EP1957864A2 - Dampferzeugerrohr, zugehöriges herstellungsverfahren sowie durchlaufdampferzeuger - Google Patents

Dampferzeugerrohr, zugehöriges herstellungsverfahren sowie durchlaufdampferzeuger

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EP1957864A2
EP1957864A2 EP06819666A EP06819666A EP1957864A2 EP 1957864 A2 EP1957864 A2 EP 1957864A2 EP 06819666 A EP06819666 A EP 06819666A EP 06819666 A EP06819666 A EP 06819666A EP 1957864 A2 EP1957864 A2 EP 1957864A2
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EP
European Patent Office
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tube
steam generator
wires
wall
pipe
Prior art date
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EP06819666A
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English (en)
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EP1957864B1 (de
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Joachim Franke
Oliver Herbst
Holger Schmidt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP1957864A2 publication Critical patent/EP1957864A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1957864B1 publication Critical patent/EP1957864B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a steam generator tube with a swirl-generating inner profile. It also relates to a once-through steam generator with such steam generator pipes. The invention further relates to a method for producing a steam generator tube provided with a swirl-generating inner profile.
  • a once-through steam generator In the combustion chamber walls of a once-through steam generator are usually employed with one another via webs welded gas-tight steam generator tubes to form a combustion chamber surrounding the gas flue, which are connected in parallel for the flow of a flow ⁇ medium.
  • tubes with ⁇ instead of tubes with ⁇ as intermediate, separate flat bar webs may also pipes are used, which are factory equipped with angeform- th fins.
  • the steam generator tubes can be arranged vertically or at an angle.
  • the steam generator tubes are typically designed so that even at low mass flow density of the steam generator tubes by the flowing medium a sufficient cooling of the steam generator tubes is ensured for a si ⁇ cheres performance of the once-through steam generator.
  • the heat transfer ⁇ properties of a steam generator tube An important design criterion, the heat transfer ⁇ properties of a steam generator tube.
  • a high heat transfer enables a particularly effective heating of the medium flowing through the steam generator tube with reliable cooling of the steam generator tube itself.
  • the heat transfer behavior of a steam generator tube can be impaired in conventional steam generators that are operated at subcritical pressures by the occurrence of so-called boiling crises.
  • the pipe wall is no longer wetted by the liquid flow medium - usually water - and is therefore only insufficiently cooled. As a result of Drying out early could then reduce the strength values of the pipe wall.
  • steam generator tubes which, as a result of a deformation process (eg cold drawing), have a surface structure on the inside or an inner profile in the manner of helically wound ribs.
  • the shape of the ribs which is the steam generator tube Menden throughflow medium is to swirl, so that the pivoting ⁇ eral liquid phase due to the centrifugal forces acting on the tube inner wall collects and forms there a wetting flues ⁇ stechniksfilm. This ensures reliable heat transfer from the inner pipe wall to the flow medium even with comparatively high heat flow densities and low mass flow densities.
  • a disadvantage of the known steam generator tubes is that they are comparatively complex to produce due to the limited deformability of the tube material.
  • the formability is severely restricted, particularly in the case of high-temperature steels with a high chromium content.
  • Such materials play an increasingly important role in steam generator tubes nowadays, since - at least in principle - they allow a steam generator to be designed for particularly high steam parameters, in particular for high fresh steam temperatures, and the associated high efficiency. Due to the material-related restrictions in processing, it is not possible in practice, or only with considerable effort, to produce internally finned tubes with the desired, aerodynamically advantageous finned profiles as part of a deformation process from smooth tubes.
  • Steam generator tubes with internals in the manner of twisted tapes are therefore not equally suitable for all the operating conditions that usually occur with steam generators.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a steam ⁇ generator tube of the type mentioned, which has a particularly favorable heat transfer behavior with simple and inexpensive manufacturing and with a wide range of different operating conditions. Furthermore, a production method suitable for the production of such a steam generator tube and a continuous steam generator are to be specified which have a particularly simple structure with high operational safety and with high efficiency.
  • the aforementioned object is achieved according to the invention by an insert disposed in the tube interior to form a drallerzeu ⁇ constricting the inner profile at least, the insert holds a plurality of wires environmentally along writhe in the manner of a multiple thread helically on the tube inner wall .
  • the invention proceeds from the consideration that the multiphase flow is to have a swirl within a steam generator tube to improve the heat transfer ⁇ te, so that the liquid phase due to the rotation of the inner pipe wall is guided and wets uniformly as possible. Suitable flow-guiding elements should therefore be arranged in the interior of the tube for the targeted production and maintenance of such a swirl flow.
  • the flow guidance is particularly bene- ficial if one hand does not "over-twisting" still too much pressure drops along the flow path occurring defects th ⁇ , on the other hand, the swirl effect is still intense enough to the liquid phase of the flow medium on the ge ⁇ to lead the entire pipe circumference to the inner pipe wall.
  • the flow-guiding elements are substantially in the manner of a home should be nenprofils arranged on the inner tube wall and the tube ⁇ cross-section not in the center, or only block slightly.
  • the swirl-generating inner profile should be implemented by means of tube internals or inserts which can be produced in the desired shape independently of the steam generator tubes and are subsequently drawn into the tube.
  • the new concept presented here provides for wires or strips which, after being introduced into the steam generator pipe, wind helically along the inside wall of the pipe, so that a substantial part of the pipe cross section (more than 50%) remains free and the steam in the thus ak ⁇ accumulate inside pipe and can flow. Furthermore, it was recognized that a simple, ie catchy coil spring generally only generates a weak swirl. The flow can shear over the wire lying against the inner wall of the pipe. Because of the lower rotation the boiling crisis then occurs earlier.
  • be ⁇ carries the pitch angle of each wire with respect to a vertically oriented to the tube axis reference plane min ⁇ least 30 ° and preferably at most 70 °.
  • a slope angle from the interval 40 ° to is very particularly advantageous
  • the respective wire in a round or in sentlichen We ⁇ rectangular cross section.
  • the edges may be beitet nachbear- so that comparatively steep Flankenwin ⁇ angle and sharp-edged transitions can be realized.
  • the Dräh ⁇ te can depending on the diameter of the steam generator tube and, depending on the intended flow and temperature conditions vary in diameter. In general, a wire diameter or an average cross-sectional dimension of 5% to 15% of the inner diameter of the smooth tube is advantageous.
  • the wire material and the internal stress are so matched to the geometric behaves ⁇ nit that a creep or slippage of the individual coils relative to one another prevented.
  • ⁇ to additionally or alternatively may be provided by extending in the direction of the tube axis support wires, each of which is fixed to the side facing the pipe interior of the helically wound wires at these a number. In this way, the effect is similar to that of the tion with the radial stiffening struts.
  • the support core comprising the stiffening struts and / or the holding wires and / or the center wire can be made of a lower quality material than the twist-producing wires lying against the inner tube wall, since it is only against
  • Corrosion or scaling must be protected, but is not directly exposed to the very high temperatures of the inner tube wall.
  • the tube insert relatively firmly and securely seated already due to the residual stress of its wires in the steam generator tube is preferably an additional fixing vorgese ⁇ hen, wherein the respective profile forming wire at least at one point, preferably in the vicinity of its two ends fixedly connected to the inner tube wall is.
  • the fixed connection is advantageously a high-temperature Schistver ⁇ connection.
  • a variant which is somewhat more complex to manufacture, but which ensures particularly secure fixation comprises a plurality of spot welds distributed over the longitudinal extent of the respective wire. The welding fixation can be produced particularly well suited when at least the signals present at the tube inner wall of the insert wires similar Caribbeanset ⁇ Zung are made of a material with a the tube material.
  • the Dampferzeu ⁇ gerrohre described herein are used in a fossil-fired-through steam generator.
  • By swirl-producing internal profile of the tubes and the associated improvements in the heat transfer behavior also at a boiler constructions with a vertical tube assembly ( "vertical Tubing") ensures a sufficient Wär ⁇ meübertragung to the flow medium or a cooling of the tube walls.
  • a Senkrechtberohrung with a higher number of tubes, and with a comparatively short lengths of pipe made possible due to the over obliquely or spirally arranged tubes lower flow rates and lower mass flux operation of the steam generator gers least throughput with reduced pressure loss and reduced min ⁇ .
  • In order for the steam generator comprehensive power plant can be designed for a lower minimum load.
  • Pipe fittings mentioned may lead ⁇ handy cost savings continue even with convective heating tive as it exists about plants in the heat recovery of gas and steam power, due to the improved heat transfer in a reduction of the heat exchanger surface and to interpret it.
  • the above object is solved by a plurality introduced from under tension wires in a plain tube, the wires are arranged in the manner of a multiple thread, and wherein the wires after introducing the extent ent ⁇ be spanned until their turns on the tube inner wall anlie ⁇ gen in other words.
  • the more common coil spring formed by the pre-aligned wires is biased by being drills for example, pulled apart or comparable in itself. In this state with a reduced diameter, the insert is drawn into the pipe.
  • the wires After his partial relaxation, he presses himself against the inner pipe wall.
  • the remaining internal 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 to the inner tube wall at least at one end.
  • FIG 2 is a sectional view of a steam generator tube with a swirl-generating internal profile ausbil ⁇ Denden use
  • FIG. 1 shows schematically a once-through steam generator 2 with a rectangular cross section, the vertical gas train of which is formed by a surrounding or combustion chamber wall 4 which merges into a funnel-shaped bottom 6 at the lower end.
  • a number of burners for a fuel are installed in an opening 8, only two of which are visible, in the combustion chamber wall 4 composed of steam generator tubes 10.
  • the vertically arranged steam generator tubes 10 are welded together gas-tight in the firing area V to form an evaporator heating surface 12.
  • A-train boiler (so-called tower boiler) are of course also other boiler ⁇ configurations such.
  • the steam generator tubes to be described below can be used in all of these variants, both in the lighting area and in the rest of the flue gas duct.
  • a use in a Abhitzedampferzeu ⁇ ger is conceivable.
  • 2 shows in a sectional view a detail of the tubing of the combustion chamber wall 4 of the continuous ⁇ steam generator 2 steam generator inserted pipe 10.
  • a smooth tube 20 is inserted into an insert 22, which forms a swirl-generating internal profile for improving the heat transfer behavior.
  • the insert 22 comprises along winches 26 in the embodiment, three wires 24, the wall in the manner of a three-start thread with a constant slope angle ⁇ (and therefore with a constant pitch) on the tube inner ⁇ .
  • the wires 24 rest firmly against the inner tube wall 26.
  • the wires 24 are each fixed at a number of locations, in particular in the vicinity of their two ends, by spot welding to the inner tube wall 26.
  • the wires 24 as well as the tube wall 28 of the smooth tube 20 receiving them are made of a heat-resistant metallic material with a high chromium content.
  • suitable materials that are known to the person skilled in the art, e.g. B. 13CrMo44.
  • the cross-sectional profile of the wires 24 is an important design criterion.
  • the respective ligen wire 24 whose height and width and the flank angle with respect to the inner tube wall 26 and the sharpness of the edges can be predetermined.
  • the geometric parameters are generally chosen in a manner similar to that of the fins of conventional finned tubes.
  • a location-dependent adaptation and optimization can also take place, which takes into account the course of the heating profile along the combustion chamber wall 4.
  • FIG. 3 shows a further development of the prior art of Figure 2 embodiment of the steam generator tube 10, in which the voltage applied to the tube inner wall 26 of wires 24 are connected via welded ra ⁇ Diale stiffening struts 30 with an extending along the tube axis center wire 32, so that a comparison slip of individual spring courses or wire turns against each other is effectively prevented even when the spring action decreases. Since the wire, the reinforcing struts 30 and the means 32 ⁇ comprehensive support core not exposed to high temperatures such as the voltages applied to the inner tube wall 26, swirl-generating wires 24, it is made from a less high-grade material.
  • each three NEN radial stiffening struts 30 summarized the Rankin ⁇ a seed in a Community cross-sectional plane through the steam generator tube 10 lie ⁇ constricting regular star. Several of these stars are arranged one behind the other at regular intervals in the longitudinal direction of the steam generator tube 10. As can be seen from the cross section through the steam generator tube 10 shown in the top right section of FIG. 3, all are
  • FIG. 4 finally shows a further embodiment variant, which can also be combined with the variant known from FIG. 3 can.
  • 34 are provided three running parallel to the tube axis Hal ⁇ tedrähte which prevent a slipping of the swirl-producing helically wound wires 24th
  • the holding wires 34 are distributed uniformly over the inner tube circumference and are each fixed to the tube 24 on the side facing the tube interior 18.

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Abstract

Ein Dampf erzeugerrohr (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

Beschreibung
Dampferzeugerrohr, zugehöriges Herstellungsverfahren sowie Durchlaufdampferzeuger
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 Strömungs¬ mediums parallel geschaltet sind. Anstelle von Rohren mit da¬ zwischen liegenden, separaten Flacheisenstegen können auch Rohre verwendet werden, die bereits werksseitig mit angeform- ten Flossen ausgerüstet sind. Die Dampferzeugerrohre können dabei vertikal oder auch schräg angeordnet sein. Für ein si¬ cheres 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 Wärmeübergangs¬ eigenschaften eines Dampferzeugerrohres . Ein hoher Wärmeüber- gang 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 Drü- cken 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 üb- licherweise 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 durchströ- menden Medium ein Drall eingeprägt, so dass sich die schwe¬ rere flüssige Phase infolge der wirkenden Zentrifugalkräfte an der Rohrinnenwand sammelt und dort einen benetzenden Flüs¬ sigkeitsfilm 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 Dampf- erzeugers 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, innen- berippte Rohre mit den gewünschten, strömungstechnisch vorteilhaften Rippenprofilen im Rahmen eines Verformungsprozesses aus Glattrohren zu erzeugen. Insbesondere sind hinrei¬ chend 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 hö¬ heren Dampfgehalten in der Zweiphasenströmung zu einem Ansammeln der Wasserphase im Zwickel zwischen der Rohrwand und dem Tape bei gleichzeitigem Austrocknen und damit unzurei- chender 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 Dampf¬ erzeugerrohr 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 drallerzeu¬ genden Innenprofils mindestens ein Einsatz im Rohrinneren angeordnet ist, wobei der Einsatz eine Mehrzahl von Drähten um- fasst, 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 soll¬ te, 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 beson- ders günstig, wenn einerseits weder ein „Überdrallen" noch allzu große Druckverluste entlang des Strömungsweges auftre¬ ten, andererseits die Drallwirkung dennoch intensiv genug ist, um die flüssige Phase des Strömungsmediums über den ge¬ samten 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 In- nenprofils an der Rohrinnenwand angeordnet sein und den Rohr¬ querschnitt 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 Dampf- erzeugerrohr schraubenförmig an der Rohrinnenwand entlangwinden, so dass ein wesentlicher Teil des Rohrquerschnitts (mehr als 50 %) frei bleibt und der Dampf im Rohrinneren somit ak¬ kumulieren 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. Der- artige 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 modera- ter Drallstärke und vergleichsweise geringem Druckverlust ei- ne gleichmäßige Benetzung der Rohrinnenwand mit flüssigem
Strömungsmittel erreicht; ein Überdrallen der Strömung wird andererseits vollständig vermieden.
Besonders vorteilhaft ist zudem, dass im Gegensatz zu Rippen- röhren herkömmlicher Bauart, die durch einen Verformungspro- zess unter Einsatz erheblicher Verformungskräfte aus Glatt¬ rohren hergestellt werden, eine große Flexibilität hinsicht¬ lich der strömungsrelevanten Parameter, wie etwa Profilhöhe, Gangzahl, Steigungswinkel, Flankenwinkel und Scharfkantigkeit besteht. Entsprechende Designvorgaben können bei der Ausführung als Einsatzbauteil besonders einfach und präzise umge¬ setzt werden, da hierzu in der Regel nur Drähte oder Metall¬ bänder mit dem passenden Querschnittsprofil zur Verfügung gestellt und in die gewünschte Anordnung gebracht werden müs- sen, 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 be¬ trägt der Steigungswinkel des jeweiligen Drahtes gegenüber einer senkrecht zur Rohrachse orientierten Bezugsebene min¬ destens 30° und vorzugsweise höchstens 70°. Ganz besonders vorteilhaft ist ein Steigungswinkel aus dem Intervall 40° bis
Für eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbar¬ keit weist der jeweilige Draht einen runden oder einen im We¬ sentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Bei der letztgenannten Ausführungsform können insbesondere die Kanten nachbear- beitet sein, so dass sich vergleichsweise steile Flankenwin¬ kel und scharfkantige Übergänge realisieren lassen. Die Dräh¬ te können je nach Durchmesser des Dampferzeugerrohres und je nach den vorgesehenen Strömungs- und Temperaturverhältnissen im Durchmesser variieren. Im Allgemeinen ist ein Drahtdurch- messer 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 Betriebs- temperatur des Dampferzeugerrohres infolge seiner Eigenspan¬ nung rutschfest im Rohrinnenraum. Das Drahtmaterial und die Eigenspannung sind also derart auf die geometrischen Verhält¬ nisse abgestimmt, dass ein Kriechen oder ein Verrutschen der einzelnen Windungen gegeneinander unterbunden ist.
Falls es sich als notwendig erweist, können die an der Rohr¬ innenwand 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. Zu¬ sätzlich 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 Ausfüh- rung 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 vorgese¬ hen, 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 Schweißver¬ bindung. 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 Zusammenset¬ zung 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 Rohrin- neren vorzusehen, die der räumlichen Entwicklung bzw. Variation sowohl des Dampfanteils als auch des Beheizungsprofils Rechnung tragen. Ein derartiges Konzept lässt sich vorteil¬ hafterweise dadurch realisieren, dass eine Mehrzahl von Einsätzen in das Dampferzeugerrohr eingebracht ist, die in je- weils getrennten Rohrabschnitten angeordnet sind, wobei der jeweilige Einsatz mit seinen geometrischen Parametern an die im Betrieb vorgesehene lokale Beheizung und/oder an die loka¬ len Strömungsverhältnisse angepasst ist. Da sich ferner her- ausgestellt 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 notwen- dig. Vielmehr können die Einsätze durch Zwischenräume vonein¬ ander beabstandet in das Dampferzeugerrohr eingebaut sein.
Zweckmäßigerweise werden die hier beschriebenen Dampferzeu¬ gerrohre 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 Wär¬ meübertragung 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 Dampferzeu- gers mit reduziertem Druckverlust und mit reduziertem Min¬ destdurchsatz. 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 Min- destströmungsgeschwindigkeit 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 konvek- tiver Beheizung, wie sie etwa im Abhitzekessel von GuD-Kraft- werken vorliegt, aufgrund des verbesserten Wärmeüberganges zu einer Reduzierung der Wärmetauscherfläche und damit zu deut¬ lichen 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 ent¬ spannt werden, bis ihre Windungen an der Rohrinnenwand anlie¬ gen. Mit anderen Worten: Die von den vorab ausgerichteten Drähten gebildete mehrgängige Schraubfeder wird vorgespannt, indem sie beispielsweise auseinandergezogen oder in sich ver- drillt 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 Wärme¬ übergangsverbesserung 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 ein¬ gestellt werden, das exakt an die jeweilige örtliche Behei- zung 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 Dar- Stellung mit vertikal berührter Brennkammerwand,
FIG 2 eine geschnittene Ansicht eines Dampferzeugerrohres mit einem ein drallerzeugendes Innenprofil ausbil¬ denden 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 Gas¬ zug 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 Befeue- rungsbereich V zu einer Verdampferheizflache 12 gasdicht miteinander verschweißt.
Oberhalb des Befeuerungsbereiches V des Gaszugs befinden sich Konvektionsheizflachen 14. Darüber befindet sich ein Rauch- gasaustrittskanal 16, über den das durch Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugte Rauchgas RG den vertikalen Gas¬ zug verlässt. Das in den Dampferzeugerrohren 10 strömende Strömungsmedium wird durch die Strahlungswärme der Brenner- flammen und durch konvektive Wärmeübertragung vom Rauchgas RG beheizt und dabei verdampft. Als Strömungsmedium ist im Aus¬ führungsbeispiel Wasser oder ein Wasser-Dampf-Gemisch vorgesehen .
Neben dem in FIG 1 gezeigten Ein-Zug-Kessel (so genannter Turmkessel) sind selbstverständlich auch noch weitere Kessel¬ konfigurationen, 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 Abhitzedampferzeu¬ ger ist denkbar. FIG 2 zeigt in einer geschnittenen Ansicht einen Ausschnitt eines für die Berohrung der Brennkammerwand 4 des Durchlauf¬ dampferzeugers 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 Steigungs¬ winkel (und damit mit konstanter Ganghöhe) an der Rohrinnen¬ wand 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. Ne- ben 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 jewei- ligen 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 ra¬ diale Versteifungsstreben 30 mit einem entlang der Rohrachse verlaufenden Mitteldraht 32 verbunden sind, so dass ein Ver- rutschen der einzelnen Federgänge bzw. Drahtwindungen gegeneinander auch bei nachlassender Federwirkung wirksam verhindert ist. Da der die Versteifungsstreben 30 und den Mittel¬ draht 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 dün¬ nen radialen Versteifungsstreben 30 zu einem in einer gemein- samen Querschnittsebene durch das Dampferzeugerrohr 10 lie¬ genden 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 entsprechen¬ den Versteifungsstreben 30 hintereinander angeordneter Sterne im Querschnitt deckungsgleich zu liegen kommen. Dadurch wird die Drallströmung im Rohrinnenraum 18 nur unwesentlich ge- stört.
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 Hal¬ tedrähte 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

Patentansprüche
1. Dampferzeugerrohr (10), bei dem zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Einsatz (22) im Rohrin- nenraum (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 Quer- schnitt 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 Rohrin- nenraum (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 verlaufen- den 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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