Beschreibungdescription
Dampferzeugerrohr mit Innenberippung sowie Dampferzeuger zu seiner VerwendungSteam generator tube with internal fins and steam generator for its use
Die Erfindung betrifft ein Dampferzeugerröhr mit Innenberip¬ pung, wobei in der Art sich kreuzender Züge einer ersten Be¬ rippung eine gegenläufige zweite Berippung überlagert ist. Sie richtet sich weiter auf den Einsatz eines solchen Dampf- erzeugerrohrs in einem fossilbefeuerten Dampferzeuger.The invention relates to a steam generator tube with internal ribbing, in the manner of intersecting trains of a first ribbing, an opposing second ribbing is superimposed. It continues to focus on the use of such a steam generator tube in a fossil-fired steam generator.
Ein Dampferzeuger, dessen Brennkammerwand aus vertikal ange¬ ordneten Rohren aufgebaut ist, ist gegenüber einem eine schraubenförmige Berohrung aufweisenden Dampferzeuger kosten- günstiger herzustellen. Allerdings können die nicht vermeid¬ baren Unterschiede in der Wärmezufuhr zu den einzelnen Rohren zu Temperaturdifferenzen zwischen benachbarten Rohren - ins¬ besondere am Austritt eines Verdampfers - führen. Diese Tem¬ peraturdifferenzen können Schäden aufgrund von unzulässigen Wärmespannungen verursachen. Die Temperaturdifferenzen können vermieden werden durch eine drastische Reduzierung des Rei¬ bungsdruckverlustes. Die Reduzierung ihrerseits wird erreicht durch eine entsprechende Absenkung der Strömungsgeschwindig¬ keit oder der Massenstromdichte in den Rohren. Dazu ist al- lerdings der Einsatz innenberippter Rohre erforderlich, da diese auch bei niedrigen Massenstromdichten besonders gute Wärmeübergangseigenschaften aufweisen. Derartige Rohre mit auf ihrer Innenseite ein mehrgängiges Gewinde bildenden Rip¬ pen sowie deren Einsatz in Dampferzeugern sind z. B. aus der europäischen Patentanmeldung 0 503 116 bekannt. Ein Dampfer- zeugerrohr, bei dem in der Art sich kreuzender Züge einer er¬ sten Berippung eine zweite Berippung überlagert ist, ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 32 891 bekannt.A steam generator, the combustion chamber wall of which is constructed from vertically arranged tubes, is more cost-effective to produce than a steam generator having a helical tube. However, the unavoidable differences in the heat supply to the individual tubes can lead to temperature differences between adjacent tubes - in particular at the outlet of an evaporator. These temperature differences can cause damage due to inadmissible thermal stresses. The temperature differences can be avoided by drastically reducing the friction pressure loss. The reduction in turn is achieved by a corresponding reduction in the flow velocity or the mass flow density in the tubes. However, the use of internally finned pipes is necessary for this, since these have particularly good heat transfer properties even at low mass flow densities. Pipes of this type with fins forming a multi-start thread on the inside and their use in steam generators are known, for example, from B. from European patent application 0 503 116 known. A steam generator tube, in which a second ribbing is superimposed on one another in the manner of crossing trains, is known from German Offenlegungsschrift 20 32 891.
Bei einer Berohrung der Brennkammerwand eines Dampferzeugers mit innenberippten Verdampferröhren wird der Axialströmung ein Drall überlagert, der zu einer Phasenseparation des W r-
meaufnahmemediums mit einem Wasserfilm an der Rohrinnenwand, d. h. an der Heizfläche, führt. Dadurch kann der sehr gute Wärmeübergang des Siedens fast bis zur völligen Verdampfung des Wassers aufrechterhalten werden. Im Druckbereich zwischen 200 bar und 221 bar lassen sich jedoch bei starker Beheizung mit einer Drallströmung allein nicht immer unzulässig hohe Wandtemperaturen vermeiden. In der Nähe des kritischen Druckes bei etwa 210 bar - wo es nur noch einen geringen Dichteunterschied gibt zwischen flüssiger und dampfförmiger Phase - ist die Benetzung der Heizfläche wesentlich schwieri¬ ger zu gewährleisten als in einem unterhalb von 200 bar lie¬ genden Druckbereich. Dies ist dadurch bedingt, daß ein sich zwischen der Rohrwand und der flüssigen Phase des Wärmeauf¬ nahmemediums bildender Dampffilm den Wärmeübergang behindert (Filmsieden) . In diesem Bereich der DampffUmbildung steigt die Temperatur der Rohrwand stark an. Wie in dem Aufsatz "Verdampferkonzepte für Benson Dampferzeuger" von J. Franke, W. Köhler und E. Wittchow, veröffentlicht in VGB Kraftwerks¬ technik 73 (1993), Heft 4, Seiten 352 bis 360, beschrieben, reichen oberhalb eines Druckes von rund 210 bar bereits ge¬ ringe Wandüberhitzungen aus, um vom Siedezustand mit beheiz¬ ter Heizfläche zum Filmsieden mit unbenetzter Heizfläche zu gelangen. Auch können sich im genannten Druckbereich bereits bei geringfügigen Überhitzungen in der überhitzten Grenz- Schicht Dampfblasen bilden, die sich zu großen Blasen verei¬ nigen und somit die Wärmeübertragung behindern (homogene Keimbildung) .When the combustion chamber wall of a steam generator is piped with internally finned evaporator tubes, a swirl is superimposed on the axial flow, which leads to a phase separation of the recording medium with a film of water on the inner wall of the pipe, ie on the heating surface. As a result, the very good heat transfer during boiling can be maintained almost until the water evaporates completely. In the pressure range between 200 bar and 221 bar, however, inadmissibly high wall temperatures cannot always be avoided with strong heating with a swirl flow alone. In the vicinity of the critical pressure at about 210 bar - where there is only a slight difference in density between the liquid and vapor phases - it is much more difficult to ensure wetting of the heating surface than in a pressure range below 200 bar. This is due to the fact that a vapor film forming between the tube wall and the liquid phase of the heat absorption medium hinders the heat transfer (film boiling). In this area of the steam transformation, the temperature of the pipe wall rises sharply. As described in the article "Vaporizer Concepts for Benson Steam Generators" by J. Franke, W. Köhler and E. Wittchow, published in VGB Kraftwerk¬technik 73 (1993), No. 4, pages 352 to 360, range above a pressure of around 210 bar already slight wall overheating in order to get from the boiling state with a heated heating surface to film boiling with an unwetted heating surface. Even in the case of slight overheating in the superheated boundary layer, vapor bubbles can form in the pressure range mentioned, which combine to form large bubbles and thus hinder heat transfer (homogeneous nucleation).
Der beschriebene Wärmeübergangsmechanismus führt nun dazu, daß in den genannten Rohren von Dampferzeugern, die mitThe heat transfer mechanism described now leads to the fact that in the aforementioned pipes of steam generators
Drücken von etwa 200 bar und darüber betrieben werden, die Massenstromdichte und damit der Reibungsdruckverlust höher gewählt werden müssen als bei Dampferzeugern, die mit Drücken unterhalb von 200 bar betrieben werden. Dadurch geht beson- ders bei kleinen Rohrinnendurchmessern - der Reibungsdruck¬ verlust ist umgekehrt proportional zum Rohrinnendurchmesser - der Vorteil verloren, daß bei Mehrbeheizung einzelner Rohre
auch deren Durchsatz steigt. Da jedoch hohe Dampfdrücke über 200 bar erforderlich sind, um hohe thermische Wirkungsgrade und damit niedrige Kohlendioxidemissionen zu erzielen, ist es notwendig, auch in diesem Druckbereich eine gute Wärmeüber- tragung sicherzustellen. Daher werden Dampferzeuger mit senk¬ recht berohrter Brennkammerwand üblicherweise mit verhältnis¬ mäßig hohen Massenstromdichten in den innenberippten Rohren betrieben, um im kritischen Druckbereich von etwa 200 bis 221 bar stets einen ausreichend hohen Wärmeübergang von der Rohrwand an das Wärmeaufnahmemedium, d. h. an das Wasser- Wasserdampfgemisch, zu erreichen. Um den Wärmeübergang weiter zu verbessern, kann eine zusätzliche Durchmischung der Strö¬ mung im Wärmeaufnahmemedium herbeigeführt werden. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, daß die innenberippten Dampf- erzeugerrohre eine zweifache Berippung aufweisen, wobei einer ersten Berippung eine gegenläufige Berippung überlagert ist. Durch diese Methoden kann allerdings nur ein unbefriedigender Temperaturausgleich am Austritt der Rohre bei unterschiedli¬ cher Beheizung des Dampferzeugers erreicht werden.Pressures of about 200 bar and above are operated, the mass flow density and thus the friction pressure loss must be chosen higher than for steam generators that are operated with pressures below 200 bar. As a result, especially in the case of small inner pipe diameters — the friction pressure loss is inversely proportional to the inner pipe diameter — the advantage is lost that if individual pipes are heated more than once their throughput also increases. However, since high vapor pressures above 200 bar are required to achieve high thermal efficiencies and thus low carbon dioxide emissions, it is necessary to ensure good heat transfer even in this pressure range. For this reason, steam generators with a vertically tube-shaped combustion chamber wall are usually operated with relatively high mass flow densities in the internally finned tubes in order to always have a sufficiently high heat transfer from the tube wall to the heat absorption medium, ie to the water / water vapor mixture, in the critical pressure range of approximately 200 to 221 bar , to reach. In order to further improve the heat transfer, an additional mixing of the flow in the heat absorption medium can be brought about. This is usually achieved in that the internally finned steam generator tubes have double fins, a first fins being superimposed on opposite fins. These methods, however, can only achieve an unsatisfactory temperature compensation at the outlet of the pipes with different heating of the steam generator.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Dampfer¬ zeugerrohre, insbesondere die Verdampferrohre eines Dampfer¬ zeugers, an ihren Innenseiten derart zu gestalten, daß auch in der Nähe des kritischen Druckes von etwa 210 bar ein be- sonders guter Wärmeübergang von der Rohrwand oder Heizfläche auf das Wärmeaufnahmemedium, insbesondere auch bei niedrigen Massenstromdichten, möglich ist.The invention is therefore based on the object of designing the inside of the steam generator tubes, in particular the evaporator tubes of a steam generator, in such a way that particularly close to the critical pressure of about 210 bar, a particularly good heat transfer from the tube wall or Heating surface on the heat absorption medium, especially at low mass flow densities, is possible.
Diese Aufgabe wird für derartige Dampferzeugerrohre mit In- nenberippung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Profil¬ tiefen der beiden Berippungen unterschiedlich sind.For such steam generator tubes with internal fins, this object is achieved according to the invention in that the profile depths of the two fins are different.
Durch die damit erzielte Oberflächenstruktur auf der Rohrin¬ nenseite werden hohe Turbulenzen und/oder die Ausbildung von Längswirbeln im die Rohre durchströmenden Medium begünstigt. Dabei wirken die durch die unterschiedlichen Profiltiefen der Berippungen entstehenden zusätzlichen Kanten bei der Über-
Strömung durch das Wärmeaufnahmemedium turbulenzerhöhend. Mit anderen Worten: Infolge der Kantenbildung wird eine Wirbeler¬ zeugung begünstigt, die ihrerseits eine gute Durchmischung der Strömung herbeiführt, so daß eine Überhitzung der Rohr- wand vermieden wird.The resultant surface structure on the inside of the tube favors high turbulence and / or the formation of longitudinal vortices in the medium flowing through the tubes. The additional edges created by the different profile depths of the ribs act when Flow through the heat absorption medium increases turbulence. In other words: as a result of the edge formation, vortex generation is promoted, which in turn brings about a good mixing of the flow, so that overheating of the tube wall is avoided.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß - insbesondere in der Nähe des kritischen Druckbereiches oberhalb von etwa 200 bar - ein Strömungsdrall zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs nicht ausreicht. Vielmehr ist neben einer gu¬ ten Durchmischung der Strömung zur Vermeidung von Wandüber¬ hitzungen der Grenzschicht eine hohe Turbulenz in der Strö¬ mung notwendig. Durch eine hohe Turbulenz in der Strömung läßt sich verhindern, daß sich an der Heizfläche oder in der überhitzten Grenzschicht so große Dampfblasen bilden, daß sie sich zu einem Dampffilm vereinigen können und somit den Wär¬ meübergang verschlechtern.The invention is based on the consideration that - especially in the vicinity of the critical pressure range above about 200 bar - a flow swirl is not sufficient to ensure good heat transfer. Rather, in addition to a good mixing of the flow to avoid wall overheating of the boundary layer, high turbulence in the flow is necessary. A high level of turbulence in the flow prevents such large vapor bubbles from forming on the heating surface or in the superheated boundary layer that they can combine to form a vapor film and thus worsen the heat transfer.
Die gegenläufigen Berippungen können gleiche oder ungleiche Winkel mit der Rohrachse einschließen. Zweckmäßigerweise schließt die erste Berippung einen spitzen Winkel mit der Rohrachse ein, während die zweite Berippung parallel zur Rohrachse verläuft. Das Dampferzeugerrohr weist dann in fer¬ tigungstechnisch einfacher Weise eine schraubenförmige Innen- berippung mit die Rippen unterbrechenden Längsnuten auf.The opposing fins can include the same or different angles with the pipe axis. The first fins advantageously form an acute angle with the pipe axis, while the second fins run parallel to the pipe axis. The steam generator tube then has, in a technically simple manner, a helical ribbing with longitudinal grooves interrupting the ribs.
Durch die Längsnuten werden Abrißkanten vorgegeben, die eine Wirbelerzeugung begünstigen. Die Entstehung von Längswirbeln wird vorteilhafterweise auch dadurch begünstigt, daß ein von der ersten oder schraubenförmigen Berippung mit der Rohrwand gebildeter Flankenwinkel auf der Anströmseite flacher ist als auf der Abströmseite.The longitudinal grooves define tear-off edges that favor the generation of eddies. The formation of longitudinal vortices is advantageously also favored in that a flank angle formed by the first or helical ribbing with the tube wall is flatter on the inflow side than on the outflow side.
Zur Verwendung erfindungsgemäß gestalteter Dampferzeugerrohre in einem fossilbefeuerten Dampferzeuger sind vorteilhafter¬ weise eine Vielzahl gleichartiger Dampferzeugerrohre zu einer gasdichten Brennkammerwand, die mindestens einen Teil des
Dampferzeugers bildet, insbesondere dessen Verdampferheizflä¬ che, miteinander verschweißt, wobei die Dampferzeugerrohre zweckmäßigerweise vertikal angeordnet sind.To use steam generator pipes designed according to the invention in a fossil-fired steam generator, a large number of similar steam generator pipes are advantageously used to form a gas-tight combustion chamber wall which covers at least a part of the Steam generator forms, in particular its evaporator heating surface, welded to one another, the steam generator tubes advantageously being arranged vertically.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich¬ nung näher erläutert. Dabei zeigen:Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to a drawing. Show:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen kleinen Abschnitt ei¬ nes gegenläufige Innenberippungen aufweisenden Dampf- erzeugerrohrs,FIG. 1 shows a longitudinal section through a small section of a steam generator tube with opposing internal ribs,
Figur 2 einen Ausschnitt II aus Figur 1 in größerem Maßstab mit einer Erhöhung,FIG. 2 shows a detail II from FIG. 1 on a larger scale with an elevation,
Figur 3 ein anderes Ausführungsbeispiel eines gegenläufige Innenberippungen aufweisenden Dampferzeugerrohres, Figur 4 einen Schnitt IV-IV aus Figur 3 in größerem Maßstab mit Erhöhungen, und3 shows another exemplary embodiment of a steam generator tube having opposed internal ribs, FIG. 4 shows a section IV-IV from FIG. 3 on a larger scale with elevations, and
Figur 5 in vereinfachter Darstellung einen Dampferzeuger mit vertikal berohrter Brennkammerwand.Figure 5 in a simplified representation of a steam generator with a vertically tube-shaped combustion chamber wall.
Das Dampferzeugerrohr ist auf seiner Innenseite mit einer er¬ sten Berippung - in Richtung des Pfeils 2 - versehen, der ei¬ ne gegenläufige zweite Berippung - in Richtung des Pfeils 4 - überlagert ist. Durch die gegenläufigen Berippungen 2 und 4, die mit der Rohrachse M die Winkel a bzw. b einschließen, er- gibt sich auf der Innenseite eine regelmäßige Struktur mit Erhöhungen 6 auf parallelogrammförmigen oder rhombischen Grundflächen und Vertiefungen 8, 8'. Eine derartige Erhöhung 6 mit einer parallelogrammförmigen Grundfläche 10 und abge¬ flachter Oberseite 12 ist in Figur 2 vergrößert herausge- zeichnet. Im Ausführungsbeispiel ist der Winkel a kleiner als der Winkel b.The inside of the steam generator tube is provided with a first rib - in the direction of arrow 2 - which is superimposed on an opposing second rib - in the direction of arrow 4. The opposing ribs 2 and 4, which enclose the angles a and b with the tube axis M, result in a regular structure on the inside with elevations 6 on parallelogram-shaped or rhombic bases and depressions 8, 8 '. Such an elevation 6 with a parallelogram-shaped base area 10 and flattened upper side 12 is shown enlarged in FIG. 2. In the exemplary embodiment, the angle a is smaller than the angle b.
Wie dem in Figur 2 gezeigten vergrößerten Ausschnitt II zu entnehmen ist, sind durch unterschiedliche Profiltiefen s, s' der Berippungen, 2, 4 die Vertiefungen 8 bzw. 8' unterschied¬ lich groß. Die Vertiefungen 8 der ersten Berippung 2 sind so-
mit gleichzeitig die Erhöhungen 6' der gegenläufigen zweiten Berippung 4.As can be seen from the enlarged section II shown in FIG. 2, the depressions 8 and 8 'are of different sizes due to different profile depths s, s' of the ribs 2, 4. The depressions 8 of the first ribs 2 are thus with the elevations 6 'of the opposing second ribbing 4.
Durch die unterschiedlichen Profiltiefen s, s' entstehen zu- sätzliche Kanten 22, 22', die bei ihrer Überströmung durch ein Wärmeaufnahmemedium turbulenzerhöhend wirken und somit zur Verbesserung der Wärmeübertragung beitragen.Due to the different profile depths s, s ', additional edges 22, 22' are created, which have a turbulence-increasing effect when flowing over them through a heat absorption medium and thus contribute to improving the heat transfer.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 weist das Dampferzeu- gerrohr zusätzlich zu einer schraubenförmigen Innenberippung 2" Längsnuten als Vertiefungen 8" auf. Diese erste Berippung 2" schließt dabei mit der Rohrachse M wiederum einen spitzen Winkel a" ein, während die zweite Berippung 4" parallel zur Rohrachse M verläuft. Durch die Längsnuten oder Vertiefungen 8" werden wiederum zusätzliche Abrißkanten 22 vorgegeben, die eine Wirbelerzeugung begünstigen.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the steam generator tube has 2 "longitudinal grooves as depressions 8" in addition to a helical internal ribbing. This first ribbing 2 "in turn encloses an acute angle a" with the tube axis M, while the second ribbing 4 "runs parallel to the tube axis M. The longitudinal grooves or depressions 8" in turn provide additional tear-off edges 22 which promote vortex generation.
Wie in dem vergrößerten Schnitt IV-IV nach Figur 4 darge¬ stellt, schließen die Erhöhungen 6" der schraubenförmigen Be- rippung 2" mit der Rohrinnenwand 24 auf der Anströmseite ei¬ nen Flankenwinkel c und auf der Abströmseite einen Flanken¬ winkel d ein. Dabei ist der Flankenwinkel c auf der Anström¬ seite kleiner oder gleich dem Flankenwinkel d auf der Ab¬ strömseite. Dies begünstigt die Ausbildung von Längswirbeln auf der Abströmseite, wie durch die Pfeile 16", 18" angedeu¬ tet.As shown in the enlarged section IV-IV according to FIG. 4, the elevations 6 "of the helical ribbing 2" with the inner tube wall 24 include a flank angle c on the inflow side and a flank angle d on the outflow side. The flank angle c on the inflow side is smaller than or equal to the flank angle d on the outflow side. This favors the formation of longitudinal vortices on the outflow side, as indicated by the arrows 16 ", 18".
Die Erhöhungen 6, 6", das heißt die Profiltiefen s, ε', be¬ tragen vorteilhafterweise mindestens H = 0,7 mm.The elevations 6, 6 ", that is to say the profile depths s, ε ', advantageously amount to at least H = 0.7 mm.
In Figur 5 ist schematisch ein Dampferzeuger 30 mit recht¬ eckigem Querschnitt dargestellt, dessen vertikaler Gaszug durch eine Umfassungswand 32 gebildet ist, die am Unterende in einen trichterförmigen Boden 34 übergeht.FIG. 5 schematically shows a steam generator 30 with a rectangular cross section, the vertical throttle cable of which is formed by a surrounding wall 32 which merges into a funnel-shaped bottom 34 at the lower end.
In einem unteren Bereich B des Gaszugs sind eine Anzahl von Brennern für einen fossilen Brennstoff in jeweils einer Öff-
nung 36, von denen nur zwei sichtbar sind, in der aus den Dampferzeugerrohren gemäß den Figuren 1, 3 oder 5 zusammenge¬ setzten Umfassungs- oder Brennkammerwand 32 angebracht. Die Dampferzeugerrohre 38 sind in diesem Bereich B, in dem sie zu einer Verdampferheizfläche 40 gasdicht miteinander ver¬ schweißt sind, vertikal verlaufend angeordnet.In a lower region B of the gas train, a number of burners for a fossil fuel are each in an opening. tion 36, of which only two are visible, in the enclosure or combustion chamber wall 32 composed of the steam generator tubes according to FIGS. 1, 3 or 5. The steam generator tubes 38 are arranged in this region B, in which they are welded together gas-tight to form an evaporator heating surface 40, in a vertically extending manner.
Oberhalb dieses Bereichs B des Gaszugs befinden sich Konvek- tionsheizflachen 42, 44 und 46. Darüber befindet sich ein Rauchgasaustrittskanal 48, über den das durch Verbrennung ei¬ nes fossilen Brennstoffs erzeugte Rauchgas RG den vertikalen Gaszug verläßt. Das Rauchgas RG dient als Heizmedium für das in den Dampferzeugerrohren 38 strömende Wasser oder Wasser- dampfgemisch.
Convection heating surfaces 42, 44 and 46 are located above this area B of the gas flue. Above this is a flue gas outlet channel 48, via which the flue gas RG generated by combustion of a fossil fuel leaves the vertical gas flue. The flue gas RG serves as a heating medium for the water or steam mixture flowing in the steam generator tubes 38.