Verfahren zur Erzielung einer gleichmässigen Endtemperatur der Teilströme eines durch einen Wärmeaustauscher mit aufgeteilten Heizflächen fliessenden Arbeitsmittels Das Patent betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer gleichmässigen Endtemperatur der Teilströme eines zur Dampferzeugung in einem Dampferzeuger verwendeten Arbeitsmittels,
das durch einen in min destens eine Strahlungs- und eine Berührungsheiz fläche aufgeteilten und durch ein gasförmiges Mittel beheizten Wärmeaustauscher hindurchströmt. Das Pa tent betrifft ferner eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Bisher wurde das gesamte, durch einen Wärme austauscher fliessende Medium zunächst durch eine oder mehrere Strahlungsheizflächen und dann durch eine oder mehrere Berührungsheizflächen oder auch durch in Strömungsrichtung hintereinander und mit einander abwechselnd angeordnete Strahlungs- und Berührungsheizflächen des Wärmeaustauschers gelei tet.
Da Strahlungs- und Berührungsheizflächen gegen läufige Temperaturcharakteristiken aufweisen, das heisst, dass die Temperaturcharakteristik der Strah lungsheizfläche bei sinkender Last ansteigt und die der Berührungsheizfläche abfällt, wird durch diese Schaltung die Gesamtcharakteristik vergleichmässigt. Die vorerwähnten Schaltungen haben jedoch den Nachteil, dass der Werkstoff jeder Heizfläche für die höchste Temperatur der jeweiligen Charakteristik aus gelegt oder eine Einspritzkühlung vorgesehen werden muss. Das erfordert entweder hochwertigen Werkstoff oder bedingt eine Vergrösserung der Heizflächen und höheren Druckverlust.
Ferner befriedigt diese Schal tung bei Dampferzeugern mit hoher Leistung nicht, da es wegen der grossen Zahl der parallelen Stränge nicht mehr ohne weiteres möglich ist, die Temperatur des Mediums insbesondere bei Lastschwankungen in allen Rohrsträngen auf einem bestimmten Wert zu halten.
Demgegenüber werden gemäss dem Verfahren nach der Erfindung die beiden zum Wärmeaustau- scher gehörenden Heizflächen vom Arbeitsmittel in Parallelschaltung durchströmt, wobei die Menge des Arbeitsmittels in einem solchen Verhältnis auf die beiden Heizflächen verteilt wird, dass jeder der daraus austretenden Arbeitsmittelströme die gleiche Endtem- peratur besitzt.
Das Verfahren nach der Erfindung hat den Vor teil, dass jede Heizfläche nicht mehr eine bestimmte, sondern entsprechend der jeweils unterschiedlichen Durchflussmenge eine unendliche Anzahl von Cha rakteristiken aufweist. Aus jeder dieser unendlich vie len Charakteristiken wird durch die Parallelschaltung von Strahlungs- mit Berührungsheizfläche und durch die Verteilung der Durchflussmenge in Abhängigkeit von den Austrittstemperaturen des Mediums aus den Heizflächen des Wärmeaustauschers immer der Tem peraturpunkt eingestellt, der das Optimum der gerade gefahrenen Last für die betreffende Heizfläche dar stellt.
Über den gesamten Lastbereich ist diese opti male Temperatur annähernd gleich, so dass der Werk stoff der Heizflächen nicht mehr für die übertempe- raturen ausgelegt zu werden braucht.
Weiterhin ist jede Heizfläche nur noch für eine Teilmenge der Maximalleistung auszulegen, so dass Teilmenge Zahl der parallelen Stränge in dieser Heizfläche kleiner und die Temperaturverteilung in den Strän gen besser ist.
Weitere Vorteile bietet das Verfahren nach der Erfindung darin, dass bei Dampferzeugern, die mit zwei grundverschiedenen Brennstoffen, wie z. B. Kohle und Gichtgas, einzeln oder in beliebigem Men genverhältnis beheizt werden, keine Temperaturbeein flussung der Endtemperatur erfolgt, wenn beim Ab schalten einer der beiden Brennstoffsorten sich die Haupiwärmeabgabe von der Strahlungs- in die Be- rührungsheizfläche des Dampferzeugers verschiebt oder umgekehrt,
da sich dann auch sofort die Durch- flussmenge von der Strahlungs-in die Berührungsheiz fläche verlagert oder umgekehrt.
Da sich in sämtlichen Heizflächen immer das Temperaturoptimum der gerade gefahrenen Last ein stellt, ergibt sich auch ein Optimum an Wärmeaus nutzung, was darin zum Ausdruck kommt, dass die Abgastemperatur des Dampferzeugers über den Last bereich annähernd konstant auf dem niedrigst erreich baren Wert bleibt.
Beim Anfahren des Dampferzeugers bieten die in parallel geschaltete Strahlungs- und Berührungsheiz flächen aufgeteilten Wärmeaustauscher den Vorteil, dass der Hauptstrom der Durchflussmenge sich immer in den Heizflächenteil verlagert, welcher momentan die grösste Wärmeaufnahme hat.
Das kann so weit gehen, dass unter Umständen die gesamte Anfahr- menge nur durch die Strahlungsheizfläche hindurch strömt, oder dass durch die Berührungsheizfläche nur eine minimale Durchflussmenge hindurchströmt, so lange, bis auch in dieser Heizfläche eine grössere Wär meaufnahme stattfindet, was sich durch Steigen der Temperatur am Austritt aus dem Wärmeaustauscher bemerkbar macht, worauf dann auch dieser Heizfläche die der Wärmeaufnahme entsprechende Teilmenge zugeführt wird.
y Das Verfahren nach der Erfindung wird anschlie ssend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Schaltbild eines Dampferzeugers, Fig. 2 eine Mischeinrichtung im lotrechten Schnitt, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2.
In Fig. 1 sind drei durch ein gasförmiges Mittel beheizte überhitzerstufen 1, 2 und 3 eines Dampf erzeugers dargestellt. Jede überhitzerstufe ist auf geteilt in eine Strahlungsheizfläche S1 <I>bzw.</I> S2 bzw. S3 und eine Berührungsheizfläche Bi <I>bzw. B2</I> bzw. B3, die im Dampfstrom innerhalb jeder überhitzerstufe parallel geschaltet sind.
Die im Dampferzeuger er zeugte Gesamtdampfmenge strömt der ersten 17ber- hitzerstufe 1 von einer Sammelleitung a über einen Drehschieber D1 zu, der dazu dient, die zuströmende Gesamtmenge des Arbeitsmittels auf die Strahlungs heizfläche S1 und die Berührungsheizfläche Bi aufzu teilen.
Um dies zu erreichen, ist am Austritt der Heiz flächen S1 und Bi je ein Temperaturmessorgan Ti" und <B>Ab</B> vorgesehen, die beide die Messwerte auf einen<B>A, -</B> Regler R1 bekannter Bauart übertragen. In dem Regler R1 werden die beiden Temperaturen miteinan der verglichen und bei Temperaturunterschieden der Drehschieber D1 verstellt, so dass jeder der beiden Heizflächen S1,
Bi ein entsprechend bemessener Teil strom des Arbeitsmittels zugeteilt wird. Entsprechend dieser Teilstrommenge wird die Austrittstemperatur der beiden Heizflächen S1 und Bi so lange beein- flusst, bis sie beide den gleichen Wert angenommen haben.
Hinter den Temperaturmessorganen Tia und Ti, werden die aus den Heizflächen S1 und Bi aus- tretenden Teilmengen in der Mischeinrichtung M1 wieder miteinander vermischt und der nachfolgenden Überhitzerstufe 2 und so weiter in der gleichen Weise zugeführt. Entsprechende Bezugszeichen gelten sinn gemäss für die nachfolgenden überhitzerstufen.
In der Mischeinrichtung nach den Fig. 2 und 3 sollen die Dampfanteile des Strahlungsteiles S<B>,</B> und des Berührungsteiles Bi zur Vermeidung von Strähnen bildung durch Verwirbelung auf dem kürzesten Wege vermischt werden. Ausserdem sollen in der Mischein richtung unterschiedliche Austrittsdrücke der zuein ander parallel geschalteten Heizflächen, die sich bei Veränderung der Durchflussmenge einstellen, in Geschwindigkeit umgesetzt werden, um auch so die Vermischung zu fördern.
Um dies zu erreichen, ist die Austrittsleitung b des Strahlungsteiles S1 mit der Sammelleitung a unmittelbar verbunden, während die Austrittsleitung c des Berührungsteiles Bi koaxial un ter Belassung eines Ringspaltes d in die Sammellei- tung a geführt ist. Am Ende der Austrittsleitung e sind Wirbelbleche oder Leitschaufeln e und ein ko axial angeordneter, den Dampfstrom nach aussen füh render Leitkörper f vorgesehen.
Desgleichen sind in dem Ringspalt d am Ende des Austrittsrohres c Wir belbleche oder Leitschaufeln g angeordnet, deren Drallrichtung jedoch entgegengesetzt der Drallrich- tung der Leitschaufeln e verlaufen. Ferner ist an der Stelle der Zusammenführung der beiden Dampfströme in der Sammelleitung<I>a</I> ein Schutzrohr <I>h</I> für die Wan dung der Sammelleitung a vorgesehen.
Der Erfindungsgedanke gilt sehr allgemein. Er lässt sich auf jeden Wärmeaustauscher eines Dampf erzeugers anwenden, sei es ein Speisewasservorwär- mer (Economiser), ein Verdampfer, ein überhitzer, ein Zwischenüberhitzer oder auch nur ein Teilstück eines der genannten Wärmeaustauscher.
Weiterhin ist es möglich, jeden geteilten Wärme- austauscher nicht nur in eine Strahlungsheizfläche und eine Berührungsheizfläche aufzuteilen, sondern eben sogut kann er in mehrere parallel geschaltete Strah lungsheizflächen und Berührungsheizflächen aufgeteilt werden.
Das Verfahren kann in Verbindung mit Dampf erzeugern jeder Bauart angewendet werden, z. B. in Zwangsdurchlauf- oder in Zwangsumlauf- oder in Naturumlauf-Dampferzeugern, bei letzteren mit Aus nahme des Verdampfungsteiles.
Die Aufteilung der Teilmengen des Arbeitsmittels in die parallel geschalteten Heizflächen kann in dem bereits genannten Drehschieber oder aber auch mittels zweier oder mehrerer voneinander unabhängiger Re gelventile, je eines für jede Strahlungs- bzw. Berüh rungsheizfläche, erfolgen.
Die Abführ- und Zuführleitungen von und zu den einzelnen Heizflächen haben kleineren Querschnitt und damit geringere Wandstärke und benötigen ins gesamt einen geringeren Materialaufwand als die frü her benötigten Leitungen, die für die ganze Menge der Maximalleistung ausgelegt sein mussten. Die Sammelleitungen a für die Gesamtdurchfluss- menge zwischen einer Mischstelle hinter einem geteil ten Wärmeaustauscher und der Stelle der Wiederauf teilung vor dem nächsten geteilten Wärmeaustauscher können infolge des Einbaues einer besonderen Misch einrichtung so kurz wie möglich gehalten werden, um Material zu sparen.
Method for achieving a uniform final temperature of the partial flows of a working medium flowing through a heat exchanger with divided heating surfaces The patent relates to a method for achieving a uniform final temperature of the partial flows of a working medium used to generate steam in a steam generator,
which flows through a in least one radiant and a touch heating surface divided and heated by a gaseous agent heat exchanger. The patent also relates to a device for carrying out the method.
So far, the entire medium flowing through a heat exchanger was first passed through one or more radiant heating surfaces and then through one or more contact heating surfaces or also through alternately arranged radiant and contact heating surfaces of the heat exchanger in the direction of flow.
Since radiant and contact heating surfaces have opposite temperature characteristics, which means that the temperature characteristics of the radiant heating surface increases with decreasing load and that of the contact heating surface decreases, the overall characteristic is evened out by this circuit. The aforementioned circuits, however, have the disadvantage that the material of each heating surface has to be designed for the highest temperature of the respective characteristic or that injection cooling has to be provided. This either requires high-quality material or requires an enlargement of the heating surface and higher pressure loss.
Furthermore, this scarf is not satisfactory device for steam generators with high performance, because it is no longer easily possible due to the large number of parallel strings to keep the temperature of the medium at a certain value, especially with load fluctuations in all pipe strings.
In contrast, according to the method according to the invention, the two heating surfaces belonging to the heat exchanger are flowed through by the working medium in parallel, the amount of working medium being distributed over the two heating surfaces in such a ratio that each of the working medium flows exiting therefrom has the same final temperature .
The method according to the invention has the advantage that each heating surface no longer has a specific, but rather an infinite number of characteristics corresponding to the respective different flow rate. From each of these infinitely many characteristics, the parallel connection of radiant and contact heating surfaces and the distribution of the flow rate depending on the outlet temperatures of the medium from the heating surfaces of the heat exchanger are always used to set the temperature point that is the optimum for the load being driven Represents heating surface.
This optimal temperature is almost the same over the entire load range, so that the material of the heating surfaces no longer needs to be designed for the excessive temperatures.
Furthermore, each heating surface is only to be designed for a subset of the maximum output, so that a subset of the number of parallel strands in this heating surface is smaller and the temperature distribution in the strands is better.
The method according to the invention offers further advantages in that, in steam generators that use two fundamentally different fuels, such as. B. coal and furnace gas can be heated individually or in any quantity ratio, there is no temperature influence on the final temperature if, when switching off one of the two types of fuel, the main heat output shifts from the radiation to the contact heating surface of the steam generator or vice versa,
as the flow rate is then immediately shifted from the radiant to the touch heating surface or vice versa.
Since the optimum temperature of the load currently being driven is always set in all heating surfaces, there is also optimum heat utilization, which is expressed in the fact that the exhaust gas temperature of the steam generator remains almost constant over the load range at the lowest possible value.
When starting up the steam generator, the heat exchangers, which are divided into parallel-connected radiant and contact heating surfaces, offer the advantage that the main flow of the flow rate is always shifted to the part of the heating surface, which currently has the greatest heat absorption.
This can go so far that, under certain circumstances, the entire start-up quantity only flows through the radiant heating surface, or that only a minimal flow rate flows through the contact heating surface until a greater amount of heat is absorbed in this heating surface, which is achieved by rising the temperature at the outlet from the heat exchanger makes noticeable, whereupon the partial amount corresponding to the heat absorption is also fed to this heating surface.
y The method according to the invention is then explained using the drawing, for example. 1 shows the circuit diagram of a steam generator, FIG. 2 shows a mixing device in vertical section, FIG. 3 shows a section along the line III-III in FIG. 2.
In Fig. 1 three heated by a gaseous agent superheater stages 1, 2 and 3 of a steam generator are shown. Each superheater stage is divided into a radiant heating surface S1 <I> or </I> S2 or S3 and a contact heating surface Bi <I> or B2 </I> or B3, which are connected in parallel in the steam flow within each superheater stage.
The total amount of steam generated in the steam generator flows to the first superheater stage 1 from a manifold a via a rotary valve D1, which is used to divide the total amount of working fluid flowing into the radiant heating surface S1 and the contact heating surface Bi.
In order to achieve this, a temperature measuring element Ti "and <B> Ab </B> is provided at the exit of the heating surfaces S1 and Bi, both of which transfer the measured values to a known type of controller R1 The two temperatures are compared with one another in the controller R1 and, if there are temperature differences, the rotary slide valve D1 is adjusted so that each of the two heating surfaces S1,
Bi a correspondingly dimensioned partial flow of the working medium is allocated. The outlet temperature of the two heating surfaces S1 and Bi is influenced in accordance with this partial flow rate until they both have assumed the same value.
After the temperature measuring elements Tia and Ti, the partial quantities emerging from the heating surfaces S1 and Bi are mixed with one another again in the mixing device M1 and fed in the same way to the subsequent superheater stage 2 and so on. Corresponding reference symbols apply accordingly to the following superheater stages.
In the mixing device according to FIGS. 2 and 3, the steam fractions of the radiation part S and of the contact part Bi are to be mixed in the shortest way to avoid the formation of strands by swirling. In addition, in the mixing device, different outlet pressures of the heating surfaces connected in parallel, which occur when the flow rate changes, are to be converted into speed in order to promote mixing.
In order to achieve this, the outlet line b of the radiation part S1 is directly connected to the collecting line a, while the outlet line c of the contact part Bi is guided coaxially into the collecting line a, leaving an annular gap d. At the end of the outlet line e, swirl plates or guide vanes e and a coaxially arranged guide body f which guides the steam flow to the outside are provided.
Likewise, vortex plates or guide vanes g are arranged in the annular gap d at the end of the outlet pipe c, but their direction of twist is opposite to the direction of twist of the guide vanes e. Furthermore, at the point where the two steam flows are brought together in the collecting line <I> a </I>, a protective tube <I> h </I> is provided for the wall of the collecting line a.
The idea of the invention is very general. It can be applied to every heat exchanger of a steam generator, be it a feed water preheater (economiser), an evaporator, a superheater, a reheater or just a part of one of the named heat exchangers.
Furthermore, it is possible not only to divide each divided heat exchanger into a radiant heating surface and a contact heating surface, but it can also be divided into several radiant heating surfaces and contact heating surfaces connected in parallel.
The method can be used in conjunction with steam generators of any type, e.g. B. in forced flow or in forced circulation or in natural circulation steam generators, in the latter case with the exception of the evaporation part.
The division of the partial quantities of the working fluid into the heating surfaces connected in parallel can take place in the aforementioned rotary valve or by means of two or more independent Re control valves, one for each radiant or touch heating surface.
The discharge and supply lines from and to the individual heating surfaces have a smaller cross-section and thus a smaller wall thickness and, overall, require less material expenditure than the previously required lines, which had to be designed for the whole amount of maximum output. The collecting lines a for the total flow rate between a mixing point behind a divided heat exchanger and the point of redistribution before the next divided heat exchanger can be kept as short as possible due to the installation of a special mixing device in order to save material.