Gasturbinenanlage zur Verwertung von in einem intermittierend anfallenden Wärm \\@ltäg insbesondere in Abgasen, enthaltener Wärme. Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen anlage zur Verwertung von in einem inter- mit.t.ierend anfallenden Wärmeträger, insbe sondere in Abgasen, enthaltener Wärme.
Bei industriellen Anlagen, beispielsweise im Gebiete der Stahlerzeugung, kann es vor kommen, dass im Gefolge eines periodisch sich abspielenden Prozesses heisse Abgase int.er- mittierend anfallen. Wird das Arbeitsmittel einer Gasturbine mit solchen Abgasen beheizt-, so genügt im allgemeinen die Wärmespeicher fähigkeit der Erhitzer und Wärmeaustausch a.pparate nicht, um den Betrieb auch in den Arbeitspausen aufrechtzuerhalten.
Beim LTn terbruch der Heizgaslieferung sinkt die Tem peratur des Arbeitsmittels rasch, was nicht nur einen raschen Abfall der Leistungsab gabe, sondern auch ungünstige thermische Beanspruchung der Baustoffe der Turbine zur Folge hat.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beheben, und dies wird bei einer Gasturbi- nenanl:age der eingangs erwähnten Gattung da durch erreicht, dass der Wärmeträger die ab zugebende Wärmemenge in einem Erhitzer durch feste Wärmeaustauschwände an das Arbeitsmittel der Gasturhinenanlage über trägt, und dass zwischen dem Eintritt des Arbeitsmittels in den Erhitzer und dem Ein tritt des Arbeitsmittels in die Turbine stän dig mit.
dem Arbeitsmittel in Wärmeaustausch stehende, wärmespeichernde Mittel vorhanden sind, durch welche während der Zeit des Aus- Betzens des Wärmeträgers die zum Betrieb der Gasturbinenanlage erforderliche Wärme an das Arbeitsmittel abgegeben wird.
Diese wärmespeichernden Mittel können beispielsweise im Erhitzer zwischen dem Wärmeträger und dem Arbeitsmittel angeord net sein. Eine zweckmässige Ausbildung der Gasturbinenanlage besteht auch darin, dass zwischen Erhitzer und Turbine ein vom Ar beitsmittel durchströmter Wärmespeicher am geordnet wird.
In der beiliegenden Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen standes in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht. Es zeigen: - Fig. 1 eine Gasturbinenanlage mit einem besonderen Wärmespeicher und Fig. 2 eine Gasturbinenanlage mit zusätz lichen wärmespeichernden Mitteln im Er hitzer.
Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Gasturhinenanlagen beschreibt das Arbeits mittel einen. Kreislauf. Das verdichtete und erhitzte Arbeitsmittel entspannt in einer Tur bine 1, durchströmt hernach einen Wärme- austauscher 2 und einen Kühler 3 und wird in einem Verdichter 4 wieder auf erhöhten Druck gebracht. Im Wärmeaustauscher 2 wird sodann das verdichtete Arbeitsmittel durch das die Turbine 1 verlassende Arbeitsmittel vorgewärmt.
Die Nutzleistung wird an einen Generator 5 abgegeben. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anlage tritt das verdichtete und vorgewärmte Arbeits mittel an einer Stelle 6 in einen Erhitzer 7 und wird in Rohrschlangen 8 durch einen intermittierend anfallenden Wärmeträger, beispielsweise durch Abgase, erhitzt, welche durch einen Stutzen 9 in den Erhitzer ein treten i-md diesen durch einen Stutzen 10 ver lassen. Der Wärmeträger überträgt die abzu gebende Wärme durch feste 'VV ärmeaus- tauschwände, nämlich durch die Wandung der Rohrschlangen 8, an das Arbeitsmittel.
Zwischen der Eintrittsstelle 6 des Arbeits- mittel's in den Erhitzer und dessen Eintritt in die Turbine 1 sind wärmespeichernde Mit tel vorhanden. Diese bestehen in einem 7wi- sehen Erhitzer 7 und Turbine 1 angeordneten Wärmespeicher 11, in welchem wärmespei cherndes Material 12 mit vom Arbeitsmittel. durchströmten Kanälen 13 durchsetzt. ist.
In jenem Zeitraum, in dem der Erhitzer 7 vom Wärmeträger durchströmt ist, wird das Arbeitsmittel aufgeheizt. Bevor es aber in die Turbine 1 eintritt, gibt es im Wä.rmespeieher 11 einen Teil seiner Wärme an das Speicher- niaterial ab. Während der Zeit des Aussetzens des Wärmeträgers wird dagegen vom Spei chermaterial umgekehrt die zum Betrieb der Gasturbinenanlage erforderliche Wärme an das Arbeitsmittel abgegeben.
Bei entspre- ehend grosser Bemessung des.Speichers ist es möglich, die Temperaturschwankung des Ar beitsmittels am Eintritt in die Turbine ver hältnismässig niedrig zu halten, beispielsweise auf weniger als 50 . Die Anlage kann dann beispielsweise so ausgelegt werden, @dass die Turbine mit einer nur im Bereich zwischen 625 und 675 C schwankenden Eintrittstem peratur arbeitet.
Der Wärmespeicher kann auch in irgend einer andern zweckdienlichen Weise gebaut sein. So können beispielsweise auch vom Ar beitsmittel die Zwischenräume von lose ge- schiclhtetem Material, etwa einer Steinfül lung, durchströmt werden. Die wärmespei chernden Mittel können auch in hitzebestän digen Metallteilen bestehen.
In Fig. 1 sind ferner noch Mittel darge stellt, durch welche der Druckpegel des Ar beitsmittelkreislaufes verändert werden kann. Diesem Zwecke dient einerseits ein von einem Motor 14 angetriebener Verdichter 15,
durch welchen über eine Leituno@ 16 aus der Atmo sphäre angesaugte Luft durch eine Leitung 17 mit Rüekschlagv entii <B>18</B> und eine Leitung 19 an einer Stelle 20 zwecks Hebung des Druckpegels in den Kreislauf gefördert wer den kann. Eine Senktin- des Di-Liekpegels -wird umgekehrt durch Auslass von Luft durch eine von einem Ventil 21 beherr sehte Leitung 22 erreicht. Durch diese Mittel ist es möglich,
den Druckpegel des Kreislaufes so zu re-u- lieren, dass die Leistungsabgabe der Anlage trotz sehwankender Arbeitsmitteltemperatur konstant bleibt. Bei sinkender Temperatur ist dabei der Druckpegel zu erhöhen und um gekehrt bei steigender Temperatur zu ernied rigen.
Der Ein- oder Auslass von Arbeitsmittel kann hierbei auch selbsttätig- in Funktion der Temperatur des Arbeitsmittels gesteuert. wer den, in der Weise, dass eine bestimmte Zu ordnung zwischen Druckpegel und Tempera tur hergestellt wird. Anderseits kann aber auch direkt ein die Leistungsabgabe der An lage messendes Gerät auf die Regelung des Druckpegels einwirken. Es besteht auch die Möglichkeit, beide Regelungsarten zu kombi nieren, wobei beispielsweise die eiste zur Grobeinstellung und die zweite zur Feinrege lung dienen kann.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anlage tritt. das verdichtete und vorgewärmte Ar beitsmittel an einer Stelle 23 in einen Erhitzer 24. In diesem Erhitzer durchströmt es Rohre 25, welche in eine wärmespeichernde Masse 26 eingebettet sind..
Der intermit.tierend anfallende Wärmeträ ger tritt von oben durch einen Stutzen 27 in den Erhitzer, durehströnit hierauf Kanäle 28, welche die wä.rmespeiehernde Masse durch setzen, und verlässt den Erhitzer durch einen Stutzen 29. Die wärmespeichernden Mittel 26 sind somit zwischen dem in den Kanälen 28 strömenden Wärmeträger und dem in den Rohren 25 strömenden Arbeitsmittel ange ordnet.
Der Wärmeträger überträgt die abzuge bende Wärme durch die Speichermasse 26 und die Wandung der Rohre 25 an das Ar beitsmittel. Ein Teil der Wärmemenge wird in der Heizperiode von der Speichermasse zurückbehalten und in der Zeit des Ausset- zens des Wärmeträgers an das Arbeitsmittel abgegeben, so dass dieses auch dann die zum Betrieb der Crasturbinenanlage erforderliche Wärme erhält.
Bei geschlossenem Arbeitsmittelprozess kann die Gasturbine in bekannter Weise mit Luft oder mit irgendeinem andern Gas betrie ben werden. Die erfindungsgemässe Ga.sturbi- nenanlage kann aber auch als offene Luft- turbi,nenanlage ausgebildet sein, wobei der Verdieliter Luft von der Atmosphäre ansaugt und die verdichtete Luft, gegebenenfalls nach Vorwä.rmung in einem Wäinneaustauscher, in einem Erhitzer unter Wärmeübertragung chireb feste Wände durch den Wärmeträger erhitzt. wird.
1Vach Entspannung in der Tur bine wird dann die Luft. entweder unmittel bar oder nach Durchströmen des Wä.rmeaus tauehers, wenn ein solcher vorhanden ist, in die Atmosphäre ausgestossen. In beiden Fäl len bleibt der Vorteil gewahrt., dass die An lageteile von einem reinen Arbeitsmittel durchflossen sind.
Gas turbine system for the utilization of heat contained in an intermittently occurring heat, especially in exhaust gases. The invention relates to a gas turbine system for the utilization of heat contained in an intermittently occurring heat transfer medium, in particular in exhaust gases.
In industrial plants, for example in the field of steel production, it can happen that hot exhaust gases are generated internally in the wake of a periodic process. If the working fluid of a gas turbine is heated with such exhaust gases, the heat storage capacity of the heater and heat exchange a.pparate is generally not sufficient to maintain operation even during work breaks.
When the supply of heating gas is interrupted, the temperature of the working fluid drops rapidly, which not only results in a rapid drop in power output, but also results in unfavorable thermal stress on the building materials of the turbine.
The aim of the invention is to remedy these disadvantages, and this is achieved in a gas turbine system of the type mentioned at the outset by the fact that the heat transfer medium transfers the amount of heat to be given in a heater through fixed heat exchange walls to the working fluid of the gas turbine system, and that between the entry of the working fluid in the heater and the A occurs with the working fluid in the turbine constantly dig.
the working medium in heat exchange, heat-storing means are available, through which the heat required for the operation of the gas turbine system is transferred to the working medium while the heat carrier is exposed.
These heat-storing means can be net angeord, for example, in the heater between the heat transfer medium and the working medium. An expedient design of the gas turbine system also consists in arranging a heat storage medium through which the working medium flows between the heater and the turbine.
In the accompanying drawings, two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are illustrated in a simplified representation. They show: FIG. 1 a gas turbine system with a special heat accumulator and FIG. 2 a gas turbine system with additional union heat storage means in the heater.
In the gas turbine systems shown in FIGS. 1 and 2, the working medium describes a. Cycle. The compressed and heated working medium expands in a turbine 1, then flows through a heat exchanger 2 and a cooler 3 and is brought back to increased pressure in a compressor 4. In the heat exchanger 2, the compressed working medium is then preheated by the working medium leaving the turbine 1.
The useful power is delivered to a generator 5. In the system shown in Fig. 1, the compressed and preheated working medium occurs at a point 6 in a heater 7 and is heated in coils 8 by an intermittently occurring heat transfer medium, for example by exhaust gases, which enter the heater through a nozzle 9 i-md let this ver through a nozzle 10. The heat transfer medium transfers the heat to be given off through fixed heat exchange walls, namely through the wall of the pipe coils 8, to the working medium.
Heat-storing means are present between the entry point 6 of the working medium into the heater and its entry into the turbine 1. These consist in a 7wi- see heater 7 and turbine 1 arranged heat storage 11, in which wärmespei cherndes material 12 with the working medium. flowed through channels 13 penetrated. is.
In the period in which the heater 7 is flowed through by the heat transfer medium, the working fluid is heated. Before it enters the turbine 1, however, it gives off some of its heat to the storage material in the heat exchanger 11. During the period of exposure of the heat transfer medium, conversely, the heat required to operate the gas turbine system is released from the storage material to the working medium.
If the storage tank is dimensioned accordingly, it is possible to keep the temperature fluctuation of the working fluid at the inlet to the turbine relatively low, for example to less than 50. The system can then be designed, for example, so that the turbine works with an inlet temperature that only fluctuates between 625 and 675 C.
The heat accumulator can also be built in any other expedient way. For example, the interstices of loosely layered material, such as stone filling, can also flow through the working equipment. The wärmespei chernden means can also consist of heat-resistant metal parts.
In Fig. 1, means are also Darge provides through which the pressure level of the Ar beitsmittelkreislaufes can be changed. On the one hand, a compressor 15 driven by a motor 14 serves this purpose,
through which air sucked in from the atmosphere through a line 17 with Rüekschlagv entii <B> 18 </B> and a line 19 at a point 20 for the purpose of raising the pressure level in the circuit can be conveyed through which air sucked in from the atmosphere. Conversely, a lowering of the di-liek level is achieved by discharging air through a line 22 dominated by a valve 21. Through these means it is possible
to regulate the pressure level of the circuit in such a way that the output of the system remains constant despite the fluctuating working medium temperature. When the temperature falls, the pressure level must be increased and, conversely, when the temperature rises, it must be lowered.
The inlet or outlet of the working medium can also be controlled automatically as a function of the temperature of the working medium. who, in such a way that a certain assignment between pressure level and temperature is established. On the other hand, however, a device measuring the output of the system can also act directly on the regulation of the pressure level. It is also possible to combine both types of control, whereby, for example, the bar can be used for coarse setting and the second for fine control.
In the system shown in Fig. 2 occurs. the compressed and preheated work medium at a point 23 in a heater 24. In this heater, it flows through pipes 25 which are embedded in a heat-storing mass 26 ..
The intermittently accruing heat transfer medium enters the heater from above through a nozzle 27, then through channels 28, which put the heat-storing mass through, and leaves the heater through a nozzle 29. The heat-storing means 26 are thus between the in the channels 28 flowing heat transfer medium and the working medium flowing in the tubes 25 is arranged.
The heat transfer medium transfers the heat to be delivered through the storage mass 26 and the wall of the tubes 25 to the working medium. Part of the heat is retained by the storage mass during the heating period and released to the working medium when the heat transfer medium is exposed, so that it then receives the heat required to operate the crasturbine system.
When the working medium process is closed, the gas turbine can be operated in a known manner with air or with any other gas. The gas turbine system according to the invention can, however, also be designed as an open air turbine system, the Verdieliter sucks in air from the atmosphere and the compressed air, optionally after preheating in a heat exchanger, chireb solid walls in a heater with heat transfer heated by the heat carrier. becomes.
1After relaxation in the turbine, the air then becomes. either immediately or after flowing through the heat exchanger, if one is present, expelled into the atmosphere. In both cases, the advantage is retained that the system parts are flowed through by a pure working medium.