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Gaserhitzer, insbesondere für Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich
auf einen Gaserhitzer, insbesondere für Gasturbinen, bei welchem das Gas durch Heizrohre
strömt, die durch Verbrennungsgase beheizt und außerhalb des Verbrennungsraumes
in einem besonderen Raum angeordnet sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß den Heizrohren an der Eintrittsstelle der Verbrennungsgase in das Bündel der
Heizrohre gegen die Strahlung abschirmende Körper vorgebaut sind, zwischen denen
hindurch die Gase in das Bündel eintreten.
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Die höchst erreichbaren Temperaturen des zu erhitzenden Gases hängen
bei Gaserhitzern von den höchst zulässigen Temperaturen der Austauschwände ab. An
Aden Stellen, an denen .die Heizgase zuerst auf die Wände auftreffen, entstehen,
insbesondere bei im Gegenstrom betriebenen Gaserhitzern, die höchsten Wandtemperaturen.
Um den Gaserhitzer möglichst klein halten zu können, ist weiter notwendig eine hohe,
möglichst gleichmäßige Belastung der Austauschwände einzuhalten.
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Sind die wärmeaustauschenden Rohrwände eines Gaserhitzers an der Eintrittsstelle
der Heizgase in das Rohrbündel außer durch Wärmeleitung weiter noch durch :die Strahlung
einer größeren Gasmasse und des Brennraumes selbst belastet, müssen :die Heizgase
eine sehr niedrige Temperatur aufweisen, um Verbrennungen der Rohre zu verhüten.
Die den Eintrittsstellen nachfolgenden, der Strahlung nicht mehr ausgesetzten Rohrwände
werdendann nicht mehr voll beansprucht, was zu starb vergrößerten Abmessungen führen
müßte.
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Wenn die Heizrohre an der Eintrittsstelle der Verbrennungsgase in
das Bündel durch vorgebaute Körper gegen die Strahlung abgeschinnt werden, können
die Heiz- bzw. Verbrennungsgase eine wesentlich höhere Temperatur aufweisen, weil
auch an der Eintrittsstelle die Rohrwände nur durch .den Wärmeübergang infolge Leitung,
nicht mehr aber durch die Strahlung belastet sind. Die Heizgase können infolgedessen
mit erhöhter Temperatur zugeführt werden. Dadurch wird nicht nur eine höhere Erhitzung
der zu beheizenden Gase ermöglicht, sondern auch durch stärkere Beanspruchung der
nachgeschalteten
Heizfläche der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung
verbessert und die Anlage verkleinert.
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Die Abschirmkörper eines Gaserhitzers nach der Erfindung können aus
mindestens zwei durch einen Zwischenraum getrennten Schichten gebildet sein. Zwischen
der vom Gasstrom zuerst getroffenen Rohrreihe und der nächstfolgenden werden zweckmäßig
Zwischenstücke eingebaut, um nicht nur den Wärmeübergang an die erste Rohrreihe,
sondern auch an die zweite Rohrreihe zu vermindern.
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'Weiter empfiehlt es sich, den Strömungsquerschnitt mindestens eines
Teiles der Heizrohre an der Eintrittsstelle der Verbrennungsgase des Bündels zu
vermindern. Es können z. B. auch an der Eintrittsstelle der Verbrennungsgase in
das Bündel der Heizrohre mindestens zwei Heizrohre zusammengefaßt sein. Bei Gaserhitzern,
die mindestens mit einer Gruppe von Heizrohren zur Erhitzung von Gasen höheren Druckes
und einer Gruppe von Heizrohren zur Erhitzung von Gasen niedrigeren Druckes ausgerüstet
sind, durchquerendie Verbrennungsgase zweckmäßig zuerst die Heizrohrgruppe für die
Gase höheren Druckes und .dann die Heizrolirgruppe für die Gase niedrigeren Druckes.
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Es kann auch ein Vorwäriner vorgesehen sein, der durch die aus .den
Heizrohrgruppen anfallenden Verbrennungsgase beheizt wird und die Gase höheren Druckes
vor ihrem Eintritt in die Heizrohrbündel auf die gleiche Temperatur vorwärmt, welche
auch die Gase niedrigeren Druckes beim Eintritt in ihr Heizrohrbündel aufweisen.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. i stellt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dar;
Fig. 2 veranschaulicht auf der linken Hälfte einen Schnitt nach der Linie A und
auf der rechten Seite einen Schnitt nach .der Linie B der Fig. i ; Fig. 3 zeigt
schematisch den Aufhau eines Gaserhitzers mit zwei Gruppen von Heizrohren; Fig.
d. läßt den Verlauf der Gastemperaturen in einem Gaserhitzer nach Fig.3 erkennen;
Fig. 5 und 6 veranschaulichen in Seiten-und Vorderansicht die bauliche Ausbildung
des in Fig. 3 schematisch dargestellten Gaserhitzers.
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Die Verbrennungsluft gelangt durch die Leitung i zum Brenner 2 .des
in Fig. i und 2 dargestellten Gaserhitzers. Der Brennstoff wird durch die Leitung
.I zugeführt. Die Verbrennungsgase strömen aus dein zylindrischen Feuerraum 3 durch
die Öffnungen 5 in den die Heizrolirbündel enthaltenden, inantelförniig den Verbrennungsraum
umgebenden Raum 6. Im ringförmigen Kanal 7 sammeln sich die @-erbrennungsgase und
gelangen zum Teil durch die Leitung 8 an einen nichtgezeichneten Bestimmungsort.
Ein anderer Teil wird durch die Leitung 9 von einem Gebläse io angesaugt und strömt
über den niantelförinig um den Brenner angeordneten Kanal i i zurück in den Feuerraum
3.
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1 ,ittels der Schaufeln i2 wird diesem unigewälzten Teil der Verbrennungsgase
ein Drall erteilt. Auch der Verbrennungsluft, welche dem Brenner: zugeführt wird,
kann durch die Schaufeln 13 ein Drall erteilt werden, und zwar zweckmäßig in entgegengesetztem
Sinn zum Drall der umgewälzten Verbrennungsgase. Dadurch wird im Verbrennungsraum
3 eine rasche Mischung der unigewälzten und der frisch erzeugten Gase erfolgen.
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Der @die Heizrohre enthaltende Raum c@ ist vom %'erbrennun.gsraum
teilweise durch eine Wand 14 getrennt, welche aus mindestens zwei durch einen Zwischenraum
1 5 (Fig. i und 2) getrennten Schichten feuerfesten Stoff gebildet ist. An. der
Eintrittsstelle der Z'erbrennungsgase in :das Bündel der Heizrohre sind den Heizrohren
gegen die Strahlung abschirmende Körper 16 vorgebaut. Die Körper i6 sind aus einzelnen
Schichten feuerfesten Stoffs gebildet, die ;durch Abstän#le 29 (Fig. 2) voneinander
getrennt sind.
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Im Raum 6 sind zwei Gruppen von Heizrohren angeordnet. Die Gruppe
17 dient zur Erhitzung der Gase höheren Drucks, während die Gruppe 18 die Erhitzung
der Gase niedrigeren Drucks übernimmt. Die zu erhitzenden Gase höheren Drucks gelangen
durch die Leitung ig in die Heizrohre der Gruppe i7 und «-erden durch den Ringkanal
20 11111 clie Leitung 21 an ihren Bestimmungsort geführt. Die Gase niedrigeren Drucks
werden zunächst in einen Ringraum 22 geführt und gelangen nach Erwärmung über den
Ringkanal 23 in die Abführleitung 2.4.
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Je zwei Heizrohre des Bündels 1; sind an den Eintrittsstellen 5 der
Verbrennungsgase in das Bündel. durch zwischengeschobene Stege o. dgl. (Darstellung
in Fig. 2 rechts innen) ZU
einem Rohr zusammengefaßt. Durch diese Verengung
des Strömungsquerschnitts für die zu erhitzenden Gase wird ein größerer Rauni für
die Öffnungen 5 erreicht, so daß die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase herabgesetzt
werden kann.
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Die Heizrohre der Bündel 17 und 18 sind in Richtung ,der Strömung
der V 'erbrennungsgase verlegt. Die der Wand i.[ zunächst liegenden Heizrohre sind
,durch flossenartige Ansätze 53 (Fig. 2) zu einer Wan#1 ausgebildet,
wodurch
die Wärmekonvektion an die Rohre des Bündels durch die Unterbindung einer wesentlichen
Gasströmung herabgesetzt wird.
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Um -den Rohren der Bündel eine freie Dehnung zu gestatten, ist der
Bauteil z5 (Fig. r in eine Stopfbüchse 26 der Leitung 19 eingeführt und ;der Bauteil-
27 durch nachgiebige Biegehäute 28 mit ,dem Gehäuse des Gaserhitzers verbunden.
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Der Gaserhitzer kann z. B. auch zwei Verbrennungsräume 30 und
31 (Fig. 3) besitzen, welche durch die Leitungen 322 und 33 Verbrennungsluft zugeführt
erhalten. Das Heizrohrbündel 3.4 im Verbrennungsraum 3o dient zur- Erhitzung :der
Gase höheren Drucks und ,das Bündel 35 im Brennraum 31 zur Erhitzung der Gase niedrigeren
Drucks. Vor dem Eintritt in :das Bündel 34 werden -die Gase höheren Drucks :durch
das Vorwärmerbündel36 geleitet, ;das mittels der durch :den Raum 36' strömenden,
aus den beiden Verbrennungsräumen 30 und 31 anfallenden Verbrennungsgase
beheizt ist. -Nach dein Austritt der Verbrennungsgase aus dem Vorwärmerbündel 36
strömen sie teils durch :die Leitung 37 :an ihren Bestimmungsort und teils durch
die Umwälzgebläse 38 zur Erniedrigung der Verbrennungstemperaturen in die Verbrennungsräume
30 bzw. 31.
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Trägt man die Temperaturen t des Verbrennungsgases und des zu erhitzenden
Gases als Ordinaten über den ausgetauschten Wärmemengen O auf, so ergibt sich .das
Bild nach Fig. d.. Die Temperaturen t3o un:d t31 der Verbrennungsgase in ,den Verbrennungsräumen
30 und 31 verlaufen in gleicher Weise von einem Höchstwert in der Nähe des
Brenners zu einem niedrigsten Wert am Austritt. Gleichzeitig erhöhen sich :die Temperaturen
t34 und t3;, der zu erhitzenden Gase von einem Mindestwert zu einem Höchstwert.
Im Torwärmer fällt die Temperatur t.ß , der vereinigten Rauchgase noch weiter ab,
wodurch die zu erhitzenden Hochdruckgase gemäß der Linie t3, auf die für den Gaserhitzer
bestimmte Eintrittstemperatur vorgewärmt werden.
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Wie den Temperaturwärmediagrammen nach Fig. d. entnommen werden kann,
können der Teil :des Gaserhitzers nach Fig. 3 zur Erhitzung der Gase höheren Drucks
und der Teil des Erhitzers nach Fig. 3 zur Erhitzung der Gase niedrigeren Drucks
im wesentlichen gleich .ausgebildet werden, wie in Fig. 5 und 6 geschehen ist. Der
Vorwäl-mer 36 ist in die aus der Zeichnung ersichtlichen acht Einzelelemente aufgeteilt,
:die je auf vier Seiten eines Erhitzerteils angeordnet sind. Die Umwälzgebläse 38
sind unmittelbar über jedem Vbrwärmerelement angeordnet. Die zu erhitzenden Gase
höheren Drucks werden zunächst durch :die Leitung 41 den verschiedenen Teilen des
Vorwärmers 36 zugeführt. Sie durchströmen dann die Rohre 4.2 der Vorwärmerteile
und gelangen durch die Rohre 43 in eine Sammelleitung 44, aus der sie durch die
Leitung .45 in das ErhitZerbÜndel 46 eingeführt werden. Nach der Erhitzung verlassen
-die Gase erhöhten Drucks den Gaserhitzer über :den Ringkanal 47 und durch die Leitung
48, durch welche sie an ihren Bestimmungsart geführt werden. Die Gase niedrigeren
Drucks strömen durch .die Leitung 49 in das ihnen zugeteilte Erhitzerbürndel und
verlassen :dieses durch die Leitungen 50 und 51. Die Verbrennungsgase strömen
durch die Leitung 52 fort.