DE1905702B2 - STEAM GENERATOR - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger fur ein organisches Arbeitsmittel, das sich bei hoher Temperatur zersetzt, mit einer Wärmequelle zur Erzeugung von Heizgasen und einer aus Rohren gebildeten Heizfläche, wobei die Verdampfung des oiganischen Arbeitsmittels indirekt über ein sich bei dei Temperatur der Heizgase nicht zersetzendes flussiges Waimeubertragungsmittel erfolgtThe invention relates to a steam generator for an organic working medium, which is at high Temperature decomposes, with a heat source for generation of heating gases and a heating surface formed from tubes, whereby the evaporation of the oiganischen work equipment indirectly through a the temperature of the heating gases does not decompose liquid heat transfer medium
Bei einer bekannten Ausfuhrungsart derartiger Dampferzeuger (USA.-Patentschrift 1 976 426) wird so vorgegangen, daß anorganische Medien wie Quecksilbei oder Wasser innerhalb der Berührung direkt den Heizgasen ausgesetzt werden, wahrend erst außerhalb dieses Dampfkessels die Berührung duich einen Mantel hindurchlauft, der eine Füllung nut einem organischen Fluid enthalt Es erfolgt daher eine indirekte Wärmeübertragung durch Thermosyphon-Wirkung bzw durch Wärmeströmung bei verhältnismäßig erheblichem Raumbedarf der Anlage, wobei die Heizflachenrohre mit einem sich auch bei den Temperaturen der Heizgase nicht zersetzenden, flussigen Wärmeübertragungsmittel gefüllt sind, das durch die Thermosyphon-Wirkung unter dem Einfluß der einwirkenden Heizgase dauernd in Umlauf gehalten wird und auf diese Weise die von den Heizgasen aufgenommene Wärmemenge auf das organische Arbeitsmittel übertragtIn a known embodiment of such a steam generator (US Pat. No. 1 976 426) proceeded so that inorganic media such as mercury or water within the contact are directly exposed to the heating gases, while only outside of this steam boiler, the touch duich runs through a jacket that has a filling containing an organic fluid There is therefore an indirect heat transfer by thermosyphon effect or by heat flow when the system requires a relatively large amount of space, whereby the heating surface tubes with one are also at The temperatures of the heating gases are filled with liquid heat transfer media that do not decompose, the by the thermosiphon effect under the influence the acting heating gases is kept in circulation and in this way that of the heating gases The amount of heat absorbed is transferred to the organic working medium
Die Erfindung bezweckt dagegen eine direkte Wärmeübertragung zu ermöglichen, so daß bei verhaltmsmaßig geringem Raumbedarf eine sehr gute Übei tragung der Energie der Heizgase auf das organische Mittel ermöglicht ist, ohne daß indessen die Gefahr emer Überschreitung von dessen Zersetzungstemperatur bestehtOn the other hand, the invention aims to be direct To enable heat transfer, so that at behaving low space requirements a very good transfer of the energy of the heating gases to the organic Means is made possible without, however, the There is a risk of its decomposition temperature being exceeded
Zur Losung dieser Aufgabe ist em Dampferzeuger der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflache aus konzentnsch ineinanderhegenden Doppelrohren gebildet wird, wobei der Innenraum der inneren Rohre das organische Arbeitsmittel aufnimmt und der Ringraum zwischen den Innenrohren und den Außenrohren mit dem Wärmeübertragungsmittel gefüllt ist Von besonderem Vorteil ist es, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zwischen den konzentrischen Rohren ein Abstandsdraht in Form einer Schraubenwendel angeordnet ist, um die Konzentnzitat stets zu gewahrleisten und zu erhaltenA steam generator is used to solve this problem of the type mentioned at the outset, characterized in that the heating surface consists of concentrically interlocking Double tubes is formed, with the interior of the inner tubes being organic Receives working medium and the annular space between the inner tubes and the outer tubes with the Heat transfer medium filled is of particular It is advantageous if, according to a further feature of the invention, between the concentric tubes a spacer wire in the form of a helix is arranged in order to always guarantee the concentration and receive
Um auf jeden Fall die Gefahr der Überhitzung des Arbeitsmittels und damit seiner Zersetzung auch dann zu verhindern, wenn ein Warmezwischentiager verwendet wird, ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß das Warmeubertragungsmittel enthaltende Rohr em geschlossenes System mit einer Einuchtung bildet, das in Abhangigkeit vom Diuck des Warmeubertragungsmittels die Brennstoffzufuhr steuert Vorzugsweise enthalt gemäß der Erfindung die Einrichtung zur Steuerung der Brennstoffzufuhr einen Druckfuhler fur die Betatigu ng eines Bi ennstoffregelventilsIn any case, there is a risk of the work equipment overheating and thus its decomposition then to prevent if an intermediate warm animal is used is according to a further feature the invention provides that the heat transfer medium containing tube em closed System with one indentation forms that in dependence of the pressure of the heat transfer medium controls the fuel supply Preferably, according to the invention, contains the control device the fuel supply a pressure sensor for the Betatigu ng of a fuel control valve
Der erfindungsgemaße Dampferzeuger hat vor allen Dingen die Vorteile, daß es möglich ist, die Heizflachenrohre zusammen mit den von diesen umgebenen, das Arbeitsmittel fuhrenden Rohren raumsparend um die Waimequelle herum anzuordnen, beispielsweise in Foim einer aufrecht stehenden Schraubenwendel, so daß im wesentlichen die gesamte von dei Wärmequelle abgestrahlte Energie auf die Heizflachenrohre übertragen wird Da die das Arbeitsmittel fuhrenden Rohre sich nur in einem geringen radialen Abstand von der Innenflache der Heizflachenrohre befinden, erfolgt die Warmeubertragung von dem Wärmeübertragungsmittel auf das Arbeitsmittel mit einem sehr guten Wirkungsgrad und ohne Zuhilfenahme jeglicher Thermosyphon-Wirkung The inventive steam generator has before all things the advantages that it is possible that Space-saving heating surface pipes together with the pipes surrounding the working fluid around the Waimequelle, for example in the form of an upright Helical coil, so that essentially all of the energy radiated from the heat source is transferred to the heating surface pipes the pipes carrying the work medium are only in one heat transfer takes place from the heat transfer medium to the working medium with a very good efficiency and without the aid of any thermosiphon effect
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen nahei erläutert Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawings Nearly explained It shows
F ι g 1 ein Ausfuhrungsbeispiel emes erfindungsgemäßen Dampferzeugers nebst zugeordneten Bestandteilen einer Dampfmaschine im Axialschnitt sowie in schematischer Darstellung,F ι g 1 an exemplary embodiment emes according to the invention Steam generator together with associated components of a steam engine in axial section as well as in a schematic representation,
Fig 2 eine Bestandteil des Dampferzeugers nach Fig 1 bildende Rohranordnung in Teildarstellung sowie im Axialschnitt,2 shows a component of the steam generator according to Fig. 1 forming pipe arrangement in partial representation as well as in axial section,
Fig 3 den Dampferzeuger nach Fig 1 m demgegenüber vergrößerter Darstellung im Schnitt3 shows the steam generator according to FIG. 1 m on the other hand enlarged view in section
Em Gemisch von Brennstoff und Luft wird zum Zwecke der Verbrennung von emer Stelle unten links in F1 g 1 zugeführt Das Gemisch verlauft durch em druckgesteuertes Ventil 12 sowie ein Verbindungsrohr 14 zu einem Brenner 15, welcher in üblicher Weise ausgebildet sein kann Eine bevorzugte Ausfuhrungsform des Brenners 15 ist nachfolgend angegeben A mixture of fuel and air is used for combustion from a place in the lower left corner fed in F1 g 1 The mixture runs through em pressure-controlled valve 12 and a connecting pipe 14 to a burner 15, which can be designed in the usual way. A preferred embodiment of the burner 15 is given below
Unbeschadet der Art des Brenners wird Warme erzeugt und trifft auf die Außenflache eines Rohres 18, welches um und auf den Brenner 15 gewendelt ist Innerhalb des Rohres 18 sowie konzentrisch hiermit ist ein dünneres Rohr 16 angeordnet Die beiden Rohre sind im gleichförmigen Abstand zueinander mittels eines wendelformigen Abstandsdrahtes 20 gehalten, welcher sich am besten aus Fig 2 ergibt Obgleich andere Abstandselemente als wendelförmig gewickelter Draht verwendet werden können, um das gewünschte Maß an gleichförmiger Abstandsgebung zwischen den Rohren zu erzielen, wird das vorliegende wendelformige Abstandselement 20 bevorzugt, da es ein zweckmäßiges und leicht herzustellendes Element zur Erzielung und Aufrechterhaltung des Abstandes darstelltRegardless of the type of burner, it will be heat generated and strikes the outer surface of a tube 18 which coils around and onto the burner 15 is within the tube 18 and concentric therewith a thinner tube 16 is arranged The two Pipes are evenly spaced from one another held by means of a helical spacer wire 20, which is best shown in FIG Although spacers other than helically wound wire can be used to Achieving a desired degree of uniform spacing between the tubes becomes the present Helical spacer element 20 is preferred as it is a convenient and easy to manufacture element to achieve and maintain the distance
Die Wendeln der konzentrischen Rohre 16,18 werden von einem Behalter umgeben, welcher vorzugsweise eine zylindrische Isolationsschicht 22 umfaßt, die zwischen konzentrischen Schalen 24,26 gehalten ist An der Oberseite des Behalters ist eine Öffnung vorgesehen, um einen Abgasauslaß 28 aufzunehmen Zusätzliche Offnungen sind an dem Boden des Behalters vorgesehen, um das Verbindungsrohr 14 und — in den Seitenwandungen — die Enden der konzentrisch gewendelten Rohre 16,18 aufzunehmenThe coils of the concentric tubes 16,18 are surrounded by a container, which preferably comprises a cylindrical insulation layer 22, which is held between concentric shells 24,26. At the top of the container is a Opening provided to receive an exhaust outlet 28. Additional openings are provided on the Bottom of the container provided to the connecting pipe 14 and - in the side walls - the To receive ends of the concentrically coiled tubes 16,18
Das äußere Rohr 18 bildet emen Teil eines geschlossenen Systems, welches em T-Glied 30 umfaßt, an dem Wasser in die Wendel des äußeren Rohres 18 einlauft Der Auslaß fur das Wasser aus dem gewendelten äußeren Rohr hegt an einem zweiten T-Stuck32, von welchem es zu emer Vorrats- oder Ausdehnungskammer 34 geleitet wird Von der Ausdehnungskammer 34 wird das Wasser durch ein Rohr 36 zu dem T-Stuck 30 zuruckgeleitet, um einen geschlossenen Kreislauf herzustellen Mit der Ausdehnungskammer 34 steht über ein Rohr 38 ein Diuckfühler 40 m Verbindung, welcher die Steuerung des Ventils 12 bewirkt Verschiedene im Handel erhaltliehe Einrichtungen fur die Ventilsteueiung in Abhangigkeit von dem Druck stehen zur VerfugungThe outer tube 18 forms part of a closed one System, which includes a T-member 30, on the water in the helix of the outer tube 18 inlet The outlet for the water from the coiled outer pipe is on a second T-piece 32 from which it is routed to a storage or expansion chamber 34 From the expansion chamber 34 the water is returned through a pipe 36 to the T-piece 30 to a closed one Establishing a circuit With the expansion chamber 34 there is a pressure sensor via a pipe 38 40 m connection which controls the valve 12 Various commercially available Devices for valve control in dependence of the print are available
Zweckmäßig sowie auf Wunsch kann em Druckmanometer 42 an dem System angeschlossen sein, um eine Druckuberwachung zu gewährleistenAppropriately and upon request, a pressure manometer can be used 42 must be connected to the system in order to ensure pressure monitoring
Das innere Rohr 16 kann ebenfalls einen Teil emes geschlossenen Systems darstellenThe inner tube 16 can also form part of a closed system
Einzelheiten der konzentrischen Rohre nebst dem Abstandsdraht 20 sind in F ι g 2 veranschaulicht, der zufolge das innere oder das Arbeitsfluß aufnehmende Rohr 16 vorzugsweise aus niednggekohltern oder niedriglegiertem Stahl besteht und hinsichtlich semes Durchmessers etwa die Hälfte desjenigen des äußeren konzentrischen Rohres 18 ausmacht Das äußere Rohr 18 besteht auch vorzugsweise aus mednggekohltem oder mednglegiertem Stahl und weist einen Durchmesser von 15 bis 25 mm oder daiuber auf Der drahtfonnige Abstandsdraht 20 kann ebenfalls aus niedriggekohltem Stahl bestehen und weist vorzugsweise emen solchen Durchmesser auf, daß er sich leicht zwischen der Außenflache des inneren Rohres 16 und der Innenfläche des äußeren Rohres 18 verschieben laßt Der Abstandsdraht 20 kann auf das Rohr 16 gewickelt sein, wonach beide Bauelemente in das Rohr 18 eingeschoben werden, bevor eine Formung zu einer Wendel stattfindet Die Foimgebung zu einer Wendel kann in üblicher Weise sowie in Anordnung mit anderen Bestandteilen des Kessels durchgeführt werdenDetails of the concentric tubes together with the spacer wire 20 are illustrated in FIG according to the inner or the work flow absorbing Tube 16 is preferably made of low-carbon or low-alloy steel and in terms of semes Diameter about half that of the outer one concentric tube 18 makes up the outer tube 18 is also preferably made of medngkohltem or gold alloy steel and has a Diameter of 15 to 25 mm or more. The wire-shaped spacer wire 20 can also consist of low-carbon steel and preferably has a diameter such that it easily between the outer surface of the inner tube 16 and the inner surface of the outer tube 18 let move The spacer wire 20 can be wound on the tube 16, after which both components be pushed into the tube 18 before it is formed into a helix to a helix can in the usual way as well as in an arrangement with other components of the boiler be performed
Gemäß F ι g 3 ist das Einlaßrohr 14 durch Schweißung oder in anderer Weise gegenüber einem Flansch 44 abgedichtet, welcher an eine Grundplatte 46 geschweißt sem kann, die den Boden des Kesselbehalters bildet Die Schalen 24,26, welche eine Schicht aus Isoliermaterial 22 umgeben, sind in Form von Hülsen gebiacht, die mit der Grundplatte 46 verschweißt oder hart verlotet sind Der Abgasauslaß 28 endigt in einem sich nach außen erweiternden Flansch 48, der die Oberseite des Behalters bildet Diese Elemente können anders als die Isolierschicht 22, aus Stahlblech oder anderem geeigneten Material zusammengesetzt sein Irgendeiner von verschiedenen zur Verfugung stehenden Stoffen kann die Schicht 22 bildenAccording to FIG. 3, the inlet pipe 14 is sealed by welding or in some other way with respect to a flange 44 which can be welded to a base plate 46 which forms the bottom of the boiler container. are brought in the form of sleeves that are welded or hard soldered to the base plate 46. The exhaust outlet 28 ends in an outwardly widening flange 48 which forms the top of the container Layer 22 may be composed of any of a variety of materials available
Die konzentrischen Rohre 16,18 treten in dem Behalter durch eine geeignete Öffnung ein, wie unten rechts in Fig 3 veranschaulicht, und sind zu einer stetigen Wendel gewickelt, die oben links in Fig 3 austritt Innerhalb der Schraubenwendel sowie neben dem Boden des Behalters ist der Brenner 15 angeordnet, welcher eine zylindrische Brennerkammer 48 umfaßt Die Brennerkammer 48 kann aus einem Metallsieb, porösem Keramikmaterial oder anderen geeigneten Stoffen zusammengesetzt sein Soll em gasformiger Brennstoff ausgenutzt werden, so findet eine Verbrennung normalerweise an der Außenflache des Elementes48, wie in Fig 3 veranschaulicht, statt. Wenn andererseits Flüssigbrennstoffe verwendet werden, findet eine Verbrennung vorzugsweise mnerhalb der Brennerkammer 48 statt Em Schirm 50, dessen Oberkante um die Brennkammer 48 gebogen ist und der zentral in Form emes gegen den Boden der Brennkammer 48 hm verlaufenden Konus ausgeführt ist, dient dazu, das Brennstofigemisch an die Innenflache des Elementes 48 hinzufuhren, um eine unnötige Turbulenz zu vermeiden und die Veibrennung an dem Umfang der Brennkammer 48 zu konzentrierenThe concentric tubes 16,18 occur in the Insert the container through a suitable opening as below illustrated on the right in Fig. 3, and are one continuous helix, the top left in Fig. 3 exit The burner 15 is arranged within the helical coil and next to the bottom of the container, which includes a cylindrical burner chamber 48 The burner chamber 48 can be constructed from a metal screen, porous ceramic material, or other suitable material Composed of substances If em gaseous fuel is to be used, then one will find one Combustion normally takes place on the outer surface of the element 48, as illustrated in FIG. On the other hand, when liquid fuels are used, combustion takes place preferably within the burner chamber 48 instead of Em screen 50, the upper edge of which is bent around the combustion chamber 48 and which is designed in the form of a cone running 48 hm against the bottom of the combustion chamber, serves to bring the fuel mixture to the inner surface of the element 48 add to unnecessary turbulence and to concentrate the combustion at the periphery of the combustion chamber 48
Es ist auch eine zweite Warmeaustauschstufe durch Einfügung eines Strahlauftreffschirmes 52 innerhalb des oberen Teiles des Behalters vorgesehen Der Schirm 52 weist die Form eines umgekehrten Metallbechers auf, dessen Boden nach außen erweitert ist und die Innenflache des inneren Schalenghedes 24 berührt Eine Mehrzahl von Durchtntten 54 ist in der Innenwandung des Strahlauftreffschirmes gebildet, um zu bewirken, daß die von dem unteren Teil des Kessels aufsteigenden heißen Gase als Strahlen auftreffen, welche auf die Oberflache des äußeren konzentrischen Rohres 18 gerichtet smd Die WirkungThere is also a second heat exchange stage Insertion of a jet impingement screen 52 within the upper part of the container is provided Screen 52 is in the form of an inverted metal cup with the bottom flared outward and contacts the inner surface of the inner cup strap 24. A plurality of troughs 54 are in the Inner wall of the beam impingement screen formed to cause that from the lower part of the Boiler rising hot gases impinge as rays, which are concentric on the surface of the outer Rohres 18 directed smd The effect
ίο der Strahlen besteht dann, stillstehende Gasschichten zu entfernen, welche den wirksamen Wärmeaustausch behindern In eimgen Fallen kann es gunstig sein, die gleiche Art von Durchtntten durch das Element 48 voizusehen, um zu bewirken, daß die Verbrennungsprodukte in ähnlicher Weise als Strahlen auf die Oberflache des Rohres 18 neben der unteren Brennerkammer 48 auf treffenίο the rays then consist of stationary layers of gas to remove, which hinder the effective heat exchange In some cases it can be advantageous provide the same type of penetration through element 48 to cause the products of combustion in a similar way as rays on the surface of the tube 18 next to the lower one Burner chamber 48 meet
Verschiedene betriebliche Merkmale der Erfindung ergeben sich am besten aus F1 g 1 Das innere RohrVarious operational features of the invention are best seen in FIG. 1 The Inner Tube
ao 18 wirkt in üblicher Weise und übernimmt die übliche Funktion vergleichbarer Einrichtungen in Dampfmaschinen insofern, als es das Arbeitsfluid als Flüssigkeit dem Kessel zuleitet und von dem Kessel unter Druck der Dampfmaschine als Dampf zufuhrt.ao 18 works in the usual way and takes over the usual Function of comparable devices in steam engines insofar as it is the working fluid as a liquid the boiler and supplies from the boiler under pressure to the steam engine as steam.
ledoch ist das geschlossene System, welches das äußere konzentrische Rohr 18 umfaßt, mit Wasser oder einer anderen geeigneten Pufferflussigkeit gekühlt, welche sich bei der Betriebstemperatur des Kessels nicht zersetzt Die Pufferflussigkeit dient nicht nur zum Schutz des Arbeitsfluss gegenüber den schädlichen Einflüssen übermäßiger Warme, sondern hat einen weiteren Zweck Wenn die Temperatur übermäßig hoch wird, steigt der Druck des Pufferfluids in dem geschlossenen System, welches das äußere konzentrische Rohr, die Ausdehnungskammer 34 sowie den Drucktuhler 40 umfaßt Mit der Druckzunahme betätigt der Fühler 4© das Ventil 12, um die Strömung von Brennstoffgemisch durch das Ventil zu dem Brenner 15 zu reduzieren Mit dem geminderten Zufluß des Brennstoffgemisches wird weniger Warme erzeugt, und der Druck fallt auf einen Punkt ab, bei dem das Ventil zurückgestellt wird, um den gewünschten Brennstoffverbrauch und die gewünschte Wärmeabgabe aufrechtzuerhalten Der Fühler 40 kann über emen Wertbereich eingestellt werden, um die gewünschte Wärmemenge erzeugen zu können Die zweite und vielleicht wichtigere Funktion derHowever, the closed system is what the outer concentric tube 18, cooled with water or other suitable buffer liquid, which does not decompose at the operating temperature of the boiler. The buffer liquid is used not only to protect the work flow from the harmful effects of excessive heat, but has another purpose. When the temperature becomes excessively high, the pressure of the buffer fluid increases in the closed system, which is the outer concentric tube, the expansion chamber 34 as well as the pressure cooler 40 includes with the pressure increase the sensor 4 © actuates the valve 12 to to reduce the flow of fuel mixture through the valve to the burner 15 with the diminished As the fuel mixture flows in, less heat is generated and the pressure drops to a point at which the valve is reset to the desired fuel consumption and the desired Maintain heat emission The sensor 40 can be adjusted over a range of values to to be able to generate the desired amount of heat The second and perhaps more important function of the
Pufferflussigkeit liegt dann, die Verwendung einer
breiten Vielfalt von Arbeitsfluiden, einschließlich organischer oder anderer unter Warme zersetzbarer
Fluide, in einer Dampfmaschine zu ermöglichen Da das Fluid in einem äußeren konzentrischen Rohr 18
eine Grenze fur die Temperatur darstellt, welche durch das innere konzentrische Rohr erreicht werden
kann, wird das Arbeitsfluid zu keiner Zeit übermäßigen
Temperaturen ausgesetzt Demgemäß werden Schwierigkeiten, welche als Folge des Krackens
von organischen Flüssigkeiten mit daraus resultierender
Verkokung des Kessels auftreten, vermieden Demnach verhindert der durch das konzentrische
Rohr 18 gebildete Pufferspeicher mögliche heiße Stellen,
welche sonst schädlich oder zerstörend im Hinblick
auf den Kesselbetrieb sein konnten
In einigen Fallen kann es gunstig sein, den Mantel fur das Pufferfluid in anderer Form als vorliegend
gezeigt und beschrieben auszubilden Auch ist es nicht sehr wesentlich fur die Erfindung, daß das Pufferfluid
Wasser istBuffer fluid is then to enable the use of a wide variety of working fluids, including organic or other heat decomposable fluids, in a steam engine. Since the fluid in an outer concentric tube 18 places a limit on the temperature reached by the inner concentric tube The working fluid is not exposed to excessive temperatures at any time. Accordingly, difficulties which arise as a result of the cracking of organic liquids with consequent coking of the boiler are avoided could be destructive in terms of boiler operation
In some cases it may be advantageous to design the jacket for the buffer fluid in a form other than that shown and described here. It is also not very essential for the invention that the buffer fluid is water
Das wesentliche Merkmal des Pufferfluids liegt dann, daß es bei der Kesselbetriebstemperatur mcht 2ersetzbar ist, welche verstandhcherweise geändert werden kann, insbesondere mit der Art des verwendeten Arbeitsfluids und des DampfesThe main characteristic of the buffer fluid lies then that it does at the boiler operating temperature 2 is replaceable, which understandably changed can be, especially with the type of working fluid and steam used
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