DE4136003A1 - Waermetauscher, insbesondere zur rekuperativen vorwaermung der luft fuer verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für die Vorwärmung eines ersten, unter erhöhtem Druck stehenden Fluides durch ein zweites, im wesentlichen druckloses Fluid. Derartige Wärmetauscher, vorzugsweise in der Bauart als Röhrenwärmetauscher sind für eine Vielzahl von Anwendungs­ zwecken bekannt. Ebenso ist es bekannt, daß sich der Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Gasturbinen steigern läßt, wenn die zur Verbrennung benötigte Luft vorgewärmt werden kann. Weiter ist es bekannt, bei Gasturbinen, die in stationären Kraftwerken betrieben werden, die in den über 1000°C heißen Abgasen enthaltene Wärme dadurch zu nutzen, daß die Abgase durch einen Dampferzeuger geleitet werden; der dort erzeugte Dampf treibt eine weitere Turbine an, wodurch die Stromausbeute bei gleichbleibendem Brennstoffeinsatz erhöht wird. Die im aus der Dampfturbine austretenden Dampf noch enthaltene Wärme kann noch in bekannter Weise zu Heizzwecken oder dergleichen verwendet werden. Es ist aber auch denkbar, in Zeiten, in denen im tages- und jahreszeitlichen Wechsel der Bedarf an Elektrizität geringer ist, die im Abgas enthaltene Wärme als Prozeßwärme zur Durchführung bestimmter chemischer Reaktionen zu nutzen.

Es ist dem Fachmann bekannt, daß ein Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Medien, wie es das Abgas einer Verbrennungs­ kraftmaschine und die von ihr angesaugte Luft sind wegen des schlechten Wärmeüberganges in ihren Abmessungen sehr große Wärmetauscher erfordert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Ausgestaltung eines für diesen Zweck geeigneten Wärmetauschers, die eine optimale Ausnutzung der Abwärme entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen erlaubt bei gleichzeitiger Minimierung der Abmessungen (damit auch der Kosten) bei gleichzeitig robuster und wartungsfreundlicher Bauweise.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das erste Fluid in Rohren durch einen vom zweiten Fluid durchströmten Raum führbar ist, die sowohl auf ihrer Innen- als auch Außenseite eine oberflächenvergrößernde Struktur aufweisen.

In besonderer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sind die Rohre auf ihrer Innenseite mit Längsrippen versehen. Derartige, etwa kreiswellenförmige Rippen lassen sich ohne weiteres durch mehrmaliges Kaltziehen der Rohre erzeugen und bewirken eine Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche um etwa das dreifache.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre an ihrer Außenseite mit Querrippen versehen, d. h. sie ähneln insofern den für Dampfheizungen verwendeten Rohren, bei denen ein fortlaufendes Band hochkant wendelförmig in gleichbleiben­ dem Abstand der Windungen voneinander auf das Rohr aufgeschweißt wird. Beide Maßnahmen für sich, insbesondere aber beide zusammen vergrößern ganz erheblich die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre gewendelt. Gegenüber der Bauart mit geraden Rohren erleichtert dies nicht nur einen Ausgleich der Wärmedehnungen, sondern erlaubt auch eine Konstruktion ohne nennenswerte Toträume, die nicht oder nur schlecht von den Fluiden durchströmt werden. Außer am Eintritt in und Austritt aus den Sammlern werden Schweißverbindungen (die u. U. versagensgefährdet sein können) nur insoweit nötig, als die Länge der Rohre diejenige der Fertigungslängen übersteigt.

Für einen Wärmetauscher, der in bekannter Weise mit einem im Zentrum des Rohrbündels (wo wegen des geringen zur Verfügung stehenden Raumes die Anordnung gewendelter Rohre Schwierigkeiten bereitet) angeordneten Verdrängerkörper versehen ist, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß er von den Zu- und Ableitungen des ersten Fluids gebildet wird. Diese Lösung, bei der die beiden Leitungen zweckmäßigerweise koaxial geführt werden, minimiert den Raumbedarf, wobei gleichzeitig die Verteilung des Fluids auf die einzelnen Rohre strömungsgünstig und an für die Montage und etwaige Reparaturen gut zugänglichen Stellen erfolgt. Selbstverständlich sind aber auch konventionellere Anordnungen der Zu- und Ableitung möglich, bei denen ein Eintritt des Fluids am einen Ende und sein Austritt am anderen Ende des Wärmetauschers erfolgt.

Für einen solchen Fall kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Verdrängerkörper hohl und/oder am stromauf- und -abliegenden Ende mit verschließbaren Öffnungen versehen sein. Diese Ausgestaltung gestattet es, ihn bei Bedarf als Bypaßleitung zu nutzen, die die Wärmetauscherrohre ganz oder teilweise umgeht und das Abgas ohne Wärmeverlust für die etwa unter Verzicht auf die Vorwärmung der Verbrennungsluft gewünschte Nutzung als Prozeßwärme (etwa zur Dampferzeugung) zur Verfügung steht.

Soll auf eine Vorwärmung der Luft ganz verzichtet werden, so empfiehlt sich eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der der nicht vom Verdrängerkörper eingenommene Querschnitt des Raumes des Wärmetauschers verschließbar ist.

Die bevorzugte Verwendung eines Wärmetauschers der beschriebenen Art wird darin gesehen, daß das erste Fluid die Verbrennungsluft und das zweite Fluid das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Längsaxialschnitt durch eine erste Konstruktionsform,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Längsaxialschnitt durch ein Wärmetauscherrohr,

Fig. 3 in abermals vergrößertem Maßstab einen Teil eines Querschnittes durch ein Wärmetauscherrohr und

Fig. 4 eine zweite Konstruktionsvariante des Wärmetauschers im Längsaxialschnitt.

Der Wärmetauscher besteht aus einem Mantel 1, der mit einem Eintritt 2 und einem Austritt 3 für das von einer hier nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine herrührende Abgas versehen ist. Da dieses Abgas praktisch drucklos ist, kann der Mantel mit geringen Wandstärken hergestellt werden, und der gesamte Wärmetauscher kann z. B. im Wege der Nachrüstung auch in bereits bestehende, nicht druckfeste Abgaskamine eingebaut werden. Die bereits durch einen hier ebenfalls nicht gezeigten Kompressor verdichtete (und dabei erwärmte) Luft für die Verbrennungs­ kraftmaschine wird in den Wärmetauscher über eine Zuleitung 4 (die soweit erforderlich mit einer Isolierung 6 versehen sein kann) eingeführt und über eine Ableitung 3 der Verbrennungs­ kraftmaschine zugeleitet. Von der Zuleitung 4 zweigen Rohre 7 ab, die im Bündel (hier ist der Übersichtlichkeit halber nur eines davon angedeutet) gewendelt sind und in der Ableitung 3 münden. Abgas und Zuluft treten dann im Gegenstrom in Wärmetausch miteinander. Die Rohre 7 sind (siehe Fig. 2) auf ihrer Außenseite mit vorzugsweise querstehenden Rippen 8 versehen und an ihrer Innenseite (siehe Fig. 3) mit im Querschnitt wellenförmigen Längsrippen 9. Die gesamte zum Wärmetausch zur Verfügung stehende Fläche wird durch diese Maßnahmen so stark vergrößert, daß bereits in einem, gegenüber den bekannten Geradrohrwärmetauschern mit glatten Rohren stark verkleinerten Wärmetauscher der erforderliche Wärmeübergang stattfinden kann.

In der in der Fig. 4 gezeigten Version sind die Zuleitung 4 und die Ableitung 3 für die Verbrennungsluft getrennt voneinander angeordnet und treten jeweils am einen Ende des Wärmetauschers in den Mantel 1 ein und am anderen Ende wieder aus. Die Verteilung auf die einzelnen Rohre 7 und die Zusammenfassung von diesen erfolgt über jeweils torusförmige Sammler 10. In der Mitte des Rohrbündels ist ein hohler Verdrängerkörper 11 angeordnet. Der gesamte Strömungsquer­ schnitt innerhalb des Mantels 1 ist durch Klappen 12, 13 absperrbar. Dabei wird bei geschlossenen Klappen 12 der Zutritt des Abgases zu den Rohren 7 unterbunden und bei geöffneten Klappen 13 dem Abgas ein Weg durch den Verdränger­ körper 11 gebahnt. Das Abgas kann dann, ohne in den Rohren 7 Wärme an die Verbrennungsluft abgegeben zu haben, den Wärmetauscher wieder verlassen und hier gleichfalls nicht gezeigten Prozeßwärmeverbrauchern (z. B. einem Dampferzeuger) zugeleitet werden. Welche der beiden Betriebsarten jeweils gewählt wird, hängt von den Parametern ab, die für den Gesamtbetrieb der Anlage maßgebend sind, von der der beschriebene Wärmetauscher ein Teil ist. Bei Bedarf können die in Strömungsquerschnitt verschließenden bzw. öffnenden Klappen auch, wie am oberen Ende des Verdrängerkörpers 11 gezeigt, als integrierte Klappen 14 (hier in der geschlossenen Stellung gezeichnet) ausgestaltet sein.

Claims (8)

1. Wärmetauscher für die Vorwärmung eines ersten, unter erhöhtem Druck stehenden Fluids durch ein zweites, im wesentlichen druckloses Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fluid in Rohren (7) durch einen vom zweiten Fluid durchströmten Raum führbar ist, die sowohl auf ihrer Innen- als auch Außenseite eine oberflächenvergrößernde Struktur (8, 9) aufweisen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (7) auf ihrer Innenseite mit Längsrippen (9) versehen sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (7) auf ihrer Außenseite mit Querrippen (8) versehen sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (7) gewendelt sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4 mit im Zentrum des Rohrbündels angeordnetem Verdrängerkörper (11), dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (11) von den Zu- und Ableitungen (4, 3) des ersten Fluids gebildet wird.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 4 mit im Zentrum des Rohrbündels angeordnetem Verdrängerkörper (11), dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (11) hohl und am stromauf- und/oder -abliegenden Ende mit verschließbaren Öffnungen (12, 13) versehen ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht vom Verdrängerkörper eingenommene Querschnitt des Raumes verschließbar (12) ist.

8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fluid die Verbrennungsluft und das zweite Fluid das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine ist.