DE970629C

DE970629C - Heat exchanger with small diameter pipes for preheating the air for gas turbine plants

Info

Publication number: DE970629C
Application number: DEH21461A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Alfred Schuette
Original assignee: Henschel and Sohn GmbH
Current assignee: Henschel and Sohn GmbH
Priority date: 1954-09-11
Filing date: 1954-09-11
Publication date: 1958-10-09

Description

Wärmeaustauscher mit Rohren kleinen Durchmessers zur Vorwärmung der Luft für Gasturbinenanlagen Bei jeder Gasturbinenanlage, bei der man Wert auf einen guten: Gesamtwirkungsgrad legt, wird ein Wärmeaustauscher angeordnet: Um hohe Abwärmeausnutzungsgrade der aus. der Turbine austretenden Abgase zu, erhalten, m.uß die Austauschfläche des Wärmea,ustauschers sehr groß werden. DerWärmer austa.uscher wird damit der größte und schwerste Bauteil der ganzen Gasturbin.enanInge.Heat exchangers with small diameter tubes for preheating the Air for gas turbine systems For every gas turbine system where you value one good: overall efficiency, a heat exchanger is arranged: To achieve high levels of waste heat utilization the off. the exhaust gases exiting the turbine, must be the exchange surface of the heat exchanger become very large. The warmer exchanger will be the greatest and heaviest component of the entire gas turbine.

Ein. wirksames :@Ii,ttel zum Verkleinern des vom Wärmeaustauscher eingenommenen Raumes ist das Verringern des Rohrdurchmessers. Seiner weitgehenden. Verringerung stellen: sich aber fabrikatorische Schwierigkeiten in dein Weg. Es sind. nun Lösungen gefunden, die die Verwendung von j@ohnen mit beliebig kleinen Durchmessern. gestatten. Bei einer gegebenen Gasturbinenan.lage mit vorgegebenen Druckverlusten für die Luft und für die Gase hat man keine freie Hand mehr in der Bemessung des Wärmeaustauschers. Bei festliegender Austauschfläche ist es nicht mehr möglich, Höhe, Länge und Breite des Wärmeausta.uschers zu verändern,. Diese Abmessungen ergeben sieh zwangläufig aus der Rechnung. -Man. erhält bei kleinen Rohrdurchmessern oft ganz ungewöhnliche Abmessungen des Wärmeaustauschers, insbesondere wird die Rohrlänge verhältnismäßig klein.A. effective: @ Ii, ttel to reduce the size of the heat exchanger occupied space is reducing the pipe diameter. Its extensive. Reduction put: but manufacturing difficulties get in your way. It are. solutions have now been found that allow the use of y @ ohnen with arbitrarily small Diameters. allow. For a given gas turbine system with given Pressure losses for the air and for the gases one no longer has a free hand in the Dimensioning of the heat exchanger. If the exchange area is fixed, it is not more possible to change the height, length and width of the heat exchanger. These Dimensions result inevitably from the calculation. -Man. receives with small Tube diameters often very unusual dimensions of the heat exchanger, in particular the pipe length is relatively small.

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher mit kleinen Rohrdurchmessern. Der- Wärmeaustauscher ist .in bekannter Weise in mehrere parallel geschaltete Gruppen unterteilt, derart, d'aß die Geschwindigkeiten und: Druckverluste Luft- und gasseitig gegenüber einem nicht unterteilten Wärmeaustauscher gleichen Abwärmeausnutzungsgrades keine Veränderung erfahren.The invention relates to heat exchangers with small tube diameters. The heat exchanger is in a known manner in several groups connected in parallel divided in such a way that the velocities and: pressure losses air and gas side opposite to a non-subdivided heat exchanger with the same degree of waste heat utilization none Experience change.

Die Erfindung besteht darin, daß die Rohrgruppen einen Ho'h'lraum für die Zuführung und/oder Abführung der Abgase umschließen, und d'aß in jeder der abwechselnd angeordneten Trommeln für die Zu- bzw. Abführung der Luft jeweils die Enden von zwei aufeinanderfolgenden Rohrgruppen münden. Es sind somit nur ha;lb soviel Trommeln für die Zuführung der Luft und ebenfalls nur halb soviel Trommeln für die Abführung der Luft vorgesehen, wie Rohrgruppen vorhanden sind.The invention consists in that the tube groups form a hollow space for the supply and / or discharge of the exhaust gases, and d'ass in each of the alternately arranged drums for the supply and discharge of the air in each case The ends of two successive groups of tubes open. So there are only ha; lb as many drums for the air supply and also only half as many drums intended for the removal of the air, as there are pipe groups.

Es sind Wärmeaustauscher bekanntgeworden, bei denen zwei Gruppen von Wärmeaustau.scherrohren an einer gemeinsamen Trommel für !die Zu- und Abführung der Luft angeschlossen sind. Hierbei handelt es sich aber um eine einzige Trommel, die im Innern eine Trennwand besitzt, welche den Hohlraum der Trommel in einen Raum für d ie Zu-und einen solchen für die Abführung der Luft trennt. Infolge dieser Anordnung sind die Rohre gekrümmt mit verschiedenen Krümmungsradien ausgeführt, was einen fabrikatorischen Nachteil bedeutet.There are heat exchangers known in which two groups of Heat exchange shear tubes on a common drum for supply and discharge connected to the air. But this is a single drum, which has a partition inside which divides the cavity of the drum into a space for the supply and one for the removal of the air. As a result of this Arrangement, the pipes are curved with different radii of curvature, which means a manufacturing disadvantage.

Der Wärmeaustauscher kann mit horizontaler oder senkrechter Anordnung der Wärmeiaustauschertrommeln ausgeführt werden.The heat exchanger can be arranged horizontally or vertically of the heat exchanger drums.

Die senkrechteAnord.nung der Wärmeaustauscheirtrommel hat außer der gedrängten Anordnung des Wärmeaas.tauschers, noch andere wesentliche Vorteilen. BeieinerAnordnung des.Turbinen-Verd'ichtersatzes derGasturbinenanlage unmittelbar un,terdem Wärmeaustauscher wird nur ein ganz kurzes Verbindungsstück vom Austrittsstutzen des Verdichters zu den Luftei.Itri.ttstrommeln der Wärmeaus tauscheirgruppen benötigt. Besonders vorteilhaft ist diese Anordnung, wenn dien Wärmeaustauscher in vier parallele Gruppen, unterteilt ist, so daß also zwei Lufteintritts- und zwei Luftaustrittstrommeln vorhanden sind. Nach der Erfindung werden weiterhin in an sich bekannter Weise Brennkammern in die Luftaustrittstrommeln eingebaut. Bei einer Ausführung des, Turbinen-Verdichtersatzes mit zwei. Turbinen und einem zwischen den Turbinen liegenden Verdichter können die Eintrittsstutzen der Turbinen unmittelbar unter den Lufta.ustrittstrommeln desWärmeaus.tauschers angeordnet werden, so daß auch für die Verbrennungsgase keine Leitungen benötigt werden. Wärmeverluste und vo? allen Dingen Schwierigkeiten, die durch Wärmedehnuunngen bedingt sind, fallen. demnach. fart.The vertical arrangement of the heat exchange drum also has compact arrangement of the Wärmeaas.tauschers, still other significant advantages. With an arrangement of the turbine compressor set of the gas turbine system directly Below the heat exchanger there is only a very short connection piece from the outlet nozzle of the compressor to the air intake drums of the heat exchangers. This arrangement is particularly advantageous when the heat exchangers in four parallel Groups, is divided, so that two air inlet and two air outlet drums available. According to the invention, combustion chambers are also used in a manner known per se built into the air outlet drums. In one version of the turbine compressor set with two. Turbines and a compressor located between the turbines can Turbine inlet connection directly below the heat exchanger's air outlet drums be arranged so that no lines are required for the combustion gases will. Heat losses and vo? all things difficulties caused by thermal expansion are conditional, fall. therefore. fart.

In den Abb. i bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar in Abb. i ein Querschnitt du ,ich den Wärmeaustauscher, in Abb. 2 ein Längsschnitt durch ihn, und in.An exemplary embodiment of the invention is shown schematically in FIGS shown, namely in Fig.i a cross-section you, I the heat exchanger, in Fig. 2 is a longitudinal section through it, and in.

Abbl. 3 ein Längsschnitt durch den Wärmeaustauscher mit einem darunter angeordneten Turbi-nen:-Verdichtemsatz.Fig. 3 shows a longitudinal section through the heat exchanger with one underneath arranged turbines: -compressor set.

Die, vier Trommeln i, a" 3 und 4 des Wärmeaus, tauschers sind senkrecht angeordnet. Durch die Leitung 5 (Abb. 3) wird die Luft aus der Atmosphäre durch den Verdichter 6 angesaugt und verdichtet. Sie tritt aus dem Druckstutzen 7 in einen Zwischenkühler 8 ein und anschließend in den: Saugstutzen 9 des Verdichters io. Hier wird die Luft auf den endgültigen Druck gebracht und tritt durch das Verteilungsstück i i in d!ie beiden Trommeln i und 2 des Wärmeau:stauschers ein. Aus den Trommeln i und 2 wird die Luft durch die Rohre 12 in die eigentlichen, den Wärmeaustausch vermittelnden. Rohre 13 eingeführt. Die kleinen Rohre 13 sind in eine größeres Zahl von Anschlußstücken zusammengefaßt, die jeweils an ein Rohr 12 angeschlossen. und derart aneinandergelegt sind, daß sie die seitlichen Begrenzungswände 14 und 15 dies Wärmeaustauschers bilden. Entsprechend den Rohren 12, die den Eintritt der Luft in den eigentlichen Wärmeaus.tauscher vermitteln, ist eine gleiche Anzahl von Rohren 16 vorgesehen, in. denen. die erwärmte Luft in die Austrittstrommeln 3 und 4 strömt. In die beiden Trommeln. 3 und 4 ist je eine Brennkammer eingebaut, die in der Hauptsache aus den Brennern. 17 und den aus hitzebeständigem Blech hergestellten Brennkammerrohren 18 besteht. Die in: den BrennkammernerzeugtenVerbrennungsgase treten durch die Stutzen ig in die beiden parallel, geschalteten Verdichter-Antriebsturbinen 2o ein, die s.ie durch, die Abgasstutzen, 21 verlassen, um in der nicht dargestellten Nutzleistungs.turbine die aus dem Restgefälle gewonnene Arbeit beispielsweise an einen elektrischen Stromerzeuger abzugeben. Die den Wärmeaustauscher beau.fschlagenden Abgase dien Nutzleistungsturbine werden dem Wärmeaustauscher durch die vier Kanäle 22 zugeführt, durchströmen diesen in drei Züglen und werden durch den zentral im Wärmeaustauscher angeordneten Abzugskanal. 23 in die Atmosphäre abgeleitet. Während die äußeren Begrenzungswände des ersten und dritten Zuges durch die zu Wänden 1¢ und 15 zu,sammengelegßen Anschlußstücke gebildet werden, sind als Begrenzungswände zwischen dem ersten und zweiten und. dem zweiten und driitten Zug die Trennwände 24 und 25 vorgesehen. Der gesamte Wärmeaustauscher ist an seinem unteren Ende mit den Auflagepratzen 26 gelagert. Die beiden Verdichter 6 und io mit dein. Zwischenkühler 8 und den Antriebsturbinen 2o sind auf dein gemeinsamen Rahmen 27 gelagert, der wiederum mit Laschen 28 an den vier Trommeln i, 2, 3 und 4 des Wärmeaustauschers befestigt ist.The four drums i, a "3 and 4 of the heat exchanger are vertical arranged. The air from the atmosphere is passed through line 5 (Fig. 3) the compressor 6 is sucked in and compressed. It emerges from the pressure port 7 into a Intercooler 8 and then into the: suction port 9 of the compressor io. Here the air is brought to the final pressure and passes through the distribution piece i i in the two drums i and 2 of the heat exchanger. From the drums i and 2 is the air through the tubes 12 in the actual, the heat exchange mediating. Tubes 13 introduced. The small tubes 13 are in a larger number summarized by connecting pieces, each connected to a pipe 12. and are placed against one another that they the lateral boundary walls 14 and 15 this form heat exchanger. Corresponding to the tubes 12, the entry of the Air to convey into the actual heat exchanger is an equal number of Pipes 16 provided in. Which. the heated air into the outlet drums 3 and 4 flows. In the two drums. 3 and 4 each have a built-in combustion chamber that mainly from the burners. 17 and those made of heat-resistant sheet metal Combustion tubes 18 consists. The combustion gases generated in: the combustion chamber enter the two compressor drive turbines connected in parallel through the nozzles ig 2o one, the s.ie through, the exhaust gas nozzle, 21 leave to in the not shown Nutzleistungs.turbine the work gained from the residual gradient, for example to deliver an electric generator. The ones that hit the heat exchanger Exhaust gases from the power turbine are fed to the heat exchanger through the four channels 22, flow through it in three trains and are fed through the central im Flue duct arranged in the heat exchanger. 23 discharged into the atmosphere. While the outer boundary walls of the first and third train through the walls 1 ¢ and 15 to be formed together connecting pieces are used as boundary walls between the first and second and. the partition walls for the second and third trains 24 and 25 provided. The entire heat exchanger is at its lower end with the support pads 26 stored. The two compressors 6 and io with your. Intercooler 8 and the drive turbines 2o are mounted on your common frame 27, the again with tabs 28 on the four drums i, 2, 3 and 4 of the heat exchanger is attached.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Heat exchangers with tubes of small diameter for preheating the air of gas turbine systems by means of their exhaust gases, which consists of several groups of tubes connected in parallel, around which the exhaust gases flow quickly or several times in a cross flow and the ends of which open into drums for the supply and discharge of the air , dädürch marked, d.aß the tube groups enclose a cavity for the supply and / or discharge of all exhaust gases and that in each beer alternately arranged drums for the supply and discharge of the air each end the ends of two successive tube groups.

2. Cross-flow heat exchanger according to claim i, characterized in that that the drums of the heat exchanger are arranged vertically.

3. Cross-flow heat exchanger according to claim i and 2, characterized in that in the Luftab.führungst.rommeln combustion chambers in a manner known per se. are arranged. Considered publications: German Patent Specifications Nos. 452 832, 464 492 # .8-27499, 840097, 949478; Swiss patents No. 245 487, 247 618, 27o 65 0 ; British Patent No. 399 69o; German patent application S 9624 I a / 17 f; Glückauf, November 7th. 1953, p. 11471 1i48.