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Vorrichtung zum Uberhitzen von Dampf
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum überhitzen von Dampf mit
Hilfe eines aus beheizten Rohren gebildenten Wärmetauschers, bei dem die Rohre innerhalb
eines Gehäuses um einen zentralen Raum angeordnet und mit ihren Enden in Rohrplatten
gehalten sind, die jeweils von einer Kammer umgeben sind.
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Derartige Vorrichtungen werden bevorzugt für die Zwischenüberhitzung
von Naßdampf verwendet, dem vor der Überhitzung durch Wasserabscheider der Wasseranteil
entzogen wird. Diese Wasserabscheider können innerhalb des Gehäuses bei liegender
oder stehender Anordnung unterhalb des überhitzers oder bei stehender Anordnung
unmittelbar vor den Überhitzern angeordnet sein (DE-AS 18 05 032, DE-OS 28 44 077).
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Bei einer dieser bekannten Anordnungen (DE-OS 28 44 077) besteht der
Überhitzer aus mehreren voneinander getrennten Rohrbündeln, die um einen zentralen
Raum angeordnet sind. Bei dieser Anordnung können sich zwar die einzelnen Rohrbündel
unabhängig voneinander dehnen, jedoch müssen sie, um einen geschlossenen Strömungsweg
für den zu überhitzenden, auf der Außenseite der Rohre geführten Dampf zu schaffen,
gegeneinander beweglich abgedichtet werden. Die Rohrplatten, in denen die Rohre
eines Rohrbündels gehalten sind, sind kreisförmig ausgebildet, jedoch rechteckig
oder quadratisch berohrt.
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Bei Querströmung durch diese Bündel ergeben sich Dehnungs- und Kontraktionsprobleme,
die bei der Konstruktion der Bündel und der Abdichtungen zwischen den Bündeln einen
großen Aufwand erfoMern und das Betriebsverhalten, insbesondere bei instationären
Lastfällen einschränken. Diese Nachteile sollen durch die Erfindung beseitigt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art konstruktiv zu vereinfachen und so zu verbessern, daß temperaturbedingte
Dehnungen besser aufgefangen werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rohre zu
einem einzigen, kreisringförmigen Rohrbündel zusammengefaßt sind und daß die Rohrplatten
ebenfalls kreisringförmig und die Kammern als Ringkammer ausgebildet sind.
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Diese ringförmige Ausbildung der Rohrplatte und der Kammer ermöglicht
eine sehr wärmeelastische Ausführung des Überhitzers. Der Überhitzer erträgt die
bei allen instationären Lastfällen auftretenden Temperaturgradienten besser als
eine Ausführung mit einer großen, nur ringförmig berohrten Rohrplatte oder als die
in der bekannten Mehrbündelausführung nur rechteckig berohrten kleinen Rohrplatten.
Der äußere und der innere Strömungskanal innerhalb des Gehäuses werden durch das
kreisringförmig angeordnete Rohrbündel selbst gebildet. Damit entfallen alle Abdichtungen
zwischen den Einzelbündeln der bekannten Anordnung. Dadurch wird die Betriebssicherheit
erhöht und Bypässe infolge von Randgängigkeit im Bündel sowie Abdichtverluste vermieden,
so daß ein besserer thermischer Wirkungsgrad erreicht wird.
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Darüber hinaus können die bei der Mehrbündelkonstruktion erforderlichen
Verbindungselemente zwischen den Bündeln und den Abdichtungen ebenfalls vollständig
entfallen.
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Bedingt durch die Zusammenfassung der Rohre zu einem einzigen kreisringförmigen
Rohrbündel kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß der
innerhalb des Gehäuses vorhandene Zuströmraum zu dem ringförmigen Rohrbündel durch
ein oder mehrere Trennbleche aufgeteilt sein. Auf diese Weise entsteht eine Durch-
strömung
in ein, zwei oder mehr Wegen sowohl in ein-oder zweistufiger Bauweise. Bei dieser
Ausführung tritt zusätzlich eine Vergleichmäßigung der Längendehnung der Rohre ein.
Die Vergleichmäßigung wird erreicht, indem jedes Rohr Bestandteil aller Wege ist,
so daß zum Beispiel das Rohr, das mit dem eintretenden Dampf (niedrigstes Temperaturniveau
) im ersten Weg beaufschlagt wird, im zweiten Weg mit dem austretenden Dampf (höchstes
Temperaturniveau) angeströmt wird. Die bei den bisherigen Ausführungen bekannten
Durchbiegungen der Bündel infolge ausgeprägter Temperaturdifferenzen und die Kontraktionen
des Bündelverbandes entfallen damit bei der erfindungsgemäßen Konstruktion. Infolge
der heizdampfseitigen Hintereinanderschaltung der einzelnen Wege addiert sich der
Rohrabschnitt mit dem höchsten Heizdampfbedarf im ersten Weg zu dem Rohrabschnitt
mit dem geringsten Heizdampfbedarf im zweiten Weg, so daß über die hintereinanderliegenden
Rohrreihen eine Vergleichmäßigung des Heizdampfbedarfes erreicht wird. Bei der erfindungsgemäßen
Ausführung kann der erste Weg (kalt d. h. großz Heizdampfbedarf) im unteren Teil
des Bündels liegen, so daß der größte Teil des aus dem Heizdampf anfallenden Kondensats
erst hier ausfällt, wodurch die Kondensatableitung vereinfacht wird. Infolge der
vergleichmäßigten Heizdampfverteilung und des erst im unteren Bündelteil anfallenden
Heizdampfkondensates wird der Kondensatablauf bei stehender Anordnung des überhitzers
so stabilisiert, daß zusätzliche Einbauten oder Verfahren zur He izdampfvergleichmäßigung
nicht erforderlich sind.
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Mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Vorrichtung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 den Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der
Erfindung und Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Kammer.
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Innerhalb eines als Druckmantel ausgebildeten Gehäuses 1 ist ein Wärmetauscher
2 angeordnet, der zum Zwischenüberhitzen von Naßdampf aus dem Hochdruck- oder Mitteldruckteil
einer Turbine stammt. Als Heizmedium dient Heizdampf, der dem als Überhitzer dienenden
Wärmetauscher 2 über einen Heizdampfeintrittsstutzen 3 im oberen Teil des Wärmetauschers
2 zugeführt wird. Der Heizdampf kondensiert teilweise oder vollständig unter Wärmeabgabe
in dem Wärmetauscher 2. Der abgekühlte Dampf und das in ihm enthaltene Kondensat
werden über eine Kondensatleitung 4, die sich an den unteren Teil des Wärmetauschers
2 anschließt, und über einen Kondensataustrittsstutzen 5 abgeführt.
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Der zu überhitzende Naßdampf wird durch einen Dampfeintrittsstutzen
6 in das Gehäuse 1 eingeführt. In Strömungsrichtung des Naßdampfes sind vor dem
Wärmetauscher 2 im unteren Teil des Gehäuses 1 Wasserabscheider 7 angeordnet. Diese
Wasserabscheider 7 können aus Paketen aus gewellten Blechen bestehen, zwischen denen
der Naßdampf hindurchgeführt wird. Dabei wird der Naßdampf von den in ihm enthaltenen
Wassertropfen befreit. Das abgeschiedene Wasser wird in einer unter den Wasserabscheidern
7 angeordneten Rinne 8 gesammelt und über einen Wasseraustrittsstutzen 9 aus dem
Gehäuse 1 abgezogen. Der so vorgetrocknete Dampf umströmt den Wärmetauscher 2 und
wird
als überhitzter Dampf durch den Dampfaustrittsstutzen 10 aus dem Gehäuse abgezogen
und einer Turbine zugeführt.
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Der Wärmetauscher 2 besteht aus Rohren 11, die in mehreren Reihen
hintereinander liegend zu einem einzigen ringförmigen Rohrbündel zusammengefaßt
sind. Das Rohrbündel stellt somit die Begrenzungswand zwischen einem äußeren, dem
Gehäuse 1 zugewandten Strömungsweg und einem inneren, durch den zentralen Raum innerhalb
des Rohrbündels gebildeten Strömungsweg. An ihren Enden sind die Rohre 11 in je
eine Rohrplatte 12 eingesetzt. Jede dieser Rohrplatten 12 weist die geometrische
Form eines Kreisringes auf.
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Die Rohrplatten 12 sind auf ihrer den Rohren 11 zugewandten Seite
von je einer Kammer 13 umgeben, die der Verteilung bzw. der Sammlung des Heizmediums
dient. Beide Kammern 13 sind als Ringkammern ausgebildet und weisen ebenso wie die
Rohrplatten 12 einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Die Kammern 13 sind mit
einem Mannloch 14 versehen. Die obere der Kammern 13 ist außerhalb des Gehäuses
1 angeordnet. Auf diese Weise ist diese Kammer von außen zugänglich, eo daß eine
Überprüfung oder eine Reparatur der Verbindung zwischen den Rohren und der Rohrplatte
bei in Betrieb befindlicher Turbine und abgeschaltetem Heizdampf ermöglicht wird.
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Nach Fig. 1 sind die Kammern 13 von geraden Wänden begrenzt. Bei einer
weiteren möglichen und in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die Wände
der Kammern 13 kugelförmig ausgebildet.
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Zur Führung des Dampfes durch den Wärmetauscher 2 ist der freie innere
Raum der Ringkammer 13 durch eine als starre Verbindung dienende Bodenplatte 15
verschlossen.
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Das an die untere der Ringkammer 13 angeschlossene Bodenblech 15 ist
nach oben gewölbt. Auf diese Weise wird das Einströmen des Dampfes in den zentralen
Raum innerhalb des ringförmigen Rohrbündels erleichtert. Je nach der Lage des Dampfaustrittsstutzens
10 und der Anzahl der dampfseitigen Strömungswege kann der in das ringförmige Rohrbündel
des Wärmetauschers 2 eintretende Dampf auch zuerst in den zentralen Raum innerhalb
des Rohrbündels geführt werden. In diesem Fall entfällt die Bodenplatte 15 und wird
durch eine Abdichtung zwischen der unteren Ringkammer 13 und dem Mantel des Gehäuses
1 ersetzt.
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Zwischen dem Gehäuse 1 und den Rohren 11 des ringförmigen Rohrbündels
des Wärmetauschers 2 ist ein Trennblech 16 angeordnet. Durch dieses Trennblech 16
ist der Strömungsweg des zu überhitzenden Dampfes in zwei Wege aufgeteilt. Der zugeführte
Dampf durchströmt dabei zuerst das Rohrbündel von außen nach innen und tritt in
den freien Raum innerhalb des Rohrbündels ein. Im oberen Teil des Wärmetauschers
ist das Rohrbündel von innen nach außen durchströmt. Durch die Anordnung mehrerer
Trennbleche 16 können auch mehr als zwei Wege gebildet werden.
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über die Höhe des Rohrbündels sind mit Abstand voneinander mehrere
Leitbleche 17 quer zu den Rohren 11 angeordnet. Diese Leitbleche 17 sichern die
Rohre 11 gegen ein gegenseitiges Verschieben und zwingen den Dampf in gewissem Umfang
das Rohrbündel quer zu durchströmen.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist
der Wasserabscheider nicht im unteren Teil des Gehäuses 1 angeordnet. Statt dessen
ist ein Abscheider 18
verwendet, der ringförmig ausgebildet ist
und der das Rohrbündel auf der Anströmseite des zu überhitzenden Dampfes in einem
Abstand umgibt. Die das Rohrbündel quer durchziehenden Leitbleche 17 sind verlängert
und durchdringen ebenfalls quer den ringförmigen Abscheider 18. Der zuströmende
Dampf wird daher gezwungen, abschnittsweise den ringförmigen Abscheider 18 zu durchströmen.
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Auf diese Weise wird der hohe Druckverlust, der der Strömung des Dampfes
zwischen den Rohren 11 aufgezwungen wird, dazu ausgenutzt, den ringförmigen Abscheider
18 gleichmäßig zu durchströmen. Dadurch kann auf die üblichen Maßnahmen zur Vergleichmäßigung
verzichtet werden, wodurch Druckverlust gespart wird. Der Vorteil, der sich aus
der ringförmigen Ausbildung des Rohrbündels und des Abscheiders 18 ergibt, liegt
darin, daß das Gehäuse 1 gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform auf
Kosten einer geringfügigen Vergrößerung des Durchmessers kürzer gestaltet werden
kann.
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In der Beschreibung und der Zeichnung ist eine Vorrichtung zum Zwischenüberhitzen
des Dampfes erläutert, die stehend angeordnet ist. Die Erfindung läßt sich jedoch
auch auf eine liegende Anordnung anwenden.