DE2904201B2 - Abschlämmeinrichtung für einen Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abschlammeinrichtung für einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wie er z. B. aus der US-PS 37 24 532 bekanntgeworden ist.

Die Praxis des Abschlämmens von Dampfkesselwasser in einem Umlauf-Dampferzeuger zum Entfernen von festen in diesem mitgeführten Verunreinigungen ist allgemein bekannt.

Aufgrund der Eigenart von Umlauf-Dampferzeugern konzentrieren sich Feststoffe, die in den Dampferzeuger durch das eintretende Speisewasser eingeführt werden, mehr innerhalb des umlaufenden Siedewassers als daß sie mit dem erzeugten Dampf abgeführt werden. Dieser unerwünschte Zustand tritt teilweise aufgrund der Anwesenheit einer allgemein festgelegten Dampf-Wasser-Grenzfläche innerhalb des Dampferzeugers auf. Das Löslichkeitsverhältnis zwischen der Dampf- und Wasserphase an der Grenzfläche ergibt, daß im wesentlichen alle löslichen Speisewasserfeststoffe in der Wasserphase zurückgehalten werden. Obwohl eine maximale Feststoffkonzentration an der Grenzfläche auftritt, wird sich auch eine bedeutende Menge von mitgerissenen Feststoffen über das gesamte Dampfkesselwasser verteilen. Schließlich reduziert ihre fortbestehende Anwesenheit innerhalb des Wassers gleichzeitig die Wirksamkeit des Wärmeübergangs des Dampferzeugers, fördert Korrosion innerhalb des Dampferzeugers und erhöht das Einschleppen von festen Verunreinigungen, die innerhalb des Ausgangsdampfs mitgerissen werden.

Die oben erörterten Probleme werden weiterhin dadurch kompliziert, daß frisches Speisewasser konstant kleine Verunreinigungsmengen in das Dampfkesselwasser einführt, die zusätzlich zu den bereits vorhandenen Verunreinigungen hinzukommen. Wenn dies ungeprüft bleibt, erfolgt ein schneller Verunreinigungsaufbau.

ίο Um dieses Problem zu mildern, wird ein Teil des Dampfkesselwassers entfernt oder abgeschlämmt entweder in besonderen Zeitintervallen oder kontinuierlich. Da die Feststoffkonzentration in dem Dampfkessel erheblich größer ist als in dem Speisewasser, das in den Dampferzeuger eintritt, braucht die Abschlämmströmung nur ein Teil der Speisewasserströmung zu sein, um den Verunreinigungsgrad innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.

Im Unterschied zu einem Umlauf-Dampferzeuger

weist ein Zwangsdruchlauf-Dampferzeuger keinen Verunreinigungsaufbau an irgendeinem festgelegten Ort auf. Der Grund hierfür besteht darin, daß die festgelegte Dampf-Wasser-Grenzfläche, die in einem Umlauf-Dampferzeuger immer vorhanden ist in einem Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger fehlt, wenn der Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger mit hohen Belastungen betrieben wird. Vielmehr werden die mitgerissenen Verunreinigungen hierbei zum Ausgangsdampf mit im wesentlichen den gleichen Geschwindigkeiten übertragen, wie sie in den Generator eingeführt werden. Demzufolge ist eine Abschlämmung bei hohen Belastungen nicht erforderlich. Wenn ein Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger jedoch bei geringen Leistungspegeln betrieben wird, bildet sich eine Dampf-Wasser-Grenzfläche innerhalb des Dampferzeugers aus. Im Unterschied zu einem Umlauf-Dampferzeuger ändert sich jedoch die Position der Dampf-Wasser-Grenzfläche in einem Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger als Funktion der dem Dampferzeuger auferlegten Belastung. Demzufolge werden sich die im vorhergehenden erörterten, durch die Dampf-Wasser-Grenzfläche hervorgebrachten und innerhalb des Umlauf-Dampferzeugers auftretenden Probleme auch in dem Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger ergeben, obwohl sich das Wasserniveau verändern kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Abschlämmeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die in konstruktiv einfacher Weise eine effektive Entfernung von Verunreinigungen, insbesondere unabhängig vom Niveau der Dampf-Wasser-Grenzfläche bewirkt.

Diese Aufgabe wird bei einer Abschlämmeinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß können die Verunreinigungen in vorteilhafter Weise aus der Dampf-Wasser-Grenzfläche und aus dem Wasserinnern in einem großen Belastungsbereich, d. h. einem großen Schwankungsbereich der Dampf-Wasser-Grenzfläche, gleichbleibend effektiv gemeinsam über das senkrechte, über mindestens einen Teil seiner Länge perforierte Rohr abgeführt werden.

Die DE-PS 5 98 016 zeigt eine Vorrichtung für Dampfkessel zum Abschäumen des Schaums an der Oberfläche des Kesselinhaltes und zum Abschlämmen der Verunreinigungen des Kesselinhaltes. Für das Abschäumen ist ein oben abgeschlossener Abschäumkorb vorgesehen, der in seinen Seitenwänden Löcher

und an seinem unteren, in ein Rohr übergehenden Teil einen Kugelschwimmer aufweist, der den Abschäumkorb verschließt, wenn der Wasserspiegel unter das Niveau der Löcher sinkt Mit dieser bekannten Vorrichtung kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht gelöst werden. Vielmehr fühlt die Lehre der DE-PS 5 89 016 in die entgegengesetzte Richtung, da bei einer geringfügigen Schwankung des Wasserspiegels der Abschäumkorb unten verschlossen wird und damit das Rohr, das keinerlei Löcher aufweist, keinerlei Verunreinigungen mehr abführt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abschlämmeinrichtung ist unmittelbar über dem unteren Rohrboden ein perforierter Ring angeordnet, der mit der Abschlämmleitung strömungsmittel verbunden ist, wobei die Perforationen des Ringes in unmittelbarer Nähe des unteren Endes des senkrechten Rohres angeordnet sind. Hierdurch kann das normalerweise eine relativ hohe Verunreinigungskonzentration aufweisende Wasser in umittelbarer Umgebung des unteren Endes des senkrechten Rohres besonders effektiv entfernt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigt

F i g. 1 eine Seitenschnittansicht eines Dampferzeugers gemäß der Erfindung und

F i g. 2 eine abgeänderte Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Zwangsdruchlauf-Dampferzeuger 10 gezeigt, der eine mantelseitige Verdampfung verwendet und einen senkrechten Druckbehälter 12 aufweist. Erhitztes Primärkühlmittel tritt in den Behälter 12 durch einen Eintrittsstutzen 14 ein, strömt durch die Eintrittskammer 16, dann durch die Wärmeaustauschrohre 18 und dann durch die Austrittskammer 20, von welcher es schließlich den Behälter 12 über einen Austrittsstutzen 22 verläßt. Die Rohre 18 werden von einem oberen Rohrboden 24, von Rohrtrageplatten 26 (nur zwei sind gezeigt) und von einem unteren Rohrboden (28) getragen.

Eine Rohrbündelkammer 30 wird von einem zylindrischen Mantel 32 umgeben, der aus einem oberen Mantel 32A und einem unteren Mantel 32Sbesteht. Der Mantel 32 wirkt mit dem Druckbehälter 12 zusammen, um zwischen sich einen Strömungsmitteldurchlaß 34 zu bestimmen. Der Mantel 32 wird durch Ausrichtungsstifte 36 in richtiger Orientierung gehalten. Durchlaßöffnungen ISA, 155, 15Cund 15D ermöglichen den Eintritt in den Dampferzeuger 10. Ein Trennring 38 ist ^;nnerhalb des Strömungsmitteldurchlasses 34 angeordnet, um eine obere Strömungsmittelkammer 40 und eine untere Strömungsmittelkammer 42 festzulegen.

Das Speisewasser tritt in die untere Strömungsmittelkammer 42 über einen Speisewassereintrittsstutzen 50 ein, wie dies durch den ersten Richtungsp'eil 52 angedeutet ist. Das Speisewasser strömt dann nach unten durch die untere Strömungsmittelkammer 42 und tritt dann direkt oberhalb des unteren Rohrbodens 28 in die Rohrbündelkammer 30 ein. Das Wasser wird verdampft, wenn es in indirektem Wärmeaustausch nach oben und um die Rohre 18 strömt, die innerhalb der Rohrbündelkammer 30 angeordnet sind. Der Dampf tritt aus, indem er nach unten durch die obere Strömungsmittelaustrittskammer 40 und nach außen durch den Dampfaustrittsstutzen 58 strömt. Der vom Dampf genommene Weg wird durch zweite Richtungspfeile 56 angedeutet.

■*"

Ein mit einer Vielzahl von Perforationen 62 ausgebildetes Abschlämmrohr 60 ist innerhalb der Rohrbündelkammei· 30 in der Nähe des Mantels 32 vertikal positioniert. Es wird angemerkt, daß das obere Rohrende 64 des Rohres 60 verschlossen bzw. abgedichtet ist, wohingegen das untere Rohrende 66 offen ist. Darüber hinaus sollte das obere Rohrende 64 in der Nähe des oberen Rohrbodens 24 und das untere Rohrende 66 in der Nähe des unteren Rohrbodens 28 angeordnet sein. Eine Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68, die in der Nähe des unteren Rohrendes 66 positioniert, jedoch nicht mit dem unteren Rohrende verbunden ist, und innerhalb des unteren Rohrbodens 28 angeordnet ist, dient als Leitung für das ausgestoßene Abschlämmströmungsmittel in die äußere Umgebung des Behälters 12. Ein Ventil 70 dient zur Steuerung der Strömung des Abschlämmströmungsmittels.

In F i g. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Abschlämmsystems dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein mit Perforationen 74 versehener Abschlämmring 72 unmittelbar über dem unteren Rohrboden 28 angeordnet. Der Abschlämmring 72 ist mit einer Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 6SA verbunden, welche die Wand des Behälters 12 durchdringt. Es wird angemerkt, daß die Perforationen 74 nur um das untere Rohrende 66 herum angeordnet smd. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel wird die Abschlämmströmung durch das Ventil 70 gesteuert. Es wird weiter darauf hingewiesen, daß, obwohl das Abschlämmrohr 60 und der Abschlämmring 72 nahe zueinander angeordnet sind, sie nicht miteinander verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung und die Art und Weise, wie sie angewendet wird, wird noch besser durch eine kurze Erörterung der der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien verstanden.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der natürlich auftretende thermische Siphoneffekt, der in siedenden Strömungsmitteln vorliegt, erfolgreich und mit großem Vorteil genutzt. Dieser Effekt ist verantwortlich für die umlaufende Strömung, die normalerweise innerhalb eines erhitzten Strömungsmittels vorhanden ist. Die Umlaufströmung wird primär durch die Differenz in der Dichte hervorgerufen, die zwischen dem nach oben strömenden zweiphasigen Strömungsmittel in den wirksamen Verdampfungsbereichen des Dampferzeugers und den im wesentlichen dampfblasenfreien peripheren Bereichen des Dampferzeugers, in welchen keine Verdampfung oder nur eine Verdampfung mit verminderter Geschwindigkeit auftritt, vorhanden ist. Diese Dichtedifferenz fördert die abwärts gerichtete Strömung des Strömungsmittels in den Bereichen reduzierter Verdampfungsaktivität und gleichzeitig die nach oben gerichtete Strömung in Bereichen aktiver Verdampfung.

Im Falle des gezeigten Zwangsdurchlauf-Dampferzeugers (es wird vorausgesetzt, daß ein durch geringe Belastungsbedingungen hervorgerufenes Wasserniveau besteht) strömt Siedewasser nach oben zur Dampf-Wasser-Grenzfläche, wobei "der im wesentlichen wasserfreie darin mitgerissene Dampf weiter nach oben durch die Rohrbündelkammer 30 strömt und dann abwärts durch den Strömungsmitteldurchlaß 34 zum möglichen Austritt aus dem Dampferzeuger 10, wie dies durch die zweiten Richtungspfeile 56 gezeigt ist. Die Wasserphase an dieser Grenzfläche wird, wie im vorhergehenden erläutert worden ist, im wesentlichen alle löslichen Speisewasserfeststoffe zurückhalten. Der

thermische Siphoneffekt wird veranlassen, daß dies Oberflächenwasser, das die konzentrierten löslichen Feststoffe enthält, in Richtung des Mantels 32 strömt, wo die Verdampfung im allgemeinen geringer ist. Als weiteres Ergebnis der durch diesen Effekt erzeugten Umlaufströmung wird das die Feststoffe führende Wasser nach unten längs der Innenwand des Mantels 32 strömen. Es wird jedoch angemerkt, daß diese Abwärtsströmung für den Betrieb des Zwangsdurchlauf-Dampferzeugers nicht wesentlich ist und innerhalb des zentralen Kernbereichs der Rohrbündelkammer 30 nicht vorhanden ist.

Das perforierte Abschlämmrohr 60 ist, wenn es richtig innerhalb des Dampferzeugers 10 angeordnet ist, sehr gut dazu geeignet, Nutzen aus dem vom thermischen Siphoneffekt, der innerhalb des Dampierzeugers 10 vorhanden sein kann, erzeugten Umlaufphänomen zu ziehen. Da das im Abschlämmrohr 60 befindliche Wasser nicht verdampft aufgrund der Tatsache, daß die Rohrwand verhindert, daß das darin enthaltene Wasser in Kontakt mit den Wärmeaustauschrohren 18 kommt, wird das Rohr bis zur Dampf-Wasser-Grenzfläche mit Wasser gefüllt und frei von Dampfblasen sein, wodurch eine kontinuierlich durch den thermischen Siphoneffekt bewirkte Abwärtsströmung in dem Rohr ermöglicht wird. Diese Abwärtsströmung führt das Feststoffe aus der Grenzfläche mitführende Wasser nach unten zum offenen Ende des Abschlämmrohres, wo es in der Nähe der Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68 (oder SSA) abgegeben wird. Dieses Abschlämmwasser enthält erheblich größere Mengen an löslichen Verunreinigungen als das normalerweise in diesem Bereich vorhandene Speisewasser. Es wird angemerkt, daß aufgrund des gerade beschriebenen Phänomens die Konzentration von festen Verunreinigungen am unteren Rohrende 66 des Abschlämmrohrs 60 größer ist. Durch Öffnen des Ventils 70 und Ablassen der angesammelten Feststoffe, die um das untere Rohrende 66 konzentriert sind, durch die Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68 (oder 68A) kann die Verunreinigungskonzentration innerhalb des Dampfkesseis innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden.

Wie bereits erörtert worden ist. weist ein Zwangsdruchlauf-Dampferzeuger verschiedene Wasserniveaus auf, die durch Belastungsänderungen hervorgerufen werden. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß das Abschlämmrohr 60 mit einer Vielzahl von Perforationen 62 ausgebildet ist. Die Orte dieser Perforationen 62 müssen nicht festgelegt sein. Vielmehr können verschiedene Perforationsmuster längs eines Rohrabschnitts verteilt werden. So kann z. B. eine große Anzahl von Perforationen entlang eines Rohrabschnitts verteilt werden. Andererseits kann eine geringe Anzahl von Perforationen, die an besonderen Stellen angeordnet sind, verwendet werden. Darüber hinaus können Perforationen mit verschiedenen Durchmessern und Winkelorientierungen eingesetzt werden.

Es ist im vorhergehenden angemerkt worden, daß ein mit großen Leistungspegeln betriebener Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger kein wirksames \bschlämmsystem erfordert. Demzufolge braucht das Abschlämmrohr 60 längs seines oberen Abschnitts nicht mit Perforationen 62 ausgebildet sein. Die Grenzlinie zwischen dem perforierten Abschnitt und dem nicht perforierten Abschnitt kann jedoch von Dampferzeuger zu Dampferzeuger variieren. Es folgt hieraus jedoch, daß das Abschlämmrohr 60 an seinem oberen Ende 64 verschlossen sein sollte.

In den Fig. 1 und 2 sind lediglich alternative Orientierungen der Abschlämm- und Entwässerungsverbindungen 68 und 68/4 vorgesehen. Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68 innerhalb des unteren Rohrbodens 28 unmittelbar unter dem Abschlämmrohr 60 angeordnet. Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsforni ist der perforierte Abschlämmring 72 unmittelbar über dem unteren Rohrboden 28 in unmittelbarer Nähe des Abschlämmrohres 60 angeordnet. Es wird angemerkt, daß bei beiden Ausführungsformen die Abschlärnrn- und Entwässcrungsverbindung 68 und der Abschlämmring 72 nicht mit dem Abschlämmrohr 60 verbunden sind, sondern lediglich in der Nähe dieses Rohrs vorgesehen sind, um ein geeignetes Abstoßen der festen Verunreinigungen zu bewirken, die sich oberhalb des unteren Rohrbodens 28 aufgrund der Wirkung des Abschlämmrohres 60 sammeln. Da das Abschlämmrohr 60 nicht mit der Entwässerungsverbindung 68 oder dem Ring 72 verbunden ist, kann Dampf, welcher durch die Wirkung des Abschlämmrohres 60 nach unten zum Boden des Dampferzeugers gezogen worden ist, zurück zur Oberfläche des Dampfkesselwassers steigen und wird daher nicht aus dem Dampferzeuger gemeinsam mit dem Abschlämmwasser abgegeben.

Es wird in Betracht gezogen, daß eine Abschlämm- und Entwässerungsverbindung pro eingesetztes Abschlämmrohr benutzt wird. Darüber hinaus kann irgendeine Anzahl von Abschlämmrohr-, Abschlämm- und Entwässerungsverbindungs-Kombinationen verwendet werden. Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte die Kombination jedoch soweit wie möglich von jedem Speisewassereintrittsort angeordnet sein. Demzufolge sollte der Abschlämmring 72 nicht längs seiner gesamten ringförmigen Oberfläche mit Perforationen ausgebildet sein. Vielmehr sollten die Perforationen auf die unmittelbare Nachbarschaft des Abschlämmrohres 60 beschränkt sein. Hierdurch wird eine Abgabe von Abschlämmflüssigkeit ermöglicht und gleichzeitig verhindert, daß erhebliche Speisewassermengen austreten und hierdurch die Wirksamkeit des Abschlämmsystems reduzieren. Die Tatsache, daß das Abschlämmrohr 60 nicht direkt mit der Entwässerungsverbindung 68 (oder 6SA) verbunden ist, ermöglicht es, daß diese Verbindung als normale Entwässerungsverbindung funktioniert, wenn keine Abschlämmung erwünscht ist.

Das offenbarte Abschlämmsystem kann auch innerhalb abgewandelter Typen eines Zwangsdurchlauf-Dampferzeugers erfolgreich verwendet werden. So sind z. B. heute Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger im Gebrauch (nicht gezeigt), welche keine zylindrischen Mäntel aufweisen, welche einen Strömungsmitteldurchlaß bestimmen. Bei einer solchen Konstruktion sollte das Abschlämmrohr so nahe wie möglich an der ι Innenwand angeordnet sein, welche die Rohrbündelkammer begrenzt. Die grundlegenden Betriebsprinzipien (in Verbindung mit einer geeignet positionierten ADschlämm- und Entwässerungsverbindung) sind jedoch in jedem Falle die gleichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Abschlammeinrichtung für einen Wärmetauscher, der als senkrechter Druckbehälter mit einem oberen und einem unteren Rohrboden und dazwischen vertikal verlaufenden Rohrbündeln ausgebildet ist, bei dem ein wärmeabgebendes Strömungsmittel durch die Rohre geleitet wird und ein wärmeaufnehmendes Strömungsmittel unter indirektem Wärmeaustausch die Rohre umströmt, und der nahe des unteren Rohrbodens eine Abschlämmleitung zum Entfernen von aus dem wärmeaufnehmenden Strömungsmittel abgesonderten Verunreinigungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlämmeinrichtung zusätzlich mindestens ein senkrechtes Rohr (60) aufweist, das über mindestens einen Teil seiner Läng*; perforiert und innerhalb der Rohrbündelkammer (30) angeordnet ist und ein verschlossenes oberes Ende (64) und ein offenes unteres Ende (66) hat, wobei das untere Ende des senkrechten Rohres im Abstand von der Abschlämmleitung (68) angeordnet ist.

2. Abschlämmeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere und untere Ende (64,66) des senkrechten Rohres (60) jeweils im Abstand nahe dem oberen und unteren Rohrboden (24,28) angeordnet ist.

3. Abschlammeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar über dem unteren Rohrboden (28) ein perforierter Ring (72) angeordnet ist, der mit der Abschlämmleitung (OS/A) strömungsmittelverbunden ist, und daß die Perforationen (74) des Ringes (72) in unmittelbarer Nähe des unteren Endes (66) des senkrechten Rohres (60) angeordnet sind.