Mit Wärmeaustauscher versehene Gasturbinenanlage. Bei Gasturbinenanlagen kann ein guter Wirkungsgrad nur dann erreicht werden, wenn die Wärme der die Turbine verlassen den entspannten Gase so auf das verdichtete frische Arbeitsmittel übertragen wird, dass es hierdurch ermöglicht wird, einen bedeutenden Teil der für die Erwärmung des Arbeits mittels bis zur höchsten Temperatur des Arbeitsprozesses erforderlichen Wärmemenge aus der Wärme der entspannten Gase zurück zugewinnen.
Die Anwendung eines zu die- cem Zwecke dienenden Wärmeaustauschers ist um so notwendiger, je grösser die zur Er wärmung des Arbeitsmittels erforderliche Wärmemenge im Vergleich zu der durch die Gewichtseinheit des am Arbeitsprozess be teiligten Arbeitsmittels geleisteten Arbeit ist.
Die Verwendbarkeit eines Wärmeaustauschers wird jedoch sehr nachteilig beeinflusst da durch, dass der durch die unvollkommene Wirkungsweise des Wärmeaustauschers ver ursachte Wärmeverlust, bezw. der durch die Reibung im Wärmeaustauscher verursachte mechanische Arbeitsverlust von einem nicht zu vernachlässigenden Wert ist, und der selbe besonders in denjenigen Fällen den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage emp findlich verschlechtert, wo die Anwendung des Wärmeaustauschers im Sinne des Ge sagten gerade am notwendigsten ist.
Infolge dieser Umstände müsste man in allen Fällen, wo die durch die Gewichtseinheit des Ar beitsmittels geleistete Arbeit im Vergleich zu der zur Erwärmung des Arbeitsmittels er forderlichen Wärmemenge gering ist, einen sehr grossen Wärmeaustauscher anwenden, wenn der Verschlechterung des Wirkungs grades vorgebeugt werden sollte.
Die An wendung eines so reichlich bemessenen Wärmeaustauschers ist aber kostspielig, die Konstruktion selbst verwickelt und sehr um fangreich, ,so :dass dies bei den Gasturbinen- an-lagen einen wesentlichen Nachteil bedeu tet.
Wenn zum Beispiel die untere Druck- grenze des Arbeitsprozesses 1 atm, und die obere Druckgrenze 2 atm. ist, ferner die Höchsttemperatur des Arbeitsmittels vor Eintritt in die Turbine 450 C beträgt. erreicht der erzielbare Wirkungsgrad im Falle eines verlustlosen Wärmeaustauschers ungefähr 39 7o. Sollte aber dieser Wirkungs grad nicht unter 33%2 sinken, so wäre bereits ein so grosser Wärmeaustauseher erforderlich, dessen wirksame Oberfläche unter Voraus setzung einer gewissen baulichen Ausfüh rung je PS mindestens ungefähr 12 m2 aus macht, was einen sehr bedeutenden Wert darstellt.
Die Erfindung betrifft nun eine mit Wärmeaustauscher versehene Gasturbinen anlage, bei welcher die Oberfläche des für eine gegebene Leistung erforderlichen Wärme- austauschers gegenüber den für die bisher bekannten Anlagen nötig erachteten Ober flächen wesentlich herabgesetzt werden kann.
Der Erfindung liegt eine bezüglich ihrer all gemeinen Anordnung an sieh bekannte An lage zu Grunde, bei welcher zum abschnitts weisen Verdichten des Arbeitsmittels minde stens zwei umlaufende Verdichter und zum abschnittsweisen Entspannen desselben zum Antrieb der Verdichter dienende Turbinen und zumindest eine Nutzleistung abgebende Turbine, ferner zur Riickküihlung des ab schnittsweise verdichteten Arbeitsmittels vor jedem nachfolgenden höheren Verdichtungs abschnitt Kühleinrichtungen und zur Wieder erwärmung des abschnittsweise entspannten Arbeitsmittels zumindest vor dem Eintritt in die Nutzleistungsturbine ein zur Wärmezu fuhr dienender Apparat vorgesehen sind und kennzeichnet sich dadurch,
dass zur Übertra gung des verfügbaren Wärmeinhaltes der entspannten Gase an das auf den Höchst druck verdichtete Arbeitsmittel ein Wärme- austauscher vorgesehen ist, für welchen das Verhältnis der in m2 ausgedrückten gesam ten wirksamen Wärmeübertragungsfläche zur in PS ausgedrückten Leistung der An lage weniger als 3,53 beträgt.
Durch Nacheinanderschalten von Ver dichtungsabschnitten und Entspannungsab schnitten in einer genügenden Anzahl kann die Leistung der Gewichtseinheit des Arbeits mittels auf das Mehrfache der Leistung einer zwischen denselben Temperaturgrenzen ar beitenden Ausführung mit nur einem Ab schnitt gesteigert werden, so dass die Ver luste des Wä rmeaustauschers den Wirkungs grad selbst im Falle eines Wärmeaustauschers von wesentlich verringerten Abmessungen nicht empfindlich verringern werden.
Dass dies möglich ist, erkennt man durch die fol gende Überlegung: Es sei angenommen, dass die Rückkühlung zwischen den aufeinander folgenden Verdichtungsabschnitten derart stattfindet, dass die Anfangs- und Endpunkte der einzelnen Verdichtungsabschnitte auf je einer Isotherme liegen, mithin die Endtem peratur der ganzen Verdichtung nicht über die des ersten Abscbnittes hinausgeht.
In die sem Falle wird das Arbeitsmittel, verglichen mit der einstufigen Verdichtung und bei der selben noch zulässigen Verdichtungsendtem- peratuir, ein grösseres Arbeitsvermögen, einen höheren Verdicbtungsenddruck, jedoch ein zufolge des höheren Verdichtungsgrades und der Rückkühlung kleineres spezifisches Vo lumen besitzen. ZVird also in beiden ver- glicbenen Fällen derselbe für die einstufige Verdichtung erforderliche Wärmeaustauseher verwendet.
Co wird die Durchströmun- in demselben im Falle der Verdichtung mit mehreren Abschnitten zufolge des wesentlich kleineren spezifischen Volumens auch mit #vesentlieh geringerer Geschwindigkeit, und mit wesentlich geringerem Verlust vor sich geben: überdies entspricht dieser seinem ab soluten Betrag nach abnehmende Strömungs verlust, auf die erwähnte Leistung je Ge wichtseinheit bezogen einem verhältnismässig noch viel stärker abnehmenden Verlust.
In dieser Weise kann man dadurch. da,ss man auf die erzielbare Ermässigung der Ver luste verzichtet und im U'ärmeaustauscher im Falle von mehreren Verdichtungsab schnitten den gleichen Verlust, wie er sich bei Verdichtung in einem einzigen Abschnitt ergibt, zulässt, das heisst also entsprechend grössere Din-ehströmungsgeschwindigkeiten zulässt, tatsächlich erreichen, dass das Ge- wicht des Wärmeaustauschers bezw. die wirksame Fläche desselben wesentlich ver ringert wird.
Dabei ist man in der Wahl der Anzahl der Verdichtungsstufen bezw. in der Erhöhung derselben durch die bei der einstu figen Verdichtung auftretende hohe End- temperatur nicht beschränkt, da das Arbeits mittel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verdichtungsabschnitten im erforderlichen Masse zurückgekühlt wird.
Anderseits ist es ans demselben Grunde, das heisst um eine zu hohe Temperatur zu Beginn der Entspannung zu vermeiden, auch nötig, die Entspannung in mehreren Abschnitten vorzunehmen, da es infolge thermodynamischer Erwägungen nicht zweifelhaft sein kann, dass mit Rück auf die durch Kühlung zwischen den einzelnen Verdichtungsabschnitten abgeführ ten Wärmemengen, über die vor dem ersten Entspannungsabschnitt bewirkte Wärmezu fuhr hinaus auch noch zusätzliche Wärme mengen in den Arbeitsprozess einzuführen sind.
Aus diesem Grunde muss die zusätz liche Wärmezufuhr, um eine überaus hohe Temperaturerhöhung zu verhüten, immer nach einer gewissen vorhergehenden Abküh lung, also nach einer gewissen Entspannung stattfinden.
Der technische Fortschritt der Erfindung offenbart sich also darin, dass zur Erreichung einer gegebenen Höchsttemperatur bei der selben Leistung ein bedeutend kleinerer Wärmeaustauscher als gewöhnlich angewen det werden kann.
Aus dem Gesagten folgt bereits, dass durch Erhöhung der Anzahl der Verdich tungsabschnitte, unter Beibehaltung dessel ben Druckverhältnisses in den Abschnitten, die zur Erreichung eines gegebenen Gesamt wirkungsgrades erforderliche Wärmeüber tragungsfläche in einem sehr bedeutenden Masse verringert wird. Ist zum Beispiel im Falle einer in einem einzigen Abschnitt vor sich gehenden Verdichtung die wirksame Oberfläche des Wärmeaustauschers, unter Voraussetzung eines gewissen guten Wir kungsgrades, in m2 ausgedrückt, 10 m2 je PS, so ist zur Erreichung desselben voraus- gesetzten Wirkungsgrades im Falle von zwei Verdichtungsabschnitten nur eine Fläche von 1,76 m2 je PS, und im Falle von drei Ab schnitten nur noch eine Fläche von 0,65 m2, usw. erforderlich.
Beträgt im allgemeinen die gesamte wirksame Fläche des Wärmeaus- tauschers (beide Seiten der wärmeübertra genden Elemente eingerechnet) F . m2, die Leistung der Gasturbinenanlage L . PS und die Anzahl der Verdichtungsabschnitte na, so genügt es zur Erreichung eines guten Wir kungsgrades gemäss den durch Versuche kon trollierten Untersuchungen des Erfinders, einen Wärmeaustauscher anzuwenden, bei welchem
EMI0003.0010
ist. Für n = 2 beträgt der Wert
EMI0003.0011
Die beiliegende Zeichnung veranschau licht mehrere Ausführungsbeispiele der An lage.
Fig. 1 zeigt das Schema eines Ausfüh rungsbeispiels, bei welchem die Verdichtung in drei Abschnitten, die Entspannung dage gen in vier Abschnitten erfolgt.
Fig. 2 zeigt eine andere beispielsweise Ausführung einer Gasturbinenanlage, bei welcher die Verdichtung in zwei Abschnitten und die Entspannung in drei Abschnitten statfindet. Fig. 3 stellt das Druckvolumen-Diagramm des Arbeitsprozesses der in Fig. 2 dargestell- ten Gasturbinenanlage dar.
Fig. 4 veranschaulicht eine andere Gas turbinenanlage, bei welcher die abschnitts- weise Erwärmung des Arbeitsmittels in einer einzigen Feuerungsvorrichtung erfolgt, die dem letzten Entspannungsabschnitt nachge schaltet ist.
Fig. 5 schliesslich zeigt eine solche Va riante der Gasturbinenanlage, bei welcher zur Verbrennung nicht das Arbeitsmittel der Turbine gebraucht wird, sondern hierzu Luft eigens aus der Atmosphäre eingeführt wird.
Gemäss Fig. 1 dienen zur Verdichtung des Arbeitsmittels drei, zweckmässig mit Schau feln von aus der Aerodynamik bekannten Querschnittsprofilen versehene, in axialer Richtung durchströmte Verdichter 1, 2 und 3, welche mit zum Antrieb der Verdichter die nenden Turbinen 4, 5 und 6 gekuppelt sind. Die Arbeitsturbine 7 dient zur Abgabe von nützlicher Arbeit und ist daher über ihre Welle 8 zum Beispiel mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppelt.
An den Austritts stutzen 9 des Verdichters 1 schliesst sich ein Kühler 10 an, bei welchem die in dem einen Arbeitsraum des Kühlers, das heisst im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels in dem Rohrsystem 11 strömende Kühlflüssig keit, zweckmässig Wasser, die Kühlung des in dem andern Arbeitsraum des Kühlers strömenden Mittels bewirkt. Der Kühler 10 ist an den Eintrittsstutzen 12 des Verdichters 2 angeschlossen. Auch zwischen den Verdich tern 2 und 3 ist eine Kühleinrichtung 14 vorgesehen, welche sich an den Austritts stutzen 13 des Verdichters 2 und an den Ein trittsstutzen 15 des Verdichters 3 anschliesst. An den Austrittsstutzen 16 des Verdichters 3 schliesst sieh der Hochdruckarbeitsraum des Wärmeaustauschers 17 an, dessen Aus trittsstutzen 18 mit dem Verbrennungsraum 19 verbunden ist.
Die Verbrennungsräume 19, 20, 21 und 22 sind der Reihe nach den Turbinen 6, 5, 4 und 7 vorgeschaltet; so ist mit Ausnahme des ersten Verbrennungs raumes 19 immer der Eintrittsstutzen des Verbrennungsraumes mit dem Austrittsstut- zen der vor dem Verbrennungsraum befind lichen Turbine höheren Druckes, der Aus trittsstutzen desselben aber mit dem Eintritts stutzen der nächstfolgenden Turbine nied rigeren Druckes verbunden; im Falle des Verbrennungsraumes 20 zum Beispiel schliesst sich dieser einerseits an den Austrittsstutzen 23 der Turbine 6, anderseits mit seinem Stutzen 24 an den Eintrittsstutzen 25 der Turbine 5 an.
Hinter die Turbine niedrigsten Druckes, im Falle des dargestellten Beispiels also hinter die Arbeitsturbine 7, ist der Niederdruclkarbeitsraum 26 des Wärmeaus- tauschers 17 angeschaltet. Zur Einführung von festem, gasförmigem oder flüssigem Brennstoff in die Verbrennungsräume 19, 20, 21 und 22 dienen die Brennstoffeinführungs organe 28, 29, 30 und 31.
Diese Anlage arbeitet in folgender Weise: Das Arbeitsmittel tritt durch dlen Eintritts stutzen 27 in den Verdichter 1 ein, welcher es auf höheren Druck verdichtet und in den hinter ihn geschalteten Kühler 10 driickt. Die im Verdichter 1 erwärmte Luft wird im Kühler 10 auf bekannte Art zuriückgekühlt. Nachher tritt die Luft in den Verdichter 2 ein, wo sie auf einen noch grösseren Druck verdichtet wird, und, aus diesem Verdichter heraustretend, gelangt sie in den Zwischen- 14, wo sie wieder abgekühlt wird.
Nach Durchströmen des auf den höchsten Druck verdichtenden letzten Verdichters 3 tritt das Arbeitsmittel in den Hochdruck- arbeitsraumn des Wärmeaustauschers 15 ein, wo es die Wärme der das Turbinensystem verlassenden entspannten Gase aufnimmt, so dass es den Wärmeaustauscher bereits bedeu tend erwärmt verlässt.
In dieser Weise tritt die Luft über den Stutzen 18 des Wärme- ailstausebers in den Verbrennungsraum 19 ein, wo der mittels des Brennstoffeinfiih- run@@sorganes 28 eingeführte, feste, ga.sför- mi2e oder fliiscio@e Brennstoff verbrennt und dadurch die Temperatur des Arbeitsmittels noch w(-iter erhöht.
Danach tritt das Arbeits mittel in die den Verdichter 3 treibende Tur bine 6 ein, wo es unter Druckabnahme ge rade soviel Arbeit abgibt, als zum Antrieb des Verdichters erforderlich ist. Hierauffol- gend gelangt das Arbeit:
mittel in den Ver brennungsraum. \?0, wo es sich infolge der Verbrennung des mittels des Brennstoffein- führunmsorganes 29 eingeführten Brenn- stoffes\nach der während der vorangehenden Entspannung stattgefundenen teilweisen Ab- kühlung wieder erwärmt, und tritt in diesem Zustande in die den Verdichter 2 antreibende Turbine 5 ein, wo es sieh unter wiederholtem Temperaturabfall noch weiter entspannt,
nm sich dann infolge der Verbrennung des mit tels des Einführorganes 30 in den Verbren nungsraum 21 eingeführten Brennstoffes wieder zu erwärmen. Hierauf durchströmt das Arbeitsmittel die den Verdichter 1 an treibende Turbine 4, wo sein Druck noch weiter abnimmt, und nach Austritt aus dieser Turbine gelangt es in den Verbrennungsraum 22, wo Bder mittels des Brennstoffeinführ- organes 31 zugeführte Brennstoff unter er neuter Zunahme der Temperatur des Arbeits mittels verbrennt, worauf die Temperatur des in die Turbine 7 eintretenden Arbeitsmittels während weiterer Entspannung wieder ab fällt.
Aus der Turbine 7 gelangt das Arbeits mittel in den Niederdruckarbeitsraum 26 des Wärmeaustauschers 17, um diesen bei Über tragung seiner Wärme an das hochverdich tete Arbeitsmittel zu durchströmen, und schliesslich tritt es aus dem Wärmeaus tauscher durch das Rohr 32 aus.
Die Arbeitsturbine 7 arbeitet im Falle des dargestellten Beispiels beim niedrigsten Druck; es ist aber auch möglich, die Anlage so zu bauen, dass die Arbeitsturbine bei dem höchsten oder bei irgendeinem mittleren Druck, also nicht bei dem niedrigsten Druck arbeitet.
Es können in den einzelnen Verdichter- bezw. Entspannungsabschnitten auch meh rere Maschinen (Verdichter oder Turbinen) gleichen Druckes miteinander parallel ge schaltet werden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Gasturbi nenanlage bilden die einzelnen Verdichter und die dieselben antreibenden Turbinen be sondere Maschinenaggregate, die voneinander mechanisch unabhängig und auch bezüglich ihrer Drehzahlen verschieden sind. Diese Anordnung ist mit Rücksicht :auf die Abmes sungen der einzelnen Maschinen vorteilhaft. Die Regelung ist jedoch einfacher, wenn die Haschinen voneinander mechanisch nicht, oder nicht vollständig unabhängig sind. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 2 sind der Verdichter 33 vom niedrigsten Druck und die mit ihm verbun- dene Turbine 34, der Hochdruckverdichter 35 und die mit diesem verbundene Turbine 36, sowie die Arbeitsturbine 37 miteinander mittels des Zahnradgetriebes 38 mechanisch verbunden. Bei dieser Anordnung wird in das Arbeitsmittel zwecks Abkühlung mittels des Zerstäubers 39 Kühlflüssigkeit, zweck mässig Wasser,
eingespritzt. An den Aus trittsstutzen des Hochdruckverdichters 35 schliesst sich der Hochdruckraum 41 des Wärmeaustauschers 40 an, welcher seiner seits mit dem Verbrennungsraum 42 in Ver bindung steht. Zur Einführung des festen, gasförmigen oder flüssigen Brennstoffes dient das Brennstoffeinführungsorgan 43. Zwischen dem Verbrennungsraum 42 und dem Eintrittsstutzen 44 der Turbine 36 ist die Heizvorrichtung 45 eingeschaltet, in deren Rohrsystem 46 das beim Stutzen 47 der Turbine 36 austretende Arbeitsmittel strömt.
Die Heizvorrichtung 45 schliesst sich an den Eintrittsstutzen 48 der Turbine 34 an, während der Austrittsstutzen 49 der Turbine in den Verbrennungsraum 50 mün det. Der Verbrennungsraum 50 ist mit dem Eintrittsstutzen 51 der Turbine 37 verbun den, deren Austrittsstutzen 52 anderseits mit dem Niederdruckarbeitsraum des Wärme austauschers 40 zusammenhängt. Bei dieser Anlage tritt das Arbeitsmittel beim Stutzen 53 in den Verdichter 33 ein, aus welchem es in verdichtetem Zustand in den Verdichter 35 gelangt.
Danach durchströmt das Arbeits mittel den Hochdruckarbeitsraumdes Wärme- austauschers 40, erwärmt sich und gelangt so in den Verbrennungsraum 42, wo es sich mittels des im Sauerstoff des Arbeitsmittels verbrannten Brennstoffes noch weiter er wärmt. Hierauffolgend durchströmt das Ar beitsmittel die Heizvorrichtung 45, wo es einen Teil seiner Wärme an das im Rohr system 46 strömende Arbeitsmittel überträgt.
Von hier aus tritt das Arbeitsmittel in die Turbine 36 ein, entspannt sich hier zum Teil, um dann aus der Turbine heraustretend das Rohrsystem 46 zu durchströmen, wobei seine Temperatur wieder zunimmt. Darauf strömt das Arbeitsmittel beim Stutzen 48 in die Tur- bine 34, und nach weiterer Entspannung in derselben gelangt es in den Verbrennungs raum 50, wo seine Temperatur wieder an steigt. Hinter den Verbrennungsraum 50 ist, die Arbeitsturbine 37 geschaltet, in welcher das Arbeitsmittel seine Entspannung voll endet, worauf es nach Durchströmen des Wärmeaustauschers 40 die Anlage durch das Rohr 54 verlässt.
Bei der Ansage gemäss Fig. 2 geschieht die Kühlung des Arbeitsmittels während der Verdichtung desselben innerhalb der einzel nen Verdichtungsabschnitte oder zwischen denselben mittels Einspritzung von Wasser durch den Zerstäuber 39. Die mechanische Verbindung der einzelnen Verdichter bezw. Turbinen kann auch derart erfolgen, dass mehrere der Verdichter bezw.
Turbinen auf einer gemeinsamen Welle, eventuell auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden; diese Anordnung hat in jeder Ver wirklichungsform auch den Vorteil, dass man nicht besonders dafür zu sorgen hat, dass die einzelnen Turbinen gerade so viel Leistung abgeben, als zum Antrieb der mit ihnen ein zeln gekuppelten Verdichter erforderlich ist, <I>so</I> dass durch die mechanische Verbindung dieser Maschinen die Regelung vereinfacht wird.
Fig. 3 zeigt das Druckvolumen-Diagramm der in Fig. 2 dargestellten beispielsweisen Anlage mit zwei Verdichter- und drei Ent spannungsabschnitten. Das spezifische Vo lumen des in den Verdichter 33 eintretenden Arbeitsmittels sei mit v0, sein Druck mit p0 bezeichnet, und es ändert sich der Druck des Arbeitsmittels nach Austritt aus dem Ver dichter 33 auf p1, sein spezifisches Volumen auf v1. Infolge der angewendeten Kühlung vermindert sich das spezifische Volumen des Arbeitsmittels beim Eintritt in den nächst folgenden Verdichtungsabschnitt auf v'1, während sein Druck praktisch unverändert bleibt; diese Werte ändern sich nach Durch strömen des folgenden Verdichtungsab schnittes auf v2 bezw. p2.
In dem jetzt in Tätigkeit tretenden Wärmeaustauscher bleibt der Druck des Arbeitsmittels praktisch un- verändert; infolge Erwärmung steigt jedoch sein spezifisches Volumen auf v3, welches in folge der Wärmezufuhr im Verbrennungs raum 42 bei praktisch gleichbleibendem Druck den Wert r4 erreicht. Darauf ändert sich der Druck des sieh in der Turbine 36 entspannenden Arbeitsmittels am Ende der Entspannung auf p5, das spezifische Volu men auf v5; danach nimmt dieser letztere Wert infolge der sieh in den Röhren 46 des Heizapparates 45 vollziehenden Wieder- e nv ärmung , bei praktisch gleichbleibendem Druck, auf v'5 zu.
Während des darauffol genden Abschnittes der Entspannung verrin gert sich der Druclk in der Turbine 34 auf p6, während das spezifische Volumen auf v6 zunimmt, um im Laufe der auf diesen Ent spannungsabschnitt in der Heizvorrichtung 50 folgenden erneuten Erwärmung, bei prak tisch unverändertem Druck, auf v'6 anzu steigen. In dem letzten Entspannungsab schnitt bezw. in der Turbine 37 fällt der Druck annähernd auf den Anfangsdruck p0, während das spezifische Volumen bis v7 steigt.
Die hierauffolgende Durchströmung im Niederdruckarbeitsraum des Wärmeaus tausehers 40 drückt das spezifische Volumen infolge Abkühlung stark, zum Beispiel bis zum Wert v8 herab; danach tritt das Arbeits mittel in einen Raum vom Anfangsdruck<B>Pol</B> zum Beispiel ins Freie. wo das spezifische Volumen des aus der Umgebung neu einzu führenden Arbeitsmittels den bereits erwähn ten Wert r" besitzt.
Im Falle von mehreren Verdichter- oder Entspaiinun,saliselinitten ändert sich das Dia-ramin der Fig. 3 entsprechend der grö sseren Anzahl der Abschnitte.
Bei der aus Fig. 4 ersichtlichen Anord nung der Anlage ist die den Verdichter 55 antreibende Turbine 56 mit der Arbeitstir- hine 58 mittels der Zahnradübersetzung 57 mechanisch verbunden; die Welle dieser letz teren Turbine treibt die Nutzleistungs- maschine an, während der Verdichter 59 und die diesen antreibende Turbine 60 eine von der vorigen mechanisch unabhängige Maschi- nengruppe bildet.
Bei der in dieser Figur dargestellten Anordnung verbrennt der Brennstoff in dem durch die Turbinen ge führten und bereits entspannten Arbeits mittel, zu welchem Zwecke im Falle des vor liegenden Beispiels eine zur Verbrennung von festem Brennstoff geeignete Vorrichtung vor gesehen ist. Ein Teil des die Niederdruck- turbine 58 verlassenden Arbeitsmittels wird durch das Rohr 61 unter den Rost 62 ge führt, auf welchem sich die Verbrennung des durch den Füllschacht 63 eingeführten Brenn stoffes vollzieht.
Ein zweiter Teil des ent spannten Arbeitsmittels wird als Sekundär luft durch die Leitung 64 dem aus dem Ver brennungsraum 65 hinausströmenden, erwärm ten Arbeitsmittel zugemischt, welches mit tels der im Heizraume 66 untergebrachten Heizkörper 67, 68, 69 einen Teil seiner Wärme auf das durch die Heizkörper ge führte und in verschiedenen Abschnitten der Entspannung befindliche Arbeitsmittel über trägt. Das aus dem Heizraum 66 austretende Arbeitsmittel gelangt in den Niederdruck arbeitsraum des Wärmeaustauschers 70, und gibt hier Wärme an das im Hochdruck arbeitsraum des Wärmeaustauschers strö mende verdichtete, frische Arbeitsmittel ab.
Das entspannte und entsprechend abgekühlte Arbeitsmittel verlässt danach den Wärme- austauscher durch das Rohr 71. Bei dieser Anordnung heizt somit der im bereits ent spannten Arbeitsmittel verbrannte Brenn stoff Heizkörper, in welchen Arbeitsmittel von verschiedenen Drücken strömt.
In Fig. 5 ist ein solches Ausführungsbei- spiel dargestellt, bei welchem zur Verbren nung des Brennstoffes nicht das am Arbeits prozess der Turbine beteiligte Arbeitsmittel verwendet wird, sondern zu diesem Behufe besondere Verbrennungsluft in den Verbren nungsraum eingeführt wird.
Bei dieser Va riante wird die durch das Rohr 79 eintre tende Verbrennungsluft zuerst in den durch die austretenden Verbrennungsgase geheizten Vorwärmer 78 geführt und erst nachher ge langt sie in den Verbrennungsraum 72, in welchem beispielsweise die Verbrennungs- vorrichtung nach Fig. 4 vorgesehen ist. Hier auf umspült das Arbeitsmittel die in einer den Heizkörpern der Variante gemäss Fig. 4 analogen Weise verwendeten Heizkörper 73, 74 und 75,
in welchen das zu erwärmende und in den verschiedenen Abschnitten der Entspannung befindliche Arbeitsmittel strömt. Um zu verhüten, dass die Heizkörper unter dem Einfluss der übermässig warmen Verbrennungsprodukte über das zulässige Mass hinaus erwärmt werden, werden die be reits abgekühlten Verbrennungsprodukte durch eine- Öffnung 7 6 wieder den frischen Verbrennungsprodukten zugemischt, wodurch ihre durchschnittliche Temperatur verringert wird.
Der abzuführende Teil -der Verbren nungsprodukte gelangt durch einen Kanal 77 in einen Vorwärmer 78, wo er seine Wärme an die durch ein Rohr 79 eintretende frische Verbrennungsluft abgibt und die An lage in abgekühltem Zustand durch ein Rohr 80 verlässt. Die Verbrennungsprodukte wer den durch einen mittels eines Elektromotors 82 angetriebenen Lüfter 83 in Umlauf ge halten.
Bei dieser Einrichtung gelangt das die Turbine von niedrigstem Druck ver lassende Arbeitsmittel gegenüber dem Ar beitsprozess der in Fig. 4 dargestellten Aus führung durch eine Rohrleitung 81 unmittel bar in den Wärmeaustauseher 70.
Einen wesentlichen Einfluss auf die Vor teile der erfindungsgemässen Anlage übt na türlich auch der Umstand aus, wie die Grösse bezw. die Anzahl der Verdichtungs- bezw. Entspannungsabschnitte gewählt wird. In bezug auf die Wahl der Grösse der Verdich tungsabschnitte soll als massgebender Ge sichtspunkt dienen, dass der in den Verdich tungsabschnitten eintretende Temperatur anstieg nicht allzu gross sein darf, um durch die übermässige Zunahme der Verdichtungs arbeit ,
den Gesamtwirkungsgrad nicht schäd lich zu beeinflussen. Diese Grenze ist prak tisch<B>170'</B> C, und es ist nicht zweckmässig, in .einem Verdichtungsabschnitt eine noch grössere Temperaturzunahme zuzulassen. An derseits darf man auch keinen übermässig kurzen Verdichtungsabschnitt anwenden, da dies gleichfalls mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrades verbunden ist.
Zwischen den einzelnen Abschnitten wird nämlich das Arbeitsmittel in Kühler bezw. danach ins Ge häuse des Verdichters des folgenden Ab schnittes eingelassen, welche Vorgänge dazu führen, dass trotz der guten Ausbildung der beim Austritt angewendeten Diffusoren ein beträchtlicher Teil der Durchströmungsge schwindigkeit verloren geht und gerade des halb muss man eine hinreichend grosse Ener giemenge in das Arbeitsmittel einführen, um zu verhüten, dass diese in Verlust geratende Energie den Wirkungsgrad übermässig ver schlechtert.
Bei den praktisch in Betracht kommenden Durchströmungsgeschwindigkei ten ist es daher zweckmässig, den Druck des aus dem Abschnitt austretenden Arbeitsmit tels zumindest auf dem 1,5fachen Wert des Druckes des in den Abschnitt eintretenden Arbeitsmittels zu halten.
Ebenso sollen auch bei der Wahl der An zahl bezw. der Grösse der Entspannungsab schnitte gewisse Bedingungen berücksichtigt werden. Werden die Entspannungsabschnitte zu gross gewählt, so kann der Fall vorkom men, dass die Temperatur des Arbeitsmittels innerhalb der einzelnen Abschnitte sich über mässig verringert und dadurch auch die Ar beitsleistung der ganzen Turbine abnimmt und der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verschlechtert wird. Es ist deshalb zweck mässig, die Grösse der einzelnen Entspan nungsabschnitte so zu wählen, dass innerhalb derselben die Temperatur des Arbeitsmittels nicht um mehr als 200 C abnimmt.
Die Grösse der Entspannungsabschnitte hat aber a ue h eine untere Grenze, die gleichfalls durch den Verlust der Durchströmungsgeschwindig- keit des aus den Turbinen austretenden Ar beitsmittels bestimmt wird. Im Sinne des soeben für die Verdichter gesagten soll die Grösse der einzelnen Entspannungsabschnitte so gewählt werden, dass mit Ausnahme der Arbeitsturbine das Druckverhältnis, das heisst das Verhältnis der Drücke des in die Turbine eintretenden und des aus dieser auströmenden Arbeitsmittels, in den einzelnen Abschnitten nicht kleiner als 1,3 sei.
Falls der Brennstoff in einen der Verbrennungsräume derart ein geführt wird, dass das den Verbrennungsraum verlassende Arbeitsmittel auch noch unver brannten Brennstoff enthält, so dass die Ver brennung sich auch während der Durch strömung der Turbine fortsetzt, so kann die in der Turbine eintretende Temperatur schwankung auf ein Mindestmass herabge drückt werden. Diese Massnahme ist an sich bekannt, aber vom Gesichtspunkt der Erfin dung infolge der obigen Begründung beson ders vorteilhaft.
Es ist auch vorteilhaft, die Anzahl der hintereinander zu schaltenden Abschnitte derart zu bestimmen, dass die durch das Ar beitsmittel verrichtete nützliche Arbeit, auf 1 kg Gewichtsmenge bezogen, grösser als 8500 mkg ist. Mit Rücksicht darauf, dass die Grösse der durch die Gewichtseinheit des Ar beitsmittels geleisteten Arbeit auch vom Ver hältnis des höchsten und des niedrigsten Druckes des Arbeitsprozesses abhängt, und zwar im Falle eines grösseren Druckverhält nisses grösser wird, ist es zur Verringerung der Abmessungen des Wärmeaustausehers zvTechmässig, dieses Druckverhältnis grösser als 4 zu wählen.
Die Anzahl der während der Verdichtung zwecks Rückkühlung anzu wendenden Abschnitte kann um so kleiner sein, ,je geringer die Erwärmung des Arbeits mittels im Verdichter ist. Für die Verminde rung der Anzahl der Abschnitte, das heisst für die Vereinfachung der Einrichtung ist es somit sehr vorteilhaft. einen so konstruierten Verdichter anzuwenden, in welchem die Luft im Falle eines gegebenen 1)ruclzverhältnisses auch ohne Rüelkkiihlung in möglichst gerin gem :Masse ei-wärint wird.
Insbesondere sind zu diesem Zwecke solche axial durchströmte, an sich bekannte Verdichter geeignet, deren Schaufeln einen den in der Flugzeugtech nik gebräuchlichen Flügelprofilen ähnlichen Querschnitt haben, und in welchen ausserdem die Ständer- und Läuferschaufeln so ausge bildet sind, dass sowohl in den stehenden als auch in den umlaufenden Schaufelkränzen eine Druckzunahme stattfindet.
Im Falle der Ausführung der Entspan nung in mehreren Abschnitten tritt das grösste Druckverhältnis unter den Turbinen im all gemeinen in der Arbeitsturbine, das heisst in derjenigen Turbine auf, die den grössten Teil ihrer Leistung nach auswärts als nützliche Arbeit abgibt; deshalb ist es ratsam, vor oder während der Entspannung in dieser Turbine Reizung anzuwenden, während unter den die Verdichter antreibenden, miteinander in Reihe geschalteten Turbinen auch solche vor kommen können, deren Entspannungen sich ohne besondere Wärmezufuhr vollziehen.
Wenn hiervon abgesehen die einzelnen Ver s dichter samt den sie antreibenden Turbinen untereinander, wie in den Ausführungsfällen gemäss den Figuren, mit verschiedenen Dreh zahlen laufende Einheiten bilden, so beträgt die Anzahl der Entspannungsabschnitte um eins, das heisst um den der Arbeitsturbine entsprechenden Entspannungsabschnitt mehr, als die Anzahl der Verdichtungsabschnitte.
Gas turbine system equipped with a heat exchanger. In gas turbine systems, a good level of efficiency can only be achieved if the heat from the expanded gases leaving the turbine is transferred to the compressed fresh working medium in such a way that it is possible to use a significant part of the amount required for heating the working medium up to the highest temperature Recover the amount of heat required for the work process from the heat of the relaxed gases.
The use of a heat exchanger serving for this purpose is all the more necessary, the greater the amount of heat required to warm up the working fluid compared to the work performed by the weight unit of the working fluid involved in the work process.
The usability of a heat exchanger is, however, very disadvantageously influenced by the fact that the heat loss caused by the imperfect operation of the heat exchanger, respectively. the mechanical loss of work caused by the friction in the heat exchanger is of a value that cannot be neglected, and the same especially in those cases where the use of the heat exchanger is most necessary in the sense of the above.
As a result of these circumstances, a very large heat exchanger would have to be used in all cases where the work done by the weight unit of the working medium is small compared to the amount of heat required to heat the working medium, if the deterioration in the degree of efficiency should be prevented.
The use of such a generously dimensioned heat exchanger is, however, expensive, and the construction itself is complex and very extensive, so that this means a significant disadvantage in gas turbine systems.
For example, if the lower pressure limit of the work process is 1 atm, and the upper pressure limit is 2 atm. and the maximum temperature of the working fluid before it enters the turbine is 450 C. the achievable efficiency in the case of a lossless heat exchanger reaches approximately 39 7o. But if this efficiency does not drop below 33% 2, such a large heat exchanger would be required, the effective surface of which, assuming a certain structural design, amounts to at least 12 m2 per PS, which is a very important value.
The invention now relates to a gas turbine system provided with a heat exchanger, in which the surface area of the heat exchanger required for a given output can be significantly reduced compared to the surface areas considered necessary for the previously known systems.
The invention is based on a system known in terms of its general arrangement, in which at least two revolving compressors for the section-wise compression of the working medium and for section-wise expansion of the same for driving the compressor serving turbines and at least one useful power output turbine, further for Back cooling of the partially compressed working medium before each subsequent higher compression section Cooling devices and for re-heating the partially relaxed working medium at least before entering the power turbine, an apparatus serving to supply heat is provided and is characterized by
that a heat exchanger is provided for transferring the available heat content of the expanded gases to the working fluid compressed to maximum pressure, for which the ratio of the total effective heat transfer area expressed in m2 to the output of the system expressed in hp is less than 3.53 amounts.
By connecting a sufficient number of compression sections and relaxation sections one after the other, the performance of the weight unit of the work can be increased to a multiple of the performance of an embodiment working between the same temperature limits with only one section, so that the losses of the heat exchanger reduce the effect degrees will not be sensitive to decrease even in the case of a heat exchanger of significantly reduced dimensions.
That this is possible can be seen from the following consideration: It is assumed that the re-cooling takes place between the successive compression sections in such a way that the start and end points of the individual compression sections each lie on an isotherm, i.e. the end temperature of the entire compression does not go beyond that of the first section.
In this case, compared with the single-stage compression and at the same still permissible compression end temperature, the working medium will have a greater work capacity, a higher compression end pressure, but a smaller specific volume due to the higher degree of compression and the re-cooling. The same heat exchanger required for single-stage compression is used in both cases.
Co, in the case of compression with several sections, the flow through the same will, owing to the significantly smaller specific volume, also be given with significantly lower speed and with significantly lower loss: moreover, this corresponds to its absolute value decreasing flow loss to the mentioned performance per unit weight related to a comparatively much more strongly decreasing loss.
In this way you can get through it. since the achievable reduction in losses is dispensed with and the same loss is allowed in the U 'heat exchanger in the case of several compression sections as would result from compression in a single section, i.e. correspondingly higher flow velocities are allowed, actually achieve that the weight of the heat exchanger BEZW. the effective area of the same is significantly reduced ver.
One is in the choice of the number of compression levels BEZW. There is no limit to the increase in the same due to the high final temperature occurring during single-stage compression, since the working medium is cooled back to the required extent between two successive compression sections.
On the other hand, for the same reason, i.e. in order to avoid too high a temperature at the beginning of the relaxation, it is also necessary to carry out the relaxation in several sections, since, due to thermodynamic considerations, it cannot be doubted that with back on the cooling between the Individual compression sections dissipated amounts of heat, beyond which additional heat quantities brought about before the first expansion section also have to be introduced into the work process.
For this reason, the additional heat supply must always take place after a certain previous cooling, i.e. after a certain relaxation, in order to prevent an extremely high increase in temperature.
The technical progress of the invention is thus revealed in the fact that a significantly smaller heat exchanger than usual can be used to achieve a given maximum temperature with the same performance.
From what has been said, it already follows that by increasing the number of compression sections, while maintaining the same pressure ratio in the sections, the heat transfer area required to achieve a given overall efficiency is reduced to a very significant extent. If, for example, in the case of compression taking place in a single section, the effective surface area of the heat exchanger, given a certain good efficiency, expressed in m2, is 10 m2 per PS, then in order to achieve the same degree of efficiency, two assumed Compaction sections only have an area of 1.76 m2 per PS, and in the case of three sections only an area of 0.65 m2, etc.
Generally the total effective area of the heat exchanger (including both sides of the heat transferring elements) is F. m2, the power of the gas turbine system L. PS and the number of compression sections na, then it is sufficient to achieve a good degree of efficiency according to the investigations of the inventor controlled by experiments to use a heat exchanger in which
EMI0003.0010
is. For n = 2 the value is
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The accompanying drawing illustrates several exemplary embodiments of the system.
Fig. 1 shows the scheme of an Ausfüh approximately example, in which the compression takes place in three sections, the relaxation against conditions in four sections.
FIG. 2 shows another exemplary embodiment of a gas turbine plant in which the compression takes place in two sections and the expansion takes place in three sections. FIG. 3 shows the pressure volume diagram of the working process of the gas turbine system shown in FIG.
FIG. 4 illustrates another gas turbine system in which the working medium is heated in sections in a single firing device which is switched after the last expansion section.
Finally, FIG. 5 shows such a variant of the gas turbine system in which the working fluid of the turbine is not used for combustion, but air is specially introduced from the atmosphere for this purpose.
According to FIG. 1, three compressors 1, 2 and 3 with flow in the axial direction, appropriately provided with blades of cross-sectional profiles known from aerodynamics and which are coupled to the turbines 4, 5 and 6 for driving the compressors, are used to compress the working medium . The power turbine 7 is used to deliver useful work and is therefore coupled via its shaft 8 to an electric generator, for example.
A cooler 10 connects to the outlet nozzle 9 of the compressor 1, in which the cooling liquid flowing in one working space of the cooler, that is to say in the case of the illustrated embodiment in the pipe system 11, is expediently water, cooling the one in the other working space causes the cooler flowing medium. The cooler 10 is connected to the inlet connection 12 of the compressor 2. A cooling device 14 is also provided between the compression tern 2 and 3, which is connected to the outlet connector 13 of the compressor 2 and to the inlet connector 15 of the compressor 3. The high pressure working chamber of the heat exchanger 17 connects to the outlet connection 16 of the compressor 3, the outlet connection 18 of which is connected to the combustion chamber 19.
The combustion chambers 19, 20, 21 and 22 are connected in series upstream of the turbines 6, 5, 4 and 7; with the exception of the first combustion chamber 19, the inlet connection of the combustion chamber is always connected to the outlet connection of the higher pressure turbine in front of the combustion chamber, but the outlet connection of the same is connected to the inlet connection of the next turbine with lower pressure; in the case of the combustion chamber 20, for example, this connects on the one hand to the outlet nozzle 23 of the turbine 6, and on the other hand with its nozzle 24 to the inlet nozzle 25 of the turbine 5.
The low-pressure work space 26 of the heat exchanger 17 is connected behind the turbine with the lowest pressure, in the case of the example shown, that is, behind the power turbine 7. For the introduction of solid, gaseous or liquid fuel into the combustion chambers 19, 20, 21 and 22, the fuel introduction organs 28, 29, 30 and 31 are used.
This system works in the following way: The working medium enters the compressor 1 through the inlet nozzle 27, which compresses it to a higher pressure and presses it into the cooler 10 connected behind it. The air heated in the compressor 1 is cooled back in the cooler 10 in a known manner. Afterwards the air enters the compressor 2, where it is compressed to an even greater pressure, and, emerging from this compressor, it reaches the intermediate 14, where it is cooled down again.
After flowing through the last compressor 3, which compresses to the highest pressure, the working medium enters the high-pressure work space of the heat exchanger 15, where it absorbs the heat of the relaxed gases leaving the turbine system, so that it leaves the heat exchanger already significantly warmed.
In this way, the air enters the combustion chamber 19 via the connection 18 of the heat exchanger, where the solid, gasified or fluid fuel introduced by means of the fuel inlet device 28 burns and thus the temperature of the working medium increased w (-iter.
Thereafter, the working medium enters the compressor 3 driving tur bine 6, where it just gives as much work ge under pressure decrease as is necessary to drive the compressor. The following is the work:
medium in the combustion chamber. 0, where it heats up again as a result of the combustion of the fuel introduced by means of the fuel inlet element 29 after the partial cooling that took place during the previous expansion, and in this state it enters the turbine 5 driving the compressor 2 where it looks even more relaxed with repeated temperature drops,
nm then as a result of the combustion of the means of the introducer 30 in the combustion chamber 21 introduced fuel to heat again. The working fluid then flows through the turbine 4 driving the compressor 1, where its pressure continues to decrease, and after exiting this turbine it arrives in the combustion chamber 22, where the fuel supplied by means of the fuel inlet element 31 increases the temperature of the fuel again Working means burns, whereupon the temperature of the working medium entering the turbine 7 drops again during further relaxation.
From the turbine 7, the working medium enters the low-pressure working chamber 26 of the heat exchanger 17 to flow through it when transferring its heat to the hochverdich ended working medium, and finally it exits the heat exchanger through the pipe 32.
In the case of the example shown, the power turbine 7 operates at the lowest pressure; but it is also possible to build the system in such a way that the power turbine works at the highest or at any medium pressure, that is not at the lowest pressure.
It can be in the individual compressor respectively. Relaxation sections also several machines (compressors or turbines) of the same pressure can be connected in parallel with one another.
In the Gasturbi shown in Fig. 1 nenanlage form the individual compressors and the same driving turbines be special machine units that are mechanically independent of each other and also different in terms of their speeds. This arrangement is advantageous with regard to the dimensions of the individual machines. However, the regulation is simpler if the machines are not mechanically or not completely independent of one another. Such an arrangement is shown in FIG.
In FIG. 2, the lowest pressure compressor 33 and the turbine 34 connected to it, the high-pressure compressor 35 and the turbine 36 connected to it, and the power turbine 37 are mechanically connected to one another by means of the gear transmission 38. With this arrangement, cooling liquid, expediently water, is introduced into the working medium for the purpose of cooling by means of the atomizer 39
injected. The high-pressure chamber 41 of the heat exchanger 40 connects to the outlet nozzle of the high-pressure compressor 35, which in turn is connected to the combustion chamber 42. The fuel inlet element 43 serves to introduce the solid, gaseous or liquid fuel. The heating device 45 is switched on between the combustion chamber 42 and the inlet connection 44 of the turbine 36, and the working medium exiting at connection 47 of the turbine 36 flows into its pipe system 46.
The heating device 45 connects to the inlet connection 48 of the turbine 34, while the outlet connection 49 of the turbine opens into the combustion chamber 50. The combustion chamber 50 is connected to the inlet connection 51 of the turbine 37, the outlet connection 52 of which is connected to the low-pressure working chamber of the heat exchanger 40. In this system, the working medium enters the compressor 33 at the connector 53, from which it reaches the compressor 35 in the compressed state.
The working medium then flows through the high-pressure working space of the heat exchanger 40, heats up and thus reaches the combustion chamber 42, where it is heated even further by means of the fuel burned in the oxygen in the working medium. The working medium then flows through the heating device 45, where it transfers part of its heat to the working medium flowing in the pipe system 46.
From here, the working medium enters the turbine 36, here partially relaxes in order to then flow through the pipe system 46, emerging from the turbine, whereby its temperature increases again. The working medium then flows into the turbine 34 at the connector 48, and after further expansion in the turbine 34, it reaches the combustion chamber 50, where its temperature rises again. Behind the combustion chamber 50, the power turbine 37 is connected, in which the working fluid completely ends its expansion, whereupon it leaves the system through the pipe 54 after flowing through the heat exchanger 40.
In the announcement according to FIG. 2, the cooling of the working fluid occurs during the compression of the same within the individual NEN compression sections or between the same by means of injection of water through the atomizer 39. The mechanical connection of the individual compressors respectively. Turbines can also be done in such a way that several of the compressors BEZW.
Turbines are housed on a common shaft, possibly also in a common housing; This arrangement also has the advantage in every implementation form that one does not have to particularly ensure that the individual turbines deliver just as much power as is required to drive the compressors that are individually coupled to them, <I> so </ I > That the mechanical connection of these machines simplifies the control.
Fig. 3 shows the pressure volume diagram of the example shown in Fig. 2 system with two compressor and three Ent voltage sections. The specific volume of the working medium entering the compressor 33 is denoted by v0, its pressure by p0, and the pressure of the working medium changes to p1 after exiting the compressor 33, its specific volume to v1. As a result of the cooling applied, the specific volume of the working medium on entry into the next compression section decreases to v'1, while its pressure remains practically unchanged; these values change after flowing through the following compression section to v2 respectively. p2.
In the heat exchanger that is now in operation, the pressure of the working medium remains practically unchanged; However, as a result of the warming, its specific volume rises to v3, which as a result of the heat input in the combustion chamber 42 reaches the value r4 at practically constant pressure. Thereupon the pressure of the working fluid which is relaxing in the turbine 36 changes at the end of the expansion to p5, the specific volume changes to v5; thereafter, this latter value increases to v'5 as a result of the reheating taking place in the tubes 46 of the heating apparatus 45, with the pressure practically remaining the same.
During the subsequent section of the relaxation, the pressure in the turbine 34 is reduced to p6, while the specific volume increases to v6, in order to increase the temperature in the heating device 50 following this relaxation section, with practically unchanged pressure v'6 to rise. In the last relaxation section respectively. in the turbine 37 the pressure falls approximately to the initial pressure p0, while the specific volume increases to v7.
The subsequent flow in the low-pressure work space of the Wärmeaus exchanger 40 strongly depresses the specific volume as a result of cooling, for example down to the value v8; then the working medium enters a space with the initial pressure <B> Pol </B>, for example outside. where the specific volume of the work equipment to be newly introduced from the environment has the already mentioned value r ".
In the case of several compressors or depressurization centers, the diamine of FIG. 3 changes according to the larger number of sections.
In the arrangement of the system shown in FIG. 4, the turbine 56 driving the compressor 55 is mechanically connected to the working gear 58 by means of the gear transmission 57; the shaft of this last turbine drives the power machine, while the compressor 59 and the turbine 60 driving it form a machine group that is mechanically independent of the previous one.
In the arrangement shown in this figure, the fuel burns in the working medium led through the turbines and already relaxed, for which purpose, in the case of the present example, a device suitable for burning solid fuel is provided. Part of the working medium leaving the low-pressure turbine 58 is passed through the pipe 61 under the grate 62, on which the combustion of the fuel introduced through the filling shaft 63 takes place.
A second part of the relaxed working medium is admixed as secondary air through the line 64 of the flowing out of the combustion chamber 65, erwärm th working medium, which with means of the heater 67, 68, 69 housed in the heating room 66, a part of its heat on the through Radiator led and working equipment located in various sections of relaxation carries over. The working fluid emerging from the heating chamber 66 enters the low-pressure working chamber of the heat exchanger 70, and here gives off heat to the compressed, fresh working fluid flowing in the high-pressure working chamber of the heat exchanger.
The relaxed and correspondingly cooled working medium then leaves the heat exchanger through the pipe 71. In this arrangement, the fuel burned in the already relaxed working medium heats radiators into which working medium flows at different pressures.
In FIG. 5, such an exemplary embodiment is shown in which the working medium involved in the working process of the turbine is not used to burn the fuel, but instead special combustion air is introduced into the combustion chamber for this purpose.
In this variant, the combustion air entering through the pipe 79 is first fed into the preheater 78 heated by the exiting combustion gases and only afterwards does it reach the combustion chamber 72, in which, for example, the combustion device according to FIG. 4 is provided. Here on the working fluid washes around the radiators 73, 74 and 75 used in a manner analogous to the radiators of the variant according to FIG.
in which the working fluid to be heated and located in the various relaxation sections flows. In order to prevent the radiators from being heated beyond the permissible level under the influence of the excessively warm combustion products, the already cooled combustion products are mixed back into the fresh combustion products through an opening 7 6, whereby their average temperature is reduced.
The part of the combustion products to be discharged passes through a channel 77 into a preheater 78, where it gives off its heat to the fresh combustion air entering through a pipe 79 and leaves the plant in a cooled state through a pipe 80. The combustion products are kept in circulation by a fan 83 driven by an electric motor 82.
In this device, the working fluid leaving the turbine at the lowest pressure reaches the heat exchanger 70 directly through a pipeline 81 compared to the working process of the embodiment shown in FIG. 4.
A significant influence on the advantages of the inventive system naturally also exerts the fact of how the size or. the number of compression resp. Relaxation sections is chosen. With regard to the choice of the size of the compression sections, the decisive factor should be that the temperature rise occurring in the compression sections must not be too great in order to prevent the excessive increase in compression work,
not to detrimentally affect the overall efficiency. This limit is practically <B> 170 '</B> C, and it is not expedient to allow an even greater temperature increase in a compression section. On the other hand, one must not use an excessively short compression section, as this is also associated with a deterioration in efficiency.
Between the individual sections namely the working fluid in cooler BEZW. then let into the housing of the compressor of the following section, which processes lead to the fact that, despite the good design of the diffusers used at the outlet, a considerable part of the flow rate is lost and precisely for this reason you have to introduce a sufficiently large amount of energy into the working medium to prevent this lost energy from unduly deteriorating efficiency.
In the case of the practically contemplated Durchströmungsgeschwindigkei th, it is therefore useful to keep the pressure of the working medium exiting the section at least at 1.5 times the pressure of the working medium entering the section.
Likewise, when choosing the number or the size of the relaxation sections, certain conditions must be taken into account. If the expansion sections are chosen too large, it can happen that the temperature of the working fluid within the individual sections is excessively reduced and the work output of the entire turbine is reduced and the overall efficiency of the system is impaired. It is therefore advisable to choose the size of the individual relaxation sections so that the temperature of the working medium does not decrease by more than 200 C within them.
However, the size of the expansion sections also has a lower limit which is also determined by the loss of the flow rate of the working fluid emerging from the turbines. In line with what has just been said for the compressor, the size of the individual expansion sections should be selected so that, with the exception of the power turbine, the pressure ratio, i.e. the ratio of the pressures of the working fluid entering the turbine and the working fluid flowing out of it, is not smaller in the individual sections than 1.3.
If the fuel is fed into one of the combustion chambers in such a way that the working medium leaving the combustion chamber also contains unburned fuel, so that the combustion continues even while the turbine is flowing through, the temperature entering the turbine can fluctuate pressed down a minimum. This measure is known per se, but particularly advantageous from the point of view of the invention as a result of the above justification.
It is also advantageous to determine the number of sections to be connected one after the other in such a way that the useful work performed by the work equipment, based on 1 kg of weight, is greater than 8500 mkg. Considering that the size of the work done by the weight unit of the work equipment also depends on the ratio of the highest and the lowest pressure of the work process, and in the case of a larger pressure ratio increases, it is necessary to reduce the dimensions of the heat exchanger to choose this pressure ratio greater than 4.
The number of sections to be used during the compression for the purpose of recooling can be smaller, the lower the heating of the work by means of the compressor. It is therefore very advantageous for reducing the number of sections, that is to say for simplifying the device. to use a compressor constructed in this way, in which the air is kept as low as possible in terms of mass in the case of a given 1) air pressure even without cooling
In particular, such axially flown through, per se known compressors are suitable for this purpose, the blades of which have a wing profiles common in aircraft technology, and in which the stator and rotor blades are also formed so that both in the standing and a pressure increase takes place in the rotating blade rings.
If the relaxation is carried out in several sections, the greatest pressure ratio among the turbines generally occurs in the power turbine, that is to say in the turbine which emits most of its power to the outside as useful work; It is therefore advisable to apply stimulation before or during the expansion in this turbine, while among the turbines that drive the compressors and are connected in series with one another, there may also be those whose expansion takes place without a special heat supply.
If apart from this, the individual compressors together with the turbines driving them, as in the embodiments according to the figures, form units running at different speeds, the number of expansion sections is one, i.e. the expansion section corresponding to the power turbine is more, than the number of compression sections.