DE2347215A1 - Vorrichtung zur stroemungsstabilisierung in waermetauschern - Google Patents

Vorrichtung zur stroemungsstabilisierung in waermetauschern

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DE2347215A1
DE2347215A1 DE19732347215 DE2347215A DE2347215A1 DE 2347215 A1 DE2347215 A1 DE 2347215A1 DE 19732347215 DE19732347215 DE 19732347215 DE 2347215 A DE2347215 A DE 2347215A DE 2347215 A1 DE2347215 A1 DE 2347215A1
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DE
Germany
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steam
tubes
tube sheet
flow
pipes
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Pending
Application number
DE19732347215
Other languages
English (en)
Inventor
Eugene J Barsness
Thomas J Rabas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CBS Corp
Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
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Publication date
Application filed by Westinghouse Electric Corp filed Critical Westinghouse Electric Corp
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Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22GSUPERHEATING OF STEAM
    • F22G1/00Steam superheating characterised by heating method
    • F22G1/005Steam superheating characterised by heating method the heat being supplied by steam
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22GSUPERHEATING OF STEAM
    • F22G3/00Steam superheaters characterised by constructional features; Details of component parts thereof

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Vorrichtung zur Strömungsstabilisierung in Wärmetauschern (Es wird die Priorität der Voranmeldung in den USA, Serial No.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei der Verwendung von U-Rohren sinkt zwar der Grad einer Unterkühlung ab, auch wenn keine größeren Dampfmengen aus dem Austrittssammler abgezogen werden.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der bei derartigen Wärmetauschern Strömungs-Instabilitäten sicher verhütet werden.
  • 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.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspriichen genannt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 4 Fig.
  • 6 Anspruche

Claims (6)

  1. Patentan snrdche e Vorrichtung zur Strömungsstabilisierung in Wärmetauschern, insbesondere dampfbeheizten Überhitzern, bei denen der wärmeabgebende und kondensierende Dampf in von einem Rohrboden ausgehenden parallelen Rohren gleichen Durchmessers geführt ist und der aufzuheizende Dampf quer zu diesen Rohren strömt, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Rohrboden (7) eine Strömungsblende angeordnet ist, die aus einer Platte (31) mit Bohrungen (33) unterschiedlichen Durchmessers Jeweils in Flucht zu den einzelnen Wärmetauscherrohren (3) besteht.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (33) fur die Rohre t3), die zuerst mit dem zuströmenden noch kalten Dampf beau£chlagt sind, den größten Durchmesser aufweisen.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (33) ftir die innenliegenden Rohre (3) einen kleineren Durchmeseer aufweisen.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der AnsprUche 1 tiB 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) aus in einem gemeinsamen Rohrboden (7) mündenden U-Rohren (3) mit einem dem Rohrboden (7) vorgeschalteten Eintrittssammler (15) und Austrittssammler (17) besteht und die Blendenplatte (31) in dem Eintrittssammler (15) angeordnet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (33) im mittleren Bereich der Blendenplatte (31) einen von oben nach unten abnehmenden Durchmesser und die Bohrungen (33) an den Seiten und der Oberkante der Blendenplatte (31) den grdßten Durchmesser aufweisen.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenplatte (31) dicht am Rohrboden (7) anliegt.
    Leerseite
DE19732347215 1972-10-11 1973-09-19 Vorrichtung zur stroemungsstabilisierung in waermetauschern Pending DE2347215A1 (de)

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