DE1751734A1 - Rekuperativwaermetauscher - Google Patents

Description

Gegenstand des Hauptpatentes ist ein durch Kenrkraft bzw. fossile Brennstoffe beheiztes Gasturbinenkraftwerk bestehend aus Wärmequelle, Gasturbine, Rekuperativwärmetauscher, Verdichter und Kühler, bei dem die mittlere spezifische Wärme des Arbeitsmittels auf der Hochdruckseite des Rekuperativwärmetauschers mehr als 5 % höher ist als auf der Niederdruckseite, und wenigstens zwei Verdichter vorgesehen sind, von denen zwei als Teilstromverdichter auf unterschiedlichen Temperaturstufen an der Hochdruckseite des Rekuperativwärmetauschers angeschlossen sind und die Dichte das gasförmigen Arbeitsmittels im Ansaugstutzen jedes Verdichters mindestens 100 kg/m[hoch]3 beträgt. Die für solche Anlagen vorgesehenen Rekuperativwärmetauscher sind das wesentlichste Bauelement des Gaskreislaufs, seine Bauweise ist entscheidend für Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage. Die Rekuperativwärmetauscher sind daher erfindungsgemäß so ausgebildet, dass innerhalb eines geschlossenen Kessels 19 mit Zu- und Abflußstutzen 194 und 195 für das Niederdruckgas zwei Hochdruckrohrschlangensysteme 201 und 202 mit getrennten Zuläufen 191 und 192 untergebracht sind, die an einen gemeinsamen, vorzugsweise zylindrischen Rohrboden 198, beispielsweise durch Einwalzen, angeschlossen sind. Diese Rekuperativwärmetauscher, die mit zwei Hochdruckteilströmen beaufschlagt sind, können aber auch aus mehreren Behältern aufgebaut werden derart, dass die Teilströme des gasförmigen Arbeitsmediums innerhalb von Hochdruckrohrschlangenbündeln 201 und 202 niederdruckseitig miteinander verbundener Behälter 19a und 19b zirkulieren und die Zusammenführung der zunächst getrennten Niederdruckteilströme über die Verbindungsleitung 197 der Behälter auf gleichem Temperaturniveau derselben erfolgt.

Weitere Einzelheiten dieser Erfindung gehen aus den Beispielen hervor, die anhand der Figuren 1 bis 6 erläutert werden. Fig. 7 veranschaulicht die räumlichen Zuordnungen zwischen Gasturbinen, Verdichtern, Stromerzeugern und Rekuperativwärmetauschern sowie

Wasserkühlern. Die Bezugszeichen von mit der Hauptanmeldung übereinstimmenden Bauelementen sind die gleichen wie dort, jene Bezugszeichen für weitergehende Einzelheiten kommen im Hauptpatent nicht vor.

Die Fig. 1 zeigt rein schematisch den Aufbau eines Rekuperativwärmetauschers 19, dessen Hochdruckrohrschlangenpaket 20 aus zwei Teilsystemen 201 und 202 besteht. In diesem Beispiel ist das Rohrschlangenpaket 201 von 30 % des Hochdruckgases, das Rohrschlangensystem 202 von 70 % des Hochdruckgases durchströmt. Am Ausgang des Wärmetauschers 19 vereinigen sich beide Hochdruckgasströme und gelangen von dort zur Wärmequelle zurück. Durch die getrennte Führung der einzelnen Teilströme des Hochdruckgases wird eine Anzapfung des Hochdruckrohrschlangenbündels vermieden, wie sie schematisch im Hauptpatent angedeutet ist. Die wärmetechnische Funktion bleibt jedoch die gleiche. Fig. 2 zeigt zur besseren Veranschaulichung des konstruktiven Aufbaues einen Schnitt durch einen solchen Wärmetauscher 19. 70 % des Hochdruckgases treten über einen axialen Sammler 192 in den Kessel ein, 30 % über einen in der Kesselstufe angeordneten Sammler 191. Von beiden Sammlern aus erstrecken sich schraubenförmig um die Behälterachse herum angeordnete Rohrbündel 202 und 201 und münden in den Ausgangssammler 198 ein, der mit der Ausgangsleitung 193 verbunden ist. Diese gewendelten Wärmetauscherrohre haben einen kleinen Durchmesser von etwa 16 mm bei einer Wandstärke von 2 mm und sind mit einer großen Steigung beispielsweise 25 ° gewickelt. Die Teilung ist dabei sehr eng, in Längsrichtung etwa 19 mm und quer dazu etwa 21 mm. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften ist der Wicklungssinn der einzelnen Rohrlagen abwechslungsweise rechts und linksgängig. Dies ist in der Fig. 5 näher angedeutet. Das Niederdruckgas umströmt diese beiden übereinander angeordneten Hochdruckrohrschlangensysteme, es tritt über den Stutzen 194 in den Rekuperativwärmetauscher 19 ein und verlässt diesen über den Rohrstutzen 195. Innerhalb der Rohrschlangenpakete 201 und 202 ist ein Zentralrohr 196 angeordnet, das einmal als Füllkörper wirkt und zum anderen als mechanische Verbindung der beiden Rohrböden 192 und 918. Die Verbindung der einzelnen Hochdruckrohre mit diesen Rohrböden kann dabei durch Kaltwalzen erfolgen, Schweißungen sind nicht erforderlich, da größere Leckraten z.B. 10 t/Std. bei einer Leistung von 300 MWe durchaus zulässig sind. Es ist dabei zweckmäßig, wegen der Vielzahl der Rohre stets mehrere vor dem Eintritt in die Sammler 192 bzw. 198 zu einem Zwischensammler von ebenfalls rohrförmiger Gestalt zu führen und diesen erst mit den Hauptsammler zu verbinden. Der Übersichtlichkeit halber wurden diese Zwischenverbindungen in den Figuren nicht dargestellt. Die Fig. 3 zeigt eine konstruktive Möglichkeit der Verbindung des Hauptsammlers 191, an den das Hochdruckrohrschlangenbündel 201 angeschlossen ist, mit dem Kessel des Rekuperativwärmetauschers 19. Die anderen Hauptsammler 192 und 198 bzw. 193 können in ähnlicher Form mit dem Kessel verbunden sein.

Die Figuren 4 und 6 zeigen eine andere Lösung für den Aufbau eines derartigen Rekuperativwärmetauschers. Fig. 4 zeigt schematisch, dass diese Rekuperativwärmetauscher aus zwei Kesseln 19a und 19b zusammengesetzt sind. Die Anteile der Teilströme sind in diese Figur - ähnlich der Fig. 1 - eingetragen. Es ist daraus ersichtlich, dass auch das Niederdruckgas in Teilströme aufgeteilt wird, wobei der Teilstrom, der den Behälter 19a durchdringt, dem Behälter 19b zugeführt wird, so dass 100 % des Niederdruckgases diesen Behälter verlassen. Die Zuführung dieses Niederdruckteilstromes erfolgt an jenem Punkt des Behälters 19b, an dem das diesen durchströmende Niederdruckgas die gleiche Temperatur aufweist. Durch gestrichelte Linien ist angedeutet, dass die Hochdruckteilströme auch getrennt weitergeführt werden können, wenn es die übrige Schaltung des Gasturbinenkreislaufes erfordern sollte.

Die Fig. 5 zeigt wiederum einen Schnitt, durch eine derartige Wärmetauschereinrichtung, die jenem im ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 6 stellt einen Schnitt durch diese Einrichtung entlang der Linie VI - VI von Fig. 5 - dar und zeigt, dass der Behälter 19a, der in diesem Beispiel für einen Durchsatz von 30 % des

Hochdruckgases vorgesehen ist, seitlich von dem Hauptbehälter 19b angeordnet ist, der von 70 % des Hochdruckgases durchströmt wird. Die Zuführung des Niederdruckgases aus den Behältern 19a erfolgt über das Leitungssystem 197, das für eine gleichmäßige Zufuhr desselben in den Hauptbehältern 19b sorgt. Die Zufuhr erfolgt an der Stelle B des Behälters 19b, an der sich auch der Hauptteilstrom des Niederdruckgases praktisch auf die Temperatur des Nebenstromes abgekühlt hat. In diesem Bereich sind die Hochdruckwärmetauscherrohre 202 nicht mehr gewendelt wie in den Bezirken A und C angeordnet, sondern verlaufen vielmehr zur besseren Durchmischung des Niederdruckgases etwa parallel zur Behälterachse.

Auch im ersten Ausführungsbeispiel könnte ähnlich wie im zweiten ein zylindrischer Wärmetauscherkessel verwendet werden. Die Rohrbündel der beiden Hochdruckteilströme würden dann nicht übereinander anzubringen sein, sondern das Rohrbündel des kleineren Teilstromes 201 könnte in der gleichen Wicklungsebene wie die Rohre 202 angeordnet werden, wobei jedoch zur Erzielung der benötigten Abstände vom Eintrittspunkt der ersteren ab die Steigung der Rohre 202 entsprechend größer gewählt werden muß. Bei gleichen Wärmetauscherflächen wird diese Konstruktion einen entsprechend längeren Druckbehälter erfordern.

Die Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch das Maschinenhaus einer derartigen Gasturbinenanlage, wobei nur die wesentlichsten Bauelemente nämlich die Hauptgasturbine 14 mit Verdichter 18, die Hilfsturbine 14a mit Nebenstromverdichter 17, der Generator 15 sowie ein Hauptstromrekuperativwärmetauscher 19 und ein Kühler 21 eingezeichnet sind. Die Kühlwasserleitungen sind mit 29 bezeichnet. An weiteren Einzelheiten ist eine Krananlage sowie ein Lagertank 28 für das Turbinenarbeitsgas z.B. CO[tief]2 angedeutet.

Im Gegensatz zum Rekuperativwärmetauscher kann der Kühler 21 mit achsparallelen Rohren für die Führung des Arbeitsgases ausgestattet sein. Es ist dabei zweckmäßig, das Kühlwasser 29 mit Hilfe von Querwänden im Kreuzstrom zum Arbeitsgas zu führen, wobei die Abstände dieser Leitbleche mit sinkender Temperatur des Arbeitsgases verkleinert werden können und damit die Wärmetauscherflächen besser auszunutzen. Dieser Aufbau der Anlage - wie er aus der Fig. 7 ersichtlich ist - ermöglicht eine Verkürzung der großen Rohrleitungen zwischen Rekuperativwärmetauscher und Kühler, die parallel zueinander in kleinem Abstand, entweder über- oder nebeneinander geführt sind. Die Niederdruckgasleitung kann dabei kurz und starr gehalten werden, wenn eine gemeinsame horizontale verschiebliche Auflagerung vorgesehen wir. Die Verbindungsleitungen zur Wärmequelle 10 z.B. einem Reaktor, können parallel zur Turbinenachse aus dem Gebäude herausgeführt werden. Es sind daher nur im wesentlichen in dieser Richtung auftretende Wärmedehnungsspannungen durch die Lagerungen der verschiedenen Apparate aufzufangen. Wenn auch der in dieser Figur gezeigte Aufbau des Maschinenhauses nicht direkt mit der konstruktiven Gestaltung eines Rekuperativwärmetauschers zusammenhängt, so soll durch diesen Hinweis gezeigt werden, dass sich auch solche verhältnismäßig komplizierten Apparate organisch den anderen Apparate einer Gasturbinenanlage zuordnen lassen.

Die konstruktiven Prinzipien dieser Erfindung lassen sich sinngemäß auch auf Rekuperativwärmetauscher anwenden, die gemäß der Patentanmeldung Akt-Z. P 16 01 659.4, PLA 67/1562 bei fossil beheizten Gasturbinenanlagen benötigt werden. Es ist hierbei lediglich zur berücksichtigen, dass der Wärmeaustauschervorgang für den Teilstrom sich nicht im Temperaturbereich zwischen Anzapfstelle und heißem Ende abspielt, sondern zwischen Anzapfstelle und kaltem Ende.

Claims (6)

1. Rekuperativwärmetauscher mit Wärmetauscherflächen für getrennte Teilströme des gasförmigen Arbeitsmediums nach Patent Akt.Z.: P 17 51 226.4 - PLA 68/1177 insbesondere zur Verwendung in Gasturbinenkreisläufen mit direkter oder indirekter Beheizung durch Kernkraft bzw. fossile Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines geschlossenen Kessels 19 mit Zu- und Abflußstutzen (194 und 195) für das Niederdruckgas zwei Hochdruckrohrschlangensysteme (201 und 202) mit getrennten Zuläufen (191 und 192) untergebracht sind, die an einen gemeinsamen, vorzugsweise zylindrischen Rohrboden (198), beispielsweise durch Einwalzen, angeschlossen sind.

2. Rekuperativwärmetauscher mit Wärmetauscherflächen für getrennte Teilströme des gasförmigen Arbeitsmediums nach Patent Akt.Z.: P 17 52 226.4 - PLA 68/1177 insbesondere zur Verwendung an Gasturbinenkreisläufen mit direkter oder indirekter Beheizung durch Kernkraft bzw. fossile Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströme des gasförmigen Arbeitsmediums innerhalb von Hochdruckrohrschlangenbündeln (201 und 202) in niederdruckseitig miteinander verbundenen Behältern (19a, 19b) zirkulieren und die Zusammenführung der zunächst getrennten

Niederdruckteilströme über die Verbindungsleitung (197) der Behälter auf gleichem Temperaturniveau derselben erfolgt.

3. Rekuperativwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckberohrungen (201 und 202) schraubenförmig zur Behälterachse angeordnet sind, mehrere Einzelrohre jeweils an ihren Enden in ein Sammelrohr einmünden und erst dieses mit den den Hauptsammler abschließenden Rohrböden verbunden und die die Teilströme führenden Rohrbündel übereinander angeordnet sind.

4. Rekuperativwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des längeren Hochdruckrohrbündels (202) für die Aufnahme der Hochdruckrohre (201) des anderen Teilstromes in der gleichen Wicklungsebene mit einer entsprechend größeren Steigung gewickelt sind.

5. Rekuperativwärmetauscher nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckrohre (201/202) in verschiedenen Lagen mit entgegengesetzten Wicklungssinn angeordnet sind.

6. Rekuperativwärmetauscher nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckberohrung in der Höhe der Einmündung des Niederdruckteilstromes zur besseren Durchmischung desselben mit dem bereits vorhandenen Niederdruckstrom etwa achsparallel geführt sind.