Wärrneaustanscheranlage, bei welcher mindestens der eine Betriebsstoff ein Gas ist. Winderhitzer für Hochöfen oder ähnliche Wärmeaustauschvorrichtungen für hohe Tem peraturen werden heute, nachdem es gelang, hochhitze- und zunderbeständigeMetalle ver hältnismässig billig herzustellen, nicht mehr ausschliesslich aus feuerfesten Steinen auf gebaut und nach dem Regenerativverfahren betrieben, sondern es werden diese wie die Wärmeaustauscher, die für niedrigere Tem peraturen bestimmt sind,
auch aus Metall hergestellt. Da der Wärmeübergang vom Heizgas an die Wand oder von der Wand an den zu erhitzenden Stoff bei Gasen ver hältnismässig niedrig ist. so erhalten diese Apparate meist recht grosse Heizflächen; sie sind daher, umsomehr also hochhitzebestän diges Material für sie verwendet werden muss, noch immer sehr teuer. Es ist wohl bekannt, dass durch die Erhöhung der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit der wärmeabge- $n und wärmeaufnehmenden Stoffe der eärmeübergang erhöht wird.
Einer Er- UhtcC des Druckes (der Dichte) und der Ge- schwindigkeit stehen jedoch grosse Hinder nisse entgegen. Sie erfordert besondere Ein- richtungen, wie Verdichter mit den dazu ge hörigen Antriebsmaschinen, druckfeste Gas führungen usw. Sie benötigt aber auch einen bTossen Energieaufwand für den Betrieb des Verdichters.
Diese Antriebsenergie kann die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage in Frage stellen und damit die Vorteile, ,die durch die Verminderung der Heizflächen bei einer Druck- und Geschwindigkeitserhöhung erzielt werden, zu eichte machen.
Druck- und Geschwindigkeitserhöhung des Heizgases allein oder beider Stoffe brin gen erst dann Vorteile und machen die hier für erforderlichen, besonderen Massnahmen bezahlt. wenn die Erhöhung bedeutend ist und der Antrieb des benötigten Verdichters durch eine graftmasehine erfolgt, die ihre Energie .ganz oder zum grössten Teil aus den Heizgasen selbst empfängt.
Die Verwendung hochhitzebeständiger Metalle für die Heizflächen verbietet eb, Heizgase mit den hohen Temperaturen an zuwenden, die bei der Verbrennung der üb lichen Gemische entstehen. Man ist also ge zwungen, mit grösseren Luftüberschüssen zu arbeiten. um die Anfangstemperaturen des Heizgasstromes zii vermindern. Damit wird aber eine wesentliche Wirkungsgradver- schlechterung herbeigeführt.
Um diese zu vermeiden, sind die Heizgase, bevor sie in den Winderhitzer oder die Wärmeaustauschvor- richtung eintreten, erst durch eine andere ge eignete Wärmeabgabe abzukühlen. Als sol che kommen Dampferzeuger in Betracht.
Werden nun als Dampferzeuger druck gefeuerte und mit hohen Heizgasgeschwindig- keiten arbeitende Dampferzeuger verwendet, so sind bereits die Einrichtungen vorhanden., .die für die Erzeugnung der hohen Geschwin- digkeiten im Wärmeaustauscher erforderlich sind.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Wärmeaustauscheranlage, bei der dem Wärmeaustauscher ein Dampferzeuger vor- geschaltet ist und bei der :
die Heizgase mit hoher Geschwindigkeit an den Heizflächen des Wärmeaustauschers. vorbeibewegt werden, wobei die Bewegung der Heizgase im Dampf erzeuger und im Wärmeaustauscher durch den gleichen Verdichter erfolgt und dieser von einer Gasturbine angetrieben wird, deren Treibmittel das Heizgas ist:
Fig. 1 zeigt das Schema einer derartigen Anlage. Es ist 1 ein Dampferzeuger, der zur Herstellung der Heizgase dient.
Dieser Dampferzeuger steht unter höherem Druck, der durch den Verdichter 2 aufrecht erhalten wird. Der Verdichter 2' liefert zum Beispiel die Brennluft. Die heissen Verbrennungspro- dukte gelangen nun in. den Wärmeaustau- scher ä,
den sie mit grosser Geschwindigkeit durchfliessen und in dem sie infolge ihrer grö sseren Dichte und hohen Geschwindigkeit auf verhältnismässig kleinen O'berflä'chen den gmössten Teil ihrer Wärme abgeben.
Der grösste Teil .des Dru@okgefälles: wird dagegen in der nachfolgenden Gaeturbine 4 auf gebraucht und in Arbeit zum Antrieb des Verdichters 2 umgesetzt. Enthalten .die aus der Gasturbine austretenden Gase noch grö ssere Wärmemengen. so kann ein weiterer Wärmeaustauscher 5 vorgesehen werden. Ein Teil der Heizflächen für den Wärmeaus- tausch befindet sich also vor und ein Teil nach der Gasturbine. Der zu erhitzende Stoff.
zum Beispiel Luft bei Winderhitzern oder dergleichen, tritt kalt bei 6 in den ersten Wärmeaustauscher und verlässt den zweiten Wärmeaustauscher heiss bei 7. Genügt die Antriebsleistung der Gasturbine nicht ganz. um die Verdichterleistung aufzubringen, so wird noch ein Zusatzmotor 8 vorgesehen, der auch zum Anlassen oder Regeln der Anlage verwendet werden, kann. Der Zusatzmotor ist eine Dampfturbine, ein Elektromotor oder auch eine Brennkraftmaschine.
In vielen Fällen wird der zu erhitzende Stoff, wie es zum Beispiel beim Wind in den Winderhitzern zu Hochofenanlagen der Fäll ist, einen gewissen Überdruck aufweisen müssen. Zur Erzeugung dieses Überdruckes ist ein Verdichter nötig, das Hochofengebläse, das eine grössere Antriebsleistung erfordert.
Es kann nun diese Arbeitsleistungdurch eine Dampfturbine geliefert werden, deren Dampf in einem Kessel erzeugt wird, :der mit grossem Vorteil den Winderhitzern (Wärmeaustau- schern) vorgeschaltet wird. Zur Erzeugung ,der Heizgase dient :dann die Dampfkessel feuerung.
Die oberste Temperaturstufe der Heizgase wird im Dampferzeuger ausgenützt. so dass die Heizgase schon wesentlich ab gekühlt zum ersten Wärmeaustauscher ge langen.
Auf diese Weise wird es ermöglicht, mit sehr wärmereichen Brennstoffgemischen. also mit geringem. Luftüberschuss, zu arbei ten, ohne die Heizfläche des Wärmeaustau- schers durch zu hohe Temperaturen zu ge fährden; denn, auch die hitzebeständigsten Metalle können den vollen Verbrennungstem- peraturen hochwertiger Brennstoffgemische auf die Dauer nicht standhalten.
Eine Anlage :dieser Art ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Es ist 10 ein Dampf kessel, dessen Brennkammer durch die beiden Gebläse 11 und 12 mit Gas und Luft unter Druck gespeist wird. Das Gemisch verbrennt unter höherem als Atmosphärendruck, zum Beispiel bis gegen 2 Atmosphären, und die Verbrennungsprodukte geben ihre Wärme zu nächst im Dampfkessel an das bei 13 ein tretende Speisewasser ab, das in Dampf ver wandelt wird.
Die zum Teil abgekühlten Gase gehen nun in den Winderhitzer 14, wo sie weitere Wärme abgeben und gelangen noch heiss zur Gasturbine 15. Nach der Gas turbine durchströmen sie einen zweiten Winderhitzer 16 und gelangen schliesslich ins Freie, falls sie nicht noch genügend Wärme enthalten, die für Speisewasservorwärmung oder ähnliche Wärmeabgaben niedriger Tem peratur verwertbar ist.
Von der Gasturbine 1.5 werden -die beiden Verdichter 11 und 12 angetrieben. Zu ihrer Unterstützung dient die Dampfturbine 1.7, die gewöhnlich ihren Dampf aus dem Kessel 10, bei der Inbetriebsetzung von irgendeiner andern Quelle erhält. Die Haupterzeugung des Kessels 10 wird zum Antrieb des Hoch ofengebläses 18, bezw. der Dampfturbine 19 verbraucht.
Das Hochofengebläse liefert den Wind für den Hochofen 20; die Erwärmung des fVindes erfolgt durch die beiden Erhitzer <B>16</B> und 14, die nacheinander durchströmt werden. Durch die Aufteilung der Winderhitzer in mehrere Elemente, von denen ein Teil vor, ein Teil nach der Gasturbine angeordnet ist, wird erreicht, dass jeder dieser Teile, wie auch die Crra.sturbine die für ihre Herstellung und ihren. Betrieb günstigsten Temperaturen er hält.
Die Baustoffe können bei den geringen Beanspruchungen, denen sie zum Beispiel in einem ruhenden Wärmeaustauscher unterwor- fen sind, viel höheren Temperaturen wider stehen, als zum Beispiel im Läufer,der Gas turbine, wo hohe Flieh- und Biegungskräfte auftreten. Das gleiche oder ein ähnliches hochhitzebeständiges.
Material, das für die Schaufeln der Gasturbinen verwendet wird, kann also auch für den ersten Winderhitzer dienen, trotzdem dieser in einem wesentlich ,eheren Temperaturbereich arbeitet als die fhu4arbine. Für den der Gasturbine nach- gesehalteten Winderhitzer kommt dagegen billigeres Material, zum Beispiel ein einfacher Stahl oder Schmiedeisen,
in Betracht.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Anlage ist der Verdichtersatz für die Herstellung des Heizmittels und des Dampfes getrennt vom Verdichtersatz für die Herstellung des Win des.
Diese Trennung ist vorteilhaft, da es die Unabhängigkeit der Dampferzeugung ge- owährleistet. Es könnte aber auch daran ge daeht werden, .die verdichtete Verbrennungs luft durch den Windverdichter (Hochofen geblä.se) liefern zu lassen, wodurch das Ge bläse für die Brennluft erspart wird. Diese Verkupplung ist dann möglich, wenn Dampf verbrauch, Winderhitzung und Windbedarf gleichen Änderungen unterworfen sind.
Bei der oben beschriebenen Winderhitzer und Wärmeaustauecheranlage wird also das Heizgas unter höherem als Atmosphären druck und bei hohen Strömungsgeschwindig- keiten verwendet, zum Zwecke, kleine Heiz flächen und Heizgaskanalquerschnitte zu er halten und damit den nicht mehr nach dem Regenerativverfahren arbeitenden, sondern als Durchgangswärmeüberträger aus. Metall hergestellten Wärmeaustauschern möglichst kleine Abmessungen zu geben.
Um den Druck aufrecht zu erhalten, muss das Heizgas ge staut werden. Zur Stauung dienen die Düsen einer Gasturbine, in denen das aufgestäute und noch heisse Heizgas in Treibmittel ver wandelt wird. Die zur Verdichtung benötigte Energie wird durch die Gasturbine ganz oder zum grössten Teil wieder zurückgewonnen,
so dass die durch die Verdichtung erzielte Er- siparn.is an Raum und Gewicht des Wärme- austauschers nicht durch die Kosten für den Arbeitsaufwand :des Verdichters zu nichte gemacht wird.
Die für die Verdichtung in Betracht kommenden Drücke bewegen sich zwischen 2 bis 3 ata. Die Geschwindigkeiten des Heizgases betragen in den Wärmeaus- tauschern mindestens 60 m/s;
der den Wärme- austauscher vorgeschaltete Dampfkessel ist mit Vorteil ein sogenannter Velorkessel, der mit den für diesen gebräuchlichen Heizgas geschwindigkeiten in der Nähe von 200 ms/s betrieben wird.