DE3338804A1 - Waermeuebertragungsrohre - Google Patents

Description

• Warmeübertragungsrohre
• Die Erfindung betrifft Wårmeübertragungsrohre, die von innen kühlbar und von außen vorwiegend durch Strahlung beheizbar sind.
• Unter Wärmeübertragungsrohrelxunterschiedlicher Querschnitte sind auch Hohlkörper verschiedener Geometrien zu verstehen.
• Solche Wårmeübertragungsrohre sind z.B. Bestandteil von fossil beheizten Gaserhitzern, bei denen in einem sogenannten Strahlungsteil die bei der Verbrennung entstehende Flamme durch die vor der Feuerraumwand angeordneten, innen gekühlten Rohre mittels Strahlungsaustausch abgekühlt wird. Diese Kühl rohre sind auf der flammenzugewandten Seite erheblich höher belastet als auf der wandzugewandten Seite.
• Eine noch stärkere Ungleichförmigkeit der Rohrbelastung am Umfang und Uber der Lange der Rohre kann in einem Absorber für konzentrierte solare Strahlung eines Solarkraftwerkes auftreten. So werden vor allem zur Aufheizung des Kühlmediums auf sehr hohe Temperaturen (z.B. Lufterhitzer auf 800 C) Hohlraumempfänger für die gebündelte, solare Strahlung verwendet, bei denen die Strahlung durch eine begrenzte Uffnungsfläche in den Hohlraum eintritt und auf dessen Innenoberflächen auftrifft.
• Wenn diese Innenflächen aus hitzebestandigen, weitgehend warmedichten Wänden mit davor angeordneten KUhlrohrregistern bestehen, ergibt sich für diese Kühl rohre eine sehr ungleichförmige, thermische Belastung, weil das Wärmeübertragungsrohr nur etwa auf dem halben Rohrumfang von der Primarsonnenstrahlung beaufschlagt wird.
• Somit kann eine sehr starke Ungleichförmigkeit der Wärmestromdichte in der Rohrwand entstehen, die ihrerseits zu ungleichen Rohrwandtemperaturen und damit zu Thermospannungen im Kühl rohr führt, die viel höher sind als im Fall homogener Rohrbelastung bei gleichem Mittelwert der gesamten Wärmestromdichte.
• Diese Thermospannungen, die in der Regel nicht stationar sind, verursachen vor allein jenen Kühirohrabschnitten, in denen hohe Rohrwandtemperaturen und hohe Wärmestromdichten auftreten, eine starke Werkstoffschadigung (Kriechen, Ermüdung). Da die Kühl rohre jedoch so auszulegen sind, daß auch die höchstbelasteten Abschnitte die geforderte Lebensdauer erreichen, ist dann ein großer Teil der installierten Rohre weit unterhalb der zulässigen Grenze belastet, wenn die primare Strahlung sehr inhomogen auf die Gesamtzahl der Rohre verteilt auftrifft. Die Rohrwerkstoffausnützung ist damit gering, was bei teueren Werkstoffen ein großer Nachteil für die Anlagenwirtschaftlichkeit ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscherrohre der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen die Ungleichförmigkeit der Belastung verringert wird.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
• Hierdurch wird mit fertigungstechnisch sehr einfachen Maßnahmen erreicht, daß unter Anhebung des Mittelwertes der gesamten Wärmestromdichte des Rohres Spitzenbelastungen ausgeschaltet werden und damit eine gleichmäßigere Verteilung der Wärmestromdichte im Wärmeübertragungsrohr erhalten wird. Die Werkstoffwahl läßt sich hierdurch erweitern, wobei die Werkstoffausnutzung außerdem aufgrund einer homogeneren Wärmeverteilung verbessert wird.
• Der Strahlenschutz kann vorzugsweise aus einem strahlungsabsorbierenden Material bestehen. Derartige Strahlungsschutzkörper absorbieren die auf ihn auftreffende Strahlung ganz oder teilweise, wodurch sie sich bis zu einer Gleichgewichtstemperatur aufheizen. Bei dieser Temperatur strahlt der Schutzkörper die Summe der absorbierten Energie wieder ab. Auf diese Weise führt der Schutzkörper dem Rohr auf der von ihm abgedeckten Seite Strahlungsenergie zu.
• Der Strahlungsstrom von dem Strahlungsschutz auf das Wärmeübertragungsrohr kann in seiner Stärke durch einige Eigenschaften des Strahlungs-Schutzkörpers beeinflußt werden.
• Vorzugsweise wird das Material für den Strahlungsschutz anhand seiner Transmissions-, Absorptions- und Emissions-Eigenschaften sowie dessen Geometrie gewählt derart, daß die Wärmestromverteilung in der Rohrwandung optimiert, d.h. möglichst der homogenen Verteilung angenahert wird.
• Auch die Wärmeleitfähigkeit des Materials spielt hierbei eine Rolle.
• Die Geometrie kann in weiten Grenzen variiert werden, indem die Abdeckung des Wärmeübertragungsrohres großflächig, kleinflächig, linienförmig, punktförmig und ähnlich ausgestattet wird. Das orientiert sich vorwiegend an der Energieverteilung, insbesondere des Primärstrahles.
• Strahlenabsorbierende Schutzkörper können je nach Beschaffenheit auf das Rohr aufgeklebt (z.B. elastische Schutzkörper) oder als Beschichtung auf die Rohroberfläche aufgebracht werden. Starre Schutzkörper können vorzugweise mittels Zusatzvorrichtungen, sowie Halteklammern, Ringe usw. gegenüber dem Rohr fixiert werden.
• Es können aber auch strahlenreflektierende Schutzkörper verwendet werden, die Strahlenbündel höherer Enegiedichte teilen oder gezielt streuen oder beugen.
• Diese Ausführungen eignen sich insbesondere bei Anordnungen mit mehreren Wärmeübertragungsrohren, denn hierbei kann die gebeugte, bzw. geteilte Strahlung gezielt so gerichtet werden, daß sie auf einen Bereich eines anderen Rohres auftrifft, das aufgrund der Primarstrahlung nur in geringem Maße beaufschlagt ist.
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
• In Fig. 1 wird die Verteilung der Wärmestromdichte, die qualitativ durch die gestrichelte Linie 13 dargestellt ist, bei einem Wärmeübertragungsrohr 10 nach dem Stand der Technik gezeigt, das vor einer wärmedämmenden Wand 11 angeordnet ist und von der gegenüberliegenden Seite von einer parallen Strahlung 12 beaufschlagt wird. Bei einer derartigen Anordnung wird das Rohr 10 in dem der Strahlung 12 zugekehrten Bereich 14 die meiste Strahlungsenergie aufnehmen, wobei die Absorptionsdichte im gegenüberliegenden, der Wand 11 zugekehrten Bereich 15 aufgrund der von der Wand reflektierenden Strahlen ein zweites Maximum auftaucht. Aufgrund dieser unterschiedlichen Wärmebelastungen, die zudem sich unter Umständen zeitlich verändern, können große Spannungen in der Rohrwandung auftreten, die zu einer frühzeitigen Zerstörung des Wärmeübertragungsrohres 10 führen.
• Fig. 2 stellt die Auswirkung bei einer gezielten Anwendung eines Strahlenschutzes 20 dar. Die gestrichelte Linie 21 stellt qualitativ die Wärmestromdichte im Rohr 10 dar.
• In Fig. 1 zeigt die Wärmestromdichteverteilung 13 ein markantes Maximum in dem den Strahlen 12 ausgesetzten Bereich 14. Durch den Strahlenschutz 20 in Fig. 2 verringert sich die Absorption im Bereich 14 des Rohres 10, so daß die Wärmestromdichte 21 in diesem Bereich zwar noch einen Höchstwert annimmt, der jedoch annähernd so hoch ist wie der wandzugekehrte Höchstwert der Verteilung 21. Da die Wärmestromdichteverteilung 21 jetzt weitgehend axialsymmetrisch istn sind die thermisch verursachten Biegespannungen stark reduziert. Hierdurch kann das Rohr 10 durch eine stärkere Strahlung 22 belastet werden, so daß bei gleichem Material des Rohres 10 eine höhere Energienutzung möglich ist.
• In der Ausführung gemäß Fig. 2 ist der Strahlenschutzkörper 20 direkt auf der Oberflache des Wärmeübertragungsrohres 10 aufgebracht. Es ist aber auch möglich, den direkten Kontakt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, nur auf Punkte 25 einzuschränken und die Fixierung des Schutzkörpers 26 durch Hilfsmittel, wie einen Klemmring 27, durchzuführen.
• Fig. 4 zeigt eine weitere Variante, bei der ein U-förmiger Schutzkörper 30 auf ein vor der direkten Bestrahlung geschütztes Befestigungsmittel 31 aufgeklemmt ist.
• Die Anwendungsmöglichkeit von Strahlenschutzkörpern ist unabhängig von der Form bzw. Ausgestaltung des Wärmeübertragungsrohres, es kann jede für den jeweiligen Anwendungsfall günstige Geometrie annehmen.
• In Fig. 5 sind Wärmeübertragungsrohre 35 mit ovalem Querschnitt gezeigt, denen als Strahlenschutz je eine Streulinse 36 zugeordnet ist. Mit der Streulinse 36 kann ein Teil der auf das Rohr 35 gerichteten Primärstrahlung 37 so abgelenkt werden, daß sie durch die Lücken 38 zwischen die Rohre 35 hindurch auf die Rückwand 39 trifft, um von der Rückwand 39 absorbiert zu werden, oder um durch Reflexion an der Wand 39 auf ein anderes Wärmeübertragungsrohr 35 rückwärtig aufzutreffen.
• Fig. 6 stellt ein Beispiel mit einem rechteckigen Warmeübertragungsrohr und einem im Strahlengang der Primarstrahlung 41 angeordneten, als Strahlungsteiler ausgebildeten, spiegelnd reflektierenden Schutzkörper 43 dar.
• Die Primärstrahlung 41 wird vorwiegend abgelenkt, so daß das niedrig belastete Rohr 40 die überwiegend diffus gerichtete Strahlungsleistung abführt.
• Die Breite des Strahlenschutzkörpers muß im allgemeinen nicht identisch sein mit der Breite des zu schützenden Rohres. Sie kann größer, gleich oder kleiner als die Rohrbreite sein.
• Der Nutzen der Strahlungsschutzkörper entsteht vor allem dann, wenn die Körper nicht auf der gesamtenLänge der bestrahlten Rohre, sondern nur in Zonen größter Primärstrahlungs-Stromdichte angebracht werden. Sie gestatten es dann, die Primärstrahlungs-Stromdichte vor der berohrten Wand so weit zu steigern, wie es die außerhalb der Schutzkörper liegenden Rohrabschnitte unter Beachtung der Bauteil-Belastungsgrenze erlauben. Im Gesamtmittel kann damit eine höhere Wärmestromdichte im Rohr, also eine bessere Werkstoffausnutzung, damit eine Werkstoffeinsparung erreicht werden.

Claims (6)

1. PatentansprUche (l.)Wärmeübertragungsrohr, das von innen kühlbar und von außen vorwiegend durch Strahlung beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsrohr (lo, 35, 40) im Bereich (14) größter Strahlungsaufnahme durch einen Strahlenschutzkörper (20, 26, 30, 36, 42) geschützt ist.
2. 2. Rohr nach Anspruch 1> dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenschutz (20, 26, 30) aus einem strahlungsabsorbierenden Material besteht.
3. 3. Rohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für den Strahlenschutzkörper (20, 26, 30) aufgrund seiner Transmissions-, Absorptions- und Emissionseigenschaften sowie seiner Geometrie so gewählt wird, daß die Wärmestromverteilung in der Rohrwandung optimiert wird.
4. 4. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenschutzkörper als Linse (36) oder Spiegel (42) ausgebildet ist.
5. 5. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzecihnet, daß der Strahlenschutzkörper (20) unmittelbar auf das Rohr (10) aufgebracht ist.
6. 6. Rohr nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenschutzkörper (26, 30) mit Befestigungsmitteln (27, 31) gegenüber den Rohr (10) fixiert ist.