DE1018206B

DE1018206B - Heater for heating up gaseous media, especially air heaters for space heating systems

Info

Publication number: DE1018206B
Application number: DEG9987A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gerhard Goebel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1952-10-13
Filing date: 1952-10-13
Publication date: 1957-10-24

Description

Erhitzer zur Erwärmung gasförmiger Mittel, insbesondere Lufterhitzer für Raumheizungsanlagen Die Erfindung betrifft einen Erhitzer zur Erwärmung gasförmiger Mittel, insbesondere Lufterhitzer für Raumheizanlagen, mit von einer Turbine angetriebenem Verdichter für das zu erhitzende Mittel.Heater for heating gaseous media, especially air heaters for space heating systems The invention relates to a heater for heating gaseous Means, in particular air heaters for space heating systems, with a turbine driven Compressor for the medium to be heated.

Die Erfindung besteht darin, daß dem Verdichter die Turbine nachgeschaltet ist, so daß das zu erhitzende Mittel sowohl den Verdichter als auch die Turbine beaufschlagt und in dieser ganz oder teilweise entspannt wird, daß zwischen dem Verdichter und der Turbine ein Wärmetauscher angeordnet ist und daß eine das Anlaufmoment des Erhitzers erzeugende Vorrichtung vorgesehen oder eine gleichwertige Ausbildung des Erhitzers getroffen ist, während die gewünschte Austrittstemperatur des zu erhitzenden Mittels durch Zumischen kalter Gase hinter der Turbine erreicht wird.The invention consists in that the turbine is connected downstream of the compressor is so that the means to be heated both the compressor and the turbine applied and in this fully or partially relaxed that between the Compressor and the turbine, a heat exchanger is arranged and that one is the starting torque of the heater generating device provided or an equivalent training of the heater is taken while the desired outlet temperature of the to be heated Is achieved by adding cold gases behind the turbine.

Im Gegensatz zum bekannten offenen Gästurbinenprozeß besteht der Nutzeffekt des Erhitzers nicht in einer nach außen hin wirksamen mechanischen Leistungsabgabe, sondern in der Erzeugung einer Druckdifferenz, welche die Gase zur Erreichung eines günstigen Wärmetausches durch den Wärmetauscher und gegebenenfalls durch anschließende Leitungen od. dgl. treibt. Im Gegensatz zu den bekannten Lufterhitzern mit Gebläse soll durch die Erfindung auf ein besonderes Energiemittel (unter anderem elektrischer Strom) zum Antrieb des Gebläses gänzlich oder zumindest zu einem nennenswerten Teil verzichtet werden.In contrast to the known open guest turbine process, there is a beneficial effect of the heater not in an outwardly effective mechanical power output, but in the creation of a pressure difference, which the gases to achieve a favorable heat exchange through the heat exchanger and possibly through subsequent Lines or the like. Drives. In contrast to the well-known fan heaters is intended to use a special energy means (including electrical Electricity) to drive the fan entirely or at least to a significant extent be waived.

Nach der Erfindung wird das Gebläse (Verdichter) durch eine Turbine angetrieben, in welcher die durch den Verdichter komprimierten und durch den Wärmetauscher erhitzten, gasförmigen Mittel wieder entspannt werden. Der durch die Entspannung bei höherer Temperatur in der Turbine anfallende Energieüberschuß wird durch die mechanischen Verluste und Strömungsverluste in Verdichter, Wärmetauscher, Turbine, Leitungen u. dgl. aufgebraucht. Gegenüber der Gasturbine genügt hier ein Gesamtwirkungsgrad von 0°/a, um den gewünschten Nutzeffekt voll zu erfüllen. Ein weiterer Unterschied gegenüber der üblichen offenen Gasturbine besteht darin, daß das bei diesem Erhitzer zu erhitzende Gase und das Heizmittel durch eine feste Wand voneinander getrennt sind.According to the invention, the fan (compressor) is powered by a turbine driven in which the compressed by the compressor and by the heat exchanger heated, gaseous means are relaxed again. The one through relaxation Excess energy occurring at a higher temperature in the turbine is reduced by the mechanical losses and flow losses in compressors, heat exchangers, turbines, Lines and the like used up. Compared to the gas turbine, an overall efficiency is sufficient here of 0 ° / a in order to fully meet the desired efficiency. Another difference compared to the usual open gas turbine is that this heater The gases to be heated and the heating medium are separated from one another by a solid wall are.

In den meisten Fällen reicht die durch die jeweilige Aufgabe festliegende Temperaturdifferenz zwischen eintretenden und austretenden, gasförmigen Mitteln nicht aus, um die Verluste des Erhitzers zu decken, d. h. den Erhitzer in Betrieb zu halten. Deshalb sieht die Erfindung vor, daß das gasförmige Mittel in dem Wärmetauscher, besonders bei Heizmitteln von niedrigen Temperaturen, bis etwa zur Eintrittstemperatur des Heizmittels erwärmt wird und daß die gewünschte Austrittstemperatur durch Zumischen von kalten Gasen hinter der Turbine erfolgt.In most cases, the one determined by the task at hand is sufficient Temperature difference between entering and exiting gaseous media not enough to cover the heater's losses, d. H. the heater in operation to keep. Therefore, the invention provides that the gaseous agent in the heat exchanger, especially with heating means of low temperatures, up to about the inlet temperature of the heating medium is heated and that the desired outlet temperature by mixing from cold gases behind the turbine.

Erfindungsgemäß wird das Ansaugen und Zumischen der kalten Gase hinter der Turbine durch einen Injektor bewirkt, oder die kalten Gase werden durch ein zusätzliches, gleichfalls von der Turbine -angetriebenes Gebläse gefördert.According to the invention, the intake and mixing of the cold gases is behind the turbine is effected by an injector, or the cold gases are effected by one additional, also from the turbine -driven fan promoted.

Bei den häufig verwendeten Heizmitteln von relativ geringer Temperatur (Dampf) ist es notwendig, die mechanischen Verluste und Strömungsverluste des gesamten Erhitzers so niedrig wie möglich zu machen, damit ein Betrieb des Erhitzers nach der Erfindung möglich ist. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung folgende bauliche Maßnahmen vor: Verdichter- und Turbinenläufer sowie gegebenenfalls das zusätzliche Gebläserad für die Förderung der kalten Gase sind auf einer Welle angeordnet. Der Wärmetauscher befindet sich zwischen Verdichter- und Turbinenläufer, wobei er durch entsprechende Formgebung seiner Wärmetaüschkörper als Austr ittsleitrad für den Verdichter und als Eintrittsleitrad für die Turbine wirkt. Ferner sind bei mehrstufigen Turbinen die Leitschaufeln und, wenn technisch möglich, auch die Laufschaufeln als Wärmetauschkörper ausgebildet. Steht eine genügend große Temperaturdifferenz zur Verfügung, so übernehmen auch Leit-und Laufschaufeln des Verdichters die Aufgabe von Wärmetauschkörpern.In the case of the frequently used heating means of relatively low temperature (Steam) it is necessary to reduce the mechanical losses and flow losses of the whole Make the heater as low as possible to allow the heater to operate the invention is possible. To this end, the invention provides the following structural elements Measures before: compressor and turbine rotors and, if necessary, the additional The fan wheel for conveying the cold gases is arranged on a shaft. Of the The heat exchanger is located between the compressor and turbine rotors, whereby it goes through corresponding shaping of its Wärmetaüschkörper as Austr ittsleitrad for the Compressor and acts as an inlet stator for the turbine. Furthermore, are at multi-level Turbines, the guide vanes and, if technically possible, the rotor blades as well Heat exchange body formed. There is a sufficiently large temperature difference Available, the guide and rotor blades of the compressor also take on the task of heat exchangers.

Im vorstehenden liegt ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung, daß nämlich die Teile des Verdichters, der Turbine und des Wärmetauschers weit gehend miteinander vereinigt sind. Bei geringstem zusätzlichem Druckverlust werden im Wärmetauscher sehr hohe Wärmeübergangswerte dadurch erreicht, daß der Wärmetausch dort stattfindet, wo in den Strömungsmaschinen ohnehin die hohen Geschwindigkeiten auftreten; man spart also die verlustreiche Umwandlung von Geschwindigkeit in Druck, und umgekehrt.In the foregoing is an essential feature of this invention that namely the parts of the compressor, the turbine and the heat exchanger to a large extent are united with each other. At the slightest additional pressure loss very high heat transfer values are achieved in the heat exchanger in that the Heat exchange takes place where the high speeds in the turbomachines are anyway appear; So you save the lossy conversion of speed into pressure, and vice versa.

Ein selbsttätiges Anlaufen des Erhitzers wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß sich hinter dem Wärmetauscher, vor und/oder hinter der Turbine ein senkrechter Schacht befindet, in dem durch den Auftrieb der heißen Gase eine erste Gasförderung bewirkt wird, welche in der Turbine das Anlaufmoment erzeugt. Nach dem Anlaufen wird sich bei sinngemäßer Auslegung die Drehzahl bis zu einem Beharrungszustand steigern, der wesentlich durch die mit steigendem Gasdurchsatz fallende Austrittstemperatur bedingt ist.According to the invention, this enables the heater to start up automatically achieved that behind the heat exchanger, in front of and / or behind the turbine vertical shaft is located in which a first through the buoyancy of the hot gases Gas delivery is effected, which generates the starting torque in the turbine. To When starting up, the speed will increase to a steady state if the design is analogous increase, which is essentially due to the outlet temperature falling with increasing gas throughput is conditional.

Läßt sich kein Schacht anbringen, ist die Temperaturerhöhung der Gase etwas zu niedrig, oder schwankt die Temperatur des Heizmittels zu stark, so wird der Erhitzer erfindungsgemäß mit einer Antriebsvorrichtung versehen. Durch diese wird je nach den gegebenen Verhältnissen das Anlaufmoment aufgebracht und ein geringes, für den Betrieb fehlendes Drehmoment ergänzt. Besteht die Antriebseinrichtung in einer starren Kupplung mit einer Kraftmaschine (z. B. Elektromotor), so wird darüber hinaus durch sie die Drehzahl bestimmt, und sie kann auch ein überschüssiges Drehmoment aufnehmen.If no shaft can be attached, the temperature of the gases increases a little too low, or if the temperature of the heating medium fluctuates too much, so will the heater according to the invention is provided with a drive device. Through this depending on the given conditions, the starting torque is applied and a low, Missing torque added for operation. If the drive device consists of a rigid coupling with a prime mover (e.g. electric motor), then about it In addition, they determine the speed, and they can also generate excess torque take up.

Für besondere Fälle sieht die Erfindung vor, daß ein Teil der von dem Verdichter oder zusätzlichem Gebläse geförderten Gase in einem Verbrennungsvorgang erwärmt und zur Beheizung des anderen Teiles der geförderten Gase in Wärmetauscher verwendet wird oder daß der eine Teilstrom gleichfalls durch einen Verbrennungsvorgang, der andere Teilstrom des Gases im Wärmetauscher durch ein beliebiges Heizmittel erwärmt wird und dann die beiden Teilströme wieder vereinigt werden und gemeinsam in die Turbine eintreten.For special cases, the invention provides that some of the the compressor or additional fan conveyed gases in a combustion process heated and used to heat the other part of the conveyed gases in heat exchangers is used or that one partial flow is also produced by a combustion process, the other partial flow of the gas in the heat exchanger by any heating means is heated and then the two substreams are combined again and together enter the turbine.

Zur Erläuterung der Erfindung dienen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Fig. 1 zeigt als Skizze die einfachste Anordnung eines Erhitzers nach vorliegender Erfindung in senkrechtem Mittelschnitt. Die Gase treten bei 5 in den Erhitzer ein; sie durchströmen nacheinander das Verdichterlaufrad 1, den Wärmetauscher 2, das Turbinenlaufrad 3, welches sich mit dem Verdichterlaufrad auf einer Welle befindet, und den senkrechten Schacht 4, welcher zur Erzeugung des Anlaufmomentes dient. Die heißen Gase treten dann bei 6 aus. 7 stellt den Eintritt, 8 den Austritt für das Heizmittel dar.To explain the invention are those shown in the drawings Embodiments. Fig. 1 shows as a sketch the simplest arrangement of a heater according to the present invention in a vertical central section. The gases occur at 5 into the heater; they flow through the compressor impeller 1, one after the other Heat exchanger 2, the turbine runner 3, which is connected to the compressor runner a shaft is located, and the vertical shaft 4, which is used to generate the starting torque serves. The hot gases then exit at 6. 7 represents the entry, 8 the exit for the heating medium.

Der in Fig.2 dargestellte Erhitzer ist mit einer zweistufigen Turbine ausgerüstet. Das zwischen den beiden Turbinenlaufrädern 3 angeordnete Leitrad 9 ist als Wärmetauscher ausgebildet. Hinter dein senkrechten Schacht 4 ist ein Injektor 12 angeordnet, welcher kalte Gase bei 10 ansaugt. Diese mischen sich mit den heißen Gasen 6 und verlassen bei 11 mit der gewünschten Austrittstemperatur den Erhitzer.The heater shown in Fig.2 is with a two-stage turbine equipped. The stator 9 arranged between the two turbine runners 3 is designed as a heat exchanger. Behind your vertical shaft 4 is an injector 12 arranged, which sucks in cold gases at 10. These mix with the hot ones Gases 6 and leave the heater at 11 with the desired outlet temperature.

Fig.3 zeigt einen Erhitzer, bei dein die kalten Gase durch das zusätzliche Gebläse 13, welches mit dem Verdichterlaufrad 1 und dem Turbinenlaufrad 3 auf einer Welle sitzt, gefördert werden. Zwischen Gebläserad 13 und dem Verdichterlaufrad 1 befindet sich noch ein Leitrad 14. Hinter dem senkrechten Schacht 4 mischen sich die heißen Gase 6, und die kalten Gase 10 und verlassen bei 11 mit der gewünschten Austrittstemperatur den Erhitzer.Fig.3 shows a heater in which the cold gases through the additional Fan 13, which with the compressor impeller 1 and the turbine impeller 3 on a Wave sits, be promoted. Between the impeller 13 and the compressor impeller 1 there is still a guide wheel 14. Behind the vertical shaft 4 there is a mix the hot gases 6, and the cold gases 10 and leave at 11 with the desired Outlet temperature the heater.

Fig. 4 zeigt einen Erhitzer der in Fig. 3 dargestellten Art. Von den durch das zusätzliche Gebläse 13 geförderten kalten Gasen 15 wird bei 16 ein Teil abgezweigt und durch den bei 17 zugeführten Brennstoff in der Brennkammer 18 in einem Verbrennungsvorgang erwärmt. Diese erwärmten Gase dienen zur Beheizung des anderen Teiles der Gase im Wärmetauscher 2. Die abgekühlten Heizgase verlassen bei 19 den Wärmetauscher.Fig. 4 shows a heater of the type shown in Fig. 3. Of the Cold gases 15 conveyed by the additional fan 13 become a part at 16 branched off and by the fuel supplied at 17 in the combustion chamber 18 in heated in a combustion process. These heated gases are used to heat the other part of the gases in the heat exchanger 2. The cooled heating gases leave at 19 the heat exchanger.

Fig.5 zeigt einen abgewickelten, konzentrischen Schnitt durch den Erhitzer nach Fig. 1. 1 und 3 stellt die Beschaufelung des Verdichter- und Turbinenlaufrades dar. 21 sind die Wärmetauschkörper des Wärmetauschers 2, die bei 22 als Austrittsleitrad für den Verdichter und bei 23 als Eintrittsleitrad filiw die Turbine wirken. Es können aber auch die gesamten Wärmetauschkörper spiralig angeordnet werden, so daß der Austrittsdrall vom Verdichter bis zum Turbineneintritt erhalten bleibt. Die Gase brauchen dann im Wärmetauscher keine verlustreichen Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen durchzumachen.Fig.5 shows a developed, concentric section through the Heater according to Fig. 1. 1 and 3 represents the blading of the compressor and turbine impellers 21 are the heat exchanger bodies of the heat exchanger 2, which at 22 are used as the outlet stator for the compressor and at 23 act as the inlet stator filiw the turbine. It but the entire heat exchanger body can be arranged spirally so that the outlet swirl from the compressor to the turbine inlet is retained. the Gases then do not need any lossy changes in direction and speed in the heat exchanger to go through.

Fig. 6 zeigt die Anordnung wie Fig. 2, nur ist statt der axialen Bauart von Turbine und Verdichter eine radiale vorgesehen. Da der senkrechte Schacht 4 fehlt, sind hier die Laufräder mit der Antriebseinrichtung 20 gekuppelt. Ist lediglich das Anlaufmoment aufzubringen, so genügt als Antriebseinrichtung schon eine Handkurbel od. dgl. Wird als Antriebseinrichtung ein Elektromotor oder eine sonstige Kraftmaschine benutzt, so kann im Betrieb ein fehlendes Drehmoment ergänzt und die Drehzahl gleichgehalten werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, daß derartige Antriebseinrichtungen ein überschüssiges Drehmoment aufnehmen, daß z. B. ein Elektromotor als Generator wirkt und Strom abgibt.FIG. 6 shows the arrangement as in FIG. 2, only instead of the axial type of the turbine and compressor a radial one is provided. Since the vertical shaft 4 is absent, the running wheels are coupled to the drive device 20 here. Is only To apply the starting torque, a hand crank is sufficient as a drive device or the like. If the drive device is an electric motor or some other prime mover is used, a missing torque can be added during operation and the speed kept the same will. In addition, it is also possible that such drive devices record an excess torque that z. B. an electric motor as a generator acts and emits electricity.

Fig. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel in Verbindung mit gekühlten Verbrennungsmotoren. Ein Teil der durch den Verdichter 1 geförderten Gase (Luft) wird bei 24 abgezweigt, gelangt als Spülluft in die Zylinder der Verbrennungsmotore und kehrt bei 25 als heißes Abgas wieder zurück. Der andere Teil der Luft wird in dem Wärmetauscher 2 erwärmt, der zur Kühlung des Zylinderkühlmittels dient. Gemeinsam treten dann die beiden Teilströme in die Turbine 3 ein. Die Laufräder sind mit dem Verbrennungsmotor 20 gekuppelt, der somit das Anlaufmoment aufbringt, die Drehzahl bestimmt und an den unter Umständen auch eine überschüssige Leistung abgegeben wird.7 shows an application example in connection with cooled internal combustion engines. Part of the gases (air) conveyed by the compressor 1 is branched off at 24, enters the cylinders of the internal combustion engines as scavenging air and returns at 25 as hot exhaust gas back again. The other part of the air is in the heat exchanger 2 heated, which is used to cool the cylinder coolant. Then they step together two partial flows into the turbine 3. The impellers are with the internal combustion engine 20 coupled, which thus applies the starting torque, determines the speed and on which, under certain circumstances, an excess performance is also given.

Für die Erfindung ist es gleichgültig, ob der Nutzeffekt in einer Erhitzung von Gasen jeder Art oder in der Kühlung des Heizmittels besteht.For the invention it is unimportant whether the benefit in a There is heating of gases of any kind or the cooling of the heating medium.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Heater for heating gaseous media, in particular Air heater for space heating systems with a compressor driven by a turbine for the agent to be heated, characterized in that the compressor (1) the Turbine (3) is connected downstream, so that the means to be heated both the compressor as well as the turbine and is completely or partially relaxed in it, that a heat exchanger (2) is arranged between the compressor and the turbine and that a device (20) generating the starting torque of the heater is provided or an equivalent training of the heater is made while the desired one Outlet temperature of the medium to be heated by adding cold gas behind the turbine is reached.

2. Heater according to claim 1, characterized in that that the guide vanes of the compressor and the turbine (22, 23, 9, 14) and optionally the guide vanes of the turbine (2) are also designed as heat exchangers in a known manner that add heat to the gaseous media to be heated.

3. heater after Claim 1 or 2, characterized in that the compressor (1) and turbine rotors (3) sit on a shaft and that the heat exchanger by shaping its heat exchanger body (21) as an outlet stator (22) for the compressor and as an inlet stator (23) acts for the turbine (Fig. 5).

4. Heater according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that behind the heat exchanger (2), in front of and / or behind the turbine (3) a vertical shaft (4) is provided.

5. Heater according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the suction and mixing of the heated agent with cold gases to maintain the desired outlet temperature through a rear the turbine arranged injector (12) takes place (Fig. 2 and 6).

6. Heater after one of claims 1 to 5, characterized in that of the turbine an additional Fan (13) is driven to mix cold gases (Fig. 3 and 4).

7. Heater according to one of claims 1 to 6, characterized in that part of the agent to be heated conveyed by the compressor (1) or by the additional fan (13) is heated by a combustion process and then applied to the heat exchanger (2) (Fig. 4). B. Heater according to one of claims 1 to 7, characterized in that part of the medium to be heated conveyed by the compressor or by the additional fan is heated by a combustion process and the other part of this medium in the heat exchanger (3) is heated by any heating means and that the two partial flows of the gaseous agent unite again and enter the turbine (3) together (Fig. 7). Considered publications: German Patent Nos. 83 689, 243 610, 456 009, 667 098.