DE874678C - Roehrengaserhitzer, insbesondere fuer feste Brennstoffe, vorzugsweise zur Verwendungbei zweistufigen Gasturbinenanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Röhrengaserhitzer, insbesondere für feste Brennstoffe, mit senkrechter Brennraumachse, der in erster Linie für die Verwendung in Gasturbinenanlagen mit indirekter Wärmezufuhr und zweimaliger Erhitzung des Arbeitsmittels bei verschiedenen Drücken bestimmt ist. Bei Wärmekraftanlagen dieser Art wird für gewöhnlich das .gasförmige Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, nachdem es in mindestens einem Verdichter auf höheren Druck gebracht worden ist, in einem Heizsystem durch indirekte äußere Wärmezufuhr erhitzt, dann nach teilweiser Expansion unter Leistungsabgabe in mindestens einer Turbine in einem zweiten Heizsystem ein zweites Mal erhitzt und schließlich unter Leistungsäbgabe in mindestens einer weiteren Turbine weiter entspannt.

Zweck der Erfindung ist, einen solchen Gaserhitzer mit zwei Heizsystemen zu schaffen, der in seinem Aufbau den Besonderheiten gasförmiger Arbeitsmittel und auch denjenigen fester Brennstoffe Rechnung trägt. Die betreffenden Besonderheiten bedingen gegenüber den üblichen Dampfkesselkonstruktionen zum Teil wesentliche Änderungen, die in ihrer Gesamtheit für die Verwirklichung des Betriebes eines Gaserhitzers selbst und von Wärmekraftanlagen der erwähnten Art, von denen ein solcher Erhitzer einen Teil bildet, als Ganzes ausschlaggebend sind.

In diesem Zusammenhang ist nämlich zu beachten, daß die Druckverluste in den Rohrleitungen von Dampfkraftanlagen nur geringen Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad der Anlage haben, während sie diesen in Wärmekraftanlagen, die nur mit

gasförmigem Arbeitsmittel betrieben werden; wesentlich beeinflussen. Bekanntlich ergeben sich aber bezüglich der Druckverluste im Heizsystem von Röhrengaserhitzern besonders günstige Werte, wenn Rohre von kleinem Durchmesser, nämlich von 2 bis 30 mm, ferner von kleinerer Länge und dafür in entsprechend großer Anzahl parallel geschaltet verwendet .werden. Da nun solche Rohre in Gaserhitzern im Betrieb auf eine viel höhere Temperatur erhitzt werden, als dies in Dampfkesseln der Fall ist, weil bekanntlich der Wärmeübergang an Gas kleiner ist als der an Wasser oder Dampf und überdies das gasförmige Arbeitsmedium zwecks Steigerung des Wirkungsgrades der Anlage auf eine höhere Temperatur zu bringen ist als der Dampf in normalen Dampfkesselanlagen; so müssen sie aus hochhitzebeständigem, das heißt legiertem Material hergestellt werden, das im allgemeinen einen viel größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten 2ö aufweist als der in Dampfkesseln für gewöhnlich zur Verwendung kommende Stahl. Dadurch entstehen mehrfach kopstruktive Schwierigkeiten. Die vielen kurzen Rohre kleineren. Durchmessers sollten nämlich so angeordnet sein, daß das Arbeitsmittel möglichst gleichmäßig auf alle Rohre verteilt wird und an diese anderseits möglichst gleichviel Wärme übertragen wird, damit nicht einzelne dieser schon unter normalen Bedingungen bereits hoch beanspruchten Rohre auf höhere Temperaturen als vorgesehen erhitzt werden. Die zulässige Temperatur der Rohre muß dabei auf wenige Grade genau eingehalten -werden können. Dabei sollten sie aber auch derart angewendet sein, daß die durch die hohen Temperaturen und großen Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen; großen Ausdehnungen nicht auf Teile, z. B. Sammelleitungen, außerhalb der'Lufterhitzer übertragen werden, da sonst umfangreiche und kostspielige Konstruktionen nötig würden,, um zu verhindern, daß diese Dehnungen sich auf die Maschinen übertragen. In Dampfkraftanlagen, wo die Dehnungen aus den genannten Gründen von vornherein viel kleiner sind, gestatten die wegen der hohen Dampfdrücke und wegen der zulässigen großen Geschwindigkeiten relativ kleinen Rohr durchmesser, daß die Dehnungen in Rohrbogen aufgenommen werden können. Dies ist jedoch in Anlagen, die nur mit gasförmigem Arbeitsmedium betrieben werden, nicht angängig, weil hier die Rohrdurchmesser für gleiche Anlageleistungen größer sind und, zudem solche Bogen stark ins Gewicht fallende Druckverluste mit sich bringen wurden. Um sich ein Bild über die Bedeutung solcher Dehnungen machen zu können, sei z. B. erwähnt, daß sich ein für mittlere Betriebsverhältnisse ausgelegtes Heizrohr bei einer Länge von iom vom kalten bis zum Betriebszustand, in welchem es eine mittlere Temperatur von etwa 650⁰C hat, um über 100 mm ausdehnt. Aber nicht nur die Erhitzerrohre, sondern auch deren Verteiler und Sammler müssen derart ausgebildet und angeordnet sein, daß sie möglichst keine Wärmedehnungen an weitere Bauteile der Wärmekraftanlage übertragen.

Um ein gasförmiges Arbeitsmedium zweimal bei verschiedenen Drücken zu erhitzen, scheint es vorerst aus konstruktiven und reguliertechnischen Gründen naheliegender zu sein, für d,as Heizen in jeder Druckstufe einen besonderen Erhitzer vorzusehen. Verschiedene Erwägungen zeigen jedoch, daß dies nicht immer die beste Lösung bildet. Es ist nämlich der Tatsache Rechnung zu tragen, daß oft eine Wärmeübertragung durch Strahlung am wirtschaftlichsten ist, da sie keine Druckverluste bedingt und insbesondere bei der Verbrennung fester Brennstoffe vorteilhaft sein kann, weil zur Ausscheidung trockener Asche den Brenngasen raschmöglichst viel Wärme entzogen werden muß, bevor sie mit den Erhitzerrohren in Berührung kommen; außerdem müssen die Brennraumwände wirksam gekühlt werden. Beim Vorsehen von zwei Erhitzern müßte deshalb in jedem Erhitzer das zugeordnete Heizsystem zum Teil zwecks Aufnahme von Strahlungswärme in den Brennraum verlegt sein und zum andern Teil als Berührungsheizfläche nachgeschaltet werden. Zudem würden beim Vorsehen von zwei Erhitzern auch entsprechend viele Verteil- und Sammelleitungen, ferner Kanäle für die Verbrennungsluft und die Rauchgase, Hilfseinrichtungen u. dgl. nötig werden. Dies führt zu vermehrten Druck- und Temperaturverlusten sowie vermehrtem Materialaufwand. Auch entsteht ein vergrößerter Raumbedarf für die Gesamtanlage.

Um den verschiedenen vorstehend genannten Forderungen unter gleichzeitiger Vermeidung der Nachteile bisheriger Ausführungen Rechnung zu tragen, erfolgt bei einem Röhrengaserhitzer der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung die Erhitzung der beiden sich auf verschiedenen Druckstufen· befindenden Gasströme in zwei Röhrenheizsystemen, die koaxial zur Achse eines ihnen gemeinsamen Brennraumes angeordnet sind und von denen das eine der Bfennraumstrahlung direkt ausgesetzt ist und die Abgrenzung eines Teils des Brennraumes bildet, während das andere dieser Systeme der direkten Strahlung des Brennraumes weitgehend entzogen ist und durch Berührung mit den aus dem Brennraum abströmenden Heizgasen beheizt wird.

In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. ι im wesentlichen einen axialen Längsschnitt durch einen Röhrengaserhitzer mit senkrechter Brennraumachse, zum Teil jedoch auch einen Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 5,

Fig. 2 einen waagerechten Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen waagerechten Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1,

Fig. 4 eine Einzelheit und

Fig. s einen senkrechten Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 1.

In den Figuren bezeichnet 1 den Brennraum eines Röhrengaserhitzers R mit senkrechter Brenn-

raumachse, der zum Verfeuern, von festem Brennstoff bestimmt ist. 2 bezeichnet eine Leitung, ■durch die staubförmiger Brennstoff und diesen tragende Primärluft zuströmen, und 3 sind Kanäle, die zur Zuführung von Sekundärluft dienen. Die durch die Leitung 2 zuströmenden Medien mischen sich mit der Sekundärluft in einem Brenner 4, der oben im Erhitzer R achsgleicb zu dessen Längsachse angeordnet ist.

A und B bezeichnen zwei Röhrenheizsysteme, in denen ein Luftstrom auf zwei verschiedenen Druckstufen durch äußere Wärmezufuhr zu erhitzen ist, und zwar erfolgt die Erhitzung im Heizsystem^ auf der niederen Druckstufe und im Heizsystem B auf der höheren Druckstufe. Dabei sind die Heizsysteme A und B koaxial zur Achse des ihnen gemeinsamen' Brennraumes 1 angeordnet. Das über dem. Heizsystem B gelegene Heizsystem A ist ausschließlich direkt der Brennraumstrahlung ausgesetzt, wobei es gleichzeitig die Abgrenzung des oberen Teils des Brennraumes 1 bildet. Das Heizsystem B ist dagegen der direkten Strahlung des Brennraumes 1 weitgehend entzogen, und es wird durch Berührung der aus diesem in Richtung der Pfeile C abströmenden Heizgase beheizt. Die beschriebene Anordnung der zwei Heizsysteme A und B erweist sich besonders dann als vorteilhaft, wenn das Arbeitsmittel der Wärmekraftanlage in ihrer ersten Expansionsstufe weniger entspannt wird als in der zweiten, wie dies z. B. der Fall ist, wenn der Nutzleistungsempfänger der Anlage an die Turbine der zweiten Druckstufe gekuppelt ist. Die Temperatur des Arbeitsmittels am Eintritt in das Röhrenheizsystem B liegt dann tiefer als am Eintritt in das Röhrenheizsystem A, so daß sich die tiefere Eintrittstemperatur des Heizsystems B ausnutzen läßt, um in diesem System durch Konvektion die in Richtung der Pfeile C strömenden Heizgase möglichst tief abzukühlen. Somit gestattet die dargestellte Anordnung, bei der das Röhrenheizsystem B dem Röhrenheizsystem A₁ in der Strömungsrichtung C der Heizgase betrachtet, nachgeschaltet ist, weitgehendste Ausnutzung der in diesen Gasen enthaltenen Wärme.

Bei der dargestellten Verwendung des Heizsystems A zur Abgrenzung eines Teils des Brennraumes ι mit senkrechter Achse ließe sich der Forderung nach großer Anzahl kurzer Rohre auf naheliegende Weise dadurch Rechnung tragen, daß ein obenliegender Verteiler mit einem untenliegenden Sammler durch eine Vielzahl gerader Rohre verbunden würde. In einem solchen Falle ließe sich aber die Forderung nach Kompensation der Dehnungen nicht erfüllen, da zu deren Verwirklichung eher eine Anordnung mit obenliegendem Verteiler und Sammler sowie haarnadelförmigen, in den Feuerraum hängenden Rohren zweckmäßiger wäre. Solche Rohre sind aber wieder vom Standpunkt der Druckverluste unerwünscht. Bei der dargestellten Ausführungsform sind nun einmal der Verteiler 5 und der Sammler 6 des Röhrenheizsystems ^i nahe übereinander und ungefähr auf halber Höhe des von diesem System abgegrenzten Teils des Brennraumes 6 angeordnet. Vom ringförmigen Raum des Verteilers 5 gelangt das in Richtung der Pfeile D durch das System A strömende Arbeitsmittel in Rohrbündelköpfe 7, die auf einem Kreis rings um die Brennraumachse angeordnet sind. An jeden Bündelkopf 7 sind eine Anzahl Rohre 8 von kleinem Durchmesser angeschlossen, die je zwei parallel geschaltete, haarnadelförmige Stränge 8¹,8² aufweisen. Diese erstrecken sich in entgegengesetzter Richtung, jedoch beide der Hauptsache nach in der Achsrichtung des Brennraumes 1. Jeder Strang 8¹ ist an einem federnd am Erhitzermantel abgestützten Träger 9 aufgehängt. Die beiden Stränge 8¹, 8² eines jeden Rohres 8 vereinigen sich in der Nähe eines zweiten Bündelkopfes 10 zu einem gemeinsamen Ast 8³, der in der in Fig. 4 gezeigten Weise nicht parallel zu den Strängen 8¹, 8² verläuft, sondern schräg dazu angeordnet ist, was übrigens auch hinsichtlich zweier Strecken 8⁴ (Fig. 4) des Stranges 8¹ der Fall ist. Infolge der Haarnadelform der S'tränge 8¹, 8² und der schrägen, ein Ausbiegen ermöglichenden Strecken 8³ und 8⁴ ergibt sich am Austrittsende der Rohre 8 praktisch keine Dehnung; denn die kleine Relativdehnung, die sich allenfalls wegen ungleicher Erhitzung und Länge der Stränge 8¹ und 8² ergeben sollte, kann durch die erwähnten, schrägen Strecken 8³ und 8* ohne weiteres kompensiert werden. Dadurch, daß die beiden Stränge 8¹, 8² vor dem Anschluß an die Bündelköpfe 10 zu einem gemeinsamen Ast 8³ vereinigt sind, wird zudem erreicht, daß sich die beiden Ströme, welche die Stränge 8¹, 8² parallel durchflössen haben, vor dem Eintritt in den Bündelkopf 10 mischen können, so daß der Ast 8³ die mittlere Temperatur dieser zwei Ströme und nicht etwa die Temperatur des stärker erhitzten Teilstromes annimmt. Dieser Umstand trägt zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Erhitzers bei, um so mehr das Arbeitsmittel erst in diesem Ast 8³ auf die gewünschte End temperatur erhitzt wird. Die verschiedenen Bündelköpfe 10 sind an den ringförmigen Hohlraum des Sammlers 6 angeschlossen. Das als Druckmantel dienende Gehäuse des Verteilers 5 bzw. Sammlers 6 ist gegen den Brennraum 1 hin kegelförmig ausgebildet und bewirkt zusammen mit den Rohren, welche die ringförmigen Hohlräume des Verteilers 5 und Sammlers 6 mit den Bündelköpfen 7 bzw. 10 verbinden, eine Abdichtung jener Hohlräume gegen den Brennraum 1.

Dem durch Berührung beheizten Heizsystem B höheren Druckes sind ein Verteiler 11 und ein Sammler 12 zugeordnet. Die Richtung, in der das Arbeitsmittel dieses System B durchströmt, ist durch die Pfeile E angegeben. Verteiler il und Sammler 12 sind ähnlich ausgebildet wie die entsprechenden Teile 5 bzw. 6 des Heizsystems A. Das Heizsystem B weist ferner eine Anzahl in gleichartige Sektoren 13 unterteilte Röhrenpakete auf, um die Möglichkeit zu schaffen, sie in nicht gezeigter Weise einzeln zugänglich und ausbaubar zu machen. Wie vor allem aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Vielzahl von Sektoren 13 in zwei übereinander- i«5 liegenden Gruppen angeordnet, die in der in Fig. 1

gezeigten Weise von den Heizgasen doppelflutig in Richtung der Pfeile C durchströmt werden,

Um die Rohre 8 des Heizsystems A vor Berührung mit der Flamme des Brenners 4 zu schützen, sind eine Leitung 14 und ein in diese eingebautes Gebläse 15 vorgesehen, welche bereits weitgehend abgekühlte Rauchgase in bekannter Weise in den Brennraum 1 zurückzuführen- gestatten, in den sie durch die Lücken zwischen den Rohren 8 eindringen. 16 bezeichnet einen Blechzylinder, der zwischen dem Heizsystem A und der Hülle des Erhitzers R koaxial zu diesem System angeordnet ist und den doppelten Zweck erfüllt, einerseits die rückgeführten Rauchgase zu führen und 'anderseits die zwischen den Heizrohren 8 nach außen dringende Strahlung aufzunehmen und an die Rückseite der Heizrohre 8 zu übertragen. Damit wird erreicht, daß die Temperatur dieser Heizrohre 8 über ihren Umfang besser ausgeglichen wird, so daß in den Rohren 8 des Hei'zsystems A gefährliche Wärmespannungen vermieden werden. Die rückgeführten, kühlenden Rauchgase sorgen gleichzeitig auch für die erforderliche Kühlung des Blechzylinders 16. Die Herstellung dieses Zylinders 16 sowie eines Aschentrichters 17, einer zylindrischen Führungs wand 18 für das Heizsystem B und allfälliger weiterer Teile aus Blech anstatt aus Mauerwerk empfiehlt sich, weil in Gaserhitzern jede Wärmeakkumulierung vermieden werden muß, um die Rohre bei Entlastungen der Wärmekraftanlage, das heißt Verkleinerung der umlaufenden Arbeitsmittelmenge, nicht zu überhitzen. Solche Überhitzungen wären besondere dann gefährlich, wenn die Anlage wieder plötzlich belastet, daß heißt das Arbeitsmittel plötzlich wieder unter vollen Druck gesetzt würde.

Da bei dem beschriebenen Röhrengaserhitzer die beiden Röhrenheizsysteme A und B koaxial zur senkrechten Brennraumachse angeordnet sind, ferner der Brennraum 1 zylindrisch ausgebildet und die Heizgasführung in diesem Raum axial ist, während die Rauchgasabführung nach allen Seiten gleichmäßig erfolgt, so werden die verschiedenen Rohre 8 und 13 der Heizsysteme praktisch gleich stark erwärmt, was für die Betriebssicherheit wichtig ist. Bevor die Heizgase in das durch Konvektion beheizte Heizsystem B eintreten, werden sie stark umgelenkt und mit den seitlich oben in den Brennraum 1 eingeführten und im wesentlichen längs des Heizsystems A nach unten strömenden Umwälzgasen gemischt, wodurch eine weitere rasche Abkühlung jener Heizgase erfolgt, so daß die Asche trocken ,in den Aschentrichter 17 ausfällt. Zur sicheren Aschenausscheidung durch Abkühlung werden die Rauchgase zweckmäßig noch zwischen sogenannten Schottenwänden 19 durchströmen gelassen.

Ähnlich wie im Zusammenhang mit den Rohren 8 des Heizsystems A beschrieben wurde, können auch die Rohre der zwei Gruppen des Heizsystems B gemeinsame Endstücke haben, in denen das Arbeitsmittel auf die gewünschte Endtemperatur erhitzt wird.

Ein Gaserhitzer nach der Erfindung läßt sich auch für flüssige und gasförmige Brennstoffe sowie für einen wahlweisen Betrieb mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen verwenden.

Claims (6)

1. PatentANSPßücHE:
2. i. Röhrengaserhitzer, insbesondere für feste Brennstoffe, mit senkrechter Brennraumachse, der in erster Linie für die Verwendung in Gasturbinenanlagen mit indirekter Wärmezufuhr und zweimaliger Erhitzung des Arbeitsmittels ' bei verschiedenen Drücken bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung der beiden sich auf verschiedenen Druckstufen. befindenden Gasströme in zwei Röhrenheizsystemen erfolgt, die koaxial zur Achse eines ihnen gemeinsamen Brennraumes angeordnet sind und von denen das eine der Brennraumstrahlung direkt ausgesetzt ist und die Abgrenzung eines Teils des Brennraumes bildet, während das andere dieser Systeme der direkten Strahlung des Brennraumes weitgehend entzogen ist und durch Berührung der aus dem Brennraum abströmenden Heizgase beheizt wird.
3. 3. Röhrengaserhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu erhitzende Gasstrom auf seiner niederen Druckstufe ausschließlich das der Strahlung ausgesetzte Röhrenheizsystem durchfließt, welches über dem durch Berührung beheizten Röhrenheizsystem, das von dem Gasstrom auf der höheren Druckstufe durchströmt wird, liegt.

   3. Röhrengaserhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem Verteiler, welcher dem der Strahlung ausgesetzten Röhrenheizsystem zugeordnet ist, austretende Gas in eine Anzahl Rohrbündel gelangt, von denen sich jedes aus Rohren aufbaut, die je zwei parallel geschaltete, sich in entgegengesetzter Richtung, jedoch beide der Hauptsache nach in der Achsrichtung des Brennraumes erstreckende und sich gegen das Austrittsende hin zu einem gemeinsamen Ast vereinigende, haarnadelförmige Stränge aufweisen, wobei diese Rohrbündel in einen über dem genannten Verteiler angeordneten Kollektor münden.
4. 4. Röhrengaserhitzer nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Ast und ein Teil mindestens eines der zwei zugeordneten Stränge schräg zur Längsachse des Brennraumes verlaufen.
5. 5. Röhrengaserhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Berührung beheizte Röhrensystem in gleichartige Sektoren unterteilt ist.
6. 6. Röhrengaserhitzer nach den Ansprüchen 1 und s, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektoren in zwei übereinanderliegenden Gruppen angeordnet sind, die von den Heizgasen doppelflutig durchströmt werden.

   7· Röhrengaserhitzer nach' Anspruch ι, bei ■dem ein Teil der Rauchgase in den Brennraum zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem durch Strahlung beheizten Röhrensystem und der Hülle des Erhitzers eine zylindrische, durch rückgeführte Umwälzgase bespülte Wand vorgesehen ist, welche zum Strahlungsausgleich und zur Führung dieser Umwälzgase zu dem durch Strahlung beheizten Röhrenheizsystem dient.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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