DE932067C

DE932067C - Heat exchanger

Info

Publication number: DE932067C
Application number: DEM13920A
Authority: DE
Inventors: Gaston Fell
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1952-05-01
Filing date: 1952-05-01
Publication date: 1955-08-22

Description

Wärmeaustauscher Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für Gasturbinenanlagen, dessen eines wärmeaustauschendes Mittel innerhalb mehrerer übereinander -angeordneter Züge quer durch den wärmeabgebenden Gasstrom hindurchgeleitet wird. Bei Wärmeaustauschern dieser bekannten Bauart wird beispielsweise die im Kreuzstrom geführte und aus einem zentral angeordneten Rohrbündel wärmeaufnehmende Verbrennungsluft am Ende jedes Einzelzuges durch eine einfache Umlenkkappe in den nächstfolgenden Querzug geleitet. Dabei weisen die aus der Unterseite eines Zuges entnommenen Gase eine merklich niedrigere Temperatur auf, als etwa die an der Oberseite des Zuges sich befindlichen Gasschichten, falls das wärmeabgebende Röhrenbündel in der Richtung von oben nach unten durchströmt wird. Dieser Temperaturunterschied ist darauf zurückzuführen, daß dem in den Röhren fließenden Mittel ständig Wärme entzogen wird. Die in den einzelnen Querzügen des Wärmeaustauschers strömende Verbrennungsluft wird demzufolge ein gewisses Temperaturprofil aufweisen, das entsprechend der Größe des Wärmeaustauschers und damit der Strömungskanäle mehr oder minder stark ausgeprägt sein wird. Bei Verwendung der bisher üblichen einfachen Umlenkkappe zwischen zwei benachbarten Zügen tritt infolge dieses Umstandes der Nachteil ein, daß, die aus der Unterseite eines Zuges austretenden Gasschichten, die eine niedrigere Temperatur aufweisen als die an der Oberseite des gleichen Zuges befindlichen, in die Oberseite des folgenden Zuges und die aus der Oberseite des Zuges stammenden Gasschichten an die Unterseite des nächsten Zuges, d. h. also mit vertauschtem Temperaturprofil eingeleitet werden. Diese ständige Umkehrung des Temperaturfeldes innerhalb des betreffenden Gasstromes, die bei jeder Umlenkkappe der bisher bekannten Bauart zwangläufig stattfindet, wirkt sich auf die Güte des Wärmeaustauschers ungünstig aus. Auch muß bei der bekannten Ausführung zwecks Reinigung der einzelnen Strömungskanäle stets der ganze Wärmetauscher stillgesetzt werden, wodurch der Betrieb stillgelegt wird.Heat exchanger The invention relates to a heat exchanger, in particular for preheating combustion air for gas turbine systems, one of which is heat exchanging Means within several superimposed trains across the heat emitting Gas flow is passed through. In heat exchangers of this known type For example, the cross-flow and from a centrally arranged tube bundle heat-absorbing combustion air at the end of each individual draft through a simple Deflection cap passed into the next transverse pull. They point from the bottom a train taken gases to a noticeably lower temperature than about the layers of gas at the top of the train, if the heat emitting Tube bundle is flowed through in the direction from top to bottom. This temperature difference is due to the fact that the medium flowing in the tubes is constantly warm is withdrawn. The combustion air flowing in the individual cross-passages of the heat exchanger will therefore have a certain temperature profile that corresponds to the size of the heat exchanger and thus the flow channels more or less pronounced will be. When using the previously common simple deflection cap between two As a result of this fact, neighboring trains have the disadvantage that the layers of gas escaping from the underside of a train that have a lower temperature than those at the top of the same train, in the top of the next train and those coming from the top of the train Gas layers to the bottom of the next train, d. H. thus with an interchanged temperature profile be initiated. This constant reversal of the temperature field within the relevant gas flow, which inevitably occurs with each deflection cap of the previously known type takes place, has an unfavorable effect on the quality of the heat exchanger. Also must in the known design, always for the purpose of cleaning the individual flow channels the whole heat exchanger can be shut down, whereby the operation is shut down.

Bekannt sind außerdem Wärmetauscher mit im Kreuzstrom erfolgenden Wärmeaustausch und übereinander angeordneten Zügen, die durch Umlenkkappen öder -hauben miteinander verbunden sind, wobei innerhalb dieser Hauben zusätzlich Leitflächen angeordnet sind. Mit dieser Anordnung werden jedoch die zuvor geschilderten Nachteile nicht vermieden. Die bekannten Leitflächen in solchen Wärmetauschern bewirken lediglich eine Vergleichmäßigung der Strömung und verringern somit die reinen Strömungsverluste. Nach wie vor wird jedoch eines der wärmetauschenden Mittel mit umgekehrtem Temperaturprofil in den nächstfolgenden Zug eingeführt.Also known are heat exchangers with crossflow Heat exchange and trains arranged one above the other, which are desolate through deflection caps hoods are connected to one another, with additional guide surfaces within these hoods are arranged. With this arrangement, however, the disadvantages outlined above become obsolete not avoided. The known guide surfaces in such heat exchangers only have an effect an equalization of the flow and thus reduce the pure flow losses. As before, however, one of the heat exchanging agents becomes with the reverse temperature profile introduced into the next train.

Erfindungsgemäß werden demgegenüber die Leitflächen so angeordnet, daß sie das im Kreuzstrom geführte Wärmeaustauschmittel zumindest in den Umlenkeinrichtungen in mehrere sich überschneidende Einzelströme unterteilen und derart in den anschließenden nächsten Querzug einleiten, daß trotz der räumlichen Umlenkung das Temperaturprofil aus dem vorherigen Zug im wesentlichen erhalten bleibt. Der aus der unteren Hälfte des Zuges austretende Verbrennungsluftstrom wird in der Umlenkkappe so geführt, daß er in dem nachfolgenden Querzug wiederum in den unteren Teil des Strömungskanals einmündet, während die der oberen Hälfte entströmenden Gase in die obere Hälfte des folgenden Zuges eingeleitet werden. Dadurch wird das innerhalb eines Querzuges sich ausbildende Temperaturfeld in seiner Schichtung im wesentlichen ungestört erhalten. Die Leitflächenanordnung nach der Erfindung bietet darüber hinaus auch in strömungstechnischer Hinsicht überragende Vorteile, da scharfe, verlustreiche Umlenkungen des die Züge durchströmenden Mittels z. B. in der Nähe des die Querzüge trennenden Zugbleches und die dadurch bedingte unvollkommene Beaufschlagung des Rohrbündels im nachgeordneten Zug vermieden werden. Es ist also auch innerhalb eines einzelnen Zuges für -eine möglichst gleichbleibende Temperaturdifferenz gesorgt.In contrast, according to the invention, the guide surfaces are arranged in such a way that that they run the cross-flow heat exchange medium at least in the deflection devices Subdivide into several overlapping individual streams and thus into the subsequent ones initiate the next transverse pull that, despite the spatial deflection, the temperature profile from the previous move is essentially retained. The one from the lower half The combustion air flow escaping from the draft is guided in the deflection cap in such a way that that in the subsequent transverse pull it again enters the lower part of the flow channel opens, while the gases flowing out of the upper half into the upper half of the next move. This is done within a cross train developing temperature field is essentially undisturbed in its stratification. The guide surface arrangement according to the invention also offers fluidic Outstanding advantages in terms of sharp, lossy diversions of the trains flowing through z. B. in the vicinity of the tension plate separating the cross trains and the resulting imperfect loading of the tube bundle in the downstream Train to be avoided. So it is also within a single turn for -one temperature difference that is as constant as possible is ensured.

In Weiterausbildung des eigentlichen Erfindungsgedankens ist es möglich, daß im Kreuzstrom durch den Wärmeaustauscher geführte Mittel bereits im Eintrittsstutzen des ersten Querzuges durch Trennwände in mindestens zwei Einzelströme aufzuteilen und in diesen Teilströmungskanälen Absperrorgane anzuordnen, mittels deren die Einzelströme füisich alleine abgeschaltet werden können. Gegenüber der einfachen Umlenkkappe ergibt sich daraus der besondere Vorteil, daß die Strömungswege der einzelnen Querzüge gereinigt werden können, ohne den ganzen Wärmeaustauscher und damit die Gasturbinenanlage gleich vollkommen stillsetzen zu müssen. Zu diesem Zwecke schaltet man beispielsweise die eine Hälfte der Strömungskanäle für die im Kreuzstrom geführte Verbrennungsluft mittels der Absperrorgane ab und kann durch an den Umlenkkappen angebrachte Öffnungen Preßluft einblasen, um auf diese Weise diese eine Zughälfte zu reinigen, während der normale Betrieb der Gasturbinenanlage weiterläuft. Die Reinigung der anderen Hälfte der Kanäle erfolgt sodann in analoger Weise.In further training of the actual inventive concept, it is possible that in cross flow through the heat exchanger means already in the inlet connection of the first cross train to be divided into at least two individual streams by dividing walls and to arrange shut-off devices in these partial flow channels, by means of which the individual flows can be switched off on their own. Compared to the simple deflection cap This results in the particular advantage that the flow paths of the individual transverse trains can be cleaned without the whole heat exchanger and thus the gas turbine system to have to stop completely. For this purpose one switches, for example one half of the flow channels for the cross-flow combustion air by means of the shut-off devices and can through openings made on the deflection caps Blow in compressed air to clean this one half of the train while normal operation of the gas turbine system continues. The purification of the other Half of the channels are then carried out in an analogous manner.

Die Möglichkeit des Abschaltens der einen Hälfte der Strömungswege des Wärmeaustauschers kann schließlich unter Umständen bei einer Gasturbinenanlage notwendig werden, bei welcher die Nutzleistung aus irgendwelchen Gründen von der Hochdruckturbine abgenommen wird. Die Eigenart dieser Schaltung bedingt bei Teillastbetrieb, daß die Eintrittstemperatur der Treibgase der Hochdruckturbine stark abgesenkt werden muß, während die Ein- und Austrittstemperatur der Niederdruckturbine im wesentlichen ziemlich konstant bleiben soll. Da bei Verwendung der gesamten Wärmeaustauscherheizfläche auch die Luftaustrittstemperatur praktisch konstant bleibt, würde damit bei Teillast die Nutzturbineneintrittstemperatur, die der Luftaustrittstemperatur aus dem Wärmeaustauscher entspricht, zu hoch. Dieser Nachteil kann durch das teilweise Abschalten der Wärmeaustauscherheizfläche vermieden werden.The possibility of turning off one half of the flow paths of the heat exchanger can, under certain circumstances, be used in a gas turbine system become necessary, in which the useful power for any reason depends on the High pressure turbine is removed. The peculiarity of this circuit depends on partial load operation, that the inlet temperature of the propellant gases of the high pressure turbine are greatly reduced must, while the inlet and outlet temperature of the low-pressure turbine essentially should remain fairly constant. As when using the entire heat exchanger heating surface the air outlet temperature would also remain practically constant at partial load the power turbine inlet temperature, that of the air outlet temperature from the heat exchanger corresponds to too high. This disadvantage can be caused by the partial deactivation of the heat exchanger heating surface be avoided.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustauschers nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Schnitt durch die beiden unteren Züge eines Wärmeaustauschers mit einfacher Umlenkkappe nach der bisher üblichen Bauweise, Fig. 2 den gleichen Teilschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit einer Umlenkkappe mit sich überschneidenden Kanälen, Fig. 3 eine Draufsicht auf den nach der Linie III-III geschnittenen Wärmeaustauscher der Fig.2. In Fig. i sind die beiden unteren Züge eines Wärmeaustauschers der bisher bekannten Bauart dargestellt. Das eine der beiden wärmeaustauschenden Mittel strömt dabei in Richtung des Pfeiles A durch das Rohrbündel i von oben nach unten, während das andere im Kreuzstrom in mehreren quer dazu angeordneten Zügen in Richtung des Pfeiles B hindurchgeleitet wird. Letzteres tritt durch den Flanschstutzen 2 in den ersten Querzug 3 ein und wird mittels der einfachen Umlenkkappe 4 in den nachfolgenden Zug 5 geleitet. Die beiden Züge 3 und 5 sind durch das Zugblech 6 voneinander getrennt. Bei dem Umlenkvorgang des Mittels durch die Umlenkkappe 4 tritt eine nachteilige Vertauschung des Temperaturprofils des einen Wärmeaustauschermittels in der Weise ein, daß die kühlere Gasschicht 7 aus der unteren Hälfte des Zuges 3 nach der Überführung in den folgenden Zug 5 an die Stelle 8 mit höherer Temperatur kommt, während das an sich heißere Gas aus der oberen Zone 9 des Zuges 3 nunmehr in die relativ kühlere Zone io des Zuges 5 gelangen würde.In the drawing is an embodiment of a heat exchanger shown according to the invention, namely Fig. i shows a section through the two lower trains of a heat exchanger with a simple deflection cap according to the usual one Construction, Fig. 2 shows the same partial section through a heat exchanger with a Deflection cap with intersecting channels, Fig. 3 is a plan view of the after the line III-III sectioned heat exchanger of Fig.2. In Fig. I are the two Shown lower trains of a heat exchanger of the previously known type. That one of the two heat exchanging means flows in the direction of the arrow A through tube bundle i from top to bottom, while the other is in cross flow in several trains arranged transversely to it passed in the direction of arrow B. will. The latter occurs through the flange connector 2 in the first transverse train 3 and is directed into the following train 5 by means of the simple deflection cap 4. the the two trains 3 and 5 are separated from one another by the tension plate 6. During the deflection process of the means through the deflecting cap 4, a disadvantageous interchanging of the temperature profile occurs of the one heat exchanger means in such a way that the cooler gas layer 7 from the lower half of train 3 after the transfer to the following train 5 the point 8 with a higher temperature comes while the hotter in itself Gas from the upper zone 9 of the train 3 now in the relatively cooler zone io des Turn 5 would arrive.

Diese ungünstige Vertauschung des Temperaturfeldes innerhalb eines Wärmeaustauscherquerzuges wird bei der erfindungsgemäßen Ausführung, wie sie in Fig. 2 und 3 abgebildet ist, vermieden. Auch dort durchströmt das eine wärmeaustauschende Mittel die Austauscherrohre i von oben nach unten in der Pfeilrichtung A, und das zweite wird im Kreuzstrom durch die einzelnen übereinander angeordneten Züge geleitet (Pfeilrichtung B). Der in den Flanschstutz.en 2 eintretende Gasstrom wird jedoch durch ein Leitblech ii in dem ersten Zug 3 gleich in zwei Teilströme 12 und 13 aufgeteilt. In gleicher Weise ist auch die Umlenkkappe 4 durch Leitbleche 14, 15 in einzelne Strömungskanäle i311 bzw. 1211 und i2 b unterteilt. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß der Teilstrom 13 aus der unteren Hälfte des Zuges 3 in den zentralen Kanal i311 der Umlenkkappe .4 mündet, in diesem zum nächstfolgenden Zug 5 hochgeführt wird und dort so einmündet, daß Teilstrom 13, der der unteren Hälfte des Zuges 3 entnommen wurde, in dem Zug 5 wiederum den unteren Teilstrom 16 bildet. Der obere Teilstrom 12 des unteren Zuges 3 wird durch einen Einsatzkörper 17 nochmals geteilt, in den Kanälen i211, 12b zum nächsten Zug 5 hochgeführt und dort in den oberen Teil 18 dieses Zuges eingeleitet. In der Umlenkkappe 4 sind also sich überschneidende Strömungskanäle 1311 bzw. 1211 und ,2b angeordnet, die eine Vertauschung des Temperaturprofils aus dem Zug 3 bei dem Überführungsvorgang des Gases in den nächstfolgenden Zug vermeiden. Dieser Umlenkvorgang innerhalb der einzelnen Umlenkkappen wiederholt sich bei den nachfolgenden Querzügen des Wärmeaustauschers stest in der gleichen vorher beschriebenen Art und Weise.This unfavorable interchanging of the temperature field within a heat exchanger cross pass is avoided in the embodiment according to the invention, as shown in FIGS. 2 and 3. There, too, the one heat-exchanging agent flows through the exchanger tubes i from top to bottom in the direction of arrow A, and the second is passed in a cross-flow through the individual trains arranged one above the other (direction of arrow B). The gas flow entering the flange connection 2 is, however, divided equally into two partial flows 12 and 13 by a baffle ii in the first pass 3. In the same way, the deflection cap 4 is also subdivided into individual flow channels i311 or 1211 and i2b by guide plates 14, 15. The arrangement is such that the partial flow 13 from the lower half of the train 3 opens into the central channel i311 of the deflecting cap .4, is led up in this to the next train 5 and there opens in such a way that partial flow 13, that of the lower half of the train 3 was removed, in the train 5 again forms the lower partial flow 16. The upper partial flow 12 of the lower train 3 is divided again by an insert body 17 , led up in the channels i211, 12b to the next train 5 and there introduced into the upper part 18 of this train. Intersecting flow channels 1311 or 1211 and 2b are arranged in the deflecting cap 4, which prevent the temperature profile from being mixed up in the train 3 during the process of transferring the gas to the next train. This deflection process within the individual deflection caps is repeated in the subsequent transverse passes of the heat exchanger in the same manner previously described.

Bei dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung strömt das wärmeabgebende Mittel in Richtung des Pfeiles A durch das Rohrbündel i, während das wärmeaufnehmende Mittel im Kreuzstrom in mehreren übereinander angeordneten Zügen geführt wird (Pfeilrichtung B). Es ist natürlich auch denkbar, daß dieWärmeaustauscherrohre in den einzelnen Querzügen vorgesehen sind, d. h. also, daß das im Kreuzstrom geführte wärmeaufnehmende Mittel innerhalb eines Rohrbündels geführt wird. An Stelle der Umlenkkanäle i211, T2b und 13a können unter Umständen auch entsprechend konstruierte Rohrkrümmer oder, bei Einbau eines zentralen Rohrbündels, direkt im umgebenden Mauerwerk nach Art dieser Kanäle 1211, 12b und 13" gemauerte Schächte od. dgl. vorgesehen sein.In the embodiment of a heat exchanger shown in FIGS. 2 and 3 According to the invention, the heat-emitting agent flows in the direction of arrow A through the tube bundle i, while the heat absorbing agent in a cross flow in several trains arranged one above the other (direction of arrow B). It is natural It is also conceivable that the heat exchanger tubes are provided in the individual transverse passes are, d. H. so that the cross-flow heat-absorbing agent within a tube bundle is performed. Instead of the deflection channels i211, T2b and 13a, under certain circumstances also appropriately constructed pipe elbows or, if a central tube bundle, directly in the surrounding masonry in the manner of these ducts 1211, 12b and 13 "masonry shafts or the like. Be provided.

Die Teilströme des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers können schließlich noch einzeln für sich abgeschaltet werden. Zu diesem Zwecke werden Absperrorgane i9, 2o in den Teilströmungskanälen angeordnet. Diese Organe können entweder in dem Eintrittsstutzen des ersten Querzuges oder unmittelbar in den einzelnen Umlenkeinrichtungen oder an einer anderen zweckmäßigen Stelle vorgesehen sein.The partial flows of the heat exchanger according to the invention can finally can still be switched off individually. For this purpose shut-off devices are used i9, 2o arranged in the partial flow channels. These organs can either be in the Inlet connection of the first cross train or directly in the individual deflection devices or be provided at another convenient location.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Heat exchangers, in particular air preheaters for gas turbine plants, one of which has a heat exchanging agent within several superimposed trains across the flow of the other heat exchanging agent and which has guide surfaces in the deflection devices for the cross-flow heat exchanging agent, characterized in that the guide surfaces are in the cross flow Divide the heat exchange means, at least in the deflection devices, into several overlapping individual flows and introduce them into the subsequent next transverse pass in such a way that, despite the spatial deflection, the temperature profile from the previous train is essentially retained.

2. Heat exchanger according to claim i, characterized in that the cross-flow guided heat exchanger means already in the inlet connection of the first transverse pass is divided into at least two individual streams by partition walls.

3. Heat exchanger according to claim i, characterized in that shut-off devices in the partial flow channels are arranged, by means of which the individual currents are switched off for themselves can.

4. Heat exchanger according to claim i and 3, characterized in that the Shut-off elements either in the inlet connection of the first transverse train or directly are arranged in the individual deflection devices. Referred publications: German patent specifications No. 104 369, 567 82o.