DE748006C - Waermeaustauscher fuer Waermekraftanlagen, insbesondere solche mit Kreiselmaschinen, in welchen ein gasfoermiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter UEberdruck beschreibt - Google Patents

Waermeaustauscher fuer Waermekraftanlagen, insbesondere solche mit Kreiselmaschinen, in welchen ein gasfoermiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter UEberdruck beschreibt

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DE748006C
DE748006C DEA82994D DEA0082994D DE748006C DE 748006 C DE748006 C DE 748006C DE A82994 D DEA82994 D DE A82994D DE A0082994 D DEA0082994 D DE A0082994D DE 748006 C DE748006 C DE 748006C
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10Closed cycles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits

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Description

  • Wärmeaustauscher für Wärmekraftanlagen, insbesondere solche mit Kreiselmaschinen, in welchen ein gasförmiges. Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt Die betrifft einen Wärmeaustauscher für Wärmekraftanlagen, insbesondere solche mit Kreiselmaschinen, in welchen ein .gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter Arbeitsabgabe nach außen expandieren gelassen und hierauf wieder auf höheren Druck gebracht wird und im WärmeaW-tauscher :ein Wärmeaustausch zwischen dem expandierten und dem verdichteten, noch nicht von außen erhitzten Teil des Arbeitsmittelstromes stattfindet.
  • Trotzdem Wärmekraftanlagen dieser Art immer wieder in den verschiedensten -Ausführungsabarten vorgeschlagen worden sind, haben sie bis heute in der Praxis doch nicht Fuß fassen können. Das hängt mit einer ganzen Anzahl von Verlustquellen zusammen, die einmal den thermodynamischen Wirkungsgrad der Anlagen derart verschlechtern und spdann dazu führen, daß gewisse Teile so groß und teuer auszuführen sind,. daß keine Möglichkeit bestand, daß derartige Anlagen in Wettbewerb mit anderen, wirtschaftlicher arbeitenden krafterzeugenden Maschinen treten konnten.
  • So spielen auf diesem Sondergebiete die Vorgänge (Druckverluste, Geschwindigkeiten, Temperaturv erlustt u. dgl.) im Wärmeaustauscher, in welchem ein Teil des Arbeitsmittelstromes niederen Druckes Wärme ;in einen Teil des Arbeitsmittelstromes höheren Druckes abzugeben hat, eine viel ausschlaggebendere Rolle als auf anderen Gebieten, weil sie auf diesem Gebiete den Wirkungsgrad der Gesamtanlage in hohem Maße beeinflussen. Hier ist man vor die gebieterische Aufgäbe gestellt, bei einem gegebenen Werkstoffaufwand je Kilometer Rohrlänge bei geringsten Druckverlusten ein -Höchstmaß an Wärmeübergang zu erzielen, da sonst eine wirtschaftlich brauchbare mit einem Luftkreislauf arbeitende Wärmekraftanlage nicht zu schaffen ist.
  • Zweck der Erfindung ist, dieser Forderung Rechnung zu tragen. Dabei stützt sie sich einmal auf die Erkenntnis, daß es bei gegebener durch wirtschaftliche Erwägungen bestimmter Austauscherfläche und gegebener zulässiger Temperaturdifferenz zwischen den beiden wärmeaustauschenden Teilen des Arbeitsmittelstromes verschiedenen Druckes, also bei einem gegebenen Werkstoffaufwand, zwischen den Geschwindigkeiten und Driil;-ken auf beiden Seiten der \Vand. durch welche der Wärmeaustausch zu erfolgen hat, ein bestimmtes Verhältnis gibt, bei welchem sich ein :Mindestmaß an Verlusten und zusammenhängend damit in Wärmekraftanlagen mit einem Luftkreislauf ein bester Wirkungsgrad erreichen läßt. Utn dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen, verhalten. sich in einc-in Wärtneaustauscher für Wärmekraftanlagen der eingangs genannten Art, der zweckmäßig als Röhren-Gegenstrotnapparat ausgebildet sein kann, gemäß der Erfindung die Geschwindigkeit des im Wärmeaustauscher abzukühlenden Arbeitsmittelstromes niederen Druckes und des aufzuheizenden Arbeitsmittelstromes höheren Druckes angenähert umgekehrt proportional wie die Wurzeln aus den absoluten Drücken dieser Arbeitsmittelströme, wobei auf Hoch- und 'Niederdruckseite der Druck währefid des ganzen Wärmeaustausches sich praktisch gleichbleibt. Von diesem Wert kann gegebenenfalls, beispielsweise zur Vereinfachung der Bauart, mehr oder. weniger abgewichen werden, wenn eine geringe Zunahme des Gesamtverlustes zulässig erscheint. Die Anwendung der Regel nach vorliegender Erfindung gestattet, bei gehebener im Wärmeaustauscher zu übertragender Wärmemenge, bei gegebener für den Wärmeaustauscher in Frage kommender Gesamtfläche des Wärmeaustauschers, bei gegebener Temperaturdifferenz (S T), welche der Wärmeaustauscher benötigt, und bei gegebenen Drücken der Arbeitsmittelströme auf der Hoch- und 1 iederdrttckseite des Wärmeaustauschers die Geschwindigkeiten für die durch den Wärmeaustauscher hindurchgehenden Arbeitsmittelströme so festzulegen, daß sich im Wärmeaustauscher bei gegebener Temperaturdifferenz ein kleinster Reibungsverlust ergibt. Sobald einmal die Geschwindigkeiten für die wärmeaustauschenden Ströme testgelegt sind, lassen sich dann mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung, da das Gewicht und somit die Menge des im geschlossenenKreislauf.umzuwälzenden Arbeitsmittels bekannt ist, die Durchmesser der Rohre und die zwischen denselben benötigten Zwischenräume festlegen. Da ferner angenommen wurde, daß die Gesamtfläche des Wärmeaustauschers von vornherein gegeben sei, so läßt sich dann. sobald der Durchntesser der Rohre in der erläuterten Weise festgelegt worden ist,. auch noch die benötigte Länge der Rohre berechnen. Der Konstrukteur ist jetzt im Besitze aller Angaben, welche er braucht, um den Wärmeaustauscher in einrieutiger Weise zu konstruieren.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird zweckmäßig die Temperaturdifferenz zwischen den zwei, verschiedene absolute Drücke aufweisenden Teilen des Arbeitsmittelstromes :in jeder Stelle des Wärmeaustauscher: kleiner als 70° C gehalten. Damit ist die obere Grenze für die Temperaturdifferenz festgelegt, welche nicht überschritten «-erden sollte, wenn nicht der Gesamtwirkungsgrad der Anlage weit unter denjenigen bereits bekannter, technisch verwerteter Prozesse der Dampf-oder Gasturbinentechnik fallen soll.
  • Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in Verbindung mit einer Anlage gezeigt, bei welcher eine Luftturbine sowohl einen Stromerzeuger als auch ein Axialgebläse antreibt.
  • In der Figur bezeichnet i einen Erhitzer, in welchem die einen geschlossenen Kreislauf unter Cberdruck beschreibende Luft erhitzt wird. Es stellt dieser Erhitzer i die Zufuhrstelle äußerer Wärme dar. Die eigentliche Erhitzung der Luft erfolgt in einem Oberflächenwärmeaustauscher 2, welcher von den Feuergasen umspült wird; die Erhitzung wird vorteilhaft auf mindestens 5oo° C getrieben. Die so erhitzte Luft gelangt in eine mehrstufige Luftturbine 3 axialer Bauart, wo sie unter gleichzeitiger Arbeitsabgabe an einen Stromerzeuger d. und an einen als mehrstufiges Axial.gebläse ; ausgebildeten Kreiselverdichter mindestens auf die Hälfte des Druckes expandiert, den sie 'am Eintritt in die Luftturbine 3 hat. Der aus der Turbine 3 mit dein Druck p,l strömende Teil der Luft gelangt durch eine Leitung 6 in einen als Gegenstromapparat ausgebildeten Wärtneaustauscher 7, in dem dieser Teil des Arbeitstnittelstromes ein Röhrensvstetn 7' durchströmt und dabei Wärme an denjenigen Teil der Luft abgibt, welcher ein Röhrensvstem 7= mit dein Drucl: ph, durchströmt. Letzterer Teil des Arbeitstnittelstrotnes wird vom Axial-,ebläse 5 durch eine Leitung 9 in den Wärineaustauscher 7 gefördert und gelangt aus diesem durch eine Leitung 8 in den Oberflächenwärtneaustauscher 2. Der das Röhrensystem 7= durchfließende Teil des Arbeitstnittelstromes besitzt somit einen höheren Druck als der das Röhrensystetn 71 durchfließende "feil. Der iin Wä rtneaustauscher 7 auf mindestens t 5o° C abgekühlte. auf den Druck pn expandierte Teil des Arbeitsmittelstromes gelangt durch eine Leitung i i in den Kreiselverdichter 5, in dein er unter Kühlung wieder auf einen höheren Druck gebracht wird. Das Axialgebläse 5 und die- Luftturbine 3 sind so bemessen und deren Drehzahlen so gewählt, daß die aus der Luftturbine 3 strömende Luft noch einen Druck von mindestens J kg/arn2 hat.
  • Die - Durchflußquerschnitte der beiden Röhrensysteme 7'; 72, durch welche - die beiden Teile ,des Arbeitsmittelstromes, zwischen denen im Wärmeaustauscher 7 ein Wärmeaustausch zu erfolgen .hat, strömen, sind derrt , sen, daß der von der Luftturbine 3 a 'bernes kommende Teil des Arbeitsmittelstromes den Wärmeaustauscher,7 mit einer größeren Geschwindigkeit durchströmt als der vom Axialgebläse 5 herkommende Teil höheren Druckes, wobei der Druck jedes der beiden Teile im Wärmeaustauscher praktisch gleichbleibt.
  • Die Röhrensysteme 71, 72 sind ferner, um günstige Wärmedurchgangszahlen zu erhalten, so bemessen, daß sich die Geschwindigkeiten des abzukühlenden, das Röhrensystem 71 durchfließenden Teiles niederen Druckes und'des aufzuheizenden, das Röhrensystem 72 durchfließenden Tdiles höheren Druckes des Arbeitsmittelstromes angenähert umgekehrt proportional wie die Wurzeln aus den absoluten Drücken dieser Teile des Arbeitsmittelstromes verhalten. Diese Bedingung ist z. B. erfüllt,,wenn die Beziehung innegehalten wird, wobei Dl den Innendurchmesser der Rohre 72, da den Außendurchmesser der Rohre 71 und di den Innendurchmesser der Rohre 71, ferner p,, den in den Rohren 72 und pn ,den in den Rohren 71 herrschenden Druck bezeichnet.
  • Zweckmäßig wird ferner dafür gesorgt, daß Ein- und Austritt der Röhrensysteme 71, 72 durch strömungstechnisch gute Formgebung, wie Einlaufabrundungen 73 bzw. 74 und diffusorförmige Austritte 7' bzw. 7' ein Geringstmaß an Strömungs-, d. h. Druckverlusten bedingen. Ferner wird der Wärmeaus= tauscher 7 zweckmäßig auch so bemessen, daß die Temperaturdifferenz zwischen den zwei, verschiedene absolute Drücke aufweisenden Teilen des Arbeitsmittelstromes an jeder Stelle des Wärmeaustauschers kleiner als 70°C wird. Bei größeren Temperaturdifferenzen wird der Verlust infolge urausgenützter Temperaturgefälle im ganzen Kreislauf rasch derart groß, daß die thermische Ausbeute des Prozesses zu gering und damit das Verfahren unwirtschaftlich wird.
  • Durch die Verlegung des ganzen Kreisprozesses in das Überdruckgebiet wird erreicht, daß auch 'bei kleinen Geschwindigkeiten in den Wärmeaustauschern a, 7 die,Wärmeübergangszahlen gut sind, was zu kleinen Austauscherflächen und damit kleinen Strömungsverlusten führt. Das Druckverhältnis des Kreislaufes wird dabei zweckmäßig nicht kleiner als zwei gewählt, weil sonst das zur Verfügung stehende Turbinengefälle zu klein würde, so daß für eine gegebene Leistung zu große Luftmengen umgewälzt werden müßten. Zudem würden dann die im Wärmeaustattscher 7 zu bewegende Wärmemenge und damit die Abmessungen dieser Vorrichtung so groß, daß die prozentualen Verluste ebenfalls stark zunehmen und die Anlage unwirtschaftlich würde.
  • Der Wärmeaustauscher kann erforderlichenfalls mehrgehäusig ausgebildet werden. In einem solchen Falle können die einzelnen Wärmeaustauschflächen in den verschiedenen Gehäusen aus Baustoffen bestehen, die,den jeweiligen Temperaturen angepaßt sind. So können z. B. dort, wo weniger hohe Temperaturen vorhanden sind, billigere Baustoffe, z. B. unle gierte Stählsorten, verwendet werden als dort, wo höhere Temperaturen vorkommen, .welch letztere Sonderbaustoffe hoher Wärmefestigkeit, wie Stähle mit Molybdän-oder Nickelzusatz, erfordern.
  • Solange sich das weiter oben festgelegte Verhältnis zwischen den Geschwindigkeiten der zwei Teile des Arbeitsmittelstromes innehalten läßt, spielt es keine Rolle, welcher der zwei Teile das Innere oder Äußere eines Rohrsvstems durchströmt.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: z. Wärmeaustauscher für Wärmekraftanlagen, insbesondere solche mit Kreiselmaschinen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter äußerer Arbeitsabgabe expandieren gelässen und hierauf wieder auf höheren Druck gebracht wird und :m Wärmeaustauscher ein Wärmeaustausch zwischen dem expandierten und dem verdichteten, noch nicht von außen erhitzten Arbeitsmittelstrom stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Geschwindigkeit des im Wärmeaustauscher abzukühlenden Arbeitsmittelstromes niederen Druckes und des aufzuheizenden Arbeitsmittelstromes höheren Druckes angenähert umgekehrt proportional wie die Wurzel aus den abso-1.uten Drücken dieser Arbeitsmittelströme "verhalten, wobei auf Hoch- und Niederdruckseite der Druck während des ganzen Wärmeaustausches sich praktisch gleichbleibt. a. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz zwischen den zwei, verschiedene absolute Drücke aufweisenden Teilen des Arbeitsmittelstromes an jeder Stelle des Wärmeaustauschers kleiner als 70° C ist. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der absolute Druck des verdichteten Arbeitsmittelstromteiles mindestens doppelt so hoch ist wie der Druck des expandierten Arbeitsmittelstramteiles, welcher Druck mindestens 2 kg/cm= beträgt.
DEA82994D 1935-07-12 1935-08-20 Waermeaustauscher fuer Waermekraftanlagen, insbesondere solche mit Kreiselmaschinen, in welchen ein gasfoermiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter UEberdruck beschreibt Expired DE748006C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012112276A1 (de) * 2012-12-14 2014-06-18 Renate Kintea Wärmekraftmaschine

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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