CN206656337U - 一种膜式蒸汽发生管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及膜式蒸汽发生管，由顶部给水分配布膜段，中部膜式蒸发段和下部汽液分离段组成，顶部给水分配布膜段包括布膜器，控制给水进料方向和进料量使沿壁成膜，或者结合均膜器再分配均匀布膜，使液膜在初始流速和重力作用下沿壁接触受热面以水膜状流下。中部膜式蒸发段，受热管在管外热源以辐射和对流传导方式提供热能，流动的液膜整体均匀受热，吸收热能后蒸发汽化，蒸汽扩散到管中心空间。下部汽液分离段由汽相出口和液相出口组成，两者朝向和高度不同形成蒸汽流和液流通道。具有传热效率高、传热稳定、有效蒸发汽化面大、受热管温度低、蒸发效率高主要优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及蒸汽发生设备技术领域，具体涉及一种膜式蒸汽发生管。
背景技术
能源在国民经济生活中具有重要地位，各行各业都离不开能源。工业用水蒸汽（一下简称为蒸汽）是一种主要的能源载体（热能、势能、动能）；由工业软水（即锅炉给水，简称给水）在一定条件下转化成蒸汽；蒸汽生产的设备主要是工业锅炉，由工业锅炉将煤炭、燃气、燃油或生物质等各种燃料由化学能转化为热能，将工业软水由低温液态汽化为高温高压蒸汽，为生产设备、设施和生活设施等提供热能和动能（势能）；电厂的发电机由锅炉为其蒸汽轮机提供势能热能，在发电机组转化为电能。所以，作为生产蒸汽的工业锅炉在工业生产中具有重要作用。
现有的工业锅中炉受热管中给水的汽化形式主要有锅筒式沸腾汽化、循环式沸腾汽化、直流式沸腾汽化（水平型、垂直型、水平垂直混合型）三种形式，如附图1至6所示的五种情况。附图1中所示为锅筒式锅炉，工质（工业软水）在锅筒内，由燃油或燃气炉在燃烧室燃烧供热，在燃烧室内对锅筒辐射加热，在列管中高温尾气对列管外工质对流加热；受热管内给水吸收热能后升温，当温度超过其所在压力下的沸点的时候，沸腾汽化成蒸汽。附图2为自然（或强制）循环式锅炉，工质（工业软水）在加热列管和锅筒内，主要受热部件为下降受热管和上升受热管，在燃烧室内受热管内工质主要以辐射方式被加热，其余受热管内工质主要以对流换热形式被加热；受热管内给水吸收热能升温，当温度超过其所在压力下的沸点的时候，沸腾汽化成蒸汽。 图1和2所示的两种锅炉因都带有巨大的汽水分离的锅筒，统称为汽包式锅炉。附图3至6中所示分别为水平围绕管圈式、回带管圈式和垂直管屛式直流锅炉，直流锅炉没有用于汽水分离的锅筒，工业软水通过高压水泵加压做功，水在平或垂直受热管内被强制快速推进，管外热源以辐射和对流形式对管内给水加热，给水被加热成高温高压热水；在直流锅炉出口段，受热管内压力下降至管内工质水温的饱和蒸汽压，管内高温热水以过热闪蒸和沸腾形式汽化；汽化后的蒸汽被继续加热成过热蒸汽。
无论锅式筒式沸腾汽化、循环式沸腾汽化、直流式沸腾汽化（水平型、垂直型、水平垂直混合型），它们的共同特点：受热管在注满给水的情况下受热，在给水温度超过其所在压力饱和沸点的情况下，再以闪蒸和沸腾形式汽化。汽化出来的蒸汽被液体包裹着（尤其在汽包式锅炉受热管中），其汽液分离界面为受热管或锅筒中液相界面横截面限制（或受热管蒸发段有限的蒸发表面限制），制约着管内工质汽化速率；在汽包式锅炉中，随着传热温差的加大，会存在第一类沸腾恶化，如附图8所示，当受热管中的水沸腾剧烈到一定程度，水的传热被气膜所阻隔，管壁与给水之间的传热急剧下降；附图7所示的饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线，给水在汽包式锅炉内汽化情况：在壁温与工质沸点之间温差约4～40℃时，为核态沸腾区；此区内随温差上升工质的汽化传热速率不断上升，在约40℃附近传热速率达到一个高点，水的单位温差传热速率（即传热系数）大约29000W/（m2·℃）。再提高温差，传热进入过渡沸腾区；此区内给水汽化传热速率随温差上升反而下降，在温差上升到200℃附近，汽化传热系数降低到约1000W/（m2·℃）；再提高温差，传热进入稳定膜态沸腾区，传热系数基本维持在此水平。在没有沸腾汽化的情况下，水的传热系数仅约为有沸腾汽化情况下的1/5，水蒸汽的传热系数仅约为水的1/15~1/25。在直流式锅炉中，由于没有汽液分离的汽包和循环过程，给水在受热管中一次性被加热、汽化、过热成蒸汽，受热行程很长；所以，受热管必须做到很长；这就限制了直流锅炉只能用于大型化电厂锅炉。由于直流式锅炉受热列管行程是一定的，直流锅炉的燃料供给和给水必须严格匹配控制，否则，产出蒸汽不合格，还会因高温损害受热管；直流锅炉存在第二类沸腾恶化情况，如附图9所示，当受热管内汽水混合物中含汽率达到一定程度，管内工质流动结构是环水膜的汽柱状，水膜很薄，管内给水以闪蒸和沸腾形式汽化，并且存在着脉动现象，局部地方水膜被气流冲破或被蒸干，管壁得不到冷却，传热系数明显下降。在第二类沸腾恶化发生时，受热管壁温急剧上升，能达到500~700℃，甚至更高，远超过受热管材质的正常使用极限，导致受热管损坏或使用寿命骤减。
综合以上所述：汽包式锅炉和直流锅炉式的受热管中工质软水受热汽化有以下不足：
1、传热效率低，在汽包式锅炉和直流锅炉受热管中，工质水在不同阶段传热系数不一样，仅在核态沸腾汽化段传热系数最高，限制了传热速率的提高；
2、传热不稳定，存在沸腾恶化现象，在汽包式锅炉受热管中会发生第一类沸腾恶化，在直流式锅炉受热管中会发生第二类沸腾恶化情况；
3、有效蒸发汽化面积小，在汽包式锅炉受热管中，工质只在上升受热管中部分（约10%）沸腾汽化，汽化后的蒸汽又被水所包裹，汽水混合物传质传热，上升到汽包后再分离；在直流锅炉受热管中，高温高压热水，在接近受热管尾段才能闪蒸和沸腾汽化；仅在受热管汽液相界面附近有限的表面汽化，有效汽化蒸发面积小；
4、受热管温度高，鉴于以上所述原因，要达到同样的蒸发速率，就需要增加工质汽液相温差来拟补；同样的受热面，生产同样质量和压力的饱和蒸汽，受热管温度远高于直接蒸发下受热管温度；
5、蒸发效率低，鉴于以上原因，在同样的受热管温度下，汽包锅炉和直流锅炉相同面积的受热管产同等级饱和蒸汽能力远低于直接受热蒸发的受热管产汽能力。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有生产蒸汽装置的锅炉受热列管存在的传热效率低、传热不稳定、有效蒸发汽化面小、受热管温度高、蒸发效率低等不足，提供一种传热效率高、传热稳定、有效蒸发汽化面大、受热管温度低、蒸发效率高的一种膜式蒸汽发生管。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种膜式蒸汽发生管，其由顶部给水分配布膜段，中部膜式蒸发段和下部汽液分离段组成。
其中，顶部给水分配布膜段包括布膜器，由所述布膜器控制给水进料方向和进料量使直接沿壁成膜，或者组合均膜器再分配均匀布膜，使液膜在初始流速和重力作用下沿壁接触受热面以均匀的水膜状流下。
中部膜式蒸发段，受热管在管外热源以辐射和对流传导方式提供热能，液膜不断交替流动，使得液膜整体均匀受热，给水吸收热能后由液相蒸发汽化，汽化的汽相蒸汽直接扩散到受热管中心空间，无需克服液相水膜的阻力。
下部汽液分离段由汽相出口和液相出口组成，汽相出口在液相出口的上部，且开口朝向不同；水蒸气与未汽化的水向不同方向引导，形成蒸汽流和液流通道。避免汽液混合相互影响，以利于在有限空间内蒸汽和水快速分离和流通。在有足够空间有效分离汽液相的情况下，此下部分离段可以省略，由蒸发管直接输出水蒸汽和水。
本申请的布膜器主要有几种形式：板孔式布膜器、壁孔式布膜器、板环式布膜器和螺旋式布膜器。
板孔式布膜器是在顶端封板上沿受热管切线方向向下分布2～20个进水孔，进水孔为圆形、方形或长方形，其截面积与Φ0.5～5mm的圆孔相当，进水口的数量和规格根据该受热管的蒸发任务设定。
壁孔式布膜器是在顶端封板下面，在受热管上沿受热管切线方向向下分布2～20个进水孔；进水孔可以是圆形、方形或长方形，其截面积与ø0.5～5mm的圆孔相当，进水孔的数量和规格根据该受热管的蒸发任务设定。
板环式布膜器是在顶端封板上向受热管管壁方向设置一圈环式进水口，根据该受热管的蒸发负荷设定下端出口环缝隙在0.02～0.5mm。
螺旋式布膜器是在顶端封板上根据该受热管蒸发负荷设定一个ø0.5～10mm的圆孔进水孔，在该圆孔下端设置对应规格的螺旋式喷淋器，将顶部进水以伞状扇面喷射到受热管内壁面。
对于通常的作业状态，以上几种布膜器喷射到壁面的水的布膜效果已达到应用目的；也可以在以上几种，所述布膜器下端增加设置均膜环，将可能因高速飞溅到壁面外的液滴导引向壁面，使得给水以环状液膜沿壁下流。
进一步地，膜式蒸汽发生管的规格为DN20～DN200的锅炉专用钢管，长径比l/d在50～200之间；顶部给水分配布膜段和下部汽液分离段所占长度比例为整体长度的1～2%，布膜器内及以上部位充满水，布膜器以下列管内壁全部为液膜覆盖，液膜厚度在0.05～1mm之间，普遍情况下液膜厚度平均在0.1～0.2mm之间。
研究表明，水在蒸发汽化时速率可以用公式表示为：m=f×A×Δp；式中：m为水的蒸发速率，f为蒸发系数，A为蒸发面积，Δp 为蒸发工质表面蒸汽压力与表面外气相压力差。研究表明在工质液膜厚度大于1×10-7m时，蒸发系数f对蒸发速率m的影响基本被液膜导热热阻（即传热系数）所取代。而汽液相饱和蒸汽压差则取决于汽相饱和点与液相水温之间的温度差。所以，决定水蒸发汽化速率的因素为：给水汽化的传热系数、汽化的汽液相分离界面面积、汽化的汽液相温差（或饱和蒸汽压差）。
所述一种膜式蒸汽发生管，作为膜式蒸发器的产汽单体，它们系统组合可以是直接焊接，也可以通过螺纹连接。蒸发管顶端布膜器除壁孔式布膜器外，板孔式布膜器、板环式布膜器和螺旋式布膜器可以是可拆卸式的，便于观察和维修。
本实用新型的膜式蒸汽发生管与现有汽包式和直流式锅炉受热管比较：
附图说明
图1为锅筒式锅炉蒸汽发生结构；
图1：1加热管、2燃烧室
图2为自然（强制）循环锅炉；
图2：1锅筒、2下降受热管、3联箱、4上升受热管
图3为水平围绕管圈式直流锅炉；
图3：1燃烧室、2水平受热管
图4为回带管圈式直流锅炉；
图5为回带管圈式直流锅炉的另一种结构；
图4-5：1水平受热管、2垂直受热管、3联箱
图6为垂直管屏式直流锅炉；
图6：1垂直受热管、2、联箱
图7为饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线；
图8为第一类传热恶化的结构示意图；
图9为第二类传热恶化的结构示意图；
图10为本申请膜式蒸发的结构示意图；
图11为本申请实施例中蒸汽发生管（单出汽口型）的剖视图；
图12为本申请实施例中蒸汽发生管（单出汽口型）的侧视图；
图13为本申请实施例中蒸汽发生管（双出汽口型）的剖视图；
图14为本申请实施例中蒸汽发生管（双出汽口型）的侧视图；
图15为本申请实施例中板孔式布膜器（不带均膜环）的竖向剖视图；
图16为本申请实施例中板孔式布膜器（不带均膜环）的横向剖视图；
图17为本申请实施例中板孔式布膜器（带均膜环）的竖向剖视图；
图18为本申请实施例中板孔式布膜器（带均膜环）的横向剖视图；
图15-18：1管壁、2分布板、3进水孔、4均膜环
图19为本申请实施例中壁孔式布膜器（不带均膜环）的竖向剖视图；
图20为本申请实施例中壁孔式布膜器（不带均膜环）的横向剖视图；
图21为本申请实施例中壁孔式布膜器（带均膜环）的竖向剖视图；
图22为本申请实施例中壁孔式布膜器（带均膜环）的横向剖视图；
图19-22：1管壁、2封板、3进水孔、4均膜环
图23为本申请实施例中板环式布膜器（不带均膜环）的竖向剖视图；
图24为本申请实施例中板环式布膜器（不带均膜环）的横向剖视图；
图25为本申请实施例中板环式布膜器（带均膜环）的竖向剖视图；
图26为本申请实施例中板环式布膜器（带均膜环）的横向剖视图；
图23-26：1管壁、2分布板、3进水环、4均膜环
图27为本申请实施例中螺旋式布膜器（不带均膜环）的竖向剖视图；
图28为本申请实施例中螺旋式布膜器（不带均膜环）的横向剖视图；
图29为本申请实施例中螺旋式布膜器（带均膜环）的竖向剖视图；
图30为本申请实施例中螺旋式布膜器（带均膜环）的横向剖视图；
图27-30：1管壁、2分布板、3进水孔、4均膜环、5喷淋头、6筋板、7平衡孔。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图11至14所示，本实施例中的膜式蒸汽发生管，其由顶部给水分配布膜段I，中部膜式蒸发段II和下部汽液分离段III组成。
顶部给水分配布膜段I包括布膜器1，由布膜器1控制给水进料方向和进料量使直接沿壁成膜，使液膜在初始流速和重力作用下沿壁接触受热面以均匀的水膜状流下。
中部膜式蒸发段II，受热管在管外热源以辐射和对流传导方式提供热能，管内壁的液膜不断交替流动，使得液膜整体均匀受热，给水吸收热能后由液相蒸发汽化，汽化的蒸汽直接扩散到受热管中心空间，无需克服液相水膜的阻力，蒸汽随液膜一起演管道运行。
下部汽液分离段III由汽相出口a和液相出口b组成，汽相出口和液相出口可以设置不止一个，两个或两个以上。汽相出口a在液相出口b的上部，且开口朝向不同；水蒸气与未汽化的水向不同方向引导，形成蒸汽流和液流通道。
应当说明的是，在有足够空间有效分离汽液相的情况下，此下部分离段可以省略，由蒸发管直接输出水蒸汽和回水。
顶部给水分配布膜段设置的布膜器主要有几种形式：板孔式布膜器、壁孔式布膜器、板环式布膜器和螺旋式布膜器。
如图15至18所示，板孔式布膜器是在顶端封板上沿受热管切线方向向下分布2～20个进水孔，进水孔为圆形、方形或长方形或其他形状，截面积与Φ0.5～5mm的圆孔相当，进水口的数量和规格根据该受热管的蒸发任务设定。本实施例中板孔式布膜器膜式蒸发管，蒸发管规格ø76×4mm，进水孔口径ø1mm，进水孔数量n=7，蒸发管总长l=15m。
如图19至22所示，壁孔式布膜器是在顶端封板下面，在受热管上沿受热管切线方向向下分布2～20个进水孔；进水孔可以是圆形、方形或长方形或其他形状，截面积与Φ0.5～5mm的圆孔相当，进水孔的数量和规格根据该受热管的蒸发任务设定。壁孔式布膜器膜式蒸发管，蒸发管规格ø51×3mm，进水孔口径ø0.5mm，进水孔数量n=3，蒸发管总长l=3m。
如图23至26所示，板环式布膜器是在顶端封板上向受热管管壁方向设置一圈环式进水口，根据该受热管的蒸发负荷设定下端出口环缝隙在0.02～0.5mm。本实施例中，板环式布膜器膜式蒸发管，蒸发管规格ø89×5mm，环缝宽0.04mm，环缝直径ø70 ，蒸发管总长l=16m。
如图27至30所示，螺旋式布膜器是在顶端封板上根据该受热管蒸发负荷设定一个Φ0.5～10mm的圆孔进水孔，在该圆孔下端设置对应规格的螺旋式喷淋器，将顶部进水以伞状扇面喷射到受热管内壁面。本实施例中，螺旋式布膜器膜式蒸发管，蒸发管规格ø51×3mm，进水孔口径ø2mm，蒸发管总长l=2.8m，蒸发管首尾设置管螺纹。
布膜器1下端增加设置均膜环（均膜器），将可能因高速飞溅到壁面外的液滴导引向壁面，使得给水以环状液膜沿壁下流。
在膜式蒸汽发生管内，如附图10所示，给水以极薄的水膜、流动的状态进行蒸发传热，将传热系数发挥到极大值，达到30000～40000W/m2·℃。蒸发列管内液相汽化表面面积发挥到极大值，是横向截面积的50～500倍。对比于汽包式和直流式锅炉受热列管内水的汽化形式，同样的面积受热列管，同样的汽液相温度差情况下，汽化能力约是他们的250～2500倍；膜式蒸汽发生管内给水以液膜状态直接汽化至管中汽相，没有沸腾状态的汽化，给水与管壁不会发生如附图7所示的温差上升传热速率下降和附图8所示第一类传热恶化现象。并且，膜式蒸发的传热系数不受汽相压力变化的影响，管内液体的蒸发温度仅比与其接触的饱和蒸汽温度高0.5～2℃；在膜式蒸发管中，工业软水不断从顶部喷淋供给，液膜流量远大于管内蒸发量，所以，膜式蒸发管内不会有液膜破损、断流现象；受热管内壁由液膜保护着，始终维持高且稳定的传热速率汽化，不会发生传热恶化现象。
除上述实施例外，本实用新型还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种膜式蒸汽发生管，其特征在于：由顶部给水分配布膜段，中部膜式蒸发段和下部汽液分离段组成，
所述顶部给水分配布膜段包括布膜器，由所述布膜器控制给水进料方向和进料量使直接沿壁成膜，或者组合均膜器再分配均匀布膜，使液膜在初始流速和重力作用下沿壁接触受热面以均匀的水膜状流下；
所述中部膜式蒸发段，受热管在管外热源以辐射和对流传导方式提供热能，液膜不断交替流动，使得液膜整体均匀受热，给水吸收热能后由液相蒸发汽化，汽化的汽相蒸汽直接扩散到受热管中心空间；
所述下部汽液分离段由汽相出口和液相出口组成，汽相出口在液相出口的上部，且开口朝向不同；水蒸气与未汽化的水向不同方向引导，形成蒸汽流和液流通道。
2.根据权利要求1所述的膜式蒸汽发生管，其特征在于：所述布膜器主要有几种形式：板孔式布膜器、壁孔式布膜器、板环式布膜器和螺旋式布膜器；板孔式布膜器是在顶端封板上沿受热管切线方向向下分布2～20个进水孔，进水孔为圆形、方形或长方形，其截面积与Φ0.5～5mm的圆孔相当，进水口的数量和规格根据该受热管的蒸发任务设定；
壁孔式布膜器是在顶端封板下面，在受热管上沿受热管切线方向向下分布2～20个进水孔；进水孔可以是圆形、方形或长方形，其截面积与ø0.5～5mm的圆孔相当，进水孔的数量和规格根据该受热管的蒸发任务设定；
板环式布膜器是在顶端封板上向受热管管壁方向设置一圈环式进水口，根据该受热管的蒸发负荷设定下端出口环缝隙在0.02～0.5mm；
螺旋式布膜器是在顶端封板上根据该受热管蒸发负荷设定一个ø0.5～10mm的圆孔进水孔，在该圆孔下端设置对应规格的螺旋式喷淋器，将顶部进水以伞状扇面喷射到受热管内壁面。
3.根据权利要求1所述的膜式蒸汽发生管，其特征在于：所述布膜器下端增加设置均膜环。
4.根据权利要求1所述的膜式蒸汽发生管，其特征在于：规格为DN20～DN200的锅炉专用钢管，长径比l/d在50～200之间；顶部给水分配布膜段和下部汽液分离段所占长度比例为整体长度的1～2%。
5.根据权利要求1所述的膜式蒸汽发生管，其特征在于：系统组合可以是焊接或螺纹连接结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201720235822.7U CN206656337U (zh) | 2017-03-10 | 2017-03-10 | 一种膜式蒸汽发生管 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201720235822.7U CN206656337U (zh) | 2017-03-10 | 2017-03-10 | 一种膜式蒸汽发生管 |
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| CN206656337U true CN206656337U (zh) | 2017-11-21 |
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| CN (1) | CN206656337U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111306522A (zh) * | 2020-03-27 | 2020-06-19 | 宁波凯波智能熨烫电器制造有限公司 | 储热柱式化汽锅炉及熨烫机 |
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2017
- 2017-03-10 CN CN201720235822.7U patent/CN206656337U/zh active Active
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