Wärmeaustauscher für Gasturbinenanlagen Bei einer Gasturbinenanlage
ist es von ausschlaggebender Bedeutung, die Abwärme der Gasturbine weitgehend in
den Kreislauf zurückzuführen, also die ungenutzt abströmende Abwärme so gering wie
nur irgend möglich zu halten; denn nur so ist es möglich, einen hinreichend hohen
Wirkungsgrad der Anlage zu erzielen. Das geschieht in der Weise, daß das Abgas der
Gasturbine und die Frischluft durch einen Wärmeaustauscher geführt werden, in welchem
die Abwärme des Abgases auf die Frischluft übergeht. Von den beiden Ausbildungsmöglichkeiten
eines solchen Wärmeaustauschers (Plattenbauform und Rohrbauform) bezieht sich die
Erfindung auf die Rohrbauform. Aus dem Grundaufbau eines solchen M'ärmeaustauschers
ergibt sich, daß trotz der in Richtung der Rohre verlaufenden Hauptströmung der
beiden in Wärmeaustausch tretenden Mittel eines von einem am Ein- und Austritt im
Querstrom fließen muß, der in den Längsstrom umgelenkt bzw. aus dem Längsstrom abgelenkt
wird.Heat exchanger for gas turbine systems In a gas turbine system
it is of crucial importance that the waste heat from the gas turbine is largely in
returned to the cycle, i.e. the unused waste heat escaping as little as
just to hold on at all possible; because only in this way is it possible to achieve a sufficiently high
To achieve the efficiency of the system. This is done in such a way that the exhaust gas
Gas turbine and the fresh air are passed through a heat exchanger in which
the waste heat from the exhaust gas is transferred to the fresh air. Of the two training options
of such a heat exchanger (plate design and tube design) refers to the
Invention on the pipe design. From the basic structure of such a heat exchanger
it follows that despite the main flow running in the direction of the tubes
two means entering into heat exchange one of one at the inlet and outlet in the
Cross-flow must flow, which is diverted into the longitudinal flow or diverted from the longitudinal flow
will.
Nach bekannten Gesetzmäßigkeiten ist der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage
in besonders hohem Maße von Strömungsverlusten abhängig, vor allem auch in diesem
Wärmeaustauscher. Die Ausbildung der Querem- und Ausströmungskammern ist daher von
jeher Gegenstand eingehender Unt-,rsuchungen gewesen. Die Schwierigkeit liegt insbesondere
in der Bereitstellung hinreichend großer Querschnitte und der gleichmäßigen Verteilung
des einströmenden Mittels auf die einzelnen Rohre.The efficiency of a gas turbine system is according to known principles
to a particularly high degree dependent on flow losses, especially in this one too
Heat exchanger. The formation of the transverse and outflow chambers is therefore of
has always been the subject of in-depth investigations. The difficulty lies in particular
in the provision of sufficiently large cross-sections and uniform distribution
of the inflowing agent on the individual tubes.
Man hat sich nach bekannten Vorschlägen in der Weise geholfen, daß
man dem Rohrpaket einen wesentlich größeren Umfang gibt, als es an sich erforderlich
wäre,
und ist dann gezwungen, einen Teil des Strömungsquerschnitts in der Längsrichtung
abzusperren, um für die Längsströmung die richtige Strömungsgeschwindigkeit erzielen
zu können. Dieser Weg führt naturgemäß zu einem erhöhten Bauaufwand. Nach einem
anderen Vorschlag werden die Rohre nicht, wie es vom Kondensatorbau her bekannt
ist, in Rohrbödem eingesetzt, sondern an ringförmige Sammler angeschlossen. Bei
dieser Bauform wird die Schwierigkeit der Verteilung des die Rohre außen umspülenden
Mittels geringer, jedoch befriedigt sie deshalb nicht voll, da erfahrungsgemäß derartige
Sammler in der Herstellung teuer sind, vor allem wegen der schwierigen Befestigung
der Rohre.One has helped oneself according to known suggestions in such a way that
the tube package is given a much larger scope than is necessary per se
were,
and is then forced to part of the flow cross-section in the longitudinal direction
shut off in order to achieve the correct flow velocity for the longitudinal flow
to be able to. This route naturally leads to increased construction costs. After a
The tubes are not another suggestion, as is known from the construction of condensers
is used in pipe edema, but connected to ring-shaped collectors. at
this design eliminates the difficulty of distributing the flow around the outside of the pipes
By means of lower, however, it is therefore not fully satisfactory, since experience has shown that this is the case
Collectors are expensive to manufacture, mainly because of the difficulty in attaching them
of the pipes.
Die Erfindung geht zur Behebung dieser Schwierigkeiten einen neuen
Weg in der Weise, daß auf der Eintrittsseite der Querströmung und zweckmäßig auch
auf der Aüsströmseite der runde Rohrquerschnitt in einen ovalen Querschnitt übergeht.
Unter oval soll dabei eine Querschnittsform verstanden werden, deren Erstreckung
in der Querströmungsrichtung größer als die Projektion der Stirnfläche ist (elliptisch,
rechteckig, rautenförmig usw.). Man erzielt auf diese Weise eine das Doppelte und
mehr betragende Querschnittsvergrößerung für die Querströmung, ohne, was wichtig
ist, die äußeren Abmessungen des Wärmeaustauschers entsprechend vergrößern zu müssen.
Die durch die ovale Querschnittsform geschaffene Querschnittsvergrößerung kann nun
der mit dem Eindringen des quer einströmenden Mittels abnehmenden Menge angepaßt
werden, d. h. die ovale Querschnittsform erstreckt sich am Eintritt auf eine gewisse
Rohrlänge, in der nächsten Rohrreihe ist diese schon geringer und so fort, bis schließlich
die letzte Rohrreihe überhaupt kein solches ovales Querschnittsstück mehr benötigt.
Entsprechend wird dann auf der Abströmseite, sofern man auch dort für eine Querschnittsvergrößerung
Sorge trägt, die Länge des ovalen Querschnittsstückes in Ausströmrichtung wachsen
lassen.The invention is a new approach to overcoming these difficulties
Way in such a way that on the inlet side of the cross flow and expediently too
on the outflow side, the round pipe cross-section merges into an oval cross-section.
In this context, oval should be understood to mean a cross-sectional shape, the extent of which
in the cross-flow direction is larger than the projection of the face (elliptical,
rectangular, diamond-shaped, etc.). In this way you get a double and
greater cross-sectional enlargement for the cross flow, without what is important
is to have to enlarge the external dimensions of the heat exchanger accordingly.
The cross-sectional enlargement created by the oval cross-sectional shape can now
adapted to the decreasing amount with the penetration of the transversely inflowing agent
be, d. H. the oval cross-sectional shape extends to a certain extent at the entrance
Pipe length, in the next row of pipes this is already shorter and so on until finally
the last row of tubes no longer needs such an oval cross-sectional piece at all.
The corresponding is then on the outflow side, provided that there is also an increase in cross-section
Care is taken to increase the length of the oval cross-sectional piece in the outflow direction
permit.
Bei der eben beschriebenen Bauform kann nun die Möglichkeit bestehen,
daß sich das Gas den kürzesten Weg vom Eintritt nach dem Austritt sucht. Das hätte
aber zur Folge, daß nicht alle Rohre auf ihrer ganzen Länge beaufschlagt werden.
Um dem zu begegnen, kann man auf den Rohren Rippen anbringen, durch die der Gasstrom
gezwungen wird, seinen Weg durch die Abflachungen hindurch bis zu den hinteren Rohrreihen
zu nehmen.With the design just described, there is now the possibility of
that the gas seeks the shortest route from the inlet to the outlet. That would have
but with the result that not all pipes are acted upon over their entire length.
To counteract this, ribs can be attached to the pipes through which the gas flow
is forced to make its way through the flats to the rear rows of tubes
gain weight.
Aus Gründen einfacherer Herstellung kann man gegebenenfalls die Länge
der Abflachungen bei allen Rohren gleich halten. Dann wächst entsprechend die Länge
der Rippen auf dem ovalen Rohrteil, und es wird den Abgasen nach wie vor der Weg
vorgeschrieben.For reasons of simpler manufacture, the length can be changed if necessary
keep the flats the same for all pipes. Then the length increases accordingly
of the ribs on the oval pipe section and it will keep the exhaust fumes the way
required.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. i in einem Längsschnitt und in
Fig. 2 in einem Querschnitt dargestellt. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die
ovalen Rohrteile in vergrößertem Maßstab. Der Wärmeaustauscher enthält in einem
Mantel i eine größere Anzahl von Rohren 2, die in bekannter Weise in Rohrböden 3
und 4 eingesetzt sind. 5 ist die Einströmkammer für das eine der beiden Mittel,
6 die Abströmkammer. Das andere Mittel, und zwar zweckmäßig das wärmeabgebende Abgas,
tritt durch den Stutzen 7 quer zur Hauptströmungsrichtung ein und strömt durch den
Stutzen 8 quer zur Hauptströmungsrichtung ab. Gemäß der Erfindung sind nun die Rohre
2 innerhalb einer gewissen Zone oval, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Die Figur läßt
außerdem erkennen, daß dieses ovale Stück in seiner Länge in der Quereinströmungsrichtung
abnimmt bzw. in der Richtung der Querabströmung zunimmt. Die bereits erwähnten Rippen
sind mit 9 bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel wechselt die Länge der ovalen Rohrstücke
und dementsprechend auch die Länge der Rippen. Es ist jedoch, wie bereits gesagt,
auch möglich, die Länge der ovalen Rohrstücke gleichzuhalten, so daß sich dann die
Rippen mit entsprechenden Längen über die ovalen Rohrstücke erstrecken würden.An embodiment is shown in Fig. I in a longitudinal section and in
Fig. 2 shown in a cross section. Fig. 3 shows a cross section through the
oval pipe parts on an enlarged scale. The heat exchanger contains in one
Shell i a larger number of tubes 2, which in a known manner in tube sheets 3
and 4 are inserted. 5 is the inflow chamber for one of the two means,
6 the discharge chamber. The other means, and expediently the heat-emitting exhaust gas,
enters through the nozzle 7 transversely to the main flow direction and flows through the
Nozzle 8 transversely to the main flow direction. According to the invention are now the pipes
2 oval within a certain zone, as can be seen from FIG. The figure leaves
also recognize that this oval piece has its length in the cross-flow direction
decreases or increases in the direction of the transverse flow. The ribs already mentioned
are denoted by 9. In the exemplary embodiment, the length of the oval pipe pieces changes
and accordingly the length of the ribs. However, as already said,
also possible to keep the length of the oval pipe pieces the same, so that the
Ribs with appropriate lengths would extend over the oval pipe sections.