
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Das Hohlglied 13 kann eine mit einem Flansch versehene Öffnung 25
aufweisen, die ihrerseits mit Hilfe einer normalerweise verschraubten und anschließend
angeschweißten Verschlußplatte 26 abgedichtet ist. Innerhalb des Hohlglieds 13 sind
allgemein mit 27 bezeichnete Strömungsleitmittel vorgesehen, die aus Platten 28
bestehen, welche jeweils mit einer Anzahl von Rohröffnungen in dem einen Rohrboden
12 in Verbindung stehende Kanäle 29, 30 und 31 festlegen. Ein am Hohlglied
13 vorgesehener Einlaßanschluß 32 dient zur Zufuhr von Wasser durch den Kanal
29, um dieses Wasser in die Kalt-Durchlaufseite jedes Vorwärmrohrs 17 eintreten
zu lassen. Das erwärmte Zufuhrwasser strömt zum Waschrost in der Dampftrommel. Das
Wasser verbindet sich mit dem erneut in Umlauf gesetzten Wasser und tritt durch
den Auslaß aus. Dieser vereinigte Wasserstrom wird dann zur Einlaßdüse des Hohlglieds
13 gepumpt, wonach dieses Warmwasser in den mit der Einlaßseite jedes Verdampferrohres
18 in Verbindung stehenden Kanal 31 eintritt. Der aus den Auslaßenden der
Verdampferrohre austretende Naßdampf gelangt in einen Kanal 35 und tritt
über eine Auslaßdüse 36 nach außen aus.
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Der von der Düse 36 kommende Naßdampf tritt über eine Einlaßdüse 41
in die getrennte Dampftrommel 40 ein. Die in der Dampftrommel 40 vorgesehene mechanische
Vorrichtung ist herkömmlicher Art und dient dazu, den Dampf vom Wasser abzuscheiden
und das Wasser durch den Auslaß 42 und den gesättigten Dampf durch den Auslaß 43
austreten zu lassen. Das aus dem Auslaß 42 austretende Wasser umfaßt den Zufuhr-Wasserstrom.
Der vom Auslaß 43 kommende Dampf tritt durch einen seitlichen Anschluß 45
in einen konzentrisch angeordneten Einlaß- und Auslaßanschluß 44 ein und gelangt
von hier aus über einen zwischen einem äußeren Rohrglied 47 und einem inneren Rohrglied
48 gebildeten Durchgang 46 in das Innere des Hohlglieds 13, wo er in die Kalt-Durchlaufseite
der überhitzerrohre 19 eintritt.
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Ein weiterer tiefer gelegter Rohrboden 50 dient zur Aufnahme der anderen
Enden der überhitzerrohre 19. Dieser zweite Rohrboden 50 besteht aus hitzebeständigem
Metall, besitzt im allgemeinen Kreisform und ist mit einem aufrecht stehenden, aus
dem gleichen Stück ausgebildeten Bund 51 versehen. Der Rohrboden 12 weist
eine axial verlaufende, exzentrisch angeordnete Öffnung 52 auf und ist außerdem
mit einer einen abwärts gerichteten unteren Steg 54 festlegenden konzentrischen
Ringnut 53 versehen. Der aufrechte Bund 51 des zweiten Rohrbodens 50 ist bei 55
mit dem unteren Steg 54 des ersten Rohrbodens 12 verschweißt. Ein aus hitzebeständigem
Metall bestehender Rohrkörper 56 ist an seinem unteren Ende 57 an dem zweiten Rohrboden
50 befestigt. Eine im Rohrkörper 56 vorgesehene seitliche Öffnung
58 ist mit dem inneren Rohr 48 verbunden, so daß der aus den Rohren 19 austretende
überhitzte Dampf durch den Rohrkörper 56, die seitliche COffnung 58 und über das
innere Rohr 48 und eine Austrittsdüse 59 nach außen strömt.
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Der auf hohe Temperatur überhitzte Dampf berührt weder die Wände des
Gehäuses 11 noch das Hohlglied 13 oder den Rohrboden 12. Außerdem erhitzt
das heiße innere Rohr 48 auf Grund der Konstruktion des kombinierten Einlaß-Auslaß-Anschlusses
44 das Hohlglied 13 nicht in übermäßigem Ausmaß.
Wie
am besten aus F i g. 3 ersichtlich ist, verwendet der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher
eine neuartige Rohranordnung. Die Kalt-Durchlaufenden der überhitzerrohre 19 sind
in einem halbkreis- bzw. halbmondförmigen Feld 62 neben einer perforierten Beaufschlagungswand
63 angeordnet, während die Heiß-Durchlaufenden der überhitzerrohre 19 in den zweiten
bzw. tiefer gelegenen Rohrboden 50 auslaufen und in einem ungefähr kreisförmigen
Feld 64 angeordnet sind. Aus Metall bestehende Ummantelungen 65 sind mit Abschnitten
66 versehen, die sich in Radialrichtung in das Kreisfeld 64 hinein erstrekken. Die
in dem tiefer gelegten Rohrboden 50 vorgesehenen Bohrungen sind derart angeordnet,
daß das Feld 64 eine praktisch gleichmäßige Erwärmung der Heiß-Durchlaufabschnitte
der überhitzerrohre 19 gewährleistet, wenn die im Gehäuse 11 befindlichen
heißen Gase gemäß F i g. 3 von der linken Seite der Trennwandabschnitte 66 zu deren
rechter Seite strömen. Ersichtlicherweise ist jeweils nur ein Ende jedes überhitzerrohres
19 in den zweiten bzw. tiefer gelegten Rohrboden 50 eingesetzt, während beide Enden
aller anderen Rohre an dem ersten Rohrboden 12 befestigt sind. Gemäß F i g. 3 wird
das Feld 67 von der Kalt-Durchlaufseite der Vorwärmrohre 17 und wird das Feld 68
von ihrer Heiß-Durchlaufseite festgelegt. Die Einlaßseiten der Verdampferrohre 18
bilden das Feld 69, während ihre Auslaßenden im Feldschema 70 angeordnet sind. Weiterhin
ist es ersichtlich, daß, obgleich das in den Vorwärmrohren 17 und den Verdampferrohren
18
befindliche Fluidum im Gegenstrom zu dem im Gehäuse 11 befindlichen heißen
Gas strömt, das in den Überhitzerrohren 19 befindliche Fluidum im Gleichstrom mit
diesem heißen Gas strömt. Hierdurch kann die Temperatur des Metalls der überhitzerrohre
innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten werden.
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Der Gasdurchfluß durch das Gehäuse 11 ist in F i g. 2 am deutlichsten
dargestellt. Das Gas-Einlaßrohr 21. mündet in eine gewölbte Ummantelung 71 ein,
und das Gas beaufschlagt die mit Öffnungen versehene Platte 63, während Teile des
Gasstroms über und unter die Klatte 63 abgelenkt werden. Das Gas strömt dann durch
das halbkreisförmige Rohrfeld 62 und anschließend durch das Rohrfeld 64 und zwischen
den Ummantelungsabschnitten 66 hindurch. Daraufhin gelangt das heiße Gas der Reihe
nach durch die Rohrfelder 70, 69, 68 und 67 und tritt durch einen zwischen den Ummantelungsenden
73 vorgesehenen Spalt 72 in das Innere des Gehäuses 11 hinein aus. Ersichtlicherweise
gelangt das Gas nicht eher in Berührung mit dem Gehäuse, bevor es nicht an allen
Wärmeaustauschrohren vorbeigeströmt ist, weshalb das Gehäuse selbst verhältnismäßig
kühl bleibt. Das abgekühlte Gas tritt dann durch das Auslaßrohr 22 aus dem Gehäuse
11 aus. Es ist Vorsorge getroffen, um jegliches Hindurchlecken von Wasser oder anderem
Fluidum an den Rohrverbindungsstellen und ein Eindringen desselben in den im Gehäuse
11 befindlichen Heißgasstrom zu verhindern. Bei heißem Heliumgas als Hitzequelle
verwendeten Dampferzeugern ist es beispielsweise höchst unerwünscht, Wasser oder
Dampf in den Heliumstrom eindringen zu lassen. Aus diesem Grund ist eine Seitenwände
76 und eine Bodenwand 77 aufweisende Trennwand 75 (F i g. 4) vorgesehen, die zusammen
mit der Unterseite der Rohrplatte 12 eine Leckkammer 78 bildet, wobei alle Rohre
17, 18 und 19 in der Bodenwand 77 vorgesehene Öffnungen durchsetzen. Aus den Öffnungen
des Rohrbodens 12 bzw. des Rohrbodens 50 etwa austretendes Wasser bzw. Dampf
wird innerhalb der Trennwand 75 gesammelt und durch eine Austrittsleitung 79 abgesaugt,
welche an einer nicht dargestellten Stelle durch die Wand des Gehäuses 11 hindurch
nach außen austritt.