<Desc/Clms Page number 1>
Einrichtung zur Erhitzung von gas- und dampfförmigen Medien auf sehr hohe Temperaturen mittels Regeneratoren und Rekuperatoren oder mittels Rekuperatoren allein
Zur Erhitzung von Gasen und Dämpfen auf sehr hohe Temperaturen dienen keramische Regeneratoren sowie metallische und keramische Rekuperatoren.
Bei den Regeneratoren müssen zahlreiche Absperrorgane vorgesehen und im Betrieb periodisch ge- schaltet werden, von denen die am heissen Ende und auf der Brennerseite am teuersten und am schwersten instandzuhaltenundzusteueriisind. Ausserdem istbei diesenabsperrorganen rnitdauernden und schädlichen
Undichtheitsverlusten zu rechnen, wenn die Drücke des erwärmenden und des zu erwärmenden Mediums sehr voneinander verschieden sind. Bei den Rekuperatoren ist es infolge der bei den bisher bekannten Ausführungen auftretenden Wärmespannungen schwer, die Verbindungsstellen der Rohrplatten mit der Wand bzw. der Heizrohre mit den Rohrplatten dauernd verlässlich dicht zu halten.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erhitzung von gas-bzw. dampfförmigen Medien auf sehr hohe Temperaturen mittels Regeneratoren und Rekuperatoren oder mittels Rekuperatoren allein, wobei das wärmeabgebende Medium als Verbrennungsgas in einer Druck - Brennkammer erzeugt oder einem unter Überdruck stehenden Abgaskanal entnommen wird ;
diese Einrichtung ist dadurch ausgezeichnet, dass die Erhitzung des unter Überdruck stehenden, zu erhitzenden Mediums und die Abkühlung des wärmeabgebenden Mediums je in zwei Stufen erfolgen, u. zw. in den kälteren Stufen durch Rekuperatoren und in den heisseren Stufen durch Regeneratoren oder Rekuperatoren oder aber durch eine Kombination von Regeneratoren und Rekuperatoren, wobei der Druck des wärmeabgebenden Mediums in der heisseren Stufe dem in der heisseren Stufe des wärmeaufnehmenden Mediums herrschenden Drucke durch Verdichtung angeglichen ist, und zwischen die Erhitzungs- bzw.
Abkühlungsstufen im Strömungswege eines oder der beiden in Wärmeaustausch stehenden Medien Gasturbinen geschaltet sind, in denen eines oder beide Medien unter Arbeitsleistung auf die für diese Medien in der folgenden Stufe vorgesehenen Drücke entspannt werden und dass weiter im Falle der Verwendung von Regeneratoren in der heisseren Stufe die Brennkammer bzw. die Brennkammern und der Abgaskanal durch ein ständig offenes Leitungssystem mit den Gasräumen am heissen Ende der Regeneratoren ständig in Verbindung stehen bzw. dass im Falle der Verwendung von Rekuperatoren in der heisseren Stufe die von den wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden Gasen durchströmten Räume in der Weise miteinander in leitender Verbindung stehen, dass lose Durchführungen der Heizrohre durch die Rohrplatten oder freie Dehnungsspiele, z.
B. lose Fassungen oder grössere Spalte zwischen einer oder den beiden Rohrplatten und Wand ein Überströmen der Medien von der einen Seite auf die andere Seite und umgekehrt ermöglichen.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung erfolgt also die Erhitzung und die Abkühlung der wärmeaustauschenden Gase und Dämpfe je in zwei Stufen. In den kälteren erfolgt sie in bekannter Weise in Rekuperatoren. In den heisseren Stufen erfolgt die Erhitzung mittels Regeneratoren allein (Fig. l) oder mittels eines Rekuperators oder mehrerer, parallelgeschalteter Rekuperatoren allein (Fig. 2 und 3) oder aber mittels einer Kombination von Rekuperatoren und dahinter geschalteten Regeneratoren.
Es wird bei allen drei Ausführungsarten das wärmeabgebende Medium in einer gemeinsamen, normalerweise ständig in Betrieb stehenden Brennkammer erzeugt oder einem, einer Wärmeanlage nachgeschalteten, Abgaskanal entnommen. In den heisseren Stufen sind bei allen drei Ausführungsarten die jeweils von den wärmeabgebenden und von den wärmeaufnehmenden Gasen durchströmten Räume gegenseitig nicht dicht abgeschlossen, so dass jederzeit ein Überströmen des erwärmten zum erwärmenden Gas
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
und umgekehrt möglich ist.
Bei der Ausführung mitRegeneratoren werden die Strömungswege, die von den wärmeabgebenden und von den wärmeaufnehmenden Gasen in denselben jeweils eingeschlagen werden, durch die jeweiligen
Schaltstellungen der Schaltorgane am kälteren Ende der Regeneratoren festgelegt.
Die Richtung und die Intensität der Überströmung des einen Gases zum andern durch die offenen Ver- bindungsstellen (Undichtheiten, Verbindungsleitungen) kann unter Berücksichtigung des Strömungswider- standes dieser Verbindungsstellen durch entsprechende Einregelung der Drücke auf beiden Seiten dieser
Verbindungsstellen erzwungen bzw. in bestimmten Grenzen gehalten werden.
Der Druck in der Brennkammer bzw. im angeführten Abgaskanal muss so hoch sein, dass an denjenigen
Stellen der von den wärmeabgebenden bzw. von den wärmeaufnehmenden Medien durchströmten Räume, wo letztere direkt (Undichtheiten) oder durch Kanäle bzw. Leitungssysteme miteinander in Verbindung stehen, beiderseits gleicher Druck herrscht oder nur eine solche Druckdifferenz besteht, dass keine Über- strömung von der einen auf die andere Seite oder eine solche nur in einem gewünschtenMasse stattfindet.
In den Fällen, in denen die zu erwärmenden Gase und Dämpfe mit Überdruck geliefert werden müssen, wie es z. B. beim Hochofenwind und andern chemischen Prozessen der Fall ist, müssen daher auch die wärmeabgebenden Gase durch Verdichtung der Verbrennungsmittel auf einen entsprechenden Überdruck gebracht werden.
Zwischen den heisseren und kälteren Stufen sind im Strömungsweg eines oder in den Strömungswegen der beiden im Wärmeaustausch stehenden Medien eine oder mehrere Gasturbinen (Gasturbinenstufen) ein- geschaltet, in denen diese Medien unter Arbeitsleistung auf den in der nachfolgenden Stufe herrschenden Druck entspannt werden.
Da in allen Fällen die Eintrittstemperaturen der in den Gasturbinen zur Entspannung kommenden Medien möglichst hoch und insbesonders auch das Druckverhältnis einer gegebenenfalls nach der für alle Luftmengen gemeinsamen Verdichterstufe in Serie geschalteten zusätzlichen Verdichterstufe (Verdichter) beliebig hoch gehalten werden kann, wird man einen namhaften Überschuss der Gasturbinenleistungen über die Leistungsverbrauche der Verdichter erzielen können, soferne dies als zweckmässig erscheint.
Die zur Verdichtung der Verbrennungsmittel (Luft und Gas) und des wärmeaufnehmenden Mittels (z. B. Hochofenwind) erforderlichen Verdichter kann man auf eine Welle setzen, wodurch ein gleichmässiger, gleichsinniger Verlauf aller Drücke gewährleistet wird.
Bei der Ausführung mit Röhrenrekuperatoren mit geraden Rohren in den heisseren Stufen werden die Heizrohre mit den Rohrplatten entweder dicht verbunden und zwischen einer der Rohrplatten und der Rekuperatorwand ein kleiner Spalt (eventuell mit Labyrinth) gelassen, so dass das ganze Rohrbündel sich ohne Spannungen beliebig dehnen und die freie Rohrplatte sich auch schräg stellen kann, oder aber es werden ausserdem oder nur die Rohre an einem Ende in die Rohrplatte nicht dicht und fest, sondern mit Spiel eingebaut, so dass eine Ausdehnung der Rohre ohne nennenswerte Spannungen möglich ist.
Bei Regeneratoren können die Schaltorgane (Schieber) auf der heisseren Seite fortfallen. Gegebenenfalls können statt der teuren Heisswindschieber die viel billigeren Klappen treten, weil sie ja nicht dicht zu sein brauchen.
Die Einrichtung sei an Hand der Fig. 1 für die Ausführung mit Regeneratoren zur Erhitzung des Windes für einen Hochofen näher erläutert. Die beiden Regeneratoren 3, 4 haben eine gemeinsame Druckbrennkammer 1 mit dem Brenner 2, die normalerweise ständig in Betrieb ist. Sie ist mit den Regeneratoren durch Rohrleitungen oder Kanäle verbunden, die keine Absperrungen oder gegebenenfalls nur Drosselklappen haben. Die Kuppeln 15, 16 der Regeneratoren sind einerseits durch je eine Leitung 19 bzw. 20 an die Ans chlussleitung 21 der Brennkammer und anderseits ebenfalls durch je eine Anschlussleitung 17 bzw.
18 an die zum Verbraucher (Hochofen) führende Leitung 24 angeschlossen. Die Erhitzung des Windes erfolgt in zwei Stufen. Bis etwa 6000C wird der Wind im Rekuperator 5 durch die Abgase der Gasturbine 6
EMI2.2
Regenerator 3 und wird in diesem erhitzt. Der Windschieber 12 sowie der Abgasschieber 13sind im betrachteten Zeitpunkt geschlossen, während der Abgasschieber 14 offen ist. Die Heizgase treten von der Brennkammer 1 in den Regenerator 4. Gleichzeitig strömt vom Regenerator 3 ein Teil des Heisswindes nach 4. Dort kühlt sich das Gemisch auf eine für die Gasturbine 6 zulässige Temperatur ab und entspannt sich in ihr ungefähr auf Atmosphärendruck. Zu den Gasen tritt gegebenenfalls vor oder nach der Gasturbine über die strichliert gezeichneten Leitungen 22 und 22a etwa über einen Mischer 23 noch Heisswind aus dem Regenerator 3.
Die Abgase der Gasturbine treten in den Rekuperator 5, wo sie den Kaltwind vorwärmen und schliesslich in die Esse abströmen. Die Gasturbine 6 treibt zwei Verdichter 7, 8 an, die den Brennstoff (Gichtgas) und den Wind für den Hochofen einschliesslich der erwähnten Überströmmengen sowie die
<Desc/Clms Page number 3>
Verbrennungsluft für die Druckbrennkammer verdichten.
Mit dem Turbinenverdichteraggregat ist zwecks Leistungsausgleich und als Reserve und auch zum
Anfahren eine elektrische Maschine, z. B. ein Regelsatz 9, 10 gekuppelt, der insbesonders ein etwaiges
Leistungsmanko deckt oder einen Leistungsüberschuss abnimmt und auch zur Regulierung der Drehzahlen der Verdichter dienen kann. Man kann beispielsweise die Maschinen 9, wie dargestellt, als gegeneinander geschaltete Gleichstrommaschinen mit entsprechender Compoundierung ihrer Erregungen und die Maschine
10 als Synchronmaschine ausführen.
Die in den Hochofen strömende Windmenge ist durch den Druck des Windes in den Kuppeln der
Regeneratoren sowie durch den Widerstand des Hochofen gegeben bzw. festgelegt. Wenn nun durch den
Verdichter mehr Wind geliefert wird, als der Hochofen und die Brennkammer schlucken können, so strömt der Überschuss zu den Heizgasen über. Das kann von Kuppel zu Kuppel oder aber, wie in Fig. 1 strichliert angedeutet, von Kuppel 15 über die Leitungen 17, 22 und 22a zu den Heizgasen vor oder nach der Turbine geschehen. Wenn man die zu den Heizgasen überströmende Windmenge entsprechend gross macht, werden auch bei Schwankungen der Hochofenwindmenge keine Heizgase zum Wind übertreten, sondern nur Wind zu den Heizgasen.
Wenn man ausserdem die Heizgasmenge in Abhängigkeit von der Hochofenwindmenge oder von der gesamtenwindmenge und die Verbrennungsluft inabhängigkeit von der Heizgasmenge regelt, werden die Mengenwerte des Gesamtwindes, des Hochofenwindes sowie der Verbrennungsluft und des
Heizgases automatisch in einem konstanten Verhältnis bleiben.
Ein wesentlicher Umstand ist bei dieser Anordnung noch besonders hervorzuheben. Die Schaltorgane
11,12, 13,14 auf der kälteren Seite der Regeneratoren müssen hier nicht absolut dicht schliessen.
Zu beiden Seiten derselben herrscht ja ungefähr der gleiche Druck, so dass bei nicht zu grossen Un- dichtheiten nur ein beschränktes Überströmen z. B. der wärmeaufnehmenden Gase zu den wärmeab- gebenden Gasen stattfindet. Ausserdem bedeuten diese Uberstrommengen in der heisseren, der Abgas- turbine 6 vorgeschalteten Stufe energie-und wärmemässig keinerlei Verlust, sondern im Gegenteil einen
Gewinn. Es ist also auch statthaft, die Schaltorgane hinter den Regeneratoren als billigere, leichter steuerbare Klappen auszuführen.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die Anwendung der Erfindung bei der Erhitzung des Windes für einen Hochofen mit zwei hintereinander geschalteten Rekuperatoren. Soweit in diesen Figuren gleiche bzw. entsprechende
Teile wie in Fig. 1 vorkommen, sind sie durch die gleichen Bezugszeichen bzw. -zahlen wie in Fig. ] be- zeichnet.
Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungen sind die Rekuperatoren 5 der kälteren Temperaturstufen normal ausgeführt. Bei den Rekuperatoren 25 der heisseren Temperaturstufen sind die Heizrohre 26 mit den Rohrplatten 29, 30 dicht und fest verbunden. Ein spannungsfreies Ausdehnen und ein Schrägstellen der oberenRohrplatte 29 (Fig. 3) bzw. 30 (Fig. 2) wird dadurch ermöglicht, dass zwischen diesen Rohrplatten und der Rekuperatorwand ein kicines Spiel 33 vorgesehen ist, wobei zusätzliche labyrinthartige Einbauten eine zusätzliche Drosselwirkung bewirken können.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist die untere, heissere Rohrplatte 29 mit der Rekuperatorwand dicht und fest verbunden und durch einen im Gasraum 27 eingebauten Rost bzw. durch Stützen 32 unterstützt.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist die untere, kältere Rohrplatte 30 mit der Rekuperatorwand dicht und fest verbunden und durch einen im Gasraum 28 eingebauten Rost bzw. durch Stützen 30 unterstützt.
In Fig. 3 sind in den Leitungen zum Brenner 2 die Klappen 34, 35 eingezeichnet, die zur Regelung der Verbrennung und insbesondere des Druckes auf der Heizseite des Rekuperators bzw. zur Regelung der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Rohrplatte 29 dienen und vom Differenzdruckregler 36 gesteuert werden.
In Fig. 2 ist eine ähnliche Differenzdruckregelung eingezeichnet, die aus dem Differenzdruckregler 36, dem Klappengetriebe 37 und der Klappe 38 besteht.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 könnte die untere, kältere Rohrplatte 30 auch so fest ausgeführt werden, dass sie das Rohrbündel ohne Unterstützung tragen kann.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 könnte auch die obere Rohrplatte 30 mit der Wand dicht und fest verbunden und gegebenenfalls mit Hängeeisen an der oberen Decke aufgehängt und die untere Rohrplatte 29 mit Spiel zwischen ihr und der Rekuperatorwand ausgeführt werden. Es können aber auch bei den beiden in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungen die beiden Rohrplatten mit den Rekuperatorwänden dicht und fest verbunden und die Heizrohre 26 an einem Ende mit der Rohrplatte dicht und fest zusammengebaut und mit dem andern Ende lose durch die zugehörige Rohrplatte durchgesteckt werden, so dass sie sich in den Durchführungslöchern frei dehnen können.
Die Spiele zwischen denRohren und den Löchern der Rohrplatte spielen dann die gleiche Rolle wie die früher angeführten Spiele 33 zwischen den Rohrplatten
<Desc/Clms Page number 4>
und den Rekuperatorwänden.
Bei den fest und ohne Spiel eingebauten, tragenden Rohrplatten hat man es in der Hand, die Drücke auf ihrer oberen und unteren Seite so einzuregeln, dass ihre Differenz nach oben wirkt und so gross ist. dass sie dem Gewicht der Rohrplatte und der Rohre ganz oder teilweise das Gleichgewicht hält.
Bei der beschriebenen Ausführung muss noch der Vorteil hervorgehoben werden, dass infolgeder Gleich- heit bzw. des geringen Unterschiedes der Drücke auf den beidenSeiten der Heizflächen und derRohrplatten diese selbst mit sehr schwachen Wandstärken ausgeführt werden können. Bei sämtlichen Ausführungen können die Regeneratoren und Rekuperatoren auch aus mehreren parallelgeschalteten Einheiten bestehen, damit man die Möglichkeit hat, erforderlichenfalls einzelne davon abzublinden und in Reparatur zu nehmen.
Es sei noch bemerkt, dass für die Unterteilung der Erhitzungseinrichtung bei jedem der im Wärmeaustausch stehenden Medien je in eine heissere und kältere Stufe ausser den verschiedenen Temperaturbereichen dieser Stufen vor allem auch massgebend ist, dass im Strömungswege eines oder in den Strömungswegen beiderder im Wärmeaustausch stehenden Medien zwischen denErhitzungsstufen eineDruckstufe besteht, die in Gasturbinen ausgenutzt werden kann. Es ist dabei nicht entscheidend, ob die beidenErhitzungs- stufen je aus einerEinheit oder aus mehreren gleichartigen oder verschiedenartigen, parallel- oderin Serie geschalteten Wärmeaustauschern bestehen.
Bei allen Ausführungen besteht die Möglichkeit, für die Verbrennungsluft einen eigenen Verdichter oder aber für die gesamte Windmenge einen gemeinsamen Hauptverdichter und für die Hochofen- und Überströmmengen einen mit diesem Hauptverdichter in Serie geschalteten Zusatzverdichter zur Verdichtung auf höhere Drücke zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erhitzung von gas-bzw. dampfförmigenmedien auf sehr hohetemperaturen mittels Regeneratoren und Rekuperatoren oder mittels Rekuperatoren allein, wobei das wärmeabgebende Medium als Verbrennungsgas in einer Druck-Brennkammer erzeugt oder einem unter Überdruck stehenden Abgaskanal entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des unter Überdruck stehenden, zu erhitzendenMediums und dieAbkühlung des wärmeabgebendenMediums je in zwei Stufen erfolgen, u.
zw. in der kälteren Stufe durch Rekuperatoren und in der heisseren Stufe durch Regeneratoren oder Rekuperatoren oder aber durch eine Kombination von Regeneratoren und Rekuperatoren, wobei der Druck des wärmeabgebenden Mediums in der heisseren Stufe dem in der heisseren Stufe des wärmeaufnehmenden Mediums herrschenden Druck durch Verdichtung angeglichen ist, und zwischen die Erhitzungs-bzw. Abkühlungsstufen im Strömungswege eines oder der beiden im Wärmeaustauschstehenden Medien Gasturbinen geschaltet sind, in denen eines oder beide Medien unter Arbeitsleistung auf die für diese Medien in der folgenden Stufe vorgesehenen Drücke entspannt werden, und dass weiter im Falle der Verwendung von Regeneratoren (3, 4) in der heisseren Stufe die Brennkammer bzw.
die Brennkammern und der Abgaskanal durch ein ständig offenes Leitungssystem (21, 19, 20) mit den Gasräumen (15) und (16) am heissen Ende der Regeneratoren ständig in Verbindung stehen bzw. dass im Falle der Verwendung von Rekuperatoren in der heisseren Stufe die vonden wärmeabgebenden und wärmeaufnehmendenGasen durchströmtenRäume in der Weise miteinander in leitender Verbindung stehen, dass lose Durchführungen der Heizrohre durch die Rohrplatten oder freie Dehnungsspiele, z. B. lose Fassungen oder grössere Spalte (33) zwischen einer oder den beiden Rohrplatten und der Wand, ein Überströmen der Medien von der einen Seite auf die andere Seite und umgekehrt ermöglichen.