DE3131091A1

DE3131091A1 - Ringfoermiger rekuperativer waermetauscher

Info

Publication number: DE3131091A1
Application number: DE19813131091
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. 6370 Oberursel Weber
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1981-08-06
Filing date: 1981-08-06
Publication date: 1983-02-24
Also published as: EP0071781B1; DE3261848D1; EP0071781A1; US4527622A

Description

tr v\H

Klöckner-t lurnboldl-DE'uU AG

5OOO Köln 80, den 28. Juli 1981 Unser Zeichen: D 81/36 AE-ZPB Neu/Bi

Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Dieser ist vorzugsweise für die koaxiale Anordnung an Gas~ turbinenanlagen vorgesehen«

Es ist ein ringförmiger Wärmetauscher der genannten Art bekannt (DE-OS 21 62 888), der im Gegenstrom radial durchströmt wird. Die wesentlichen Nachteile der dort beschriebenen Anordnung liegen in der jeweils doppelten Richtungsumkehr der jeweils axial zuströmenden Gasströme und in der QuerSchnittserweiterung bzw. -Verengung der Gaskanäle, die durch die streng radiale Anordnung der gewählten Platten gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ringförmigen Wärmetauscher zu entwickeln, der sich strömungstechnisch organisch in ein Gesamtsystem, insbesondere eine Gasturbinenanlage, einfügen läßt und der aerodynamisch und thermodynamisch einer optimalen Auslegung angenähert ist, wobei eine unkomplizierte Herstellung der die Wärmetauscheroberfläche bildenden Führungsbleche möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gageben. Die axiale Durchstrpmung zumindest eines der Systeme erlaubt

Klöckner+lumboldt-DeulzAG täW^afi&iktß f. " '" oa η·

D 81/36

eine Vereinfachung der Ein- und Austrittskanäle durch die bezüglich Strömungs- und Wärmeverlusten ein erheblicher Gewinn erzielt werden kann. Dies überwiegt bei weitem den geringfügigen Nachteil, daß wegen der zunehmenden Kanalbreite nach außen hin eine Optimierung nur im mittleren Bereich angestrebt v/erden kann. Eine derartige rechnerische Optimierung der Kanalquerschnitte gilt ohnehin nur für bestimmte Temperatur- und Strömungsverhältnisse. Die Ausführung mit achsparallelen Mantelflächen erlaubt eine einfache Faltung der Führungsbleche in jeweils parallelen Linien.

Eine besonders kompakte Bauweise ist bei rein axialer Durchströmung im Gegen- oder Gleichstrom möglich, wobei der Außenmantel des Wärmetauschers bereits den Umriß für das Gesamtaggregat darstellt. Hierbei sind die Führungsbleche in besonderer Ausführung bis auf die Querschnittsgröße gleichartig gestaltet. Durch eine besondere Ausgestaltung von Zwischenblechen mit dreieckigen Endbereichen läßt sich in einfacher Weise eine günstige Führung der Gasströme erzielen.

Eine verbesserte Ausführung eines ringförmigen Wärmetauschers für das Kreuzstromprinzip wird bei erfindungsgemäßer Gestaltung der Führungsbleche in den axialen Kanälen durch ebenfalls auf parallelen Linien erfolgende Faltung der Führungsbleche für die radialen Kanäle mit gleichbleibendem Querschnitt erzielt. Evtl. vorgesehene Zwischenbleche zu den axialen Kanälen hin sind hierdurch jeweils geringfügig aus der radialen Anordnung heraus versetzt. /

Klöcknor-Humboklt-DeulzAG

— ι —

do» ο υ. JLi D 81/36

Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen die folgenden Darstellungen.

Fig. 1 zeigt zwei Führungsbleche und zwei Zwischenbleche eines Gegenstromringwärmetauschers,

Fig. 2 zeigt die Wärmetauschermatrix für einen

Gegenstromringwärmetauscher im Querschnitt,

Fig. 3 zeigt die Anordnung eines Gegenstromringwärmetauschers an einer Kleingasturbine,

Fig. 4 zeigt jeweils zwei axiale und radiale Führungs bleche sowie Zwischenbleche eines Kreuzstromringwärmetauschers,

Fig. 5 zeigt die Wärmetauschermatrix eines Kreuzstromringwärmetauschers im Querschnitt und Zylinders chnitt,

Fig. 6 zeigt die Anordnung eines Kreuzstromringwärmetauschers an einer Gasturbine.

Fig. 1 zeigt zwei benachbarte gewellte Führungsbleche 1, 2 von denen eines im Heißgas- und das andere im Kaltluftstrom liegt. Die Führungsbleche bilden jeweils mit einem zugehörigen Zwischenblech 3 und 4 ein keilförmiges Wärmetauscherelement. Die Zwischenbleche 3,4 besitzen dreieckige Endstücke 5, 6, die an den freien Seiten 7 und 8, 9 und 10 im rechten Winkel zueinander gegensinnig und ebenfalls paarweise an sich entsprechenden Seiten 7 und 9, 8 und 10 benachbarter Zwischenbleche 5, 6 gegensinnig abgekantet

klöcknor-Huitiboldt-DeutzA@ Δ 1%ΐηΙίΟ "^¹'¹¹ = " *"' *"

- i - 28. Juli 1901

D 81/36

sind, so daß bei Zusammenfügen zweier jeweils aus Führungsblech 1, 2 und Zwischenblech 3, 4 bestehender Keilelemente eine partielle Überdeckung von benachbarten Abkantstreifen 8 und 10 zustandekommt. Jeweils abwechselnd schräg nach innen und schräg nach außen bilden sich dabei freibleibende Eintrittsund Austrittsspalte aus. In der gezeigten Darstellung sind die Zwischenbleche 3» 4 auch an den Längskanten über die Höhe der Führungsbleche 1, 2 hinausragend rechtwinklig im gleichen Sinne umgebogen, so daß sich teilweise zu Uberdeckung kommende äußere und innere Zylinderstreifen 11, 12 bilden.

In Fig. 2 ist ein Teil einer Gegenstromwärmetauschermatrix nach Fig. 1 mit von innen nach außen zunehmenden Kanalbreiten gezeigt. Die gewellten Führungsbleche für Heißgas 1 und für Kaltluft 2 haben jeweils deutlich unterschiedliche Wellenhöhe. Die Zwischenbleche 3 und 4 haben jeweils innen und außen sich überdeckende Zylinderstreifen 11, 12. Die Führungsbleche sind trapezförmig verformt.

Fig. 3 zeigt eine Kleingasturbine 13 mit einem Gegenstromringwärmetauscher im Teilschnitt. Die Verbrennungsluft tritt aus dem nicht im Schnitt dargestellten Verdichter über den Diffusor 14 in den Lufteiritrittsbereich 15 am Ringwärmetauscher. Von hier gelangt sie über die entsprechenden axialen Kaltluftkanäle in der Wärmetauschermatrix 16 in den Luftaustrittsbereich 17 und von dort in die Brennkammer 18 mit dem Brenner 19. Die Brenngase treiben die teilweise geschnittene Axialturbine 20 an und strömen über den Abgaskanal 22 u.

«ΛΙ.ΊΑΙηη «= 3<"ΛΜ

K!öcknrr-Humbo!d!-Deu!z AG &&■ ErA fcflÜl liJfr *_" ""_ "* *"* _2Q j^ ^_Q^

D 81/36

den Heißgaseintritt 23 zur Wärmetauschermatrix 16, deren Heißgaskanäle zum Abgasaustritt 24 führen.

Fig. 4 zeigt jeweils zwei gewellte Führungsbleche 25, 26 für axiale Durchströmung und zwei gewellte Führungsbleche 27, 28 für radiale Durchströmung. Die erstgenannten Führungsbleche bilden mit Zwischenblechen 29, 30 jeweils keilförmige Wärmetauscherelemente. Die Führungsbleche 27, 28 bilden mit weiteren in Urafangsrichtung im gleichen Sinne eingeordneten Führungsblechen 31, 32 dazwischen angeordnete plattenförmige Wärmetauscherelemente gleichbleibender Dicke. Die Zwischenble.che 29, 30, 31, 32 sind jeweils am Ende der zugehörigen Wellenzüge zweifach rechtwinklig abgekantet und bilden so eine Verstärkung und einen Abschluß der entsprechenden Wärmetauscherelemente.

Fig. 5a zeigt drei Ansichten von verschiedenen Durchmesserbereichen eines Kreuzstromringwarmetauschers von der Stirnseite, wobei ein keilförmiges Element für axiale Durchströmung und zwei benachbarte parallelwandige Plattenelemente für radiale Durchströmung zu sehen sind» Die Draufsicht eines Umfangsteiles des Kreuzstromringwärmetauschers in Halbdarstellungen von innen und von außen zeigt die Fig. 5b, bei der drei Elemente für radiale Durchströmung und zwei Elemente für axiale Durchströmung in der Ansicht erscheinen. Das keilförmige Element weist am Fuß geringere Breite auf als am Kopf. Die. einzelnen Ziffern bezeichnen die gleichen Elemente wie in Fig. 4.

Klockner-I lumholdt-Deutz AG

- 10 - 28. JuIi 1981

D 81/36

Fig. 6 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 33 mit einem Kreuzstromringwärmetauscher 34 im Halbschnitt. Die Verdichterluft tritt am Lufteintritt 35 ein, gelangt über den Radialverdichter 36 in den Diffusor 37 und durchströmt die Matrix des Wärmetauschers 34 radial von außen nach innen. Über die Brennkammer 38 und die Axialturbine 39 gelangt die Brennluft in den Abgaskanal 40, durchströmt die V/ärmet aus chermatr ix axial und verläßt den Wärmetauscher 34 am Abgasaustritt 41.

20000 361 C)fl F 3CO

/4.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.) Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher mit zur Vergrößerung der Wärmetauscheroberfläche wellen- oder mäanderförmig verformten Führungsblechen,

dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung zumindest jedes zweite der Führungsbleche (1,2; 25, 26) achsparallele Mantellinien hat, mit dem Achsabstand zunehmende Wellenhöhe aufweist und Wandungen von axial durchströmten Kanälen in einem keilförmigen Wärmetauscherelement bildet.

2. Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich Führungsbleche (1, 2) mit achsparallelen Mantellinien vorgesehen sind, die miteinander oder mit an sich bekannten , im wesentlichen radial ausgerichteten ebenen Zwischenblechen (3» A) axial durchströmte Kanäle bilden.

3. Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zweite der Führungsbleche über dem Achsabstand gleichbleibende Wellenhöhe aufweist und Wandungen von axial durchströmten Kanälen in einem parallelwandigen Wärmetauscherelement bildet.

KIöckner-Humboldi-Deutz AG

- 2 - 28. Juli 1981

D 81/36

4. Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbleche (3, 4) an den beiden geraden Schnittkanten benachbarter Führungsbleche (1, 2) nahezu rechtwinklig jeweils im gleichen ümfangssinn über die Kanalhöhe hinaus abgekantet sind und am jeweils nächsten Zwischenblech mit den Schenkeln ihres U-förmigen Querschnitts stapelartig anliegen und so die äußeren Kanäle abschließen.

5. Ringförmiger rekuperativer V/ärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbleche (3, 4) über die stirnseitigen Schnittkanten der Führungsbleche (1, 2) hinaus in Dreiecksstücken (5, 6) enden, deren beide freien Seiten (7, 8; 9, 10) jeweils gegensinnig rechtwinklig abgekantet sind, und die im Zusammenwirken mit den Dreiecksstücken (6, 5) jeweils benachbarter Zwischenbleche (4, 3). deren entsprechende freien Seiten (9, 10; 7, 8 ) spiegelsymmetrisch abgekantet sind, abwechselnd nach innen und außen offene Gasführungskanäle bilden.

6. Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung jedes zweite Führungsblech (27, 28) mit benachbarten Führungsblechen oder an sich bekannten, im wesentlichen radial ausgerichteten ebenen Zwischenblechen (29, 31; 30, 32) radial durchströmte Kanäle bildet.

KlöcVn?r-Hnmboldt-Deut2AG /^l^lklfiiiO^

- 3 - 28. Juli 1981

D 81/36

7. Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung jeweils als zweites ein Führungsblech (27, 28) mit zueinander parallelen, senkrecht zur Achse stehenden Mantellinien vorgesehen ist, das mit dem Achsabstand und der Achsrichtung gleichbleibende Wellenhöhe und -breite aufweist und Wandungen von radial durchströmten Kanälen in einem parallelwandigen Wärmetauscherelement bildet.

8. Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher als Luftvorwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle für die Luft geringeren Querschnitt haben als die Kanäle für das Heißgas,

9. Ringförmiger rekuperativer Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbleche (29» 30; 31, 32) an den beiden geraden Schnittkanten benachbarter Führungsbleche (25, 26; 27, 28) zweimal rechtwinklig im Abstand der jeweiligen Kanalbreite im gleichen Sinne abgekantet sind und so die äußeren Kanäle abschließen und eine Anlage für die benachbarten Zwischenbleche bilden«

Klöckncr-HumboidröeUtzAG A& E^ETU tL& ."'■

= 4 ^ 28. Juli 1981

D 81/36

10. Herstellungsverfahren für ringförmige rekuperative Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Führungsbledaen ggfs. mit. Zwischenblechen zusammengefügter Wärmetauscherring in einer Einspannung komplett verlötet wird.