Gaserhitzer. Die Erfindung bezieht sich auf einen Aaserhitzer, insbesondere für eine Gasturbi- irc@nanlage, bei welchem von Heizgas durch strömte Heizrohre durch das Innere einer Kammer geführt sind, durch welche das zu erhitzende (ras geleitet wird.
Bei Gaserhit zern, bei welchen das Heizgas hohe Tempera turen aufweist, beispielsweise bei einem mit- tels Verbrennungsgas beheizten Gaserhitzer, können die Wandtemperaturen der Heizrohre unzulässig hohe Werte aufweisen, was die Betriebssicherheit der Anlage gefährdet und die Lebensdauer dieser Einrichtungen ver- niindert. -Man ist deshalb bestrebt, minde stens in den heissesten Partien dieser Ein- riehtttngen den Wärmeübergang auf der Seite des zu erhitzenden Gases zu verbessern, tnii damit.
die Temperatur in den Wandun- der Rohre, welche vom heissen Verbren- niuigagas durchströmt sind, herabzusetzen. Dies kann beispielsweise in bekannter Weise dadurch erfolgen, dass die Strömungsquer- sehnitt.e der am Wärmeaustausch teilneh- iiienden Medien so bemessen sind, dass auf der Seite des kälteren Gases grössere Strö- nitrngsgeschwindigkeiten auftreten und des halb die Wärmeübertragung verbessert wird.
In vielen Fällen kann aber der Strömungs- duerschnitt des zu erhitzenden Gases nur un- r,enügend iin Sinne einer Vergrösserung der Durchströnigeschwindigkeit gewählt werden. Dies gilt besonders für jene Fälle, bei denen das fleizgas Verbrennungsgas ist., welches mit Rücksicht auf die Reinigungsmöglichkeit seines Strömungsweges durch das Innere der Heizrohre geleitet wird.
Da die Rohre aus konstruktiven Gründen einen gewissen mini malen Abstand voneinander aufweisen müs sen, lässt sich der Strömungsquerschnitt ausserhalb der Rohre nicht unter ein bestimm tes Mass herabsetzen. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges ist deshalb vorgeschlagen worden, die Rohre mit Kühlrippen zu ver sehen, wobei jedoch das Einführen der Rohre in die gelochten Böden der vom kälteren Gas durchströmten Kammer erhebliche Schwierig keiten bereitet.
Ferner besteht die Gefahr, dass bei intensiver Wärmübertragung infolge unzulässiger Wärmespannungen Risse in der Rohrwand auftreten können, weil die Tem peratur der Kühlrippen von derjenigen der Rohrwand wesentlich verschieden ist.
Vorliegende Erfindung ermöglicht, diese Nachteile weitgehend auszuschalten. Sie ist gekennzeichnet durch einen im Innern der Kammer mindestens zwischen einzelnen Heiz rohren im Abstand zu diesen und über min destens einen Teil der Länge der Rohre sich erstreckenden Blecheinsatz. Diese Massnahme bewirkt eine Verminderung des sogenannten hydraulischen Radius des ausserhalb der Reizrohre liegenden Strömungsweges für das zu erhitzende Gas.
Unter dem hydraulischen Radius eines Strömungskanals für eine Flüs sigkeit ist in Ilydraulik der Quotient F/LT de finiert, wobei F die Fläche des Strömungs- querschnittes und Z.." die gesamte Länge des von der Flüssigkeit an der betreffenden Stelle benetzten Umfanges des Strömungs kanals darstellt.
Auf Gasströmungen über tragen bildet der Wert des hydraulischen Radius eine charakteristische Grösse für die Güte der Wä.rineübertragung zwischen zwei gasförmigen Wärmeträgern, welche durch eine WärmeaustaLgsehfläche voneinander le- t.rennt. sind. Es gilt, dass die Wärmeübertra- gung durch Konvektion zwischen zwei ent lang einer Wärmeaustauschfläche geführten gasföinnigen Wärmeträgern bei gleichblei benden Strömungsgeschwindigkeiten,
Strö mungsquerschnitten und Temperaturdiffe renzen einzig mittels einer Verminderung des hydraulischen Radius durch entsprechende Formgebung der Strömungskanäle verbessert werden kann.
Zweckmässig kann in einem Gaserhitzer, bei welchem die von Heizgas durchströmten Rohre in koaxialen, ringförmigen Reihen an geordnet sind, der Blecheinsatz 'ein zwischen je zwei benachbarten Rohrreihen angeord netes ".Vlantelblech aufweisen. Dabei kann der Blecheinsatz zusätzlich in radialer Richtung zwei benachbarte Mantelbleche verbindende Bleche zwischen je zwei benachbarten Roh ren derselben Rohrreihe aufweisen, womit jedes Heizrohr im Innern einer durch den Blecheinsatz gebildeten wabenförmigen Zelle angeordnet ist.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert..
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Gaserhitzer einer Gasturbinenanlage, welcher mit eineng Blecheinsatz versehen ist.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Gaserhitzer.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen andern Gaserhitzer, welcher ebenfalls mit einem Blecheinsatz ausgerüstet ist. Glei che Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Brennkammer 1 des in Fig. <B>1</B> und Fig. <B>22</B> dargestellten Gaserhitzers wird durch den Stutzen ? Verbrennungsluft zugeführt. Der in ihr enthaltene Sauerstoff dient zur Verbrennun-. des durch die Leitung 3 zu#rc- führten und mittels der Düse 4 fein zer stäubten flüssigen Brennstoffes. Das entste hende heisse Verbrennungsgas strömt durch zwei ringfö rinig angeordnete Rohrreihen und 6, wo es sich abkühlt.
Hierauf wird das Verbrennun-.sgas im Raum 7 gesammelt und durch den Stutzen 8 einem. nicht lezeielineteri Verbraucher, beispielsweise eitler Gasturbine, zugeführt. Das zu erhitzende Gas, z. B. Luft, wird durch den Stutzen 9 in eine rin *rif@ir- nlige Kammer 10 des Gaserhitzers eingeführt, welche in axialer Richtung gegen den Brenn- raum 1 durch den Boden 11 und gegen den Raum 7 durch den Boden 1.2 cesehlossen ist.
In radialer Richtung ist die Kammer 10 durch die beiden Mantelbleche 13 und 14 be grenzt. Zur Kühlung der Aussenwand 15 des Gaserhitzers ist zwischen ihr und dem äussern Mantelblech 13 ein Zwischenraum 16 vor gesehen, welcher von dem zu erhitzenden Gas aufgefüllt ist. Dieses gelangt durch die zwi schen Boden 12 und Mantel. 13 angebrachte Öffnung 17 in die Kammer 10 und strömt hierauf entlang der durch die Wandungen der Heizrohre gebildeten Wä.rineaustausch- fläche nach oben und verlä.sst die Kammer 10 in erhitztem Zustande durch die zwischen Mantel 13 und Boden 11 vorgesehene Öff nung 18.
Die so erhitzten Gase werden über den Sammelraum 19 durch den Stutzen 20 ebenfalls einer Verbrauchsstelle zugeführt. Der Sammelraum 19 ist vom Raum 16 durch den Zwischenboden 21 getrennt.
Eine kleine Teilmens-e des zit erhitzenden Gases wird durch die öffnung 22 und den freien Innenraum 23 des Gaserhitzers in praktisch unerhitztenl Zustand zum Boden 11 geführt und durch den vom Boden 11 und dem Blech 24 gebildeten Kanal 25 geleitet. Hier dient diese Teilmenge zur Kühlung des Bodens 11. und der durch diesen geführten Enden der Heizrohre, welche der Heizwir- kung des aus dein Brennraum austretenden Verbrennungsgases in besonderem Masse aus- gesetzt sind.
Anschliessend vermischt sich diese zit Kühlzwecken dienende Teilmenge cles zti erhitzenden Gases mit dem Haupt- strottl der aus der Kammer 10 in erhitztem Zustand abgeführten Gase.
Nach Fig. ? ist in der Kammer 10 ein 11leeheinsatz 26 in Form eines wellblech- I'örmig ausgebildeten Mantelblecbes zwischen (teil beiden Rohrreihen 5 und 6 und im Ab- stand zu diesen angeordnet, welches sich Tiber (teil ";röl.ltett \feil der Länge der Rohre in der Kammer 1.0 erstreckt..
Diese Mass- iialinte bewirkt eine Verminderung des hy- (Irattlisehen Radius des Durchströniquer- ,chnittes für das zti erhitzende Gas und ermöglieht eine erhebliche Verbesserung der Wärmeübertragung durch Konvektion, was einen erhöhten Gütegrad des Wärmeaustau sches zur Folge hat.
Damit kann die Tempe ratur der Wandungen der Heizrohre be- ti#äelitliclt herabgesetzt werden, was die Be- I riebssicherheit und die Lebensdauer des Gaserhitzers vergrössert.
Die Strömung des ausserhalb der Rohr wände der Heizrohre geführten Gases kann -tuelt bloss über einen Teil der Wärineaus- tausehfläehe mittels des Blecheinsatzes in einzelne Teilströme aufgeteilt, sein. Beispiels weise könnte bei dem in Fig. 1. gezeichneten Gaserhitzer der Blecheinsatz vom obern Ende der Kammer 10 nur über die Länge a nach unten reichen.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Druckverluste infolge Auf teilung der (3,asströmung in einzelne Teil ströme kleiner ausfallen, wobei trotzdem die Wärmeübertragung über denjenigen Teil der Wä.rmeaustauschfläehe verbessert wird, in welchem die Rohre dem unmittelbar aus dem Brennraum kommenden heissen Verbren nungsgas ausgesetzt sind.
Es empfiehlt sich, den Blecheinsatz 26 mittels Einbau zusätzlicher Blechelemente im pinne einer weiteren Verminderung des liy- draulisehen Radius auszubilden. Fig. 3 zeigt eine solche Anordnung mit einem zickzack- i'örinig ausgebildeten Mantelblech 26, wobei in radialer Richtung zwei benachbarte Man telbleche 26 und 13 bzw. 26 und 14 verbin- dende Zwischenbleche 27 vorgesehen sind.
Damit, erhält der Blecheinsatz 26, 27 einen solchen Querschnitt, dass jedes Heizrohr in das Innere einer durch den Blecheinsatz ge bildeten wabenförinigen Zelle zu liegen kommt. Diese Massnahme vergrössert den von der Gasströmung bestrichenen Umfang des Durchströmquerschnittes bei praktisch gleich bleibender Strömungsgeschwindigkeit in erheb lichem Masse und ermöglicht dank der erziel ten weiteren Verminderung des hydrauli schen Radius eine Verbesserung der Wärme- übertragung durch Konvektion an<B>das</B> die Kammer 10 durchströmende Gas.
Die Erfindung ist nicht auf die in der Erfindung gezeichneten Ausführungsbei spiele beschränkt. Der Blecheinsatz könnte auch andere, nicht gezeichnete Querschnitts- profile aufweisen, welche eine Verminde rung des hydraulischen Radius für den Strö- inungsweg des zu erhitzenden Gases herbei führen. Die damit erzielte Verbesserung der Wärmeübertragung beruht in allen Fällen auf einer Vergrösserung der Turbulenzerschei- nungen im Strömungsweg des entlang den Heizrohren und den Wänden des Blechein satzes geführten Mediums.