Wärmeaustauscher Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaus- tauscher für Wärmequellen mit Temperaturen, oberhalb von 650 C.
Der Bedarf an solchen Wärmeaustauschern, welche in der Lage sind, sehr hohen Temperaturen und Drük- ken standzuhalten, steigt mit der Forderung nach ver mehrter Ausnutzung von Wärmekraftmaschinen. Gerade aber die hohen Temperaturen und Drücke konnten bis her mit den herkömmlichen Wärmeaustauschern nicht beherrscht werden.
Die Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung dar und ist durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet: a) ein Metallrohr, durch welches ein Medium strömt; b) mehrere aus keramischem Material bestehende längliche Umhüllungsteile zum Schützen des Rohres vor der Wärmequelle;
c) das Rohr und die Umhüllungsteile haben ver schiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei das Rohr mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizien- ten innerhalb der Umhüllungsteile mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten angeordnet ist und im kalten Zustand ein Zwischenraum zwischen dem Rohr und den Umhüllungsteilen besteht, so dass bei Errei chen der Betriebstemperatur das Rohr eng an den Um hüllungsteilen anliegt.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungs gegenstandes sollen anhand der Zeichnungen nachfol gend näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wärmeaus tauscherabschnitt, Fig. 2 den Abschnitt gemäss Fig. 1 bei Betriebs temperatur, Fig. 3 den Abschnitt gemäss Fig. 1 in kaltem Zu stand, Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Ausführungs variante eines Wärmeaustauscherabschnittes, Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Aus führungsvariante eines Wärmeaustauscherabschnittes,
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine weitere Aus führungsvariante eines Wärmeaustauscherabschnittes, Fig. 7 einen Querschnitt durch eine weitere Aus führungsvariante eines Wärmeaustauscherabschnittes, Fig. 8 einen Querschnitt durch eine weitere Aus führungsvariante eines Wärmeaustauscherabschnittes, Fig. 9 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfüh rungsvariante eines Wärmeaustauscherabschnittes,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Gas turbine als Anwendungsgegenstand für einen Wärme- austauscher, Fig. 11 eine Vertikalanordnung eines Wärmeaustau- schers, Fig. 12 eine Variante des Austauschers gemäss Fig. 11, Fig. 13 eine Variante des Austauschers gemäss Fig. 12,
Fig. 14 einen weiteren Ausschnitt eines Wärme- austauschers und Fig. 15 einen Schnitt durch den Austauscher entlang der Schnittlinie 15-15 in Fig. 14.
Zum besseren Verständnis der mit dem Erfindungs gegenstand zu lösenden Probleme sei zunächst auf ein Anwendungsgebiet näher eingegangen, das in der Kom bination einer Gasturbine mit einer Abdampfturbine in einem Kraftwerk besteht.
Eine solche Gasturbine ist eine besonders erwünschte Vorschaltmaschine, da sie sich als besonders bewährt zeigt. Ein Hindernis für die vorstehend angedeutete Ver wendung besteht aber in dem Problem der Befeuerung der Turbine mit Kohle oder mit Rückstand-Brennöl. Bei der Kohlebefeuerung besteht das Problem in der Vermeidung von Beschädigungen des Turbinenrades und ähnlicher Teile infolge Erosion oder Ablagerung feuerflüssiger Asche, welche Alkalisulfate und etwas Vanadiumoxyd enthält. Bei der Ölfeuerung hingegen verursachen komplexe Vanadium enthaltende Rück stände bei hohen Temperaturen eine starke Korrosion.
Eine Lösung dieser Probleme besteht in der Verwen dung von Wärmeaustauschern - des Strahlentypus zur Übertragung der Hitze aus der unter atmosphärischem Druck stehenden Flamme der Kohle- oder ölverbren- nung in unter Überdruck stehende Luft, welche in der Gasturbine verwendet wird. Der Wärmeaustauscher kann als Heizquelle für einen Wärmeprozess dienen oder als Abgaswärmeaustauscher. Die Verwendung eines Wärmeaustauschers erlaubt ferner die vorteilhafte Kon struktion einer Gasturbine mit geschlossenem Umlauf.
Bei einem solchen Wärmeaustauscher ist eine Aus gangstemperatur von ungefähr 850 C erforderlich für eine Anpassung an übliche Turbinen und sollte 1000 C oder höher sein. Herkömmliche Austauscher aus rost freiem Stahl sind aber auf Temperaturen um 650 C beschränkt. Nur die sogenannten Superlegierungen , mit grossen Anteilen kritischer Komponenten, wie Ko balt und Niob, widerstehen dem Kriechen bei solch hohen Temperaturen. Solche Materialien sind aber für Wärmeaustauscher nicht ökonomisch. Da wegen der Kosten die Grösse der Austauscher klein gehalten wer den muss, muss die Temperaturdifferenz zwischen Wan dung und Luft sehr gross sein.
Deshalb sind Wandungs- temperaturen von 1100 C bis 1250 C erwünscht. In bezug auf die Widerstandsfähigkeit bei solchen hohen Temperaturen kommt an sich als ökonomisches Mate rial, welches nicht kriecht und welches einer Oxydation widersteht, nur besonders feuerfeste Werkstoffe in Frage, wie Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Mullit und Sili- ciumcarbid, welche aber porös und sehr schwer zu ver arbeiten sind.
Diese Probleme sollen die nachfolgend zu beschrei benden Ausführungsformen eines Wärmeaustauschers lösen.
Gemäss Fig. 1 ist mit 10 ein Kanalabschnitt eines Wärmeaustauschers bezeichnet, welche Anordnung ein rohrförmiges Gehäuse 11 aus beispielsweise rostfreiem Stahl oder aus Inconel-Legierung umfasst. Konzentrisch um die Röhre 11 sind ein oder mehrere Umhüllungs teile 12, 12' angeordnet, für welche Keramikmaterial, etwa die verschiedensten Formen von Silikonkarbiden, wie tongebundene, nitritgebundene oder selbstbindende Silikonkarbide, Verwendung findet.
Das Umhüllungsteil 12 dient der Festigkeit auch bei hohen Temperaturen, um zu verhindern, dass die innere Röhre 11 infolge Kriechbrüche zerreisst. Die in nere Röhre 11 dient als dichte Führungsröhre, welche leicht an herkömmliche Leitungsysteme anschliessbar ist. Die beschriebene Anordnung macht sich die kom plementären Eigenschaften von Metall und Keramik zu nutze, indem Metall leicht bearbeitbar und leckdicht verschweissbar, aber relativ schwach bei hohen Tem peraturen, Keramik, aber schwer bearbeitbar und schwer dichtzuhalten, dagegen aber sehr widerstandsfähig gegen Hitze ist.
Ein anderer Vorteil dieser Kombination einer inneren Metallröhre mit einem äusseren Keramikbehälter besteht in der Möglichkeit, verschiedene Metalle zu verwenden unter Bedingungen, die sonst ohne Abstüt zung zu Kriechrissen führen würden. Die beschriebene Kombination dient dem Zweck, durch Verwendung der Keramikumhüllung 12 das Metallrohr 11 gegen Innen druck abzustützen und vor den Verbrennungsprodukten zu schützen. Zusätzlich lässt sich die Wandungsdicke des Rohres 11 gegenüber jener notwendigen ohne Ver wendung der Keramikummantelung verringern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird für das Rohr 11 eine Inconel-Metall-Legierung und für das Gehäuse 12 Silikonkarbid verwendet. Inconel-Metall ist eine Legierung aus 77 % Nickel, 15 % Chrom, 7 % Eisen und geringe Anteile Kupfer, Zink, Mangan und Koh lenstoff. Inconel-Metall hat eine Kurzzeitdehnungsfe- stigkeit von etwa 773 kg/cm2 und eine Längendehnung von 67 % bei 1100 C. Dieses Metall kann in einer nicht- sulfidizierten Atmosphäre bei Temperaturen von 1100 bis l250 C verwendet werden.
Andere geeignete Le gierungen sind Nickel-Chrom-Legierungen mit 80 % Nik- kel und 20% Chrom, 310-nichtrostender-Stahl mit <B>25%</B> Nickel, 20% Chrom und 55% Eisen und 446- nichtrostender Stahl mit 27 % Chrom und 63 % Eisen. Die Wandungsdicke der Röhre 11 kann etwa 1,6 mm betragen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wurde für das Gehäuse 12 ein tongebundenes Silikon- karbid mit einer Wandstärke von etwa 12,7 mm ver wendet.
Um ein Zusammenwirken der Röhre 11 mit der Keramikröhre 12 zu erreichen, muss eine bestimmte Beziehung zwischen deren Temperaturexpansionscharak- teristiken aufgestellt werden. Der Ausdehnungskoeffi zient des Keramiks ist 2,6 - 10-6 pro 5/9 C und der des hier verwendeten Metalls 8,4 - 10-6 pro 5/9 C. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit eines Radial spaltes zwischen den beiden Teilen 11 und 12. Der Spalt ist hierbei von den unterschiedlichen Koeffizien ten abhängig und muss so gross sein, dass das ausdeh nende Metall nicht die Keramikumhüllung sprengt, son dern nur an dieser anliegt.
Somit stützt die Hülle 12 das Rohr 11 bei den Betriebstemperaturen ab, wobei sich bei Abkühlung das Rohr 11 zusammenzieht, ohne dass eine bleibende Verformung eintritt. Bei Spitzen temperaturen um l100 C beträgt die relative Expansion der Metallröhre 1,2 % des Radius der letzteren, was ein Mass für den minimalsten Abstand zwischen Teilen 11 und 12 darstellt.
Ohne Rücksicht darauf, ob das Gehäuse aus Metall und die Umhüllungsteile aus keramischem Material be stehen oder ob es umgekehrt ist, muss in jedem Falle das Gehäuse einen höheren Wärmeausdehnungskoeffi- zienten aufweisen als der Umhüllungsteil. Auf diese Weise ergibt sich, dass der Zwischenraum zwischen den Umhüllungsteilen und dem inneren Gehäuse bei Errei chen der Betriebstemperaturen nicht mehr vorhanden ist. Hierdurch ergibt sich eine sehr enge und vor allen Dingen gleichmässige Kontaktgabe zwischen dem Ge häuse und den Umhüllungsteilen.
Sie bilden also eine feste Einheit, wobei die Eigenschaften beider Materia lien sich in vorteilhafter Weise ergänzen, indem das eine Material für die Leckdichtigkeit und das andere Material für die Festigkeit der gesamten Einheit ver antwortlich ist.
Es sind, wie vorstehend schon angedeu tet, auch Anwendungen denkbar, bei welchen der grö ssere Druck des fluiden Mediums von aussen auf die Rohranordnung des Austauschers einwirkt. In einem solchen Falle müsste das innere Rohr aus Keramik (Magnesit mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von<B>7,2-</B> 10-6 bei 22 bis 1000 C) und das äussere Rohr aus ferritischem rostfreiem Stahl (Typ 446-rost- freier Stahl) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6,6 .10 -6 bei 22 bis 650 C bestehen.
Die Umhüllungsteile 12, welche im nachfolgenden der Einfachheit halber mit Keramikgehäuse bezeich net werden, werden mit entsprechend innerer axialer Verjüngung gegossen, um den Gusskern leicht entfernen zu können. Diese Verjüngung kann etwa 1,6 mm in bezug auf den Durchmesser bei einer Länge von etwa 762 mm betragen. Hierfür sollte das Maximalspiel am weitesten Ende der Verjüngung 2,5 % nicht übersteigen, um eine übermässige Dehnung des Metalls zu vermei den. Dies bringt einen Minimalspalt von etwa 8 mm und, als Beispiel, eine Verjüngung von 8 mm pro 0,3 m für 63 mm Bohrung.
In Anbetracht der schwierigen Verhältnisse bei ho hen Betriebstemperaturen und der begrenzten Länge der Silikonkarbid-Röhren muss zwischen den einzelnen Röh renabschnitten eine Verbindungsstelle geschaffen wer den, dergestalt, dass das umhüllte Metallrohr ausreichend geschützt ist und Innen- wie Aussenrohr die Möglichkeit haben, axial zu expandieren. Gleichzeitig soll die Ver bindungsstelle unzulässige Abnutzungen am Metallrohr vermeiden.
Gemäss Fig. 1 ist zwischen den einzelnen Keramik rohrabschnitten 12, 12' usw. eine Stossverbindung 13 vorgesehen, wobei die Abschnitte kontinuierlich aufein anderfolgen. Nachdem nun das Metallrohr 11 eine grö ssere Dehnung als die einzelnen Keramikrohrabschnitte aufweist, wird sich bei Betriebstemperatur ein Spalt zwischen den Abschnitten einstellen. Dieser Spalt soll möglichst schmal gehalten werden, so dass die dünne Wandung des Rohres 11 den Spalt unter mässiger Span nung überbrückt.
Es wurde gefunden, dass der genannte Spalt bei einer Abschnittslänge von 30 cm ungefähr 3,9 mm beträgt. Wandungsteile des Rohres 11 über brücken die einzelnen Spälte mit einem inneren Druck von etwa 20,5 kg/cm2.
Die Verwendung einer grossen Anzahl von Keramik rohrstücken 12 macht den Bedarf einer komplizierten Verbindung zwischen den einzelnen Stücken unnötig und reduziert das axiale Anfressen. Hierbei muss ver hindert werden, dass die Abschnitte auf dem Rohr 11 gleiten, um gleichmässige Spälte an allen Verbindungs stellen zu erzielen. Unzulässige Spaltöffnungen, insbe sondere zu weite Spälte, würden einer ausreichend fe sten Überbrückung durch das Rohr 11 entgegenstehen. In der Praxis wird die Gleichmässigkeit der Spälte durch den Vorteil der inneren Verjüngung der Stücke 12, 12' im Zusammenwirken mit dem Rohr 11 gewährleistet.
Während des Betriebes wird sich nun bei hoher Temperatur die Anordnung gemäss Fig. 1 in eine An ordnung gemäss Fig. 2 verändern, wobei ein Spalt 14 erscheint, indem sich das Metallrohr 11 entsprechend ausgedehnt hat. Wie ersichtlich, nimmt das Rohr 11 hierbei eine mit der Verjüngung des betreffenden Ab schnittes 12 übereinstimmende Form an, wobei ein ge krümmter Abschnitt 15 den Spalt überbrückt. Nach Ab kühlung nimmt dann die Anordnung eine Gestalt gemäss Fig. 3 an. Wie ersichtlich, behält das Rohr 11 dabei die durch die Hitze bewirkte Deformation bei, was ein gegenseitiges Verschieben verhindert.
Selbstverständlich sind auch noch andere Verbin dungen zwischen den einzelnen Stücken 12, 12' usw. denkbar, wie nachstehend anhand einiger Ausführungs formen näher erläutert werden soll.
Gemäss Fig. 4 ist zwischen benachbarten Keramik rohrstücken 12 und 12' eine Verbindungsanordnung 16 vorgesehen, bei welcher eine Stossfuge 17 von einem dünnen Metallzylinder 18 umgeben wird. Dieser Metall zylinder besteht aus dem gleichen Material wie das Rohr 11 und soll das Eindringen von Verbrennungs rückständen in die Stossfuge verhindern sowie die kor rosiven Partikeln in den Gasen neutralisieren. Der Me tallzylinder 18 ist ferner noch vom einen Zylinder 19 umgeben, der aus dem gleichen Material wie die Stücke 12 besteht. Zwischen beiden Zylindern ist hierbei ein Spalt vorgesehen.
Wo der axiale Spalt zwischen benachbarten Kera mikstücken gross sein kann oder wo der Teil des Me tallrohres, welcher den Spalt überbrückt, noch zusätz lich abgestützt werden soll, kann eine Verbindungsan ordnung 20 gemäss Fig. 5 vorgesehen werden. Hier weist das Element 18' eine innere Ringschulter auf, so dass sich für den Zylinder eine T-förmige Querschnittsform ergibt. Hierbei teilt der Steg den Spalt in zwei Teil- spälte auf.
Wie Fig. 6 näher veranschaulicht, kann der den Zylinder 18 umgebende Ring 19 .auch als Teil des Keramikrohrstückes angeformt sein. Wie die Ausfüh rungsform zeigt, befindet sich am einen Ende eines Keramikstückes 22 eine Lippe 23, welche das Ende des benachbarten Keramikstückes 22' überlappt. Zwi schen beiden sich überlappenden Enden befindet sich der Metallring 18.
Bei der Verbindungsanordnung 24 gemäss Fig. 7 sind die beiden benachbarten Keramikstücke 25 bzw. 25' stufenförmig abgesetzt, wobei sich die Lippen 26 und 27 derart mit radialem Abstand überlappen, dass zwischen diesen noch der Metallring 18 Platz hat.
Bei der Verbindungsanordnung 28 zweier Keramik rohrstücke 29 und 30 gemäss Fig. 8 weist das Keramik stück 29 eine Absetzung 31 und das Keramikteil eine Absetzung 31' auf, derart, dass von beiden Teilen eine zylinderförmige Kammer 32 begrenzt wird, welche der Aufnahme eines Keramikringes 33 und des konzen trisch zu letzterem angeordneten Ringes 18 dient. Der von den Körpern 33 und 18 überbrückte Spalt 34 wird hierbei wieder in zwei kleinere Teilspalte aufgeteilt.
Eine alternative Lösung zur Verstärkung der Wan dung im Bereich des Spaltes zeigt Fig. 9. Die Ver bindungsanordnung 35 zwischen zwei Keramikteilen 36 und 36' wird durch eine Lippe 37 hergestellt, welche .am Teil 36' angeformt ist und welche den Teil 36 gleitend oder mit einem Abstand 38 zur Einfügung des Zylinders 18 übergreift. Ferner befindet sich zwischen Rohr 11 und Röhre 36 zur Überbrückung des Stosses 40 ein kurzer Metall- oder Keramikzylinder 39, der auf seiner Innenseite bombiert ist. Im Betrieb wird sich, wie beschrieben, das Rohr 11 ausdehnen und sich aus sei ner gezeigten Lage in die gestrichelt eingezeichnete Lage 11' verformen.
Die Vertiefung im Rohr 11 im Bereich des Ringes 39 kann auch durch Wirbelung oder Ge- senkarbeit vorgeformt werden. In diesem Falle kann der Ring 39 zweigeteilt sein, welcher dann von der Vertiefung und den darüberliegenden Abschnitten 36 und 36' festgehalten wird. Der Zweck des Ringes 39 besteht in der überbrückung der Stossfuge bei gleich zeitiger Verstärkung der Rohrwandung an dieser Stelle. Diese Konstruktion kann verwendet werden, wenn die Keramikabschnitte länger sind, was grössere Spälte er gibt, oder wenn ein grösserer Druck herrscht als bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 1 bis 6.
Das Prin zip aller in Fig. 4 bis 9 dargestellten Verbindungsan ordnungen besteht in der Herstellung einer gekrümmten Bahn zwischen der korrodierenden Atmosphäre und dem Rohr 11, in welcher zweckmässig ein Metallring einbezogen ist zum Abfangen der korrodierenden Par tikeln.
Fig. 10 zeigt nun eine der Anwendungsformen des Wärmeaustauschers von der vorbeschriebenen Konstruk tion, und zwar anhand einer Gasturbinenkraftanlage 41. Der Kreis 41 stellt eine kohlegefeuerte Anlage dar, bei welcher die Kohle im Brennraum 42 verbrannt wird. Die Verbrennungsprodukte gelangen dann durch einen Wärmeaustauscher 43 zu einem Abgaskessel oder ähn lichen Apparat.
Ein fluides Medium, etwa Luft, gelangt durch einen Kompressor 44 in den Wärmeaustauscher 43, in welchem die Temperatur des Mediums stark an steigt. Vom Wärmeaustauscher 43 wird das Medium durch eine Turbine 45 geführt. Der Auslass der Turbine 45 wird dann dem Brennraum 42 zugeführt. Bei einer solchen Anlage betragen die Abmessungen des Wärme austauscherrohres 11 etwa 12 m und die der Keramik abschnitte 12 30-60 cm.
Es wurde gefunden, dass bei einer solchen Anlage vorteilhaft eine grosse Anzahl Keramikabschnitte Verwendung finden mit einer Stoss verbindung an den Verbindungsstellen, etwa gemäss der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Werden Keramik teile von 91 cm bis 1,52 m verwendet, sollten Stoss verbindungen gemäss Fig. 5, 8 oder 9 verwendet wer den.
Die Austauscherröhrenanordnung kann horizontal verlaufend montiert werden, wobei alle 91 bis 152 cm eine Abstützung erfolgen muss, oder vertikal verlaufend montiert werden, wie in einem herkömmlichen Boiler. Bei der Vertikalmontage müssen aber Massnahmen ge troffen werden, durch welche das Gewicht der Umhül lungsteile im wesentlichen aufgenommen wird, um ein Strecken oder Drücken des Metallrohres am heissen Ende zu vermeiden. Eine solche Anordnung 50 ist in Fig. 11 dargestellt. Gemäss Fig. 11 umfasst die Anord nung eine Heissleitung 51 und eine Kaltleitung 52 sowie eine verbindende Rohranordnung 53, welche der Ver brennungshitze in einem Feuerraum ausgesetzt ist.
Die Austauschluft strömt von der Kaltleitung durch die Rohranordnung zur Heissleitung. Die genannte Rohr anordnung 53 ist, wie anhand der Fig. 1 beschrieben, ausgebildet. An der Rohranordnung 53 ist eine Expan sionsschleife 54 angeschlossen, welche neben dem Ex pansionsausgleich gleichzeitig noch den Zweck erfüllt, das Gewicht der Rohranordnung 53 elastisch aufzuneh men. Die Schleife 54 kann ferner als Vorhitzer Ver wendung finden, wofür Abgase aus dem Verbrennungs raum direkt an die Schleife geführt werden.
Anstelle der Expansionsschleife kann zur Kompen sation der Expansion und als Tragmittel auch ein Balg 55 gemäss Fig. 12 verwendet werden, welcher am Rohr 52 anschliesst, wobei für eine Ausdehnung das Rohr 11 in Gleitverbindung 56 mit dem Rohr 52 steht. Alter nativ hierzu kann aber auch gemäss Fig. 13 anstelle des Balges eine Feder 58 verwendet werden, wobei sich das Rohr 11 über eine Packung 57 in das Kaltrohr 52 erstreckt.
Anordnungen gemäss den Fig. 12 und 13 erfordern bei grösserer Länge eine Verspannung zwischen den ein zelnen Rohren wie Klemmen und dergleichen, um ihr Ausbiegen zu vermeiden. Die Fig. 14 zeigt Massnahmen hierfür bei einer Anordnung von mehreren parallel ver laufenden Rohren 60 und 61 usw. Die einzelnen Kera- mikumhüllungsteile 62, 63, 64 und 65 sind mittels glockenförmig oder hülsenförmig ausgebildeter Verbin dungen, ähnlich der in Fig. 6 beschriebenen Verbin dung, miteinander vereinigt.
Zur Vermeidung von Aus- biegung oder Knickung der parallelen Rohre werden in einandergreifende Ansätze als Verbindung verwendet. Das Glockengehäuse oder die Hülse 66 des Rohres 62 hat z. B. seitlich herausragende Ansätze 67 und 68, welche je einen konkaven Einschnitt 71 zur Aufnahme des benachbarten Rohres 64 bilden. Der Hülsenteil 6.9 des Keramikrohres 64 ist bei 70 hinterschnitten zur Aufnahme des Ansatzes 68. Dieses Ineinandergreifen der einzelnen Teile, welches. auch als Verriegelung be zeichnet wird, ist in der Fig. 15 besser gezeigt.
Diese Figur stellt einen Querschnitt entsprechend den Schnitt- linien 15 der Fig. 14 dar. Die Ansätze 68, 68' zeigen diesen konkaven Einschnitt 71. Die Hülse 69 des Kera mikrohres 64 ist ebenfalls hinterschnitten und weist die beiden seitlich herausragenden Ansätze 72, 73 auf. Wie dargestellt, sind diese beiden Ansätze 72, 73 in einer Linie angeordnet; welche zu der Richtung um 45' ver schoben ist, in welcher die anderen Ansätze 67, 67', 68, 68' angeordnet sind.
Es wurden in Versuchen Rohranordnungen der vor beschriebenen Art mit einer Länge von 60 bis 122 cm unter Druck in einem elektrischen Ofen erhitzt. Hierbei wurden Inconel-Metallrohre von 41,3 bis 62,5 mm Durchmesser und tongebundene Silikonkarbid-Mantel- rohrabschnitte verwendet. Der Druck betrug für die grösseren Rohre 3,15 kg/em2 und für die kleineren Rohre 5,25 kg/cm2. Der Versuch erstreckte sich über 1500 Std. bei einer Temperatur von etwa 1100 C.
Zu sätzlich wurden Rohranordnungen der vorbeschriebenen Art in kohlebefeuerten Öfen bei einem Druck von 7,03 kg/cm2 getestet. An keinem der getesteten Stücke konnten nachfolgend Korrosionserscheinungen festgestellt werden.
Bei einem anderen Versuch mit gleichen Rohran ordnungen wurde bei einer Temperatur von 1150 C Luft mit atmosphärischem Druck und einer Temperatur von 27 C von 19,76 m pro Sekunde durchgeblasen. Die Temperatur des Metallrohres wurde dort mit 1050 C gemessen und die austretende Luft mit 138 C bei einer Länge von 914 mm.
Es wurde ferner festgestellt, dass zwischen Innen- und Aussenrohren keine chemische Reaktion stattfindet. Wärmeaustauscher der vorstehend ausführlich be schriebenen Art können für alle erdenklichen Anlagen der Industrie verwendet werden. Insbesondere lässt sich ein solcher Wärmeaustauscher in Maschinen verwenden, deren Arbeitsmedium ein Metalldampf, wie Quecksilber, Zäsium, Zink usw. ist, wo die Korrosion bisher ein besonderes Problem darstellte. Weitere Anwendungsge biete sind beispielsweise die bereits genannten Gastur binen, Generatoren, Dampferhitzer oder aber Erhitzer für Chemikalien.
Als Material für das innere Rohr können ferner auch andere als die vorgenannten Verwendung finden, etwa Quarz oder Siliziumglas, welche bei entsprechen der Abstützung noch höhere Temperaturen erlauben als Metall. Bei der Verwendung von reduzierenden Gasen wie Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen ist es erstre benswert, das Innenrohr aus doppeltem Metall herzustel len. Das sogenannte Innenrohr besteht aus einem Me tall, welches von der reduzierenden Atmosphäre nicht angegriffen wird. Das sogenannte äussere Rohr besteht aus einem weiteren Metall, welches von der oxydieren den Atmosphäre nicht angegriffen wird. Beide werden von einem Hartmetallmantelumhüllt.
Heat exchanger The present invention relates to a heat exchanger for heat sources with temperatures above 650 C.
The need for such heat exchangers, which are able to withstand very high temperatures and pressures, increases with the demand for increased utilization of heat engines. But it was precisely the high temperatures and pressures that could not be mastered with conventional heat exchangers.
The invention represents a significant improvement and is characterized by the combination of the following features: a) a metal tube through which a medium flows; b) a plurality of elongated sheathing members made of ceramic material for protecting the tube from the heat source;
c) the pipe and the casing parts have different coefficients of thermal expansion, the pipe with the higher coefficient of thermal expansion being arranged within the casing parts with the lower coefficient of thermal expansion and, when cold, there is a gap between the pipe and the casing parts so that the Operating temperature, the pipe rests closely against the envelope parts.
For example, embodiments of the subject invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. 1 shows a cross section through a heat exchanger section, FIG. 2 shows the section according to FIG. 1 at operating temperature, FIG. 3 shows the section according to FIG. 1 in the cold state, FIG. 4 shows a cross section through an embodiment variant of a Heat exchanger section, Fig. 5 is a cross section through a further implementation variant of a heat exchanger section,
Fig. 6 shows a cross section through a further embodiment of a heat exchanger section, Fig. 7 shows a cross section through a further embodiment of a heat exchanger section, Fig. 8 shows a cross section through another embodiment of a heat exchanger section, Fig. 9 shows a cross section through a further embodiment of a Heat exchanger section,
10 shows a schematic representation of a gas turbine as an object of application for a heat exchanger, FIG. 11 shows a vertical arrangement of a heat exchanger, FIG. 12 shows a variant of the exchanger according to FIG. 11, FIG. 13 shows a variant of the exchanger according to FIG. 12 ,
14 shows a further detail of a heat exchanger and FIG. 15 shows a section through the exchanger along the section line 15-15 in FIG.
For a better understanding of the problems to be solved with the object of the invention, an application area that consists of the com bination of a gas turbine with an exhaust steam turbine in a power plant was first discussed.
Such a gas turbine is a particularly desirable upstream machine because it has proven to be particularly effective. An obstacle to the use indicated above is the problem of firing the turbine with coal or with residual fuel oil. In the case of coal firing, the problem consists in avoiding damage to the turbine wheel and similar parts as a result of erosion or deposition of molten ash, which contains alkali sulfates and some vanadium oxide. In the case of oil firing, however, complex residues containing vanadium cause severe corrosion at high temperatures.
One solution to these problems is the use of heat exchangers - the radiation type for transferring heat from the atmospheric pressure flame of the coal or oil combustion into the pressurized air, which is used in the gas turbine. The heat exchanger can serve as a heat source for a heating process or as an exhaust gas heat exchanger. The use of a heat exchanger also allows the advantageous construction of a gas turbine with closed circulation.
In such a heat exchanger, an output temperature of about 850 C is required for adaptation to conventional turbines and should be 1000 C or higher. Conventional exchangers made of stainless steel are limited to temperatures around 650 C. Only the so-called superalloys, with large proportions of critical components such as cobalt and niobium, can withstand creep at such high temperatures. Such materials are not economical for heat exchangers. Since the size of the exchanger has to be kept small because of the costs, the temperature difference between the wall and the air must be very large.
Wall temperatures of 1100 C to 1250 C are therefore desirable. With regard to the resistance at such high temperatures, only particularly refractory materials such as aluminum oxide, magnesium oxide, mullite and silicon carbide, which are porous and very heavy, come into question as an economic mate rial which does not creep and which resists oxidation are to be processed.
These problems are intended to solve the embodiments of a heat exchanger to be described below.
According to FIG. 1, 10 denotes a channel section of a heat exchanger, which arrangement comprises a tubular housing 11 made, for example, of stainless steel or of Inconel alloy. Concentrically around the tube 11, one or more envelope parts 12, 12 'are arranged, for which ceramic material, such as the most varied forms of silicon carbides, such as clay-bound, nitrite-bound or self-binding silicon carbides, is used.
The sheath part 12 is used for strength even at high temperatures in order to prevent the inner tube 11 from being torn due to creep fractures. The inner tube 11 serves as a tight guide tube, which can easily be connected to conventional line systems. The described arrangement makes use of the complementary properties of metal and ceramics, in that metal is easily machinable and weldable in a leak-tight manner, but relatively weak at high temperatures, ceramics, but difficult to machine and difficult to keep tight, but is very resistant to heat.
Another advantage of this combination of an inner metal tube with an outer ceramic container is the ability to use different metals under conditions that would otherwise lead to creep cracks without support. The combination described serves the purpose of supporting the metal tube 11 against internal pressure by using the ceramic envelope 12 and protecting it from the combustion products. In addition, the wall thickness of the tube 11 can be reduced compared to that necessary without using the ceramic coating.
In a preferred embodiment, an Inconel metal alloy is used for the tube 11 and silicon carbide is used for the housing 12. Inconel metal is an alloy of 77% nickel, 15% chromium, 7% iron and a small amount of copper, zinc, manganese and carbon. Inconel metal has a short-term elongation strength of about 773 kg / cm2 and an elongation of 67% at 1100 C. This metal can be used in a non-sulphidized atmosphere at temperatures from 1100 to 1250 C.
Other suitable alloys are nickel-chromium alloys with 80% nickel and 20% chromium, 310-stainless steel with <B> 25% </B> nickel, 20% chromium and 55% iron and 446-stainless steel with 27% chromium and 63% iron. The wall thickness of the tube 11 can be approximately 1.6 mm. In this preferred embodiment, a clay-bonded silicon carbide with a wall thickness of approximately 12.7 mm was used for the housing 12.
In order to achieve an interaction of the tube 11 with the ceramic tube 12, a certain relationship must be established between their temperature expansion characteristics. The expansion coefficient of the ceramic is 2.6-10-6 per 5/9 C and that of the metal used here 8.4-10-6 per 5/9 C. This results in the need for a radial gap between the two parts 11 and 12. The gap is dependent on the different coefficients and must be large enough that the expanding metal does not burst the ceramic envelope, but only rests against it.
The shell 12 thus supports the tube 11 at the operating temperatures, the tube 11 contracting when it cools down without permanent deformation occurring. At peak temperatures around 1100 C, the relative expansion of the metal tube is 1.2% of the radius of the latter, which is a measure of the minimum distance between parts 11 and 12.
Regardless of whether the housing is made of metal and the covering parts are made of ceramic material or whether it is the other way round, the housing must in any case have a higher coefficient of thermal expansion than the covering part. In this way, the result is that the space between the casing parts and the inner housing is no longer present when the operating temperatures are reached. This results in a very close and, above all, even contact between the housing and the covering parts.
So they form a solid unit, the properties of both materia lien complement each other in an advantageous manner, in that one material is responsible for the leak tightness and the other material is responsible for the strength of the entire unit.
As already indicated above, applications are also conceivable in which the greater pressure of the fluid medium acts from the outside on the pipe arrangement of the exchanger. In such a case, the inner tube made of ceramic (magnesite with a thermal expansion coefficient of <B> 7.2- </B> 10-6 at 22 to 1000 C) and the outer tube made of ferritic stainless steel (type 446-rust- free steel) with a coefficient of thermal expansion of 6.6 .10 -6 at 22 to 650 C.
The sheathing parts 12, which in the following for the sake of simplicity are referred to as ceramic housing, are cast with a corresponding internal axial taper in order to be able to easily remove the cast core. This taper can be about 1.6 mm in terms of diameter for a length of about 762 mm. For this purpose, the maximum clearance at the furthest end of the taper should not exceed 2.5% in order to avoid excessive stretching of the metal. This brings a minimum gap of about 8 mm and, as an example, a taper of 8 mm per 0.3 m for a 63 mm bore.
In view of the difficult conditions at high operating temperatures and the limited length of the silicon carbide tubes, a connection point must be created between the individual tube sections in such a way that the encased metal tube is adequately protected and the inner and outer tubes have the opportunity to expand axially . At the same time, the connection point should avoid excessive wear and tear on the metal tube.
According to Fig. 1, a butt joint 13 is provided between the individual ceramic tube sections 12, 12 ', etc., the sections continuously on one another. Now that the metal tube 11 has a greater expansion than the individual ceramic tube sections, a gap will appear between the sections at operating temperature. This gap should be kept as narrow as possible, so that the thin wall of the tube 11 bridges the gap with moderate tension.
It was found that the gap mentioned is approximately 3.9 mm for a section length of 30 cm. Wall parts of the pipe 11 bridge the individual gaps with an internal pressure of about 20.5 kg / cm2.
The use of a large number of ceramic tube pieces 12 makes the need for a complicated connection between the individual pieces unnecessary and reduces the axial seizure. Here it must be prevented that the sections slide on the pipe 11 in order to achieve uniform gaps at all connection points. Inadmissible stomata, in particular gaps that are too wide, would prevent a sufficiently fe most bridging by the pipe 11. In practice, the evenness of the gaps is ensured by the advantage of the inner tapering of the pieces 12, 12 ′ in cooperation with the tube 11.
During operation, at a high temperature, the arrangement according to FIG. 1 will now change into an arrangement according to FIG. 2, with a gap 14 appearing in that the metal tube 11 has expanded accordingly. As can be seen, the tube 11 assumes a shape corresponding to the tapering of the relevant section 12 from, with a GE curved section 15 bridging the gap. After cooling, the arrangement then assumes a shape as shown in FIG. As can be seen, the tube 11 maintains the deformation caused by the heat, which prevents mutual displacement.
Of course, other connec tions between the individual pieces 12, 12 ', etc. are also conceivable, as will be explained in more detail below with reference to some forms of execution.
According to FIG. 4, a connecting arrangement 16 is provided between adjacent ceramic tube pieces 12 and 12 ', in which a butt joint 17 is surrounded by a thin metal cylinder 18. This metal cylinder is made of the same material as the tube 11 and is intended to prevent combustion residues from penetrating the butt joint and to neutralize the corrosive particles in the gases. The tall cylinder 18 is also surrounded by a cylinder 19 made of the same material as the pieces 12. A gap is provided between the two cylinders.
Where the axial gap between adjacent ceramic pieces can be large or where the part of the Me tallrohres that bridges the gap is to be additionally supported, a connection arrangement 20 according to FIG. 5 can be provided. Here the element 18 'has an inner annular shoulder so that a T-shaped cross-sectional shape results for the cylinder. The web divides the gap into two sub-gaps.
As Fig. 6 illustrates in more detail, the ring 19 surrounding the cylinder 18 can also be formed as part of the ceramic tube piece. As the Ausfüh approximate shape shows, there is at one end of a ceramic piece 22 a lip 23 which overlaps the end of the adjacent ceramic piece 22 '. The metal ring 18 is located between the two overlapping ends.
In the connection arrangement 24 according to FIG. 7, the two adjacent ceramic pieces 25 and 25 'are stepped off, the lips 26 and 27 overlapping each other at a radial distance such that the metal ring 18 still has space between them.
In the connection arrangement 28 of two ceramic tube pieces 29 and 30 according to FIG. 8, the ceramic piece 29 has a step 31 and the ceramic part has a step 31 ', in such a way that a cylindrical chamber 32 is delimited by both parts, which is used to receive a ceramic ring 33 and the concentric to the latter arranged ring 18 is used. The gap 34 bridged by the bodies 33 and 18 is here again divided into two smaller partial gaps.
An alternative solution for strengthening the wall in the area of the gap is shown in FIG. 9. The connection arrangement 35 between two ceramic parts 36 and 36 'is produced by a lip 37 which is molded onto part 36' and which allows part 36 to slide or overlaps with a distance 38 for the insertion of the cylinder 18. Furthermore, a short metal or ceramic cylinder 39, which is cambered on its inside, is located between tube 11 and tube 36 to bridge the joint 40. In operation, as described, the pipe 11 will expand and deform from its position shown in the dashed line position 11 '.
The depression in the tube 11 in the area of the ring 39 can also be pre-formed by whirling or die work. In this case, the ring 39 can be divided into two parts, which is then held in place by the recess and the overlying sections 36 and 36 '. The purpose of the ring 39 is to bridge the butt joint while reinforcing the pipe wall at this point. This construction can be used if the ceramic sections are longer, which gives larger gaps, or if there is greater pressure than in the embodiments according to FIGS. 1 to 6.
The principle of all the connection arrangements shown in Fig. 4 to 9 consists in the production of a curved path between the corrosive atmosphere and the pipe 11, in which a metal ring is expediently included to intercept the corrosive particles.
Fig. 10 now shows one of the forms of application of the heat exchanger of the construction described above, based on a gas turbine power plant 41. The circle 41 represents a coal-fired system in which the coal in the combustion chamber 42 is burned. The combustion products then pass through a heat exchanger 43 to an exhaust gas boiler or similar apparatus.
A fluid medium, such as air, passes through a compressor 44 into the heat exchanger 43, in which the temperature of the medium rises sharply. The medium is passed from the heat exchanger 43 through a turbine 45. The outlet of the turbine 45 is then fed to the combustion chamber 42. In such a system, the dimensions of the heat exchanger tube 11 are about 12 m and the ceramic sections 12 30-60 cm.
It has been found that in such a system, a large number of ceramic sections are advantageously used with a butt joint at the connection points, for example according to the embodiment shown in FIG. If ceramic parts from 91 cm to 1.52 m are used, butt joints according to Fig. 5, 8 or 9 should be used.
The exchanger tube arrangement can be installed running horizontally, with a support every 91 to 152 cm, or installed running vertically, as in a conventional boiler. In the vertical installation, however, measures must be taken ge by which the weight of the Umhül treatment parts is essentially absorbed in order to avoid stretching or pressing the metal tube at the hot end. Such an arrangement 50 is shown in FIG. According to FIG. 11, the arrangement comprises a hot line 51 and a cold line 52 as well as a connecting pipe arrangement 53 which is exposed to the combustion heat in a furnace.
The exchange air flows from the cold pipe through the pipe arrangement to the hot pipe. Said pipe arrangement 53 is, as described with reference to FIG. 1, formed. On the pipe assembly 53 an expansion loop 54 is connected, which in addition to the expansion compensation at the same time still fulfills the purpose of the weight of the pipe assembly 53 elastically aufzuneh men. The loop 54 can also be used as a preheater, for which exhaust gases from the combustion chamber are fed directly to the loop.
Instead of the expansion loop, a bellows 55 according to FIG. 12 can also be used to compensate for the expansion and as a support means, which is attached to the pipe 52, the pipe 11 being in a sliding connection 56 with the pipe 52 for expansion. Alternatively, according to FIG. 13, a spring 58 can also be used instead of the bellows, the tube 11 extending over a packing 57 into the cold tube 52.
Arrangements according to FIGS. 12 and 13 require a bracing between the individual tubes such as clamps and the like in the case of greater length in order to avoid their bending. 14 shows measures for this with an arrangement of several parallel pipes 60 and 61 etc. The individual ceramic envelope parts 62, 63, 64 and 65 are made by means of bell-shaped or sleeve-shaped connections, similar to the connection described in FIG dung, united with one another.
In order to avoid bending or kinking the parallel pipes, interlocking approaches are used as a connection. The bell housing or the sleeve 66 of the tube 62 has, for. B. laterally protruding lugs 67 and 68, which each form a concave incision 71 for receiving the adjacent tube 64. The sleeve part 6.9 of the ceramic tube 64 is undercut at 70 to accommodate the projection 68. This interlocking of the individual parts, which. is also referred to as a lock, is better shown in FIG.
This figure shows a cross section corresponding to the cutting lines 15 of FIG. 14. The projections 68, 68 'show this concave incision 71. The sleeve 69 of the ceramic tube 64 is also undercut and has the two projections 72, 73 protruding laterally . As shown, these two lugs 72, 73 are arranged in a line; which is shifted 45 'ver to the direction in which the other lugs 67, 67', 68, 68 'are arranged.
In experiments, pipe arrangements of the type described above with a length of 60 to 122 cm were heated under pressure in an electric furnace. Inconel metal pipes with a diameter of 41.3 to 62.5 mm and clay-bonded silicon carbide jacket pipe sections were used here. The pressure for the larger pipes was 3.15 kg / cm2 and for the smaller pipes 5.25 kg / cm2. The experiment lasted 1500 hours at a temperature of about 1100 C.
In addition, pipe arrangements of the type described above were tested in coal-fired ovens at a pressure of 7.03 kg / cm2. No signs of corrosion could subsequently be found on any of the tested pieces.
In another experiment with the same Rohran arrangements was blown through at a temperature of 1150 C air at atmospheric pressure and a temperature of 27 C of 19.76 m per second. The temperature of the metal pipe was measured there at 1050 C and the exiting air at 138 C with a length of 914 mm.
It was also found that there is no chemical reaction between the inner and outer pipes. Heat exchangers of the type described in detail above can be used for all conceivable systems in the industry. In particular, such a heat exchanger can be used in machines whose working medium is a metal vapor, such as mercury, cesium, zinc, etc., where corrosion has been a particular problem up to now. Other areas of application are, for example, the aforementioned gas turbines, generators, steam heaters or heaters for chemicals.
Materials other than those mentioned above can also be used as the material for the inner tube, for example quartz or silicon glass, which allow even higher temperatures than metal with the corresponding support. When using reducing gases such as hydrogen or hydrocarbons, it is desirable that the inner tube be made of double metal. The so-called inner tube consists of a metal that is not attacked by the reducing atmosphere. The so-called outer tube consists of another metal that is not attacked by the oxidizing atmosphere. Both are encased in a hard metal jacket.