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Verbrennungsgasturbinensystem
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Bei nassem Kreislauf ist durch Einfluss des Nachkühlers eine höhere regenerationsfähige Wärme auf eine Einheit der Nutzleistung vorhanden, als bei trockenem Kreislauf, der Regenerationswirkungsgrad muss höher sein (und der Wärmeabfall im Regenerator ungefähr der gleiche), der Koeffizient k ist ungefähr gleich. Deshalb wird die Fläche des Regenerators bei feuchtem Kreislauf grösser sein als die Fläche des gleichen Regenerators bei trockenem Kreislauf mit gleichem Wirkungsgrad und gleicher Leistung. Lediglich durch Fortfall der Zwischenstufenkühler ist es bei feuchtem Kreislauf möglich, eine kleinere Gesamtfläche der Wärmevermittler zu erzielen, als bei trockenem Umlauf und dabei noch den thermischen Wirkungsgrad des Kreislaufes etwas zu erhöhen.
Ziel der Erfindung ist nun ein Verbrennungsgasturbinensystem mit offenem feuchtem Kreislauf, das eine wesentliche Verbesserung bekannter Systeme der benannten Art darstellt. Erreicht wird dies erfindungsgemäss dadurch, dass hinter der letzten Kompressorenstufengruppe die Druckluft vorerst in einem Wärmeaustauscher regenerativ abgekühlt wird und in einem als Kontakt-Wärmeaustauscher ausgebildeten Sättigungsgerät in die abgekühlte Luft Wasser höherer Temperatur eingespritzt wird, wobei praktisch die gesamte Verdampfungswärme durch die Enthalpie des eingespritzten Wassers gedeckt wird und nur mit einem kleinen Teil durch die Luftenthalpie, worauf die mit Wasserdampf gesättigte Luft wieder in demselben Wärmevermittler durch die früher entnommene Wärme regenerativ erwärmt wird,
wobei der ganze Wärmeinhalt der drucklosen Verbrennungsgase zwischen der Abgastemperatur der Turbine und der Raumtemperatur regenerativ dem Druckwasser übergeben wird, das auf eine höhere Temperatur, als diejenige der Luft vor dem Einspritzen beträgt, erhitzt wird, und die Wassermenge derart gross bemessen ist, dass sie im flüssigen Zustand soviel Wärme aufnehmen kann, als für ein Verdampfen eines Teiles des Wassers in der Druckluft bis zum Sättigungszustand erforderlich ist, wobei der nicht verdampfte Teil des Wassers von der gesättigten Luft abgeschieden wird und vor einem Wiedererwärmen durch die gleiche Wassermenge ergänzt wird, als vorher in der Luft verdampft wurde.
Nach einem Merkmal der Erfindung ist die Kamintemperatur der Verbrennungsgase niedriger als die niedrigste Temperatur, welche die feuchte Luft bei ihrem höchsten Druck erzielt.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Temperatur der feuchten Druckluft in einem Oberflächenwärmeaustauscher regenerativ noch weiter erhöht werden, in welchen Vermittler an der andern Seite drucklose Verbrennungsgase aus der Turbine eintreten.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 das Schema eines bekannten Verbrennungsgasturbinen- systems mit feuchtem Kreislauf und Fig. 2 das Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verbrennungsgasturbinensystems.
Beim bekannten System gemäss Fig. l wird die atmosphärische Luft durch einen Kompressor K angesaugt und in einen Einspritzkühler Sl verdrängt, in den die für das Verdampfen entsprechende Menge kalten Wassers eingespritzt wird. Aus dem Kühler kommt die abgekühlte Luft mit einem geringen Dampfgehalt an den Saugstutzen eines Kompressors K worauf ein ähnliches Abkühlen durch Einspritzen von kaltem Wasser in einem Kühler S-folgt. In einem Kompressor Ks komprimiert die Luft wieder, wo sie mit hohem Druck und hoher Temperatur austritt und in einem Kühler Ss auf die geeignete Temperatur abgekühlt wird, der an einen regenerativen Lufterhitzer V, und über diesen an einen kleineren regenerativen Wassererhitzer V2 angeschlossen ist.
Der regenerative Lufterhitzer Vl zusammen mit dem kleineren regenerativen Wassererhitzer V2 haben eine kleinere Gesamtwärmeübertragungsfläche als ein trockener Kreislauf benötigen würde.
Vom Lufterhitzer Vl kommt die Luft in eine Verbrennungskammer SK, wo sie durch Verbrennen des Brennstoffes auf dieAdmissionstemperatur der Turbine Tl erwärmt wird. Nach teilweiser Expansion in der Turbine Tl werden die Verbrennungsgase in einer Verbrennungskammer SK2 auf die Admissionstemperatur der Turbine T2 erwärmt. Nach teilweiser weiterer Expansion in dieser Turbine folgt wieder ein Erwärmen in einer Verbrennungskammer SK und die endliche Expansionen einer Turbine T, von wo aus sie in den regenerativen Lufterhitzer Vl und weiter in den regenerativen Wassererhitzer V2 geleitet werden, um schliesslich in den Kamin zu entweichen.
Obwohl bei derartigen bekannten feuchten Kreisläufen die Summe der Übertragungsflächen etwas kleiner ist als bei trockenen Kreisläufen, ist ordnungsgemäss die Grösse dieser Flächen gleich, was besonders bei Einheiten für grosse Leistungen von Bedeutung ist, bei denen überaus hohe Anforderungen an die Abmessungen und an das Gewicht der Wärmeaustauscher gestellt werden.
Die Grundideen des erfindungsgemässen Verbrennungsgasturbinensystems, das sich die Vorteile ei- nes nassen Umlaufes zu Nutze macht, lassen sich in vier Punkte zusammenfassen :
1. Die Wärme der drucklosen Verbrennungsgase wird in einem Oberflächenregenerator auf das Druck-
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wasser mit einem wesentlich grösseren Temperaturunterschied und mit einem höheren Koeffizienten K als vorstehend für den Luftregenerator beschrieben, übertragen. (Bemerkung : a von Wasser = a, deshalb K = etc.) Das Druckwasser ist dann das die regenerierte Wärme in den Druckteil des Kreislaufes übertragende Medium und ist für ein Einspritzen in die Druckluft bestimmt, wobei es zum Verdampfen kommt.
Der Wasserregenerator ist für gleiche regenerierte Wärme viel kleiner als'ein Luftregenerator. Es muss jedoch mehr warmes Wasser geliefert werden, als es möglich ist in der Druckluft zu verdampfen, sonst würde es während des Erwärmens nicht flüssig bleiben bzw. die Wärmevermittlung an das Wasser würde wegen der Gültigkeit des n, thermodynamischen Satzes nicht möglich sein.
2. Falls die Wärme aus dem drucklosen Teil des Kreislaufes dem Wasser übertragen wird, kann durch diese Wärme nicht mehr die Druckluft erwärmt werden. Es ist deshalb zweckmässig, ähnlich und in noch höherem Mass als bei trockenen Kreisläufen, den letzten Teil der Luftkompression ohne Zwischenstufenkühlung vorzunehmen, damit die Ausgangstemperatur aus dem Kompressor lieber höher sei.
3. Falls in die heisse Druckluft eine grosse Menge heissen Wassers eingespritzt wäre, würde eine derartige Menge von Wasser verdampfen, dass ein Wärme-. Temperatur- und Phasengleichgewicht erzielt wäre, ohne Rücksicht auf die Forderungen der Wirtschaftlichkeit. Die Verdampfungswärme würde grösstenteils durch die Luftenthalpie gedeckt werden. Die verdampfte Menge würde grösser als erforderlich sein und die Temperatur des Gemisches würde nach dem Einspritzen wesentlich sinken. Dadurch würde zwar die Leistung. des Systems steigen, der thermische Wirkungsgrad würde jedoch wesentlich sinken (da nichts vorliegt, was das Gemisch regenerativ erwärmen könnte) und der spezifische Wasserverbrauch (kg/kwh) würde übermässig steigen.
4. Deshalb wird unmittelbar hinter dem Luftaustritt aus der letzten Kompressorstufe ein Wärmeaustauscher eingereiht, wo die Luft auf eine für das Wassereinspritzen nach Absatz 1) geeignete Temperatur abgekühlt wird.
Die Temperatur des eingespritzten Wassers wird höher sein als die Lufttemperatur vor dem Einspritzen. Die Lufttemperatur muss so hoch sein, dass nach dem Einspritzen in dem folgenden Sättigungsgerät nur die erforderliche Wassermenge verdampft, und dass die resultierende Temperatur der feuchten Luft und des nicht verdampften Wassers nur wenig niedriger ist als die Lufttemperatur vor dem Einspritzen.
Die Verdampfungswärme wird praktisch nur durch die Enthalpie des Wassers gedeckt. Die überschüssige Wassermenge wird aus dem Sättigungsgerät zum Nachfüllen und wiederholtem Erwärmen abgeführt.
Die mit Wasserdampf gesättigte Druckluft wird dann aus dem Sättigungsgerät der andern Seite des Wärmeaustauschers zugeführt, wo sie regenerativ auf eine etwas niedrigere Temperatur als die Lufttemperatur hinter dem Kompressor erhitzt wird. Die Fläche eines derartigen Druckwärmevermittlers ist sehr klein, da
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Die Summe der Flächen der beiden Regeneratoren (d. i. des Wassererhitzers gemäss Punkt 1 und des Druckgenerators) ist dann bedeutend kleiner als bei dem als derzeitiger Stand der Technik beschriebenen Kreislauf, wobei der thermische Gesamtwirkungsgrad des Kreislaufes noch etwas höher sein kann.
Gemäss dem in Fig. 2 gezeigten Schema für eine Ausführungsform eines Systems des erfindungsgemässen Verbrennungsgasturbinensystems wird die atmosphärische Luft wieder wie im Beispiel gemäss Fig. 1 durch den Kompressor Kl angesaugt und'in den Einspritzkühler Sl verdrängt, in den die für das Verdampfen entsprechende Mengen kalten Wassers eingespritzt wird. Aus dem Kühler kommt die abgekühlte Luft mit einem geringen Dampfgehalt an den Saugstutzen des Kompressors Kz, worauf ein ähnliches Abkühlen durch Einspritzen von kaltem Wasser im Kühler S folgt. Ferner wird die Luft wieder im Kompressor Ka komprimiert, von wo sie mit hohem Druck und Temperatur (z. B. 30 ata, 3000C) austritt.
Im Druckenerator Vl wird die Luft auf eine für das Wassereinspritzen geeignete Temperatur abgekühlt, was im folgenden Sättigungsgerät Ss geschieht. Aus diesem kommt die gesättigte Luft mit einer gegenüber dem Eintritt ordnungsgemäss um etwa 100 herabgesetzter Temperatur. Dann wird die Luft wieder im Regenerator V, auf eine Temperatur erhitzt, die schon durch ihren Dampfgehalt gegeben ist. Diese Temperatur soll nicht viel niedriger sein als die Temperatur der Luft hinter dem Kompressor K (ordnungsgemäss etwa um 300). Ferner kommt die Luft in die Verbrennungskammer SKl sowie durch Verbrennen des Brennstof- fes auf die Admissionstemperatur der Turbine T, erwärmt wird.
Nach teilweiser Expansion in der Turbine Tl werden die Verbrennungsgase wieder in der Verbrennungskammer SK auf die Admissionstemperatur der Turbine T, erwärmt. Nach weiterer teilweiser Expansion in der Turbine T2 folgt wieder ein Erwärmen in der Verbrennungskammer SK und die endliche Expansion in der Turbine Ta. Dann entweichen
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die drucklosen Verbrennungsgase in den regenerativen Wassererhitzer V,, wo sie auf die Austrittstempera- tur abgekühlt werden und in den Kamin entweichen.
Das nicht verdampfte Druckwasser kommt aus dem Sättigungsgerät S mit gleicher Temperatur wie die gesättigte Luft, durch kaltes Wasser wird die früher verdampfte Menge ersetzt und durch die Umlauf- pumpe OC in den regenerativen Erhitzer V geführt, von wo es mit einer höheren Temperatur kommt, als die Luft hinter dem Kompressor K besitzt und wird in das Sättigungsgerät S eingespritzt.
Es sind eine ganze Reihe weiterer konstruktiver Ausführungen des erfindungsgemässen Systems denk- bar, namentlich ist es möglich, die regenerative Temperatur der feuchten Druckluft durch bekannte Re- generation der Wärme, die im Wärmeaustauscher den drucklosen Verbrennungsgasen hinter dem Turbi- nenaustritt entnommen wird, noch mehr zu erhöhen. Der Regenerationserhitzer von Wasser wird in diesem Falle auf der drucklosen Seite bis hinter den Luftgenerator einer an sich bekannten Bauart eingereiht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verbrennungsgasturbinensystem mit offenem feuchtem Kreislauf und mit einer durch zwischenstu- figes Wassereinspritzen gekühlten Kompression, bei dem die hinter dem letzten Zwischenkühler befindli- che Kompressorenstufengruppe mit einem höheren Verdichtungsverhältnis arbeitet als die vorangehende
Kompressorenstufengruppe, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der letzten Kompressorenstufengruppe (Ka) die Druckluft vorerst in einem Wärmeaustauscher (V1) regenerativ abgekühlt wird und in einem als
Kontakt-Wärmeaustauscher ausgebildeten Sättigungsgerät (S) in die abgekühlte Luft Wasser höherer Tem- peratur eingespritzt wird, wobei praktisch die gesamte Verdampfungswärme durch die Enthalpie des eingespritzten Wassers gedeckt wird und nur mit einem kleinen Teil durch die Luftenthalpie,
worauf die mit
Wasserdampf gesättigte Luft wieder in demselben Wärmeaustauscher (V) durch die früher entnommene
Wärme regenerativ erwärmt wird, wobei der ganze Wärmeinhalt der drucklosen Verbrennungsgase zwischen der Abgasetemperatur der Turbine (T) und der Kamintemperatur regenerativ dem Druckwasser übergeben wird, das auf eine höhere Temperatur, als diejenige der Luft vor dem Einspritzen beträgt, erhitzt wird, und die Wassermenge derart gross bemessen ist, dass sie im flüssigen Zustande soviel Wärme aufnehmen kann, als für ein Verdampfen eines Teiles des Wassers in der Druckluft bis zum Sättigungszustand erfor- derlich ist, wobei der nicht verdampfte Teil des Wassers von der gesättigten Luft abgeschieden wird und vor einem Wiedererwärmen durch die gleiche Wassermenge ergänzt wird,
als vorher in der Luft verdampft wurde.
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sten Druck erzielt.