Wärmekraftanlage. Die Erfindung betrifft eine Wärmekraft anlage, in der Umgebungsluft in mindestens einem Verdichter verdichtet, hierauf in einem Lufterhitzer mittelbar erhitzt und dann in mindestens einer Turbine entspannt wird, wobei letztere ausser einem Nutzleistungs- empfänger auch den Verdichter antreibt.
Es gibt Fälle; wo es bei solchen Anlagen, und zwar vorwiegend bei kleinen Leistungen, weniger auf die Erzielung eines höchsten Wirkungsgrades ankommt, als vielmehr auf die Schaffung einer billigen, einfachen An lage von geringem Gewicht und Raumbedarf.
Die Erfindung ermöglicht; eine @Värmekraft- anlage mit mittelbarer Erhitzung der Treib- luft zu schaffen, bei der sich ohne Vorwär- mer sowie Gebläse für die Verbrennungsluft und die Rauchgasümwälzung auskommen lässt.
Auch wenn kein Vorwärmer für die Treibluft oder höchstens ein solcher Vor wärmer von geringem Gewicht und kleinem Raumbedarf vorgesehen wird, lässt sich gleichwohl eine weitgehende Ausnutzung der fühlbaren Wärme der Turbinenabluft und der Verbrennungsgase erzielen, so dass die ,gesam ten Abwärmeverluste - klein ausfallen und sich daher für die Anlage ein trotzdem gün stiger Gesamtwirkungsgrad ergibt.
Die Wärmekraftanlage gemäss der Erfin dung zeichnet sich dadurch aus, dass minde stens ein Teil der in der Turbine zur Entspannung kommenden Luftmenge nach Durchlaufen mindestens eines Teils dieser Turbine in den Verbrennungsraum des Luft- erhitzers gelangt, wo die in dieser Luftmenge noch enthaltene Wärme unmittelbar aus genutzt wird.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind ver schiedene beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt: Fig. 1 eine Anlage, in welcher ein Teil der Abluft einer Turbine zum Teil als Pri mär- und Sekundärluft und zum Teil als Mischluft in den Verbrennungsraum eines Lufterhitzers, gelangt, Fig. 2 eine Anlage, in welcher vor der letzten Entspannungsstufe einer Luftturbine entnommene Treibluft in den Verbrennungs raum eines Lufterhitzers und der Rest der der Turbine zugeführten Treibluft als Ab luft ins Freie strömt, Fig. 3 eine Anlage,
in welcher ein Teil der Abluft einer Turbine in den Verbren nungsraum eines Lufterhitzers und der Rest in einen Vorwärmer gelangt, durch den ein Teil der von einem Verdichter in den Er hitzer geförderten Treibluftmenge geht.
Fig. 4 eine Anlage, in welcher ein nicht in den Verbrennungsraum eines Lufterhitzers gelangender Teil einer in diesem zu erhitzen den Luftmenge nicht so hoch erhitzt wird wie der übrige, nach erfolgter Entspannung in diesen Raum strömende Teil jener Luft menge, wobei die Entspannung dieser zwei Luftteile in zwei getrennten Turbinen er folgt, und schliesslich zeigt Fig. 5 eine Anlage,
in welcher die Ent spannung einer in einem Erhitzer erhitzten Luftmenge zweistufig unter Zwischenerhit zung eines Teils derselben erfolgt und der nicht zwischenerhitzte Luftteil nach erfolg ter Entspannung in einer Turbine in einen Vorwärmer gelangt, durch den ein Teil der von einem Verdichter in den Erhitzer geför derten Luftmenge geht.
Die in Fig. 1 gezeigte Wärmekraftanlage weist einen zweigehäusigen Verdichter 1 auf, der durch eine Leitung 2 Umgebungsluft an saugt und unter Zwischenkühlung auf einen höheren Druck bringt. Die so verdichtete Luft :gelangt durch eine Leitung 3 in ein Heizsystem 4 eines Lufterhitzers 5, dem. durch eine Leitung 15 Brennstoff zugeführt wird.
Die im Erhitzer 5 erhitzte Luft wird durch eine Leitung 6 einer Luftturbine 7 zugeführt, wo sie sich entspannt. Diese Tur- bine 7 treibt den erwähnten Verdichter 1 und einen als Generator 8 ausgebildeten Nutz leistungsempfänger an. Die gesamte Abluft. der Turbine 7 tritt in eine Leitung 9 über, von der drei Leitungen 10, 11 und 12 ab zweigen. Die Leitung 10 ist an den Ver brennungsraum 13 des Erhitzers 5 ange- schlossen, dem die durch diese Leitung 1.0 strömende Abluft als Primär- und Sekundär luft zuströmt.
Ein weiterer Teil der Tur binenabluft lässt sich durch die Leitung 11 als Mischluft in den Verbrennungsraum 13 einführen, während der Rest dieser Abluft durch die Leitung 1\3 einem nicht gezeigten Verbraucher erhitzter Druckluft zuströmt oder ins Freie gelassen wird.
Die fühlbare Wärme der in den Verbren nungsraum 13 des Lufterhitzers 5 gelangen den Turbinenabluft lässt sich in diesem Raume weitgehend ausnutzen. Da sieh durch entsprechende Bemessung der Reizfläche des Systems 4 erreichen lässt, da.ss die Tem peratur- der durch eine Leitung 14 aus dem Erhitzer 5 strömenden Abgase niedriger ist als die Temperatur der in den Verbrennungs raum 13 eingeführten Abluft, so sind die Abwärmeverluste in der beschriebenen An lage verhältnismässig gering.
Werden in die Leitungen 10, 11 und 12. wie gezeigt, einstellbare Absperrorgane ein gebaut, so lässt sich die dem Verbrennungs raum 13 zugeführte Abluftmenge der in die sem Raum geforderten Verbrennungstempe ratur anpassen, wobei dann durch die Lei tung 12 dem nicht gezeigten Verbraucher erhitzter Druckluft mehr oder weniger Ab luft zuströmt. Es ist somit möglich, dafür zu sorgen, dass in die Verbrennungszone des Erhitzers 5 nicht zu viel Abluft gelangt, also die Temperatur in dieser Zone durch die zugeführte Abluft nicht zu stark gesenkt wird.
Dies ist insofern wichtig, weil in einer Anlage der beschriebenen Art die Abluft menge bei normalen Druckverhältnissen (etwa 1: 5 bis 1:10), d. h. bei den Druckver hältnissen, die einen günstigen thermischen Cresamtwirkungsgrad ergeben, ein Vielfaches der im Verbrennungsraum des Erhitzers zur Verbrennung theoretisch benötigten Luft menge beträgt. Im Verbrennungsraum 13 lässt sich 01, Generator-, Hochofengas, ein fester Brennstoff und dergleichen verfeuern.
Bei einer Anlage der beschriebenen Art kann mit aufgeladenem Verbrennungsraum gearbeitet werden. Ist der Druck der Turbi- nenabluft für die Aufladung nicht hoch genug, so kann in der in Fig. 2 gezeigten Weise ein Teil der in einem Erhitzer 20 erhitzten Treibluft, welche in einer Turbine 16 entspannt wird, vor der vollständigen Ent spannung schon an der Stelle 17 aus der Turbine 16 entnommen und durch eine Lei tung 18 als Primär- und Sekundär- sowie als Mischluft in den Verbrennungsraum 19 des Lufterhitzers 20 übergeführt werden.
In die sem Falle lässt sich die Entspannung des verbleibenden Teils der der Turbine 16 zuge führten Treibluft so weit treiben, dass die Abluft der Turbine 16 unmittelbar ins Freie ausströmen gelassen werden kann. Die Abgase des Erhitzers 20 können wenigstens zum Teil noch in einer Gasturbine 20' aus genutzt werden.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Anlage ge langt ein regelbarer Teil der Abluft einer Turbine 21 durch eine Leitung 22 in einen Wärmeaustauscher 23, durch den ein eben falls regelbarer Teil der von einem Verdich ter 24 angesaugten und auf höheren Druck gebrachten Treibluftmenge gefördert wird. Die in diesem Wärmeaustauscher 23 vor gewärmte Luft strömt durch eine Leitung 25, die an der Stelle 26 an das Heizsystem 27 eines Lufterhitzers 28 angeschlossen ist.
Der nicht durch die Leitung 25 geförderte Teil der vöm Verdichter 24 angesaugten Luftmenge gelangt durch eine Leitung 29 ebenfalls in das Heizsystem 27, aber an einer Stelle, an welcher tiefere Verbrennungsgas temperaturen als an der Stelle 26 herrschen. Da von der Anschlussstelle 26 an durch den obern Teil des Heizsystems 27 verhältnis mässig kalte Treibluft strömt, lässt .sich er reichen, dass die durch eine Leitung 30 aus dem Erhitzer 28 strömenden Abgase tief abgekühlt sind. Auch im Wärmeaustauscher 23 lässt sich die fühlbare Wärme der durch die Leitung 22 in denselben strömenden Ab luft gut ausnützen.
In Fig. 4 ist eine Anlage gezeigt, in wel cher in einem Erhitzer 31 erhitzte Treibluft in zwei getrennten Turbinen 32 und 33 ent spannt wird. Die der Turbine 32 durch eine Leitung 34 zuströmende Luftmenge ist weni ger hoch erhitzt als die durch eine Leitung 35 der Turbine 33 zuströmende Luftmenge, indem .die Leitung 34 vom Heizsystem 36 des Lufterhitzers 31 an einer Stelle tieferer Tem peratur als die Leitung 35 abzweigt. Die Abluft der Turbine 32 gelangt unmittelbar ins Freie, während die Abluft der Turbine 33 in den Verbrennungsraum des Luft- erhitzers 31 übertritt.
Hier braucht die Ab luft der Turbine 32 durch keinen ,Wärme- austauscher geleitet zu werden., da die in dieser Abluft enthaltene fühlbare Wärme als Folge der geringeren Erhitzung der der Turbine 32 zugeführten Treibluft - bereits so tief abgekühlt (etwa 200 ) sein kann, dass es sich nicht mehr lohnt, die in derselben noch enthaltene Abwärme in, einer besonderen Apparatur auszunützen.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Anlage wird von einem Verdichter 37 angesaugte Um gebungsluft auf höheren Druck gebracht und in einem Heizsystem 38 eines Lufterhitzers 39 erhitzt, um dann als Treibluft in drei Tur binen 40, 41 und 42 entspannt zu werden. Dabei .gelangt die im Heizsystem 38 erhitzte Luftmenge vorerst in die Turbine 40. Ein Teil der Abluft dieser Turbine strömt durch eine Leitung 43 in ein zweites Heizsystem 44 des Lufterhitzers 39 über, wo diese Luft menge zwischenerhitzt wird, um anschliessend durch eine Leitung 45 in die Turbine 41 zu gelangen.
Die Abluft dieser Turbine 41 tritt durch eine Leitung 46 als Primär-, Sekun där- und Mischluft in den Verbrennungsraum des Lufterhitzers 39 ein. Der nicht in die Leitung 43 überströmende Teil der Abluft menge der Turbine 40 wird durch eine Lei tung 47, in die ein Regelorgan 47' eingebaut ist, der Turbine 42 zugeführt. Die Abluft dieser Turbine 42 gelangt durch eine Leitung 48 in einen Wärmeaustauscher 49, durch den ein Teil der vom Verdichter 37 angesaugten Treibluftmenge gefördert wird,
um in diesem Wärmeaustauscher vorgewärmt zu werden. Diese vorgewärmte Luftmenge geht durch eine Leitung 50 hindurch, die an der Stelle 51 an das Heizsystem 38 angeschlossen ist.
Der Rest der vom Verdichter 37 angesaugten Treibluftmenge geht durch eine Leitung 52, die an der Stelle 53 ebenfalls an das Heiz- system 3$ angeschlossen ist, doch liegt die Anschlussstelle 53 an einer Stelle tieferer Rauchgastemperatur als die Anschlussstelle 51 der Leitung 50.
Die Abluft der weiteren Turbine 42 könnte auch unmittelbar auf Atmosphären druck entspannt werden.
Die Art der Ausbildung des Verdichters, der Turbine und des Erhitzers, in welchem die Luft mittelbar zu erhitzen ist, spielt für das Wesen der Erfindung keine Rolle. So kann der Verdichter auch eingehäusig in radialer oder axialer Bauart ausgebildet sein, oder mehr als zwei Gehäuse aufweisen. Auch kann die Verdichtung ohne Zwischenkühlung oder mit mehrfacher Zwischenkühlung erfol gen. Die Turbine kann ein- oder auch mehr- gehäusig ausgebildet sein.
Ferner können der Verdichter und eine diesen antreibende Tur bine eine Maschinengruppe bilden, die mit anderer Drehzahl läuft als eine von einer zweiten Turbine und einem Nutzleistungs- empfänger gebildete Maschinengruppe. Zwei Maschinengruppen dieser Art können auch über ein Getriebe miteinander gekuppelt sein. Im weiteren kann die mittelbare Erhitzung der Luft allenfalls selbst in Cowpern er folgen, denen als Brennstoff Hochofenabgas zugeführt wird.
Ganz allgemein lässt sich sagen, dass die Wahl der Drehzahl, .der gegenseitige Zusam menbau und die Unterteilung der Gruppen in der vorstehend angedeuteten Weise sich je nach Leistungsgrösse, Temperatur- und Druckverhältnissen nach den für Strömungs maschinen geltenden Gesetzen zur Errei chung besten Wirkungsgrades richten kann.
Thermal power plant. The invention relates to a thermal power plant in which ambient air is compressed in at least one compressor, then indirectly heated in an air heater and then expanded in at least one turbine, the latter also driving the compressor in addition to a useful power receiver.
There are cases; where it is in such systems, and mainly with small performances, less important to achieve the highest level of efficiency, but rather to create a cheap, simple system of low weight and space requirements.
The invention enables; to create a @ heating power plant with indirect heating of the motive air, in which one can get by without a preheater or fan for the combustion air and the flue gas circulation.
Even if no preheater for the propellant air or at most such a preheater of low weight and small space requirement is provided, extensive utilization of the sensible heat of the turbine exhaust air and the combustion gases can be achieved, so that the overall waste heat losses are small therefore results in a still favorable overall efficiency for the system.
The thermal power plant according to the invention is characterized in that at least part of the amount of air coming to the relaxation in the turbine reaches the combustion chamber of the air heater after passing through at least part of this turbine, where the heat still contained in this amount of air is immediately evident is being used.
On the accompanying drawings, various exemplary embodiments of the subject invention are illustrated in a simplified representation, namely: Fig. 1 shows a system in which part of the exhaust air from a turbine partly as primary and secondary air and partly as mixed air in the combustion chamber an air heater, Fig. 2 shows a system in which the propellant air removed from an air turbine before the last expansion stage flows into the combustion chamber of an air heater and the rest of the propellant air supplied to the turbine flows into the open as exhaust air, Fig. 3 shows a system,
in which part of the exhaust air from a turbine in the combustion chamber of an air heater and the remainder passes into a preheater, through which part of the propellant air conveyed by a compressor in the heater goes.
Fig. 4 shows a system in which a not in the combustion chamber of an air heater reaching part of the amount of air to be heated in this is not heated as high as the rest of that amount of air flowing into this space after relaxation, the relaxation of these two Air parts in two separate turbines it follows, and finally Fig. 5 shows a system,
in which the relaxation of an amount of air heated in a heater takes place in two stages with intermediate heating of part of the same and the non-intermediate-heated air part, after expansion in a turbine, passes into a preheater through which part of the air volume conveyed by a compressor into the heater goes.
The thermal power plant shown in Fig. 1 has a two-housing compressor 1, which sucks ambient air through a line 2 and brings it to a higher pressure with intermediate cooling. The air compressed in this way: passes through a line 3 into a heating system 4 of an air heater 5, the. fuel is supplied through a line 15.
The air heated in the heater 5 is fed through a line 6 to an air turbine 7, where it expands. This turbine 7 drives the mentioned compressor 1 and a utility power receiver designed as a generator 8. All of the exhaust air. the turbine 7 passes into a line 9, from which three lines 10, 11 and 12 branch off. The line 10 is connected to the combustion chamber 13 of the heater 5, to which the exhaust air flowing through this line 1.0 flows as primary and secondary air.
Another part of the turbine exhaust air can be introduced through the line 11 as mixed air into the combustion chamber 13, while the rest of this exhaust air flows through the line 1 \ 3 to a consumer (not shown) of heated compressed air or is released into the open.
The sensible heat in the combustion chamber 13 of the air heater 5 reach the turbine exhaust air can be largely exploited in this room. Since you can achieve by appropriate dimensioning of the stimulus surface of the system 4 that the temperature of the exhaust gases flowing through a line 14 from the heater 5 is lower than the temperature of the exhaust air introduced into the combustion chamber 13, the waste heat losses are in the system described is relatively low.
If adjustable shut-off devices are built into the lines 10, 11 and 12 as shown, the amount of exhaust air supplied to the combustion chamber 13 can be adapted to the combustion temperature required in this room, with the consumer, not shown, then being heated through the line 12 Compressed air flows more or less exhaust air. It is thus possible to ensure that too much exhaust air does not get into the combustion zone of the heater 5, that is to say that the temperature in this zone is not reduced too much by the exhaust air supplied.
This is important because in a system of the type described, the amount of exhaust air under normal pressure conditions (about 1: 5 to 1:10), i.e. H. at the Druckver ratios that result in a favorable thermal Cresamt efficiency, a multiple of the amount of air theoretically required in the combustion chamber of the heater for combustion. In the combustion chamber 13 oil, generator gas, blast furnace gas, a solid fuel and the like can be burned.
In a system of the type described, it is possible to work with a charged combustion chamber. If the pressure of the exhaust air from the turbine is not high enough for charging, then, in the manner shown in FIG. 2, part of the propellant air heated in a heater 20, which is expanded in a turbine 16, can already be applied to the Point 17 taken from the turbine 16 and transferred through a line 18 as primary and secondary air as well as mixed air into the combustion chamber 19 of the air heater 20.
In this case, the expansion of the remaining part of the propellant air supplied to the turbine 16 can be driven so far that the exhaust air from the turbine 16 can flow out directly into the open. The exhaust gases from the heater 20 can at least partially still be used in a gas turbine 20 '.
In the system shown in Fig. 3 GE reaches a controllable part of the exhaust air from a turbine 21 through a line 22 into a heat exchanger 23, through which a likewise controllable part of the sucked in by a compressor ter 24 and brought to a higher pressure propellant air volume is promoted. The air heated in front of this heat exchanger 23 flows through a line 25 which is connected to the heating system 27 of an air heater 28 at point 26.
The part of the amount of air sucked in by the compressor 24 that is not conveyed through the line 25 also enters the heating system 27 through a line 29, but at a point at which the combustion gas temperatures are lower than at the point 26. Since relatively cold propellant air flows from the connection point 26 through the upper part of the heating system 27, it can be sufficient that the exhaust gases flowing through a line 30 from the heater 28 are deeply cooled. Also in the heat exchanger 23, the sensible heat of the air flowing through the line 22 in the same can be used well.
In Fig. 4 a system is shown in wel cher in a heater 31 heated propellant air in two separate turbines 32 and 33 is ent tensioned. The amount of air flowing into the turbine 32 through a line 34 is less heated than the amount of air flowing through a line 35 of the turbine 33, as the line 34 branches off from the heating system 36 of the air heater 31 at a point with a lower temperature than the line 35. The exhaust air from the turbine 32 reaches the outside immediately, while the exhaust air from the turbine 33 passes into the combustion chamber of the air heater 31.
Here the exhaust air from the turbine 32 does not need to be passed through a heat exchanger, since the sensible heat contained in this exhaust air as a result of the lower heating of the propellant air supplied to the turbine 32 - can already be cooled down so deep (about 200), that it is no longer worthwhile to use the waste heat still contained in it in a special apparatus.
In the system shown in Fig. 5, ambient air sucked in by a compressor 37 is brought to a higher pressure and heated in a heating system 38 of an air heater 39 in order to then be relaxed as propellant air in three tur bines 40, 41 and 42. The amount of air heated in the heating system 38 first enters the turbine 40. Part of the exhaust air from this turbine flows through a line 43 into a second heating system 44 of the air heater 39, where this amount of air is reheated to then pass through a line 45 into the turbine 41 to arrive.
The exhaust air from this turbine 41 enters the combustion chamber of the air heater 39 through a line 46 as primary, secondary and mixed air. The portion of the exhaust air from the turbine 40 that does not flow into the line 43 is fed to the turbine 42 through a line 47 into which a control element 47 'is installed. The exhaust air from this turbine 42 passes through a line 48 into a heat exchanger 49, through which part of the amount of propellant air sucked in by the compressor 37 is conveyed.
to be preheated in this heat exchanger. This preheated amount of air passes through a line 50 which is connected to the heating system 38 at point 51.
The remainder of the amount of propellant air sucked in by the compressor 37 goes through a line 52 which is also connected to the heating system 3 $ at the point 53, but the connection point 53 is at a point with a lower flue gas temperature than the connection point 51 of the line 50.
The exhaust air from the further turbine 42 could also be relaxed directly to atmospheric pressure.
The type of construction of the compressor, the turbine and the heater in which the air is to be heated indirectly does not play a role in the essence of the invention. Thus, the compressor can also be designed with a housing in a radial or axial design, or have more than two housings. The compression can also take place without intermediate cooling or with multiple intermediate cooling. The turbine can be designed with one or more housings.
Furthermore, the compressor and a turbine driving it can form a machine group which runs at a different speed than a machine group formed by a second turbine and a power receiver. Two machine groups of this type can also be coupled to one another via a transmission. In addition, the indirect heating of the air can at best even be followed in Cowpern, which is fed as fuel from blast furnace exhaust.
In general it can be said that the choice of the speed, the mutual assembly and the subdivision of the groups in the manner indicated above can be based on the laws applicable to fluid flow machines to achieve the best efficiency, depending on the performance, temperature and pressure conditions .