KR19990076766A - 나선형으로 배치된 증발관을 갖춘 연속 흐름 증기 발생기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 핀(13)을 통해 서로 기밀 방식으로 용접된 증발관(10)으로 구성된 가스 연도(4)를 갖는 연속 흐름 증기 발생기에 관한 것이다. 증발관(10)은 유체가 상기 증발관을 관류하도록 평행하게 연결되어 있는데, 상기 증발관의 내부 표면에는 증발관을 관류하는 유체내에 강한 난류를 형성하기 위한 구조물이 형성되고, 상기 증발관은 연도의 점화 영역(V)내에 기본적으로 나선형으로 감겨져 배치되어 있다. 과도한 열응력을 야기시키지 않으면서도 상기 방식의 연속 흐름 증기 발생기(2)가 예를 들어 설계 부하의 약 20%의 낮은 부하 상태에서도 작동될 수 있도록 하기 위해서는, 동작시에 튜브를 관류하는 유체의 국부적인 압력 손실이 마찰에 의한 압력 손실의 적어도 0.5배가 되도록 연속 흐름 증기 발생기(2)의 증발관(10)을 설계하는 것이 바람직하다.
Description
점화 영역 내부가 나선형으로 배치된 증발관으로 구성된 연속 흐름 증기 발생기의 연소실벽 내부에는 통상적으로 매끄러운 튜브가 사용된다. 그러나 상기 방식의 배치는, 튜브 내부를 관류하는 유체의 유동 속도가 낮은 경우에는 매끄러운 튜브의 열전달 특성 때문에 통상적으로 연속 흐름 증기 발생기의 설계 부하의 약 40% 이상의 부하 상태에만 적합하다. 설계 부하의 약 40%의 최소 부하 이하에서는 증기 발생기의 연속 흐름 동작에 통상적으로 순환 동작이 중복되기 때문에, 결과적으로 증발관의 충분한 냉각이 보장된다. 그러나 상기 방식의 순환 동작의 연결은 연속 흐름 증기 발생기의 생증기 온도를 약 80℃ 만큼 하강시킨다.
특히 연속 흐름 증기 발생기에 의해 공급되는 발전소 설비가 야간에 정지되는 것을 피하기 위해서는, 연속 흐름 증기 발생기가 설계 부하의 20% 이상의 부하 상태에서 이미 충분히 높은 생증기 온도로 작동될 수 있도록 연속 흐름 증기 발생기를 설계하는 것이 요구될 수 있다. 이것은, 증발관의 내벽으로부터 유체내로의 열전달을 높이기 위한 구조물이 증발관의 내부 표면에 예컨대 리브의 형태로(내부에 리브를 갖춘 튜브) 형성된 증발관을 사용함으로써 가능하다. 내부에 리브를 갖춘 상기 방식의 증발관을 수직으로 배치된 증발관을 갖는 연속 흐름 증기 발생기내에 사용하는 것은 유럽 특허 출원 공보 0 503 116 A1호에 공지되어 있다.
물론, 내부에 리브를 갖춘 증발관은 매끄러운 튜브에 비해 마찰에 의한 압력 손실이 명백하게 더 높다. 상기와 같이 증가된 마찰에 의한 압력 손실은 증발관을 여러 번 가열하는 경우에 상기 튜브를 관류하는 유체의 유동률 변동 때문에 인접한 튜브 사이에서 - 특히 증발기의 출구에서 - 온도차를 야기시킨다. 상기 온도차는 바람직하지 못한 열응력 때문에 손상을 야기시킬 수 있다.
본 발명은 핀(fin)을 통해 서로 기밀 방식으로 용접된 증발관으로 구성된 가스 연도를 갖는 연속 흐름 증기 발생기에 관한 것으로, 증발관은 유체가 상기 증발관을 관류하도록 평행하게 연결되어 있고, 상기 증발관의 내부 표면에는 내벽으로부터 유체내로의 열전달을 높이기 위한 구조물이 형성되어 있으며, 상기 증발관은 가스 연도의 점화 영역내에 기본적으로 나선형으로 감겨져 배치되어 있다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 하기에 자세히 설명된다:
도 1은 튜브가 기본적으로 나선형으로 배치된 연소실벽을 갖는 연속 흐름 증기 발생기의 개략도이고,
도 2는 연소실벽을 비스듬하게 절단한 단면도이며,
도 3은 곡선 A, B 및 C가 표시된 좌표이다.
본 발명의 목적은, 동작시에 예를 들어 연속 흐름 증기 발생기의 설계 부하의 약 20%의 낮은 부하 상태에서도 인접한 증발관의 출구에서 온도차가 매우 작게 나타나는, 전술한 방식의 연속 흐름 증기 발생기를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 점화 영역내에 있는 튜브의 길이 및 튜브 외경의 변량 쌍에 의해 측정된 점들이
- 핀의 폭이 12㎜인 경우에는 변량 쌍(pair of variates), 즉 L = 59.7m, d = 31.8㎜ 및 L = 93.6m, d = 44.5㎜에 의해 측정된 점들,
- 핀의 폭이 16㎜인 경우에는 변량 쌍, 즉 L = 64.7m, d = 31.8㎜ 및 L = 99.8m, d = 44.5㎜에 의해 측정된 점들,
- 핀의 폭이 20㎜인 경우에는 변량 쌍, 즉 L = 70.6m, d = 31.8㎜ 및 L = 106.9m, d = 44.5㎜에 의해 측정된 점들에 의해 규정되는 좌표내의 한 직선상에 놓이도록 증발관이 설계된, 전술한 방식의 연속 흐름 증기 발생기에 의해 달성된다.
튜브의 길이는 시작값과 종결값 사이에 있는 증발관의 길이이며, 이 경우 시작값은 가스 연도 하부에 제공된 재깔때기가 가스 연도로 변화되는 부분에 상기 재깔때기의 높이의 1/3을 부가함으로써 정해진다. 종결값은, 나선형으로 배치된 증발관이 수직 배치로 변화되거나 또는, 예를 들어 수집 용기에 의해 압력에 따라 서로 연결됨으로써 정해진다.
증발관이 매우 큰 또는 매우 작은 벽두께를 가지거나, 또는 재깔때기가 외벽에 대해 매우 큰 또는 매우 작은 경사각을 갖는 연속 흐름 증기 발생기가 그것의 설계 부하의 약 20%의 낮은 부하 상태에서도 확실하게 동작될 수 있도록 하기 위해서는, 모든 증발관의 튜브 길이가 바람직하게 각 직선에 의해 정해진 튜브 길이의 15% 이상을 벗어나지 않아야 한다. 핀의 폭이 전술한 핀의 폭과 다른 경우에 튜브의 길이는 바람직하게 주어진 직선으로부터 얻어지는 핀의 폭과 선형으로 외삽 또는 내삽된다.
본 발명은, 증발관의 다중 가열이 상기 증발관을 관류하는 질량 흐름 밀도를 단지 조금만 감소시키면, 다중으로 가열된 증발관의 출구와 보통으로 또는 평균적으로 가열된 증발관의 출구 사이의 온도차는 매우 작을 수 있는 생각으로부터 출발한다. 다중으로 가열된 증발관의 질량 흐름 밀도는 감소하는데, 그 이유는 다중 가열 때문에 관련 증발관의 마찰에 의한 압력 손실이 증가하기 때문이다. 그러나 증발관내의 전체 압력 손실은 "마찰에 의한 압력 손실"과 같은 압력 손실부 및 "국부적인 압력 손실"과 같은 압력 손실부로 구성되기 때문에, 전체 압력 손실의 압력 손실부 중에서 "국부적인 압력 손실"이 충분히 높게 되면, 증발관의 다중 가열이 상기 증발관의 질량 흐름 밀도에 미치는 영향은 감소될 수 있다. 예를 들어 마찰 압력 손실의 0.5배 이상의 충분히 높은 압력 손실부, 즉 "국부적인 압력 손실"은 증발관을 상응하게 설계함으로써 도달될 수 있다.
증발관의 마찰에 의한 압력 손실은 예컨대 간행물 Q. Zheng et al., "Druckverlust in glatten und innenberippten Verdampferrohren", Waerme- und Stoffuebertragung 26, Pages 232 to 330, Springer Verlag 1991 und Z. Rouhani, "Modified Correlations for Void-Fraction and Two-Phase Pressure Drop", AE-RTV-841 (1969)에 따라 검출될 수 있다.
다중으로 가열된 증발관과 보통으로 가열된 증발관 사이의 온도차가 작은 경우에 모든 증발관의 관류를 더욱 개선하기 위해서는, 증발관의 내경이 연소실 점화 영역의 하부 영역에서 보다 상부 영역에서 더 큰 것이 바람직하다.
모든 도면에서 동일 부분은 동일한 도면 부호로 표기하였다.
도 1에는 횡단면이 직사각형인 연속 흐름 증기 발생기(2)가 도시되어 있는데, 상기 발생기의 수직의 가스 연도는 하부가 깔때기 모양의 바닥(6)으로 변화되는 외부벽 또는 연소실벽(4)으로 형성된다.
가스 연도의 점화 영역(V)내에서는, 단지 2개만 도시된 개구(8)내에 있는 화석 연료용 다수의 버너가 증발관(10)으로 구성된 연소실벽(4)내에 제공된다. 증발관(10)은 점화 영역(V)내에서 기본적으로 나선형으로 감겨져 배치되며, 상기 점화 영역내에서 증발관은 증발 가열 표면(12)에 대해 기밀 방식으로 서로 용접되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 증발관(10)은 폭(b)을 갖는 핀(13)을 통해 기밀 방식으로 서로 용접되어, 예를 들어 튜브-핀-튜브-구조 또는 핀-튜브-구조로 구성된 연소실벽(4)을 기밀 방식으로 형성한다. 증발관은 그 내부 표면에 상기 증발관의 내벽으로부터 유체로의 열전달을 높이기 위한 구조물을 포함한다. 상기 방식의 표면 구조물은 예를 들어 독일 공개 공보 203281호에 기술되어 있다.
가스 연도의 점화 영역(V) 상부에는 대류 가열 표면(14, 16 및 18)이 있다. 상기 가열 표면 위에는 연도 가스 배출 채널(20)이 있는데, 상기 채널을 통해 화석 연료의 연소에 의해 형성되는 연도 가스(RG)가 수직의 가스 연도를 떠난다. 연도 가스(RG)는 증발관(10) 내부를 관류하는 물 또는 물-증기 혼합물용 가열 매체로서 이용된다.
증발관(10)은, 연속 흐름 증기 발생기(2)의 작동시에 증발관(10)을 관류하는 유체의 국부적인 압력 손실이 마찰에 의한 유체의 압력 손실의 적어도 0.5배가 되도록 설계된다. 상기 목적을 위해 연속 흐름 증기 발생기(2)의 증기 발생 용량과 관계없이 증발관(10)내에서 충분히 높은 국부적 압력 손실을 보장하기 위해서, 상기 증발관(10)은 점화 영역(V)내에서의 파이프의 길이(L)와 파이프 외경의 변량 쌍에 의해 측정된 점들이 좌표내에서 대략 도 3에 도시된 곡선 또는 직선(A, B 또는 C)들 중의 하나 위에 놓이도록 설계된다. 이 경우 곡선 A는, 핀폭(b)이 12㎜인 핀(13)을 통해 기밀 방식으로 서로 용접된 증발관(10)을 갖는 연속 흐름 증기 발생기(2)를 위한 곡률 기준을 제공한다. 그와 달리 곡선 B 및 C는 핀의 폭(b)이 16 또는 20㎜인 경우를 위한 곡률 기준을 제공한다.
점화 영역(V)내에 있는 파이프의 길이(L)는 시작점(AP)과 종결점(EP) 사이에 있는 증발관(10)의 평균 길이이다. 시작점(AP)은 깔때기 모양의 바닥(6) 높이(H)의 1/3을 가산한 외부벽(4)의 하부 에지를 참고로 하여 정해진다. 종결점(EP)은 증발관(10)이 수직 배치로 변화되거나 또는 압력에 따라 서로 연결되는 장소로 정해진다. 증발관(10)의 내경은 자세하게 도시되지 않은 방식으로 상기 점화 영역(V)의 하부 영역(22)에서 보다 점화 영역(V)의 상부 영역(21)에서 더 크다.
Claims (2)
- 핀(13)을 통해 서로 기밀 방식으로 용접된 증발관(10)으로 구성된 가스 연도(4)를 포함하고, 증발관(10)은 유체를 관류시키기 위해 평행하게 연결되며, 상기 증발관의 내부 표면에는 내벽으로부터 유체로의 열전달을 높이기 위한 구조물이 형성되고, 상기 증발관은 가스 연도(4)의 점화 영역(V)내에 기본적으로 나선형으로 감겨져 배치되며, 점화 영역(V)내에 있는 튜브의 길이(L) 및 튜브 외경의 변량 쌍에 의해 결정된 점들은- 핀의 폭이 12㎜인 경우에는 변량 쌍, 즉 L = 59.7m, d = 31.8㎜ 및 L = 93.6m, d = 44.5㎜에 의해 측정된 점들,- 핀의 폭이 16㎜인 경우에는 변량 쌍, 즉 L = 64.7m, d = 31.8㎜ 및 L = 99.8m, d = 44.5㎜에 의해 측정된 점들,- 핀의 폭이 20㎜인 경우에는 변량 쌍, 즉 L = 70.6m, d = 31.8㎜ 및 L = 106.9m, d = 44.5㎜에 의해 측정된 점들에 의해 규정된 좌표내의 하나의 직선(A, B, C)상에 놓이도록 증발관이 설계된 연속 흐름 증기 발생기.
- 제 1항에 있어서, 상기 증발관(10)의 내경은 점화 영역(V)의 하부 영역(22)에서보다 상부 영역(21)에서 더 큰 것을 특징으로 하는 연속 흐름 증기 발생기.
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