DE961629C - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher, und zwar auf Rekuperativwärmeaustauscher, bei denen die Wege für die Strömung nur einen geringen hydraulischen Radius besitzen, so daß dafür zu sorgen ist, daß dieselben sich nicht zusetzen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von Reinigungsmitteln, welche zum Reinigen solcher Wärmeaustauscher ganz besonders geeignet ίο sind.

Es sind zwei Verfahren bekannt, um das Zusetzen des Einsatzes -zu verhindern, nämlich erstens, indem man den Staub daran hindert, in den Einsatz zu gelangen; zweitens durch Reinigen des Einsatzes, um Staub und sonstige anhaftende Teilchen daraus zu entfernen.

Sämtlichen Staub und ähnliche Teilchen daran zu hindern in den Einsatz zu gelangen, ist niemals vollständig durchzuführen.

Wenn die oben verwendeten Wärmeaustauscher in Gasturbinenlagen, verwendet werden, dann kann das Zusetzen sowohl auf der Luft- als auch auf der Gasseite jedes Elements vor sich gehen.

Wird die Luft am Kompressoreinlaß richtig^efiltert, dann besteht die Hauptgefahr für das Verschmutzen auf der Gasseite. Da dieses die Niederdruckseite des Vorwärmers ist, ist dieselbe bei allen Belastungen für Druckverluste sehr empfindlich.

Diese Tatsache schränkt die Verwendung des erstens Verfahrens ein, weil die Beseitigung des Staubes aus dem Gase den Druckverlust erhöht.

Was das zweite Verfahren bei Anwendung auf eine Gasturbinenanlage anbelangt, so hängt viel

von der Art des verwendeten Brennstoffs sowie von der Art des erhaltenen Staubes ab.

Das zweite Verfahren mag für gewisse, beispielsweise hochwertige Brennstoffe, welche nur kleine Staubteilchen und in geringer Anzahl ergeben, ausreichen, aber in anderen Fällen würde die Verwendung dieses Verfahrens zur Beseitigung der ganzen Menge an Schmutz oder Staub und sonstiger Teilchen bedeuten, daß eine verhältnismäßig große ίο Ausrüstung erforderlich sein würde oder daß die Reinigungsapparatur ungebührlich beansprucht wird.

Die vorliegende Erfindung hat einen Wärmeaustauscher als Luftvorwärmer einer Gasturbinenanlage zum Gegenstand, in dem die heißen Staub und sonstigen Teilchen enthaltenden. Abgase die verhältnismäßig reine Verbrennungsluft erhitzen. Er weist ein Gehäuse mit Kammern für jeweils eine Anzahl von rekuperativer Wärmeaustauschao elemente auf, die aus nebeneinander angeordneten, durch Platten voneinander getrennten Zellen bestehen, in deren Strömungskanäle gewellte Streifen angeordnet sind. Der ernndungsgemäße Wärmeaustauscher ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß für die heißen Abgase ein Filter vorgesehen ist, hinter dem vor den Einlassen zu den einzelnen Wärmeaustauschelementen, je ein Ventil und dahinter Kanäle im Gehäuse des Wärmeaustauschers angeordnet sind, wobei die Kanäle mit der Saugseite einer Pumpe verbunden sind und die Druckseite dieser ein Reinigungsmittel für die zellenfördernde Pumpe in Verbindung mit weiteren Kanälen steht, die in den Seitenwänden jedes Wärmeaustauschelements angeordnet sind. Sie stehen in Verbindung mit Durchlässen, die in jeder Zelle für die heißen Abgase durch Teilung des einen gewellten Streifens der Zelle in zwei durch einen Zwischenraum voneinander getrennten Teilen gebildet werden.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. ι ein Grundriß einer Zelle eines Wärmeaustauscherelements zu Zwecken der Erklärung der vorliegenden Erfindung, wobei die Zelle flach und kreisförmig ist,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. i, in Richtung der Pfeile gesehen, Fig. 3 im Grundriß zwei Zellen nach Fig. ι und 2, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie B-B der Fig. 3, in Richtung der Pfeile gesehen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Wärmeaustauschers und einer Reinigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung von Wärmeaustauschern gemäß der übrigen Figuren.

Die Fig. 6 und 7 sind ausführliche schematische Darstellungen eines Teiles der Fig. 5 in größerem Maßstabe zur besseren Erläuterung der Wellenstreifenanordnungen und der damit verbundenen Unterteilungen bzw. Schlitze oder Räume, wobei die Fig. 6 in zwei Teile unterteilte gewellte Streifen zeigt, die zwischen sich einen Raum mit parallelen Seiten übrig lassen, während es in der Fig. 7 ein Raum ist, der auf jeder Seite auf die Mitte des Well'blechstreifens zuläuft bzw. konvergiert.

Eine Wärmeaustauscherzelle, wie sie in den Fig. ι bis 4 dargestellt ist, besteht aus einer kreisförmigen Metallscheibe 1, in welcher zwei kreisrunde Einbaulöcher 2 ausgestanzt sind.

Durch Hartlöten oder ähnliche Mittel werden Seitenwände 3 an der Scheibe 1 befestigt, wobei in diesen Seitenwänden Löcher 4 vorgesehen werden, die mit den Einbaulöchern 2 der Metallscheibe 1 übereinstimmen.

In dem Raum, der von der Seitenwand 3 und der Metallscheibe 1 eingeschlossen ist, wird der ganze Einsatz befestigt, welcher, wie es die Fig. 2 zeigt, aus einem Wellblechstreifen 5 besteht. In diesen Streifen sind Schlitze 6 geschnitten., welche bei hoher Temperatur die Ausdehnung des ganzen Einsatzes zulassen, und die ermöglichen, daß das Temperaturgefälle je Streifen gering bleibt. Damit ist eine Zelle vollständig, und von ihr aus wird nunmehr das Wärmeaustauschelement aufgebaut. Eine der Scheibe 1 entsprechende Scheibe 7 der nächsten Zelle wird an. den Seitenwänden und dem Einsatz durch Hartlöten od. dgl. befestigt. Der Strömungsweg befindet sich zwischen den Scheiben der benachbarten Zellen, den Seitenwänden und dem Wellblechstreifen.. In Fig. 3 z. B. befindet sich der Gaseinlaß bei J_a, der Gasauslaß bei y^, der Lufteinlaß bei J_c und der Luftauslaß bei y_d. In der Fig. 4 sind die Gaskanäle mit J_e und die Luftkanäle mit 7f bezeichnet.

Die weiteren Seitenwände 8, von gleicher Größe wie die Seitenwände 3, werden umgedreht und dann wie dargestellt in ähnlicher Weise wie zuvor an der Scheibe; 7 befestigt. Auf diese Weise werden die Einlaß- und Auslaßkanäle für das durch diese Zelle strömende Gas im Winkel zu dem Einlaß und Auslaß der ersten Zelle verschoben.

Ein weiterer Einsatz aus einem Wellblechstreifen 9, von gleicher Größe wie der Einsatz 5 der Zelle 1, wird durch Hartlöten in dem von den Seitenwänden 8 und der Scheibe 7 eingeschlossenen Raum befestigt, womit eine zweite Zelle vollendet ist. Über dem Einsatz wird dann eine Scheibe 10 angebracht, um eine dritte Zelle anzufangen.

Der Wellblechstreifen 5 unterteilt den Luftstrom in zwei Teile Yf, während der Wellblechstreifen 9 den Gasstrom in die beiden Teile y_e unterteilt; die Scheibe7 scheidet den Luftstrom von dem Gasstrom. Wie es die Fig. 5 zeigt, werden zwei solcher mit 11 bezeichneten Elemente in öffnungen 12 eines Gußstückes 13 eingebaut, welch letzteres einen Teil einer Gasturbinenanlage bildet oder im Zusammenhang mit einer solchen verwendet wird.

In der betreffenden Figur tritt Druckluft durch die Öffnung I3_a in den Wärmeaustauscher ein, strömt durch die Zellen jedes Wärmeaustauschelements und verläßt dieselben in vorgewärmten Zustand durch die Auslässe 14, von wo sie zu der Brennkammer geführt wird. Heißes Abgas aus der Turbine wird dem Wärmeaustauscher durch die eitung 15 zugeführt. Bei Verlassen der Leitung strömt Gas durch einen Filter 16, welcher die

großen, im Gas enthaltenen Teilchen zurückhält, und. tritt dann durch die öffnungen 17 in die Wärmeaustauschelemente ein, strömt durch die Zellen hindurch, in welchen es seine Wärme an den Blechstreifen und an die anstoßenden Metallscheiben abgibt, und geht dann durch die Austrittsöffnungen 18 zum Abzug.

Um die Reinigung durchführen zu können, sind.

die Wellbleche in zwei Teile unterteilt, welche einen Raum 19 zwischen sich lassen. Dies kann unter Bezugnahme auf Fig. 6 erklärt werden. Die Räume oder Kanäle 19 werden dadurch gebildet, daß die Wellblecheinsätze in zwei getrennten Teilen hergestellt werden, welche, wenn sie in den von den Seitenwänden gebildeten Raum eingesetzt werden, von solcher Größe sind, daß eine Lücke oder ein Raum 19 zwischen denselben entsteht. In dem in

Fig. 6 dargestellten Fall hat die Lücke parallele Seiten, und die beiden Wellblechteile sind mit I9_O und I9₆ mit den Dehnungsschlitzen i9_c bzw. ig_ä bezeichnet.

Auch in der Fig. 7 können die Wellbleche aus zwei Hälften bestehen; sie sind so· geformt, daß zwischen denselben ein konvergierender Schlitz verbleibt. Die Wellbleche sind hier mit ig_e und 19^ bezeichnet, und der Spalt zwischen denselben, welcher auf jeder Seite nach der Mitte des Wellblechstreifens zu zusammenläuft, ist mit I9_S gekennzeichnet. Die Richtung des Gasstromes -zwischen den beiden Hälften ig_e und 19, ist durch Pfeile 19/, gekennzeichnet. Die Einbaulöcher 4 der Seitenwände sind so ausgeführt, daß sie Rohre 20 für die Reinigungsluft (Fig. 4) aufnehmen. In die Seitenwände sind Schlitze2i eingeschnitten, welche die Rohre mit den öffnungen bzw. den Raum 19 in dem Wellblechstreifen in Verbindung setzen. Ebenso sind Schlitze 2i_a in die Rohre 20 geschnitten, um die Schlitze 21 mit den Kanälen bzw. Räumen 19 bzw. ig_g in Verbindung zu setzen, wobei die Schlitze 21, wie vorher erwähnt wurde, in die Seitenwände geschnitten sind. Für eine Gasturbine ist es im allgemeinen ausreichend, wenn diese Schlitze lediglich in den Seitenwänden der Heißgasseite angebracht werden, aber je nach den Umständen können die Schlitze auch in sämtliche Seitenwände geschnitten werden, um alle Zellen, anstatt nur diejenigen auf der Heißgasseite, reinigen zu können.

Die Reinigungsluft wird durch die Rohre 20, die Schlitze 21 und die Öffnungen 19 gedruckt, in welchen sie sich ausbreitet und in entgegengesetzten Richtungen durch jede Hälfte des Wellblechstreifens strömt. Auf diesei Weise wird Staub od. dgl., der sich in den Durchflußkanälen der Zellen angesammelt hat, zusammen mit dem Staub, welcher sich am Eintritt bzw. am Austritt ansammelt, entfernt.

Zu diesem Zweck kann Druckluft einem Kompressor entnommen werden oder aber — wie vorgezogen wird — mittels einer Pumpe 22 (Fig. 5) in kurzen, scharfen Stoßen zugeführt werden.

Ein Ventil 23 ist derart angeordnet, daß das eine der beiden Wärmeaustauschelemente, welche an den gleichen Heißgasseiteneinlaß 17 angeschlossen sind, für den sehr kurzen Zeitraum, während dessen das Reinigen stattfindet, von dem Strom heißer Gase abgeschaltet werden kann. Das Ventil arbeitet in einem Niederdruckmedium, ist also keiner Druckdifferenz unterworfen, so daß eine sehr gute Abdichtung nicht erforderlich ist.

Sobald das Reinigen stattfinden soll, wird das Ventil 23 in die Absperrstellung gebracht und so das heiße Gas daran gehindert, durch den Einlaßkanal 17 in das Element 11 einzutreten. Das sich dann am Einlaß ansammelnde Gas wird durch das Saugrohr 24 mit der Saugseite der Pumpe 22 in Verbindung gebracht.

Der Pumpenkolben 25 drückt die Reinigungsluft oder ein sonstiges Fluidum durch das Rohr 26 und· durch die Rohre 20 des Elements 11 und von dort in die Kanäle der Zellen des Elements. Ein Teil der Luft führt den gesamten Staub und sonstige Teilchen in den Kanälen mit sich hinaus in den Abzug durch die Leitung 18.

Der andere Teil der Reinigungsluft verläßt die Einlaßöffnung 17 und wird zu der Saugseite der Pumpe durch die Öffnung 27 abgeführt, welche beim Rückwärtshub der Pumpe an das Saugrohr 24 angeschlossen ist, wodurch irgendwelcher angesammelter Staub mit diesem Teil der Luft mitgeführt wird.

Die Pumpe, welche durch einen Motor 28 angetrieben wird, aber ebensogut auch hydraulisch oder durch sonstige elektrische Mittel angetrieben werden kann, z, B. durch eine Magnetspule bzw. ein Solenoid, besteht aus dem Kolben bzw. Tauchkolben 25 und einer Zylinderbüchse bzw. Zylinder 29.

Beim Aufwärtsgang des Kolbens wird Luft durch das Filter 30 und das Einlaßventil 31 eingezogen, während gleichzeitig die staubgeschwängerte, beim Saughub eingesogene Luft durch das Auslaßventil 32 in die Atmosphäre gedrückt wird. Während dieses Hubes sind die Ventile 33 und 34 geschlossen.

Beim Aufwärtshub wird das Ventil 32 geschlossen, und staubgeschwängerte Luft wird durch die Saugleitung 24 und das Ventil 33 eingesogen. Gleichzeitig wird Luft durch das Ventil 34 in. das RohP26 und weiter zu den Rohren 20 in dem EIe- n₀ ment gedrückt.

Auf diese Weise wird Luft in regelmäßigen Abständen durch die Rohre und damit durch die Schlitze in den Seitenwänden, durch den Kanal zwischen den beiden Einsatzhälften aus Wellblech- n₅ streifen und schließlich durch die Durchflußkanäle des Einsatzes gedrückt, und so wird der in den Durchflußkanälen der Gasseite angesammelte Staub zusammen mit dem am Einlaß und am Auslaß der Zelle anhaftenden Staub oder sonstigen. Teilchen entfernt.

Die Pumpeneinsaugluft kann in hohem Maße gereinigt werden, da beim jedesmaligen Arbeiten der Pumpe nur geringe Mengen an Reinigungsluft benötigt werden. Das Druckventil der Pumpe kann ₁₂j federbelastet sein, um den Druck ändern zu können.

Ist ein Umlauf vorgesehen, dann kann die Menge an Reinigungsluft ebenso wie der Förderdruck je nach den besonderen Verhältnissen gewählt werden; das gleiche bezieht sich auf die Häufigkeit der Luftförderung.

Die Reinigung des Elements kann durch gewisse Kunstgriffe je nach den Betriebsverhältnissen verbessert werden, wie z. B. a) die richtige Anordnung der Schlitze 9, um den höchstmöglichen Reinigungseffekt zu erzielen. Wenn man beispielsweise die Schlitze näher an den Einlaß der Elemente und den Einsatz heranbringt, dann, strömt die Reinigungsluft in einer Richtung entgegengesetzt zu der des Gasstroms, vorausgesetzt, daß der Einfluß des dynamischen Druckes das zuläßt, b) Änderung des Widerstandes des Wellblechstreif ens durch die Verwendung verschiedener Wellungen für den Streifen am Einlaß und am Auslaß der Zelle, d) die Vermeidung scharfer Kanten und Ecken, in den Einlaß- und Auslaßkanälen und die Ausbildung der Einlaß- und Auslaßkanten des Wellblechstreifens derart, daß der Staub die allergünstigste Gelegenheit erhält, mit der Reinigungsluft zu entweichen.

Bei runden Zellen können die Ecken der WeIlblechstreifen abgeschnitten werden, so daß der Staub frei entweichen kann, dort, wo> diese Kanten die Seitenwände berühren.

Wenn der Einsatz, wie oben beschrieben, durch Durchblasen von Luft durch die Kanäle seiner Heißgasseite gereinigt wird, dann strömt ein Teil der staulbgescfawängerten Reinigungsluft durch das Abgassystem in die freie Luft. Der andere· Teil strömt in der entgegengesetzten Richtung, entgegen dem Strom der heißen Gase, so· daß der durch diesen Teil der Luft entfernte Staub dazu neigt, in oder nahe dem Einlaß der Heißgasseite der Zelle zu bleiben und damit dauernd den Staubgehalt des heißen Gases erhöht, falls der Staub nicht durch geeignete Mittel entfernt wird. Eine solche Entfernung ist von großer Wichtigkeit, da sich die große Masse des Staubes. am Einlaß der Heißgasseite des Elements im allgemeinen und am Einlaß seines Einsatzes im besonderen ansammelt.

Bei Wärmeaustauschern der beschriebenen Bauart können die Elemente in irgendeiner geeigneten Form angeordnet werden, vorzugsweise so, daß' ihre Heißgasseiten von einer gemeinsamen Einlaßleitung aus gespeist werden können. In dem Einlaßkanäl für das heiße Gas wird vorzugsweise ein Filter angeordnet, um zu verhindern, daß irgendwelche großen Teilchen in die Einsätze der Zellen, aus denen jedes Wärmeaustauscherelement besteht, eindringen.

Die Reinigungsvorrichtung arbeitet selbsttätig und kontinuierlich und besitzt den Vorzug, daß bei einem Wärmeaustauscher, der aus einer Anzahl von Elementen besteht, nur ein sehr geringer Prozentsatz der Gesamtzahl der Elemente in einem sehr kurzen Zeitraum 'gereinigt wird und daß der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers nicht beeinträchtigt wird.

Das System kann sowohl bei Wärmeaustauschern der Gegenstrombauart als auch bei denen der Kreuzstrombauart und auch bei anderen Anlagen als Gasturbinen Anwendung finden. Das Reinigungsfluidum braucht nicht gerade Luft zu sein, kann aber aus irgendeinem gegebenen Grunde von der Natur der am Einsatz anhaftenden Teilchen abhängig sein.

Die Luftpumpe kann in Fortfall kommen, wenn man bei einer Gasturbinenanlage die Betriebsluft dem Kompressor entnimmt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Als Luftvorwärmer einer Gasturbinenanlage dienender Wärmeaustauscher, in dem die heißen, Staub und sonstige Teilchen enthaltenden Abgase die verhältnismäßig reine Verbrennungsluft erhitzen und der ein Gehäuse mit Kammern für jeweils eine Anzahl von rekuperativen Wärmeaustauschelementen aufweist, die aus nebeneinander angeordneten, durch Platten voneinander getrennten Zellen bestehen, in deren Strömungskanäle gewellte Streifen, angeordnet sind, und bei dem Mittel vorgesehen sind, um die Strömungskanäle in den Zellen sauber zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß für die heißen Abgase ein Filter (16) vorgesehen ist, hinter dem vor den Einlassen zu den einzelnen Wärmeaustauschelementen je ein Ventil (23) und dahinter Kanäle (27) im Gehäuse des Wärmeaustauschers angeordnet sind, wobei die Kanäle mit der Saugseite einer Pumpe (25) verbunden sind, und die Druckseite dieser das Reinigungsmittel für die Zellen fördernde Pumpe in Verbindung mit weiteren Kanälen steht, die in den Seitenwänden jedes Wärmeaustauschelementes angeordnet sind und in Verbindung mit Durchlässen. (19) stehen, die in jeder Zelle für die heißen Abgase durch Teilung des gewellten Streifens der Zelle in zwei durch einen Zwischenraum voneinander getrennten Teilen (i9_a, I9₆) gebildet werden.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Pumpe (25) Luft gefördert wird.
3. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Pumpe (25) Luft und ein zusätzliches Reinigungsmittel gefördert wird.
4. 4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den in den Seitenwänden angeordneten Kanälen der Wärmeaustauschelemente längs, geschlitzte Röhren (20) so eingesetzt sind, daß ihre Schlitze mit Schlitzen in den Seitenwänden> die zu den Durchlässen (19) in den Zellen führen, übereinstimmen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 844 995;
   USA.-Patentschrift Nr. 2508 119.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 €58/304, 10.56 (609 855 4. 57)