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Dampfkraftanlage mit Zwischenüberhitzung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Dampfkraftanlage mit Dampferzeuger, Turbinenanlage und Zwischenüberhitzung
des in der Turbinenanlage teilweise entspannten Dampfes, wobei die Zwischenüberhitzung
teils mittels Rauchgasen und teils mittels Hochdruckdampf stattfindet.
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Es ist bekannt, einem rauchgasbeheizten Zwischenüberhitzer einen mit
gesättigtem Hochdruckdampf beheizten. Zwischenüberhitzer vorzuschalten, in dem der
zwischenzuüberhitzende Dampf mehr oder weniger überhitzt wird, bevor er in den rauchgasbeheizten
Zwischenüberhitzer eintritt. Der Hochdruckheizdampf kondensiert dabei, und das Kondensat
gelangt in die Kesseltrommel zurück. Ferner ist es bekannt, die Rohre des Horhdruckdampfüberhitzers
und des Zwischenüberhitzers, die beide rauchgasbeheizt sind, ohne gegenseitige Berührung
parallel nebeneinanderzulegen. Mit dieser Anordnung sollte eine gegenseitige Beeinflussung
der Temperatur der beiden Dampfströme erzielt werden. Es hat sich aber gezeigt,
daß eine ins Gewicht fallende Beeinflussung der Temperaturen nicht eintritt, weil
die Wärme von einem Dampfstrom zum anderen zwei Rohrwände und den Raum zwischen
den Rohren durchqueren muß, wobei dieser Raum wegen des runden Rohrquerschnittes
von der engsten Stelle aus rasch größer wird. Insbesondere bei kleinen Temperaturdifferenzen
zwisehen
dem Hochdruckdampf und dem Mitteldruckdampf, z. B. in
der Größe von weniger als 30° C, tritt keine gegenseitige Beeinflussung ein. Ferner
ist es nicht möglich, bei allen Lasten thermodynamisch günstig Wärme vom Hochdruckdampf
an den Mitteldruckdampf abzugeben, ohne daß bei Teillast der Hochdruckdampf auch
Wärme an das Rauchgas abgibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zwischenüberhitzeranordnung
zu schaffen, die gleichzeitig folgende drei Forderungen erfüllt: a) starke gegenseitige
Beeinflussung der Hochdruckdampf- und der Mitteldruckdampftemperatur durch große
Wärmedurchgangszahl zwischen diesen Medien, b) möglichst große Wärmeübertragung
von den Rauchgasen an den Dampf bei hohem thermodynamischem Wirkungsgrad, c) bei
allen Lasten keine Wärmeabgabe vom Dampf an die Rauchgase.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß wenigstens ein Teil der Zwischenüberhitzerheizfläche
derart in einem im Rauchgasstrom des Dampferzeugers. untergebrachten und von der
Feuerung beeinflußten Wärmeübertrager angeordnet ist, daß die Rohre des Zwischenüberhitzers
und des Hochdruckdampfüberhitzers im wesentlichen konzentrisch ineinander angeordnet
sind.
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Die neue Zwischenüberh,itzeranordnung hat gegenüber der Anordnung
mit parallelen Rohren den Vorteil des günstigsten Wärmeüberganges, da die Wärme
auf k ürzestern Wege von einem Dampfstrom zum anderen gelangt. Ferner ergibt sich
durch die neue Anordnung eine kompakte Bauform, die weniger Platz im Dampferzeuger
beansprucht als die bekannte Anordnung mit parallelen Rohren. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß wegen der Wirksamkeit der neuen Anordnung auch bei kleinen Temperaturdifferenzen
die Regelbarkeit der Hochdruckdampfiiberhitzungstemperatur und der Zwischenüberhitzungstemperatur
sehr genau wird, was sich einerseits auf das Betriebsverhalten des Dampferzeugers
(kleinere Regelabweichungen) und andererseits auf die Wirtschaftlichkeit des Dampferzeugers
gut auswirkt.
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Es sind außerhalb des Dampferzeugers befindlieheWärmeübertrager bekannt,
die aus ineinandergesteckten Rohrschlangen bestehen, von denen das oder die inneren
Rohre überhitzten Hochdruckdampf führen, der den durch das äußere Rohr strömenden
Zwischendampf überhitzt. Dieser Wärmeübertrager ist nicht von den Rauchgasen beeinflußt.
Es ist nicht erkannt worden, d'aß, wenn ein solcher Wärmeübertrager derart im Rauchgasstrom
des Dampferzeugers angeordnet ist, daß er von der Feuerung beeinflußt ist, die Vorteile
der erfindungsgemäßen Anordnung erzielt werden.
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Schließlich sind auch als Hochdruckdampfkühier wirkende Wärmeübertrager
bekannt, die man am Ende des Rauchgaszuges in den Dampferzeuger eingebaut hat, um
Verluste durch Abstrahlung von Wärme aus dem Hochdruckdampf zu vermeiden; der Rauchgasstrom
wirkt hier nur als Wärmeisolierung.
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Besteht der erfindungsgemäße Wärmeübertrager aus einer Gruppe von
äußeren Rohren, die je mindestens ein' inneres, einer zweiten Gruppe zugehöriges
Rohr umschließen, und läßt man den teilweise entspannten Dampf durch die äußeren
Rohre und den Hochdruckdampf durch die inneren Rohre strömen, so ordnet man den
Wärmeübertrager vorteilhaft außerhalb des Strahlungsbereiches der Feuerung an. Man
hat dann einen zugleich dampf-und rauchgasbeheizten Zwischenüberhitzer vor sich.
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Oftmals reicht der im Strahlungsschatten liegende Teil des Dampferzeugers
nicht zur Unterbringung der gesamten Zwischenüberhitzerheizfläche aus. Dann empfiehlt
es sich, den teilweise entspannten Dampf durch die inneren Rohre strömen zu lassen
und den Hochdruckdampf durch die äußeren Rohre zu schicken, der dann den im Strahlungsbereich
liegenden Zwischenüberhitzer vor Übertemperaturen schützt, ohne daß komplizierte
Schutzschaltungen angewendet werden müssen. In diesem Fall wird der zwischenzuüberhitzende
Dampf indirekt beheizt, gleichzeitig aber der heizende Hochdruckdampf von der Feuerung.
her beheizt.
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Während aus Gründen des Wärmeüberganges, des Druckes und anderer Überlegungen
der Einbau mehrerer innerer Rohre in ein äußeres Rohr günstig erscheint, wird man
sich in den meisten Fällen aus konstruktiven Gründen auf ein inneres Rohr beschränken,
insbesondere wenn jedes äußere Rohr zusammen mit dem inneren Rohr in Haarnadelform
gebogen ist. Der Wärmeübertrager kann auch Mäanderform haben, wenn nämlich mehrere
Haarnadelbogen hintereinandergeschaltet sind.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann auch als Regelheizfläche
dienen. Man sieht dann Mittel zur Beeinflussung der Menge oder der Temperatur des
durch den Wärmeübertrager strömenden Hochdruckdampfes vor, derart, daß der teilweise-entspannte
Dampf im Wärmeübertrager bei Untertemperatur durch den Hochdruckdampf beheizt und
bei Übertemperatur gekühlt wird.
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In der folgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. z eine Dampfkraftanlage mit
einer erfindungsgemäßen Zwischenüberhitzeranordnung, Fig. 2 einen Ausschnitt aus
einem Dampferzeuger, bei dem der erfindungsgemäße Wärmeübertrager als Temperaturregelglied
zwischen Zwischenüberhitzerheizflächen geschaltet ist, Fig.3 eine Abwandlung des
Ausführungsbeispieles nach Fig. 2, Fig.4 ein Element des Wärmeübertragers vor dem
Einbau in den Dampferzeuger und Fig. 5 einen Schnitt durch die Verbindungsstelle
eines äußeren Rohres des Wärmeübertragers mit einem Rohr der anschließenden Heizfläche.
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Gemäß Fig. r wird der Dampferzeuger r durch eine Feuerung :2 beheizt.
Die in der Brennkammer 3 angeordneten Heizflächen sind hauptsächlich der
direkten
Strahlung des Feuers ausgesetzt, während die im Rauchgaszug 4 liegenden Heizflächen
durch die Rauchgase beeinflußt werden. Das flüssige Arbeitsmittel wird dem Dampferzeuger
durch einen Eintrittskollektor 5 zugeführt. Es strömt durch die Sekundärseite des
arbeitsmittell>eheizten Speisewasservorwärmers 6, durch den rauchgasbeheizten Speisewasservorwärmer
7 - den »Economiser« -und tritt dann in die Heizfläche8 ein, in welcher die Umwandlung
des flüssigen Arbeitsmittels in Dampf stattfindet. Der Dampf wird dann durch die
Leitung 9 einer ersten Überhitzerheizfläche io zugeführt und durchströmt anschließend
den Wärmeübertrager i i, der gleichzeitig als zweite L.Tl>erhitzerheizfläche und
in seinem Innern als Zwischenüberhitzerheizfläche dient. Schließlich strömt der
Dampf durch, die dritte Überhitzerheizfläche 12 und über die Leitung 13 in den Hochdruckteil
14 der Turbinenanlage. Der teilweise entspannte Dampf gelangt über die Leitung 15
in eine ra.uchgasbeheizte Zwischenü berhitzerheizfläche 16 und anschließend in das
innere Rohrsystem des Wärmeübertragers ii. Der zwischenüberhitzte Dampf strömt durch
die Leitung 17 in den Niederdruckteil 18 der Turbinenanlage, welcher mit dem Hochdruckteil
14 auf einer Welle sitzt und den elektrischen Generator i9 antreibt, und wird nach
seiner Entspannung über die Leitung 2o als Kondensat abgeführt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel reicht der im Strahlungsschatten
liegende Teil des Dampferzeugers nicht aus, die gesamte Zwischenüberhitzerheizfläche
dort unterzubringen. Man ist also gezwungen, einen Teil der Zwischenüberhitzerheizfläche
in der Brennkammer - vorzugsweise als Wandauskleidung - anzuordnen. Da Zwischenüberhitzer
nicht dauernd vom Arbeitsmittel durchströmt werden, beispielsweise beim Anfahren,
müssen die in der Brennkammer angeordneten Teile dieser Heizfläche gegen die Strahlung
geschützt werden. Dies geschieht mit der erfindungsgemäßen Anordnung dadurch, daß
der teilweise entspannte Dampf durch die Innenrohre 21 des Wärmeübertragers i i
und der Hochdruckdampf durch die äußeren Rohre 22 - oder genauer gesagt, durch den
Ringraum zwischen. den äußeren Rohren 22 und den inneren Rohren 21 - geleitet wird.
Man kann hierbei von einer dampfbeheizten Zwischenüberhitzerheizfläche sprechen,
bei welcher jedoch keine Verluste durch Wärmeabstrahlung nach außen auftreten, da.
der Heizdampf an der gleichen Stelle, an der er Wärme an den Mitteldruckdampf abgibt,
auch Wärme aus den Rauchgasen aufnimmt, und bei welcher die Heizflächenersparnis
gegenüber bekannten Zwischenüberhitzern beträchtlich ist.
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Der Wärmeübertrager i i besteht aus einer Anzahl parallel geschalteter
Rohre. Es läßt sich einrichten, daß die Rohrzahl der Überhitzerheizflächen io und
12, die der Zwischenüherhitzerlieizfläche 16 und die des Wärmeübertragers i i übereinstimmen.
Auf diese Weise kann man die Zahl der Kollektoren wesentlich herabsetzen, da man
sowohl jedes äußere Rohr des Wärmeübertragers i i mit einem Rohr der Überhitzerheizflächen
und jedes innere Rohr 21 mit einem Rohr der Zwischenüberhitzerheizfläche 16 direkt
für sich verbinden kann. So kann man sich auf einen Kollektor 23 am Eintritt der
Überhitzerheizfläche i o, einen Kollektor 24 am Austritt der Überhitzerheizfläche
12, einen Kollektor 25 am Eintritt der Zwischenüberhitzerheizfläche 16 und einen
Kollektor 26 am Austritt aus den inneren Rohren2i des Wärmeübertragers ii beschränken.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 stimmen die nicht gezeigten
Teile mit denen der Fig. i überein. Der Hochdruckdampf wird durch die Leitung 9
der ersten Überhitzerheizfläche 31 zugeführt. Er strömt weiter über die Leitung
32 durch das Innenrohr 33 eines Wärmeübertragers 34 und über die Leitung 35 zu weiterer
Überhitzung in die Überhitzerheizfläche 36, von wo er über die Leitung 13 in den
Hochdruckteil der Turbinenanlage geführt wird. Der teilweise entspannte Dampf gelangt
durch die Leitung 15 in eine erste rauchgasbeheizte Zwischenüberhitzerheizfläche
37, weiter in das äußere Rohr 38 des Wärmeübertragers 34 und schließlich in eine
zweite rauchgasbeheizte Zwischenüberhitzerheizfläche 39., von der aus der Dampf
über die Leitung 17 dem Niederdruckteil der Turbinenanlage zugeführt wird.
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Der Wärmeübertrager 34 kann hier zugleich als dampf- und rauchgasbeheizter
ZwischenüNerhitzerteil wirken. Von besonderem Vorteil ist jedoch die dargestellte
Anlage, wenn die Rauchgase den teilweise entspannten Dampf in dem äußeren Rohr 38
von außen beheizen, der Hochdruckdampf in dem inneren Rohr 33 aber dem teilweise
entspannten Dampf bei Untertemperatur Wärme zuführt und bei Übertemperatur Wärme
entzieht. Der Wärmeübertrager dient also einerseits als normale Zwischenüberhitzungsheizfläche
und zum anderen als Temperaturregelglied für den zwischenüberhitzten Dampf. Zur
Temperaturregelung des Dampfes am Ende der Überhitzungsheizflächen sind hier zwei
Einspritzstellen 4o und 41 vorgesehen. Durch die Einspritzstelle 4o wird jeweils
so viel oder so wenig Wasser in die Leitung 32 eingespritzt, daß der Dampf
in dem Innenrohr 33 eine tiefere oder höhere Temperatur als der teilweise entspannte
Dampf in dein Außenrohx 38 besitzt und ihm deshalb Wärme entzieht oder zuführt.
Die restliche Einspritzung an der Stelle 41 in die Leitung 35 besorgt dann den Temperaturausgleich
am Ende der Überhitzerheizfläche 36. Schließlich ist noch eine Verbindungsleitung
42 zwischen den Leitungen 32 und 35 vorgesehen, die durch ein Drosselorgan oder
Ventil 43 geöffnet werden kann. Sie dient hauptsächlich dazu, die Temperatur des
Dampfes in der Leitung 35 bei zu starker Abkühlung mittels heißen Dampfes aus der
Leitung 32, welcher nicht durch Wassereinspritzung gekühlt ist, wieder zu erhöhen.
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Wegen der Wassereinspritzung, die sich ja auf alle parallel geschalteten
Rohre des Wärmeübertragers bzw. der übrigen Heizflächen gleichmäßig auswirken soll,
sind hier mehr Kollektoren vorhanden; dies betrifft die gegenüber Fig. i zusätzlichen
Kollektoren 44, 45. 46 und 47 zu Beginn
bzw. am Ende der Leitungen
32 und 35. Es ist aber zu beachten, daß für die Verbindung der Zwischenüberhitzerheizflächen
37 und 39 mit denn äußeren Rohr 38 des Wärmeübertragers 34 keine Kollektoren benötigt
werden.
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Wenn die Beheizung des ..Arbeitsmittels in den einzelnen parallel
geschalteten Zweigen des Wärmeaustauschers 34 oder der Zwischenüberhitzerheizflächen
37 und 39 unterschiedlich ist, können gemäß Fig. 3 die Kollektoren 48 und 48 a,
49 und 49 a zum Ausgleich zweckmäßig sein.
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Fig.4 stellt eines der parallel zu schaltenden Elemente 5 z eines
Wärmeübertragers dar. In das äußere Rohr 52 wird das innere Rohr 53 eingeschoben,
und beide Rohre werden gemeinsam gebogen. Diese Art der Herstellung eignet sich
insbesondere dann., wenn sich nur ein inneres Rohr in dem äußeren befindet. Bei
größeren Heizflächen ist es von Vorteil, mehrere Haarnadelbögen 54 hintereinanderzuschalten.
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In Fig. 5 ist schließlich eine kollektorlose Verbindung eines äußeren
Rohres 52 mit einem Rohr 55 einer anschließenden Heizfläche gezeigt. Auf die Stirnfläche
56 des äußeren Rohres 52 wird ein Winkelstück 57 geschoben, das mittels der Schweißnaht
58 mit dem Rohr 55, mittels der Schweißnaht 59 mit dem äußeren Rohr 52 und mittels
der Schweißnaht 6o mit dem inneren Rohr 53 verbunden wird.
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Der Anwendungsbereich der Erfindung ist sehr allgemein. Es ist unerheblich,
ob es sich um Zwangdurchlaufkessel oder anders betriebene Dampferzeuger handelt.
Es spielt auch keine Rolle, ob die Dampfkraftanlage mit überkritischem oder geringerem
Druck betrieben wird. Der Wärmeübertrager kann in Form von Bündeln oder als Wandauskleidung
in dem Kessel angeordnet sein. Bei größeren Kesseln wird er auch als Schottenwand
eingesetzt werden, wobei dann. die Form der Kollektoren etwas abgewandelt werden
müßte. Schließlich ist auch der Querschnitt der Innen- und Außenrohre des Wärmeübertragers
den Betriebsbedingungen leicht anzupassen.