DE2419782B2

DE2419782B2 - Alkalimetalldampferzeuger

Info

Publication number: DE2419782B2
Application number: DE19742419782
Authority: DE
Inventors: Gundolf Dipl.-Ing. Dr. Wien Rajakovics
Original assignee: VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE AG (VEW) WIEN NIEDERLASSUNG VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE AG (VEW) VERKAUFSNIEDERLASSUNG BUEDERICH 4005 MEERBUSCH
Current assignee: VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE AG (VEW) WIEN NIEDERLASSUNG VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE AG (VEW) VERKAUFSNIEDERLASSUNG BUEDERICH 4005 MEERBUSCH
Priority date: 1974-02-19
Filing date: 1974-04-24
Publication date: 1978-08-03
Also published as: DE2419782C3; DE2419782A1; ATA133874A; AT345857B

Description

Die Anmeldung betrifft Alkalimetalldampferzeuger für Alkalimetalldampftemperaturen über etwa 700⁰C mit im wesentlichen vertikalen, von unten nach oben durchströmten Heizgasrohren, welche die Oberfläche des siedenden Alkalimetalls durchdringen.

Derartige Dampferzeuger weisen große Schwierigkeiten bei der Auslegung auf. Im Bereich des Dampfraumes werden die Heizgasrohre, die z. B. von heißen Rauchgasen durchströmt werden, praktisch nicht gekühlt, so daß sie in diesem Bereich annähernd die Temperatur der Heizgase annehmen. Es besteht daher die Gefahr einer Überhitzung der Heizgasrohre im Bereich des Dampfraumes des Alkalimetalldampferzeugers, sofern nicht die Heizgasrohre von vornherein auf die stets über der Temperatur des Alkalimetalldampfes liegenden Temperatur der Heizgase in diesem Bereich ausgelegt sind.

Einerseits bedeutet eine Erhöhung der Auslegungstemperatur im Temperaturbereich über etwa 700⁰C eine nicht unwesentliche Erhöhung der Werkstoffkosten, insbesondere im Hinblick auf den in diesem Temperaturbereich sehr starken Einfluß der Temperatur auf die Festigkeitseigenschaften der üblichen Konstruktionswerkstoffe. Bei so hohen Temperaturen sinken die für die Auslegung maßgebenden Festigkeitswerte üblicher Konstruktionswerkstoffe, etwa austenitischer Chrom-Nickel-Stähle, bei Erhöhung der Temperatur um 100⁰C vielfach um die Hälfte bis zwei Drittel ihres Ausgangswertes ab. Daher muß bei einer Erhöhung der Auslegungstemperatur entweder die Wandstärke der Heizgasrohre entsprechend erhöht oder auf wesentlich teurere Sonderwerkstoffe (etwa Kobaltlegierungen oder hochschmelzende Werkstoffe) zurückgegriffen werden.

Anderseits steigen mit sinkender Heizgastemperatur im Bereich des Dampfraumes, also mit kleiner werdender Temperaturdifferenz zwischen Heizgas und siedendem Alkalimetall im Bereich der Oberfläche des siedenden Alkalimetalls, die Größe der notwendigen Wärmetauscherfläche und damit die Kosten des Kaliumdampferzeugers ebenfalls stark an.

Im Extremfall wurden, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Heizgas und Alkalimetalldampf gegen Null gehen soll, die benötigte Wärmetauscherfläche und damit die Kosten des Dampferzeugers unendlich groß.

Es ergibt sich somit, daß sowohl bei der Wahl hoher Wandtemperaturen für die Heizgasrohre im Bereich des Dampfraumes des Dampferzeugers wegen der Notwendigkeit, teure Werkstoffe verwenden zu müssen, als auch bei der Wahl niedriger Wandtemperaturen wegen der notwendigen großen Wärmetauscherflächen, die Herstellungskosten des Alkalimetalldampferzeugers groß sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier eine optimale Lösung anzugeben, bei der diese Herstellungskosten ein Minimum sind.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auslegung der Wärmetauscherfläche und der Rohrdimensionen des Alkalimetalldampferzeugers so erfolgt, daß die Temperatur der Heizgase im Bereich des Dampfraumes infolge der Abkühlung der Heizgase im Bereich des flüssigen Alkalimetalls wenigstens annähernd der Temperatur der Rohrwand auf der Heizgasseite in der Nähe des unteren Endes der Heizgasrohre im Bereich der höchsten Wärmestromdichte entspricht.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung kann dadurch erreicht werden, daß die Heizgasrohre im unteren Bereich mit einer heizgasseitigen Isolierung, vorzugsweise aus keramischem Material, versehen werden, um eme lokale Überhitzung der Heizgasrohre durch ungünstige Strömungsverhältnisse auf der Alkalimetallseite unmittelbar am unteren Ende der Heizgasrohre im Bereich des Überganges zwischen Heizgasrohren und unterem Boden des Alkalimetalldampferzeugers zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Vorgangweise nutzt den Umstand, daß die Heizgasrohre auf alle Fälle zumindest auf die Temperatur der Rohrwand auf der Heizgasseite in der Nähe des unteren Endes der Heizgasrohre im Bereich der höchsten Wärmestromdichte ausgelegt werden müssen. Diese Temperatur liegt bei den für Alkalimetalldampferzeugern üblichen Randbedingungen etwa 20 bis 40 K über der Temperatur des Alkalimetalldampfes und ist im allgemeinen auf Grund der Randbedingungen als vorgegeben zu betrachten.

Die Erfindung stellt somit praktisch eine wirtschaftliche Optimierung der Wärmetauscherkosten des Alkalimetalldampferzeugers dar, da sowohl eine höhere als auch eine niedrigere Temperatur der Heizgase im Bereich des Dampfraumes eine Erhöhung der Wärmeso tauscherkosten ergäbe.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in einer beispielsweisen Ausführungsform dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 einen Kaliumdampferzeuger teilweise geschnitten und

F i g. 2 ein Diagramm.

Der dargestellte Dampferzeuger ist ein stehender Rauchrohrdampferzeuger 1, bei dem die Heizgase vom unteren Raum 2 durch die Heizgasrohre 3 in den oberen Raum 4 strömen und durch den Rohrstutzen 5 abgeführt werden. Die Heizgaszuführung ist nicht dargestellt, da sie für die Erfindung belanglos ist. Die Heizgasrohre 3 sind von siedendem Kalium 6 umgeben, dessen Spiegel mit 7 bezeichnet ist. Vom Kaliumdampfsammelraum 8 geht ein Rohrstutzen 9 ab, an dem eine Dampfleitung angeschlossen ist. Während die Heizgasrohre im Bereich des siedenden Kaliums 6 stark gekühlt werden, sind sie praktisch im Dampfsammeiraum 8 ungekühlt.

Durch die Erfindung wird jedoch eine thermische Überbelastung auch dieser Abschnitte der Rauchgasrohre vermieden.

F i g. 2 zeigt ein Diagramm, aus dem die Temperatur innerhalb der Heizgasrohre 3 in der Rohrwand 10 und in dem umgebenden Kalium dargestellt ist. Auf der Abszisse ist die Entfernung von de»· Rohrachse aufgetragen. Die Temperatur 11 des in das Heizgasrohr eintretenden Heizgases beträgt gemäß einem Beispiel 1800⁰C. Diese Temperatur sinkt an der Rohrwand IC infolge des Wärmetransportes auf den Wert 12 ab, der etwa 930⁰C beträgt Die Rohrwandtemperatur 13 kaliumseitig ist 911,2"C. Die Sattdampftemperatur des Kaliums beträgt bei 3 bar 890⁰C. Der Siedeverzug ist mit 15°C anzusetzen, so daß das Kalium, das das Heizgasrohr umgibt, eine Temperatur 14 von 905⁰C aufweist Die maximale Rohrwandtemperatur tritt in der Nähe des unteren Endes des Heizgasrohres heizgasseitig auf und beträgt gemäß dem Beispiel 930° C. Die Wärmestromdichte ergibt sich mit 252.950 W/m². An der Stelle, wo der den Raum 2 abdeckende Boden 15 des Dampferzeugers mit den Heizgasrohren 3 zusammenstoßt, bildet sich eine Zone 16 rund um die Heizgasrohre aus, in der das Kalium nur geringe Strömung aufweist und daher die Kühlung der Heizgasrohre geringer ist. Der Bereich der größten Wärmestromdichte befindet sich oberhalb dieser Zone. Um eine Überhitzung der Heizgasrohre an dieser Stelle

ίο zu vermeiden, ist es zweckmäßig, sie heizgasseitig mit einer Isolierung, vorzugsweise aus einer keramischen Masse, zu versehen.

Der Dampferzeuger wird nun so ausgelegt, daß die Heizgastemperatur im Bereich des Kaliumspiegels 7 ebenfalls 930⁰C beträgt. Die Heizgasrohre 3 können daher im Bereich des Dampfraumes 8, obwohl sie hier praktisch ungekühlt sind, nicht überbeansprucht werden. Es ergibt sich dort eine maximale Rohrwandtemperatur heizgasseitig mit 930° C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Alkalimetalldampferzeuger für Alkalimetalldampftemperaturen über etwa 70O⁰C mit im wesentlichen vertikalen, von unten nach oben durchströmten Heizgasrohren, welche die Oberfläche des siedenden Alkalimetalls durchdringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegung der Wärmetauscherfiäche und der Rohrdimensionen des Alkalimetalldampferzeugers so erfolgt, daß die Temperatur der Heizgase im Bereich des Dampfraumes infolge der Abkühlung der Heizgase im Bereich des flüssigen Alkalimetalls wenigstens annähernd der Temperatur der Rohrwand auf der Heizgasseite in der Nähe des unteren Endes der Heizgasrchre im Bereich der höchsten Wärmestromdichte entspricht.

2. Alkalimetalldampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizgasrohre (3) im unteren Bereich mit einer heizgasseitigen Isolierung, vorzugsweise aus keramischem Material, versehen sind.