Dampferzeugerrohr, zugehöriges Herstellungsverfahren sowie Durchlaufdampferzeuger

Abstract

 Ein Dampferzeugerrohr (10), in dessen Rohrinnenraum (22) zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Rohreinsatz (18, 18', 18") angeordnet ist, soll bei einfach und kostengünstig gehaltener Fertigung und bei einer großen Bandbreite unterschiedlicher Betriebsbedingungen ein besonders günstiges Wärmeübergangsverhalten aufweisen. Dazu ist erfindungsgemäß der Rohreinsatz (18, 18', 18") von einem in der Art einer Schraubenfeder gewundenen, an der Rohrinnenwand (24) geführten Profildraht (20) gebildet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Dampferzeugerrohr, in dessen Rohrinnenraum zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Rohreinsatz angeordnet ist. Sie betrifft weiterhin einen Durchlaufdampferzeuger mit derartigen Dampferzeugerrohren. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem drallerzeugenden Innenprofil versehenen Dampferzeugerrohres.

[0002] In den Brennkammerwänden eines Durchlaufdampferzeugers werden üblicherweise miteinander über Stege gasdicht verschweißte Dampferzeugerrohre zur Bildung eines den Feuerraum umgebenden Gaszuges eingesetzt, die für den Durchfluss eines Strömungsmediums parallel geschaltet sind. Anstelle von Rohren mit dazwischen liegenden, separaten Flacheisenstegen können auch Rohre verwendet werden, die bereits werksseitig mit angeformten Flossen ausgerüstet sind. Die Dampferzeugerrohre können dabei vertikal oder auch schräg angeordnet sein. Für ein sicheres Betriebsverhalten des Durchlaufdampferzeugers sind die Dampferzeugerrohre in der Regel derart ausgelegt, dass auch bei niedrigen Massenstromdichten des die Dampferzeugerrohre durchströmenden Mediums eine ausreichende Kühlung der Dampferzeugerrohre gewährleistet ist.

[0003] Ein wichtiges Auslegungskriterium sind die Wärmeübergangseigenschaften eines Dampferzeugerrohres. Ein hoher Wärmeübergang ermöglicht eine besonders effektive Beheizung des das Dampferzeugerrohr durchströmenden Mediums bei gleichzeitig zuverlässiger Kühlung des Dampferzeugerrohres an sich. Das Wärmeübergangsverhalten eines Dampferzeugerrohres kann bei fossil beheizten Dampferzeugern, die bei unterkritischen Drücken betrieben werden, durch das Auftreten so genannter Siedekrisen beeinträchtigt sein. Dabei wird die Rohrwand nicht mehr vom flüssigen Strömungsmedium - in der Regel Wasser - benetzt und somit nur unzureichend gekühlt. Infolge der höheren Materialtemperaturen könnten dann die Festigkeitswerte der Rohrwand reduziert werden.

[0004] Für eine Verbesserung des Wärmeübergangsverhaltens kommen üblicherweise Dampferzeugerrohre zum Einsatz, die infolge eines Verformungsprozesses (z. B. Kaltziehen) auf ihrer Innenseite eine Oberflächenstruktur oder ein Innenprofil in der Art schraubenförmig gewundener Rippen aufweisen. Durch die Formgebung der Rippen wird dem das Dampferzeugerrohr durchströmenden Medium ein Drall eingeprägt, so dass sich die schwerere flüssige Phase infolge der wirkenden Zentrifugalkräfte an der Rohrinnenwand sammelt und dort einen benetzenden Flüssigkeitsfilm ausbildet. Damit ist auch bei vergleichsweise hohen Wärmestromdichten und niedrigen Massenstromdichten ein ausreichend hoher Wärmeübergang von der Rohrinnenwand auf das Strömungsmedium gewährleistet.

[0005] Nachteilig ist bei den bekannten innenberippten Dampferzeugerrohren, dass diese infolge der begrenzten Verformbarkeit des Rohrmaterials vergleichsweise aufwändig herzustellen sind. Insbesondere bei hochwarmfesten Stählen mit hohem Chromgehalt ist die Verformbarkeit stark eingeschränkt. Derartige Werkstoffe spielen bei Dampferzeugerrohren heutzutage eine immer wichtigere Rolle, da sie - zumindest im Prinzip - eine Auslegung eines Dampferzeugers für besonders hohe Dampfparameter, insbesondere für hohe Frischdampftemperaturen, und damit einhergehend besonders hohe Wirkungsgrade gestatten. Durch die materialbedingten Einschränkungen bei der Verarbeitung ist es jedoch in der Praxis nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich, innenberippte Rohre mit den gewünschten, strömungstechnisch vorteilhaften Rippenprofilen im Rahmen eines Verformungsprozesses aus Glattrohren zu erzeugen. Insbesondere sind hinreichend steile Flankenwinkel und scharfkantige Übergänge in Verbindung mit großen Rippenhöhen nur schwer fertigbar. Darüber hinaus ist die Höhe der Rippen nur innerhalb eines engen Rahmens fertigbar. Zudem ergibt sich eine nur geringe Flexibilität bezüglich der Profilgestaltung entlang des Rohres.

[0006] Aus diesen Gründen kommt derzeit gerade bei der Auslegung und Konzeption moderner Dampferzeuger mit so genannten ultrahohen Dampfzuständen nur der Einsatz von Glattrohren, also ohne Innenberippung, in Betracht. Aufgrund der vergleichsweise schlechteren Wärmeübergangsverhältnisse bei diesen glatten Dampferzeugerrohren gegenüber innenberippten Rohren muss daher bei der Auslegung des Dampferzeugers eine vergleichsweise hohe Massenstromdichte für das Strömungsmedium gewählt werden, um einen ausreichend hohen Wärmeübergang und damit eine sichere Kühlung der Dampferzeugerrohre zu gewährleisten. Um dementsprechend die Anzahl der Dampferzeugerrohre bei gleichem Gesamtdurchsatz geeignet gering halten zu können, muss für die Auslegung der genannten Dampferzeuger anstelle einer so genannten Senkrechtberohrung, bei der die Dampferzeugerrohre im Wesentlichen vertikal geführt die Umfassungswände der Brennkammer bilden, eine Berohrung in der Art einer schraubenförmigen Wicklung der Dampferzeugerrohre in den Brennkammerwänden gewählt werden. Dadurch wird die Brennkammerkonstruktion allerdings in unerwünschter Weise aufwändiger und komplexer, und aufgrund der geometriebedingt größeren Rohrlängen müssen höhere Druckverluste in Kauf genommen werden.

[0007] Alternativ wurden bereits verschiedenartige drallerzeugende Einbauteile zum nachträglichen Einbau in ein Dampferzeugerrohr vorgeschlagen. Zu diesen zählen insbesondere die so genannten "Twisted Tapes": Aus einem Metallstreifen gefertigte Bänder, die in sich verdrillt oder gewunden sind. Den bislang bekannten Rohreinbauten ist allerdings der Nachteil gemeinsam, dass sie zum einen den (ursprünglich) freien Querschnitt im Zentrum des Rohres versperren und daher zu sehr hohen Druckverlusten führen, und dass sie zum anderen die gesamte Strömung ausgesprochen stark umlenken und dabei teilweise "überdrallen". Ein einfaches Twisted Tape z. B. führt bei höheren Dampfgehalten in der Zweiphasenströmung zu einem Ansammeln der Wasserphase im Zwickel zwischen der Rohrwand und dem Tape bei gleichzeitigem Austrocknen und damit unzureichender Kühlung der Innenwandbereiche leeseitig des Tapes. Dampferzeugerrohre mit Einbauten in der Art von Twisted Tapes sind daher nicht für alle bei Dampferzeugern üblicherweise auftretenden Betriebsbedingungen gleichermaßen geeignet.

[0008] Alternativ ist ein Dampferzeugerrohr bekannt, in dessen Rohrinnenraum zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Rohreinsatz angeordnet ist. Dieser umfasst mindestens einen Blechrahmen mit einer Anzahl großflächiger Ausnehmungen, wobei der Einsatz in Längsrichtung verdrillt ist. Die Ausnehmungen ermöglichen dabei den störungsfreien Durchtritt des Strömungsmediums in Längsrichtung des Dampferzeugerrohres.

[0009] Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein noch weiter verbessertes Dampferzeugerrohr der eingangs genannten Art anzugeben, das bei einfach und kostengünstig gehaltener Fertigung und bei einer großen Bandbreite unterschiedlicher Betriebsbedingungen ein besonders günstiges Wärmeübergangsverhalten aufweist. Des Weiteren sollen ein zur Herstellung eines derartigen Dampferzeugerrohres geeignetes Herstellungsverfahren sowie ein Durchlaufdampferzeuger angegeben werden, der bei hoher betrieblicher Sicherheit und bei einem hohen Wirkungsgrad einen besonders einfachen Aufbau besitzt.

[0010] Bezüglich des Dampferzeugerrohres wird die genannten Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem der Rohreinsatz von einem in der Art einer Schraubenfeder gewundenen, an der Rohrinnenwand geführten Profildraht gebildet ist.

[0011] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Ausgestaltung des Rohreinsatzes zur Bildung des drallerzeugenden Innenprofils konsequent die grundsätzlichen Auslegungskriterien für die Verwendung im Dampferzeugerrohr einhalten sollte, nämlich insbesondere sowohl die Bereitstellung eines geeigneten drallerzeugenden Innenprofils unter Rückgriff auf die Schraubenkontur als auch eine weitgehende Vermeidung unnötiger Druckverluste, wie sie durch Verblockung des zentralen Strömungspfades im Dampferzeugerrohr entstehen könnten. Um vor diesem Hintergrund mit besonders einfachen Mitteln eine zuverlässige Oberflächenstruktur bereitstellen zu können, ist die Ausgestaltung des Rohreinsatzes im Wesentlichen als Schraubenfeder vorgesehen.

[0012] Der Rohreinsatz und damit der diesen bildende Profildraht kann sich über die gesamte Länge des Dampferzeugerrohres hinweg erstrecken. Alternativ kann in einer bevorzugten Ausführungsform aber auch eine lediglich stück- oder abschnittsweise Einbringung des drallerzeugenden Rohreinsatzes vorgesehen sein, wobei vorzugsweise insbesondere in denjenigen Zonen des Dampferzeugerrohres, in denen beim Betrieb des Dampferzeugers auslegungsbedingt mit einem besonders hohen Wärmeeintrag infolge besonders hoher lokaler Beheizung zu rechnen ist, entsprechende Rohreinsätze vorgesehen sind.

[0013] Um ein vergleichsweise einfaches Einbringen des Rohreinsatzes in den Rohrinnenraum des Dampferzeugerrohrs, vorzugsweise durch Einschieben, zu ermöglichen, sind die Dimensionierungen der einzelnen Komponenten vorteilhafterweise entsprechend geeignet gewählt. Insbesondere weist dazu die durch den Profildraht gebildete Schraubenfeder im lastfreien Zustand, also im mechanisch und thermisch unbelasteten Zustand, einen im Vergleich zum Rohrinnendurchmesser mindestens um 1 mm kleinerem Außendurchmesser auf. Damit ist unter normalen Arbeitsbedingungen eine vergleichsweise einfache Einbringung des Rohreinsatzes in den Rohrinnenraum ermöglicht, wobei zudem auch Effekte induzierter Längenänderungen auf diese Weise geeignet kompensiert werden können. Wie sich nämlich herausgestellt hat, kann während des Dampferzeugerbetriebs zwischen dem eigentlichen Dampferzeugerrohr und dem darin eingebrachten, als Innenprofil dienenden Profildraht eine Temperaturdifferenz von bis zu 100 K und mehr entstehen. Die daraus resultierende Längendifferenz zwischen dem Dampferzeugerrohr und dem Profildraht kann durch elastische Verformung des schraubenförmig gewundenen Profildrahtes aufgenommen werden.

[0014] In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind die Komponenten des Dampferzeugerrohrs derart ausgebildet, dass nach Einbringung des Rohreinsatzes in den Rohrinnenraum im Vergleich zu herkömmlich eingesetzten innenberippten Rohren möglichst weit gehend vergleichbare Strömungs- und Betriebseigenschaften erhalten werden. Dazu weist der Profildraht vorteilhafterweise einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, so dass nach Einbringung des Profildrahts in den Rohrinnenraum eine Kontur ähnlich der eines gewöhnlichen innenberippten Rohres entsteht. Darüber hinaus ist dabei besonders vorteilhaft, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Rippenrohren, die unter Einsatz erheblicher Verformungskräfte durch einen Verformungsprozess aus Glattrohren hergestellt werden, eine große Flexibilität hinsichtlich der strömungsrelevanten Parameter, wie etwa Windungszahl, Breite der Randstege (entsprechend der Rippenhöhe bei Rippenrohren), Flankenwinkel und Scharfkantigkeit besteht. Diese Parameter können insbesondere durch geeignete Querschnittsvorgaben für den Profildraht an den jeweiligen Auslegungsfall angepasst werden. Im Hinblick auf übliche Rohrdimensionierungen weist der Profildraht dabei vorteilhafterweise einen viereckigen Querschnitt mit Seitenlängen von jeweils zumindest 1,5 mm auf.

[0015] Zur Fixierung des Rohreinsatzes im Rohrinnenraum ist der Profildraht in besonders vorteilhafter Weiterbildung über eine Anzahl von an jeweils zugeordneten Stützstellen angeordneten Federelementen an der Rohrinnenwand abgestützt. Die Federelemente, die vorzugsweise als Flachformfedern ausgebildet sind, sind dabei zweckmäßigerweise formschlüssig oder formschlüssig und stoffschlüssig mit dem Profildraht verbunden. Die Längsachse der Federelemente bildet dabei zweckmäßigerweise einen Winkel von etwa 90° zum Steigungswinkel des Profildrahtes. Das jeweilige Federelement ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung als Flachformfeder ausgebildet und weist einen Federschenkel mit einer Länge von mehr als der Ganghöhe der durch den Profildraht gebildeten Schraubenfeder auf, so dass jeder Schenkel durch den nachfolgenden Windungsgang der Schraubenfeder seitlich nach außen zur Rohrinnenwand hin gedrückt wird und dort eine Fixierung bewirken kann. Um die Fixierung dabei weiter zu begünstigen, ist der Durchmesser des gedachten Kreises, der durch die Außenkanten der Federschenkel gebildet wird, vor dem Zusammenbau des Dampferzeugerrohres größer als dessen Innendurchmesser, so dass beim Zusammenbau des Dampferzeugerrohres mit dem Rohreinsatz die Federschenkel der Federelemente nach innen gebogen und dabei gespannt werden. Dadurch entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rohreinsatz und dem Dampferzeugerrohr.

[0016] An einer schraubenförmigen Windung des Profildrahtes, die senkrecht zur Längsachse des Dampferzeugerrohres gesehen einen Kreisring bildet, kann dabei ein einziges Federelement oder auch eine Mehrzahl von Federelementen angeordnet sein. Bei der Anordnung von ein oder zwei Federelementen wird der Profildraht dabei an einer Stelle kraftschlüssig mit der Innenseite des Dampferzeugerrohrs verbunden, wobei die Seite des Dampferzeugerrohres, an der der durch den Profildraht gebildete schraubenförmige Teil kraftschlüssig an der Rohrinnenwand anliegt, vorzugsweise der stärksten Beheizung zugewandt sein sollte. Bei drei oder mehr Federelementen kann der Profildraht mit annähernd gleichem Abstand von der Innenseite des Dampferzeugerrohrs fixiert werden.

[0017] Das durch den Profildraht gebildete Innenprofil zur Drallerzeugung kann dabei in der Art einer eingängigen Schraubenfeder ausgelegt sein. In vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei aber die Nachbildung einer zwei- oder mehrgängigen Schraubenfeder vorgesehen, wobei dies durch eine Mehrzahl von ineinander geführten, in ihrer Gesamtheit eine mehrgängige Schraubenfeder bildenden Profildrähten erreichbar ist. Benachbarte Profildrähte sind dabei vorteilhafterweise stellenweise über Abstandshalter miteinander verbunden, so dass sich in Längsrichtung des Dampferzeugerrohres gesehen ein gleichmäßiges Innenprofil ergibt. Der oder die Abstandshalter können dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung in die genannten Federelemente integriert sein, so dass jeweils mit einem einzigen Bauteil sowohl die Fixierungsfunktion über den Federeffekt als auch die Positionierungsfunktion über die Einstellung des gewünschten Abstands gewährleistet werden kann.

[0018] In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das mit dem Rohreinsatz zur Bereitstellung eines drallerzeugenden Innenprofils versehene Dampferzeugerrohr in besonderer Weise strömungsgünstig im Hinblick auf den Einsatzzweck im Dampferzeuger ausgestaltet. Dabei kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung gezielt der Effekt genutzt werden, dass durch die Verwendung eines separaten, von der Herstellung des eigentlichen Dampferzeugerrohrs unabhängigen Bauteils zur Bereitstellung des drallerzeugenden Innenprofils herstellungsseitig vergleichsweise viele Freiheitsgrade bei der Vorgabe und Auswahl einzelner charakteristischer Parameter nutzbar sind. Durch Nutzung dieser Freiheitsgrade kann das Dampferzeugerrohr in besonderer Weise strömungsgünstig bzgl. der gewünschten Phasenseparation ausgestaltet sein, ohne dass es wie bei einem innenberippten Dampferzeugerrohr zu unzulässigen Verformungskräften bei dessen Herstellung kommt. So hat es sich gezeigt, dass die durch den Drall verursachte Phasenseparation bei Verdampfung von Wasser besonders groß ist, wenn der Steigungswinkel des schraubenförmig gewundenen Profildrahts, bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Rohrachse des Dampferzeugerrohres, kleiner als 50° ist. Vorteilhafterweise ist daher der genannte Steigungswinkel höchsten 45°, vorzugsweise höchsten 40°, besonders vorzugsweise höchstens 35°, in besonders vorteilhafter Ausgestaltung höchstens 30°.

[0019] Weiterhin ist es gerade bei einem vergleichsweise langen, sich über die gesamte Höhe des Dampfkessels erstreckenden Dampferzeugerrohr wünschenswert, entlang seiner Längsausdehnung je nach Ort unterschiedliche Führungsprofile im Rohrinneren vorzusehen, die der räumlichen Entwicklung bzw. Variation sowohl des Dampfanteils als auch des Beheizungsprofils Rechnung tragen. Ein derartiges Konzept lässt sich vorteilhafterweise dadurch realisieren, dass eine Mehrzahl von Einsätzen in das Dampferzeugerrohr eingebracht ist, die in jeweils getrennten Rohrabschnitten angeordnet sind, wobei der jeweilige Einsatz mit seinen geometrischen Parametern an die im Betrieb vorgesehene lokale Beheizung und/oder an die lokalen Strömungsverhältnisse angepasst ist. Da sich ferner herausgestellt hat, dass der Drall nach einmaliger Generierung auch bei einer Zweiphasenströmung mindestens über eine Strömungsstrecke von fünf Rohrdurchmessern erhalten bleibt, ist keine vollständige, lückenlose Bestückung des Rohres notwendig. Vielmehr können die Einsätze durch Zwischenräume voneinander beabstandet in das Dampferzeugerrohr eingebaut sein.

[0020] Zweckmäßigerweise werden die hier beschriebenen Dampferzeugerrohre bei einem fossil beheizten Durchlaufdampferzeuger eingesetzt. Durch das drallerzeugende Innenprofil der Rohre und die damit verbundenen Verbesserungen im Wärmeübergangsverhalten ist auch bei Kesselkonstruktionen mit vertikaler Rohranordnung ("senkrechte Berohrung") eine ausreichende Wärmeübertragung auf das Strömungsmedium und damit eine Kühlung der Rohrwände gewährleistet. Eine Senkrechtberohrung mit höherer Rohranzahl und mit vergleichsweise kurzen Rohrleitungslängen ermöglicht aufgrund der gegenüber schräg bzw. spiralförmig angeordneten Rohren geringeren Strömungsgeschwindigkeiten und geringeren Massenstromdichten einen Betrieb des Dampferzeugers mit reduziertem Druckverlust und mit reduziertem Mindestdurchsatz. Damit kann das den Dampferzeuger umfassende Kraftwerk für eine geringere Mindestlast ausgelegt sein. Die von geneigten Dampferzeugerrohren bekannten Separationseffekte, bei denen Wasser und Dampf bei Unterschreiten einer Mindestströmungsgeschwindigkeit bzw. einer Mindestlast nur noch geschichtet strömen, so dass Teilbereiche der Rohrwände nicht mehr benetzt werden, treten bei Senkrechtberohrung nicht auf. Außerdem entfallen aufwendige, mit umfangreichen und kostenintensiven Schweißarbeiten verbundene Tragkonstruktionen für den Dampfkessel, da eine Kesselwand mit senkrechter Berohrung in der Regel selbsttragend ausgelegt werden kann.

[0021] Weiterhin können die genannten Rohreinbauten auch bei konvektiver Beheizung, wie sie etwa im Abhitzekessel von GuD-Kraftwerken vorliegt, aufgrund des verbesserten Wärmeüberganges zu einer Reduzierung der Wärmetauscherfläche und damit zu deutlichen Kosteneinsparungen führen.

[0022] In Bezug auf das Herstellungsverfahren wird die oben genannte Aufgabe gelöst, indem ein aus einem oder mehreren in der Art einer ein- oder mehrgängigen Schraubenfeder gewundenen Profildrähten gebildeter Rohreinsatz in den Rohrinnenraum eingebracht wird, indem der Rohreinsatz mittels einer zentral geführten, an einer Anzahl von Stützstellen über zugeordnete Greifelemente in jeweils eine Schraubenwindung der Schraubenfeder eingreifende Montagestange in den Rohrinnenraum eingezogen wird. Wie sich nämlich herausgestellt hat, ist die Herstellung des genannten Dampferzeugerrohres ein besonderes Problem, da einerseits für den Montagevorgang, also die Einbringung des Rohreinsatzes in den Rohrinnenraum, ein gewisses Spiel zwischen der Rohrwand des Dampferzeugerrohres und dem Rohreinsatz vorhanden sein muss sowie Unrundheiten des Dampferzeugerrohres berücksichtigt werden müssen, wobei andererseits der Rohreinsatz im späteren Dampferzeugerbetrieb kraftschlüssig mit der Rohrinnenwand des Dampferzeugerrohres verbunden sein soll. Um den Rohreinsatz in das Dampferzeugerrohr hineinziehen zu können, ist der Außendurchmesser des durch den Profildraht gebildeten schraubenförmigen Teils kleiner als der Innendurchmesser des Dampferzeugerrohres. Die Federelemente, die eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rohreinsatz und dem Dampferzeugerrohr herstellen sollen, können während des Montagevorgangs infolge Reibung eine Kraft auf den Profildraht in Richtung der Rohrachse ausüben, die zu einer Dehnung des schraubenfederartigen Rohreinsatzes führen kann. Um dem entgegenzuwirken, ist vorgesehen, eine Montagehilfe zu verwenden. Diese besteht zweckmäßigerweise aus einem langen Stab, an dem senkrecht zur Stabachse eine Anzahl von drehbaren Stegen angeordnet sind, die zwischen die schraubenförmigen Windungen des Profildrahtes greifen. Damit kann der Rohreinsatz in das Dampferzeugerrohr hineingezogen werden, ohne dass es zu einer Längung des Rohreinsatzes kommen kann. Nach beendeter Montage wird die Montagehilfe etwas um ihre Längsachse gedreht und in entgegengesetzter Richtung aus dem Rohrinnenraum herausgezogen.

[0023] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Einbringung eines in der Art einer Schraubenfeder gewundenen, an der Rohrinnenwand des Dampferzeugerrohrs geführten Profildrahts auf besonders einfache Weise und mit besonders einfachen Mitteln eine Innenberippung für das Dampferzeugerrohr bereitgestellt werden kann, ohne dass hierzu die vergleichsweise aufwändigen und materialbeanspruchenden Kaltverformungsschritte des Rohrkörpers notwendig wären. Damit ist auch für an sich nicht ausreichend gut bearbeitbare Rohrmaterialien, wie sie insbesondere in Dampferzeugern für hohe Dampfzustände zum Einsatz kommen, die Bereitstellung von Rohren mit einem drallerzeugenden Innenprofil ermöglicht. Durch die schraubenförmige Windung des Profildrahts erhält dabei die Axialströmung im Rohrinnenraum einen Drall, mit dem ein in der Dampfkernströmung enthaltener Wasseranteil an die Rohrwand transportiert wird, dort während des gesamten Verdampfungsvorgangs einen Wasserfilm bildet und dadurch eine besonders gute Kühlung des Dampferzeugerrohres gewährleistet. Die für den Wärmeübergang vorteilhafte Ringströmung wird dabei nicht nennenswert gestört, da aufgrund des grundsätzlichen Aufbaus des Rohreinsatzes im Zentrum des Dampferzeugerrohres keine Einbauten erforderlich sind. Die Formgebung des Profildrahts erhöht zudem durch Wirbelbildung die Turbulenz der Strömung in Wandnähe und vermeidet dadurch auch die Entstehung größerer Dampfblasen.

[0024] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1

einen Durchlaufdampferzeuger in vereinfachter Darstellung mit vertikal berohrter Brennkammerwand,

FIG 2

einen Rohreinsatz,

FIG 3

den Rohreisatz nach FIG 2 in seitlicher Ansicht,

FIG 4

den Rohreinsatz nach FIG 3 im Querschnitt,

FIG 5

ein Dampferzeugerrohr mit einem darin eingebrachten Rohreinsatz nach FIG 2 im Längsschnitt,

FIG 6

das Dampferzeugerrohr nach FIG 5 im Querschnitt,

FIG 7

einen vergrößerten Ausschnitt des Rohreinsatzes nach FIG 2,

FIG 8

einen mehrgängig ausgeführten Rohreinsatz,

FIG 9

den Rohreinsatz nach FIG 8 im Querschnitt,

FIG 10

ein Dampferzeugerrohr mit integriertem Rohreinsatz nach FIG 8,

FIG 11

das Dampferzeugerrohr nach FIG 10 im Querschnitt,

FIG 12

einen Rohreinsatz in dreigängiger Ausführung,

FIG 13

den Rohreinsatz nach FIG 12 im Querschnitt,

FIG 14

ein Dampferzeugerrohr mit darin integriertem Rohreinsatz nach FIG 12,

FIG 15

das Dampferzeugerrohr nach FIG 14 im Querschnitt,

FIG 16, 17, 18

jeweils ein Federelement,

FIG 19

eine Montagehilfe zur Einbringung eines Rohreinsatzes in ein Dampferzeugerrohr in seitlicher Ansicht,

FIG 20

die Montagehilfe nach FIG 19 in Austragsposition, und

FIG 21

die Montagehilfe nach FIG 19 in Draufsicht.

[0025] Gleiche Teile sind allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0026] In FIG 1 ist schematisch ein Durchlaufdampferzeuger 2 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, dessen vertikaler Gaszug durch eine Umfassungs- oder Brennkammerwand 4 gebildet ist, die am unteren Ende in einen trichterförmigen Boden 6 übergeht.

[0027] In einem Befeuerungsbereich V des Gaszugs sind eine Anzahl von Brennern für einen Brennstoff in jeweils einer Öffnung 8, von denen nur zwei sichtbar sind, in der aus Dampferzeugerrohren 10 zusammengesetzten Brennkammerwand 4 angebracht. Die vertikal angeordneten Dampferzeugerrohre 10 sind im Befeuerungsbereich V zu einer Verdampferheizfläche 12 gasdicht miteinander verschweißt.

[0028] Oberhalb des Befeuerungsbereiches V des Gaszugs befinden sich Konvektionsheizflächen 14. Darüber befindet sich ein Rauchgasaustrittskanal 16, über den das durch Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugte Rauchgas RG den vertikalen Gaszug verlässt. Das in den Dampferzeugerrohren 10 strömende Strömungsmedium wird durch die Strahlungswärme der Brennerflammen und durch konvektive Wärmeübertragung vom Rauchgas RG beheizt und dabei verdampft. Das Rauchgas RG dient als Heizmedium für das in den Dampferzeugerrohren 10 strömende Strömungsmedium. Als Strömungsmedium ist im Ausführungsbeispiel Wasser oder ein Wasser-Dampf-Gemisch vorgesehen.

[0029] Neben dem in FIG 1 gezeigten Ein-Zug-Kessel (so genannter Turmkessel) sind selbstverständlich auch noch weitere Kesselkonfigurationen, z. B. in der Art eines Zwei-Zug-Kessels, möglich. Die nachfolgend zu beschreibenden Dampferzeugerrohre können bei allen diesen Varianten zum Einsatz kommen, und zwar sowohl im Befeuerungsbereich als auch im restlichen Rauchgaskanal. Auch ein Einsatz bei einem Abhitzedampferzeuger ist denkbar.

[0030] Der Durchlaufdampferzeuger 2 ist für einen Betrieb bei besonders hohen Dampfzuständen ausgelegt, die mit vergleichsweise hoher Materialbeanspruchung einhergehen. Dementsprechend sind die Dampferzeugerrohre 10 aus vergleichsweise hochfesten, hochlegierten Stahlmaterialien gefertigt. Um auch bei derartigen Materialien, die sich bei der Herstellung üblicherweise nicht für die ansonsten bei der Rohrumformung angewandten Techniken wie insbesondere Kaltziehverfahren eignen, bei vergleichsweise gering gehaltener Massenstromdichte einen besonders guten Wärmeübergang zum im Dampferzeugerrohr 10 geführten Strömungsmedium sicherzustellen, sind die Dampferzeugerrohre 10 zur Erzeugung eines Dralls im Strömungsmedium als innenberippte Rohre ausgeführt. Im Hinblick auf die Materialwahl, die die Aufbringung einer derartigen Innenberippung unter Rückgriff auf die hierfür üblichen Verfahren nicht gestattet, ist diese Innenberippung in den Dampferzeugerrohren 10 durch ein separates Bauteil, insbesondere einen Rohreinsatz 18, realisiert, der in den Rohrinnenraum des jeweiligen Dampferzeugerrohrs 10 eingebracht ist.

[0031] Der Rohreinsatz 18, der in FIG 2 in seitlicher Ansicht und in FIG 3 im Längsschnitt gezeigt ist, ist dabei von einem in der Art einer Schraubenfeder gewundenen Profildraht 20 gebildet, der nach seiner Einbringung in das Dampferzeugerrohr 10 dessen Innenberippung bilden soll. Ausgangspunkt für die Herstellung des Dampferzeugerrohrs 10 ist somit ein Glattrohr, in das der vom Profildraht 20 gebildete Rohreinsatz 18 eingeschoben wird. Der Rohreinsatz 18, der im Querschnitt in FIG 4 gezeigt ist, ist dabei, wie aus der Darstellung in FIG 5 ersichtlich, in den Rohrinnenraum 22 des jeweiligen Dampferzeugerrohrs 10 eingebracht, wobei der sich in der Art einer Schraubenfeder windende Profildraht 20 in der Nähe der Rohrinnenwand 24 entlang geführt ist. Das montierte Dampferzeugerrohr 10 ist dabei im Querschnitt in FIG 6 gezeigt.

[0032] Um ein vergleichsweise einfaches Einbringen des als Rohreinsatz 18 vorgesehenen Profildrahts 20 in den Rohrinnenraum 22 des Dampferzeugerrohrs 10 zu gewährleisten, ist die vom gewundenen Profildraht 20 gebildete Schraubenfeder derart dimensioniert, dass ihr Außendurchmesser d im Querschnitt im lastfreien Zustand, also insbesondere im kalten, unbeheizten Zustand und im mechanisch entspannten, nicht verformten Zustand, im Vergleich zum Rohrinnendurchmesser D des Dampferzeugerrohrs 10 geringfügig, nämlich im Ausführungsbeispiel mindestens 1 mm, kleiner ist. Damit ist ein unproblematisches Einschieben der durch den Profildraht 20 gebildeten Schraubenfeder in den Rohrinnenraum 22 des Dampferzeugerrohrs 10 ermöglicht.

[0033] Der Profildraht 20 ist dafür vorgesehen, im in das Dampferzeugerrohr 10 eingebrachten Zustand dessen Innenberippung zur Herstellung besonders günstiger Strömungsverhältnisse und insbesondere einer zuverlässigen Drallströmung bereitzustellen. Um dem Rechnung zu tragen, ist der Profildraht 20 hinsichtlich seiner Dimensionierung und Konturierung, also insbesondere im Hinblick auf sein Querschnittsprofil einerseits und im Hinblick auf die charakteristischen Parameter der Schraubenfeder, insbesondere auf die Ganghöhe L, andererseits geeignet ausgestaltet.

[0034] Bei der Wahl des Querschnittsprofils für den Profildraht 20 ist insbesondere berücksichtigt, dass die Phasenseparation des Strömungsmediums insbesondere dann besonders groß ist, wenn der Profildraht 20 einen im Wesentlichen viereckigen oder rechteckigen Querschnitt, vorzugsweise mit Seitenlängen von jeweils 1,5 mm oder mehr, aufweist. Der rechteckige Querschnitt des Profildrahts 20 ist dabei im Ausführungsbeispiel insbesondere in der ausschnittsweisen Darstellung in FIG 7 erkennbar. Alternativ kann die Profilierung des Profildrahts 20 auch derart vorgenommen sein, dass das Strömungsmedium infolge über das Drahtprofil erzeugter zusätzlicher Strömungsturbulenz einen besonders großen Wärmeübergang bedingt. Dazu ist vorzugsweise der durch die Anströmseite des Profildrahts 20 mit der Rohrinnenwand 24 des Dampferzeugerrohres 10 gebildete Winkel größer als 90°, wobei der Winkel, der durch die Abströmseite des Profildrahts 20 mit der Rohrinnenwand 24 des Dampferzeugerrohres 10 gebildet ist, kleiner als 90° ist. Durch eine derartige Ausgestaltung oder Profilierung des Profildrahts 20 entstehen Abrisskanten, die eine Wirbelbildung begünstigen und so die Grenzschicht an der Rohrinnenwand 24 des Dampferzeugerrohres 10 aufreißen. Diese zusätzliche Verbesserung des Wärmeübergangs kann durch den Fertigungsprozess bei der Herstellung des Profildrahts 20 - der Drahtquerschnitt kann dabei insbesondere etwas verdreht werden - oder durch eine geeignete Formgebung des Drahtquerschnitts erreicht werden.

[0035] Im Hinblick auf die grundsätzlich vorgesehene Dimensionierung des Rohreinsatzes 18 in Relation zum Innendurchmesser D des Dampferzeugerrohrs 10 ist eine mechanische Fixierung des Rohreinsatzes 18 im Dampferzeugerrohr 10 vorteilhaft. Dazu ist der Profildraht 20 über eine Anzahl von an jeweils zugeordneten Stützstellen angeordneten Federelementen 30 an der Rohrinnenwand abgestützt. Das jeweilige Federelement 30 ist dabei als Flachformfeder ausgebildet und weist einen Federschenkel 32 mit einer Länge von mehr als der Ganghöhe L der durch den Profildraht gebildeten Schraubenfeder auf. Damit ist sichergestellt, dass bei der Verhakung des Federelements 30 an einer Windung des Profildrahts 20 der Federschenkel 32 über den nächstfolgenden Gewindegang hinaussteht, so dass er, wie beispielsweise der Darstellung in FIG 7 entnehmbar ist, durch die weitere Windung bei geeigneter Anbringung nach außen hin und somit in Richtung zur Rohrinnenwand 24 des Dampferzeugerrohrs 10 gedrückt wird. Damit verbiegen sich die Federelemente 30 beim Einbringen des Rohreinsatzes 18 in das jeweilige Dampferzeugerrohr 10, werden dadurch gespannt und üben eine Kraft senkrecht oder in einem Winkel zur Rohrachse auf die Innenwand 24 des Dampferzeugerrohrs 10 aus. Diese dient sodann zur Fixierung des Rohreinsatzes 18 im Dampferzeugerrohr 10.

[0036] Wie den Querschnittsdarstellungen in FIG 4 und FIG 6 entnehmbar ist, können dabei im Querschnitt gesehen drei oder mehr Federelemente 30 gleichmäßig um den Rohrumfang verteilt sein, so dass eine gleichmäßige Abstützung des Rohreinsatzes 18 in alle Richtungen erfolgen kann. Alternativ können pro Querschnitt des Dampferzeugerrohres 10 gesehen aber auch weniger, also insbesondere lediglich ein oder zwei Federelemente 30, vorgesehen sein, so dass der Rohreinsatz 18 einerseits durch den Profildraht 20 selber und andererseits durch das oder die Federelemente 30 gegenüber der Rohrinnenwand 24 abgestützt ist.

[0037] Im Ausführungsbeispiel nach FIG 8 ist ein alternativer Rohreinsatz 18' gezeigt, bei dem zwei Profildrähte 20 in der Art einer ineinander geführten Wicklung geschachtelt ausgeführt sind. Damit entsteht eine vergleichsweise hohe Längsdichte der Berippungen bei gleichzeitig besonders geeignetem Steigungswinkel der Profildrähte 20. In FIG 10 ist im Längsschnitt ein mit einer derartigen zweigängigen Wicklung von Profildrähten 20 versehenes Dampferzeugerroh 10 gezeigt. Wie den zugehörigen Querschnittsdarstellungen in FIG 9 bzw. FIG 11 entnehmbar ist, ist in diesem Fall die Abstützung des Rohreinsatzes 18' gegenüber der Rohrinnenwand 24 des Dampferzeugerrohres 10 über pro Querschnitt lediglich zwei Federelemente 30 bewerkstelligt, wobei an einem geeigneten dritten Fixierpunkt die den Rohreinsatz 18' bildenden Profildrähte 20 direkt an der Rohrinnenwand 24 anliegen. Eine weitere alternative Ausführungsform ist im Ausführungsbeispiel nach den FIG 12 bis 15 gezeigt, bei denen ein weiterer alternativer Rohreinsatz 18" in der Art einer dreigängigen Ausführung aus drei geeignet ineinander geschachtelten Profildrähten 20 gebildet ist. Im Übrigen entsprechen die weiteren Komponenten der Darstellung nach den FIG 12 bis 15 den vorangegangenen.

[0038] Um bei der Ausführung des Rohreinsatzes 18', 18" in der Art einer mehrgängigen Schraubenfeder mit ineinander verschachtelt gewundenen Profildrähten 20 eine gleichmäßige Berippung sicherzustellen, sind die jeweiligen Profildrähte über geeignete Abstandshalter 40 in Längsrichtung des Dampferzeugerrohrs 10 gesehen geeignet miteinander verbunden. Ausführungsbeispiele für derartige Abstandshalter 40 zur Anbringung zwischen benachbarten Profildrähten 20 sind im Querschnitt in den FIG 16 bis 18 gezeigt. Der Abstandshalter 40 kann dabei, wie FIG 16 entnehmbar, als einfacher Abstandshalter zwischen den benachbarten Profildrähten 20 angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist der Abstandshalter 40 aber in der Art eines integrierten Bauteils auch noch als Federelement 30 zur Fixierung des Rohreinsatzes 18, 18', 18" an der Rohrinnenwand 24 ausgelegt. In seinem unteren Teilbereich weist der Abstandshalter 40 dazu den bereits genannten Federschenkel 32 auf. Eine derartige kombinierte oder integrierte Ausführung ist in FIG 17 für ein zweigängiges Gebilde, also die Ineinanderschachtlung zweier Profildrähte 20, und in FIG 18 für ein dreigängiges Gebilde, umfassend drei Profildrähte 20, dargestellt.

[0039] Zur Montage des Dampferzeugerrohrs 10, also insbesondere zur Einbringung des Einsatzes 18, 18', 18" in den Rohrinnenraum 22, ist ein spezielles Werkzeug, nämlich eine Montagehilfe 50, vorgesehen, wie sie im Ausführungsbeispiel in den FIG 19 bis 21 dargestellt ist. Dabei ist insbesondere berücksichtigt, dass ein besonderes Problem bei der Herstellung der genannten Dampferzeugerrohre 10 besteht, da einerseits für den Montagevorgang ein gewisses Spiel zwischen der Rohrinnenwand 24 des Dampferzeugerrohres 10 und dem Rohreinsatz 18, 18', 18" vorhanden sein muss, sowie Unrundheiten des Dampferzeugerrohres 10 berücksichtigt werden müssen, wobei andererseits der Rohreinsatz 18, 18', 18" im späteren Dampferzeugerbetrieb kraftschlüssig mit der Rohrinnenwand 24 des Dampferzeugerrohres 10 verbunden sein sollte. Um den Rohreinsatz 18, 18', 18" in das Dampferzeugerrohr 10 hineinziehen zu können, ist zum einen der Außendurchmesser d der durch den jeweiligen Profildraht 20 gebildeten Schraubenfeder kleiner als der Innendurchmesser D des Dampferzeugerrohres 10. Die Federelemente 30, die eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rohreinsatz 18, 18', 18" und dem Dampferzeugerrohr 10 herstellen können, können somit während des Montagevorgangs infolge Reibung eine Kraft auf den Profildraht 20 in Richtung der Rohrachse ausüben, die zu einer lokalen oder globalen Dehnung des Rohreinsatzes 18 führen kann. Um dies zu vermeiden, ist die Montagehilfe 50 vorgesehen.

[0040] Diese besteht aus einem langen Stab 52, an dem senkrecht zur Stabachse eine Anzahl von drehbaren Stegen 54 angeordnet ist, die bedarfsweise zwischen die schraubenförmigen Windungen des jeweiligen Profildrahts 20 greifen. In der Art von Widerhaken sind die Stege 54 dabei derart kippbar ausgelegt, dass bei einer Belastung der Montagehilfe 50 in Zugrichtung, also im Ausführungsbeispiel nach oben hin, die Stege 54 in die Drahtwindungen eingreifen und diese somit mitnehmen. Bei einer Bewegung der Montagehilfe 50 in entgegengesetzter Richtung klappen die Stege 54 hingegen weg, so dass die Montagehilfe 20 in entsprechende Richtung durch den Rohreinsatz 18 geführt werden kann. Damit kann der Rohreinsatz 18, 18', 18" in das Rohrinnere 24 des Dampferzeugerrohres 10 hineingezogen werden, ohne dass es zu einer Längung des Rohreinsatzes 18, 18', 18" kommen kann.

Ansprüche

1. Dampferzeugerrohr (10), in dessen Rohrinnenraum (22) zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Rohreinsatz (18, 18', 18") angeordnet ist, wobei der Rohreinsatz (18, 18', 18") von einem in der Art einer Schraubenfeder gewundenen, an der Rohrinnenwand (24) geführten Profildraht (20) gebildet ist.

2. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 1, bei dem die durch den Profildraht (20) gebildete Schraubenfeder im lastfreien Zustand einen im Vergleich zum Rohrinnendurchmesser (D) mindestens 1 mm kleineren Außendurchmesser (d) aufweist.

3. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Profildraht (20) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.

4. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Profildraht (20) über eine Anzahl von an jeweils zugeordneten Stützstellen angeordneten Federelementen (30) an der Rohrinnenwand (36) abgestützt ist.

5. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 4, bei dem das jeweilige Federelement (30) als Flachformfeder ausgebildet ist und einen Federschenkel (32) mit einer Länge von mehr als der Ganghöhe der durch den Profildraht (20) gebildeten Schraubenfeder aufweist.

6. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dessen Rohrinnenraum (22) eine Mehrzahl von ineinander geführten, in ihrer Gesamtheit eine mehrgängige Schraubenfeder bildenden Profildrähten (20) angeordnet ist.

7. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 6, bei dem benachbarte Profildrähte (20) stellenweise über Abstandshalter (40) miteinander verbunden sind.

8. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Steigungswinkel des jeweiligen schraubenförmig gewundenen Profildrahtes (20), bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Rohrlängsachse, höchstens 45°, vorzugsweise höchstens 40°, besonders vorzugsweise höchstens 35°, in besonders vorteilhafter Ausgestaltung höchstens 30° beträgt.

9. Durchlaufdampferzeuger (2), der eine Anzahl von Dampferzeugerrohren (10) umfasst, die nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gebildet sind.

10. Verfahren zum Herstellen eines mit einem drallerzeugenden Rohreinsatz (18, 18', 18") versehenen Dampferzeugerrohres (10), bei dem ein aus einem oder mehreren in der Art einer ein- oder mehrgängigen Schraubenfeder gewundenen Profildrähten (20) gebildeter Rohreinsatz (18, 18', 18") in den Rohrinnenraum (22) eingebracht wird, indem der Rohreinsatz (18, 18', 18") mittels eines zentral geführten, an einer Anzahl von Stützstellen über zugeordnete Greifelemente in jeweils eine Schraubenwindung der Schraubenfeder eingreifende Montagestange in den Rohrinnenraum (22) eingezogen wird.

Zeichnung