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Vorrichtung zur Strömungsstabilisierung in Wärmetauschern (Es wird
die Priorität der Voranmeldung in den USA, Serial No.
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296 717 vom 11.10.1972, in Anspruch genommen) Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Strömungsstabilisierung in Wärmetauschern, insbesondere dampfbeheizten
Überhitzern, bei denen der wärmeabgebende und kondensierende Dampf in von einem
Rohrboden ausgehenden parallelen Rohren gleichen Durchmeseers gefahr ist und der
aufzuheizende Dampf quer zu diesen Rohren strömt.
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Bei derartigen Wärmetauschern kann eine erhebliche Unterkühlung des
Kondensats in den einzelnen Rohren auftreten, da für jede der aufeinanderfolgenden
Rohrreihen ein unterschiedlicher Wärmefluß auftritt. Die Temperaturdifferenz zwischen
dem kondensierenden Dampf innerhalb der Rohre und dem diese Rohre quer anströmenden
aufzuheizenden Medium nimmt in Strömung richtung dieses gasförmigen Mediums ab.
Dadurch sinkt auch die Kondensationsfähigkeit des Dampfes innerhalb der Rohre in
Richtung der Gasströmung. Der Druckverlust längs der Rohre ist dabei im wesentlichen
gleich groß, da die Rohre von einem gemeinsamen Eintrittssammler ausgehen und in
einen gemeinsamen Austrittssammler münden.
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Bei einem Rohrbündel, das in einer Richtung durchströmt und außen
quer angeströmt ist, wächst die Dampfqualität in den stromabwärts liegenden Rohrreihen,
da diese Rohrreihen einer geringeren Temperaturdifferenz ausgesetzt sind, wobei
gleichzeitig auch die Dampfkondensation verringert wird.
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Um eine ausreichende Strömung durch alle Rohre sicherzustellen; und
um darüber hinaus einen Kondensatwasserschlag mit zeitweiligem Verstopfen der Rohre
zu verhindern, muß an sich stets eine sehr große Dampfmenge aus dem Austrittssammler
abgezogen
werden, wodurchjedoch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers
absinkt. Wenn Jedoch nur ein geringer Teil des Dampfes aus dem Austrittssammler
abgezogen wird, fEllen sich die stromaufwärts gelegenen Rohrreihen mit Kondensat,
das dann unterkühlt wird.
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Bei der Verwendung von U-Rohren sinkt zwar der Grad einer Unterkühlung
ab, auch wenn keine größeren Dampfmengen aus dem Austrittssammler abgezogen werden.
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Wenn nun der Druckverlust in allen Rohren gering ist, so treten in
bestimmten Rohrreihen wechselnde Strömungsbedingungen auf, die zwischen einer ringförmigen
wandnahen Strömung des Kondensats und einem Wasserschlag oder Wasserpfropfen wechseln,
die pulsierend durch die Rohre strömen. Derartige Wechsel werden durch Betriebsschwingungen
des Systems angeregt, die ständig die Strömung in einer bestimmten Rohrgruppe in
der beschriebenen Weise ändern. Dieses zyklische Verhalten ist im wesentlichen bedingt
durch eine Charakteristik in zweiphasigen Dampf-Wasser-Strömungssystemen, wobei
bei bestimmten Massenströmungsgeschwindigkeiten das System entweder mit Wasserpfropfen
oder einer ringförmigen Wasserströmung arbeiten kann. Diese Strömungsunstabilitäten
können Jedoch auch auftreten, wenn keine Unterktihlung des Kondensats in den Rohren
auftritt. Wenn Jedoch eine Unterkühlung und eine Strömung schwingung in dem System
auftritt, so sind die Auslaßenden der Rohre in dem entsprechenden Rohrboden großen
emperaturänderungen unterworfen, wodurch thermische Spannungen auftreten, die zu
einem Bruch der Schweißnähte zwischen den Rohren und dem Rohrboden führen können.
Diese Schäden treten jedoch nicht auf, wenn die Temperaturunterschiede nicht größer
als 300 C sind, oder wenn die Strömungsgeschwindigkeit unterhalb der Geschwindigkeit
liegt, bei der die Unstabilität der Wasserschlag- oder Ringströmungsbedingungen
auftreten, auch wenn dort Unterkühlungen vorkommen können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu
schaffen, mit der bei derartigen Wärmetauschern Strömungs-Instabilitäten sicher
verhütet werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß vor
dem Rohrboden eine Strömungsblende angeordnet ist, die aus einer Platte mit Bohrungen
unterschiedlichen Durchmessers Jeweils in Flucht zu den einzelnen Wårmetauscherrohren
besteht. Durch eine entsprechende Abstimmung der Größe dieser Bohrungen wird eine
Kondensatunterkühlung und eine Strömungsinstabilität in den Rohren sicher unterdrückt,
so daß die Gefahr einer vorzeitigen Zerstörung der Schweißnähte durch Temperaturspannungen
weitgehend vermieden wird.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspriichen
genannt.
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Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise
eine Ausftihrungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig.
1 einen Längs schnitt durch einen entsprechenden Wärmetauscher mit einem U-RohrbEndel;
Fig. 2 eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Blendenplatte; Fig. 3 eine perspektivische
Ansicht eines Führungsstiftes zur Anpassung der Blendenplatte an den Rohrboden und
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Stopfens, mit dem ebenfalls eine genaue
Zuordnung von Blendenplatte und Rohrboden erreicht werden kann.
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In Fig. 1 ist ein Wårmetauscher 1 gezeigt, der im wesentlichen als
Überhitzer mit einer vorgeschalteten Feuchtigkeitsabscheidung arbeitet und in dem
der Dampf oder ein Primärmedium durch eine Vielzahl von Rohren 3, die zusammen
ein
Rohrbtlndel 5 bilden, strömt und bei seiner Kondensation seine Wärme an ein zweites
Medium, nämlich Dampf, abgibt, um somit die Temperatur dieses Dampfes zu erhöhen.
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Der Wärmetauscher 1 enthält einen Rohrboden 7, der mit einer Mehrzahl
von Bohrungen 9 versehen ist, in denen die Enden der Rohre 3 durch Einwalzen oder
Schweißen oder auf andere Weise befestigt sind.
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Auf den Rohrboden 7 ist eine sphärisch gewölbte Kuppel aufgesetzt,
die durch ein Trennblech 13 in einen Eintrittssammler 15 und einen Austrittssammler
17 geteilt ist.
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Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel bilden die Rohre 3 ein U-Rohrbündel
, das an einem Sunde vom Eintritts sammler 15 ausgeht und am anderen Ende in den
Austrittssammler 17 mündet.
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Der Wårmetauscher 1 enthält ferner ein Gehäuse 19, in dem das Rohrbündel
5 im wesentlichen horizontal angeordnet ist. An der einen Stirnseite des Gehäuses
19 ist ein Dampfeintrittsstutzen 21 vorgesehen, hinter dem ein Umlenkblech 23 angeordnet
ist, um den einströmenden Dampf einer Feuchtigkeitsabscheidevorrichtung in Form
einer Filtermatte 25 zusufAhren. Der getrocknete Dampf strömt nach oben zu den äußeren
Rohren des RohrbEndels 5 und nimmt dort Wärme auf, wodurch die Temperatur des Dampfes
erhöht wird. Mehrere Abführstuten 27 sind in der oberen Wandung des Gehäuses 19
angeordnet, durch die der übers hitzte Dampf abströmen kann.
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Im Eintrittssammler 15 ist vor dem Rohrboden 7 nunmehr erfindungsgemäß
eine Strömungsblende in Porm einer Platte 31 angeordnet, die mit dem Rohrboden verschweiDt
sein kann. Die Blendenplatte, deren Ansicht in Fig. 2 dargestellt ist, weist eine
Vielzahl von Bohrungen 33 auf, die mit den Öffnungen 9
im Rohrboden
7 fluchten. Diese Bohrungen 33 haben dabei unterschiedliche Durchmesser, die im
wesentlichen von der Oberseite der Blendenplatte 31 zur Unterseite hin abnehmen.
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Diese Bohrungen 33 sind dabei so bemessen, daß die großen Temperaturänderungen
zwischen den verschiedenen Querreihen der Rohre 3 und somit ein Überfluten einiger
der Rohre durch Kondensat vermieden wird. Durch das Ausschalten einer Über flutung
wird gleichzeitig eine Unterkühlung und eine Strömungsinstabilität vermiedent die
normalerweise in solchen Rohrbündeln 5 auftritt, wenn der Druckverlust in den einzelnen
Rohren 3 nur gering ist. Das wird dadurch erreicht, daß die Strömung des Primärdampfes
in den Rohren 3, die mit dem einströmenden aufzuheizenden Dampf zuerst in BerUhrung
kommen, zunimmt und in den Rohren 3, die nicht unmittelbar mit dem kalten einströmenden
Dampf beaufschlagt werden, abnimmt, wobei der Gesamtmassenfluß durch die Rohre 3
im wesentlichen konstant gehalten wird.
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Die Rohre 3 an der Seite des Rohrbiindels 5 werden gleichermaßen von
dem ein strömenden Dampf zuerst beaufschlagt und sind somit einer hohen Temperaturdifferenz
unterworfen, wodurch ein Überfluten und eine Unterkühlung des Kondensats möglich
ist. Aus diesem Grunde sind auch die Bohrungen 33, die mit den Rohren 3 an der Seite-des
Rohrbündels 5 in Verbindung stehen, von gleicher Größe wie die Bohrungen 33 für
die äußeren Rohre 3, die zuerst von dem einströmenden Dampf beaufschlagt werden.
Durch die Verhütung eines derartigen Überflutens und einer Unterkühlung werden also
auch zyklische Temperaturänderungen in den Rohren 3 vermieden, wodurch die Zahl
der Schäden an den Schweißungen zwischen den Rohren 3 und dem Rohrboden 7 verringert
wird.
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Die Größe der Bohrungen 33 ist so bemessen, daß der Druckabfall in
allen Rohren 3 ausreichend ist, um noch eine sichere Dampfströmung am Ende der Rohre
zu erhalten. Zweckmäßigerweise
ist dabei der Durchmesser der Bohrungen
33 etwa halb so groß wie der Durchmesser der Rohre 3, wobei der Bohrungsdurchmesser
zunehmend variiert entsprechend der Verteilung der quer verlaufenden Dampfströmung.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Rohre 3 ungefähr
15,5 mm. Der Durchmesser der Bohrungen 33 für die Rohre 3, die zuerst mit dem einströmenden
kalten Dampf in Beruhrung kommen, beträgt etwa 6,5 mm. Diese Bohrungsgröße gilt
für die Bohrungen 33 am oberen Ende und an den Seiten der Blendenplatte 31. Die
Reihen der Bohrungen 33 im mittleren Bereich der Blendenplatte haben etwa einen
Durchmesser von 5,5 mm und die Bohrungen 33 am unteren Rande der Platte 31 einen
Durchmesser von etwa 4,8 mm.
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Um die Blendenplatte 31 genau in Flucht mit dem Rohrboden 7 zu bringen,
weisen verschiedene Bohrungen 33 zunächst ein Übermaß auf, in die dann ein kegelig
zulaufender Stift 35 eingesetzt werden kann, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese Stifte
werden in bestimmte Bohrungen 9 des Rohrbodens 7 eingesetzt, so daß die Bohrungen
33 genau mit den entsprechenden Öffnungen 9 im Rohrboden fluchten. Wenn die Blendenplatte
31 so in ihre entsprechende Stellung gebracht ist, wird sie mit dem Rohrboden verschweißt
und der Stift 35 kann entfernt werden.
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Anschließend wird dann ein Stopfen 37, wie er in Fig. 4 gezeigt ist
und der die Maße der für diese Stelle vorgesehene Bohrung 33 aufweist, in die zunächst
mit tbermaß gefertigte Bohrung eingesetzt und dann durch Schweißen gesichert.
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Durch Verwendung einer derartigen Blendenplatte 31 wird somit die
Strömung innerhalb der Rohre 3, die am ehesten zu einer Überflutung und Unterkühlung
des entstehenden Eondensats neigen, erhöht und gleichzeitig wird die Strömung durch
die Rohre vermindert, die normalerweise nicht zur Überflutung neigen. Dadurch wird
der Wirkungsgrad der Wärmetibertragung erhöht und gleichzeitig zyklische Temperaturexkursionen
eliminiert, die im wesentlichen für thermische Spannungen und ein
Reißen
der Schweißnähte zwischen den Rohren 3 und dem Rohrboden 7 verantwortlich sind.
Diese Maßnahmen geschehen, ohne daß der Druckverlust im Rohrbündel 5 selbst zunimmt
oder die Dampfmenge, die aus dem Austrittssammler 7 über einen Abzug 39 abgezogen
werden kann, erhöht werden muß.
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4 Fig.
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6 Anspruche