Wärrneaustanscheranlage, bei welcher mindestens der eine Betriebsstoff ein Gas ist. Winderhitzer für Hochöfen oder ähnliche Wärmeaustauschvorrichtungen für hohe Tem peraturen werden heute, nachdem es gelang, hochhitze- und zunderbeständigeMetalle ver hältnismässig billig herzustellen, nicht mehr ausschliesslich aus feuerfesten Steinen auf gebaut und nach dem Regenerativverfahren betrieben, sondern es werden diese wie die Wärmeaustauscher, die für niedrigere Tem peraturen bestimmt sind,
auch aus Metall hergestellt. Da der Wärmeübergang vom Heizgas an die Wand oder von der Wand an den zu erhitzenden Stoff bei Gasen ver hältnismässig niedrig ist. so erhalten diese Apparate meist recht grosse Heizflächen; sie sind daher, umsomehr also hochhitzebestän diges Material für sie verwendet werden muss, noch immer sehr teuer. Es ist wohl bekannt, dass durch die Erhöhung der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit der wärmeabge- $n und wärmeaufnehmenden Stoffe der eärmeübergang erhöht wird.
Einer Er- UhtcC des Druckes (der Dichte) und der Ge- schwindigkeit stehen jedoch grosse Hinder nisse entgegen. Sie erfordert besondere Ein- richtungen, wie Verdichter mit den dazu ge hörigen Antriebsmaschinen, druckfeste Gas führungen usw. Sie benötigt aber auch einen bTossen Energieaufwand für den Betrieb des Verdichters.
Diese Antriebsenergie kann die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage in Frage stellen und damit die Vorteile, ,die durch die Verminderung der Heizflächen bei einer Druck- und Geschwindigkeitserhöhung erzielt werden, zu eichte machen.
Druck- und Geschwindigkeitserhöhung des Heizgases allein oder beider Stoffe brin gen erst dann Vorteile und machen die hier für erforderlichen, besonderen Massnahmen bezahlt. wenn die Erhöhung bedeutend ist und der Antrieb des benötigten Verdichters durch eine graftmasehine erfolgt, die ihre Energie .ganz oder zum grössten Teil aus den Heizgasen selbst empfängt.
Die Verwendung hochhitzebeständiger Metalle für die Heizflächen verbietet eb, Heizgase mit den hohen Temperaturen an zuwenden, die bei der Verbrennung der üb lichen Gemische entstehen. Man ist also ge zwungen, mit grösseren Luftüberschüssen zu arbeiten. um die Anfangstemperaturen des Heizgasstromes zii vermindern. Damit wird aber eine wesentliche Wirkungsgradver- schlechterung herbeigeführt.
Um diese zu vermeiden, sind die Heizgase, bevor sie in den Winderhitzer oder die Wärmeaustauschvor- richtung eintreten, erst durch eine andere ge eignete Wärmeabgabe abzukühlen. Als sol che kommen Dampferzeuger in Betracht.
Werden nun als Dampferzeuger druck gefeuerte und mit hohen Heizgasgeschwindig- keiten arbeitende Dampferzeuger verwendet, so sind bereits die Einrichtungen vorhanden., .die für die Erzeugnung der hohen Geschwin- digkeiten im Wärmeaustauscher erforderlich sind.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Wärmeaustauscheranlage, bei der dem Wärmeaustauscher ein Dampferzeuger vor- geschaltet ist und bei der :
die Heizgase mit hoher Geschwindigkeit an den Heizflächen des Wärmeaustauschers. vorbeibewegt werden, wobei die Bewegung der Heizgase im Dampf erzeuger und im Wärmeaustauscher durch den gleichen Verdichter erfolgt und dieser von einer Gasturbine angetrieben wird, deren Treibmittel das Heizgas ist:
Fig. 1 zeigt das Schema einer derartigen Anlage. Es ist 1 ein Dampferzeuger, der zur Herstellung der Heizgase dient.
Dieser Dampferzeuger steht unter höherem Druck, der durch den Verdichter 2 aufrecht erhalten wird. Der Verdichter 2' liefert zum Beispiel die Brennluft. Die heissen Verbrennungspro- dukte gelangen nun in. den Wärmeaustau- scher ä,
den sie mit grosser Geschwindigkeit durchfliessen und in dem sie infolge ihrer grö sseren Dichte und hohen Geschwindigkeit auf verhältnismässig kleinen O'berflä'chen den gmössten Teil ihrer Wärme abgeben.
Der grösste Teil .des Dru@okgefälles: wird dagegen in der nachfolgenden Gaeturbine 4 auf gebraucht und in Arbeit zum Antrieb des Verdichters 2 umgesetzt. Enthalten .die aus der Gasturbine austretenden Gase noch grö ssere Wärmemengen. so kann ein weiterer Wärmeaustauscher 5 vorgesehen werden. Ein Teil der Heizflächen für den Wärmeaus- tausch befindet sich also vor und ein Teil nach der Gasturbine. Der zu erhitzende Stoff.
zum Beispiel Luft bei Winderhitzern oder dergleichen, tritt kalt bei 6 in den ersten Wärmeaustauscher und verlässt den zweiten Wärmeaustauscher heiss bei 7. Genügt die Antriebsleistung der Gasturbine nicht ganz. um die Verdichterleistung aufzubringen, so wird noch ein Zusatzmotor 8 vorgesehen, der auch zum Anlassen oder Regeln der Anlage verwendet werden, kann. Der Zusatzmotor ist eine Dampfturbine, ein Elektromotor oder auch eine Brennkraftmaschine.
In vielen Fällen wird der zu erhitzende Stoff, wie es zum Beispiel beim Wind in den Winderhitzern zu Hochofenanlagen der Fäll ist, einen gewissen Überdruck aufweisen müssen. Zur Erzeugung dieses Überdruckes ist ein Verdichter nötig, das Hochofengebläse, das eine grössere Antriebsleistung erfordert.
Es kann nun diese Arbeitsleistungdurch eine Dampfturbine geliefert werden, deren Dampf in einem Kessel erzeugt wird, :der mit grossem Vorteil den Winderhitzern (Wärmeaustau- schern) vorgeschaltet wird. Zur Erzeugung ,der Heizgase dient :dann die Dampfkessel feuerung.
Die oberste Temperaturstufe der Heizgase wird im Dampferzeuger ausgenützt. so dass die Heizgase schon wesentlich ab gekühlt zum ersten Wärmeaustauscher ge langen.
Auf diese Weise wird es ermöglicht, mit sehr wärmereichen Brennstoffgemischen. also mit geringem. Luftüberschuss, zu arbei ten, ohne die Heizfläche des Wärmeaustau- schers durch zu hohe Temperaturen zu ge fährden; denn, auch die hitzebeständigsten Metalle können den vollen Verbrennungstem- peraturen hochwertiger Brennstoffgemische auf die Dauer nicht standhalten.
Eine Anlage :dieser Art ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Es ist 10 ein Dampf kessel, dessen Brennkammer durch die beiden Gebläse 11 und 12 mit Gas und Luft unter Druck gespeist wird. Das Gemisch verbrennt unter höherem als Atmosphärendruck, zum Beispiel bis gegen 2 Atmosphären, und die Verbrennungsprodukte geben ihre Wärme zu nächst im Dampfkessel an das bei 13 ein tretende Speisewasser ab, das in Dampf ver wandelt wird.
Die zum Teil abgekühlten Gase gehen nun in den Winderhitzer 14, wo sie weitere Wärme abgeben und gelangen noch heiss zur Gasturbine 15. Nach der Gas turbine durchströmen sie einen zweiten Winderhitzer 16 und gelangen schliesslich ins Freie, falls sie nicht noch genügend Wärme enthalten, die für Speisewasservorwärmung oder ähnliche Wärmeabgaben niedriger Tem peratur verwertbar ist.
Von der Gasturbine 1.5 werden -die beiden Verdichter 11 und 12 angetrieben. Zu ihrer Unterstützung dient die Dampfturbine 1.7, die gewöhnlich ihren Dampf aus dem Kessel 10, bei der Inbetriebsetzung von irgendeiner andern Quelle erhält. Die Haupterzeugung des Kessels 10 wird zum Antrieb des Hoch ofengebläses 18, bezw. der Dampfturbine 19 verbraucht.
Das Hochofengebläse liefert den Wind für den Hochofen 20; die Erwärmung des fVindes erfolgt durch die beiden Erhitzer <B>16</B> und 14, die nacheinander durchströmt werden. Durch die Aufteilung der Winderhitzer in mehrere Elemente, von denen ein Teil vor, ein Teil nach der Gasturbine angeordnet ist, wird erreicht, dass jeder dieser Teile, wie auch die Crra.sturbine die für ihre Herstellung und ihren. Betrieb günstigsten Temperaturen er hält.
Die Baustoffe können bei den geringen Beanspruchungen, denen sie zum Beispiel in einem ruhenden Wärmeaustauscher unterwor- fen sind, viel höheren Temperaturen wider stehen, als zum Beispiel im Läufer,der Gas turbine, wo hohe Flieh- und Biegungskräfte auftreten. Das gleiche oder ein ähnliches hochhitzebeständiges.
Material, das für die Schaufeln der Gasturbinen verwendet wird, kann also auch für den ersten Winderhitzer dienen, trotzdem dieser in einem wesentlich ,eheren Temperaturbereich arbeitet als die fhu4arbine. Für den der Gasturbine nach- gesehalteten Winderhitzer kommt dagegen billigeres Material, zum Beispiel ein einfacher Stahl oder Schmiedeisen,
in Betracht.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Anlage ist der Verdichtersatz für die Herstellung des Heizmittels und des Dampfes getrennt vom Verdichtersatz für die Herstellung des Win des.
Diese Trennung ist vorteilhaft, da es die Unabhängigkeit der Dampferzeugung ge- owährleistet. Es könnte aber auch daran ge daeht werden, .die verdichtete Verbrennungs luft durch den Windverdichter (Hochofen geblä.se) liefern zu lassen, wodurch das Ge bläse für die Brennluft erspart wird. Diese Verkupplung ist dann möglich, wenn Dampf verbrauch, Winderhitzung und Windbedarf gleichen Änderungen unterworfen sind.
Bei der oben beschriebenen Winderhitzer und Wärmeaustauecheranlage wird also das Heizgas unter höherem als Atmosphären druck und bei hohen Strömungsgeschwindig- keiten verwendet, zum Zwecke, kleine Heiz flächen und Heizgaskanalquerschnitte zu er halten und damit den nicht mehr nach dem Regenerativverfahren arbeitenden, sondern als Durchgangswärmeüberträger aus. Metall hergestellten Wärmeaustauschern möglichst kleine Abmessungen zu geben.
Um den Druck aufrecht zu erhalten, muss das Heizgas ge staut werden. Zur Stauung dienen die Düsen einer Gasturbine, in denen das aufgestäute und noch heisse Heizgas in Treibmittel ver wandelt wird. Die zur Verdichtung benötigte Energie wird durch die Gasturbine ganz oder zum grössten Teil wieder zurückgewonnen,
so dass die durch die Verdichtung erzielte Er- siparn.is an Raum und Gewicht des Wärme- austauschers nicht durch die Kosten für den Arbeitsaufwand :des Verdichters zu nichte gemacht wird.
Die für die Verdichtung in Betracht kommenden Drücke bewegen sich zwischen 2 bis 3 ata. Die Geschwindigkeiten des Heizgases betragen in den Wärmeaus- tauschern mindestens 60 m/s;
der den Wärme- austauscher vorgeschaltete Dampfkessel ist mit Vorteil ein sogenannter Velorkessel, der mit den für diesen gebräuchlichen Heizgas geschwindigkeiten in der Nähe von 200 ms/s betrieben wird.
Heat exchange system in which at least one operating material is a gas. Wind heaters for blast furnaces or similar heat exchange devices for high temperatures are no longer built exclusively from refractory bricks and operated according to the regenerative process, after it has been possible to manufacture high-temperature and scale-resistant metals relatively cheaply, but these are like the heat exchangers that are used for lower temperatures are determined,
also made of metal. Since the heat transfer from the heating gas to the wall or from the wall to the substance to be heated is relatively low with gases. in this way these devices usually have quite large heating surfaces; They are therefore, all the more highly heat-resistant material must be used for them, still very expensive. It is well known that the heat transfer is increased by increasing the density and the flow rate of the heat-dissipating and heat-absorbing substances.
However, there are major obstacles to increasing the pressure (density) and the speed. It requires special equipment, such as the compressor with the associated drive machines, pressure-resistant gas lines, etc. But it also requires a lot of energy to operate the compressor.
This drive energy can call into question the economic viability of the entire system and thus make the advantages that are achieved by reducing the heating surfaces with an increase in pressure and speed to be verified.
Increasing the pressure and speed of the heating gas alone or both substances only then bring advantages and pay for the special measures required here. if the increase is significant and the required compressor is driven by a graft machine that receives its energy entirely or for the most part from the heating gases itself.
The use of highly heat-resistant metals for the heating surfaces prohibits the use of hot gases at the high temperatures that arise when the usual mixtures are burned. So you are forced to work with larger excesses of air. reduce the initial temperatures of the heating gas stream zii. However, this leads to a significant deterioration in efficiency.
In order to avoid this, the hot gases must first be cooled by another suitable heat emission before they enter the heater or the heat exchange device. Steam generators come into consideration as such.
If pressure-fired steam generators operating at high heating gas speeds are used as steam generators, the facilities are already in place which are necessary for generating the high speeds in the heat exchanger.
The present invention relates to a heat exchanger system in which the heat exchanger is preceded by a steam generator and in which:
the hot gases at high speed on the heating surfaces of the heat exchanger. be moved past, whereby the movement of the heating gases in the steam generator and in the heat exchanger takes place through the same compressor and this is driven by a gas turbine whose propellant is the heating gas:
Fig. 1 shows the scheme of such a system. It is 1 a steam generator that is used to produce the heating gases.
This steam generator is under higher pressure, which is maintained by the compressor 2. The compressor 2 'supplies the combustion air, for example. The hot combustion products now get into the heat exchanger ä,
which they flow through at great speed and in which, due to their greater density and high speed, they give off most of their heat on relatively small surfaces.
The largest part of the pressure gradient: on the other hand, is used in the downstream gas turbine 4 and converted into work to drive the compressor 2. If the gases emerging from the gas turbine contain even larger amounts of heat. a further heat exchanger 5 can thus be provided. Part of the heating surfaces for the heat exchange are therefore located in front of and part after the gas turbine. The substance to be heated.
For example, air in wind heaters or the like, enters the first heat exchanger cold at 6 and leaves the second heat exchanger hot at 7. Is the drive power of the gas turbine not quite sufficient. in order to generate the compressor power, an additional motor 8 is also provided, which can also be used to start or control the system. The additional motor is a steam turbine, an electric motor or an internal combustion engine.
In many cases, the material to be heated, as is the case, for example, with the wind in the wind heaters in blast furnaces, must have a certain overpressure. To generate this overpressure, a compressor is required, the blast furnace fan, which requires greater drive power.
This work output can now be supplied by a steam turbine, the steam of which is generated in a boiler, which is, with great advantage, connected upstream of the wind heaters (heat exchangers). To generate the heating gases: then the steam boiler is fired.
The top temperature level of the hot gases is used in the steam generator. so that the hot gases reach the first heat exchanger much cooled.
In this way, it is possible to use fuel mixtures that are very warm. so with little. Excess air to work without endangering the heating surface of the heat exchanger with excessively high temperatures; because even the most heat-resistant metals cannot withstand the full combustion temperatures of high-quality fuel mixtures in the long term.
A system of this type is shown schematically in FIG. It is 10 a steam boiler whose combustion chamber is fed by the two fans 11 and 12 with gas and air under pressure. The mixture burns under higher than atmospheric pressure, for example up to 2 atmospheres, and the combustion products give their heat to the next in the steam boiler to the feed water entering at 13, which is converted into steam ver.
The partially cooled gases now go into the wind heater 14, where they give off more heat and get to the gas turbine 15 while still hot. After the gas turbine, they flow through a second wind heater 16 and finally get outside if they do not contain enough heat can be used for feed water preheating or similar low-temperature heat output.
The two compressors 11 and 12 are driven by the gas turbine 1.5. The steam turbine 1.7, which usually receives its steam from the boiler 10 from some other source when it is started, serves to support it. The main generation of the boiler 10 is to drive the blast furnace blower 18, respectively. the steam turbine 19 consumed.
The furnace fan provides the wind for the furnace 20; The fVindes are heated by the two heaters <B> 16 </B> and 14, which are flowed through one after the other. By dividing the wind heater into several elements, a part of which is arranged in front of and a part after the gas turbine, it is achieved that each of these parts, as well as the Crra.sturbine, is necessary for their production and their. Operation at the most favorable temperatures.
The building materials can withstand much higher temperatures than, for example, in the runner, the gas turbine, where high centrifugal and bending forces occur under the low stresses to which they are subjected, for example in a stationary heat exchanger. The same or a similar high temperature resistant.
Material that is used for the blades of the gas turbines can also be used for the first wind heater, even though it works in a much higher temperature range than the fhu4arbine. On the other hand, cheaper material is used for the wind heater downstream of the gas turbine, for example simple steel or wrought iron,
into consideration.
In the system shown in Fig. 2, the compressor set for the production of the heating medium and the steam is separate from the compressor set for the production of the win.
This separation is advantageous because it ensures the independence of steam generation. It could also be a matter of having the compressed combustion air supplied by the wind compressor (blast furnace blower), which saves the need for a blower for the combustion air. This coupling is possible when steam consumption, wind heating and wind demand are subject to the same changes.
In the above-described wind heater and heat exchanger system, the heating gas is used at a pressure higher than atmospheric pressure and at high flow velocities for the purpose of maintaining small heating surfaces and heating gas duct cross-sections and thus no longer working according to the regenerative process, but as a through-flow heat exchanger. Metal-made heat exchangers to give the smallest possible dimensions.
In order to maintain the pressure, the heating gas must be stowed. The nozzles of a gas turbine, in which the pent-up and still hot fuel gas is converted into propellant, are used for stowage. All or most of the energy required for compression is recovered by the gas turbine,
so that the spare space and weight of the heat exchanger achieved by the compression is not made up for by the cost of the work involved: the compressor.
The pressures to be considered for compression range between 2 to 3 ata. The velocities of the hot gas in the heat exchangers are at least 60 m / s;
the steam boiler upstream of the heat exchanger is advantageously a so-called velor boiler, which is operated with the heating gas speeds of around 200 ms / s that are common for this.