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Verfahren zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für Gasturbinenanlagen, sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für Gasturbinenanlagen, mit Hilfe eines Wärmekreisprozesses und stufenweiser Druckerhöhung der Verdichtung, sowie unter Anwendung eines sekundären gasförmigen Mediums und einer Anzahl Druckbehälter.
Nach einem bekannten Verfahren zur Erzeugung heisser Nutzdruckluft mit einer im offenen Prozess betriebenen Gasturbinenanlage wird die auf den höchsten Prozessdruck verdichtete Nutzdruckluft in Warmeaustauschern teils von Abgasen der Gasturbine, teils vom heissen, durch innere Verbrennung erzeugten Treibgasen erhitzt, in einer Heissluftturbine entspannt und schliesslich von den heissen Treibgasen wieder in Wärmeaustauschern auf die geforderte Nutzlufttemperatur aufgeheizt, wobei die Erhitzung der Nutzdruckluft vor und hinter der Entspannungsturbine bei Druckgleichheit zwischen Nutzdruckluft und Treibgas in kontinuierlich arbeitenden Regeneratoren erfolgt. Nach diesem bekannten Verfahren wird bei der Erzeugung der fertigen Druckluft die Abwärme der Gasturbine in der Weise ausgenutzt, dass in ihr eine Nutzdruckluft von höherer Spannung entsteht, als es sonst nötig wäre.
Obwohl gemäss diesem bekannten Verfahren auch bei weiterer Verwendung der fertigen Nutzluft kontinuierlich arbeitende Regeneratoren Verwendung finden, die nur statisch belastet sind, so bezieht sich dies nur auf die durch Gasturbine fertiggestellte Druckluft und nicht wie beim erfindungsgemässen Verfahren, auf deren Erzeugung.
Nach. einem andern bekannten Verfahren der genannten Art ist wohl die Anwendung einer Anzahl Behälter bekanntgeworden. Das Hilfsmedium wird gemäss diesem Verfahren von der kalten Seite des Arbeitszylinders her durch einen Wärmeregenerator ein-und ausgeführt, wodurch unter gleichen Umständen etwa die fünffache Gewichtsmenge dieses Hilfsmediums angewendet werden muss, um dieselbe Wir- kungwiebeimerfindungsgemässen Verfahren zu erzielen. Da diese Verdichtungsart auch mit bedeutenden Strömungs- und Druckverlusten verbunden ist, wirken sich diese hohen Verluste auf den Wirkungsgrad des ganzen Kreisprozesses äusserst nachteilig aus.
Weiters wird das Hilfsmedium selbst nicht nur zur Druckerhöhung der Verdichtung allein verwendet, sondern auch zum Ausschub des fertigen Nutzmediums aus dem Arbeitszylinder, was praktisch soviel bedeutet, dass eine grosse, auf eine nur geringe Temperatur erhitzte Menge des Mediums den ganzen Kreisprozess durchlaufen muss, wodurch die Eingangstempe-
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wurde im Zusammenhangschub der fertigen Druckluft durch eine kleine, hocherhitzte Gasmenge zu bewerkstelligen, wobei sich allerdings gezeigt hat, dass es bei praktisch brauchbaren Druckstufen fast gar nichts auszuschieben gibt da fast der ganze Inhalt der eingeschobenen Arbeitsluftmenge ausschliesslich auf die Druckerhöhung des Kreisprozesses verwendet werden muss. Da sich nun alle Verluste auf diese minimale Nutzdruckluftmenge beziehen, kann von einem Wärmenutzungsgrad nicht gesprochen werden.
Ziel der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für Gasturbinenanlagen, das die aufgezeigten Nachteile und Mängel der bekannten Verfahren vermeidet.
Erreicht wird dies erfindungsgemäss dadurch, dass die Verdichtung der als Betriebsmittel dienenden
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dium verdichtet wird, das in den Behälter, in dem ein zur Schaffung laminarer Strömungsverhältnisse, vorzugsweise mit engen Durchlässen ausgebildeter Wärmeregenerator angeordnet ist.
stufenweise mit jeweils höheremDruck einströmt, und während der zweiten Phase durch eine dem Arbeitsbehälter zuge- führte und auf hohe Temperatur erhitzte geringe Menge primärer Luft weiter verdichtet und ausgescho- ben wird, welche primäre heisse Luft nach dem Ausschub im wesentlichen das gleiche Volumen wie die zu Beginn der ersten Phase zugeführte primäre kältere Luft einnimmt und wonach das gasförmige Hilfs- medium über den Wärmeregenerator aus dem Arbeitsbehälter bei stufenweisem Druckabfall in demsel- ben in eine Anzahl Druckgasbehälter wieder zurückströmt.
Nach einem Merkmal der Erfindung gelangt zur konstanten Aufrechterhaltung des Arbeitsprozesses ein Ventilator zur Anwendung, dessen Druckstufe mindestens einer Druckstufe der Druckgasbehälter ent- spricht und der mit jedem der Druckgasbehälter, beginnend mit dem Behälter mit niedrigstem Druck ver- bunden wird und den Überschuss an Gasmenge in die nächst höhere Stufe befördert und schliesslich den
Druck im letzten Behälter auf den ursprünglichen Anfangsdruck bringt.
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fahrens und ist dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsbehälter ein vertikal angeordneter und den Arbeitsraum bildender Zylinder vorgesehen ist, bei dem im oberen Bereich derWärmeregenerator mit den Ein- und Auslässen für das Hilfsmedium und im unteren Bereich die Ein- und Auslässe für das primäre Arbeitsmedium angeordnet sind.
Nach ändern Merkmalen der Erfindung ist im unteren Bereich des Arbeitszylinders ein rostähnliches Beruhigungsgitter zur Schaffung laminarer Strömungsverhältnisse angeordnet. Erfindungsgemäss empfiehlt es sich, den Arbeitszylinder im Inneren bis zu einem Drittel seiner Höhe vom oberen Bereich aus mit hitzebeständigem, porösem Isolierstoff auszukleiden, dessen Volumen im Verhältnis zum ganzen Zylinderraum äusserst klein bemessen ist. Der obere Bereich des Arbeitszylinders kann in Form eines abgestumpfen, sich nach oben verjüngenden Kegels ausgebildet sein.
Der Arbeitszylinder kann auch als Doppelmantel zur Aufnahme von unter Druck durchfliessendem Kühlwasser ausgebildet sein, wobei das im Zylinderkühlmantel erhitzte Wasser bzw. der entstandene
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ge-langt.
Weiters ist im Rahmen der Frfindung auch vorgesehen, die Behälter für die Aufnahme des gasförmi- gen Hilfsmediums nach steigendem Druck und alle innerhalb des Behälters von geringstem Druck anzuordnen und schliesslich sieht die Erfindung auch noch eine Ausbildung vor, bei der lediglich der wärmebeanspruchte Regenerator den hohen Temperaturen ausgesetzt ist und die wirksam gekühlte Wand des Arbeitszylind ers druckentlastet ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von zwei Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 das Schaltschema einer erfindunggemässen Einrichtung mit offenem Kreislauf und Fig. 2 das Schaltschema einer Einrichtung mit geschlossenem Kreislauf.
Die Einrichtung gemäss Fig. 1 weist einen vertikal angeordneten, im wesentlicher zylindrischen Arbeitsbehälter V auf, der mit einer grossen Gewichtsmenge kalter atmosphärischer Luft gefüllt ist. In
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N.. N,laufend höheren Drucken Pl', P 2'... P n'. Im oberen Bereich des Arbeitsbehälters V ist ein Wärmeregenerator R angeordnet. In seinem unteren Teil ist der Arbeitsbehälter V mit dem Ein- und
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in den Arbeitsbehälter V eine gewisse kleine Menge von Verbrennungsgasen aus dem Druckgasbehälter N in den Arbeitsbehälter V eingelassen, wobei die ausgelassene Gasmenge und der Druck im Behälter NI auf den Wert P < P'sinkt. Das Gas strömt laminar in den Wärmeregenerator R ein,
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liche durch Wärmeführung in einer dünnen Gasschicht.
Die Masse des Wärmeregenerators ist so gross bemessen, dass sich seine Temperatur während der Zufuhr oder Abfuhr des Gases nicht merklich ändert. Der obere Teil des Wärmeregenerators R hat eine niedrige, sein unterer Teil dagegen eine sehr hohe Tem-
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det, damit es im Arbeitsbehälter V nicht zu einer wesentlichen Durchmischung von heissem und kaltem Gas kommt. Die Menge der in den Arbeitsbehälter V eintretenden Gase wird im Wärmeregetie-
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rator R unter gleichem Druck P1 auf eine um ein bestimmtes#t niedrigere Temperatur erhitzt, als die des unteren Regeneratorendes.
Die Verbrennungsgase im Arbeitsbehälter V erzielen so ein Vielfaches ihres Volumens und drücken den ursprünglichen Inhalt des Zylinders, d. h. die kalte Luft, auf ein kleineres Volumen, und auf den gleichen Druck Pi zusammen.
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Druck im Druckgasbehälter N2 und im Arbeitsbehälter V wird nach Erzielung des Gleichgewichtes P2 < P2', aberPg > P..'sein. Die Kompression des bisherigen Inhaltes des Arbeitsbehälters V der kalten Luft- und des ersten Anteiles der heissen Verbrennungsgase - geschieht wieder durch Anwachsen des Volumens des zweiten Anteiles der Verbrennungsgase wegen ihrer regenerativen Erwärmung auf Kosten des bisherigen Inhaltes des Arbeitsbehälters V. Nach Erreichen eines Gleichgewichtes beim Druck P2 im Behälter V wird das Einlassorgan 02i geschlossen.
Auf gleiche Weise geht man vor, nachdem beim Öffnen des Verteilerorgans Oni in den Zylinder ein Teil der Verbrennungsgase aus dem Druckgasbehälter Nn eintritt, deren ursprünglicher Druck Pn'dadurch auf den Wert Pn > Pn-l' sinkt. Nach Erzielung eines Gleichgewichtes im Arbeitsbehälter V beim Druck Pn wird das Einlassorgan ni geschlossen.
Darauf öffnet sich das Einlassorgan Oi und lässt aus einem Vorratsbehälter A1 eine bestimmte Menge von Luft bei einem Druck P = Pn'über den Wärmeregenerator R in den Arbeitsbehälter V ein, wobei gleichzeitig an der angedeuteten Stelle B in den Behälter V auch Brennstoff in einer solchen Menge zugeführt wird, dass sich die regeneriert erwärmte Luft durch Verbrennung des Brennstoffes auf eine noch höhere Temperatur erhitzt, z. B. auf 16000 C. Infolgedessen wird der bestehende Inhalt des Arbeitsbehälters V auf ein kleineres Volumen bei einem Druck P zusammengedrückt.
Im Augenblick als bei einem Druck Pein Gleichgewicht des Druckes im Behälter V erreicht wird, öffnet sich das Auslassorgan OTe und lässt kalte unter Druck stehende Luft aus dem Behälter V in einen Vorratsbehälter A2 ein. Die Zufuhr der Druckluft aus dem Vorratsbehälter A1 über das Organ Oi und über den Wärmeregenerator R in den Arbeitsbehälter V, sowie die Brenn v stoffzufuhr und seine Verbrennung erfolgen so lange, bis die gesamte kalte Luft aus dem Arbeitsbehälter V vertrieben ist. Zu diesem Zeitpunkt werden die Organe OTe, Oi geschlossen und die Brennstoffzufuhr wird unterbunden.
Der Arbeitsbehälter V bleibt dann mit heissen Verbrennungsprodukten von einem Druck P gefüllt,
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öffnet sich das Auslassorgan OnügendeMenge kalten Wassers eingespritzt, um die Temperatur des Gasdruckbehälters Nn um 2At herabzusetzen. Das Auslassorgan One wird geschlossen.
Auf diese Weise wird absatzweise immer ein Teil des Inhaltes des Arbeitsbehälters V bei stufenweise sinkendem Druck abgelassen, bis der vorletzte An-
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Auslassorgan Oe geöffnet, über das vorerst ein Teil der Verbrennungsgase aus dem Behälter V in die Atmosphäre expandiert und dann nach Öffnen des Einlassorgans OTi der Rest der drucklosen Verbren...
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Ein im unteren Teil des Arbeitsbehälters V angeordnetes Beruhigungsgitter m verhütet ein übermässiges Wirbeln der kalten Luft am Eintritt in den Arbeitsbehälter V, damit es zu keinem besonderen Mischen der kalten Luft mit den heissen Verbrennungsgasen kommt.
Da derArbeitsbehälter V in Takten arbeitet, werden zur Erzielung eines ruhigen Ganges einer Turbine T, einer Kompressorgruppe Ki, Kn und eines Ventilators Ve eine Reihe von Arbeitsbehältern an gemeinsame Vorratsbehälter Ai, An, An und an gemeinsame Druckgasbehälter N1, N2-Nn angeschlossen. Der gemeinsame Ventilator Ve erzielt lediglich den Förderüberdruck für das Einpressen von Luft in'die Arbeitsbehälter V und zum Ausdrücken der drucklosen Verbrennungsgase aus diesen. Die Kompressorengruppe Ki, Kn mit einem Einspritzkühler CHI liefert Luft bei einem Druck P in den Vorratsbe-
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hälter A... die Luftturbine T verarbeitet die Druckluft aus dem Vorratsbehälter A2.
Ein Generator G verbraucht die mechanische Nutzarbeit. Da aus der Turbine T kalte Luft entweicht, kann sie zum Kühlen der Mäntel der Arbeitsbehälter V verwendet werden, die geeignete Rippen besitzen. (Ein derartiges Kühlen eignet sich für niedrigere Arbeitsdrücke. ) In den Vorratsbehälter Al wird Wasser eingespritzt, das die Temperatur der Luft für den Wärmeregenerator R herabsetzt und gleichzeitig durch Verdampfen die Menge des heissen Mediums erhöht, wodurch der Arbeitsverbrauch des Kompressors herabgesetzt und der thermische Wirkungsgrad des Zyklus erhöht wird.
Die Anzahl der Druckstufen bzw. die Anzahl der Druckgasbehälter für das Hilfsmedium wird durch
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung wird ein geschlossener Kreislauf der Turbine verwendet, der die Erzielung hoher installierter Leistungen ermöglicht. Die Einrichtung unterscheidet sich von der vorher beschriebenen darin, dass in den Vorratsbehälter Ag, der gleichzeitig ein Nachkühler ist, die Luft aus dem Turbinenaustritt geliefert wird, der ein höheres Druckniveau besitzt. Im Vorratsbehälter A3 ist die unumgängliche Oberflächennachkühlung der Luft vor der Kompression eingebaut.
Das obere Druckniveau an der "oberen" Seite des Arbeitsbehälters V wird durch ein Maschinenaggregat (Kompressor-Turbine) erhalten, das hier, als Kompressorgruppe Ki', Kg', Kg* mit Einspritzkühlern CH ', Chug', CH3'und einer Turbine T'ausgebildet ist. In die Turbine T'kommt der Auspuff von niedrigstem Druck in den Arbeitsbehälter V ; es ist somit nötig, einen gemeinsamen Vorratsbehälter A4 einzuschalten. Ferner wird Wasserkühlung für die Mäntel der Vorratsbehälter verwendet und der Dampf aus dem Mantel wird über die Leitung L in den Vorratsbehälter Al geführt.
Gemäss der Erfindung kann eine ganze Reihe derartiger Anordnungen bestehen, insbesondere was die
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betrifft,Steuern- der Ein- und Auslassorgane kann mechanisch, hydraulisch oder elektrisch erfolgen und durch Impulse von Druck-oder Wärmesonden beeinflusst werden. DieDruckgasbehälter N -Nj. können vorteil-
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Behälter im Behälter Ni mit dem niedrigsten Druck angeordnet sind. Das Kühlen der Verbrennunggase in den Behältern kann gleichfalls durch eine Oberflächenkühlung erfolgen. Die Ein- und Auslassorgane können ebenso beliebiger geeigneter Bauart sein.
Eine wesentliche gemeinsameEigenschaft jeder dieser erfindungsgemässen Einrichtungen besteht darin, dass weder die Turbinenschaufeln, ncch mechanisch heikle Teile (Ein-und Auslassorgane u. dgl.)
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Mantel des Arbeitsbehälters V kann leicht und wirksam gekühlt werden und bei grösseren Anlagen und hohen Drücken kann ein durch Druckwasser gekühlter Doppelmantel verwendet werden, so dass sein innerer heisser Teil für Kraftbeanspruchung entlastet ist. Diese Anordnung ermöglicht die Anwendung genügend hoher Temperaturen im "heissen" Teil des Kreislaufes, so dass der thermische Wirkungsgrad wenigstens dem der Dieselmotoren gleich ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für Gasturbinenanlagen, mit Hilfe eines Wärmekreisprozesses und stufenweiser Druckerhöhung der Verdichtung, sowie unter Anwendung eines se-
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die Verdichtung der als Betriebsmittel dienenden primären frischen oder entspannten Luft in zwei Arbeitsphasen erfolgt, bei denen die in wenigstens einem Arbeitsbehälter (V) eingelassene primäre Luft während der ersten Phase lediglich durch das Hilfsmedium verdichtet wird, das in den Behälter (V), in
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ringe Menge primärer Luft weiter verdichtet und ausgeschoben wird, welche primäre heisse Luft nach dem Ausschub im wesentlichen das gleiche Volumen wie die zu Beginn der ersten Phase zugeführte primäre kältere Luft einnimmt und wonach das gasförmige Hilfsmedium über den Wärmeregenerator (R)
aus dem Arbeitsbehälter (V) bei stufenweisem Druckabfall in demselben in eine Anzahl Druckgasbehälter
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