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Wärmeaustauschvorrichtung, insbesondere zur Überhitzung von Dampf
durch Strahlungswärme Die Erfindung betrifft zur Überhitzung von Dampf anwendbare
Wärmeaustauschvorrichtungen,insbesondere durch Strahlung geheizte Dampfüberhitzer.
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Die Erfindung bezweckt, dic auftretende Temperaturerhöhung der Einrichtungen,
in welchen .der Wärmeaustausch stattfindet, für den Fall zu begrenzen, daß die zu
erhitzende Flüssigkeit in Stillstand gerät oder ihre Zirkulation ini Innern der
Einrichtungen verinindert wird, oder auch für den Fall einer zii starken Temperaturzunahme
im Innern des im allgemeinen den Verbrennungsraum einer Feuerkammer darstellenden
Heizraumes.
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Dies wird durch Verwendung einer Wärmeaustauschv orrichtung mit Verdampfungs-
und Überhitzerrohren erreicht, die von Medien verschiedener Temperatur durchzogen
werden und bei der jedem der von dein kälteren Medium durchzogenen Rohre wenigstens
ein von den wärmeren Medien durchzogenes Rohr zugeordnet ist.
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Gemäß der Erfindung sind nun diese verschiedenen Rohre entweder aus
einem gemeinsamen Stück gefertigt oder zu einer homogenen Masse verschweißt. Auf
diese Weise kann der Temperaturabfall innerhalb des homogenen Blockes für den ungünstigsten
Fall genau vorher bestimmt und eingehalten werden.
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Wenn die Erfindung für Überhitzer verwendet wird, so ordnet man den
eigentlichen Überhitzerrohren Verdampfungsrohre für zirkulierendes Wasser zu, deren
Temperatur beträchtlich unterhalb der Temperatur des Feuerraumes liegt, in welchem
die Oberhitzerröhren angeordnet sind; die Verdampfungsrohre und die überhitzerrohre
werden mittels metallischer Abkühlmassen verbunden, längs derer eine fortschreitende
Temperaturverteilung erfolgt, die bei geeigneter Wahl der Abinessungen und des Profils
der Röhren einerseits und der verwendeten Massen andererseits nahezu unabhängig
von der Zirkulation des gesättigten Dampfes in den Überhitzerröhren gehalten werden
kann; dies schützt infolgedessen die Ü berhitzerröhren gegen jeden gefährlichen
Temperaturanstieg bei Stillstand oder Verminderung dieser Zirkulation und auch gegen
eine zu starke Temperaturerhöhung in der Verbrennungskammer, in der sie angeordnet
sind.
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Das Wesen und die Vorteile der Erfindung seien an Hand der Zeichnung
näher erläutert, die einige Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
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Abb. i zeigt das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip bei Anwendung
eines durch Strahlung erwärmten Überhitzers.
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Die Abb. a bis 7 stellen verschiedene auf dem Prinzip gemäß Abb. i
beruhende Ausführungsbeispiele :der Erfindung dar.
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In Abb. i stellt i ein Kesseldampfrohr dar, das mit axialen Flügeln
z versehen ist, welche in inniger Verbindung mit dem Rohre stehen und der Strahlung
der Feuerkammer 3 ausgesetzt
sind. Dieses unter dem Namen ilurray-Rohr
bekannte und zum Belegen der Verbrennungskammerwände verwendete Rohr ist einerseits
mit dem Wasserbehälter und andererseits mit dem Dampfkammerraum des Kessels verbunden;
es arbeitet daher als Verdampfungsrohr. Wenn die Temperatur des in diesem Rohr umlaufenden
Wassers beispielsweise 2oo° beträgt, so ergibt sich, daß jedem in der Kammer 3 in
der Nähe der Flügel 2 herrschenden Temperaturzustand der F lügel 2 genau bestimmte
Temperaturen entsprechen werden. Wenn man beispielsweise annimmt, daß für bestimmte
Temperaturverhältnisse in der Kammer 3 Länge und Stärke des Flügels so bemessen
sind, daß dessen Außenränder eine Temperatur von beispielsweise 55o° annehmen, so
ergibt sich, daß längs des Flügels bis zu seiner Verbindung mit dem Rohre eine gradweise
Temperaturabnahme auftreten wird und daß in diesem Flügelschnitte gleiche Temperaturen
vorhanden sind, d. h. daß man in dem von dem Rohr und dessen Flügeln gebildeten
System eine ganze Reihe von Isothermen von Zoo bis 55o° bilden kann.
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Wenn man nun am Außenrande q. des Flügels in der der Isotherme von
5.1.o° entsprechenden Zone parallel zur Rohrachse eine Leitung 5 führt, so kann
man mit großer Annäherung annehmen, daß die inneren Wände dieser Leitung 5 eine
Temperatur von 54.o° besitzen.
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Wenn man diese Leitung 5 als Überhitzer verwendet, indem man sie durch
gesättigten Dampf führt, so ergibt sich folgendes: i. Solange der Außenrand q. des
Flügels unter der Wärmewirkung keinen Schaden leidet, kann das so gebildete überhitzerelement
selbst aus dem gleichen Grunde ebenfalls nicht beschädigt werden.
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2. Die Temperatur des erzeugten überhitzten Dampfes kann die maximale
Temperatur der Rohrwand 5 nicht überschreiten.
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Die Erfahrung zeigt, daß es möglich ist, mit Flügeln :2 versehene
Rohre i während einer außerordentlich langen Zeitdauer selbst den schwersten Beanspruchungen
auszusetzen, ohne daß sich irgendwelche Risse oder sonstige Zerstörungen unter der
Wärmeeinwirkung zeigen. Die auf die beschriebene Weise gebauten Überhitzer werden
also selbst den härtesten Temperaturbeanspruchungen vollkommen standhalten.
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Ferner ergibt sich, daß beim Zirkulieren des Dampfes in der Leitung
5 eine zusätzliche Abkühlung des Flügels, d. h. also eine Temperaturäbnahme des
Metalles dieses Flügels, auftritt. Ganz allgemein ergibt sich, daß es bei geeigneter
Wahl der Flügellänge, seiner Stärke und des Rohrdurchmessers möglich ist, bei gegebenen
Temperaturbedingungen in der Verbrennungskammer 3 mit jeder maximalen Temperatur
zu arbeiten, die man mit Rücksicht auf die Rohrwand 5 und auf die Außenseiten des
Flügels wünscht.
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Die Abb. 2 bis 7 zeigen einige auf diesem Prinüp beruhende Ausführungsbeispiele.
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Es sei angenommen, daß bei einer Anordnung gemäß Abb. 2 die Wände
der Verbrennungskammer 3 mit Überhitzerrohren 5 ausgestattet sind, welche der Übersicht
halber in der Zeichnung mit einem erheblich größeren Durchmesser dargestellt sind,
als es den normalen Abmessungen entspricht; hinter diesen Rohren sind die Verdampfungsrohre
i angeordnet, die mit den Rohren 5 durch Flügel oder Rippen :2 verbunden sind.
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Unter diesen Voraussetzungen wird das ganze Rohr 5 annähernd die gleiche
Temperatur besitzen, und das Gefälle zwischen dieser Temperatur und jener des Rohres
i wird sich hauptsächlich längs des Flügels :2 auswirken.
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Die folgenden Merkmale: Durchmesser und Stärke des Verbrennungsrohres,
Länge und Ouerschnitt des Verbindungsflügels werden praktisch derart bestimmt, daß
selbst bei mangelnder Dampfzirkulation im Überhitzerrohr das System stets durch
das Verdampfungsrohr hinreichend gekühlt ist, so daß es keiner Zerstörung ausgesetzt
ist, und daß andererseits die Temperatur des Überhitzerrohres nicht jene übersteigt,
bei der der überhitzer zerstört werden könnte, oder jene Tenperatur, bei der eine
zu weit gehende Erhitzung eintreten könnte.
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Die verschiedenen verwendeten Teile können in der Weise v erburiden
sein, daß sie einen Block oder ein einheitliches System bilden, wie es die Abb.
3 und a veranschaulichen.
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Gemäß Abb. 3 sind das Verdampfungsrohr i und die Überhitzerröhren
5, 6 in der gleichen Metallmasse 7 eingebettet, die durch Schmelzung, beispielsweise
auf aluminiumthermischem oder auf elektrolytischem Wege, erhalten werden kann.
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Es ist jedoch auch möglich, die Masse 7 gemäß Abb. 4. mit Einschnitten
8 zu versehen, so daß sie in einen erwärmten Teil 7 und in einen abgekühlten Teil
7' zerlegt wird. Das Verbindungsprofil 8' besitzt dann einen solchen Wärmewiderstand,
daß sich die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen 7 und 7' einstellt.
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Aus vorstehendem folgt, daß es keineswegs nötig ist, die Überhitzerröhren
5 unmittelbar durch Konvektion oder Strahlung zu erwärmen. Diese Rohre können vollständig
durch Fortleitung erwärmt werden, wie es Abb. 5 veranschaulicht; hier wird das Überhitzerrohr
5 lediglich durch Fortleitung der vom
Feuerraum 3 herrührenden Strahlungswärme
durch die metallische Masse 2 hindurch erwärmt, welche das Rohr 5 mit dem Verdampfungsrohr
i verbindet und einen Fortsatz 2' aufweist, der als Schutzblech zwischen den Rohren
5 und dem Feuerraum 3 wirkt.
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Die gleichen Rohre können auch teilweise durch Strahlung und teilweise
durch Fortleitung erwärmt werden, wie es z. B. aus Abb. 6 hervorgeht.
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Schließlich können die Verdampfungsrohre i und die Überhitzerrohre
5, die bisher parallel liegend angenommen wurden, erforderlichenfalls auch beliebig
in bezug aufeinander angeordnet sein, beispielsweise im rechten Winkel, wie es in
Abb. 7 dargestellt ist. Die Flügel oder metallischen Verbindungsmassen 2, die nach
den bisher beschriebenen Ausführungsformen parallel und längs der Achse mit den
Rohren in Verbindung standen, können, wenn auch mit weniger vorteilhafter Wirkung,
in anderer Weise, insbesondere auch radial, mit den Rohren verbunden sein.
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Um der verschiedenen Ausdehnung der Verdampfungsrohre und der Überhitzerrohre
Rechnung zu tragen, können die Verbindungsmassen eine den günstigsten Verhältnissen
entsprechende Form erhalten, insbesondere können sie wie die Rohre selbst gewellt
sein, so daß sie eine gewisse Elastizität aufweisen. Sie können fortlaufend oder
.unterbrochen ausgeführt werden.
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Die Überhitzer gemäß der Erfindung besitzen eine bemerkenswerte Leitungsanpassungsfähigkeit.
Wenn nämlich die von den Verdampfungsrohren aufgenommenenWärmemengen infolge der
Eigenschaften der verwendeten Teile sehr oberhalb der durch das Überhitzerrohr dem
Dampf abgegebenen Wärmemenge liegt, so hängt die erhaltene Überhitzertemperatur
wenig vom Dampffluß im Rohre ab. Bei solchen überhitzern spielt es daher eine geringe
Rolle, wenn man den Dampfumsatz im Überhitzer verringert und selbst ganz unterdrückt.
Überdies läßt sich der Gang dieser Überhitzer leicht regeln.
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Die beschriebenenAusführungsformen sind, wie bereits erwähnt, lediglich
Beispiele. Alles, was bezüglich der überhitzer gesagt wurde, kann sinngemäß auch
ganz allgemein auf thermische Ausgleichsvorrichtungen verwendet werden, wenn man
nur die Überhitzerrohre durch Wärmeaustauschrohre und die Verdampfungsrohre durch
Rohre ersetzt, welche von einer Flüssigkeit durchflossen werden, deren Temperatur
erheblich unter jener der Wärmeaustauschrohre liegt.