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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.