Heizüäehenelement für sehr hohe Betriebstemperaturen. Die Aufgabe, unter Druck stehende Gase oder Dämpfe auf sehr hohe Temperaturen zu erhitzen, ist eine sehr schwierige, da die Dauerstandfestigkeit der Rohrwerkstoffe, durch die der Wärmeaustausch an :das Gas zu erfolgen hat, bei den hohen Temperaturen, die naturgemäss höher sind als die Tempera turen der zu erhitzenden Gase oder Dämpfe, nur eine sehr geringe ist. Bereits .geringe Übertemperaturen vermindern die Festigkeit des Werkstoffes auf einen Bruchteil und füh ren zum Bruch der Rohrwand.
Die Ursache für solche zum Bruch führende Übertempe raturen kann einmal in einer verstärkten ört lichen Wärmezufuhr von aussen an das Rohr liegen, wie sie bei den im Feuerraum der direkten Flammenstrahlung ausgesetzten Kühlrohren leicht auftreten kann, da z. B. eine Kohlenstaubflamme ständigen Schwan- kungien. ihrer Strahlungsintensität unterwor fen ist und sich zudem im Betriebe leicht unkontrollierbare Verlagerungen der Flam- men oder ein Ansteigen der Flammentempe ratur durch Verschmutzen. eines Teils ,der Kühlfläche usw. ergeben können.
Die andere Ursache liegt in einer mangelhaften Kühlung der Rohre durch die in ihnen zu erhitzenden Gase oder Dämpfe. Bereits ein kurzzeitiges Versagen der Kühlung genügt, um die Wand- temperatur auf unzulässig hohe Werte an steigen zu lassen, wobei die mangelhafte Kühlung durch Änderung der Beaufschla- gung, durch Laständerungen, durch innere Verschmutzung usw. hervorgerufen sein kann.
In vielen Fällen, insbesondere beispiels weise bei Gaserhitzern für Gastürbinen- anla.gen mit geschlossenem Kreislauf des Ar beit3mittels, Dampfüberhitzern, Winderhit zern usw.
liegen bei sehr hohen Temperaturen die Verhältnisse so,-dass die Aufgabe mit nor malen Mitteln bei gegebenen Werkstoffen überhaupt nicht lösbar ist oder andere Nach- teile, wie Herabsetzung der Heiztemperatu- ren, Anwendung des Gleichstromprinzips bei. grösserer Heizfläche ussw., in Kauf genommen werden müssen.
Die Erfindung geht von der an sich be kannten Methode aus, gefährliche Bauteile dadurch zu beherrschen, dass die verschiede nen Beanspruchungen getrennt werden und sie Einzelbauteilen übertragen werden, also beispielsweise im vorliegenden Falle Wärme und Druckspannungen zu trennen, wobei die Erfindung vorwiegend in der Wahl der Mit tel liegt.
Die Erfindung bezieht sieh auf ein Heiz flächenelement zum Erhitzen von unter Druck stehenden Mitteln auf hohe Tempera turen. Sie besteht darin, dass die beiden Mit tel, zwischen denen der Wärmeaustausch er folgen soll, durch zwei einen Zwischenraum einschliessende Wände getrennt sind, wobei der Zwischenraum mit einem Füllstoff aus Metall ausgefüllt ist, das bei der Betriebstem peratur des Heizfläehenelementes einen pla stischen Zustand annimmt und dessen Wärme leitfähigkeit besser ist als diejenige derWand auf der Druckmittedseite.
Die Zeichnung zeigt einige Ausführungs beispiele des Erfindungisgegenstandes.
Nach Fig. 1 besteht das Ileizflächenele- inent aus zwei ineinanderliegenden Einzel rohren 10 und<B>11,</B> z. B. aus Stahl. Das zu erhitzende Mittel strömt durch das Innenrohr 11, während das Heizmittel das Aussenrohr 10 umspült. Der von den beiden Rohren 10 und 11 gebildete Ringraum 12 ist mit einem Füllstoff aus Metall ausgefüllt, das bei der Betriebstemperatur des Heizflächenelementes einen plastischen Zustand annimmt und des een Wärmeleitfähigkeit besser als die der Wand auf der Druckmittelseite ist.
Vorzugs weise kommt als solches. Metall Aluminium, Kupfer oder eine Legierung dieser Metalle in Frage. Das Innenrohr 11 wird im wesent lichen nur auf Innendruck beansprucht, wäh rend das Aussenrohr 10 vorwiegend nur Wärmebeanspruchungen und keine Druck beanspruchungen erhält, wobei beide Rohre durch das Metall hoher Wärmeleitfähigkeit - die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist rund fünfmal grösser als die von Stahl - miteinander verbunden .sind, so dass praktisch innerhalb des Ringraumes 12 kein Tempe raturunterschied auftritt.
Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffes wird das innere Heizrohr 11 sehr gleichmässig längs seines ganzen Umfanges durch die zu übertragende Wärmemenge be- aufsehlag-t, während sonst bei direkt einem Rauchgasstroni oder einerstrahlenden Flamme i ausg gesetzten Rohren die Wärmeaufnahme längs des Rohrumfanges überaus verschieden ist.
Die etwas grössere Wärmeausdehnung des Füllstoffes sorgt dafür, dass bei ,jedem Be lastungszustand der Füllstoff sich satt an die Rohre anlegt. Eist dadurch, dass sich der Füllstoff in plastischem Zustande befindet, wird erreiebt, dass auch das Innenrohr 11 völlig satt vom Füllstoff auch bei Wärme ausdehnung umfasst wird und somit stets ein ausgezeichneter Wärmedurchgang an allen Flächen erreicht wird.
Es kann leicht g@ zeigt werden, dass Wärmespannungen auch bei ungleichmässiger Beaufschlagung allein nie zum Bruch der Rohrwand führen können, sondern dass .sie sich vielmehr durch plastische Verformung ausgleichen. Das Aussenrohr 1.0 kann daher in seiner Wandstärke sehr dünn gehalten werden.
Das Innenrohr 11 ist in die Alumi niummasse eingebettet und dadurch vor loka len 'Cbertemperaturen sehr gut geschützt, da der gut leitende Zwischenstoff die eindrin gende Wärme sofort nach allen Richtungen verteilt; es ist fast nur durch den Druck des zu erhitzenden Glases beansprucht und kann aus einem Werkstoff bestehen, der keine be sondere Zunderbeständigkeit aufzuweisen braucht.
Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass Aluminium bei den in Frage kommenden Temperaturen von- rund 600 keine meeha- nisclie Festigkeit mehr aufweist und sieh in einem plastischen, leicht bildsamen Zustand befindet. Gibt man daher dem Aussenmantel eine gewisse Dehnungsmöglichkeit, so kann die grössere Wärmeausdehnung des Alumi niums leicht hierdurch. aufgenommen wer den, ohne dass das Aussenrohr auf Innendruck zufolge des gegenüber Stahl grösseren Aus dehnungskoeffizienten des Aluminiums be ansprucht wird.
Bei noch höheren Betriebs temperaturen wird eine Metallegierung mit entsprechend höher liegendem Schmelzpunkt gewählt, so dass jeweils im Betriebszustand der gewünschte plastische Zustand erreicht wi rd.
Erhält beispielsweise das dünne Aussen rohr 10 gemäss Fig. 2 von vornherein einen elliptischen Querschnitt, so hat es die Mög lichkeit, durch eine sich einem Kreis nähernde Form die stärkere Ausdehnung des Alumi niums aufzunehmen, da bei gleichem Um fang der Kreis nach bekannten Beziehungen einen grösseren Flächeninhalt einschliesst als eine Ellipse. Schliesslich können auch in eine Ellipse zwei Druckrohre oder deren mehrere eingeschlossen werden, wodurch die Innen- heizfläelie der durch DTuckga e bespülten Rohrwand wirksam vergrössert wird.
Fig. 3 zeigt eine weitere, besonders vor teilhafte Form, bei der drei Rohre 11 kreis förmigen Querschnittes von einem Blechman tel 10 umschlossen werden, der besonders leicht Formänderungen in radialer Richtung aufnehmen kann, wie dies gestrichelt ange deutet ;st. Der Aussenmantel 10 ist hierbei in kaltem Zustande zwischen den Rohren 11 nach innen giedrückt, so dass durch elastische Dehnung nach aussen leicht jede Vo.lumenver- grösserung des Aluminiums aufgenommen werden kann.
Ferner kann auch die erforderliche Form i änderung durch einen als Wellrohr ausgebil deten Aussenmantel. 10 gemäss Fig. 4 in axia ler Richtung aufgenommen werden. Eine solche Ausbildung ist besonders dann emp fehlenswert, wenn die äussere Wärmeüber- i gangszahl kleiner ist als die innere, da hier durch die Aussenfläche wirksam vergrössert wird.
Ist umgekehrt die innere Wärmeühertra- gungszahl kleiner als die äussere, so. lassen. s sich die Verhältnisse dadurch verbessern, dass mehrere Rohre in Aluminium gebettet wer den, die gegebenenfalls mit LängoTippen ver sehen werden.
In vielen Fällen, insbesondere bei Rohren für sehr hohe Gasgeschwindigkeiten,emp fiehlt es sich, gemäss Fig. 5, die Feuergase durch ein grosses Innenrohr 13 und dass zu er hitzende Mittel durch mehrere aussenliegende Rohre 14 zu führen, wobei die Zwischen räume 15 wiederum mit Aluminium oder einem ähnlichen Stoff ausgefüllt sind.
Mit derartigen aus ineinander- oder nebeneinanderliegenden Rohren bestehenden Heizflächenelementen können die Feuer räume hochbelasteter Brennkammern ausge kleidet werden, wie sie vor allem zum Er hitzen von Druckgas in Gasturbinenanlagen oder von hochgespanntem Wasserdampf in Dampfkraftanlagen in Betracht kommen, wobei besonders der Vorteil zustatten kommt, dass man in der Wahl des Verhältnisses der innern zu der äussern Heizflächengrösse völlig freie Hand hat und entsprechend den gegebenen Wärmeübertragungsverhältnissen auswählen kann.
Gleichzeitig wird erreicht, dass ein bedeutend billigerer Rohrwerkstoff verwendet werden kann, wodurch die An lagekosten wesentlich herabgesetzt werden.
Ganz besondere - Bedeutung erlangt die Erfindung für die Erhitzung und Verdamp fung von Sonderstoffen, wie beispielsweise von Quecksilber. Beim Verdampfungsprozess des Quecksilbers bilden sich bei bisher be kannt gewordenen Ausführungsformen von Quecksilberdampferrzeugern leicht Quecksil- berdampfpolster, die zu einer örtlichen Über hitzung der Rohrwand führen. Diese Schwie rigkeiten sind derart gross, da.ss hierdurch die praktische Verwirklichung der Q,uecksilber- dampfkraftwerke in Frage gestellt ist.
Bei Anwendung von Verdampfungsrohren nach der Erfindung werden derartige Überhitzun gen durch sehr gut leitende Zwischenschich ten unmöglich, so dass die Grundlage für den Bau betriebssicherer Quecksilberdampferzeu- ger gegeben wird.