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Dampferzeuger Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger und bezieht
sich insbesondere auf einen Wärmetauscher mit einem fluidisierten Bett, d. h., genauer
gesagt, auf einen Dampferzeuger, der aus einer Vielzahl von auSeinander gestapelter
fluidisierter Betten besteht, die zur Dampferzeugung dienen.
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Die Verwendung von fein gemahlenem Brennstoff wie Kohle ist eine allgemein
bekannte Wärmequelle zur Dampferzeugung. Bei einigen der bekannten Anordnungen wird
der Brennstoff in einem festen Bett angeordnet, wobei eine Kettenrostheizeinrichtung
oder eine ähnliche Einrichtung verwendet wird, um die Verbrennung zu fördern, und
wobei Wasser in einer Wärmeaustauschbeziehung dazu steht, um Dampf zu erzeugen.
Solche Anordnungen
leiden jedoch unter verschiedenen Nachteilen,
zu denen die Handhabung des festen Brennstoffes gehört, während er im Betrieb den
Betten zugeführt wird oder aus denselben abgeführt wird. Weiterhin wird ein verhältnismäßig
geringer Wärmeübergang erreicht, und die Bettentemperaturen sind oft ungleichförmig
und schwer regulierbar.
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Es sind Versuch unternommen worden, ein fluidisiertes Bett dazu zu
verwenden, um Wärme zur Dampferzeugung zu erzeugen, und zwar aufgrund der Tatsache,
daß ein fluidisiertes Bett die Vorteile eines verbesserten Wärmeübergangs, bzw.
einer verbesserten Wärmeübergangsrate aufweist, wobei zugleich eine geringere Korrosion,
eine verminderte Kesselverschmutzung, ein verbesserter Wirkungsgrad, eine Verbrennung
bei geringeren Temperaturen und eine geringere Kesselgröße zu verzeichnen sind.
Bei solchen Anordnungen wird Luft nach oben durch eine Masse von körnigem Brennstoffmaterial
hindurchgeführt, wodurch das Material dazu gebracht wird, zu epandieren und einen
suspendierten oder fluidisierten Zustand anzunehmen. Einer solchen Anordnung ist
jedoch eine Begrenzung im Bereich des Wärmeeintritts in das Wasser eigen, welches
in einer Wärmeaustauschbeziehung zu dem fluidisierten Bett steht, was weitgehend
von der Tatsache herrührt, daß die in das Bett eingeführte Luft ausreichen muß,
um dasselbe in fluidisiertem Zustand zu halten, wobei jedoch keine überschüssige
Menge an Brennstoffmaterial weggeblasen werden darf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmetauscher zu schaffen,
der die Vorteile eines fluidisierten Bettes aufweist, der jedoch zugleich einen
verhältnismäßig breiten Bereich des Wärmeübergangs gewährleistet.
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Weiterhin soll gemäß der Erfindung ein Wärmetauscher geschaffen werden,
der in Modulbauweise aufgebaut sein kann und der eine
Vielzahl von
übereinander gestapelter fluidisierter Betten aufweist, der jedoch dabei zugleich
aus einem Minimum an Bauteilen verhältnismäßig einfach erstellt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß ein Gehäuse
vorgesehen ist, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche eine Vielzahl
von vertikal auf Abstand voneinander angeordneten Betten aus fein zerkleinertem
Brennstoffmaterial in dem Gehäuse festlegt, daß weiterhin eine Einrichtung dazu
dient, Luft durch jedes der Brennstoffbetten llindurchzuführen, um die Verbrennung;
des Brennstoffes zu fördern und die Abteile auf vorgegebenen Temperaturen zu halten,
und daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, um nacheinander einen Wärmetauscherstoff
in Wärmeaustauscherbeziehung mit den Brennstoffbetten zu halten.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Dampf erzeugers im AufriB und Fig. 2 eine Draufsicht, welche einen Teil des in der
Fig. 1 dargestellten Dampferzeugers zeigt.
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Gemäß Fig. 1 der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 10 allgemein
ein Gehäuse, welches verschiedene Öffnungen aufweist, um Luft hindurchzuführen und
um Rohre aufzunehmen, wie es nachfolgend im einzelnen erläutert wird. Innerhalb
des Gehäuses ist ein Mantel 12 angeordnet, der eine Vorderwand 14 und eine Rückwand
16 aufweist, wobei der Mantel im Schnitt dargestellt ist, und jede Wand ist aus
einer Vielzahl von zusammengeschweißten gerippten Rohren gebildet, die sich über
die gesamte Länge der Wand erstrecken. Ein Paar von Seitenwänden, die mit der Vorderwand
14 und der Rückwand 16 identisch sind, sind ebenfalls vorhanden, sind jedoch zur
Vereinfachung der Darstellung in der Fig. 1 nicht gezeichnet.
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Ein Paar von Sammelrohren, die mit den Bezugszahlen 18 und 20 bezeichnet
sind und in Stirnansicht dargestellt sind, sind auf der Oberseite des Mantels 12
gemeinsam mit einem Sammelrohr 22 angeordnet, wobei ersichtlich ist, daß ein weiteres
Sammelrohr hinter dem Sammelrohr 22 angeordnet ist, wie aus der Fig. 1 ersichtlich
ist. In ähnlicher Weise sind entsprechende Sammelrohre 24, 26 und 28 am Boden des
Mantels 12 angeordnet, wobei darauf hinzuweisen ist, daß ein zusätzliches Sammelrohr
hinter dem Sammelrohr 28 liegt.
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Eine Vielzahl von horizontalen, perforierten Luftverteilerplatten
30 sind auf Abstand voneinander im Mantel 12 derart
angeordnet,
daß der Mantel in eine Vielzahl von vertikal gestapelten Abteilen unterteilt ist,
die jeweils ein Bett festlegen, das durch fünf Bezugszeichen 31 gekennzeichnet ist.
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Eine Luftvorratskammer 32 erstreckt sich unter jeder der Platten 30,
um Luft in die Betten 31 zu verteilen. Aus feinen Teilchen bestehender Brennstoff
wird als ein dichtes Phasengemisch aus Luft und Brennstoff mittels einer Vielzahl
von Zuführungsleitungen 34 zugeführt, die jeweils mit den Betten 31 verbunden sind.
Die Zuführungsleitungen 34 erstrekken sich durch eine geeignete Öffnung, die in
der Rückwand 16 vorgesehen ist, und gehen durch die Vorratskammer 32 sowie durch
die Luftverteilerplatte 30 hindurch in das Bett 31, wo die Kohle austritt. Die Einlässe
34 sind derart ausgebildet, daß sie den Brennstoff in herkömmlicher Weise von einer
Quelle wie einer pneumatischen Zuführungseinrichtung aufnehmen, die zur Vereinfachung
der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Eine Reihe von Rohren, die allgemein mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet
sind, sind im Mantel 12 angeordnet und erstrecken sich von einem Einlaß 38 aufwärts
über die gesamte Länge des Mantels 12, und zwar serpentinenartig, um eine Vielzahl
von Bänken zu bilden, die jeweils in der Zone oberhalb des Fluidbettes 31 in einem
Bereich angeordnet sind, wo die Wärme vorwiegend durch Konvektion übertragen wird.
Obwohl nur ein einziges Rohr 36 schematisch in der Fig. 1 dargestellt ist, sei darauf
hingewiesen, daß eine Vielzahl von einander gegenüber angeordneten Rohren vorgesehen
ist, die ein Rohrbündel bilden, welches sich quer über die gesamte Breite des Mantels
12 erstreckt.
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Ein Sammelrohr 40 ist an der Oberseite des Mantels 12 angeordnet und
fluchtet mit dem Rohrbündel 36. Folglich geht ein Wärmeaustauschstoff wie Wasser,
welches durch den Einlaß 38 von einer Beulerspeisepumpe oder einer ähnlichen Einrichtung
kommt, durch verschiedene Bänke des Rohrbündels 36 hindurch, wodurch es allmählich
aufgeheizt wird, bevor es in das Sammelrohr 40 zur weiteren Verteilung eintritt,
wie es nachfolgend im einzelnen erläutert wird.
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Eine Vielzahl von Speiserohren 42, 44 und 46 sind mit den Sammelrohren
18, 40 und 20 jeweils verbunden, und zwar im oberen Bereich des Mantels 12, während
eine Vielzahl von Speiserohren 48 und 49 jeweils mit den Sammelrohren 24 und 26
im unteren Bereich des Mantels verbunden sind. Obwohl es in der Zeichnung nicht
dargestellt ist, dürfte verständlich sein, daß zusätzliche Speiserohre vorgesehen
sein können, die mit den Sammelrohren 22 und 28 verbunden sind, und zwar ebenso
wie mit den zwei übrigen in der Zeichnung nicht dargestellten Sammelrohren, auf
die oben bereits Bezug genommen wurde.
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Jedes der oben genannten Zuführungsrohre ist mit einem entsprechenden
Fallrohr verbunden, und eines dieser Fallrohre ist durch die Bezugszahl 50 bezeichnet,
wobei verständlich sein dürfte, daß verschiedene zusätzliche Fallrohre sich unmittelbarbinter
dem Fallrohr 50 erstrecken, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist.
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Ein Paar von Rohrbündeln 52 und 54 ist in benachbarten Abteilen angeordnet,
und zwar innerhalb des Mantels 12, und diese Rohrbündel sind in Reihe zwischen einem
Paar von Sammelrohren 56 und 58 jeweils angeordnet, die ihrerseits durch Speiserohre
mit geXrenntea Fallrohren verbunden sind, die ähnlich ausgebildet sind wie das Fallrohr
50 und hinter demselben angeordnet sind.
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In ähnlicher Weise ist ein zusätzliches Paar von Rohrbündeln 60 und
62 benachbart zu den Abteilen oberhalb der Rohrbündel 52 und 54 angeordnet, und
in Reihe über ein Sammelrohr 63 angeschlossen. Das Rohrbündel 60 ist an ein Fallrohr
angeschlossen, welches sich von dem Fallrohr 50 über ein Sammelrohr 64 nach hinten
erstreckt, und das Rohrbündel 62 ist über ein Sammelrohr 66 mit einer Auslaßleitung
68 verbunden.
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Ein Rohrbündel 70 ist im obersten Abteil im Mantel 12 angeordnet und
ist mit einer Einlaßleitung 72 über ein Sammelrohr 73 und mit einer Auslaßleitung
74 über ein Sammelrohr 75 verbunden. Es sei darauf hingewiesen, daß jedes Rohrbündel
52, 54, 60, 62 und 70 in seinem entsprechenden fluidisierten Bett untergetaucht
ist, um eine Wärmeübertragung der Flüssigkeit zu bewirken, welche hindurchströmt,
wie es nachfolgend im einzelnen erläutert wird.
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Ein durch eine Klappe steuerbarer Lufteinlaß 80 ist benachbart zu
jeder Vorratskammer 32 vorgesehen, um Luft in die durch die durchgezogenen Pfeile
in der Fig. 1 angegebenen Richtungen durch die Betten 31 des körnigen Materials
und des Brennstoffes hindurchzuführen, um diese Betten 31 in herkömmlicher Weise
zu fluidisieren, wobei darauf hinzuweisen ist, daß die Geschwindigkeit und die Rate
der Luftströmung, welche durch die Betten hindurchgeht, derart geregelt ist, daß
sie ausreichend stark ist, um den in Form kleiner Teilchen vorhandenen Brennstoff
zu fluidisieren und um eine wirtschaftliche Verbrennung oder Wärmeübergangsraten
pro Flächeneinheit des Bettes zu erreichen, jedoch ausreichend niedrig liegt, um
den Verlust von zu feinen Brennstoffpartikeln aus dem Bett zu verhindern und eine
ausreichende Verweilzeit der Gase zu gewährleisten, um eine ausreichende Schwefelabführung
durch eine Sorption zu gewährleisten, die durch einen Zusatz zu dem Brennstoff erfolgt,
wie es nachfolgend im einzelnen erläutert wird.
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Nachdem die aufgeheizte Luft durch die Sluidisierten Betten hindurchgegangen
ist, tritt sie durch die Auslässe 82 aus, die in der Rückwand 16 angeordnet sind,
wie es durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist, wonach die Luft in eine Kammer
84 strömt, die hinter der Wand 16 angeordnet ist.
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Aus der Kammer 84 wird die Luft über eine Leitung 86 und einen Zyklonen-Staubsammler
90 geführt, der die feinen Kohlenpartikeln entfernt, die in der Luft mitgerissen
werden. Gemäß Fig. 1 und 2 wird die saubere Luft, aus der die feinen Teilchen entfernt
wurden, dann über eine Leitung 92 einem in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen
94 bezeichneten Lufterhitzer zugeführt. Dieser Lufterhitzer weist eine Reihe von
Rohren 96 auf, welche dazu dienen, das saubere Gas aufzunehmen und es abwärts gemäß
Big. 1 nach den gestrichelten Pfeilen durch einen Auslaß 98 abzuführen.
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Luft von einer äußeren Quelle tritt in das System durch einen Einlaß
100 ein, wo sie durch eine Leitung 102 benachbart zu dem rohrförmigen Lufterhitzer
94 und in vertikaler Richtung weitergeführt wird, wie es durch die durchgezogenen
Pfeile angedeutet ist, wodurch die Luft vorgeheizt wird. Von der Oberseite der Leitung
102 wird die vorgeheizte Luft über Leitungen 104, 106 und 108 dem Gehäuse 10 zugeführt,
wodurch sie in fünf Teil strömungen zerlegt wird, welche über die Einlässe 80 in
die Luftvorratskammern 32 eintreten.
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Gemäß Fig. 1 wird nach Abscheidung aus der Luftströmung durch den
Staub samml er 90 das fein gekörnte oder fein verteilte Brennstoffmaterial einem
Staubbehälter 110 zugeführt und wird dann in einen Injektor 112 gebracht, aus welchem
das feinverteilte Material in das unterste Abteil im Mantel 12 zurückgeführt wird,
wodurch es fluidisiert wird und in ähnlicher Weise wie die übrigen fluidisierten
Betten verbrannt wird.
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Die durch dieses fluidisierte Bett hindurchgeführte Luft tritt
in
eine Luftkammer 120 aus, die benachbart zu der Kammer 84 angeordnet ist, und wird
über eine separate Leitung 122 (Fig. 2) dem rohrförmigen Lufterhitzer 94 zugeführt.
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Im Betrieb wird jedes Bett gezündet, indem ein Hilf sgasbrenner oder
eine ähnliche (nicht dargestellte) eEinrichtung gezündet wird, und zwar durch Reichung
der minimalen Brennstoffzündtemperatur, wodurch der Brennstoff eingeführt und verbrannt
wird, und nach der Zündung brennt jedes Bett weiter. Das Wärmeaustauschmedium wie
Wasser wird in den Einlaß 38 eingeführt, wodurch es in Serie durch jedes der Rohrbündel
36 hindurchgeht, um seine Temperatur auf einen vorgegebenen Pegel zu steigern. Dann
geht es von dem obersten Rohrbündel 36 zu dem Sammelrohr 40 und von dort zu den
Speiserohren 44, dann weiter durch das Fallrohr 50, durch welches es dem Sammelrohr
56 zugeführt wird. Aus dem Sammelrohr 56 strömt das Wasser in Serie durch die Rohrbündel
52 und 54, wodurch es teilweise verdampft, bevor es über das Sammelrohr 58 in ein
Fallrohr gelangt, welches unmittelbar hinter dem Fallrohr 50 angeordnet ist. Dieses
letztgenannte Fallrohr fahrt das Wasser-Dampf-Gemisch nach unten in die Speiserohre
48 und zum Sammelrohr 24, wodurch das Gemisch nach oben durch die gerippte Rohrwand
14 über die gesamte Länge geführt wird, um die Temperatur des Gemisches weiter anzuheben.
Das Gemisch wird dann im Sammelrohr 18 gesammelt und über die Speiserohre 42 einem
weiteren Fallrohr zugeführt, welches ähnlich ausgebildet ist wie das Fallrohr 50
und unmittelbar hinter demselben angeordnet ist, wodurch es dem Seitenwandsammelrohr
28 über das damit verbundene Speiserohr zugeführt wird.
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Das Wasser-Dampf-Gemisch wird dann über die gesamte Ausdehnung dieser
Seitenwand nach oben zu dem Sammelrohr 22 geführt, wo es über die zugeordneten Speiserohre
einer weiteren Falleitung zugeführt wird, die ähnlich ausgebildet ist wie die Fallleitung
50 und sich unmittelbar hinter derselben erstreckt,
wodurch es
der anderen Seitenwand und der Rückwand 16 in ähnlocher Weise zugeleitet und durch
dieselben hindurchgeführt wird. Während des Durchgangs durch die vier Wände des
Mantels 12 erfolgt eine vollständige Verdampfung des Wassers.
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Nach dem Durchgang durch die letzte Wand 16 wird der Dampf im Sammelrohr
20 gesammelt und über die Speiserohre 46 einer weiteren Falleitung zugeführt, wo
er dann über ein Sammelrohr 64 durch das Rohrbündel 60, das Sammelrohr 63 und das
Rohrbündel 62 hindurchströmt, so daß die Temperatur des Dampfes in der Weise angehoben
wird, daß eine Überhitzung eintritt. Der überhitzte Dampf wird dann in einem Sammelrohr
66 gesammelt und durch den Auslaß 68 abgeführt, wo er dannfir andere Zwecke wie
beispielsweise zum Antrieb einer Dampfturbine oder einer ähnlichen Einrichtung verwendet
werden kann.
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Das Rohrbündel 70 ist derart ausgebildet, daß es Dampf mit verhältnismäßig
geringer Temperatur aufnimmt, der zuvor in einem anderen Teil der Anlage wie einer
Dampfturbine verwendet wurde, um dessen Temperatur zur weiteren Verwendung zu erhöhen.
Insbesondere wird dieser Dampf von einem Einlaß 72 aufgenommen und über ein Sammelrohr
73 durch das Dampfbündel 70 geführt, um die Temperatur des Dampfes anzuheben, bevor
er über ein Sammelrohr 73 und einen Auslaß 74 ausströmt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausfüiirungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß der fein verteilte Brennstoff in Form eines Gemisches aus zerkleinerte bituminöser
Kohle und aus Ealkstein besteht, welcher aus Sorbens für Schwefeldioxid in den Verbrennungsgasen
der Kohle gemäß der herkömmlichen chemischen Theorie wirkt. Da die niedrigen Verbrennungstemperaturen
und der geringe Überschuß an Luft auch den Gehalt an Stickoxid in den Verbrennungsgasen
vermindert, enthalten diese
nur ein Minimum an Verunreinigungen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist viele weitere Vorteile auf. Beispielsweise
wird durch die Verwendung der vertikal gestapelten Abteile, welche durch durchgehende
Wände festgelegt sind, die Höhe der Herstellungskosten ebenso gesenkt wie die entsprechende
erforderliche Zeit, weil nur ein Minimum an Sammelrohren, Verbindungsrohren und
Fallrohren erforderlich sind, während zugleich eine maximale Wärmeübergangsfläche
zur Verfügung steht. Natürlich bewirkt die freie Bewegung des in Teilchenform vorliegenden
Brennstoffes in dem fluidisierten Bett eine rasche Wärmeübertragung, und zwar sowohl
innerhalb des Bettes als auch zwischen dem Bett und den eingetauchten Rohrbänken.
Folglich sind die Betttemperaturen gleichförmig und leicht zu steuern.
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Die Herstellungskosten werden dadurch vermindert, daß die Verdampferquerschnittsfläche
ein Minimum beträgt, und daß zugleich die Anzahl der vorgefertißen Teile ein Maximum
ist derart, daß die Verdampferabmessungen bei dem Transport in Größe und Gewicht
besonders günstig sind. Auch das Anfahrein wird stark vereinfacht, da jedes Bett
nur eine Heizfunktion ausübt, so daß kein Bett mit ungekuhlten Rohren gestartet
werden muß. Somit werden die Verdampferbetten zunächst mit zirkulierendem Wasser
gestartet, und die tberhitzerbetten werden zuletzt gestartet, nachdem Dampf erzeugt
worden ist.
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Die Startzeit wird ebenfalls vermindert, und die in Form von Vorheizzündern
erforderliche Wärme wird dadurch vermindert, daß das Abgas von den Verdampferbetten
die Luft zum Überhitzer vorwärmt. Weil die einzelnen Betten getrennte Heizfunktionen
ausüben, wird auch die Dampftemperatursteuerung vereinfacht und verbessert, und
zwar durch eine unterschiedliche Zündung der Kohle in jedem Bett. Die Modulbauweise
vereinfacht die Beschickungssteuerung, , und es kann eine Drosselung
im
Verhältnis 4 : 1 erreicht werden, indem einfach drei Moduln geschlossen werden.
Dadurch werden auch die Betriebszeiten erhöht, da einzelne Moduln gewahrt werden
können, ohne daß das gesamte System abgeschaltet wird. Weiterhin wird auch durch
den Abgasvorwärmer in der Zone oberhalb des Bettes die Gastemperatur fast auf denselben
Pegel wie bei der Lufteinlaßtemperatur und der Wassermanteltemperatur vermindert,
so daß dadurch die Unterschiede in der Ausdehnung der Druckteile oder der Wärmeaustauschkomponenten
auf ein Minimum gebracht sind.
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Es sei auch darauf hingewiesen, daß ein vertikal gestapeltes Bett
in Verbindung mit einer Ripp enrohr-Was serwandkonstrukti on das Leitungsnetz vereinfacht
und die Anzahl von Sammelrohren, Fallrohren und Speiserohren auf ein Minimum bringt.
Somit weist die Rippenrohr-Wasserwandkonstruktion folgende wesentliche Vorteile
auf: a) Sie liefert eine Halterung für die Wärmeübergangsfläche, die. Druckteile
und die Fluidbetten.
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b) Sie schützt die Mantelwand oder die Schale gegen Hochtemperaturgase.
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c) Sie liefert eine Wärmeübergangsfläche, so daß der Wirkungsgrad
aller Bauteile auf ein Maximum gebracht wird, um ihrer Hauptfunktion des Wärmeaustauschs
zu dienen.
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d) Sie liefert eine Teilung zwischen dem Abgas und der Einlaßluft.
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e) Sie vermindert die Oberflächenerfordernisse im Bett.
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f) Sie vermindert die Kosten, durch weitgehende Anwendung bzw. Verwendung
vorgefertigter Teile.
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g) Sie vermindert die Wartungskosten.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht
darin,
daß die Korrosion der Rohre usw. vermindert wird, und zwar aufgrund der verhältnismäßig
niedrigen Verbrennungstemperaturen, die erreichbar sind, und es ergibt sich eine
Kostensenkung auch daraus, daß billigere Konstruktionsmaterialien verwendet werden
können, und zwar wegen der hohen Wärmeübergangsraten bei verhältnismäßig geringen
Temperaturen.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß der kompakte Aufbau sowie die Arbeitsweise
des Wärmetauschers dazu geeignet sind, die Anordnung in ein System einzubauen, welches
in Modulbauweise ausgefuhrt ist, da vier oder fünf der oben beschriebenen Einheiten
nebeneinander verwendet werden können.
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Eine Vielzahl von Abwandlungen und alternativen Ausführungsformen
sind möglich, und in einigen Fällen können manche Merkmale des Erfindungsgegenstandes
in Verbindung mit anderen verwendet werden.
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Patentansprüche: