DE102009026401A1

DE102009026401A1 - Mit Vertiefungen versehene eingeschnittene Rippenrohrstruktur

Info

Publication number: DE102009026401A1
Application number: DE102009026401A
Authority: DE
Inventors: Hua Zhang; Sal Albert Leone; Thomas Francis Taylor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2010-02-25
Also published as: US20100043442A1; CN101655035A; JP2010048546A

Abstract

Es wird ein Rippenrohr (32) zur Wärmeenergieübertragung von Turbomaschinenabgas (22) offengelegt, das ein Rohr, das in einem Strom des Abgases (22) einer Turbomaschine angeordnet werden kann, und mehrere sich von einer Außenoberfläche (46) des Rohres aus erstreckende Rippen (44) beinhaltet. Jede Rippe (44) enthält mehrere benachbarte Rippensegmente (50), die durch einen Einschnitt (48) getrennt sind. Wenigstens ein Rippensegment (50) von den mehreren Rippensegmenten (50) enthält wenigstens eine Vertiefung (56) darauf. Die wenigstens eine Vertiefung (56) vergrößert eine Turbulenz des Stroms des Abgases (22) über dem wenigstens einen Rippensegment (50) und vergrößert eine Oberfläche (52) des wenigstens einen Rippensegmentes (50) und steigert dadurch eine Wärmeenergieübertragungsfähigkeit des Rippenrohres (32). Ferner werden ein das Rippenrohr (32) nutzendes Kombinationszyklus-Kraftwerk (10) und ein Verfahren zum Betreiben des Kombinationszyklus-Kraftwerks (10) offengelegt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Turbomaschinen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Wärmeübertragung von Abgas in Kombinationszyklus-Kraftwerken.
In einem Kombinationszyklus-Kraftwerk (CCPP) oder einer Kombinationszyklus-Gasturbinenanlage (CCGT) wird von einem Generator, typischerweise einer Gasturbine, abgegebene Energie dazu genutzt, Elektrizität zu erzeugen. Da die Gasturbine überschüssige Wärme erzeugt, die in dem Generator nicht genutzt wird, wird ein Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) verwendet, um die überschüssige Wärme aus der Gasturbine an eine Dampfturbine zu übertragen, bei der zusätzliche Elektrizität erzeugt wird und somit der Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung durch das CCPP verbessert wird.
Um die überschüssige Wärme in durch die Dampfturbine nutzbare Energie zu übertragen, werden eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, enthaltende Leitungen in dem Abgaspfad der Gasturbine platziert. Die Leitungen oder Rippenrohre beisitzen typischerweise mehrere Rippen, die sich von den Rippenrohren weg erstrecken, um die Wärmeübertragungsfähigkeit der Rippenrohre zu steigern. Ferner sind die Rippen oft eingeschnitten, um die Rippenoberfläche zu vergrößern und die Wärmeübertragungsfähigkeiten der Rippenrohre zu steigern. Die Flüssigkeit wird in Dampf umgewandelt, welcher die Dampfturbine antreibt. Rippenrohre mit verbesserten Wärmeübertragungskoeffizienten zum Verbessern des Betriebsverhaltens des HRSG und/oder zum Ver ringern der Kosten des HRSG sind im Fachgebiet allgemein willkommen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Rippenrohr zur Wärmeenergieübertragung einer Turbomaschine ein in einem Abgasstrom einer Turbomaschine unterbringbares Rohr und mehrere sich von einer Außenoberfläche des Rohres aus erstreckende Rippen. Jede Rippe enthält mehrere benachbarte Rippensegmente, welche durch einen Einschnitt getrennt sind. Wenigstens ein Rippensegment von den mehreren Rippensegmenten enthält wenigstens eine Vertiefung darauf. Die wenigstens eine Vertiefung erhöht eine Turbulenz des Abgasstroms über dem wenigstens einen Rippensegment und vergrößert die Oberfläche des wenigstens einen Rippensegmentes, um dadurch eine Wärmenergieübertragungsfähigkeit des Rippenrohres zu steigern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Kombinationszyklus-Kraftwerk eine Gasturbine, eine Dampfturbine und mehrere in einem Abgasstrom der Gasturbine angeordnete Rippenrohre. Die mehreren Rippenrohre stehen mit der Dampfturbine in Strömungsverbindung und können thermische Energie aus dem Abgasstrom an Fluid übertragen, das in den mehreren Rippenrohren angeordnet ist, um dadurch Dampf zum Betreiben der Dampfturbine zu erzeugen. Jedes der Rippenrohre enthält ein Rohr und mehrere sich von einer Außenoberfläche des Rohres weg erstreckende Rippen. Jede Rippe von den mehreren Rippen enthält mehrere benachbarte Rippensegmente, welche durch einen Einschnitt getrennt sind. Wenigstens ein Rippensegment von den mehreren Rippensegmenten enthält wenigstens eine Vertiefung darauf. Die wenigstens eine Vertiefung erhöht eine Turbulenz des Abgasstroms über dem wenigstens einen Rippensegment und vergrößert die Oberfläche des wenigstens einen Rippensegmen tes, um dadurch eine Wärmenergieübertragungsfähigkeit des Rippenrohres zu steigern.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Kombinationszyklus-Kraftwerks den Antrieb eines primären Generators durch den Betrieb der Gasturbine und das Strömen lassen eines Abgases der Gasturbine über mehrere Rippenrohre, die in einem Abgaspfad der Gasturbine angeordnet sind. Jedes der Rippenrohre enthält ein Rohr und mehrere sich von der Außenoberfläche des Rohres weg erstreckende Rippen auf einer Außenoberfläche des Rohres. Jede der Rippen enthält mehrere benachbarte Rippensegmente, welche durch einen Einschnitt getrennt sind. Wenigstens ein Rippensegment von den mehreren Rippensegmenten enthält wenigstens eine Vertiefung darauf. Die wenigstens eine Vertiefung erhöht eine Turbulenz des Abgasstroms über dem wenigstens einen Rippensegment und vergrößert die Oberfläche des wenigstens einen Rippensegmentes, um dadurch eine Wärmenergieübertragungsfähigkeit des Rippenrohres zu steigern. Das Verfahren beinhaltet ferner das Umwandeln eines in den mehreren Rippenrohren enthaltenen Fluidvolumens zu Dampf, das Betreiben einer Dampfturbine mit dem Dampf und den Antrieb eines sekundären Generators durch den Betrieb der Dampfturbine.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der behandelte Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird insbesondere in den Ansprüchen an dem Schluss der Beschreibung dargestellt und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines Kombinationszyklus-Kraftwerks ist;
2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Rippenrohres ist;
3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Rippenrohres ist;
4 eine Querschnittsansicht eines Rippenrohres von 2 oder 3 ist; und
5 eine alternative Querschnittsansicht eines Rippenrohres von 2 oder 3 ist.
Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Kombinationszyklus-Kraftwerks (CCPP) 10 dargestellt. Das CCPP 10 enthält eine Gasturbine 12. Die Gasturbine 12 enthält einen Verdichter 14, welcher Luft verdichtet und die verdichtete Luft an wenigstens eine Brennkammer 16 liefert, bei der die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Das heiße Gasprodukt des Verbrennungsprozesses strömt zu einer Turbine 18, welche dem heißen Gas Arbeit entzieht, um einen primären Generator 20 zu betreiben, der elektrische E nergie abgibt. Nach dem Durchströmen der Turbine 18 strömt das heiße Gas oder Abgas 22 durch einen Abgaskanal 24 zu einem Kamin 26 zur Abgabe an Atmosphäre.
Das CCPP 10 enthält einen sekundären Generator 28, welcher wenigstens von einer Dampfturbine 30 angetrieben wird. Die wenigstens eine Dampfturbine 30 wird durch Energie angetrieben, die aus dem Abgas 22 über einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) übertragen wird. Der HRSG weist mehrere Rippenrohre 32 auf, welche wenigstens teilweise in einem Pfad des Abgases 22 angeordnet sind. Wie in der Ausführungsform von 1 dargestellt, sind die mehreren Rippenrohre 32 in dem Abgaskanal 24 angeordnet. In anderen Ausführungsformen können jedoch die mehreren Rippenrohre 32 an anderen Stellen, beispielsweise in dem Kamin 26 oder sowohl in dem Abgaskanal 24 als auch in dem Kamin 26 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen sind, wie es in 1 dargestellt ist, die mehreren Rippenrohre 32 in einer Spulenkonfiguration mit mehreren miteinander verbundenen Längsstücken 34 in dem Abgaskanal 24 angeordnet. Ein Fluidvolumen, in einigen Ausführungsformen Wasser, ist in den mehreren Rippenrohren 32 angeordnet. Sobald das Abgas 22 über die mehreren Rippenrohre 32 strömt, wird Wärme aus dem Abgas 22 auf das in den mehreren Rippenrohren 32 enthaltene Fluid übertragen und wandelt das Fluid in Dampf um. Die mehreren Rippenrohre 32 sind funktionell mit der wenigstens einen Dampfturbine 30 über wenigstens eine Turbinenleitung 36 verbunden. Der Dampf strömt über die wenigstens eine Turbinenleitung 36 zu der wenigstens einen Dampfturbine 30 und durch die wenigstens eine Dampfturbine 30, um den sekundären Generator 28 anzutreiben. In einigen Ausführungsformen strömt der Dampf der wenigstens einen Dampfturbine 30 zu einem Kondensator 38, der den Dampf zu Flüssigkeit kondensiert. Die Flüssigkeit wird über wenigstens eine Eingangsleitung 40 mit tels wenigstens einer Pumpe 42 zu den mehreren Rippenrohren 32 gepumpt.
Wie in 2 dargestellt, enthält jedes Rippenrohr 32 von den mehreren Rippenrohren 32 mehrere Rippen 44, welche sich von einer Außenoberfläche 46 jedes Rippenrohres 32 der mehreren Rippenrohre 32 nach außen erstrecken. Jede Rippe 44 von den mehreren Rippen 44 enthält mehrere Einschnitte 48 oder Spalte, welche jede Rippe 44 in eine Anzahl von Rippensegmenten 50 unterteilen. Die mehreren Einschnitte 48 ermöglichen das Vorbeiströmen eines größeren Strömungsvolumens an den mehreren Rippenrohren 32 und eine Erhöhung eines Wirkungsgrades der Wärmeübertragung von dem Abgas 22 auf die mehreren Rippenrohre 32 durch Vergrößerung des Wärmeübertragungskoeffizienten. Die mehreren Rippen 44 sind so konfiguriert und angeordnet, dass sie eine Oberfläche des dem Abgas 22 ausgesetzten Rippenrohres 32 vergrößern. In der Ausführungsform von 2 sind die mehreren Rippen 44 in einer spiralförmigen Konfiguration um jedes Rippenrohr 32 herum angeordnet. Die mehreren Rippen 44 jedes Rippenrohres 32 können jedoch in alternativen Konfigurationen angeordnet sein. In einer weiteren in 3 dargestellten Ausführungsform sind die mehreren Rippen 44 an jedem Rippenrohr 32 so angeordnet, dass sich eine Rippenoberfläche 52 in Längsrichtung entlang des Rippenrohres 32 im Wesentlichen parallel zu einer Rippenrohrachse 54 erstreckt.
Gemäß Darstellung in 4 enthalten die mehreren Rippen 44 ferner mehrere auf wenigstens einer von den Rippen 44 angeordnete Vertiefungen 56. Die mehreren Vertiefungen 56 gemäß Darstellung in 4 haben im Wesentlichen eine konkave Form. In einer alternativen Ausführungsform sind, wie es in 5 dargestellt ist, die mehreren Vertiefungen 56 auf einer Seite konkav und auf der gegenüberliegenden Seite konvex. In einigen Ausführungsformen sind die mehreren Vertiefungen 56 im Wesent lichen rund und haben einen Durchmesser in dem Bereich von etwa 0,25 mm (0,01'') bis etwa 5,7 mm (0,224'') und in einer Ausführungsform in dem Bereich von etwa 1,27 mm (0,05'') bis etwa 3,15 mm (0,124''). Ferner haben die mehreren Vertiefungen 56 eine Tiefe 60 in dem Bereich von etwa 0,25 mm (0,01'') bis etwa 5,1 mm (0,2''), und in einer Ausführungsform in dem Bereich von etwa 0,5 mm (0,02'') bis etwa 2,5 mm (0,1''). Es ist zu erkennen, dass die hierin angegebenen Durchmesser 58 und Tiefen 60 lediglich exemplarisch sind, und dass weitere Bereiche oder Durchmesser 58 und Tiefen 60 innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenlegung in Betracht gezogen werden. Die mehreren Vertiefungen 56 sind in Kombination mit den mehreren Einschnitten 48 konfiguriert und angeordnet, um die Verwirbelung in dem Strom des Abgases 22 an den mehreren Rippenrohren 32 zu erhöhen. Die erhöhte Verwirbelung erhöht den Wärmeübertragungskoeffizienten der mehreren Rippen 44, um dadurch die Wärmeübertragungsfähigkeit der mehreren Rippenrohre 32 zu steigern.
Ferner haben die mehrere Vertiefungen 56 enthaltenden mehreren Rippenrohre 32 eine größere Oberfläche als ein Rippenrohr ohne Vertiefungen. Die durch die Hinzufügung der mehreren Vertiefungen 56 erzeugte Oberfläche vergrößert die Gesamtwärmeübertragungsfläche von den mehreren Rippenrohren 32 und erhöht dadurch die Wärmeübertragungsfähigkeit von den mehreren Rippenrohren 32 weiter.
Obwohl die Erfindung detailliert in Verbindung mit nur einer eingeschränkten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es sich ohne weiteres verstehen, dass die Erfindung nicht auf derartige offengelegte Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, sodass sie eine beliebige Anzahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen, die bisher nicht beschrieben wurden, enthält, die aber dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Zusätzlich dürfte es sich, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demzufolge ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es wird ein Rippenrohr 32 zur Wärmeenergieübertragung von Turbomaschinenabgas 22 offengelegt, das ein Rohr, das in einem Strom des Abgases 22 einer Turbomaschine angeordnet werden kann, und mehrere sich von einer Außenoberfläche 46 des Rohres aus erstreckende Rippen 44 beinhaltet. Jede Rippe 44 enthält mehrere benachbarte Rippensegmente 50, die durch einen Einschnitt 48 getrennt sind. Wenigstens ein Rippensegment 50 von den mehreren Rippensegmenten 50 enthält wenigstens eine Vertiefung 56 darauf. Die wenigstens eine Vertiefung 56 vergrößert eine Turbulenz des Stroms des Abgases 22 über dem wenigstens einen Rippensegment 50 und vergrößert eine Oberfläche 52 des wenigstens einen Rippensegmentes 50 und steigert dadurch eine Wärmeenergieübertragungsfähigkeit des Rippenrohres 32. Ferner werden ein das Rippenrohr 32 nutzendes Kombinationszyklus-Kraftwerk 10 und ein Verfahren zum Betreiben des Kombinationszyklus-Kraftwerks 10 offengelegt.

10: Kombinationszyklus-Kraftwerk (CCPP)
12: Gasturbine
14: Verdichter
16: Brennkammer
18: Turbine
20: Generator
22: Abgas
24: Abgaskanal
26: Kamin
28: sekundärer Generator
30: Dampfturbine
32: Rippenrohre
34: miteinander verbundene Längsstücke
36: Turbinenleitung
38: Kondensator
40: Eingangsleitung
42: Pumpe
44: Rippen
46: Außenoberfläche
48: Einschnitte
50: Rippensegmente
52: Rippenoberfläche
54: Rippenrohrachse
56: Vertiefungen
58: Durchmesser
60: Tiefe

Claims

Rippenrohr (32) zur Wärmeenergieübertragung von Turbomaschinenabgas (22): mit einem Rohr, das in einem Strom des Abgases (22) einer Turbomaschine angeordnet werden kann; und mit mehrere Rippen (44), die sich von einer Außenoberfläche (46) des Rohres aus erstrecken, wobei jede Rippe (44) von den mehreren Rippen (44) mehrere Rippensegmente (50) aufweist, wobei benachbarte Rippensegmente (50) von den mehreren Rippensegmenten (50) durch einen Einschnitt (48) getrennt sind, wobei wenigstens ein Rippensegment (50) von den mehreren Rippensegmenten (50) wenigstens eine Vertiefung (56) darauf aufweist, wobei die wenigstens eine Vertiefung (56) eine Turbulenz des Stroms des Abgases (22) über dem wenigstens einen Rippensegment (50) vergrößert und eine Oberfläche (52) des wenigstens einen Rippensegmentes (50) vergrößert und dadurch eine Wärmeenergieübertragungsfähigkeit des Rippenrohres (32) steigert.
Rippenrohr (32) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Rippen (44) in einem im Wesentlichen spiralförmigen Muster um einen Umfang des Rippenrohres (32) angeordnet sind.
Rippenrohr (32) nach Anspruch 1, wobei sich die mehreren Rippen (44) im Wesentlichen in Längsrichtung entlang dem Rippenrohr (32) erstrecken.
Rippenrohr (32) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Vertiefung (56) von den mehreren Vertiefungen (56) im Wesentlichen rund ist.
Kombinationszyklus-Kraftwerk (10): mit einer Gasturbine (12); mit einer Dampfturbine (30); und mit mehreren Rippenrohren (32), die einem Strom des Abgases (22) der Gasturbine (12) angeordnet sind, wobei die mehreren Rippenrohre (32) mit der Dampfturbine (30) in Strömungsverbindung stehen und Wärmeenergie aus dem Strom des Abgases (22) an Fluid übertragen können, das in den mehreren Rippenrohren (32) angeordnet ist, um dadurch Dampf zum Betreiben der Dampfturbine (30) zu erzeugen, wobei jedes der Rippenrohre (32) aufweist: ein Rohr, das in dem Strom des Abgases (22) einer Turbomaschine angeordnet werden kann; und mehrere Rippen (44), die sich von einer Außenoberfläche (46) des Rohres aus erstrecken, wobei jede Rippe (44) von den mehreren Rippen (44) mehrere Rippensegmente (50) aufweist, wobei benachbarte Rippensegmente (50) von den mehreren Rippensegmenten (50) durch einen Einschnitt (48) getrennt sind, wobei wenigstens ein Rippensegment (50) von den mehreren Rippensegmenten (50) wenigstens eine Vertiefung (56) darauf aufweist, wobei die wenigstens eine Vertiefung (56) eine Turbulenz des Stroms des Abgases (22) über dem wenigstens einen Rippensegment (50) vergrößert und eine Oberfläche (52) des wenigstens einen Rippensegmentes (50) vergrößert und dadurch eine Wärmeenergieübertragungsfähigkeit des Rippenrohres (32) steigert.
Kombinationszyklus-Kraftwerk (10) nach Anspruch 5, wobei die mehreren Rippenrohre (32) in einer Spulenform angeordnet sind.
Kombinationszyklus-Kraftwerk (10) nach Anspruch 5, wobei sich die mehreren Rippen (44) in einem im Wesentlichen spiralförmigen Muster um einen Umfang wenigstens eines Rippenrohres (32) von den mehreren Rippenrohren (32) erstrecken.
Kombinationszyklus-Kraftwerk (10) nach Anspruch 5, wobei sich die mehreren Rippen (44) im Wesentlichen in Längsrichtung entlang wenigsten einem Rippenrohr (32) von den mehreren Rippenrohren (32) erstrecken.
Kombinationszyklus-Kraftwerk (10) nach Anspruch 5, wobei die wenigstens eine Vertiefung (56) von den mehreren Vertiefungen (56) im Wesentlichen rund ist.
Kombinationszyklus-Kraftwerk (10) nach Anspruch 5, wobei die Abgabeenergie aus der Gasturbine (12) einen primären Generator (20) antreibt.