CN101268306A - 水管锅炉 - Google Patents

Abstract

一种用于在水管锅炉中产生蒸汽的蒸汽发生器，其具有与连通在其间的管的下部倾斜排(12、14)和上部倾斜排(13、15)密封连通的第一立式集管和第二立式集管(16、18)。上部排(13、15)中管的端部分朝其与立式集管(16)连通的方向改变成下倾角度。下倾角度保证增强管中蒸汽与热水的分离。

Description

水管锅炉

本申请要求于2005年9月23日提交的美国临时专利申请No.60/720,210的权益。

发明背景

1.发明领域

此处所公开和描述的发明涉及蒸汽发生器。更具体地说，此处所公开使用的设备和方法涉及水管锅炉和蒸汽发生器的改良设计，其能改进蒸汽与残留水的分离，并能提高对水管过热的保护。具有弯曲端部分的独特倾斜设计可用在使用蒸汽包括驱动蒸汽机的很多领域，如用于生产用蒸汽、用于蒸汽加热、用于医用消毒器、用于大部分商业动力设备、用于利用蒸汽锅炉的原子核发生器、或者使用蒸汽的任何应用中。

2.已有技术

用于形成蒸汽的水管式锅炉已经使用了数十年，且通常由自然循环式水管锅炉和浸入式水管锅炉组成。水管锅炉被发展来用于满足对压力和温度远远超过火管锅炉的可能压力和温度的大量蒸汽的要求。

与火室锅炉或火管锅炉相比，水管锅炉灾难性爆炸的风险低，并且它们节省空间。水管锅炉还保证快速的蒸汽上升和便捷的传输。但是，水管锅炉的要求在于：供应水应基本上纯净并经过特别处理以保护蒸汽管，而且因为这个原因可能需要特定的维护程序。

因为它们的安全性和大的蒸汽生产量，水管锅炉用在从蒸汽机到原子核动力设备的产品中，并且被认为是用于蒸汽推动系统中蒸汽形成的特别安全的设计。各种各样尺寸和设计的水管锅炉用在发电站、原子核反应堆、船和工厂中。众所周知的设计例如Babcock和Wilcox的那些设计已经使用了数十年，且本领域的技术人员应理解与热源适当连通并供所有这类锅炉使用的包含在此的水管设备的布置和使用。

加热水管锅炉或蒸汽发生器的水管要求燃料在炉子内燃烧，从而产生热气。热气以本领域中已知的各种方式流通到水管以加热蒸汽发生管中的水。

浸入式水管锅炉一般使用一种用来加热蒸汽发生器中的水或流体的装置。来自矿物燃料、原子核动力、天然气或其他资源的热通过实质上的第一立式集管(a first substantially upright header)流通到下部排倾斜管。第一或下部排管倾斜成使蒸汽通过多个垂直集管向上流通。在这种浸入式锅炉中，下部排管实质上浸没在从第一立式集管流通的热水中。下部排管中的每个都在倾斜端与实质上的第二垂直集管连通，其中，蒸汽在第二集管中上升，而水将返回到下面的蓄水池，从而供给第一集管。

与水位线之上的第二集管连通的上部排管接收通过第二集管从下部排管流通的蒸汽，且使该蒸汽通过与实质上的第二垂直集管成倾斜角度的上部排管流通返回到第一集管。第一排管和第二排管的优选倾斜角度是11和15度之间的角度，其中当前尤其优选的模式实质上是12度。

各种专利例如美国309,282(Babbitt)描述了这种常规浸入式水管蒸汽发生器，且所有这种常规浸入式水管蒸汽发生器都具有残留水与流通到上部排管的蒸汽分离不充分的缺点。因此，需要改良的水管式锅炉或蒸汽发生器，其既能使水干燥又能使水与蒸汽分离。这种设备还应该使水管过热的危险最小，因为使水管过热会损坏仪器，且这样做的话，会导致蒸汽发生器设备的额定功率增加。这样的设备应该为基本上没有水滴的涡轮等提供蒸汽，而水滴能够严重损坏涡轮叶片。

发明内容

所公开的设备和形成设备的方法提供了改良的水管锅炉或蒸汽发生器，其克服了以上提及的已有技术的不足。所公开的设备适合用于水管式蒸汽发生器设备用来与适当流通的热源组合以产生蒸汽的任何地方，无论它是使热从热源流通至水管锅炉的液体还是气体。

设备以被划分为两部分或两排的水管道为特色。下部部分以多个管中的每个都从第一端向上倾斜为特色，该第一端与第一垂直集管密封接合。下部部分中的多个管的每个都在上部端与实质上的第二垂直集管密封接合。在一个使用模式中，设备可操作地与炉子中热气形式的热源连通。在其他使用模式中，设备可以与浸没在水中作为浸入式水管锅炉的整个下部管部分一起使用。

工作时，热水流通到第一立式集管中，之后进入管下部部分的倾斜管中。从管下部部分到达第二立式集管轴向通路(axial passage)的蒸汽和水的最热部分将在第二集管中自然地上升，在这里，蒸汽和水的最热部分随后流通到在第二集管和第一集管的轴向空穴(axial cavity)之间密封接合的第二排倾斜管。

第二排管也从与第二集管接合的下部端向上倾斜成，以使每个管的相对端与第一集管的上部密封接合。从下部管部分进入第二集管的蒸汽和/或水随即流通到组成第二排倾斜管的管中，在这里其将自然地朝第一集管的上部端上升。

因此，该设备以两排管为特色，其中下部排或下部部分的所有管从各自开始端到第二集管处的各自终结端向上倾斜。上部排中所有多个管从与第二集管密封相通的开始端到与第一集管密封接合的其终端向上倾斜。上部排或第二排在与下部排管相对的方向上横跨第一集管和第二集管之间的距离。

在设备的优选实施方案中，在上部排管的每个管构件邻近于与第一集管的各个接合点的上部端部分处，每个管弯曲成向下倾斜以与第二集管密封接合。因此，上部排管中的每个管的上部端部分使方向从向上角度改变成向下角度，恰好接近于与第一集管的密封接合点。

通常，组成上部排的管的上部端的角度的此变化绕曲线使所提到的向上角度改变成下倾角度。相对于实质上垂直的第二集管，当前优选的向上倾斜的角度实质上是12度，对于20到30度之间的下倾角度，其中在它们与实质上垂直的第一集管接合处，大约25度是尤其优选的角度。

方向上的改变导致组成上部排管的管的上部端部分向下或下倾靠近，已经发现该方向上的改变能极大地提高使水与蒸汽分离的设备的效率，蒸汽从第一集管的上部端流通到需要蒸汽的设备。上部排管的倾斜管的管子中的蒸汽自然地朝每个倾斜管的顶部上升。因此，在管的方向或角度从上倾改变为朝第二集管下倾的每个管的上部端的位置处，蒸汽被分离并在向上方向加速进入第一集管。已经在每个管的下半部分上的混合物中的水部分继续向下到管的下倾斜面，进入第一集管。蒸汽和水的这种分叉能实现蒸汽与水的极高程度的分离，而在此之前这种分离是已有技术的简单水平管或上倾管不能够提供的。

因此，本发明的目的是提供用于水管锅炉的水管部件，其提供增强的锅炉效率和蒸汽形成，可用于为获得动力而使用产生蒸汽的热源的任何类型的水管锅炉。

本发明进一步的目的是使用水管部件的所有上部管的实质上向下弯曲部分来实现蒸汽与水的分离，而蒸汽流通到需要蒸汽的设备。

随后变得明显的这些以及其他目的和优势归于本发明的结构和操作细节，如在下文中更充分描述和要求的，必须参考形成本发明一部分的附图，其中相同数字在全文中指相同部件。

关于以上描述，在详细解释本发明的至少一个优选实施方案之前，应理解，本发明在其应用时并不局限于下列描述中所阐述的或者附图中所展示的结构细节以及部件的布置或步骤。本发明的各种设备和方法可以是其他实施方案，且可以以各种方式实施和实现，而一旦本领域的技术人员回顾本公开内容时，此类方式对于他们是显而易见的。同样，应该理解，此处使用的措词和术语出于描述目的且不应看作限制性的。

因此，本领域的技术人员应意识到，本公开内容基于的概念可易于用于作为实现本浮力机(buoyancy engine)若干目的的其他设备、方法和系统设计的基础。因此，重要的是目的和权利要求应被看作包括这种等价结构和方法，而目前它们并不偏离本发明的主旨和范围。

将在说明书的以下部分中引出本发明进一步的目的，其中详细描述的目的在于充分公开本发明而不是对其限制。

附图简要描述

图1描绘了此处所描述的水管设备的视图，其显示了用于水管锅炉或蒸汽发生器并适合于与热源接合以产生蒸汽的改良构型。

图2描绘了图1的作为浸入式水管锅炉使用的设备的视图，其显示了两排管的倾斜的角度，且尤其优选第二排管的上部端部分的向下角度。还显示了浸入的下部排。

图3描绘了当上部排管的上部端部分在其与第一垂直集管接合处以向下角度连通时，流体流动中蒸汽与水分离的改进。

公开设备优选实施方式的详细描述

如图1-3中所描绘的，此处的设备10提供了一种蒸汽发生器或者水管锅炉，其适合于可操作地与热源例如常规炉子或者用于使热量流通至设备10的其他装置接合。当用于已有技术的任何类型的水管锅炉时，上述改良的水和蒸汽分离的设备10将提供显著的改进。设备10更适合于安装成可操作地与所选热源连通以产生蒸汽，且以用于通过设备使蒸汽和水连通的多个管12和13为特色。两组倾斜的多个管12和13形成在两个不同排上。

下部排14以多个管12为特色，在当前模式中，多个管12实质上彼此平行且具有足够满足预期目的的流体容量。下部排14的多个管12中的每个都以倾斜角度“C”从下部第一端向上倾斜，该下部第一端与第一垂直集管16密封接合。下部排14中的多个管12中的每个都在上部端处，进而与实质上的第二垂直集管18密封接合。在设备10当前优选模式中的第一垂直集管16和第二垂直集管18基本上垂直于水平支撑表面，且第一垂直集管16和第二垂直集管18平行；然而，应设想可以使用垂直集管16和18与支撑表面及彼此之间的其他角度。

在特定优选模式中，如图2中所示的设备可安装为浸入式水管型锅炉构型中的蒸汽发生器，其中整个下部管部分浸没在水位19以下的水中。

在蒸汽形成的操作中，热水流通到第一集管16中，且此后进入下部排14的倾斜管12中，其中从下部排抵达第二立式集管18的蒸汽和水的最热部分将在第二集管18中自然地上升。该蒸汽和高温水在此流通到第二或上部排15的倾斜管13，在这里，其在倾斜管13中从第二集管18朝第一集管16继续向上。

管13的上部排15以倾斜的角度“D”从与第二集管18接合的第一或下部端到曲线转变点处向上倾斜，之后向下在第二端处与第一集管16密封接合。从下部管排14流通到第二集管18中的蒸汽和/或水随即通过上部排15的多个管13，在这里，其将朝接合至第一集管16的第二端上升。

如所提及的，在设备10的尤其优选模式中，即实验已经显示工作时具有改进的效率的模式中，上部排15中的每个管13的端部分，从邻近于管13各自与第一集管16各个接合点的转变点处的曲线，都以下倾角度“A”从每个管13的弯曲点向下倾斜。在上部排15的管13的上部端处，从提到的优选倾斜到每个管的端部分中的下倾角度或路径的角度反向已经显示在设备10的蒸汽和水分离以及效率方面提供了意想不到的结果。当与立式平行的第一集管16和第二集管18组合时产生最有利结果的管13相对于实质上垂直的第二集管18的当前倾斜角度实质上是12度。弯曲部分和第二端之间的端部分的下倾角度在朝向与实质上垂直的第一集管16密封接合处实质上是25度时起到很好的作用。

蒸汽与水分离效率的提高是通过在上部管13中进行的加强水从蒸汽分离的装置来实现的，该装置由管13的端部分在其与第一集管16的上部部分密封接合处的下倾方法提供。由管13的下倾端部分提供的管13中改进的蒸汽和水分离通过朝管13顶部上升的蒸汽和在下倾时被加速的管13底部上的水提供。在与集管16密封接合的管13中已经在管13上部部分上的蒸汽在其到达时被向上加速进入第一集管16。因较低热含量和较高密度而已经在每个管13下半部分上的水也通过管13的下倾斜坡加速进入第一集管16。当水密集并以下倾角度速度加速时，其以由管13的端部分形成的向下角度继续并进入第一集管16。

因而，上部排管13的端部分的下倾角度导致更热和更干的蒸汽，这些更热个更干的蒸汽流通到第一集管16的上部部分并到达涡轮叶片，或者用于要求高压、干蒸汽的任何其他目的。

为了展示本发明的结构的优选实施方案，附图中所显示并在此所详细描述的方法和部件公开了特定结构和构型的元件的布置。但是，应理解，可应用不同结构和构型，且可使用不同步骤和处理过程的元件以及其的其他布置，而不是所展示和描述的那些，用以根据本发明的主旨来提供蒸汽发生器或水管锅炉。

因此，虽然此处已经参考其具体实施方案描述了本发明，但是一定范围的修改、各种变化和替换被设想在前述公开内容中，且应意识到，在某些情况下，可以应用本发明的某些特征而没有相应使用其他特征，而不偏离所附权利要求所阐明的本发明的范围。本领域的技术人员会想到的所有这类变化、变换和修改被认为是在附加权利要求所广泛界定的本发明的范围内。

此外，本发明前述摘要的目的是使美国专利和商标局以及公众，一般并尤其是科学家、工程师和不熟悉专利或者法律术语或措辞的本领域的从业者，能够从粗略浏览中快速确定本申请技术公开内容的性质和实质。摘要并不是要界定由权利要求权衡的本申请的发明，也不是要以任何方式限制本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于在水管锅炉中产生蒸汽的蒸汽发生器，其包括：

实质上的第一立式集管，其具有适合于与热水供应连通的密封轴向路径；

第二立式集管，其与所述第一集管间隔一段距离，并在其间界定间隙，所述第二立式集管具有密封轴向通道；

第一多个管，其具有内部通路，所述第一多个管在所述轴向路径和所述轴向通道之间的密封接合处连通；

所述第一多个管形成下部排，所述下部排的所述管中的每个具有从与所述第一立式集管的下部接合点到与所述第二集管的上部接合点的倾斜的角度；

第二多个管，其具有穿过其的轴向导管，所述第二多个管在所述轴向通道和所述轴向路径之间的密封接合处连通；

所述第二多个管形成上部排，所述第二多个管中的每个以从接合至所述第二立式集管的第一端到邻近于所述第一立式集管的转变点的倾斜角度而连通；

所述上部排的所述管中的每个的端部分在所述转变点和与所述第一立式集管接合的所述管之间；以及

所述端部分具有从所述转变点到与所述第一立式集管的所述接合的通常下倾角度。

2.根据权利要求1所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述下倾角度提供使所述水向所述轴向通道的下部部分加速的装置，并从而使所述水与流通至所述轴向通道的所述蒸汽分离。

3.根据权利要求2所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，其还包括：

所述轴向通道的上部端，其适合于使所述蒸汽流通至蒸汽驱动机构。

4.根据权利要求1所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述下倾角度在20和30度之间。

5.根据权利要求2所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述下倾角度在20和30度之间。

6.根据权利要求3所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述下倾角度在20和30度之间。

7.根据权利要求4所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述倾斜的角度是在11和15度之间的角度；以及

所述倾斜角度在11和15度之间。

8.根据权利要求5所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述倾斜的角度是在11和15度之间的角度；以及

所述倾斜角度在20和30度之间。

9.根据权利要求6所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述倾斜的角度是在11和15度之间的角度；以及

所述倾斜角度在11和15度之间。

10.根据权利要求7所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述倾斜的角度是实质上12度的角度；以及

所述倾斜角度在实质上12度之间。

11.根据权利要求8所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述倾斜的角度是实质上12度的角度；以及

所述倾斜角度在实质上12度之间。

12.根据权利要求9所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述倾斜的角度是实质上12度的角度；以及

所述倾斜角度在实质上12度之间。

13.根据权利要求10所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述下倾角度在实质上25度之间。

14.根据权利要求11所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述下倾角度在实质上25度之间。

15.根据权利要求12所述的用于水管锅炉的蒸汽发生器，还包括：

所述下倾角度在实质上25度之间。

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