Verfahren zur Krafterzeugung. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Krafterzeugung in Wärme kraftmaschinen beliebiger Bauart, unter Be vorzugung solcher mit ununterbrochener Wärmezufuhr. Sie bezweckt die Verbesserung des thermischen Gesamtwirkungsgrades über das hinaus, was mit heute mit bekannten Ver fahren praktisch erreichbar ist.
Seit dem Bekanntwerden von Carnots theoretischem reversiblen Kreisprozess ist man dauernd bemüht, ihn in praktischen Kraft anlagen voll oder annähernd zu verwirklichen.
Das ist in Wasserdampfmaschinen aus be kannten Gründen nicht möglich; dagegen sind Kraftmaschinen mit. gasförmigen Arbeits mitteln grundsätzlich besser geeignet. Aber auch da begegnet der Carnot-Prozess, im T-S- Diagramm durch ein Rechteck darstellbar, unüberwindlichen Schwierigkeiten, sobald damit die heute verfügbaren Temperaturbe reiche, z. B. zwischen 15 und 650 C in An lagen mit ununterbrochener Wärmezufuhr und zwischen 15 und 1200 C (oder noch höher) in Anlagen mit intermittierender Wärmezufuhr, ausgenutzt werden sollen.
Um diese Temperaturen, wie von Carnot vorge schrieben, zu erreichen, muss die isentropisehe Verdichtung zu einem im Verhältnis zum An fangsdruck ausserordentlich hohen Enddruck ausgedehnt werden, und die isentropische Entspannung muss ein ebenso grosses Druck verhältnis durchlaufen. In andern Worten, es wird ein Druckverhältnis verlangt, wie es mit heute praktisch verfügbaren Mitteln kaum verwirklichbar ist. Zum Beispiel bedarf es für den erstgenannten Fall eines Druckver hältnisses von mehr als 1<B>:60,</B> für den zweit genannten Fall sogar über 1 :400.
Aus diesem Grunde werden in der Praxis Kreisprozess mit Wärmezufuhr unter gleich bleibendem Druck vorgezogen, die mit prak tisch erreichbaren Drücken und Druckverhält nissen durchführbar sind. Unter diesen ist der einfachste der von Brayton angegebene, im T-S-Diagramm durch eine Viereck darstell bar mit je zwei Isentropen und zwei Isobaren als Seiten. Der Brayton-Prozess ist an nie drige Druckverhältnisse gebunden und liefert verhältnismässig wenig Nutzleistung für die Gewichtseinheit des Arbeitsmittels.
Sein Wir kungsgrad ist ferner sehr empfindlich gegen Änderungen der Verdichter- und Expansions- maschinen-Wirkungsgrade und der Druckver luste in den Verbindungsleitungen. Der Bray- ton-Prozess und andere später erörterte Pro zesse können als offene oder geschlossene Prozesse, wie bekannt, durchgeführt werden.
Es ist bekannt, den einfachen Prozess durch mehrstufige Verdichtung mit Zwischen kühlung, und durch Wiedererhitzung wäh rend der Expansion zu verbessern. Kühlung während der Verdichtung wird meistens gleichmässig verteilt. über die ganze Verdich tung vorgeschlagen oder konzentriert in einer endlichen Anzahl von Zwischenkühlern. Das selbe gilt sinngemäss für die Wiedererhitzung. Beide Massnahmen haben den klar ausgespro chenen Zweck, isothermischer Verdichtung bzw. Expansion so nahe als möglich zu kom men, und so dem von Ericsson angegebenen Prozess, im T-S-Diagramm als Viereck mit je zwei Seiten als Isothermen und Isobaren dar gestellt, nahe zu kommen.
Der Ericsson-Pro- zess umfasst als offener Prozess isothermische Verdichtung, isobarische Wärmezufuhr, iso- thermische Expansion, isobarische Ausstossung des Arbeitsmittels; als geschlossener Prozess tritt an Stelle der isobarischen Ausstossung isobarische Rückkühlung des Arbeitsmittels.
Der Ericsson- oder Doppel-Isothermen - Kreisprozess bereitet bei der praktischen Durchführung beträchtliche Schwierigkeiten, die durch die Kühlung bzw. Wiedererhitzung des Arbeitsmittels über den ganzen Druckbe reich bedingt sind. Dieser Kreisprozess stellt jedoch nach dem Stand der heutigen Erkennt nis die höchste Verfeinerung der sogenannten isobarischen Kreisprozesse dar.
Es ist bekannt, isothermische Verdichtung mit isentropischer Expansion, oder umgekehrt anzuwenden, doch führen diese Massnahmen nicht zu besseren Wirkungsgraden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Existenz eines Kreisprozesses, der weniger Zwischenkühlung und weniger Wiedererhitzung bedarf als der letztere, und trotzdem höhere Gesamtwirkungsgrade liefert als irgendeiner dieser bekannten Prozesse, unter Voraussetzung gleicher Temperatur grenzen und gleicher - von Eins verschiede ner - Wirkungsgrade der verwendeten Mittel für Verdichtung, Entspannung und Wärme austausch.
In Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist der Brayton-Prozess, in Fig. 2 der Ericsson- Prozess und in Fig. 3 der idealisierte Kreis prozess nach der Erfindung durch die übli chen T-S-Diagramme dargestellt, jeder für den gleichen Temperaturbereich T1 bis T, und den gleichen Drtiekbereich P1 bis P.;.
In Fig. 1 stellt das Viereck 11-12-13-l4 den Brayton-Prozess, in Fig. 2 das Viereck 21-22-23-214 den Ericsson-Prozess dar; in Fig.3 stellt das Sechseck 31-32-33-34-35-36 die grundsätzliche idealisierte Form des erfin dungsgemässen Kreisprozesses dar, der für die Zwecke dieser Spezifikation hiernach als 1Iexagon -Kreisprozess bezeichnet wird.
Dieser -idealisierte Prozess umfasst also isotherinische Verdichtung 3l-32, isentropi- sche Verdichtung 32-33, isobarisehe Wärme- zufuhr <B>33-34,</B> isothermische Expansion 3-1-35, isentropische Expansion 35-36, und isobari- sehe Ausstossung, oder Rüekkühlung im Falle eines geschlossenen Prozesses.
Die punk tierten Linien in Fig. 3 zeigen den entspre chenden Brayton-Prozess als Viereck 31-32'- 34-35' und den entsprechenden Ericsson-Pro- zess als Viereck 31-32"-34-35".
Die isobarische Wärmezufuhr 33-34 des Hexagon-Prozesses, kann entweder ausschliess lich durch direkte oder indirekte Übertragung von Brennstoffwärme, oder teilweise durch Abliitze-Regeneration von den Abgasen nach Punkt 36 erfolgen. Der Wirksamkeitsgrad solcher Regeneration wird bestimmt durch das Verhältnis der übertragenen -\V, ärme zu dem I.Värmeinhaltsiuntersehied zwischen den Punk ten 36 und 33.
Die Mittel zur Ausführung des Hexagon- Kreisprozesses sind grundsätzlich dieselben wie für den Ericsson-Prozess; der Unterschied besteht in der Beschränkung der Kühlung atü den ersten Teil der Verdichtung und der 'Wiedererhitzung auf den ersten Teil der Ex pansion. Der ungekühlte Teil der Verdich- tung beträgt zweckmässig mindestens vierzig Prozent der Druckdifferenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Druck im Kreis prozess.
Dies entspricht unter den bei Gas turbinenanlagen vorherrschenden Druekver- hältnissen einer Verdichtungsendtemperatur, welche um mindestens 40 C höher ist als die höchste während des ersten gekühlten Teils der Verdichtung auftretende Temperatur. Da durch wird die praktische Ausführung viel einfacher, der "#N,'irkungsgrad hingegen besser als die der entsprechenden Brauton- oder Er icsson-Prozesse.: . . . .
Eine Verbleiehsreehnung, basiert auf iden tischen Arbeitsbedingungen, ergibt für die drei Prozesse thermische Gesamtwirkungs grade wie folgt.:
EMI0003.0003
Brayton <SEP> Eriesson <SEP> Hexagon
<tb> Ohne <SEP> Abhitze :
211g <SEP> <B>21,5%</B> <SEP> 25.6
<tb> Regeneration
<tb> Mit <SEP> Regeneration <SEP> .)4, <SEP> 3 <SEP> <I>a.</I> <SEP> 31 <SEP> 0 <SEP> % <SEP> 34,0%
<tb> 50 <SEP> (, <SEP> Wirksamkeit <SEP> } <SEP> - Alle Zahlen beziehen siele auf Temperatur grenzen zwischen 15 und 650" C, Druckgren zen zwischen 7 und 6 at abs., und 85 % innern Wirkunbs,rad für Verdielitunb und Expan sion.
Sie beweisen, dass das erfindungsgemässe Verfahren, trotz wesentlicher Vereinfaeliung in seiner praktischen Durchführung, eine be inerkenswerte Wirkun,sgradverbesserunb über das hinaus zeitigt, was nach dein derzeitigen Stande der Technik erreichbar ist.
Bei der praktischen Ausführung verschie ben sich die Zahlen für die Eriesson- bzw. Hexagon-Prozesse weiter zugunsten des letz teren, weil die diesbezüglichen Druckverluste nicht in Betracht gezogen sind. Angenäherte isothermisehe Verdichtung, das heisst Stufen- verdichtung finit Zwischenkühlung bzw. ange näherte isothermische Expansion, das heisst.
Stufenentspannung mit. Zwischenerhitzung verursachen Druckverluste in den betreffen den Kühlern und Wiedererhitzern. Da der Hexagon-Prozess weniger Kühler bzw. Wieder erhitzer verlangt, ist auch der schädliche Ein fluss der Druckverluste kleiner.
Fig. 4 zeigt das T-S-Diagramm eines Hexabon-Prozesses, wie der obigen Vergleiehs- reehnung zugrunde gelegt. Der zweite Teil der Verdichtung 42-43 und der Expansion 45-46, sind nicht mehr isent.ropiseh, sondern entsprechend clen innern Verlusten in den Verdichtern bzw. den Expansionsmaschinen, etwas geneigt.
Die Fib. 3 und 4 zeigen gewissermassen schematische Formen des I3exagon-Prozesses. In der praktischen Ausführung können die Ecken abgerundet sein oder völlig verschwin den: das ist. in Fig. 4 durch gestrichelte Linien angedeutet für die Ecken 42 und 45, was anzei--en soll, dass zwiseheil dem isothermi- sehen und dein. un gekühlten Teil der Ver- dielitunb bzw.
Expansion (oder den ange- näherten Isotherinen) nicht notwendigerweise ein klarer Übergangspunkt existieren muss. Es ist für die Zwecke der vorliegenden Er- findun° nur wesentlich, dass die Verdichtung, als Ganzes betrachtet, von einem Anfangs punkt 41.
zu einem Endpunkt 43 führt, der sowohl eine kleinere Entropie hat als Punkt 41- und eine Temperatur, die mindestens 40 C höher ist als jene in irgendeinem Punkte der ersten 50 Prozent der Druek- zunalime, und dass die Expansion, als Ganzes betraelitet, von einem Anfangspunkte 44 höchster Temperatur ausgebt, dessen Druck anniihernd gleich ist. jenem im Punkt 43 und dessen Entropie grösser ist.
als jener im Punkt 41, und zu einem Endpunkte 46 führt, dessen Entropie noch grösser ist als jene in 44 und dessen Temperatur niedriger ist als in 44 und höher als in 43 und dessen Druck jenem in 41 annähernd gleich ist. Dies bewirkt., dass eine gedaelite gerade Verbindungslinie zwi schen Anfangs-, und Endpunkt der Verdiell- tung (41 und 43 in Fi-. 4) sowohl gegen die Horizontale als auch gegen die Vertikale stark geneigt ist.
Das unterscheidet das erfindungsgemässe Verfahren von den bekannten Prozessen, in denen als Ideal entweder durchwegs horizon tale (isothermisehe) oder durchwegs vertikale (isentropisehe) Verdiehtunbslinien angestrebt werden, und davon nur in dem durch die Unvollkommenheit der praktischen Mittel zur Durchführung bedingten Masse abgewichen wird.
Feg-. 6 zeigt. in vereinfachter Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchfiilirung des erfindungsgemässen Ver fahrens zur Krafterzeugung- unter Verwen- dung eines mehrstufigen rotierenden Ver- dieliters und einer Gasturbine als mehrstufige Expansionsmaschine.
Umgebungsluft wird bei 60 in. den Ver dienter 61. gesaugt, verdichtet unter Zwi- sehenkühlung in Kühlern 62a, 62b,<B>62e,</B> 62d.
Kühlung findet nur -während des ersten Teils der Verdichtung statt; der übrige Teil ist ur- gekühlt. Die so verdichtete Luft verlässt den Verdichter 62 wesentlich heisser als im An- saugzustand,
wird im Wärmeaustauscher 63 weitererwärmt und schliesslich im Erhitzer 64 durch innere Verbrennung von Brennstoff auf die mit Rücksicht auf die verwendeten Materialien zulässige Temperatur gebracht. Hiernach erfolgt Ausdehnung in der mehr stufigen Turbine 65 mit Wiedererhitzung' in den Erhitzern 66a, 66b und 66c. Erhitzung findet nur im ersten Teil der Expansion statt, während die weitere Expansion ohne solche vor sich geht.
Das Arbeitsmittel ver lässt so die Turbine bei 67 mit gegenüber der Turbinenanfangstemperatur herabgesetzter Temperatur, wird im Wärmeaustauscher 63 weiter gekühlt, bevor es bei 68 in die Umge bungsluft ausgestossen wird.
Die Mittel zur Durchführung dieses Pro zesses sind grundsätzlich dieselben wie für den Ericsson-Prozess; der wesentliche Unter schied liegt in der Beschränkung der Küh- hmg und Erhitzung auf jeweils den ersten Teil der Verdichtung und der Expansion.
Es ist im Bereich der vorliegenden Erfin dung, die Verdichtung zwischen den Punkten 41 und 43 unterschiedlichen Kurven entlang durchzuführen. Das gilt sinngemäss auch für die Expansion zwischen den Punkten 44 und 46. Zwar gibt der Kreisprozess mit den theo retischen Diagrammwinkeln (31-32-33 und 34.-35-36 in Fig. 3) den höchsten theoretischen Wirkungsgrad, doch kann davon aus prakti schen Erwägungen abgewichen werden.
Zum Beispiel kann der isothermisehe Teil der Ver dichtung bzw. der Expansion durch Kühlung bzw. Wiedererhitzung in einer endlichen Zahl von Punkten angenähert werden. Zwischen- h-ühlumg und/oder Wiedererhitzung kann bis atü die Anfangstemperatur oder eine andere Temperatur vorgesehen werden.
Fig. 5 zeigt einen solchen dem idealisierten Hexagon- Kreisprozess angenäherten Prozess mit je zwei facher Zwischenkühlung und Wiedererhit zung.
Es ist bekannt, dass ztt späte Wiederer- hitzung den Gesamtwirkungsgrad ungünstig beeinflussen kann und man hat deshalb vor geschlagen, Wiedererhitzung auf den ersten Teil der Expansion zu beschränken.
Es blieb jedoch bisher unbekannt, dass solche Erwägung nur einen Teil eines grund legenden allgemeinen Gesetzes bildet, das gleicherweise für Verdichtung und Expan sion gültig ist, dessen Anwendung auf ge kühlte Verdichtung und Expansion mit Wiedererhitzung zu einem erfindungsge mässen Verfahren mit höheren Gesamtwir kungsgraden, wie vorgehend gezeigt, führt.
Für den idealisierten Hexagon-Kreispro- zess mit isothermisch-isentropiseher Verdich tung bzw. Expansion und für Kreisprozesse die sich dieser Form sehr nähern, haben die Anmelder gefunden, dass ein Optimtunwert des -#V irkumgsgrades erzielt wird, wenn die Temperatursteigerung während der Verdich tung
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der absoluten Anfangstemperatur der Ver dichtung, und die Temperaturabnahme wäh rend der Expansion
EMI0004.0068
der absoluten Temperatur am Anfang der Expansion beträgt.
In den vorstehenden For meln bezeichnet e den thermischen Gesamt wirkungsgrad des praktischen Kreisprozesses und k den Wirksamkeitsgrad der Abhitze- Regeneration.
Diese Formel bestimmen eindeutig den Punkt zwischen dem Brayton- und Ericsson- Prozess, wo der Wirkungsgrad am höchsten ist und in Richtung beider genannter Pro zesse abfällt. Da aber dieser Punkt den Gipfel einer Wirkungsgradkurve parabolischen Cha rakters bildet, verursacht eine Toleranz in den aus obigen Formeln errechneten absolu ten Temperaturen von plus/minus 6 bis 8 Prozent noch keine wesentliche Wirkungsgrad minderung.
Für Kreisprozesse, die im T-S-Diagramm durch eire mehr oder weniger irreguläre oder gebrochene Kurve dargestellt sind, wurde von den Anmeldern gefunden, da.ss die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens erzielt.
werden, wenn die Verdiehtungsendtemperatur dem aus obigen Formeln errechneten Wert entspricht, oder zumindest 40 C höher ist. als die höchste Temperatur in der ersten Hälfte der Verdichtung, das heisst bei jedem Druck unterhalb 1/_, (P1 + P2,). So muss, beispiels weise in Fig. 5, der Punkt 53 mindestens 40 C höher liegen als der Punkt 52'.
Diese Regel führt zu einer Verdichtung mit vor wiegend isothermischem ersten Teil und vor wiegend isentropischem zweiten Teil, unab hängig von dem speziellen Charakter der Kurve im 7'-S-Diagramm, die die praktische Wirkungsweise der verwendeten Mittel für Verdichtung und Expansion darstellt.
Eine Analyse der oben angegebenen For meln zeigt, dass sowohl der Brayton- wie auch der Ericsson-Prozess Sonderfälle des angege benen Hexagon-Prozesses sind, und zwar aus folgenden Gründen:
Wenn das gewählte Druckverhältnis so klein ist, dass die entsprechende Temperatur steigerung für isentropische Verdichtung dem sich aus der ersten Formel ergebenden Wert entspricht, verliert der Hexagon-Prozess seine isothermischen Teile und degeneriert sozusagen in einen Brayton-Prozess. Wenn hingegen der Wirksamkeitsgrad der Abhitze- Regeneration mit 100 Prozent (das heisst k =1) angenommen wird,
verliert der Hexa- gon-Prozess seine isentropischen Teile und nimmt die Form des Ericsson-Prozesses an.
Wenn auch diese Überlegungen vorwie gend theoretische Bedeutung haben, so sind sie doch wichtig für das Wesen und die prak- tische Tragweite der vorliegenden Erfindung. In der Praxis werden die erwähnten Grenz- fälle kaum vorkommen: Erst bei einem Druckverhältnis 1 : 3 oder weniger ergibt sich der Brayton-Prozess als Bester: anderseits ist 100 Prozent Wirksamkeitsgrad der Abhitze- Regeneration praktisch unerreichbar.
Aus ähnlichen Gründen ist es wichtig, zu erkennen, dass selbst der Carnot-greisprozess als Sonderfall der durch obige Formeln präzisierten universell gültigen Lösung gedeu tet werden kann.
Ohne Abhitze-Regeneration (k = 0), je doch idealer Verdichtung und Expansion ohne Verluste, und einem Druckverhältnis von genügender Höhe, um den idealen Carnot-@Virkungsgrad zu erreichen
EMI0005.0053
ergibt die Einführung dieser Werte von k und e in die Formeln eine Temperaturer höhung während der Verdichtung entspre- ehend (Ti --T,) und einen identischen Wert für den Temperaturabfall während der Ex pansion.
Folglich schreiben die Formeln vor, dass der gesamte Temperaturbereich zwischen der niedrigsten und höchsten Temperatur (T1 und T_,) durch isentropische Verdichtung bzw. Expansion überbrückt werden muss, was, wie bekannt, Carnot vorschreibt. Der ideale Carnot-Kreisprozess erscheint demnach als Sonderfall der von den Anmeldern angegeben allgemeinen Lösung, und als bestmöglicher Prozess, wenn Verdichtung und Expansion verlustlos vor sich gehen.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung in vielfacher Weise ausgeführt werden kann; in der spezifischen Form und Arbeitsweise der zur Durchfiihrung des Verfahrens benützten Apparate sind keine Beschränkungen aufer legt.
Die Erfindung umfasst Prozesse mit oder ohne Abhitze-Regeneration; es ist gleichgültig für die Zwecke der Erfindung, was für Kühl mittel und/oder Brennstoffe Verwendung finden.
Method for generating force. The present invention relates to a method for generating power in heat engines of any type, with preference being given to those with an uninterrupted supply of heat. Its purpose is to improve the overall thermal efficiency beyond what is practically achievable with today's known methods.
Ever since Carnot's theoretical reversible cycle became known, efforts have been made to fully or approximately realize it in practical power plants.
This is not possible in steam engines for known reasons; on the other hand power machines are with. gaseous working agents are generally better suited. But even there, the Carnot process, represented in the T-S diagram by a rectangle, encounters insurmountable difficulties as soon as the temperature ranges available today, e.g. B. between 15 and 650 C in systems with uninterrupted heat supply and between 15 and 1200 C (or even higher) in systems with intermittent heat supply should be used.
In order to reach these temperatures, as prescribed by Carnot, the isentropic compression must be expanded to an extremely high final pressure in relation to the initial pressure, and the isentropic relaxation must go through an equally high pressure ratio. In other words, a pressure ratio is required that can hardly be achieved with the means practically available today. For example, a pressure ratio of more than 1 <B>: 60 is required for the first-mentioned case, </B> for the second-mentioned case even more than 1: 400.
For this reason, in practice, cyclic processes with heat supply under constant pressure are preferred, which can be carried out with practically achievable pressures and pressure ratios. Of these, the simplest is the one given by Brayton, which can be represented in the T-S diagram by a square with two isentropes and two isobars as sides. The Brayton process is tied to low pressure ratios and provides relatively little useful power for the unit weight of the work equipment.
Its efficiency is also very sensitive to changes in the compressor and expansion machine efficiencies and pressure losses in the connecting lines. The Brayton process and other processes discussed later can be carried out as open or closed processes, as is known.
It is known that the simple process can be improved by multi-stage compression with intermediate cooling and by reheating during expansion. Cooling during compression is mostly evenly distributed. Proposed over the entire compaction or concentrated in a finite number of intercoolers. The same applies mutatis mutandis to re-heating. Both measures have the clearly stated purpose of getting as close as possible to isothermal compression or expansion and thus to come close to the process specified by Ericsson, which is shown in the TS diagram as a square with two sides each as isotherms and isobars .
As an open process, the Ericsson process comprises isothermal compression, isobaric heat supply, isothermal expansion, isobaric expulsion of the working medium; as a closed process, isobaric re-cooling of the working medium takes the place of isobaric ejection.
The Ericsson or double isotherms - cycle causes considerable difficulties in the practical implementation, which are rich due to the cooling or reheating of the working medium over the entire Druckbe. However, according to the current state of knowledge, this cycle represents the highest refinement of the so-called isobaric cycle processes.
It is known to use isothermal compression with isentropic expansion, or vice versa, but these measures do not lead to better degrees of efficiency.
The present invention is based on the knowledge of the existence of a cyclic process that requires less intermediate cooling and less reheating than the latter, and yet delivers higher overall efficiencies than any of these known processes, assuming the same temperature limits and the same - different from one - efficiencies of the used Means for compression, relaxation and heat exchange.
In Fig. 1 of the accompanying drawings, the Brayton process, in Fig. 2 the Ericsson process and in Fig. 3 the idealized circle process according to the invention by the usual TS diagrams, each for the same temperature range T1 to T , and the same printing range P1 to P.;.
In Fig. 1 the square 11-12-13-14 represents the Brayton process, in Fig. 2 the square 21-22-23-214 represents the Ericsson process; In FIG. 3, the hexagon 31-32-33-34-35-36 represents the fundamental idealized shape of the cycle process according to the invention, which for the purposes of this specification is hereinafter referred to as the hexagon cycle process.
This idealized process thus includes isothermal compression 3l-32, isentropic compression 32-33, isobaric heat supply <B> 33-34, </B> isothermal expansion 3-1-35, isentropic expansion 35-36, and isobaric - see expulsion, or re-cooling in the case of a closed process.
The dotted lines in FIG. 3 show the corresponding Brayton process as a square 31-32'- 34-35 'and the corresponding Ericsson process as a square 31-32 "-34-35".
The isobaric heat supply 33-34 of the hexagon process can either take place exclusively through direct or indirect transfer of fuel heat, or partially through waste regeneration from the exhaust gases according to point 36. The degree of effectiveness of such regeneration is determined by the ratio of the transferred - \ V, poor to the I.Värmeinhaltsi difference between points 36 and 33.
The means for executing the hexagon cycle are basically the same as for the Ericsson process; the difference consists in the restriction of the cooling at the first part of the compression and the re-heating to the first part of the expansion. The uncooled part of the compression is best at least forty percent of the pressure difference between the highest and lowest pressure in the cycle.
Under the pressure conditions prevailing in gas turbine systems, this corresponds to a compression end temperature which is at least 40 C higher than the highest temperature occurring during the first cooled part of compression. This makes the practical implementation much simpler, but the efficiency is better than that of the corresponding Brauton or Ericsson processes .:...
A lead elongation, based on identical working conditions, gives the following overall thermal efficiency for the three processes:
EMI0003.0003
Brayton <SEP> Eriesson <SEP> hexagon
<tb> Without <SEP> waste heat:
211g <SEP> <B> 21.5% </B> <SEP> 25.6
<tb> regeneration
<tb> With <SEP> regeneration <SEP>.) 4, <SEP> 3 <SEP> <I> a. </I> <SEP> 31 <SEP> 0 <SEP>% <SEP> 34.0%
<tb> 50 <SEP> (, <SEP> effectiveness <SEP>} <SEP> - All figures refer to temperature limits between 15 and 650 "C, pressure limits between 7 and 6 at abs., and 85% within effectiveness , wheel for distribution and expansion.
They prove that the method according to the invention, despite significant simplification in its practical implementation, produces a noticeable improvement in efficiency beyond what is achievable according to your current state of the art.
In practice, the numbers for the Eriesson or Hexagon processes shift further in favor of the latter, because the related pressure losses are not taken into account. Approximate isothermal compression, that is, step compression, finite intercooling or approximate isothermal expansion, that is.
Step relaxation with. Reheating causes pressure losses in the relevant coolers and reheaters. Since the hexagon process requires fewer coolers or reheaters, the harmful influence of pressure losses is also smaller.
4 shows the T-S diagram of a Hexabon process, as the above comparison is based on. The second part of the compression 42-43 and the expansion 45-46 are no longer isentropic, but rather inclined somewhat according to the internal losses in the compressors or the expansion machines.
The fib. 3 and 4 show somewhat schematic forms of the I3exagon process. In the practical version, the corners can be rounded or completely disappear: that is. indicated in FIG. 4 by dashed lines for the corners 42 and 45, which is intended to indicate that between the isothermal and your. uncooled part of the dielectric or
Expansion (or the approximated isotherins) does not necessarily have to be a clear transition point. For the purposes of the present invention, it is only essential that the compression, viewed as a whole, starts from an initial point 41.
leads to an end point 43 which has both an entropy less than point 41- and a temperature at least 40 C higher than that at any point in the first 50 percent of the pressure limit, and which concerns expansion, as a whole, of a starting point 44 of the highest temperature, the pressure of which is approximately the same. that at point 43 and whose entropy is greater.
than that at point 41, and leads to an end point 46 whose entropy is even greater than that in 44 and whose temperature is lower than that in 44 and higher than in 43 and whose pressure is approximately equal to that in 41. This has the effect that a real straight connecting line between the start and end point of the divergence (41 and 43 in FIG. 4) is strongly inclined both to the horizontal and to the vertical.
This distinguishes the method according to the invention from the known processes in which the ideal is either horizontal (isothermal) or vertical (isentropic) lines of contempt, and deviations are only made to the extent required by the imperfection of the practical means of implementation.
Sweeping. 6 shows. in a simplified representation, an embodiment of a system for carrying out the method according to the invention for generating force using a multi-stage rotating dielectric and a gas turbine as a multi-stage expansion machine.
Ambient air is sucked in at 60 in. The server 61st, compressed with intermediate cooling in coolers 62a, 62b, 62e, 62d.
Cooling only takes place during the first part of the compression; the remaining part is fully cooled. The air compressed in this way leaves the compressor 62 much hotter than in the intake state,
is further heated in the heat exchanger 63 and finally brought to the temperature permissible with regard to the materials used in the heater 64 by internal combustion of fuel. This is followed by expansion in the multi-stage turbine 65 with re-heating in the heaters 66a, 66b and 66c. Heating takes place only in the first part of the expansion, while the further expansion takes place without it.
The working fluid thus leaves the turbine at 67 with a lower temperature than the turbine starting temperature, and is further cooled in the heat exchanger 63 before it is expelled at 68 into the ambient air.
The means of performing this process are basically the same as for the Ericsson process; the main difference lies in the restriction of cooling and heating to the first part of compression and expansion.
It is within the scope of the present invention to perform the compression between points 41 and 43 along different curves. This also applies mutatis mutandis to the expansion between points 44 and 46. Although the circular process with the theoretical diagram angles (31-32-33 and 34.-35-36 in Fig. 3) gives the highest theoretical efficiency, but it can output from it practical considerations may be deviated from.
For example, the isothermal part of the compression or expansion can be approximated by cooling or reheating at a finite number of points. Between h-ühlumg and / or reheating can be provided up to the initial temperature or another temperature.
Fig. 5 shows such a process approximating the idealized hexagon cycle with two-fold intermediate cooling and reheating.
It is known that late reheating can have an unfavorable effect on the overall efficiency and it has therefore been proposed to limit reheating to the first part of the expansion.
It has remained unknown, however, that such a consideration forms only part of a fundamental general law that is equally valid for compression and expansion, its application to ge cooled compression and expansion with reheating to a process according to the invention with higher overall efficiencies, such as previously shown leads.
For the idealized hexagon cycle process with isothermal-isentropic compression or expansion and for cycle processes that come very close to this form, the applicants have found that an optimal value of the degree of vacuum is achieved when the temperature increase during compression
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the absolute starting temperature of the compression, and the decrease in temperature during expansion
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is the absolute temperature at the beginning of the expansion.
In the above formulas, e denotes the overall thermal efficiency of the practical cycle and k denotes the efficiency of the waste heat regeneration.
This formula clearly defines the point between the Brayton and Ericsson processes, where the efficiency is highest and decreases in the direction of both of the named processes. However, since this point forms the summit of an efficiency curve of parabolic character, a tolerance in the absolute temperatures calculated from the above formulas of plus / minus 6 to 8 percent does not cause any significant reduction in efficiency.
For cycle processes that are represented in the T-S diagram by a more or less irregular or broken curve, the applicants have found that the advantages of the method according to the invention are achieved.
if the final compression temperature corresponds to the value calculated from the above formulas, or is at least 40 C higher. as the highest temperature in the first half of the compression, i.e. at any pressure below 1 / _, (P1 + P2,). Thus, for example in FIG. 5, point 53 must be at least 40 ° C. higher than point 52 '.
This rule leads to a compression with predominantly isothermal first part and predominantly isentropical second part, regardless of the special character of the curve in the 7'-S diagram, which shows the practical operation of the means used for compression and expansion.
An analysis of the formulas given above shows that both the Brayton and Ericsson processes are special cases of the hexagon process given, for the following reasons:
If the selected pressure ratio is so small that the corresponding temperature increase for isentropic compression corresponds to the value resulting from the first formula, the hexagon process loses its isothermal parts and degenerates into a Brayton process, so to speak. If, on the other hand, the effectiveness of the waste heat regeneration is assumed to be 100 percent (i.e. k = 1),
the hexagon process loses its isentropic parts and takes the form of the Ericsson process.
Even if these considerations have predominantly theoretical significance, they are nevertheless important for the essence and practical scope of the present invention. In practice, the borderline cases mentioned will hardly ever occur: The Brayton process is only the best at a pressure ratio of 1: 3 or less: on the other hand, 100 percent efficiency of the waste heat regeneration is practically unattainable.
For similar reasons, it is important to recognize that even the Carnot process can be interpreted as a special case of the universally valid solution specified by the above formulas.
Without waste heat regeneration (k = 0), but ideal compression and expansion without losses, and a pressure ratio of sufficient height to achieve the ideal Carnot efficiency
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The introduction of these values of k and e into the formulas results in a corresponding temperature increase during compression (Ti --T,) and an identical value for the temperature decrease during expansion.
Consequently, the formulas prescribe that the entire temperature range between the lowest and highest temperature (T1 and T_,) must be bridged by isentropic compression or expansion, which, as is known, Carnot prescribes. The ideal Carnot cycle therefore appears as a special case of the general solution given by the applicants, and as the best possible process if compression and expansion take place without loss.
From the foregoing description it will be apparent that the present invention can be embodied in a variety of ways; There are no restrictions imposed on the specific form and mode of operation of the apparatus used to carry out the process.
The invention encompasses processes with or without waste heat regeneration; it is indifferent for the purposes of the invention what medium and / or fuels are used for cooling.