Wärmeaustauscher. Die Erfindung betrifft einen Wärme- austauscher, insbesondere zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für Gasturbinenan- lagen, bei dem das eine wärmeaustauschende Medium in mehreren Zügen quer durch den wärmeabgebenden Gasstrom hindurchgeleitet wird. Bei Wärmeaustauschern dieser bekann ten Bauart wird beispielsweise die im Kreuz strom geführte und aus einem zentral an geordneten Rohrbündel wärmeaufnehmende Verbrennungsluft am Ende jedes Einzelzuges durch eine einfache Umlenkkappe in den nächstfolgenden Querzug geleitet.
Dabei weisen die aus der Unterseite eines Zuges entnommenen Gase eine merklich niedrigere Temperatur auf, als etwa die an der Oberseite des Zuges sich befindlichen Gasschichten, falls das wärmeabgebende Röhrenbündel in der Richtung von oben nach unten durch strömt wird. Dieser Temperaturunterschied ist darauf zurückzuführen, dass dem in den Röhren fliessenden Medium ständig Wärme entzogen wird. Die in den einzelnen Quer zügen des Wärmeaustauschers strömende Verbrennungsluft wird demzufolge ein ge wisses Temperaturprofil aufweisen, das ent sprechend der Grösse des Wärmeaustauschers und damit der Strömungskanäle mehr oder minder stark ausgeprägt sein wird.
Bei Ver wendung der bisher üblichen einfachen Um lenkkappe zwischen zwei benachbarten Zügen tritt infolge dieses Umstandes der Nachteil ein, dass die aus der Unterseite eines Zuges austretenden Gasschichten, die eine niedri gere Temperatur aufweisen als die an der Oberseite des gleichen Zuges befindlichen, in die Oberseite des folgenden Zuges und die aus der Oberseite des Zuges stammenden Gasschichten an die Unterseite des nächsten Zuges, d. h. also mit vertauschtem Tempe raturprofil eingeleitet werden.
Diese ständige Umkehrung des Temperaturfeldes innerhalb des betreffenden Gasstromes, die bei jeder Umlenkkappe der bisher bekannten Bauart zwangläufig stattfindet, wirkt sich jedoch auf die Güte des Wärmeaustauschers un günstig aus. Auch muss man bei der bisher üblichen Ausführung zum Zwecke einer Reinigung der einzelnen Strömungskanäle stets den ganzen Wärmeaustauscher still setzen, was mit einer mehr oder minder langen Unterbrechung des Betriebes ver bunden ist.
Diese Nachteile werden bei einem Wärme- austauscher erfindiuigsgemäss dadurch ver mieden, dass das im Kreuzstrom geführte Wärmeaustauschermedium zumindest in den Umlenkeinrichtungen in mehrere sich über schneidende Einzelströme unterteilt und der art in den nächstfolgenden Zug eingeleitet wird, dass trotz der räumlichen Umlenkung das Temperaturprofil aus dem vorherigen Zug annähernd erhalten bleibt.
Der aus der unteren Hälfte des Zuges austretende Ver brennungsluftstrom wird also in der Um lenkkappe so geführt, dass er in dem nach- folgenden Querzug wiederum in den unteren Teil des Strömungskanals einmündet, wäh rend die aus der obern Hälfte entnommenen Gase in die obere Hälfte des folgenden Zuges eingeleitet werden. Auf diese Weise ist es möglich, dass sich innerhalb eines Querzuges ausbildende Temperaturfeld in seiner Schich tung annähernd ungestört zu erhalten.
Die Umlenkkappe mit den sich überschneidenden Strömungskanälen bietet dabei nicht nur den Vorteil einer gleichmässigeren Anwärmung der Verbrennungsluft, sondern ergibt auch innerhalb der einzelnen Strömungswege eine sanftere und bessere Gasumlenkung. Es ist dadurch die Gewähr gegeben, dass die vom Heizmittel durchströmten. Rohre auf der ganzen Länge des Zuges gleichmässig von dem wärmeaufnehmenden Gas beaufschlagt werden. Dies ist nämlich bei der bekannten einfachen Umlenkkappe nicht der Fall.
Die direkt unter dem Zugblech, das die obere Begrenzung eines Querzuges darstellt, aus tretenden Gase kommen, da die Umlenkung zu scharf ist, nicht direkt über das Zugblech im nächsten Zug zu liegen, sondern werden stets nach oben gedrückt. Dies bedeutet aber eine ungleichmässige Anströmung der Heiz rohre und eine unvollkommene Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Heizfläche.
Weiterhin ist es möglich, dass im Kreuz strom durch den Wärmeaustauscher ge führte Medium bereits im Eintrittsstutzen des ersten Querzuges durch Trennwände in mindestens zwei Einzelströme aufzuteilen und in diesen Teilströmungskanälen Absperr organe anzuordnen, mittels welchen die Einzelströme für sich alleine abgeschaltet werden können.
Gegenüber der einfachen Umlenkkappe ergibt sich daraus der beson dere Vorteil, dass die Strömungswege der einzelnen Querzüge gereinigt werden können, ohne den ganzen Wärmeaustauscher und damit die Gasturbinenanlage gleich voll kommen stillsetzen zu müssen.
Zu diesem Zwecke schaltet man beispielsweise die eine Hälfte der Strömungskanäle für die im Kreuzstrom geführte Verbrennungsluft mit tels der Absperrorgane ab und kann durch an den Umlenkkappen angebrachte Öff nungen Pressluft einblasen, um auf diese Weise diese eine Zughälfte zu reinigen, während der normale Betrieb der Gastur binenanlage weiterläuft. Die Reinigung der andern Hälfte der Kanäle erfolgt sodann in analoger Weise.
Die Möglichkeit des Abschaltens der einen Hälfte der Strömungswege des Wärme- austauschers kann schliesslich unter Um ständen bei einer Gasturbinenanlage not wendig werden, bei welcher die Nutzleistung aus irgendwelchen Gründen von der Hoch druckturbine abgenommen wird. Die Eigen art dieser Schaltung bedingt bei Teillast betrieb, dass die Eintrittstemperatur der Treibgase der Hochdruckturbine stark ab gesenkt werden muss, während die Ein- und Austrittstemperatur der Niederdruckturbine ziemlich konstant bleiben soll.
Da bei Ver wendung der gesamten Wärmeaustauscher- Heizfläche auch die Luftaustrittstemperatur praktisch konstant bleibt, würde damit bei Teillast die Nutzturbinen-Eintrittstempera- tur, die der Luftaustrittstemperatur aus dem Wärmeaustauscher entspricht, zu hoch. Die ser Nachteil kann durch das teilweise Ab schalten der Wärmeaustauscher-Heizfläche vermieden werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel eines Wärineaustauschers nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch die beiden untern Züge eines Wärmeaustauschers finit einfacher Umlenkkappe nach der bisher üblichen Bauweise, Fig.2 den gleichen Teilschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit einer Umlenk- kappe mit sich überschneidenden Kanälen,
Fig. 3 eine Draufsicht auf den nach der Linie III-III geschnittenen Wärmeaustau- scher der Fig. 2.
In Fig. 1 sind die beiden untern Züge eines Wärmeaustauschers der bisher bekann ten Bauart dargestellt. Das eine der beiden wärmeaustauschenden Medien strömt dabei in Richtung des Pfeils A durch das Rohr- Bündel 1 von oben nach unten, während das andere im Kreuzstrom in mehreren quer dazu angeordneten Zügen in Richtung des Pfeils B hindurchgeleitet wird. Letzteres tritt durch den Flanschstutzen 2 in den ersten Querzug 3 ein und wird mittels der einfachen Umlenk- kappe 4 in den nachfolgenden Zug 5 geleitet. Die beiden Züge 3 und 5 sind durch das Zug blech 6 voneinander getrennt.
Bei dem Um lenkvorgang des Mediums durch die Urnlenk- kappe 4 tritt eine nachteilige Vertauschung des Temperaturprofils des einen Wärmeaus tauschermediums in der Weise ein, dass die kühlere Gasschicht 7 aus der untern Hälfte des Zuges 3 nach der Überführung in den folgenden Zug 5 an die Stelle 8 mit .höherer Temperatur kommt, während das an sich heissere Gas aus der obern Zone 9 des Zuges 3 nunmehr in die relativ kühlere Zone 10 des Zuges 5 gelangen würde.
Diese ungünstige Vertauschung des Tem peraturfeldes innerhalb eines Wärmeaus tauscherquerzuges wird bei der Ausführung, wie sie in Fig. 2 und 3 abgebildet ist, ver mieden. Auch dort durchströmt das eine wärmeaustauschende Medium die Aus tauscherrohre 1 von oben nach unten in der Pfeilrichtung A und das zweite wird im Kreuzstrom durch die einzelnen übereinander angeordneten Züge geleitet (Pfeilrichtung B). Der in den Flanschstutzen 2 eintretende Gasstrom wird jedoch durch ein Leitblech 11 in dem ersten Zug 3 gleich in zwei Teilströme 12 und 13 aufgeteilt.
In gleicher Weise ist auch die Umlenkkappe 4 durch Leitbleche 14, 15 in einzelne Strömungskanäle 13 a bzw.<I>12</I> a imd 12 b unterteilt. Dabei ist die Anordnung so getroffen, dass der Teilstrom 13 aus der untern Hälfte des Zuges 3 in den zentralen Kanal 13a der Umlenkkappe 4 mündet, in diesem zum nächstfolgenden Zug 5 hoch geführt wird und dort so einmündet, dass Teilstrom 13, der der untern Hälfte des Zuges 3 entnommen wurde, in dem Zug 5 wiederum den untern Teilstrom 16 bildet.
Der obere Teilstrom 12 des untern Zuges 3 wird durch einen Einsatzkörper 17 nochmals geteilt, in den Kanälen 12a, 12b zum näch sten Zug 5 hochgeführt und dort in den obern Teil 18 dieses Zuges eingeleitet. In der Um lenkkappe 4 sind also sich überschneidende Strömungskanäle (13 a bzw. 12 a und 12 b) angeordnet, die eine Vertauschung des Tem- peraturprofils aus dem Zug 3 bei dem Über führungsvorgang des Gases in den nächst folgenden Zug vermeiden.
Dieser Umlenk- vorgang innerhalb der einzelnen Umlenk- kappen wiederholt sich bei den nachfolgenden Querzügen des Wärmeaustauschers stets in der gleichen vorher beschriebenen Art und Weise.
Bei dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustau- schers gemäss der Erfindung strömt das wärmeabgebende Medium in Richtung des Pfeils A durch das Rohrbündel 1, während das wärmeaufnehmende Medium im Kreuz strom in mehreren übereinander angeordne ten Zügen geführt wird (Pfeilrichtung B). Es ist natürlich auch denkbar, dass die Wärmeaustauscherrohre in den einzelnen Querzügen vorgesehen sind, d. h. also, dass das im Kreuzstrom geführte wärmeaufneh mende Medium innerhalb eines Rohrbündels geführt wird.
An Stelle der Umlenkkanäle 12a, 12<I>b</I> und 13a können unter Umständen auch entsprechend konstruierte Rohrkrüm mer oder, bei Einbau eines zentralen Rohr bündels, direkt im umgebenden Mauerwerk nach Art dieser Kanäle 12a, 12<I>b</I> und 12a gemauerte Schächte oder dergleichen vor gesehen sein.
Die Teilströme des Wärmeaustauschers können schliesslich noch einzeln für sich ab geschaltet werden. Zu diesem Zwecke sind Absperrorgane 19, 20 in den Teilströmungs- kanälen angeordnet. Diese Organe können entweder in dem Eintrittsstutzen des ersten Querzuges oder unmittelbar in den einzelnen Umlenkeinrichtungen vorgesehen sein.
Heat exchanger. The invention relates to a heat exchanger, in particular for preheating combustion air for gas turbine systems, in which the one heat-exchanging medium is passed in several passes transversely through the heat-emitting gas flow. In heat exchangers of this well-known design, for example, the cross-flow and heat-absorbing combustion air from a centrally arranged tube bundle at the end of each individual pass through a simple deflector cap is passed into the next transverse pass.
The gases taken from the underside of a train have a noticeably lower temperature than the gas layers located on the top of the train if the heat-emitting tube bundle is flowing through in the direction from top to bottom. This temperature difference is due to the fact that heat is constantly being extracted from the medium flowing in the tubes. The combustion air flowing in the individual transverse trains of the heat exchanger will therefore have a certain temperature profile that will be more or less pronounced according to the size of the heat exchanger and thus the flow channels.
When using the previously common simple order steering cap between two adjacent trains, the disadvantage occurs as a result of this fact that the gas layers emerging from the underside of a train, which have a lower temperature than those on the top of the same train, enter the top of the following train and the gas layers originating from the top of the train to the underside of the next train, d. H. thus be initiated with a reversed temperature profile.
This constant reversal of the temperature field within the gas flow in question, which inevitably takes place with every deflection cap of the previously known type, has an unfavorable effect on the quality of the heat exchanger. Also you have to always shut down the whole heat exchanger in the previously usual design for the purpose of cleaning the individual flow channels, which is connected with a more or less long interruption of operation.
These disadvantages are avoided in a heat exchanger according to the invention by dividing the cross-flow heat exchanger medium at least in the deflection devices into several intersecting individual flows and introducing it into the next train in such a way that the temperature profile from the previous one is used despite the spatial deflection Train is almost preserved.
The combustion air flow emerging from the lower half of the train is thus guided in the deflecting cap in such a way that it flows into the lower part of the flow channel in the subsequent transverse train, while the gases extracted from the upper half into the upper half of the next move. In this way it is possible for the temperature field that forms within a transverse train to be kept almost undisturbed in its stratification.
The deflection cap with the intersecting flow channels not only offers the advantage of more even heating of the combustion air, but also results in a smoother and better gas deflection within the individual flow paths. This guarantees that the heating medium flows through them. Pipes are evenly exposed to the heat-absorbing gas along the entire length of the train. This is namely not the case with the known simple deflecting cap.
The gases coming out directly under the tension plate, which is the upper limit of a cross train, because the deflection is too sharp not to lie directly over the tension plate in the next train, but are always pushed upwards. However, this means an uneven flow to the heating pipes and imperfect utilization of the available heating surface.
It is also possible to divide the medium passed through the heat exchanger in the cross flow into at least two individual flows in the inlet connection of the first transverse pass through partition walls and to arrange shut-off devices in these partial flow channels, by means of which the individual flows can be switched off on their own.
Compared to the simple deflection cap, this has the particular advantage that the flow paths of the individual transverse trains can be cleaned without having to shut down the entire heat exchanger and thus the gas turbine system.
For this purpose, for example, one half of the flow channels for the cross-flow combustion air is switched off by means of the shut-off devices and compressed air can be blown in through openings attached to the deflection caps in order to clean this one half of the train in this way during normal operation of the gas door machine continues to run. The other half of the canals are then cleaned in an analogous manner.
The possibility of switching off one half of the flow paths of the heat exchanger may ultimately be necessary in a gas turbine system in which the useful power is taken from the high pressure turbine for whatever reasons. The peculiarity of this circuit means that at partial load operation, the inlet temperature of the propellant gases of the high-pressure turbine must be greatly reduced, while the inlet and outlet temperature of the low-pressure turbine should remain fairly constant.
Since the air outlet temperature also remains practically constant when the entire heat exchanger heating surface is used, the power turbine inlet temperature, which corresponds to the air outlet temperature from the heat exchanger, would be too high at partial load. This disadvantage can be avoided by partially switching off the heat exchanger heating surface.
In the drawing, an execution example of a heat exchanger according to the invention is shown, namely Fig. 1 shows a section through the two lower trains of a heat exchanger finitely simple deflection cap according to the previously common design, Fig.2 the same partial section through a heat exchanger with a deflector - cap with intersecting channels,
3 shows a plan view of the heat exchanger of FIG. 2 cut along the line III-III.
In Fig. 1, the two lower trains of a heat exchanger of the previously known th design are shown. One of the two heat-exchanging media flows in the direction of the arrow A through the tube bundle 1 from top to bottom, while the other is passed through in the direction of the arrow B in a cross flow in several trains arranged across it. The latter enters the first transverse train 3 through the flange connector 2 and is passed into the subsequent train 5 by means of the simple deflection cap 4. The two trains 3 and 5 are separated from each other by the train plate 6.
When the medium is deflected through the urnlenk- cap 4, the temperature profile of one heat exchanger medium is detrimentally reversed in such a way that the cooler gas layer 7 from the lower half of the train 3 takes its place after the transfer to the following train 5 8 comes with a higher temperature, while the actually hotter gas from the upper zone 9 of the train 3 would now get into the relatively cooler zone 10 of the train 5.
This unfavorable exchange of the tem perature field within a Wärmeaus exchanger cross train is avoided in the execution, as shown in Fig. 2 and 3, ver. There, too, the one heat-exchanging medium flows through the exchanger tubes 1 from top to bottom in the direction of arrow A and the second is passed in a cross flow through the individual trains arranged one above the other (direction of arrow B). The gas flow entering the flange connection 2 is, however, divided equally into two partial flows 12 and 13 by a guide plate 11 in the first train 3.
In the same way, the deflection cap 4 is also divided into individual flow channels 13 a or 12 a and 12 b by guide plates 14, 15. The arrangement is such that the partial flow 13 from the lower half of the train 3 opens into the central channel 13a of the deflection cap 4, is led up in this to the next train 5 and opens there so that the partial flow 13, that of the lower half of the train 3 was removed, in the train 5 again forms the lower partial flow 16.
The upper partial flow 12 of the lower train 3 is divided again by an insert body 17, led up in the channels 12a, 12b to the next train 5 and there introduced into the upper part 18 of this train. Intersecting flow channels (13 a or 12 a and 12 b) are arranged in the reversing cap 4, which prevent the temperature profile from being interchanged from train 3 when the gas is transferred to the next train.
This deflection process within the individual deflection caps is always repeated in the same previously described manner in the subsequent transverse passes of the heat exchanger.
In the embodiment of a heat exchanger according to the invention shown in FIGS. 2 and 3, the heat-emitting medium flows in the direction of arrow A through the tube bundle 1, while the heat-absorbing medium is guided in a cross flow in several superimposed trains (direction of arrow B) . It is of course also conceivable that the heat exchanger tubes are provided in the individual transverse passes, i. H. that is, that the heat-absorbing medium carried in cross-flow is carried within a tube bundle.
Instead of the deflection channels 12a, 12 <I> b </I> and 13a, appropriately constructed pipe bends or, if a central pipe bundle is installed, directly in the surrounding masonry like these channels 12a, 12 <I> b < / I> and 12a brick shafts or the like must be seen in front.
The partial flows of the heat exchanger can finally be switched off individually. For this purpose, shut-off elements 19, 20 are arranged in the partial flow channels. These organs can be provided either in the inlet connection of the first transverse train or directly in the individual deflection devices.