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Dampferzeuger mit parallelgeschalteten Verdampferrohren
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger mit parallelgeschalteten
von einem gemeinsamen Eintrittssammler ausgehenden und in einen gemeinsamer Austritts-Sammler
mündenden Verdampferrohren.
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Dampferzeuger dieser Art sind z.B. als Zwangsdurchlaufdampferzeuger
in Kraftwerken und in der chemischen Industrie zur Erzeugung von Prozeßdampf im
Einsatz. Beim Betrieb solcher Dampferzeuger werden bei bestimmten Betriebszuständen
Instabilitäten beobachtet. Diese Instabilitäten äußern sich durch starke periodische
Schwankungen der Wandtemperatur einzelner Verdampferrohre.
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Sie können solche Außmaße annehmen, daß es zu Rohrreißern kommen kann.
Die Ursachen sind weitgehend unbekannt. Es wird vermutet, daß zeitliche Schwankungen
der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Innern der Verdampferrohre, die Wärmeableitung
bzw. Kühlung der Verdampferrohre zeitlich verändern.
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Um diese höchst unerwünschten dynamischen Instabilitäten zu vermindern,
hat man bisher schon den Eintrittsquerschnitt aller parallelgeschalteten Verdampferrohre
gedrosselt. Dies brachte zwar eine Dämpfung der Instabilitäten aber dafür mußte
ein erhöhter Druckverlust und damit ein erhöhter Energiebedarf für die Speisewasserversorgung
in Kauf genommen werden. Auch hat man schon versucht,die Wärmezufuhr in den Bereichen
wo Schäden auftraten, durch Abdecken der-Verdampferrohre zu vermindern. Aber durch
das Abdecken verringert sich zugleich auch die an sich erwünschte Wärmeaufnahme
des
des Verdampfers. Darüber hinaus kann die ungekühlte, sehr heiße
Abdeckung bei Feuerungsstörungen Verpuffungen mit entsprechenden Kesselschäden verursachen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die genannten Temperaturschwankungen
und dynamischen Instabilitäten bei Parallelrohrsystemen in einer Weise zu mindern,
die keine Einbußen hinsichtlich der Wärmeaufnahme und des gesamten Wirkungsgrades
zur Folge hat.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Annahme zugrunde, daß die die Temperaturschwankungen
verursachenden zeitlichen Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
ihre Ursache darin haben, daß der Strömungswiderstand in den einzelnen Verdampferrohren
durch die Volumenzunahme bei der Verdampfung vergrößert wird und die dadurch verminderte
Strömungsgeschwindigkeit die Verdampfung wiederum fördert. Weil die Verdampferrohre
an ihrem oberen und unteren Ende über den Eintrittssammler und Austrittssammler
miteinander kommunizieren und weder im Eintrittsnoch im Austrittssammler Druckschwankungen
meßbar sind, wird davon ausgegangen, daß die Strömungsschwankungen in einzelnen
Verdampferrohren um 180' gegeneinander phasenverschoben und der Massendurchsatz
durch alle Verdampferrohre konstant ist. Unter diesen Voraussetzungen können die
Schwingungen durch die Druckausgleichsrohre kurzgeschlossen werden.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind daher unter anderem
der schnelle Abbau entstehender Druck-
schwankungen in miteinander
verbundenen Verdampferrohren, wodurch eine Vergleichmäßigung der Strömung erfolgt
und schädliche Temperaturschwingungen unterbunden werden.
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Durch die Anbringung der Druckausgleichrohre in den Bereichen der
Verdampferrohre, in denen die Dampfbildung einsetzt, werden die Druckschwankungen
annähernd am Entstehungsort ausgeglichen. Die Strömung des Mediums und damit auch
die Wärmeabfuhr können so in effektiver Weise ausgeglichen werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand zweier in den Figuren
dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische
Darstellung der parallelgeschalteten Verdampferrohre eines Dampferzeugers mit angeschweißten
Druckausgleichsrohren, Fig. 2 die gewickelte Rohrwand eines modernen Dampferzeugers,
mit mehreren Reihen von gegeneinander versetzten Druckausgleichsrohren und Fig.
3 einen Querschnitt durch eine Rohrwand des Dampferzeugers der Fig. 2.
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Wie aus der schematischen Darstellung der Fig. 1 hervorgeht, sind
die Verdampferrohre 1 bis 6 eines Dampferzeugers 7 an einem gemeinsamen Eintrittssammler
8 angeschlossen und münden in einen gemeinsamen Austrittssammler 9.
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Jeweils zwei Verdampferrohre sind in ihrem unteren Drittel untereinander
durch ein Druckausgleichsrohr 10, 11, verbunden. Die lichte Weite der Druckausgleichsrohre
soll im Ausführungsbeispiel etwa gleich der lichten Weite der Verdampferrohre sein.
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In der Darstellung der Fig. 1 ist in den linken beiden Verdampferrohren
1, 2 der Phasenzustand des Mediums angedeutet. In die Verdampferrohre strömt über
den Ein-
trittssammler 8 je nach Anlage vorgewärmtes oder heißes
Wasser 12 ein. Dieses wird in dem unteren Teil der Verdampferrohre bis zum Siedepunkt
aufgeheizt. Gewöhnlich setzt die Verdampfung im unteren Drittel der Verdampferrohre
ein. Sie ist dann im oberen Drittel im wesentlichen abgeschlossen. Dort kann der
Dampf 13 teilweise sogar überhitzt sein Dieser Dampf 13 strömt aus den verschiedenen
Verdampferrohren 1 bis 6 in den Austrittssammler 9 und wird von diesem meist über
ein Wasserdampftrenngefäß (nicht dargestellt) in einen Uberhietzer (nicht dargestellt)
geleitet. Je nach Heizleistung und Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in den Verdampferrohren
kann die Verdampfungszone 14 etwas weiter nach oben oder nach unten wandern.
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Durch die etwa im unteren Drittel der Verdampferrohre eingesetzten
Druckausgleichsrohre 10, 11 kann überschüssiges Volumen bei verstärkter Verdampfung
und dadurch vergrössertem Strömungswiderstand in einem dieser Verdampferrohre 1,
3, 4, 6 in ein über ein Druckausgleichsrohr 10, 11 verbundenes Verdampferrohr überströmen.
Durch den dadurch erzielten Druckausgleich zwischen diesen Verdampferrohren wird
ein gleichmäßigeres Nachströmen von Flüssigkeit und damit eine gleichmäßigere Wärmeableitung
aus den Verdampferrohren gewährleistet. Dies wiederum hat geringere Temperaturunterschiede
und somit auch geringere Wärmespannungen zwischen diesen Verdampferrohren zur Folge.
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Die Fig. 2 zeigt eine Rohrwand 15 eines modernen, gewickelten, rechteckigen
Dampferzeugers 16 mit schräg laufenden parallelen Verdampferrohren 17 bis 38. Bei
diesen Verdampferrohren handelt es sich um sogenannte Flossenrohre, die zur Erzielung
einer gasdichten Wand 15, wie
wie in der Fig. 3 noch gezeigt wird,
über ihre ganze Länge miteinander verschweißt sind. Alle Flossenrohre sind mit ihrem
einen Ende an dem unteren Eintrittssammler 39 und mit ihrem anderen Ende an dem
oberen Austrittssammler 40 angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind
in drei verschiedenen Ebenen Druckausgleichsleitungen 43 bis 57 zwischen den Verdampferrohren
20 bis 34 eingeschweißt. Diese verbinden in der untersten der drei Ebenen die gegeneinander
schwingenden Verdampferrohre 19 und 23, 22 und 25, 24 und 27 in gleicher Höhe. Die
in den beiden darübergelegenen Ebenen eingeschweißten Druckausgleichsrohre 47 bis
57 verbinden die gegeneinander schwingenden Verdampferrohre 22 und 25, 23 und 26,
24 und 27, 26 und 29, 27 und 30, 28 und 31, 24 und 27, 25 und 28, 26 und 29, 28
und 31, 29 und 30 auf dem kürzesten Wege.
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In der Fig. 3 erkennt man den Aufbau der aus miteinander verschweißten
Flossenrohren 24 bis 33 aufgebauten Rohrwand 15. Hierbei wird deutlich, daß die
Flossenrohre mit.ihren Flossen aneinanderstoßen und über ihre Flossen 58 bis 69
zu einer gasdichten Wand verschweißt sind. Die Druckausgleichsrohre 45, 46 sind
auf der vom Feuerraum 70 abgewandten Seite der Rohrwand 15 angeschweißt.
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Durch die in der Fig. 2 gezeigte Schrägstellung der Verdampferrohre
wird auch bei örtlich ungleichmäßiger Wärmeaufnahme der Rohrwand, wie z.B. bei rechteckigen
Feuerraumquerschnitten, eine gleichmäßige Wärmeaufnahme über alle Verdampferrohre
hinweg gewährleistet.
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Die in den oberen beiden Ebenen gezeigte kürzest mögliche Verbindung
der Verdampferrohre über Druckausgleichsrohre 47 bis 57 hat zur Folge, daß Bereiche
der
Verdampferrohre miteinander verbunden werden, in denen die Ausdampfung
unterschiedlich weit fortgeschritten ist. Andererseits wird so der Strömungswiderstand
in den Druckausgleichsleitungen bei gegebenen Leitungsquerschnitt und der Materialaufwand
minimiert. In der untersten Ebene sind beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die Druckausgleichsrohre
43 bis 46 horizontal geführt und verbinden Bereiche der Verdampferrohre mit angenähert
gleichem Ausdampfungsgrad. Dafür müssen jedoch etwas längere Druckausgleichsrohre
und ein höheren Strömungswiderstand in denselben in Kauf genommen werden.
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An sich genügt die Anbringung der Druckausgleichsrohre in einer Höhe
der Verdampferrohre, in der die Dampfbildung einsetzt. Soll ein Dampferzeuger jedoch
mit recht unterschiedlicher oder schwankender Last betrieben werden, so kann es
vorteilhaft sein, Druckausgleichsrohre, wie in Fig. 2 gezeigt, in unterschiedlichen
Ebenen vorzusehen. Es ist auch möglich, drei oder mehr Verdampferrohre 28, 31, 33,
die gegensätzlich schwingen, gleichzeitig über ein und dieselbe Druckausgleichsleitung
miteinander verbinden (Fig. 3). Diese Druckausgleichsrohre lassen sich auch nachträglich
bei bereits installierten Dampferzeugern über aufgeschweißte Anschlußnippel oder
eingeschweißte Formstücke zwischen solchen Verdampferrohren anbringen, die bei bestimmten
Betriebszuständen um 180 phasenverschoben gegeneinander schwingen.
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Die Druckausgleichsleitungen führen durch eine Vergleichmäßigung des
Mengendurchsatzes in den Verdampferrohren zu geringeren Temperaturschwankungen in
den Rohrwänden.
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Dies führt insbesondere bei Rohrwänden, bei denen Flossenrohre verwendet
sind und bei denen die Flossen einander benachbarter Verdampferohre miteinander
zur Erzielung
einer geschlossenen Rohrwand verschweißt sind, zu
einer bedeutenden Verminderung der Wärmespannungen. Dies wiederum vermindert nicht
nur die Gefahr von Rohrreißen sondern erhöht ganz allgemein die Lebensdauer des
Dampferzeugers.
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10 Patentansprüche 3 Figuren
Bezugszeichenliste Verdampferrohre
1 bis 6 Dampferzeuger 7 Eintrittssammler 8 Austrittssammmler 9 Druckausgleichsrohr
10, 11 Wasser 12 Dampf 13 Verdampfungszone 14 Rohrwand 15 Dampferzeuger 16 Verdampferrohre
17 bis 38 Eintrittssammler 39 Austr ittssammler 40 Druckausgleichsrohr 43 bis 57
Flosse 58 bis 69 Feuerraum 70
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