DE837244C

DE837244C - Pulsierender Waermetauscher

Info

Publication number: DE837244C
Application number: DEM8498A
Authority: DE
Inventors: Dr Wilhelm Vogel
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1951-02-09
Filing date: 1951-02-09
Publication date: 1952-04-21

Description

Pulsierender Wärmetauscher 1)ie 1?rfndung betrifft einen Wärmetauscher für gasförmigeod er flüssige wärmeaufnehmende Medien. Die bisher bekannten Wärmetauscher zur Übertragung der Wärmeenergie von Gasen, welche sich auf verschiedenem Druckpotential befinden, arbeiten ausschließlich nach dem Gleichdruckverfahren. Dies bedeutet, daß das wärmeaufnehmende Gas beim Hintritt und beim Austritt aus dem Wärmetauscher sich auf fast gleichem Druckpotential befindet. Der niedrigere Austrittsdruck ist lediglich durch die Strömungsverluste im Wärmetauscher bedingt. Es ist nun vorn Bau der Breimkammern für Gasturbinen her bekannt, daß in der Turbine ein um so höheres Gefälle verarbeitet \verden kann je besser es gelingt, die Verbrennung von einer Gleichdruck- zu einer Gleichraumverbrennung zu machen. Dieser Gedanke wurde z. B. bei der Verpuffungsturbine verwirklicht. Auch selbstzündende und selbstansaugende Brennkammern, bei welchen ein Gaspolster den zeitweiligen Abschluß besorgt, machen von der Gleichraumverbrennung Gebrauch. In diesen Fällen handelt es sich jedoch immer um eine Gleichraumverbrennung, d. h. Energiezufuhr im Innern des zu erwärmenden Gases.
Die Erfindung besteht nun darin, das Prinzip der Erwärmung in gleich groß bleibenden Räumen für Wärmetauscher "anzuwenden, d. h. den Raum des Wärmetauschers, welcher das Wärme aufnehmende Medium enthält, periodisch allseitig zu schließen. Da ein Großteil der Wärme des Arbeitsgases in Gasturbinenanlagen durch den Wärmetauscher übertragen wird, hat diese neue Art des Wärmetauschers gerade für den Gasturbinenhetrieb besondere Bedeutung. Die Wärmeaufnahme erfolgt bei dem Wärmetauscher nach der Erfindung bei gleichem Volumen, so daß der Druck des Gases erhöht wird. Hierbei wird eine wesentlich geringere Wärmemenge zum Erhitzen des Gases benötigt, da in diesem Falle mit der spezifischen Wärme bei konstantem Volumen gerechnet werden muß, deren Wert bekanntlich 2o bis 30% kleiner ist als der Wert bei konstantem Druck.
Von besonderer Bedeutung sind die Maßnahmen, um das verdichtete und erwärmte Gas aus dem Wärmetauscher abströmen zu lassen. Werden am Ein- und Austritt für das wärmeaufnehmende Gas Ventile angeordnet, welche fremd gesteuert oder selbststeuernd sein können, so muß hinter dem Auslaßventil eine längereLeitungangeschlossensein, die über einen Diffusor in einen Behälter mündet. Das heiße, verdichtete Gas entspannt sich in der Leitung teilweise und erzeugt eine zum Diffusor laufende Druckwelle. Wird letztere am offenen Ende des Diffusors negativ reflektiert, so saugt:di-ese Unterdruckwelle bei ihrer Rückkehr das Gas im Wärmetauscher so weit ab, daß der Druck des kalten Gases vor dem Eintrittsventil ausreicht, das letztere zu öffnen. Das Auslaßventil wird kurz darauf geschlossen, das Einlaßventil schließt sich nach dem Eintritt des kalten Gases ebenfalls. Nun beginnt die Wärmeübertragung und Drucksteigerung des eingeschlossenen Gases. Wird das Auslaßventil selbststeuernd gemacht, dann muß die Masse des Ventilkörpers so weit vergrößert werden, daß die Eigenfrequenz des Ventils in das Gebiet jener Frequenz kommt, mit welcher der pulsierende Wärmetauscher arbeiten soll. Beim Einströmen des Gases wird in dem zweckmäßig länglich gebauten Wärmetauscher eine Wellenbewegung angeregt, die den Wärmeübergang des im Mittel ruhenä-en Gases verbessert. Auf die Wellenbewegung im wärmeaufnehmenden Gas kann verzichtet werden, wenn das Gas in einem entsprechend zylindrisch gebauten Wärmetauscher mit einem Drall einströmt. Die Rotationsbewegung soll während des Wärmeüberganges abklingen, um beim Gasaustritt keine Verluste zu verursachen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers nach der Erfindung in schematischer Weise im Schnitt dargestellt.
Das wärmeabgebende Medium, z. B. heiße Abgase, tritt durch den Stutzen i in den äußeren Mantel 2 ein und durchströmt die einzelnen Kaminern in Pfeilrichtung, bis es den Wärmetauscher durch den Stutzen 3 wieder verläßt. Quer zu dieser Strömungsrichtung ist das Innenrohr 4 angeordnet, in dein das wärmeaufnehmende Medium strömt. Letzteres tritt durch d Stutzen 5 ein, wenn das Ventil 6 geöffnet ist, und nach Erwärmung und Drucksteigerung im Rohr 4 durch das Ventil 7 in die Leitung 8 aus, durch die es zum Druckbehälter 9 strömt. Vor dem Druckbehälter 9 ist der Diffusor io angeordnet. Die Ventile 6 und 7 sind beim Ausführungsbeispiel als selbststeuernd dargestellt, es können aber auch mechanisch gesteuerte Ventile sein.
Durch die Verwendung eines pulsierend Wärmetauschers nach der Erfindung bei Gasturbirienanlagen mit offenem Kreislauf kann der Gesamtwirkungsgrad um etwa 5 bis io% erhöht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmetauscher für gasförmige oderflüssige Medien, dadurch gekennzeichnet, daß während einer bestimmten Zeitdauer der Raum für das wärmeaufnehmende Medium allseitig geschlossen ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, d'aß an den Ein- und Austritts-, öffnungen für das wärmeaufnehmende Medium fremdgesteuerte oder selbststeuernde Ventile (6,7) angeordnet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selbststeuernden Auslaßventile (7) schwingend mit einer niedrigen Eigenf requenzausgebildet sind und nach Öffnen durch den Innendruck im Wärmetauscher noch einige Zeit selbsttätig geöffnet bleiben.
4. Wärmetauscher nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an das AuslaBventil (7) eine Rohrleitung (8) mit einer derartigen Länge angeschlossen ist, daß die darin bei Eröffnung des Aus'laßventils (7) entstehenden Druckwellen an einem am anderen Ende der Leiturig (8) angeschlossenen Behälter (9) negativ reflektiert werden und zum Wärmetauscher zurückkehren, solange das Auslaßventil (7) offen ist.
5. Wärmetauscher nach Anspruch i und 4, -dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ausla:ßleitung (8) und Behälter (9) ein Diffusor (io) angeordnet isst.
6. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher im der Durchströmrichtung des wärmeaufnehmenden Mediums seine größte Längenausdehnung hat und durch den Einla,ßstoß Druckwellenvorgänge ausgelöst werden.
7. Wärmetauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem einströmenden wärmeaufnehmenden Medium ein Drall erteilt wird, der während der Wärmeübergangszeit wieder abklingt.