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Verfahren zur Zwangverteilung des Arbeitsmittels in Zwanglaufdampferzeugern
Die Erfindung hat ein Verfahren zur Zwangverteilung des Arbeitsmittels in Zwangl.auf.dampferzeugern
zum Gegenstand. Sie bezweckt, die Arbeitsmittelmenge annähernd entsprechend der
Wärmeaufnahme der Heizflächenrohre zu verteilen.
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Es ist bekannt, daß bei Zwangumlaufdampferzeugern als Mittel zur Zwangverteilung
des Arbeitsmittels am Anfang der Verdampferrohre Drosselstellen angeordnet sind.
Hierdurch wurde erreicht, die ausreichende Zufuhr von Arbeitsmittel für jedes Rohr
auch bei ungleicher Wärmeaufnahme und bei jeder Last sicherzustellen. Der erforderliche
Druckabfall in der Drosselstelle bedingte aber sehr starke Verengungen des Durchflußquerschnittes,
insbesondere bei schwach beheizten Rohren. Dies bringt die Gefahr mit sich, daß
bei ungenügender Pflege des Kesselwassers durch Schlamm oder Steinablagerungen sich
die verhältnismäßig kleinen Öffnungen der Drosselorgane zusetzen können, so daß
Rohrschäden entstehen.
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Ferner ist bekannt, zum Ausgleich unterschiedlicher Beheizung in Zwanglaufdampferzeugern
parallel verlaufende Verdampferrohre durch Zwischensammler zu unterbrechen. In diesen
Zwischensammlern sollte das aus einzelnen Rohrabschnitten ausströmende Dampf-Wasser-Gemisch
miteinander vermischt und mit gleicher Zusammensetzung wieder neu verteilt werden.
Es hat sich aber gezeigt, daß dies nur sehr unvollkommen zu erreichen ist, wenn,
wie allgemein üblich, die Ausströmrichtung eine andere ist als die Einströmrichtung.
Bei Umlenkungen des Gemisches im Zwischensammler treten Fliehkräfte auf, die gerade
eine Entmischun begünstigen, so daß bei einer Neuverteilung des Arbeitsmittels das
in die Rohre einströmende Gemisch sehr unterschiedlich ist. Bedenkt man ferner,
daß
der Durchflußwiderstand eines vollkommenen Gemisches aus Dampf und Wasser ganz erheblich
höher ist als der Durchflußwiderstand der getrennt fließenden Bestandteile, so ergibt
sich auch aus dem Prinzip des kleinsten Zwanges ein Impuls, der im Sinne einer Entmischung
wirkt. Es besteht dann die Gefahr, daß gerade die stark beheizten Rohr zu wenig
gekühlt werden, da der flüssige Bestandteil des Gemisches bestrebt ist, durch die
schwach beheizten Rohre abzuströmen.
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Um eine zur Kühlung der Verdampferrohre ausreichende Verteilung des
Arbeitsmittels zu erzwingen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, nach dem zum Druckausgleich
aus den stark beheizten Rohren oder Rohrgruppen an einer oder mehreren Stellen ein
vorwiegend aus Dampf bestehender Teil des Arbeitsmittels abgezweigt und in die schwächer
beheizten Rohre oder Rohrgruppen übergeleitet wird.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, -daß bei Zwanglauf des
Arbeitsmittels in parallel verlaufenden, an Verteiler und Sammler angeschlossenen
Verd.ampferrohren der Druckverlauf in den einzelnen Rohren sehr unterschiedlich
sein kann.« Bei an sich gleichem Druckabfall wird der Druckverlauf je nach Zusammensetzung
des Gemisches ein anderer sein. Durch ein stark beheiztes Rohr wird bei gleichem
Druckverlust und gleicher Rohrlänge weniger Wasser fließen als durch ein schwach
beheiztes Rohr. Hieraus folgt, daß der Druck anfangs in einem stark beheizten Rohr
weniger stark fällt als in einem schwach beheizten, so daß der absolute Druck also
höher liegt. Dieser Druckunterschied, der bei ungleicher Zusammensetzung des Arbeitsmittels
entsteht, soll nun erfindungsgemäß dazu benutzt werden, um vorwiegend Dampf in den
stark beheizten Rohren zu den schwach beheizten Rohren überzuleiten. Dadurch wird
der Druckverlauf beider Rohre einander angenähert, d. h. das stark beheizte Rohr
erhält mehr Wasser, während in dem schwach beheizten Rohr .der Wasserdurchfluß durch
den übergeleiteten Dampf gedrosselt wird. Es erfolgt somit selbsttätig in Abhängigkeit
von der Beheizung eine zwangmäßige Verteilung des Arbeitsmittels in dem gewünschten
Sinne. Im allgemeinen wird es zweckmäßig sein, die Abzweigung an die Stelle des
größten Druckunterschiedes zu legen, weil dann der Druckverlauf der Rohre sich am
weitesten angleicht. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Abzweigung möglichst
nahe an den Rohranfang zu verlegen. Hier ist zwar der Druckunterschied noch nicht
so erheblich, aber -die überströmende Dampfmenge wirkt besonders drosselnd, weil
sie fast noch die ganze Rohrlänge des schwächer beheizten Rohres zu durchströmen
hat. Die Angleichung des Druckverlaufes wird um so, vollkommener sein, je mehr Abzweigungen
vorgesehen werden.
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Bei der stark turbulenten Strömung im Rohr wird es in der Praxis natürlich
schwierig sein, nur Dampf überzuleiten: aber darauf kommt es auch nicht so sehr
an. Die Wirkung gemäß der Erfindung tritt auch dann ein, wenn feuchter Dampf oder
ein Dampf-Wasser-Gernisch übergeleitet wird, denn e;; kommt im wesentlichen nur
darauf an, daß das Volumen des Arbeitsmittels in den stark beheizten Rohren spürbar
vermindert und in den schwach beheizten Rohren entsprechend vermehrt wird. Selbstverständlich
wird durch mitgerissenes Wasser die erstrebte Wirkung vermindert und ist deshalb
soweit wie möglich zu vermeiden.
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Die Erfindung ist an Hand der Abb. i bis 14 näher erläutert.
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Zum Verständnis der Erfindung ist in Abb. i der Druckverlauf in zwei
Rohren aufgezeichnet, wobei auf der Ordinate der Druckabfall dp im Rohr und auf
der Abszisse die Rohrlänge l aufgetragen sind. Es wurde der extreme Fall angenommen,
daß in dem einen Rohr nur Wasser strömt (Druckkurve i) und in dem anderen gleichmäßig
beheizten Rohr gerade so viel Wasser eintritt, als im Rohr verdampft (Druckkurve
2). Beide Rohre sind bei Punkt 3 und .I an den gleichen Verteiler und Sammler angeschlossen,
so daß in diesen Punkten Druckgleichheit besteht. '.Ulan erkennt, daß etwa in Rohrmitte
in den Punkten 5 und 6 der größte Druckunterschied besteht. Werden diese Punkte
miteinander verbunden, so daß von Punkt 6 nach Punkt 5 aus dem beheizten Rohr Dampf
überströmen kann, so gleicht sich an. dieser Stelle der Druck aus, und beide Punkte
fallen mit dem Punkt 7 zusammen, "nenn angenommen wird, daß bei der Überleitung
kein nennenswerter Druckverlust -entsteht. Dann müssen die Kurven i und 2 nunmehr
durch Punkt 7 verlaufen und etwa den mit i' und 2' gekennzeichneten Verlauf nehmen.
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Wie man sieht, gleichen sich beide Kurven stark einander an. Man erkennt
ferner, daß im unheheizten Rohr bis etwa zur Rohrmitte der Druckabfall von a. auf
b zurückgegangen ist, d. h. aber, daß die Wassermenge kleiner geworden sein
muß und gedrosselt wurde. Bei dem beheizten Rohr liegt der Fall umgekehrt. In dieses
Rohr ist mehr Wasser eingeströmt, und der Druckabfall hat von c auf b zugenommen.
Hinter der Abzweigstelle sind gerade die umgekehrten Änderungen im Druckabfall eingetreten.
Dies ist auch verständlich, dadurch den überströmenden Dampf das Volumen des Gemisches
in dem beheizten Rohr vermindert und in dem unbeheizten Rohr vermehrt wurde. In
der Praxis werden derartig extreme Fälle selten vorkommen, und der Druckverlauf
@in den Rohren wird je nach dem Grad der Beheizung mehr oder minder unterschiedlich
sein. Die Angleichung der Kurven i' und 2' kann noch verbessert werden, wenn mehrere
Überleitungsstellen angeordnet werden. Aber selbst bei beliebig vielen Überleitungsstellen
muß die Kurve i' stets unter 2' verlaufen, d. h. das unbeheizte Rohr wird anteilig
im Arbeitsmittel stets mehr Wasser enthalten als :das beheizte Rohr. Da bei Zwanglaufdampferzeugern
im allgemeinen mit mehrfachem Wasserüberschuß gefahren wird, ist dies unbedenklich.
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Man kann aber auch nach dem Erfindungsvorschlag die Wassermenge den
einzelnen Rohren oder Rohrgruppen entsprechend der Wärmemenge zuteilen, wenn man
:die Überleitungsstelle entsprechend wählt. In dem Diagramm nach Abb. 2 ist
dieser
Fall dargestellt. Die Punkte 5 und 6 sind schräg miteinander verbunden. Infolgedessen
wird sich ein Mitteldruck einstellen, der etwa auf der strichpunktierten Linie 8
liegt. Durch den Druckausgleich müssen Punkt 5 und 6 auf dieser Linie liegen (in
Abb.2 mit 5' und 6' bezeichnet). Wie Abb. 2 erkennen läßt, liegt nunmehr die Kurve
i' über der Kurve 2', d. h. das unbeheizte Rohr erhält weniger Wasser als das beheizte
Rohr. Es eist also nach dem Erfindungsvorschlag durchaus möglich, durch entsprechende
Wahl der Überleitungsstelle die Wassermenge nach der `'Wärmeaufnahme des Rohres
zu drosseln. Dies hat den Vorzug gegenüber dem Beispiel nach Abb. i, daß der Wasserüberschuß
weitgehend verringert werden kann.
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Wie schon erwähnt, kommt es nach dem Erfindungsvorschlag wesentlich
darauf an, daß vorwiegend Dampf überströmt. Um dies zu ermöglichen, wird vorgeschlagen,
zur Ableitung des Dampfes aus den am meisten beheizten Rohren das Beharrungsvermögen
des Arbeitsmittels auszunutzen. Da das Arbeitsmittel aus einem Gemisch von Dampf
und Wasser besteht, die Masse des Wassers aber das Vielfache der Masse des Dampfes
äst, so wird es in der Regel schon genügen, dem überströmenden Teil des Arbeitsmittels
eine Richtungsänderung aufzuzwingen, um eine weitgehende Trennung von Dampf und
Wasser zu erzielen. Infolge seiner größeren Masse wird das `'Wasser in der bisherigen
Richtung Weiterströmen, während der Dampf infolge des Druckunterschiedes, der verhältnismäßig
klein ist und nur einen Bruchteil des gesamten Druckabfalles ausmacht, in der neuen
Richtung zu einem mehr oder minder großen Teil abströmt.
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In Abb. 3 und 4 sind die parallel verlaufenden Verdampf ungsrohre
9 durch Verbindungsrohre io mit dem quer verlaufenden Überströmrohr i i verbunden.
Durch Rohre io und Überströmrohre i i wird aus den meist beheizten Rohren Dampf
zu den weniger beheizten Rohren überströmen, so daß sich der Druckverlust und damit
auch die in die Rohre eintretenden Wassermengen ausgleichen. Die Rohre io können
dabei gleichzeitig zur Halterung der Verdampferrohre 9 dienen. Es kann. zweckmäßig
sein, sie elastisch auszubilden, um Bewegungen der Rohre aufnehmen zu können. Bei
etwa gleich beheizten Rohren wird es im wesentlichen nur darauf ankommen, die ungleiche
Beheizung auszugleichen, die durch rechnerisch nicht erfaßbare Vorgänge in der Feuerführung
oder der Gasströmung bedingt sind. In diesem Falle sind die Ausgleichmengen gering,
so daß die Rohre io einen wesentlich geringeren Durchmesser haben können als die
Verdampferrohre 9. Es ist auch denkbar, das Überströmrohr io durch eingeschweißte
Rohrnippel mit den Verdampferrohren zu verbinden. Der Aufwand an Werkstoff und Arbeit
ist nicht größer, als bei Anordnung von Drosselorganen für jedes Rohr erforderlich
wäre. Will man auf Drosselorgane nicht verzichten, aber ihre Nachteile vermeiden,
so ist es zweckmäßig, etwa gleich beheizte Rohrgruppen gemäß der Erfindung miteinander
zu verbinden und .das Arbeitsmittel für die einzelnen Rohrgruppen entsprechend ihrer
Wärmeaufnahme über Drosselorgane zu verteilen. Da in diesem Falle die Drosselorgane
wesentlich größeren Durchmesser haben müssen als für ein einzelnes Rohr, so sind
Verstopfungen ausgeschlossen. Aber auch bei Zwangverteilung des Arbeitsmittels durch
Drosselorgane am Anfang eines jeden Rohres kann die Erfindung vorteilhaft sein,
da sie die Zwangverteilung des Arbeitsmittels unterstützt und dadurch die Drosselorgane
entlastet werden. Für diese ist daher ein geringezer Drosseldruck zulässig, und
sie können mit einer größeren Durghflußöffnung versehen werden, so daß die Gefahr
der Verstopfung ganz wesentlich verringert ist.
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Zur Unterstützung der Entmischung an der Verbindungsstelle kann es
zweckmäßig sein (gemäß Abb. 5), das Verbindungsrohr io etwas in das Verdampferrohr
9 vorstehen zu lassen und in der Strömungsrichtung so abzuschrägen, daß die angeströmte
Rohrwand am weitesten vorsteht. Dadurch entsteht hinter der angeströmten -Rährwand
ein Unterdruckgebiet, in das der Dampf hineinströmt, während das Wasser auf Grund
seiner größeren Trägheit weiterströmt.
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Man kann aber zur Entmischung an der Verbindungsstelle das im Rohr
strömende Dampf-Wasser-Gemisch der Fliehkraft aussetzen. Zu diesem Zweck wird, wie
Abb.6 zeigt, das Verdampferrohr 9 ausgebogen, und zwar nach der dem Überströmrohr
i i abgewandten Seite, so daß das Verbindungsrohr io an der inneren Krümmung in
das Verdampferrohr 9 einmündet. Da das schwerere Wasser nach außen geschleudert
wird, strömt an der inneren Krümmung im wesentlichen nur Dampf ab.
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Die beschriebenen Maßnahmen werden natürlich bei allen Rohren durchgeführt,
da vielfach nicht vorauszusehen ist, welche Rohre am stärksten beheizt sind und
bei den schwächer beheizten Rohren die Einströmung dadurch ebenfalls unterstützt
wird.
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Zur Erzielung der nach Abb. 2 erstrebten Wirkung ist in dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. 7 das Überströmrohr i i an ungleichen Stellen mit den Verdampferrohren
9 verbunden. Bei den meist beheizten Rohren ist die Abzweigstelle nach dem Rohranfang
zu verschoben, hei den am wenigsten beheizten Rohren nach dem Rohrende zu. Da hierbei
über Rohr i i ein Druckausgleich nach der strichpunktiert gezeichneten Liruie 12
erfolgt, erhalten in diesem Falle die weniger beheizten Rohre auch weniger Wasser,
und umgekehrt.
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Abb. 8 zeigt einen Zwangumlaufdampferzeuger in einzügiger Bauart mit
Ölfeuerung. Das Umwälzwasser fließt von der Dampftrommel 13 einer nicht dargestellten
Umwälzpu.mpe zu und wird von dieser über Leitung 14 in den Verteiler 15 gedrückt.
Von hier fließt es über die Verdampferrohre 16 zur Trommel 13 zurück. Zur Beheizung
des Dampferzeugers dienen die Ölbrenner 17. Ungleiche Dampferzeugung in den Verdampferrohren
wird
durch das überströmrohr 18 ausgeglichen, mit dem jedes Rohr
verbunden ist. Da die Rohre 16 in diesem Falle etwa gleich beheizt sind, genügt
ein einziges überströmrohr; selbstverständlich hätten auch noch an anderen Stellen
Überströmrohre vor-. gesehen werden können. Das überströmrohr i 8 .ist an denn tiefsten
Punkt des Rohrsystems angeordnet. Dies hat den Vorzug, daß der Dampferzeuger notfalls
auch im Naturttmlauf angefahren werden kann, ohne eine fremde Kraftquelle zu benötigen,
bis ausreichend Dampf für die Fördereinrichtung zur Verfügung steht. Um das Anfahren
des Dampferzeugers mit Naturumlauf zu ermöglichen, ist das Überströmrohr 18 über
Leitung ig mit dem Wasserraum der Trommel 13 durch Ventil 2o absperrbar verbunden.
Der Verteiler 15 ist über Leitung 2i und Ventil 22 ebenfalls absperrbar mit der
Dampftrommel verbunden. Bei Stillstand der Pumpe werden die Ventile 2o und 22 geöffnet.
Dann dient das Überströmrohr 18 als unterer Verteiler, von dem aus das Kesselwasser
in die beiden beheizten und nur aufwärts verlaufenden Rohrstränge 16' und 16" einströmt
und im Naturumlauf wieder der Trommel 13 zufließt. Der Zwangumlaufverteiler 15 arbeitet
in diesem Falle als Sammler, von dem aus das Dampf-Wasser-Gemisch zur Trommel strömt.
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Die Anordnung des überströmrohres am tiefsten Punktdes Rohrsystems
kann auch zur Entwässerung des Rohrsystems bei Stillstand des Dampferzeugers benutzt
werden.
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In Abb. g ist der Anschluß des überströmrohres in größerem ,Maßstab
dargestellt. Das Überströmrohr 18 ist durch die Anschlußrohre 23 auf der Innenseite
des Rohrbogens 24 mit den Verdampferrohren 16 verbunden. Dies hat den Vorzug, daß
durch den Einfloß der Fliehkraft fast trockener Dampf übergeleitet wird. Da bei
gleicher Dampferzeugung in den Rohren 16 auch Druckgleichheit besteht, ist es vorteilhaft,
das Überströmrohr 18 vor Beheizung zu schützen. Es ist daher zweckmäßig, das Über.strömrohr
auf ,der der Beheizung abgewandten Seite anzuordnen oder, wie in Abb. ;1 gezeigt,
durch feuerfesten Werkstoff 25 vor Beheizung zu schützen.
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Abb. To zeigt eine Rohrkühlwand, wie sie häufig zur Auskleidung von
Feuerraumwänden dient. Die Rohrwand besteht aus einem mehrfach gewundenen Rohrband
26. Die einzelnen Rohre sind an der oberen und unteren Umkehrung durch Überströmrohre
27 und 28 verbunden. Das Kesselwasser wird dem Verteiler 2,9 von einer Pumpe zugedrückt
und von dem Sammler 30 zu einer nicht dargestellten Trommel abgeleitet. Um
auch eine solche Rohrwand im Notfall mit Naturumlauf betreiben zu können, sind der
Verteiler 29 und das überströmrohr 27 durch Leitung 31 mit dem Wasserraum der Trommel
verbunden, ebenso stehen auch d;r Sammler 30 und das obere Überströmrohr
28 mit der Trommel in Verbindung. Die Absperrventile 32 sind bei Zwangumlauf geschlossen.
und bei Naturumlauf geöffnet. Die Umschaltung kann selbsttätig geschehen, wobei
als Impuls der Überdruck im Rohrsystem gewählt werden kann. Fällt die Umwälzpumpe
aus, so fällt auch der -Überdruck im System, und die Ventile öffnen sich.
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Besonders vorteilhaft ist das beschriebene Verfahren, wenn an der
Verbindungsstelle die Verdampfer in Form eines Venturizohres ausgebildet sind, wie
in A'bb. r i dargestellt. An der Verbindungsstelle des Überströmrohres i i mit dem
Verdampferrohr g istdas Einsatzstück 33 in Form eines Venturirohres ausgebildet.
Dies hat den Vorzug, daß der Druckunterschied zwischen ungleich beheizten Verdampferrohren,
wie in Abb. i gezeigt wurde, an der engsten Stelle des Einsatzes noch bedeutend
vergrößert wird, so daß das Überströmen von Dampf unterstützt wird. Gleichzeitig
wird durch das Einsatzstück eine starke Drosselung erreicht in allen den Rohren,
die schwach beheizt sind, während in den stark beheizten Rohren, aus denen über
das Verbindungsrohr To Dampf abströmt, keine nennenswerte Drosselung eintritt, möglicherweise
sogar noch ein Druckgewinn erzielt wird. Diese Wirkung ergibt sich dadurch, daß
der überströmende Dampf in dem dif£usorartig ausgebildeten hinteren Teil des Einsatzstückes
verdichtet werden muß, während in den beheizten Rohren die Verdichtungsarbeit um
den Anteil des abgeströmten Dampfes geringer geworden ist und unter Umständen die
Entspannungsarbeit sogar überwiegen kann. Die Verengung im Rohr braucht nicht sehr
groß zu sein, so,daß Verstopfungen an dieser Stelle nicht zu befürchten sind. Durch
die starke Beschleunigung,des Wassers an dieser Stelle ist es fast ausgeschlossen,
daß Wasser mit überströmt, sondern auf Grund seiner geringen Trägheit nur Dampf
aus dem Gemischstrom abgekühlt wird.
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Abb. 12 zeigt eine Ausführungsform, in der das Einsatzstück 33 im
engsten Querschnitt mehrere Bohrungen 34 aufweist, die zu einem Ringraum 35 führen,
von dein aus der Dampf abströmt bzw. einströmt.
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In Abb. 13 ist das Einsatzstück durch das Überströmrohr i i selbst
ersetzt, das außermittig in die Verdampferrohre eingeschweißt ist und im engsten
Querschnitt Bohrungen oder Schlitze 34 aufweist. Bei dieser strömungstechnisch etwas
ungünstigen Form ist zwar der Strömungsverlust höher, jedoch kommt es im allgemeinen
darauf nicht so sehr an.
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Wie Abb-. 14 zeigt, genügt es auch zur Erzielung der angestrebten
Wirkung, wenn an der Verbindungsstelle die Verdampferrohre g einfach zusammengedrückt
werden.