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EP0876569A2 - Continuous steam generator - Google Patents

Continuous steam generator

Info

Publication number
EP0876569A2
EP0876569A2 EP97915255A EP97915255A EP0876569A2 EP 0876569 A2 EP0876569 A2 EP 0876569A2 EP 97915255 A EP97915255 A EP 97915255A EP 97915255 A EP97915255 A EP 97915255A EP 0876569 A2 EP0876569 A2 EP 0876569A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipe
steam generator
flow density
tube
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP97915255A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Kastner
Wolfgang Köhler
Eberhard Wittchow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP0876569A2 publication Critical patent/EP0876569A2/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/06Steam 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/06Steam 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
    • F22B29/067Steam 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 operating at critical or supercritical pressure

Definitions

  • the invention relates to a once-through steam generator with a combustion chamber surrounded by a surrounding wall of pipes which are connected to one another in a gas-tight manner, wherein the pipes which run vertically and have a surface structure on the inside thereof can be cut by a flow medium from bottom to top.
  • Such a steam generator is known from the article "Evaporator Concepts for Benson Steam Generators” by J. Franke, W. Köhler and E. Wittchow, published in VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Issue 4, pp. 352 to 360
  • Such a continuous steam generator leads to the heating of the combustion chamber forming evaporator tubes, in contrast to a natural circulation or forced circulation steam generator with only partial evaporation of the water / water / steam mixture circulated, to a complete evaporation of the
  • Flow medium in the evaporator tubes in one pass While in the natural circulation steam generator the evaporator tubes are in principle arranged vertically, the evaporator tubes of the continuous steam generator can be arranged both vertically and spirally - and thus inclined.
  • a continuous steam generator the combustion chamber walls of which is constructed from vertically arranged evaporator tubes, is less expensive to manufacture than a continuous steam generator having a spiral-shaped tube.
  • Continuous-flow steam generators with vertical pipes also have lower water / steam-side pressure losses than those with inclined or spirally rising evaporator pipes.
  • a particular problem is the design of the combustion chamber or peripheral wall of the once-through steam generator with regard to the pipe wall or material temperatures that occur there.
  • the temperature of the combustion chamber wall is essentially determined by the level of the saturation temperature of the water if wetting of the heating surface in the evaporation area can be ensured. This will e.g. achieved by using inner finned tubes.
  • Such pipes and their use in steam generators are e.g. B. is known from European patent application 0 503 116. These so-called finned tubes, d. H. Pipes with a ribbed inner surface have a particularly good heat transfer from the inner wall to the flow medium.
  • the invention is based on the object of specifying a design criterion suitable for a particularly favorable mass flow density in the pipes for pipes of a peripheral wall of a once-through steam generator.
  • ⁇ T w (K) is the temperature difference between the outer and inner wall of the tube, and C ⁇ 7.3 * 10 "3 kWs / kgK is a constant.
  • the invention is based on the consideration that for the fluidic design of the internally finned pipes because the mass flow density had to meet two fundamentally contradictory conditions.
  • the average mass flow density in the pipes should be chosen to be as low as possible. This is to ensure that a higher mass flow flows through individual pipes, to which more heat is supplied than other pipes due to unavoidable differences in heating, than pipes which are heated on average.
  • This natural circulation characteristic known from the drum boiler leads to an equalization of the steam temperature and thus the pipe wall temperatures at the outlet of the evaporator heating surface.
  • the mass flow density in the pipes must be chosen so high that reliable cooling of the pipe wall is ensured and permissible material temperatures are not exceeded. In this way, high local overheating of the pipe material and the associated damage (pipe ripper) are avoided.
  • the main influencing variables for the material temperature are the external heating of the pipe wall and the heat transfer from the inner pipe wall to the flow medium (fluid). There is thus a connection between the internal heat transfer, which is influenced by the mass flow density, and the external heating of the tube wall.
  • Step 2
  • T max Maximum material temperature (° C) T kri t Temperature of the fluid at the critical point (° C) ß Thermal expansion coefficient (1 / K) E modulus of elasticity (N / mm 2 )
  • Tmax Tkrit + 6 'Gml (° C) (3)
  • the permissible voltage can be found in the pipe manufacturer's specifications.
  • Step 3 Conversion of the specified heat flow density q a (related to the outside of the pipe wall) to a heat flow density q i ( related to the inner wall of the pipes:
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a continuous steam generator with vertically arranged evaporator tubes
  • FIG. 2 shows a single evaporator tube in cross section
  • FIG. 3 shows curves E, F, G and H for the mass flow density in the case of various geometries of an evaporator tube made of the material 13 Cr Mo 44, and
  • Figure 4 is a graphical representation of the dependence of the maximum permissible material temperature of 13 CrMo 44 on the permissible stress (N / mm 2 ).
  • a continuous steam generator 2 is shown schematically with a rectangular cross section, the vertical gas train is formed from a surrounding wall 4, which merges into a funnel-shaped bottom 6 at the lower end.
  • the bottom 6 comprises a discharge opening 8 for ashes, not shown.
  • a number of burners 10, only one of which is visible, are attached for a fossil fuel in the surrounding wall or combustion chamber 4 formed from vertically arranged evaporator tubes 12.
  • the vertically arranged evaporator tubes 12 are welded together in this area A via tube fins or tube webs 14 to form gas-tight combustion chamber or peripheral walls.
  • the evaporator tubes 12 flowed through from bottom to top during operation of the continuous-flow steam generator 2 form an evaporator heating surface 16 in this area A.
  • the continuous steam generator 2 when the continuous steam generator 2 is operating, there is a flame body 17 which arises when a fossil fuel is burned, so that this region A of the continuous steam generator 2 is distinguished by a very high heat flow density.
  • the flame body 17 has a temperature profile which, starting from approximately the center of the combustion chamber 4, decreases both in the vertical direction upwards and downwards and in the horizontal direction to the sides, ie to the corners of the combustion chamber 4.
  • Above the lower area A of the throttle cable there is a second area B remote from the flame, above which a third upper area C of the throttle cable is provided.
  • Convection heating surfaces 18, 20 and 22 are arranged in areas B and C of the gas flue.
  • FIG. 2 shows an evaporator tube 12 provided on the inside with ribs 26, which during operation of the continuous steam generator 2 on the outside inside the combustion chamber 4 is exposed to heating with the heat flow density q a and through which the flow medium S flows on the inside.
  • T k the temperature of the flow medium or fluid in the tube 12 is designated T k ⁇ t.
  • Omax the maximum permissible material temperature T ⁇ x at the pipe apex 28 of the heated side of the pipe wall is used.
  • the inner diameter and the outer diameter of the evaporator tube 12 are denoted by d x and d a , respectively.
  • the equivalent inner diameter must be used, which takes into account the influence of the fin heights and valleys.
  • the pipe wall thickness is denoted by d r .
  • FIG. 3 shows four curves E, F, G and H in a coordinate system for different outside diameters d a (mm) and tube wall thicknesses d r (mm).
  • the heat flow density q a (kW / m 2 ) is plotted on the outside of the pipe and the preferred or optimal mass flow density rh (kg / m 2 s) is plotted on the ordinate.
  • Curve E shows the course for a pipe outer diameter d a of 30 mm with a pipe wall thickness d r of 7 mm.
  • Curve F shows the course for a pipe outer diameter d a of 40 mm with a pipe wall thickness d r of 7 mm.
  • Curve G shows the course of the mass flow density m as a function of the heat flow density q a for a pipe 12 with an outer diameter d a of 30 mm and a pipe wall thickness d r of 6 mm.
  • Curve H shows the course of a tube 12 with an outer diameter d a of 40 mm and a tube wall thickness d r of 6 mm.
  • the mass flow densities m are calculated for heat flow densities q a of 250, 300, 350 and 400 kW / m 2 at critical pressure of the flow medium S for the tube material 13 CrMo 44.
  • An example for the determination of the optimal mass flow density th is shown below. The following conditions are required:
  • di 26 mm inner tube diameter.
  • Step 1 Calculation of the heat flow density
  • the heat flow density based on the thermal calculation is multiplied by the increase factor. It follows:
  • Step 2 Determining the maximum permissible material temperature
  • Step 3 heat flow density on the inside of the pipe
  • the optimal mass flow density rh can thus be determined. This value is represented by the dashed lines in FIG. 3 for the specified conditions. It can be seen that for the assumed heat flow density q a of the pipe outer side of 350 kW / m 2 for pipes 12 with outer diameters d a between 30 and 40 mm and wall thicknesses d r between 6 and 7 mm there are optimal mass flow densities rh between 740 and 1060 kg / m 2 s result.
  • the mass flow rate determined in this way can be used for the fluidic design of the tubes 12 of the tube or peripheral wall 4.
  • dense rh can still be converted to the conditions at 100% load.
  • the operating pressure at the inlet of the tubes 12 is calculated at 100 Z.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Control Of Steam Boilers And Waste-Gas Boilers (AREA)
  • Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
  • Treatment Of Fiber Materials (AREA)
  • Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)

Abstract

The invention concerns a continuous steam generator (2) having a combustion chamber (4) with vertically extending pipes (12) which have a surface structure (26) on the interior. A flow medium (S) flows upwards through the pipes (12). According to the invention, a particularly advantageous mass flow density m in the pipes (12), at a load at which critical pressure (pcrit) prevails therein, corresponds, according to the invention, to the relation (7).

Description

Beschreibungdescription

DurchlaufdampferzeugerContinuous steam generator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchlaufdampferzeuger mit einer von einer Umfassungswand aus gasdicht miteinander verbundenen Rohren umgebenen Brennkammer, wobei die vertikal verlaufenden und auf ihrer Innenseite eine Oberflächenstruk¬ tur aufweisenden Rohre von einem Strömungsmedium von unten nach oben durchstrennbar sind.The invention relates to a once-through steam generator with a combustion chamber surrounded by a surrounding wall of pipes which are connected to one another in a gas-tight manner, wherein the pipes which run vertically and have a surface structure on the inside thereof can be cut by a flow medium from bottom to top.

Ein derartiger Dampferzeuger ist aus dem Aufsatz „Verdampferkonzepte für Benson-Dampferzeuger" von J. Franke, W. Köhler und E. Wittchow, veröffentlicht in VGB Kraftwerks- technik 73 (1993), Heft 4, S. 352 bis 360, bekannt. Bei einem derartigen Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von die Brennkammer bildenden Verdampferrohren, im Gegensatz zu einem Naturumlauf- oder Zwangumlaufdampferzeuger mit nur teilweiser Verdampfung des im Umlauf geführten Wasser-/ Wasser-Dampf- Gemisches, zu einer vollständigen Verdampfung desSuch a steam generator is known from the article "Evaporator Concepts for Benson Steam Generators" by J. Franke, W. Köhler and E. Wittchow, published in VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Issue 4, pp. 352 to 360 Such a continuous steam generator leads to the heating of the combustion chamber forming evaporator tubes, in contrast to a natural circulation or forced circulation steam generator with only partial evaporation of the water / water / steam mixture circulated, to a complete evaporation of the

Strömungsmediums in den Verdampferrohren in einem Durchgang. Während beim Naturumlaufdampferzeuger die Verdampferröhre prinzipiell vertikal angeordnet sind, können die Verdampfer¬ rohre des Durchlaufdampferzeugers sowohl vertikal als auch spiralförmig - und damit geneigt - angeordnet sein.Flow medium in the evaporator tubes in one pass. While in the natural circulation steam generator the evaporator tubes are in principle arranged vertically, the evaporator tubes of the continuous steam generator can be arranged both vertically and spirally - and thus inclined.

Ein Durchlaufdampferzeuger, dessen Brennkammerwände aus ver¬ tikal angeordneten Verdampferrohren aufgebaut ist, ist gegen¬ über einem eine spiralförmige Berohrung aufweisenden Durch- laufdampferzeuger kostengünstiger herzustellen. Durchlauf¬ dampferzeuger mit vertikaler Berohrung haben weiterhin gegen¬ über solchen mit geneigten oder spiralförmig steigend ange¬ ordneten Verdampferrohren niedrigere wasser-/dampfseitige Druckverluste. Ferner unterliegt ein Durchlaufdampferzeuger im Gegensatz zu einem Naturumlaufdampferzeuger keiner Druck¬ begrenzung, so daß Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (pknr. = 221 bar) - wo es nur noch einen ge- ringen Dichteunterschied gibt zwischen flüssigkeitsähnlichem und dampfähnlichem Medium - möglich sind. Hohe Frischdampf¬ drücke sind erforderlich, um hohe thermische Wirkungsgrade und damit niedrige C02-Emissionen zu erzielen.A continuous steam generator, the combustion chamber walls of which is constructed from vertically arranged evaporator tubes, is less expensive to manufacture than a continuous steam generator having a spiral-shaped tube. Continuous-flow steam generators with vertical pipes also have lower water / steam-side pressure losses than those with inclined or spirally rising evaporator pipes. Furthermore, in contrast to a natural circulation steam generator, a continuous steam generator is not subject to any pressure limitation, so that live steam pressures far above the critical pressure of water (pk n . = 221 bar) - where there is only one ring density difference between liquid-like and vapor-like medium - are possible. High live steam pressures are required in order to achieve high thermal efficiencies and thus low CO 2 emissions.

Ein besonderes Problem ist dabei die Auslegung der Brennkam¬ mer- oder Umfassungswand des Durchlaufdampferzeugers im Hin¬ blick auf die dort auftretenden Rohrwand- oder Materialtempe¬ raturen. Im unterkritischen Druckbereich bis etwa 200 bar wird die Temperatur der Brennkammerwand im wesentlichen von der Höhe der Sättigungstemperatur des Wassers bestimmt, wenn eine Benetzung der Heizfläche im Verdampfungsgebiet sicherge¬ stellt werden kann. Dies wird z.B. durch die Verwendung in- nenberippter Rohre erzielt. Derartige Rohre sowie deren Ein- satz in Dampferzeugern sind z. B. aus der Europäischen Pa¬ tentanmeldung 0 503 116 bekannt. Diese sogenannten Rippen¬ rohre, d. h. Rohre mit einer berippten Innenoberfläche, haben einen besonders guten Wärmeübergang von der Innenwand zum Strömungsmedium.A particular problem is the design of the combustion chamber or peripheral wall of the once-through steam generator with regard to the pipe wall or material temperatures that occur there. In the subcritical pressure range up to about 200 bar, the temperature of the combustion chamber wall is essentially determined by the level of the saturation temperature of the water if wetting of the heating surface in the evaporation area can be ensured. This will e.g. achieved by using inner finned tubes. Such pipes and their use in steam generators are e.g. B. is known from European patent application 0 503 116. These so-called finned tubes, d. H. Pipes with a ribbed inner surface have a particularly good heat transfer from the inner wall to the flow medium.

Im Druckbereich von etwa 200 bis 221 bar sinkt der Wärmeüber¬ gang von der Rohrinnenwand zum Strömungsmedium stark ab, so daß die Strömungsgeschwindigkeit - als Maß dafür wird meist die Massenstromdichte verwendet - entsprechend erhöht werden muß, um die ausreichende Kühlung der Rohre zu gewährleisten. Deshalb muß in den Verdampferrohren von Durchlaufdampferzeu¬ gern, die mit Drücken von ca. 200 bar und darüber betrieben werden, die Massenstromdichte und damit der Reibungsdruckver¬ lust höher gewählt werden als bei Durchlaufdampferzeugern, die mit Drücken unterhalb von 200 bar betrieben werden. In¬ folge des höheren Reibungsdruckverlustes geht besonders bei kleinen Rohrinnendurchmessern die vorteilhafte Eigenschaft der Senkrechtberohrung verloren, daß bei Mehrbeheizung ein¬ zelner Rohre auch deren Durchsatz steigt. Da jedoch hohe Dampfdrücke über 200 bar erforderlich sind, um hohe thermi¬ sche Wirkungsgrade und damit niedrige C02-Emissionen zu er¬ zielen, ist es notwendig, auch in diesem Druckbereich eine gute Wärmeübertragung sicherzustellen. Daher werden Durch¬ laufdampferzeuger mit senkrecht berührter Brennkammerwand üb¬ licherweise mit verhältnismäßig hohen Massenstromdichten in den Rohren betrieben, um im ungünstigen Druckbereich von etwa 200 bis 221 bar stets einen ausreichend hohen Wärmeübergang von der Rohrwand an das Strömungsmedium, d. h. an das Wasser- /Wasser-Dampf-Gemisch, zu erreichen. Hierzu wird in der Ver¬ öffentlichung „Thermal Engineering" I.E. Semenovker, Vol. 41, No. 8, 1994, Seiten 655 bis 661, sowohl für gas- als auch für kohlebefeuerte Dampferzeuger eine Massenstromdichte bei 100 % Last einheitlich mit etwa 2000 kg/m2s angegeben.In the pressure range of approximately 200 to 221 bar, the heat transfer from the inner tube wall to the flow medium drops sharply, so that the flow velocity - as a measure of which the mass flow density is usually used - must be increased accordingly in order to ensure adequate cooling of the tubes. Therefore, in the evaporator tubes of continuous steam generators that are operated at pressures of approx. 200 bar and above, the mass flow density and thus the friction pressure loss must be selected higher than in the case of continuous steam generators which are operated at pressures below 200 bar. As a result of the higher frictional pressure loss, the advantageous property of the vertical pipe is lost, particularly in the case of small inner pipe diameters, that the throughput also increases when individual pipes are heated. However, since high vapor pressures above 200 bar are required in order to achieve high thermal efficiencies and thus low CO 2 emissions, it is necessary to have one in this pressure range as well ensure good heat transfer. Continuous steam generators with a vertically touched combustion chamber wall are therefore usually operated with relatively high mass flow densities in the pipes in order to always have a sufficiently high heat transfer from the pipe wall to the flow medium, ie to the water / water, in the unfavorable pressure range of approximately 200 to 221 bar -Vapor mixture to achieve. For this purpose, in the publication "Thermal Engineering" IE Semenovker, Vol. 41, No. 8, 1994, pages 655 to 661, both for gas and for coal-fired steam generators, a mass flow density at 100% load is uniform with about 2000 kg / m 2 s specified.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Rohre einer Um¬ fassungswand eines Durchlaufdampferzeugers ein hinsichtlich einer besonders günstigen Massenstromdichte in den Rohren ge¬ eignetes Auslegungskriterium anzugeben.The invention is based on the object of specifying a design criterion suitable for a particularly favorable mass flow density in the pipes for pipes of a peripheral wall of a once-through steam generator.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dampferzeuger derart ausgelegt ist, daß die Massenstromdichte m in den Rohren der Umfassungswände bei derjenigen Last, bei der in den Rohren kritischer Druck Pkrit herrscht, der Bezie¬ hung:This object is achieved in that the steam generator is designed in such a way that the mass flow density m in the tubes of the surrounding walls at the load at which critical pressure Pkrit prevails in the tubes, the relationship:

m = — (kg/m's)m = - (kg / m's)

C (Tmax - Tkrit - ΔTw) v 6 'C (Tmax - Tkrit - ΔTw) v 6 '

entspricht, wobei qi (kW/m2) die Wärmestromdichte an der Innenseite des Rohres, Tmax (°C) die maximal zulässige Materialtemperatur des Rohres, Tkrit (°C) die Temperatur des Strömungsmediums bei kritischem Druck picnt,corresponds to, where qi (kW / m 2 ) the heat flow density on the inside of the pipe, Tmax (° C) the maximum permissible material temperature of the pipe, Tkrit (° C) the temperature of the flow medium at critical pressure picnt,

Δ Tw (K) die Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innen¬ wand des Rohres, und C ≥ 7,3 * 10"3 kWs/kgK eine Konstante ist.Δ T w (K) is the temperature difference between the outer and inner wall of the tube, and C ≥ 7.3 * 10 "3 kWs / kgK is a constant.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß für die strömungstechnische Auslegung der innenberippten Rohre bezüg- lieh der Massenstromdichte zwei sich prinzipiell widerspre¬ chende Bedingungen erfüllt werden müssen. Einerseits ist die mittlere Massenstromdichte in den Rohren möglichst niedrig zu wählen. Dadurch soll gewährleistet sein, daß einzelne Rohre, denen aufgrund nicht zu vermeidender Beheizungsunterschiede mehr Wärme zugeführt wird als anderen Rohren, von einem höhe¬ ren Massenstrom durchflössen werden, als Rohre, die durch¬ schnittlich beheizt werden. Diese vom Trommelkessel bekannte Naturumlaufcharakteristik führt am Austritt der Verdampfer- heizfläche zu einer Vergleichmäßigung der Dampftemperatur und damit der Rohrwandtemperaturen.The invention is based on the consideration that for the fluidic design of the internally finned pipes because the mass flow density had to meet two fundamentally contradictory conditions. On the one hand, the average mass flow density in the pipes should be chosen to be as low as possible. This is to ensure that a higher mass flow flows through individual pipes, to which more heat is supplied than other pipes due to unavoidable differences in heating, than pipes which are heated on average. This natural circulation characteristic known from the drum boiler leads to an equalization of the steam temperature and thus the pipe wall temperatures at the outlet of the evaporator heating surface.

Andererseits ist die Massenstromdichte in den Rohren so hoch zu wählen, daß eine sichere Kühlung der Rohrwand gewährlei- stet ist und zulässige Materialtemperaturen nicht überschrit¬ ten werden. Auf diese Weise werden hohe lokale Überhitzungen des Rohrmaterials und die damit verbundenen Schäden (Rohrreißer) vermieden. Wesentliche Einflußgrößen für die Ma¬ terialtemperatur sind außer der Temperatur des Strömungsmedi- ums die äußere Beheizung der Rohrwand und der Wärmeübergang von der inneren Rohrwand an das Strömungsmedium (Fluid) . Da¬ mit besteht ein Zusammenhang zwischen dem inneren Wärmeüber¬ gang, der von der Massenstromdichte beeinflußt wird, und der äußeren Beheizung der Rohrwand.On the other hand, the mass flow density in the pipes must be chosen so high that reliable cooling of the pipe wall is ensured and permissible material temperatures are not exceeded. In this way, high local overheating of the pipe material and the associated damage (pipe ripper) are avoided. In addition to the temperature of the flow medium, the main influencing variables for the material temperature are the external heating of the pipe wall and the heat transfer from the inner pipe wall to the flow medium (fluid). There is thus a connection between the internal heat transfer, which is influenced by the mass flow density, and the external heating of the tube wall.

Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß sich der Zusammenhang zwischen dem inneren minimalen Wärmeübergangs- koeffizienten αmin und der Massenstromdichte m in zulässig vereinfachter Form durch die Beziehung: beschreiben läßt, wobei αmm (kW/m2K) der Wärmeübergangskoeffizient, m (kg/m2s) die Massenstromdichte in den Rippenrohren, und C eine Konstante mit dem Mittelwert C = 7,3 * IO"3 kWs/kgK für handelsübliche Rohre ist. Je nach Struktur der Innenoberfläche der Rohre ist diese Konstante C auch im Bereich zwischen 7,3 * IO"3 kWs/kgK und 12 103 kWs/kgK zu wählen.The invention is now based on the knowledge that the relationship between the inner minimum heat transfer coefficient αmin and the mass flow density m is in an admissibly simplified form by the relationship: can be described, where αmm (kW / m 2 K) the heat transfer coefficient, m (kg / m 2 s) the mass flow density in the finned tubes, and C a constant with the average value C = 7.3 * IO "3 kWs / kgK for commercially available Depending on the structure of the inner surface of the pipes, this constant is C. also to be selected in the range between 7.3 * IO "3 kWs / kgK and 12 10 3 kWs / kgK.

Durch die genannte Beziehung ist eine optimale Massenstrom- dichte in den Rohren gegeben, die sowohl eine günstige Durch¬ flußcharakteristik (NaturumlaufCharakteristik) ergibt, als auch eine sichere Kühlung der Rohrwand und damit die Einhal¬ tung der zulässigen Materialtemperaturen gewährleistet.The relationship mentioned gives an optimal mass flow density in the pipes, which results both in a favorable flow characteristic (natural circulation characteristic) and also ensures reliable cooling of the pipe wall and thus compliance with the permissible material temperatures.

Eine grundsätzliche Überlegung bei der Herleitung der genann¬ ten Beziehung für die Massenstromdichte in den Rohren besteht darin, daß bei einer vorgegebenen äußeren Beheizung der Rohr¬ wand - im folgenden wird hierfür die sogenannte Wärmestrom¬ dichte (kW/m2), d.h. die Beheizung pro Flächeneinheit, ver- wendet - die Materialtemperatur der Rohrwand nur geringfügig, aber mit Sicherheit unterhalb des zulässigen Wertes liegt. Dabei ist die physikalische Erscheinung zu beachten, daß im kritischen Druckbereich von etwa 200 bis 221 bar der Wärme¬ übergang von der inneren Rohrwand an das Strömungsmedium am ungünstigsten ist.A fundamental consideration when deriving the above-mentioned relationship for the mass flow density in the pipes is that with a given external heating of the pipe wall - in the following the so-called heat flow density (kW / m 2 ), ie the heating, is used for this per unit area used - the material temperature of the pipe wall is only slight, but is definitely below the permissible value. The physical appearance must be taken into account that the heat transfer from the inner tube wall to the flow medium is the most unfavorable in the critical pressure range of approximately 200 to 221 bar.

Umfangreiche Untersuchungen zeigen, daß die höchste Material¬ beanspruchung dann erreicht wird, wenn im Verdampfungsgebiet bei etwa 200 bis 221 bar eine verhältnismäßig niedrige Mas- senstromdichte mit der größten vorkommenden Wärmestromdichte kombiniert wird. Dies ist z.B. in demjenigen Bereich der Brennkammer der Fall, in dem die Brenner angeordnet sind. Wenn danach die Verdampfung beendet ist und die Dampfüberhit¬ zung beginnt, sinkt die Materialbeanspruchung der Rohre einer Brennkammerwand wieder ab. Grund hierfür ist, daß bei übli¬ cher Brenneranordnung und üblichem Verbrennungablauf auch die Wärmestromdichte abnimmt.Extensive investigations show that the highest material stress is reached when a relatively low mass flow density is combined with the greatest heat flow density in the evaporation area at about 200 to 221 bar. This is e.g. in the area of the combustion chamber in which the burners are arranged. When the evaporation has ended and the steam overheating begins, the material stress on the pipes of a combustion chamber wall drops again. The reason for this is that the heat flow density also decreases with the usual burner arrangement and the usual combustion process.

Weiterhin wurde festgestellt, daß in anderen Druckbereichen auch keine Wärmeübergangsprobleme auftreten, wenn bei Verwen¬ dung von Rippenrohren in dem genannten Druckbereich von 200 bis 221 bar eine ausreichende Kühlung der Rohrwand gewährlei- stet ist. So wird bei niedrigen Drücken, d. h. unter ca. 200 bar, durch die Innenberippung der Rohre bewirkt, daß die Sie¬ dekrise erst am Ende der Verdampfungszone, d. h. in einem Ge¬ biet mit verminderter Wärmestromdichte, einsetzt. Im überkri- tischen Druckbereich tritt keine Siedekrise mehr auf. DerFurthermore, it was found that there are no heat transfer problems in other pressure ranges if sufficient cooling of the tube wall is ensured in the pressure range of 200 to 221 bar when using finned tubes. is steady. Thus, at low pressures, ie below approx. 200 bar, the internal ribbing of the pipes means that the sieve crisis only begins at the end of the evaporation zone, ie in a region with a reduced heat flow density. There is no longer a boiling crisis in the supercritical printing area. The

Wärmeübergang ist nun so intensiv, daß eine ausreichende Küh¬ lung der Rohrwand sichergestellt ist.Heat transfer is now so intense that adequate cooling of the tube wall is ensured.

Für die Ermittlung der optimalen Massenstromdichte m in den Rohren der Rohrwand, die einerseits eine vorteilhafte Durch¬ flußcharakteristik und andererseits eine sichere Kühlung der Rohrwand gewährleistet, kann folgendermaßen vorgegangen wer¬ den:To determine the optimal mass flow density m in the tubes of the tube wall, which on the one hand ensures an advantageous flow characteristic and on the other hand ensures reliable cooling of the tube wall, the following procedure can be followed:

Schritt 1:Step 1:

Ermittlung der Wärmestromdichte ga auf der Rohraußenseite auf der Basis der wärmetechnischen Berechnung für diej enige Last , bei der in den Rohren der Rohrwand ein Druck von 210 bar herrscht . Diese so ermittelte Wärmestromdichte ist um einen Faktor zwischen 1 , 1 und 1 , 5 zu erhöhen, um örtliche Ungleich- mäßigkeiten in der Wärmeübertragung zu berücksichtigen .Determination of the heat flow density g a on the outside of the pipe on the basis of the thermal calculation for the load at which there is a pressure of 210 bar in the pipes of the pipe wall. This heat flow density determined in this way must be increased by a factor between 1.1 and 1.5 in order to take account of local irregularities in the heat transfer.

Schritt 2 :Step 2 :

Berechnung der maximal zulässigen Materialtemperatur Tmax am Rohrscheitel der beheizten Seite der Rohrwand. Geht man davon aus, daß die Umfassungs- oder Brennkammerwand eine Mitteltem¬ peratur aufweist, die dem Mittelwert von T,™* und Tκrit ent¬ spricht, so errechnet sich die maximale Wärmespannung zu:Calculation of the maximum permissible material temperature T max at the top of the pipe on the heated side of the pipe wall. If one assumes that the enclosure or combustion chamber wall has an average temperature that corresponds to the average of T, ™ * and T κr i t , the maximum thermal stress is calculated as:

Omax = Tma* - Tkrit B , E (N/mm,) ( ( 2 )Omax = Tma * - Tkrit B , E ( N / mm ,) ((2 )

mit σmax Maximale Wärmespannung (N/mm2)with σ max maximum thermal stress (N / mm 2 )

Tmax Maximale Materialtemperatur (°C) Tkrit Temperatur des Fluids im kritischen Punkt (°C) ß Thermischer Ausdehnungskoeffizient (1/K) E Elastizitätsmodul (N/mm2)T max Maximum material temperature (° C) T kri t Temperature of the fluid at the critical point (° C) ß Thermal expansion coefficient (1 / K) E modulus of elasticity (N / mm 2 )

Da es sich bei den hier maßgebenden Spannungen um Wärmespan¬ nungen handelt, können diese als Sekundärspannungen entspre- chend dem ASME-Code mit dem dreifachen Wert der zulässigen Spannungen σ2uι abgesichert werden. Daraus ergibt sich die Temperatur Tmax zuSince the relevant stresses here are thermal stresses, they can be secured as secondary stresses in accordance with the ASME code with three times the permissible stresses σ 2u ι. This results in the temperature T max

Tmax = Tkrit + 6 ' Gml (°C) (3)Tmax = Tkrit + 6 'Gml (° C) (3)

Die zulässige Spannung kann den Angaben der Rohrhersteller entnommen werden.The permissible voltage can be found in the pipe manufacturer's specifications.

Schritt 3 : Umrechnung der vorgegebenen Wärmestromdichte qa (bezogen auf die Außenseite der Rohrwand) auf eine Wärmestromdichte qi( die auf die Innenwand der Rohre bezogen ist:Step 3: Conversion of the specified heat flow density q a (related to the outside of the pipe wall) to a heat flow density q i ( related to the inner wall of the pipes:

Die Bestimmung des Wärmeumverteilungsfaktors K basiert auf Temperatururfeldberechnungen und läßt sich mit ausreichender Genauigkeit wie folgt ermitteln:The determination of the heat redistribution factor K is based on temperature field calculations and can be determined with sufficient accuracy as follows:

K = A (da2- qa) + B (5) mit A = 0,45 und B = 0,625 für (da2- qa) < 0,5 kW und A = 0,25 und B = 0,725 für (da2- qa) > 0,5 u.< 1,1 kW und A = 0 und B = 1 für (da2- qa) > 1,1 kW, mit da = Rohr-Av.ßendurchmesser (m) di = Rohr-Innendurchmesser (m) qa = Wärmestromdichte an der Außenseite (kW/m2) qi = Wärmestromdichte an der Innenseite (kW/m2) Schritt 4 :K = A (da 2 - qa) + B (5) with A = 0.45 and B = 0.625 for (da 2 - qa) <0.5 kW and A = 0.25 and B = 0.725 for (da 2 - qa)> 0.5 and <1.1 kW and A = 0 and B = 1 for (da 2 - qa)> 1.1 kW, with d a = pipe outer diameter (m) di = pipe -Inner diameter (m) q a = heat flow density on the outside (kW / m 2 ) qi = heat flow density on the inside (kW / m 2 ) Step 4:

Ermittlung der Temperaturdifferenz Δ T„ zwischen der Rohrau¬ ßenwand und der Rohrinnenwand. Die Temperaturdifferenz Δ Tw wird mit Hilfe der Wärmeleitgleichung ermittelt:Determination of the temperature difference Δ T "between the outer tube wall and the inner tube wall. The temperature difference Δ T w is determined using the thermal conductivity equation:

mit λ = Wärmeleitfähigkeit des Rohrwerkstoffs (kW/mK) .with λ = thermal conductivity of the pipe material (kW / mK).

Schritt 5:Step 5:

Ermittlung der erforderlichen Massenstromdichte rh nach der Beziehung:Determining the required mass flow density rh using the relationship:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to a drawing. In it show:

Figur 1 in vereinfachter Darstellung einen Durchlaufdampfer- zeuger mit vertikal angeordneten Verdampferrohren,1 shows a simplified representation of a continuous steam generator with vertically arranged evaporator tubes,

Figur 2 im Querschnitt ein einzelnes Verdampferrohr,FIG. 2 shows a single evaporator tube in cross section,

Figur 3 in einer Diagramm-Darstellung Kurven E, F, G und H für die Massenstromdichte bei verschiedenen Geome¬ trien eines Verdampferrohres aus dem Werkstoff 13 Cr Mo 44, undFIG. 3 shows curves E, F, G and H for the mass flow density in the case of various geometries of an evaporator tube made of the material 13 Cr Mo 44, and

Figur 4 graphisch in einer Diagramm-Darstellung die Abhän- gigkeit der maximal zulässigen Materialtemperatur von 13 CrMo 44 von der zulässigen Spannung (N/mm2) .Figure 4 is a graphical representation of the dependence of the maximum permissible material temperature of 13 CrMo 44 on the permissible stress (N / mm 2 ).

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Figur 1 ist schematisch ein Durchlaufdampferzeuger 2 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, dessen vertikaler Gas¬ zug aus einer Umfassungswand 4 gebildet ist, die am Unterende in einen trichterförmigen Boden 6 übergeht. Der Boden 6 um- faßt eine nicht näher dargestellte Austragsöffnung 8 für Asche.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures. In Figure 1, a continuous steam generator 2 is shown schematically with a rectangular cross section, the vertical gas train is formed from a surrounding wall 4, which merges into a funnel-shaped bottom 6 at the lower end. The bottom 6 comprises a discharge opening 8 for ashes, not shown.

Im unteren Bereich A des Gaszugs sind eine Anzahl von Bren¬ nern 10, von denen nur einer sichtbar ist, für einen fossilen Brennstoff in der aus vertikal angeordneten Verdampferrohren 12 gebildeten Umfassungswand oder Brennkammer 4 angebracht. Die vertikal verlaufend angeordneten Verdampferrohre 12 sind in diesem Bereich A über Rohrflossen oder Rohrstege 14 zu gasdichten Brennkammer- oder Umfassungswänden miteinander verschweißt. Die beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 von unten nach oben durchströmten Verdampferrrohre 12 bilden in diesem Bereich A eine Verdampferheizfläche 16.In the lower area A of the gas flue, a number of burners 10, only one of which is visible, are attached for a fossil fuel in the surrounding wall or combustion chamber 4 formed from vertically arranged evaporator tubes 12. The vertically arranged evaporator tubes 12 are welded together in this area A via tube fins or tube webs 14 to form gas-tight combustion chamber or peripheral walls. The evaporator tubes 12 flowed through from bottom to top during operation of the continuous-flow steam generator 2 form an evaporator heating surface 16 in this area A.

In der Brennkammer 4 befindet sich beim Betrieb des Durch- laufdampferzeugers 2 ein bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffs entstehender Flammenkörper 17, so daß sich dieser Bereich A des Durchlaufdampterzeugers 2 durch eine sehr hohe Wärmestromdichte auszeichnet. Der Flammenkörper 17 weist ein Temperaturprofil auf, das, ausgehend von etwa der Mitte der Brennkammer 4, sowohl in vertikaler Richtung nach oben und nach unten als auch in horizontaler Richtung zu den Seiten, d. h. zu den Ecken der Brennkammer 4, hin abnimmt. Über dem unteren Bereich A des Gaszugs befindet sich ein zweiter flam¬ menferner Bereich B über dem ein dritter oberer Bereich C des Gaszugs vorgesehen ist. In den Bereichen B und C des Gaszugs sind Konvektionsheizflächen 18, 20 und 22 angeordnet. Ober¬ halb des Bereiches C des Gaszugs befindet sich ein Rauchgas- austrittskanal 24, über den das durch die Verbrennung des fossilen Brennstoffs erzeugte Rauchgas RG den vertikalen Gas- zug verläßt. Figur 2 zeigt ein auf der Innenseite mit Rippen 26 versehenes Verdampferröhr 12, das während des Betriebs des Durchlauf- dampferzeugers 2 auf der Außenseite im Inneren der Brennkam¬ mer 4 einer Beheizung mit der Wärmestromdichte qa ausgesetzt und innen vom Strömungsmedium S durchströmt ist. Im kriti¬ schen Punkt, d.h. bei kritischem Druck pKrit von 221 bar, wird die Temperatur des Strömungsmediums oder Fluids im Rohr 12 mit Tkπt bezeichnet. Für die Berechnung der maximalen Wärme¬ spannung Omax wird die maximal zulässige Materialtemperatur T^x am Rohrscheitel 28 der beheizten Seite der Rohrwand ein¬ gesetzt . Der Innendurchmesser und der Außendurchmesser des Verdampferrohrs 12 sind mit dx bzw. da bezeichnet. Bei innen- berippten Rohren ist der äquivalente Innendurchmesser einzu¬ setzen, der den Einfluß der Rippenhöhen und -täler berück- sichtigt. Die Rohrwandstärke ist mit dr bezeichnet.In the combustion chamber 4, when the continuous steam generator 2 is operating, there is a flame body 17 which arises when a fossil fuel is burned, so that this region A of the continuous steam generator 2 is distinguished by a very high heat flow density. The flame body 17 has a temperature profile which, starting from approximately the center of the combustion chamber 4, decreases both in the vertical direction upwards and downwards and in the horizontal direction to the sides, ie to the corners of the combustion chamber 4. Above the lower area A of the throttle cable there is a second area B remote from the flame, above which a third upper area C of the throttle cable is provided. Convection heating surfaces 18, 20 and 22 are arranged in areas B and C of the gas flue. Above area C of the gas flue there is a flue gas outlet channel 24, via which the flue gas RG generated by the combustion of the fossil fuel leaves the vertical gas flue. FIG. 2 shows an evaporator tube 12 provided on the inside with ribs 26, which during operation of the continuous steam generator 2 on the outside inside the combustion chamber 4 is exposed to heating with the heat flow density q a and through which the flow medium S flows on the inside. At the critical point, ie at a critical pressure p K rit of 221 bar, the temperature of the flow medium or fluid in the tube 12 is designated T k πt. For the calculation of the maximum thermal stress Omax, the maximum permissible material temperature T ^ x at the pipe apex 28 of the heated side of the pipe wall is used. The inner diameter and the outer diameter of the evaporator tube 12 are denoted by d x and d a , respectively. In the case of internally finned tubes, the equivalent inner diameter must be used, which takes into account the influence of the fin heights and valleys. The pipe wall thickness is denoted by d r .

Figur 3 zeigt in einem Koordinatensystem vier Kurven E, F, G und H für verschiedene Außendurchmesser da(mm) und Rohrwand¬ stärken dr(mm). Dazu sind auf der Abszisse die Wärmestrom- dichte qa(kW/m2) auf der Rohraußenseite und auf der Ordinate die bevorzugte oder optimale Massenstromdichte rh (kg/m2s) aufgetragen. Die Kurve E zeigt den Verlauf für einen Rohrau¬ ßendurchmesser da von 30 mm bei einer Rohrwandstärke dr von 7 mm. Die Kurve F gibt den Verlauf für einen Rohraußendurchmes- ser da von 40 mm bei einer Rohrwandstärke dr von 7 mm wieder. Die Kurve G zeigt den Verlauf der Massenstromdichte m in Ab¬ hängigkeit von der Wärmestromdichte qa für ein Rohr 12 mit einem Außendurchmesser da von 30 mm und einer Rohrwandstärke dr von 6 mm. Die Kurve H zeigt den Verlauf eines Rohres 12 mit einem Außendurchmesser da von 40 mm bei einer Rohrwand¬ stärke dr von 6 mm. Die Massenstromdichten m sind berechnet für Wärmestromdichten qa von 250, 300, 350 und 400 kW/m2 beim kritischen Druck des Strömungsmediums S für das Rohrma¬ terial 13 CrMo 44. Im folgenden wird ein Beispiel für die Bestimmung der optima¬ len Massenstromdichte th aufgezeigt. Dabei sind folgende Be¬ dingungen vorausgesetzt:FIG. 3 shows four curves E, F, G and H in a coordinate system for different outside diameters d a (mm) and tube wall thicknesses d r (mm). For this purpose, the heat flow density q a (kW / m 2 ) is plotted on the outside of the pipe and the preferred or optimal mass flow density rh (kg / m 2 s) is plotted on the ordinate. Curve E shows the course for a pipe outer diameter d a of 30 mm with a pipe wall thickness d r of 7 mm. Curve F shows the course for a pipe outer diameter d a of 40 mm with a pipe wall thickness d r of 7 mm. Curve G shows the course of the mass flow density m as a function of the heat flow density q a for a pipe 12 with an outer diameter d a of 30 mm and a pipe wall thickness d r of 6 mm. Curve H shows the course of a tube 12 with an outer diameter d a of 40 mm and a tube wall thickness d r of 6 mm. The mass flow densities m are calculated for heat flow densities q a of 250, 300, 350 and 400 kW / m 2 at critical pressure of the flow medium S for the tube material 13 CrMo 44. An example for the determination of the optimal mass flow density th is shown below. The following conditions are required:

qa = 250 kW/m2; Wärmestromdichte auf der Rohraußenseite bei einem Druck von 210 bar.q a = 250 kW / m 2 ; Heat flow density on the outside of the pipe at a pressure of 210 bar.

1,4 als Erhöhungsfaktor zur Berücksichtigung örtlicher Un- gleichmäßigkeiten in der Wärmeübertragung an die Rohre 12,1.4 as an increase factor to take into account local irregularities in the heat transfer to the pipes 12,

da = 40 mm Rohraußendurchmesser, dr = 7 mm Rohrwandstärke, und Rohrmaterial: 13 CrMo 44.d a = 40 mm tube outer diameter, d r = 7 mm tube wall thickness, and tube material: 13 CrMo 44.

Aus da und dr folgt: di = 26 mm Rohrinnendurchmesser.From d a and d r it follows: di = 26 mm inner tube diameter.

1. Schritt: Berechnung der WärmestromdichteStep 1: Calculation of the heat flow density

Die auf der wärmetechnischen Berechnung basierende Wär¬ mestromdichte wird mit dem Erhöhungsfaktor multipliziert. Daraus folgt:The heat flow density based on the thermal calculation is multiplied by the increase factor. It follows:

qa = 350 kW/m2 q a = 350 kW / m 2

2. Schritt: Bestimmung der maximal zulässigen Materialtempe- raturStep 2: Determining the maximum permissible material temperature

Nach Gleichung (3) errechnet sich diese Temperatur mit Tκrιt = 374 °C (Temperatur des Fluids bei kritischem Druck pkrit ) / mit ß = 16,3 * IO"6 (1/K) (thermischer Ausdehnungskoeffizient von 13 CrMo 44), E = 178 * IO3 (N/mm2) (Elastizitätsmodul von 13 CrMo 44) und σzuι = 68,5 (N/mm2) (zulässige Spannung von 13 CrMo 44 bei der maximal zulässigen Materialtemperatur) zu:According to equation (3) this temperature is calculated with T κrιt = 374 ° C (temperature of the fluid at critical pressure p kr it) / with ß = 16.3 * IO "6 (1 / K) (thermal expansion coefficient of 13 CrMo 44 ), E = 178 * IO 3 (N / mm 2 ) (elastic modulus of 13 CrMo 44) and σ to ι = 68.5 (N / mm 2 ) (permissible stress of 13 CrMo 44 at the maximum permissible material temperature) to:

Tmax = 515 °C.T max = 515 ° C.

Diese iterativ durchzuführende Bestimmung von T[nax zeigt die Abhängigkeit der zulässigen Spannung Czuχ von der Materialtem¬ peratur. In Figur 4 ist diese Abhängigkeit zwischen der zu- lässigen Spannung σ2uι von der maximalen Materialtemperatur Tmax für den Werkstoff 13 Cr Mo 44 graphisch dargestellt.This determination of T [nax , which has to be carried out iteratively, shows the dependence of the permissible stress C to χ on the material temperature. This dependence between the allowable stress σ 2u ι of the maximum material temperature T max for the material 13 Cr Mo 44 is shown graphically.

3. Schritt: Wärmestromdichte auf der RohrinnenseiteStep 3: heat flow density on the inside of the pipe

Mit den Gleichungen (4) und (5) folgt für A = 0,25 undWith equations (4) and (5) it follows for A = 0.25 and

B = 0,725 für die Wärmestromdichte qi auf der Innenseite derB = 0.725 for the heat flow density qi on the inside of the

Rohre 12 : qi = 466 kW/m2.Pipes 12: qi = 466 kW / m 2 .

4. Schritt: Ermittlung der Temperaturdifferenz Δ Tw zwischen4th step: Determination of the temperature difference Δ T w between

Rohraußen- und RohrinnenwandPipe outer and inner pipe wall

Nach Gleichung (6) gilt mit der Wärmeleitfähigkeit von 13 Cr Mo 44 von λ= 38,5 * IO"3 kW/m K:According to equation (6) with the thermal conductivity of 13 Cr Mo 44 of λ = 38.5 * IO "3 kW / m K:

Δ Tw = 73 K.Δ T w = 73 K.

5. Schritt: Ermittlung der erforderlichen Massenstromdichte5th step: Determination of the required mass flow density

Es gilt nach Gleichung (7) mit C = 7,3 * IO"3 kWs/kgK:According to equation (7) with C = 7.3 * IO "3 kWs / kgK:

rh = 939 kg/mJ s .rh = 939 kg / mJ s.

Mit den zur Verfügung stehenden Werten für die Wärmestrom¬ dichte qa auf der Rohraußenseite und der maximal zulässigen Materialtemperatur Tmax läßt sich somit die optimale Massen¬ stromdichte rh bestimmen. Dieser Wert ist für die angegebenen Bedingungen in Figur 3 durch gestrichelte Linien dargestellt. Man erkennt, daß sich für die angenommene Wärmestromdichte qa der Rohraußenseite von 350 kW/m2 bei Rohren 12 mit Außen¬ durchmessern da zwischen 30 und 40 mm und Wandsträrken dr zwischen 6 und 7 mm optimale Massenstromdichten rh zwischen 740 und 1060 kg/m2s ergeben.With the available values for the heat flow density q a on the outside of the pipe and the maximum permissible material temperature T m a x , the optimal mass flow density rh can thus be determined. This value is represented by the dashed lines in FIG. 3 for the specified conditions. It can be seen that for the assumed heat flow density q a of the pipe outer side of 350 kW / m 2 for pipes 12 with outer diameters d a between 30 and 40 mm and wall thicknesses d r between 6 and 7 mm there are optimal mass flow densities rh between 740 and 1060 kg / m 2 s result.

Für die strömungstechnische Auslegung der Rohre 12 der Rohr- oder Umfassungswand 4 kann die so ermittelte Massenstrom- dichte rh noch auf die Verhältnisse bei 100 % Last umgerech¬ net werden. Dazu wird der Betriebsdruck am Eintritt der Rohre 12 bei 100 Z berechnet. Anschließend werden die oben genann¬ ten Massenstromdichten m proportional mit dem Betriebsdruck bei 100 % Last umgerechnet. Beträgt z.B. der Betriebsdruck bei 100 % Last pB = 270 bar, so erhöht sich die Massenstrom¬ dichte rh von 740 auf 951 kg/m2 bzw. von 1060 auf 1363 kg/m2s.The mass flow rate determined in this way can be used for the fluidic design of the tubes 12 of the tube or peripheral wall 4. dense rh can still be converted to the conditions at 100% load. For this purpose, the operating pressure at the inlet of the tubes 12 is calculated at 100 Z. The mass flow densities mentioned above are then converted in proportion to the operating pressure at 100% load. If, for example, the operating pressure at 100% load is p B = 270 bar, the mass flow density rh increases from 740 to 951 kg / m 2 or from 1060 to 1363 kg / m 2 s.

Es kann zweckmäßig sein, Unsicherheiten in der Ermittlung der Wärmestromdichte qa durch eine Erhöhung der Massenstromdichte rh von + 15 % bis + 20 % gegenüber dem Rechenwert zu berück¬ sichtigen. It can be expedient to take into account uncertainties in the determination of the heat flow density q a by increasing the mass flow density rh from + 15% to + 20% compared to the calculated value.

Claims

Patentansprüche claims 1. Durchlaufdampferzeuger mit einer von einer Umfassungswand auε gasdicht miteinander verbundenen Rohren (12) umgebenden Brennkammer (4) , wobei die vertikal verlaufenden und auf ih¬ rer Innenseite eine Oberflächenstruktur (26) aufweisenden Rohre (12) von eim Strömungsmedium (S) von unten nach oben durchströmbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Massen- stromdichte rh in den Rohren (12) bei derjenigen Last, bei der in den Rohren (12) kritischer Druck pkrit herrscht, der Beziehung:1. continuous steam generator with a combustion chamber (4) surrounding pipes (12) that are gas-tightly connected to one another by a surrounding wall, the pipes (12), which run vertically and have a surface structure (26) on their inside, from below in the flow medium (S) can be flowed through upwards, characterized in that the mass flow density rh in the tubes (12) at the load at which critical pressure pk rit prevails in the tubes (12), the relationship: m = —; — (kg/m2s)m = -; - (kg / m 2 s) C(Tmax - Tkrit - ΔTw) V 'C (Tmax - Tkrit - ΔTw) V ' entspricht, wobei qi (kW/m2) die Wärmestromdichte an der Innenseite des Rohres (12) , Tmax (°C) die maximal zulässige Materialtemperatur des Rohres (12), Tkrit (°C) die Temperatur des Strömungsmediums (S) bei kritischem Druck (pkrit ) , Δ Tw (K) die Temperaturdif- ferenz zwischen Außen- und Innenwand des Rohres (12), und C > 7,3 IO"3 kWs/kgK eine Konstante ist.corresponds, where qi (kW / m 2 ) the heat flow density on the inside of the tube (12), T max (° C) the maximum permissible material temperature of the tube (12), T kr it (° C) the temperature of the flow medium (p ) at critical pressure (pkrit), Δ T w (K) the temperature difference between the outer and inner wall of the pipe (12), and C> 7.3 IO "3 kWs / kgK is a constant. 2. Durchlauf dampf erzeuger nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die auf die Innenwand bezogene Wärmestromdichte qi der Beziehung:2. Continuous steam generator according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the heat flow density qi related to the inner wall of the relationship: mit K = A (da 2.qa) + B entspricht, wobei: A=0,45 und B=0,625 für (da 2.qa) < 0,5 kW,with K = A (d a 2 .q a ) + B, where: A = 0.45 and B = 0.625 for (d a 2 .q a ) <0.5 kW, A=0,25 und B=0,725 für (da 2.qa) > 0,5 und < 1,1 kW, A=0 und B=l für (da 2.qa) > 1,1 kW, und wobei qa die Wärmestromdichte auf der Rohraußenseite (kW/m2) und da der Rohraußendurchmesser (m) ist .A = 0.25 and B = 0.725 for (d a 2 .q a )> 0.5 and <1.1 kW, A = 0 and B = l for (d a 2 .q a )> 1.1 kW , and where q a is the heat flow density on the outside of the pipe (kW / m 2 ) and d a is the outside diameter of the pipe (m). 3. Durchlaufdampferzeuge-r nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die maxi¬ mal zulässige Materialtemperatur Traax der Beziehung:3. continuous steam generator-r according to claim 1 or 2, characterized in that the maximum permissible material temperature T raax of the relationship: Tm-x = Tkπt+ n (°C) entspricht, ߣTm-x = Tkπt + n (° C) corresponds to ß £ wobei σzuι die zulässige Wärmespannung (N/mm2) , ß der thermi¬ sche Ausdehnungskoeffizient (1/K) und E der Elastizitätsmodul (N/mm2) des Rohrwerkstoffs ist.where σ to ι is the permissible thermal stress (N / mm 2 ), ß is the thermal expansion coefficient (1 / K) and E is the elastic modulus (N / mm 2 ) of the pipe material. 4. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Tempe¬ raturdifferenz ΔTW zwischen der Rohraußenwand und der Rohrin¬ nenwand der Beziehung:4. Continuous steam generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the temperature difference ΔT W between the outer tube wall and the inner tube wall of the relationship: m mit K = A (da 2.qa) + B entspricht, wobei: A=0,45 und B=0,625 für (da 2.qa) < 0,5 kW, m with K = A (d a 2 .q a ) + B, where: A = 0.45 and B = 0.625 for (d a 2 .q a ) <0.5 kW, A=0,25 und B=0,725 für (da 2.qa) > 0,5 und < 1,1 kW,A = 0.25 and B = 0.725 for (d a 2 .q a )> 0.5 and <1.1 kW, A=0 und B=l für (da 2.qa) > 1,1 kW, undA = 0 and B = l for (d a 2 .q a )> 1.1 kW, and wobei qa die Wärmestromdichte auf der Rohraußenseite (kW/m2), da der Rohraußendurchmesser (m) , di der Rohrinnendurchmesser (m) und λ die Wärmeleitfähigkeit des Rohrwerkstoffs (kW/mK) ist.where q a is the heat flow density on the outside of the pipe (kW / m 2 ), d a is the outside diameter of the pipe (m), di the inside diameter of the pipe (m) and λ is the thermal conductivity of the pipe material (kW / mK). 5. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für ein Rohr (12) aus dem Material 13 CrMo 44 durch Wertepaare der Wärmestromdichte rh (kg/m2) bestimmte Punkte in einem Koordi- natensystem auf einer Kurve E liegen, die für einen Rohrau- ßendurchmesser da von 30 mm und eine Rohrwanddichte dr von 7 mm definiert ist, durch die durch die Wertepaare: qa = 250 kW/m2, m = 526 kg/m2s, qa = 300 KW/m2, m = 750 kg/m2s, qa = 350 kW/mJs, rh = 1063 kg/mJs, und qa = 400 kW/m2,m = 1526 kg/m2s bestimmten Punkte.5. continuous steam generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that for a tube (12) made of the material 13 CrMo 44 by value pairs of the heat flow density rh (kg / m 2 ) certain points in a coordinate system on a curve E, for a pipe outer diameter d a of 30 mm and a pipe wall density d r of 7 mm is defined, by which the value pairs: q a = 250 kW / m 2 , m = 526 kg / m 2 s, q a = 300 KW / m 2 , m = 750 kg / m 2 s, q a = 350 kW / mJs, rh = 1063 kg / mJs, and q a = 400 kW / m 2 , m = 1526 kg / m 2 s certain points. 6. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für ein6. continuous steam generator according to one of claims 1 to 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that for a Rohr (12) aus dem Material 13 Cr Mo 44 durch Wertepaare der Wärmestromdichte rh (kg/m2) bestimmte Punkte in einem Koordi¬ natensystem auf einer Kurve F liegen, die für einen Rohrau¬ ßendurchmesser da von 40 mm und eine Rohrwanddichte dr von 7 mm definiert ist, durch die durch die Wertepaare: qa = 250 kW/m2, m = 471 kg/m2s, qa = 300 KW/m2, m = 670 kg/m2s, qa = 350 kw/m2s, m = 940 kg/mJs, und qa = 400 kW/m2,m = 1322 kg/m2s bestimmten Punkte.Pipe (12) made of the material 13 Cr Mo 44 by means of pairs of values for the heat flow density rh (kg / m 2 ) in a coordinate system lie on a curve F which for a pipe outer diameter d a of 40 mm and a pipe wall density d r of 7 mm is defined by the value pairs: q a = 250 kW / m 2 , m = 471 kg / m 2 s, q a = 300 KW / m 2 , m = 670 kg / m 2 s, q a = 350 kw / m 2 s, m = 940 kg / mJs, and q a = 400 kW / m 2 , m = 1322 kg / m 2 s certain points. 7. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für ein Rohr (12) aus dem Material 13 Cr Mo 44 durch Wertepaare der Wärmestromdichte rh (kg/m2) bestimmte Punkte in einem Koordi¬ natensystem auf einer Kurve G liegen, die für einen Rohrau¬ ßendurchmesser da von 30 mm und eine Rohrwanddichte dr von 6 mm definiert ist, durch die durch die Wertepaare: qa = 250 kW/m2, m = 420 kg/m2s, qa = 300 KW/m2, ril = 576 kg/m2s, qa = 350 kW/m2s, m = 775 kg/mJs, und qa = 400 kW/m2,rh = 1037 kg/m2s bestimmten Punkte.7. continuous steam generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that for a tube (12) made of the material 13 Cr Mo 44 by value pairs of the heat flow density rh (kg / m 2 ) certain points in a coordinate system on a curve G. , which is defined for a tube outer diameter d a of 30 mm and a tube wall density d r of 6 mm, by means of the value pairs: q a = 250 kW / m 2 , m = 420 kg / m 2 s, q a = 300 KW / m 2 , ril = 576 kg / m 2 s, q a = 350 kW / m 2 s, m = 775 kg / mJs, and q a = 400 kW / m 2 , rh = 1037 kg / m 2 s certain points. 8. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für ein Rohr (12) aus dem Material 13 Cr Mo 44 durch Wertepaare der Wärmestromdichte m (kg/m2) bestimmte Punkte in einem Koordi¬ natensystem auf einer Kurve H liegen, die für einen Rohrau¬ ßendurchmesser da von 40 mm und eine Rohrwanddichte dr von 6 mm definiert ist, durch die durch die Wertepaare: qa = 250 kW/m2, rh = 399 kg/m2s, qa = 300 KW/m2, th = 549 kg/m2s, qa = 350 kW/m2s, m = 737 kg/m2s, und qa = 400 kW/m2,th = 977 kg/m2s bestimmten Punkte.8. continuous steam generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that for a tube (12) made of the material 13 Cr Mo 44 by pairs of values Heat flow density m (kg / m 2 ) certain points in a coordinate system lie on a curve H, which is defined for a pipe outside diameter d a of 40 mm and a pipe wall density d r of 6 mm, by means of which the value pairs: q a = 250 kW / m 2 , rh = 399 kg / m 2 s, q a = 300 KW / m 2 , th = 549 kg / m 2 s, q a = 350 kW / m 2 s, m = 737 kg / m 2 s, and q a = 400 kW / m 2 , th = 977 kg / m 2 s certain points. 9. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Mas¬ senstromdichte < 1,2. m zulässig ist. 9. continuous steam generator according to one of claims 1 to 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a mass flow density <1.2. m is permissible.
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