用于火管锅炉的环形过热元件制造技术

一种用于使火管锅炉的火管(22)内的蒸汽过热的环形过热器元件(10)，包括同心的内管和外管以及专门设计的返回端盖(16)。引入所述过热器元件的外管(14)中的饱和蒸汽在朝向管的燃烧器端行进时过热，通过返回端盖(16)而被引导到内管(18)中，并且远离元件(10)的燃烧器侧行进，在燃烧器侧蒸汽被排出以用作过热气体。在穿过内管时，过热蒸汽通过内管的壁将热能释放到在外管中朝向管的燃烧器端行进的蒸汽，从而节省能量。改进的过热器元件与传统的过热器元件相比，使用较少的燃料更高效地产生过热蒸汽并且产生能够做更多功的蒸汽，并且可以用于改装现有的火管式锅炉。

Annular Superheater for Fire Tube Boiler

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于火管锅炉的环形过热元件相关申请的交叉引用本国际申请要求2016年12月16日提交的美国专利申请第15/381,682号的优先权。关于联邦政府资助研究的声明本文描述的专利技术不是根据政府机构的拨款或合同做出的。在所述专利技术中没有使用政府资金。
本专利技术涉及用于火管式蒸汽锅炉的过热器。更具体地，本专利技术描述了一种能够比现有的过热锅炉更高效地产生过热蒸汽的环形过热元件。
技术介绍
火管是用在一些蒸汽锅炉中将经过加热的气体从一个管板输送到锅炉的相对管板的管。经过加热的气体穿过火管，通过火管的壁传导热量，并将热能传递给围绕火管的水。气体以明显更低的温度从相对的管板引出。能够产生过热蒸汽的蒸汽锅炉包括过热器元件，该过热器元件具有在元件管内流动的蒸汽，其中火管内的热气体在过热器元件的外部流动。过热器元件包括过热器管，该过热器管引导蒸汽流进和流出火管，以便将来自火管中的高温气体的热能传递给过热器元件内的饱和蒸汽，使蒸汽从过热器元件引出时与蒸汽未经过热的情况相比每单位体积蒸汽带有更多有用的能量。目前，大多数商用蒸汽锅炉55要么是图1A举例示出的苏格兰湿背(scotchwet-back)卧式火管型，要么是图1B举例示出的苏格兰干背(dry-back)卧式火管型。在这些蒸汽锅炉中，燃烧器源3在相对较大的炉管中燃烧燃料，并加热其中的气体。高温气体从炉管引出，执行180度转向，并流过铺设在两个管板之间的相对较小直径的火管。管板是固定火管的压力边界并将火管保持在适当位置的板。图1A示出的苏格兰湿背卧式火管锅炉具有三个管板，而图1B示出的苏格兰干背卧式火管锅炉具有两个管板。目前的锅炉技术使用一个适当直径的炉管来针对设计蒸汽容量促使最高效的燃烧，并且使用尽可能多的小直径管来产生大的表面积，以适应从经过加热的炉气跨过管壁的高效对流传热速率。在图1A和图1B示出的卧式火管锅炉的情况下，炉管和许多小直径气体火管在钢制筒形锅炉中被水包围，钢制筒形锅炉被设计用于保持设计锅炉压力。当高温气体流过一个大直径炉管和多个较小直径的火管时，高温气体放出热量以使锅炉的压力边界内的水11沸腾。沸水11的饱和蒸汽聚集在锅炉顶部的蒸汽空间中，并通过锅炉顶壁的阀引出。一些锅炉被设计成通过不同排管(称为“通路”)使经过加热的炉气多次来回循环，以便在将气体从烟囱50排出到大气之前提取尽可能多的热量。机车类型的锅炉在炉膛中燃烧燃料并且仅在通过火管一次之后排出气体。图1A所示的苏格兰湿背卧式火管蒸汽锅炉具有三个通路，并且图1B所示的苏格兰干背卧式火管蒸汽锅炉具有两个通路。给定锅炉的蒸汽产生能力取决于锅炉可占用的空间的大小。锅炉通常是筒形的，这是容纳加压流体的最坚固的实用形状。更大的蒸汽产生能力通过使锅炉壳体直径更大和增加管板之间的距离来实现。通过在通过烟囱50排出经过加热的气体之前使气体转向通过多个通路来增加气体接触的管表面积而提高锅炉的效率。关于传热和气流的物理定律限定了给定火管的横截面积，以实现最高效的燃烧和传热。直径较小的火管具有供高温气体流过的较小的体积，但具有较大的表面积与体积比，这意味着吸收热量的表面积更大。通过平衡给定时间段内流动的热气体量与用于传热的总表面积来实现最佳的火管效率。给定压力下的过热蒸汽的温度高于相同压力下水沸腾的温度。例如，在每平方英寸14.7磅(1巴)(海平面)下，过热蒸汽的温度会高于212℉(100℃)，212℉是来自该压力下沸水的常规饱和蒸汽的温度；或者，在每平方英寸150磅(10巴)(大约是海平面大气压的十倍)时，过热蒸汽的温度将高于366℉(186℃)，366℉是来自该压力下沸水的常规饱和蒸汽的温度。为了使蒸汽过热，必须从锅炉中收集蒸汽，并对该蒸汽进行来自外部热源或炉气的额外的热量输入的处理。过热蒸汽的优点在于能够在给定压力下用较少的沸水将更多的热能从锅炉源传递到目标。这允许在不增加管道系统的压力或基础设施的情况下用相同量的蒸汽传输更多能量。火管锅炉中使蒸汽过热在本领域中是众所周知的。典型的现有技术实施方式包括在锅炉中添加明显更大的火管，其中小直径过热器管从一端填充在单根火管内向下移动的蒸汽，并且过热器管中的小半径U形弯头将蒸汽在相反的方向上在该相同的火管外部送回。过热器管在大直径管内至少反向一次，在一些实施方式中反向两次。图2A描绘了具有多个U形弯头或通路的单向流动的火管过热器的例子。单向流动的火管过热器管的左侧的一部分被切下以示出过热器管中的一个U形弯头的内部结构。这些现有技术的具有一个或多个U形弯头的单向流动过热器管的缺点是：·它们需要大直径火管，降低了可在特定尺寸的锅炉壳体的给定直径锅炉中使用的火管总数。由此减少了使水产生蒸汽的总的加热表面，降低了锅炉的蒸汽产生能力。·当蒸汽流过过热器元件，多次通过火管时，每次通过都是从火管的低温端到高温端然后回到低温端，炉气的温度呈指数下降。在火管的高温端被加热到高温度的输出过热器管中的蒸汽的温度高于火管低温端的气体的温度。在沿着火管的某个点处，输出过热器管中的蒸汽的温度将高于连续冷却的相邻炉气的温度。在这一点，过热过程变得适得其反，因为过热器管现在将热量传给从火管引出的炉气，可能传给锅炉的排气。该热力学效应在图2B的现有技术的火管锅炉的示意图中示出，并在下面更详细地说明。本专利技术的一个目的是提供一种过热器元件，其克服了现有的过热器元件的缺点。本专利技术的另一个目的是在不需要额外的外部热源来将饱和蒸汽加热成过热蒸汽的情况下使蒸汽过热。本专利技术的另一个目的是使用用于将锅炉水加热成饱和蒸汽的炉气来使蒸汽过热。本专利技术的另一个目的是提供一种过热器元件，其比现有的过热器元件更高效地产生过热蒸汽。本专利技术的另一个目的是提供一种过热器元件，其中在火管内循环的过热蒸汽不会向火管气体损失任何热能。本专利技术的另一个目的是提供一种过热器元件，其比现有的过热器锅炉更高效地使用燃料。本专利技术的另一个目的是提供一种过热锅炉，其能够以较少的燃料产生较更多的过热蒸汽，使用相同量的燃料产生更高的温度的过热蒸汽，或者使用相同量的燃料产生能够做更多功的过热蒸汽。本专利技术的另一个目的是提供一种改进的过热器元件，该过热器元件可以容易且低成本地改装到传统的火管锅炉中。
技术实现思路
这些目的在本专利技术中得到实现，本专利技术为一种环形过热器元件，其通过提高锅炉火管提供的加热效率的方式来使过热蒸汽再循环。本专利技术解决了现有技术中发现的问题。本专利技术的改进的环形过热元件使用相同的能量输入产生温度实质上更高的过热蒸汽的温度，使用明显更少的能量输入产生相同温度的过热蒸汽，以及使用相同量的燃料产生相对于现有火管锅炉能够做更多功的蒸汽。本专利技术的环形过热器元件节省了能量和燃料费用，对于给定量的燃料以更高的效率产生能够做更多功的过热蒸汽。本专利技术的过热器元件包括两个同心管(即，外管和内管)以及返回端盖。返回端盖使在由外管和内管界定的环形通道内流动的过热蒸汽被引导和返回通过内管。本专利技术的环形过热器元件在许多重要方面与现有技术中描述的环形过热器元件实质上不同，包括但不限于改进的过热器元件在内管和外管之间的第一蒸汽通道中高效吸收热能的能力以及高效且可靠地使过热蒸汽从第一通道改变方向进入内管的专门设计的返回端盖。如本文所使用的，第一通道是指由外管和内管界定的环形蒸汽路径，其同心地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在火管锅炉的火管内引导过热蒸汽的过热器元件，其包括：围绕内管同心的外管；返回件，其在一端连接所述外管和所述内管；入口歧管，其连接至所述外管的非返回端；以及出口歧管，其连接至所述内管的非返回端。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.16 US 15/381,6821.一种用于在火管锅炉的火管内引导过热蒸汽的过热器元件，其包括：围绕内管同心的外管；返回件，其在一端连接所述外管和所述内管；入口歧管，其连接至所述外管的非返回端；以及出口歧管，其连接至所述内管的非返回端。2.根据权利要求1所述的过热器元件，其中，所述返回件具有凹形的内表面，所述凹形的内表面在所有旋转角度下都旋转对称，并且其中所述内表面的中心朝向所述内管延伸。3.根据权利要求1所述的过热器元件，其中，所述内管和所述外管由具有高导热特性的材料制成。4.根据权利要求1所述的过热器元件，其中，所述内管由选自由碳钢、不锈钢以及含有铬、钼和锰合金的钢组成的组的材料制成。5.根据权利要求1所述的过热器元件，其中，所述返回件由包括在符合锅炉规范的材料内的高碳合金钢制成。6.根据权利要求1所述的过热器元件，其中，在考虑管材料以及流过所述内管和所述外管的过热蒸汽的压力和温度的情况下，将所述内管的壁的形状和尺寸设计成使所述内管与所述外管之间的导热性最大化。7.一种用于使火管锅炉的火管内的饱和蒸汽过热的过热器元件，所述锅炉具有与排出端相对的燃烧器端，所述过热器元件包括：围绕内管同心的外管，所述管在所述锅炉内从所述燃烧器端延伸至所述排出端；返回件，其在所述元件的所述燃烧器端连接所述外管和所述内管；入口歧管，其连接至所述外管的排出端；以及出口歧管，其连接至所述内管的排出端。8.根据权利要求7所述的过热器元件，其中，所述返回件具有凹形的内表面，所述凹形的内表面在所有旋转角度下都旋转对称，并且其中所述内表面的中心朝向所述内管延伸。9.根据权利要求8所述的过热器元件，其中，所述凹形的内表面呈现的形状选自由球形、抛物线和双曲线组成的组。10.根据权利要求7所述的过热器元件，其中，引入所述入口歧管的饱和蒸汽在沿着所述外管朝向所述元件的燃烧器端行进时获得热能，通过所述返回件被引导到所述内管中，然后在所述内管内朝向所述元件的排出端行进时将热能传给所述外管内的所述饱和蒸汽，然后从所述出口歧管引出。11.一种使用过热器元件来使蒸汽过热的方法，所述过热器元件被插入到火管锅炉的火管中，所述锅炉具有与排出端相对的燃烧器端，所述方法包括以下步骤：提供过热器元件，所述过热器元件具有：围绕内管同心的外...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·马修·奥斯汀，
申请(专利权)人：詹姆斯·马修·奥斯汀，
类型：发明
国别省市：美国,US