DE1776089A1 - Wasserkuehler fuer gasfoermige Medien - Google Patents

Description

• Wasserkühler für gasförmige Medien Bei Gasturbinenanlagen, deren Arbeitsmedium mit Kernkraft oder fossilen Brennstoffen aufgeheizt wird, wird das Abgas der Turbine zunächst durch die Niederdruckseite eines Rekuperators geführt und dabei auf eine Temperatur abgekühlt, die durch die zulässige minimale Grädigkeit dieses Wärmetauschers gegeben ist. Um das spezifische Volumen des Gases weiter zu verringern und danii die spezifische Verdichtungsarbeit im nachfolgenden Turboverdichter zu senken, muß das as weiter abgekünlt werden. Zu diesem Zweck können herkömmliche Wasserkünler verwendet werden, insbesondere Röhrenbündel-Wdrmetauscher, die nach dem Gegenstrom- oder dem Gleichstromprinzip arbeiten. Das Künlwasser strömt in den Rohren des Wärmetauschers. Das Gas strömt au#en an den Rohren vorbei, wobei senkrecht zur Wärmetauscherlängsachse Leitbleche angeordnet sind, so daß die Strömungsrichtung des Gases senkrecht zu den Ronrachsen verläuft. Um eine optimale Querströmung zu erreichen, wird das 4as mehrere Male durch uiese Leitbleche umgelenkt.
• Der Wärmeübergang und die Druckverluste des gasförmigen Mediµms im Wasserkühler hängen im wesentlichen von der Strömungsgeschwindigkeit quer zu den Wasserrohren ab. Dei konstanten Leitblechabständen längs des Strömungsweges fällt die Strömungsgeschwindigkeit infolge der Dichteänderung des Mediums bei der Kühlung stetig ab. Dadurcn wird der Wärmeübergang gegen das kalte Ende des Kühlers hin schlechter. Dieser Umstand führt zu großen, nur ungenügend ausgenutzten Heizflächen sowie großen Behälterabmessungen und Transportgewichten.
• Dieser Nachteil fällt besonders stark ins Gewicht bei Gasturbinenanlagen, in denen das Arbeitsmittel im Kühler infolge Kondensation oder infolge Annäherung an den Sattdampfzustand im überkritischen Zustandsgebiet eine besonders große Volumenabnahme erfährt. Beispielsweise ist dies der Fall bei Turbinenanlagen mit C02 als Arbeitsmedium; insbesondere dann, wenn das Gas mit überkritischem Druck (größer als 75 ata) dem Verdichter zugeführt wrd. Die Schaltung; und das TS-Diagramm einer derartigen CO2-Turbinenanlage sind in Fig. 1 dargestellt. Bei diesem Beispiel wird zur Erzielung eines besonders guten Gesamtwirkungsgrades am niederdruckseitigen Austr-DL 3 des Rekuperativwärmetauschers 2 ein Gasnebenstrom von beispielsweise x = 0,236 entnommen und im Verdichter 7 direkt verdichtet. Der verbleibende Gashauptstrom von 1- - x 0,764 dagegen durchströmt den Wasserkühler 4 und wird erst danach im Verdichter 5 verdihtet. Im Kühler 4 hat das C02 einen leicht überkritischen mittleren Druck von 81 ata. Bei der Abkühlung von 800 C auf 300 C sinkt das spezifische Volumen des Gases von 0,062 auf 0,0015 m3/kg ab, also auf weniger als ein Viertel. Hierdurch ergibt sich eine sehr unvorteilhafte ueschwindigkeitsverteilung im Kühler.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wasserkühler zu schaffen, der neben maximalem Wärmeübergang eine erheblich geringere Abmessung aufweist.
• Die Erfindung besteht dabei darin, daß die gegenseitigen Abstände der Leitbleche in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums entsprechend der Dichtezunahme des Gases abnehmen. Dadurch läßt sich ein definierter Abfall der Strömungsgeschwind-igkeit erreichen Die Abstände der Leitbleche können so gewählt werden, daß sich entsprechend der jeweiligen Dichtezunahme stets ein derartiger Strömungsquerschnitt in den einzelnen Abschnitten des Wasserkühlers ergibt, so daß im Grenzfall eine konstante Strömungsgeschwindigkeit errecht wird. Dadurc-hXwird der Wärmeübergang besonders am kalten Ende des Kühlers entscheidend verbessert, so daß die Ileizfläche und damit die Hauptabmessungen des Kühlers wesentlich verringert werden können. Es ist zu erwarten, daß sich bei der wirtschaftlichen Optimierung der Druckverluste der Temperaturdifferenzen und der Apparategröße eine Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit' ergeben wird, die zwischen einer konstanten G Geschwindigkeit und einer Verteilung liegt, die sich bei konstantem Leitblechabstand einstellen würde. ~ Da sich bei senkrechter Anordnung der Leitbleche die Strömungsgeschwindigkeit nach jeder Umlenkung stufenweise wandert, kann es weiter vorteilhaft sein, wenn jedes zweite Leitblech schräg entgegen der Strömungsrichtung des gasförmigen lidediums geneigt ist. Dadurch wird eine ruckweise Beschleunigung des Gases nach jeder Umlenkung vermieden. Der Strömungsquerschnitt läßt sich damit stufenlos der Abnahme des spezifischen Volumens bei der Abkühlung anpassen.
• Die bessere Ausnutzung der Wärmetauscherfläche macht es gegebenenfalls auch möglich, die vom Kühlwasser durchströmten Rohre zu verkürzen und ihren Druckverlust zu senken, was zu einer Einsparung im Leistungsbedarf der Pumpen führt.
• Um die Reibungsverluste und die Verwirbelungsverluste beim Umlenken des Gases an der Behälterwandung zu verringern, können die Leitbleche im Bereich au#erhalb der Röhrenbündel entgegen der Strömungsrichtung abgewinkelt sein. Dadurch wird die Strömung stoßärmer umgelenkt. Gleichzeitig werden die zu To twas zu Totwasserräume zwischen dem äußeren Leitblechrand und dem Behältermantel ausgefüllt.
• Darüber hinaus kann der Wasserkühler gleichzeitig zur Leistungeregelung verwendet werden, indem ein äußerer oder innerer Bypass vorgesehen wird. Bei einem inneren Bypass kann mindestens das letzte Leitblech vor dem Gasaustrittsstutzen mit durch Ventile teller verschließbare Überströmöffnungen versehen sein.
• Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert.
• Dabei zeigen Fig. 2 einen Wasserkühler mit senkrechten Leitblechen, Fig. 3 einen Wasserkühler mit teilweise schräggestellten Leitblechen und Fig. 4 zusätzliche Umlenkbleche am festen Ende der Leitbleche.
• In Fig. 5 ist ein Wasserkühler mit einem inneren Bypass und in den Fig. 6 und 7 ein Wasserkühler mit äußerem Bypass dargestellt.
• Der Wasserkühler, der zunächst als herkömmlicher Röhrenbündel-Wärmetauscher ausgebildet ist, besteht aus dem äußeren zylindrischen Gehäuse 11 mit den axial angeordneten Zu- und AbSührungsstutzen 12 und 13 für das Kühlwasßer sowie die zwischen den Rohrböden 14 und 15 eingelassenen Kühlrohre 16. Seitlich im Bereich -der Kühlrohre 16 sind der Zuführungsstutzen 17 und der Abführungsstutzen 18 für das zu kühlende gasförmige Medium angebracht.
• Nach Fig. 2 sind nunmehr im Bereich der Röhrenbündel 16 senkrecht zur Behälterachse Leitbleche 19 bis 25 angeordnet, die jeweils abwechselnd auf der einen oder anderen Seite der Behälterinnenwandung angeschweißt sind, so daß das einströmenue Gas auf einer mäanderförmigen Bahn durch den Wasserkünler geführt'wlrd. ntsprechend der Volumenabnahme des Gases bei zunehmender Abkühlung sind die Abstände der Leitbleche 19 bis 25 in Strömungsrichtung verringert, so daß sich jeweils angenähert eine konstante Strömungsgeschwindigkeit für das abzukühlende medium ergibt.
• Um eine stufenweise Änderung der Strömungsges chwindigke i t nach jeder Umlenkung zu vermeiden, sind jeweils die Leitbleche auf einer Seite des Behälters - nach dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Fig; 3 - die Leitbleche 20, 22 und 24 schräg entgegen der Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Gases geneigt. Dadurch ergibt sich eiiie angenähert gleichmäßige Verringerung des Strömungsquerschnittes, so aaß eine ruckweise Beschleunigung des Gases nach jeder Umlenkung vermieden wird.
• Um darüber hinaus die Verwirbelungsverluste beim Umlenken des gases an der Behälterwandung zu verringern, sind die Leitbleche nach ?ig. 4 im Bereich außerhalb der Röhrenbündel 16 mit Umlenkblechen 26 versehen, die etwa im Winkel von 450 angeoi-dnet sein können.
• Dadurch werden gleichzeitig die lotwasserräume zwischen dem äußeren Leittlechrand und dem Behältermantel 11 ausgefüllt.
• Dlese Leitbleche 26 setzen den Druckverlust auf der Gasseite betrachtlich herab und verringern die Stoßkräfte, die beim Aufprall des hochverdlchteten Gases auf den Behältermantel 11 entstehen.
• Bei der leistungsregelung einer Gasturbinenanlage kann es wünschenswert sein, die Kühlwirkung zu verändern. lnsoesondere bei einem überkritischeii Prozeß entsprechend dem Beispiel nach Fig. 1 erschelnt es vorteilhaft, den ansaugzustand des Hauptverdichters knapp oberhalb der Sattdampflinie über den kritischen Punkt hinwegzuführen. Dies erfordert eine Abhebung der Kühleraustrittetemperatur, was jedoch eine Verringerung der Kühlerwirksamkeit bedeutet. Diese Maßnahme kann durch Drosselung des Kühlwasserstromes dann nicht durchgeführt werden wenn die Wasserverschmutzung und die Sauerstofflöslichkeit es erforderlich machen, daß die Kühlwassertemperatur niedrig bleibt. In diesem Fall wird man die Kühlerregelung auf die Gasseite verlegen.
• Nach Fig. 5 ist in dem Wasserkühler ein innerer Bypass yorgesehen. 9azu sind beispielsweise die Leitbleche 22 und 24 im äußeren rohrfreien Bereich mit Überströmöffnungen 27 versehene die beispielsweise durch Ventilteller 28 verschlossen werden können. Diese Ventil teller sind auf einer gemeinsamen Antriebsstange 29 angeordnet, wobei die Ventile durch progressiv ansprechende Federn 30 belastet sein können, so daß das Ventil 27 am letzten Leitblech 24 vor dem Austrittsstutzen18 als letztes öffnet. Anstelle von Ventilen können aber auch drehbare Klappen verwendet werden, deren Wellen durch den Behältermantel nach außen ragen. Wenn diese Ventile oder Klappen teilweise oder ganz geöffnet werden, entsteht im Wasserkühler ein innerer Bypass um einen Teil der Heizflächen, so das die Gasaustrittstemperatur angehoben werden kann.
• In Fig. 6 ist ein Wasserkühler mit einer Leistungsregelung durch einen äußeren Bypass dargestellt. Dabei geht von der Gaszuführungsleitung 17 eine Bypassleitung 31 aus, die mit einem Bypassventil 32 versehen ist und in einen Mischer 33 einmündet, aus dem das über den Bypass geleiteteheiße Gas mit dem aus dem Stutzens18 austretenden abgekühlten Gas gemischt wird. Damit läßt sich ebenfalls die Temperatur des austretenden Gases regeln.
• Es ist aber auch nach Fig. 7 eine Temperaturregelung des aust'retenden Gases dadurch möglich, daß über einer Anzapfung 34 im Wasserkühler 11 ein Teil des teilweise abgekünlten Gases abgezogen und über die Leitung 75 in den Mischer 33 geführt wird.
• Der-beschriebene Wasserkühler eignet sich besonders bei Gas turbinenanlagen mit einem Arbeitsmedium, das unter sehr hohem, insbesondere überkritischem Druck am Verdictereintritt arbeitet.
• Dabei ist besonders an die Verwendung von C02 als Arbeitsmedium gedacht.
• Mit der beschriebenen Anordnung der Leitbleche ist also ein erhöhter Wärmeübergang und damit eine geringere Baugröße der herkömmlichen Wasserkühler möglich. Ferner kann durch entsprechende Schaltungen dieser Wasserkühler in der beschriebenen Weise zur Leistungaregelung herangezogen werden.
• 6 Patentansprüche 7 Figuren

Claims (6)

1. Patentansprüche 4 Wasserkühler für gasförmige Medien, insbesondere für Gasturbinenanlagen, deren Arbeitsmedium im Kühler eine Dichtesteigerung um mehr als den Faktor 1,5 erfährt, bestehendwaus einem zylindrischen Röhrenbündel-Wärmetauscher, dessen Rohre von dem Kühlwasser durchströmt werden und senkrecht zur Wärmetauscherlängsachse angeordnete Leitbleche zur mäanderförmigen Führung der gasförmigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Abstände der Leitbleche (19-25) in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums entsprechend der Dichtezunahme des Gases abnehmen.
2. 2. Wasserkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zweite Leitblech (20, 22, 24) schräg entgegen der Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums geneigt ist.
3. 3. Wasserkühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geßennzeicnnet, daß die Leitbleche (19-25) im Bereich außerhalb der Rohrbündel (16) mit schräggestellten Umlenkblechen (26) versehen sind.
4. 4. Wasserkühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das letzte Leitblech (24) vor dem Gasaustrittsstutzen mit durch Ventilteller (28) oder Klappen verschließbaren Überströmöffnungen (27).zur Bildung eines inneren Bypasses versehen ist.
5. . Wasserkühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gaseintritts- und Gasaustrittsstutzen (17, 18) eine bypassleitung (31) vorgesehen ist.
6. 6. Wasserkühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkühler (11) zwischen Gaseintritzts-und-austrittsstutzen (17, 18) eine Anzapfleitung (34) zur Entnahme eines Teilstromes des gasförmigen Mediums aufweist. L e e r s e i t e