DE1601939A1 - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. HLWeickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.WEICKMANN, Dipl.-Chem. B. Hub.er

8 MÜNCHEN 27, DEN

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

SABIi

AlSRIGAN UMMISB & SOTMDRX ÖÖMEüjY, 261 Madison Avenue, Hew lork, Η.Ί. ΙΟΟΙβ, T.St.ν.Α.

w'ämieaustaus eher

Die ürfiridurig liegt auf dem Gebiet der Dampfkessel und "betrifft des Haheren einen Wärmeaustauscher zur Verwendung in einem Dampfkessel,, der eine Gasturbine als Wärmeerzeuger ■benutzt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es..», eine Wärmeaustauschvorrichtung für einen Kessel zu schaffen, die von gedrängter Bauart ist. Wetter will die Erfindung eine Wärmeaustauschvorrichtung für einen Kessel schaffen, deren Gewicht annähernd gleich dem Gewicht des Wärmeerzeugers ist. Die Wärmeaustausch vorrichtung soll rasch den stationären Betriebszustand er-r

reichen. Sie soll sich-sowohl mit einem flüssigen wie mit einem- gasförmigen Medium bewähren. Endlich will die Erfindung eine Wärmeaustauschvorrichtung für einen Kessel schaffen, die zuverlässig im Betrieb und wirtschaftlich in der Herstellung ist.

Weitere Aufgaben und viele Yorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden genauen Beschreibung einer ea?·* findungsgemäßenVorrichtung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines Dampfkessels mit der erfindungsgemäßen Konstruktion;

Fig. 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Konstruktion;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 eine Ansicht nach der Linie 4-4 der Fig. 2;

Fig. 5 eine isometrische Ansicht eines Umlenkventils und eines zugehörigen ifebenkanals;

Fig. 6 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Konstruktion in einer Anordnung zum Betrieb als Heißwasserbereiter;

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I-'ig. 7 eine Seitenansicht der erfindungs gemäßen Konstruktion zusammen mit einer Dampftrommel zum Bettlet) als Dampf g-enerat or;

1"¹Ig. 8 eine erfiiidungsgemäße Konstruktion in der Anordnung zum Be trieb als DurchlaufkesselJ -'

l^?i/3» 9 eine Anwendung der erfinduaigsgemäßen SJDnstruktion als öclinellverdampferj

KLg, 10 ein JJijagramm, das Me Abhängigkeit der tritt st emperatur ττοη der rüeücgewönnenen liaaanemenge fur "yersehieäene Anzaiilen von liärmeaustauselieiDJneiten zeigt.

In den Seielmungen kennzeißlmen gleicne "uezcigsziff ern gleiche ^eile. ' · -

v/ie !'''ig. 1 zeigt, ist eine Wärmequelle_f beispielsweise eine SurMne 16., an einen ?ea?teiler 18 angeschlossen^ durch den die heißen SurMnenahgaie in eine oder mehrere iiärmeaustausch einheiten 20 igelangen:. Bin Dämpfer 24 kann an das hintere iiinde der l/ärmeaustauschbatterie angeschlossen sein* Das vollständige Aggregat,, bestehend aus der lurbine., dem Yerteiler, dem viärmea'ustatis'cher welSl dem Bämpier-, ist mittels Schrauben, Bieten oder dergleichen: an"einem nahmen

"befestigt und bildet eine in sich geschlossene Einheit.

Der Wärmeaustauscher 20, der in !"ig. 2 genauer gezeigt, ist, verwendet eine "Wasserwand", die einen Abschnitt eines Hauptkanals 21 umgrenzt, durch welchen das Heißgas strömt. Dazu wird der Hauptkanal von einem oberen Durchflußraum 28, der als eine Endkammer angesehen werden kann, sowie von einem unteren, als eine zweite Endkammer anzusehenden Durchflußraum 30 und zwei seitlichenDurchflußraumen 32, 34 begrenzt. Dieser somit von den vier miteinander in Verbindung stehenden Durchflußräumen umgebene Hauptkanal enthält mehrere Wärmeaustauschrohre 36, die eine Vielzahl von eng nebeneinander liegenden Rippen 38 tragen. Die Wärmeaustauschrohre 36 und die Rippen können aus einen beliebigen wärmeleitenden Werkstoff sein. Eisen hat sich als brauchbar erwiesen. Die Wärmeaustauschrohre 36 führen ein strömendes Medium,, das auf seinem Weg zwischen dem oberen Durchflußraum 28 und dem unteren Durchflußraum 30 von einer Heißgasströmung entlang den Außenflächen der Rohre erwärmt wird. Die Wörmeaustauschrohre in dem Hauptkanal-21 können beliebig angeordnet sein und jede gewünschte Zahl von Reihen bilden, ffig. 4 veranschaulicht eine mögliche Anordnung, bei welcher die Vorrichtung eine Doppelreihe von Rohren enthält, die zueinander entsprechen den Decken gleichseitiger Dreiecke versetzt sind.

Die Wärmeaustauschrohre 36 sind wasserdicht mit den Durch-

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flußräumen. 28 und 30 verbunden, "beispielsweise durch. Verlöten oder Verschwelssen, wobei zwischen den Rippen 38 und den Wänden, der Durchflußräume 28 und 30 ein kleiner Abstand "bleibt.

Sine erste Leitung, etwa in Form eines Rohres 40mit einem lisaacli 42, stellt eine Verbindung mit dem Inneren des Durchflußraumes 30 her. Eine zweite Leitung, etwa inForm eines Rohres 44 mit einem Plansch 46t führt ins Innere des Durchflußraumes 28. Die Rohre 40, 44 sind flüssigkeitsdieht mit der Wand des zugehörigen Durchflußraumes verbunden, beispielsweise durch Anschrauben, Festschweißen, Anlöten oder dergleichen. Die Seitenwände des Wärmeaustauschers stehen, über den äußeren Rand der oberen und des unteren Durchflußraumes und der beiden seitlichen Durchflußräume vor, so daß zwei Flansche entstehen, einer auf 3eder Seite, des Wärmeaustauschers. Jeder dieser Flansche hat mehrere Löcher 50. Die Flansche erleichtern denZusammenbau der einzelnen Einheiten.

Bei manchen Anlagen soll der Ausstoß des Kessels gedrosselt werden,indem daß erhitzteMedium ganz oder teilweise abgelaeeen wird. Dies geschieht mit Hilfe eines Ifialenkventils, das wahlw^iee in eine Stellung bringbar ist, in der es das Heißgas duroh einen Nebenlcanial solflokt, so daß die Hehrl der ^ärmeauatauschrolire Uberl?rUokt wird. Eig. 5 ver-

roetto/oia*

anschaulicht in einer perspektivischenAnsicht die Konstruktion eines solchen Umlenkventils und des Hebenkanals.

Wie die .Pig. 5 erkennen läßt, wird die Heii3gasströmung durch den Mebenkanal selektiv von einem Umlenkventil gesteuert, das zwei vertikal angeordhet-e Klappen 58, 60 hat. Me Klappe 60 ist starr an einem Schaft 62 "befestigt, der drehbar in dem stromabwärts divergierenden Seil 17 des Verteilers 18 abgestützt ist. Die Klappe 60 ist innen wärmeisoliert, um ein Entweichen von zuviel Wärme in den Wärmeaustauscher zu vermeiden, wenn das gesamte Heißgas durch den iiebenkanal geleitet wird. Dm den Wärmeverlust weiter habzusetzen, legen sich die Klappen iß ihren äußersten Stellungen gegen Dichtungen an» Bine Vorderplatte 64, deren Form die !Turbulenz vermindert, ist mit einer zweiten Platte 65 hinterlegt, die einen Abstand zur Vorderplatte hat, um den Wärmeübergang zu reduzieren. Die Platte- 65 dient außerdem als Anschlag für die Klappe 60. Die Klappe 58 ist genau so konstruiert und gehaltert wie die Klappe 60. Der Schaft 62 der Klappe 60 trägt einen Hebelarm 66 und der entsprechende Schaft 67 der Klappe 58 trägt einen Hebelarm 68. Der Hebelarm 66 ist mit einem Solenoid 76 schwenkbar verbunden, das von einem Betätigungsmechanismug 70 für den Webenkanal geschaltet wird und seinerseits den Hebelarm bewegt. An dem Hebelarm 68 ist eine I'eder 78 befestigt^ deren anderes Encte

bad orjqinal:

aa !einem Stift 80 verankert ist, der"an. dem Verteiler 18 sitzt,-Die reder zieht die Klappe 58 in eine (if fnungs st ellung, in der sie den Seitenkanal freigibt, dadurch daß mit Hilfe: dieser !feder der Klappe 53 eine Vorspannung gegeben ist, setzt .der Betätigungsmechanismus 70 die beiden Klappen 60, 58 nicht gleichseitig sondern nacheinander in Gang. Auf diese weise erzielt man einen stufeiiweisen Betrieb, der die 5!emperatursteuerungsfähigfceit des Ventils verfeinert, !wafirlich kann man die gleiche aufeinanderfolgende Betätigung der Klappen auch dadurch -erreichen, daß man zwei Solenoide und zwei Betätigungsmechänismen hierf^;.lr verwendet, eines für jeden liebe lärm, und eineji der beiden Betätigungsmechanismen auf einen etwas füheren Start einstellt. Der Betätigungsmeehanismus lcann ein Druclc- oder !Ilem'ceraturfiihler sein, der so angebracht ist, daS er das in dem viärmeaustauscher erhitzte Medium überwacht. Während des betriebs sendet ein solcher BruclE— oder lemperaturfähler ein elektrisches Signal an das Solenoid, um die Klappen entweder zu öffnen oder zu schlieisen. Uenn der Brück gemessen wird, wird ein Ansteigen des Dampfdruckes in dem Wärmeaustauscher 20 über einen vorgegebenen Wert von der iiberwaehungsvorrichtung v/ahrgenommen und diese zwingt das Solenoid, die Klappen zu öffnen und einen l^leil des Heißgases umzuleiten. In entsprechender Welse wird ein zu niedriger Druck dadurch korrigiert, daß die Klappen an den Hetrenkanal verschließen und das Heißgas über die gerippten Wärmeaustauschrohre geleitet wird,

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um Βξ> den Wärmeübergang zu erhöhen und damit auch, den Druck, Unter stationären Bedingungen wird ein Zustand erreicht, bei dem kein elektrisches Signal mehr zur Betätigungsvorrichtung geschickt wird und der Druck konstant bleibt.

ViTie Pig. 5 zeigt, wird der Hebenkanal von festen Blechteilen begrenzt, die Boden, Decke und Seitenwände eines Kanals 82 bilden, welcher im Querschnitt quadratisch, rechteckig oder sonstwie geformt sein kann. In dem Kanal 82 ist von den Wänden des Kanals abgerückt eine perforierte Platte 84- angeordnet, die einen zweiten Kanal 86 abgrenzt.'Der Zwischenraum zwischen dem breiteren Kanal .82 und dem engeren Kanal 86 ist mit einer schalldämmenden Packung ausgefüllt, die auch noch die Webenfunktion einer thermischen Isolierung hat. Auf diese Weise ist das durch den Kanal 86 strömende. Heißgas mechanisch und thermisch von den Wärmeaustauschrohren 36 isoliert und zugleich ist der [üurbinenausstoß teilweise gedämpft* ¥enn ein Bebenkanal verwendet wird, um das unerwünschte Heißgas abzuleiten, müssen die Wärmeaus- . tauscheinheiten so abgeändert-, wer den, daß sie diesen Mebenkanal aufnehmen, v/ie Fig. 3 erkennen laßt, wird -"aum für den iiebenkanäl dadurch geschaffen, daß der Wärmeaustauscher 20 nach der Seite zu verbreitert wird, so daß ein Spalt 52 entsteht, der zentral zwischen den beiden Seitenwänden angeordnet sein kann. Der Spalt 52 hat eine solche Größe» daß er den Kanal 82 aufnimmt. Beim Zusammenbau werden die Wärmeaustauseheinheiten 20 so an dem Kanal 82 in

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Stellung gebracht, daß der Kanal 82 denSpalt 52 der Wärmeaustauscheinlieiten 20 durchzieht.

In einer fertigen, zusammengebauten Vorriclxtuag sind War-« meauBtauscheiriheiten 20 in yo*gegebOne:i?Anzahl, eine hinter der anderen, zusapnenge^iigt j WQt)Si die Anzahl der Einheit eil von der Grdße, derUJurbifcer bestimmt wiiEd; 33as Diagrainm der Pig. 10 läßt erkennen, wie die rückgewonnene Wärmemenge für eine bestimmte Turbine sich ändert, wenn dieAnzahl der Wärmeaustauscheinheiten 20 von vier auf acht erhöht wird* Wie zu erwarten, nimmt die prozentuale Zunahme des Rückgewians mit jeder zugefügten Einheit ab infolge der Herabsetzung der Endtemperaturdifferenz· Die Verbindung zwischen den verschiedenen Wärmeaustausoheinheiten hängt von dem.speziellen Verwendungszweck ab, für den der Kessel bestimmt ist»3?ig. 6 zeigt dieVerbindung zwischen den Wärmeaustauscheiöhelteh,wenn es sich um eineoE Heißwasserbereiter handelt* In Fig, 6 wird das zu erhitzende Medium durch ein. Rohr 90 in die Zulauf kammer der Einheit 2OA eingeepfist. Aus der Auslaßkammer dea? Einheit.2ÖA wird das Medium der ZuXaufkammer derEl&heit 2OB durch ein Rohr 92 zugeführt. Tön, der Auslaükammer der Einheit 2QB gelangt das liedium droh eint uatös &&%^ Vorrichtung^ «ögeördnetQs Rohr *· aur Zulaüfkammer der BiEuaeit 200« In gleicher Weise strömt

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S das Medium nacheinander durch die Einheiten 2OD, 2OE, 2Oi¹ _β und 20ö und verläßt die Vorrichtung in. seinem Endzustand β' dtr $}&£&ηχά& dtizroh ein Rohr 94«

in Sig· i gfsseigte TcsfriohtUBg ist für einen Heißwasser-

■ ep ei eher b«atinimt. Uuroh eine zusätzliche Dampftrommel 96

. ORIGINAL INSPECTED

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wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, kann die Vorrichtung zur Dampferzeugung benützt werden. Der Dampf tritt am Auslaß 98 aus.

Ferner läßt sich die erfindungsgemäße Konstruktion, auch als ein Durchläufkessel /bauen, wie iig. a veranschaulicht. Hierzu muß der obere Wasserraum vergrößert werden, um genug Baum für die ordnungsgemäße Dampf abscheidung zu bieten. Der erweiterte obere Baum kann durch ein Rohr 100 geschaffen werden, das an einem Bnde 102 geschlossen und mit der oberen Kammer jeder Einheit; 20 verbunden ist* Dann wird durch ein Rohr 104 den Wärmeaustauscheinheiten Wasser in derselben Menge zugeführt, wie verdampft wird * Diese Anordnung maöht eine äußere Dampftrommel überflüssig, was eine beträchtliche Raumersparnis bedeutet. Das in den Kessel eingespeiste wasser muß jedoelnron äußerster Reinheit sein, um eine rasche Kesselsteinbildung an den Wärmeauatauschrohren zu vermeiden. Die Vorrichtungen 103 und 105 steuern den Wasserspiegelin den i/ärmeaustauscheinheiten 20.

Die erfindungsgemäße Konstruktion kann auch nooh in der in Fig. 9 veranschaulichten Weise zusammengebaut werden» um das in den Mrmeaustauscheinheitea eiathälteae Wasser TOXlstlßdig zu entfernen. Bei dieser Anordnung wiüd in der Weise Dampf erzeugt, daß Wasser unter hohem Druck durch einRohr 106 gepumpt wird, so daß es auf die Innenfläche der Wärmeaustauschrohre gesprüht wird. Das Wasser verdampft blitz-

: . .. ' ■- ■'.. - '■■':■:.- 11 - - - ' ".'--.-V artig und-wird ia Dampf form dureli elnRoür 108 abgeleitet,. Bin, etwaiges Kondensat sammelt sich am Boden ge der Wärmeaus tausche inheit 20 andwird durch eineIPalie abgeführt. Dieses Aggregat ist von sehr geringem Gewicht und unempfiiidlich gegen Stauchungen, die durch Schlingern, Stampfen oder "beim Zusammenf ügeti der Wärmeaustauscheinheiten ν ent stehen könnten. Das in dieser Konstruktion verwendete Wasser muß ebenfalls äußerst rein sein; ·

.ms' oTjiger 13eSchreibung geht hervor, daß sich die Eon-

strulction fur eine Massenproduttion identischer Eeile eignet., die sich in Eiannigfache !Eypen"von Kesseln einbauen lassen. i»in zusamiEengetoauter Kessel ist für äußere oder innere «elaenlcanäle einrichtliar mit oder ohne ein ,integrales "umlenlcventil und/oder einen Dämpfer» lain solches Kegselaggregat läßt sieh auf einfache ¥eise entweder zur iielßwasserversorgung oder sur Dampferzeugung ausbildenρ Als Heißwas~ serspeicher lassen sich die Wgremaustauscheineheiten entweder für einen parallelen oder fur Seriendurchlauf anordnen. 3rür die Dampferzeugung kann man ein soiches Kessel— aggregat in einem Umv/älzkreis mit einer außen angetirachten Dajapftrommel anordnen, oder als Kessel mit einmaligem Durchlauf und mit einer Dampfabscheidung im Inneren oder auch als eine Schnellerer dampf erattlage, " - "

Die !lehre der Erfindutig macht viele Abwandlungen gegenüber den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich«

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   l) Wärmeaustauscher, insbesondere für einen Kessel, durch den Heißgas im Wäremaus tausch mit einem zu erwärmenden Medium geleitet wird, gekennzeichnet durch einen Durehflußraum, der eine Seite eines das Heißgas führenden Hauptkanals (21) begrenzt, durch einen weiteren Durchflußraum, der eine andere Seite des Hauptkanals begrenzt, durch zwischen den beiden Durchflußräumen (28,30) zwischengeschaltete Leitungen für das Medium, durch mehrere Wärmeaustausehröhre (36), die in dem Hauptkanal zwischen den beiden Durchflußräumen (28,30) angeordnet sind, und durch einen Einlaß zur Einspeisung des zu erwärmenden Mediums in den einen Durch— flußraum, sowie durch einen Auslaß zur Entnahme des erhitz-... ten Mediums aus dem anderen Durchflußraum.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußräume (28,30) und die zwischengeschalteten Leitungen praktisch die gleiche üiiefe haben.

   3» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die. Leitungen aus weiteren Durchflußräumen (32,34) bestehen, die d4.e beiden erstgenannten Durchflußräume (28,30) miteinander verbinden und zusammen mit diesen eine den Hauptkanal (21) ringsum vollständig einschließende Wasserwand bilden.

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   4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zum Hauptkanal (21) paralleIschaltbaren Bebenkanal, der die Mehrzahl der Wänaeaustsasöhrohre (56) überbrückt»

   5· Vorrichtung nach Anspruch 4ι- gekennzeichnetdurch Steueror·- gane, die wahlweise das Heißgas durch den Kebeßkaaal leiteci, um die Mehrzahl der Wäriaeaustöujschrohre^ί zu

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5*. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane aus einem Umlenkventil mit einer ersten Klappe (58) und einer zweiten Klappe (60) bestehen, die bei~ de jeweils einen Seil des Heißgases durch,den Nebenkanal umleiten« und-aus einer. Steuerung (70_f 76), die nacheinander die erste und die zweite Klappe betätigt,

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ■ die Steuerung von einem Solenoid (70) gebildet ist, das von einem druckempfindlichen Element! betätigt wird. '

   8. Vorrich
   das Soli

   ung nach Anspruch 7, dadurch gekenneeiohnet, daß noid zur direkten Betätigung der ersten Klappe

   (5Θ¹) angeschlossen ist und die Verbißdungsölemente (68, 76) vorgesehen sind, welche die zweite Klappe (60) der ersten Kluppe (58) folgen lassen.

   t Vorriöliiung naoh Anepruoh 8, daduroh gekennaieiohnet, daß;

   sä den ytybindungBsleaifaten #in· Jeder (78) gehört.

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