Wä rmeaustauscher für Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt. Die Erfindung betrifft einen. Wärmeaus- tauseher für Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das Ar beitsmittel, nachdem es jeweils vorerst er hitzt worden ist, unter Arbeitsabgabe nach aussen expandieren gelassen und hierauf wie der auf höheren Druck gebracht wird.
Dabei findet im Wärmeaustauscherein Wärmeaus tausch zwischen dem expandierten und dem verdichteten, noch nicht von aussen erhitzten Teil des Arbeitsmittelstromes statt.
Trotzdem Wärmekraftanlagen der er wähnten Art seit vielen Jahren immer wie der in den verschiedensten Ausführungs varianten vorgeschlagen worden sind, haben sie bis heute in der Praxis doch nicht Fuss fassen können.
Das hängt mit einer ganzen Anzahl von Verlustquellen zusammen, die einmal den thermodynamischen Wirkungs grad der Anlagen derart verschlechtern und sodann dazu führen, dass gewisse Teile so gross und teuer auszuführen sind, dass keine Möglichkeit bestand, dass derartige Anlagen in Wettbewerb mit andern, wirtschaftlicher arbeitenden, krafterzeugenden Maschinen tre ten konnten.
Durchgeführte Untersuchungen haben als neue Erkenntnis ergeben, dass den Verlusten in Wärmeaustauschern, in welchen ein Teil des Arbeitsmittelstromes . niederen Druckes Wärme an einen Teil des Arbeitsmittelstro- mes höheren Druckes abzugeben hat, aus schlaggebende Bedeutung zukommt. Dabei handelt es sich um die vorkommenden Druck und Temperaturverluste. Da in einem solchen Wärmeaustauscher sehr bedeutende Wärme mengen ausgetauscht werden müssen und an-.
derseits keine zu ,grossen Flächen gewünscht werden, ist es von besonderer Wichtigkeit, die Geschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem abzukühlenden Teil niederen Druckes und ,dem aufzuheizenden Teil höheren Druk- kes des Arbeitsmittelstromes passend festzu legen.
Zweck der Erfindung ist, dieser Forde rung Rechnung zu .tragen. Dabei stützt sie sieh einmal auf die neue Erkenntnis., dass bei gegebener, durch wirtschaftliche Erwägun gen bestimmter Austauscherflä:
che und gege bener zulässiger Temperaturdifferenz zwi schen den beiden wärmeaustauschenden Tei len des Arbeitsmittelstromes verschiedenen Druckes, der totale im Wärmeaustauscher auftretende Druckverlust bei einem bestimm ten Verhältnis der mittleren Strömungsge schwindigkeiten der beiden Teile des Arbeits- mittelstromes einen Kleinstwert besitzt, so dass jede andere Geschwindigkeitswahl grö ssere Verluste bedingt.
Um dieser Erkennt nis Rechnung zu tragen, sind bei einem Wärmeaustauscher nach vorliegender Erfin dung, der zweckmässig als Röhren- oder Plat- tengegenstromapparat ausgebildet sein. kann, die Durchflussquerschnitte so gewählt, dass der expandierte Teil des Arbeitsmittelstromes den Wärmeaustauscher mit grösserer Ge schwindigkeit durchfliesst als der wieder auf höheren Druck gebrachte Teil .des Arbeits- mittelstromes,
wobei im Wärmeaustauscher auf der Seite des verdichteten Teils und auf der Seite des expandierten Teils des Arbeits- mittelstromes der Druck sich praktisch gleich bleibt. Auf der Seite niederen Druckes ist somit die Strömungsgeschwindigkeit grösser und auf .der Seite höheren Druckes kleiner.
Zweckmässig werden die Verhältnisse so gewählt, dass sich die Geschwindigkeiten des im W ärmeaustauscher abzukühlenden, expan dierten Teils und des aufzuheizenden, ver dichteten Teils des Arbeitsmittelstromes an genähert umgekehrt proportional wie die Wurzeln aus den absoluten Drücken dieser Teile verhalten. Von diesem Wert kann ge gebenenfalls, beispielsweise zur Verein fachung der Bauart, mehr oder weniger ab gewichen werden, wenn eine geringe Züz- nahme des Gesamtdruckverlustes zulässig er scheint.
Im weiteren wird zweckmässig die Temperaturdifferenz zwischen den zwei, ver schiedene absolute Drücke aufweisenden Tei- len des Arbeitsmittelstromes an jeder Stelle des Wärmeaustauschers kleiner als 70 C ge halten.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfin- dungsgegenstandes in Verbindung mit einer Anlage gezeigt, bei welcher eine Luftturbine sowohl einen Generator, als auch ein<B>'</B> Axial gebläse antreibt.
In der Figur bezeichnet 1 einen Erhitzer, in welchem die einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibende Luft erhitzt. wird. Es stellt dieser Erhitzer 1 die Zufuhr stelle äusserer Wärme dar. Die eigentliche Erhitzung der Luft erfolgt in einem Ober- flächenwärmeaustauscher 2, welcher von den Feuergasen umspült wird; die Erhitzung wird vorteilhaft auf mindestens <B>500'</B> C ge trieben.
Die so erhitzte Luft gelangt in eine mehrstufige Luftturbine 3 axialer Bauart, wo sie unter gleichzeitiger Arbeitsabgabe an einen Generator 4 und an einen als mehrsta- figes Axialgebläse 5 ausgebildeten Kreisel verdichter mindestens auf die Hälfte des Druckes expandiert, den sie am Eintritt in die Luftturbine 3 hat.
Der aus der Turbine 3 mit dem Druck pn strömende Teil der Luft gelangt durch eine Leitung 6 in einen als Ge genstromapparat ausgebildeten Wärmeaus <B>,</B> 7, wo ,dieser Teil des Arbeitsmittel stromes ein Röhrensystem 7' durchströmt und dabei Wärme au denjenigen Teil der Luft abgibt, welcher ein Röhrensystem <B>7'</B> mit dem Drucke p1, durchströmt.
Letzterer Teil des Arbeitsmittel.stromes wird vom Axialgebläse 5 .durch eine Leitung 9 in den Wärmeaus- tauscher 7 gefördert und gelangt aus diesem durch eine Leitung 8 in den Oberflächen- wärmeaustauscher 2. Der das Röhrensystem 7\ durchfliessende Teil des Arbeitsmittelstro- mes besitzt somit einen höheren Druck als der das Röhrensystem 71 durchfliessende Teil.
Der im Wärmeaustauscher 7 auf mindestens 150 C abgekühlte, auf den Druck p" expan dierte Teil des Arbeitsmittelstromes gelangt durch eine Leitung 11 in den Kreiselver dichter 5, wo er unter Kühlung wieder auf einen höheren Druck gebracht wird. Das Axialgebläse 5 und die Luftturbine 3 sind so bemessen und deren Drehzahlen so gewählt, dass die aus der Luftturbine 3 strömende Luft noch einen Druck von mindestens 2 kg/cm' hat.
Die Durchflussquerschnitte :der beiden Röhrensysteme 7', 72, durch welche die bei den Teile des Arbeitsmittelstromes, zwischen denen im Wärmeaustauscher 7 :ein Wärme austausch zu erfolgen hat, strömen, sind der art bemessen, dass der von der Luftturbine 3 lzommende Teil des Arbeitsmittelstromes den Wärmeaustauscher 7 mit einer grösseren Ge schwindigkeit durchströmt als der vom Agial- gebläse 5 herkommende Teil höheren Druk- kes,wobei :
der Druck jedes :der beiden Teile im Wärmeaustauscher praktisch gleich. bleibt.
Die Röhrensysteme 71, 72 sind ferner, um günstige Durchgangszahlen zu erhalten, so bemessen, da.ss sich die Geschwindigkeiten des abzukühlenden, :das Röhrensystem 71 durchfliessenden Teils niederen Druckes und des aufzuheizenden, :das Röhrensystem 72 durchfliessenden Teils höheren Druckes des Arbeitsmittelstromes angenähert umgekehrt proportional wie :die )#,rurzeln aus den absolu ten Drücken :dieser Teile :
des Arbeitsmittel stromes verhalten. Diese Bedingung ist zum Beispiel erfüllt, wenn die Beziehung
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inne gehalten wird, wobei Di ,den Innen durchmesser der Rohre 72, da :den Aussen durchmesser und di .den Innendurchmesser der Rohre 7I, ferner pi, den in den Rohren 72 und p" den in den Rohren 71 herrschenden Druck bezeichnet.
Zweckmässig wird ferner :dafür gesorgt, dass Ein- und Austritt der Röhrensysteme 71, 72 durch strömungstechnisch gute Formge bung, wie Einlaufabrundungen <B>7'</B> bezw. 74 und diffusorförmige Austritte 75 bezw. 76 ein Geringstmass an Strömungs-, d. h. Druck verlusten bedingen..
Ferner wird :der Wärme austauscher 7 zweckmässig auch so bemessen, dass die Temperaturdifferenz zwischen den zwei, verschiedene absolute Drücke aufwei senden Teilen des Arbeitsmittelstro:mes an jeder .Stelle .des ZVärmeaustauschers kleiner als<B>70'</B> C wird. Bei grösseren Temperatur differenzen wird der Verlust infolge unaus- genützter Temperaturgefälle im ganzen Kreis lauf rasch derart gross, :dass .die thermische Ausbeute :des Prozesses zu .gering und :damit das Verfahren unwirtschaftlich wird.
Durch die Verlegung :des ganzen Kreis prozesses in :das Überdruckgebiet wird er reicht. dass auch bei kleinen Geschwindigkei ten in den Wärmeaustauschern 2, 7 die Wärmeübergangszahlen gut sind, was zu kleinen Austauscherflächenund damitkleinen Strömungsverlusten führt.
Das Druckver hältnis des Kreislaufes wird dabei zweck mässig nicht kleiner als zwei gewählt, weil sonst das zur Verfügung stehende Turbinen gefälle zu klein würde, so dass für eine gege bene Leistung zu grosse Luftmengen umge wälzt werden müssten. Zudem würde dann die im Wärmeaustauscher 7 zu bewegende Wärmemenge, und damit :die Abmessungen dieser Vorrichtung so gross, dass die prozen tualen Verluste ebenfalls stark zunehmen und die Anlage unwirtschaftlich würde.
Der Wärmeaustauscher kann erforder lichenfalls mehrgehäusig ausgebildet werden. In einem solchen Falle können die einzelnea Wärmeaustauschflächen in den verschiedenen Gehäusen aus Baustoffen bestehen, :die den jeweiligen Temperaturen angepasst sind. So können zum Beispiel :dort, wo weniger hohe Temperaturen vorhanden sind, billigere Bau stoffe, z.
B. urlegierte Stahlsorten., verwen det werden als dort, wo höhere Temperaturen vorkommen, welche .Sonderbaustoffe hoher Warmfestigkeit, wie Stähle mit Molybdän- oder Nickelzusatz, erfordern.
Anstatt :den Wärmeaustauscher in der in der Figur gezeigten Weise mit. zwei Röhren systemen 71, 72 zu versehen, kann auch nur eines vorgesehen werden. In einem solchen Falle durchströmt der eine Teil des Arbeits- mittelstromes, z.
B. :der hochgespannte Strom mit :dem Drucke ph, :das Röhrensystem, wäh rend :der andere Teil mit dem Drucke p" in eine Kammer des Wärmeaustauschers gelei tet wird, welche vom Röhrensystem durch quert wird. Durch zweckentsprechende Aus bildung des Einführungsstutzens kann er reicht werden., dass der zweitgenannte Teil in erforderlicher Weise in der Kammer ver teilt wird, wo er die Röhren, im Gegenstrom zu dem sie durchfliessenden Teil,
aussen be- spült.
In einem solchen Falle lässt sich das er forderliche Geschwindigkeitsverhältnis zwi schen den beiden Teilen des Arbeitsmittel stromes erreichen, wenn die Entfernung .s zwischen den Mittelpunkten,der Querschnitte benachbarter Rohre (welche Mittelpunkte die Ecken gleichschenkliger Dreiecke oder von Quadraten bilden) nach der Formel festgelegt sind
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wobei<I>D</I> den Aussendurchmesser und<I>d</I> den Innendurchmesser der Rohre, ferner p; den in diesen Rohren herrschenden Druck und p. den Druck bezeichnet, der in der von diesen Rohren durchquerten Kammer vorhandene ist.
Solange sich das weiter oben festgelegte Verhältnis zwischen den Geschwindigkeiten der zwei Teile :des Arbeitsmittelstromes inne halten lässt, spielt es keine Rolle, welcher der zwei Teile das Innere oder Äussere eines Rohrsystemes durchströmt.