DE1451294C - Wärmetauscher - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer zwei-

ten, mit einer zusätzlich vorgesehenen Zwischenüberhitzung für Niederdruckdampf versehenen Ausführung,

F i g. 3 eine entsprechende Darstellung einer dritten Ausführung, bei der zusätzlich ein Restverdampfer in Wandnähe angeordnet ist,

F i g. 4 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine ausgeführte Nachschaltheizfläche eines druckgefeuerten Kessels und

F i g. 5 eine Draufsicht auf die Nachschaltheizfläche nach F i g. 4.

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.

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.

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.

Dieser Dampf strömt durch Leitungen 32 zu und durch Leitungen 33 ab.

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 Dampf

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.

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 Gegenstrom 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.

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher zur Dampferzeugung mittels Berührungsheizflächen mit im wesentlichen rotationssymmetrischer Anordnung der die Berührungsheizflächen bildenden Rohrregister, die sämtlich im Querschnitt eines einzigen Gaszuges angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Berührungsheizflächen unterschiedlieher Funktion in gleicher Höhe räumlich nebeneinander im Gasstrom derart angeordnet sind, daß Heizflächen mit hohem Wärmeübergang und/ oder niedriger Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums, z. B. Speisewasservorwärmer, Vorverdampfer, im heißen Kern der Gasströmung und die übrigen Heizflächen abgestuft nach Wärmeübergang und/oder Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums in den kühleren, den Kern umgebenden Zonen der Gasströmung liegen.

2. Wärmetauscher zur Dampferzeugung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Restverdampfer und Überhitzer in der kühlen Randzone der Gasströmung liegen.

3. Wärmetauscher zur Dampferzeugung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrregister unterschiedlicher Funktion derart hintereinandergeschaltet sind, 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.

4. Wärmetauscher zur Dampferzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wandverkleidung des Gaskanals bildenden Rohre an einem oder beiden Enden vor ihrer Umlenkung zu außenliegenden Sammelkammern abwechselnd langer und kürzer gehalten sind, wodurch Lücken zwischen den länger gehaltenen Rohren entstehen, durch die die im Gaskanal angeordneten Rohrregister unterschiedlicher Funktion zu den zugehörigen Sammelkammern geführt sind.

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