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.Röhrenlufterhitzer mit Gegenstromprinzip Die Erfindung betrifft einen
nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Röhrenlufterhitzer, bei dem die zu erwärmende
Luft unter Druck durch die Rohre strömt.
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Erfindungsgemäß @besteht der Erhitzer aus einer über dem Raum, in
dem die Heizgase erzeugt oder in den sie eingeführt werden, liegenden Verteilertrommel
und aus zwei seitlich von diesem Raum liegenden Sammlertrommeln sowie aus die Verteilertrommel
mit den Sammlertrommeln verbindenden Rohren, wobei die Heizgase entlang und zwischen
den nach oben einander sich nähernden Rohren aufsteigen. Nach einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung sollen in den erwähnten Heizgasraum die Abgase einer Gasturbinenanlage
eingeführt werden.
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Man hat bereits einen Dampfüberhitzer in Vorschlag gebracht, bei dem
ein aus Trommeln und dieselben. verbindenden Rohrbündeln bestehendes Dampfüberhitzungssystem
zur Anwendung kommt. Bei der bekannten Einrichtung wurde indes in dem für die Wärmeübertragung
wirkungsvollen und entscheidenden Teil das Medium, nämlich das Kesselwasser und,
der Dampf, im Glieichstrom mit den von dem Feuerbett aufsteigenden Heizgasen
geführt.
Bei dieser Einrichtung ließ sich mithin die erfindungsgemäße Wirkung, die auf der
Gegenstromführung beruht und darin besteht, daß sich in den seitlichen Sammlertrommeln
die am höchsten erhitzte Luft befindet, nicht erzielen. Diese Wirkung hat zur Voraussetzung,
daß die Luft unter Druck und nicht mit ihrem natürlichen Auftrieb durch den Wärmeaustauscher
fließt. Lediglich die Heizgasströmung, die durch die besondere Rohrbündelung beeinflußt
-wird, findet sich auch bei der bekannten Einrichtung.
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Man hat ferner bereits vorgeschlagen, bei einer Gasturbinenanlage
den aus ebenen Wänden bestehenden Wärmeaustauscher unmittelbar . hinter die Verbrennungskammer
zu legen.
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Von dieser Anordnung unterscheidet sich der erfindungsgemäße Röhrenlufterhitzer
dadurch, daß die zu erhitzende Luft nicht zwischen ebenen Wänden, sondern daß sie
zwischen den die Trommeln verbindenden Röhren hin.durchfließt. Ferner kommt hinzu,
daß die beiden Röhrenbündel, zwischen denen die Heizgase hindurchfließen, in der
Richtung des Gasflusses konvergieren, während die ebenen Wände, welche die Durchgänge
für die Heizgase gemäß der bekannten Einrichtung begrenzen, parallel miteinander
verlaufen.
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Das Mittel von größerer Dichte läßt man zweckmäßig durch die Röhren
selbst gehen, während das Mittel geringerer Dichte außerhalb derselben fließt. In
Gasturbinenanlagen besitzt die komprimierte Luft immer höhere Dichte als die Turbinenauslaßgase.
In ähnlicher Weise besitzt die Verbrennungsluft in Kesselanlagen höhere Dichte als
die Kesselabgase.
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Die Länge des Teils der Röhren, welcher den konvergenten Gaseintritt
bildet, sollte vorzugsweise derart bemessen sein, daß die Gasgeschwindigkeit zwischen
den Röhren in der innersten Reihe etwa dieselbe ist als wenn der gerade Teil der
Röhren erreicht ist. Der Gasdurchgangsquerschnitt zwischen den Röhren in der ersten
Reihe wird zweckmäßig etwas größer als der Gasdurchgangsquerschnitt durch das Rohrbündel
gemacht, -weil das Gas in das Röhrenbündel unter kleinerem Winkel als 9o' gegenüber
den Röhren eintritt.
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Wenn der Wärmeaustauscher in Verbindung mit einer Gasturbine gebracht
wird, so führt das Gasturbinenauslaßgehäuse zweckmäßig entweder unmittelbar in den
konvergenten Eintritt für die Ahgase zu dem Wärmeaustauscher oder enthält den ersteren.
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Wenn der Wärmeaustauscher in Verbindung mit einer Gasturbinenanlage,
die mit innerer Verbrennung betrieben -wird, benutzt wird, z. B. wenn die Enderhitzung
der komprimierten Luft dadurch erhalten wird, daß man einen Teil ihres Sauerstoffgehaltes
für die Verbrennung ausnutzt, so werden die Verbrennungskammern zweckmäßig in den
Trommeln für komprimierte vorgewärmte Luft einverleibt.
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Wenn Raum zur Verfügung steht, so wird der Wärmeaustauscher vorzugsweise
als »Einwegapparat« sowohl für die Gasseite wie für die Luftleite ausgebildet. Die
komprimierte Luft oder die zu erhitzende Luft tritt dann am besten in die Wärmeaustauscherröhren
von einer einzigen Einlaßtrommel aus ein. Abgesehen von Biegungen, die notwendig
sind, um die Röhren mit diesem Oberteil oder dieser Trommel zu verbinden, werden
die Wärmeaustauscherröhren bis zu der Stelle gerade durchgeführt, wo die Röhren
den konvergenten Gaseintritt bilden.
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Wenn die erforderliche Röhrenlänge und damit der Gasweg unziveclcmäßig
lang wird, z. B. wenn ein sehr hoher Wärmeaustauscherwirkungsgrad angestrebt wird,
so können Mehrwegausführungen mit oder ohne zwischenliegenden Luftsammelbehältern
angewandt werden. Eine derartige Ausbildungsform wird indes im allgemeinen einen
vergrößerten Druckabfall mit sich bringen.
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Um den Druckabfall innerhalb der Wärmeaustauscherröhren zu verringern,
können die Röhren mit düsenförmigen Eintrittsmündungen versehen werden, durch welche
eine Kontraktion der Strömung vermieden wird, sowie mit konisch gestalteten Expansionsaustrittsenden,
die eine teilweise Umwandlung der auf der Geschwindigkeit in der unter Druck stehenden
Leitung beruhenden kinetischen Energie bewirken.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispiel>-weise veranschaulicht.
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In den Zeichnungen zeigen Fig. i bis 3 einen senkrechten Schnitt,
einen senkrechten Schnitt von der Seite gesehen und einen Grundriß eines Wärmeaustauschers
gemäß der Erfindung, der als vertikaler Einwegapparat sowie zur Verwendung in Verbindung
mit einer Gasturbine ausgebildet ist; Fig. q. und 5 veranschaulichen zwei Schnitte
einer abgeänderten Ausführungsform eines vertikalen Einwegwärmeaustauschers, der
ebenfalls zur Verwendung in Verbindung mit einer Gasturbine sich eignet.
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Nach Fig. i, a und 3 bezeichnet das Bezugszeichen i die Einlaßtrommel,
die mit komprimierter Luft beschickt wird. Die komprimierte Luft fließt durch die
Röhren a zu den Luftauslaßtrommeln 3 und .a., die zu beiden Seiten des Gaseintritts
angeordnet sind. Die Turbinenabgase verlassen die letzte Reihe der Schaufeln 5 des
Turbinenlaufrads 6 und treten dann in das Turbinenauslaßgehäuse 7 ein,. -welches
gleichzeitig als Eintritt für die Abgase in den Wärmeaustauschern dient. Das Bündel
der Wärmeaustauscherröhrena teilt sich am unteren Ende in zwei Abteilungen, deren
eine zu jedem der Auslaßtrommeln3 und .4 führt, so daß ein konvergenter Eintritt
8 für die Turbinenabgas zwischen den beiden Röhrenabschnitten gebildet wird. Der
Eintritt 8 bildet eine Fortsetzung des Turbinenauslaßgehäuses. Von dem Eintritt
8 gehen die Turbinenabgase in das Röhrenbündel, fließen zwischen den Röhren in den
inneren Reihen unter einem Winkel, der im allgemeinen kleiner als go' ist, -vorauf
die Strömung dann allmählich mehr und mehr längs zu den Röhren verläuft. Für den
größeren Teil der Länge bleibt die Strömung in der
Längsrichtung
der Röhren im Gegenstrom zu der komprimierten Luft innerhalb der Röhren. Nach den
oberen Enden der Röhren hin sind divergente Durchgänge 9 und io zwischen den Röhren
2 und dem Wärmeaustauschergehäuse i i gebildet. Ein Teil der Abgase verläßt den
Wärmeaustauscher durch diese divergenten Durchgänge, während ein anderer Teil ihn
durch die Spalte zwischen den oberen Röhren und der Einlaßtrommel i verläßt. Die
beiden Ströme auf jeder Seite der Einlaßtrommel i vereinigen sich in dem Gasabzug
12 und gehen durch einen Rauchfang oder Schornstein in die Atmosphäre. Der Wärmeaustauscher
ist, wie ersichtlich, zweckmäßig mit einer wärmeisolierenden äußeren Verkleidung
versehen. Die AuSlaß= trommeln sind zweckmäßig als zylindrische Trommeln gestaltet
und von genügender Größe, um die Verbrennungskammern aufzunehmen. Der in Fig.4 und
5 dargestellte Wärmeaustauscher ist ähnlich wie der oben beschriebene ausgebildete
(Fig. i bis 3), ausgenommen, daß hier vier Wärmeaustauscherauslaßtrommeln 3a, 3b
und 4a, 4b vorhanden sind, von denen zwei an jeder Seite des Eintritts 8 liegen.
Diese Unterteilung, die besonders geeignet für größere Einheiten ist, hat man zum
Zwecke hergestellt, vier Verbrennungskammern unterzubringen, und zwar eine in jeder
Wärmeaustauscherauslaßtrommel. Die Gasturbine besitzt -zwei Rotoren 6a und 6b, die
in bezug auf den Gasfluß parallel miteinander verbunden sind. Von den letzten Schaufelreihen
5a und 5b, von denen das Gas fließt, ausgehend, sind die beiden Turbinen mit dem
Eintritt in das Röhrenbündel des Wärmeaustauschers verbunden.