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WO1998019107A1 - Dampferzeugerrohr - Google Patents

Dampferzeugerrohr Download PDF

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WO1998019107A1
WO1998019107A1 PCT/DE1997/002369 DE9702369W WO9819107A1 WO 1998019107 A1 WO1998019107 A1 WO 1998019107A1 DE 9702369 W DE9702369 W DE 9702369W WO 9819107 A1 WO9819107 A1 WO 9819107A1
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steam generator
tube
pipe
generator tube
tubes
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PCT/DE1997/002369
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Kastner
Wolfgang Köhler
Eberhard Wittchow
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/101—Tubes having fins or ribs
    • F22B37/103—Internally ribbed tubes

Definitions

  • the invention relates to a steam generator tube with ribs forming a thread on its inside. It also relates to a once-through steam generator with a gas flue, which is formed from vertically arranged steam generator pipes welded together in a gas-tight manner.
  • steam generator tubes which are welded together in a gas-tight manner via webs are usually used to form a gas flue, which are connected in parallel for the flow of a flow medium.
  • tubes that are already equipped with fins can also be used.
  • the steam generator tubes can be arranged vertically.
  • the steam generator tubes are generally designed in such a way that sufficient cooling of the steam generator tubes is ensured even at low mass flow densities of the medium flowing through the steam generator tubes.
  • a design criterion is the heat transfer behavior of a steam generator pipe.
  • a high heat transfer enables a particularly effective heating of the medium flowing through the steam generator tube with reliable cooling of the steam generator tube itself.
  • steam generator tubes are usually used which have a surface structure on their inside for generating a high heat transfer from their inner wall to the flow medium. From the European patent specification 0 503 116 AI a continuous steam generator with vertically arranged steam generator tubes is known. The steam generator tubes of this steam generator have an internal rib as a surface structure.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a steam generator tube with ribs forming a thread on its inside, which also shows a particularly favorable heat transfer behavior when film boiling occurs.
  • a continuous steam generator is to be specified with a gas train formed from vertically arranged steam generator tubes which are welded together gas-tightly over fins and which can be operated particularly safely and reliably even in a pressure range of approximately 200 bar to 221 bar.
  • this object is achieved according to the invention in that its friction pressure loss determined at a Reynolds number of 400,000 without heating and with water as the flow medium is at least a factor of f> 0.9 • (1 + 2.15 • h) • d "0.152 than the friction pressure loss determined under the same conditions Smooth pipe with the same pipe length and with a pipe inside diameter equal to the equivalent pipe inside diameter d.
  • the equivalent inner tube diameter d of the steam generator tube which is given in meters, is defined as the inner tube diameter that a smooth tube with the same flow cross-section has.
  • the relative fin height h of the steam generator tube is defined as the ratio of fin height H and equivalent tube inner diameter d.
  • the invention is based on the knowledge that the heat transfer behavior of an internally finned steam generator tube in the state of film boiling is correlated with the friction pressure loss of the steam generator tube determined under the conditions mentioned. Surprisingly, as has been shown after extensive tests, a heat transfer coefficient that quantitatively describes the heat transfer behavior of the steam generator tube during film boiling is almost proportional to the loss of frictional pressure of the steam generator tube. Therefore, a steam generator tube with a suitably increased friction pressure loss has a correspondingly improved heat transfer behavior during film boiling.
  • the heat transfer behavior during film boiling can be improved by a suitable increase in the frictional pressure loss of the steam generator tube.
  • a particularly suitable improvement in its heat transfer behavior during film boiling which is particularly suitable for a safe and reliable mode of operation of the steam generator tube, results from the increase in its frictional pressure loss compared to a comparable smooth tube by at least the factor mentioned.
  • a steam generator tube designed according to the design concept mentioned also exhibits particularly good heat transfer behavior in the case of film boiling. This ensures particularly effective cooling of the steam generator tube by the medium flowing through, even during film boiling.
  • a continuous steam generator with steam generator tubes designed in this way can thus be operated particularly safely and reliably - even in a pressure range from approximately 200 bar to approximately 221 bar.
  • FIG. 1 shows a once-through steam generator in a simplified representation with the combustion chamber wall in vertical contact
  • FIG. 2 shows in longitudinal section a section of a steam generator tube used for piping the combustion chamber wall of the once-through steam generator
  • FIG. 3 shows the steam generator tube according to FIG. 2 in cross section and FIG , B, C and D.
  • a continuous steam generator 2 is shown schematically with a rectangular cross section, the vertical throttle cable is formed by a surrounding or combustion chamber wall 4 which merges into a funnel-shaped base 6 at the lower end.
  • a number of burners for a fuel are installed in an opening 8, only two of which are visible, in the combustion chamber wall 4 composed of steam generator tubes 10.
  • the vertically arranged steam generator tubes 10 are welded together gas-tight in the firing area V to form an evaporator heating surface 12.
  • the flue gas RG serves as a heating medium for the flow medium flowing in the steam generator tubes 10. Water or a water-steam mixture is provided as the flow medium in the exemplary embodiment.
  • each steam generator tube 10 has on its inside as a surface structure for generating a high heat transfer from the inner wall to the flow medium on a number of multi-threaded fins 30.
  • the ribs 30 forming the thread are due to their
  • the steam generator tubes 10 are designed, in particular with regard to the design of their internal fins, in such a way that their friction pressure loss at a Reynolds number of 400,000 without heating and with water as the flow medium is at least by the factor f> 0.9 • (1 + 2.15 • h ) • ⁇ r 0 ' 152 is greater than that of a comparable smooth tube under the same conditions.
  • d is to be understood as the equivalent inner tube diameter of the steam generator tube 10 measured in meters. This is defined as the inner pipe diameter that a smooth pipe with the same flow cross-section would have.
  • the relative fin height h is defined as the ratio of the actual fin height H and the equivalent pipe inside diameter d.
  • a comparable smooth pipe is also considered to be a smooth pipe with the same pipe length as the steam generator pipe 10 and with a pipe inside diameter equal to the equivalent pipe inside diameter d.
  • the design criterion for the steam generator tubes 10 is to be explained in more detail by means of the curves A, B, C, D shown in FIG. 4 in a coordinate system.
  • the increase factor f of the steam generator tube 10 which is defined by the ratio of the experimentally determined loss of friction pressure of the steam generator tube 10 to the experimentally determined friction pressure loss of a comparable smooth tube, is shown as a function of the equivalent inner tube diameter d.
  • the design criterion is that a steam generator tube with a relative fin height h of 0.03 should lie on or above curve A. Accordingly, a steam generator tube with a relative fin height h of 0.04, 0.05 or 0.06 should lie on or above the curve B, C or D.
  • each steam generator tube 10 has an equivalent inner tube diameter d of 25 mm and a relative fin height of 4%. Accordingly, each steam generator tube 10 is characterized in terms of its experimentally determined loss of friction pressure by an increase factor f of at least 1.71. In comparison, a commercially available steam generator tube has an increase factor of only 1.49. With the same mass throughput, the frictional pressure loss and therefore also the heat transfer coefficient during film boiling of the steam generator tube 10 are thus approximately 15% higher than in the known tube. In order to ensure equally safe and reliable cooling in comparison to the steam generator tube 10, the mass throughput in the known tube would therefore have to be increased by approximately 15%.

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Abstract

Ein Dampferzeugerrohr (10), das auch bei auftretendem Filmsieden einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten aufweist und somit besonders zuverlässig kühlbar ist, weist erfindungsgemäss einen bei einer Reynoldszahl von 400.000 ohne Beheizung und mit Wasser als Strömungsmedium ermittelten Reibungsdruckverlust auf, der mindestens um den von der relativen Rippenhöhe h und dem in Metern angegebenen äquivalenten Rohrinnendurchmesser d abhängigen Erhöhungsfaktor f>/= 0,9 . (1 + 2,15 . h) . d<-0,152>, grösser ist als der unter gleichen Bedingungen ermittelte Reibungsdruckverlust eines vergleichbaren Glattrohres. Ein mit derartigen Dampferzeugerrohren (10) bestückter Durchlaufdampferzeuger (2) ist somit auch in einem Druckbereich von mehr als etwa 200 bar und bis zu etwa 221 bar besonders sicher und zuverlässig betreibbar.

Description

Beschreibung
Dampferzeugerrohr
Die Erfindung betrifft ein Dampferzeugerrohr mit auf seiner Innenseite ein Gewinde bildenden Rippen. Sie bezieht sich weiter auf einen Durchlaufdampferzeuger mit einem Gaszug, der aus miteinander gasdicht verschweißten, vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren gebildet ist.
In den Brennkammerwänden eines Durchlaufdampferzeugers werden üblicherweise miteinander über Stege gasdicht verschweißte Dampferzeugerrohre zur Bildung eines Gaszuges eingesetzt, die für den Durchfluß eines Strömungsmediums parallel geschaltet sind. Anstelle der Rohre mit Flacheisenstegen zwischen den Rohren können auch Rohre verwendet werden, die bereits mit Flossen ausgerüstet sind. Die Dampferzeugerrohre können dabei vertikal angeordnet sein. Für ein sicheres Betriebsverhalten des Durchlaufdampferzeugers sind die Dampferzeugerrohre in der Regel derart ausgelegt, daß auch bei niedrigen Massen- stromdichten des die Dampferzeugerrohre durchströmenden Mediums eine ausreichende Kühlung der Dampferzeugerrohre gewährleistet ist.
Ein Auslegungskriterium ist das Wärmeübergangsverhalten eines Dampferzeugerrohres . Ein hoher Wärmeübergang ermöglicht eine besonders effektive Beheizung des das Dampferzeugerrohr durchströmenden Mediums bei gleichzeitig zuverlässiger Kühlung des Dampferzeugerrohres an sich. Für eine Verbesserung des Wärmeübergangsverhaltens kommen üblicherweise Dampferzeugerrohre zum Einsatz, die auf ihrer Innenseite eine Oberflächenstruktur zum Erzeugen eines hohen Wärmeübergangs von ihrer Innenwand auf das Strömungsmedium aufweisen. Aus der Europäischen Patentschrift 0 503 116 AI ist ein Durchlaufdampferzeuger mit vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren bekannt . Die Dampferzeugerrohre dieses Dampferzeugers weisen eine Innenrippung als Oberflächenstruktur auf.
Beim Betrieb eines derartigen Durchlaufdampferzeugers im Druckbereich zwischen etwa 200 bar und dem kritischen Druck von etwa 221 bar können jedoch auch mit innenberippten Dampf- erzeugerrohren Kühlungsprobleme auftreten. Dies ist eine Folge von Benetzungsproblemen an der Rohrinnenwand in diesem Druckbereich. Dabei behindert ein Dampffilm, der sich zwischen der Rohrwand und der flüssigen Phase des Strömungsmediums bildet, den Wärmeübergang von der Rohrinnenwand auf das Strömungsmedium. Dieser Effekt ist als "Filmsieden" bekannt. Aufgrund der infolge des Filmsiedens lokal verringerten Kühlung des Dampferzeugerrohres steigt dort dessen Temperatur an, was zu einer Beschädigung oder zur Zerstörung des Dampferzeugerrohres führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Dampferzeugerrohr mit auf seiner Innenseite ein Gewinde bildenden Rippen anzugeben, das auch bei einem auftretenden Filmsieden ein besonders günstiges Wärmeübergangsverhalten zeigt. Zudem soll ein Durchlaufdampferzeuger mit einem aus miteinander über Flossen gasdicht verschweißten, vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren gebildeten Gaszug angegeben werden, der auch in einem Druckbereich von etwa 200 bar bis 221 bar besonders sicher und zuverlässig betreibbar ist.
Bezüglich des Dampferzeugerrohres wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem sein bei einer Reynoldszahl von 400.000 ohne Beheizung und mit Wasser als Strömungsmedium ermittelter Reibungsdruckverlust mindestens um den Faktor f > 0,9 • (1 + 2,15 • h) • d"0,152 größer ist als der unter gleichen Bedingungen ermittelte Reibungsdruckverlust eines Glattrohres mit gleicher Rohrlänge und mit einem dem äquivalenten Rohrinnendurchmesser d gleichen Rohrinnendurchmesser . Dabei ist der in Metern angegebene äquivalente Rohrinnendurchmesser d des Dampferzeugerrohres definiert als derjenige Rohrinnendurchmesser, den ein Glattrohr mit gleichem Strömungsquerschnitt aufweist. Die relative Rippenhöhe h des Dampferzeugerrohres ist definiert als das Verhältnis aus Rippenhöhe H und äquivalentem Rohrinnendurchmesser d.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß das Wärmeübergangsverhalten eines innenberippten Dampferzeugerrohres im Zustand des Filmsiedens mit dem unter den genannten Bedingungen ermittelten Reibungsdruckverlust des Dampferzeugerrohres korreliert ist. Wie sich nämlich nach umfangreichen Versuchen überraschenderweise gezeigt hat, ist ein das Wärmeübergangs- verhalten des Dampferzeugerrohres quantitativ beschreibender Wärmeübergangskoeffizient beim Filmsieden nahezu proportional zum Reibungsdruckverlust des Dampferzeugerrohres . Daher weist ein Dampferzeugerrohr mit geeignet erhöhtem Reibungsdruckver- lust ein entsprechend verbessertes Wärmeübergangsverhalten beim Filmsieden auf.
Wie sich herausstellte, ist dabei mittels einer geeigneten Erhöhung des Reibungsdruckverlustes des Dampferzeugerrohres dessen Wärmeübergangsverhalten beim Filmsieden verbesserbar. Eine für eine sichere und zuverlässige Betriebsweise des Dampferzeugerrohres besonders geeignete Verbesserung seines Wärmeübergangsverhaltens beim Filmsieden ergibt sich bei der Erhöhung von dessen Reibungsdruckverlust gegenüber einem ver- gleichbaren Glattröhr um mindestens den genannten Faktor.
Wie sich bei den genannten Untersuchungen herausgestellt hat, ist eine besonders hohe Steigerung des Wärmeübergangsverhaltens des Dampferzeugerrohres beim Filmsieden dadurch erreich- bar, daß sein äquivalenter Rohrinnendurchmesser d Vorzugs- weise mindestens 0,014 m und höchstens 0,038 m, insbesondere höchstens 0,027m, beträgt.
Bezüglich des Durchlaufdampferzeugers der obengenannten Art wird die genannte Aufgabe gelöst, indem Dampferzeugerrohre nach einem der Ansprüche 1 bis 3 vorgesehen sind.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein nach dem genannten Auslegungskonzept ge- staltetes Dampferzeugerrohr auch im Falle des Filmsiedens ein besonders gutes Wärmeübergangsverhalten zeigt. Somit ist auch beim Filmsieden eine besonders effektive Kühlung des Dampferzeugerrohres durch das durchströmende Medium gewährleistet . Ein Durchlaufdampferzeuger mit derartig ausgebildeten Dampf- erzeugerrohren ist somit besonders sicher und zuverlässig - auch in einem Druckbereich von etwa 200 bar bis etwa 221 bar - betreibbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 einen Durchlaufdampferzeuger in vereinfachter Darstellung mit vertikal berührter Brennkammerwand, Figur 2 im Längsschnitt einen Ausschnitt eines für die Berohrung der Brennkammerwand des Durchlaufdampfer- zeugers eingesetzten Dampferzeugerrohres, Figur 3 das Dampferzeugerrohr gemäß Figur 2 im Querschnitt und Figur 4 ein Diagramm mit Darstellung von Kurven A, B, C und D.
In Figur 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 .
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 mit- einander verschweißt.
Oberhalb des Befeuerungsbereiches V des Gaszugs befinden sich Konvektionsheizflachen 14, 16 und 18. Darüber befindet sich ein Rauchgasaustrittskanal 20, über den das durch Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugte Rauchgas RG den vertikalen Gaszug verläßt. Das Rauchgas RG dient als Heizmedium für das in den Dampferzeugerröhren 10 strömende Strömungsmedium. Als Strömungsmedium ist im Ausführungsbeispiel Wasser oder ein Wasser-Dampf-Gemisch vorgesehen.
Wie in Figur 2 im Längsschnitt und in Figur 3 im Querschnitt dargestellt, weist jedes Dampferzeugerrohr 10 auf seiner Innenseite als Oberflächenstruktur zum Erzeugen eines hohen Wärmeübergangs von der Innenwand auf das Strömungsmedium eine Anzahl von ein mehrgängiges Gewinde bildenden Rippen 30 auf. Die das Gewinde bildenden Rippen 30 sind dabei durch ihre
Rippenhöhe H und durch den Rippensteigungswinkel α charakterisiert .
Die Dampferzeugerrohre 10 sind, insbesondere im Hinblick auf die Ausgestaltung ihrer Innenberippung, derart ausgelegt, daß ihr Reibungsdruckverlust bei einer Reynoldszahl von 400.000 ohne Beheizung und mit Wasser als Strömungsmedium mindestens um den Faktor f > 0,9 • (1 + 2,15 • h) • <r0'152 größer ist als der eines vergleichbaren Glattrohres unter gleichen Bedingungen . Unter d ist dabei der in Metern gemessene äquivalente Rohrinnendurchmesser des Dampferzeugerrohres 10 zu verstehen. Dieser ist definiert als derjenige Rohrinnendurchmesser, den ein Glattrohr mit gleichem Strömungsquerschnitt aufweisen würde. Die relative Rippenhöhe h hingegen ist definiert als das Verhältnis aus der tatsächlichen Rippenhöhe H und dem äquivalenten Rohrinnendurchmesser d. Als vergleichbares Glattrohr wird zudem ein Glattrohr mit gleicher Rohrlänge wie das Dampferzeugerrohr 10 und mit einem dem äquivalenten Rohrinnendurchmesser d gleichen Rohrinnendurchmesser angesehen.
Das Auslegungskriterium für die Dampferzeugerrohre 10 soll mittels der in Figur 4 in einem Koordinatensystem dargestell- ten Kurven A, B, C, D näher erläutert werden. Dabei ist der Erhöhungsfaktor f des Dampferzeugerrohres 10, der definiert ist durch das Verhältnis des experimentell ermittelten Reibungsdruckverlustes des Dampferzeugerrohres 10 zu dem experimentell ermittelten Reibungsdruckverlust eines vergleichbaren Glattrohres, dargestellt als Funktion des äquivalenten Rohrinnendurchmessers d. Abhängig von der relativen Rippenhöhe h ergibt sich dabei als Auslegungskriterium, daß ein Dampferzeugerrohr mit einer relativen Rippenhöhe h von 0,03 auf oder oberhalb der Kurve A liegen sollte. Entsprechend sollte ein Dampferzeugerrohr mit einer relativen Rippenhöhe h von 0,04, 0,05 oder 0,06 auf oder oberhalb der Kurve B, C bzw. D liegen.
Jedes Dampferzeugerrohr 10 weist im Ausführungsbeispiel einen äquivalenten Rohrinnendurchmesser d von 25 mm und eine relative Rippenhöhe von 4% auf. Dementsprechend ist jedes Dampferzeugerrohr 10 hinsichtlich seines experimentell ermittelten Reibungsdruckverlustes durch einen Erhöhungsfaktor f von mindestens 1,71 charakterisiert. Im Vergleich dazu weist ein handiesübliches Dampferzeugerrohr einen Erhöhungsfaktor von lediglich 1,49 auf. Bei gleichem Massendurchsatz sind somit der Reibungsdruckverlust und daher auch der Wärmeübergangs- koeffizient beim Filmsieden des Dampferzeugerrohres 10 um etwa 15 % höher als beim bekannten Rohr. Um im Vergleich zum Dampferzeugerrohr 10 eine gleichermaßen sichere und zuverlässige Kühlung zu gewährleisten, müßte beim bekannten Rohr daher der Massendurchsatz um etwa 15 % erhöht werden. Da jedoch der Reibungsdruckverlust annähernd quadratisch vom Massendurchsatz im Dampferzeugerrohr abhängt, erhöht sich bei die- ser Maßnahme der Reibungsdruckverlust des bekannten Rohres um etwa 32%. Somit ergibt sich für das Dampferzeugerrohr 10 im Vergleich zum bekannten Rohr bei gleichem Wärmeübergangsverhalten und bei gleicher maximaler Rohrwandtemperatur ein um etwa 15 % geringerer Reibungsdruckverlust.

Claims

Patentansprüche
1. Dampferzeugerrohr (10) mit auf seiner Innenseite ein Gewinde bildenden Rippen (30), dessen bei einer Reynoldszahl von 400.000 ohne Beheizung und mit Wasser als Strömungsmedium ermittelter Reibungsdruckverlust mindestens um den von der relativen Rippenhöhe h und dem in Metern angegebenen äquivalenten Rohrinnendurchmesser d abhängigen Erhöhungsfaktor f > 0,9 • (1 + 2,15 • h) • cT0,152 größer ist als der unter gleichen Bedingungen ermittelte Reibungsdruckverlust eines
Glattrohres mit gleicher Rohrlänge und mit einem dem äquivalenten Rohrinnendurchmesser d gleichen Rohrinnendurchmesser .
2. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 1, wobei der äquiva- lente Rohrinnendurchmesser d von mindestens 0,014 m und höchstens 0,038 m beträgt.
3. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 1, wobei der äquivalente Rohrinnendurchmesser d mindestens 0,014 und höchstens 0,027 m beträgt.
4. Durchlaufdampferzeuger (2) mit einem Gaszug, der aus miteinander gasdicht verschweißten, vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren (10) gebildet ist, wobei Dampferzeugerrohre (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 vorgesehen sind.
PCT/DE1997/002369 1996-10-28 1997-10-15 Dampferzeugerrohr Ceased WO1998019107A1 (de)

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