RU2005954C1

RU2005954C1 - Small-sized cylindrical steam generator and principle of its operation

Info

Publication number: RU2005954C1
Application number: SU5027884/06A
Authority: RU
Inventors: Константин Аркадьевич Якимович
Original assignee: Константин Аркадьевич Якимович
Priority date: 1992-01-20
Filing date: 1992-01-20
Publication date: 1994-01-15

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: each steam generating element of steam generator is made in form of two ferrules mounted coaxially: outer ferrule 1 and inner ferrule 2. Inner ferrule 2 forms gas duct. Each steam generating element is provided with spiral insert 4 located between ferrules and forming helical passage for medium being heated. Relationship of diameters of ferrules 1 and 2 is equal to 1.05 to 1.6 and relationship of areas of cross sections of gas ducts and passage is equal to 2 to 200. Steam generating elements are located coaxially in a spaced relation to each other. Gas ducts of peripheral steam generating elements are connected to each other and to gas duct of axial steam generating element in series. Ducts for passage of medium being heated are brought in communication. Mass velocity on gas ducts is maintained within 20 to 200 kg/sq. m/s. Flow of medium being heated is set in reciprocating motion and its mass velocity is maintained within 300 to 3000 kg/sq. m/s. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к малогабаритным мобильным парогенерирующим устройствам. The invention relates to power engineering, in particular to small-sized mobile steam generating devices.

Известен мобильный парогенератор на дизельном топливе с камерной топкой, экранированной горизонтальными парогенерирующими трубами. Known mobile steam generator for diesel fuel with a chamber furnace shielded by horizontal steam generating pipes.

Недостатком известного парогенератора является его большая масса и габариты, что снижает его эксплуатационные характеристики. A disadvantage of the known steam generator is its large mass and dimensions, which reduces its operational characteristics.

Известен также парогенератор, содержащий парогенерирующие элементы, каждый из которых выполнен в виде двух коаксиально установленных наружной и внутренней обечаек. Also known is a steam generator containing steam generating elements, each of which is made in the form of two coaxially mounted outer and inner shells.

Недостатками известного парогенератора являются низкие параметры пара, значительные размеры и низкая эксплуатационная надежность. The disadvantages of the known steam generator are low steam parameters, significant size and low operational reliability.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов парогенератора в расчете на единицу паропроизводительности, а также повышение его эксплуатационной надежности. The aim of the invention is to reduce the mass and dimensions of the steam generator per unit of steam production, as well as increasing its operational reliability.

Указанная цель достигается тем, что парогенерирующий элемент, состоящий из двух коаксиально установленных наружной и внутренней обечаек, снабжен спиральной вставкой, размещенной между обечайками с образованием винтового канала для прохода нагреваемой среды. Внутренняя труба-обечайка образует осевой газоход, причем отношение наружного диаметра внутренней обечайки D_вн и внутреннего диаметра наружной обечайки D_н подчиняется условию 1,05 ≅ D_н/D_вн ≅ 1,60, а соотношение площадей поперечных сечений газохода и тракта теплоносителя отвечает условию 2 ≅ F_г/F_т ≅ 200.This goal is achieved by the fact that the steam generating element, consisting of two coaxially mounted outer and inner shells, is provided with a spiral insert located between the shells with the formation of a helical channel for the passage of the heated medium. The inner shell pipe forms an axial gas duct, and the ratio of the outer diameter of the inner shell D _nn and the inner diameter of the outer shell D _n obeys the condition 1.05 _н D _n / D _nn ≅ 1.60, and the ratio of the cross-sectional areas of the gas duct and the heat-transfer path meets the condition 2 ≅ F _g / F _t ≅ 200.

Кроме того, для повышения паропроизводительности парогенератора он смонтирован в виде набора коаксиально установленных парогенерирующих цилиндров, у которых осевой газоход внутреннего парогенерирующего цилиндра последовательно соединен с газоходами периферийных цилиндров, а спиральные многозаходные тракты теплоносителя соответственно соединены между собой. In addition, to increase the steam capacity of the steam generator, it is mounted in the form of a set of coaxially installed steam generating cylinders, in which the axial gas duct of the internal steam generating cylinder is connected in series with the gas ducts of the peripheral cylinders, and the spiral multi-path heat carrier paths are respectively interconnected.

Указанная цель достигается также путем подачи двух теплообменивающихся через стенку газохода сред, греющую из которых подают в газоход парогенерирующего элемента (цилиндра) с массовой скоростью в диапазоне 20-200 кг/м²с, а потоку нагреваемой среды сообщают поступательно-вращательное движение с массовой скоростью в диапазоне 300-3000 кг/м²с, причем в случае выполнения парогенератора в виде набора коаксиально установленных парогенерирующих цилиндров процесс теплообмена проводят последовательно, при этом поток греющего газа вводят в газоход центрального цилиндра и перемещают к периферии, а поток теплоносителя проходит последовательно спиральные тракты парогенерирующих цилиндров.This goal is also achieved by supplying two heat exchanging media through the wall of the gas duct, the heating of which is fed into the gas duct of the steam generating element (cylinder) with a mass velocity in the range of 20-200 kg / m ² s, and the translational-rotational motion with mass velocity is reported to the flow of the heated medium in the range of 300-3000 kg / m ² s, and in the case of a steam generator in the form of a set of coaxially installed steam generating cylinders, the heat exchange process is carried out sequentially, while the flow of heating gas is introduced into the gas duct the central cylinder and move to the periphery, and the coolant flow passes sequentially spiral paths of the steam generating cylinders.

На фиг. 1 представлена секция парогенерирующего цилиндра, продольный разрез; на фиг. 2 - развертка на плоскости внутренней трубы с нанесенными на ее наружную поверхность ребрами; на фиг. 3 - схема работы многосекционного парогенератора. In FIG. 1 shows a section of a steam generating cylinder, a longitudinal section; in FIG. 2 - scan on the plane of the inner pipe with the ribs applied to its outer surface; in FIG. 3 - scheme of the multi-sectional steam generator.

Малогабаритный парогенератор содержит внутреннюю 1 и наружную 2 цилиндрические трубы, установленные коаксиально. Внутренняя труба 1 образует центральный газоход 3 для греющего газа, а в пространстве между трубами 1, 2 размещены винтовые ребра 4, образующие спиральный тракт 5 для нагреваемой среды (теплоносителя). Винтовые ребра 4 могут быть выполнены путем расточки по спирали наружной поверхности трубы 1 с последующей приваркой наружной обечайки, либо расточкой одинаковых спиралей на трубах 1, 2 с последующим их соединением. Small-sized steam generator contains inner 1 and outer 2 cylindrical pipes installed coaxially. The inner pipe 1 forms a central gas duct 3 for the heating gas, and in the space between the pipes 1, 2 there are screw ribs 4, forming a spiral path 5 for the heated medium (coolant). Screw ribs 4 can be made by boring in a spiral spiral on the outer surface of the pipe 1 with subsequent welding of the outer shell, or by boring identical spirals on the pipes 1, 2 with their subsequent connection.

При необходимости увеличения производительности парогенератора и наращивания его теплообменной поверхности последний может быть выполнен из нескольких, коаксиально установленных, парогенерирующих цилиндров, аналогичных центральному (см. фиг. 3), трубы 1, 2 с ребрами 4 образуют центральный парогенерирующий цилиндр, трубы 6, 7 с ребрами 8 - промежуточный парогенерирующий цилиндр с газоходом 9 и спиральным трактом 10 теплоносителя, а трубы 11, 12 с ребрами 13 - периферийный парогенерирующий цилиндр с газоходом 14 и трактом 15 теплоносителя. Соединение газоходов 3, 9, 14 выполнено последовательным, так что горячие газы от горелки 16 поступают в центральный газоход 3 и через газоход 9 - в периферийный газоход 14. Спиральные тракты 5, 10, 15 также соединены друг с другом, причем холодный теплоноситель подается в периферийный тракт 15, а дальше либо через центральный тракт 5 в промежуточный тракт 10 (как показано на фиг. 3), либо через промежуточный тракт 10 в центральный тракт 5. If it is necessary to increase the productivity of the steam generator and increase its heat-exchange surface, the latter can be made of several coaxially mounted steam generating cylinders similar to the central one (see Fig. 3), pipes 1, 2 with ribs 4 form a central steam generating cylinder, pipes 6, 7 s ribs 8 - an intermediate steam generating cylinder with a gas duct 9 and a spiral coolant path 10, and pipes 11, 12 with ribs 13 - a peripheral steam generating cylinder with a gas duct 14 and a coolant path 15. The connection of the flues 3, 9, 14 is made in series, so that the hot gases from the burner 16 enter the central duct 3 and through the duct 9 to the peripheral duct 14. The spiral paths 5, 10, 15 are also connected to each other, and the coolant is supplied to peripheral path 15, and then either through the central path 5 to the intermediate path 10 (as shown in Fig. 3), or through the intermediate path 10 to the central path 5.

Варьируя площадь поперечного сечения газохода, можно получить большие массовые скорости греющего газа и, соответственно, большие конвективные удельные тепловые потоки, падающие на стенку газохода и воспринимаемые теплоносителем. Возрастание удельных тепловых потоков приводит к снижению необходимой теплообменной поверхности и, как следствие, к снижению необходимых массы и объема парогенератора в расчете на единицу паропроизводительности (единицу тепловой мощности). By varying the cross-sectional area of the gas duct, it is possible to obtain large mass velocities of the heating gas and, accordingly, large convective specific heat fluxes incident on the wall of the gas duct and perceived by the coolant. An increase in specific heat fluxes leads to a decrease in the required heat exchange surface and, as a result, to a decrease in the required mass and volume of the steam generator per unit of steam production (unit of heat output).

Однако при возрастании удельных тепловых потоков появляется опасность возникновения на границе стенка - теплоноситель устойчивой паровой пленки, что резко ухудшает теплообмен, стенка перегревается и может разрушиться. Удельные тепловые потоки, при которых возникает такая устойчивая паровая пленка, называются критическими, а само явление - кризисом кипения. Значения удельных тепловых потоков зависят от физических свойств теплоносителя, режимных факторов и геометрии канала теплоносителя. В спиральных каналах при прочих равных условиях значения критических удельных тепловых потоков для теплоносителя при парообразовании намного выше, чем в прямых каналах, поскольку за счет центробежных сил в спиральном канале возникают вторичные течения, интенсифицируется массообмен между паровой и жидкой фазами при парообразовании, нарушается устойчивость паровой пленки и улучшается орошение и охлаждение теплопередающей стенки, чем обеспечивается ее прочность и эксплуатационная надежность. However, with an increase in specific heat fluxes, there is a danger of a stable vapor film appearing at the wall-coolant interface, which sharply worsens heat transfer, the wall overheats and can break down. The specific heat fluxes at which such a stable vapor film appears are called critical, and the phenomenon itself is called a boiling crisis. The values of specific heat fluxes depend on the physical properties of the coolant, operating factors and the geometry of the coolant channel. In spiral channels, ceteris paribus, the values of critical specific heat fluxes for the coolant during vaporization are much higher than in direct channels, since secondary flows arise in the spiral channel due to centrifugal forces, mass transfer between the vapor and liquid phases during vaporization is intensified, and the stability of the vapor film is violated and improved irrigation and cooling of the heat transfer wall, which ensures its strength and operational reliability.

Удельные тепловые потоки, создаваемые греющими газами, не должны превышать критические удельные тепловые потоки, и чем выше уровень критических удельных тепловых потоков, тем более интенсивно можно проводить процесс теплообмена. Поэтому для предотвращения опасности кризиса кипения при парообразовании в условиях больших удельных тепловых потоков и обеспечения необходимой эксплуатационной надежности стенки в пространстве между внутренней и наружной трубами парогенерирующего цилиндра установлены винтовые ребра, образующие спиральные каналы для нагреваемого теплоносителя. Ребра выполняются сплошными, что ограничивает перемещение теплоносителя между соседними каналами. В широком диапазоне тепловой мощности парогенератора вышеуказанные эффекты реализуются при соотношении
1,05 ≅ D_н/D_вн ≅ 1,60, где D_н - внутренний диаметр наружной трубы парогенератора;
D_вн - наружный диаметр внутренней трубы парогенератора, а также при соблюдении соотношения
2 ≅ F_г/F_т ≅ 200, где F_г - площадь поперечного сечения газохода =

;
F_т - площадь поперечного сечения тракта теплоносителя. Площадь поперечного сечения тракта теплоносителя определяется из выражения
F_т= n·l·

, где n - число ребер (и соответственно единичных каналов) в многозаходном тракте теплоносителя;
l - ширина единичного канала тракта теплоносителя;

- высота единичного канала тракта теплоносителя.The specific heat fluxes generated by the heating gases should not exceed the critical specific heat fluxes, and the higher the level of critical specific heat fluxes, the more intensively the heat exchange process can be carried out. Therefore, to prevent the danger of a boiling crisis during vaporization under conditions of high specific heat fluxes and to ensure the necessary operational reliability of the wall, screw ribs are installed in the space between the inner and outer tubes of the steam generating cylinder, forming spiral channels for the heated coolant. The ribs are continuous, which limits the movement of the coolant between adjacent channels. In a wide range of thermal power of the steam generator, the above effects are realized when the ratio
1.05 ≅ D _n / D _int ≅ 1.60, where D _n is the inner diameter of the outer pipe of the steam generator;
D _int - the outer diameter of the inner pipe of the steam generator, and also subject to the ratio
2 ≅ F _g / F _t ≅ 200, where F _g is the cross-sectional area of the duct =

;
F _t - the cross-sectional area of the coolant path. The cross-sectional area of the coolant path is determined from the expression
F _t = n

where n is the number of ribs (and, accordingly, single channels) in the multi-path coolant path;
l is the width of a single channel of the coolant path;

- the height of a single channel of the coolant path.

D_н - внутренний диаметр наружной трубы;
D_вн - внутренний диаметр внутренней трубы. Число единичных каналов тракта теплоносителя может быть различным, однако геометрическая форма поперечного сечения такого канала должна быть близкой к равностороннему прямоугольнику (квадрату, кругу) со стороной 5-50 мм.D _n - the inner diameter of the outer pipe;
D _vn is the inner diameter of the inner pipe. The number of individual channels of the coolant path can be different, however, the geometric shape of the cross section of such a channel should be close to an equilateral rectangle (square, circle) with a side of 5-50 mm.

Работает малогабаритный цилиндрический парогенератор следующим образом. A small cylindrical steam generator operates as follows.

Горячие продукты сгорания (греющие пазы) из горелочного устройства 16 подают в центральный газоход 3 с массовой скоростью, равной V_г = 20-200 кг/м²с. При этом возникают большие конвективные удельные тепловые потоки, падающие на стенку газохода. Уровень этих удельных тепловых потоков намного превышает уровень этих же потоков в обычных парогенераторах и достигает значений q = 2 мВт/м². Температура стенки газохода достигает t^o = = 375^оС.Hot combustion products (heating grooves) from the burner device 16 are fed into the central gas duct 3 with a mass velocity equal to V _g = 20-200 kg / m ² s. In this case, large convective specific heat fluxes occur, falling on the wall of the gas duct. The level of these specific heat fluxes is much higher than the level of these same fluxes in conventional steam generators and reaches q = 2 mW / m ² . The temperature of the duct wall reaches t ^o = = 375 ^o C.

Одновременно холодный теплоноситель подается в винтовой тракт 5 и движется по нему, охлаждая стенку газохода до t^о = = 350^оС. Массовая скорость теплоносителя V_т задается в пределах 300-3000 кг/м²с, что обеспечивает возможность сохранять высокие значения удельных тепловых потоков без потери эксплуатационной надежности элементов конструкции. При выполнении парогенератора многосекционным греющий газ и теплоноситель последовательно проходят секции парогенератора. Геометрия газоходов и трактов теплоносителя парогенерирующих цилиндров, их количество рассчитывается, исходя из требуемой тепловой мощности, допустимых гидравлических сопротивлений, необходимой прочности и т. д. Разработанная конструкция парогенератора имеет в 5-7 раз меньшую массу и в 15-20 раз меньший объем в расчете на единицу паропроизводительности, чем парогенераторы существующих конструкций. Предложенная конструкция обеспечивает достаточную эксплуатационную надежность в широком интервале единичных мощностей парогенератора и параметров пара (мощность 0,1-7,0 МВт, давление 0,5-20 МПа, температура 150-500^оС), позволяет легко наращивать теплообменную поверхность. Кроме того, предложенная конструкция является незаменимой при создании мобильных теплогенерирующих установок для транспорта и т. п. случаев их применения.At the same time, the coolant is supplied to the screw path 5 and moves along it, cooling the duct wall to t ^о = 350 ^о С. The mass velocity of the coolant V _t is set within 300-3000 kg / m ² s, which makes it possible to maintain high values of specific thermal flows without loss of operational reliability of structural elements. When performing a steam generator with a multi-section heating gas and a coolant, sections of the steam generator pass sequentially. The geometry of the gas flues and coolant paths of the steam generating cylinders, their number is calculated based on the required heat output, allowable hydraulic resistance, the required strength, etc. The developed design of the steam generator has 5-7 times less weight and 15-20 times less volume in the calculation per unit of steam production than steam generators of existing structures. The proposed design ensures sufficient operational reliability in a wide range of individual capacities of the steam generator and the steam parameters (power 0,1-7,0 MW pressure of 0.5-20 MPa, temperature 150-500 ° ^C) makes it easy to increase the heat exchange surface. In addition, the proposed design is indispensable in the creation of mobile heat-generating plants for transport, etc., cases of their use.

П р и м е р. Малогабаритный цилиндрический парогенератор для мобильной установки имеет следующие параметры:
Общая масса парогене- ратора 240 кг Тепловая мощность 0,8 МВт Паропроизводи- тельность 1500 кг/ч Давление пара 60 ата Температура пара 270^оС (56) Мобильный парогенератор с камерной топкой. Проспект фирмы Раума-Реполо (Финляндия), 1982.PRI me R. A small cylindrical steam generator for a mobile installation has the following parameters:
The total mass of the steam generator is 240 kg. Thermal power is 0.8 MW. Steam production is 1,500 kg / h. Steam pressure is 60 ata. Steam temperature is 270 ^° C (56) A mobile steam generator with a chamber firebox. Prospectus of the company Rauma-Repolo (Finland), 1982.

Авторское свидетельство СССР N 342007, кл. F 22 B 25/00, 1972. USSR copyright certificate N 342007, cl. F 22 B 25/00, 1972.

Claims

1. A small cylindrical steam generator containing steam generating elements, each of which is made in the form of two coaxially installed outer and inner shells, the last of which forms a gas duct, characterized in that each steam generating element is equipped with a spiral insert located between the shells with the formation of a screw channel for passage heated medium, and the ratio of the diameters of the inner and outer shells is 1.05 - 1.6, and the ratio of the cross-sectional areas of the gas duct and channel 2 is 200.

2. The steam generator according to claim 1, characterized in that the steam generating elements are placed coaxially with a gap relative to one another, the gas ducts of the peripheral elements being connected to each other and to the duct of the axial element in series, and the channels for the passage of the heated medium are communicated.

3. The method of operation of a small-sized cylindrical steam generator by supplying two heat-exchanging media through the wall of the gas duct, heating from which is supplied to the gas duct of the steam generating element, characterized in that the mass flow rate of the heating medium in the gas duct of the steam generating element is maintained in the range of 20 - 200 kg / m ² s, and the flow of the heated medium is informed by translational-rotational motion and its mass velocity is maintained in the range of 300 - 3000 kg / m ² s.