Прямоточный парогенератор со спирально расположенными испарительными трубами

 

Изобретение относится к парогенераторам, работающим в прямоточном режиме. Трубы парогенератора герметично сварены друг с другом через плавники, включены параллельно, имеют на своей внутренней стороне структуру поверхности для создания высокой турбулентности в текущей через них среде, а в области нагрева газохода расположены примерно в виде спиральной обмотки. Чтобы можно было эксплуатировать такой прямоточный парогенератор также при низких нагрузочных состояниях, например порядка 20% расчетной нагрузки без появления слишком высоких тепловых напряжений, трубы парогенератора рассчитаны так, что при их эксплуатации геодезическая потеря давления протекающей среды составляет по меньшей мере 0,5 кратное значение от ее потери давления на трение. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к прямоточному парогенератору с газоходом, образованным из труб парогенератора, герметично сваренных друг с другом через плавники, причем трубы парогенератора для протекания текучей среды включены параллельно, имеют на своей внутренней стороне структуру поверхности для получения высокой теплопередачи от их внутренней стенки на текучую среду, а в области нагрева газохода расположены примерно в виде спиральной обмотки.

В стенках камеры сгорания прямоточного парогенератора, которые в области нагрева выполнены из спирально расположенных труб парогенератора, обычно используют гладкие трубы. Вследствие характеристик теплопередачи гладкой трубы при низкой скорости течения протекающей в ней среды такое расположение является пригодным только для нагрузочных состояний обычно больше 40% расчетной нагрузки прямоточного парогенератора. Ниже этой минимальной нагрузки порядка 40% расчетной нагрузки на прямоточный режим работы парогенератора обычно накладывается циркуляционный режим так, что обеспечивается достаточное охлаждение труб парогенератора. Однако подобное подключение циркуляционного режима приводит к понижению температуры свежего пара прямоточного парогенератора примерно на 80^oC.

Однако, в частности, для избежания ночных перерывов в работе питаемой прямоточным парогенератором энергетической установки может быть необходимым так рассчитывать прямоточный парогенератор, чтобы он уже при нагрузочных состояниях больше 20% расчетной нагрузки мог бы эксплуатироваться с достаточно высокой температурой свежего пара. Это является возможным за счет использования таких труб парогенератора, которые на их внутренней поверхности имеют структуру поверхности, например, в виде ребер (трубы с внутренним оребрением) для получения высокого теплоперехода от их внутренней стенки на текучую среду. Использование таких труб парогенератора с внутренним оребрением в прямоточном парогенераторе с вертикально расположенными испарительными трубами является известным, например, из Европейской патентной заявки 0503116 A1.

Конечно труба парогенератора с внутренним оребрением по сравнению с гладкой трубой имеет гораздо более высокую потерю давления на трение. Подобная повышенная потеря давления на трение может, однако, при избыточном нагреве трубы парогенератора вследствие колебаний массового потока среды, проходящей по трубе, приводить к разнице температуры между соседними трубами, в частности, на выходе испарителя. Такие разницы температуры могут вызывать повреждения вследствие недопустимых тепловых напряжений.

В основе изобретения поэтому лежит задача создания прямоточного парогенератора выше названного вида, при эксплуатации которого также при низких нагрузочных состояниях, например, порядка 20 % расчетной нагрузки прямоточного парогенератора появляются особенно малые разницы температуры на выходе соседних труб парогенератора.

Эта задача решается согласно изобретению за счет прямоточного парогенератора выше названного вида, в котором каждая труба парогенератора рассчитана так, что определенные парой значений длины трубы в области нагрева и внешнего диаметра трубы точки лежат в системе координат примерно на одной прямой, которая определена: - для ширины плавника 12 мм точками, определенными парами значений L = 59,7 м, d = 31,8 мм и L = 93,6 м, d = 44,5 мм, - для ширины плавника 16 мм точками, определенными парами значений L = 64,7м, d = 31,8 мм и L = 99,8 м, d = 44,5 мм, или - для ширины плавника 20 мм точками, определенными парами значений L = 70,6 м, d = 31,8 мм и L = 106,9 м, d = 44,5 мм.

Длина трубы при этом равна длине трубы парогенератора между начальным и конечным значением, причем начальное значение определено переходом зольной воронки, расположенной ниже газохода, в газоход, к которому должна прибавляться треть высоты зольной воронки. Конечное значение определено тем, что спирально расположенные трубы парогенератора переходят или в вертикальное расположение или соединены между собой по давлению, например, через сборный резервуар.

Для того чтобы можно было надежно эксплуатировать прямоточный парогенератор, трубы которого имеют особенно большую или особенно малую толщину стенки или зольная воронка которого имеет особенно большой или особенно малый угол наклона своих наружных стенок, также и при низких нагрузочных состояниях порядка 20% его расчетной нагрузки, длина каждой трубы парогенератора отклоняется целесообразно не больше чем на 15% от длины трубы, определенной соответствующей прямой. Для другой, чем названные, ширины плавника длина трубы целесообразно экстра- или интерполируется линейно с шириной плавника из данных прямых.

Изобретение исходит из соображения, что разница температуры между выпуском избыточно нагретой трубы парогенератора и выпуском нормально или средне нагретой трубы парогенератора является особенно низкой тогда, когда избыточный нагрев трубы парогенератора только мало снижает плотность текущего в ней массового потока. Плотность массового потока избыточно нагретой трубы парогенератора уменьшается, поскольку вследствие избыточного нагрева увеличивается потеря давления на трение соответствующей трубы парогенератора. Так как общая потеря давления в трубе парогенератора складывается из составляющей потерь давления "потеря давления на трение" и составляющей потерь давления "геодезическая потеря давления", воздействие избыточного нагрева трубы парогенератора на плотность ее массового потока может быть снижено за счет того, что составляющая потерь давления "геодезическая потеря давления" общей потери давления является достаточно высокой. Достаточно высокая составляющая потерь давления "геодезическая потеря давления" примерно большая, чем 0,5-кратная потери давления на трение, может достигаться за счет соответствующего расчета труб парогенератора.

Потеря давления на трение трубы парогенератора может определяться, например, согласно публикации Q. Zheng и др. "Потеря давления в гладких трубах и трубах с внутренним оребрением", Warme und Stoffubertragung 26, стр. 232 - 330, издательство Springer 1991 и Z. Rouhani "Modified Correlations for Void-Fraktion and Two-Phase Pressure Drop", AE-RTV-841(1969).

Чтобы при малых разницах температуры между избыточно нагретыми и нормально нагретыми трубами парогенератора и дальше улучшить протекание через все трубы парогенератора, внутренний диаметр труб парогенератора в верхней области нагрева камеры сгорания целесообразно является большим, чем в нижней области.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежей: фигура 1 - в упрощенном представлении прямоточный парогенератор со стенкой камеры сгорания с приблизительно спиральным прохождением труб, фигура 2 - вырезка из наклонного сечения через стенку камеры сгорания и фигура 3 - система координат с прямыми A, B и C.

Одинаковые детали на всех фигурах снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

На фигуре 1 схематически представлен прямоточный парогенератор 2 с прямоугольным сечением, вертикальный газоход которого образован ограждающей стенкой или стенкой камеры сгорания 4, которая на нижнем конце переходит в дно 6, имеющее форму воронки.

В области нагрева V газохода размещено множество горелок для ископаемого топлива каждая в отверстии 8, из которых видно только два, в составленной из труб парогенератора 10 стенке камеры сгорания 4. Трубы парогенератора 10 в области нагрева V, в которой они герметично сварены друг с другом в испарительную поверхность нагрева 12, расположены примерно в виде спиральной обмотки.

Как представлено на фигуре 2, трубы парогенератора 10 через плавники 13 с шириной плавника b герметично сварены друг с другом и образуют, например, в конструкции труба-перемычка-труба или в конструкции плавниковых труб герметичную стенку камеры сгорания 4. Трубы парогенератора имеют на своей внутренней стороне структуру поверхности для создания высокой теплопередачи от их внутренней стенки на текучую среду. Подобные структуры поверхности описаны, например, в немецкой выложенной заявке 203281.

Выше области нагрева V газохода находятся конвективные поверхности нагрева 14, 16 и 18. Выше находится выходной канал дымового газа 20, через который полученный путем сжигания ископаемого топлива дымовой газ RG покидает вертикальный газоход. Дымовой газ RG служит в качестве нагревательной среды для текущей через трубы парогенератора 10 воды или пароводяной смеси.

Трубы парогенератора 10 рассчитаны так, что при эксплуатации прямоточного парогенератора 2 геодезическая потеря давления протекающей через трубу парогенератора 10 среды составляет по меньшей мере 0,5-кратное значение от ее потери давления на трение. Чтобы к тому же независимо от паропроизводительности прямоточного парогенератора 2 обеспечить достаточно высокую геодезическую потерю давления в трубе парогенератора 10, трубы парогенератора 10 рассчитаны таким образом, что определенные парой значений длины трубы L в области нагрева V и внешнего диаметра d точки лежат в системе координат примерно на одной из представленных на фигуре 3 кривых или прямых A, B или C. Кривая A дает при этом критерий расчета для прямоточного парогенератора 2 с трубами парогенератора 10, которые герметично сварены друг с другом через плавники 13 с шириной плавника b, равной 12 мм. Кривые B и C в противоположность этому указывают критерий расчета для случаев ширины плавника b, равной 16 мм или соответственно 20 мм.

Длина трубы L в области нагрева V при этом является средней длиной трубы парогенератора 10 между начальной точкой AP и конечной точкой EP. Начальная точка AP устанавливается с помощью нижнего края U ограждающей стенки 4 с прибавлением трети высоты H воронкообразного дна 6. Конечная точка EP определена тем местом, в котором трубы парогенератора 10 переходят в вертикальное расположение или связаны друг с другом по давлению. Не представленным более подробно образом в верхней области 21 области нагрева V внутренний диаметр труб парогенератора 10 является больше, чем в нижней области 22 области нагрева V.

Формула изобретения

1. Прямоточный парогенератор с газоходом (4), образованным из труб парогенератора (10), герметично сваренных друг с другом через плавники (13), причем трубы парогенератора (10) для протекания текучей среды включены параллельно, имеют на своей внутренней стороне структуру поверхности для получения высокой теплопередачи от их внутренней стенки на текучую среду, а в области нагрева (V) газохода (4) расположены примерно в виде спиральной обмотки, причем каждая труба парогенератора (10) рассчитана так, что определенные парой значений длины трубы (L) в области нагрева (V) и внешнего диаметра трубы (d) точки лежат в системе координат примерно на одной прямой (A, B, C), которая определена: для ширины плавника 12 мм точками, определенными парами значений L = 59,7 м, d = 31,8 мм и L = 93,6 м, d = 44,5 мм, для ширины плавника 16 мм точками, определенными парами значений L = 64,7 м, d = 31,8 мм и L = 99,8 м, d = 44,5 мм, или
для ширины плавника 20 мм точками, определенными парами значений L = 70,6 м, d = 31,8 мм и L = 106,9 м, d = 44,5 мм.

2. Прямоточный парогенератор по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр труб парогенератора (10) в верхней области (21) области нагрева (V) является больше, чем в нижней области (22).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3