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Vorrichtung zur Feststellung und Ortsbestimmung von festen Ansätzen
in Erhitzerrohren Die neuere Entwicklung der industriellen und namentlich chemischen
Technik auf dem Gebiete der Wärmeübertragung an flüssiges und gas- oder dampfförmiges
Gut hat zu einer stark gesteigerten Anwendung von Röhrenerhitzern geführt, die namentlich
in der Form von befeuerten, von außen beheizten Erhitzerrohren neben der Stetigkeit
des Betriebes eine Reihe von besonderen, ihre Anwendung begünstigenden Vorteilen
bieten, unter denen namentlich die hohe Konzentration der Wärmeübertragung und der
Durchsatzleistung bei kleinem Raumbedarf, die Schaffung hoher Durchflußgeschwindigkeiten,
die Kleinheit des Fassungsvolumens und als unmittelbare Folge davon die benötigten
nur geringen Durchfluß- bzw. Verweilzeiten jedes einzelnen Gutelements im Erhitzer
die hervorstechendsten und wertvollsten sind. Die hiermit ermöglichten Anwendungen
von hohen Temperaturen und Drucken des Erhitzungsguts haben jedoch die Schwierigkeiten
vermehrt und verstärkt, die mit der dadurch erleichterten Bildeng fester Ansätze
aus dem Erhit.zungsgut im Innern der Erhitzerrohre verknüpft sind und zu ihrer Abwendung
und Beherrschung besonders aufmerksame Betriebsüberwachungen nötig machen. Beispiele
für solche Anwendungen bieten Hochleistungsdampfkessel mit befeuerten Wasserrohren
und eigentliche Röhrenerhitzer für die Verdampfung und Destillation von Flüissigkeiten
aller Art und für chemische Behandlungen, wie etwa Spaltungen, Hydrierungen und
andere Umsetzungen von mehr oder weniger hoch siedenden
Flüssigkeiten,
'Gasen, Dämpfen und Gemischen solcher Stoffe.
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Die geschilderten Besonderheiten und Schwierigkeiten des Betriebes
der erwähnten Vorrichtungen führen auf die Aufgabe der Feststellung und Ortsbestimmung
von festen Ansätzen in derartigen stetig betriebenen, von außen beheizten Erhitzerrohren.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur fortschrittlichen Lösung dieser Aufgabe
mit besonders günstigem Erfolg. Diese Lösung besteht darin, daß an den Außenseiten
der Rohre über ihre Länge verteilt eine Mehrzahl von Vorrichtungen zur Messung der
Rohrtemperatur und zur fortlaufend registrierenden Aufzeichnung derselben an= gebracht
ist. Diese erfinderische Lösung beruht auf der Ausnutzung der Tatsache, daß auf
der einen Seifte die Temperatur des zu erhitzenden Guts im Innern des Erhitzerrohres
bei, stetigem Betrieb an jedem einzelnen Punkt des die ganze Rohrlänge umfassenden
Strömungswegs im wesentlichen konstant ist oder- doch jedenfalls bei Betriebsveränderungen,
zu denen auch Störungen durch Ans;ätze gehören, jedenfalls nur sehr allmählichen
und beschränkten Abweichungen von der Konstanz unterworfen ist und daß auf der anderen
Seite der für den Wärmeübergang erforderliche gesamte Temperaturabfall von der beheizten
Außenfläche des Erhitzerrohres bis an seine Wärme abgebende Innenfläche an denjenigen
Stellen größer wird, wo sich auf der Innenseite unerwüfnschte, betriebsstörende
feste Ansätze aus dem zu erhitzenden Gut gebildet .haben. Es hat sich hierbei gezeigt,
daß bei den praktisch in Betracht kommenden Ausführungen und Abmessungen von Erhitzerrohren
schon Ansatzschichten von sehr geringer; weniger als i mm betragender Dicke zu Temperatursteigerungen
an der Außenfläche des Rohres führen, die im Verhältnis zu den sonst im Betriebe
vorkommenden Temperaturen und Temperaturunterschieden beachtlich groß sind und eben
dadurch die erfolgreiche Nutzanwendung gemäß der Erfindung ,ermöglichen. Auch schon
Ansätze, die nicht in unmittelbarer Nähe eines Temperaturmeßpünktes; sondern etwa
im mittleren Bereich zwischen zwei solchen Punkten auftreten, sind durch ihre wenn
auch geringeren Auswirkungen an diesen Nachbarmeßpunkten doch deutlich bemerkbar.
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Da sonach die Durchführung .der Erfindung auf die Feststellung der
Temperaturabweichungen von einer gewissen normalen und regelmäßigen Verteilung einer
Mehrzahl von Temperaturen hinauskommt, so ist besonders vorteilhaft eine solche
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Registriervorrichtung
durch die Art ihrer Ausgestaltung eine schaubildliche Aufzeichnung für die verschiedenen
Temperaturmeßpunkte schafft, die deren räumlicher Zuordnung entspricht. Diese räumliche
Zuordnung ermöglicht es in der Aufzeichnung auf den ersten Blick, die Temperaturabweichungen-
zu erkennen, die zur erfindungsgemäßen Feststellung und Ortsbestimmung von festen
Ansätzen dienen. Die Vorteile der Erfindung liegen in denn durch sie ermöglichten
frühzeitigen Erkennen des Auftretens und der Ortslage von festen Ansätzen in den
Erhitzerrohren begründet. Dias hiermit erzielte Ergebnis ist weitaus den mit bekannten
und üblichen Mitteln erzielbaren Feststellungen über--legen, welche sich auf die
Vergleichung und Veränderung der Betriebszustände, insbesondere der Temperaturen
und Drucke, am Einfritts- und Austrittsende der Erhitzerrohre deswegen beschränken,
weil bisher Nachprüfungen -der Zustände zwischen .diesen beiden Punkten während
des Betriebes unmöglich waren. Man kann daher, mit Hilfe der Erfindung schon dann,
wenn betriebsstörende Ansätze noch im Entstehen begriffen und geringen Umfangs sind,
rechtzeitig eingreifen und gegebenenfalls mit einer nur geringfügigen Unterbrechung
des Betriebes für Beseitigung der entstandenen Ansätze sorgen sowie Maßnahmen zur
weiteren Verhütung solcher treffen, bevor die Störungen größeren Umfang angenommen
haben und schwerwiegende Folgen bzw. Behebungsmaßnahmen nach sich ziehen.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einem
Röhrenerhitzer als Ausführungsbeispiel erlätutert, wie er etwa zum Erhitzen eines
höhersiedenden Bestandteile enthaltenden Öls auf hohe Temperaturen, gegebenenfalls
auch bei überatmosphärischem Druck, dient.
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Abb, i ist ein Röhrenerhitzerofen in senkrechtem Schnitt, für den
.die übliche Bauart vorausgesetzt ist; Abb. 2 ist, als Teilausschnitt der Abb. i,
eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit; Abb. 3 -ist eine gegenüber Abb. i
abgeänderte Darstellung der mit der Registriervorrichtung zu schaffenden schaubildlichen
Aufzeichnung.
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In Abb. i bedeutet i einen Röhrenerhitzerofen, der durch den Gasbrenner
2 geheizt wird und gemäß üblicher Anordnung einen von den frischen hocherhitzten
Gasen durchzogenen Wärmestrahlungsraum 3 und einen von den weniger heißen Abgasen
durchströmten Wärmekonvektionsraum q. umfaßt. Die abgekühlten Abgase ziehen aus
dem letzteren durch die Fuchsöffnung 5 nach dem Schornstein ab. In dem Ofen i ist
die Erhitzerrohrschlange untergebracht, welche im Strahlungsteil aus den Rohrsträngen
6 und 7 und im Konvektionsteil aus der Rohrschlange 8 gebildet wird. Diese Rohrschlange
ist durch das Rohrstück 9 an die Druckseite einer Förder- und Druckpumpe zö angeschlossen
und wird auf deren Saugseite durch das Zufuhrrohr ii aus irgendeinem Vorratsspeicher
der zu erhitzenden Flüssigkeit gespeist. Die Rohrstränge 6 und 7 sind außerhalb
des Ofenmauerwerks durch den Verbindungskrümmer i? zusammengeschlossen, dessen Kopf
in üblicher Weise Verschlußschrauben 15 in den Achsen der Rohrstränge zu deren Freilegung
im Betriebe besitzt. Das Ausgangsende 14 des Rohrstrangs außerhalb des Ofenmauerwerks
ist über den Rohrkrümmer 16 an die Fortsetzungsrohrleitung 17 angeschlossen, in
der sich das druckhaltende Entspannungsventil
i8 befindet; das
anschließende Rohrstück i9 steht mit irgendeiner geeigneten Vorrichtung zur Weiterverarbeitung
des erhitzten und entspannten Guts, z. B. mit einer nicht gezeichneten Destillierkolonne
zur Fraktionierung der Entspannungserzeugnisse, in Verbindung. Die Anordnung der
Rohrstränge 6 und 7 nahe unter der Decke des Strahlungsraumes 3 des Ofens i ermöglicht
die Erhitzung des Guts in ihnen wesentlich durch die Strahlungswirkung der Decke
und der Feuergase.
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Gemäß der Erfindung sind an dem von dem Erhitzungsgut zuletzt durchflossenen
Rohrstrang 7 über seine ganze Länge verteilt sechs Meßpunkte a bis f angeordnet,
an deren jeden eine Temperaturmeßvorrichtung 2o so angeschlossen ist, daß die Temperatur
der Rohrwandung an ihrer beheizten Außenseite im Betriebe dauernd gemessen und beobachtet
werden kann. Hierzu wird beispielsweise gemäß Abb. 2 an das aus Stahl hergestellte
Erhitzerrohr 7 ein Draht 21 aus Konstantanmetall angeschweißt, welcher den Feuerungsraum
und die darüberliegende Decke des Ofens i durchsetzt und von da aus weiter nach
außen geführt ist. Dieser Draht wird gegen die chemischen Einflüsse der Feuergase
durch ein ihn umschließendes Porzellanröhrchen 22 geschützt, das in einem die jeweilige
Meßstelle a usw. umgebenden kleinen, ebenfalls auf das Rohr 7 aufgeschweißten Stutzen
23 durch Asbestwolle abgedichtet ist. Der Konstantandraht 21 bildet zusammen mit
dem Stahlrohr 7 ein Thermoelement, das somit zur unmittelbaren Temperaturmessung
der Rohrwandung geeignet ist. Die sämtlichen Konstantandrä'hte 21 bzw. Thermoelemente
sind gemäß Abb. i nach einer Anzeige- und Registriervorrichtung 24 hingeführt, welche
auf dem stetig unter ihr hinweggeführten, in der Pfeilrichtung wandernden Schreibblatt
25 fortlaufend Aufzeichnungen der bei a bis f gemessenen Temperaturen macht. Für
die Vorrichtung 24 ist hierbei in der Zeichnung angenommen, daß jedem temperaturmessenden
Thermoelement ein schwingender Zeiger 26 entspricht, dessen Endpunkt 27 einen Farbschreibstift
trägt. Da es für die Praxis genügt, wenn die gemessenen Temperaturen der sechs Punkte
a bis f absatzweise in regelmäßigen Zeitabständen aufgezeichnet werden, so kann
man beispielsweise die Anordnung vorsehen, daß die Enden 27 der sechs Zeiger 26
jeweils gleichzeitig niedergedrückt werden, um einen entsprechenden Abdruck auf
dem Schreibblatt 25 aufzuzeichnen. Man erzielt auf diese Weise fortlaufend hintereinander
die Temperaturaufzeichnungen a1 bis f1, a2 bis f2, a3 bis f3 usw. Solange nun keine
Ansätze in dem Rohrstrang 7 vorkommen, bleiben die Temperaturen bei a bis
f im wesentlichen konstant; demgemäß müssen für die Dauer dieses Zustands
die Verbindungslinien der Aufzeichnungspunkte cal, a2, a3, bi, b2, b3 usw. bis fl,
f2, f3 auf dem Schreibblatt 25 eine Schar von parallelen Geraden oder, wenn im Laufe
des Betriebes kleine langsame Schwankungen der gesamten Temperaturlage vorkommen,
von Linien überall gleichen Abstands darstellen. Sobald aber an einem Punkt, z.
B. bei c, ein fester Ansatz, wenn auch nur geringer Stärke, an der Rohrinnenseite
gebildet wird, so erhöht sich im Laufe der Zeit die Rohrtemperatur daselbst erst
wenig, dann stärker, wie z. B. die Aufzeichnungspunkte c2 und c3 auf -dem Schreibblatt
25 zeigen. Die zugeordnete Verbindungslinie, hier die der Punkte c1, c2, c3, weicht
dadurch von der Parallelität mit den Verbindungslinien der Nachbarpunkte, hier also
b und d, ab, wie man auf dem Schreibblatt 25 ohne weiteres erkennen
kann. Es ist hierbei angenommen, daß zur Zeit der Messung und Aufzeichnung von c3
auch der Nachbar-Punkt d3 abzuweichen anfängt; auch dies zeigt sich natürlich im
Abgehen von der Parallelität gegenüber der Nachbarverbindungslinie ei, e2, e3. Die
registrierende Aufzeichnung ergibt daher eine frühzeitige Anzeige zur Feststellung
und Ortsbestimmung entstehender fester Ansätze. Man kann dann beispielsweise schon
in einem frühen Stadium durch vorübergehendes kurzes Stillsetzen des Betriebes den
Rohrstrang 7 von den Krümmern 12 und 16 aus offenlegen und die gefährdete Stelle
allein, hier die Umgebung der Punkte c und d, durch Reinigungsvornahmen von den
gebildeten Ansätzen befreien oder auch andere Eingriffe machen, z. B. örtliche,
für die Störung ursächliche Mängel der Beheizung abstellen u. dgl. m., und man kann
dadurch den ganzen Betrieb in kürzester Zeit wieder in Ordnung bringen, ohne daß
man sich, mangels näherer Kenntnis der gefährdeten Stellen, mit zusätzlichen überflüssigen
und zeitraubenden Maßnahmen zu belasten braucht.
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Nach Abb. 3 wird, abweichend von Abb. i, die registrierende Aufzeichnung
auf dem stetig weitergeführten Schreibblatt 25 so getroffen, .daß immer die gleichzeitig
gefundenen Temperaturmeßwerte, z. B. a1 bis f1, in derselben Anordnung nebeneinander,
wie der Anordnung der Meßpunkte a bis f
entspricht, so aufgezeichnet
werden:, daß jeweils die in die Laufrichtung des Schreibblattes fallenden Ordinaten
die gemessene Temperatur jedes Punktes darstellen. Dann ergibt also die Verbindungskurve
der Punkte a1 bis f1 usw. die Temperatur des Rohrstranges 7 als Funktion seiner
Länge, die in Abb. 3 als die waagerechte, d. h. zur Laufrichtung des Schreibblattes
senkrecht stehende Abszisse erscheint. Da die Strömungsrichtung der zu erhitzenden
Flüssigkeit in dem Rohrstrang 7 in der Richtung von a nach f geht,
muß die besagte, durch Aufzeichnung gewonnene Temperaturkurve in dieser Richtung
vollkommen stetig ansteigen, solange als eine Störung des Betriebes in dem Rohrstrang
durch feste Ansätze an irgendeiner Stelle ausbleibt. Demgemäß muß sich das Auftreten
von Ansätzen an irgendeinem Punkt :durch das erkennbare Unstetigwerden der Punktv:erbindungskurve
ausweisen. In Abb. 3 erscheint, ganz entsprechend den bei Abb. i auf dem dortigen
Schreibblatt 25 verzeichneten Abweichungen, in der Reihe der Punkte a2 bis f2 .der
Punkt c2 als eine anomale Temperaturerhöhung, und diese Abweichung ist durch die
Kurvenunstetigkeit daselbst ohne weiteres erkennbar. In der folgenden, zeitlich
also später liegenden Reihe der Punkte a3 bis f3 ist die Abweichung des
Punktes
c3 noch stärker als .die vorherige Abweichung des l#unktes c2 und eine weitere deutliche
Abweichung .des Punktes d3 hinzugekommen. Diese Anzeigen lassen also erkennen, daß
eine Störung hauptsächlich im Bereich des Punktes c und teilweise auch noch im Bereich
des Punktes d besteht. Zur Ermöglichung dieser Art von Aufzeichnung sind in Abb.
3 sechs einzelne Anzeige- und Registriervorrichtungen 2,4 mit Zeigern 26 und Schreibstiften
27 vorgesehen, welche an die entsprechenden sechs Thermoelemente 21 angeschlossen
sind.
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Die in Abb: i und 3 gewählte Darstellung und Anordnung der Anzeige-
und Registriervorrichtungen 2,4 ist jedoch lediglich schematisch und illustrativ:
Für Registrierzwecke wie vorliegend,' wo immer nur in Zeitabständen jeweils Gruppen
von verschiedenen zusammengehörigen Anzeigen punktemäßig, nicht zeitlich fortlaufend
als Schaulinien festzustellen und aufzuzeichnen sind, stehen der Praxis einfacher
gehaltene, immer nur einmalig vorzusehende Meß- und Registriervorrichtungen zur
Verfügung, welche jeweils mit einem einzigen Meßinstrument, bei Thermoelementen
also mit einem einzigen Millivoltmeter, die Mehrzahl von annähernd gleichzeitig
zu schaffenden Aufzeichnungen durch entsprechend mehrmals aufeinanderfolgendes Anzeigen
und Schreiben binnenkurzer Zeit, z. B. innerhalb einer oder weniger Minuten, durchführen,
was praktisch vollauf genügt.
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Die Darstellung und Anordnung der Erhitzerrohre 6, 7, B in Abb. i
ist selbstverstähdlich ebenfalls nur schematisch. Bei praktischen Ausführungen wird
man den im Strahlungsraum 3 liegenden Erhitzerrohrteil immer so ausbilden, daß er
im ganzen eine umfangreiche, unter der Ofendecke liegende Rohrschlange aus einer
größeren Anzahl von einzelnen, hintereinandergeschalteten Rohrsträngen darstellt:
Jeder einzelne der Rohrstränge, soweit diese in den praktisch beschränkten, nur
die höchsten Temperaturlagen umfassenden Meßbereich einbezogen werden, erhält dann
eine Anzahl Meßpunkte; Wie die Punkte ca bis f in Abb. i. Eine verhältnismäßig große
Vielzahl solcher Meßpunkte bzw: von zugeordneten Temperaturmeßvorrichtungen bedeutet
keine Erschwernisse von Belang, da z. B. die beschriebenen Thermoelemente äußerst
einfach und billig sind und, wie schon erwähnt, für alle zusammen ein einziges registrierendes
Meßinstrument genügt. Es ist auch nicht eine sehr enge Aufeinanderfolge von Meßstellen
notwendig. Wenn beispielsweise der Rohrstrang 7 in Abb. i; gemäß praktischen Ausführungen,
eine Länge von etwa 6 m hat, so beträgt der Abstand zwischen zwei Meßpunkten etwa
i m. Dies genügt für die Praxis ebenfalls vollständig, da Ansätze, wenn sie überhaupt
entstehen, fast niemals kleine örtliche Bezirke,. sondern meist in der Rohrlänge
gerechnet größere Bereiche einnehmen. Außerdem wird eine Temperaturerhöhung der
Rohraußenwand, die etwa nur örtlich zwischen zwei Meßpunkten auftritt, durch die
hohe Wärmeleitfähigkeit des Rohres über seine Länge in gewissem, wenn auch abgeschwächtem
Grad bis zu den beiden benachbarten, mindestens bis zu dem nächstgelegenen Punkt
übertragen und macht sich also auch hier bemerkbar.
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In Abb. i sind auch bei .dem außerhalb des Ofens i im Freien liegenden
Fortsetzungsrohr 17, welches das Endstück der ganzen Erhitzerrohrschlange
darstellt, Temperaturmeßvorrichtungen 28 vorgesehen. Mit Hilfe dieser letzteren
können Ansätze auch in dieser nicht erhitzten Rohrstrecke, die sich etwa durch nachträgliche
chemische Umsetzungen bilden, in gleicher Art wie vorbeschrieben festgestellt und
nachgewiesen werden. Sie machen sich dann an diesen Temperaturmeßpunkten, weil eine
Abgabe der Wärme vom Rohrinnern nach außen stattfindet, durch eine verstäirkte Temperaturerniedrigung
der Rohraußenfläche bemerkbar, die natürlich ebenso gemessen und registriert werden
kann, wie es vorstehend fülr den befeuerten Teil der Erhitzerrohr-Schlange beschrieben
worden ist.