DE3943223A1 - Wasserrohrkessel - Google Patents

Description

Wasserrohrkessel besitzen einen Feuerraum, dessen Wandung aus wasserführenden Rohren (Siederohre) besteht, d.h. die Siederohre sind so angeordnet, daß sie den Feuerraum vollständig umgeben, wobei eine große Anzahl der Siederohre dicht aneinanderge­ setzt sind oder als dichte Membranwand angeordnet sind. Daher, obwohl solche Dampf­ erzeuger im wesentlichen aus dem Feuerungs­ raum bestehen, werden die Kosten der Wasser­ rohrkessel im wesentlichen von Anzahl, Größe, Heizfläche und Gewicht der Siederohre bestimmt.

Heute werden die meisten Dampferzeuger nach dem vorgenannten Prinzip des Wasserrohrkessels gebaut, wobei angestrebt wird, einen hohen Wirkungsgrad der Siederohre zu erzielen, um auf diese Weise die Kosten des Dampferzeugers insgesamt niedrig zu halten. Dementsprechend ist es bei den bekannten Wasserrohrkesseln üblich, die Siederohre so dicht als möglich, d.h. so kompakt als möglich anzuordnen.

Andererseits können jedoch die Siederohre aus Gründen der Festigkeit der Sammler und der Trommel auch wieder nicht zu dicht angeordnet werden.

Daraus resultieren Erfahrungswerte hinsichtlich der Anordnung der Siederohre, die sich auf deren Abstands- Anordnung beziehen. Wird der Abstand der Siederohre in Richtung des Rauchgasstromes mit L (mm) bezeichnet und der äußere Durchmesser der Siederohre mit D (mm), dann ist der übliche gewählte Wert von L/D = 1,5. Dieser Wert L/D = 1,5 wurde experimentell gefunden ohne daß berechnet werden konnte, ob diese Annahme korrekt oder inkorrekt bezüglich des Wärmeübertragungskoeffizienten ist, denn eine begründete richtige Berechnungsmethode für den L/D = 1,5 wurde bisher nicht gefunden.

Die vorliegende Erfindung betrifft Wasserrohrkessel und solche Dampferzeuger, die mit Wasserrohren bzw. Siederohren ausgerüstet sind, und es ist die Aufgabe gestellt, die Kosten für solche Dampferzeuger zu reduzieren und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Anordnungsverhältnis L/D von L als Abstand der Siederohre in Richtung des Rauchgasstromes und von D als äußerer Durchmesser der Rohre nicht geringer als 1,8 und nicht größer als 2,5 ist. Dabei sind in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Siederohre in-line (etwa in Linie hintereinander) angeordnet.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, daß das Anordnungsverhältnis H/D von H als Abstand der Siederohre rechtwinkelig zur Richtung des Rauchgasstromes und von D als äußerer Durchmesser der Rohre zwischen 1,2 und 1,7 liegt.

Die erfindungsgemäße Lehre geht im wesentlichen von drei grundlegenden Erkenntnissen aus:

• 1) Mittlerer Wärmeübergangskoeffizient a (kcal/m²h°C):
  Der Wirkungsgrad der Siederohre wird besser, wenn der Wert α hoch ist, und die Heizflächen des Kessels proportional zu α vermindert sind. Da die Heizfläche zu der Anzahl und dem Gewicht der Siederohre im Verhältnis steht, ist dementsprechend die Anzahl und das Gewicht der Rohre vermindert, wenn α hoch ist.
• 2) Wert aus α×a _o (kcal/m³h°C):
  Der Faktor a _o ist durch die Größe der Heizfläche pro Volumeneinheit der Siederohre bestimmt (m²/m³). Hieraus ergibt sich, da das Produkt α×a _o die Heizeigenschaften per Volumeneinheit der Wasser­ rohre bestimmt, daß dann, wenn dieser Wert α×a _o hoch ist, das benötigte Volumen der Wasser­ rohre sehr verringert ist.
• Dieser Wert (α×a _o ) zeigt an daß, obwohl a _o sehr hoch ist, und wenn der Wert von α klein ist, der Wert von α×a _o nicht so hoch ist.
• 3) Druckverlust Δ p(mmAq):
  Wenn der Wert von a _o , wie oben beschrieben, größer wird, dann wird auch Δ p größer.
• Es ist ein Problem, daß dann, wenn der Wert Δ p, d.h. der Strömungsverlust der Rauchgase durch die Siede­ rohre hindurch zu hoch ist, die Leistung des Gebläses ansteigen muß. Weiterhin ist es besser, daß der Wert α groß ist, so daß das Produkt α×a _o groß ist, und weiterhin, daß Δ p klein ist, um die Effektivität der Siederohre zu verbessern.

Von diesem fundamentalen Überlegungen geht die Erfindung aus und die folgenden Ergebnisse werden klarer, wenn die in-line Anordnungen der Siederohre in den Fig. 1(A), (B), (C) betrachtet werden.

• i) Wird das rückwärtige Siederohr Stück bei Stück ausgehend von L = D zurückversetzt, dann wird der Abstand (L) der Siederohre in Richtung des Rauch­ gasstromes größer, wie dies in den Fig. 1(B), (C) gezeigt ist. In der ersten Stufe werden dann die Rauchgase in dem rückwärtigen Raum der Siederohre nicht verwirbelt, d.h. es existiert ein toter Zwischenraum und dementsprechend ein schlechter Wirkungsgrad des Wärmeübergangs (Fig. 1B). Wird der Abstand L vergrößert, so etwa bis zu dem Anordnungsverhältnis L/D = 1,8-2,0, dann werden die Rauchgase um die hintere Kante der Siederohre abgelenkt (Fig. 1C), und es ist zu beobachten, daß der Wirkungsgrad des Wärmeübergangs sehr stark ansteigt, da die Verwirbelung der Rauchgase ver­ bessert ist. Wird der Abstand L noch weiter vergrößert, dann steigt der mittlere Wärmeübergangs­ koeffizient (α) nur noch etwas, aber das Produkt α×a _o wird umgekehrt verringert infolge der Ab­ stände der Siederohre, die dann zu groß werden.

Diese Abhängigkeiten, wie sie vorher beschrieben wurden, sind bei der in-line Anordnung der Fig. 2(A) und Fig. 2(B) durch die Kurven (X) und (X′) dargestellt, d.h. es ist festzustellen, daß der optimale Wert des Anordnungsverhältnisses L/D in der Praxis in der Größenordnung zwischen 1,8 und 2,5 liegt, um Wasserrohre bzw. Siederohre zu erhalten, die in der Größe kleiner und in ihrem Gewicht leichter sind.

• ii) Die vorstehenden Ausführungen zu (i) gelten im Prinzip uneingeschränkt für alle Verhältnisse H/D (worin H (mm) der Abstand der Siede­ rohre in einem rechten Winkel zur Richtung des Rauchgasstromes ist), aber wenn H/D zu klein wird, dann werden die Durchströmungswege für das Rauch­ gas zu gering und der Druckverlust (Δ p) wird größer, so daß das Rauchgasgebläse mehr leisten muß und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases örtlich zu stark ansteigt. Entsprechend wird dann der Wärme­ übergangskoeffizient wieder verringert.

Wird andererseits das Verhältnis H/D zu groß, dann kann der Koeffizient α und das Produkt α×a _o nicht mehr steigen, da die Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases zu gering ist.

Früher wurde die versetzte Anordnung der Siederohre, wie dies in Fig. 1(D) gezeigt ist, auch mit in die Überlegungen einbezogen, um den Wirkungsgrad der Wasserrohre bzw. Siederohre zu verbessern. Versuche zu der vorliegenden Erfindung haben jedoch gezeigt, daß die Werte von α und α×a _o bei der versetzten Anordnung gegenüber den Werten der in-line Anordnung von untergeordneter Bedeutung sind, wie dies durch die Kurven (Y) und (Y′) in den Fig. 2(A), (B) gezeigt ist. Es gilt jedoch, daß dann, wenn das Verhältnis L/D gering ist, d.h. in der Größenordnung von L/D < 1,8 ist, der Wärmeübergangskoeffizient umgekehrt bei der ver­ setzten Anordnung höher ist als bei der in-line Anordnung.

Allgemein gilt, daß es schwierig ist, die Bedin­ gungen der versetzten Anordnung, wie vorstehend beschrieben, in der Praxis anzuwenden, da der fundamentale Nachteil der versetzten Anordnung darin zu sehen ist, daß der Druckverlust zu hoch und die Wärmeübergänge an den Wasserrohren zu ungleichmäßig sind und zudem Korrosion und thermische Überlastung bzw. Werkstoffermüdung auftreten können.

Auch hat sich bestätigt, daß die bessere Wirksam­ keit der in-line Anordnung gegenüber der versetzten Anordnung etwas mit dem Verhältnis H/D zu tun hat, wenn der Verhältniswert L/H über 1,5 liegt.

Dementsprechend ist davon auszugehen, daß die Bedingung für einen hohen Wärmeübergang bei der in-line Anordnung in dem Anordnungsverhältnis L/D = 1,8-2,5 zu suchen ist, und daß die sehr vorteilhafte Bedingung bei der in-line Anordnung gegenüber der versetzten Anordnung in dem Verhält­ nis L/H ≧ 1,5 liegt.

und dementsprechend H/D ≦ 1,7.

D.h. es ist besser, bei der konstruktiven Auslegung der in-line Anordnung den Abstand der Rohre von­ einander rechtwinkelig zur Richtung des Rauchgasstromes vergleichsweise klein zu wählen und den Abstand der Rohre in Richtung der Rauchgasstromes bis zu einem gewissen Grad größer zu wählen. Bei der in-line Anordnung sind die Wirkungen wesentlich verbessert im Bereich von 1,8 ≦ L/D ≦ 2,5 infolge des Phänomens von Karamans Vortax.

In dem vorgenannten Bereich ist die in-line Anordnung mit Gewißheit besser, aber die Eigen­ schaften sind nicht ganz so gut wie die der versetzten Anordnung in diesem Bereich. In dem Fall, daß H klein ist, d.h. H/D gering ist, sind die Eigenschaften der in-line Anordnung besser als die der versetzten Anordnung, und es ist festzu­ stellen, daß für die vorbeschriebene Bedingung gilt L/D ≧ 1,5 (wobei H geringer ist als L/1,5).

Wie vorstehend beschrieben, hat die in-line Anordnung ihren höchsten Wirkungsgrad in dem Bereich von H/D ≦ 1,7 und 1,8 ≦ L/D ≦ 2,5. Diese Eigen­ schaften sind höher als bei der versetzten Anord­ nung. Ausgehend von diesen Ergebnissen ist zu bestätigen, daß der L/D-Wert von fundamentaler Bedeutung für die konstruktive Auslegung und Anordnung der Siederohre von Wasserrohrkesseln ist, und es wurde deutlich, daß die in-line Anordnung sehr viel vorteilhafter ist als die versetzte Anordnung soweit hierfür die optimalen Werte genommen werden. Weiterhin gilt, daß die Bemessung und Aufrechterhaltung des Rauchgasstromes um die Wasserrohre bzw. Siederohre herum wesentlich durch die Abstände zwischen den Rohren vereinfacht ist.

Nachfolgend werden weitere Merkmal und Vorteile der erfindungsgemäßen Lehre anhand von Beispielen erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Fig. 1(A) zeigt schematisch einen Querschnitt der Siederohre eines Wasserrohrkessels

Fig. 1(B) u. (C) zeigen schematisch den Querschnitt der Rohre mit der Strömung des Rauchgases um die Rohre herum, die sich in der in-line Anordnung befinden. In Fig. 1(B) ist gezeigt, daß zwischen den Rohren ein Totraum für die Gasströmung existiert und Fig. 1(C) zeigt, daß dort ein solcher Totraum nicht vorhanden ist.

Fig. 1(D) zeigt in schematischer Darstellung den Querschnitt bei einer versetzten Anord­ nung der Siederohre.

Fig. 2(A) u. (B) sind graphische Darstellungen des L/D-Wertes über den Wärmeübergangskoeffi­ zienten und des L/D-Wertes in Abhängig­ keit vom Produkt α×a _o .

Fig. 3(A) u. (B) zeigen Beispiele von Wasserrohrkesseln, auf die die Erfindung anwendbar ist, wobei (A) eine vereinfachte Vertikal­ ansicht eines Wasserrohrkessels und (B) eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines Wasserrohrkessels ist.

Fig. 4 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Querschnitt durch vertikal angeordnete Wasserrohre, die im linksseitig darge­ stellten vorderen Bereich im wesentlichen durch Strahlungsabsorption und in dem rechtsseitig dargestellten hinteren Bereich durch Wärmekonvektion beauf­ schlagt sind.

Fig. 5 zeigt als Beispiel einen Vertikalschnitt durch einen Wasserrohrkessel mit vertikal angeordneten Siederohren.

Fig. 6(A) u. (B) zeigen in vereinfachter Darstellung einen Kessel, der mit Abgas beheizt wird und der horizontale Rohrschlangen (A) aufweist, wobei Fig. 6(B) einen Quer­ schnitt durch den Kessel darstellt. Darin verdeutlicht die Bezugsziffer 3 die Siederohre innerhalb des Kessels, die bei 4 im wesentlichen mit Konvek­ tionswärme und bei 5 im wesentlichen mit Strahlungswärme beaufschlagt sind, und die Bezugsziffer 6 weist auf den Zustrom des Abgases hin. Die Bezugs­ ziffer 7 verdeutlicht die Kesseltrommel und die Bezugsziffer 8 ist der Rückfüh­ rungsleitung zugeordnet. Die Ziffern 9 und 10 betreffen jeweils die Sammler.

Nachfolgend werden im Detail die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. An erster Stelle der Erfindung steht, daß der Wasserrohrkessel ein Anordnungsverhältnis der Siederohre von L/D nicht kleiner als 1,8 und nicht größer als 2,5 haben soll und zwar mit einer in-line Anordnung der Rohre, wobei L der Abstand der Rohre in Richtung des Rauchgasstromes bedeutet und D der äußere Durchmesser der Siederohre.

In zweiter Hinsicht ist bevorzugt, daß die Anordnung und Bemessung der Siederohre ein Verhältnis von 1,2 ≦ H/D ≦ 1,7 haben, wobei H der Abstand der Rohre in einem rechten Winkel zur Richtung des Rauchgasstromes bedeutet.

Und drittens gilt als bevorzugt, daß die erste und zweite Reihe der Siederohre in Richtung des Rauch­ gasstromes betrachtet ein Anordnungsverhältnis L/D von in etwa 3 haben soll.

Die mit dieser Anordnung und Bemessung der Wasser­ rohre erzielbaren Ergebnisse sind in den Kurven (X) und (X′) in den Fig. 2(A) und (B) dargestellt, wobei letztendlich das Verhältnis 1,8 ≦ L/D ≦ 2,5 von wesentlicher Bedeutung ist. Ein anderer L/D-Wert wie der vorgenannte ist nicht vorteilhaft und mit Bezug auf den H/D-Wert ist es notwendig, diesen in den Grenzen 1,2 ≦ H/D ≦ 1,7 zu halten.

Wenn der H/D-Wert unter 1,2 gesenkt wird, dann treten Störungen im Hauptgasstrom auf zusammen mit Druckverlusten und einer notwendigen Erhöhung der Leistung des Rauchgasgebläses, wobei im Ergebnis die Leistung des gesamten Kessels verringert ist. Überschreitet der H/D-Wert 1,7, dann treten eben­ falls Schwierigkeiten in der Rauchgasströmung auf und die Leistungen des Kessels sind geringer als die eines Kessels mit Wahl der versetzten Anordnung der Rohre selbst für den Fall, daß für den L/D-Wert das Optimum gewählt wird. Darüber hinaus ist auch der Wirkungsgrad des Kessels geringer, da die Rauchgase nicht in die Zwischenräume der Wasser­ rohre der ersten und zweiten Reihe eintreten und insbesondere nicht in dem Raum auf der Rückseite der Rohre verwirbelt werden. Deshalb ist vorge­ schlagen, den L/D-Wert der ersten und zweiten Reihe der Wasserrohre in Richtung des Rauchgas­ stromes gesehen etwa bei dem Wert 3 zu halten, wie dies erfindungsgemäß vorgeschlagen ist.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch vertikal stehende Siederohre eines Wasserrohrkessels mit horizontalem Gasstrom. Die Siederohre 5 in dem Feuerraum besitzen am Ende des Gasstromweges ein H/D-Verhältnis von etwa 1,57 und in der ersten und zweiten Reihe am Beginn des Gasstromweges einen L/D-Wert von 3,0. Die nachgeschaltete Heizfläche, in der die Wasserrohre 4 im wesentlichen mit Konvektionswärme beaufschlagt sind, besitzt einen L/D-Wert von 2,0.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Siederohre 4 und 5 in dem Feuerraum und in der nachgeschalteten Heizfläche jeweils optimal beaufschlagt sind. Dadurch ist der Wärmewirkungsgrad der Rohre ver­ bessert und der Kessel kann insgesamt kleiner gebaut werden. Die Rohre 5, die im wesentlichen Strahlungswärme absorbieren, sind im Feuerraum des Kessels angeordnet und die Rohre 4, die im wesent­ lichen Konvektionswärme aufnehmen, sind dem Feuer­ raum nachgeschaltet. Aber natürlich besteht in der konstruktiven Ausführung der jeweiligen Rohre (Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6(A), (B)) kein konstruk­ tiver Unterschied. Das gilt auch dann, wenn der Feuerraum und die nachgeschalteten Heizflächen so ausgelegt sind, daß der Rauchgasstrom vertikal verläuft (Fig. 5). Gegebenenfalls kann der Wirkungs­ grad für den Übergang der Konvektionswärme noch dadurch verbessert werden, daß die am Ende des Gasstromweges liegenden Wasserrohre mit zusätzlichen Wärmerippen versehen sind.

Die Lehre der Erfindung ist bei allen Arten von Wasserohrkesseln anwendbar, unabhängig wie die Rohre angeordnet sind und die Wasserzirkulation erfolgt.

Fig. 6(A) und (B) zeigt einen Wasserrohrkessel, der mit Abgasen beheizt wird. Hier sind die Wasser­ rohre horizontal als Rohrschlange angeordnet. Das Abgas strömt bei 6 in den unteren Teil des Rauch­ gaszuges ein und umströmt die horizontal liegenden Wasserrohre 3 und 4 aufwärts. Die Rohre sind jeweils an vertikal angeordneten Sammlern 9 und 10 angeschlossen. Beide Sammler 9 und 10 sind mit der Kesseltrommel 7 verbunden, wobei zwischen der Kesseltrommel 7 und dem Sammler 10 eine Rück­ laufleitung liegt, die entweder im Naturumlauf oder im Zwangsumlauf betrieben werden kann. Weiterhin kann es vorgesehen sein, den Abstand der Wasserrohre in Richtung des Rauchgasstromes zunehmend zu verkleinern, so daß die horizontal angeordneten Rohrschlangen so kompakt als möglich gebaut sind. Dann ist es natürlich notwendig, die Rohrbögen zunehmen zu verkleinern und daraus können wieder zusätzliche Kosten entstehen im Vergleich zu einem Kessel, bei dem alle Rohrbögen einen einheitlichen Radius aufweisen. Bei verkleinerten Rohrbögen werden natürlich auch die Strömungs­ widerstände innerhalb der Wasserrohre erhöht und es müssen eventuell die Leistungen einer Zwangs­ umlaufpumpe erhöht werden, um die Zirkulation des Wassers sicherzustellen.

Gemäß der Lehre der Erfindung ist bei dem vorbe­ schriebenen Wasserrohrkessel der Abstand der horizontal liegenden Wasserrohre in der Größen­ ordnung L/D = 1,8-2,5 gewählt, wobei der H/D-Wert zwischen 1,2 und 1,7 bei der in-line Anordnung liegt. Der Wärmeübergangskoeffizient ist dadurch wesentlich verbessert im Vergleich zu einem gewöhnlichen Abgaskessel, bei dem der L/D-Wert bei 1,5 liegt. Auch ist die Anzahl der Rohre und insgesamt das Volumen der Rohre bei der erfindungs­ gemäßen Ausführung verringert. Auch ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Radius der Rohr­ bögen grundsätzlich größer als der Radius bei den herkömmlichen Abgaskesseln und dementsprechend ist der Strömungswiderstand in den Rohrleitungen auch verringert. Das wiederum ermöglicht, den Kessel im Naturumlauf zu fahren.

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Lehre lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• a) Der Wärmeübergangswirkungsgrad des Wasserrohrkessels ist wesentlich verbessert und die Anzahl der benötigten Rohre ist um etwa 40% reduziert. Das Gesamtvolumen der eingebauten Wasserrohre ist ebenfalls um 40% reduziert im Vergleich zu der konventionellen Bauart, bei der ein L/D-Verhältnis von 1,5 vorliegt und es ist eine Verbesserung dadurch erreicht, daß die Rauchgasströmung auch hinter den Rohren verwirbelt, so daß keine Toträume im Gasstrom hinter den Rohren auftreten können, wie dies bei dem herkömmlichen L/D-Wert von 1,5 auftritt.
• b) Der tatsächliche Abstand zwischen den einzelnen Siederohren bzw. Wasserrohren ist vergrößert, wo­ durch die Rohre in den Sammler oder in die Kessel­ trommel nicht mehr so dicht bei dicht eingeschweißt werden müssen. Hieraus ergibt sich, daß die Wandstärken der Sammler und der Kesseltrommel geringer gewählt sein können und insgesamt ein geringeres Gewicht und geringere Kosten für den Kessel aufgewendet werden müssen.
• c) Die Anordnung der Abstandsverhältnisse der Rohre im Bereich des Feuerraumes kann so gewählt werden, daß die Feuerraum-Verbrennung verbessert ist und infolgedessen der gesamte Wasserrohrkessel kleiner gebaut werden kann.
• d) Es ist nicht notwendig, bei horizontal liegenden Wasserrohrschlangen die Rohrkrümmungen bei Abgas­ kesseln so klein zu wählen, wie dies bisher üblich war, und es ist dennoch möglich, den Wärmeübergangs­ koeffizienten der Wasserrohre zu verbessern und die Anzahl und das Volumen der Wasserrohre zu verringern, so daß insgesamt die Kosten des Wasserrohrkessels reduziert sind.
• e) Die Rohrkrümmungen der Wasserrohre sind bei einem Wasserrohrkessel gemäß der Erfindung relativ groß im Vergleich zu den bisherigen Kesseln, wodurch die Strömungswiderstände in den Wasserrohren verringert sind, so daß auch ein Naturumlauf mit der erforderlichen Sicherheit realisiert werden kann.

Claims (4)

1. Wasserrohrkessel, dadurch gekennzeichnet, daß das Anordnungsverhältnis L/D von L als Abstand der Siederohre in Richtung des Rauchgas­ stromes und von D als äußerer Durchmesser der Rohre nicht geringer als 1,8 und nicht größer als 2,5 ist.

2. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siederohre in-line (etwa in Linie hinter­ einander) angeordnet sind.

3. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anordnungsverhältnis H/D von H als Abstand der Siederohre rechtwinkelig zur Richtung des Rauchgasstromes und von D als äußerer Durchmesser der Rohre
1,2 ≦ H/D ≦ 1,7
beträgt.

4. Wasserrohrkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anordnungsverhältnis L/D der ersten und der zweiten Reihe der Siederohre in etwa 3 beträgt und erst die nachfolgenden Reihen der Siederohre ein Anordnungsverhältnis L/D nicht geringer als 1,8 und nicht größer als 2,5 auf­ weisen.