Gaserhitzer mit in einer Verbrennungskammer angeordneten Röhrenelementen. Die Erfindung betrifft einen Gaserhitzer mit in einer Verbrennungskammer angeord neten Röhrenelementen, insbesondere für Wärmekraftanlagen, in denen ein gasförmiges Arbeitsmittels, vorzugsweise Luft, nachdem es in mindestens einem Verdichter auf höheren Druck gebracht worden ist, in einem Erhitzer durch indirekte äussere Wärmezufuhr auf höhere Temperatur gebracht wird und hier auf unter Leistungsabgabe an mindestens einen Nutzleistungsempfänger in mindestens einer Turbine expandiert.
In dem Erhitzer solcher Wärmekraft anlagen ist von aussen her dem umlaufenden Arbeitsmittel eine bestimmte Wärmemenge zuzuführen, um dasselbe auf eine bestimmte Endtemperatur zu erhitzen. Bei gegebenen Verhältnissen im Feuerraum ist die Wärme menge, welche sich dem Arbeitsmittel von aussen her zuführen lässt, proportional dem Produkt aus Länge und Aussendurchmesser der im Feuerraum gelegenen Erhitzerrohre. Bei einer gegebenen Aufwärmung muss dann die durchströmende Arbeitsmittelmenge pro- portional jenem Produkt sein,
damit die er forderliche Wärmemenge aufgenommen wird und ferner gefährliche Wärmestauungen in den Rohren vermieden werden. Aus der Kon- tinuitätsgleichung folgt im weiteren, dass die durchströmende Luftmenge proportional dem Produkte aus ihrer Strömungsgeschwindig keit und dem Quadrate des Rohrinnendurch- messers ist. Aus den zwei zuletzt angeführten Tatsachen ergibt sich auch, dass die Rohrlänge proportional dem Produkt aus Strömungs geschwindigkeit und Rohrinnendurchmesser ist.
Da es sowohl aus preislichen Gründen wie auch mit Rücksicht auf die in Erhitzerrohren auftretenden Druckverluste vorerst als erstre benswert erscheint, mit kleinen Rohrlängen auszukommen, so liegt nahe, die Strömungs geschwindigkeit klein und den Rohrinnen durchmesser mit Rücksicht auf die Druck verluste verhältnismässig gross zu wählen.
Verschiedene Umstände sprechen jedoch gegen die Wahl zu kleiner Strömungsge schwindigkeiten für das zu erhitzende Ar- beitsmittel. So fällt einmal der Wirkungsgrad von Wärmekraftanlagen der hier in Betracht kommenden Art bekanntlich um so besser aus, je höher das Arbeitsmittel erhitzt wird. Da aber der Wärmeübergang in Röhrengaserhit- zern zwischen Rohrwand und Arbeitsgas nicht besonders lebhaft ist, so erfordert ein Arbei ten mit hohen Arbeitsmitteltemperaturen, dass für die Erhitzerteile, die den höchsten Tem peraturen ausgesetzt sind, warmfeste und hitzebeständige Werkstoffe verwendet wer den.
Solche Stoffe sind aber teuer, und sie lassen sich zudem nicht leicht bearbeiten, so dass darnach getrachtet werden muss, mit möglichst kleinen Mengen solcher Stoffe aus zukommen. Das ist der Fall, wenn die Strö mungsgeschwindigkeit des zu erhitzenden Mittels gross gewählt wird, da letzteres dann viel Wärme aus den Rohren abführen und da durch Wärmestauungen in denselben verhin dern kann. Die Höhe der äusserst zulässigen Druckverluste verbietet jedoch fürgewöhnlich, die Strömungsgeschwindigkeit des zu erhit zenden Arbeitsmittels derart hoch zu wählen, wie es vom Standpunkte der Verhinderung von Wärmestauungen in den Erhitzerrohren wünschenswert wäre.
Die Strömungsgeschwindigkeiten des Ar beitsmittels lassen sich sodann auch nicht zu klein wählen, weil das unerwünscht grosse Rohre erfordern würde. Vergrössert man jedoch den Rohrdurchmesser, so hat zur Ein haltung einer bestimmten, maximal zugelas senen Rohrwandtemperatur bei sonst gleichen Verhältnissen, das heisst gleicher Aufwär mung des Arbeitsmittels. gleichem Druck und gleicher Wärmezufuhr, die Geschwindigkeit, mit welcher das zu erhitzende Arbeitsmittel die Erhitzerrohre durchströmt, nach den Strö- inungs- und Wärmeübergangslehren eine pro portional der dritten Wurzel aus dem Rohr durchmesserverhältnis gehende Vergrösserung zu erfahren.
Jede Erhöhung der Durchström- geschwindigkeit bringt aber, wie schon er wähnt, höhere Druckverluste mit sich, da diese bekanntlich in erster Näherung propor tional dem Quadrat der Geschwindigkeit und ferner proportional dem Quotienten aus Rohr- länge und Rohrdurchmesser sind. Dabei ist der Druckverlust in der Rohrleitung auch noch proportional dem Druckverlustbeiwert, welcher von der Rohrrauhigheit und der Rey- noldschen Zahl abhingt.
Mit Rücksicht auf diese Tatsachen er scheint es daher unerwarteterweise wieder vorteilhafter, den Innendurehinesser der Er hitzerrohre klein zu wählen. Bei kleinen Röh- reninnendurchmessern machen sich jedoch Einflüsse, die bei grossen Rohrdurchmessern ohne weiteres vernachlässigt werden dürfen, in sehr starkem Masse geltend.
So lässt sich bei Röhren mit kleinem Innendurchmesser die Wandstärke nicht einfach proportional dem Durchmesser verkleinern, sondern sie muss aus Herstellungsgründen und sodann wegen des notwendigen Abzunderungszuschlages ver hältnismässig grösser gehalten -erden. Folg lich ist bei Röhren von kleinem Innendurch messer die @Värmebeliistung der Rohrinnen flächo (in kcal;\m- sek ausgedrückt) bedeu tend grösser als an der unmittelbar dein Wärmeanfall ausgesetzten Aussenfläche.
Wenn daher eine bestimmte, gegebene Rohr ivandtemperatur nicht übersohritten werden soll, so sind an der Rohrinnenfläche grössere Wärmeübergangszahlen anzustreben. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass dem die Röh ren durchströnicnden Medium eine grössere Ge schwindigkeit erteilt wird. Das verursacht aber wieder grössere Druckverluste. Ferner fällt in Betracht. dass der Drucli#verlustbei-#vert bei Röhren mit kleinem Innendurchmesser. bei sonst gleichen Verhältnissen, bedeutend grö sser ist als bei Röhren mit grossem Innendurch messer.
Aus diesen verschiedenen Gründen tritt daher in Röhren mit kleinem Innendurch messer ein starkes Anwachsen der schädlichen Druckverluste ein. Diese in anderem Zusa.m- menhange nicht stichhaltigen Anschauungen führen zu einem Gaserhitzer mit in einer Ver brennungskammer angeordneten und an min destens einen Verteiler und mindestens einen Sammler für das zu erhitzende Gas ange schlossenen Riflireneleinenten. Zweck der Er- findun- ist.
einen solchen Gaserhitzer zu schaffen, der unter weitgehender Berücksich- figung der vorstehend besprochenen Zusam- menhäxlbe und Erkenntnisse bei hinreichender Betriebssicherheit die Strahlungswärme weit gehend auszunutzen erlaubt und sich ferner verhältnismässig billig herstellen lässt.
Er reicht wird dies gemäss vorliegender Erfin dung dadurch, dass sich jedes Röhrenelement aus einer in der Strömungsrichtung des zu er hitzenden Gases immer grösser werdenden Zahl von absatzweise im Durchmesser immer kleiner werdenden Verästelungen eines an den Verteiler angeschlossenen Rohres und einer anschliessenden, gegen ein an den Sammler angeschlossenes Rohr hin immer mehr abneh menden Zahl von absatzweise im Durch messer immer grösser werdenden Verästelun gen aufbaut.
In einem solchen Erhitzer lässt sich die zweckmässigste Anpassung der Rohr durchmesser an die Feuerraumtemperaturen erreichen, indem kleinste Rohrdurchmesser gerade nur an den Stellen vorgesehen werden können, wo die grösste Wärmezufuhr statt findet und wo infolgedessen kleine Rohr durchmesser und hohe Arbeitsmittelgeschwin- digkeiten besonders erwünscht sind. Ein Er hitzer naFh der Erfindung bietet zudem den Vorteil, dass sieb. ohne Zwischenbehälter an den Stellen, an denen eine Änderung des Rohr durchmessers vorgesehen ist, auskommen lässt.
Das ist insofern von Bedeutung, als solche Zwischenbehälter den Bau verteuern, da sie einen grossen Werkstoffaufwand, der sich nicht zur Übertragung von Wärme ausnutzen lässt, bedingen. Werden solche Zwischenbehäl ter ausserhalb des Feuerraumes aufgestellt und nur die Rohre mit kleinem Durchmesser der Flammenstrahlung ausgesetzt, so bringt das den weiteren Nachteil mit sich, dass Rohr teile durch das Mauerwerk des Feuerraumes bindurchzuführen sind, wobei die betreffen den Rohrlängen für die Wärmeübertragung verloren gehen. Das wirkt sich ungünstig hin siehtlieh der Druclzverluste aus.
Werden die Zwisehenbehälter dagegen in den Feuerraum verlegt, so müssen sie durch eine Isolierschicht gegen zu hohe Wärmeeinstrahlung geschützt werden, was erst recht einen grossen Baustoff aufwand erfordert. Bei einem Gaserhitzer nach der Erfindung lässt sich dagegen an nähernd der gesamte Druckverlust, der vom Standpunkte des Wirkungsgrades aus noch in Kauf genommen werden kann, dazu benut zen, für das Arbeitsmittel in den Erhitzer rohren eine genügende Geschwindigkeit zu erhalten. In der eigentlichen Heizfläche gibt es dann praktisch keine Stelle mit Druckver lust, die nicht gleichzeitig dazu beitragen würde, die Wärmeübertragung zu verbessern.
Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstan des veranschaulicht, und zwar zeigt: Fig. 1 in vereinfachter Darstellungsweise einen senkrechten Schnitt durch den Er hitzer, Fig. 2 Teile eines Röhrenelementes dieses Erhitzers in grösserem Massstab in einer Ab wicklung in die Zeichnungsebene und Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1.
In Fig. 1 bezeichnet 1 den Feuerraum eines für die gohlenstaubfeuerung eingerich teten Gaserhitzers. Die Kohlenstaubbrenner und die in Verbindung damit vorzusehenden Einrichtungen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Feuerraum 1 ist von Wandungen 2 aus feuerfestem Baustoff um schlossen. Über der obern Wandung 2 des Feuerraumes 1 sind ein Verteiler 3 und ein Sammler 4 für das zu erhitzende Gas an geordnet, das durch eine Leitung 5 in den Verteiler 3 ein- und durch eine Leitung 6 aus dem Sammler 4 austritt.
E bezeichnet Röhren elemente des Erhitzers, von denen jedes durch ein Rohr 7 an den Verteiler 3 und durch ein Rohr 8 an den Sammler 4 angeschlossen ist. Jedes Rohr 7 verästelt sich, in der Strö- mungsrichtung Z des zu erhitzenden Gases gesehen, in eine immer grösser werdende Zahl von absatzweise im Durchmesser immer klei ner werdenden Zweigen. Die einzelnen, ab satzweise im Durchmesser immer kleiner wer denden Verästelungsgruppen eines Elementes E sind mit den Bezugszeichen 7' bezw. 72, 73 und 74 belegt.
An die Verästelungsgruppe 74 schliesst sich, immer in der Strömungsrichtung Z des zu erhitzenden Gases gesehen, eine gegen das an den Sammler 4 angeschlossene Rohr 8 hin immer mehr abnehmende Zahl von absatzweise im Durchmesser immer grö- sserwerdenden Verästelungen an; die betref fenden, im Durchmesser immer grösser werden den Gruppen von Ästen sind mit den Bezugs zeichen 8' bezw 8''', 8' belegt. Dabei befindet sich die Gruppe 74 mit der grössten Zahl von Verästelungen im Gebiete der höchsten Feuer raumtemperaturen.
Zweckmässig sind dabei die an der Feuerraumwand 9 mit dem R.auch- gasaustrittskanal 10 angeordneten Röhrenele mente 11 so eingebaut, dass deren Rohre im Gebiete des Rauchgasaustrittskanals 10, in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise, in der Strömungsrichtung der Rauchgase R betrach tet, in einer Flucht liegen, so dass sich dort zwischen den einzelnen Elementen 11 ein ver hältnismässig grosser, freier Durchtrittsquer- schnitt für die Rauchgase ergibt (vergleiche Fig. 3).
Dem vordersten Ast dieser Röhren elemente 11, der infolge der Flammenstrah lung, Gasstrahlung und Berührungsübertra gung (Queranströmung) einem erhöhten Wärmeanfall ausgesetzt ist, ist je ein Schutz rohr 12 von kleinerem Durchmesser als dem des zu schützenden Astes vorgeschaltet, durch das ein lebhafter Wärmeaustausch erfolgt und das infolgedessen eine verhältnismässig nied rige Rohrwandtemperatur annimmt. Durch solche Schutzrohre 12 werden die Röhren elemente 11 mindestens teilweise von zu star ker Erwärmung geschützt.
Durch entsprechende Wahl der Strö mungsrichtung des Arbeitsmittels in Verbin dung mit der richtigen Festlegung des Durch messers der verschiedenen Gruppen von Ver ästelungen lässt sich erreichen, dass die Rohr- w andtemperatur eines Röhrenelementes über all angenähert gleich hoch ist, so dass sich gleiche Wärmedehnungen für den aufsteigen den und absteigenden Ast ergeben. Das bringt den Vorteil mit sich, dass nur geringe bauliche Vorkehrungen für den Ausgleich von Wärme dehnungen vorzusehen sind, d. h. es ist mög lich, den Verteiler und Sammler ausserhalb des Feuerraumes fest zu lagern.
Infolgedessen sind dann auch keine kostspieligen Kompen- satoren in den an den Sammler und Verteiler angeschlossenen Leitungen vorzusehen.
Es ist nicht erforderlich, dass alle Erhitzer elemente desselben CTaserhitzers gleich stark verästelt sind. So können zum Beispiel die besonders hohen Temperaturen ausgesetzten Elemente weniger stark verästelt sein, so dass durch dieselben mehr zu erhitzendes Gas strömt und aus denselben daher mehr Wärme als aus den stärker verästelten Elementen ab geführt wird.
Gas heater with tubular elements arranged in a combustion chamber. The invention relates to a gas heater with pipe elements angeord in a combustion chamber, in particular for thermal power plants in which a gaseous working medium, preferably air, after it has been brought to a higher pressure in at least one compressor, is brought to a higher temperature in a heater by indirect external heat supply is and expanded here on with power output to at least one useful power receiver in at least one turbine.
In the heater of such thermal power plants, a certain amount of heat must be supplied from the outside to the circulating working fluid in order to heat the same to a certain final temperature. Given the conditions in the furnace, the amount of heat that can be supplied to the working medium from the outside is proportional to the product of the length and outer diameter of the heater tubes in the furnace. With a given warming up, the amount of working medium flowing through must be proportional to the product
so that he required amount of heat is absorbed and dangerous heat build-up in the pipes can be avoided. From the continuity equation it follows that the amount of air flowing through is proportional to the product of its flow velocity and the square of the pipe inside diameter. The two facts mentioned last also show that the pipe length is proportional to the product of the flow velocity and the pipe inside diameter.
Since it initially seems worthwhile to get by with small pipe lengths, both for reasons of price and with regard to the pressure losses that occur in the heater tubes, it makes sense to choose a small flow velocity and a relatively large pipe inner diameter with regard to the pressure losses.
However, various circumstances speak against the choice of flow velocities that are too low for the working fluid to be heated. For example, the efficiency of thermal power plants of the type under consideration here is known to be better, the higher the temperature of the working medium. However, since the heat transfer in tubular gas heaters between the pipe wall and the working gas is not particularly brisk, working with high working medium temperatures requires that heat-resistant and heat-resistant materials are used for the heater parts that are exposed to the highest temperatures.
Such materials are expensive, however, and they cannot be easily processed, so that efforts must be made to get by with the smallest possible quantities of such materials. This is the case when the flow rate of the medium to be heated is selected to be large, since the latter can then dissipate a lot of heat from the tubes and prevent heat build-up in the same. However, the level of the extremely permissible pressure loss forbids usually to choose the flow rate of the working fluid to be heated as high as would be desirable from the standpoint of preventing heat build-up in the heater tubes.
The flow velocities of the working medium can then not be selected too small, because that would require undesirably large pipes. However, if the pipe diameter is increased, a certain maximum permissible pipe wall temperature has to be maintained with otherwise the same conditions, that is to say the same warm-up of the working medium. the same pressure and the same heat supply, the speed with which the working fluid to be heated flows through the heater tubes, according to the flow and heat transfer gauges, an increase in proportion to the third root of the tube diameter ratio.
However, as already mentioned, every increase in the flow velocity brings with it higher pressure losses, since these are known to be proportional to the square of the velocity and also proportional to the quotient of the pipe length and pipe diameter as a first approximation. The pressure loss in the pipeline is also proportional to the pressure loss coefficient, which depends on the pipe roughness and Reynold's number.
With these facts in mind, it unexpectedly again seems to be more advantageous to select a small inner diameter of the heater tubes. In the case of small inner tube diameters, however, influences which can easily be neglected in the case of large tube diameters become very important.
In the case of tubes with a small inner diameter, the wall thickness cannot simply be reduced in proportion to the diameter, but must be kept relatively larger for manufacturing reasons and then because of the necessary scaling allowance. As a result, in the case of tubes with a small inside diameter, the heat dissipation of the inside of the tube (expressed in kcal; \ msec) is significantly greater than on the outside surface directly exposed to the heat.
Therefore, if a specific, given pipe wall temperature is not to be exceeded, greater heat transfer coefficients are to be aimed for on the inner surface of the pipe. This can be achieved by giving the medium flowing through the tubes a greater speed. However, this again causes greater pressure losses. Also comes into consideration. that the pressure loss is reduced in tubes with a small inner diameter. all other things being equal, it is significantly larger than for tubes with a large inner diameter.
For these various reasons, therefore, a large increase in harmful pressure losses occurs in tubes with a small inner diameter. These in other context not valid views lead to a gas heater with rifle elements arranged in a combustion chamber and connected to at least one distributor and at least one collector for the gas to be heated. The purpose of the invention is.
to create such a gas heater which, taking into account the above-discussed relationships and findings, allows the radiant heat to be used to a large extent with sufficient operational safety and which can also be produced relatively cheaply.
It is enough, according to the present invention, in that each tube element consists of an increasing number in the direction of flow of the gas to be heated from intermittently decreasing in diameter branches of a pipe connected to the distributor and an adjoining pipe against one of the Collector connected pipe builds up ever more decreasing number of intermittently in diameter increasingly larger branches.
In such a heater, the most expedient adaptation of the pipe diameter to the furnace temperature can be achieved by providing the smallest pipe diameters only at the points where the greatest heat supply takes place and where, as a result, small pipe diameters and high working fluid speeds are particularly desirable. A heater according to the invention also offers the advantage that sieve. can do without intermediate containers at the points where a change in the pipe diameter is intended.
This is important insofar as such intermediate tanks make the construction more expensive, since they require a large amount of material that cannot be used to transfer heat. If such Zwischenbehäl ter are set up outside the furnace and only the pipes with a small diameter are exposed to the flame radiation, this has the further disadvantage that pipe parts have to be carried out through the masonry of the furnace, whereby the pipe lengths for the heat transfer are lost. This has an unfavorable effect on the pressure losses.
If, on the other hand, the intermediate containers are placed in the furnace, they have to be protected against excessive heat radiation by an insulating layer, which requires a lot of construction material. In a gas heater according to the invention, on the other hand, almost the entire pressure loss that can still be accepted from the point of view of efficiency can be used to obtain a sufficient speed for the working fluid in the heater pipes. In the actual heating surface there is then practically no point of loss of pressure that would not also help to improve the heat transfer.
In the drawing, an example embodiment of the subject matter of the invention is illustrated, namely: Fig. 1 in a simplified representation a vertical section through the He heater, Fig. 2 parts of a tubular element of this heater on a larger scale in a development in the plane of the drawing and Fig 3 shows a section along the line III-III in FIG.
In Fig. 1, 1 denotes the furnace of a gas heater set up for coal dust firing. The pulverized coal burners and the devices to be provided in connection therewith are not shown for the sake of simplicity. The combustion chamber 1 is enclosed by walls 2 made of refractory building material. Over the upper wall 2 of the furnace 1, a distributor 3 and a collector 4 for the gas to be heated are arranged, which enters the distributor 3 through a line 5 and exits the collector 4 through a line 6.
E denotes tubular elements of the heater, each of which is connected to the manifold 3 by a pipe 7 and to the collector 4 by a pipe 8. Each tube 7 branches out, viewed in the direction of flow Z of the gas to be heated, into an ever increasing number of branches which are gradually becoming smaller and smaller in diameter. The individual, from batchwise in diameter always smaller who denden ramifications of an element E are denoted by the reference numerals 7 'respectively. 72, 73 and 74 occupied.
The branching group 74 is followed, always viewed in the flow direction Z of the gas to be heated, by a number of branching branches that are intermittently increasing in diameter, which decreases towards the pipe 8 connected to the collector 4; the groups in question are becoming larger and larger in diameter and are given the reference characters 8 'and 8' '', 8 '. Group 74 with the greatest number of branches is in the area of the highest combustion chamber temperatures.
The tubular elements 11 arranged on the furnace wall 9 with the exhaust gas outlet duct 10 are expediently installed in such a way that their tubes are viewed in the area of the flue gas outlet duct 10, in the manner shown in FIG. 3, in the flow direction of the flue gases R, lie in alignment, so that there is a relatively large, free passage cross-section for the flue gases between the individual elements 11 (see FIG. 3).
The foremost branch of these tube elements 11, which is exposed to increased heat build-up as a result of the flame radiation, gas radiation and touch transmission (transverse flow), is preceded by a protective tube 12 with a smaller diameter than that of the branch to be protected, through which a lively heat exchange takes place and that consequently assumes a relatively low pipe wall temperature. By such protective tubes 12, the tube elements 11 are at least partially protected from excessive warming.
By appropriate choice of the flow direction of the working medium in conjunction with the correct definition of the diameter of the various groups of branches, it can be achieved that the pipe wall temperature of a pipe element is approximately the same everywhere, so that the same thermal expansions for the ascending and descending branches result. This has the advantage that only minor structural precautions have to be taken to compensate for thermal expansion, i.e. H. it is possible, please include to store the distributor and collector outside the combustion chamber.
As a result, no expensive compensators then have to be provided in the lines connected to the collector and distributor.
It is not necessary that all heater elements of the same C gas heater are branched to the same extent. For example, the elements exposed to particularly high temperatures can be less branched, so that more gas to be heated flows through them and therefore more heat is dissipated from them than from the more branched elements.