CH237849A - Process for operating thermal power plants in which a working medium describes a closed circuit. - Google Patents

Process for operating thermal power plants in which a working medium describes a closed circuit.

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CH237849A
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10Closed cycles

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  

  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.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Verfahren zum Betrieb von Wärmekraft anlagen, in welchen ein Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf beschreibt, wobei das durch äussere Wärmezufuhr erhitzte Arbeits mittel unter Leistungsabgabe an mindestens einen Nutzleistungsempfänger in mindestens einer Turbine expandiert und hierauf in min destens einem Turboverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird und der expan- dierte Arbeitsmittelstrom an den verdich teten, PATENT CLAIM: A method for operating thermal power plants in which a working medium describes a closed circuit, the working medium heated by external heat supply expanding with power output to at least one useful power receiver in at least one turbine and then being brought back to higher pressure in at least one turbo compressor and the expanded working medium flow to the compressed, noch nicht von aussen erhitzten Arbeits- mittelstrom in einem Wärmeaustauscher Wärme abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel. ein Gasgemisch mit Helium basis und mindestens einem andern Gas ver wendet wird, wobei das mittlere Molekular gewicht dieses Gasgemisches grösser als 5 jedoch kleiner als 15 ist, und dessen Schall geschwindigkeit bei Normaltemperatur nicht mehr als 900 m/s und nicht weniger als 500 m/s beträgt. UNTERANSPRüCHE 1. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium und Luft verwendet wird. 2. not yet externally heated working medium flow in a heat exchanger gives off heat, characterized in that as working medium. a helium-based gas mixture and at least one other gas is used, the average molecular weight of this gas mixture being greater than 5 but less than 15, and its sound velocity at normal temperature not more than 900 m / s and not less than 500 m / s is. SUBClaims 1. A method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium and air is used as the working medium. 2. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium und Stickstoff ver wendet wird. 3. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium und Argon verwendet wird. 4. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium und Kohlensäure ver wendet wird. 5. Method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium and nitrogen is used as the working medium. 3. A method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium and argon is used as the working medium. 4. A method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium and carbonic acid is used as the working medium. 5. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium, Luft und Stickstoff verwendet wird. 6. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium, Luft und Argon ver wendet wird. 7. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium, Luft und Kohlensäure verwendet wird. B. Method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium, air and nitrogen is used as the working medium. 6. A method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium, air and argon is used as the working medium. 7. A method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium, air and carbonic acid is used as the working medium. B. Verfahren zum Betrieb einer @@lärine- kraftanlage nach Patenta.nsprticli, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Nischung von Helium, Stickstoff und Argon verwendet wird. 9. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, da,ss als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium, Stickstoff und Koh lensäure verwendet wird. 10. Verfahren zum Betrieb einer Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium, Argon und Kohlen säure verwendet -wird. 11. Method for operating a @@ lärine power plant according to Patenta.nsprticli, characterized in that a mixture of helium, nitrogen and argon is used as the working medium. 9. A method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium, nitrogen and carbon acid is used as the working medium. 10. A method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of helium, argon and carbon acid is used as the working medium. 11. Verfahren zum Betrieb einer 'Wärme kraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung voll Helium, Luft. Stickstoff und Argon verwendet wü-(1. 12. Method for operating a 'thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture full of helium, air. Nitrogen and argon were used. Verfahren zum Betriel) einer @Värme- krafta-nlage- nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Mischung voll Heliutii, liuft, Stickstoff und Kohlensäure verwendet wird.' 1ss. Verfahren zum Betrieb einer Wärme- kra.fta.nlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, Method for operating a heating power plant according to patent claim, characterized in that a mixture full of heliutii, air, nitrogen and carbonic acid is used as the working medium. 1ss. Method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that dass als Arbeitsmittel eine Mischung voll Helluni, Stickstoff, Argon und Kohlensäure verwendet wird. 1.1. Verfahren zum Betrieb eitler Wärme kra.ftanla.ge nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, iiass als Arbeitsmittel eine Mischung von Hellinn, Luft, Stickstoff, Ar goll lind Kolil(,ns;iure verwendet wird. that a mixture of Helluni, nitrogen, argon and carbonic acid is used as the working medium. 1.1. A method for operating a thermal power plant according to claim, characterized in that a mixture of Hellinn, air, nitrogen, argoll and colil (, ns; iure) is used as the working medium. 15. Verfahren aeb Patentanspruch zum Betriebe einer -Wärmekraftanlage, deren Leistungsenipfä.nger zu kühlen ist. dadurch gekennzeichnet, cla.ss zur Kühlung; des Lei- stungsempfängers ein Cremisch von derselben Zusa.mmensetzting, wie es zum Betriebe der -\Värmel.:ra.ftanlage dient, verwendet wird. 15. Process aeb claim for the operation of a thermal power plant, the performance of which is to be cooled. characterized in that cla.ss for cooling; of the beneficiary a cream mix of the same composition as it is used to operate the - \ Värmel.: ra.ftanlage.
CH237849D 1944-07-24 1943-10-11 Process for operating thermal power plants in which a working medium describes a closed circuit. CH237849A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997032114A1 (en) * 1996-02-26 1997-09-04 Dökowa Gesellschaft zur Entwicklung Dezentralökologischer Energiewandler mbH & Co. KG Cyclic-operation heat engine
DE102008019906A1 (en) 2007-10-14 2009-04-16 Ingelheim, Peter, Graf Von Thermal power plant for generating steam, is provided with two consecutive steam cycles, where liquid with specific condensation capacity at particular temperature and vapor pressure at that temperature is evaporated

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