DE853294C

DE853294C - Waermetauscher

Info

Publication number: DE853294C
Application number: DEM7609A
Authority: DE
Inventors: Christian Schoerner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1950-11-23
Filing date: 1950-11-23
Publication date: 1952-10-23

Description

Wärmetauscher Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einenLuftvorwärnter fürGasturbinenanlagen. Für Wärmekraftanlagen hoher thermodynamischer Güte, insbesondere Gasturbinenanlagen, spielt die Ausnutzung der Abwärme des Wärmeträgers und/oder des Arbeitsmittels für die Lieferung mechanischer Energie eine große Rolle. Niit dem Streben nach immer höheren Temperaturen und auch hiiheren Drücken bei den verfahrensmäßigen Verfeinerungen (Zwischenkühlung während Verdichtung und Zwischenüberhitzung @@@ihren@l 1?Yhatisioti) nimmt die Wichtigkeit des Wärmetauscher: stets zu. Trotz Aufteilung auf mehrere Einheiten entstehen je nach Größe von Druck-, Temperatur- und Durchsatz Schwierigkeiten in der festigkeitsmäßigen Beherrschung der Gefäßwände für das Medium hohen Druckes, sofern noch Abmessungen ausgeführt werden sollen, die auch mit Rücksicht auf Vermeidung größerer Zusatzspannungen durch Temperaturunterschiede im stationären Betrieb sowie beim Anfahren und Abstellen zu empfehlen sind. Dies gilt sowohl für den sogenannten offenen Prozeß bei dem das heizende Abgas fast vollkommen entspannt ist, als auch für den geschlossenen Prozeß, bei welchem die Heißluft noch einen nennenswerten Gegendruck aufweist.
Erfindungsgemäß wird die hierbei gestellte Aufgabe in verhältnismäßig einfacher `''eise dadurch gelöst, daß alle Gasräume mit dem hohen Druck innerhalb zweier etwa konzentrischer Zylindern äntel unter Einhaltung einer beschränkten Ringraumtiefe zusammengefaßt sind. Die gewünschte hohe Ausnutzung der Abwärme des entspannten Arbeitsgases verlangt meistens eine Kreuzstromgegenstromführung des einen Mediums in mehreren Zügen der Heizfläche im Verhältnis zum anderen Medium, wobei der Druckabfall namentlich auf der Abgasseite so gering wie möglich sein soll. Unter Berücksichtigung des Volumens von verdichteter Verbrennungsluft und entspanntem Abgas ist es zweckmäßig, die aufzuheizende Luft in den Röhren strömen zu lassen und das Abgas außerhalb derselben quer dazu vorbeizuführen. Die verschiedenen Züge der Rohrbündelheizfläche sind daher quer zur Längserstreckung des Innenzylinders angeordnet, und das Abgas folgt dessen Achse. Der vom Druckgas erfüllte Ringraum wird entsprechend der Anschlußlage der einzelnen Züge durch 'Leitwände, von denen keine besondere Dichtheit verlangt wird, unterteilt, so daß der Druckluft der Weg durch die verschiedenen Teilbündel und die Verbindungsräume in dem erwähnten druckfesten Ringmantel vorgeschrieben ist. Da die einzelnen Teilbündel der Züge mit ihrer etwa quaderförmigen Anordnung nicht den vollen Zylinderlichtquerschnitt ausfüllen, ist zur zwangsweisen Führung der heißen Abgase durch die Bündel die Anordnung von Füllkörpern in den übrigbleibenden Restquerschnitten erforderlich. Diese sind zweckmäßig als hohle Blechformen gebildet und können zur Begehung des Wärmetauscherturmes für die Zwecke der Reinigung (ohne eine Zerlegung desselben in seine Teilelemente) herangezogen werden. Ein weiterer Erfindungsgedanke ist insbesondere für große Abmessungen, die Auflösung des Wärmetauschers in verhältnismäßig einfache Baugruppen von erträglicher Größe und Gewicht, also noch angängigen Abmessungen für Montage und Versand. Diese Unterteilung in gleichartige Elemente ist fertigungsmäßig bequem, erlaubt auch einfachere Ersatzteilhaltung und Teilreparatur, unter Umständen bei Weiterbetreibung des einwandfrei gebliebenen Restes der Heizfläche. Ebenso ist die Verwendung besonders zunderfesten Werkstoffes für den heißeren Teil des Wärmetauschers bei Beaufschlagung mit Abgasen besonders hoher Temperatur ohne besondere Umstände möglich, bzw. die vielleicht nötige Auswechslung dieses Heizflächenteiles nach einer gewissen Betriebszeit leicht zu bewerkstelligen.
Da der Innenzylinder ziemlich unabhängig vom Außenzylinder ist, können die verschiedenen Deformationen der einzelnen Rohrschüsse des Innenzylinders infolge der Querversteifung durch die eingewalzten Rohrbündel sich ohne Schaden auswirken. Unter Umständen ist es zweckmäßig, den unter Außendruck stehenden Innenzylinder nicht kreisförmig auszubilden, sondern ihm einen elliptischen Umriß zu geben. Ein solcher gespannter Ring mit der Einwalz- und Stützfront des Rohrbündels an der Seite der großen Wandkrümmungen ergibt eine bessere Elastizität für die höhere Wärmedehnung des voltbeheizten Rohrbündels; außerdem wird das Einwalzfeld ebener, das Ansetzen der Rohrenden auch bei enger Teilung günstiger und die Verhältnisse für eine sichere Einwalzunh besser. Da es in der Herstellung bei großen Rohrzahlen und Einwalzstellen beachtliche Vorteile bringt, -kann ,man so weit gehen, ebene Stücke des Zylindermantels für das Einwalzfeld vorzusehen. Diese Rohrplatten der einzelnen Züge können dann zusammen gebohrt werden, bevor sie in die Zylinderwand eingeschweißt werden. Die ringförmige Druckbelastung läßt ohne besonders große Wandstärken auch eine solche Rohrschußform zu, die aus zwei ebenen Stücken und verbindenden Halbbogen besteht, weil der Rohrbündelverband das Innenrohr entsprechend aussteift. Man kann bei Bedarf durch eine entsprechende Verbindung der obenerwähnten Füllstücke an dieser gekrümmten Innenzylinderseite eine weitere Verfestigung des Innenzylinders erzielen.
Trotz der Außenisolierung des Wärmetauschers wird sich der gesamte Außenrohr schuß vielleicht doch in der Achsrichtung etwas anders dehnen als der Innenzylinder, der immerhin noch teilweise (in den Rohrgassen an den Einwalzseiten) vom heißen Abgas bespült wird. Man kann aber durch besondere Abdeckungen dieser Einwalzbereiche im Anschluß an die Füllkörper auch diese Beheizung der Rohrwand noch weitgehend eindämmen. Da der Innen- und Außenschuß des eigentlichen Druckgefäßes an einem Ende, z. B. bei senkrechter Anordnung am Fun,da@mentring, festgehalten wird, sind am oberen freien Ringraumende die noch auftretenden größeren axialen Verschiebungen der Stirnfläche gegeneinander durch eine elastische druckfeste Abdeckung (dünnwandiger Wulstring) aufzunehmen; bei dem geringen radialen Abstand der Ringraumflansche können die Spannungen in solchen elastischen Abdeckungen infolge des Innendruckes noch mit dünnwandigem Material beherrscht werden, welches auch eine gegenseitige Verschiebung ohne unzulässige Zwangskräfte erlaiibt. Es ist zweckmäßig, an diesem freien Ende den Anschluß des Außenzylinders an den Innenzylinder auf möglichst kleinen Durchmesser durchzuführen, die Ouerschnittseinziehung des tnittigen Abgasschachtes ist hierfür sehr geeignet.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungcbeispiele eines Wärmetauschers nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen teilweisem Länsgschnitt durch einen Wärmetauscher nach der Linie I-1 in Fig. 3, Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach -der Linie II-II in Fig. 3, Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 111-11I in Fig. i, Fig. q. einen Querschnitt einer abgewandelten Ausführung der Begrenzungswände des Abgaskanals, Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Teilstückes des Innenzylinders, das einem Querzug entspricht, Fig. 6 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Wärmetauschers mit einer Dehnungsabdekkung des freien Endes des Druckraumes ttnd

Fig. 7 einen Längsschnitt durch den oberen Teil

des W:irnietatischers mit einer abgewandelten

Dehntiri-salrdeckun@; des freien Endes des Druck-

raumes.

Der Mirnietatischer gemäß der Fig. i bis 3 be-

sitzt sechs Züge. die beispielsweise übereinander

angeordnet sind. Innerhalb jedes dieser Teilrohr-

bündel ja bis it, welches den zugehörigen Zylinder-

rohrschuß 2a bis 2f quer durchkreuzt, nimmt die

verdichtete Verbrennungsluft, in den Rohren strö-

mend, immer mehr Wärme vom Abgas auf, wobei

die Schaltung einer Kombination von Kreuz- und

Gegenstrom für die Wärmeaufnahme entspricht.

Die @lrnlenkulrg der Luft zum nachfolgenden Rohr-

bündelzug darüber erfolgt in einem druckfesten

Ringraum. der nach innen durch die Innenzylinder-

scliüsse 2a bis 21 und nach außen durch passend

unterteilte Außenzylinder 3a, 3b gebildet wird. Letz-

tere entlialtcii auch die Stutzen :4 und 5 für die

Zufiihrtnig bzw. Allleitung der aufzuheizenden Ver-

brennungshift und werden zweckmäßig außen iso-

liert. Um der Luft den Weg von Zug zu Zug vorzu-

schreillen, ist der Ringraum, der mit geringem

Aufwand sehr druckfest gestaltet werden kann,

durch entslli-ecliencle Leitwände unterteilt. Als Leit-

wäticledienen die Leitkrempe6 (Kreisringausschnitt)

und daran anschließende Mantelstreifen 7a, 7b. Die

Innenzylinderteilscbiisse hallen Ringflansche 8 an

den Stirnenden zur druckdichten Verbindung

untereinander, in die auch die einzelnen Leitkrem-

pen 6 einbezogen werden können und an welche bei

Bedarf auch Zargen zur besseren Abdichtung der

Mantelstreifen eines Schusses zum Ftatisch des

achllarschtisses angehracht werden können.

Da der zylindrische Innenraum vom Rohrbündel

der einzelnen Züge nicht vollständig ausgefüllt ist,

sind zur z@@angsweisen l`ührung der heizenden Ab-

gase durch die Rohrgassen Füllkörper g angeordnet,

die durchlaufend für die ganze axiale Erstreckung

des Wärmetauschers ausgebildet sind. Sie können

aber auch eine ähnliche Unterteilung aufweisen,

wie die cinzclrteri lniwilzylinderschüsse. Der axiale

Abschluß des Druckritigraumes geschieht einerseits

durch die feste Verankerung der Innen- und Außen-

zylinder am Fundamentring to, andererseits durch

eine Ririg@,# ul@:thappe i i am frei beweglichen Ende.

Damit letztere auch bt-i hohen Drücken günstige

Gestaltungsformen durch geringe zu überbrückende

Spannweiten erhalten kann, ist ein Zusammen-

rücken der olleren Binder der Innen- und Außen-

begrenzttug des I.)rticlcringraumes ohne weiteres

möglich. Der Gesamtauflnau ist durchaus geeignet,

den 1>lechsrlulrustein 12 zum Abzug der Abgase

unmittelbar zu tragen.

Uni ztl crrl'iehen, elaß die axiale

voll Iliuen- lull _\ußenzvlinder des Ritigraunies am

olleren Verschlußende möglichst gleich werden, ist

anzustreben, daß beide Bauteile weitgehend nur

vom gleich liciOien Medium bespült werden. Durch

die Fiillkiii-Inr 9 wird dies auf einem großen Teil

des Unifanges bereits erreicht. Eine zusätzliche

Maßnahme ist in Fig. 4 als konstruktive Variante

dargestellt. Sie besteht in einer :1beleckung der Ein-

walzebene an den Enden jedes einzelnen Teilrohrbundes in Form einer Blechlamellenwand 13 innerhalb der Rohrgassen.

Der Gedanke der Auflösung des Innenzylinders in gleiche Baugruppen ist in Fig. 5 durch eine perspektivische Darstellung eines Innenrohrschusses mit seinem eingewalzten Teilrohrbündel veranschaulicht. Zum Zwecke der Fertigungsvereinfachung ist der Einwalzbereich eben ausgebildet (A1, B1 bzw. A" B2) ; der Umfangszusammenhang wird durch bogenförmige Stücke Cl, C2 geschlossen, . innerhalb welcher die Teilfüllstücke 9 angeordnet sind. Die Steifigkeit der Innenrohrschüsse wird erhöht durch eine mehr oder minder feste Verbindung mit den eingesetzten Füllstücken 9. Auch die Flansche 8 an den Stirnseiten des Rohrschlusses sowie die damit verbundenen Leitkrempen 6 und Mantelstreifen 7a, 7b machen den Innenzylinder drucksteifer.
In der Fig.6 ist eine besonders elastische Ausbildung der Wulstringabdeckung am freien Ende des Druckringraumes dargestellt, für den Fall, daß Dehnungsunterschiede doch nicht ganz vermeidbar sind. Die Flanschringe 15 und 16 auf Innen- und Außenzylinder sind als kegelige Ringe ausgebildet, die einander zustreben und die konstruktive Ausbildung einer elastischen Abdeckung erleichtern. Für das Ende des Innenzylinders muß gegebenenfalls sowieso ein Übergang von seinem nicht runden Profil im Bereich der Züge vorgesehen werden und kann mit diesem kegeligen Ringende vereinigt werden. Über die kegeligen Endflächen I5 -und 16 ist ein Wulstring 17 aus dünnem Blech gezogen und über entsprechend gestaltetete Andrückflansche 18 und i9 druckdicht gemacht. Bei genügend enger Zusammenführung der Enden von Innen- und Außenzylinder ist die dünnwandige Gestaltung des Wulstringes 17 ohne weiteres möglich. Die Schwierigkeiten werden jedoch kleiner, wenn man, wie in Fig.7, die druckfesten Außen-und Innenzylinder 2f und 3b auf wesentlich kleinere Durchmesser, etwa entsprechend dem erforderlichen Querschnitt des Kamins 12, zusammenzieht und für diese Verhältnisse einen Faltenbalg 20 oder eine sonst leicht verformbare Ringwulstschale verwendet.
Bei durchlaufender Ausbildung der Füllkörper 9 und ausreichenden Abmessungen derselben kann man diese als Steigschächte zur Begehung, Besichtigung und Reinigung der Außenoberfläche der Rohrbündel benutzen. Mannlöcher im Außenmantel zur Überwachung der Einwalzfelder sind ebenfalls gut unterzubringen, wenn auch für eine Generalüberholung ein Abbau der Außenzylinder zweckmäßig sein dürfte. Für die Reinigung ist ferner vorteilhaft. die Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohrbündelzügen reichlich zu bemessen und sie durch entsprechende Deckel am Innen- und Außenzvlinder zu erschließen.
Infolge der Stützwirkung des Rohrbündels auf die Druckfestigkeit des Innenmantels kann der verfügbare Innenrahm des Wärmetauschers auch die Form eitles Vielecks haben, welches weitgehend von Rohrsträngen, geraden und abgewinkelten, durchsetzt ist unter Zurückdrängung der Blindquerschnitte für die obenerwähnten Füllkörper. So entstehen bei gegebenem Abgasquerschnitt, d. h. einzuhaltendem, mäßigen Druckabfall für die Außenabmessungen derDrudkcörper, Möglichkeiten zu einer weiteren Verkleinerung.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmetauscher zur Übertragung der Abwärme entspannter Abgase an ein anderes unter Druck stehendes Gas, insbesondere die Verbrennungsluft von Gasturbinenanlagen, gekennzeichnet durch zwei koaxial angeordnete Zylinder, von denen der innere in Axialrichtung vom Heizgas durchströmt wird, während das aufzuheizende Druckgas durch mehrere hintereinandergeschaltete Rohrbündel strömt, die den Innenzylinder quer zu seiner Achse durchsetzen und die Umlenkung des Druckgases von dem einen Rohrbündel zum nächsten innerhalb des Ringraumes zwischen den beiden Zylindern erfolgt.
2. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Ringraumes zwischen den beiden Zylindern Leitwände angeordnet sind, die zur Führung des Druckgases von einem Rohrbündel zum anderen dienen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenzylinder entsprechend der Zahl der Heizrohrbündel unterteilt ist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwände innerhalb des Ringraumes mit den Flanschen der Innenzylinderteile verbunden sind.
5. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Rohrbün@delfeld nicht belegte Teil des Lichtquerschnittes des Innenzylinders durch Füllkörper ausgefüllt ist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper in ihrer Höhe dem gesamten Ringraum zwischen dem Zylinder entsprechen.
7. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper entsprechend der Unterteilung des Innenzylinders unterteilt sind. B. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenzylinder im Bereich der Ansatzstellen der Heizrohrbündel elliptischen Querschnitt bzw. gegenüberliegende gerade Stücke im Umriß aufweist, wobei die Stellen großer bzw. unendlicher Krümmung das Einwalzfeld des Rohrbündels bilden. g. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenzylinder ebenfalls unterteilt ist. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 244551.