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Einrichtung zum Kühlen der Erhitzerrohre von Wärmekraftanlagen, in
welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf beschreibt Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen der Erhitzerrohre von Wärmekraftanlagen,
in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf unter überdruck
beschreibt, wobei das durch äußere Wärmezufuhr in einem Röhrengaserhitzer erhitzte
Arbeitsmittel in mindestens einer Turbine unter Arbeitsleistung lexpandieren gelassen
und nachfolgend in mindestens einem Verdichter wieder auf höheren Druck gebracht
wird sowie in einem Wärmeaustauscher zwischen dem expandierten und,dem wieder verdichteten.
Arbeitsmittelstrom vor der äußeren Wärmezufuhr im Röhrengaserhitzer ein Wärmeaustausch
stattfindet.
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Die Röhren des Gaserhitzers solcher Anlagen sind sehr hohen Temperaturen
ausgesetzt. Hinzu kommt, daß sie infolge des in deren Innern herrschenden Druckes
auch noch mechanisch stark beansprucht sind. Beabsichtigt man daher, das Arbeitsmittel
im Röhrengaserhitzer auf hohe Temperatur zu bringen, .so ist man gezwungen, den.
Baustoff der Rohre bis an die Grenze der zulässigen Wärmefestigkeit zu beanspruchen,
wenn man mit praktisch noch brauchbaren Abmessungen der Rohre auskommen will. Bei
einer s3lchen hohen Beanspruchung der Rohre durch die Feuergase von außen und das
unter überdruck fließende, hochmerhitzende Arbeitsmittel im Innern muß vor allem
danach getrachtet werden, die Rohrtemperatur bei nur sehr kleinen Schwankungen auf
einem höchst zulässigen Wert zu erhalten. Wenn daher beispielsweise infolge von
Belastungsschwankungen die Wärmeaufnahme des Arbeitsmittels aussetzt oder andererseits
von der Feuerung zuviel Wärme abgegeben wird, so besteht die
Gefahr,
daß die Rohrtemperatur mindestens kurzzeitig über den betreffenden zulässigen Wert
steigt, so daß die Rohre den von ihnen geforderten Beanspruchungen nicht mehr gewachsen
sind. Die Gefahr einer derartigen Überhitzung ist bei Röhrengaserhitzern von Anlagen
der erwähnten Art größer als bei Dampfkesseln, weil bei jenen infolge des auf Innen-
und Außenseite der Rohre verhältnismäßig schlechten Wärmeüberganges die Rohrtemperatur
bei einer gewünschten Arbeitstemperatur der aufzuheizenden Arbeitsgase bedeutend
höher ist als bei gleich hoher Arbeitstemperatur des Dampfes einer Dampfkraftanlage.
Das Nichtüberschreiten eines festgelegten Wertes der Rohrwandtemperatur von Röhrengaserhitzern
ist um so wichtiger, als in dem in Frage kommenden Temperaturbereich @von beispielsweise
6oo bis 8oo° C die Festigkeit des Stahles oder entsprechender Legierungen mit wachsender
Temperatur außerordentlich rasch abnimmt. Schon Temperaturerhöhungen von beispielsweise
2o° C schwächen die Festigkeitseigenschaften ganz erheblich.
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Es ist bereits bei Wärmekraftanlagen der vorliegenden Art vorgeschlagen
worden, zur raschen Regelung und Inbetriebsetzung derselben einen Teil des Arbeitsmittels
bei Lastverminderungen nicht in der Niederdxuckturbine auszunutzen und den der Ausnutzung
in der Niederdruckturbine entzogenen Energieinhalt durch einen Umlauf mit Drosselorgan
und Kühlvorrichtung zu vernichten.
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Von dieser bekannten Einrichtung unterscheidet sich derErfindungsgegenstandgrundsätzlich
sowohl hinsichtlich der Erfindungsaufgabe als ,auch hinsichtlich der Lösungsmittel.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, zu verhüten, daß bei einer plötzlichen
Erhitzung der Rohre des Röhrenerhitzers die Temperaturerhöhung über ein festgesetztes
Maß hinaus erfolgt. Die Lösung besteht darin, daß eine Einrichtung geschaffen wird,
durch die der Temperaturerhöhung der Erhitzlerrohre rasch und wirksam entgegengetreten
wird, indem erfindungsgemäß ein Teil des vom Verdichter geförderten Arbeitsmittels
unter Umgehung des Wärmeaustauschers in Abhängigkeit von der Rohrwandtemperatur
des Gaserhitzers abgezweigt und dem zu erhitzenden Arbeitsmittel vor dem Eintritt
in den Erhitzer bzw. unmittelbar in den einzelnen Rohren vor ihrer heißesten Stelle
beigemischt wird: Auf der Zeichnung ist beispielsweise eine Ausführungsform des
Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht.
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In der Figur bezeichnet i einen Röhrengaserhitzer, in welchem das
gasförmige, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibende
Arbeitsmittel durch Zufuhr äußerer Wärme erhitzt wird. Die eigentliche Erhitzung
des Arbeitsmittels erfolgt in Schlangen 2, welche von Feuergasen umspült werden.
Das so erhitzte Arbeitsmittel gelangt durch eine Leitung 3 in eine Turbine 4, wo
es unter gleichzeitiger Arbeitsabgabe beispielsweise an einen Generator 5 und .an
einen Turboverdichter 6 expandiert. Das aus der Turbine 4 strömende Arbeitsmittel
gelangt durch eine Leitung 8 in einen als Gegenstromapparat ausgebildeten Wärmeaustauscher
9, in dem dasselbe ein Röhrensystem durchströmt und dabei Wärme an den Teil höheren
Druckes des Arbeitsmittels abgibt, welcher durch eine Leitung i o aus dem Turboverdichter
6 in den Wärmeaustauscher 9 und aus diesem durch eine Leitung i i an einen Sammler
7 des Erhitzers i gelangt. Der im Wärmeaustauscher 9 abgekühlte Teil des Arbeitsmittels
gelangt durch eine Leitung 12 in den Turboverdichter 6, in welchem er unter Kühlung
wieder auf einen höheren Druck verdichtet wird. Von der Leitung i o zweigt bei 13
eine zusätzliche Leitung 14 ab, in welche ein Zwischenkühler 15 eingeschaltet ist
und welche an den Sammler 7 des Röhrengase.rhitzers i angeschlossen ist. In diese
Leitung 14 ist ferner ein Absperrorgan 16 eingebaut. Die Einstellung dieses Absperrorgans
16 wird von einer Thermostateinrichtung 17 beherrscht, deren Tätigkeit von der Temperatur
an der Stelle 18 einer Schlange 2 des Röhrengaserhitzers abhängig ist.
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Bei der beschriebenen Anlage bildet die Leitung 14 einen Bypaß, durch
den bei offenem Absperrorgan 16 aus dem Verdichter 6 kommendes, noch verhältnismäßig
kaltes Arbeitsmittel unter Umgehung des Wärmeaustauschers 9 unmittelbar in den Sammler
7 des Röhrengaserhitzers i gelangen kann. Dieser Bypaß 14 ist unter normalen Arbeitsbedingungen-
abgesperrt, so daß das im Verdichter 6 verdichtete Arbeitsmittel restlos durch die
Leitung io in den Wärmeaustauscher 9 gelangt, um in diesem vorgewärmt zu werden
und so bereits vorerhitzt in den Röhrengaserhitzer i zu gelangen.
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Tritt aber aus irgendeinem Grunde im Erhitzer i eine zu hohe Rohrwandtemperatur
auf, so bewirkt die Thermostateinrichtung 17 ein mindestens teilweises Öffnen des
Bypasses 14, so daß jetzt verhältnismäßig kaltes Arbeitsmittel unter Umgehung des
Wärmeaustauschers 9 unmittelbar in den Sammler 7 des R'öhrengaserhitzers i und aus
diesem Samm-ler 7 in die zu heißen Rohre?, gelangt, wo es sich mit dem vom
Wärmeaustauscher 9 kommenden, bereits vorgewärmten Arbeitsmittel mischt. Auf diese
Weise wird die Temperatur der Rohre 2 rasch erniedrigt, wodurch naturgemäß
auch
die Rohrwandtemperatur herabgesetzt wird. Sind dann inzwischen die Arbeitsbedingungen
des Gaserhitzers i wieder den veränderten Belastungen durch Einregelung der Feuerung
angepaßt worden und ist daher auch die zulässige Grenze der Rohrwandtemperatur wieder
erreicht, so bewirkt die Thermostateinrichtung 17 ein Schließen der Absperrvorrichtung
16, so daß der Durchfluß durch den Bypaß 14 unterbrochen wird.
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Der Hilfskühler 15 bewirkt, daß der durch den Bypaß 14 strömende Arbeitsmitteltepl
hinsichtlich der Temperaturerniedrigung der Rohre 2 besonders wirksam wird, indem
sich dieser Teil im Kühler 15 auf eine tiefe Temperatur bringen läßt. Unter Umständen
ist es jedoch möglich, auch ohne einen solchen Hilfskühler auszukommen.
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Anstatt den durch die zusätzliche Leitung 14 strömenden Teil des Arbeitsmittels
in der gezeigten Weise einem Sammler des Röhrengaserhitzers i zuzuführen, kann dieser
Teil auch unmittelbar den einzelnen Rohren dies Erhitzers zugeleitet werden. Sind
dveseRohre als Schlangen ausgebildet, so geschieht die Zuführung zweckmäßig zu dem
innersten Strang der Schlangen. Es können auch mehrere Leitungen vorgesehen werden,
durch die Arbeitsmittel .aus dem Verdichter 6 unter Umgehung des Wärmeaustauschers
9 unmittelbar zu den Röhren des Erhitzers strömen kann.
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Der Bypaß 14 kann auch dazu verwendet werden, um beim Abstellen des
Röhrengaserhitzers, d. h. beim Stillegen der Anlage, kälteres Arbeitsmittel den
Rohrschlangen 2 zuzuführen, um eine möglichst rasche Abkühlung derselben zu erreichen.
Dies ist unter Umständen wichtig, wenn für überholungsarbeiten nur wenig Zeit zur
Verfügung steht und man daher nicht darauf angewiesen ist, den Gaserhitzer durch
natürliche, langsame Kühlung abkühlen zu lassen.
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Zweckmäßig kann in dem Stück der Leitung io, welches sich von der
Abzweigstelle 13 nach dem Wärmeaustauscher 9 erstreckt, noch ein Drosselorgan vorgesehen
werden, um zu erreichen, daß in gewissen Fällen der weitaus größte Teil des Arbeitsmittels
durch den offenen Bypaß 14 getrieben wird. Dieses Drosselorgan kann derart mit dem
Abschlußorgan 16 der zusätzlichen Leitung 14 gekoppelt sein, daß. beim Schließen
des seinen das andere geöffnet wird, und umgekehrt.