DE1950502A1 - Steam generators and other heated heat exchangers - Google Patents
Steam generators and other heated heat exchangersInfo
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Description
P4392P4392
Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/SchweizSulzer Brothers Aktiengesellschaft, Winterthur / Switzerland
Dampferzeuger und andere beheizte WärmeübertragerSteam generator and other heated heat exchangers
Die Erfindung.betrifft einen Dampferzeuger oder andere beheizte Wärmeübertrager mit mindestens einer zylindrischen Wirbelbrennkammer, in der ein nahezu stöchiometrisches Gemisch von Brennoel und/oder Gas mit Luft verbrannt wird, und daran angeschlossenem Rauchgaszug, in dem Heizflächen untergebracht sind.The invention relates to a steam generator or other heated heat exchanger with at least one cylindrical vortex combustion chamber in which a nearly stoichiometric Mixture of fuel oil and / or gas is burned with air, and the flue gas duct connected to it, are housed in the heating surfaces.
Es sind solche Dampferzeuger bekannt, bei denen die Verbrennung in grossen Wirbelbrennkammern -stattfindet, wobei ein beträchtlicher Teil der Verbrennungswärme von an den Wänden der Brennkammer angeordneten Strahlungsheizflächen aufgenommen wird. Die schon relativ stark gekühlten Abgase werden darauf den Berührungsheizflächen zugeführt. Die grossen Brennkammern dieser Dampferzeuger nehmen viel Raum in Ansprach, sie bedingenSuch steam generators are known in which the combustion takes place in large vortex combustion chambers, a considerable part of the heat of combustion being disposed on the walls of the combustion chamber Radiant heating surfaces is added. The already relatively strongly cooled exhaust gases are then fed to the contact heating surfaces. The large combustion chambers of these Steam generators take up a lot of space, they require
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ferner, wegen eventuell auftretender Verpuffungen, eine weitgespannte, starke Stützkonstruktion und sind daher kostspielige Teile des Kessels.furthermore, due to deflagrations that may occur, a Wide-span, strong support structure and are therefore expensive parts of the boiler.
Es sind ferner Zyklone und Schmelzbrennkammern bekannt, in denen bei erhöhter Leistungsdichte in starken Wirbelfe^dern vorzugsweise Kohlenstaub verbrannt wird. Die Ausmündung dieser Zyklone ist eingeschnürt, so dass grössere, noch unverbrannte Kohleteilchen oder Schlackenpartikel durch Fliehkraftwirkung im Zyklon zurückgehalten werden, während die Flammengäse durch den Mund hinausschlagen in eine ; mit Strahlungsheizflächen ausgekleideteThere are also cyclones and smelting combustion chambers known, in which at increased power density in strong Vortex springs are preferably burned with coal dust. The mouth of these cyclones is constricted, so that larger, still unburned coal particles or slag particles be held back by centrifugal force in the cyclone while the flame guests beat out through the mouth in a ; lined with radiant heating surfaces
dann
Nachbrennkammer, in der erst/die Verbrennung beendetthen
Afterburning chamber, in which the combustion is finished first
In diesen bekannten Kesseln werden mittlere Brennkammerbelastungen der Grössenordnung 6 · IQ kcal/m h ata erreicht. Höhere Brennkammerbelastungen von bis zu 2 · 10 keal/m h ata können bei Flammrohrkesseln erzielt werden, In these known boilers, the combustion chamber loads are medium of the order of magnitude 6 IQ kcal / m h ata. Higher combustion chamber loads of up to 2 · 10 keal / m h ata can be achieved with flame tube boilers,
Es ist Aufgabe der Erfindung, Dampferzeuger und beheizte Wärmeübertrager wie auch die Heizflächen wesentlich zu verkleinern und die Änlagekosten sta verringern.It is the object of the invention to make steam generators and heated heat exchangers as well as the heating surfaces essential to downsize and reduce the costs sta.
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Diese Aufgabe wird dadurch erfüllt, dass die Wirbel-This task is accomplished by the fact that the eddy
brennkammer für eine Brennkammerbelastung von mehr alscombustion chamber for a combustion chamber load of more than
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10 kcal/m «h«ata ausgelegt ist und dass der Rauchgaszug mit den Heizflächen unter Unterdrückung jeglicher Strahlungsbrennkammern direkt an die Wirbelbrennkammer angeschlossen ist.10 kcal / m «h« ata is designed and that the flue gas with the heating surfaces with the suppression of any radiant combustion chambers directly to the vortex combustion chamber connected.
Brennkammern mit ähnlich hoher Brennkammerbelastung sind in Gasturbinenanlagen, vor allem in Flugzeugtriebwerken, bekannt. Bei diesen wird die Brennkammerwand durch einen Luftstrom, der dem verbrennenden Gasgemisch beigegeben wird, gekühlt. Die hohe Brennkammerbelastung wird erreicht einerseits wegen Verwendung leicht flüchtiger Brennstoffe und andererseits wegen eines sehr hohen Verbrennungsluftüberschusses, der in den Grenzen von 1,2 bis 3 liegt, während in Anlagen nach der Erfindung nahezu stöchiometrische Verbrennung, d.h. ein Luftüberschuss von etwa 1,02 angestrebt und auch erreicht wird. In Anlagen, in welchen die Erfindung angewendet werden soll, wären solche bekannten Brennkammern nicht tragbar, einerseits wegen der hohen Abgasverluste, zum zweiten wegen der tiefen Gasaustrittstemperatur, die eine bedeutende Vergrösserung der Heizfläche zur Folge hätte undCombustion chambers with a similarly high combustion chamber load are known in gas turbine systems, especially in aircraft engines. In these, the combustion chamber wall cooled by a stream of air that is added to the burning gas mixture. The high combustion chamber load is achieved on the one hand because of the use of volatile fuels and on the other hand because of a very high combustion air excess, which is in the limits of 1.2 to 3, while in systems according to the invention Almost stoichiometric combustion, i.e. an excess of air of about 1.02 is aimed for and achieved. In systems in which the invention is to be used, such known combustion chambers would not be portable, on the one hand because of the high exhaust gas losses, on the other hand because of the low gas outlet temperature, which is a significant Enlargement of the heating surface would result and
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.schliesslich wegen des hohen Restsauerstoffgehaltes, der bei Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe zu exzessiver SO3-Bildung führen würde..Only because of the high residual oxygen content, which would lead to excessive SO 3 formation if sulfur-containing fuels were burned.
Es wäre an sich denkbar, bei Kesseln mit Zyklonbrennkammern konventioneller Brennkammerbelastung die Nachbrennkammer zu unterdrücken. Dies würde jedoch zu sehr grossen und entsprechend teueren Zyklonbrennkammern führen. Nun hat es sich überraschend gezeigt, dass durch Anwendung der genannten, bedeutend höheren Wärmebelastung ein geschlossene Wirkungskreis auftritt: Durch den unergiebig und gefährlich anmutenden Schritt in höhere Leistungsdichte wird die Oberfläche der Wirbelbrennkammer relativ zum Volumen verkleinert und dadurch die Wärmeabgabe nach aussen stark herabgesetzt. Wegen der kleineren Verluste steigt die Verbrennungstemperatur ^ was - zusammen mit der in der Wirbelbrennkammer erzielten . hohen Turbulenz - zu.einer rascheren Verbrennung führt, womit schliesslich die eingangs geforderte höhere Leistungsdichte ermöglicht wird.It would be conceivable to use the afterburning chamber in boilers with cyclone combustion chambers with conventional combustion chamber loading to suppress. However, this would lead to very large and correspondingly expensive cyclone combustion chambers. so it has surprisingly been shown that by using the above-mentioned, significantly higher heat load, a closed Effective area occurs: The surface becomes unproductive and dangerous looking step into higher power density of the vortex combustion chamber is reduced relative to the volume and thus the heat dissipation to the outside is greatly reduced. Because of the smaller losses, the combustion temperature rises together with that in the vortex combustion chamber scored. high turbulence - leads to faster combustion, which ultimately leads to the initially required higher power density is made possible.
Die Erfindung wird beispielsweise aufgrund eines in der Zeichnung schematisch im Längsschnitt dargestellten Zwangdurchlaufdampferzeugers näher dargestellt.The invention is shown schematically in longitudinal section, for example, on the basis of one in the drawing Forced once-through steam generator shown in more detail.
Der Dampferzeuger weist einen vertikalen Rauchgaszug 1 auf, der seitlich von vier aus zusammengeschweisstenThe steam generator has a vertical flue gas 1, which is welded together from four sides
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Vertikalrohren gebildeten Wänden 2 begrenzt ist. Die Vertikalrohre gehen aus von einem einen quadratischen Rahmen bildenden Verteiler 3. .Sie münden oben in einen analogen quadratischen Sammler 4. Ein Boden 5 mit Isolierung 6 schliesst den Rauchgaszug 1 unten ab. Oben ist er über pyramidenartig verlaufende Verbindungsflachen 7 mit einem Kamin 8 verbunden.Vertical tubes formed walls 2 is limited. The vertical tubes are based on a square Frame forming distributor 3. They open into a analog square collector 4. A floor 5 with insulation 6 closes off the flue 1 at the bottom. Above it is via connecting surfaces that run like a pyramid 7 connected to a chimney 8.
Im Rauchgaszug 1 sind zwischen zwei Kollektoren 10 und 11 parallel geschaltete, horizontale Rohrschlangen angeordnet. Ueber diesen hängen vertikale Rohrschlangen 13, die, parallel geschaltet, an zwei Kollektoren 14 und 15 angeschlossen sind. Der Kollektor 10 wird über eine Leitung 16 mit Arbeitsmittel überkritischen Druckes versorgt, das durch die horizontalen Rohrschlangen 12 strömt und vom Kollektor 11 über eine Verbindungsleitung 17 in den Verteiler 3 gelangt. Nach dem Durchströmen der Wandrohre tritt das Arbeitsmittel aus dem Sammler 4 über eine Ver-In the flue 1 between two collectors 10 and 11 are parallel-connected, horizontal pipe coils arranged. Vertical pipe coils 13, which, connected in parallel, are attached to two collectors 14 and 15, hang above these are connected. The collector 10 is supplied with working fluid of supercritical pressure via a line 16, which flows through the horizontal coils 12 and from the collector 11 via a connecting line 17 in the Distributor 3 arrives. After flowing through the wall pipes, the working medium exits the collector 4 via a
bindungsleitung 18 in den Kollektor 14 und von dort durch die Rohrschlangen 13 zum Kollektor 15, aus dem es mittels einer Frischdampfleitung 19 zum Dampfverbraucher geführt wird. ; . ■ Connection line 18 into the collector 14 and from there through the coils 13 to the collector 15, from which it is guided by means of a live steam line 19 to the steam consumer . ; . ■
In jeder der vier Seitenwände ist unterhalb derIn each of the four side walls is below the
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•Rohrschlangen 12 je eine Wirbelbrennkammer 20 mit horizontal orientierter Achse angeschlossen. Die Wirbelbrennkammern 20 bestehen aus einer keramisch ausgekleideten, zylindrischen Muffel 21 und dem koaxial dazu angeordneten eigentlichen Brenner 22.• Coiled tubes 12 each with a vortex combustion chamber 20 horizontally oriented axis connected. The vortex combustion chambers 20 consist of a ceramic-lined, cylindrical muffle 21 and the actual burner 22 arranged coaxially therewith.
Erfindungsgemäss ist die Wirbelbrennkammer für eineAccording to the invention, the vortex combustion chamber is for a
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Brennkammer belastung von mehr als 10 kcal/m -h· ata ausgelegt, d.h., dass der eigentliche Brenner 22 so bemessen und konstruiertest, dass die in der zylindrischen Muff el bei Atmosphärendruck stündlich freiwerdende Wärmemenge bezogen auf das Innenvolumen der zylindrischen Muffel, gemessen von der Brennermündung bis zu einer gedachten,Combustion chamber load of more than 10 kcal / m -hata designed, that is, the actual burner 22 is dimensioned and constructed so that the in the cylindrical muff el Amount of heat released every hour at atmospheric pressure based on the internal volume of the cylindrical muffle, measured from the burner mouth to an imaginary
7 3 die Austrittsöffnung überspannende Ebene, 10 kcal/m7 3 level spanning the outlet opening, 10 kcal / m
beträgt. ' 'amounts to. ''
Die in gegenüberliegenden Wänden angeordneten Wirbelbrenner liegen auf einer gemeinsamen Achse. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass die an der einen Brennkammer austretende Flammenstrahlung zum grössten Teil in die gegenüberliegende Brennkammer einfällt, was dort zur Erhöhung der Verbrennungstemperatur beiträgt. Umgekehrt, erhöht Strahlung aus der anderen Brennkammer auch die Temperatur in der einen. Durch die achsgleiehe AnordnungThe vortex burners arranged in opposite walls lie on a common axis. This has the particular advantage that the one Most of the flame radiation emitted from the combustion chamber falls into the opposite combustion chamber, which increases the combustion temperature there. Vice versa, Radiation from the other combustion chamber also increases the temperature in one. Due to the alignment on the axis
- - 109817/0819 0RiewM. ,nspected- - 109817/0819 0RiewM . , nspected
.der Brennkammern wird überdies die der direkten Flammenstrahlung ausgesetzte Wandfläche verkleinert. Der freie Raum im Rauchgaszug zwischen den Wirbelbrennkammern 20 "kann trotz der auf die freien Wandteile einwirkenden Flammenstrahlung nicht mit einer Strahlungsbrennkammer verwechselt werden, da die Verbrennung noch innerhalb der Wirbelbrennkammern 20 abgeschlossen wird..of the combustion chambers is also that of direct flame radiation exposed wall area reduced. The free space in the flue gas between the vortex combustion chambers 20 "Despite the flame radiation acting on the free wall parts, it cannot work with a radiation combustion chamber be confused because the combustion is still completed within the vortex combustion chambers 20.
Die keramische Auskleidung der zylindrischen Muffel der Wirbelbrennkammern 20 nimmt an der inneren Oberfläche praktisch die Temperatur der verbrennenden Gase an. Wegen der schlechten Wärmeleitung der Keramik und zusätzlicher Isolierung kann die Wirbelbrennkammer bis zu beträchtlicher Grosse ohne äussere Kühlung gefahren werden. Die Verbrennung verläuft somit, was für den Erfolg der Erfindung sehr wesentlich ist, praktisch adiabatiseh. Ein zusatz- ™The ceramic lining of the cylindrical muffle of the vortex combustion chambers 20 takes on the inner surface practically the temperature of the burning gases. Because of the poor thermal conductivity of the ceramic and additional Insulation, the vortex combustion chamber can be operated up to a considerable size without external cooling. The burn thus runs, which is very essential for the success of the invention, practically adiabatic. An additional ™
liches Mittel zur Erzielung möglichst hoher Verbrennungstemperatur liegt in hoher Vorwärmung der Verbrennungsluft. Diese/ist praktisch dadurch limitiert, dass es umständlich wäre, die Verbrennungsluft führenden Teile des Brenners 22 durch ein drittes Medium, z.B. durch Arbeitsmittel, zu kühlen.Lich means to achieve the highest possible combustion temperature lies in the high level of preheating of the combustion air. This / is practically limited by the fact that it is cumbersome would be, the combustion air leading parts of the burner 22 through a third medium, e.g. through working medium, to cool.
Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, bietet dieAs can be seen from the drawing, the
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.Erfindung den zusätzlichen Vorteil, dass der Rauchgaszug ohne Rücksichtnahme auf die Dimensionierung von Brennkammern allein nach den Erfordernissen optimalen Wärmeübergangs in den Berührungsheizflächen bemessen werden kann. Die bei konventionellen Kesseln bekannten Einschnürungen, Nasen usw. werden somit entbehrlich. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die thermisch höchstbeanspruchten Rohre wegen der auf dem ganzen Umfang gleichmässigen Aufwärmung und dank der zwanglosen Aufhängung nur massige Wärmespannungen erleiden. Dies gestattet, die Rohre sehr hoch zu belasten, was zu einer Verkleinerung der Heizfläche führt..Invention the additional advantage that the flue gas regardless of the dimensioning of combustion chambers based solely on the requirements of optimal heat transfer can be measured in the contact heating surfaces. The constrictions known in conventional boilers, Noses etc. are thus unnecessary. Another advantage of the invention is that the thermally highly stressed pipes because of the uniform heating over the entire circumference and thanks to the unconstrained suspension suffer only moderate thermal stresses. This allows the tubes to be very heavily loaded, which leads to a reduction in the heating surface.
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