一种蒸汽发生器的制作方法

本发明实施例涉及蒸汽动力领域，尤其涉及一种蒸汽发生器。

背景技术：

蒸汽发生器是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为蒸汽的机械设备。一般的蒸汽发生器应用于常压燃烧环境，即燃烧室和烟气的压力为常压、微正压或者微负压，在采用闭式循环蒸汽轮机系统的水下潜航器高压烟气、高背压排气环境下无法使用，而且常规的蒸汽发生器管程走水，管外走烟，由于烟气传热系数低，需要布置大量换热面。常规的蒸汽发生器由蒸发器、过热器、省煤器的分体布置，占地面积大，无法紧凑布置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种蒸汽发生器，解决现有技术中占用面积大的问题。

本发明提供了一种蒸汽发生器，包括：壳体和换热管；

壳体设有入水口，水通过入水口充入壳体内腔；

换热管设置在壳体内，换热管通过气体入口自壳体外部通入高温气体将水加热成蒸汽；

壳体设有至少一个出口，以输出壳体内部形成的蒸汽。

高温气体通过换热管进入到壳体内部进行流动，在流动的过程中与壳体内的水进行换热，将壳体内的水加热成蒸汽，蒸汽从出口排出继而向外部的汽轮机或其他设备提供动力。

进一步地，壳体内设置有过热蒸汽腔；过热蒸汽腔的腔体截面为环形；过热蒸汽腔具有高于壳体内水位高度的饱和蒸汽入口；换热管至少部分的位于过热蒸汽腔，饱和蒸汽在过热蒸汽腔内再次加热形成过热蒸汽；过热蒸汽通过过热蒸汽出口输出壳体外部。

位于过热蒸汽腔内的一部分换热管中的高温气体温度较高，通过较高的温度将饱和蒸汽加热成过热蒸汽，并通过过热蒸汽出口排出继而推动汽轮机进行发电。

进一步地，换热管包括依次连通或并排连通的多根管道；多根管道至少部分地与壳体之间形成蒸汽发生腔，蒸汽发生腔与过热蒸汽腔通过饱和蒸汽入口相通，多根管道通过高温气体将蒸汽发生腔内的水加热成蒸汽。

气体通过管道之前对过热蒸汽腔内的饱和蒸汽进行加热以至于损失一部分热量，此时气体的温度依旧很高。气体通过管道对蒸汽发生腔内的水进行换热以将水加热成蒸汽。

进一步地，壳体内水位上方、换热管的外壁与壳体之间形成饱和蒸汽腔；饱和蒸汽腔位于蒸汽发生腔与过热蒸汽腔之间，且分别于蒸汽发生腔与过热蒸汽腔相通；饱和蒸汽腔存储蒸汽；

出口包括饱和蒸汽出口，饱和蒸汽出口将饱和蒸汽腔内的饱和蒸汽输送到壳体外部。

饱和蒸汽腔用以存储蒸汽发生腔产生的蒸汽，其中，一路通过饱和蒸汽出口与外部的设备相连通，为外部的设备提供动力源。如：空调。另一路通过饱和蒸汽入口向过热蒸汽腔提供饱和蒸汽。

进一步地，还包括：蒸汽孔板；

蒸汽孔板设有多个通孔；蒸汽孔板盖设在蒸汽发生腔上，且高于壳体内水位高度；

蒸汽发生腔内的汽液两相混合物透过蒸汽孔板的通孔溢出蒸汽。

进一步地，壳体内设置有预热腔；预热腔的腔体截面为环形；入水口位于壳体下部，且与预热腔相连通，换热管至少部分的位于预热腔，水通过入水口流过预热腔进行预热。

气体与蒸汽发生腔内的水进行换热后温度进一步降低，但是此时气体的温度高于水初始温度。为了提高热效率，将换热管的一部分布置在预热腔内，从而对水进行预热。

进一步地，预热腔与过热蒸汽腔相互隔离，预热腔位于过热蒸汽腔下方。

进一步地，预热腔与水下降环腔通过位于壳体外部的第一连接管相连通。

进一步地，预热腔的外壁、过热蒸汽腔的外壁和壳体形成水下降环腔；水下降环腔将预热腔与蒸汽发生腔相连通。预热热水通过水下降环腔进入到蒸汽发生腔。

由于预热腔与过热蒸汽腔相互隔离，因此预热腔内的水通过第一连接管进入到水下降环腔内，继而流进蒸汽发生腔变成蒸汽。

进一步地，饱和蒸汽入口自蒸汽进入侧向热蒸汽腔侧成截面逐渐缩小的结构，利于饱和蒸汽进入过热蒸汽腔，并阻挡液滴进入到蒸汽发生腔，省去了汽液分离设备。

进一步地，换热管的气体入口位于壳体中部，换热管靠近气体入口的部分位于过热蒸汽腔内。

进一步地，换热管的气体出口位于壳体下部，换热管靠近气体出口的部分位于预热腔内。

进一步地，位于过热蒸汽腔内的换热管包括：第一环形腔室和第二环形腔室，第一环形腔室位于第二环形腔室下方，第一环形腔室与第二环形腔室通过至少一组环形分布的多根通道连通。

高温气体进入换热管时，压力高、且流速不稳定。因此在换热管上设置

第一环形腔室和第二环形腔室对高温进行稳压和稳流。

进一步地，换热管包括第三腔室，第三腔室位于饱和蒸汽腔内，第三腔室与第二环形腔室相连通。

第二环形腔室通过多根连接管道与第三腔室相连通，气体通过多根连接管道进入第三腔室，第三腔室对气体进行汇流以对气体进行稳流，防止出现偏流现象。

进一步地，壳体的底部设有第四腔室，第四腔室位于第三腔室的下方；第四腔室与第三腔室通过管道相连通。

多根管道穿过蒸汽发生腔使第三腔室与第四腔室相连通，以提高换热管与水的接触面积产生更多的蒸汽。第四腔室的目的在于对流经管道内的气体进行汇流和稳流。

进一步地，换热管包括：第五环形腔室和第六环形腔室，第五环形腔室位于第六环形腔室上方，第五环形腔室与第六环形腔室通过至少一组环形分布的多根通道连通；第五环形腔室通过位于壳体外部的第二连接管与第四腔室相连通；第六环形腔室与换热管的气体出口连通。

第五环形腔室和第六环形腔室的目的在于对气体进行稳流，以及对预热腔内的水进行预热。

进一步地，换热管与壳体采用汽包用钢材料制成。提高换热管和壳体的承受能力，便于产生压力较高的过热蒸汽和饱和蒸汽。

进一步地，还包括：液位传感器和/或压力传感器和/或温度传感器；

液位传感器用以检测壳体内的水位；

温度传感器用以检测壳体内的水温；

压力传感器用以检测壳体内的水压。

其中，设置液位传感器、温度传感器以及压力传感器的目的在于监测蒸汽发生器的工作状态，当蒸汽发生器出现异常时及时对蒸汽发生器进行维修。

本发明蒸汽发生器至少具有以下有益效果之一；

1、管内走烟气，蒸发过程在腔体内形成，优化了汽液两相通流，能量密度大；

2、换热管的绝大部分位于壳体内部，降低了散热损失；

3、饱和水和预热水进行了热隔离。免除了传统蒸汽发生器保温和隔热的设计，同时排除了下降过程受热导致破坏自然循环的因素。液面精确控制，实现饱和蒸汽发生；

4、水预热、饱和蒸汽发生、过热蒸汽发生等过程高度集成在一个圆柱状的压力容器内。设备体积大幅度减小，结构紧凑，便于在特种行业的集约化装备应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中的一种蒸汽发生器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例二中的一种蒸汽发生器的整体结构示意图；

图3为本发明实施例三中的一种蒸汽发生器的整体结构示意图；

图4为本发明实施例四中的一种蒸汽发生器的整体结构示意图。

图中标号：

1、壳体；101、入水口；102、过热蒸汽腔；103、饱和蒸汽入口；104、过热蒸汽出口；105、蒸汽发生腔；106、饱和蒸汽腔；107、饱和蒸汽出口；108、预热腔；109、水下降环腔；1010、第四腔室；2、换热管；201、气体入口；202、气体出口；203、管道；204、第一环形腔室；205、第二环形腔室；206、第三腔室；207、第五环形腔；208、第六环形腔室；3、蒸汽孔板；4、第一连接管；5、第二连接管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统的常规水下潜航器或者潜艇采用柴油机和蓄电池作为动力，水下航行时，酸性蓄电池提供的能力仅能提供1-2天的低速航行，为了继续潜航，水下潜航器或者潜艇每隔一定时间必须上浮，将通气管伸出水面，启动柴油机为蓄电池充电。这时的潜航器容易被雷达、热探测仪等设备发现，甚至被水面舰艇或者飞机发现，极易受到攻击。

不依赖空气的动力推进系统可以大大提高潜航器的水下续航能力。闭式循环汽轮机系统是不依赖于空气的动力推进系统的一种，主要适用于常规潜艇及特种潜航器，给潜艇或者潜航器的推进系统和生活负载供电，使潜艇或者潜航器在水下的停留时间比仅用铅酸蓄电池的潜艇增加1周或者更长的时间。

闭式循环蒸汽轮机系统一般由燃料系统、供氧系统、燃烧系统、蒸汽发生器、汽轮机系统、排气系统、控制系统等组成。闭式循环汽轮机系统通过燃烧纯氧和乙醇产生热源，通过蒸汽发生器产生高温高压的蒸汽，蒸汽推动汽轮机进行发电。水下的环境压力直接取决于潜深，闭式循环汽轮机要求纯氧和乙醇在高压压力的燃烧室中进行燃烧，燃烧后的高压废气直接排入大海，排气需要满足潜深、隐蔽等要求。

本发明公开的蒸汽发生器特别适用于潜艇这样换热效率要求高、空间紧凑的场合。

实施例1

本发明提供了一种蒸汽发生器，如图1所示。包括：壳体1和换热管2；壳体1设有入水口101，入水口101用以将水充入壳体1内腔；换热管2设置在壳体1内，换热管2通过气体入口201自壳体1外部通入高温气体将水加热成蒸汽；壳体1设有至少一个出口，以输出壳体1内部形成的蒸汽。

高温气体通过换热管2进入到壳体1内部进行流动，在流动的过程中与壳体1内的水进行换热，将壳体1内的水加热成蒸汽，蒸汽从出口排出继而向外部的汽轮机或其他设备提供动力。

实施例2

本发明提供了一种蒸汽发生器，如图1所示，包括：壳体1和换热管2；壳体1设有入水口101，入水口101用以将水充入壳体1内腔；换热管2设置在壳体1内，换热管2通过气体入口201自壳体1外部通入高温气体将水加热成蒸汽；壳体1设有至少一个出口，以输出壳体1内部形成的蒸汽。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，换热管2包括依次连通和或并排连通的多根管道203；多根管道203至少部分地与壳体1之间形成蒸汽发生腔105，蒸汽发生腔105与过热蒸汽腔102通过饱和蒸汽入口103相通，管道203通过高温气体将蒸汽发生腔105内的水加热成蒸汽。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，壳体1内水位上方、换热管2的外壁与壳体1之间形成饱和蒸汽腔106；饱和蒸汽腔106位于蒸汽发生腔105与过热蒸汽腔102之间，且分别于蒸汽发生腔105与过热蒸汽腔102相通；饱和蒸汽腔106存储蒸汽；出口包括饱和蒸汽出口107，饱和蒸汽出口107将饱和蒸汽腔106内的饱和蒸汽输送到壳体1外部。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，壳体1内设置有过热蒸汽腔102；过热蒸汽腔102的腔体截面为环形；过热蒸汽腔102具有高于壳体1内水位高度的饱和蒸汽入口103；换热管2至少部分的位于过热蒸汽腔102，饱和蒸汽在过热蒸汽腔102内再次加热形成过热蒸汽；过热蒸汽通过过热蒸汽出口104输出壳体1外部。

气体通过管道之前对过热蒸汽腔102内的饱和蒸汽进行加热以至于损失一部分热量，此时气体的温度依旧很高。其中，多根管道203的外壁与蒸汽发生腔105内的水相接触，气体通过多根管道203时通过多根管道203与蒸汽发生腔105内的水进行换热，从而将水加热成蒸汽。饱和蒸汽腔106以存储蒸汽发生腔105产生的蒸汽，其中，一路通过饱和蒸汽出口107与外部的设备相连通，为外部的设备提供动力源。如：空调。另一路通过饱和蒸汽入口103向过热蒸汽腔102提供饱和蒸汽。位于过热蒸汽腔102内的一部分换热管2中的高温气体温度较高，通过较高的温度将饱和蒸汽加热成过热蒸汽，并通过过热蒸汽出口104排出继而推动汽轮机进行发电。其中，饱和蒸汽入口103高于壳体1内水位高度，其目的在于防止壳体1内的水进入到过热蒸汽腔102，继而通过过热蒸汽出口104流出壳体1，影响其他设备的运行。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，还包括：蒸汽孔板3；蒸汽孔板3设有多个通孔；蒸汽孔板3盖设在蒸汽发生腔105上，且高于壳体1内水位高度。蒸汽发生腔105内的水与换热管2内的气体进行换热后处于沸腾状态，为防止蒸汽发生腔105内的水进入饱和蒸汽入口103，同时溢出蒸汽发生腔105产生的蒸汽，因此在蒸汽发生腔105的上方设置蒸汽孔板3，使汽液两相混合物中的汽体溢出，水停留在蒸汽发生腔105内。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，饱和蒸汽入口103自蒸汽进入侧向热蒸汽腔侧成截面逐渐缩小的结构，利于饱和蒸汽进入过热蒸汽腔102，并阻挡液滴进入到蒸汽发生腔105，省去了汽液分离设备。

实施例3

本发明提供了一种蒸汽发生器，如图3所示。包括：壳体1和换热管2；壳体1设有入水口101，入水口101用以将水充入壳体1内腔；换热管2设置在壳体1内，换热管2通过气体入口201自壳体1外部通入高温气体将水加热成蒸汽；壳体1设有至少一个出口，以输出壳体1内部形成的蒸汽。

如图3所示，壳体1内设置有预热腔108；预热腔108的腔体截面为环形；入水口101位于壳体1下部，且与预热腔108相连通，换热管2至少部分的位于预热腔108，水通过入水口101流过预热腔108进行预热。

气体与蒸汽发生腔105内的水进行换热后温度进一步降低，但是此时气体的温度高于水初始温度。为了提高热效率，将换热管2的一部分布置在预热腔108内，从而对水进行预热。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，预热腔108与过热蒸汽腔102相互隔离，预热腔108位于过热蒸汽腔102下方。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，预热腔108与水下降环腔109通过位于壳体1外部的第一连接管4相连通。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，预热腔108的外壁、过热蒸汽腔102的外壁和壳体1形成水下降环腔109；水下降环腔109将预热腔108与蒸汽发生腔105相连通。预热热水通过水下降环腔109进入到蒸汽发生腔105。

由于预热腔108与过热蒸汽腔102相互隔离，因此预热腔108内的水通过第一连接管4进入到水下降环腔109内，继而流进蒸汽发生腔105变成蒸汽。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，换热管2的气体入口201位于壳体1中部，换热管2靠近气体入口201的部分位于过热蒸汽腔102内。换热管2的气体出口202位于壳体1下部，换热管2靠近气体出口202的部分位于预热腔108内。采用该布置的原因在于考虑到、过热蒸汽腔102、饱和蒸汽腔106、预热腔108等各个腔室的位置，以此作为优选的技术方案。此外气体入口201位置和气体出口202还可以是其他的位置，比如气体入口201位置和气体出口202向上布置。

实施例4

本发明提供了一种蒸汽发生器，如图4所示。包括：壳体1和换热管2；壳体1设有入水口101，入水口101用以将水充入壳体1内腔；换热管2设置在壳体1内，换热管2通过气体入口201自壳体1外部通入高温气体将水加热成蒸汽；壳体1设有至少一个出口，以输出壳体1内部形成的蒸汽。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，位于过热蒸汽腔102内的换热管2包括：第一环形腔室204和第二环形腔室205，第一环形腔室204位于过热蒸汽腔102下部，且靠近气体入口201；第二环形腔室205位于过热蒸汽腔102上部，且靠近饱和蒸汽入口103，第一环形腔室204与第二环形腔室205通过至少一组环形分布的多根通道连通。

高温气体进入换热管2时，压力高、且流速不稳定。因此在换热管2上设置第一环形腔室204和第二环形腔室205对高温进行稳定气体的压力、降低气体的流速以及将过热蒸汽腔102内的饱和蒸汽加热成过热蒸汽。其中，第一环形腔室204与第二环形腔室205通过至少一组环形分布的多根通道连通的目的在于，便于气体从第一环形腔室204进入到第二环形腔室205，及增加换热管2与饱和蒸汽的接触面积，从而产生更多的过热蒸汽。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，换热管2包括第三腔室206，第三腔室206位于饱和蒸汽腔106内，第三腔室206与第二环形腔室205相连通。

第二环形腔室205通过多根连接管道与第三腔室206相连通，气体通过多根连接管道进入第三腔室206，第三腔室206对气体进行汇流以对气体进行稳流，防止出现偏流现象。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，壳体1的底部设有第四腔室1010，第四腔室1010位于第三腔室206的下方；第四腔室1010与第三腔室206通过管道203相连通。

多根管道203穿过蒸汽发生腔105使第三腔室206与第四腔室1010相连通，以提高换热管2与水的接触面积产生更多的蒸汽。第四腔室1010的目的在于对流经管道203内的气体进行汇流和降低气体的流速。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，换热管2包括：第五环形腔室207和第六环形腔室208，第五环形腔室207位于预热腔108的上部，第六环形腔室208位于预热腔108的下部，且靠近气体出口202。第五环形腔室207与第六环形腔室208通过至少一组环形分布的多根通道连通；第五环形腔室207通过位于壳体1外部的第二连接管5与第四腔室1010相连通，第六环形腔室208与换热管2的气体出口202连通。

第五环形腔室207和第六环形腔室208的目的在于稳定气体的压力、降低气体的流速，以及对预热腔108内的水进行预热。其中，第五环形腔室207和第六环形腔室208通过至少一组环形分布的多根通道连通的目的在于，便于气体第五环形腔室207进入到第六环形腔室208，及增加换热管2与水的接触面积，从而对预热腔108内的水进行预热。

在本发明的一些实施例中，换热管2与壳体1采用汽包用钢材料制成。提高换热管2和壳体1的承受能力，便于产生压力较高的过热蒸汽和饱和蒸汽。

在本发明的一些实施例中，还包括：液位传感器和/或压力传感器和/或温度传感器；液位传感器用以检测壳体1内的水位；温度传感器用以检测壳体1内的水温；压力传感器用以检测壳体1内的水压。

其中，设置液位传感器、温度传感器以及压力传感器的目的在于监测蒸汽发生器的工作状态，当蒸汽发生器出现异常时及时对蒸汽发生器进行维修。

该蒸汽发生器包括两条流路：一路为水路、一路为气路。

水路的流向如下：

1、水从入水口101进入到预热腔108内，并通过第五环形腔室207和第六环形腔室208进行预热；

2、由于预热腔108与过热蒸汽腔102相隔绝，因此预热后的水通过第一连接管4进入到水下降环腔109；

3、预热后的水在重力的作用下进入蒸汽发生腔105；

4、水在蒸汽发生腔105内变成蒸汽，产生的蒸汽汇集在饱和蒸汽腔106内；

5、蒸汽发生腔105不断产生蒸汽进入到饱和蒸汽腔106。当饱和蒸汽腔106内的蒸汽超过阈值时形成饱和蒸汽，饱和蒸汽通过饱和蒸汽出口107对外部的空调输送饱和蒸汽；饱和蒸汽通过饱和蒸汽入口103进入到过热蒸汽腔102；

6、饱和蒸汽与过热蒸汽腔102内的第一环形腔室204和第二环形腔室205进行换热形成过热蒸汽，过热蒸汽通过过热蒸汽出口104排出，从而为汽轮机提供动力。

气路的流向如下：

1、气体通过气体入口201进入到第一环形腔室204和第二环形腔室205，第一环形腔室204和第二环形腔室205与过热蒸汽腔102内的饱和蒸汽进行换热，将饱和蒸汽加热成过热蒸汽；

2、第二环形腔室205内的气体通过多根连接管道进入到第三腔室206，第三腔室206对气体进行稳流，并与蒸汽发生腔105内的饱和蒸汽进行少量的换热；

3、第三腔室206内的气体通过管道203进入第四腔室1010。其中，管道203穿过蒸汽发生腔105，气体流经管道203时与蒸汽发生腔105内的水进行换热，以将水加热成蒸汽；

4、第四腔室1010对体进行稳流并通过第二连接管5道203进入到第五环形腔室207和第六环形腔室208，第五环形腔室207和第六环形腔室208对预热腔108内的水进行预热；

5、气体从气体出口202排出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。