DE1451294B2

DE1451294B2 - HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: DE1451294B2
Application number: DE19631451294
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing.; Sudi Othmar; Graz Sandri (Österreich)
Original assignee: Waagner-Biro Ag, Wien
Priority date: 1962-12-18
Filing date: 1963-11-29
Publication date: 1972-07-27
Also published as: DE1451294A1; AT246749B; CH444896A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung mittels Berührungsheizflächen mit im wesentlichen rotationssymmetrischer Anordnung der die Berührungsheizflächen bildenden Rohrregister, die sämtlich im Querschnitt eines einzigen Gaszuges angeordnet sind.The invention relates to a heat exchanger for generating steam by means of contact heating surfaces essentially rotationally symmetrical arrangement of the tubular register forming the contact heating surfaces, all of which are arranged in the cross section of a single throttle cable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art das bei einer Gasströmung stets vorhandene Temperaturprofil optimal auszunutzen und sowohl die Größe der erforderlichen Heizflächen zu verringern, als auch die Belastungen der Heizflächen herabzusetzen, so daß trotz der höheren Temperaturen im Kern der Gasströmung teure Werkstoffe vermieden und Schäden an den Heizflächen, insbesondere durch unzulässige Belastungen und Hochtemperaturkorrosionen, ausgeschlossen werden.The invention is based on the object in a heat exchanger of the type described above Art of making optimal use of the temperature profile that is always present in a gas flow, and both to reduce the size of the required heating surfaces as well as to reduce the loads on the heating surfaces, so that, despite the higher temperatures in the core of the gas flow, expensive materials are avoided and damage to the heating surfaces, in particular due to impermissible loads and high-temperature corrosion, be excluded.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Berührungsheizflächen unterschiedlicher Funktion in gleicher Höhe räumlich nebeneinander derart im Gasstrom angeordnet sind, daß Heizflächen mit hohem Wärmeübergang und/oder niedriger Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums, z. B. Speisewasservorwärmer, Vorverdampfer, im heißen Kern der Gaströmung und die übrigen Heizflächen abgestuft nach Wärmeübergang und/oder Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums in den kühleren, den Kern umgebenden Zonen der Gasströmung liegen. Restverdampfer und Überhitzer sind gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung in der kühlen Randzone der Gasströmung angeordnet.According to the invention, this object is achieved in that contact heating surfaces are different Function are arranged spatially next to one another in the gas flow at the same height in such a way that heating surfaces with high heat transfer and / or low temperature of the heat-absorbing medium, e.g. B. Feed water preheater, pre-evaporator, in the hot core of the gas flow and the other heating surfaces graded according to heat transfer and / or temperature of the heat-absorbing medium in the cooler, zones of the gas flow surrounding the core. Residual evaporator and superheater are in accordance with Another feature of the invention arranged in the cool edge zone of the gas flow.

Um das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle auszunutzen, sind die Rohrregister unterschiedlicher Funktion erfindungsgemäß derart hintereinandergeschaltet, daß die im heißen Gaskern liegenden Heizflächen im Gegenstrom und die in der kühleren Randzone und die zwischen dem Gaskern und der Randzone liegenden Heizflächen im Gleichstrom beaufschlagt sind.About the available temperature gradient In accordance with the invention, the pipe registers with different functions are connected in series in such a way that that the heating surfaces in the hot gas core are in countercurrent and those in the cooler one The edge zone and the heating surfaces between the gas core and the edge zone are applied in direct current are.

Für eine praktische Ausführung eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, die die Wandverkleidung des Gaskanals bildenden Rohre an einem oder beiden Enden vor ihrer Umlenkung zu außenliegenden Sammelkammern abwechselnd langer und kürzer auszuführen, wodurch Lücken zwischen den länger gehaltenen Rohren entstehen, durch die die im Gaskanal angeordneten Rohrregister unterschiedlicher Funktion zu den zugehörigen Sammelkammern geführt sind.For a practical implementation of a heat exchanger according to the invention, it is finally proposed that the pipes forming the wall lining of the gas duct at one or both ends in front of it Execution of deflection to external collecting chambers alternately longer and shorter, whereby Gaps arise between the pipes that are held longer, through which the pipes arranged in the gas duct Pipe registers of different functions are led to the associated collecting chambers.

Es ist zwar bei Wärmetauschern der eingangs genannten Art bekannt, die die Berührungsheizflächen bildenden Rohrregister im wesentlichen rotationssymmetrisch im Querschnitt eines Gaszuges anzuordnen, jedoch fand bei den bekannten Ausführungen das bei der Strömung eines heißen Gases sich stets ausbildende Temperaturprofil keine Berücksichtigung. Bei den bekannten Wärmetauschern zur Dampferzeugung mittels Berührungsheizflächen, die das sich ausbildende Temperaturprofil berücksichtigen, erfolgt die Anordnung der die Berührungsheizflächen bildenden Rohrregister mit dem Zweck, eine Vergleichmäßigung der Austrittstemperatur des zu erhitzenden Mediums zu erzielen. Zu diesem Zweck ist es beispielsweise bekannt, jedes Rohr der Rohrregister mindestens einmal über den gesamten Querschnitt des Gaskanals zu führen, um so die Einflüsse des heißen Kernes und der kühlen Randzonen der Gasströmung auszugleichen. Die voranstehend dargelegte Aufgabenstellung kann somit von den bekannten Wärmetauschern zur Dampferzeugung nicht gelöst werden.It is known in the case of heat exchangers of the type mentioned that the contact heating surfaces to arrange the pipe register forming essentially rotationally symmetrical in the cross section of a throttle cable, however, in the known designs, this was always the case with the flow of a hot gas forming temperature profile is not taken into account. In the known heat exchangers for steam generation by means of contact heating surfaces that take the developing temperature profile into account, the arrangement of the pipe registers forming the contact heating surfaces is carried out with the purpose of equalization the outlet temperature of the medium to be heated. For that purpose it is known for example, each pipe of the pipe register at least once over the entire cross-section of the gas duct in order to avoid the influences of the hot core and the cool edge zones of the gas flow balance. The task set out above can thus be derived from the known Heat exchangers for steam generation cannot be released.

Mit der Erfindung wird ein Wärmetauscher zur Dampferzeugung geschaffen, der durch eine gute Raumausnutzung ein geringes Bauvolumen besitzt und durch die optimale Ausnutzung der über den Querschnitt der Gasströmung unterschiedlichen Temperaturen die Verwendung von teuren, insbesondere hochhitzebeständigen Rohrwerkstoffen vermeidet, wodurch sich ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil ergibt. With the invention, a heat exchanger for generating steam is created by a good Space utilization has a low construction volume and through the optimal use of the over the Cross-section of the gas flow different temperatures the use of expensive, in particular avoids highly heat-resistant pipe materials, which results in a further economic advantage.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt, und zwar zeigtIn the drawing, various embodiments of the heat exchanger according to the invention are shown, namely shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform,Fig. 1 is a schematic representation of a first Embodiment,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zwei-Fig. 2 is a schematic representation of a two-

ten, mit einer zusätzlich vorgesehenen Zwischenüberhitzung für Niederdruckdampf versehenen Ausführung, th, with an additional reheating for low pressure steam provided,

F i g. 3 eine entsprechende Darstellung einer dritten Ausführung, bei der zusätzlich ein Restverdampfer in Wandnähe angeordnet ist,F i g. 3 shows a corresponding illustration of a third embodiment, in which a residual evaporator is also used is arranged near the wall,

F i g. 4 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine ausgeführte Nachschaltheizfläche eines druckgefeuerten Kessels undF i g. 4 shows a simplified longitudinal section through a executed secondary heating surface of a pressure-fired boiler and

F i g. 5 eine Draufsicht auf die Nachschaltheizfläche nach F i g. 4.F i g. 5 shows a plan view of the secondary heating surface according to FIG. 4th

Innerhalb eines schematisch angedeuteten, aus isolierendem Material gebildeten Mantels 1 des Gaszuges ist eine insgesamt als Nachschaltheizfläche 2 bezeichnete Heizfläche angeordnet. Die Pfeile 3 und 4 bezeichnen die Strömungsrichtung der heißen Gase im Eintrittsquerschnitt 5 und im Austrittsquerschnitt 6, den die Gase mit verminderter und über den Querschnitt vergleichmäßigter Temperatur verlassen. Die Heizgase stammen beispielsweise aus einer knapp vor der Nachschaltheizfläche 2 liegenden, nicht gezeichneten Strahlungsbrennkammer. Eine solche weist die Eigentümlichkeit auf, daß der Gaskern wegen der kürzeren Aufenthaltsdauer und schlechteren Wärmeübergangsverhältnisse stets höhere Temperaturen besitzt als die Randschichten. Diese Temperaturverteilung besteht auch noch beim Eintritt in die Nachschaltheizfläche 2.Within a schematically indicated jacket 1 of the throttle cable formed from insulating material a heating surface designated overall as Nachschaltheizfläche 2 is arranged. The arrows 3 and 4 denote the direction of flow of the hot gases in the inlet cross-section 5 and in the outlet cross-section 6, which the gases leave with a reduced temperature that is more uniform over the cross-section. The heating gases come, for example, from a location just in front of the secondary heating surface 2, Radiation combustion chamber not shown. One such has the peculiarity that the Gas core always higher because of the shorter duration of stay and poorer heat transfer conditions Temperatures than the outer layers. This temperature distribution also exists with Entry into the secondary heating area 2.

Das zu erwärmende Medium, z. B. Naßdampf, tritt durch eine Leitung 7 in die Nachschaltheizfläche 2 ein, durchströmt die Rohre 8 im Gegenstrom zum Heizgas und wird nach Umlenkung im Bogen 9 in den anschließenden Rohren 10 im Gleichstrom zum Heizgas geführt. Danach gelangt der Dampf in einen Einspritzkühler 11, der gleichzeitig die Aufgabe einer Sammelkammer übernehmen kann; schließlich durchströmt der Dampf die wandnahen Rohre 12. Dem Einspritzkühler 11 wird die erforderliche Einspritzwassermenge durch eine Einspritzleitung 13 zugeführt. Der überhitzte Dampf wird in Kammern 14 gesammelt und schließlich durch Leitungen 15 zu den Verbrauchern geführt.The medium to be heated, e.g. B. wet steam, enters the secondary heating surface 2 through a line 7 a, flows through the pipes 8 in countercurrent to the heating gas and is after deflection in the bend 9 in the subsequent pipes 10 led in cocurrent to the heating gas. The steam then enters one Injection cooler 11, which can simultaneously take on the task of a collecting chamber; in the end The steam flows through the tubes 12 close to the wall. The injection cooler 11 receives the required amount of injection water fed through an injection line 13. The superheated steam is in chambers 14 collected and finally passed through lines 15 to the consumers.

In F i g. 2 wird eine ähnliche Rohranordnung wie in F i g. 1 gezeigt. Auch hier strömt Naßdampf durch Leitungen 7 zu, der sodann im Gegenstrom in Rohren 16 erhitzt und durch waagerechte Anschlußleitungen 17 Sammelkammern 18 zugeleitet wird; der Dampf gelangt von dort über Verbindungsleitungen 19 zu unteren Sammelkammern 20, von hier über waagerechte Anschlußleitungen 21 zu Rohrregistern 22 und 23 und schließlich über unbeheizte Verbindungsleitungen 24 zu Einspritzkühlern 25, die über Leitungen 26 mit Sammelkammern 27 verbunden sind. Von diesen Sammelkammern 27 gelangt der Dampf nochmals in Heizrohre 28, die er im Gleichstrom durchfließt. Von diesen wird er über Kammern 29 durch Leitungen 30 den Verbrauchern zugeführt. Schließlich befinden sich in unmittelbarer Wandnähe Rohrregister 31, beispielsweise zur Zwischenüberhitzung von Niederdruckdampf, der infolge seines geringen Druckes die Rohrwandungen nur schlecht kühlt.In Fig. 2 shows a pipe arrangement similar to that in FIG. 1 shown. Wet steam also flows through here Lines 7 to, which is then heated in countercurrent in pipes 16 and through horizontal connecting lines 17 collecting chambers 18 is fed; the steam arrives from there via connecting lines 19 to lower collecting chambers 20, from here via horizontal connecting lines 21 to pipe registers 22 and 23 and finally via unheated connecting lines 24 to injection coolers 25, which via Lines 26 are connected to collecting chambers 27. From these collecting chambers 27 comes the Steam again in heating tubes 28, which it flows through in cocurrent. From these he becomes over chambers 29 fed through lines 30 to the consumers. Finally, are in the immediate vicinity of the wall Pipe register 31, for example for reheating of low-pressure steam, which due to its low Pressure does not cool the pipe walls well.

Dieser Dampf strömt durch Leitungen 32 zu und durch Leitungen 33 ab.This steam flows in through lines 32 and out through lines 33.

Die Ausführung nach F i g. 3 zeigt die Anordnung von Restverdampferrohren 34 in Wandnähe, die wegen der sich ausbildenden Salzinkrustationen von dem durchströmenden Dampf-Wasser-Gemisch nur sehr schlecht gekühlt werden. Dieses strömt über Leitungen 35 zu Sammelkammern 36; von hier gelangt es in die Restverdampferrohre 34, die es als DampfThe embodiment according to FIG. 3 shows the arrangement of the residual evaporator tubes 34 near the wall, due to the forming salt incrustations from the steam-water mixture flowing through be cooled very poorly. This flows via lines 35 to collecting chambers 36; got from here it into the residual evaporator tubes 34, which it as steam

ίο verläßt. Über Sammelkammern 37, Verbindungsleitungen 38 und Verteilerkammern 39 kommt dieser Dampf in Rohrregister 40 und 41, dann in Sammelkammern 42 und von hier über Leitungen 43 in Einspritzkühler 44, die der Dampf über Leitungen 45 und Endüberhitzer 46 schließlich durch Leitungen 47 zu den Verbrauchern verläßt.ίο leaves. Via collecting chambers 37, connecting lines 38 and distribution chambers 39, this steam comes into pipe registers 40 and 41, then into collecting chambers 42 and from here via lines 43 into injection cooler 44, which the steam via lines 45 and final superheater 46 finally leaves through lines 47 to the consumers.

Die Fig.4 zeigt schließlich einen achsparallelen Schnitt durch die Nachschaltheizfläche eines druckgefeuerten Kessels. Unmittelbar nach einer Brennkammer 49, von der nur ein kleiner Teil sichtbar ist, folgen Konvektionsheizflächen 48. Mehrere Rohrregister 50, 51 und 52 sind zu Sammelkammern 53, 54 und 55 geführt, die innerhalb eines Isoliermantels 56 angeordnet sind. Die Register 50 werden also im Ge-Finally, FIG. 4 shows an axially parallel one Section through the secondary heating surface of a pressure-fired boiler. Immediately after a combustion chamber 49, only a small part of which is visible, are followed by convection heating surfaces 48. Several pipe registers 50, 51 and 52 are led to collecting chambers 53, 54 and 55, which are inside an insulating jacket 56 are arranged. The registers 50 are therefore

s5 genstrom von einem relativ kühlen oder von einem gut wärmeaufnehmenden Medium (beispielsweise von Dampf zu Beginn seiner Überhitzung, Kesselspeisewasser, Dampf unter hohem Druck) durchströmt. Die Register 51 und 52 werden im Gleichstrom von einem relativ heißen oder schlecht wärmeaufnehmenden Medium (beispielsweise überhitztem Dampf, Dampf niederen Druckes, heißen Gasen) beaufschlagt.
Die waagerechten Rohrabschnitte 60 und 61 der Rohre der Register 50 und 51 verlaufen schottenartig durch Lücken in dem von dem Rohrregister 52 gebildeten Mantel. Diese Lücken werden durch eine abwechselnde Aufeinanderfolge kurzer Rohrbogen 62 und längerer Rohrboden 63 des Rohrregisters 52 gebildet. Die Sammelkammern 53 und 54 sind mit den Kammern 58 und 59 durch Verbindungsleitungen oder über Einspritzkühler hintereinandergeschaltet, wie dies in den F i g. 1 bis 3 gezeigt ist. Es sind beispielsweise jeweils vier Sammelkammern in einer Ebene am Umfang des Wärmetauschers vorgesehen. Drei solcher Ebenen 64, 65 und 66 liegen untereinander. Die Gesamtheit der von dem Isoliermantel 56 umgebenen Rohrregister wird von einem druckaufnehmenden Blechmantel 67 umfaßt. Die Pfeile 3 und 4 bezeichnen wiederum die Strömungsrichtung der Heizgase.s5 gen-flow is flowed through by a relatively cool medium or by a medium that absorbs heat well (for example, steam at the beginning of its superheating, boiler feed water, steam under high pressure). The registers 51 and 52 are acted upon in direct current by a relatively hot or poorly heat-absorbing medium (for example superheated steam, low-pressure steam, hot gases).
The horizontal pipe sections 60 and 61 of the pipes of the registers 50 and 51 run like a bulkhead through gaps in the jacket formed by the pipe register 52. These gaps are formed by an alternating sequence of short pipe bends 62 and longer pipe sheets 63 of the pipe register 52. The collecting chambers 53 and 54 are connected in series with the chambers 58 and 59 by connecting lines or via injection coolers, as shown in FIGS. 1 to 3 is shown. For example, four collecting chambers are provided in a plane on the circumference of the heat exchanger. Three such levels 64, 65 and 66 lie one below the other. The entirety of the pipe register surrounded by the insulating jacket 56 is encompassed by a pressure-absorbing sheet metal jacket 67. The arrows 3 and 4 again indicate the direction of flow of the heating gases.

Die F i g. 5 zeigt die Herausführung der waagerechten Rohrabschnitte 60 durch die von den Rohrbogen 62 und 63 gebildeten Lücken. Die achsparallel laufenden Rohre der Rohrregister 50, 51 und 52 werden entsprechend umgelenkt, die dann entstandenen waagerechten Rohrabschnitte 60 zu schottenartigen Rohrwänden zusammengefaßt und durch die genannten Lücken zwischen den Rohrbogen 63 herausgeführt. Schließlich werden sie zu den am Umfang angeordneten Sammelkammern geleitet.The F i g. 5 shows the routing of the horizontal pipe sections 60 through the pipe bends 62 and 63 formed gaps. The axially parallel pipes of pipe registers 50, 51 and 52 are diverted accordingly, the then resulting horizontal pipe sections 60 to bulkhead-like Pipe walls combined and led out through the gaps mentioned between the pipe bends 63. Finally, they are directed to the circumferential collection chambers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Heat exchanger for steam generation by means of contact heating surfaces with essentially rotationally symmetrical Arrangement of the pipe register forming the contact heating surfaces, all of which are in the cross section of a single gas flue are arranged, characterized in that contact heating surfaces differ Function are arranged spatially next to each other in the gas flow at the same height in such a way that that heating surfaces with high heat transfer and / or low temperature of the heat-absorbing Medium, e.g. B. feed water preheater, pre-evaporator, in the hot core of the gas flow and the other heating surfaces graded according to heat transfer and / or temperature of the heat-absorbing Medium lying in the cooler, the core surrounding zones of the gas flow.

2. Heat exchanger for steam generation according to claim 1, characterized in that the residual evaporator and superheaters are located in the cool edge zone of the gas flow.

3. Heat exchanger for steam generation according to claim 1 and 2, characterized in that the pipe registers of different functions are connected in series in such a way that the hot Gas core lying heating surfaces in countercurrent and those in the cooler edge zone and the heating surfaces lying between the gas core and the edge zone are applied in direct current are.

4. Heat exchanger for steam generation according to Claims 1 to 3, characterized in that that the wall lining of the gas duct forming pipes at one or both ends their deflection to external collecting chambers kept alternately longer and shorter are, creating gaps between the longer held pipes through which the gas duct arranged pipe registers of different functions to the associated collecting chambers are led.

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