WO2004036116A2 - Wärmeflussmesseinrichtung für druckrohre sowie verfahren zum messen eines wärmeflusses durch druckrohre - Google Patents

Wärmeflussmesseinrichtung für druckrohre sowie verfahren zum messen eines wärmeflusses durch druckrohre Download PDF

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WO2004036116A2
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indentation
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heat flow
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    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
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    • G—PHYSICS
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    • G01K1/14—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations
    • G01K1/143—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations for measuring surface temperatures
    • G—PHYSICS
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    • G01K17/06—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device
    • G01K17/08—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device based upon measurement of temperature difference or of a temperature
    • G01K17/20—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device based upon measurement of temperature difference or of a temperature across a radiating surface, combined with ascertainment of the heat-transmission coefficient

Definitions

  • Heat flow measuring device for pressure pipes and method for measuring a heat flow " through pressure pipes
  • the present invention relates to a measuring device for pressure pipes of a heat exchanger or boiler with a pressure pipe and at least one thermocouple and a method for producing a measuring device for pressure pipes.
  • the thermal energy generated during the combustion of the fuel is usually used to heat water which flows in pressure pipes.
  • the heated water is z. B. used to generate steam and to drive a steam turbine.
  • the efficiency of such boilers or heat exchangers is determined in particular by the contamination of the outside and the inside of the pressure pipes. For example, combustion residues on the outside of the pipes increase the heat resistance of the pipes and prevent heat flow from the combustion chamber to the water. An increased thermal resistance means that a smaller part of the heat to be transferred can be absorbed by water and converted into electrical energy.
  • the general requirements for a heat flow sensor on pressure pipes are the durability, the stability and the reliability of the sensors under the respective conditions.
  • the sensors themselves should influence the heat flow as little as possible, i.e. influence the measured variable as little as possible due to their operation and the size and dimensions.
  • the sensors should also cause the pressure pipe surface to overheat as little as possible. They should as little as possible hinder the flow of the print medium. For reasons of reliability, it is advisable to design the sensors so that they can be arranged redundantly.
  • Thickened pressure pipe sensors are usually made from an ordinary one
  • the local indentation is with
  • Refilling material typically filled with welding material.
  • the Refill material is treated mechanically so that a sensor can be embedded.
  • a first, important aspect is that the pressure tube wall temperature (and thus the temperature of the sensor) is lower than the maximum permissible temperature for the pressure tube and the sensor.
  • This critical value is material-specific and can be, for example, around 600 ° C. If the system is operated above 600 °, the functionality of the pressure pipe and the sensor is quickly impaired, so that the boiler operation is endangered by a fault in the pressure pipes.
  • the pressure pipes have, for example, wall thicknesses between 4 mm and 10 mm and can advantageously be made from different molybdenum steel alloys. For example, with a steam temperature of 420 ° C and a heat flow of about 250 kW / m 2 and a wall thickness of 6 mm, the outer wall temperature is around 450 ° C.
  • the outside temperature of the pressure pipes is at the same heat flow and steam temperature z. B. at about 530 ° C, assuming typical material values.
  • the surface of the pressure pipe at the sensor easily reaches the critical temperature of 600 ° C. This makes it clear that the thermal resistance of the heat flow sensor should not be neglected and must therefore be reduced.
  • the limiting factor for reducing the indentation is on the one hand the sensitivity of the sensor, and on the other hand the possibility of leading the electrical lines of the sensor out of the combustion chamber from the sensor.
  • Another goal is to determine the parameters relevant to the operation of a boiler as comprehensively and precisely as possible.
  • the measuring device for pressure pipes of a heat exchanger with a pressure pipe and at least one thermocouple, the
  • Pressure pipe has a tube wall in which there is an indentation extends over a partial area of the circumference of the tube wall, the indentation receiving the thermocouple and being filled with filler material, characterized in that the thermocouple is arranged eccentrically in the partial area deformed by the indentation.
  • the pressure tube is made of a mechanically highly stable and thermally stable material, in particular steel such as 15Mo3.
  • the pressure pipes are led through the combustion chamber of the boiler, so that a heat exchange takes place between the interior of the boiler and the pressure medium carried in the pressure pipes.
  • the pressure medium can be water, for example, which is converted into water vapor by the absorption of heat.
  • the heat exchanger can be used for heat exchange between two fluids, in particular between two gases. In particular, it can also be a boiler for combustion, in which the heat generated during combustion is dissipated by a cooling medium.
  • the heat exchanger can also be used in a waste incineration plant.
  • thermocouple as well as for guiding the electrical
  • thermocouple used. This is particularly important if the electrical line is ahead of mechanical, thermal or chemical
  • thermocouple Effects of the environment in a boiler, such as combustion gases, must be protected, which can be done by placing both the thermocouple and the electrical lines in the
  • Filling material can be embedded. The filler thus protects it
  • Thermocouple as well as the electrical lines.
  • the filler material can be welding material, for example. Due to the eccentric arrangement, the electrical lines of the thermocouple can be routed and protected in the filling material over particularly long distances.
  • the eccentric arrangement also leads to the fact that the indentation is used particularly efficiently in the space required by the thermocouple and the electrical lines, as a result of which the indentation can be chosen to be small in relation to the cross section of the pressure pipe in comparison to conventional designs.
  • the indentation can be chosen to be small in relation to the cross section of the pressure pipe in comparison to conventional designs.
  • particularly small indentations are desirable in order to reduce the flow resistance in the pressure pipe.
  • the eccentric arrangement and the reduced size of the indentation thus made possible an improved heat flow through the tube wall is made possible.
  • the partial area to be filled with filler material is reduced in size, as a result of which the thermal resistance remains unchanged in comparison with conventional construction methods.
  • the reduced size of the indentation also generally reduces the curvature of the tube wall, as a result of which a higher stability of the pressure tube is achieved, which is particularly important in particular for high-pressure applications.
  • the eccentric arrangement minimizes an increase in temperature in the area of the thermocouple due to thermal resistances, which on the one hand improves the measuring accuracy of the thermocouple and on the other hand improves the mechanical stability of the pressure pipe.
  • the reduced size of the indentation avoids pressure drops in the pressure medium along the pressure pipe, which avoids local eddies and isolation areas. This ensures that no local overheating due to the flow behavior of the pressure medium occurs.
  • the reduction in the internal cross section of the pressure tube in the case of the eccentric arrangement is less than 30%, advantageously less than 27%, particularly preferably less than 25%, which corresponds to an improvement of around 20% compared to conventional constructions which have an internal cross-section reduction of at least 38%.
  • the indentation the pressure losses are also reduced by 20%.
  • less filling material also means that the manufacturing time of such a measuring device is shortened, since the manufacturing time is determined by the step of filling the indentation with filling material.
  • the invention reduces the filler material required by more than 20%, in particular more than
  • thermocouples for measuring a heat flow are arranged spatially spaced off-center in the indentation.
  • two temperatures can be measured at different points in the room, with which the gradient of the temperature profile can be determined in a first approximation.
  • the two thermocouples are advantageously arranged one above the other in the indentation, so that the temperature gradient is detected by the tube wall.
  • To record a temperature gradient along the pipe wall it is expedient to spatially space two thermocouples in the longitudinal direction of the pressure pipe. For a detailed recording of the temperature profile, it is advisable to arrange more than two " thermocouples. Via the temperature profile and after calibration with regard to the thermal conductivity coefficients of the materials used, heat flows can be recorded in terms of their amount and / or their direction. Temperatures can also be recorded at different points be measured.
  • the pressure tube has a circumferential section which can be acted upon by a heating fluid flow and the center of which is spaced apart from a center of the indentation.
  • a heating fluid stream is, for example, a hot gas stream that arises during combustion in the boiler, such as a flame front.
  • the peripheral section is the Heating fluid flow facing and is acted upon by this.
  • the indentation which extends over a partial region of the circumference of the tube wall, has the center which lies laterally to the center of the circumferential section. This causes the electrical lines.
  • a thermocouple which is advantageously arranged in the vicinity of the center, can be guided in the filling material of the indentation, so that the electrical lines are mechanically, thermally and chemically protected over a particularly long distance.
  • thermocouples are arranged essentially one above the other in the indentation of the pressure tube.
  • the pressure pipes can run freely in the interior of a heat exchanger, but they can also be connected to one another at their side wall sections in a gastight manner, so that an interior of the heat exchanger is formed in which the heating fluid flow can be enclosed and guided.
  • the side wall sections can also be used to increase the effective surface of the pressure pipes, so that there is an improved heat transfer from the heating fluid flow to the pressure medium.
  • the heat absorbed by the side wall sections is passed on to the pipe wall of the pressure pipe and absorbed by the latter.
  • the thermocouples are surrounded by at least one heat conduction barrier.
  • the heat conduction barrier creates thermal insulation with which undesirable heat flows can be prevented, which in particular could impair the measurement.
  • an annular groove around the thermocouples, so that a temperature drop along the tube has no influence on the heat flow measurement through the tube wall.
  • An annular groove causes the heat flow gradients that are not parallel to the axis of the ring to be suppressed.
  • a protective tube for electrical lines of the thermocouple is attached to the pressure tube on a side of the pressure tube that is essentially opposite the thermocouple.
  • the electrical lines of the thermocouple are protected from mechanical, thermal or chemical effects.
  • the arrangement of the protective tube on a side of the pressure tube lying opposite the thermocouple has the effect that the heat conduction of the protective tube does not influence the measurement of the heat flow through the tube wall.
  • the electrical lines of the thermocouple are advantageously laid in the indentation.
  • the filling material fills the indentation without protrusion. This ensures that there is only a small contact surface for the dirt that is present, thereby preventing unrepresentative contamination of the outer wall of the pressure pipes.
  • a protruding fire filling the indentation means that the hydrodynamic properties, in particular the flow resistance of the pressure pipe, are advantageous for the heating fluid flow.
  • a measuring device for a heat exchanger comprises a pressure tube and at least one thermocouple, the pressure tube having a tube wall in which there is an indentation which extends over a partial region of the circumference of the tube wall, the indentation receiving the thermocouple and is filled with filler material, and wherein an electrical connection connection on the pressure pipe or on a Connection wall is attached.
  • the electrical connection connection is advantageously arranged in the indentation.
  • a device for measuring a heat flow is additionally used to measure an electrical resistance along or across components of the heat exchanger.
  • an electrical connection connection is integrated into the device for measuring the heat flow; the device for measuring a heat flow is connected in a compact manner in a modular manner together with the electrical connection connection.
  • the device for measuring the heat flow can be the measuring device according to the invention, but can also be a device known in the prior art.
  • the precise determination of the degree of corrosion is used to monitor the heat exchanger during its operation.
  • Material parameters such as the material loss per operating period (in units of nanometers per hour) or the wall thickness of the pressure pipes or connecting walls are determined.
  • GB 2262608 describes a local corrosion measurement sensor which contains a compensation device in order to reduce the influence of temperature fluctuations on the corrosion measurement.
  • US 2003 / 055586A1 discloses a mathematical method with which measurement errors in the electrical resistance measurement are minimized within the scope of a control model for electrical resistance mapping.
  • corrosion measuring devices are complex since not only electrical connection contacts, but also additional temperature sensors have to be attached to the pressure pipes.
  • the heat flow sensors in the heat exchanger are used in two ways, namely to determine their degree of contamination and other material parameters such as their degree of corrosion.
  • the wiring of the sensors is also simplified.
  • information about the heat flow can be taken into account when determining the material parameters, such as the degree of corrosion, for example, whereby a higher precision is achieved when determining these parameters.
  • the temperature profile in the heat exchanger can be determined much more precisely, since the heat flow data can be taken into account as boundary conditions in the thermal mapping.
  • the invention has the advantage that the service life of the heat exchanger especially its pressure pipes and the maintenance intervals can be predicted much more precisely.
  • Temperature fluctuations are advantageously used to identify the temperature-specific portion of the electrical resistance.
  • the integral electrical resistance measured in a time-resolved manner is correlated with the temperature fluctuation measured in a time-resolved manner and the temperature-specific component is extracted from the integrally measured electrical resistance
  • the measuring device according to the invention advantageously has an electrical connection on the pressure pipe and / or the connecting walls.
  • the method according to the invention for producing a measuring device for pressure pipes of a heat exchanger comprises the following steps: an indentation is provided which extends over a partial area of the circumference of a pipe wall of a pressure pipe; at least one thermocouple is arranged off-center in the partial area deformed by the indentation; the indentation is essentially filled with filler material.
  • the eccentric arrangement of the thermocouple in the indentation reduces the size of the indentation, as a result of which the amount of filler material required for filling the indentation is reduced.
  • the reduction in the amount of filling material to be filled reduces the production time.
  • at least two thermocouples are spatially spaced eccentrically in the indentation. It is advantageous to fill the indentation with filler material without protrusion.
  • the pressure pipe or a connection wall is advantageously provided with an electrical connection connection.
  • This will easily A double use of the measuring device, namely for measuring a heat flow and for measuring an electrical resistance, enables information about the degree of contamination as well as material properties such as the corrosion or erosion of the heat exchanger to be obtained comprehensively and precisely with a modular unit ,
  • an electrical resistance between a first point and a second point of the heat exchanger is measured and the heat flow at the first and / or the second point is recorded.
  • the locations are advantageously arranged at a distance along and / or transversely to the pressure pipes. The simultaneous use of a location both for measuring the heat flow and for measuring the degree of corrosion reduces costs in the installation and maintenance of the monitoring system.
  • the temperatures and temperature gradients measured locally by the measuring device at one point are advantageously used to interpolate the temperature profile or temperature gradient profile between the measuring points and thus to estimate the temperature-dependent portion of the electrical resistance, as a result of which the determination of the degree of corrosion is determined with considerably greater precision can.
  • the heat exchanger according to the invention has a measuring device as defined in claims 1 to 12.
  • the heat exchanger is comparatively little impeded during operation by the measuring device for measuring the heat flow through the tube wall and local overheating of the tube wall is avoided. If necessary, information about the degree of corrosion or erosion can also be obtained in a cost-saving manner.
  • a device for measuring the heat flow in particular the measuring device according to the invention, is used in determining an electrical resistance to determine the degree of corrosion of the heat exchanger. As described, the measuring device is thus used in two ways. This advantageous double use is possible not only in connection with the measuring device according to the invention, but also in connection with measuring devices as are known from the prior art.
  • Figure 1 shows a measuring device according to the invention attached to pressure pipes of a boiler in a perspective view.
  • FIG. 2 shows a cross section of the measuring device according to the invention according to FIG. 1;
  • Fig. 3 is an enlarged section of the measuring device according to the invention according to Figure 3 in cross section.
  • the pressure pipes 1 show a measuring device according to the invention in a perspective view with three pressure pipes 1, V, 1 "arranged next to one another, each of which is connected to one another by a connecting wall 11 at its side wall sections 10.
  • the pressure pipes 1 have a peripheral section 7 which is acted upon by a heating fluid stream 8 and which has a center 9.
  • the pressure tube has an indentation 4 at a first point 22 and an indentation 4 ' a second point 23, in which one or more thermocouples 2, 2 'and an electrical connection terminal 21, 21' are introduced, which are connected via electrical lines 13 to a control means 16.
  • the control means 13 evaluates the measurement data of the thermocouples 2, 2 'and determines the electrical resistance measured between the two points 22, 23 across the pressure pipes 1, V, shows corresponding operating states, in particular the degree of contamination and the degree of corrosion, and initiates suitable maintenance - or cleaning work.
  • FIG. 2 shows a measuring device according to the invention in cross section, the thermocouple 2, 2 ′ being arranged off-center in the partial region 20 deformed by the indentation 4.
  • the tube wall 3 is deformed by the indentation 4, so that the interior 18 has a corresponding deformation.
  • the reduction in the cross-sectional area of the interior 8 is around 20% compared to the cross-sectional area of an undeformed pressure tube 1.
  • the electrical lines 13 of the thermocouple 2, 2 'run in the indentation 4 in the interior of a filler material 6, thereby preventing mechanical, thermal and chemical influences are protected. In particular on the side facing a heating fluid flow 8, ie over the peripheral section, the electrical lines 13 are protected.
  • FIG. 3 shows an inventive measuring device according to FIG. 2 in an enlarged cross section.
  • thermocouples .2, 2 ' can be seen, which are arranged one above the other in the indentation 4 and are surrounded by an annular groove 12.
  • the annular groove 12 causes heat flow gradients to be suppressed obliquely to a heat flow 17 to be measured, so that the measuring accuracy of the measuring device is improved.
  • the electrical lines 13 are guided in the filling material 6, which fills the indentation 4 without protrusion. Due to the spatial spacing of the two thermocouples 2, 2 ', the heat flow 17 is determined with the aid of the thermal conductivity coefficients.
  • the invention relates to a measuring device for pressure pipes 1 of a heat exchanger with a pressure pipe 1 and at least one thermocouple 2, 2 ', the pressure pipe 1 having a pipe wall 3 in which there is an indentation 4 which extends over a partial region 20 of the circumference of the pipe wall 3 extends, the indentation 4 receiving the thermocouple 2, 2 'and being filled with filler material 6, and is characterized in that the thermocouple 2, 2' is arranged off-center in the partial area 20 deformed by the indentation 4.
  • the invention also relates to a method for producing such measuring devices.
  • the invention is characterized in that the eccentric arrangement of the thermocouple 2, 2 'allows the size of the indentation 4 to be reduced while the thermocouple 2, 2' is kept constant, which means that the heat flow through the tube wall 3 is comparatively little impeded and local overheating of the tube wall 3 can be avoided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (26) für einen Wärmetauscher mit einem Druckrohr (1) und mindestens einem Thermoelement (2, 2'), wobei das Druckrohr (1) eine Rohrwand (3) aufweist, in der eine Einbuchtung (4) vorhanden ist, die sich über einen Teilbereich (20) des Umfangs der Rohrwand (3) erstreckt, wobei die Einbuchtung (4) das Thermoelement (2, 2') aufnimmt und mit Füllmaterial (6) aufgefüllt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (2, 2') aussermittig in dem von der Einbuchtung (4) verformten Teilbereich (20) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Herstellen derartiger Messeinrichtungen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die aussermittige Anordnung des Thermoelementes (2, 2') die Grösse der Einbuchtung (4) bei gegebener Grösse des Thermoelementes (2, 2') verkleinert werden kann, wodurch der Wärmefluss durch die Rohrwand (3) vergleichsweise wenig behindert wird und lokale Überhitzungen der Rohrwand (3) vermieden werden.

Description

Wärmeflussmesseinrichtung für Druckrohre sowie Verfahren zum Messen eines Wärmeflusses "durch Druckrohre
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für Druckrohre eines Wärmetauschers oder Heizkessels mit einem Druckrohr und mindestens einem Thermoelement sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung für Druckrohre.
Bei der Gewinnung z. B. elektrischer Energie durch Verbrennung fossiler Brennstoffe wird üblicherweise die bei der Verbrennung des Brennstoffs entstehende thermische Energie dazu verwendet, Wasser, welches in Druckrohren fließt, zu erhitzen. Dabei wird das erhitzte Wasser z. B. dazu verwendet, Dampf zu erzeugen und eine Dampfturbine anzutreiben.
Der Wirkungsgrad solcher Heizkessel oder von Wärmetauschern wird insbesondere von der Verschmutzung der Außenseiten und des Inneren der Druckrohre bestimmt. Beispielsweise führen Verbrennungsriickstände an der Außenseite der Rohre dazu, dass der Wärmewiderstand der Rohre zunimmt und ein Warmefluss vom Brennraum zum Wasser behindert wird. Ein erhöhter Wärmewiderstand bedeutet, dass ein geringerer Teil der bei der zu übertragenden Wärme vo Wasser aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Wie in der GB 22 71 440 beschrieben kann durch Messen des Wärmeflusses durch die Rohrwand festgestellt werden, wann eine Reinigung der Druckrohre notwendig ist. Die Bedingungen, unter denen Wärmeflussmessungen an Hochdruckdampf führenden Leitungen durchgeführt werden müssen, stellen insbesondere im Hinblick auf die vorliegenden hohen Temperaturen ein besonderes Problem dar. Auch belastet der hohe Druck die Druckrohre von innen. Mit Hilfe eines Wärmeflusssensors wird der Warmefluss (ausgedrückt in W/m2) durch die Wärmetauscheroberfläche gemessen. Diese Information kann dazu verwendet werden, das Verhalten des Heizkessels oder Wärmetauschers zu studieren, einen Brennraum zu kontrollieren, einen Wasserlanzenbläser zu führen und die Verschmutzung von Wärmetauscherflächen zu erfassen.
Die generellen Anforderungen an einen Wärmeflusssensor an Druckrohren sind die Beständigkeit, die Stabilität und die Zuverlässigkeit der Sensoren unter den jeweiligen Bedingungen. Darüber hinaus sollen die Sensoren selbst so wenig wie möglich den Warmefluss beeinflussen, d.h. aufgrund ihres Betriebs und der Größe und Abmessung so wenig wie möglich die Messgröße beeinflussen. Auch sollen die Sensoren so wenig wie möglich ein Überhitzen der Druckrohroberfläche bewirken. Sie sollen so wenig wie möglich dass Fließen des Druckmediums behindern. Aus Gründen der Zuverlässigkeit ist es zweckmäßig, die Sensoren so zu konzipieren, dass sie redundant angeordnet werden können.
Bekannte Wärmeflusssensoren für Druckrohre eines Heizkessels werden in dem Beitrag von Neal S.H.B.C., Northover E.W. et al, Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 23, pp. 1023 bis 1031, Pergament Press, 1980 beschrieben. Hierbei werden zwei Sensoren entweder auf der Oberfläche eines Druckrohres auftragend aufgebracht oder alternativ in eine verdickte Leitung eingebracht. Bei der zweiten Ausführungsvariante wird ein Sensor in einer lokalen Konkavität des Druckrohres eingebettet. Es ist bekannt, dass diese zweite Ausführungsform allen Anforderungen genügt bis auf den Umstand, dass durch die lokale Konkavität ein Strömungswiderstand im Inneren des Druckrohrs aufgebaut wird, der beim Betrieb der Druckrohre hinderlich ist.
Verdickte Druckrohrsensoren werden üblicherweise aus einem gewöhnlichen
Druckrohr hergestellt, indem dieses mit einer Einbuchtung versehen wird, um Platz für einen Sensor zu schaffen. Die lokale Einbuchtung wird mit
Aufϊüllmaterial, typischerweise mit Schweißmaterial, aufgefüllt. Das Auffüllmaterial wird mechanisch so behandelt, dass ein Sensor eingebettet werden kann.
Ein erster, wichtiger Aspekt ist, dass die Druckrohrwandtemperatur (und damit die Temperatur des Sensors) niedriger ist als die maximal zulässige Temperatur für das Drucl rohr und den Sensor. Dieser kritische Wert ist materialspezifisch und kann beispielsweise bei etwa 600° C liegen. Ein Betrieb der Anlage oberhalb von 600° bewirkt dann eine schnelle Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit des Druckrohrs und des Sensors, so dass der Betrieb des Heizkessels durch eine Störung der Druckrohre gefährdet wird. Die Druckrohre weisen beispielsweise Wandstärken zwischen 4 mm und 10mm auf und können vorteilhafterweise aus verschieden Molybdänstahllegierungen gefertigt sein. Beispielsweise bei einer Dampftemperatur von 420° C und einem Warmefluss von etwa 250 kW/m2 sowie 6 mm Wanddicke, liegt die äußere Wandtemperatur bei rund 450° C. Wird auf bzw. in ein solches Druckrohr ein Wärmeflusssensor, der üblicherweise eine Bauhöhe von zwischen 5 und 8 mm hat, eingearbeitet, liegt die Außentemperatur der Druckrohre bei gleichem Warmefluss und gleicher Dampftemperatur z. B. bei etwa 530° C, wenn man typische Materialwerte annimmt. Im Fall höherer Wärmeflüsse, höherer Dampftemperaturen oder einer Kühlungsstörung erreicht die Oberfläche des Druckrohrs beim Sensor leicht die kritische Temperatur von 600° C. Hierdurch wird deutlich, dass der thermische Widerstand des Wärmeflusssensors nicht zu vernachlässigen ist und somit reduziert werden muss.
Neben dem Problem der Überhitzung der Außenwände stellt das Strömungsprofil des Druckmediums im Inneren der Druckrohre ein weiteres Problem. Ein nichtlaminarer Fluss des Druckmediums, z. B. ein lokaler Wirbel, kann lokal zu einer Reduktion des Wärmeübertrags führen, welches wiederum eine lokale Überhitzung bewirken kann. Aus diesem Grund ist es üblich, wie aus der GB 2 271 440 bekannt, den Neigungswinkel der Einbuchtung in Flussrichtung des Druckmediums möglichst klein zu halten, um eine Strömungsablösung zu vermeiden. Ein weiteres Problem in Verbindung mit Einbuchtungen ist, dass insbesondere bei hohen Drücken des Druckmediums derartige Einbuchtungen zu mechanischen Instabilitäten der Druckrohre führen können.
Der begrenzende Faktor für die Reduzierung der Einbuchtung ist zum einen die Sensitivität des Sensors, zum anderen die Möglichkeit die elektrischen Leitungen des Sensors von dem Sensor aus dem Brennraum heraus zu führen.
Weiterhin ist es Ziel, möglichst umfassend und präzise die für den Betrieb eines Heizkessels relevanten Parameter zu ermitteln.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messeinrichtung für Druckrohre eines Heizkessels anzugeben, welche zum einen eine zuverlässige Messung des Wärmeflusses erlaubt, zum anderen aber die erwähnten Nachteile vermeidet. Des weiteren ist es Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung für Druckrohre anzugeben, nach dem derartige Druckrohre herstellbar sind. Auch sollen ein verbesserter Wärmetauscher und ein verbessertes Überwachungsverfahren zur Überwachung der Betriebszustände des Wärmetauschers angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Messeinrichtung für Druckrohre eines Heizkessels , durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung für Druckrohre, durch das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren, durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher und die erfindungsgemäße Verwendung wie in den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst. Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen, die jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander angewandt werden können, sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung für Druckrohre eines Wärmetauschers mit einem Druckrohr und mindestens einem Thermoelement, wobei das
Druckrohr eine Rohrwand aufweist, in der eine Einbuchtung vorhanden ist, die sich über einen Teilbereich des Umfangs der Rohrwand erstreckt, wobei die Einbuchtung das Thermoelement aufnimmt und mit Füllmaterial aufgefüllt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Thermoelement außermittig in dem von der Einbuchtung verformten Teilbereich angeordnet ist.
Das Druckrohr ist aus einem mechanisch hochstabilen und thermisch stabilem Material, insbesondere Stahl wie zum Beispiel 15Mo3 gefertigt. Die Druckrohre werden durch den Brennraum des Heizkessels geführt, so dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Innenraum des Heizkessels und dem in den Druckrohren geführten Druckmediums stattfindet. Das Druckmedium kann beispielsweise Wasser sein, welches durch die Wärmeaufnahme in Wasserdampf überführt wird. Der Wärmetauscher kann zum Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden, insbesondere zwischen zwei Gasen verwendet werden. Er kann insbesondere auch ein Heizkessel für Verbrennung sein, bei dem die bei einer Verbrennung entstehende Wärme von einem Kühlmedium abgeführt wird. Der Wärmeaustauscher kann auch im Rahmen einer Müllverbrennungsanlage verwendet werden.
Durch die außermittige Anordnung des Thermoelements in dem von der Einbuchtung verformten Teilbereich wird die Einbuchtung sowohl für die
Aufnahme des Thermoelementes als auch für die Führung der elektrischen
Leitungen des Thermoelementes genutzt. Dieses ist insbesondere dann wichtig, wenn die elektrischen Leitung vor mechanischen, thermischen oder chemischen
Einwirkungen der Umgebung in einem Heizkessel wie zum Beispiel Verbrennungsgase geschützt werden müssen, welches dadurch erfolgen kann, dass sowohl das Thermoelement als auch die elektrischen Leitungen in das
Füllmaterial eingebettet werden. Das Füllmaterial schützt somit das
Thermoelement wie auch die elektrischen Leitungen. Das Füllmaterial kann beispielsweise Schweißmaterial sein. Durch die außermittige Anordnung können die elektrischen Leitungen des Thermoelementes über besonders lange Strecken in dem Füllmaterial geführt und geschützt werden.
Die außermittige Anordnung führt auch dazu, dass bei dem durch das Thermoelement und durch die elektrischen Leitungen vorgegebenen Raumbedarf die Einbuchtung besonders effizient genutzt wird, wodurch die Einbuchtung im Verhältnis zum Querschnitt des Druckrohres im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen klein gewählt werden kann. Besonders kleine Einbuchtungen sind vor dem Hintergrund des Strömungsverhaltens des Druckmediums im Druckrohr wünschenswert, um den Strömungswiderstand im Druckrohr zu verringern.
Durch die außermittige Anordnung und die somit ermöglichte verringerte Größe der Einbuchtung wird ein verbesserter Warmefluss durch die Rohrwand ermöglicht. Der mit Füllmaterial aufzufüllende Teilbereich wird in seiner Größe reduziert, wodurch der Wärmewiderstand im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen ldein bleibt. Auch wird durch die verringerte Größe der Einbuchtung allgemein die Krümmung der Rohrwand verringert, wodurch eine höhere Stabilität des Druckrohres erzielt wird, welches insbesondere für Hochdruckanwendungen besonders wichtig ist.
Durch die außermittige Anordnung wird ein Temperaturanstieg im Bereich des Thermoelementes aufgrund von Wärmewiderständen minimiert, welches zum einem die Messgenauigkeit des Thermoelementes verbessert, zum anderen die mechanische Stabilität des Druckrohres verbessert. Durch die verringerte Größe der Einbuchtung werden Druckgefalle im Druckmedium entlang des Druckrohres vermieden, wodurch lokale Wirbel und Abschottungsbereiche vermieden werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass keine aufgrund des Strömungsverhaltens des Druckmediums bedingten lokalen Überhitzungen entstehen. Die Verringerung des Innenquerschnitts des Druckrohres bei der außermittigen Anordnung liegt bei weniger als 30 %, vorteilhafterweise weniger als 27 %, besonders bevorzugt weniger als 25 %, welches gegenüber herkömmlichen Konstruktionen, die eine Innenquerschnittsverringerung von mindestens 38 % aufweisen, einer Verbesserung von rund 20 % entspricht. Durch die Verkleinerung der Einbuchtung werden die Druckverluste auch um 20 % reduziert. Weniger Füllmaterial bedeutet aber auch, dass die Herstellungszeit einer solchen Messeinrichtung verkürzt wird, da die Herstellungszeit von dem Schritt des Auffüllens der Einbuchtung mit Füllmaterial bestimmt wird. Durch die Erfindung ist eine Reduktion des erforderlichen Füllmaterial von mehr als 20 %, insbesondere mehr als 30 %.
Vorteilhafterweise sind zwei Thermoelemente zur Messung eines Wärmeflusses räumlich beabstandet außermittig in der Einbuchtung angeordnet. Mit Hilfe von zwei Thermoelementen können an verschiedenen Raumpunkten zwei Temperaturen gemessen werden, mit denen in erster Näherung der Gradient des Temperaturprofils bestimmt werden kann. Vortεilhafterweise sind die beiden Thermoelemente in der Einbuchtung übereinander angeordnet, so dass der Temperaturgradient durch die Rohrwand erfasst wird. Zur Erfassung eines Temperaturgradientens entlang der Rohrwand ist es zweckmäßig, zwei Thermoelemente in Längsrichtung des Druckrohres hintereinander räumlich zu beabstanden. Zur detaillierten Erfassung des Temperaturprofils ist es zweckmäßig, mehr als zwei" Thermoelemente anzuordnen. Über das Temperaturprofil und nach Kalibrierung bzgl. der Wärmeleitkoeffizienten der verwendeten Materialien können Wärmeflüsse hinsichtlich ihres Betrages und/oder ihrer Richtung zeitlich erfasst werden. Auch können hiermit Temperaturen an verschiedenen Stellen gemessen werden.
Vorteilhafterweise weist das Druckrohr einen Umfangsabschnitt auf, der von einem Heizf-uidstrom beaufschlagbar ist und dessen Mitte räumlich beabstandet zu einem Zentrum der Einbuchtung angeordnet ist. Ein Heizfluidstrom ist beispielsweise ein bei einer Verbrennung in dem Heizkessel entstehender heißer Gasstrom wie z.B. eine Flammenfiront. Der Umfangsabschnitt ist dem Heizfluidstrom zugewandt und wird von diesem beaufschlagt. Gewöhnlicherweise ist dessen Mitte einer besonderen Temperaturbelastung ausgesetzt. Die Einbuchtung, die sich über einen Teilbereich des Umfangs der Rohrwand erstreckt, weist dass Zentrum auf welches seitlich zur Mitte des Umfangsabschnitt liegt. Hierdurch wird bewirkt, dass die elektrischen Leitungen . eines Thermoelementes, welches vorteilhafterweise in der Nähe der Mitte angeordnet ist, im Füllmaterial der Einbuchtung geführt werden können, so dass die elektrischen Leitungen über eine besonders lange Strecke mechanisch, thermisch und chemisch geschützt werden.
Zur Messung eines Wärmeflusses durch die Rohrwand sind die Thermoelemente in der Einbuchtung des Druckrohres im wesentlichen übereinander angeordnet. Die Druckrohre können im Innenraum eines Wärmetauschers frei verlaufen, sie können jedoch auch miteinander an ihren Seitenwandabschnitten gasdicht verbunden werden, so dass ein Innenraum des Wärmetauschers gebildet wird, in dem der Heizfluidstrom eingeschlossen und geführt werden kann. Die Seitenwandabschnitte können auch dazu verwendet werden, um die effektiv wirkende Oberfläche der Druckrohre zu vergrößern, so dass ein verbesserter Wärmeübergang vom Heizfluidstrom zum Druckmedium erfolgt. Hierbei wird die von den Seitenwandabschnitten aufgenommene Wärme an die Rohrwand des Druckrohres weitergeleitet und von dieser aufgenommen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Thermoelemente von mindestens einer Wärmeleitungsbarriere umgeben. Durch die Wärmeleitungsbarriere wird eine thermische Isolierung geschaffen, mit der unerwünschte Wärmeflüsse verhindert werden können, die insbesondere die Messung beeinträchtigen könnten. Beispielsweise ist es zweckmäßig zur Messung des Wärmeflusses durch die Rohrwand eine ringförmige Nut um die Thermoelemente anzuordnen, so dass ein Temperaturgefalle entlang des Rohres keinen Einfluss auf die Wärmeflussmessung durch die Rohrwand hat. Durch die Wahl unterschiedlicher Materialien für das Druckrohr und das Auffüllmaterial sowie für die Thermoelemente können lokal Wärmeflussgradienten entstehen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Eine ringförmige Nut bewirkt, dass die Wärmeflussgradienten unterdrückt werden, die nicht parallel zur Achse des Ringes verlaufen.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Druckrohr ein Schutzrohr für elektrische Leitungen des Thermoelementes an einer im wesentlichen gegenüber dem Thermoelement liegenden Seite des Druckrohres befestigt. Mit Hilfe des Schutzrohres werden die elektrischen Leitungen des Thermoelementes vor mechanischen, thermischen oder chemischen Einwirkungen geschützt. Die Anordnung des Schutzrohres an einer gegenüber dem Thermoelement liegenden Seite des Druckrohres bewirkt, dass die Wärmeleitung des Schutzrohres nicht die Messung des Wärmeflusses durch die Rohrwand beeinflusst. Die elektrischen Leitungen des Thermoelementes sind vorteilhafterweise in der Einbuchtung verlegt.
Es ist von Vorteil, wenn das Füllmaterial die Einbuchtung vorsprungsfrei ausfüllt. Hiermit wird sichergestellt, dass nur wenig Angriffsfläche für ansetzenden Schmutz vorhanden ist, wodurch ein nicht repräsentatives Verschmutzen der Außenwand der Druckrohre verhindert wird. Darüber hinaus bewirkt eine vorsprungsfireie Ausfüllung der Einbuchtung, dass die hydrodynamischen Eigenschaften, insbesondere der Strömungswiderstand des Druckrohres für den Heizfluidstrom vorteilhaft sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Messeinrichtung für einen Wärmetauscher ein Druckrohr und mindestens ein Thermoelement, wobei das Druckrohr eine Rohrwand aufweist, in der eine Einbuchtung vorhanden ist, die sich über einen Teilbereich des Umfangs der Rohrwand erstreckt, wobei die Einbuchtung das Thermoelement aufnimmt und mit Füllmaterial aufgefüllt ist, und wobei ein elektrischer Verbindungsanschluss am Druckrohr oder an einer Verbindungswand befestigt ist. Vorteilhafterweise ist der elektrische Verbindungsanschluss in der Einbuchtung angebracht.
Nach dem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Messung eines Wärmeflusses zusätzlich dazu genutzt, um einen elektrischen Widerstand entlang oder quer zu Komponenten des Wärmetauschers zu messen. Hierzu wird ein elektrischer Verbindungsanschluss in die Einrichtung zur Messung des Wärmeflusses integriert; dabei wird die Einrichtung zur Messung eines Wärmeflusses in kompakter Weise zusammen mit elektrischen Verbindungsanschluss modulartig verbunden. Die Einrichtung zur Messung des Wärmeflusses kann die erfindungsgemäße Messeinrichtung, kann aber auch eine im Stand der Technik bekannte Einrichtung sein.
Mit Hilfe des elektrischen Widerstands und dessen zeitlicher Änderung werden Rückschlüsse über den Korrosionsgrad des Wärmetauschers, insbesondere über das Ausmaß der Korrosion von den den aggressiven Gasen oder Flüssigkeiten ausgesetzten Druckrohren oder Verbindungswänden gezogen. Die durch eine Korrosion bedingte Abnahme der Wandstärken der Druckrohre bzw. Verbindungswände führt zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands entlang bzw. quer zu den Druckrohren oder Verbindungswänden.
Die präzise Ermittlung des Korrosionsgrades dient der Überwachung des Wärmetauschers während seines Betriebs. Es werden Materialkennwerte wie beispielsweise der Materialverlust pro Betriebsdauer (in Einheiten von Nanometer pro Stunde) oder die Wandstärke der Druckrohre bzw. Verbindungswände ermittelt. Es existieren mehrere Verfahren zur Messung der Erosion und Korrosion. Die Patentschrift GB 2262608 beschreibt einen lokalen Korrosionsmesssensor, der eine Kompensationsvorrichtung enthält, um den Einfluss von Temperaturschwankungen auf die Korrosionsmessung zu verringern. Weiterhin ist es bekannt, eine Vierpunktmessung entlang von Druckrohren vorzunehmen, um den Korrosionsgrad nicht nur lokal, sondern integral über größere Strecken zu ermitteln. Da der Widerstand stark temperaturabhängig ist, sind hier zusätzliche, über den Wärmetauscher verteilte Temperatursensoren erforderlich. Aus dem integral gemessenen elektrischen Widerstand wird der temperaturspezifische Beitrag mit Hilfe von zusätzlichen Temperaturmessungen entfernt und der korrosionsspezifische Anteil ermittelt. Die US 2003/055586A1 offenbart eine mathematische Methode, mit der Messfehler bei der elektrischen Widerstandsmessung im Rahmen eines Regelungsmodels für elektrische Widerstandskartierung minimiert werden. Derartige Korrosionsmesseinrichtungen sind jedoch aufwendig, da nicht nur elektrische Verbindungskonta te, sondern auch zusätzliche Temperatursensoren an den Druckrohren befestigt werden müssen.
Nach dem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Wärmeflusssensoren im Wärmetauscher in doppelter Weise genutzt, nämlich zur Ermittlung seines Verschmutzungsgrads und weiterer Materialkennwerte wie z.B. seines Korrosionsgrads. Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauweise der Sensoren erzielt und eine Installation bzw. Nachrüstung einer bestehenden Anlage vereinfacht; die Anzahl der erforderlichen zusätzlichen Temperatursensoren wird reduziert. Auch wird die Verkabelung der Sensoren vereinfacht. Außerdem können hierdurch Informationen über den Warmefluss bei der Bestimmung der Materialkennwerte wie z.B. des Korrosionsgrads berücksichtigt werden, wodurch eine höhere Präzision bei der Bestimmung dieser Kennwerte erreicht wird. Mit Hilfe der Wärmeflusssensoren kann das Temperaturprofil im Wärmetauscher sehr viel genauer ermittelt werden, da die Wärmeflussdaten als Randbedingungen bei der thermischen Kartierung berücksichtig werden können. Hierdurch wird eine erheblich präzisere Bestimmung des Korrosionsgrads aus dem temperaturabhängigen elektrischen Widerstands ermöglicht. Vorteilhaft ist auch, dass die gleichzeitige Messung sowohl des elektrischen Widerstands als auch des Wärmeflusses messtechnische Redundanz bewirkt, so dass bei Ausfall eines Sensors, die anderen Sensoren seine Funktion übernehmen können. Insgesamt hat die Erfindung den Vorteil, dass die Lebensdauer des Wärmetauschers, insbesondere seiner Druckrohre, bzw. die Wartungsintervalle sehr viel genauer vorausgesagt werden können.
Vorteilhafterweise werden Temperaturschwankungen dazu benutzt, den temperaturspezifischen Anteil des elektrischen Widerstands zu identifizieren. Hierzu wird der zeitaufgelöst gemessene integrale elektrische Widerstand mit der zeitaufgelöst gemessenen Temperaturschwankung korreliert und der temperaturspezifische Anteil aus dem integral gemessenen elektrischen Widerstand herausgelöst
Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Messeinrichtung einen elektrischen Verbindungsanschluss am Druckrohr und/oder den Verbindungswänden auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung für Druckrohre eines Wärmetauschers, insbesondere einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, umfasst folgende Schritte: Eine Einbuchtung wird vorgesehen, die sich über einen Teilbereich des Umfangs einer Rohrwand eines Druckrohres erstreckt; mindestens ein Thermoelement wird außermittig in dem von der Einbuchtung verformten Teilbereich angeordnet; die Einbuchtung wird mit Füllmaterial im wesentlichen aufgefüllt. Durch die außermittige Anordnung des Thermoelementes in der Einbuchtung wird die Größe der Einbuchtung verringert, wodurch die Menge des für die Auffüllung der Einbuchtung erforderlichen Füllmaterials reduziert wird. Die Reduzierung der Menge des aufzufüllenden Füllmaterials bewirkt eine Verkürzung der Herstellungszeit. Vorteilhafterweise werden mindestens zwei Thermoelemente räumlich beabstandet außermittig in der Einbuchtung angeordnet. Es ist von Vorteil, die Einbuchtung mit Füllmaterial vorsprungsfrei aufzufüllen.
Vorteilhafterweise wird das Druckrohr oder eine Verbindungswand mit einem elektrischen Verbindungsanschluss versehen. Hierdurch wird auf einfache Weise eine doppelte Nutzung der Messeinrichtung, nämlich zur Messung eines Wä meflusses und zur Messung eines elektrischen Widerstands, ermöglicht, wodurch Informationen sowohl über den Verschmutzungsgrad als auch über Materialkennwerte wie z.B. dessen Korrosions- bzw. Erosionszustand des Wärmetauschers mit einer modularen Einheit umfassend und präzise gewonnen werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung des Betriebzustandes eines Wärmetauschers wird ein elektrischer Widerstand zwischen einer ersten Stelle und einer zweiten Stelle des Wärmetauschers gemessen und der Warmefluss an der ersten und/oder der zweiten Stelle erfasst. Vorteilhafterweise werden die Stellen beabstandet entlang und/oder quer zu den Druckrohren angeordnet. Die gleichzeitige Nutzung einer Stelle sowohl zur Messung des Wärmeflusses als auch zur Messung des Korrosionsgrades reduziert Kosten bei der Installation und Wartung des Überwachungssystems. Die von der Messeinrichtung an einer Stelle lokal gemessenen Temperaturen sowie Temperaturgradienten werden vorteilhafter Weise dazu genutzt, um das Temperaturprofil bzw. Temperaturgradientenprofil zwischen den Messpunkten zu interpolieren und so den temperaturabhängigen Anteil des elektrischen Widerstands abzuschätzen, wodurch die Bestimmung des Korrosionsgrads mit erheblich höherer Präzision bestimmt werden kann.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist eine Messeinrichtung wie in den Ansprüchen 1 bis 12 definiert auf. Der Wärmetauscher wird im Betrieb durch die Messeinrichtung zur Messung des Wärmeflusses durch die Rohrwand vergleichsweise wenig behindert und es werden lokale Uberhitzungen der Rohrwand vermieden. Gegebenenfalls können hiermit darüber hinaus auf kostensparende Weise Informationen über den Korrosions- bzw. Erosionsgrad gewonnen werden. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird eine Einrichtung zur Messung des Wärmeflusses, insbesondere die erfindungsgemäße Messeinrichtung, bei der Ermittlung eines elektrischen Widerstands zur Bestimmung des Korrosionsgrads des Wärmetauschers verwendet. Die Messeinrichtung wird somit wie beschrieben in zweifacher Weise genutzt. Diese vorteilhafte doppelte Nutzung ist nicht nur in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung möglich, sondern auch in Verbindung mit Messeinrichtungen, wie sie aus dem- Stand der Technik bekannt sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand der folgenden Zeichnung schematisch illustriert. Die Zeichnung soll die Erfindung nicht einschränken, sondern soll wesentliche Aspekte der Erfindung illustrieren.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Messeinrichtung angebracht an Druckrohren eines Heizkessels in perspektivischer Ansicht;
Fig. 2 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Messeinrichtung gemäß Figur l; und
Fig. 3 ein vergrößerter Ausschnitt der erfindungsgemäßen Messeinrichtung nach Figur 3 im Querschnitt.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung in perspektivischer Ansicht mit drei nebeneinander angeordneten Druckrohren 1, V, 1" die jeweils durch eine Verbindungswand 11 an ihren Seitenwandabschnitten 10 miteinander verbunden sind. Die Druckrohre 1 weisen einen Umfangsabschnitt 7 auf, der von einem Heizfluidstrom 8 beaufschlagt wird und der eine Mitte 9 aufweist. Das Druckrohr weist eine Einbuchtung 4 an einer ersten Stelle 22 und eine Einbuchtung 4' an einer zweiten Stelle 23 auf, in welcher ein oder mehrere Thermoelemente 2, 2' und ein elektrischer Verbindungsanschluss 21, 21' eingebracht sind, welche über elektrische Leitungen 13 mit einem Steuermittel 16 verbunden sind. Das Steuermittel 13 wertet die Messdaten der Thermoelemente 2, 2' aus und bestimmt den zwischen den beiden Stellen 22, 23 quer zu den Druckrohren 1, V gemessenen elektrischen Widerstand, zeigt entsprechende Betriebszustände, insbesondere den Verschmutzungsgrad und den Korrosionsgrad, an und veranlasst geeignete Wartungs- bzw. Reinigungsarbeiten.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung im Querschnitt, wobei das Thermoelement 2, 2' außermittig in dem von der Einbuchtung 4 verformten Teilbereich 20 angeordnet ist. Die Rohrwand 3 ist durch die Einbuchtung 4 verformt, so dass der Innenraum 18 eine entsprechende Verformung aufweist. Die Reduzierung der Querschnittsfläche des Innenraums 8 liegt bei rund 20 % im Vergleich zu der Querschnittsfläche eines unverformten Druckrohres 1. Die elektrischen Leitungen 13 des Thermoelementes 2, 2' verlaufen in der Einbuchtung 4 im Inneren eines Füllmaterials 6, wodurch diese vor mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen geschützt werden. Insbesondere an der einem Heizfluidstrom 8 zugewandten Seite, d.h. über den Umfangsabschnitt werden die elektrischen Leitungen 13 geschützt. Sie verlaufen im Füllmaterial 4 normalerweise bis hinter die zwei Druckrohre 1, 1' verbindende Verbindungswand 11. Hinter der Verbindungswand 11 werden sie in einem Schutzrohr 14 geführt, welches ebenso die elektrischen Leitungen schützt. Mit den elektrischen Verbindungsanschlüssen 21, 21' werden die Druckrohre 1, 1 ' elektrisch kontaktiert und über die Verbindungsleitungen 25 mit dem Steuermittel 16 elektrisch verbunden, wodurch eine Messung des elektrischen Widerstands entlang und/oder quer zu den Druckrohre 1, 1' ermöglicht wird. Mit Hilfe des elektrischen Widerstands werden Informationen über den Zustand des Wärmetauschers, insbesondere dessen Druckrohre, beispielsweise Information über seinen Korrosionsgrad, gewonnen. Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung gemäß Figur 2 im vergrößerten Querschnitt. Zu erkennen sind zwei Thermoelemente .2, 2' die übereinander in der Einbuchtung 4 angeordnet sind und von einer ringförmigen Nut 12 umgeben sind. Die ringförmige Nut 12 bewirkt, dass Wärmeflussgradienten schräg zu einem zu messenden Wärmestrom 17 unterdrückt werden, so dass die Messgenauigkeit der Messeinrichtung verbessert wird. Die elektrischen Leitungen 13 werden in dem Füllmaterial 6, welches die Einbuchtung 4 vorsprungsfrei ausfüllt, geführt. Durch die räumliche Beabstandung der beiden Thermoelemente 2, 2' wird unter Zuhilfenahme der WärmeleitkoefSzienten der Wärmestrom 17 bestimmt.
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für Druckrohre 1 eines Wärmetauschers mit einem Druckrohr 1 und mindestens einem Thermoelement 2, 2', wobei das Druckrohr 1 eine Rohrwand 3 aufweist, in der eine Einbuchtung 4 vorhanden ist, die sich über einen Teilbereich 20 des Umfangs der Rohrwand 3 erstreckt, wobei die Einbuchtung 4 das Thermoelement 2, 2' aufnimmt und mit Füllmaterial 6 aufgefüllt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement 2, 2' außermittig in dem von der Einbuchtung 4 verformten Teilbereich 20 angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Herstellen derartiger Messeinrichtungen.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die außermittige Anordnung des Thermoelementes 2, 2' die Größe der Einbuchtung 4 bei konstant gehaltener Größe des Thermoelementes 2, 2' verkleinert werden kann, wodurch der W rmefluss durch die Rohrwand 3 vergleichsweise wenig behindert wird und lokale Überhitzungen der Rohrwand 3 vermieden werden. B ezugszeichenliste
, 1', 1" Druckrohr , 2' Thermoelement
Rohrwand
Einbuchtung
Zentrum
Füllmaterial
Umfangsabschnitt
Heizfluidstrom
Mitte
S eitenwandabschnitt
Verbindungswand
Nut
Leitungen
Schutzrohr
Seite
Steuermittel
Wärmestrom
Innenraum
Fluidstrom
Teilbereich elektrischer Verbindungsanschluss erste Stelle zweite Stelle
Wärmetauscher
Verbindungsleitung
Messeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Messeinrichtung (26) für einen Wärmetauscher mit einem Druckrohr (1) und mindestens einem Thermoelement (2, 2'), wobei das Druckrohr (1) eine Rohrwand (3) aufweist, in der eine Einbuchtung (4) vorhanden ist, die sich über einen Teilbereich (20) des Umfangs der Rohrwand (3) erstreckt, wobei die Einbuchtung (4) das Thermoelement (2, 2') aufnimmt und mit Füllmaterial (6) aufgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (2, 2') außermittig in dem von der Einbuchtung (4) verformten Teilbereich (20) angeordnet ist.
2. Messeinrichtung (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Thermoelemente (2, 2') zur Messung eines Wärmeflusses räumlich beabstandet in der Einbuchtung (4) außermittig angeordnet sind.
Messeinrichtung (26) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckrohr (1) einen Umfangsabschnitt (7) aufweist, der von einem Heizfluidstrom (8) beaufschlagbar ist und dessen Mitte (9) räumlich beabstandet zu einem Zentrum (5) der Einbuchtung (4) angeordnet ist.
Messeinrichtung (26) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung eines Wärmeflusses durch die Rohrwand (3) die Thermoelemente (2, 2') in der Einbuchtung (4) des Druckrohres (1) im wesentlichen übereinander angeordnet sind.
Messeinrichtung (26) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckrohr (1) einen Seitenwandabschnitt (10) aufweist, mit dem das Druckrohr (1) über eine Verbindungswand (11) mit einem benachbarten Druckrohr (1 ') verbunden ist.
6. Messeinrichtung (26) nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente (2, 2') von mindestens einer Wärmeleirungsbarriere (12) umgegeben sind.
7. Messeinrichtung (26) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitungsbarriere (12) durch eine ringförmige Nut um die Thermoelemente (2, 2') gebildet ist.
8. Messeinrichtung (26) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Druckrohr (1) ein Schutzrohr (14) für elektrische Leitungen (13) des Thermoelementes (2, 2') an einer im wesentlichen gegenüber dem Thermoelement (2, 2') liegenden Seite (15) des Druckrohres (1) befestigt ist.
9. Messeinrichtung (26) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leitungen (13) des Thermoelements in der Einbuchtung (4) verlegt sind.
10. Messeinrichtung (26) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (6) die Einbuchtung (4) vorsprungsfrei ausfüllt.
11. Messeinrichtung (26) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (6) Schweißmaterial ist.
12. Messeinrichtung (26) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrischen Verbindungsanschluss (21) am Druckrohr (1) oder an einer Verbindungswand (11).
13. Verfahren zum Herstellen einer Messeinrichtung (26) in einem Druckrohr (1) eines Wärmetauschers (24), wie in einem der Ansprüche 1 bis 12 definiert, wobei . eine Einbuchtung (4) vorgesehen wird, die sich über einen Teilbereich
(20) des Umfangs einer Rohrwand (3) eines Druckrohrs (1) erstreckt, mindestens ein Thermoelement (2, 2') außermittig in dem von der
Einbuchtung (4) verformten Teilbereich (20) angeordnet wird, die Einbuchtung (4) mit Füllmaterial (6) im wesentlichen aufgefüllt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einbuchtung (4) mindestens zwei Thermoelemente (2, 2') räumlich beabstandet außermittig angeordnet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung (4) mit Füllmaterial (6) vorsprungsfrei aufgefüllt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckrohr (1) und/oder eine Verbindungswand (11) mit einem elektrischen Verbindungsanschluss (21 ) versehen wird.
17. Verfahren zur Überwachung des Betriebzustandes eines Wärmetauschers (24) mit einem Druckrohr (1), wobei ein elektrischer Widerstand zwischen einer ersten Stelle (22) und einer zweiten Stelle (23) des Wärmetauschers gemessen wird und der Warmefluss an der ersten (22) und/oder der zweiten
(23) Stelle erfasst wird.
18. Wärmetauscher mit einer eine Messeinrichtung (26) wie in den Ansprüchen 1 bis 12 definiert.
9. Verwendung einer Einrichtung zur Messung eines Wärmeflusses, insbesondere der Messeinrichtung (26) wie in den Ansprüchen 1 bis 12 definiert, bei der Ermittlung eines elektrischen Widerstands zur Bestimmung des Korrosionsgrads des Wärmetauschers.
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