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Rotierender Wärmeaustauscher
Gegenstand der Erfindung sind rotierende Wärmeaustauscher in der Rohrgruppenbauweise.
Das Neuartige der Erfindung besteht darin, dass auf einem vierkantigen oder schulterartigen Ring kleeblattartig gewundene Rohre eingegossen oder eingeschweisst sind, die entweder mit Ringrippen oder mit spiralförmig gewundenen Rohren versteift sind.
Es sind an sich verschiedene Ausführungen von rotierenden Wärmeaustauschern bekannt. So z. B. sind radial auf einem Ring U-förmig gebogene Rohre mit ungleich langen U-Schenkeln angeordnet. Bei dieser
Ausführungsform sind sehr grosse Wärmeübergangszahlen erzielt worden. Nachteilig ist die begrenzte Grösse der Heizfläche. Ausserdem können nur verhältnismässig kleine Dampfdrücke erreicht werden. Ge- mäss dem Erfindungsgegenstand können diese Wärmeaustauscher in grosser Zahl auf einer Welle bzw. Rohrwelle in Serie oder parallelgeschaltet werden. Auch die Wahl eines grossen Durchmessers ist leichter möglich als bei der Ausführung mit ungleich langen U-Rohrschenkeln. Dadurch kann die Heizfläche sehr gross gewählt werden und ein sehr grosser Heizgasdurchströmquerschnitt ist konstruktiv möglich.
Das Anordnen von einer grösseren Zahl von Rohrgruppen bedingt eine besondere Ausbildung der Grenzelemente. Der Erfindungsgegenstand beinhaltet auch diese besondere Ausbildung.
Der Erfindungsgegenstand ist in den Fig. 1 - 9 dargestellt. Die Fig. 1 und 2 stellen erfindungsgemässe Wärmeaustauscher im Schnitt dar. Fig. 3 zeigt die Seitenansicht der Rohrgruppen. Fig. 4 stellt die Draufsicht einer Rohrgruppe dar. Fig. 5 zeigt die Seitenansicht einer Rohrgruppe in der Einrohrausbildung. Fig.
6 stellt eine besondere Ausbildung der U-förmigen Rohrschenkel dar. In den Fig. 7 und 8 sind Ausführungsbeispiele der Grenzrohrgruppen dargestellt. Fig. 9 stellt ein'Anwendungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dar.
In den Fig. 1, 2, 3,4 und 5 stellt 1 einen schulterartigen Ring dar. 2 ist ein kleeblattartig gewundenes Rohr, das um die Zapfen 4 gewunden ist und an diese bei 5 eingeschweisst ist. Das Rohr kann aus einem einzigen Stück gewunden und mit einer Eintrittsstelle 3 und einer Austrittsstelle 3a versehen sein. Die Kleeblattform kann aber auch aus mehreren Teilstücken bestehen. So ist z. B. aus Fig. 3 ersichtlich, dass ein Teilstück von 3 bis 3a sich erstreckt und an zwei Zapfen 4a und 4b des schulterartigen Ringes 1 eingeschweisst ist. Der so entstehende Wärmeaustauscher kann nun beiderseits mit ringförmigen Rippen 6 versteift werden (nur in Fig. 1 gezeichnet). Diese Rippen 6 dienen gleichzeitig zur Vergrösserung der Heizflächen. Die Anbringung von Ringrippen an U-förmig gebogene Rohre ist an sich bekannt.
An Stelle der Rippen können erfindungsgemäss jedoch auch spiralförmig gewundene Rohre 7 angeordnet werden. In den Fig. 2 und 3 sind beispielsweise vier Spiralrohre 7 angeordnet, die bei 7a (Hinterseite der Rohrgrup- pe, strichliert gezeichnet) beginnen, dann spiralförmig zur Achsmitte geführt sind, in 7c den Ringkörper von der Hinterseite zur Vorderseite kreuzen (an dieser Stelle ausserdem eingeschweisst sind) und dann auf der Vorderseite der Rohrgruppe spiralförmig von innen nach aussen im entgegengesetzten Windungssinn verlaufen. Das Ende des Rohres ist mit 7b bezeichnet. Das kleeblattartige Mittelrohr wird von allen spi- ralförmig verlaufenden Rohren an vielen Stellen gekreuzt.
An. diesen Kreuzungsstellen sind die Rohre miteinander verschweisst (direkt Rohr an Rohr liegend oder mittels eines Entfernungssteges, Rohr von Rohr etwas getrennt), wodurch ein sehr stabiler und massiver Rohrkörper entsteht, der auch sehr grosse Umfangsgeschwindigkeiten aushält. Zwecks einfacherer Herstellung können sowohl die kleeblattartig wie auch spiralförmig gewundenen Rohre aus Halbbögen 8,9 und einzelnen gewundenen Rohrstücken hergestellt werden. Die Halbbögen sind abwechselnd senkrecht (z. B. Halbbogen 8) bzw. parallel (z. B. Halbbogen 9) zur Längsachse des Ringkörpers in diesen eingeschweisst. An diese Halbbögen 8,9 werden dann die ge-
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raden Rohrstücke eingeschweisst. Durch diese Konstruktion erübrigt sich das Herausfräsen der Zapfen 4.
Die Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 bestehen nur aus Rohren ohne Rippen, die im Inneren die zu verdampfende Flüssigkeit führen. Diese Wärmeaustauscher können daher im direkten Feuerstrahl lie- gen, ohne zu verbrennen. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die kleeblattartig gewundenen Rohre 2a nicht nur senkrecht zur Längsachse angeordnet, sondern auch einen Winkel CI : mit der Längsachse einschliessen können. Die versteifenden, spiralförmig gewundenenRohre 7x und 7y schliessen den gleichen Winkelet ein, so dass der Rohrkörper eine kegelstumpfförmige Form annimmt. Der Vorteil dieser Ausbildung ist der, dass sich an die Rohre keine Flugasche ansetzen kann, da diese infolge derFliehkraftwirkung weggeschleu- dert wird.
In Fig. 4 ist die Anordnung von turbinenartigen Laufradschaufeln dargestellt. Mit 10 sind die Turbi- nenschaufeln bezeichnet. Diese Schaufeln sind rings um die Rohre 2 angeordnet. Im Gasturbinenbau zur
Erzeugung von sekundärer Warmluft können solche Rohrkörper verwendet werden. Die in den letzten Stufen einer Gasturbine noch auftretende Wärmeenergie kann somit durch die Laufradschaufeln 10 noch zu- rückgewonnen werden.
Fig. 5 zeigt die Ausbildung einer Rohrgruppe gemäss Fig. 2, die in drei nebeneinander angeordneten Rohrebenen liegen, u. zw. in der Einrohrausbildung. In Fig. 5 ist mit 1 der schulterartige Ring bezeichnet. 7a ist die in der vorderen Reihe gelegene spiralförmige Rohrschlange (stark gezeichnet). 3 sind die kleeblattartigen Rohrteile und mit 7b ist die hintere spiralförmige Rohrschlange bezeichnet (dünn gezeichnet), mit 11 ist das Kniestück bezeichnet, durch welches die vordere Rohrschlange 7a in die Ebene der kleeblattartigen Rohrschlange 3 übergeführt wird. Mit 12 ist das Kniestück bezeichnet, durch welches ' (jas Rohr 3 in die hinten gelegene Rohrschlange 7b übergeführt wird.
In den schulterartigen Ring 1 ist die ganze Rohrschlange mittels der Halbbögen 13 in entsprechende Ausnehmungen des Ringes eingeschweisst. Diese Rohrgruppe hat an sich keine einzige Rohrschweissstelle, somit wird diese sehr hohen Temperaturen standhalten können.
In Fig. 6 ist die besondere Formgebung der radialen Schenkel der kleeblattartigen Rohrschlange 2 dargestellt. Die radialenTeile dieser Rohrschlange sind mit 2c bezeichnet. Mit 8 sind die eingeschweissten Halbbögen bezeichnet. Die radialen Teile 2c sind nicht gerade, sondern schraubenförmig ausgebildet. Durch diese schraubenförmige Ausbildung erfolgt auf der Oberfläche der Rohre beim Umspülen durch die Heizgase eine äusserst kräftige Wirbelbildung. (Auf die genauen Strömungsverhältnisse wird in Fig. 9 näher eingegangen.) Diese Bauart kann vornehmlich in der Schweissbauweise hergestellt werden. Theoretisch ist auch die Verwendung eines schraubenförmig verwundenen Rohres für die gesamte Ausbildung gemäss Fig. 5 möglich.
In Fig. 7 ist der Anschluss einer Endrohrgruppe, die in der heissesten Rauchgaszone liegt, an das Innere der Rohrwelle dargestellt. In Fig. 7 ist 14 ein Teilstück der Rohrwelle, 15 ist das Verbindungsrohr zur letzten Rohrgruppe 14 der Rohrwelle, 16 ist ein Teilstück des Rauchgaszubringergehäuses. 17 ist ein Schutzring, der auf die Rohrwelle aufgezogen ist, 18 ist ein Kniestück, welches das Rohr 15 mit dem Rohr 15a verbindet.
Durch die Anordnung des Schutzringes 17 kommen die geschweissten Rohrverbindungsstellen 18a und 18b nicht mit den heissen Rauchgasen in Berührung, sie sind dadurch vor Verbrennungen ge-
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rinth-Schulterringdichtung, die bei 35a und 35b mit selbstschmierenden Gleitlagern versehen ist, 35c Ist das schulterartige Drucklager und 35d sind die Labyrinthkammern, 36 ist eine Druckscheibe, die mittels der Schraubenfedern 27 und mittels der Schraubenmuttern 38 dichtend an den Körper 33 angepresst wird.
39 ist ein zylindrischer Dichtungskörper an der Austrittsseite der Rohrwelle. 40 ist wieder ein stillstehen- der Dichtungskörper, der so wie der an der Seite der Flüssigkeitszubringung dargestellte Dichtungskörper (35-35d) ausgebildet ist. 41 sind die Abschlussrohre an der Austrittsseite des Speisewasservorwärmers,
42 sind die Verbindungsrohre, die einerseits an der Schweissstelle 41a mit den Rohren und anderseits mit dem Dichtungskörper 39 verbunden sind. Die Wirkungsweise des Speisewasservorwärmers ist folgen- de : Das Speisewasser wird durch das Rohr mit der Dichtung 35 zugeführt. Die Flüssigkeit fliesst durch die
Kanäle 34 in die Verteilerrohre 27, von dort gelangt sie in die schraubenförmig gewundenen Rohre 28 und von dort weiters in die eigentlichen Rohrgruppen 2, 7.
In Fig. 9 sind vier Rohrgruppen dargestellt. Mit- tels der Rohre 41 und 42 wird die Flüssigkeit wieder in den stillstehenden Dichtungskörper 40 geleitet, um von dort dem Verbraucher zugeführt zu werden. Der Weg der Flüssigkeit ist durch den Pfeil P2 ange- geben. Die Heizgase strömen durch die Heizgaszuführungskammer 31 ein, sie durchströmen den Wärme- austauscher annähernd parallel zur Drehachse, um dann radial durch das Gasabzugsgehäuse 32 den Wär- meaustauscher wieder zu verlassen. Der Weg der Heizgase ist durch den Pfeil P3 angegeben. Beim Durch- strömen der einzelnen Rohrgruppen wird diese Parallelströmung empfindlich gestört.
Die Heizgase müssen jedes einzelne Rohr'umströmen, wobei den Gasteilchen in radialer und in tangentialer Richtung durch die rotierenden Rohrteile eine Ablenkung erteilt wird, die besonders intensiv durch die Rohre 7 (Fig. 2 und 3) und 2c (Fig. 6) bewirkt wird. Als Summenwirkung dieser Bewegung ergibt sich eine äusserst kräftige Wirbelströmung um die Rohrteile, wodurch die Grenzschicht weggespült wird und daher der Wärme- übergang durch Berührung noch eine wesentliche Steigerung erfährt. Diese Steigerung des Wärmeüberganges ist ja das Fortschrittliche des Erfindungsgegenstandes. Gemäss Fig. 9 sind die Heizgase und das Spei- sewasser in bekannter Art im Gegenstrom geführt.
Es ist noch hinzuweisen, dass zwischen dem als Ventilatorscheibe ausgebildeten Abschlusskörper 26 und der ersten Rohrgruppe 2,3, schraubenförmig gewundene Rohre 28 angeordnet sind. Der Zweck ist der. die Flüssigkeit vor der ersten, gegen die Fliehkraft gerichteten Bewegung vorzuwärmen und den Raum im Ventilatorbereich für den Wärmeaustausch auszunützen. Die Kanäle 34 und die Rohre 27 wie auch die schraubenförmig gewundenen Rohre 28 wirken als Kreiselpumpe.
Nun noch ein Hinweis auf die verschiedenen Ventilatorscheibenausbildungen gemäss den Fig. 8 und 9. Bei der Speisewasserzuführung gemäss Fig. 8 wird die Flüssigkeit bis zum Eintritt in die Rohre 21 bis zu einem gewissen Grade vorgewärmt und die Ventilatorscheibe 19 wird entsprechend gekühlt. Bei der Ausführung gemäss Fig. 9 tritt diese Wirkung allerdings nicht auf, jedoch sind die Zubringerwege bei der Druckprüfung besser zu überwachen. Auch dann, wenn Rohrgruppen gemäss Fig. 5 zur Anwendung kommen, kann man die Serien- oder Parallelschaltung der einzelnen Rohrgruppen ausserhalb der Ventilatorscheibe, etwa an der Stelle 27a herstellen. An dieser Stelle befindensich dann auch die Schweissverbindungen mit den Rohren 27.
Der in Fig. 9 dargestellte Speisewasservorwärmer könnte auch zur direkten Dampf- bzw. Heissdampferzeugung verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Rotierender Wärmeaustauscher, bestehend aus Rohrgruppen, welche Ringkörper mit auf diesen befestigten U-förmigen Rohrschlangen besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Ringkörpern (1) befestigten U-förmigen Rohrschlangen (2) in einer senkrecht zur Achse der Ringkörper gelegenen Ebene angeordnet sind, wobei die äusseren Bogen der U-förmigen Rohrschlangen (2) kleeblattartig erweitert sind und die inneren Bogen in Ausnehmungen (5) der Ringkörper (1) befestigt, vorzugsweise eingeschweisst oder eingegossen sind.
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Rotating heat exchanger
The invention relates to rotating heat exchangers in the tube group design.
The novelty of the invention is that on a square or shoulder-like ring, coiled tubes are cast or welded, which are stiffened either with annular ribs or with spirally wound tubes.
Various designs of rotating heat exchangers are known per se. So z. B. are arranged radially on a ring U-shaped tubes with unequal length U-legs. At this
Embodiment very large heat transfer coefficients have been achieved. The limited size of the heating surface is a disadvantage. In addition, only relatively low vapor pressures can be achieved. According to the subject matter of the invention, these heat exchangers can be connected in series or in parallel in large numbers on a shaft or tubular shaft. Choosing a large diameter is also easier than with the version with U-tube legs of unequal length. As a result, the heating surface can be selected to be very large and a very large heating gas flow cross section is structurally possible.
The arrangement of a larger number of tube groups requires a special design of the boundary elements. The subject matter of the invention also includes this special training.
The subject matter of the invention is shown in FIGS. 1-9. 1 and 2 show heat exchangers according to the invention in section. FIG. 3 shows the side view of the tube groups. FIG. 4 shows the top view of a tube group. FIG. 5 shows the side view of a tube group in the single-tube configuration. Fig.
6 represents a special design of the U-shaped pipe legs. In FIGS. 7 and 8, exemplary embodiments of the boundary pipe groups are shown. 9 shows an application example of the subject matter of the invention.
In FIGS. 1, 2, 3, 4 and 5, 1 represents a shoulder-like ring. 2 is a tube wound in the manner of a cloverleaf, which is wound around the pin 4 and is welded to this at 5. The tube can be wound from a single piece and provided with an entry point 3 and an exit point 3a. The clover leaf shape can also consist of several pieces. So is z. B. from Fig. 3 shows that a portion of 3 to 3a extends and is welded to two pins 4a and 4b of the shoulder-like ring 1. The resulting heat exchanger can now be stiffened on both sides with annular ribs 6 (only shown in FIG. 1). These ribs 6 also serve to enlarge the heating surfaces. The attachment of annular ribs to U-shaped bent tubes is known per se.
Instead of the ribs, however, spirally wound tubes 7 can also be arranged according to the invention. In FIGS. 2 and 3, for example, four spiral tubes 7 are arranged, which start at 7a (rear side of the tube group, drawn in dashed lines), are then guided in a spiral to the center of the axis, in 7c the ring body crosses from the rear side to the front side (at this point are also welded in) and then run on the front of the tube group in a spiral shape from the inside to the outside in the opposite direction of winding. The end of the tube is labeled 7b. The cloverleaf-like central tube is crossed in many places by all spiral tubes.
On. The pipes are welded to each other at these crossing points (directly pipe to pipe or by means of a spacer bar, pipe from pipe somewhat separated), which creates a very stable and solid pipe body that can withstand very high circumferential speeds. For the sake of simpler production, both the clover-like and spiral-wound tubes can be made from half-arches 8, 9 and individual wound tube pieces. The half-arcs are welded into the ring body alternately perpendicular (e.g. half-arc 8) or parallel (e.g. half-arc 9) to the longitudinal axis of the ring body. On these half-arches 8,9 are then the
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straight pipe sections are welded. This construction makes milling out the tenons 4 unnecessary.
The embodiments according to FIGS. 2 and 3 consist only of tubes without ribs, which lead inside the liquid to be evaporated. These heat exchangers can therefore lie in the direct jet of fire without burning. From Fig. 2 it can be seen that the cloverleaf-like wound tubes 2a are not only arranged perpendicular to the longitudinal axis, but can also include an angle CI: with the longitudinal axis. The stiffening, spirally wound tubes 7x and 7y enclose the same angled so that the tube body assumes a frustoconical shape. The advantage of this design is that no fly ash can adhere to the pipes, since it is thrown away as a result of the centrifugal force.
In Fig. 4 the arrangement of turbine-like impeller blades is shown. The turbine blades are denoted by 10. These blades are arranged around the tubes 2. In gas turbine construction for
Such tubular bodies can be used to generate secondary warm air. The thermal energy still occurring in the last stages of a gas turbine can thus still be recovered by the impeller blades 10.
Fig. 5 shows the formation of a pipe group according to FIG. 2, which are located in three adjacent pipe planes, u. betw. in single-pipe training. In Fig. 5, 1 denotes the shoulder-like ring. 7a is the spiral tube in the front row (strongly drawn). 3 are the clover-leaf-like pipe parts and 7b is the rear spiral-shaped pipe coil (drawn thin), with 11 the elbow is indicated through which the front pipe coil 7a is transferred into the plane of the cloverleaf-like pipe coil 3. The elbow is designated by 12 through which the pipe 3 is transferred into the pipe coil 7b located at the rear.
In the shoulder-like ring 1, the entire pipe coil is welded into corresponding recesses in the ring by means of the semi-arches 13. This group of pipes does not have a single pipe welding point, so it will be able to withstand very high temperatures.
In Fig. 6, the special shape of the radial legs of the clover-leaf-like tube coil 2 is shown. The radial parts of this coil are indicated by 2c. The welded-in half-arches are designated with 8. The radial parts 2c are not straight, but rather helical. As a result of this helical design, an extremely powerful vortex formation occurs on the surface of the pipes when the hot gases flow around them. (The exact flow conditions are discussed in more detail in FIG. 9.) This type of construction can primarily be produced using the welded construction. Theoretically, it is also possible to use a helically twisted tube for the entire design according to FIG. 5.
In Fig. 7, the connection of a tail pipe group, which is located in the hottest flue gas zone, to the interior of the tubular shaft is shown. In Fig. 7, 14 is a part of the pipe shaft, 15 is the connecting pipe to the last pipe group 14 of the pipe shaft, 16 is a part of the flue gas feeder housing. 17 is a protective ring that is pulled onto the pipe shaft, 18 is an elbow which connects the pipe 15 to the pipe 15a.
Due to the arrangement of the protective ring 17, the welded pipe connection points 18a and 18b do not come into contact with the hot smoke gases, they are protected from burns.
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rinth shoulder ring seal, which is provided with self-lubricating sliding bearings at 35a and 35b, 35c is the shoulder-like thrust bearing and 35d are the labyrinth chambers, 36 is a thrust washer which is pressed against the body 33 by means of the helical springs 27 and the screw nuts 38.
39 is a cylindrical seal body on the exit side of the tubular shaft. 40 is again a stationary sealing body which is designed like the sealing body (35-35d) shown on the side of the liquid supply. 41 are the closing pipes on the outlet side of the feed water preheater,
42 are the connecting pipes which are connected on the one hand to the pipes at the weld point 41a and on the other hand to the sealing body 39. The function of the feed water preheater is as follows: The feed water is supplied through the pipe with the seal 35. The liquid flows through the
Channels 34 in the distribution pipes 27, from there it passes into the helically wound pipes 28 and from there further into the actual pipe groups 2, 7.
In Fig. 9 four groups of tubes are shown. By means of the tubes 41 and 42, the liquid is passed back into the stationary sealing body 40 in order to be supplied from there to the consumer. The path of the liquid is indicated by the arrow P2. The heating gases flow in through the heating gas supply chamber 31, they flow through the heat exchanger approximately parallel to the axis of rotation, and then exit the heat exchanger again radially through the gas vent housing 32. The path of the heating gases is indicated by the arrow P3. When flowing through the individual tube groups, this parallel flow is severely disturbed.
The heating gases must flow around each individual pipe, the gas particles being given a deflection in the radial and tangential directions by the rotating pipe parts, which is effected particularly intensively by the pipes 7 (FIGS. 2 and 3) and 2c (FIG. 6) . The cumulative effect of this movement is an extremely strong vortex flow around the pipe parts, which rinses the boundary layer away and therefore the heat transfer through contact is significantly increased. This increase in heat transfer is what makes the subject of the invention progressive. According to FIG. 9, the heating gases and the feed water are guided in a known manner in countercurrent.
It should also be pointed out that helically wound tubes 28 are arranged between the closing body 26 designed as a fan disk and the first tube group 2, 3. The purpose is this. to preheat the liquid before the first movement directed against the centrifugal force and to use the space in the fan area for the heat exchange. The channels 34 and the tubes 27 as well as the helically wound tubes 28 act as a centrifugal pump.
8 and 9. In the case of the feed water supply according to FIG. 8, the liquid is preheated to a certain extent until it enters the tubes 21 and the fan disk 19 is correspondingly cooled. In the embodiment according to FIG. 9, however, this effect does not occur, but the feeder paths are better to monitor during the pressure test. Even when tube groups according to FIG. 5 are used, the individual tube groups can be connected in series or in parallel outside the fan disk, for example at point 27a. The welded connections to the pipes 27 are then also located at this point.
The feed water preheater shown in FIG. 9 could also be used for the direct generation of steam or superheated steam.
PATENT CLAIMS:
1. Rotating heat exchanger, consisting of tube groups which have ring bodies with U-shaped tube coils attached to them, characterized in that the U-shaped tube coils (2) attached to the ring bodies (1) are arranged in a plane perpendicular to the axis of the ring body are, the outer arches of the U-shaped coils (2) are expanded like a clover leaf and the inner arches are fixed, preferably welded or cast in recesses (5) of the ring body (1).