DE612459C - Verfahren zur UEbertragung von Waerme aus gespannten Gasen, insbesondere den Ausstroemgasen von Verpuffungskammern, vorzugsweise fuer Brennkraftturbinen, auf andere Stoffe - Google Patents

Verfahren zur UEbertragung von Waerme aus gespannten Gasen, insbesondere den Ausstroemgasen von Verpuffungskammern, vorzugsweise fuer Brennkraftturbinen, auf andere Stoffe

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DE612459C DEH134961D DEH0134961D DE612459C DE 612459 C DE612459 C DE 612459C DE H134961 D DEH134961 D DE H134961D DE H0134961 D DEH0134961 D DE H0134961D DE 612459 C DE612459 C DE 612459C
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases

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Description

  • Verfahren zur Übertragung von Wärme aus gespannten Gasen, insbesondere den Ausströmgasen von Verpuffungskammern, vorzugsweise für Brennkräftturbinen, auf- andere Stoffe Vorliegende Erfindung beruht auf einer überraschenden Feststellung, die sich bei Versuchen -mit Wärmetauschern ergab, in denen hochgespannte Heizgase in Stufen, die in Strömungsrichtung hintereihandergeschaltet waren, absatzweise bis auf den Gegendruck entspannt und mit den durch die stufenförmigen Entspannungen erzielten Geschwindigkeiten angeordneten wärmeübertragenden Wandungen jeweils entlang geführt wurden. Das bei diesenVersuchen angewandte Arbeitsverfahren verdankt dabei der Überlegung seine Entstehung, daß durch den zugelassenen, hohen Druckabfall in den einzelnen Stufen überaus hohe, bisher nicht benutzbare Strömungsgeschwindigkeiten der Heizgase entstehen müssen, die 'zu entsprechend sprunghaften Erhöhungen des Wärmeübergangskoeffizienten und damit der übergehenden Wärmemengen überhauptführen; dieWirkung der hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann nach den neuesten Erkenntnissen der Wärme-und Strömungsforschung mit der Zerstörung einer den Wärmevorgang hemmenden Grenzschicht durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten an den Wärmeübergangsflächen erklärt werden. Bei dem obenerwähnten Versuch hat man nun die Wärmeübergänge in den einzelnen Stufen, in denen bis auf Randwirbelbildungen im wesentlichen geordnete Strömungen auftraten, gemessen und dabei die Feststellteig treffen müssen, daß die größten Wärmeübergänge nicht an den Stellen höchster Strömungsgeschwindigkeiten; sondern in dem verhältnismäßig großen Sammelraum auftraten, der sich an die letzte Stufe zur Sammlung der auftretenden Gase anschloß. Eine nachträgliche Durchrechnung des Kessels ergab, daß zwischen zwei je eine Entspannungsstufe bildenden Rohrreihen des Kessels etwa die Hälfte der Strömungsenergie .durch Wirbeleng vernichtet wurde, so daß also auch für die Verwirbelung der Gase im Sammelraum hinter der letzten Rohrreihe des Kessels keine besonders hohen Wirbelenergien zur Verfügung standen.
  • Aus dieser Tatsache kann man schließen, daß weder der Wärmeaustausch unter den hohen Strömungsgeschwindigkeiten noch die Verwirbelungen an sich den höchsten Wärmeaustausch ergeben, sondern daß es vielmehr zur Erzielung des höchsten Wärmeüberganges unerläßlich ist, den Gasen erst nach Ausbildung der Wirbel die Wärme zu entziehen. Zwischen :den einzelnen Rohrreihen tritt zwar eine gewisse Randwirbelung der Gase ein; diesen ist aber keine Gelegenheit geboten, ihrer gesamten Masse nach mit hohen Wirbelgeschwin,digkeiten zum Wärmetausch zu gelangen. Es kann also a nicht nur darauf ankommen, Energien zur Wirbelbildung umzusetzen, sondern ebenso wesentlich ist es, die Gase nach eingetretener Vervvirbelung zum Wärmetausch zu bringen. Gewisse Verwirbelungen treten natürlich auch bei den bisher bekannten Anordnungen auf; insbesondere dann, wenn man hochgespannte Gase, wie sie in den Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen, erzeugt werden, zum Wärmetausch bringt: - Die Vorteile der Verwirbelung können jedoch erst dann ausgenutzt werden, wenn man die gesamte erzeugte Gasmasse zur Verwirbelung bringt und den Wirbeln genügend Raum zur freien Ausbildung gewährt; erst nach Ausbildung der Wirbel darf der Wärmetausch einsetzen, was dadurch geschehen kann, daß man die Wirbel mit den die Wirbelräume begrenzenden Wandungen zur wärmetauschenden Berührung bringt.
  • Die theoretische Beurteilung des Versuchsergebnisses bestätigt !die Richtigkeit desselben. Bisher mußten erst durch verhältnismäßig starke Drucksenkungen hohe Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt werden, um die Grenzschichten zu zerstören, die ein. Hindernis für erhöhte Wärmeübergänge bilden. Es wunden jedoch stets sehr regelmäßige, geordnete Strömungen erzeugt, so daß zur Zerstörung der Grenzschicht unnötig hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit Druck--, senkengen erforderlich waren. Benutzt man nun nicht geordnete, sondern regellose, wirbelnde Strömungen, so kann man die gleiche Wirkung mit bedeutend geringerem Energieaufwand erreichen. Außerdem wird die Grenzschicht wirkungsvoller zerstört als es bei gleichmäßigen, geordneten Strömungen möglich wäre. Dabei besitzt das frühere Verfahren den weiteren, hier grundsätzlichen Nachteil, daß sich bei Erzeugung der hohen Strömungsgeschwindigkeiten nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur der Gase entsprechend dem adiabatischen Entspannungsvorgang erheblich erniedrigt. Der Wärmeübergang wird also dadurch verschlechtert, daß der Temperaturunterschied zwischen den Heizgasen und der wärmeübertragenden Wand verringert wird. Selbst wenn also je m-' ein bestimmter, hoher Wärmeübergangskoeffizient erreicht wird, so fällt die ausgetauschte Wärmemenge entsprechend dem verringerten Temperaturgefälle kleiner aus als es unter Beibehaltung der Temperatur erreichbar wäre. _ Demgemäß kennzeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Übertragung von Wärme aus gespannten Gasen, insbesondere den Ausströmgasen von Verpuffungskainmern, vorzugsweise für Brennkraftturbinen, auf andere Stoffe= unter Steigerung des Wärmeüberganges mittels hoher Strömungsgeschwindigkeiten und Wirbelbildungen der Gase dadurch, daß die durch vorbestimmte Druckabsenkung mittels der so erzeugten ' Strömungsgeschwindigkeit verwirbelten Gase in eine von Wärmetauschflächen begrenzte, gegenüber dem strömungserzeugenden Leitungsteil räumlich ausgedehntere Wirbelnutzungskammer eingeführt wenden, mit deren Wandungen sie mittels der in der Kammer frei ausbildbaren Wirbel zur wärmetauschenden Berührung -gebracht werden.
  • Gegenüber vorbekannten Verfahren, bei denen man bereits mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten -gearbeitet hat oder bei denen man die Heizgase möglichst kräftig zu verwirbeln suchte, indem man im Gasweg wirbelerzeugende Einbauten, etwa in Form von schrägen oder tellerförmigen Leitwänden, vorsah, weist das neue Verfahren den grundlegenden Unterschied auf, daß außer dem sfrömungserzeugenden Leitungsteil eine räumlich ausgedehntere Wirbelnutzungskammer vorgesehen ist, in der sich nicht nur die Wirbel völlig auszubilden vermögen, sondern in der sie euch diejenigen Wärmetauschflächen vorfinden, an denen sie bis zur Beruhigung ihren Wärmeinhalt, mehr oder weniger vollständig aibge bei können. Diese Vorgänge konnten bei ,den bekannten Wärmetauschern --nicht eintreten, weil bei ,ihnen die strömungserzeugenden Gaswege auch die Einrichtungen zur Verwirbelung der Gase enthalten oder diese selbst bilden, so daß weder .die Möglichkeit zur freien Ausbildung der Wirbel noch zur Berührung der wirbelnden Hauptmasse des Gases mit genügend großen Wärmetauschflächen gegeben war. Durch das Zusammenfallen der, strömungserzeugenden mit den wirbelerzeugenden Gaswegen .müssen sichvielmehr geordnete, wenn auch. aufgespaltene Gasströme einstellen, die nur zu einer unwesentlichen Steigerung des spezifischen Wärmeüberganges führen können.
  • Führt man die Gase unter stufenweiser Druckverminderung in nacheinandergeschaltete Wirbelnutzungskammern mit je einem vorgeordneten strömungserzeugenden Leitüngsteil ein, in dem die Strömungsenergie jeweils zur Wirbelbildung umgesetzt wird, worauf den Gasen, nach Ausbildung der Wirbel, in der Wirbelnutzungskammer Wärme entzogen wird, so erreicht man eine sehr beträchtliche Wärmeausnutzung. Denn es tritt durch Anwendung dieses Verfahrens eine dreifache Wirkung ein. Zunächst wird während der Verwirbelung der größte Teil der Strömungsenergie vernichtet und setzt sich in Temperaturerhöhungen um, so daß die vor der Entspannung vorhandenen Temperaturen annähernd wieder erreicht werden. Andererseits setzt eine völlig ungeordnete, unregelmäßige Strömung in den Wirbelräumen ein, welche die Heizgase unter den hohen Wirbelgeschwindigkeiten ihrer Gesamtmenge nach mit den Wärmeübergangsflächen zurBerührung bringt und die Bildung von Grenzschichten wirksam verhütet. Die Grenzschicht wird also nicht mehr mit Hilfe hoher, geordneter Strömungsgeschwindigkeiten zerstört, sondern mittels Wirbelgeschwindigkeiten, zu deren Erzeugung nur eine geringe Energiemenge erforderlich ist, während weit größere Energien erforderlich sind, um die hohen, geordneten Strömungsgeschwinidigkeiten zu erzeugen, die zu einer Zerstörung der Grenzschicht führen. Die ersparte Energie wird dabei vor dem Wärmetausch in Temperaturerhöhungen umgesetzt. Schließlich kommen durch die Wirbelurig alle- Gasteilchen mit den wärmetauschenden Flächen zur Berührung, so daß die gesamte Gasmasse - wirksam dem Wärmetausch unterworfen wird.
  • Wärmetauscher als Vorrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens können in. der verschiedensten Weise ausgebildet sein. Sie kennzeichnen sich vorzugsweise -dadurch, daß mehrere strömungserzeigende Leitungsteile mit den zugeordneten Wirbelnutzungskammern im Heizgasweg hintereinander angeordnet sind. Dabei sind wirbelerzeugende Vorrichtungen, insbesondere Prallplatten, im Heizgasweg vorgesehen, welche .die Wirbelnutzungskammern begrenzen und selbst wärmetauschende Flächen bilden. Zweckmäßig sind die als Überströmkanäle zu und zwischen den einzelnen Wirbelnutzungskammern ausgebildeten Leitungsteile, welche erhöhte Gasgeschwindigkeiten erzeugen, in den einzelnen Wirbelnutzungskammern versetzt zueinander angeordnet, um auf diese Weise weitere Verstärkungen der Wirbelbildung zu erreichen.
  • Die Zeichnung zeigt eine Ausführung des Erfindungsgedankens amBeispieleines Dampfliessels, der mit den Ausströmgasen einer Verpuffungskammer, wie sie vorzugsweise für Brennkraftturbinen Verwendung finden, beschickt wird. Die Zeichnung zeigt in Abb. i einen senkrechten Längsschnitt durch den Kessel nach Linie I-I der Abb. 2.
  • Diese selbst entspricht einem senkrechten Querschnitt durch den Kassel nach Linie II-II der Abb. i.
  • Abb. 3 stellt einen senkrechten Querschnitt durch den Kessel nach Linie III-III der Abb. i dar, während Abb. 4. einen senkrechten Querschnitt durch den Kessel nach Linie IV-IV desselben darstellt.
  • Abb.5 zeigt einen waagerechten Längsschnitt ,durch das Einströmende des Kessels nach Linie V-V der Abb. 2.
  • Der in der Zeichnung dargestellte Dampfkessel kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß im Weg der als Heizgase dienenden hochgespannten und hocherhitzten Ausström:gase einer Verpuffungskammer strömungserzeugende Leitungsteile mit zugeordneten Wirbelnutzungskammern hintereinander angeordnet -sind. So--is;t hinter dem strömungserzeugenden Zufuhrstutzen i eine erste Wirbelnutzungskammer 3 #vorgesehen. 11n Gasweg liegen weitere Wirbelnutzungskammern4 bis 14 mit je einem vorgeordneten, strömungserzeugenden Leitungsteil 17 bis 27. Die bezüglich ihres Wärmeinhaltes, völlig abgearbeiteten Gase werden über einen Ausströmstutzen 2 abgeführt. Die Wirbelnutzungskammern sind dabei so ausgebildet, daß im Weg der gespannten Gase stets eine Prallplatte 3', 4'5', 6' usw. bis 14' liegt, die gleichzeitig _ die Wirbelnutzungskammer begrenzt und als wärmetauschende Fläche wirkt, weil sie im Wasserraum 15 der Kesseltrommel 16 liegt. Während die strömungserzeugenden Leitungsteile i'8, 2o, 22, ä4 und 26, die als kurze Stutzen je zwei -Wirbelnutzungskammern verbinden, konzentrisch zur Längsachse :des Dampfkessels liegen, sind die Stutzen 17, 19, 21, 23, 25 und 27 in einer größeren Anzahl vorgesehen und am äußeren Umfang derzuverbindendenKanrnern gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Gase werden also, nachdem - sie durch Absenkung ihres Druckes -in den Räumen i, 17, i8 üsw. bis 27 hohe Strömungsgeschwindigkeiten 'angenommen haben, plötzlich je Wirbelkammer rechtwinklig abgelenkt, so daß eine sehr starke Verwirbelung auftritt. Durch nockenartige Ansätze 28 wird die Wirbelbildung noch verstärkt: .
  • Da der Wärmetausch im ersten Teil des .Kessels infolge der höheren Temperaturen und des größeren Druckes an sich sehr hoch ist, während er naturgemäß am Ende des Kessels abfällt, so wird man, um .die Temperaturbeanspruchungen der ersten Kesselteile herabzusetzen und um-die Heszfl.ächen gleichmäßig auszunutzen, den Wärmetausch möglichst-gleichmäßiggestalten. Daskanndadurch geschehen, daß man die Wärbelnutzungskammern bzw. die von diesen dargestellten Wärmetauschflächen gruppenweise verschieden zusammenfaßt und sie für sich dem Wärmetausch unterwirft. So sind beispielsweise bei der beschriebenen Ausführungsform des Erfindungsgedankens die Wirbelnutzungskammern 3, 4 und 5, die Wirbelnutzungskammern 5, 6, 7, 8 und 9 sowie die Wirbelnutzungskarumern 9, 10, 11, 12, 33 und 14 zusammengefaßt worden. Zu diesem Zweck weisen die Wirbelnutzungskammern 5, 9 und 14 ringartige Ansätze 5", 9" und 14" auf, über .die sie mit entsprechenden Anlageringen 29, 30 und 31 der Trommel 16 verbunden sind. Die einzelnen Kesselgruppen werden durch Zuführungsstutzen 32, 33 und 34 mit Speisewasser versorgt, während der gebildete Dampf bei 35, 36 und 37 abgezogen wird, Die Ein- - und Ausströmstutzen I und 2 für die Heizgase haben besondere Kühlräume 39 und 4o, denen das Kühlmittel bei 41 und 42 zugeführt wird. Das aufgeheizte Kühlmittel, das auch seinen Aggregatzustand verändert haben kann, wird bei 43 und 44 abgezogen. DieKühlräume39 und 40 können dabei ebenso mit Speisewasser versorgt werden wie die einzelnen Kesselgruppen durch die Zuleitung 32, 3334. Umgekehrt kann in denKesselgruppen jedes andereMittel wieWassetaufgeheiztoder bezüglich seines Zustandes verändert werden, wenn. entsprechende Bedürfnisse auftreten. Damit der mittlere Kesselteil seinem Ausdehnungsbestreben folgen kann, ohne daß unzulässige Spannungen entstehen, ist der Ausströmstutzen 2 bei 45 Über eine Stopfbüchse 46 in der Kesseltrommel 16 geführt. Rippen 47 verbinden die einzelnen Wirbelnutzungskammern an den Steilen, an welchen nur zentrale Verbindungsstutzen vorgesehen sind. Damit das Speisewasser die. die Wirbelnut, zungskammern bildenden Wärrrietauschüächen unter allen Umständen berührt, sind die Wirbelnutzungskammern und die waagerecht gelegenen Stege 47, wie die Abb. 2 bis 4 zeigen, seitlich mit Längsstegeg48 versähen, die sich gegen entsprechende Längsstege 49 der Kesseltrommel 16 legen, so daß der Durchtritt des Speisewassers an den die Wirbelnutzungskammern * bildenden - Wandungen -vorbei erzwungen wird.
  • Es liegt nm Wesen der Erfindung,. daß der seinemEinzelaufbau nach geschilderte Dampfkessel für jeden anderen Wärmetausch Ver-: Wendung finden kann. Ebenso ist es möglich, den Aufbau des Kessels grundsätzlich zu ändern, ohne daß sich das Arbeitsverfahren ändert.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: z. Verfahren zur Übertragung von Wärme aus - gespannten Gasen,- insbesondere dien Ausströmgasen von Verpuffurigskammern, vorzugsweise für Brennkraftturbinen, auf andere Stoffe unter Steigerung des Wärmeüberganges mittels hoher Ström=gsgeschwn:d'.igkeiten und Wirbelbildungen der Gase, dadurch gekennzeichnet, daß die durch vorbestimmte Druckabsenkung mittels der so erzeugten Strömungsgeschwindigkeit verwirbelten Gase in eine von Wärmetauschüächen begrenzte, gegenüber dem strömungserzeugenden Leitungsteil räumlich ausgedehntere Wirbelnutzungskammer eingeführt werden, mit deren Wandungen sie mittels der in der Kammer frei ausbildbaren Wirbel zur wärmetauschenden Berührung gebracht werden. -
  2. 2. Verfahren nach. Anspruch z, gekennzeichnet durch Einführung der Gase unter stufenweiser Druckverminderung in nacheinandergeschaltete Wirbelnutzungskammern mit je einem vorgeordneten, strömungserzeugenden Leitungsteil, in dem die Strömungsenergie jeweils zur Wirbelbildung. umgesetzt wird, worauf den Gasen, nach Ausbildung der Wirbel, in der Wirbelnutzungskammer Wärme entzogen wird.
  3. 3. Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere strömungserzeugende Leitungsteile mit den zugeordneten Wirbelnutzungskammern im Heizgasw_eg hintereinander angeordnet sind.
  4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Anordnung wirbelerzeugender Vorrichtungen, insbesondere Prallplatten im Heizgasweg, welche die Wirbelnutzungskammern begrenzen und selbst wärmetauschende Flächen bilden.
  5. 5. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß .die als Überströnikanäle zu und zwischen den einzelnen Wirbelnutzungskammern ausgebildeten Leitungsteile, welche erhöhte Gasgeschwindigkeiten erzeugen, in den einzelnen Wirbelnutzungskammern versetzt zueinander angeordnet sind.
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