EP0051200B1 - Verteiler für Zweiphasengemische, insbesondere Wasser-Dampf-Mischungen in Zwangsdurchlaufkesseln - Google Patents

Verteiler für Zweiphasengemische, insbesondere Wasser-Dampf-Mischungen in Zwangsdurchlaufkesseln Download PDF

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Egon Schneider
Wolfgang Dipl.-Ing. Köhler
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Siemens AG
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    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/85938—Non-valved flow dividers

Definitions

  • the invention relates to a distributor for two-phase mixtures, in particular water-steam mixtures in once-through boilers, with a distributor drum into which an inlet pipe leads and from which several outlet pipes arranged at an angle to the direction of the inlet pipe start.
  • Such distributors are provided, for example, between different boiler areas, where after a first heating in relatively large pipe cross sections, a transfer to superheater areas with pipes of a larger number but smaller cross sections takes place.
  • the distribution to the drain pipes should be as uniform as possible to avoid negative effects, for example overheating in weakly charged boiler areas. So far, this task has not been completely satisfactorily achieved. Similar distribution problems with uneven two-phase mixtures can also exist in chemical companies, flow laboratories, etc.
  • the distributor drum has a flat baffle plate which is perpendicular to the direction of the inlet pipe and the edge of which leads symmetrically and smoothly to the outlet pipes.
  • baffle plate is a circular disc which is arranged in a rotationally symmetrical distributor drum opposite the cylindrical feed pipe.
  • the baffle plate it is also conceivable to design the baffle plate as a regular polygon with relatively few drain pipes, in the corners of which the drain pipes lie.
  • the edge leading smoothly to the drain pipes is intended to prevent the liquid component evenly distributed on the baffle plate by the deflection from becoming uneven again due to disturbances, for example corners at the edge.
  • the edge can lead obliquely, in particular curved, to the drain pipes.
  • corners with acute-angled walls should be avoided, while corners with obtuse angles of, for example, more than 135 ° are permissible because they practically no longer interfere.
  • a rotationally symmetrical arrangement of the distributor is particularly advantageous for large numbers of pipes with eight or more pipes on a distributor drum.
  • the diameter of the circular disk should be larger than the diameter of the inlet pipe, for example 1.2 to 2 times.
  • the same dimensions are chosen accordingly.
  • the distance between the baffle plate and the mouth of the inlet pipe must be at least so large that the baffle plate has no blocking effect with an undesirably high flow resistance. It is a good value, for example, if the distance is approximately as large as the diameter of the inlet pipe.
  • the invention can be carried out in such a way that the baffle plate and the outlet pipes are arranged in one half and the inlet pipe in the other half of the ball and that the two halves are flanged together or are welded.
  • the side of the baffle plate facing away from the inlet pipe can be adapted to the spherical shape of the distributor drum in order to obtain a uniform support.
  • the plate with the distributor drum which may be stressed by vibrations, as will be explained in more detail later.
  • the baffle plate is formed by a flat wall area of the distributor drum. So here the baffle plate is not an additional component but a specially shaped area of the distributor drum itself. This region can be an integral part of the wall of the distributor drum, which is manufactured as a forged piece, for example. However, it can also be formed by a welded-in floor with a special material if required.
  • the distributor 1 belongs to a once-through boiler with fossil fuel. It sits between a first heating zone charged with feed water and a second heating zone in which further evaporation and / or overheating takes place. For this reason, a water-steam mixture comes from the first heating zone at a pressure of, for example, 90 to 160 bar in an inlet pipe 2 in the direction of arrow 3.
  • the water flows at a speed of, for example, 2 to 6 m / s along the wall of tube 2 while the steam runs at a speed of 15 to 20 m / s primarily in the middle of the circular pipe cross-section.
  • the tube 2 has a diameter d of, for example, 360 mm. It protrudes by approximately this diameter into a spherical distributor drum 4, which is welded together at 7 from two hemispheres 5 and 6.
  • the ball diameter is 700 mm.
  • a flat circular disk is arranged as a baffle plate 10 in a rotationally symmetrical manner with respect to the axis 8 of the inlet pipe 2 shown in dash-dotted lines, which also passes through the center of the ball 4.
  • the baffle plate 10 is exactly opposite the inlet line 2. Their plane forms a right angle with the vertical axis 8 of the inlet pipe 2, the axis 8 passing through the center of the circle of the baffle plate 10.
  • the edge 12 of the baffle plate is welded to the wall of the underside 6 of the drum 4, a smooth transition being created.
  • the angle 14 formed at the weld 13 is far larger than an acute angle at 150 °. This results in a smooth transition from the baffle plate 10 to drain pipes 15, which are arranged symmetrically around the circumference on the lower part 6 of the drum, as shown in FIG. 2.
  • the diameter D of the baffle plate 10, at 460 mm, is more than 1/4 larger than the diameter d of the inlet pipe 2. This ensures that a widening jet, which is indicated by the arrows 16, also has one for the uniform spreading sufficient distance from the edge 12 meets the impact plate 10.
  • the diameter D can also be chosen to be larger, for example 2d.
  • the distance A of the baffle plate 10 from the mouth 18 of the inlet pipe 2 is suitably 1 to 4 times the diameter d.
  • the value is not critical and can also be selected to be smaller, in particular at low flow velocities, for example 0.8d, if this does not cause undesired throttling of the flow.
  • the water of the two-phase mixture supplied asymmetrically in the inlet pipe 2 due to pipe elbows or for other reasons is distributed uniformly over the flat surface of the baffle plate 10. This also results in an even distribution between the eight drain pipes 15 distributed around the edge of the lower part 6. This means that the other areas of a superheater zone (not shown) in the boiler connected to the drain pipes 15 are evenly supplied with liquid and steam in the desired manner, such as is represented by the arrows 19. This prevents local overheating there.
  • Another embodiment of the invention in which the plate opposite the inlet pipe 2 at right angles and symmetrically is formed by the wall of the distributor drum 4 itself, can be thought of as omitting the spherical region 20 below the baffle plate 10.
  • the side of the baffle plate 10 derived from the tube 2 with the hatched area 21 can also be adapted to the spherical shape of the half 6.
  • baffle plate 10 can also be designed and arranged in such a way that its optionally curved edge extends directly to the drain pipes 15.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verteiler für Zweiphasengemische, insbesondere Wasser-Dampf-Mischungen in Zwangsdurchlaufkesseln, mit einer Verteilertrommel, in die ein Zulaufrohr führt, und von der mehrere unter einem Winkel zur Richtung des Zulaufrohres angeordnete Ablaufrohre ausgehen.
  • Solche Verteiler sind zum Beispiel zwischen verschiedenen Kesselbereichen vorgesehen, wo nach einer ersten Aufheizung in verhältnismässig grossen Rohrquerschnitten eine Überleitung zu Uberhitzerbereichen mit Rohren grösserer Zahl aber kleinerer Querschnitte erfolgt. Die Aufteilung auf die Ablaufrohre soll dabei möglichst gleichmässig sein, um negative Auswirkungen, zum Beispiel eine Überhitzung in schwach beaufschlagten Kesselbereichen zu vermeiden. Diese Aufgabe ist bisher nicht voll zufriedenstellend gelöst. Ähnliche Verteilungsprobleme mit ungleichmässigen Zweiphasengemischen können aber auch in chemischen Betrieben, Strömungslabors usw. vorliegen.
  • Gemäss der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verteilertrommel eine ebene Prallplatte aufweist, die rechtwinklig zur Richtung des Zulaufrohres liegt und deren Rand symmetrisch und glatt zu den Ablaufrohren führt.
  • Mit einer solchen Prallplatte wird eine Vergleichmässigung dadurch erreicht, dass die aus dem Zulaufrohr austretende flüssige Komponente unabhängig von ihrer Verteilung über den Rohrquerschnitt durch die Richtungsänderung auf der ebenen Prallplatte vom Staupunkt gleichmässig nach allen Seiten verläuft. Auf dem bei der Erfindung symmetrisch und glatt zu den Ablaufrohren führenden Rand strömt die flüssige Komponente dann ohne Störung weiter, so dass die Vergleichmässigung unabhängig von Ungleichmässigkeiten der Strömung im Zulaufrohr erhalten bleibt und die Ablaufrohre in gleicher Weise, d.h. mit gleichen Anteilen von flüssigem und dampfförmigem Medium beaufschlagt werden.
  • Die symmetrische Anordnung des Randes in bezug auf die Ablaufrohre ergibt sich in optimaler Weise, wenn die Prallplatte eine Kreisscheibe ist, die in einer rotationssymmetrischen Verteilertrommel gegenüber dem zylindrischen Zulaufrohr angeordnet ist. Es ist aber im Prinzip auch denkbar, bei verhältnismässig wenigen Ablaufrohren die Prallplatte als regelmässiges Polygon auszubilden, in dessen Ecken die Ablaufrohre liegen.
  • Der glatt zu den Ablaufrohren führende Rand soll vermeiden, dass die an der Prallplatte durch die Umlenkung gleichmässig verteilte flüssige Komponente durch Störungen, zum Beispiel Ekken am Rand wieder ungleichmässig wird. Zu diesem Zweck kann der Rand schräg, insbesondere gekrümmt zu den Ablaufrohren führen. Jedenfalls sollen Ecken mit spitzwinklig zueinander verlaufenden Wänden vermieden werden, während Ecken mit stumpfen Winkeln von zum Beispiel mehr als 135° zulässig sind, weil sie praktisch nicht mehr stören.
  • Wie schon gesagt, ist eine rotationssymmetrische Anordnung des Verteilers besonders für grosse Rohrzahlen mit acht oder mehr Rohren an einer Verteilertrommel günstig. Hierbei soll der Durchmesser der Kreisscheibe grösser als der Durchmesser des Zulaufrohres sein, zum Beispiel das 1,2 bis 2fache betragen. Für nichtrotationssymmetrische Anordnungen wählt man sinngemäss gleiche Abmessungen.
  • Der Abstand der Prallplatte von der Mündung des Zulaufrohres muss mindestens so gross sein, dass die Prallplatte keine Stauwirkung mit einem unerwünscht grossen Strömungswiderstand ausübt. Ein günstiger Wert ist es zum Beispiel, wenn der Abstand etwa so gross wie der Durchmesser des Zulaufrohres ist.
  • Für den Fall einer kugelförmigen Verteilertrommel, die im Hinblick auf Wärmebeanspruchungen besonders günstig ist, kann man die Erfindung so ausführen, dass die Prallplatte und die Ablaufrohre in der einen Hälfte und das Zulaufrohr in der anderen Hälfte der Kugel angeordnet sind und dass die beiden Hälften zusammengeflanscht oder verschweisst sind. Dabei kann die dem Zulaufrohr abgekehrte Seite der Prallplatte der Kugelform der Verteilertrommel angepasst sein, um eine gleichmässige Auflage zu erhalten. Es sind aber auch andere günstige Konstruktionen für die unter Umständen durch Schwingungen beanspruchte Platte mit der Verteilertrommel denkbar, wie später noch näher erläutert wird.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Prallplatte von einem ebenen Wandbereich der Verteilertrommel gebildet wird. Hier ist also die Prallplatte kein zusätzliches Bauteil sondern ein besonders geformter Bereich der Verteilertrommel selbst. Dieser Bereich kann integraler Bestandteil der Wandung der zum Beispiel als Schmiedestück hergestellten Verteilertrommel sein. Er kann aber auch durch einen eingeschweissten Boden mit einem bei Bedarf besonderen Werkstoff gebildet werden.
  • Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das in Fig. 1 in einem Vertikal- und in Fig. 2 in einem Horizontalschnitt dargestellt ist.
  • Der Verteiler 1 gehört zu einem Zwangsdurchlaufkessel mit fossiler Befeuerung. Er sitzt zwischen einer mit Speisewasser beaufschlagten ersten Heizzone und einer zweiten Heizzone, in der eine weitere Verdampfung und/oder Überhitzung stattfindet. Deshalb kommt aus der ersten Heizzone ein Wasser-Dampf-Gemisch bei einem Druck von zum Beispiel 90 bis 160 bar in einem Zulaufrohr 2 in Richtung des Pfeiles 3. Dabei strömt das Wasser mit einer Geschwindigkeit von zum Beispiel 2 bis 6 m/s vor allem an der Wand des Rohres 2 entlang, während der Dampf mit einer Geschwindigkeit von 15 bis 20 m/s in erster Linie in der Mitte des kreisförmgien Rohrquerschnitts verläuft.
  • Das Rohr 2 hat einen Durchmesser d von zum Beispiel 360 mm. Es ragt um etwa diesen Durchmesser in eine kugelförmige Verteilertrommel 4, die aus zwei Halbkugeln 5 und 6 bei 7 zusammengeschweisst ist. Der Kugeldurchmesser beträgt 700 mm.
  • In der Verteilertrommel 4 ist rotationssymmetrisch zu der strichpunktiert dargestellten Achse 8 des Zulaufrohres 2, die auch durch den Mittelpunkt der Kugel 4 geht, eine ebene Kreisscheibe als Prallplatte 10 angeordnet. Die Prallplatte 10 liegt der Zulaufleitung 2 genau gegenüber. Ihre Ebene bildet mit der vertikalen Achse 8 des Zulaufrohres 2 einen rechten Winkel, wobei die Achse 8 durch den Mittelpunkt des Kreises der Prallplatte 10 geht.
  • Der Rand 12 der Prallplatte ist mit der Wand der Unterseite 6 derTrommel 4 verschweisst, wobei ein glatter Übergang geschaffen ist. Jedenfalls ist der an der Schweissnaht 13 entstehende Winkel 14 mit 150° weit grösser als ein spitzer Winkel. Dadurch ergibt sich ein glatter Übergang von der Prallplatte 10 zu Ablaufrohren 15, die am Unterteil 6 der Trommel symmetrisch um den Umfang verteilt angeordnet sind, wie die Fig. 2 zeigt.
  • Der Durchmesser D der Prallplatte 10 ist mit 460 mm um mehr als 1/4grösser als der Durchmesser d des Zulaufrohres 2. Damit wird erreicht, dass auch ein sich aufweitender Strahl, der durch die Pfeile 16 angedeutet ist, noch mit einem für die gleichmässige Ausbreitung ausreichenden Abstand vom Rand 12 auf die Prallplate 10 trifft. Zu diesem Zweck kann der Durchmesser D auch grösser, zum Beispiel 2d, gewählt werden.
  • Der Abstand A der Prallplatte 10 von der Mündung 18 des Zulaufrohres 2 beträgt zweckmässig das 1 bis 4fache des Durchmessers d. Der Wert ist jedoch nicht kritisch und kann besonders bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten auch kleiner gewählt werden, zum Beispiel 0,8d, wenn damit keine unerwünschte Drosselung der Strömung verursacht wird.
  • Mit der erfindungsgemässen Prallplatte 10 wird das aufgrund von Rohrkrümmern oder aus anderen Gründen unsymmetrisch im Zulaufrohr 2 zugeführte Wasser des Zweiphasengemisches gleichmässig über die ebene Fläche der Prallplatte 10 verteilt. Damit ergibt sich auch eine gleichmässige Aufteilung auf die acht um den Rand des Unterteils 6 verteilten Ablaufrohre 15. Dies bedeutet, dass die mit den Ablaufrohren 15 angeschlossenen weiteren Bereiche einer nicht dargestellten Überhitzerzone im Kessel in gewünschter Weise gleichmässig mit Flüssigkeit und Dampf beaufschlagt werden, wie durch die Pfeile 19 dargestellt ist. Damit werden dort örtliche Überhitzungen vermieden.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der die dem Zulaufrohr 2 rechtwinklig und symmetrisch gegenüberliegende Platte von der Wand der Verteilertrommel 4 selbst gebildet ist, kann man sich so vorstellen, dass der Kugelbereich 20 unterhalb der Prallplatte 10 entfällt. Andererseits kann die dem Rohr 2 abgeleitete Seite der Prallplatte 10 mit dem gestrichelt schraffierten Bereich 21 auch der Kugelform der Hälfte 6 angepasst werden.
  • Bei den Ausführungsbeispielen liegt zwischen dem Rand 12 und den Ablaufrohren 15 ein kurzes Stück der unteren Kugelhälfte 6. Die Prallplatte 10 kann aber auch so ausgebildet und angeordnet sein, dass ihr gegebenenfalls aufgewölbter Rand bis unmittelbar zu den Ablaufrohren 15 reicht.

Claims (7)

1. Verteiler für Zweiphasengemische, insbesondere Wasser-Dampf-Mischungen in Zwangsdurchlaufkesseln, mit einer Verteilertrommel, in die ein Zulaufrohrführt, und von der mehrere, unter einem Winkel zur Richtung des Zulaufrohres angeordnete Ablaufrohre ausgehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilertrommel (4) eine ebene Prallplatte (10) aufweist, die rechtwinklig zur Richtung des Zulaufrohres (2) liegt und deren Rand (12) symmetrisch und glatt zu den Ablaufrohren (15) führt.
2. Verteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallplatte (10) eine Kreisscheibe ist, die in einer rotationssymmetrischen Verteilertrommel (4) gegenüber dem zylindrischen Zulaufrohr (2) angeordnet ist.
3. Verteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) der Kreisscheibe (10) grösser als der Durchmesser (d) des Zulaufrohres (2) ist.
4. Verteiler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) der Prallplatte (10) von der Mündung (18) des Zulaufrohres (2) etwa so gross wie dessen Durchmeser (d) ist.
5. Verteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer kugelförmigen Verteilertrommel, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallplatte (10) und die Ablaufrohre (15) in der einen Hälfte (6) und das Zulaufrohr (2) in der anderen Hälfte (5) der Kugel (4) angeordnet sind und dass die beiden Hälften (5, 6) zusammengeflanscht oder verschweisst sind.
6. Verteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Zulaufrohr (2) abgekehrte Seite der Prallplatte (10) der Kugelform der Verteilertrommel (4) angepasst ist.
7. Verteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallplatte (10) von einem ebenen Wandbereich der Verteilertrommel (4) gebildet wird.
EP81108508A 1980-10-30 1981-10-19 Verteiler für Zweiphasengemische, insbesondere Wasser-Dampf-Mischungen in Zwangsdurchlaufkesseln Expired EP0051200B2 (de)

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