Beschreibungdescription
Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers sowie danach arbeitender DurchlaufdampferzeugerMethod for operating a once-through steam generator and a once-through continuous steam generator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers mit einem Gaszug aus miteinander gas¬ dicht verschweißten, im wesentlichen vertikal angeordneten und von einem Strömungsmedium parallell durchströmten Rohren, durch deren auf ihrer Innenseite vorgesehener Oberflächen¬ struktur eine Durchmischung des Strömungsmediums erzeugt wird. Die Erfindung richtet sich weiter auf einen nach diesem Verfahren arbeitenden Durchlaufdampferzeuger.The invention relates to a method for operating a once-through steam generator with a gas train consisting of gas-tightly welded, essentially vertically arranged tubes which are flowed through in parallel by a flow medium and through the surface structure of which is provided on the inside, a mixing of the flow medium is produced. The invention is further directed to a once-through steam generator operating according to this method.
Ein Dampferzeuger, dessen Brennkammerwand aus vertikal ange¬ ordneten Rohren aufgebaut ist, ist gegenüber einem eine schraubenförmige Berohrung aufweisenden Dampferzeuger kosten¬ günstiger herzustellen. Allerdings können die nicht vermeid¬ baren Unterschiede in der Wärmezufuhr zu den einzelnen Rohren zu Temperaturdifferenzen zwischen benachbarten Rohren - ins¬ besondere am Austritt eines Verdampfers - führen. Diese Tem¬ peraturdifferenzen können Schäden aufgrund von unzulässigen WärmeSpannungen verursachen. Die Temperaturdifferenzen können vermieden werden durch eine drastische Reduzierung des Rei- bungsdruckverlustes. Die Reduzierung ihrerseits wird erreicht durch eine entsprechende Absenkung der Strömungsgeschwindig¬ keit, d.h. der Massenstromdichte in den Rohren. Um auch bei einer niedrigen Massenstromdichte einen guten Wärmeübergang zu erreichen, ist es z.B. aus der Europäischen Patentanmel- düng 0 503 116 bekannt, Rohre einzusetzen, die auf ihrer In¬ nenseite ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen aufweisen.A steam generator, the combustion chamber wall of which is constructed from vertically arranged pipes, is more economical to produce than a steam generator having a helical tube. However, the unavoidable differences in the heat supply to the individual tubes can lead to temperature differences between adjacent tubes - in particular at the outlet of an evaporator. These temperature differences can cause damage due to impermissible thermal stresses. The temperature differences can be avoided by drastically reducing the friction pressure loss. The reduction in turn is achieved by a corresponding reduction in the flow rate, i.e. the mass flow density in the pipes. In order to achieve good heat transfer even with a low mass flow density, it is e.g. known from European Patent Application 0 503 116 to use tubes which have ribs forming a multi-start thread on their inside.
Darüber hinaus sind aus der Deutschen Offenlegungsschrift 20 32 891 auch kreuzgezogene Rohre bekannt, auf deren Innen- seite zur Bildung einer Oberflächenstruktur einer ersten Be- rippung eine gegenläufige zweite Berippung überlagert ist.
Bei einer Berohrung der Brennkammerwand eines Dampferzeugers mit innenberippten Verdampferröhren wird der AxialStrömung ein Drall überlagert, der zu einer Phasenseparation des Strö- mungs- oder Wärmeaufnahmemediums mit einem Wasserfilm an der Rohrinnnenwand, d. h. an der Heizfläche, führt. Dadurch kann der sehr gute Wärmeübergang des Siedens fast bis zur völligen Verdampfung des Wassers aufrecht erhalten werden. Im Druckbe¬ reich zwischen 200 bar und 221 bar lassen sich jedoch bei starker Beheizung mit einer Drallströmung allein nicht immer unzulässig hohe Wandtemperaturen vermeiden. In der Nähe des kritischen Druckes bei etwa 210 bar - wo es nur noch einen ge ingen Dichteunterschied gibt zwischen flüssiger und dampfförmiger Phase - ist die Benetzung der Heizfläche we¬ sentlich schwieriger zu gewährleisten als in einem unterhalb von 200 bar liegenden Druckbereich. Dies ist dadurch bedingt, daß ein sich zwischen der Rohrwand und der flüssigen Phase des Wärmeaufnahmemediums bildender Dampffilm den Wärmeüber¬ gang behindert (Filmsieden) . In diesem Bereich der DampffUm¬ bildung steigt die Temperatur der Rohrwand stark an. Wie in dem Aufsatz "Verdampferkonzepte für Benson-Dampferzeuger" von J. Franke, W. Köhler und E. Wittchow veröffentlicht in VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Heft 4, Seiten 352 bis 360, be¬ schrieben, reichen oberhalb eines Druckes von rund 210 bar bereits geringe Wandüberhitzungen aus, um vom Siedezustand mit benetzter Heizfläche zum Filmsieden mit unbenetzter Heiz¬ fläche zu gelangen. Auch können sich im genannten Druckbe¬ reich bereits bei geringfügigen Überhitzungen in der über¬ hitzten Grenzschicht Dampfblasen bilden, die sich zu großen Blasen vereinigen und somit die Wärmeübertragung behindern (homogene Keimbildung) .In addition, cross-drawn tubes are known from German Offenlegungsschrift 20 32 891, on the inside of which a superimposed second ribbing is superimposed on a first ribbing to form a surface structure. If the combustion chamber wall of a steam generator is piped with internally finned evaporator tubes, a swirl is superimposed on the axial flow, which leads to a phase separation of the flow or heat absorption medium with a water film on the inner wall of the tube, ie on the heating surface. This allows the very good heat transfer from boiling to be maintained almost until the water has completely evaporated. In the pressure range between 200 bar and 221 bar, however, impermissibly high wall temperatures cannot always be avoided with strong heating with a swirl flow alone. In the vicinity of the critical pressure at about 210 bar - where there is only a slight difference in density between the liquid and vapor phases - it is much more difficult to ensure that the heating surface is wetted than in a pressure range below 200 bar. This is due to the fact that a vapor film forming between the tube wall and the liquid phase of the heat absorption medium hinders the heat transfer (film boiling). In this area of vapor conversion, the temperature of the tube wall rises sharply. As described in the article "Vaporizer Concepts for Benson Steam Generators" by J. Franke, W. Köhler and E. Wittchow published in VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), No. 4, pages 352 to 360, range above a pressure of around 210 bar already slight wall overheating in order to get from the boiling state with a wetted heating surface to film boiling with an unwetted heating surface. Even in the case of slight overheating in the superheated boundary layer, vapor bubbles can form in the pressure range mentioned, which combine to form large bubbles and thus hinder heat transfer (homogeneous nucleation).
Der beschriebene Wäremübergangsmechanismus führt nun dazu, daß in den genannten Rohren von Dampferzeugern, die mit Drük- ken von etwa 200 bar und darüber betrieben werden, die Mas- senstromdichte und damit der Reibungsdruckverlust höher ge¬ wählt werden müssen als bei Dampferzeugern, die mit Drücken unterhalb von 200 bar betrieben werden. Dadurch geht beson-
ders bei kleinen Rohrinnendurchmessern der Vorteil verloren, daß bei Mehrbeheizung einzelner Rohre auch deren Durchsatz steigt. Da jedoch hohe Dampfdrücke über 200 bar erforderlich sind, um hohe thermische Wirkungsgrade und damit niedrige Kohlendioxid-Emissionen zu erzielen, ist es notwendig, auch in diesem Druckbereich eine gute Wärmeübertragung sicherzu¬ stellen. Daher werden Dampferzeuger mit senkrecht berohrter Brennkammerwand üblicherweise mit verhältnismäßig hohen Mas¬ senstromdichten in den Rohren betrieben, um im kritischen Druckbereich von etwa 200 bis 221 bar stets einen ausreichend hohen Wärmeübergang von der Rohrwand an das Wärmeaufnahmeme¬ dium, d. h. an das Wasser/Wasserdampf-Gemisch, zu erreichen. Dies führt allerdings nur zu einem unbefriedigenden Tempera¬ turausgleich am Austritt der Rohre bei unterschiedlicher Be- heizung.The heat transfer mechanism described now leads to the fact that in the pipes of steam generators mentioned, which are operated with pressures of about 200 bar and above, the mass flow density and thus the friction pressure loss have to be selected higher than for steam generators which operate with pressures operated below 200 bar. This means that in the case of small internal pipe diameters, the advantage is lost that the throughput also increases when individual pipes are heated. However, since high vapor pressures above 200 bar are required in order to achieve high thermal efficiencies and thus low carbon dioxide emissions, it is necessary to ensure good heat transfer even in this pressure range. For this reason, steam generators with a vertically tube-shaped combustion chamber wall are usually operated with relatively high mass flow densities in the tubes in order to always have a sufficiently high heat transfer from the tube wall to the heat absorption medium, ie to the water / water vapor medium, in the critical pressure range from about 200 to 221 bar. Mixture to achieve. However, this only leads to an unsatisfactory temperature compensation at the outlet of the pipes with different heating.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers anzugeben, mit dem geringe Temperaturdifferenzen am Austritt benachbarter Dampferzeugerrohre erreicht werden. Dies soll bei einem Durchlaufdampferzeuger erreicht werden, bei dessen Ver¬ dampferrohren auch in der Nähe des kritischen Druckes von etwa 210 bar ein besonders guter Wärmeübergang von der Rohrwand oder Heizfläche auf das Wärmeaufnahmemedi m ge- währleistet ist.The invention is therefore based on the object of specifying a method for operating a once-through steam generator with which small temperature differences at the outlet of adjacent steam generator pipes are achieved. This is to be achieved in a continuous steam generator, in the case of which evaporator tubes, particularly near the critical pressure of about 210 bar, a particularly good heat transfer from the tube wall or heating surface to the heat absorption medium is ensured.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Massenstromdichte m - bezogen auf Vollastbetrieb, d.h. 100% Dampfleistung - in den Rohren in Abhängigkeit vom Rohrinnendurchmesser d eingestellt wird, wo¬ bei ein durch ein Wertepaar der Massenstromdichte m und des Rohrinnendurchmessers d bestimmter Betriebspunkt in einem Ko¬ ordinatensystem zwischen einer Kurve B und der Abszisse liegt und wobei Betriebspunkte entsprechend den Wertepaaren di = 10 mm bei __-•_ = 1300 kg/m2-s, d2 = 25 mm bei __2 = 1600 kg/m2-s und d3 = 40 mm bei D3 = 1600 kg/ma-s
auf der Kurve B liegen.With regard to the method, this object is achieved according to the invention in that the mass flow density m - based on full-load operation, ie 100% steam output - in the pipes is set as a function of the inner pipe diameter d, one determined by a pair of values of the mass flow density m and the inner pipe diameter d Operating point lies in a coordinate system between a curve B and the abscissa and where operating points correspond to the value pairs di = 10 mm at __- • _ = 1300 kg / m 2 -s, d2 = 25 mm at __2 = 1600 kg / m 2 -s and d3 = 40 mm at D3 = 1600 kg / m a -s lie on curve B.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß für Be¬ triebspunkte zwischen der Kurve B und der Abszisse, insbeson- dere auch in der Nähe des kritischen Druckbereiches oberhalb von etwa 200 bar, ein Strömungsdrall zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs nicht ausreicht. Vielmehr ist zusätzlich auch eine gute Durchmischung der Strömung herbeizuführen. Da¬ mit können Wandüberhitzungen vermieden werden. Durch eine ho- he Turbulenz in der Strömung läßt sich außerdem verhindern, daß sich an der Heizfläche oder in der überhitzten Grenz¬ schicht so große Dampfblasen bilden, daß sie sich zu einem Dampffilm vereinigen können und somit den Wärmeübergang ver¬ schlechtern.The invention is based on the consideration that a flow swirl is not sufficient to ensure good heat transfer for operating points between curve B and the abscissa, especially in the vicinity of the critical pressure range above approximately 200 bar. Rather, it is also necessary to mix the flow well. In this way wall overheating can be avoided. A high level of turbulence in the flow can also prevent such large vapor bubbles from forming on the heating surface or in the superheated boundary layer that they can combine to form a vapor film and thus deteriorate the heat transfer.
Bezüglich des Durchlaufdampferzeugers mit einem aus miteinan¬ der gasdicht verschweißten Rohren gebildeten Gaszug, an dem sich Brenner für einen fossilen Brennstoff befinden, wobei die im wesentlichen vertikal angeordneten Rohre des Gaszugs zum Erreichen einer hohen Strömungsturbulenz und/oder zurWith regard to the continuous-flow steam generator with a gas train formed from tubes welded to one another in a gas-tight manner, on which burners for a fossil fuel are located, the essentially vertically arranged tubes of the gas train to achieve high flow turbulence and / or
Ausbildung von Längswirbeln im Strömungsmedium auf ihrer In¬ nenseite eine durch zwei überlagerte gegenläufige Berippungen gebildete Oberflächenstruktur aufweisen und für den Durchfluß des Strömungsmediums parallel geschaltet sind, und wobei die gegenläufigen Berippungen gleiche Winkel mit der Rohrachse einschließen, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch ge¬ löst, daß die durch die Berippungen begrenzten Erhöhungen pyramidenförmig sind. Die pyramidenförmige Struktur führt dabei beim Überströmen zu einer besonders günstigen Längs- irbelausbildung.Formation of longitudinal vortices in the flow medium on their inside has a surface structure formed by two superimposed opposing ribs and are connected in parallel for the flow of the flow medium, and the opposing ribs including the same angle with the pipe axis, the object is achieved according to the invention, that the ridges delimited by the ribs are pyramid-shaped. The pyramid-shaped structure leads to a particularly favorable longitudinal vortex formation when overflowing.
Alternativ schließt die erste Berippung des Verdampferrohres eines solchen Durchlaufdampferzeugers einen spitzen Winkel mit der Rohrachse ein, während die zweite Berippung parallel zur Rohrachse verläuft, wobei ein von der ersten oder schrau¬ benförmigen Berippung mit der Rohrwand gebildeter Flankenwin¬ kel auf der Anströmseite flacher ist als auf der Abströmseite.
Das Verdampferröhr gemäß dieser zweiten Alternative weist dann in fertigungstechnisch einfacher Weise eine schrauben¬ förmige Innenberippung mit die Rippen unterbrechenden Längs- nuten auf. Durch die Längsnuten werden Abrißkanten vorgege- ben, die eine Wirbelerzeugung begünstigen, wobei die Entste¬ hung von Längswirbeln durch die unterschiedlichen Flankenwin¬ kel besonders vorteilhaft begünstigt wird.Alternatively, the first ribbing of the evaporator tube of such a continuous steam generator includes an acute angle with the tube axis, while the second ribbing runs parallel to the tube axis, a flank angle formed by the first or screw-shaped ribbing with the tube wall being flatter on the inflow side than on the downstream side. The evaporator tube according to this second alternative then has a helical internal ribbing with longitudinal grooves interrupting the ribs in a production-technically simple manner. The longitudinal grooves provide tear-off edges which favor the generation of vertebrae, the formation of longitudinal vertebrae being particularly advantageously promoted by the different flank angles.
Die durch die Berippung begrenzten Erhöhungen der Innenwand betragen vorteilhafterweise mindestens 0,7 mm.The elevations of the inner wall limited by the ribbing are advantageously at least 0.7 mm.
Die unterschiedliche Ausbildung der Oberflächenstruktur auf der Innenseite der Verdampferrohre führt dazu, daß die Be¬ triebspunkte entsprechen den Wertepaaren aus Massenstromdich- te m und Rohrinnendurchmesser d in unterschiedlichen Berei¬ chen zwischen der Kurve B und der Abszisse eingestellt wer¬ den.The different design of the surface structure on the inside of the evaporator tubes leads to the fact that the operating points correspond to the pairs of values of mass flow density m and tube inner diameter d in different areas between curve B and the abscissa.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich- nung näher erläutert. Darin zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to a drawing. In it show:
Figur 1 in vereinfachter Darstellung einen Dampferzeuger mit vertikal berohrter Brennkammerwand, Figur 2 einen Ausschnitt aus einem horizontalen Schnitt durch einen vertikalen Gaszug,1 shows a simplified representation of a steam generator with a vertically tube-shaped combustion chamber wall, FIG. 2 shows a section of a horizontal section through a vertical throttle cable,
Figur 3 einen Längsschnitt durch einen kleinen Ausschnitt eines gegenläufige Innenberippungen aufweisenden3 shows a longitudinal section through a small section of a counter-ribbed inner rib
Dampferzeugerrohres, Figur 4 einen Ausschnitt IV aus Figur 3 in größerem Maßstab mit einer Erhöhung,4 shows a section IV from FIG. 3 on a larger scale with an elevation,
Figur 5 ein anderes Ausführungsbeispiel eines gegenläufigeFigure 5 shows another embodiment of an opposing
Innenberippungen aufweisenden Dampferzeugerrohres, Figur 6 einen Ausschnitt VI aus Figur 5 in größerem Maßstab mit einer pyramidenförmigen Erhöhung, Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines gegenläufige6 shows a detail VI from FIG. 5 on a larger scale with a pyramid-shaped elevation, FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of an opposing one
Innenberippungen aufweisenden Dampferzeugerröhres,
Figur 8 einen Schnitt A-A aus Figur 7 in größerem Maßstab mit Erhöhungen, und Figur 9 ein Koordinatensystem mit Kurven A und B.Steam generator tube with internal fins, 8 shows a section AA from FIG. 7 on a larger scale with elevations, and FIG. 9 shows a coordinate system with curves A and B.
In Figur 1 ist schematisch ein Durchlaufdampferzeuger 2 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, dessen vertikaler Gas¬ zug durch eine Umfassungswand 4 gebildet ist, die am Unter¬ ende in einen trichterförmigen Boden 6 übergeht.1 shows schematically a once-through steam generator 2 with a rectangular cross section, the vertical gas duct of which is formed by a surrounding wall 4 which merges into a funnel-shaped bottom 6 at the bottom.
In einem unteren Bereich V des Gaszugs sind eine Anzahl von Brennern für einen fossilen Brennstoff in jeweils einer Öff¬ nung 8, von denen nur zwei sichtbar sind, in der aus Dampfer- zeugerrohren 10 gemäß den Figuren 3, 5 oder 7 zusammengesetz¬ ten Umfassungs- oder Brennkammerwand 4 angebracht. Die Dampf- erzeugerrohre 10 sind in diesem Bereich V, in dem sie zu ei¬ ner Verdampferheizfläche 12 gasdicht miteinander verschweißt sind (Figur 2), vertikal verlaufend angeordnet. Die miteinan¬ der gasdicht verschweißten Rohre 10 bilden beispielsweise in einer Rohr-Steg-Rohr-Konstruktion oder in einer Flossenrohr- Konstruktion die gasdichte Brennkammerwand 4.In a lower region V of the gas flue there are a number of burners for a fossil fuel in each opening 8, of which only two are visible, in the enclosure composed of steam generator tubes 10 according to FIGS. 3, 5 or 7 - or combustion chamber wall 4 attached. The steam generator tubes 10 are arranged in this region V, in which they are welded together gas-tight to form an evaporator heating surface 12 (FIG. 2), and run vertically. The tubes 10 welded to one another in a gastight manner form, for example in a tube-web-tube construction or in a fin tube construction, the gas-tight combustion chamber wall 4.
Oberhalb dieses Bereiches V des Gaszugs befinden sich Konvek- tionsheizflachen 14, 16 und 18. Darüber befindet sich ein Rauchgasaustrittskanal 20, über den das durch Verbrennung ei- nes fossilen Brennstoffs erzeugte Rauchgas RG den vertikalen Gaszug verläßt. Das Rauchgas RG dient als Heizmedium für das in den Damperzeugerrohren 10 strömende Wasser oder Wasser- Dampf-Gemisch.Convection heating surfaces 14, 16 and 18 are located above this area V of the gas flue. Above this is a flue gas outlet channel 20, via which the flue gas RG generated by combustion of a fossil fuel leaves the vertical gas flue. The flue gas RG serves as a heating medium for the water or water-steam mixture flowing in the damper tubes 10.
Die Dampferzeugerrohre 10 weisen auf ihrer Innenseite eineThe steam generator tubes 10 have on their inside
Oberflächenstruktur auf. Das Dampferzeugerrohr 10 gemäß Figur 3 ist auf seiner Innenseite mit einer ersten Berippung - in Richtung des Pfeils 22 - versehen, der eine gegenläufige zweite Berippung - in Richtung des Pfeils 24 - überlagert ist. Durch die gegenläufigen Berippungen 22 und 24, die mit der Rohrachse M gleich große, spitze Winkel a bzw. b ein¬ schließen, ergibt sich auf der Innenseite eine regelmäßige
Struktur mit Erhöhungen 26 auf rautenförmigen Grundflächen und Vertiefungen 28. Eine derartige Erhöhung mit einer rau¬ tenförmigen Grundfläche 30 und abgeflachter Oberseite 32 ist in Figur 4 vergrößert herausgezeichnet.Surface structure. The steam generator tube 10 according to FIG. 3 is provided on its inside with a first rib - in the direction of the arrow 22 - which is superimposed on an opposing second rib - in the direction of the arrow 24. The opposing ribs 22 and 24, which include acute angles a and b of equal size with the tube axis M, result in a regular pattern on the inside Structure with elevations 26 on diamond-shaped base areas and depressions 28. Such an elevation with a diamond-shaped base area 30 and flattened top side 32 is shown enlarged in FIG.
Auch beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 schließen die überlagerten Berippungen 22', 24' gleich große, spitze Winkel a1 bzw. b1 mit der Rohrachse M ein. Die Vertiefungen 28' sind keilförmig, so daß die Erhöhungen 26' - wie in dem vergrößer- ten Ausschnitt VI nach Figur 6 erkennbar- pyramidenförmig sind. Dadurch entstehen sowohl auf der Anströmseite als auch auf der Abströmseite schräge Flächen 33 bzw. 34. Wie durch die Pfeile 36' und 38' angedeutet, neigen nämlich unter einem bestimmten Winkel überströmte Flächen 33, 34 bei der Über- Strömung zur Längswirbelbildung im Nachlauf. Dies führt zu einer guten Durchmischung der direkt an der Innenwand verlau¬ fenden Grenzschicht mit der Kern- oder Hauptströmung des das Dampferzeugerrohr 10 durchströmenden Wasser/Wasserdampf-Gemi¬ sches.In the exemplary embodiment according to FIG. 5 too, the superimposed fins 22 ', 24' include equally large, acute angles a 1 and b 1 with the tube axis M. The depressions 28 'are wedge-shaped, so that the elevations 26' - as can be seen in the enlarged section VI according to FIG. 6 - are pyramid-shaped. This results in inclined surfaces 33 and 34 both on the inflow side and on the outflow side. As indicated by the arrows 36 'and 38', surfaces 33, 34 overflowed at a certain angle tend to form longitudinal vortices in the wake in the overflow. This leads to thorough mixing of the boundary layer running directly on the inner wall with the core or main flow of the water / steam mixture flowing through the steam generator tube 10.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 weist das Dampferzeu¬ gerrohr 10 zusätzlich zu einer schraubenförmigen Innenberip- pung 22" Längsnuten als Vertiefungen 28" auf. Diese erste Be¬ rippung 22" schließt dabei mit der Rohrachse M wiederum einen spitzen Winkel a" ein, während die zweite Berippung 24" par¬ allel zur Rohrachse M verläuft. Durch die Längsnuten oder Vertiefungen 28" werden Abrißkanten 40 vorgegeben, die eine Wirbelerzeugung begünstigen.In the exemplary embodiment according to FIG. 7, the steam generator tube 10 has, in addition to a helical inner rib 22, “longitudinal grooves as depressions 28”. This first ribbing 22 "in turn encloses an acute angle a" with the tube axis M, while the second ribbing 24 "runs parallel to the tube axis M. The longitudinal grooves or depressions 28" define tear-off edges 40 which generate a vortex favor.
Wie in dem vergrößerten Schnitt A - A nach Figur 8 darge¬ stellt, schließen die Erhöhungen 26" der schraubenförmigen Berippung 22" mit der Rohrinnenwand 42 auf der Anströmseite einen Flankenwinkel c und auf der Abströmseite einen Flanken¬ winkel f ein. Dabei ist der Flankenwinkel c auf der Anström- seite kleiner oder gleich dem Flankenwinkel f auf der Ab¬ strömseite. Dies begünstigt wiederum die Ausbildung der
Längswirbel auf der Abströmseite, wie durch die Pfeile 36", 38" angedeutet.As shown in the enlarged section A - A according to FIG. 8, the elevations 26 "of the helical ribbing 22" with the inner tube wall 42 include a flank angle c on the inflow side and a flank angle f on the outflow side. The flank angle c on the inflow side is smaller than or equal to the flank angle f on the outflow side. This in turn favors the training of Longitudinal vortices on the outflow side, as indicated by the arrows 36 ", 38".
Die durch Verbrennung eines fossilen Brennstoffs in den Bren- nern der Brennkammerwand 4 erzeugte Wärme wird von dem Wasser oder Wasser-Dampf-Gemisch (Strömungs- oder Wärmeaufnahmemedi¬ um) aufgenommen, das die Rohre 10 durchströmt und dabei ver¬ dampft. Dabei ragen die Erhöhungen 26, 26', 26" mindestens um H = 0,7 mm in das Rohr 10 hinein, um eine gute Durchmischung und/oder Verwirbelung des Wasseranteils und des Dampfanteils des Strömungsmediums und damit eine hohe Turbulenz innerhalb des Rohres 10 zu erreichen. Dadurch gibt das Rohr 10 die von ihm aufgenommene Wärme aus dem Rauchgas RG besonders gut an das Strömungsmedium weiter und wird sicher gekühlt. Bei einer Oberflächenstruktur auf der Innenseite des Rohres 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 7 wird dabei der Turbulenz noch ein Drall überlagert.The heat generated by the combustion of a fossil fuel in the burners of the combustion chamber wall 4 is absorbed by the water or water-steam mixture (flow or heat absorption medium) which flows through the pipes 10 and thereby evaporates. In this case, the elevations 26, 26 ', 26 "protrude into the pipe 10 by at least H = 0.7 mm in order to ensure thorough mixing and / or swirling of the water component and the steam component of the flow medium and thus high turbulence within the pipe 10 As a result, the pipe 10 transfers the heat it has absorbed from the flue gas RG particularly well to the flow medium and is safely cooled .. In the case of a surface structure on the inside of the pipe 10 according to the exemplary embodiment according to FIG .
Um geringe Temperaturdifferenzen am Austritt benachbarter, unterschiedlich beheizter Dampferzeugerrohre zu gewährlei¬ sten, ist gemäß der Erfindung die Massenstromdichte m abhän¬ gig vom Rohrinnendurchmesser d gewählt. Dabei ist die Massen¬ stromdichte m der gemittelte Durchsatz pro Fläche und Zeit (kg/m2-s) aller Rohre 10 bei Vollastbetrieb, d.h. 100% Dampf- leistung.In order to ensure low temperature differences at the outlet of adjacent, differently heated steam generator tubes, the mass flow density m is selected according to the invention as a function of the tube inner diameter d. The mass flow density m is the mean throughput per area and time (kg / m 2 -s) of all pipes 10 at full load operation, ie 100% steam output.
In dem Koordinatensystem gemäß Figur 9 ist die Massen¬ stromdichte m als Funktion des Rohrinnendurchmessers d dar¬ stellbar. Drei Punkte der Kurve B sind durch die Wertepaare di = 10 mm bei __ι = 1300 kg/m2-s, d2 = 25 mm bei __2 = 1600 kg/m2*s und d = 40 mm bei _ 3 = 1600 kg/m2-s gegeben.The mass flow density m can be represented as a function of the inner pipe diameter d in the coordinate system according to FIG. Three points of curve B are due to the value pairs di = 10 mm at __ι = 1300 kg / m 2 -s, d2 = 25 mm at __2 = 1600 kg / m 2 * s and d = 40 mm at _ 3 = 1600 kg / given m 2 -s.
Jeder Punkt in dem Feld zwischen der Kurve B und der Abszis¬ se, entlang der der Rohrinnendurchmesser d aufgetragen ist, stellt ein Wertepaar (d/m) dar, bei dem bei einer Mehrbehei-
zung eines einzelnen Rohres 10 der Massendurchsatz oder Mas¬ senstrom durch dieses Rohr 10 ansteigt bzw. nur so wenig ab¬ fällt, daß die Temperaturdifferenz benachbarter Rohre klein bleiben. Um nämlich eine Mehrbeheizung eines einzelnen Rohres 10 kompensieren zu können, ist es notwendig, daß der Massen¬ strom in dem stärker beheizten Rohr gegenüber dem Massenstrom in durchschnittlich beheizten Rohren ansteigt. Dies ist in dem hier betrachteten, durch die vertikale Anordnung der Rohre 10 gegebenen Parallelrohrsystem dann der Fall, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist:Each point in the field between curve B and the abscissa, along which the inner pipe diameter d is plotted, represents a pair of values (d / m), in which When a single tube 10 is drawn, the mass throughput or mass flow through this tube 10 increases or only drops so little that the temperature difference between adjacent tubes remains small. In order to be able to compensate for an overheating of a single pipe 10, it is necessary that the mass flow in the more heated pipe increases compared to the mass flow in pipes heated on average. This is the case in the parallel pipe system considered here, given by the vertical arrangement of the pipes 10, if the following equation is fulfilled:
Dies bedeutet mit anderen Worten, daß der gesamte Druckabfall Δpges (dies ist der Unterschied zwischen dem Druck im unten liegenden Eintrittssammler und dem Druck im oben liegenden Austrittssammler bzw. in einem Zwischensammler) des betrach¬ teten Rohres 10 bei einer Mehrbeheizung ΔQ abnehmen muß, wenn man den Durchsatz M konstant hält. M mit der Einheit [kg/s] ist der Massenstrom durch das Rohr 10. Dabei sind die Anteile ΔPR der Reibungsdruckabfall, Δpg der Druckabfall aufgrund der geodätischen Höhenänderung und Δpg der Druckab¬ fall aufgrund der Beschleunigung der Strömung, wobei letzte¬ rer Anteil Δpg gegenüber den beiden anderen Anteilen Δp^, Δ PQ ZU vernachlässigen ist. Um einen Anstieg des Massenstroms im stärker beheizten Rohr 10 zu erhalten, ist es somit not¬ wendig, daß der mit der Mehrbeheizung verbundene Anstieg des Reibungsdruckabfalls ΔpR bei konstant gehaltenem Massenstrom M geringer ist als die durch die Mehrbeheizung verursachte Verminderung des geodätischen Druckabfalls Δpg. Da nun der Reibungsdruckabfall Δp^ dem Kehrwert des RohrInnendurchmes¬ sers d proportional ist, gilt für kleine Rohrinnendurchmesser d diese Bedingung für einen geringeren Bereich der Massen¬ stromdichte m in den Rohren 10 als für Rohre 10 mit größerem Rohrinnendurchmesser d. Die gestrichelte Kurve A in Figur 9 zeigt diesen Zusammenhang.
Wenn die Massenstromdichte m in den Rohren 10 unterhalb der in Figur 9 dargestellten Kurve A liegt, erhöht sich einer¬ seits in stärker beheizten Rohren 10 der Massenstrom gegen¬ über dem Wert in durchschnittlich beheizten Rohren 10. Ande- rerseits ist zur sicheren Kühlung der Rohre 10 ein Mindest- assenstrom in den Rohren 10 notwendig. Wird deshalb der Mas¬ senstrom in den Rohren 10 so gewählt, daß sich der Vollastbe¬ triebspunkt oberhalb der Kurve A einstellt, so wird sich der Massenstrom in den stärker beheizten Rohren 10 gegenüber de - jenigen im durchschnittlich beheizten Rohren 10 vermindern.This means in other words that the total pressure drop Δpg it the betrach¬ ended pipe 10 (this is the difference between the pressure in the underlying inlet header and the pressure in the overhead outlet header or in an intermediate collector) decrease in a multi heating .DELTA.Q must if you keep the throughput M constant. M with the unit [kg / s] is the mass flow through the pipe 10. The proportions ΔPR are the friction pressure drop, Δpg the pressure drop due to the geodetic change in altitude and Δpg the pressure drop due to the acceleration of the flow, the latter being Δpg compared to the other two parts Δp ^, Δ P Q ZU is negligible. In order to obtain an increase in the mass flow in the more heated pipe 10, it is therefore necessary that the increase in the friction pressure drop ΔpR associated with the additional heating is less than the reduction in the geodetic pressure drop Δpg caused by the additional heating caused by the additional heating. Since the friction pressure drop Δp ^ is now proportional to the reciprocal of the inner pipe diameter d, this condition applies to small inner pipe diameters d for a smaller range of mass flow density m in pipes 10 than for pipes 10 with larger inner pipe diameter d. The dashed curve A in FIG. 9 shows this relationship. If the mass flow density m in the tubes 10 lies below the curve A shown in FIG. 9, on the one hand in massively heated tubes 10 the mass flow increases compared to the value in average heated tubes 10. On the other hand there is a reliable cooling of the tubes 10 a minimum flow of electricity in the tubes 10 is necessary. Therefore, if the mass flow in the tubes 10 is selected such that the full load operating point is set above the curve A, the mass flow in the more heated tubes 10 will decrease compared to that in the average heated tubes 10.
Ist diese Verminderung gering, so werden auch die Temperatur¬ differenzen benachbarter Rohre klein. Dies ist dann der Fall, wenn die durch Mehrbeheizung eines Rohres 10 bewirkte prozen¬ tuale Massenstromänderung nur einen Bruchteil des Prozentsat- zes der Mehrbeheizung dieses Rohres 10 beträgt. Kurve B in Figur 8 spiegelt den Verlauf der Massenstromdichte m wider, der unter diesem Gesichtspunkt möglich ist.If this reduction is small, the temperature differences between adjacent pipes also become small. This is the case when the percentage change in mass flow brought about by heating a pipe 10 is only a fraction of the percentage heating of this pipe 10. Curve B in FIG. 8 reflects the course of the mass flow density m, which is possible from this point of view.
Für Betriebspunkte, die unterhalb der Kurve A, d.h. zwischen der Kurve A und der Abszisse, gewählt werden, ist sicherge¬ stellt, daß der Massenstrom mehrbeheizter Rohre 10 ansteigt. Für Betriebspunkte, die unterhalb der Kurve B liegen, d.h. zwischen der Kurve B und der Abszisse, nimmt der Massenstrom in mehrbeheizten Rohren 10 nicht mehr als 20% des Prozentsat- zes der Mehrbeheizung ab. Beträgt z.B. die Mehrbeheizung ei¬ nes Rohres 10%, so wird der Massenstrom in diesem Rohr um we¬ niger als 2% gegenüber dem Wert der durchschnittlich beheiz¬ ten Rohre 10 abnehmen.For operating points below curve A, i.e. between the curve A and the abscissa, it is ensured that the mass flow of multi-heated pipes 10 increases. For operating points that are below curve B, i.e. between curve B and the abscissa, the mass flow in multi-heated pipes 10 does not decrease by more than 20% of the percentage of the multi-heating. For example, the additional heating of a tube 10%, the mass flow in this tube will decrease by less than 2% compared to the value of the average heated tubes 10.
Aufgrund der besonders guten Wärmeübertragungs-Eigenschaften der eingesetzten Rohre 10 besteht keine Notwendigkeit, die Massenstromdichte über m = 1600 kg/m2*s zu steigern. Von ei¬ nem Rohrinnendurchmesser von d = 25 mm aufwärts verläuft des¬ halb die Kurve B horizontal. Die Massenstromdichte m in den Rohren 10 ist daher zweckmäßigerweise bei einem gegebenen Rohrinnendurchmesser d unterhalb des zugehörigen, auf der Kurve B liegenden Maximalwertes zu wählen. Dadurch werden die
nachteiligen Folgen von Fehlbeheizungen einzelner Rohre 10 vermieden.Because of the particularly good heat transfer properties of the tubes 10 used, there is no need to increase the mass flow density above m = 1600 kg / m 2 * s. Therefore, curve B runs horizontally from an inner tube diameter of d = 25 mm. The mass flow density m in the tubes 10 is therefore expediently selected for a given tube inner diameter d below the associated maximum value lying on the curve B. This will make the adverse consequences of incorrect heating of individual pipes 10 avoided.
Die genannte Begrenzung der Massenstromdichte auf m = 1600 kg/m2-s ab einem Rohrinnendurchmesser von d = 25 mm wird in vorteilhafter Weise erreicht durch den Einsatz von Rohren 10, die auf ihrer Innenseite eine Oberflächenstruktur gemäß den Ausführungsbeispielen nach Figuren 3, 5 oder 7 aufweisen. Aufgrund dieser Oberflächenstruktur ist infolge der dadurch bedingten hohen Turbulenz in der Strömung der Wärmeübergang gegenüber den Verhältnissen in Glattrohren wesentlich verbes¬ sert.
The aforementioned limitation of the mass flow density to m = 1600 kg / m 2 -s from an inner tube diameter of d = 25 mm is advantageously achieved by using tubes 10 which have a surface structure on the inside according to the exemplary embodiments according to FIGS. 3, 5 or 7 have. Because of this surface structure, the resulting high turbulence in the flow significantly improves the heat transfer compared to the conditions in smooth tubes.