Verfahren zum Betriebe von Wärmekraftanlagen, in welchen ein Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf beschreibt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebe von Wärmekraftanlagen, in welchen ein Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreis lauf beschreibt, wobei das durch äussere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter Leistungsabgabe an mindestens einen Nutz leistungsempfänger in mindestens einer Tur bine expandiert und hierauf in mindestens einem Turboverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird und der expandierte Arbeitsmittelstrom an den verdichteten,
noch nicht von aussen erhitzen Arbeitsmittelstrom in einem Wärmeaustauscher Wärme abgibt.
In solchen Wärmekraftanlagen hat die als Arbeitsmittel zur Verwendung kommende Gasart in , erster Näherung wirkungsgrad mässig keinen Einfluss, so dass sich vorerst ein Ersatz der bisher vorzugsweise als Arbeits mittel verwendeten Luft zwecks Wirkungs gradverbesserung nicht aufdrängen würde.
Der in erster Näherung, wie erwähnt, be rechnete theoretische Wirkungsgrad von An lagen der hier in Frage kommenden Art lässt sich jedoch praktisch nicht erreichen, da dies nur der Fall wäre, wenn die Wärmeaustausch flächen unendlich gross bemessen werden könnten. Jede endliche Flächengrösse setzt somit den Wirkungsgrad herab, wobei dieser um so kleiner ausfällt, je kleiner die Wärme austauschfläche gewählt wird. Die Gasnatur wirkt sich nun dahin aus, dass bei Wahl eines günstigen Gases bei gegebenen Druck- und Temperaturverlusten im Austauscher eine gegebene Fläche viel mehr Wärme übertragen werden kann. Von diesem Gesichtspunkt aus betrachtet ist somit die Gasnatur wirkungs gradmässig nicht gleichgültig.
Nähere Untersuchungen zeigen, dass sich bei Verwendung leichter Gase (kleines Atom- bezw. lfolekularge-v#,icht), bei gleichem Wir kungsgrad und gleicher Leistung der Anlage, die Abmessungen der Wärmeaustauschfläche ganz wesentlich herabsetzen lassen. Anders ausgedrückt heisst das, dass bei Verwendung leichter Gase, bei gleicher Leistung der An lage und gleichen Abmessungen der Wärme- austauschflächen, der Wirkungsgrad -,vesent- lich erhöht werden kann.
Bekanntlich hängt die spezifische @#@'ärme eines Gases ausser vom Atom- bezw. 311ole- kulargewicht auch von der Atomzahl ab. Da durch werden in Anlagen der eingangs er wähnten Art bei gegebenen Temperaturen die Druckverhältnisse im Verdichter und in der Turbine je nach Art des zur Verwendung kommenden Betriebsmittels geändert, und zwar so, dass sich für einatomige Gase ein kleineres Druckverhältnis ergibt. Dies ist in sofern ein Vorteil, als sich für Verdichter und Turbine bei gleichem Molekulargewicht der Arbeitsmittel eine geringere .Stufenzahl er gibt.
Man -wird so dazu geführt, als Arbeits mittel für Anlagen der eingangs erwähnten Art vor allem leichte, einatomige Gase zu wählen. Als solche kommen in Frage: Helium ("He) und unter Umständen Neon (='Ne). Letzteres ist zwar wohl noch leichter als Luft, aber der Unterschied ist kaum gross genug. um den relativ teuren Ersatz zu rechtfertigen. Käme es nur auf die Leichtigkeit des als Be triebsmittel zu verwendenden Gases an, so könnten allerdings auch Wasserstoff (H") und auf Wasserstoffbasis beruhende Mischun gen mit andern Gasen in Frage kommen. Allein, Wasserstoff weist vom betrieblichen Standpunkt aus unerwünschte Eigenschaften auf; so ist es feuergefährlich, ferner kann es recht unangenehme Wirkungen auf heisse Wände ausüben.
Somit bleibt gestützt auf die bisherigen Erkenntnisse als in Betracht kommendes Arbeitsmittel praktisch nur das leichte ein atomige Helium übrig. Reines Helium bedingt aber den grossen Nachteil, dass bei gegebenem Temperaturverhältnis für den Verdichter und insbesondere für die Turbine relativ grosseStufenzahlen notwendig sind. Mankann zeigen, dass die Stufenzahl (gleiche Umfangs geschwindigkeit vorausgesetzt) bei Verwen dung von Helium näherungsweisedas 5,4fache derjenigen betragen muss, die es bei Verwen dung von Luft erfordert.
Um nun diesen Nachteil weitgehend zu vermindern, ohne dass der wesentliche Vorteil des geringen lloleli:ulargewichtes geopfert werden muss, @vird gemäss vorliegender Erfindung als -rbeitsmittel für Wärmekraftanlagen der in Betracht kommenden Art ein Gasgemisch niitHeliumbasis und mindestens einemandern Gas verwendet,
wobei das mittlere \Iole- kulargewicht dieses Gasgemisches zwischen minireal 5 und mazimal 15 liegt und dessen SchallgeschwindigiLeit bei Normaltemperatur, das heisst bei 300'K, einerseits nicht mehr als 900 m/s beträgt, aliderseits aber 500 m/s nicht; unterschreitet.
Die Verwendung eines solchen Gas- L, als Arbeitsmittel steht allerdings im Widersprucb zit bekannten Vorschlägen, wonach, in der Meinung, in der Turbine und im Verdichter mit kleiner Stufenzahl aus kommen zu können, als Betriebsmittel nicht leichte, sondern vielmehr schwere Edelgase verwendet werden.
(Vergleiche zum Beispiel die britische Patentschrift Nr.54Z\Z92.) Da bei wird aber einmal gänzlich übersehen, dass durch das hohe Atomgewicht der betreffen den Edelgase der Wirkungsgrad des Wärme austausehers und damit auch der ganzen Wärmekraftanlage, bei gegebenen Abmes sungen vermindert wird, und dass ferner ein hohes Atoin- bezw. Molekulargewicht des ,Arbeitsinittels nur dann eine Verminderung der Stufenzahl ermöglicht,
wenn die Schall geschwindigkeit des betreffenden 31ediums genügend hoch über der tTmfanggeschwin- digkeit der Turl)oniascliinen liegt. Ist das nicht der Fall, was beim Verdichter unver meidlich ist, so ist dann bei verminderter Stufenzahl eine beträchtliche Verschlechte rung des Verdiclit(,rwirlktingsgrades in Kauf zu nehmen.
Somit: ist es durchausnichtgleich- gültig, wie 1Holekiilargewicht und Schall- gesChwindigkeit (lezur Verwendung kom menden Arbeitsmittels liegen.
Die Erfin dung stützt sieh auf die Erkenntnisse dieser Ursachenzusammenhänge lind zeitigt nun einesteils infolge des kleinen llolekula,r- gewichtes der verwendeten 31ischung den technischen Fortschritt, dass der Wirkungs grad der Wärmekraftanlage bei denselben Abmessungen des Wärmeaustauschers besser wird, und andernteils lässt sich die Stufen zahl der Turbomaschinen unter voller Berück sichtigung der neueren Erfahrungen betref fend Einfluss der Machschen Zahlen so klein als möglich halten.
Zu dem die Mischungsbasis bildenden Helium können beispielsweise eines oder meh rere der folgenden Gase zugesetzt werden: Luft, Stickstoff, Kohlensäure, schwerere Edelgase, wie Argon. Für die Wahl eines oder mehrerer dieser Zusatzgase sind Ge sichtspunkte wie Preis, Brennbarkeit, Giftig keit und dergleichen ausschlaggebend. Der Zusatz atmosphärischer Luft bietet den Vor teil der Billigkeit; der Zusatz reinen Stick stoffes ergibt mit dem Helium eine feuer erstickende Mischung, während ein Zusatz von Argon die Vorteile der Einatomigkeit und höherer Schallgeschwindigkeit bei glei chem Molekulargewicht der Arbeitsmittel bietet.
Wärmekraftanlagen der in Betracht kom menden Art werden häufig zum Antrieb von Leistungsaufnehmern verwendet, die durch Gase gekühlt werden müssen, so zum Beispiel von elektrischen Generatoren. Es ist wohl bekannt, dass sich in diesem Zusammenhang Vorteile erzielen lassen, wenn als Kühlgase leichte Gase, wie Wasserstoff und Helium, verwendet werden. In vorteilhafter Weise kann nun zur Kühlung des Leistungsauf nehmers gerade ein Gasgemisch von derselben Zusammensetzung, wie es gemäss der Erfin dung zum Betrieb der Wärmekraftanlage ver wendet wird, benutzt werden. Mischungen von Helium mit Stickstoff oder mit Kohlen säure eignen sich wegen der Abwesenheit von Sauerstoff besonders gut zur Kühlung des Leistungsaufnehmers.
Process for operating thermal power plants in which a working medium describes a closed circuit. The invention relates to a method for operating thermal power plants, in which a working medium describes a closed circuit, with the working medium heated by external heat supply expanding to at least one utility power receiver in at least one turbine and then back to higher pressure in at least one turbo compressor is brought and the expanded working medium flow to the compressed,
not yet heated from the outside the working medium flow in a heat exchanger gives off heat.
In such thermal power plants, the type of gas used as a working medium has, in a first approximation, no effect on efficiency, so that for the time being a replacement of the air previously preferably used as working medium for the purpose of improving efficiency would not be necessary.
The first approximation, as mentioned, calculated theoretical efficiency of systems of the type in question here cannot be achieved in practice, however, since this would only be the case if the heat exchange surfaces could be dimensioned to be infinitely large. Every finite surface area thus reduces the efficiency, the smaller the selected heat exchange area, the smaller it is. The nature of the gas now has the effect that if a favorable gas is selected with given pressure and temperature losses in the exchanger, a given area can transfer much more heat. From this point of view, the nature of the gas is therefore not indifferent in terms of efficiency.
More detailed investigations show that when using light gases (small atomic or lfolekularge-v #, icht), the dimensions of the heat exchange surface can be reduced considerably with the same degree of efficiency and the same performance of the system. In other words, when using light gases, with the same performance of the system and the same dimensions of the heat exchange surfaces, the efficiency - can be significantly increased.
It is well known that the specific @ # @ 'poorness of a gas depends on the atom or The molecular weight also depends on the atomic number. Since the pressure conditions in the compressor and in the turbine are changed in systems of the type mentioned at the beginning, depending on the type of operating medium used, in such a way that there is a smaller pressure ratio for monatomic gases. This is an advantage insofar as there is a lower number of stages for the compressor and turbine with the same molecular weight of the working medium.
One -wis led to choose light, monatomic gases as the working medium for systems of the type mentioned above. The following can be considered: Helium ("He) and possibly neon (= 'Ne). The latter is probably even lighter than air, but the difference is hardly big enough to justify the relatively expensive replacement. If it only came up." the lightness of the gas to be used as operating medium, however, hydrogen (H ") and mixtures based on hydrogen with other gases could also be considered. Alone, hydrogen exhibits undesirable properties from an operational standpoint; it is flammable, and it can also have very unpleasant effects on hot walls.
Thus, based on the previous knowledge, practically only the light, atomic helium remains as a suitable working medium. However, pure helium has the major disadvantage that, at a given temperature ratio, relatively large numbers of stages are necessary for the compressor and especially for the turbine. It can be shown that the number of stages (assuming the same circumferential speed) when using helium must be approximately 5.4 times that required when using air.
In order to largely reduce this disadvantage without having to sacrifice the essential advantage of the low weight, a gas mixture based on helium and at least one other gas is used according to the present invention as a working medium for thermal power plants of the type in question,
The mean molecular weight of this gas mixture is between 5 and maximum 15 and its sound velocity at normal temperature, that is to say at 300 ° K, is on the one hand not more than 900 m / s, but on the other hand not 500 m / s; falls below.
The use of such a gas L, as a working medium, however, contradicts known proposals, according to which, in the opinion that a small number of stages can be used in the turbine and in the compressor, not light, but rather heavy noble gases are used as operating medium.
(Compare, for example, the British patent specification No. 54Z \ Z92.) However, it is completely overlooked that the high atomic weight of the noble gases in question reduces the efficiency of the heat exchanger and thus also of the entire thermal power plant for given dimensions. and that also a high Atoin- respectively. Molecular weight of the working agent only enables a reduction in the number of stages
when the speed of sound of the medium in question is sufficiently high above the circumferential speed of the turl) oniascliinen. If this is not the case, which is unavoidable with the compressor, then with a reduced number of stages, a considerable deterioration in the degree of swirling must be accepted.
Thus: it is by no means irrelevant how the molecular weight and the speed of sound are (for the work equipment used.
The invention is based on the knowledge of these causal relationships and, on the one hand, due to the small molecular weight of the mixture used, leads to technical progress that the efficiency of the thermal power plant is better with the same dimensions of the heat exchanger, and on the other hand, the number of stages can be achieved of the turbo-machines, taking full account of recent experiences with regard to the influence of Mach numbers, keep them as small as possible.
One or more of the following gases, for example, can be added to the helium forming the basis of the mixture: air, nitrogen, carbonic acid, heavier noble gases such as argon. For the choice of one or more of these additional gases, Ge viewpoints such as price, flammability, toxicity and the like are decisive. The addition of atmospheric air offers the advantage of cheapness; the addition of pure nitrogen results in a fire-suffocating mixture with the helium, while the addition of argon offers the advantages of monatomic nature and higher speed of sound with the same molecular weight of the work equipment.
Thermal power plants of the kind coming into consideration are often used to drive power pickups that have to be cooled by gases, such as electrical generators. It is well known that advantages can be achieved in this connection if light gases such as hydrogen and helium are used as cooling gases. In an advantageous manner, a gas mixture of the same composition as that used according to the invention for operating the thermal power plant can be used to cool the power receiver. Mixtures of helium with nitrogen or with carbon acid are particularly suitable for cooling the power pickup due to the absence of oxygen.