DE2810889A1

DE2810889A1 - Ekrnomiser fuer rauchrohrkessel fuer hochdruckdampf und heisswasser

Info

Publication number: DE2810889A1
Application number: DE19782810889
Authority: DE
Inventors: Poul Lunde Hededam
Original assignee: INDUKAL APS
Current assignee: INDUKAL APS
Priority date: 1977-03-22
Filing date: 1978-03-13
Publication date: 1978-10-05
Also published as: DK141214C; DK125477A; GB1599605A; DE2810889C2; DK141214B; US4182276A; JPS5752481B2; JPS53140401A

Description

Anmelder: Indukal ApS
Nordtoft 14
9370 Hals
Dänemark

Ekonomiser für Rauchrohrkessel für Hochdruckdampf und Heisswasser

Die Erfindung betrifft einen Ekonomiser zum Vorwärmen von Speiseoder Rücklaufwasser in einem Hochdruckheissdampf- oder Heisswasserrauchrohrkessel, wie z.B. einem Flammrohr/Rauchrohrkessel, einem Rauchrohrabgaskessel oder einem ähnlichen Kessel mit einem Rauchrohrkonvektionsteil und für Hochdruckdampf oder Heisswasser als Wärmeträgermedium eingerichtet.

In bekannten Kesseln mit grossen Wasserräumen und einem Rauchrohrkonvektionsteil, z.B. Flammrohr/Rauchrohrkessel für Hochdruckdampf und Heisswasser, tritt das .Kesselspeise- bzw. Rücklaufwasser in den Wasserraum des Kessels ein, wo es im heissen Kesselwasser beigemischt wird, dessen natürlicher Umlauf im Kessel von der Wärmeübertragung auf die verschiedenen Teile der Heizfläche bestimmt wird.

Da die Abkühlung des Rauches durch ein Rauchrohr - oder mit anderen Worten die Wärmeübertragung vom Rohr - im erheblichen Grad von der Temperatur des umgebenden Wassers bestimmt ist, variiert die Aus-

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trittstemperatur des Rauches der bekannten Kessel mit der Temperatur des Kesselwassers. Der Kessel wird oftmals derart konstruiert, dass der Rauch "bei maximaler Belastung bis zu einer Temperatur von ca. 10O⁰C über die Kesselwassertemperatur, d.h. die dem gesättigten Dampfzustand beim gegebenen Druck entsprechende Wassertemperatur in den Dampfkesseln bzw. die Vorlaufetemperatur in den Heisswasserkesseln, abgekühlt wird. Dieser Unterschied von ca. 100⁰C in den Temperaturen des Rauches und des Kesselwassers gewährleistet eine erträglich hohe spezifische Wärmeübertragung durch den letzten Teil der
Konvektionsheizflache mit natürlichem Umlauf des Kesselwassers.
Dies bedeutet anderseits, dass der Wärmegehalt in den Rauchgasen
normalerweise nicht ausreichend ausgenutzt wird, d.h. dass der
Rauchwärmeverlust (der Schornsteinverlust) zu gross und der Kesselwirkungsgrad damit zu gering wird.

In bekannten Kesseln ist diesem Verhältnis durch verschiedene Massnahmen bis zu einem gewissen Grad abgeholfen worden.

In einigen dieser Kessel ist das Rauchkühlen durch eine Erhöhung des Verhältnisses zwischen der Länge und dem Innendurchmesser der Rauchrohre sowie durch eine Erhöhung der Gesamtheizfläche der Rauchrohre, beispielsweise ca. 25% Erhöhung der Heizfläche zur Erreichung einer Abkühlung des Rauches bis zur Kesselwassertemperatur + 5O⁰C anstatt + 100⁰C, verbessert worden.

In anderen dieser Kessel sind die Rauchrohre beispielsweise mit Turbulatoren unterschiedlicher Gestaltung versehen. Hierdurch wird ein besseres Kühlen der Rauchgase infolge den Rauchgeschwindigkeiten
usw. im Verhältnis zu entsprechenden Rohren ohne Turbulatore erreicht. Gleichzeitig geht aber ein wesentlicher Rauchrohrkesselvorteil verloren, nämlich die bequeme Möglichkeit für vollständige Inspektion und Reinigung der Rauchseite der Kessel.

An beiden diesen bekannten Kesseln variiert die Austrittstemperatur des Rauches mit der Temperatur des Kesselwassers.

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Andere bekannte Kessel dieser Art sind mit einem nach dem Kessel angeordneten Glattrohr- oder Rippenrohrekonomxser zur Erreichung einer verbesserten Abkühlung der Rauchgase versehen. Mit einem solchen Ekonomiser variiert die Austrittstemperatur des Rauches mit der Temperatur des zugeführten Speise- bzw. Rücklaufwassers. Gleichzeitig gehen aber mehrere der wesentlichen Rauchrohrkesselvorteile verloren, nämlich die Möglichkeit für vollständige Inspektion sowohl der Rauchseite als auch der Wasserseite, sowie insbesondere die Unempfindlichkeit gegen moderate Beläge auf der Wasserseite, die die. Rauchrohrkessel kennzeichnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ekonomiser für Rauchrohrkessel für Hochdruckdampf und Heisswasser zu schaffen, der einen verbesserten Kesselwirkungsgrad dadurch gewährleistet, dass eine bessere Ausnutzung der Wärme im Rauchgas infolge einer effektiveren Ausnutzung der Rauchrohrheizfläche und einer Erhöhung des Wasserumlaufes im Wasserraum des Kessels stattfindet gleichzeitig damit, dass die kennzeichnenden Rauchrohrkesselvorteile beibehalten werden und gleichzeitig damit, dass die Austrittstemperatur des Rauches mit der--Temperatur des zugeführten Speise- bzw. Rücklaufwassers variiert, d.h. dass der Kesselwirkungsgrad auf einem gegebenen hohen Wert unangesehen des Betriebsdruckes bzw. der Betriebstemperatur festgehalten werden kann.

In einigen bekannten älteren Flammrohr/Rauchrohrkesseln, die Lokomotivkessel, ist der Wasserraum, z.B. wie in norwegischem Patent 90290, mit einer Schirmplatte versehen, die zusammen mit dem Kesselmantel und dem hinteren Kesselboden eine Speise- bzw. Rücklaufwasservorwärmerkammer für Dampf- und Heisswasserkessel ("Wärmeaustauschapparate") bilden.

Die Bewegungen des Wassers in 'solchen Vorwärmer kammer η' mi t~~grossen Volumina sind vom natürlichen Umlauf mit "kalten, abwärtsgehenden Strömen" am Rauchrohrteil vorbei und "heissen, aufwärtsgehenden Strömen" den Rauchrohrteil hindurch bestimmt. Die Durchschnittwassertemperatur gegen die Rauchrohrheizfläche ist daher verhältnis-

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massig hoch, und die Ekonomiserwirkung des Vorwärmers, d.h. der Rauchkühleneffekt, entsprechend niedrig. Bei typisch zulässigen Speise- bzw. Rücklaufwassertemperaturen und typischen Dampfdruckbzw. Heisswassertemperaturen sind somit Wirkungsgradverbesserungen von bis zu ca. 1% für Dampfkessel und bis zu ca. 1.5% für Heisswass erkess el ohne Dampf kondensation in der- Vorwärmer kammer zu erreichen.

Der Ekonomiser gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,, dass die Rauchrohre im letzten Teil des Rauchrohrkonvektionsteils des Kessels von einem Mantel umgeben sind, in dem eine Anzahl von Quertrennwänden angeordnet sind, die von den Rauchrohren durchsetzt und wechselweise derart verschoben sind, dass sie einen wellenförmigen Einströmungskanal für das Speise- oder Rücklaufwasser im Zwangsgegenstrom zum Rauchgas bilden, wobei der Kanal Zuleitungsvorrichtungen für das Wasser am Abgangsende der Rauchrohre aufweist und gegen den Wasserraum des Kessels am anderen Ende offen ist.

Dieser Zwangsumlauf des Speise- oder Rücklaufwassers um die eingeschlossene Rauchrohrheizfläche im letzten Teil des Konvektionsteils ermöglicht eine effektive Ausnutzung dieser Heizfläche und damit unter allen Verhältnissen ein effektives Rauchkühlen gleichzeitig damit, dass eine Erhöhung des Wasserumlaufes im übrigen Teil des Wasserraumes des Kessels auch erreicht wird. Alle diese Verhältnisse tragen zur Erhöhung des Kesselwirkungsgrades bei sowie zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades unter variierenden Betriebsverhältnissen. Da das Speise- oder Rücklaufwasser im Gegenstrom zum Rauch zwangs- · zirkuliert werden, und da der Mantel Quertrennwände aufweist, die derartige Abstände haben, dass die optimale Wasserdurchströmungsgeschwindigkeit erreicht wird, wird die erwählte Abkühlung des Rauches gewährleistet. Die Verbesserung des Kesselwirkungsgrades erhöht sich gemäss dem Prinzip des Ekonomisers mit wachsender Kesseltemperatur und mit fallender Speise- bzw. Rücklaufwassertemperatur an den Kesseln.

In einer Ausführungsform des Ekonomisers gemäss der Erfindung umgibt ein zweiter Mantel aus wärmeisolierendem oder wärmeleitendem Material

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den erwähnten Mantel und bildet eine Kammer, die dem Bedarf gemäss mit Isoliermaterial ausgefüllt sein kann oder im Wasserzuleitungsrohr zum Einströmungskanal des Ekonomisers einschaltbar ist.

Im üblichen Rahmen der Leistung, des Betriebsdruckes und der Betriebstemperatur für Rauchrohrkessel für Hochdruckdampf und Heisswasser und mit typischen Speise- bzw. Rücklaufwassertemperaturen von ca. 1.0O⁰C bzw. ca. 140⁰C für die Dampf- und Heisswasserkessel wird mit solchen Ekonomisern ein Rauchkühlen bis zu beispielsweise ca. 180⁰C bei maximaler Belastung mit Ölheizung und 14% CO₂ im Rauch erreicht, was einem Rauchwärmeverlust von ca. 7% entspricht, indem optimale Verhältnisse geschaffen werden, betreffend die Grosse der eingeschlossenen Rauchrohrheizfläche, die Wassergeschwindigkeiten durch den Ekonomiser und den Wärmeaustausch zwischen Ekonomiserwasser, ■Vorwärmerwasser und Kesselwasser über dem Mantelsystem.

Gleichzeitig lässt sich das Mantelsystem und die Steuerung der Wasserströme durch dieses System unter allen umständen derart auslegen, dass den Ekonomis:er der Dampfkessel Wasser derartiger niedrigen Temperaturen nicht zugeführt werden, dass unzulässig niedrige Heizflächetemperaturen auf der Rauchseite vorkommen. Eine entsprechende Sicherheit in den Heisswasserkesseln lässt sich unter allen Umständen durch den Mantelvorwärmer oder durch eine äussere Beimischung oder durch eine Kombination dieser Vorwärmersysteme erreichen.

Rauchrohrkessel mit einem oder mehreren Rauchzügen lassen sich ohne' Schwierigkeiten mit solchen Ekonomisern herstellen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Figs, la und Ib einen Längsschnitt nach der Linie a-a in Fig. Ib bzw. einen schematischen Querschnitt eines bekannten Flammrohr/Rauchrohrkessels für Hochdruckdampf,

Figs. 2a und 2b einen Längsschnitt nach der Linie a_-a_ in Fig. 2b

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bzw. einen Querschnitt eines bekannten Flammrohr/Rauchrohrkessels für Heisswasser,

Figs. 3a, 3b und 3£ einen Längsschnitt nach der Linie a^a in Fig. 3b, einen Querschnitt, und einen Draufschnitt eines 3-Zugkessels für Hochdruckdampf mit einer Ausführungsform des Ekonomisers gemäss der Erfindung, und

Fig. 4 einen Vertikalschnitt eines 1-Zug, vertikalen Rauchrohrabgaskessels für Heisswasser mit einer Ausführungsform des Ekonomisers gemäss der Erfindung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Flammrohr/Rauchrohrkessel für Hochdruckdampf tritt das Kesselspeisewasser durch eine Leitung KF in den Wasserraum VR des Kessels ein, in dem es dem heissen Kesselwasser beigemischt wird, dessen natürlicher Umlauf im Kessel von der Wärmeübertragung der verschiedenen Teile der Heizfläche bestimmt wird. Die Heizfläche besteht aus dem Flammrohr 1 des Kessels als Strahlungsheizfläche und einem Konvektionsteil mit zwei Rauchrohrzügen 2 und 3 als zweiter bzw. dritter Zug. In entsprechender Weise läuft das Rücklaufwasser durch eine Leitung R zurück in den Wasserraum VR in dem in Fig. 2 dargestellten Heisswasserrauchrohrkessel und wird dem heissen Kesselwasser beigemischt. Auch in diesem Fall wird der Umlauf des Wassers im Kessel im wesentlichen von der Wärmeübertragung der verschiedenen Teile der Heizfläche bestimmt.

In diesen bekannten Kesseln variiert die Austrittstemperatur des Rauches mit der Temperatur des Kesselwassers, da die Wärmeübertragung vom Rauch in den "Rauchrohren im hohen Masse von der Temperatur des umgebenden Wassers abhängig ist. Dies hat zur Folge, dass der Kesselwirkungsgrad über den Belastungsbereich der Kessel mit steigendem Druck in dem Dampfkesseln bzw. wachsender Vorlauftemperatur in den Heisswasserkesseln fällt.

Der mit einem Ekonomiser gemäss der Erfindung versehene Kessel in Fig. 3 ist ein 3-Zug Flammrohr/Rauchrohrkessel, wo die Verbrennung

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im Flammrohr 1 stattfindet, und der Rauch wird durch die zwei Rauchrohrzügen 2 und 3 des Konvektionsteils zum Rauchabgang 4 des Kessels geführt.

Im Wasserraum 5 des Kessels ist ein Ekonomiser eingebaut, der den hinteren Teil des letzten Rauchrohres 3 umgibt und einen Mantel 6 und eine Anzahl von Trennwänden 7 aufweist. Diese Trennwände sind vom Rauchrohr 8 durchsetzt und derart wechselweise verschoben, .dass sie Umlaufkammern 9 bilden. Das erhitzte Speise- oder Rücklaufwasser läuft in einem wellenförmigen Strom durch diese Umlaufkammern, indem das Wasser zuerst in die Umlaufkammer 9i am Rauchabgang 4 tritt, ü.h. dass das Speise- oder Rücklaufwasser iin Gegenstrom zur Bewegung des Rauches strömt. Der Ekonomiser besitzt einen zweiten, den Mantel 6 umgebenden Mantel, wobei eine Kammer 10 gebildet wird, die dem Bedarf gemäss als Speisewasservorwärmer verwendbar oder, mit Isoliermaterial ausfüllbar ist.

In dem in Fig. 3 dargestellten Dampfkessel läuft das Speisewasser, das beispielsweise typisch von einem Entlüfter eine Temperatur von 100 bis 105°C hat, durch den Vorwärmer 10. In dem Vorwärmer wird das Wasser bis auf eine solche Temperatur erhitzt, dass die Kesselheizflächen nirgends so gekühlt werden, dass die Oberflächentemperatur rauchseitig niedriger als die Taupunkttemperatur der Rauchgase wird. Bei Ölfeuerung ist das Speisewasser, vom Schwefelgehalt des Öls abhängig, normalerweise bis auf eine Temperatur von 120 bis 140⁰C zu erhitzen.

In entsprechender Weise lässt das Rücklaufwasser eines Heisswasserkessels sich dem Bedarf gemäss bis auf entsprechende Temperaturen erhitzen, oder die Temperatur des "Rücklaufwassers lässt sich durch Beimischung mit Kesselwasser durch eine Beimischpumpe erhöhen. Der Rauchrohrteil, der Mantel und die Trennwände sind mit den gleichen Hinweisnummern 3, 6 und 7 wie oben bezeichnet. Der Rauch tritt bei 11 ein und bei 12 aus, während der Heisswasservorlauf mit 13 bezeichnet ist, und das Heisswasser bei 14 zurückläuft.

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Mit dem Ekonomiser gemäss der Erfindung lässt sich die Rauchabgangstemperatur des Kessels wesentlich senken, sowie es sich dem nachstehenden Beispiel entnehmen lässt:

Ein Hochdruckdampf- oder Heisswasserkessel ist oftmals derart konstruiert, dass er bei maximaler Belastung den Rauch bis auf eine Temperatur kühlt, die der Kesselwassertemperatur + 10O⁰C entspricht, d.h. dass z.B. ein 15 atü Dampfkessel vorgewärmt oder ein Heisswasserkessel mit Speisewasser bis auf 130⁰C mit einer Vorlaufwassertemperatur von 200⁰C und einer Rücklaufwassertemperatur von 130⁰C derart eingerichtet werden, dass sie bei maximaler Belastung mit einer Rauchtemperatur von 300⁰C arbeiten.

Durch Verwendung des obigen Ekonomisers in einem solchen Kessel mit einer Wassertemperatur von 200⁰C und einer Einlaufetemperatur des Speisewassers von ca. 100⁰C in den Vorwärmermantel in den Dampfkesseln bzw. ca. 130⁰C in den Ekonomiser in den Heisswasserkesseln lässt die Rauchaustrittstemperatur des Kessels sich von 300⁰C bis zu 18O⁰C absenken, was einer Reduktion des Schornsteinverlustes von 12 - 7 = 5% bei Ölheizung mit lh% CO₂ im Rauch und einer Lufteinsaug ••-(Raum)-temperatur von 20⁰C entspricht.

Durch die Erfindung wird eine bessere Ausnutzung der eingeschlossenen Rauchrohrheizfläche und eine Erhöhung des Wasserumlaufes im übrigen Teil des Wasserraumes des Kessels erreicht, und bei der beschriebenen Ausführungsform, wo das Speise- oder Rücklaufwasser erhitzt wird, wird die Gefahr für eine stellenweise unzulässige Heizflächetemperatur eliminiert, die in Kesseln vorkommen kann, in welchen nicht vorgewärmtes Wasser direkt in den Wasserraum tritt, vgl. Figs. 1 und 2.

Die gewählte Abkühlung des Rauches wird durch die Abstimmung zwischen der Ekonomiserheizfläche, den Wassergeschwindigkeiten und den Temperaturen im Ekonomiser, im Vorwärmer und im Kessel sichergestellt.

Die Erfindung lässt sich auf verschiedene Weise modifizieren. Bei-

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spielsweise kann die in Fig. 4 dargestellte Beimischung durch anderes Zubehör zum Vorwärmen des Wassers vor der Einströmung in die Kammer 10 oder in die Einlaufkammer 9i des Ekonomisers ersetzt werden.

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Claims

Pa t en.tan sprüche:

1/ Ekonomiser zum Vorwärmen von Speise- oder Rücklaufwasser in einem Hochdruckdampf- oder Heisswasser-Rauchrohrkessel, wie z. B. einem Flammrohr/Rauchrohr-Kessel, einem Rauchrohrabgaskessel oder einem ähnlichen Kessel mit einem Rauchrohrkonvektionsteil und für Hochdruckdampf oder Heisswasser als Wärmeträgermedium eingerichtet, dadurch gekennzeichnet , dass die Rauchrohre (8) im letzten Teil des Rauchrohrkonvektionsteils (3) des Kessels von einem Mantel (6) umgehen sind, in dem eine Anzahl von Quertrennwänden (7) angeordnet sind, die von den Rauchrohren (8) durchsetzt sind und wechselweise derart verschoben sind, dass sie einen wellenförmigen Einströmungskanal für das Speise- oder Rücklaufwasser im Zwangsgegenstrom zum Rauchgas bilden, wobei der Kanal ZuIeitungsvorrichtungen für das Wasser am Abgangsende der Rauchrohre aufweist und gegen den Wasserraum des Kessels am anderen Ende offen ist.
2. Ekonomiser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Mantel den Mantel (6) umgibt und eine Kammer (10) bildet, die mit Isoliermaterial ausgefüllt ist.
3. Ekonomiser nach Anspruch 1, wobei ein zweiter, eine Kammer bildender Mantel den Mantel umgibt, dadurch gekennzeichnet , dass die Kammer (10) im Wasserzuleitungsrohr zum Einströmungskanal des Ekonomisers eingeschaltet ist.
4. Ekonomiser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Wassereinlaufleitung mit einer Beimischung zum Vorwärmen des Wassers vor der Einströmung in den Kessel versehen ist.

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