DE840097C

DE840097C - Waermeaustauscher fuer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE840097C
Application number: DEM2502D
Authority: DE
Inventors: Christian Schoerner; Adolf Vierzigmann
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1945-01-03
Filing date: 1945-01-03
Publication date: 1952-05-26

Description

Wärmeaustauscher für Gasturbinenanlage

Die Ausnutzung der Al>wiirtiie ist seit langem

als Nlaßnahtne ly.#katititgewordeti, um den thertni-

schctt Wirkungsgrad bei Wärmekraftmaschinen zu

heben. Namentlich bei Gasturbinen, die mit hohen

"reml)eratureti arbeiten, oder solchen, deren Deh-

nung mit Rücksicht auf die wünschenswerte An-

lchnung an den Carnotprozeß möglichst isotherm

durch Zwischenüberhitzung des Arbeitsgases

durcligefülirt wird. ergeben sich bei den üblichen

Druckverhältnissen sehr hohe Abgastemperaturen

hinter der Turbine, deren Ausnutzung durch Vor-

w iirnluiig cler X'crl>retintingsluft in einem Luftüber-

hitzer (1,ui liretitistottl):ictarf für die Erzeugung des

lieißeti Arbeitsgases w:sentlich vermindern hilft.

Die «'iirtneaustatischer sollen gute Wärmeüber-

tragungsverhältnisse bei nicht allzu hohen Druckverlusten für Abgas und Luft aufweisen, aber auch einen nicht allzu großen Platz und Stahlbedarf namentlich dann, wenn die Gasturbine ihrer besonderen Eignung entsprechend ats. Leichtbautriebwerk hoher Wirtschaftlichkeit ausgebildet werden soll. Der letzte Gesichtspunkt ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil bei Anwendung sehr hoher Frisehgastemperaturen und auch hoher AnfArngsdrücke bei Gasturbinenanlagen die Betriebstemperatur des Vorwärmers @so hoch liegt und wegen der erforderlichen Festigkeit,es handelt sich dabei zum Teil um Druckgefäße mit hohen Überdrücken, große Mengen hochlegierten Stahles erforderlich werden. Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbild ung von RöhrenI>ündelwärmea.llstauschern. Der Wärmeawstauscher nach der Erfindung weist nur eine einzige walzenförmige Trommel auf, in welche die einzelnen Rohrbögen ,dien Heizfläche mit beiden Enden eingewalzt sind. Diese druckfeste Trommel erhält eine in Längsrichtung eingeschobene dünne llembran«°and, welche die kalte von der vorgewärmten verdichteten Luft trennt. Da der Druckunter.schied auf beiden Seiten dieser Trennwand dem geringen Druckverlust der in den Röhren strömenden Verbrennungsluft entspricht, ist die dünne Trennwand den gestellten Anforderungen vollauf gewachsen. Das Abgas durchströmt die Rohrbündel von außen im Querstrom, im Gegenstrom oder auch im Kreuzquerstrom in zwei oder mehr Zügen. Weitere Einzelheiten dies Wärmeaustauschers sind in der Zeichnung und der nach stehenden Beschreibung erläutert. Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung zeichnet sich durch Einfachheit im Aufbau, geringes Gewicht und geringen Platzbedarf besonders aus. Wesentlich ist vor allem, daß der Bedarf an hochwertigen Baustoffen äußerst niedrig ist.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Wärmeaustauschern nach. der Erfindung in schematischer Weise dargestellt, und zwar zeigt Abh. i eine schematische Darstellung einer Gleichdruckgasturbinenanlage mit einem Querschnitt durch dleii \V ä rmeaustatischer nach der Linie 1-I in Abt. 2, Abb.2 eine Draufsicht auf den Wärmeaustauscher, Aly1@.3 eine schematische Darstellung einer Gleichdruckgasturbinenanlage mit Seitenansicht mehrerer Wärmeaustauscher, Abb. 4 einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher nach der Linie IV-IV in. Abb. 3, A'bb. 5 und 6 je einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit verschiedener Heizgasf ührung.
Die Gasturbinenanlage nach den Abb. i und 2 besteht aus der Gasturbine i mit vorgeschalteter Brennkammer 2, dem Luftverdichter 3., der angetriebenen Maschine .I, z. B. einem elektrischen Generator, und dem Wärmeaustauscher. Der Wärmeaustausche r besteht aus die.- unterteilten walzenförmigen Trommel 5a und 5b mit je einem hogenförmigen Rohrbündel 6a und 6b, wobei beide Enden jedes einzelnen Rohres der Bündel in diese Trommel 5a und 5b eingewalzt sind. Die Trommel 5a, 5b dient gleichzeitig a,ls Traggerüst für den Wärmeaustauscher. ZurAbstützung am Fundament sind die seitlichen Stützen 7a und 7b vorgesehen. jeder Trommelteil enthält eine dünne Scheidewand 8a und 8b zur Trennung der nicht vorgewärmten, verdichteten Verbrennungsluft von dien bereits aufgeheizten bzw. zur Trennung des nicht vorgewärmten Brenngases vom bereits aufgeheizten, falls statt der Luft Brenngas durch die Trommeln 5a und 5b und durch diie Rohrbündel 6a und 6b strömt., Auch, die Stirntrennwand zwischen den beiden Rohrtrommelschüssen kann durch eine dünne ebene Platte 9 gebildet werden, weil der darauf wirkende Überdruck nur gering ist. Die ganze Baugruppe ist eingehüllt von einer dünnwandigen Blechverschalung io, wobei auch das Fundament vi zum Teil (an der Unterseite) zur Gasführung herangezogen werden kann. Der Wärmeaustauscher wird vom Abgasstrom, der bei 12 die Turbine verläßt, im Gegenstrom zur verdichteten Luft durchströmt. Der Verdrängungskörper 14 aus Blech im Kernbereich des Rin.grohrbündels sorgt dafür, daß die Abgase möglichst lange an der Heizfläche der Rohrbündel entlangstreichen, bevor sie durch den Kamin 13 entweichen. Die Luft aus dem Verdichter 3 tritt in die Trommelteile 5a und 5b links von den Trennwänden 8a und 86 ein, strömt durch die Rohrbündel 6a und 6b und tritt aus den rechten Trommelhälften aus, um der Brennkammer 2 zuzuströmen.
Die Abb. 3 und .I zeigen als weiteres Beispiel eine andere Ausbildung dies Wärmeaustauschers als i-Zug-Kreuzstrom-Wärmeaustauscher. Der Vorwärmen für die Verbrennungsluft besteht wieder aus einer mehrfach unterteilten Rohrtrommel 15 mit Scheidewand 16 und dem Ringbündel 17 von Heizrohren, die an beiden Enden in die Trommel eingewalzt sind. Di-e Zufiihrung de.s Ahgases erfolgt diesmal an einer Stirnseite des Wärmeaustauschers, und zwar werden die Heizrohre, ausgehend vorn freien Kernbereich des Ringbündels, von innen nach außen im Querstrom beaufschlagt. Zur besseren Verteilung in Längsrichtung sind ineinandergesteckte Führungsrohre 18 unterschiedlicher Länge angeordnet. Statt der Führungsrohre 18 können auch andere Leitvorrichtungen Verwenäntng finden. Der Abzug der abgekühlten Abgase erfolgt über einen freien, doppelspiralenartig ausgebildeten Raum außerhalb des Ringbündels bis zur Verachal:ung i9 und dem anschließenden imFundamen@t eingelassenen Kanal 20 zum Fuchs. In gleicher Weise wird ein Teil der Abgase, ausgehend. vom Stutzen 12 der Turbine, zu einem ähnlich aufgebauten Wärmeaustauischer zur Aufheiiung des gasförmigen Brennstoffes geleitet, der aus der Trommel 21 und Odem Rohrbündiel 22 besteht.

Ein derartiger i-Zug-Querstrom-Wänneaustauscher hat bekanntlich einige schlecht ausgenutzte Stellen in seiner Heizfläche, an denen der für die Wärmeübertragung notwendige. Tean:peraturunterschied zwischen Gas und. Luft bzw. Brennstoff :sehr klein wird oder sith sogar umkehren kann. Diesem Nachteil begegnet man durch Anordnung eines zwei- oder mehrfachen Durchganges -dies Heizstromes quer zum Rohrbündel, wobei Anfang und Endre dieses mehrfachen Querstromes imSinn desGege.nstromes zur aufgeheizten Luft gelegt wird. Vorliegende Erfindung ist auch für diesen Fall brauchbar. Die Zu- und Abführung des Gasstromes zum Ringbündel erfolgt je nach der Anzahl der Züge nur tangential außen oder auch teilweise durch Aden Kernraum innerhalb des Ringbündels, und die erforderliche Umlenkung geschieht je nach Bedarf auf der Innen- oder Außen-

s - e i te de: Ringbündels. Die Abh. 5 und 6 zeigen

diese Möglichkeiten an einer Rohrtrommel 25 mit

dem Ringbündel 26. Der Gasweg ist durch dien

feil (3-Zug- bzw. 4-Zug-Anordnung) gekenn-

P 1 t'

zeichnet.

Grunds:itzlich besteht natürlich auch die Mög-

lichkeit einer senkrechten Anordnung derTrommel,

es muß hier nur für die Einhaltung der Rohrteilung

in Richtung der Schwerkraft durch geeignete Auf-

hängungen o.ler Abstandfiauteile gesorgt werden.

Bei diesem Aufbau, z. B. ari oder in Kaminen, kann

die Führung des Heiz.gasstromes auch wieder in

mehreren Zügen im Querstrom zum Ringbündel

von innen nach außen und dann wieder von außen

nach innen erfolgen. Zum Schluß sei noch erwähnt,

claß es zweckmäßig sein kann, dem Ringbündel von

vornherein eine Form zu gehen, bei welcher durch

Eigengewichte, Gaskräfte, Wärmedehnung die ge-

ringsten Rückwirkungen auf die Einspannung, d. h.

die Eimvalzstelle in der Trommel kommen und

auch sonstige Stützen zur Erhaltung der gleich-

mäßigen Teilung (sonst erhöhter Durchtrittswider-

stand für das heizende Gas) möglichst vermieden

werden kritlilen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. l\'ärmeau@stauscher insbesondere für die 1?rhitzung von verdichteter Verbrennungsluft oder gasförmigen Brennstoffen durch Abgase bei Gasturbinenanlagen, gekennzeichnet durch einen einzigen walzenförmigen Druckkörper (5°, 5b), in den die Rohre (6°, 6b) der Heiz- fliichen mit beiden Enden eingewalzt sind. 2. Wä rmeaustauscher nach Anspruch i, da- durch gekennzeichnet, -daß in dem walzenför-

migen Druckkörper (5°, 5b) in der Längsrichtung eine oder mehrere dünne Scheidewände (8°, 8b) zur Trennung der überhitzte Luft bzw. Gas von der kalten angeordnet sind. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet" daß dier walzenförrnigie Druckkörper (5°, 5b) in der Längsrichtung in mehrere miteinander verschraubte Schüsse (5°, 5b) unterteilt ist und die gegebenehfalls nbtwendige Trennung vom anschließenden Schuß ebenfalls durch eine verhältniamäßig dünne Wand (9) erfolgt. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, da-, durch gekennzeichnet, daß das bogenförmig von einer Seite des walzenförmigen Druckkörpers (5°, 5b) zur andleren geführte Rohrbündel (6°, 6b) in Richtung der Trommelachse oder quer dazu im Querstrom oder auch entlang der Rohrschmiegung im Gegenstrom zur Luft vom Heizgas durchströmt wird. 5. Wärmeawstauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der walzenförmige Druckkörper (5°, 5b) zur Aufhängung des gesamten Rohrbündels (6°, 6b) dient. 6. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, däß in der Zuführleitung für das Heizgas Verdrängungskörper, Verteilzylinder oder andere Leitbleche angeordnet sind. 7. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte WärTneaustawscher durch eine nicht tragende. Verschalung (io, i9) umgeben isst, soweit nicht die untere Umhüllung vom Fundlament selbst gebildet wird.