-
Wärmeaustauscher Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere
zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für Gasturbinenanlagen, dessen eines wärmeaustauschendes
Mittel innerhalb mehrerer übereinander -angeordneter Züge quer durch den wärmeabgebenden
Gasstrom hindurchgeleitet wird. Bei Wärmeaustauschern dieser bekannten Bauart wird
beispielsweise die im Kreuzstrom geführte und aus einem zentral angeordneten Rohrbündel
wärmeaufnehmende Verbrennungsluft am Ende jedes Einzelzuges durch eine einfache
Umlenkkappe in den nächstfolgenden Querzug geleitet. Dabei weisen die aus der Unterseite
eines Zuges entnommenen Gase eine merklich niedrigere Temperatur auf, als etwa die
an der Oberseite des Zuges sich befindlichen Gasschichten, falls das wärmeabgebende
Röhrenbündel in der Richtung von oben nach unten durchströmt wird. Dieser Temperaturunterschied
ist darauf zurückzuführen, daß dem in den Röhren fließenden Mittel ständig Wärme
entzogen wird. Die in den einzelnen Querzügen des Wärmeaustauschers strömende Verbrennungsluft
wird demzufolge ein gewisses Temperaturprofil aufweisen, das entsprechend der Größe
des Wärmeaustauschers und damit der Strömungskanäle mehr oder minder stark ausgeprägt
sein wird. Bei Verwendung der bisher üblichen einfachen Umlenkkappe zwischen zwei
benachbarten Zügen tritt infolge dieses Umstandes der Nachteil ein, daß, die aus
der Unterseite eines Zuges austretenden Gasschichten, die eine niedrigere Temperatur
aufweisen als die an der Oberseite des gleichen Zuges befindlichen, in die Oberseite
des folgenden Zuges und die aus der Oberseite des Zuges stammenden
Gasschichten
an die Unterseite des nächsten Zuges, d. h. also mit vertauschtem Temperaturprofil
eingeleitet werden. Diese ständige Umkehrung des Temperaturfeldes innerhalb des
betreffenden Gasstromes, die bei jeder Umlenkkappe der bisher bekannten Bauart zwangläufig
stattfindet, wirkt sich auf die Güte des Wärmeaustauschers ungünstig aus. Auch muß
bei der bekannten Ausführung zwecks Reinigung der einzelnen Strömungskanäle stets
der ganze Wärmetauscher stillgesetzt werden, wodurch der Betrieb stillgelegt wird.
-
Bekannt sind außerdem Wärmetauscher mit im Kreuzstrom erfolgenden
Wärmeaustausch und übereinander angeordneten Zügen, die durch Umlenkkappen öder
-hauben miteinander verbunden sind, wobei innerhalb dieser Hauben zusätzlich Leitflächen
angeordnet sind. Mit dieser Anordnung werden jedoch die zuvor geschilderten Nachteile
nicht vermieden. Die bekannten Leitflächen in solchen Wärmetauschern bewirken lediglich
eine Vergleichmäßigung der Strömung und verringern somit die reinen Strömungsverluste.
Nach wie vor wird jedoch eines der wärmetauschenden Mittel mit umgekehrtem Temperaturprofil
in den nächstfolgenden Zug eingeführt.
-
Erfindungsgemäß werden demgegenüber die Leitflächen so angeordnet,
daß sie das im Kreuzstrom geführte Wärmeaustauschmittel zumindest in den Umlenkeinrichtungen
in mehrere sich überschneidende Einzelströme unterteilen und derart in den anschließenden
nächsten Querzug einleiten, daß trotz der räumlichen Umlenkung das Temperaturprofil
aus dem vorherigen Zug im wesentlichen erhalten bleibt. Der aus der unteren Hälfte
des Zuges austretende Verbrennungsluftstrom wird in der Umlenkkappe so geführt,
daß er in dem nachfolgenden Querzug wiederum in den unteren Teil des Strömungskanals
einmündet, während die der oberen Hälfte entströmenden Gase in die obere Hälfte
des folgenden Zuges eingeleitet werden. Dadurch wird das innerhalb eines Querzuges
sich ausbildende Temperaturfeld in seiner Schichtung im wesentlichen ungestört erhalten.
Die Leitflächenanordnung nach der Erfindung bietet darüber hinaus auch in strömungstechnischer
Hinsicht überragende Vorteile, da scharfe, verlustreiche Umlenkungen des die Züge
durchströmenden Mittels z. B. in der Nähe des die Querzüge trennenden Zugbleches
und die dadurch bedingte unvollkommene Beaufschlagung des Rohrbündels im nachgeordneten
Zug vermieden werden. Es ist also auch innerhalb eines einzelnen Zuges für -eine
möglichst gleichbleibende Temperaturdifferenz gesorgt.
-
In Weiterausbildung des eigentlichen Erfindungsgedankens ist es möglich,
daß im Kreuzstrom durch den Wärmeaustauscher geführte Mittel bereits im Eintrittsstutzen
des ersten Querzuges durch Trennwände in mindestens zwei Einzelströme aufzuteilen
und in diesen Teilströmungskanälen Absperrorgane anzuordnen, mittels deren die Einzelströme
füisich alleine abgeschaltet werden können. Gegenüber der einfachen Umlenkkappe
ergibt sich daraus der besondere Vorteil, daß die Strömungswege der einzelnen Querzüge
gereinigt werden können, ohne den ganzen Wärmeaustauscher und damit die Gasturbinenanlage
gleich vollkommen stillsetzen zu müssen. Zu diesem Zwecke schaltet man beispielsweise
die eine Hälfte der Strömungskanäle für die im Kreuzstrom geführte Verbrennungsluft
mittels der Absperrorgane ab und kann durch an den Umlenkkappen angebrachte Öffnungen
Preßluft einblasen, um auf diese Weise diese eine Zughälfte zu reinigen, während
der normale Betrieb der Gasturbinenanlage weiterläuft. Die Reinigung der anderen
Hälfte der Kanäle erfolgt sodann in analoger Weise.
-
Die Möglichkeit des Abschaltens der einen Hälfte der Strömungswege
des Wärmeaustauschers kann schließlich unter Umständen bei einer Gasturbinenanlage
notwendig werden, bei welcher die Nutzleistung aus irgendwelchen Gründen von der
Hochdruckturbine abgenommen wird. Die Eigenart dieser Schaltung bedingt bei Teillastbetrieb,
daß die Eintrittstemperatur der Treibgase der Hochdruckturbine stark abgesenkt werden
muß, während die Ein- und Austrittstemperatur der Niederdruckturbine im wesentlichen
ziemlich konstant bleiben soll. Da bei Verwendung der gesamten Wärmeaustauscherheizfläche
auch die Luftaustrittstemperatur praktisch konstant bleibt, würde damit bei Teillast
die Nutzturbineneintrittstemperatur, die der Luftaustrittstemperatur aus dem Wärmeaustauscher
entspricht, zu hoch. Dieser Nachteil kann durch das teilweise Abschalten der Wärmeaustauscherheizfläche
vermieden werden.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustauschers
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Schnitt durch die beiden
unteren Züge eines Wärmeaustauschers mit einfacher Umlenkkappe nach der bisher üblichen
Bauweise, Fig. 2 den gleichen Teilschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit einer
Umlenkkappe mit sich überschneidenden Kanälen, Fig. 3 eine Draufsicht auf den nach
der Linie III-III geschnittenen Wärmeaustauscher der Fig.2. In Fig. i sind die beiden
unteren Züge eines Wärmeaustauschers der bisher bekannten Bauart dargestellt. Das
eine der beiden wärmeaustauschenden Mittel strömt dabei in Richtung des Pfeiles
A durch das Rohrbündel i von oben nach unten, während das andere im Kreuzstrom in
mehreren quer dazu angeordneten Zügen in Richtung des Pfeiles B hindurchgeleitet
wird. Letzteres tritt durch den Flanschstutzen 2 in den ersten Querzug 3 ein und
wird mittels der einfachen Umlenkkappe 4 in den nachfolgenden Zug 5 geleitet. Die
beiden Züge 3 und 5 sind durch das Zugblech 6 voneinander getrennt. Bei dem Umlenkvorgang
des Mittels durch die Umlenkkappe 4 tritt eine nachteilige Vertauschung des Temperaturprofils
des einen Wärmeaustauschermittels in der Weise ein, daß die kühlere Gasschicht 7
aus der unteren Hälfte des Zuges 3 nach der Überführung in den folgenden Zug 5 an
die Stelle 8 mit höherer Temperatur
kommt, während das an sich heißere
Gas aus der oberen Zone 9 des Zuges 3 nunmehr in die relativ kühlere Zone io des
Zuges 5 gelangen würde.
-
Diese ungünstige Vertauschung des Temperaturfeldes innerhalb eines
Wärmeaustauscherquerzuges wird bei der erfindungsgemäßen Ausführung, wie sie in
Fig. 2 und 3 abgebildet ist, vermieden. Auch dort durchströmt das eine wärmeaustauschende
Mittel die Austauscherrohre i von oben nach unten in der Pfeilrichtung A, und das
zweite wird im Kreuzstrom durch die einzelnen übereinander angeordneten Züge geleitet
(Pfeilrichtung B). Der in den Flanschstutz.en 2 eintretende Gasstrom wird jedoch
durch ein Leitblech ii in dem ersten Zug 3 gleich in zwei Teilströme 12 und 13 aufgeteilt.
In gleicher Weise ist auch die Umlenkkappe 4 durch Leitbleche 14, 15 in einzelne
Strömungskanäle i311 bzw. 1211 und i2 b unterteilt. Dabei ist die Anordnung so getroffen,
daß der Teilstrom 13 aus der unteren Hälfte des Zuges 3 in den zentralen Kanal i311
der Umlenkkappe .4 mündet, in diesem zum nächstfolgenden Zug 5 hochgeführt wird
und dort so einmündet, daß Teilstrom 13, der der unteren Hälfte des Zuges 3 entnommen
wurde, in dem Zug 5 wiederum den unteren Teilstrom 16 bildet. Der obere Teilstrom
12 des unteren Zuges 3 wird durch einen Einsatzkörper 17 nochmals geteilt,
in den Kanälen i211, 12b zum nächsten Zug 5 hochgeführt und dort in den oberen Teil
18 dieses Zuges eingeleitet. In der Umlenkkappe 4 sind also sich überschneidende
Strömungskanäle 1311 bzw. 1211 und ,2b angeordnet, die eine Vertauschung des Temperaturprofils
aus dem Zug 3 bei dem Überführungsvorgang des Gases in den nächstfolgenden Zug vermeiden.
Dieser Umlenkvorgang innerhalb der einzelnen Umlenkkappen wiederholt sich bei den
nachfolgenden Querzügen des Wärmeaustauschers stest in der gleichen vorher beschriebenen
Art und Weise.
-
Bei dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustauschers
gemäß der Erfindung strömt das wärmeabgebende Mittel in Richtung des Pfeiles A durch
das Rohrbündel i, während das wärmeaufnehmende Mittel im Kreuzstrom in mehreren
übereinander angeordneten Zügen geführt wird (Pfeilrichtung B). Es ist natürlich
auch denkbar, daß dieWärmeaustauscherrohre in den einzelnen Querzügen vorgesehen
sind, d. h. also, daß das im Kreuzstrom geführte wärmeaufnehmende Mittel innerhalb
eines Rohrbündels geführt wird. An Stelle der Umlenkkanäle i211, T2b und 13a können
unter Umständen auch entsprechend konstruierte Rohrkrümmer oder, bei Einbau eines
zentralen Rohrbündels, direkt im umgebenden Mauerwerk nach Art dieser Kanäle 1211,
12b und 13" gemauerte Schächte od. dgl. vorgesehen sein.
-
Die Teilströme des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers können schließlich
noch einzeln für sich abgeschaltet werden. Zu diesem Zwecke werden Absperrorgane
i9, 2o in den Teilströmungskanälen angeordnet. Diese Organe können entweder in dem
Eintrittsstutzen des ersten Querzuges oder unmittelbar in den einzelnen Umlenkeinrichtungen
oder an einer anderen zweckmäßigen Stelle vorgesehen sein.