DE1910775A1

DE1910775A1 - Dampferzeuger und Herstellungsverfahren hierfuer

Info

Publication number: DE1910775A1
Application number: DE19691910775
Authority: DE
Inventors: Tidball Robert Aaron
Original assignee: Baldwin Lima Hamilton Corp
Current assignee: Baldwin Lima Hamilton Corp
Priority date: 1968-03-04
Filing date: 1969-03-03
Publication date: 1969-10-02
Also published as: US3465727A; GB1188103A; FR2003137A1

Description

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Zuschrift bttta nach:

Baldvmi-Mma-Hamilton Corp., 401 North Wabasli Avenue,

Ohioago, Illinois 60611,USA

Dampferzeuger und Herstellungsverfahren hierfür

Die Erfindung betrifft Dampferzeuger und im "besonderen solche Dampferzeuger, die sich mit flüssigem Metall als Heizmedium betreiben lassen. Außerdem erstreckt sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für derartige Dampferzeuger.

Die Verwendung flüssiger Metalle als wäraieüberträgende Heizmedien in Energieanlagen bringt eine Vielzahl von Problemen beim Entwurf und bei der Herstellung der energieerzeugenden Anlagen mit sich. Flüssiges Metall kann unter verhältnismäßig geringem Druck eingesetzt werden, hingegen muß aus wärmetechnischen Gründen das Wasser unter verhältnismäßig hohem Druck gehalten werden. Das Wasser wird gewöhnlich in Rohren in Dampf umgewandelt und nimmt Hitze von den flüssigen Metallen auf, die quer zu den Rohren auf der Behälterseite des Wärmeaiistauschers entlangströmen. Verschiedene Techniken müssen dafür eingesetzt werden, um cLen ständigen Gpannungs-

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zustand und die vorübergehenden Wärme spannungen in den unter Druck stehenden dicken Bauteilen zu verringern, die als

sowcThl stützen und tragen, als auch Dampf und Wasser von den flüssigen Metallen trennen. Diese Maßnahmen sind notwendig infolge der außerordentlich hohen Wärmeübergangs- · bzw. Wärmedurchgangskoeffizienten, die durch die flüssigen Metalle bedingt sind, sowie durch die sehr dicken Bauteile, die für den unter hoher Temperatur stehenden Dampfinhalt notwendig sind.

Da die Rohre, die für den Wärmeübergang von dem flüssigen Metall zu dem Wasser benutzt werden,, sich durch die jeweilige Rohrplatte hindurch erstrecken und notwendigerweise mit dem flüssigen Metall in Berührung kommen, wird das Rohrmaterial gewöhnlich aus teueren, hochwertigen legierungen hergestellt mit einem außerordentlich hohen Grad an Qualitätskontrolle. So ergeben sich Fabrikationskosten, die diejenigen für herkömmliche Dampferzeuger weit übersteigen.

In vergangenen Jahren wtfrde die heiße Rohrplatte von vertikalen Dampferzeugern von dem flüssigen Metall mittels einer lage aus inertem Gas isoliert, die häufig eine Dicke von 914 mm und mehr aufweist. Diese Dicke ist erforderlich, um zu verhindern, daß das flüssige Metall irgendeinen Bauteil der Rohrplatte in jeder Art von StrUmungszustand berührt, sei es stationär oder vorübergehend.

Bs ist auch bereits ein Vorschlag bekanntgeworden, nnah Δοη eine zusätzliche Rohrplatte vorgesehen ist, die von herkömmlichen Rohrplatte entfernt liegt und als H wirkt. Bin Beispiel einer derartigen Konstruktion IsMn der US-Patentschrift 2 915 295 gezeigt.

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Bei diesen Konstruktionen besteht ebenso wie bei herkömmlichen Konstruktionen für Dampferzeuger ein Problem, das aus dem Vorhandensein von Spalten zwischen den Rohren und den Rohrplatten entsteht. Der Eintritt von Flüssigkeiten oder strömenden Medien in diese Spalten kann eine Korrosion der Rohre zur Folge haben. Darüber hinaus beginnen die verschiedenen Bauteile infolge der thermisch verursachten Veränderungen in den Abmessungen zu "arbeiten", wodurch ein erheblicher mechanischer Verschleiß entsteht.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden die Rohre an der herkömmlichen Rohrplatte befestigt und außerdem wird eine weitere Rohrplatte vorgesehen. Die zusätzliche Rohrplatte wird mit den Rohren durch Schweißen derart fest verbunden, daß die dem Einwirken der Medien ausgesetzten Spalten vermieden werden. Dies wird durch Schweißen erreicht, wobei die Schweißvorgänge durch die Rohre hindurch in die zusätzliche Rohrplatte hinein bewirkt werden. Keine der Rohrplatten ist dem vollen Temperaturdifferential zwischen dem flüssigen Metall und dem Wasser oder dem Dampf ausgesetzt. Auf diese Weise werden Wärmespannungen auf ein Minimum verringert. Der Zwischenraum zwischen den Rohrplatten kann mit einem inerten Gas mit einem Druck gefüllt werden, der zwischen dem Druck des flüssigen Metalls und dem Wasserdruck liegt. Hierdurch gewinnt man in an sich herkömmlicher Weise eine Warnvorrichtung, die Leckverluste von einem oder beiden flüssigen bzw. strömungsfähigen Medien signalisieren kann.

Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen neuen Dampferzeuger und ein Herstellungsverfahren für diesen zu schaffen, damit die oben genannten ITachteile und Probleme überwunden werden können.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Dampferzeuger vorzusehen, der eine besondere Eig-

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nung für den Einsatz von flüssigem Metall als Heizmedium besitzt.

.Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Dampferzeuger zu schaffen, bei dem die innere Korrosion dadurch auf ein Minimum verringert wird, daß man die Spalten, die mit den strömungsfähigen Medien in Berührung kommen, beseitigt.

Eine zusätzliche Aufgabe besteht schließlich noch darin, einen Dampferzeuger zu schaffen, der geeignet ist, vorübergehenden, gegebenenfalls schwingenden, und ^stationären Wärmespannungen zu widerstehen, ohne Schaden zu nehmen.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Dampferzager mit einem Außenbehälter, einer Sammel- oder Kopfkammer innerhalb des Außenbehälters gelöst, die teilweise durch eine Rohrplatte gebildet ist, sowie mit Rohren, die unter Beibehaltung einer ITüssigkeitsverbindung mit der Sammel- oder Kopfkammer an die erste Rohrplatte angeschlossen werden, und mit einer zweiten Rohrplatte innerhalb des Außenbehälters, die von der ersten Rohrplatte entfernt liegt und mittels einer Schweißverbindung mit den Rohren fest verbunden ist, wobei sich die Schweißungen oder Schweißnähte durch die Tfendung der Rohre hindurch erstrecken.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in den Zeichnungen eine zur Zeit bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Es verstellt sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die genaue Anordnung und die spezielle Verwendung von Bauteilen beschränkt ist, die den Abbildungen zu entnehmen sind.

In den Zeichnungen zeilen:

5¹Ig. 1 eine Ansicht eines Längs schnitt es eines Dampferzeugers

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nach der Erfindung zur Verdeutlichung des inneren Aufbaus, wobei ein Teil weggebrochen ist;

]?ig. 2 eine Ansicht eines QuersclrLtts entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;

]?ig. 3 eine im Schnitt dargestellte Ansicht von Bauteilen zur Verdeutlichung der Art, nach der die Rohre des erfindungsgemäßen Dampferzeugers an die Rohrplatten angeschlossen werden.

Grundsätzlich sind in einem erfindungsgemäßen Dampferzeuger Rohre durch Schweißen an im Abstand voneinander liegende erste und zweite Rohrplatten angeschlossen, wobei die Schweißnähte die Rohre mit den betreffenden' Rohrplatten verbinden und sich vorzugsweise rundjum den gesamten Umfang der "Rohre erstrecken, um Spalten zu vermeiden; sehr wesentlich ist in diesem Zusammenhang das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für einen Dampferzeuger dieser Art, das folgende Schritte umfaßt: Herstellen eines Außenbehälters mit im Abstand voneinander angeordneten ersten und zweiten Rohrplatten, Befestigen von Rohren in öffnungen der ersten Rohrplatte und Befestigen der Rohre in den öffnungen der zweiten Rohrplatte in Ausrichtung gegenüber den Öffnungen der ersten Rohrplatte durch durch die Wandungen der Rohre hindurch erfolgendes Schweißen.

Im folgenden wird im einzelnen auf die Zeichnungen eingegangen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen und in denen im Querschnitt ein erfindungsgemäßer Dampferzeuger dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Dampferzager 10 umfaßt einen zylindrischen Außjibehälter 12. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Sammel- oder Kopfkammern 14 und 16 an gegenüberliegenden Enden des Außenbehälters angeordnet. Ein Einlaß 18

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ist in Verbindung mit der Sammelkammer 14 vorgesehen, und ein Auslaß 20 stent in Verbindung mit der Sammelkammer 16. Erste Rohrplatten 22 und 24 sind an den Enden des Außenbehälters 12 vorgesehen. Die Oberflächen der betreffenden ersten Rohrplatten bilden einen Teil der Wandung der Sammelkammern 14 und 16.

Entsprechende zweite Rohrplatten 26 und 28 sind im Abstand von den ersten Rohrplatten 22 und 24 angeordnet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen den ersten und den zweiten Rohrplatten etwa 76 bis 152 mm.

Die erste Rohrplatte 22 und die zweite Rohrplatte 26 werden

nun im einzelnen beschrieben, wobei zu beachten ist, daß

die erste Rohrplatte 24 und die zweite Rohrplatte 28 die gleiche Konstruktion aufweist.

Aus Fig. 3 geht hervor, daß öffnungen 30 in der ersten Rohrplatte 22 ausgebildet sind. Entsprechend ausgerichtete Öffnungen 32 befinden sich in der zweiten Rohrplatte 26. Durch die öffnungen 32 und 30 erstrecken sich Rohre 34 und überspannen die Länge des Dampferzeugers 10 zwischen den Sammelkammern 14 und 16. Infolgedessen sind die Enden der Rohre 34> die von den in den Öffnungen 30 und 32 aufgenommenen öffnungen entfernt liegten in ähnlichen Öffnungen aufgenommen, die nicht bezeichnet sind und sich in der ersten Rohrplatte 24 und der zweiten Rohrplatte 28 befinden. Die Rohre 34 sind durch Schweißnähte mit der ersten Rohrplatte 22 fest verbunden, und zwar auf der Sammelkammeτ<-seite der ersten Rohrplatte 22. Die Schweißnähte 36 erstrecken sich rund um den gesamten Umfang der Rohre 34 und gewährleisten eine wasserdichte Verbindung zwischen den Rohren 34 und der ersten Rohrplatte 22, wobei die zwischen diesen Teilen befindlichen Spalten geschlossen werden.

Schweißungen 38 erstrecken sich durch die Wandungen der

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Rohre 34 in die zweite Rohrplatte 26 hinein. Die Schweißungen 33 gewährleisten eine strömungsdichte Verbindung zwischen der zweiten Rohrplatte 26 und den Rohren 34. Hierdurch werden Spalten zwischen diesen Bauteilen vermieden.

Der Außenbehälter 12 ist mit einem Einlaß 40 und einem Auslaß 42 versehen, deren Zwecke später erläutert werden.

Aus der bisher geschilderten Anordnung und den Zeichnungen geht hervor, daß Dämpfungs- oder Ausgleichskammern 44 und 46 zwischen den ersten Rohrplatten 22, 24 und den zweiten Rohrplatten 26, 23 gebildet sind.

Im Betrieb der Anlage wird ein heißes, flüssiges Metall wie beispielsweise Natrium in den Einlaß 40 eingeführt, von wo es innerhalb des Außenbehälters 12 und rund um die Rohre 34 nach unten strömt und schließlich den Außenbehälter 12 durch den Auslaß 42 verläßt.Unter hohem Druck stehendes '.-fässer gelangt in den Einlaß 18, von dort durch die Sammelkamnier 14, worauf es in die Rohre 34 eintritt. Der Wasserdruck ist größer als der Druck des flüssigen Metalls. In den Rohren 34 wird das Wasser zu Dampf umgewandelt. Der Dampf strömt durch die Sammelkamiaer 16 und verläßt den Außenbeliälter durch den Auslaß 20.

Die Schweißungen 36 verhindern den Eintritt von Dampf in Spalten zwischen den Rohren 34 und der ersten. Rohrplatte In ähnlicher ^TJeise verhüten die Schweißungen 33 den Eintritt von flüssigem Metall in die Spalte zwischen den Rohren 34 und der zweiten Rohrplatte 26. Hierdurch wird die Möglichkeit den Auftretens von Korrosion erheblich verringert. Da sich ~ul^j,or<len nur die zweiten Rohrplatten 26 und 28 in EontrJ't nil- dem flüssigen Metall befinden und nur die ersten Rohrplatten 22 und 24 mit dem Wasser oder mit dem Dampf in Bc-

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BAD OR/_G/NAL

rührung kommen, wird darüber hinaus keine der Rohrplatten dem vollen Temperaturdifferential zvn.seh.en den verschiedenen strömungsfähigen Medien unterworfen. Hur die erste Rohrplatte 22 muß den Wasser - und den Dampfdruck aushalten und hierfür .entsprechend ausgebildet sein. Die Wahrscheinlichkeit eines Verziehens oder Verwerfens der Rohrplatten oder der Auftritt großer Wärmespannungen in diesen infolge der großen Tempaaturunterschiede an ihren "beiden Seiten ist erheblich herabgesetzt .

Da die zweiten Rohrplatten 26 und 28 nicht für Wasser- und Dampfdruck ausgebildet zu'sein brauchen, können diese Bauteile verhältnismäßig dünn sein. Da ihre einzige Berührung mit den Rohren 34 an den Schweißungen 33 eintritt, können diese Rohrplatten soxrolil vorübergehenden als auch stationären Wärmespannungen ohne nennenswertes Schadensrisiko widerstehen. Wenn bestimmte Überlegungen bei der Planung zweite Rohrplatten 26, 28 erfordern, die dicker sind als 9>5 mm, kann die Kontaktfläche zwischen den Rohrplatten 26, 28 und den Rohren 34 ausreichen, um außerordentlich hohe Wärmespannungen in den zweiten Rohrplatten zu erzeugen. In diesem Fall kann der Wärmeübergang dadurch verringert und.die Situation wesentlich gebessert werden,-daß man eine Senkbohrung 48 vorsieht, die am besten Fig. 3 su entnehmen ist und der Dämpfungskammer 44 gegenüberliegt.

Die Dämpfungskammern 44 und 46 lassen eine schnelle Anzeige der Bedingungen bzw. des Betriebszustandes des Dampferzeugers 10 zu. Ein inertes G-as, das allgemein mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist, kann in den Dämpfungskammern 44 und 46 vorgesehen sein. Außerdem befinden sich Kontrollinstrumente 52, 54 in einer Verbindung mit den Dämpfungskammern 44, 46, um die Betriebsverhältnisse in diesen Kammern festzustellen. Zu diesem Zweck sind die Kontroll instrumente 52 _s 54 für das in den Dämpfungskaraniern 44» 46 enthaltene G-as erajichbar. Diese Instrumente können von jeder geeigneten Art sein, die

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dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann "bekannt sind, soweit sie geeignet sind, einen Wechsel in dem Betriebszustand der Dänipfungskammern 44» 46 festzustellen oder zu messen, der infolge von Leckverlusten eintritt. Die Kontrollvorrichtungen 52, 54 können "beispielsweise Druckmeßinstrumente sein. Normalerweise "befindet sich das inerte Gas 50 unter einem Druck, der zwischen dem Druck des flüssigen Metalls und dem in der Sammelkammer herrschenden Druck liegt.

Zusätzlich zu der vorerwähnten Funktion einer Überwachung von Leckverlusten dient das inerte Gas 50 dazu, Brände zu verhüten, die auftreten können, wenn flüssiges Metall ausströmt.

Ein anderer wesentlicher Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht in der Art der Herstellung des oben beschriebenen Dampferzeugers 10. Man stellt die Dampferzeuger dadurch her, daß man zunächst einen Außenbehälter einschließlich der im Abstand voneinander angeordneten ersten und zweiten Rohrplatten 22, 24 bzw. 26, 28 vorsieht. Die ersten und zweiten Hohrplatten 22, 24 bzw. 26, 28 sind mit entsprechend ausgerichteten öffnungen 30, 32 versehen. Die Rohre 34 werden in die ausgerichteten Öffnungen 30, 32 eingesetzt und in den Öffnungen der ersten Rohrplatten 22, 24 beispielsweise mit einer rings um den Umfang der Rohre 34 verlaufenden Schweißung an den Flächen der ersten Rohrplatten 22, 24 befestigt, die von den zweiten Rohrplatten 26, 28 abgewendet sind. Die Rohre 34 werden an den zweiten Rohrplatten 26, 28 ebenfalls durch Schweißen befestigt. Diese Befestigung wird dadurch herbeigeführt, daß man durch die Wandungen der Rohre 34 hindurch bis in die zweiten Rohrplatten 26, 28 hinein schweißt. Aus Fig. 3 geht ein Schweißbrenner T hervor, der schematisch dargestellt ist und eine Lage einnimmt, um die Schweißung 38 herbeizuführen. Das Verschweißen kann jedoch

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auch, durch, andere geeignete Vorrichtungen vollzogen werden. Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen besonderen Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne von dem Grundgedanken und den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen.

- Patentansprüche:

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Claims

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Baldwin-Lima-Hamilton

Patentansprüche

TYDampferzeuger, gekennzeichnet durch einen Außenbehälter (12), eine Sammel- oder Kopfkammer (16) in dem Behälter (12), eine erste Rohrplatte (22) in dem Behälter (12), die eine Wand der Sammelkammer (16) bildet, Rohre (34), die an die erste Rohrplatte (22) angeschlossen sind, wobei eine Flüssigkeitsverbindung mit der Sammelkammer (16) besteht, eine zweite Rohrplatte (26) in dem Außenbehälter (12), die von der ersten Rohrplatte (22) entfernt liegt und Öffnungen (32) aufweist, durch die sich die Rohre (34) hindurch erstrecken, und die mit den Rohren (34) fest verbunden sind durch Schweißungen (38), die sich durch die Wandungen der Rohre (34) hindurch in die zweite Rohrplatte (26) erstrecken, wobei zwischen der ersten und der zweiten Rohrplatte (22) bzw. (26) eine Dämpfungskammer (44) gebildet ist.
2. Dampferzeuger nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schweißungen (38) rund um den gesamten Umfang der Rohre (34) erstrecken, um die Spalten zwischen den Rohren (34) und den Öffnungen (32) in den zweiten Rohrplatten (26) zu verschließen.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Rohrplatte (26) eine Dicke von nicht mehr als 76 bis 152 mm aufweist.
4. Dampferzeuger nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Öffnungen (32) in der zweiten Rohrplatte

(26) rait einer SenJrbohrung versehen sind, wobei sich die

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Schweißungen (33) an den verbleibenden Teilen der Öffnungen (32) in die zweite Rohrplatte -hinein erstrecken.
5. Dampferzeuger nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Sammelkammer (16 bzw. 14) und

in den Rohren (34) ein unter einem ersten Druck stehendes Medium befindet, ein unter einem zweiten Druck stehendes Medium außerhalb der Rohre (34) und in Kontakt mit _fc einer fläche der zweiten Rohrplatte (26 bzw. 28) steht ™ und sich ein inertes Gas in der Dämpfungskammer (44 bzw. 46) unter einem zwischen dem ersten und dem zweiten Druck liegenden Druck befindet.
6. Dampferzeuger nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß Kontrollvorrichtungen (52, 54) in ITüssigkeitsverbindung mit der Dämpfungskammer (44 bzw. 46) zur Überwachung des Druckes in der Dämpfungskammer (44bzw. 46) vorgesehen sind.
7. Verfahren zum Herstellen eines Dampferzeugers nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 - 6, g e -

} kennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Herstellung eines Außenbehälters mit im Abstand voneinander angeordneten ersten und zweiten Rollglätten, wobei die ersten und zweiten Rohrplatten miteinander fluchtende Öffnungen aufweisen, Befestigen von Rohren in den Öffnungen der ersten Rohrplatte und Befestigen der gleichen Rohre in den fluchtenden Öffnungen in der zweiten Rohrplatte, wobei das vorerwähnte Befestigen eine Maßnahme umfaßt, die darin besteht, daß durch die Wandungen der Rohre hindurch in die zweite Rohrplatte hineiiigeschweißt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge kenn -

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zeichnet , daß das Befestigen von Rohren in den Öffnungen der ersten Rohrplatten dadurch erreicht wird, daß man Schweißnähte rund um den Umfang der Rohre auf einer Seite der ersten Rohrplatte legt, die von der sweiten Rohrplatte abgewendet ist.

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