МАЛОГАБАРИТНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПАРОГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 1994 года по МПК F22B25/00 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к малогабаритным мобильным парогенерирующим устройствам.

Известен мобильный парогенератор на дизельном топливе с камерной топкой, экранированной горизонтальными парогенерирующими трубами.

Недостатком известного парогенератора является его большая масса и габариты, что снижает его эксплуатационные характеристики.

Известен также парогенератор, содержащий парогенерирующие элементы, каждый из которых выполнен в виде двух коаксиально установленных наружной и внутренней обечаек.

Недостатками известного парогенератора являются низкие параметры пара, значительные размеры и низкая эксплуатационная надежность.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов парогенератора в расчете на единицу паропроизводительности, а также повышение его эксплуатационной надежности.

Указанная цель достигается тем, что парогенерирующий элемент, состоящий из двух коаксиально установленных наружной и внутренней обечаек, снабжен спиральной вставкой, размещенной между обечайками с образованием винтового канала для прохода нагреваемой среды. Внутренняя труба-обечайка образует осевой газоход, причем отношение наружного диаметра внутренней обечайки D_вн и внутреннего диаметра наружной обечайки D_н подчиняется условию 1,05 ≅ D_н/D_вн ≅ 1,60, а соотношение площадей поперечных сечений газохода и тракта теплоносителя отвечает условию 2 ≅ F_г/F_т ≅ 200.

Кроме того, для повышения паропроизводительности парогенератора он смонтирован в виде набора коаксиально установленных парогенерирующих цилиндров, у которых осевой газоход внутреннего парогенерирующего цилиндра последовательно соединен с газоходами периферийных цилиндров, а спиральные многозаходные тракты теплоносителя соответственно соединены между собой.

Указанная цель достигается также путем подачи двух теплообменивающихся через стенку газохода сред, греющую из которых подают в газоход парогенерирующего элемента (цилиндра) с массовой скоростью в диапазоне 20-200 кг/м²с, а потоку нагреваемой среды сообщают поступательно-вращательное движение с массовой скоростью в диапазоне 300-3000 кг/м²с, причем в случае выполнения парогенератора в виде набора коаксиально установленных парогенерирующих цилиндров процесс теплообмена проводят последовательно, при этом поток греющего газа вводят в газоход центрального цилиндра и перемещают к периферии, а поток теплоносителя проходит последовательно спиральные тракты парогенерирующих цилиндров.

На фиг. 1 представлена секция парогенерирующего цилиндра, продольный разрез; на фиг. 2 - развертка на плоскости внутренней трубы с нанесенными на ее наружную поверхность ребрами; на фиг. 3 - схема работы многосекционного парогенератора.

Малогабаритный парогенератор содержит внутреннюю 1 и наружную 2 цилиндрические трубы, установленные коаксиально. Внутренняя труба 1 образует центральный газоход 3 для греющего газа, а в пространстве между трубами 1, 2 размещены винтовые ребра 4, образующие спиральный тракт 5 для нагреваемой среды (теплоносителя). Винтовые ребра 4 могут быть выполнены путем расточки по спирали наружной поверхности трубы 1 с последующей приваркой наружной обечайки, либо расточкой одинаковых спиралей на трубах 1, 2 с последующим их соединением.

При необходимости увеличения производительности парогенератора и наращивания его теплообменной поверхности последний может быть выполнен из нескольких, коаксиально установленных, парогенерирующих цилиндров, аналогичных центральному (см. фиг. 3), трубы 1, 2 с ребрами 4 образуют центральный парогенерирующий цилиндр, трубы 6, 7 с ребрами 8 - промежуточный парогенерирующий цилиндр с газоходом 9 и спиральным трактом 10 теплоносителя, а трубы 11, 12 с ребрами 13 - периферийный парогенерирующий цилиндр с газоходом 14 и трактом 15 теплоносителя. Соединение газоходов 3, 9, 14 выполнено последовательным, так что горячие газы от горелки 16 поступают в центральный газоход 3 и через газоход 9 - в периферийный газоход 14. Спиральные тракты 5, 10, 15 также соединены друг с другом, причем холодный теплоноситель подается в периферийный тракт 15, а дальше либо через центральный тракт 5 в промежуточный тракт 10 (как показано на фиг. 3), либо через промежуточный тракт 10 в центральный тракт 5.

Варьируя площадь поперечного сечения газохода, можно получить большие массовые скорости греющего газа и, соответственно, большие конвективные удельные тепловые потоки, падающие на стенку газохода и воспринимаемые теплоносителем. Возрастание удельных тепловых потоков приводит к снижению необходимой теплообменной поверхности и, как следствие, к снижению необходимых массы и объема парогенератора в расчете на единицу паропроизводительности (единицу тепловой мощности).

Однако при возрастании удельных тепловых потоков появляется опасность возникновения на границе стенка - теплоноситель устойчивой паровой пленки, что резко ухудшает теплообмен, стенка перегревается и может разрушиться. Удельные тепловые потоки, при которых возникает такая устойчивая паровая пленка, называются критическими, а само явление - кризисом кипения. Значения удельных тепловых потоков зависят от физических свойств теплоносителя, режимных факторов и геометрии канала теплоносителя. В спиральных каналах при прочих равных условиях значения критических удельных тепловых потоков для теплоносителя при парообразовании намного выше, чем в прямых каналах, поскольку за счет центробежных сил в спиральном канале возникают вторичные течения, интенсифицируется массообмен между паровой и жидкой фазами при парообразовании, нарушается устойчивость паровой пленки и улучшается орошение и охлаждение теплопередающей стенки, чем обеспечивается ее прочность и эксплуатационная надежность.

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

D_н - внутренний диаметр наружной трубы;
D_вн - внутренний диаметр внутренней трубы. Число единичных каналов тракта теплоносителя может быть различным, однако геометрическая форма поперечного сечения такого канала должна быть близкой к равностороннему прямоугольнику (квадрату, кругу) со стороной 5-50 мм.

Работает малогабаритный цилиндрический парогенератор следующим образом.

Горячие продукты сгорания (греющие пазы) из горелочного устройства 16 подают в центральный газоход 3 с массовой скоростью, равной V_г = 20-200 кг/м²с. При этом возникают большие конвективные удельные тепловые потоки, падающие на стенку газохода. Уровень этих удельных тепловых потоков намного превышает уровень этих же потоков в обычных парогенераторах и достигает значений q = 2 мВт/м². Температура стенки газохода достигает t^o = = 375^оС.

Одновременно холодный теплоноситель подается в винтовой тракт 5 и движется по нему, охлаждая стенку газохода до t^о = = 350^оС. Массовая скорость теплоносителя V_т задается в пределах 300-3000 кг/м²с, что обеспечивает возможность сохранять высокие значения удельных тепловых потоков без потери эксплуатационной надежности элементов конструкции. При выполнении парогенератора многосекционным греющий газ и теплоноситель последовательно проходят секции парогенератора. Геометрия газоходов и трактов теплоносителя парогенерирующих цилиндров, их количество рассчитывается, исходя из требуемой тепловой мощности, допустимых гидравлических сопротивлений, необходимой прочности и т. д. Разработанная конструкция парогенератора имеет в 5-7 раз меньшую массу и в 15-20 раз меньший объем в расчете на единицу паропроизводительности, чем парогенераторы существующих конструкций. Предложенная конструкция обеспечивает достаточную эксплуатационную надежность в широком интервале единичных мощностей парогенератора и параметров пара (мощность 0,1-7,0 МВт, давление 0,5-20 МПа, температура 150-500^оС), позволяет легко наращивать теплообменную поверхность. Кроме того, предложенная конструкция является незаменимой при создании мобильных теплогенерирующих установок для транспорта и т. п. случаев их применения.

П р и м е р. Малогабаритный цилиндрический парогенератор для мобильной установки имеет следующие параметры:
Общая масса парогене- ратора 240 кг Тепловая мощность 0,8 МВт Паропроизводи- тельность 1500 кг/ч Давление пара 60 ата Температура пара 270^оС (56) Мобильный парогенератор с камерной топкой. Проспект фирмы Раума-Реполо (Финляндия), 1982.

Авторское свидетельство СССР N 342007, кл. F 22 B 25/00, 1972.

Использование: энергетика, парогенерирующие устройства. Сущность изобретения: каждый парогенерирующий элемент (ПЭ) в парогенераторе выполнен в виде двух коаксиально установленных наружной и внутренней обечаек 1 и 2. Внутренняя обечайка 2 образует газоход (Г). Каждый ПЭ снабжен размещенной между обечайками спиральной вставкой 4, образующей винтовой канал для прохода нагреваемой среды. Отношение диаметров обечаек 1 и 2 составляет 1,05 . . . 1,6, а отношение площадей поперечных сечений Г и канала 2 . . . 200. ПЭ размещены коаксиально с зазором один отностельно другого. Г периферийных ПЭ подключены между собой и с Г осевого ПЭ последовательно. Каналы для прохода НС сообщены. Массовую скорость в Г поддерживают в диапазоне 20 . . . 200 кг/м²c, при этом потоку нагреваемой среды сообщают поступательно-вращательное движение и поддерживают его массовую скорость в диапазоне 300 . . . 3000 кг/м²c. 2 с. п. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Малогабаритный цилиндрический парогенератор, содержащий парогенерирующие элементы, каждый из которых выполнен в виде двух коаксиально установленных наружной и внутренней обечаек, последняя из которых образует газоход, отличающийся тем, что каждый парогенерирующий элемент снабжен спиральной вставкой, размещенной между обечайками с образованием винтового канала для прохода нагреваемой среды, причем отношение диаметров внутренней и наружной обечаек составляет 1,05 - 1,6, а отношение площадей поперечных сечений газохода и канала 2 - 200. 2. Парогенератор по п. 1, отличающийся тем, что парогенерирующие элементы размещены коаксиально с зазором один относительно другого, причем газоходы периферийных элементов подключены между собой и с газоходом осевого элемента последовательно, а каналы для прохода нагреваемой среды сообщены. 3. Способ работы малогабаритного цилиндрического парогенератора путем подачи двух теплообменивающихся через стенку газохода сред, греющую из которых подают в газоход парогенерирующего элемента, отличающийся тем, что массовую скорость потока греющей среды в газоходе парогенерирующего элемента поддерживают в диапазоне 20 - 200 кг/м²с, а потоку нагреваемой среды сообщают поступательно-вращательное движение и поддерживают его массовую скорость в диапазоне 300 - 3000 кг/м²с.