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Rauchgas-Speisewasservorwärmer aus engen Rippenrohren von konstruktiv
hochwertigem Baustoff Liegt bei den bekannten Rauchgasvorwärmern die Eintrittstemperatur
des. Speis@awassers wesentlich unterhalb des Taupunk es der Rauchgase (bei Braunkohle
etwa 6o° C, bei Steinkohle etwa q.0° C), so treten in der äußeren Rohrwandung- Korrosionsvorgänge
auf, die darauf zurückzuführen sind, d,aß, an denjenigen Stellen; an denen Idas
kalte Speisie!-wasser in das Rohrsystem ,ei=ntritt, der innen Rauchgasen enthaltene'
Wasserdampf kondensi:ert-und .sich mit dem mitgeführten Scliwefeldioxyd zu schwefliger
Säure oder Schwefelsäure verbündet. Diese flüssigen Säuren. bewirken dann Anfressungexi
der Vorwärmer!-rohre, und zwar in besonders 1hohem Maße, wenn diese aus einem konstruktiv
hochwertigen Baustoff, wie z. B. Kupfer, Schmiedeeisen u. dgl.= bestehen.
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Man hat zur Beseitigung dieser Nachteile vorgeschlagen, die. Rohre
des Vonvärmers an der Eintrittsstelle des Wassers unter Bela@s!sung eines Luftzwischenraumes
mit Mänteln zu umschließen. Bei diesen bekannten Vorschlägen werden Mittel benutzt,
die einen Wärmeaus-, tritt aus den Rauchgasen nach dem zu erhitzenden - Speisewasser
an den gefährdeten Stellen 'der Rohrwand#.erschwexen..tuid darnh ein Absinken der
Temperatur der mit diesen Stellen in Berührung kommenden Rauchgase unter denen Taupunkt
verhindern. Diese beikannten Mittel haben aber den Nachteil, daß sie nicht nur den
Aufbau der Vorwärmer verwickeln, sondern infolge der starken Herabsetzung des Wärmeüberganges,
auch die -Leistung erheblich beeinträchtigen. Aus: diesem Grunde wird in. der Praxis
zur Beseitigung bzw. Einschränkung dieser Kondensationen und der,dadurch bedingten
Korrosionsangriffe die Maßnahme benutzt, daß .man die Temperatur des. Speisiewassers
vor dem Eintritt in den Vorwärmer durch geeignete Maßnahmen, insbesondere durch
Beimischen von heißem Wasser bis über ,denTaupunkt :der Rauchgase, erhöht,.um so
eine allzu starke, zu einer Kondensation des Wasserdampfes führende Abkühlung der
Rauchgase zu vermeiden. -Diese=s Mittel stellt aber keine vollkommene Lösung dar,
weil namentlich bei sehr geringen Tem, peraturen des zu speisenden Kondensats sehr
große Mengen Heißwasser beigemischt. werden müs en, uzn die erforderliche Mischtemperatur
zu erhalten. Hinzu kommt noch, daß eine Erhöhung der Speisewassiertemperatur vor
Eintritt in den Vorwärmer zu einer Verkleinerung des Temperaturunterschiedes.. zwischen
Rauchgasen und -.Speisewasser und damit zu Ener Verringerung der ohnehin schon niedrigen
'Gesamtleistung der üblichen- Vorwärmerbauarten führt. ' Die Erfindung hat sich
die Aufgabe gestellt, die Kondens=ation des Wasserdampfes aus den Rauchgasm und
damit die Bildung
von schwefliger Säure oder Schwefelsäure ohne
Vörwärmung des Speisewassers und ohne Verwendung besonderer, die Rohre an der Eintrittsstelle
des kalben Speisewassers umgebender Wärmeschutzmittel mit Sicherheit zu verhindern
und :dadurch -die Haltbarkeit der .aus hochwertigem Baustoff, wie Schmiedeeisen,
Kupfer u. dgl., herzustellenden Rippenrohre und damit die Betriebssicherheit zu
erhöhen.
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Bei den bekannten Vorwärrnern liegt die Temperatur der äußeren Rohrwandung
auf dem ersten Teil des Wasserweges nur wenig über der Temperatur des eintretenden
kalten Speisewassers. Diese Tatsache erklärt sich dadurch, daß bei den bekannten
Vorwärmern die spezifische Wärmeübergangsleistung auf der inneren Rohrwandung ,ein
Vielfaches derjenigen auf der äußeren gasberührten Oberfläche beträgt. Vernachlässigt
man den sehr geringen Widerstand der Rohrwandung für den Wärmedurchgang, so kann
man mit gleicher Temperatur der äußeren und inneren Rohrwandung rechnen. Da nun
die Temperaturabstände Auf beiden Seiten der Rohrwand (bei reinen Kühlflächen) sichumgekehrt
proportional verhalten wie die entsprechenden Wärmeübergangszahlen und ferner bei
den Oberflächen und Geschwindigkeitsverhältnissen der bekannten Rippienrohrvorwärmer
die spezifische Wärmeübergangsleistung auf , der Wasserseite vielfach höher, z.
B. io bis 2o mal so groß. ist wie die spezifische Wärmeübergangsleistung auf der
Gasseite, so folgt, daß der Temperaturabstand zwischen Rohrw.#ind und Wasser nur
1/1o bis 1/2p des Temperaturabstandes zwischen Rohrwand und Gas beträgt, so saß
also die Temperatur der Rohrwandung praktisch nicht viel höher ist als- die Temperatur
des Wassers. Bei einer geringsten Rauega@stemperatur von 2oo° C und einer Speisewassertemperatur
von 2o° C, die bei Gegenstromführung der Gas-und Wasserwege an der Stelle :des Wassereintritts
bestehen können, errechnet sich eine Wandtemperatur von ungefähr 28,5' C,
wenn man hierbei die spezifische Wärmeübergangslleistung auf der Wasserseite 2omäl-
so groß annimmtwie diejenigeder Gasseite. Die Wandtemperatur liegt also weit unterhalb
der z. B. 6o° betragenden Taupunktstemp-eratur- der Rauchgase. Bei Vorwärmern, die
mit. kaltem Speisewasser beschickt werden, bzw. bei Vor'-wärmnern ohne besondere
Wärmnescbutzmittel für die an der Eintrittsstelle des Speisewassers liegenden Rohrteile
müssen also die Kondensation des Wasserdampfes und damit die vorstehend geschilderten
Übelstände zwangsläufig eintreten.
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Die von der Erfindung gestellte Aufgabe ist an sich bekannt. Man bat
auch bereits angeregt, zum Steigern der Wandtemperatur über den Taupunkt der Rauchgase
hinaus die Wärmeübergangsverhältnis.ste auf beiden Seiten der Rohrwandung -durch
hohe Gasgeschwindigkeiten und kleine Wassergeschwindigkeiten zu beeinflussen, ohne
saß, aber bisher eine wirtschaftlich brauchbare Lösung dieser Aufgabe erzielt wurde.
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Zur Lösung der Erfindungsaufgabe geht die Erfindung von an sich bekannten.
engen Rippenrohren aus. konstruktiv hochwertigem Baustoff, z. B. Kupfer, Schmiedeeisen
o. dgl., aus und kennzeichnet sich durch kleine Rippenabstände von etwa 5 bis io
mm und eine ParalleIschaltung aller senkrecht oder. schräg nach oben gerichteten
geraden Rohre-, die vom Wasser in nur einem von unten nach oben gerichteten Zuge
durchströmt werden und so bemessen sind, daß in ihnen Wassergeschwindigkeiten von
etwa io bis 2o .cm/Sek. auftreten.
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Durch die engen Rippenabstände in Verbindung mit den :engen Rohrquerschnitten
wird die spezifische -Wärrneübergangsleistung auf der gasberührten Außenseite in
einem solchen Maße gesteigert, daß sich die erforderliche Wandtemperatur unter Vermeidung
einer allzu starken, d. h. unwirtscbaftlichep Verringerung der Wassergeschwindigkeit
einstellt, so' -daß eine Verringerung der Wassergeschwindigkeit auf :etwa io bis
2o cm/Sek. ausreicht. Dabei ergibt sich ein Vorw'ärrmer von verhältnis@ mäßig geringem
Raumbedarf bzw. hoher spezifischer Leistung. Die Parallelschaltung der Rohre bildet
hierbei das Mittel, um bei .den angegebenen engen Rohrquerschnitten zu den erforderlichen
geringen WasGergeschwvindigikeiten zu gelangen.
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Die technischen Lösungsmittel der Erfindung sind einzeln bekannt.
So ist eine Rauchgasvorwärmerbauart mit eng-en Rippenrohren (von elliptischer Form)
durch einen älteren Vorschlag bekanntgeworden, doch wird im Gegensatz- zu der Erfindung
hierbei eine stark erhöhte Wassergeschwindigkeit angewendet, so daß. sich auf dem
ersten Teil des Wasserweges nach dem Eintritt in den Vorwärmer Wandtemperaturen
unterhalb der Taupunktstemperaturen der Rauchgase einstellen müssen. Bei einer derartigen
Bauart ist es also notwendig, das Speisewasser vor seinem Eintritt in die Vorwännerrohre
in der oben angegebenen Weise um eirientsprechendes Maß vorzuwärmen. Dieser ältere
Vorschlag bezweckt, bei Verwendung verzinnter kupferner Rohre das .Auftreten übermäßig
hoher Wandtemperaturen,-.die natürlich nur auf dem letzteil Teil des Wasserweges
nahe dem Austritt aus dem Vorwärmer eintreten können, durch Anwendung gesteigerter
Wassergeschwindigk eiten zu verhindern, um das Abschmielzendes
Zimlüberzuge
s zu vermeiden. Von dieser Auf-: gabe, die sich also Kauf den nahe,dem Austritt
des. Wassers. gelegenen Teil des Vorwärmers bezieht, ist die Aufgabe der .vorliegenden
Erfindung wesentlich verschieden, indem es sich hier darum handelt, gerade auf dem
ersten Teil des Wasserweges (niedrige Wassertempe,-ratur) ein Betauen der Rohre
von laußen durch Erhöhung der Wandtemperatur zu verhindern.
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Man hat ferner bereits mit Wassergeschwindigkeiten unter 2o cm/Sek.
(z. B. von t cm/Sek.) gearbeitet, doch handelt es sich in diesem Falle um die bekannten
gußeisernen Vorwärmer mit weiten Rippenabständen, so daß infolge der geringen spezifischen
Wärmeübergangsleistung sauf der Gasseite die Erfindungsaufgabe - trotz der kleinen
Wassergeschwindigkeit nicht ,gelöst wird.
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Die Anwendung enger Rippenabstände ist bei Wärmeaustauschern, z. B.
Lufterhitzern, ebenfalls bekannt. Schließlich sind auch bereits Raüchgasvorwärmer
bekannt, bei welchem.,die nach oben gerichteton geraden, parallel geschalteten Rohre
vom Wasser nur in einem Zuge durchströmt 'werden. Die Erfindung besteht daher nur
in. der @eremigung der verschiedenen genannten Merkmale.
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Bei Wärmeaustauschern mit Gegenstromführung von Heizgas und Flüssigkeit
ist die - an sich jauch auf Vorwärmer ;anwendbare - Lehre gegeben worden, auf einem
schlangenförmig geführten Rohr Rippen aufzusetzen, deren Abstände zum Heizgasaustritt
enger werden, wobei die Wirkung eintreten soll, daß durch die Verwendung enger Rippenteilung
eine solche Erhöhung der Wandtemperatur eintritt, da:ß die Bildung von Kondenswasser
vermieden wird. Bei Anwendung dieser Lehre auf Vorwärmer würde man eine größere
Anzahl solcher Schlangenrohre parallel schalten. Würde man für diese mit Rippen
versehenen Schlangenrohre den üblichen großen Rohrquerschnitt (z. B. 8o mm Durchmesser)
beibehalten, so könnte man bei Anwendung der von der -Erfindung benutztem. engen
Rippenteilung und der dadurch bedingten geringen Stärke der Rippen den Rippen eine
im Verhältnis zum Rohrdurchmesser nur geringe Höhe geben. Um dann eine Gassträhnenbildung
zu vermeiden, würde es notwendig sein, die Rohre enger zusammenzusetzen. Dies würde
aber zu einer wirtschaftlich nicht zulässigen Versperrung des- freien Gasquerschnittes
führen.
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Selbst bei enger Bemessung der Rohrquerschnitte ergäbe sich keine
,wirtschaftlich brauchbare Lösung, weil die Anwendung von Schlangenrohren, -auch
wenn sie in größerer Anzahl parallel geschaltet sind, :einen langen Wasserweg und
damit bei gleicher Leistung eine wesentlich höhere Wassergeschwindigkeit als bei
dem Vorwärmer nach .der Erfindung bedingen würde.
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Von besonderer- Bedeutung ist auch der Umstand, daß .die Anordnung
nach der Erfindung zu vergleichsweise kurzen Rohrlängen führt. Infolge dieser geringen
Länge des Wasserweges erfolgt trotz der kleinen Wassergeschwindigkeit die Durchströmung
der Rohre in. so kurzer Zeit, daß. eine nennenswerte Steinbildung in den Rohren
wegen der benötigten längeren Reaktionsdauer für die Steinbildung nicht eintreten
kann. Die geringe Rohrlänge des Wasserweges ist auch deswegen von Bedeutung, weil
auf diese Weise die gerade bei aus Stahl oder ,anderen hochwertigen Baustoffen bestehenden
Rippenrohren sonst bestehende Gefahr von Gasangriffen weitgehend herabgesetzt wird.
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Die hohe Leistung des Vorwärmers nach der Erfindung führt ferner dazu,
daß der Vorwärmer nur. eine geringe, meist nur wenige Rohrreihen umfassende Bautiefe
erhält. Dadurch ist die Entfermulg von Ruß- und Flugascheablagerungen mittels bekannter
Bußbläser sehr viel leichter möglich als bei den früheren Vorwärmerbauarten, so
daß entgegen ursprünglichen Befürchtungen. trotz der geringen Rippenabstände keine
nennenswerte Verschmutzung der gasberührten Außenseite eintritt.
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Durch die -Erfindung wird es bei allen. Betriebsbedingungen ermöglicht,
ohne Vorwärmung. des Speisewassers Temperaturen der äußeren Rohnvana zu erhalten,
die um eingenügendes Maß oberhalb der Taupunktstemperatur der Rauchgase liegen,
so daß Korrosionen nicht -eintreten können. Es ist sogar möglich, Kondensat mit
einer Temperatur-von o° unmittelbar in dem Vorwärmer zu speisen.
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In der Zeichnung ist eine Anordnung nach der Erfindung dargestellt.
' Fig. i zeigt einen Aufriß einer Steilrohrkesselanlage mit zugedrdnetem Rauchgasvorwärmer.
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Fig. z ist ein Schnitt nach Linie A-B in größerem Maßstabes Der mit
Kohlenstaubfeuerungausgerüsteten Kesselanlage ist ein. Vo-rwärmer i zugeordnet,
welchem das Speisewasser durch .die Pumpe 2 über die mit einem Speisewasserregler
3 versehene Leitung q. zugeführt. wird. Der Vorwärmer besteht aus einer Anzahl parallel
geschalteter elliptischer Rippenrohre von engem Querschnitt (z. B. 15 mm kleiner
Ellipsenachse) und engem Rippenabstand (z. B. 5 bis iomm). Die runden Enden dieser
Rohre sind in an sich bekannter Weise in Rohrböden, und zwar vorzugsweise durch
Einwalzen, befestigt und münden hierbei in eine untere Sammelkammer 5 und eine obere
Sammelkammer
6. Das - zugeführte kalte Speisewasser durchströmt die senkrecht angeordneten Rohre
somit in einem einzigen Zuge von unten nach oben. Hierbei ergibt sich eine geringe
Wassergeschwindigkeit von etwa 0,2 bis o, i m/Sek. .
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Das Rohrsystem wird von den Rauchgasen im Sinne des Pfeiles x, also
im Kreuzstrom, beaufschlagt, wobei zur Erreichung :ein er genügenden Zugstärke der
Saugzugventilator 7 vorgesehen ist.
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Die obere Sammelkammer 6 ist durch eine Leitung-8 mit einer besonderen
Dampftrommel - verbinden, die durch Leitung io mit dem Dampfsammler i i des Kessels
in Verbindung steht. Die Dampftrommelg ist ferner durch eine Leitung 12 mit dem
Wasserraum der Trommel 13 des Kessels verbunden.
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Der sich unter gewissen BetriebsvArhältnissen entwickelnde -Dampf
-gelangt aus den senkrechten Rohren unmittelbar in den Dampfraum des Kessels bzw.
den Dampfsammler, so daß der Vorwärmer in gewissem Sinne einen Teil des Kessels
darstellt.
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Von der Trommel 13 führt ferner eine Hilfsleitung 14 in die Vorwärmerzuleitung,
so daß durch diese Hilfsleitung bei geschlossener Speisewasserzuleitung ein entsprechender
Teil des Kesselspeisewassers in den Vorwärmer gelangt und darin verdampft. An der
Einmündestelle -der Hilfsleitung i4. in die Leitung q. ist ein Injektor 15 vorgesehen,
derart, daß die unter einem höheren Druck stehende Speisewasserleitung aus der Hilfsleitung
eine geringe Menge Kesselwasser ansaugen kann. Durch die Anordnung dieses Injektors
wird im Regelbetrieb mit Sicherheit verhindert, daß Speisewasser unter Umgehung
des Vor-@wärmers über die Hilfsleitung direkt in den Kessel strömt.
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Bei der beschriebenen Vorwärmeranördnung wird sich -die Temperatur
des Wassers und der Rohrwandung nach oben zu allmählich steigern, und zwar derart,
daß im oberen und gegebenenfalls auch schon im-mittleren Teil die Wandtemperatur
diejenige des Kessels erreicht bzw. überschreitet. In diesem Falle können an der
inneren Rohrwalndung Verdampfungsvorgänge eintreten,-die zu einer sprunghaften Steigerung
der Wärmeübergangsleistung auf der Wasserseite führen, ohne daß der von der. Erfindung
verfolgte Zweck wegen der in diesem Teil -des Vo@rwärmers bereits stattgefundenen
Erwärmung des Speisewassers gefährdet wird. In Fig. 2 ist das Rohrsystem des E.conomisers
in größerem Maßstab im' Querschnitt dargestellt.
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Zur Verwendung gelangen an sich bekannte, gegeneinanderversetzte elliptische
Rippenrohre mit rechteckigen, Leitvände bildenden Rippen. Bei Benutzung eines solchen
Rohrsystems ist der Erfindungsgedanke, also die planmäßige Beeinflussung der Wärmeübergangsverhältnisse
auf beiden Seiten der Rohrwandung zu dem Zeck, Wandtemperaturen oberhalb des Taupunktes
der Rauchgase zu erreichen, in vollkommenster und wirtschaftlichster Weise durchführbar.
Die elliptische Rohrform ,hat hierbei deshalb besondere Bedeutung, weil sich in
einem solchen Rohrsystem durch Anwendung großer Durchflußgeschwindigkeiten bei gegebenem
Zugverlust hohe Wärmeübergangswerte auf der Gasseite erzielen lassen. Wie die Strömungslinien
in Fig.2 erkennen lassen, werden bei elliptischen Rohren tote Räume bzw. Wirbelfelder
auf der Rückseite sowie eine wiederholte Zusammenziehung und Verbreiterung der Gasteilströme
im Gegensatz zu den Verhältnissen bei runden Rohren vermieden. Diese _ Strömungsverhältnisse
im Zusammenwirken mit der- bei elliptischen Rippenrohren zulässigen hohen Gasgeschwindigkeit
bringen den weiteren bedeutsamen Vorteil mit sich, daß Ruß- und Flugascheablagerungen
sich nicht in dem Maße bilden könneh wie in dem Rohrsystem der üblichen Rauchgasvorwärmerbauarten.