Verfahren zur Krafterzeugung und Gasturbinenanlage zur Ausübung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Krafterzeugung durch kontinuierliches @nl- wälzen von Arbeitsmedium in einem einen Verdichter, eine Turbine und einen zwischen Verdichter und Turbine angeordneten Re generator enthaltenden Kreislauf. Die Erfin dung betrifft auch eine CTasturbinen-Kraft- anlage zur Ausübung dieses Verfahrens.
Gasturbinenanlagen mit. offenem und mit geschlossenem Prozess sind bekannt. Beim of fenen Prozess oder atmosphärischem Betrieb saugt ein Verdichter Luft aus der Atmosphäre an, verdichtet diese und liefert sie dann an eine Brennkammer, aus welcher die Verbren nungsprodukte an eine Turbine abgegeben werden. Letztere treibt den Verdichter und gibt daneben noch Nutzleistung ab.
Beim geschlossenen Prozess wird Luft oder ein anderes Gas unter höheren Drücken als Atmosphärendruck in einem Kreislauf fortlaufend umgewälzt. Meistens wird Wärme von einer äussern Wärmeduelle durch metalli sche Übertragungswände zugeführt. Die er hitzte Luft oder Gas expandiert in wenigstens einer Turbine und wird in wenigstens einem Verdichter wiederverdichtet, wobei es vorgän- gig der Verdichtung gekühlt wird. Ein Wärmeaustauseher kann vorgesehen sein, um Wärme von den expandierten Gasen auf die verdichteten Gase zu übertragen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese beiden Systeme miteinander gekoppelt. Nach dem er findungsgemässen Verfahren zur Krafterzeu- gung , bei dem Arbeitsmedium kontinuierlich in einem einen Verdichter, eine Turbine und einen zwischen Verdichter und Turbine ange ordneten Regenerator enthaltenden Kreislauf umgewälzt wird, erfolgt die Erhitzung des Arbeitsmediums auf seine Endtemperatur vor Eintritt in die Turbine durch Zulnischung von Verbrennungsgasen zu dein Arbeitsmedium,
selche Verbrennungsgase durch Verbrennen von Brennstoff in durch einen Hilfsverdich ter verdichteter Luft erzeugt werden.
Falls erwünscht, kann auch eine Zwischen erhitzung des Arbeitsmediums durch Zu misehung von Verbrennungsgasen zu dem Arbeitsmedium erfolgen.
Die erfindungsgemässe Gasturbinen-Kraft- anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass heisse Verbrennungsgase an einer zwischen Verdieh- tera.uslass und denn Turbineneinlass gelegenen Stelle in den Kreislauf des Arbeitsmediums eingeleitet werden, welche Verbrennungsgase durch die Verbrennung von Brennstoff in einem durch einen Hilfsverdichter verdichte ten Luftstrom gebildet werden.
Vorzugsweise werden die heissen Verbrennungsgase an einer zwischen dem Regenerator und Turhinenein- lass gelegenen Stelle in den Kreislauf eingelei tet. Ferner wird bei einem bevorzugten Aus führungsbeispiel der Hilfsverdichter durch eine Hilfsturbine angetrieben, die ihrerseits mittels vom. Kreislauf an einer zwischen dem Hauptturbineneinlass und der Einleitungs- stelle der heissen Verbrennungsgase in den Kreislauf gelegenen Stelle abgezapften Ar beitsmediums betrieben wird.
Die Erfindung wirkt sieh dahin aus, dass die Vorteile des geschlossenen Prozesses hohe Leistung bei kleiner Grösse - mit denen des offenen Prozesses - direkte Wärmezu fuhr durch Verbrennung von Brennstoff im Arbeitsmedium - kombiniert werden, indem die durch Verbrennung von Brennstoff in einem vom Arbeitsmediumstrom unabhängi gen Luftstrom erzeugten Verbrennungsgase zwecks Aufheizung des Arbeitsmediums mit diesem gemischt werden.
An Hand des in der beiliegenden Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens wird auch das Verfahren nach der Erfindung beispielsweise erläutert. In die- 5#er Zeichnung zeigt: Fig. 1 ein Schema der Kraftanlage in ihrer Gesamtheit und Fig. 2 bis 4 Temperatur-Entropiedia- gramme.
Die mehrstufige Turbine 10 treibt den mehrstufigen Verdichter 11, wobei Turbine und Verdichter Teile eines Kreislaufsystems bilden, das ferner die Leitungen 12 bis 15 und den Regenerator oder Wärmeaustauscher 7.6 miteinschliesst. Die Leitung 12, der Raum 17 des Regenerators und die Leitung 13 füh ren Arbeitsmedium vom Turbinenauslass zum Verdichtereinla.ss ; und die Leitung 14, der Raum 18 des Regenerators und die Leitung 15 führen Arbeitsmedium vom Verdichteraus- lass zurück zum Turbineneinlass.
Die Räume 17 bzw. 18 des Regenerators sind durch wärmeleitende Metallwände 19 von einander getrennt, die Wärme aus dem von der Turbine aus- und in den Verdichter ein strömenden Arbeitsmedhim an das von letz terem zur Turbine strömende, verdichtete Ar beitsmedium übertragen.
Nach Aufnahme von Abgaswärme durch das vom Verdichter zur Turbine strömende verdichtete Arbeitsmedium wird das verdich tete Arbeitsmedium weiter aufgeheizt und an die Turbine zwecks Expansion abgegeben, um einen Teil ihrer thermischen Energie in nutz- bringende mechanische Energie umzuwandeln. Demgemäss weist die Leitung 15 einen Ab schnitt 20 von grösserem Durchmesser auf, der eine Mischkammer bildet, innerhalb welcher ein Brenner 21 angeordnet ist. Letzterer ar beitet unabhängig vom im Kreislauf zirkulie renden Arbeitsmedium.
Der Brenner 21 besteht aus einem Flamm- rohr 22, das durch die Düse 23 mit zweck dienlich zerstäubtem Brennstoff und durch die Leitung 24 mit Luft beliefert wird. Die hei ssen Verbrennungsgase strömen aus Rohr 22 in die Rohrkammer 20, um sieh dort mit dem Kreislaufarbeitsmedium züi vermischen und dadurch die Temperatur des letzteren zu er höhen.
Wie gezeigt, strömen die Verbrennungs gase axial in die Rohrkammer 20 aus; die durch die Leitung 2.1 gelieferte Luft unter hält allein die Verbrennung des zusammen mit ihr ausströmenden, zerstäubten Brennstoffes. Die ausströmenden-Verbrennungsgase sind so mit vom Strom verdichteten Kreislaufmediums eingeschlossen, und es findet somit eine sehr wirkungsvolle Beimischung heisser Verbren nungsgase mit dem umgewälzten Kreislauf medium statt, wodurch die Temperatur des letzteren erhöht wird.
Um Brennstoff und Luft unter geeignetem Druck zu fördern, so dass die Verbrennungs gase dem unter dein obern Kreislaufdruck stehenden Kreislaufmedium zugeführt wer den können, ist eine einen Mehrstufenverdich- ter, bestehend aus den beiden Einheiten 27 und 28, treibende Hilfsturbine 26 und eine Brennstoffpumpe 29 vorgesehen, wobei letz tere flüssigen Brennstoff über eine Leitung 30 in die Düse 23 drückt. Wenn möglich, kön nen Verdichtereinheit 28 und Brennstoff pumpe direkt mit der Hilfsturbine 26 anstatt übern das Vorgelege 31 verbunden werden.
Die Hilfsturbine 26 wird mittels Arbeits medium betrieben, das dem Kreislauf über die Abzweigung 32 aus Leitung 15 zwischen Mischkammer 20 und Einlass der Haupttur bine 10 entnommen wird.
Die Funktion der vorstellend beschriebe nen Bestandteile der Anlage kann am besten mit Hilfe des idealisierten Temperatur-En- tropiediagrammes der Fig. 2 erklärt werden, in welchem die Linie 1-2 eine isentropische, das heisst reibungslose adiabatische Expansion in der Turbine von der maximal zulässigen Temperatur<I>TH =</I> T1 auf die Temperatur<I>T</I> darstellt. Die mit Entropieänderungen behaf teten Wärineabfuhrvorgänge 2-6-4 bzw.
Wärmezufuhrvorgänge 5-7-1 sind um den Betrag der thermischen Regeneration (Wärme austausch) in einem Gegenstrom-Wärmeaus- tauscher zwischen den die Zustandsänderun gen 2-6 bzw. 5-7 durchlaufenden Medium strömen reduziert. Der Vorgang 6-4 ent spricht der Kühlung des Kreislaufmediums vor seinem Eintritt in den Verdichter und der Vorgang 7-1 der Wärmezufuhr infolge Zu- inischung von heissen Verbrennungsgasen.
Der oben beschriebene Kreislauf besitzt einen rela tiv schlechten thermischen. Wirkungsgrad we gen des beschränkten Umfanges, in dem Re generation möglich ist. Um den gewünschten Wirkungsgrad zu erreichen, können Zwischen kühlung und Zwischenerhitzung angewendet werden.
Durch Verwendung einer sehr grossen An- .:alil von Zwischenkühlungen und Zwischen- erhitzungen, sofern eine solche Komplikation wirtschaftlich berechtigt wäre, könnte der wirkliche Prozess dem Ericsson-Prozess weit gehend angenähert werden. Letzterer weist, wie in Fig. 3 gezeigt, zwei Linien konstanten Druckes P1, P, und zwei Isothermen TH, Tu auf.
Solch ein vollständig regenerativer Pro zess besitzt den Carnot-Wirkungsgrad für den zur Verfügung stehenden Temperaturbereich. lichen Wirkungsgrad in einem solchen Prozess
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stellt den maximal erhält dar.
Obwohl der maximale thermische Wir kungsgrad nur mit einer unendlich grossen Zahl von Zwischenerhitzungen und Zwischen kühlungen erreichbar ist, die zu einem Tempe- ratur-Entropiediagramm nach Fig. 3 führen würde, so kann der Wirkungsgrad dennoch mit einer einzigen Zwischenerhitzung und einer einzigen Zwischenkühlung beträchtlich verbessert werden. Dies ist in Fig. 4 veran- schaulicht, aus welcher die erweiterte Möglich keit thermischer Regeneration und damit einer Reduktion der Wärmezufuhr und -abgabe im Vergleich zu Fig. 2 sofort ersichtlich ist.
In Fig. 1 stellt 34 eine Verbindungsleitung an der Gasturbine 10 dar, in welcher der Zwi schenerhitzer angeordnet ist und welche eine Stufe der Turbine mit der nachfolgenden Stufe verbindet. Ebenso weist der Verdichter 11 eine Verbindungsleitung 35 auf, die eine Stufe mit einer nachfolgenden Stufe ver bindet.
Die Verbindungsleitung- 34 weist einen Ab schnitt 20a von grösserem Durchmesser auf, der einen Mischraum bildet, in dem der Bren ner 21a angeordnet ist. Letzterer wird über die Leitungen 30a bzw. 24a mit Brennstoff bzw. Luft beliefert.
Der in die Leitung 35 eingebaute Zwischen kühler 36 weist eine Kühlschlange 37 auf.
In die vom Regenerator 16 zum Eintritt des Verdichters 11 führende Leitung 13 ist der Vorkühler 39 mit der Kühlschlange 40 eiii < ,gebaut, um das Arbeitsinediuin auf die Ausgangstemperatur zu kühlen.
Die Turbine 10 treibt irgendeine Nutz- leistungsniasehine an, z. B. den Wechsel- oder Drehstromgenerator 42, der mit der Turbine direkt gekuppelt ist. Die Motoren 43, 44 wer den zum Inbetriebsetzen der Anlage ver wendet.
Die beschriebene Kraftanlage arbeitet wie folgt: Der Hauptteil des Arbeitsmediums strömt in einem Kreislauf um. Das vom Verdichter zum Turbineneinlass strömende Arbeitsmedium wird durch das entspannte, von der Turbine zum Verdichter strömende Arbeitsmedium regenerativ erhitzt. Nach diesem regenerati ven Erhitzen wird das verdichtete Arbeits medium durch Mischen mit, heissen Verbren nungsgasen erhitzt, wobei diese heissen Ver brennungsgase in einem durch die Brennstoff pumpe und den Hilfsverdichter mit Brenn stoff bzw. Luft beschickten Brenner erzeugt werden.
Da die Hilfsturbine zum Antrieb des Hilfs- v erdichters und der Brennstoffpumpe zwecks Lieferung von Luft bzw. Brennstoff an die Brenner mittels demKreislauf vor dem Haupt- turbineneinlass entnommenen Arbeitsmediums betrieben wird, ist es offensichtlich, dass der Betrieb der Hilfsturbine infolge der gezeigten Anordnung abhängig ist von dem der Haupt elemente der Anlage.
Das durch die Hilfstur bine dem Kreislauf entnommene Arbeits medium wird dadurch kompensiert, das heisse Verbrennungsgase in derselben Menge mittels der Brenner in den Kreislauf eingeführt werden.
Durch Zwischenerhitzen des in der Turbine strömenden Mediums und durch Zwischen kühlung des durch den Verdichter strömenden Mediums wird der effektive Regenerierbereich vergrössert, verglichen mit einer Einrichtung ohne Zwischenerhitzung und Zwischenküh- lung, und der Wirkungsgrad verbessert.