DE2904201A1 - Abschlaemmeinrichtung fuer einen waermetauscher - Google Patents

Description

The Babcock & Wilcox Company 5. Febr. 1979

161 East 42nd Street
New York, N.Y.10017
USA

B 1326 Al/a

Beschreibung

Abschlämmeinrichtung für einen Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft allgemein eine Abschlammeinrichtung und insbesondere eine Abschlämmeinrichtung zur Verwendung in einem Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger.

Die Praxis des Abschlämmens von Dampfkesselwasser in einem Umlauf-Dampferzeuger zum Entfernen von festen in diesem mitgeführten Verunreinigungen ist allgemein bekannt.

„λ Aufgrund der Eigenart von Umlauf-Dampferzeugern konzentrieren sich Feststoffe, die in den Dampferzeuger durch das eintretende Speisewasser eingeführt werden, mehr innerhalb des umlaufenden Siedewassers als daß sie mit dem erzeugten Dampf abgeführt werden. Dieser unerwünschte

or Zustand tritt teilweise aufgrund der Anwesenheit einer allgemein festgelegten Dampf-Wasser-Grenzfläche innerhalb des Dampferzeugers auf. Das Löslichkeitsverhältnis zwischen der Dampf- und Wasserphase an der Grenzfläche

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ergibt, daß im wesentlichen alle löslichen Speisewasserfeststoffe in der Wasserphase zurückbehalten werden, c Obwohl eine maximale Feststoffkonzentration an der Grenzfläche auftritt, wird sich auch eine bedeutende Menge von mitgerissenen Feststoffen über das gesamte Dampfkesselwasser verteilen. Schließlich reduziert ihre fortbestehende Anwesenheit innerhalb des Wassers gleichzeitig die IQ Wirksamkeit des Wärmeübergangs des Dampferzeugers, fördert entkräftigende Korrosion innerhalb des Dampferzeugers und erhöht das Einschleppen von festen Verunreinigungen, die innerhalb des Ausgangsdampfs mitgerissen werden.

Die oben erörterten Probleme werden weiterhin dadurch kompliziert, daß frisches, in den Generator eintretendes Speisewasser konstant kleine Verunreinigungsmengen in das Dampfkesselwasser einführt, die zusätzlich zu den bereits vorhandenen Verunreinigungen hinzukommen. Wenn dies ungeprüft bleibt, erfolgt ein Verunreinigungsaufbau mit schneller Geschwindigkeit.

Um dieses Problem zu mildern, wird ein Teil des Dampfkesselwassers entfernt oder abgeschlämmt entweder in besonderen Zeitintervallen oder kontinuierlich. Da die Feststoffkonzentration in dem Dampfkessel erheblich größer ist als in dem Speisewasser, das in den Dampferzeuger eintritt, braucht die Abschlämmströmung nur ein Teil der Speisewasserströmung zu sein, um den Verunreinigungsgrad innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.

Im Unterschied zu einem Umlauf-Dampferzeuger weist ein Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger (OTSG) keinen Verunreinigungsaufbau an irgendeinem festgelegten Ort auf. Der Grund hferfür besteht darin, daß die festgelegte Dampf-

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Wasser-Grenzfläche, die in einem Umlauf-Dampferzeuger immer vorhanden ist, in einem OTSG fehlt, wenn der OTSG _ς mit hohen Belastungen betrieben wird. Vielmehr werden die mitgerissenen Verunreinigungen hierbei zum Ausgangsdampf mit im wesentlichen den gleichen Geschwindigkeiten übertragen, wie sie in den Generator eingeführt werden. Demzufolge ist eine Abschlämmung bei hohen Belastungen

,Q nicht erforderlich. Wenn ein OTSG jedoch bei geringen Leistungspegeln betrieben wird, bildet sich eine Dampf-Wasser-Grenzfläche innerhalb des Dampferzeugers aus. Im Unterschied zu einem Umlauf-Dampferzeuger ändert sich jedoch die Position der Dampf- Wasser-Grenzfläche in ei-

■jc nem OTSG als Funktion der dem Dampferzeuger auferlegten Belastung. Demzufolge werden sich die im vorhergehenden erörterten, durch die Dampf-Wasser-Grenzfläche hervorgebrachten und innerhalb des Umlauf-Dampferzeugers auftretenden Probleme auch in dem OTSG ergeben, selbst wenn

2Q sich das Wasserniveau verändert. Es ist daher wünschenswert, einen OTSG zu schaffen mit einer universellen Abschlämmeinrichtung, welche einen Verunreinigungsaufbau unabhängig vom Niveau der Dampf-Wasser-Grenzfläche verhindert.

Dies wird gemäß der Erfindung mit einer Abschlammeinrichtung gemäß dem Schutzbegehren erzielt. Hierbei ist in einem Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger ein vertikal ausgerichtetes,, perforiertes Äbschlämmrohr vorgesehen, das innerhalb der Rohrbündelkammer angeordnet ist. In der Nähe des unteren Endes des Abschlämmrohres ist eine Abschlämm- und Entwässerungsverbindung vorgesehen, tun den Ausstoß des Äbschlämmströmungsmittels in die äußere Umgebung des Dampferzeugers zu ermöglichen < > Diese &usrich- feung trägt der Tatsache Rechnung„ daß die innerhalb eines OTSG vorhandene Dampf-Wasser-Grensflache sich als Funktion der Belastung ändert« Darasufolqa kann eine universelle ÄhschlSmsitiXiv" i^si ^sssr Selsstur^ otsi* ibei jecfe"-

Wasserniveau bewirkt werden.

c Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

IQ Figur 1 eine Seitenschnittansicht eines Dampferzeugers gemäß der Erfindung und

Figur 2 eine abgeänderte Ausführungsform.

In Figur 1 ist ein Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger (OTSG) 10 gezeigt, der eine mantelseitige Verdampfung verwendet und einen senkrechten Druckbehälter 12 aufweist. Erhitztes Primärkühlmittel tritt in den Behälter 12 durch einen Eintrittsstutzen 14 ein, strömt durch die Eintrittskammer 16, dann durch die Wärmeaustauschrohre 18 und dann durch die Austrittskammer 20, von welcher es schließlich den Behälter 12 über einen Austrittsstutzen 22 verläßt. Die Rohre 18 werden von einem oberen Rohrboden 24, von Rohrtrageplatten 26 (nur zwei sind gezeigt) und von einem unteren Rohrboden (28) getragen.

Eine Rohrbündelkammer 30 wird von einem zylindrischen Mantel 32 umgeben, der aus einem oberen Mantel 32A und einem unteren Mantel 32B besteht. Der Mantel 32 wirkt mit dem Druckbehälter 12 zusammen, um zwischen sich einen Strömungsmitteldurchlaß 34 zu bestimmen. Der Mantel 32 wird durch Ausrichtungsstifte 36 in richtiger Orientierung gehalten. Durchlaßöffnungen 15A_r 15B, 15C und 15D ermöglichen den Eintritt in den Dampferzeuger Ein Trennring 38 ist innerhalb des Strömungsmitteldurchlasses 34 angeordnet, um eine obere Strömungsmitte1-kammer 40 und eine untere Strömungsmittelkammer 42 festzulegen .

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Das Speisewasser tritt in die untere Strömungsmitte1-kammer 42 über einen Speisewassereintrittstutzen 50 ein, _ς wie dies durch den ersten Richtungspfeil 52 angedeutet ist. Das Speisewasser strömt dann nach unten durch die untere Strömungsmittelkammer 42 und tritt dann direkt oberhalb des unteren Rohrbodens 28 in die Rohrbündelkammer 30 ein. Das Wasser wird verdampft, wenn es in

,Q indirektem Wärmeaustausch nach oben und um die Rohre 18 strömt, die innerhalb der Rohrbündelkammer 30 angeordnet sind. Der Dampf tritt aus, indem er nach unten durch die obere Strömungsmittelaustrittskammer 40 und nach außen durch den Dampfaustrittsstutzen 58 strömt.

■je Der vom Dampf genommene Weg wird durch zweite Richtungspfeile 56 angedeutet.

Ein mit einer Vielzahl von Perforationen 62 ausgebildetes Abschlämmrohr 60 ist innerhalb der Rohrbündelkammer 2Q in der Nähe des Mantels 32 vertikal positioniert. Es wird angemerkt, daß das obere Rohrende 64 des Rohres verschlossen bzw. abgedichtet ist, wohingegen das untere Rohrende 66 offen ist. Darüber hinaus sollte das obere Rohrende 64 in der Nähe des oberen Rohrbodens 24 und das untere Rohrende 66 in der Nähe des unteren Rohrbodens angeordnet sein. Eine Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68, die in der Nähe des unteren Rohrendes 66 positioniert, jedoch nicht mit dem unteren Rohrende verbunden ist, und innerhalb des unteren Rohrbodens 28 angeordnet ist, dient als Leitung für das ausgestoßene Abschlämmströmungsmittel in die äußere Umgebung des Behälters Ein Ventil 70 dient zur Steuerung der Strömung des AbschlämmströmungsmitteIs.

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In Figur 2 ist eine abgeänderte Ausfuhrungsform des Abschlämmsystems dargestellt. Bei dieser Ausführungsform c ist ein mit Perforationen 74 versehender Abschlämmring 72 unmittelbar über dem unteren Rohrboden 28 angeordnet. Der Abschlämmring 72 ist mit einer Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68A verbunden, welche die Wand des Behälters 12 durchdringt. Es wird angemerkt, daß die

]q Perforationen 74 nur um das untere Rohrende 66 herum angeordnet sind. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel wird die Abschlämmströmungsmittelströmung durch das Ventil 70 gesteuert. Es wird weiter darauf hingewiesen, daß, obwohl das Abschlämmrohr 60 und der Abschlämmring 72 nahe zueinander angeordnet sind, sie nicht miteinander verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung und die Art und Weise, wie sie angewendet wird, wird möglicherweise besser durch eine kurze Erörterung der der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien verstanden.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der natürlich auftretende thermische Siphoneffekt, der in siedenden Strömungsmitteln vorliegt, erfolgreich und mit großem Vorteil genutzt. Dieser Effekt ist verantwortlich für die umlaufende Strömung, die normalerweise innerhalb eines erhitzten Strömungsmittels vorhanden ist. Die Umlaufströmung wird primär durch die Differenz in der Dichte hervorgerufen, die zwischen dem nach oben strömenden zweiphasigen Strömungsmittel in den wirksamen Verdampfungsbereichen des Dampferzeugers und den im wesentlichen dampfblasenfreien peripheren Bereichen des Dampferzeugers, in welchen keine Verdampfung oder nur eine Verdampfung mit verminderter Geschwindigkeit auftritt, vorhanden ist. Diese Dichtedifferenz bewirkt einen Kopplungseffekt der Strömung, der die abwärts gerichtete Strömung des Strömungsmittels in den Bereichen

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reduzierter Verdampfungsaktivxtat und gleichzeitig die nach oben gerichtete Strömung in Bereichen aktiver Verdampfung fördert.

Im Falle des gezeigten OTSG (es wird vorausgesetzt, daß ein durch geringe Belastungsbedingungen hervorgerufenes Wasserniveau besteht) strömt Siedewasser nach oben zur Dampf-Wasser-Grenzfläche, wobei der im wesentlichen wasserfreie darin mitgerissene Dampf weiter nach oben durch die Rohrbunde!kammer 30 strömt und dann abwärts durch den Strömungsmitteldurchlaß 34 zum möglichen Austritt aus dem Dampferzeuger 10, wie dies durch die zweier ten Richtungspfeile 56 gezeigt ist. Die Wasserphase an dieser Grenzfläche wird, wie im vorhergehenden erläutert worden ist, im wesentlichen alle löslichen Speisewasserfeststoffe zurückhalten. Der thermische Siphoneffekt wird veranlassen, daß dies Oberflächenwasser, nn. das die konzentrierten löslichen Feststoffe enthält, in Richtung des Mantels 32 strömt, wo die Verdampfung im allgemeinen geringer ist. Als weiteres Ergebnis der durch diesen Effekt erzeugten UmlaufStrömung wird das die Feststoffe führende Wasser nach unten längs der nc Innenwand des Mantels 32 strömen. Es wird jedoch angemerkt, daß diese Abwärtsströmung für den Betrieb des OTSG nicht wesentlich ist und innerhalb des zentralen Kernbereichs der Rohrbündelkammer 30 nicht vorhanden ist.

3Q Das perforierte Äbschlämmrohr 60 ist, x-jenn es richtig innerhalb des Dampferzeugers 10 angeordnet ist, sehr gut dazu geeignet, Nutzen aus dem vom thermischen Siphoneffekt , der innerhalb des Dampferzeugers 10 vorhanden sein kann, erzeugten Umlaufphänomen zu ziehen. Da das im Abschlämmrohr 60 befindliche Wasser nicht verdampft aufgrund der Tatsache, daß die Rohrwand verhindert,daß das darin enthaltene Wasser in Kontakt mit den Wärmeaustauschrohren 18 kommt, wird das Rohr bis zur Dampf-

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Wasser-Grenzfläche mit Wasser gefüllt und frei von Dampfblasen sein, wodurch eine kontinuierliche durch den thermischen Siphoneffekt bewirkte Abwärtsströmung in dem Rohr ermöglicht wird. Diese Abwärtsströmung führt das Feststoffe aus der Grenzfläche mitführende Wasser nach unten zum offenen Ende des Abschlämmrohres, wo es in der Nähe der Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68 (oder 68A) abgegeben wird. Dieses Abschlämmwasser enthält erheblich größere Mengen an löslichen Verunreinigungen als das normalerweise in diesem Bereich vorhandene Speisewasser. Es wird angemerkt, daß aufgrund des gerade beschriebenen Phänomens die Konzentration von festen Verunreinigungen am unteren Rohrende 66 des Abschlämmrohrs 60 größer ist. Durch öffnen des Ventils 70 und Ablassen der angesammelten Feststoffe, die um das untere Rohrende 66 konzentriert sind, durch die Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68 (oder 68A) kann die Verunreinigungskonzentration innerhalb des Dampfkessels innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden»

Wie bereits erörtert worden ist, weist ein OTSG verschiedene Wasserniveaus auf, die durch Belastungsänderungen hervorgerufen werden. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß das Abschlämmrohr 60 mit einer Vielzahl von Perforationen 62 ausgebildet ist. Die Orte dieser Perforationen 62 müssen nicht festgelegt sein. Vielmehr können verschiedene Perforationsmuster längs eines Rohrabschnitts verteilt werden. So kann z.B. eine große Anzahl von Perforationen entlang eines Rohrabschnitts verteilt werden. Andererseits kann eine geringe Anzahl von Perforationen, die an besonderen Stellen angeordnet sind, verwendet werden. Darüber hinaus können Perforationen mit verschiedenen Durchmessern und Winkelorientierungen eingesetzt werden.

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Es ist im vorhergehenden angemerkt worden, daß ein mit großen Leistungspegeln betriebener OTSG kein wirksames c Abschlämmsystem erfordert. Demzufolge braucht das Abschlämmrohr 60 längs seines oberen Abschnitts nicht mit Perforationen 62 ausgebildet sein. Die Grenzlinie zwischen dem perforierten Abschnitt und dem nicht perforierten Abschnitt kann jedoch von Dampferzeuger zu in Dampferzeuger variieren. Es folgt hieraus jedoch, daß das Abschlämmrohr 60 an seinem oberen Ende 64 verschlossen sein sollte.

In den Figuren 1 und 2 sind lediglich alternative Orientierungen der Abschlinnn- und Entwässerungsverbindungen 68 und 68A vorgesehen. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist die Abschlämm- und Entwässerungεverbindung 68 innerhalb des unteren Rohrbodens 28 unmittelbar unter dem Abschlämmrohr 60 angeordnet. Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist der perforierte Abschlämmring 72 unmittelbar über dem unteren Rohrboden 28 in unmittelbarer Nähe des Abschlämmrohres 60 angeordnet. Es wird angemerkt, daß bei beiden Ausführungsformen die Abschlämm- und Entwässerungsverbindung 68 und der Abschlämmring 72 nicht mit dem Abschlämmrohr verbunden sind, sondern lediglich in der Nähe dieses Rohrs vorgesehen sind, um ein geeignetes Abstoßen der festen Verunreinigungen zu bewirken, die sich oberhalb des unteren Rohrbodens 28 aufgrund der Wirkung des Abschlämmrohres 60 sammeln. Da das Abschlämmrohr 60 nicht mit der Entwässerungsverbindung 6 8 oder dem Ring 72 verbunden ist, kann Dampf, welcher durch die Wirkung des Abschlämmrohres 60 nach unten zum Boden des Dampferzeugers gezogen worden ist, zurück zur Oberfläche des Dampfkesselwassers steigen und wird daher nicht aus dem Dampferzeuger gemeinsam mit dem Abschlämmwasser abgegeben .

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Es wird in Betracht gezogen, daß eine Abschlämm- und Entwässerungsverbindung pro eingesetzes Abschlämmrohr benutzt wird. Darüber hinaus kann irgendeine Anzahl von Abschlämmrohr - Abschlämm- und Entwässerungsverbindung-Kombinationen verwendet werden. Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte die Kombination jedoch soweit wie möglich von jedem Speisewassereintrittsort angeordnet sein. Demzufolge sollte der Abschlämmring 72 nicht längs seiner gesamten ringförmigen Oberfläche mit Perforationen ausgebildet sein. Vielmehr sollten die Perforationen auf die unmittelbare Nachbarschaft des Abschlämmrohres 60 beschränkt sein. Hierdurch wird eine Abgabe von Abschlämmflüssigkeit ermöglicht und gleichzeitig verhindert, daß erhebliche Speisewassermengen austreten und hierdurch die Wirksamkeit des Abschlämmsystems reduzieren. Die Tatsache, daß das Abschlämmrohr 60 nicht direkt mit der Entwässerungsverbindung 68 fc>der 68A) verbunden ist, ermöglicht es, daß diese Verbindung als normale Entwässerungsverbindung funktioniert, wenn keine Abschlämmung erwünscht ist.

Das offenbarte Abschlämmsystem kann auch innerhalb abgewandelter Typen eines OTSG erfolgreich verwendet werden. So sind z.B. heute OTSG im Gebrauch (nicht gezeigt) , welche keine zylindrischen Mäntel aufweisen, welche einen Strömungsmitteldurchlaß bestimmen. Bei einer solchen Konstruktion sollte das Abschlämmrohr so nahe wie möglich an der Innenwand angeordnet sein, welche die Rohrbündelkammer begrenzt. Die grundlegenden Betriebsprinzipien (in Verbindung mit einer geeignet positionierten Abschlämm- und Entwässerungsverbindung)

sind jedoch in jedem Falle die gleichen. 35

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Claims (8)

1. DOST & ALTENBURG

   PATENTANWÄLTE

   WOLFSANG DOST, DR. RER. mat .dipl -chem UDO ALTEMBURE, dipl.-phys

   8 MÜNCHEN 8O GAL1LEIPLATZ

   TELEFON: 089-98 56 64

   TELEGRAMME: SALILEIPAT MÜNCHEN

   TELEX: Q5-22791 iuscod

   Datum: 5. Februar 1979 B 1326 Al/a

   Patentansprüc

   Wärmetauscher mit einem senkrechten Druckbehälter, einem oberen und unteren Rohrboden, die innerhalb des Behälters angeordnet sind und eine Rohrbündelkammer zxirischen sich bestimmen,, einer Vielzahl von vertikal ausgerichteten Rohren, die sich durch die Rohrbündelkammer erstrecken und von den Rohrboden getragen werden, einer Einrichtung zum Hindurchführen eines erhitzten Strömungsmittels durch die Rohre, einer Einrichtung zum Herumführen eines wärmeaufnehmenden Strömungsmittels um die Rohre in indirektem Wärmeaustausch mit dem erhitzten Strömungsmittel und einer Abschlämmeinrichtung zum Ausstoßen von Strömungsmittel mit Verunreinigungen, die von dem wärmeaufnehmenden Strömungsmittel abgesondert sind, dadurch gekennzeichnet,, daß die Abschlämmeinrichtung mindestens ein senkrechtes Rohr (60)s das über mindestens einen Teil seiner Länge perforiert und innerhalb der Rohrbündelkammer (30) angeordnet ist und ein verschlossenes oberes Ende (64)

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   und ein offenes unteres Ende (66) hat, und eine Leitungseinrichtung (68) aufweist, die im Abstand nach r dem unteren Ende des Rohres angeordnet ist, um verunreinigungsbeladenes Strömungsmittel aus dem Behälter (12) zu entfernen.
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, IQ daß das obere und untere Ende (64, 66) des Rohres (60) jeweils im Abstand nahe dem oberen und unteren Rohrboden (24, 28) angeordnet ist.
3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennic zeichnet, daß sich die Leitungseinrichtung (6 8) durch den unteren Rohrboden (28) in die äußere Umgebung des Behälters (12) erstreckt.
4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitungseinrichtung (68A) "durch die Behälterwand erstreckt.
5. 5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadumh gekennzeichnet, daß unmittelbar über dem unteren Rohrboden (28) ein perforierter Ring (72) angeordnet ist, der mit der Leitungseinrichtung (68A) strömungsmittelve rb unden ist.
6. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen (74) des Ringes (72) in unmittelbarer Nähe des unteren Endes (66) des Rohres
7. (60) angeordnet sind.
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