Wärmeaustauseher für Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt. Die Erfindung betrifft einen WärmeauG- tauscher für Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges, Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlosenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, nach dem Pa tentanspruch des Hauptpatentes.
Wärmekraftanlagen dieser Art, bei wel chen das; Arbeitsmittel unter äusserer Ar beitsabgabe expandieren gelassen und hier auf wieder auf höheren Druck gebracht wird, sowie ein Wärmeaustausch zwischen dem expandierten und dem wieder verdicUte- ten Teildes ArbeitsmittelGtromes stattfindet, haben bis jetzt keine Verbreitung gefunden, weil sie nicht genügend wirtschaftlich ar beiteten. Das hängt damit zusammen, dass den verschiedenen: Nebenverlusten, vor allem denen im Wärmeaustauscher, nicht ge nügende Beachtung geschenkt wurde.
In sol chen Wärmeaustauschern sind grosse Wärme mengen vom Arbeitsmittelstromteil niedrigen Druckes an den wieder auf höheren Druck gebrachten Arbeitsmittelstromteil abzugeben. Da die Wärmeübergangszahlen der Gase bei Anwendung normaler Strömungsgeschwin digkeiten verhältnismässig schlecht sind, wer den die erforderlichen Wärmeübergangsflä- chen, und damit .der ganze Wärmeaustau- scher, so gross und teuer, .dass eine wirtschaft liche Energieausbeute nicht möglich ist.
Der Wärmeübergang lässt sich zwar in bekann tem Masse wohl dadurch verbessern, dass die Gasgeschwindigkeiten erhöht werden, was zu einer Verkleinerung der Austauscherflä- chen führt. Mit diesem sehr erwünschten preislichen Vorteil ist aber der schwer wiegende Nachteil verbunden, dass dabei die Druckverluste in dem den Austauscher durchaträmenden Arbeitsmittel derart zu nehmen, dass der erwartete gute Gesamtwir kungsgrad der Wärmekraftanlage durch diese Verluste wieder unzulässig stark her abgedrückt wird.
Die Verluste im Wärme= austauscher können schon bei praktisch noch gerade tragbaren Grössen desselben bis zu einem Drittel der gesamten ausnutzbaren Energie ausmachen.
Zweck vorliegender Erfindung ist nun. einen Wärmeaustauscher für Wärmehraft- a.nlagen der erwähnten Art zu schaffen, der es gestattet, grosse Flächen in einem Mindest- mass von Raum unterzubringen, ohne dass die Druckverluste des die Rohre durch- und um strömenden Arbeitsmittels gross werden.
Zu diesem Behufe sind bei einem Wärmeaustaii- ,scher nach dem Patentanspruch des Haupt patentes gemäss vorliegender Erfindung Rohr schlangenbündel, die sich aus in parallelen Ebenen verlaufenden Rohrschlangen zu sammensetzen, an den U mlenkbogen der Schlangen durch zwischen benachbarte Rohr schlangenbündel gelegte Zwisclien@stücke in ihrer gegenseitigen Lage gesichert,
und es ist ferner der Abstand zwischen den einzelnen hmlenkbogen in den Ebenen der Robrschlan- genbündel mindestens um so viel grösser als der Abstand zwischen den geraden Strängen der Bündel, dass der freie Durchströmquer- schnitt für den die Rohrschlangen umfliessen den Teil de. Arbeitstnittelstromes auch bei den Umlenkbogen trotz der Z-,vischenstücke nicht kleiner als an den übrigen Stellen des Wäizneaustauschers ist.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Au@sfülirungsforrn des Erfin dungsgegenstandes veranschaulicht, und zwar zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt nach der Linie 1-I der Fig. 2 durch den Wärmeaus- tau#scher: Fig. 2 zeigt in der linken Hälfte eine Draufsicht dieses 'N#@'ärmeaustauschers und in der rechten Hälfte einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1;
Fig. 3 zeigt. in einem grösseren Massstab den untern Teil eines Rohrbündels-.
1 bezeichnet Rohrschlangen, die gerade Stränge a und diese verbindende Umlenk- bogen b aufweisen. Je drei Rohrschlangen 1 sind in parallelen Ebenen zu einem Bündel .4 vereinigt. Die einzelnen Rohrschlangen 1 sind an einer den obern Abschluss des Wärme- austauschers bildenden Platte 2 hängend an geordnet. :3 bezeichnet eine Leitung, durch die ein Teil des Arbeitsmittelstromes, zum Beispiel wieder auf höheren Druck gebrachte. Luft, die von aussen noch nicht erhitzt ist, dem Wärmeaustauscher zuströmt.
Dieser Teil des Arbeitsmittelstromes tritt bei 5 in die Rohrschlangen 1 ein, um sie nach deren Durchströmung, das heisst nachdem er erhitzt worden ist, bei 6 wieder zu verlassen und durch die Leitung 7 aus dem Wärmeaustau6cher zu strömen.
Durch eine Leitung @8 strömt ein zweiter Teil des Arbeitsmittelstromes, bei- spielsweise die aus einer Kraftmaschine aus tretende, expandierte Luft, welche also einen niedrigeren Druck als die durch die Leitung 3 zuströmende Luft hat und dieser Wärme abgeben soll, dem Wärmeaustauscher zu.
An die Leitung 8 ist ein weiter unten noch aus führlicher beschriebener, gekrümmter und sich erweiternder Verteiler 9 angeschlossen, weleher den durch die Leitung 8 zuströmen den Teil des Arbeitsmittelstromes den Rohr schlangenbÜndeln A zuführt, die von diesem Teil des Arbeitsmittels in der Längsrichtung im Gegenstrom umflossen werden, wobei Bleche 1:1 und Zwischenwände 10 zu desceii Führung dienen.
Der im Wärmeaustausclier abgekühlte Teil des Arbeitsmittelstromes strömt durch den Stutzen 11 ab. Damit der Abstand zwischen den einzelnen Rohrschlan- genbündeln A gewahrt bleibt und keine schädlichen Schwingungen und gegenseitige Verlagerungen der Rohrschlangen 1 auftre ten, sind zwischen den einzelnen Ebenen der Rohrschlangenbündel A an den Umlenk- bogen b der Schlangen 1 aus Blech be stehende Zwischenstücke 12 von Dreiecks- form vorgesehen.
Durch diese Zwisehen- stücke 12 werden auch ,die einzelnen, hän gend angeordneten Schlangen 1 der Rohrbün del in der erforderlichen Lage gehalten. L m dies zu erleichtern sind die Zwichenstückc- 12 an den Umlenkbogen b befestigt. Durch diese Zwischenstücke 12 wird nun an gewis sen Stellen der freie Durchströmquerschnitt für den die Rohrschlangen umfliessenden Teil des Arbeitsmittelstromes verkleinert.
Daher müsste, wenn keine besonderen Massnahmen betreffend Rohrabstand getroffen wurden, der Durchgang des Arbeitsmittelstromes in der Umgebung jener Stellen beschleunigt werden, was mit unerwünschten, erheblichen Druckverlusten verbunden wäre. Ein solcher Druckverlust entsteht jedoch nur, wenn, wie dies für gewöhnlich der Fall ist, der Ab stand zwischen den einzelnen Rohren im ganzen Wärmeaustauscher praktisch überall gleich ist.
In der Erkenntnis, dass nur die Unterdrückung aller Druckverluste, und vor allem jener an .der Umlenkung, eine Er höhung .der Geschwindigkeiten, und damit eine Verkleinerung der Austauscherflächen, gestattet, sind die Umlenkbogen b der einzel nen Rohrschlangen 1 in den Ebenen der Rohrschlangenbündel in der Längsrichtung der geraden ,Stränge .der Rohrschlangen der art verschoben, dass die Abstände lag, h= (Fig. 3)
zwischen den einzelnen Bogen jedes Rohrschlangenbündels in bezug auf die Mitte der Bogen von innen nach aussen zu nehmen. Infolgedessen ist auch in der Um lenkgegend trotz der Zwischenbleche 12 der freie Durehströmquerschnitt zwischen den einzelnen .Schlangen 1 nicht kleiner als zwi schen den geraden Strängender Rohrschlan gen, das heisst als an den übrigen Stellen des Wä.rmeaustauschers. Durch entsprechende Bemessung der Rohrbogenabstände kann gegenüber den Durchströmstellen zwischen den geraden Strängen a der Rohrschlangen die Geschwindigkeit bei der Umlenkung selbst sogar verkleinert werden.
Da die<B>Um_</B> lenkverluste einen wesentlichen Bestandteil der Gesamtverluste bilden und ungefähr mit dem Quadrat der mittleren Strömungsge schwindigkeit wachsen, so ist es begreiflich, dass eine Verkleinerung .der Geschwindigkeit an ,den Rohrbogen.stellen, wie sie die be schriebene Massnahme zu erreichen gestattet, den Gesamtverlust des Austauschers erheb lich herabzusetzen gestattet. Die dreieckige Form der Zwischenbleche 12 ist dabei inso fern vorteilhaft,
als sie eine Verengung des Durchströmquerschnittes zwischen je zwei Rohren 1 erst an jener Stelle bedingt, wo bereits die Möglichkeit besteht, die Entfer nung zwischen den Rohren der Bündel zu vergrössern. Das ist aber bei jedem Rohr, wenn nur eine Verschiebung parallel zum geraden Rohrteil erfolgen kann, erst an der Stelle .der Umlenkbogen. b selbst der Fall. Durch die Wahl dreieckförmiger Zwischen bleche 12 lässt sich also erreichen, dass keine oder nur unwesentliche Beschleunigungen zwischen den Rohrschlangen 1 stattfinden.
Die Zwischenstücke 12 werden zweckmässig in der in Fig. 2 angedeuteten Weise in der Strömungsrichtung möglichst stromschnittig zugeschärft.
Eine weitere grosse Verlustquelle bilden für gewöhnlich die Stellen, wo der von der Leitung 8 herkommende Teil des Arbeits mittels unmittelbar Zutritt zu den Rohr schlangenbündeln A hat. Träfe ein Arbeits mittelstrahl von kreisförmigem Querschnitt auf den ersten Strang a der verschiedenen Rohrschlangenbündel A mit verhältnismässig grosser Geschwindigkeit auf, so. böten die dahinter liegenden Teile der Bündel dem Strahl grossen Widerstand.
Da ferner die Strecke q (Fig. 2), über :die sich die ver schiedenen Bündel A quer zum Strahl er strecken, ziemlich gross ist, so würden zudem die aussen liegenden Bündel A sehr schlecht beaufschlagt, so dass auch in den weiter hin- ten liegenden Durchlässen (in der Strömungs richtung betrachtet) zwischen den Rohren 1 eine sehr ungleiche Geschwindigkeitsvertei lung herrschen würde, die nur langsam und unter Verlusten ausgeglichen werden könnte.
Wollte man eine gleichmässige Beaufschla- gung mit .gewohnten Mitteln, das heisst geradagigen Verteilkanälen, erreichen, so müsste die Zufuhrleitung langsam von einem runden in einen schmalen, rechteckigen Ka nal übergehen, von dem aus dann die Luft zu den Rohrschlangenbündeln gelangen würde. Ein solcher geradagiger Verteilkanal beansprucht aber viel Platz, da die Neigung der divergierenden Wände gegenüber der Age nur wenige Grad betragen darf.
Um mit ein- fachen Mitteln zu erreichen, dass die Beauf- schlagung der Rohrschlangen 1 eine gleich mässige wird, was zu guten Wärmeüber- gangSzahlen und wenig Verlusten führt, ist zweckmässig zwischen die Leitung 8 von kreisförmigem Querschnitt und dem Raum 17, in welchem die Rohrschlangenbündel A untergebracht sind, der bereits weiter oben erwähnte Verteiler 9 mit eingebautem, ge bogenem Blech 13 geschaltet.
Der kreisrunde. aus der Leitung 8 tretende Strahl trifft. nun auf das gebogene Blech 13, welches zusam men mit den äussern Wandungen des Vertei lers den Strahl umlenkt, wobei die Zentrifu- galkraft, welche senkrecht zu den Umlenk- flächen wirkt, ein Druckgefälle zwischen dem Kern und den äussern Teilen des Strahls bewirkt, so dass sich der Strahl innerhalb der Krümmung des Verteilers 9 selbständig aus breitet.
Dieser Verteiler 9 mit dem Blech 13 bewirkt somit auf kleinstem Rauin eine starke Strahlverbreiterung, so dass am Aus trittsende des Verteilers ein flacher Strahl von nahezu der Breite q des Gesamtröhren systems vorhanden ist und daher sämtliche Rohrschlangenbündel _4 gleiehmä,ssig beauf- schlagt werden.
Die Verbreiterung das Arbeitsmittel- strahls kann durch passende Wahl des Krümmungsradius des Verteilers 9, und so mit auch desjenigen des Umlenkbleches 13, beaimmt werden. Vorzugsweise werden im Verteiler mehrere parallele U mlenkbleche vorgesehen. so dass der ankommende Strahl in mehrere breite Teilströme aufgelöst wird, wodurch eine noch gleichmässigere Beauf- selilagung der Rohr3chlangenbiindel ermög licht wird.
Da. im Strom, der die Rohrschlangen 1 umspült, ein mehr oder -,veniger hoher Über- druck, allenfalls von einigen Atmosphären, herrschen kann, wären die das Gesamtröhren system von rechteckiger Grundfläche und annähernd gleicher Seitenlänge umkleiden den und begrenzenden Führungsbleche 11, welche den Rohrbogenteilen b angepasst sind, au.s :ehr dicken Blechplatten herzustellen, um dem Innendruck standhalten zu können.
Die Bleche müssten dort, wo sie eben sind, dick sein, weil ebene Platten unter Druck sehr grossen Biegungsbeanspruchungen aus gesetzt sind. Um derartiges zu vermeiden, sind die Umhüllungsbleche 14 zweckmässig lediglich als dünne Führungswände ausge bildet und dafür ihrerseits in einen zylin drischen, geschlossenen Behälter 15 passend eingelassen.
Dabei sind in den Blechen 14 kleinste Bohrungen 1.6 angebracht, die einen Druckausgleich zwischen dem das gesamte Rohrschlangensys'tem aufnehmenden Raum 17 und den Räumen 1.8 zwischen den Füh rungsblechen 14 und dem Behälter 15 ermög lichen. In den zum Teil im Querschnitt kreis- abschnittförmigen Zwischenräumen 18 bleibt die Luft bezw. das Gas dauernd in Ruhe.
Die Räume 18 werden für den Betrieb vor teilhaft als Isolierraum verwendet, das heisst mit einem passenden Isolationsmaterial ge füllt, wobei die in diesen Räumen 18 vor handene Luft bezw. das vorhandene Gas die isolierende Wirkung in vorteilhafter Weise unterstützt. Der Behälter 15 nimmt die Be anspruchungen durch den Innendruck auf und kann, da er zylindrisch ist und lediglich Zugbean3pruchungen erfährt, sehr dünn und leicht gehalten werden.
Auf diese Weise sind die umhüllenden Führungsbleche 14 entlastet und der ganze Wärmeaustauscher wird, trotz der zusätzlichen Zylinderhülle 15, bedeutend leichter als wenn die ebenen Teile der Füh rungsbleche 16 den ganzen Gasüberdruck au-zuhalten hätten.
Die Zwischenstüclze, welche dazu dienen, die Rohrschlangen und Rohrbündel gegensei- t.ig in der erforderlichen Lage zu halten. können auch andere Formen als Dreiecks form aufweisen.