DE626814C

DE626814C - Steam generator in which a fuel-air mixture is burned at a constant high pressure

Info

Publication number: DE626814C
Application number: DEA56261D
Authority: DE
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1928-12-20
Filing date: 1928-12-20
Publication date: 1936-03-03

Description

Dampferzeuger, bei welchem ein Brennstoff-Luft-Gemisch bei einem gleichbleibenden, hohen Druck verbrannt wird Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, bei dem ein Brennstoft-Luft-Gemisch bei einem über dem in Dampfterzeugern üblichen Druck liegenden gleichbleibenden Druck verbrannt wird. Gemäß der Erfindung sollen bei ;einem derartigen Dampferzeuger die Druckverhältnisse und Heizgasquerschnitte am Eintritt in die Heizflächen so bemessen werden, daß die Heizgase an den Heizflächen (Heizrohren) mit einer Geschwindigkeit vorbeigeführt werden, die gleich oder etwa 7o bis 8o0;o der Schallgeschwindigkeit der Heizgase ist.Steam generator, in which a fuel-air mixture with a constant, high pressure is burned The invention relates to a steam generator in which a Fuel-air mixture at a pressure higher than that usual in steam generators constant pressure is burned. According to the invention, such Steam generator, the pressure conditions and heating gas cross-sections at the entry into the heating surfaces be dimensioned so that the heating gases on the heating surfaces (heating pipes) with a speed be passed, which is equal to or about 7o to 8o0; o the speed of sound the heating gases is.

Es ist bekannt, daß der Wärmeübergang in einem Gase .oder einer Flüssigkeit von der Dichte und Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit abhängt. Die bei der Ausführung von 'vVäxmeaustauschvorrichtungen, besonders bei Dampferzeugern, angewandten Geschwindigkeiten blieben trotzdem bisher sehr niedrig. War also einerseits zu vermuten, daß leine wesentliche Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit auch eine wesentliche Erhöhung des Wärmeüblerganges mit sich bringt, so war es andererseits doch nicht bekannt, welche Beträge dieser Wärmeübergang tatsächlich dann. annimmt, wenn die Geschwindigkeit wesentlich, d. h. z. B. auf Schallgeschwindigkeit .oder etwa 7o bis 8o0'o der Schallgeschwindigkeit, -erhöht wird. Man hat aber auch deshalb diese hohen Strömungsgeschwindigkeiten nicht angewandt oder sie für unverwertbar gehalten, weil der Arbeitsaufwand, der zum Erzeugen dieser hohen Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich ist, als nicht mit den durch die hohen Strömungsgeschwindigkeitenerzielbaren Vorteilen in Einklang stehend betrachtet wurde.It is known that the heat transfer in a gas or a liquid depends on the density and flow rate of the gas or the liquid. In the case of the execution of 'vVäxmexchange devices, especially in the case of steam generators, applied speeds have remained very low so far. So was on the one hand to suspect that there is also a substantial increase in the flow velocity brings with it a substantial increase in heat evacuation, so it was on the other hand but not known what amounts this heat transfer actually then. assumes if the speed is substantial, d. H. z. B. on the speed of sound. Or about 7o to 8o0'o the speed of sound is increased. But that's also why you have these high flow velocities are not applied or they are considered unusable kept because of the labor required to generate these high flow velocities required than not achievable with the high flow velocities Benefits were considered consistent.

Daß es sich bei den vorgeschlagenen Strö-. mungsgeschwindigkeiten um ganz andere Verhältnisse handelt, als sie bisher angewandt wurden, kann aus folgendem ersehen werden: Ist die Strömungsgeschwindigkeit klein, so spielt die Elastizität des strömenden Gases keine Rolle. Nähert sich die Strömungsgeschwindigkeit aber der Schallgeschwindigkeit, so macht sich der Einfluß der Elastizität des Gases in steigendem Maßre fühlbar. Die Eigenreibung des Gasstromes, die ungefähr dem Quadrate der Geschwindigkeit verhältnisgleich ist, wird sehr groß. Da sie in der Hauptsache in der Grenzschicht zur Auswirkung kommt, so entsteht dort eine große Erwärmung, die den ganzen Vorgang der Wärmeübertragung ändert. Berücksichtigt man dabei die durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit und gleichzeitige Abkühlung biedingten besonderen Strömungsverhältnisse, so ergibt sich als Mindestdruckverhältnis zwischen Brennkammer und Fuchs, für welches der angestrebte hohe Wärmeübergang zur Auswirkung kommt, der Wert 1,7. Die Brennkammer :eines solchen Dampferzeugers ist ein allseitig druckfester Behälter, wie @er z. B. für Gleichdruckgasturbinen oder andere mit kleineren Heizgasgeschwindigkeiten als gemäß der Erfindung arbeitende Dampferzeuger mit Gleichdruckfeuerung Anwendung findet, wobei in bekannter Weise die Verbrennungsluft und auch der Brennstoff unter Druck, z. B. durch einen Verdichter, angeliefert wird.That it is with the proposed currents. Flow velocities are very different ratios than they have been used up to now, can be seen from the following: If the flow velocity is low, the elasticity of the flowing gas does not play a role. If the flow velocity approaches the speed of sound, however, the influence of the elasticity of the gas becomes more and more palpable. The inherent friction of the gas flow, which is roughly equivalent to the square of the speed, becomes very large. Since it mainly has an effect in the boundary layer, a great deal of warming occurs there, which changes the entire process of heat transfer. If one takes into account the special flow conditions caused by the high flow velocity and simultaneous cooling, the value 1.7 results as the minimum pressure ratio between the combustion chamber and the fox, for which the desired high heat transfer comes into effect. The combustion chamber: such a steam generator is a container that is pressure-resistant on all sides, such as @er z. B. for constant pressure gas turbines or other with lower heating gas speeds than according to the invention working steam generator with constant pressure is used, in a known manner, the combustion air and the fuel under pressure, z. B. is delivered by a compressor.

Bezüglich der Erzeugung der vorgeschlagenen Strömungsgeschwindigkeiten ist zu berücksichtigen, daß diese auf sehr wirtschaftliche Weise erfolgen kann, wenn alle oder ein großer Teil der zur Verdichtung aufgewendeten Energie dem Wärmekreislauf des Dampferzeugers wieder zugeführt wird. Die der Verdichtungsarbeit des Brennstoff-Luft-Genllsches entsprechende Energie wird in jedem Falle in Form von Verdichtungs- und Verlustwärme für die Dampferzeugung nutzbar.Regarding the generation of the proposed flow velocities it must be taken into account that this can be done in a very economical way, when all or a large part of the energy used for compression is in the heat cycle of the steam generator is supplied again. That of the compression work of the fuel-air system Corresponding energy is in any case in the form of compression and heat loss can be used for steam generation.

Abb. i zeigt den Schnitt und die allgemeine Anordnung eines Dampferzeugers gemäß der Erfindung, während in den Abb.2 bis Einzelheiten und besondere Ausführungen dargestellt sind.Fig. I shows the section and general arrangement of a steam generator according to the invention, while in Fig.2 to details and special designs are shown.

Gemäß Abb. i besteht die Brennkammer i aus einem druckfesten Blechmantel 2, der innen eine Wärmeschutzschicht 3 trägt. Durch Brenner q. )wird die Verbrennungsluft und der Brennstoff unter Druck zugeführt. Der Verdampfer 5 besteht zweckmäßigenveise aus einem Bündel von Rohren 6 von geringer lichter Weite, die von den Rauchgasen mit hoher Geschwindigkeit durchströmt werden. Das zu verdampfende Wasser wird außerhalb der Rohre vorbeigeführt, Um auch wassert seitigeinen .großen Wärmeübergang zu erhalten und die sich bildenden Dampfblasen zuverlässig abzuführen, wird das zu verdampfende Wasser in bekannter Weise im überschuß mittels einer Pumpe 7 in raschen Umlauf gebracht. Zum Ausscheiden des Dampfes dient der Druckbehälter 8, in den auch das Speisenasser durch Leitung 9 eingeführt werden kann. Das von Dampfblasen freie Umlaufwasser wird durch den Stutzen i o entnommen und der Pumpe 7 zugeführt. Der Druckbehälter 8 ,enthält auch die übrigen, allerdings nicht dargestellten, für einen Kesselbetrieb erforderlichen Einrichtungen, wie Wasserstandsglas, Speiseregler, Sicherheitsventil, Manometer u. dgl. Zum Überhitzen des Dampfes kann dieser nochmals in die Brennkammer zum überhitzer i i zurückgeführt werden. Die abgekühlten Rauchgase verlassen den Verdampfer durch den Stutzen 12. Zum Antrieb des Verdichters 13 dient z. B: ein Elelcbomotor 14. Der überhitzte Frischdampf wird durch Leitung 15 entnommen.According to Fig. I, the combustion chamber i consists of a pressure-resistant sheet metal jacket 2, which has a heat protection layer 3 inside. By burner q. ) is the combustion air and the fuel is supplied under pressure. The evaporator 5 is expediently from a bundle of tubes 6 of small internal width, which are from the flue gases be flowed through at high speed. The water to be evaporated is outside the pipes passed, in order to obtain a large heat transfer on the water side as well and reliably dissipate the vapor bubbles that have formed, is what needs to be evaporated Water in a known manner in excess by means of a pump 7 in rapid circulation. The pressure vessel 8, in which the food water is also used, serves to separate the steam can be introduced through line 9. The circulating water, free of steam bubbles, becomes taken through the nozzle i o and fed to the pump 7. The pressure vessel 8 contains also the other, but not shown, required for boiler operation Equipment such as water level glass, feed regulator, safety valve, pressure gauge and the like. To superheat the steam, it can be returned to the combustion chamber for superheater i i can be returned. The cooled flue gases leave the evaporator the nozzle 12. To drive the compressor 13 is used, for. B: an electric motor 14. The superheated live steam is withdrawn through line 15.

An Stelle des von der Brennkammer getrennten Verdampfers 5 können zweckmäßigerweise auch .einzelne Rohrkörper (Heizrohre) als Verdampfer verwendet werden, die aus einem Rohr bestehen, in dessen Innerem sich ein oder mehrere Rohre befinden, durch die die Heizgase geführt werden. Das zu verdampfende Wasser strömt im Gegenstrom an diesen Heizrohren vorüber. Abb.2 zeigt die Anordnung mit einem, Abb.3 mit mehreren Heizrohren 36. Diese Heizrohre können über. die ganze Länge gleichen Querschnitt aufweisen, sie können aber auch, entsprechend der Veränderlichkeit des spezifischen Volumens der Heizgase und der verlangten Strömungsgeschwindigkeit, in bekannter Weise verschiedenen Querschnitt haben, indem man entweder Rohre von verschiedener lichter Weite aneinandersetzt oder das gleiche, zylindrische Rohr durch Breitdrücken verengt, so daß @es allmählich in einen ovalen Querschnitt übergeht, wie es Abb. 4. zeigt, Eine weitere Ausführung für die Verdampferrohre zeigt Abb. 5. Hier sind drei Rohre 2o, 21 und 22 gleichmittig ineinander gelagert, wobei der Raum für die Heizgase durch die Rohre 21 und 22 gebildet wird, Das zu verdampfende Wasser wird im Rohr 22 und zwischen Rohr 2o und 21 geführt.Instead of the evaporator 5, which is separate from the combustion chamber, can expediently also .individual pipe bodies (heating pipes) used as evaporators which consist of a tube with one or more tubes inside through which the heating gases are routed. The water to be evaporated flows in countercurrent flow past these heating pipes. Fig.2 shows the arrangement with a, Fig.3 with several heating tubes 36. These heating tubes can over. same the whole length Have cross-section, but they can also, according to the variability of the the specific volume of the heating gases and the required flow rate, have in a known manner different cross-section by either tubes of different clear widths or the same, cylindrical tube narrowed by pressing it wide, so that @ it gradually merges into an oval cross-section, as shown in Fig. 4. Another design for the evaporator tubes is shown in Fig. 5. Here three tubes 2o, 21 and 22 are mounted in the same center one inside the other, with the Space for the heating gases is formed by tubes 21 and 22, that is to be evaporated Water is passed in pipe 22 and between pipe 2o and 21.

Die Verwendung einzelner Rohre als Verdampfer gestattet die Auskleidung der Brennkammer mit diesen, so daß auf einen Wärmeschutz der Brennkammerwände durch feuerfeste Auskleidung ganz verzichtet werden kann oder für diese Auskleidung eine dünnere, zwischen den Heizrohren und der druckfesten Brennkammer«,a4d angebrachte Schutzschicht genügt. Die Abb. 6 zeigt die Anordnung eines Dampferzeugers mit einzelnen Verdampferrohren 3 ¢, die gleichzeitig als Wandverkleidung dienen. Brennstoff und Luft werden durch den Brenner 31 in die Brennkammer 30 eingeführt. Das zu verdampfende Wasser tritt durch einen Stutzen 32 in den unteren Ringraum 33 und strömt mit hoher Geschwindigkeit, die durch seine Umlaufpumpe erzeugt sein kann, durch die Röhre 34., welche den Brennkammerumfang dicht umschließen, nach dem ioberen Ringraum 35. Im Innern der Rohre 34. befinden sich die Heizrohre 36. Durch sie strömen die Heizgase, die bei 37 eintreten und durch das Sammelrohr 38 abgeführt werden, mit höher Geschwindigkeit, wobei sie ihre Wärme an das vorbeigeführte Wasser abgeben. Das mit Dampfblasen reich gesättigte Umlaufwasser verläßt den Verdampfer durch einen Stutzen 39, von wo es, .ähnlich wie bei der Anordnung nach Abb,i, zu einem Dampfabscheider oder Dampfsammler gelangt. Zum Überhitzen wird der abgeschiedene \aßdampf zum Verdampfer zurückgeführt, in dessen Feuerraum der überhitzer 40 eingebaut ist.The use of individual tubes as evaporators allows the lining the combustion chamber with these, so that the combustion chamber walls are protected from heat Refractory lining can be dispensed with entirely or one for this lining thinner ones between the heating pipes and the pressure-resistant combustion chamber «, a4d A protective layer is sufficient. Fig. 6 shows the arrangement of a steam generator with individual Evaporator tubes 3 ¢, which also serve as wall cladding. Fuel and Air is introduced into the combustion chamber 30 through the burner 31. The one to be evaporated Water enters the lower annular space 33 through a nozzle 32 and flows at a higher rate Speed that can be generated by its circulation pump through the tube 34., Which tightly enclose the circumference of the combustion chamber, after the upper annular space 35. Inside the tubes 34 are the heating tubes 36. The heating gases flow through them, which enter at 37 and are discharged through the manifold 38, at a higher speed, where they give off their heat to the water that is passed by. That rich with steam bubbles saturated circulating water leaves the evaporator through a nozzle 39, from where it, Similar to the arrangement according to Fig, i, to a steam separator or steam collector got. The separated vapor is returned to the evaporator for superheating. the superheater 40 is installed in the combustion chamber.

Werden die VerdampferrOhre 3¢ dielst genug aneinandergereiht, so kann auf ,einen Wärmeschutz des Blechmantels 41 verzichtet werden. Es steht jedoch auch nichts im Wege, einen solchen als Schutzschicht 42 vorzusehen.If the evaporator tubes 3 ¢ are lined up as close together as possible, then on, a thermal protection of the sheet metal jacket 41 is dispensed with will. It however, nothing stands in the way of providing such a protective layer 42.

Abb. 2 zeigt :einen Teil der beschriebenen Einzelheiten der Abb. 6 in vergrößertem Maßstab; Abb. 7 ist ein Schnitt durch den Gegenstand der Abb.2. Die Bezeichnungen sind die gleichen wie bei Abb. 6.Fig. 2 shows: a part of the described details of Fig. 6 on an enlarged scale; Fig. 7 is a section through the subject of Fig. 2. The names are the same as in Fig. 6.

Als Antriebsmotor des Verdichters kann eine Dampfturbine, irgendein Verbrennungsmotor soder auch ein Elektromotor Anwendung fanden. Wird in bekannter Weise eine Dampfturbine verwendet, so kann diese mit Vorteil als Entnahmegegendruckturbine ausgeführt und betrieben werden. Durch den Entnahme- und Abdampf dieser Turbine kann in ähnlicher Weise, wie es bei Dampfturbinen für den Antrieb von Saugzugg-ebläsen üblich ist, das Speisewasser für den Dampferzeuger vorgewärmt werden. Die für den Betrieb des Dampferzeugers gemäß der Erfindung erforderliche V erdichterleistung erfordert nämlich bei Anwendung einer Entnahmegegendruckturbine .eine Dampfmenge für den Betrieb derselben, die gerade groß genug ist, um das Speisewasser bis nahe an Verdampfungstemper atur vorzuwärmen.A steam turbine, any Combustion engine or an electric motor were used. Becomes better known in If a steam turbine is used, this can advantageously be used as an extraction counterpressure turbine executed and operated. Through the extraction and exhaust steam of this turbine can be used in a similar way as in steam turbines for the drive of induced draft blowers It is common for the feed water for the steam generator to be preheated. The for the Operation of the steam generator according to the invention required compressor power namely requires .ein amount of steam when using an extraction counterpressure turbine for running the same which is just big enough to close the feed water up preheat at evaporation temperature.

Dient zum Antrieb des Verdichters eine Verbrennungskraftmaschine (Gasmaschine, Dieselmaschine o. dgl.), so wird man die Abgase dieser Antriebsmaschine den Heizgasen der Dampferzeugerfeuerung beimengen, um auch die in den Abgasen enthaltene Wärme noch für die Dampferzeugung auszunutzen. Die Abmessungen dieser Antriebsmaschine können wesentlich verringert werden, wenn man diese Maschine in an sich bekannter Weise mit Aufladung betreibt, also die Verbrennungsluft und den Brennstoff vorverdichtet anliefert. Es ist hierfür kein besonderes Gebläse erforderlich, sobald man die Ladeluft vom gleichen Verdichter, der die Verbrennungsluft der Dampferzeugerfeuerung liefert, erzeugen läßt.An internal combustion engine (gas engine, Diesel engine or the like), the exhaust gases from this drive machine become the heating gases add to the steam generator firing in order to also absorb the heat contained in the flue gases can still be used for steam generation. The dimensions of this prime mover can be reduced significantly if you use this machine in itself Way with supercharging, i.e. the combustion air and the fuel are pre-compressed delivers. No special fan is required for this once you have the charge air from the same compressor that supplies the combustion air for the steam generator firing, can be generated.

Um eine Vorstellung zu geben, welche bedeutenden Vorteile durch die Erhöhung der Rauchgasgeschwindigkeit auf Schallgeschwindigkeit oder nahe derselben erreicht werden, sei noch erwähnt, daß der Wärmeübergang der Heizgasse bei den in Frage kommenden Drücken und den erwähnten Gesch-,vindigkeiten bis zu 2ooo WE/m?h° C beträgt, gegenüber 25 bis 5o WEjm=h° C, mit denen bei den Rauchgasen in den Rauchgaszügen gewöhnlicher Dampferzeuger gerechnet werden muß. Die wirksame Heizfläche der Dampferzeuger gemäß der Erfindung vermindert sich also auf mehr als den vierzigsten Teil.To give an idea of the significant benefits of the Increase of the flue gas speed to the speed of sound or close to it be achieved, it should also be mentioned that the heat transfer of the heating alley with the in Question coming pressures and the mentioned speeds up to 2ooo WE / m? H ° C is, compared to 25 to 50 WEjm = h ° C, with that of the flue gases in the flue gas passages ordinary steam generator must be expected. The effective heating surface of the steam generator according to the invention is thus reduced to more than the fortieth part.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Steam generator in which a fuel-air mixture at a constant pressure above the pressure customary in steam generators is burned, characterized in that the pressure conditions and heating gas cross-sections at the entry into the heating surfaces are dimensioned so that the speed with which the heating gases flow past the heating surfaces (heating pipes), equal to or about 7o up to 8o% of the speed of sound of the heating gases.

2. Steam generator according to claim i, characterized in that the pressure inside the combustion chamber is at least i, 7 times the pressure in the fox.

3. Steam generator according to claim i and 2, characterized characterized in that the pipes (6, 36) through which the heating gases flow are lower inside the tubes (34) through which the water flows (Fig. 2, 3, 6 and 7).

4. Steam generator according to claim i and 2, characterized in that that in the heating pipes lying within the pipes (2o) through which the water flows (2i) Pipes (22) are installed, in which water also flows (Fig.5).

5. Steam generator according to claim i to 4, characterized in that the combustion chamber walls wholly or are for the most part lined with the heating pipes surrounded by water pipes (Fig: 7).

6. Steam generator according to claim i to 5 with .einer for driving the Compressor for the steam turbine serving for combustion air, characterized in that that a withdrawal counter pressure turbine serves as the steam turbine, its withdrawal and Exhaust steam is used to preheat the feed water.

7. Steam generator according to claim i to 5 with one used to drive the compressor for the combustion air Internal combustion engine; characterized in that the exhaust gases from the internal combustion engine added to the flue gases of the steam generator firing. B. Steam generator after Claim i to 5 and 7, characterized in that the. Internal combustion engine is operated with supercharging, the same compressor for compressing the supercharging air is used; which supplies the combustion air.