EP1793164A1 - Dampferzeugerrohr, zugehöriges Herstellungsverfahren sowie Durchlaufdampferzeuger - Google Patents

Dampferzeugerrohr, zugehöriges Herstellungsverfahren sowie Durchlaufdampferzeuger Download PDF

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EP1793164A1
EP1793164A1 EP05026487A EP05026487A EP1793164A1 EP 1793164 A1 EP1793164 A1 EP 1793164A1 EP 05026487 A EP05026487 A EP 05026487A EP 05026487 A EP05026487 A EP 05026487A EP 1793164 A1 EP1793164 A1 EP 1793164A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tube
steam generator
wires
wall
insert
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05026487A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Dr. Franke
Oliver Herbst
Holger Dr. Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to US12/086,100 priority patent/US8122856B2/en
Priority to PCT/EP2006/068757 priority patent/WO2007065790A2/de
Priority to BRPI0619408-7A priority patent/BRPI0619408A2/pt
Priority to AU2006324057A priority patent/AU2006324057B2/en
Priority to JP2008542724A priority patent/JP4948543B2/ja
Priority to KR1020087015936A priority patent/KR101332251B1/ko
Priority to CA002632381A priority patent/CA2632381A1/en
Priority to EP06819666.6A priority patent/EP1957864B1/de
Priority to ARP060105308A priority patent/AR056825A1/es
Priority to TW095144956A priority patent/TWI373594B/zh
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Priority to ZA200803925A priority patent/ZA200803925B/xx
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00—Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/06—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/18—Inserts, e.g. for receiving deposits from water

Definitions

  • the invention relates to a steam generator tube with a spin-producing inner profile. It further relates to a continuous steam generator with such steam generator tubes. The invention further relates to a method for producing a steam generator tube provided with a swirl-producing inner profile.
  • gas-tightly welded steam generator tubes are usually used with one another via webs to form a throttle cable surrounding the combustion chamber, which are connected in parallel for the flow of a flow medium.
  • tubes with separate, separate flat iron bars in between, it is also possible to use tubes which are already factory-equipped with molded fins.
  • the steam generator tubes can be arranged vertically or obliquely.
  • the steam generator tubes are generally designed such that sufficient cooling of the steam generator tubes is ensured even at low mass flow densities of the steam generator tubes flowing medium.
  • An important design criterion is the heat transfer properties of a steam generator tube.
  • a high heat transfer allows a particularly effective heating of the medium flowing through the steam generator tube with simultaneous reliable cooling of the steam generator tube per se.
  • the heat transfer behavior of a steam generator tube may be affected by the occurrence of so-called boiling crises in conventional steam generators, which are operated at subcritical pressures.
  • the pipe wall is no longer wetted by the liquid flow medium - usually water - and thus insufficiently cooled. As a result of too early drying could then reduce the strength values of the pipe wall.
  • steam generator tubes which have as a result of a deformation process (eg cold drawing) on its inside a surface structure or an inner profile in the form of helically wound ribs. Due to the shape of the ribs, a swirl is impressed on the medium flowing through the steam generator tube, so that the heavier liquid phase collects on the tube inner wall as a result of the acting centrifugal forces and forms a wetting liquid film there. This ensures a reliable heat transfer from the pipe inner wall to the flow medium even at comparatively high heat flux densities and low mass flow densities.
  • a deformation process eg cold drawing
  • the invention is therefore based on the object of specifying a steam generator tube of the aforementioned type, which has a particularly favorable heat transfer behavior with simple and inexpensive held production and a wide range of different operating conditions. Furthermore, a production method suitable for the production of such a steam generator tube as well as a continuous steam generator are to be specified, which has a particularly simple design with high operational safety and high efficiency.
  • the stated object is achieved according to the invention in that at least one insert is arranged in the tube interior to form a swirl-producing inner profile, wherein the insert comprises a plurality of wires which helically wind along the tube inner wall in the manner of a multi-start thread.
  • the invention is based on the consideration that the multiphase flow should have a twist within a steam generator tube to improve the heat transfer, so that the liquid phase is guided due to the rotation of the pipe inner wall and this wets as evenly as possible.
  • suitable flow-guiding elements should be arranged inside the tube.
  • the flow guide is particularly favorable when on the one hand neither a "Überdrallen” nor too large pressure losses along the flow path occur, on the other hand, the swirl effect is still intense enough to the liquid phase of the flow medium over the entire pipe circumference to the pipe inner wall conduct.
  • the flow-guiding elements should be arranged substantially in the manner of an inner profile on the pipe inner wall and not or only slightly obstruct the pipe cross-section in the center.
  • the swirl-producing internal profile should be realized by tube fittings or inserts which can be made in the desired shape independently of the steam generator tubes and retrofitted into the tube.
  • wires or bands are provided which, after introduction into the steam generator tube, wind helically along the inner wall of the tube so that a substantial part of the tube cross-section remains free (more than 50%) and the steam in the interior of the tube thus remains free accumulate and can flow away.
  • the pitch angle of the respective wire is opposite a plane oriented perpendicular to the tube axis reference plane at least 30 ° and preferably at most 70 °. Especially advantageous is a pitch angle from the interval 40 ° to 55 °.
  • the respective wire has a round or a substantially rectangular cross-section.
  • the edges can be post-processed, so that it is possible to realize comparatively steep flank angles and sharp-edged transitions.
  • the wires can vary in diameter depending on the diameter of the steam generator tube and depending on the intended flow and temperature conditions. In general, a wire diameter or a mean cross-sectional dimension of 5% to 15% of the inner diameter of the smooth tube is advantageous.
  • the respective wire or the tube insert formed from the wires sits at the intended operating temperature of the steam generator tube due to its residual stress slip-resistant in the tube interior.
  • the wire material and the residual stress are thus matched to the geometric conditions that a creeping or slipping of the individual turns is prevented against each other.
  • the wires resting on the tube inner wall can be connected to each other via radial stiffening struts and / or to a central wire running along the tube axis.
  • a support core slipping of the individual spring courses is prevented even in a possible decrease in the wire or spring tension, so that the tube insert permanently retains its original shape and position in the steam generator tube.
  • a number of extending in the direction of the tube axis holding wires may be provided, which are respectively fixed to the pipe interior facing the side of the helically wound wires to this. In this way, a similar effect results as in the execution with the radial stiffening struts.
  • the stiffening struts and / or the retaining wires and / or the central wire comprehensive support core can be made of a lower compared to the swirl-producing, applied to the pipe inner wall wires inferior material, since it must be protected against corrosion or scaling, but not directly with the very high temperatures of the pipe inner wall is loaded.
  • an additional fixation is preferably provided in which the respective profile-forming wire is firmly connected at least at one point, preferably in the vicinity of its two ends, with the tube inner wall.
  • the solid compound is advantageously a high-temperature welded connection.
  • a more elaborate variant to be produced, but which ensures a particularly secure fixation comprises a plurality of distributed over the longitudinal extent of the respective wire spot welds.
  • the welding fixation can be produced particularly well if at least the wires resting on the pipe inner wall of the insert are made of a material having a composition similar to the pipe material.
  • the steam generator tubes described here are used in a fossil-heated continuous steam generator. Due to the swirl-producing inner profile of the tubes and the associated improvements in the heat transfer behavior, a sufficient heat transfer to the flow medium or cooling of the tube walls is ensured even in boiler designs with vertical pipe arrangement ("vertical pipe").
  • vertical pipe with a higher number of tubes and with relatively short pipe lengths allows due to the opposite obliquely or spirally arranged pipes lower flow rates and lower mass flow densities operation of the steam generator with reduced pressure loss and reduced minimum flow rate.
  • the steam generator comprehensive power plant can be designed for a lower minimum load.
  • the above-mentioned tube installations can also result in convective heating, such as is present in waste heat boilers of combined cycle power plants, due to the improved heat transfer to a reduction of the heat exchanger surface and thus to significant cost savings.
  • the above-mentioned object is achieved by inserting a plurality of tensioned wires into a smooth tube, the wires being arranged in the form of a multi-thread, and wherein the wires are relaxed to the point of insertion until their turns abut the pipe inner wall.
  • the multi-start helical spring formed by the pre-aligned wires is biased by being pulled apart or twisted, for example.
  • the insert is retracted into the tube. After its partial relaxation, it presses itself against the inner wall of the pipe.
  • the remaining residual stress of the wires is chosen so that no creep can take place at the intended operating temperature of the evaporator tube.
  • the wires are advantageously welded after their partial relaxation at least at one end to the pipe inner wall.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that with the new tube inserts a flexible, usable for all pipe materials flow guidance in the pipe interior results, which can be adjusted according to the need for heat transfer improvement. Due to the design flexibility brought about by the freely configurable parameters wire diameter, number of turns of the wire arrangement, pitch angle, flank angle and sharp edge, it is possible to set a swirl profile that varies over the length of the evaporator tube and is adapted exactly to the respective local heating. The manufacturing limitations of conventional finned tubes are bypassed. Especially with new power plant developments with higher design values for the steam parameters, the production of finned tubes becomes more and more complicated due to the higher chromium content of the new materials required for higher temperatures and pressures. Here, the new spin-producing internals replace the finned tube or allow such applications in the first place.
  • a continuous steam generator 2 is shown schematically with a rectangular cross-section, the vertical throttle cable is formed by a Um chargedsungs- or combustion chamber wall 4, which merges at the lower end in a funnel-shaped bottom 6.
  • a number of burners for a fuel in each case an opening 8, only two of which are visible, mounted in the combustion chamber wall 4 composed of steam generator tubes 10.
  • the vertically arranged steam generator tubes 10 are gas-tightly welded together in the firing zone V to form an evaporator heating surface 12.
  • FIG. 2 shows in a sectional view a section of a steam generator tube 10 used for the bore of the combustion chamber wall 4 of the continuous steam generator 2.
  • an insert 22 is introduced which forms a swirl-producing inner profile to improve the heat transfer behavior.
  • the insert 22 comprises three wires 24, which run along the tube inner wall 26 in the manner of a three-start thread with a constant pitch angle (and thus with a constant pitch). As a result of their residual stress, the wires 24 are firmly against the tube inner wall 26.
  • the wires 24 are each fixed at several points, in particular in the vicinity of their two ends, by spot welding to the tube inner wall 26.
  • the wires 24 are in the embodiment as well as the tube wall 28 of the female tube 20 receiving them from a highly heat-resistant metallic material with a high chromium content.
  • a highly heat-resistant metallic material with a high chromium content there are also other suitable materials which are familiar to the expert, for. Eg 13CrMo44.
  • the cross-sectional profile of the wires 24 is an important design criterion. In particular, due to the separate from the smooth tube 20 production of the respective Wire 24 whose height and width and the flank angle relative to the pipe inner wall 26 and the sharpness of the edges are arbitrarily specified.
  • the geometrical parameters are usually chosen similar to the ribs of conventional finned tubes.
  • a location-dependent adaptation and optimization can take place, which takes into account the course of the heating profile along the combustion chamber wall 4.
  • FIG 3 shows a development of the known from FIG 2 embodiment of the steam generator tube 10, in which the voltage applied to the pipe inner wall 26 wires 24 are connected via welded radial stiffening struts 30 with a running along the tube axis center wire 32, so that slippage of the individual spring courses or Wire turns against each other is effectively prevented even with decreasing spring action. Since the support core comprising the stiffening struts 30 and the central wire 32 is not exposed to temperatures as high as the swirl-producing wires 24 resting on the pipe inner wall 26, it is made of a less high-quality material.
  • FIG. 4 shows a further embodiment which is also combined with the variant known from FIG can.
  • three parallel to the tube axis extending holding wires 34 are provided which prevent slippage of the swirl-producing, helically wound wires 24.
  • the retaining wires 34 are viewed in cross-section evenly distributed over the inner tube circumference and each fixed to the pipe interior 18 facing side of the profiling wires 24 to the same.

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Abstract

Ein Dampferzeugerrohr (10) soll bei einfach und kostengünstig gehaltener Fertigung und bei einer großen Bandbreite unterschiedlicher Betriebsbedingungen ein besonders günstiges Wärmeübergangsverhalten aufweisen. Dazu ist erfindungsgemäß mindestens ein Einsatz (22) im Rohrinnenraum (18) zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils angeordnet, wobei der Einsatz (22) eine Mehrzahl von Drähten (24) umfasst, die sich in der Art eines mehrgängigen Gewindes schraubenförmig an der Rohrinnenwand (26) entlangwinden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Dampferzeugerrohr mit einem drallerzeugenden Innenprofil. Sie betrifft weiterhin einen Durchlaufdampferzeuger mit derartigen Dampferzeugerrohren. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem drallerzeugenden Innenprofil versehenen Dampferzeugerrohres.
  • In den Brennkammerwänden eines Durchlaufdampferzeugers werden üblicherweise miteinander über Stege gasdicht verschweißte Dampferzeugerrohre zur Bildung eines den Feuerraum umgebenden Gaszuges eingesetzt, die für den Durchfluss eines Strömungsmediums parallel geschaltet sind. Anstelle von Rohren mit dazwischen liegenden, separaten Flacheisenstegen können auch Rohre verwendet werden, die bereits werksseitig mit angeformten Flossen ausgerüstet sind. Die Dampferzeugerrohre können dabei vertikal oder auch schräg angeordnet sein. Für ein sicheres Betriebsverhalten des Durchlaufdampferzeugers sind die Dampferzeugerrohre in der Regel derart ausgelegt, dass auch bei niedrigen Massenstromdichten des die Dampferzeugerrohre durchströmenden Mediums eine ausreichende Kühlung der Dampferzeugerrohre gewährleistet ist.
  • Ein wichtiges Auslegungskriterium sind die Wärmeübergangseigenschaften eines Dampferzeugerrohres. Ein hoher Wärmeübergang ermöglicht eine besonders effektive Beheizung des das Dampferzeugerrohr durchströmenden Mediums bei gleichzeitig zuverlässiger Kühlung des Dampferzeugerrohres an sich. Das Wärmeübergangsverhalten eines Dampferzeugerrohres kann bei konventionellen Dampferzeugern, die bei unterkritischen Drücken betrieben werden, durch das Auftreten so genannter Siedekrisen beeinträchtigt sein. Dabei wird die Rohrwand nicht mehr vom flüssigen Strömungsmedium - in der Regel Wasser - benetzt und somit nur unzureichend gekühlt. Infolge von zu frühem Austrocknen könnten dann die Festigkeitswerte der Rohrwand reduziert werden.
  • Für eine Verbesserung des Wärmeübergangsverhaltens kommen üblicherweise Dampferzeugerrohre zum Einsatz, die infolge eines Verformungsprozesses (z. B. Kaltziehen) auf ihrer Innenseite eine Oberflächenstruktur oder ein Innenprofil in der Art schraubenförmig gewundener Rippen aufweisen. Durch die Formgebung der Rippen wird dem das Dampferzeugerrohr durchströmenden Medium ein Drall eingeprägt, so dass sich die schwerere flüssige Phase infolge der wirkenden Zentrifugalkräfte an der Rohrinnenwand sammelt und dort einen benetzenden Flüssigkeitsfilm ausbildet. Damit ist auch bei vergleichsweise hohen Wärmestromdichten und niedrigen Massenstromdichten ein zuverlässiger Wärmeübergang von der Rohrinnenwand auf das Strömungsmedium gewährleistet.
  • Nachteilig ist bei den bekannten Dampferzeugerrohren, dass diese infolge der begrenzten Verformbarkeit des Rohrmaterials vergleichsweise aufwändig herzustellen sind. Insbesondere bei hochwarmfesten Stählen mit hohem Chromgehalt ist die Verformbarkeit stark eingeschränkt. Derartige Werkstoffe spielen bei Dampferzeugerrohren heutzutage eine immer wichtigere Rolle, da sie - zumindest im Prinzip - eine Auslegung eines Dampferzeugers für besonders hohe Dampfparameter, insbesondere für hohe Frischdampftemperaturen, und damit einhergehend besonders hohe Wirkungsgrade gestatten. Durch die materialbedingten Einschränkungen bei der Verarbeitung ist es jedoch in der Praxis nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich, innenberippte Rohre mit den gewünschten, strömungstechnisch vorteilhaften Rippenprofilen im Rahmen eines Verformungsprozesses aus Glattrohren zu erzeugen. Insbesondere sind hinreichend steile Flankenwinkel und scharfkantige Übergänge in Verbindung mit großen Rippenhöhen nur schwer nicht fertigbar. Darüber hinaus ist die Höhe der Rippen nur innerhalb eines engen Rahmens fertigbar. Zudem ergibt sich eine nur geringe Flexibilität bezüglich der Profilgestaltung entlang des Rohres.
  • Alternativ wurden bereits verschiedenartige drallerzeugende Einbauteile zum nachträglichen Einbau in ein Dampferzeugerrohr vorgeschlagen. Zu diesen zählen insbesondere die so genannten "Twisted Tapes": Aus einem Metallstreifen gefertigte Bänder, die in sich verdrillt oder gewunden sind. Den bislang bekannten Rohreinbauten ist allerdings der Nachteil gemeinsam, dass sie zum einen den (ursprünglich) freien Querschnitt im Zentrum des Rohres versperren und daher zu sehr hohen Druckverlusten führen, und dass sie zum anderen die gesamte Strömung ausgesprochen stark umlenken und dabei teilweise "überdrallen". Ein einfaches Twisted Tape z. B. führt bei höheren Dampfgehalten in der Zweiphasenströmung zu einem Ansammeln der Wasserphase im Zwickel zwischen der Rohrwand und dem Tape bei gleichzeitigem Austrocknen und damit unzureichender Kühlung der Innenwandbereiche leeseitig des Tapes. Dampferzeugerrohre mit Einbauten in der Art von Twisted Tapes sind daher nicht für alle bei Dampferzeugern üblicherweise auftretenden Betriebsbedingungen gleichermaßen geeignet.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Dampferzeugerrohr der eingangs genannten Art anzugeben, das bei einfach und kostengünstig gehaltener Fertigung und bei einer großen Bandbreite unterschiedlicher Betriebsbedingungen ein besonders günstiges Wärmeübergangsverhalten aufweist. Des Weiteren sollen ein zur Herstellung eines derartigen Dampferzeugerrohres geeignetes Herstellungsverfahren sowie ein Durchlaufdampferzeuger angegeben werden, der bei hoher betrieblicher Sicherheit und bei einem hohen Wirkungsgrad einen besonders einfachen Aufbau besitzt.
  • Bezüglich des Dampferzeugerrohres wird die genannten Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Einsatz im Rohrinneren angeordnet ist, wobei der Einsatz eine Mehrzahl von Drähten umfasst, die sich in der Art eines mehrgängigen Gewindes schraubenförmig an der Rohrinnenwand entlangwinden.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Mehrphasenströmung innerhalb eines Dampferzeugerrohres zur Verbesserung des Wärmeüberganges einen Drall aufweisen sollte, so dass die flüssige Phase infolge der Rotation an die Rohrinnenwand geführt wird und diese möglichst gleichmäßig benetzt. Für eine gezielte Herstellung und Aufrechterhaltung einer derartigen Drallströmung sollten daher geeignete strömungsführende Elemente im Rohrinneren angeordnet sein. Wie sich herausgestellt hat, ist die Strömungsführung dann besonders günstig, wenn einerseits weder ein "Überdrallen" noch allzu große Druckverluste entlang des Strömungsweges auftreten, andererseits die Drallwirkung dennoch intensiv genug ist, um die flüssige Phase des Strömungsmediums über den gesamten Rohrumfang an die Rohrinnenwand zu leiten.
  • Zur Vermeidung hoher Druckverluste, die zu einem hohen Eigenenergiebedarf für die Speisewasserpumpe führen, und zur Sicherstellung der Dampfabfuhr im Rohrinneren sollten die strömungsführenden Elemente im Wesentlichen in der Art eines Innenprofils an der Rohrinnenwand angeordnet sein und den Rohrquerschnitt im Zentrum nicht oder nur geringfügig versperren. Um überdies die mit den Rippenrohren konventioneller Bauart verbundenen Fertigungslimitierungen zu umgehen, sollte das drallerzeugende Innenprofil durch Rohreinbauten oder Einsätze verwirklicht werden, die unabhängig von dem Dampferzeugerrohre in der gewünschten Form hergestellt werden können und nachträglich in das Rohr eingezogen werden. Zu diesem Zweck sind bei dem hier vorgestellten neuen Konzept Drähte oder Bänder vorgesehen, die sich nach dem Einbringen in das Dampferzeugerrohr schraubenförmig an der Rohrinnenwand entlangwinden, so dass ein wesentlicher Teil des Rohrquerschnitts (mehr als 50 %) frei bleibt und der Dampf im Rohrinneren somit akkumulieren und abströmen kann.
  • Weiterhin wurde erkannt, dass eine einfache, d. h. eingängige Schraubenfeder in der Regel nur einen schwachen Drall erzeugt. Die Strömung kann dabei über den an der Rohrinnenwand anliegenden Draht scheren. Aufgrund der geringeren Rotation kommt es dann zu einem früheren Auftreten der Siedekrise. Dieser Effekt könnte zwar beispielsweise durch einen größeren Drahtdurchmesser (analog einer größeren Rippenhöhe) kompensiert werden, jedoch führt dies bei einer Drahtanordnung in der Art einer einfachen Schraubfeder leicht zu einem Ansammeln oder Aufstauen der Wasserphase im Zwickel zwischen der Rohrwand und dem Drahteinsatz bei gleichzeitigem Austrocknen der Innenwandbereiche leeseitig des Drahtes, d. h. zu einer unzureichenden Kühlung der entsprechenden Wandbereiche. Derartige Nachteile werden gemäß dem hier vorgestellten Konzept vermieden, indem eine Mehrzahl von Drähten in der Art eines mehrgängigen Gewindes jeweils schraubenförmig an der Rohrinnenwand anliegt. Bei dieser Ausführung wird auch bei moderater Drallstärke und vergleichsweise geringem Druckverlust eine gleichmäßige Benetzung der Rohrinnenwand mit flüssigem Strömungsmittel erreicht; ein Überdrallen der Strömung wird andererseits vollständig vermieden.
  • Besonders vorteilhaft ist zudem, dass im Gegensatz zu Rippenrohren herkömmlicher Bauart, die durch einen Verformungsprozess unter Einsatz erheblicher Verformungskräfte aus Glattrohren hergestellt werden, eine große Flexibilität hinsichtlich der strömungsrelevanten Parameter, wie etwa Profilhöhe, Gangzahl, Steigungswinkel, Flankenwinkel und Scharfkantigkeit besteht. Entsprechende Designvorgaben können bei der Ausführung als Einsatzbauteil besonders einfach und präzise umgesetzt werden, da hierzu in der Regel nur Drähte oder Metallbänder mit dem passenden Querschnittsprofil zur Verfügung gestellt und in die gewünschte Anordnung gebracht werden müssen, z. B. durch Drillung und/oder Verbiegung.
  • Bei Dampferzeugerrohren mit üblichen Dimensionen und Abmessungen ist eine Anordnung der Drähte in der Art eines zwei- oder dreigängigen Gewindes besonders zweckmäßig. Aber auch vier- bis sechsgängige Ausführungen können vorteilhaft sein; bei Dampferzeugerrohren mit besonders großem Durchmesser sind sogar achtgängige Varianten denkbar. Vorteilhafterweise beträgt der Steigungswinkel des jeweiligen Drahtes gegenüber einer senkrecht zur Rohrachse orientierten Bezugsebene mindestens 30° und vorzugsweise höchstens 70°. Ganz besonders vorteilhaft ist ein Steigungswinkel aus dem Intervall 40° bis 55°.
  • Für eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit weist der jeweilige Draht einen runden oder einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Bei der letztgenannten Ausführungsform können insbesondere die Kanten nachbearbeitet sein, so dass sich vergleichsweise steile Flankenwinkel und scharfkantige Übergänge realisieren lassen. Die Drähte können je nach Durchmesser des Dampferzeugerrohres und je nach den vorgesehenen Strömungs- und Temperaturverhältnissen im Durchmesser variieren. Im Allgemeinen ist ein Drahtdurchmesser bzw. eine mittlere Querschnittsausdehnung von 5 % bis 15 % des Innendurchmessers des Glattrohres vorteilhaft.
  • Vorteilhafterweise sitzt der jeweilige Draht bzw. der aus den Drähten gebildete Rohreinsatz bei der vorgesehenen Betriebstemperatur des Dampferzeugerrohres infolge seiner Eigenspannung rutschfest im Rohrinnenraum. Das Drahtmaterial und die Eigenspannung sind also derart auf die geometrischen Verhältnisse abgestimmt, dass ein Kriechen oder ein Verrutschen der einzelnen Windungen gegeneinander unterbunden ist.
  • Falls es sich als notwendig erweist, können die an der Rohrinnenwand anliegenden Drähte über radiale Versteifungsstreben miteinander und/oder mit einem entlang der Rohrachse verlaufenden Mitteldraht verbunden sein. Durch einen derartigen Stützkern wird ein Verrutschen der einzelnen Federgänge auch bei einem eventuellen Nachlassen der Draht- bzw. Federspannung verhindert, so dass der Rohreinsatz seine ursprüngliche Form und Lage im Dampferzeugerrohr dauerhaft beibehält. Zusätzlich oder alternativ können eine Anzahl von in Richtung der Rohrachse verlaufenden Haltedrähte vorgesehen sein, die jeweils an der zum Rohrinnenraum gewandten Seite der schraubenförmig gewundenen Drähte an diesen fixiert sind. Auf diese Weise ergibt sich eine ähnliche Wirkung wie bei der Ausführung mit den radialen Versteifungsstreben. Der die Versteifungsstreben und/oder die Haltedrähte und/oder den Mitteldraht umfassende Stützkern kann aus einem im Vergleich zu den drallerzeugenden, an der Rohrinnenwand anliegenden Drähten minderwertigerem Werkstoff gefertigt sein, da er nur gegen Korrosion bzw. Verzunderung geschützt sein muss, jedoch nicht unmittelbar mit den sehr hohen Temperaturen der Rohrinnenwand belastet wird.
  • Obwohl der Rohreinsatz bereits infolge der Eigenspannung seiner Drähte relativ fest und sicher im Dampferzeugerrohr sitzt, ist vorzugsweise eine zusätzliche Fixierung vorgesehen, bei der der jeweilige profilbildende Draht mindestens an einer Stelle, bevorzugt in der Nähe seiner beiden Enden, mit der Rohrinnenwand fest verbunden ist. Die feste Verbindung ist dabei vorteilhafterweise eine hochwarmfeste Schweißverbindung. Eine etwas aufwendiger herzustellende Variante, die aber eine besonders sichere Fixierung gewährleistet, umfasst eine Mehrzahl von über die Längsausdehnung des jeweiligen Drahtes verteilten Punktschweißstellen. Die Schweißfixierung lässt sich besonders gut herstellen, wenn zumindest die an der Rohrinnenwand anliegenden Drähte des Einsatzes aus einem Werkstoff mit einer dem Rohrmaterial ähnlichen Zusammensetzung hergestellt sind.
  • Weiterhin ist es gerade bei einem vergleichsweise langen, sich über die gesamte Höhe des Dampfkessels erstreckenden Dampferzeugerrohr wünschenswert, entlang seiner Längsausdehnung je nach Ort unterschiedliche Führungsprofile im Rohrinneren vorzusehen, die der räumlichen Entwicklung bzw. Variation sowohl des Dampfanteils als auch des Beheizungsprofils Rechnung tragen. Ein derartiges Konzept lässt sich vorteilhafterweise dadurch realisieren, dass eine Mehrzahl von Einsätzen in das Dampferzeugerrohr eingebracht ist, die in jeweils getrennten Rohrabschnitten angeordnet sind, wobei der jeweilige Einsatz mit seinen geometrischen Parametern an die im Betrieb vorgesehene lokale Beheizung und/oder an die lokalen Strömungsverhältnisse angepasst ist. Da sich ferner herausgestellt hat, dass der Drall nach einmaliger Generierung auch bei einer Zweiphasenströmung mindestens über eine Strömungsstrecke von fünf Rohrdurchmessern erhalten bleibt, ist keine vollständige, lückenlose Bestückung des Rohres notwendig. Vielmehr können die Einsätze durch Zwischenräume voneinander beabstandet in das Dampferzeugerrohr eingebaut sein.
  • Zweckmäßigerweise werden die hier beschriebenen Dampferzeugerrohre bei einem fossil beheizten Durchlaufdampferzeuger eingesetzt. Durch das drallerzeugende Innenprofil der Rohre und die damit verbundenen Verbesserungen im Wärmeübergangsverhalten ist auch bei Kesselkonstruktionen mit vertikaler Rohranordnung ("senkrechte Berohrung") eine ausreichende Wärmeübertragung auf das Strömungsmedium bzw. eine Kühlung der Rohrwände gewährleistet. Eine Senkrechtberohrung mit höherer Rohranzahl und mit vergleichsweise kurzen Rohrleitungslängen ermöglicht aufgrund der gegenüber schräg bzw. spiralförmig angeordneten Rohren geringeren Strömungsgeschwindigkeiten und geringeren Massenstromdichten einen Betrieb des Dampferzeugers mit reduziertem Druckverlust und mit reduziertem Mindestdurchsatz. Damit kann das den Dampferzeuger umfassende Kraftwerk für eine geringere Mindestlast ausgelegt sein. Die von geneigten Dampferzeugerrohren bekannten Separationseffekte, bei denen Wasser und Dampf bei Unterschreiten einer Mindestströmungsgeschwindigkeit bzw. einer Mindestlast nur noch geschichtet strömen, so dass Teilbereiche der Rohrwände nicht mehr benetzt werden, treten bei Senkrechtberohrung nicht auf. Außerdem entfallen aufwendige, mit umfangreichen und kostenintensiven Schweißarbeiten verbundene Tragkonstruktionen für den Dampfkessel, da eine Kesselwand mit senkrechter Berohrung in der Regel selbsttragend ausgelegt werden kann.
  • Weiterhin können die genannten Rohreinbauten auch bei konvektiver Beheizung, wie sie etwa im Abhitzekessel von GuD-Kraftwerken vorliegt, aufgrund des verbesserten Wärmeüberganges zu einer Reduzierung der Wärmetauscherfläche und damit zu deutlichen Kosteneinsparungen führen.
  • In Bezug auf das Herstellungsverfahren wird die oben genannte Aufgabe gelöst, indem eine Mehrzahl von unter Spannung stehenden Drähten in ein Glattrohr eingebracht wird, wobei die Drähte in der Art eines mehrgängigen Gewindes angeordnet sind, und wobei die Drähte nach dem Einbringen soweit entspannt werden, bis ihre Windungen an der Rohrinnenwand anliegen. Mit anderen Worten: Die von den vorab ausgerichteten Drähten gebildete mehrgängige Schraubfeder wird vorgespannt, indem sie beispielsweise auseinandergezogen oder in sich verdrillt wird. In diesem Zustand mit reduziertem Durchmesser wird der Einsatz in das Rohr eingezogen. Nach seiner teilweisen Entspannung presst er sich selbsttätig an die Rohrinnenwand an. Die verbleibende Eigenspannung der Drähte ist dabei so gewählt, dass bei der vorgesehenen Betriebstemperatur des Verdampferrohres kein Kriechen stattfinden kann. Zusätzlich werden die Drähte nach ihrer partiellen Entspannung vorteilhafterweise mindestens an einem Ende mit der Rohrinnenwand verschweißt.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass sich mit den neuen Rohreinsätzen eine flexible, für alle Rohrmaterialien einsetzbare Strömungsführung im Rohrinnenraum ergibt, die entsprechend dem Bedarf nach Wärmeübergangsverbesserung angepasst werden kann. Aufgrund der durch die frei gestaltbaren Parameter Drahtdurchmesser, Gangzahl der Drahtanordnung, Steigungswinkel, Flankenwinkel und Scharfkantigkeit bewirkten Designflexibilität kann ein über die Länge des Verdampferrohres variierendes Drallprofil eingestellt werden, das exakt an die jeweilige örtliche Beheizung angepasst ist. Dabei werden die Fertigungsbegrenzungen der herkömmlichen Rippenrohre umgangen. Vor allem bei Kraftwerksneuentwicklungen mit höheren Auslegungswerten für die Dampfparameter wird die Fertigung von Rippenrohren aufgrund des höheren Chromgehaltes der für höhere Temperaturen und Drücke notwendigen neuen Materialien immer aufwendiger. Hier können die neuen drallerzeugenden Einbauten das Rippenrohr ersetzen bzw. solche Anwendungen überhaupt erst ermöglichen.
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1
    einen Durchlaufdampferzeuger in vereinfachter Darstellung mit vertikal berohrter Brennkammerwand,
    FIG 2
    eine geschnittene Ansicht eines Dampferzeugerrohres mit einem ein drallerzeugendes Innenprofil ausbildenden Einsatz,
    FIG 3
    eine geschnittene Ansicht und einen Querschnitt durch ein Dampferzeugerrohr gemäß einer alternativen Ausführungsform, und
    FIG 4
    eine geschnittene Ansicht und einen Querschnitt durch ein Dampferzeugerrohr gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • Gleiche Teile sind allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In FIG 1 ist schematisch ein Durchlaufdampferzeuger 2 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, dessen vertikaler Gaszug durch eine Umfassungs- oder Brennkammerwand 4 gebildet ist, die am unteren Ende in einen trichterförmigen Boden 6 übergeht.
  • In einem Befeuerungsbereich V des Gaszugs sind eine Anzahl von Brennern für einen Brennstoff in jeweils einer Öffnung 8, von denen nur zwei sichtbar sind, in der aus Dampferzeugerrohren 10 zusammengesetzten Brennkammerwand 4 angebracht. Die vertikal angeordneten Dampferzeugerrohre 10 sind im Befeuerungsbereich V zu einer Verdampferheizfläche 12 gasdicht miteinander verschweißt.
  • Oberhalb des Befeuerungsbereiches V des Gaszugs befinden sich Konvektionsheizflächen 14. Darüber befindet sich ein Rauchgasaustrittskanal 16, über den das durch Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugte Rauchgas RG den vertikalen Gaszug verlässt. Das in den Dampferzeugerrohren 10 strömende Strömungsmedium wird durch die Strahlungswärme der Brennerflammen und durch konvektive Wärmeübertragung vom Rauchgas RG beheizt und dabei verdampft. Als Strömungsmedium ist im Ausführungsbeispiel Wasser oder ein Wasser-Dampf-Gemisch vorgesehen.
  • Neben dem in FIG 1 gezeigten Ein-Zug-Kessel (so genannter Turmkessel) sind selbstverständlich auch noch weitere Kesselkonfigurationen, z. B. in der Art eines Zwei-Zug-Kessels, möglich. Die nachfolgend zu beschreibenden Dampferzeugerrohre können bei allen diesen Varianten zum Einsatz kommen, und zwar sowohl im Befeuerungsbereich als auch im restlichen Rauchgaskanal. Auch ein Einsatz bei einem Abhitzedampferzeuger ist denkbar.
  • FIG 2 zeigt in einer geschnittenen Ansicht einen Ausschnitt eines für die Berohrung der Brennkammerwand 4 des Durchlaufdampferzeugers 2 eingesetzten Dampferzeugerrohres 10. In den Rohrinnenraum 18 eines Glattrohres 20 ist ein Einsatz 22 eingebracht, der zur Verbesserung des Wärmeübergangsverhaltens ein drallerzeugendes Innenprofil ausbildet. Der Einsatz 22 umfasst im Ausführungsbeispiel drei Drähte 24, die sich in der Art eines dreigängigen Gewindes mit konstantem Steigungswinkel (und damit mit konstanter Ganghöhe) an der Rohrinnenwand 26 entlangwinden. Infolge ihrer Eigenspannung liegen die Drähte 24 fest an der Rohrinnenwand 26 an. Zusätzlich sind die Drähte 24 jeweils an mehreren Stellen, insbesondere in der Nähe ihrer beiden Enden, durch Punktschweißung an der Rohrinnenwand 26 fixiert.
  • Die Drähte 24 bestehen im Ausführungsbeispiel wie auch die Rohrwand 28 des sie aufnehmenden Glattrohres 20 aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff mit hohem Chromanteil. Daneben existieren natürlich auch noch andere geeignete Materialien, die dem Fachmann geläufig sind, z. B. 13CrMo44. Neben der Anzahl der Drähte 24 (Gangzahl der Schraubenfeder) und dem Steigungswinkel ist das Querschnittsprofil der Drähte 24 ein wichtiges Auslegungskriterium. Insbesondere können aufgrund der vom Glattrohr 20 separaten Fertigung des jeweiligen Drahtes 24 dessen Höhe und Breite sowie der Flankenwinkel gegenüber der Rohrinnenwand 26 und die Schärfe der Kanten beliebig vorgegeben werden. In erster Näherung werden in der Regel die geometrischen Parameter ähnlich wie bei den Rippen konventioneller Rippenrohre gewählt. Darüber hinaus kann aber auch noch eine ortsabhängige Anpassung und Optimierung erfolgen, die auf den Verlauf des Beheizungsprofils entlang der Brennkammerwand 4 Rücksicht nimmt.
  • FIG 3 zeigt eine Weiterbildung der aus FIG 2 bekannten Ausführungsform des Dampferzeugerrohres 10, bei der die an der Rohrinnenwand 26 anliegenden Drähte 24 über angeschweißte radiale Versteifungsstreben 30 mit einem entlang der Rohrachse verlaufenden Mitteldraht 32 verbunden sind, so dass ein Verrutschen der einzelnen Federgänge bzw. Drahtwindungen gegeneinander auch bei nachlassender Federwirkung wirksam verhindert ist. Da der die Versteifungsstreben 30 und den Mitteldraht 32 umfassende Stützkern nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt ist wie die an der Rohrinnenwand 26 anliegenden, drallerzeugenden Drähte 24, ist er aus einem weniger hochwertigen Material gefertigt.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 3 sind jeweils drei der dünnen radialen Versteifungsstreben 30 zu einem in einer gemeinsamen Querschnittsebene durch das Dampferzeugerrohr 10 liegenden regelmäßigen Stern zusammengefasst. Mehrere dieser Sterne sind in regelmäßigen Abständen in Längsrichtung des Dampferzeugerrohres 10 hintereinander angeordnet. Wie aus dem im rechten oberen Ausschnitt der FIG 3 gezeigten Querschnitt durch das Dampferzeugerrohr 10 ersichtlich ist, sind alle Sterne gleich ausgerichtet, so dass die einander entsprechenden Versteifungsstreben 30 hintereinander angeordneter Sterne im Querschnitt deckungsgleich zu liegen kommen. Dadurch wird die Drallströmung im Rohrinnenraum 18 nur unwesentlich gestört.
  • FIG 4 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsvariante, die auch mit der aus FIG 3 bekannten Variante kombiniert werden kann. Dabei sind drei parallel zur Rohrachse verlaufende Haltedrähte 34 vorgesehen, welche ein Verrutschen der drallerzeugenden, schraubenförmig gewundenen Drähte 24 verhindern. Die Haltedrähte 34 sind im Querschnitt betrachtet gleichmäßig über den inneren Rohrumfang verteilt und jeweils an der zum Rohrinnenraum 18 gewandten Seite der profilgebenden Drähte 24 an denselben fixiert.

Claims (14)

  1. Dampferzeugerrohr (10), bei dem zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Einsatz (22) im Rohrinnenraum (18) angeordnet ist, wobei der Einsatz (22) eine Mehrzahl von Drähten (24) umfasst, die sich in der Art eines mehrgängigen Gewindes schraubenförmig an der Rohrinnenwand (26) entlang winden.
  2. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 1, bei dem der Steigungswinkel des jeweiligen Drahtes (24) gegenüber einer senkrecht zur Rohrachse orientierten Bezugsebene mindestens 30° und vorzugsweise höchstens 70° beträgt.
  3. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der jeweilige Draht (24) einen runden Querschnitt aufweist.
  4. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der jeweilige Draht (24) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  5. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der jeweilige Draht (24) infolge seiner Eigenspannung bei der vorgesehenen Betriebstemperatur rutschfest im Rohrinnenraum (18) sitzt.
  6. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die an der Rohrinnenwand (26) anliegenden Drähte (24) über radiale Versteifungsstreben (30) miteinander und/oder mit einem entlang der Rohrachse verlaufenden Mitteldraht (32) verbunden sind.
  7. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Anzahl von in Richtung der Rohrachse verlaufenden Haltedrähten vorgesehen ist, die jeweils an der zum Rohrinnenraum (18) gewandten Seite der Drähte (24) an den Drähten (24) fixiert sind.
  8. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der jeweilige Draht (24) mindestens an einer Stelle, bevorzugt in der Nähe seiner beiden Enden, mit der Rohrinnenwand (26) fest verbunden ist.
  9. Dampferzeugerrohr (10) nach Anspruch 8, bei dem die feste Verbindung eine Schweißverbindung ist.
  10. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem zumindest die an der Rohrinnenwand (26) anliegenden Teile des Einsatzes (22) aus einem Werkstoff mit einer dem Rohrmaterial ähnlichen Zusammensetzung hergestellt sind.
  11. Dampferzeugerrohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Mehrzahl von Einsätzen (22), die in jeweils getrennten Rohrabschnitten angeordnet sind, wobei der jeweilige Einsatz (22) mit seinen geometrischen Parametern an die im Betrieb vorgesehene lokale Beheizung und/oder an die lokalen Strömungsverhältnisse angepasst ist.
  12. Durchlaufdampferzeuger (2), der eine Anzahl von Dampferzeugerrohren (10) umfasst, die nach einem der Ansprüche 1 bis 11 gebildet sind.
  13. Verfahren zum Herstellen eines mit einem drallerzeugenden Innenprofil versehenen Dampferzeugerrohres (10), bei dem eine Mehrzahl von unter Spannung stehenden Drähten (24) in ein Glattrohr (20) eingebracht wird, wobei die Drähte (24) in der Art eines mehrgängigen Gewindes angeordnet sind, und wobei die Drähte (24) nach dem Einbringen so weit entspannt werden, bis ihre Windungen an der Rohrinnenwand (26) anliegen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Drähte (24) nach ihrer partiellen Entspannung mindestens an einem Ende mit der Rohrinnenwand (26) verschweißt werden.
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