DE4216278A1 - Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überführen eines Arbeitsfluids aus dem flüssigen in den dampf­ förmigen Zustand, insbesondere zum Erzeugen von über­ hitztem Hochdruckdampf, bei der das Arbeitsfluid durch ein in einem Prozeßraum angeordnetes Rohrsystem geleitet wird, das von einem durch den Prozeßraum strömenden Wärmemedium beaufschlagt wird und das aus den Teilelementen Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer besteht.

Vorrichtungen dieser Art sind als Dampferzeuger aus vielen Bereichen der Technik bekannt. Sie werden unter anderem in Form von Zwangsdurchlaufkesseln bei der Erzeugung von großen Mengen Wasserdampfes unter hohem Druck, beispielsweise für die Gewinnung elektrischer Energie, eingesetzt, aber auch in Chemieanlagen, um dort eine Kaltredundanz der Prozeßdampfversorgung sicherzustellen. Dampferzeuger werden ferner in Lageregelungssystemen von Satelliten eingesetzt, wenn es gilt, Schubimpulse in der Größenordnung von einem Newton oder weniger zu erzeugen.

Während bei einem stationären Einsatz von Dampf­ erzeugern in der Regel keine engen Grenzen für Masse und Volumen derartiger Anlagen gegeben sind, verlangt ihre Verwendung in Antriebssystemen sowie in Wärme- und Lebenserhaltungseinrichtungen von Schiffen, Flugzeugen, und Raumflugkörpern in den meisten Fällen einen möglichst kompakten und effizienten Entwurf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie bei möglichst geringem Aufwand an Platz und Gewicht ein Höchstmaß an Leistung und Zuverlässigkeit bietet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1. Der Dampferzeuger nach der Erfindung ist dabei für den Betrieb unterschiedlichster Arbeitsfluide sowie für eine Vielzahl verschiedener Einsatzzwecke geeignet. Die Trennung der Vorwärme, Verdampfungs- und Überhitzungswärmetauscher ermöglicht eine für jeden Einsatzfall optimale Abstimmung zwischen den Strömungs­ bedingungen für das Arbeitsfluid und das Wärmemedium einerseits und den thermo-hydraulischen Eigenschaften des Arbeitsfluids andererseits. Die in weiterer Aus­ gestaltung der Erfindung vorgesehenen, versetzt ange­ ordneten und konisch ausgebildeten Rohrwendeln des Vorwärmers und des Überhitzers erzwingen überdies eine angestellte Drallströmung des Wärmemediums, die den konvektiven Wärmeaustausch nachhaltig verbessert und die effizienzmindernde Totvolumina vermeidet. Die in einer bevorzugten Ausführungsform des Dampferzeugers nach der Erfindung weiterhin vorgesehene Anordnung von Wirbelkörpern in einem Ringspalt der Prozeßraumwand, der in diesem Fall den eigentlichen Verdampfungswärme­ tauscher bildet, bewirkt zusätzlich einen geräuscharmen Betrieb ohne das Auftreten von Kavitationserschei­ nungen. Die spezielle Ausbildung des Ringspaltes verhindert zugleich ein örtliches Austrocknen durch Überhitzungen und gewährleistet eine konstante Gehäuse­ temperatur, die der Sättigungstemperatur des erzeugten Dampfes entspricht. Durch den weitgehend modularen Aufbau des Dampferzeugers nach der Erfindung ist ferner die Möglichkeit einer weiteren Leistungssteigerung durch optimale Abstimmung zwischen der Art der vorge­ sehenen Wärmequelle und den geforderten Eigenschaften des erzeugten Dampfes gegeben.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten Dampferzeuger,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen zweiten Dampferzeuger,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen dritten Dampferzeuger,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß IV-IV durch die in Fig. 3 gezeigte Anordnung und

Fig. 5 eine perspektivische Detaildarstellung der Anordnung entsprechend Fig. 3.

Der in Fig. 1 dargestellte Kompakt-Dampferzeuger besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 1, das durch zwei Kopfplatten 2 und 3 verschlossen ist und das einen Prozeß- oder Brennraum 4 umschließt. Im Inneren des Prozeßraumes 4 sind insgesamt drei unterschiedlich gestaltete Rohrwendeln 5 bis 7 angeordnet, die, wie in der Figur durch offene Pfeile angedeutet, von einem Arbeitsfluid durchströmt werden. Die, in Strömungs­ richtung des Arbeitsfluids gesehen, erste Rohrwendel 5 ist in der Weise konisch aufgebaut, daß der Radius der einzelnen Windungen in Strömungsrichtung kontinuierlich abnimmt. Dieser Teil des Rohrsystems bildet den Vorwärmer 5 des Dampferzeugers, an den sich der eigent­ liche Verdampfer 6 anschließt, dessen Rohrwindungen sämtlich den gleichen Durchmesser aufweisen. Dem zylin­ drisch aufgebauten Verdampfer 6 ist als letztes Teil­ element des Rohrsystems ein Überhitzer 7 nachgeschal­ tet, der eine ähnliche konische Rohrwendel bildet wie der Vorwärmer 5, allerdings mit in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids zunehmendem Durchmesser der Rohr­ wendel, und von dem aus das Arbeitsfluid als über­ hitzter, vorgespannter Dampf über einen Auslaß 8 den Dampferzeuger verläßt. Der Auslaß 8 ist in die dem Überhitzer 7 benachbart angeordneten Kopfplatte 2 integriert, in der sich auch eine Einlaßöffnung 9 für das Wärmemedium befindet.

Die zugehörige Auslaßöffnung 10 für das Wärmemedium befindet sich in der gegenüberliegenden Kopfplatte 3, so daß seine Hauptströmungsrichtung, wie auch durch die ausgefüllten Ein- und Austrittspfeile symbolisiert, im wesentlichen parallel zur Längsachse des Prozeßraumes 4 und der symmetrisch zu dieser Achse angeordneten Rohrwendeln von Vorwärmer 5, Verdampfer 6 und Über­ hitzer 7 verläuft. Bedingt durch die konische Gestal­ tung des Überhitzers 7 wird jedoch im Inneren des Prozeßraumes 4 eine angestellte Drallströmung des einfließenden Wärmemediums erzwungen, wie in der Figur anhand entsprechender Richtungspfeile angedeutet. Dadurch wird der konvektive Wärmeaustausch zwischen dem Wärmemedium und dem Arbeitsfluid wesentlich inten­ siviert, und es werden effizienzmindernde Totvolunima vermieden. Angemerkt sei, daß bei den hier beschriebe­ nen Ausführungsbeispielen als Arbeitsfluid Wasser vor­ gesehen ist und das Wärmemedium aus Verbrennungsgasen besteht, die mit einer Temperatur von etwa 2500 K in den Prozeßraum einströmen und die den Wasserdampf auf eine Auslaßtemperatur von etwa 970 K bei einem Arbeits­ druck von etwa 12.5 MPa erhitzen, so daß mit diesem überhitzten Dampf eine Turbine antreibbar ist. Es sind im Rahmen der Erfindung jedoch auch andere Arbeits­ fluide und Wärmemedien einsetzbar.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unter­ scheidet sich von dem vorangehend beschriebenen Dampferzeuger in erster Linie dadurch, daß bei diesem zweiten Dampferzeuger der Verdampferteil als Ringspalt 16 in die zweischalig aufgebaute Wand des zylindrischen Gehäuses 11 integriert ist, während der Vorwärmer 15 und der Überhitzer 16 auch bei diesem Dampferzeuger als konische Rohrwendeln im Inneren des zylindrischen Prozeßraumes 14 liegen. Der Strömungsverlauf des Arbeitsfluids sowie die Hauptströmungsrichtung des Wärmemediums sind in der Figur wieder durch ent­ sprechende Richtungspfeile markiert.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Dampferzeugers nach der Erfindung bestehen der Vorwärmer 25 und der Überhitzer 27 jeweils aus Bündeln konisch angeordneter Rohrwendeln, die überdies teilweise in Längsrichtung des Prozeßraumes 24 überlappend angeordnet sind. Wie in der Figur erkennbar, unterscheiden sich die zum Vorwärmer 25 und zum Überhitzer 27 gehörenden Rohrbündel durch ihre unterschiedlich großen Rohrquerschnitte, wobei die Rohre des Überhitzers 27 den größeren Querschnitt aufweisen. Das Rohrbündel des Vorwärmers 25 wird über einen Verteiler 31 mit dem Arbeitsfluid gefüllt, das über einen Einlaß 32 einströmt, der sich in der Zeichnung in der linken Kopfplatte 23 befindet. Entsprechend mündet das Rohrbündel des Überhitzers 27 in einen Sammler 33, der mit dem Auslaß 28 für das Arbeitsfluid verbunden ist. Der Einlaß für das Wärmemedium wird auch in diesem Fall von einer Öffnung in der Kopfplatte 22 gebildet, ein entsprechender Auslaß 30 befindet sich in der Kopf­ platte 23. Beide Kopfplatten 22 und 23 sind außerdem, wie aus der Querschnitt- bzw. Draufsichtdarstellung in Fig. 4 ersichtlich ist, als Anschlußflansche aus­ gebildet.

Der Verdampferteil der in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Anordnung besteht wiederum aus einem Ringspalt 26 im zweischalig aufgebauten Gehäuse 21. In diesem Ringspalt 26 zwischen der inneren Gehäusewand 34 und der äußeren Wand 35 sind ferner Wirbelkörper 36 angeordnet, die eine angenähert rhomboedrische Grundform aufweisen und die bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einstückig an die innere Gehäusewand 34 angeformt bzw. durch Fräsen aus dieser herausgearbeitet sind. Die auch als Zahnrippen bezeichneten Wirbelkörper 36 stehen mit ihrer Längserstreckung im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses 21 und damit auch zur Hauptströmungsrichtung des Arbeitsfluids im Verdampfer 26. In radialer Richtung erstrecken sie sich bis zur äußeren Gehäusewand 35. Durch diese spezielle Ausbildung des Ringspaltes wird eine besonders gute und gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht, wodurch ört­ liches Austrocknen durch Überhitzung vermieden wird und eine weitgehend konstante Temperatur des Gehäuses 21 gewährleistet ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Überführen eines Arbeitsfluids aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand, insbe­ sondere zum Erzeugen von überhitztem Hochdruck­ dampf, bei der das Arbeitsfluid durch ein in einem Prozeßraum angeordnetes Rohrsystem geleitet wird, das von einem durch den Prozeßraum strömenden Wärmemedium beaufschlagt wird und das aus den Teil­ elementen Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil­ elemente Vorwärmer (5, 15, 25), Verdampfer (6, 16, 26) und Überhitzer (7, 17, 27) in räumlich voneinander. getrennten Bereichen des Prozeßraumes (4, 14, 24) angeordnet sind und daß wenigstens eines dieser Teilelemente aus einer konischen Rohrwendel besteht, deren Symmetrieachse in etwa parallel zur Hauptströmungsrichtung des Wärmemediums verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Prozeßraum (4, 14, 24) in etwa zylin­ drisch ausgebildet ist, wobei der Verdampfer (6, 16, 26) den Wandbereich bildet und wobei der Vorwärmer (5, 15, 25) und/oder der Überhitzer (7, 17, 27) als konische Rohrwendeln koaxial zum Verdampfer (6, 16, 26) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß Vorwärmer (5, 15, 25) und der Überhitzer (7, 17, 27) hintereinanderliegend angeordnet sind und daß der Überhitzer (7, 17, 27) der Einlaßöffnung (9, 29) für das Wärmemedium benachbart liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmer (5, 15, 25) und/oder der Überhitzer (7, 17, 27) so angeordnet sind, daß der Bereich des größten Durchmessers der von diesen gebildeten konischen Rohrwendel der Einlaßöffnung (9, 29) für das Wärmemedium zugewandt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmer (25) und/oder der Überhitzer (27) aus einem Rohrbündel bestehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (6) als zylindrische Rohrwendel ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (16, 26) als Ringspalt eines zweischalig aufgebauten, den Prozeßraum (14, 24) umschließenden Gehäuse (11, 21) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß im Ringspalt (26) Wirbelkörper (36) ange­ ordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wirbelkörper (36) eine rhomboedrische Grundform aufweisen und im wesentlichen quer zur Längsachse des Gehäuses (21) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wirbelkörper (36) die gesamte Breite des Ringspaltes (26) ausfüllen.