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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese selbst entspricht einem senkrechten Querschnitt durch den Kassel
nach Linie II-II der Abb. i.
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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.
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Abb.5 zeigt einen waagerechten Längsschnitt ,durch das Einströmende
des Kessels nach Linie V-V der Abb. 2.
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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: .
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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.
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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.