Verfahren zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für Gas- turbinen, sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für Gastur binenanlagen, mit Hilfe eines Wärmekreisprozesses und stufenweiser Druckerhöhung der Verdichtung, sowie unter Anwendung eines gasförmigen Hilfs mediums und einer Anzahl Druckbehälter. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durch führung des Verfahrens.
Nach einem bekannten Verfahren zur Erzeugung heisser Nutzdruckluft mit einer im offenen Prozess betriebenen Gasturbinenanlage wird die auf den höchsten Prozessdruck verdichtete Nutzdruckluft in Wärmeaustauschern teils von Abgasen der Gasturbine, teils von heissen, durch innere Verbrennung erzeugen Treibgasen erhitzt, in einer Heissluftturbine entspannt und schliesslich von den heissen Treibgasen wiederum in Wärmeaustauschern auf die geforderte Nutzluft temperatur aufgeheizt, wobei die Erhitzung der Nutz druckluft vor und hinter der Entspannungsturbine bei Druckgleichheit zwischen Nutzdruckluft und Treibgas in kontinuierlich arbeitenden Regeneratoren erfolgt.
Nach diesem bekannten Verfahren wird bei der Erzeu gung der fertigen Druckluft die Abwärme der Gas turbine in der Weise ausgenutzt, dass in ihr eine Nutz druckluft von höherer Spannung entsteht als es sonst nötig wäre. Obwohl gemäss diesem bekannten Ver fahren auch bei weiterer Verwendung der fertigen Nutzluft kontinuierlich arbeitende Regeneratoren Ver wendung finden, die nur stationär belastet sind, so bezieht sich dies nur auf die durch die Gasturbine erzeugte Druckluft und nicht, wie beim erfindungs- gemässen Verfahren, auf deren Erzeugung.
Nach einem anderen bekannten Verfahren der genannten Art ist wohl die Anwendung einer Anzahl Behälter bekannt geworden. Das Hilfsmedium wird gemäss diesem Verfahren von der kalten Seite des Arbeitszylinders her durch einen Wärmeregenator ein- und ausgeführt, wodurch unter gleichen Umständen etwa die fünffache Gewichtsmenge dieses Hilfsme diums angewendet werden muss, um dieselbe Wirkung wie beim erfindungsgemässen Verfahren zu erzielen. Da diese Verdichtungsart auch mit bedeutenden Strömungs- und Druckverlusten verbunden ist, wirken sich diese hohen Verluste auf den Wirkungsgrad des ganzen Kreisprozesses äusserst nachteilig aus.
Weiters wird das Hilfsmedium selbst nicht nur zur Drucker höhung der Verdichtung allein verwendet, sondern auch zum Ausschub des fertigen Nutzmediums aus dem Arbeitszylinder, was praktisch soviel bedeutet, dass eine grosse, auf eine nur geringe Temperatur erhitzte Menge des Mediums den ganzen Kreisprozess durchlaufen muss, wodurch die Eingangstemperatur des ganzen Kreisprozesses enorm herabgedrückt wird.
Schliesslich wurde im Zusammenhang mit einer bekannten Einrichtung auch vorgeschlagen, den Bus schub der fertigen Druckluft durch eine kleine, hocherhitzte Gasmenge zu bewerkstelligen, wobei sich allerdings gezeigt hat, dass es bei praktisch brauch baren Druckstufen fast gar nichts auszuschieben gibt, da fast der ganze Inhalt der eingeschobenen Arbeits- luftmenge ausschliesslich auf die Druckerhöhung des Kreisprozesses verwendet werden muss. Da sich nun alle Verluste auf diese minimale Nutzdruckluftmenge beziehen, kann von einem Wärmenutzungsgrad nicht gesprochen werden.
Ziel der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für Gasturbi- nenanlagen, welches die aufgezeigten Nachteile und Mängel der bekannten Verfahren vermeidet. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erzeugung von Druckluft ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ver dichtung der als Betriebsmittel dienenden frischen oder entspannten Luft in zwei Arbeitsphasen erfolgt, bei welchen die in wenigstens einen Arbeitsbehälter eingelassene primäre Luft während der ersten Phase lediglich durch das Hilfsmedium verdichtet wird, welches in den Behälter,
in dem ein zur Schaffung laminarer Strömungsverhältnisse mit engen Durchläs sen ausgebildeter Wärmeregenerator angeordnet ist, stufenweise mit jeweils höherem Druck einströmt und während der zweiten Phase durch eine dem Arbeitsbe hälter zugeführte und auf hohe Temperatur erhitzte geringe Menge Luft weiter verdichtet und xusgescho- ben wird,
welche heisse Luft nach dem Ausschub im wesentlichen das gleiche Volumen wie die zu Beginn der ersten Phase zugeführte kältere Luft einnimmt und wonach das gasförmige Hilfsmedium über den Wärmegenerator aus dem Arbeitsbehälter bei stufen weisem Druckabfall in demselben wieder in eine Anzahl von Druckgasbehältern zurückströmt.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungs- gemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsbehälter ein vertikal angeordneter und den Arbeitsraum bildender Zylinder vorgesehen ist, bei welchem im oberen Bereich der Wärmeregenerator mit den Ein- und Auslässen für das Hilfsmedium und im unteren Bereich die Ein- und Auslässe für das primäre Arbeitsmedium angeordnet sind.
Bei einer besonderen Ausführungsform der erfin- dungsgemässen Einrichtung kann im unteren Bereich des Arbeitszylinders ein rostähnliches Beruhigungsgit ter zur Schaffung laminarer Strömungsverhältnisse angeordnet sein.
Der obere Bereich des Arbeitszylinders kann in Form eines abgestumpften, sich nach oben verjün genden Kegels ausgebildet sein.
Der Arbeitszylinder kann auch als Doppelmantel zur Aufnahme von unter Druck durchfliessendem Kühlwasser ausgebildet sein, wobei das im Zylinder kühlmantel erhitzte Wasser bzw. der entstandene Dampf, an der Stelle des höchsten Druckes entnom men wird und für den Kreisprozess zur Verwendung gelangt.
Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegen standes sieht vor, die Behälter für die Aufnahme des gasförmigen Hilfsmediums nach steigendem Druck und alle innerhalb des Behälters von geringstem Druck anzuordnen und schliesslich ist auch noch eine Aus bildung möglich, bei der lediglich der wärmebean spruchte Regenerator den hohen Temperaturen aus gesetzt ist und die wirksam gekühlte Wand des Ar beitszylinders druckentlastet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 das Schaltschema einer erfindungsgemäs- sen Einrichtung mit offenem Kreisprozess und Fig. 2 das Schaltschema einer Einrichtung mit geschlossenem Kreisprozess.
Die Einrichtung gemäss Fig. 1 weist einen vertikal angeordneten, im wesentlichen zylindrischen Arbeits behälter V auf, der mit einer grossen Gewichtsmenge kalter atmosphärischer Luft gefüllt ist. In Gasdruckbe- hältern N,, N2 ... N", die an den Arbeitsbehälter V über Einlässe 0,;. Opi ... OI,i und Auslässe 01e, <B>02,</B> ... 0"e angeschlossen sind, befindet sich kaltes Verbren nungsgas von fortlaufend höheren Drücken P,', PJ ... P"'.
Im oberen Bereich des Arbeitsbehälters V ist ein Wärmeregenerator R angeordnet. In seinem unteren Teil ist der Arbeitsbehälter V mit dem Ein- und Aus lass OTi und OTe für das primäre Arbeitsmedium versehen. Durch Öffnen des Einlasses Oll wird in den Arbeitsbehälter V eine gewisse kleine Menge von Verbrennungsgasen aus dem Druckgasbehälter N, in den Arbeitsbehälter V eingelassen, wobei die ausge lassene Gasmenge und der Druck im Behälter N, auf den Wert P, < P,' sinkt. Das Gas strömt laminar in den Wärmeregenerator R ein, der aus dünnen Blechen mit engen Spalten zusammengesetzt ist.
Der Wärmeübergang geschieht lediglich durch Wärme führung in einer dünnen Gasschicht. Die Masse des Wärmeregenerators ist so gross bemessen, dass sich seine Temperatur während der Zufuhr oder Abfuhr des Gases nicht merklich ändert. Der obere Teil des Wärmeregenerators R hat eine niedrige, sein unterer Teil dagegen eine sehr hohe Temperatur, z.B. 1200 bis 1300 C. Der Wärmeregenerator R ist gleichzeitig als Beruhigungsgitter ausgebildet, damit es im Arbeits behälter V nicht zu einer wesentlichen Durchmischung von heissem und kaltem Gas kommt.
Die Menge der in den Arbeitsbehälter V eintretenden Gase wird im Wärmeregenerator R unter gleichem Druck P, auf eine um ein bestimmtes A t niedrigere Temperatur erhitzt, als die des unteren Regeneratorendes. Die Verbrennungsgase im Arbeitsbehälter V nehmen so ein Vielfaches ihres Volumes an und drücken den ursprünglichen Inhalt des Zylinders, d.h. die kalte Luft, auf ein kleineres Volumen und auf den gleichen Druck P, zusammen.
Sobald im Arbeitsbehälter V ein Druckausgleich zustandekommt, wird das Einlassorgan 0,i geschlos sen. Sofort darauf wird das Einlassorgan 0=i geöffnet und lässt einen Teil des Inhaltes des Druckgasbe hälters N. über den Wärmeregenerator R in den Ar beitsbehälter V ein. Der resultierende Druck im Druckgasbehälter N., und im Arbeitsbehälter V wird nach Erzielung des Gleichgewichtes P2 < P.', P2 > P,' sein.
Die Kompression des bisherigen Inhaltes des Arbeitsbehälters V der kalten Luft und des ersten Anteiles der heissen Verbrennungsgase geschieht wieder durch Anwachsen des Volumens des zweiten Anteiles der Verbrennungsgase wegen ihrer regene- rativen Erwärmung auf Kosten des bisherigen Inhaltes des Arbeitsbehälters V. Nach Erreichen eines Gleich gewichtes beim Druck P" im Behälter V wird das Einlassorgan 0.,i geschlossen.
Auf gleiche Weise geht man vor, nachdem beim öffnen des Einlassorgans Oui in den Zylinder ein Teil der Verbrennungsgase aus licher Druck P"' dadurch auf den Wert P" i Pn-1' dem Druckgasbehälter N" eintritt, deren ursprüng- sinkt. Nach Erzielung eines Gleichgewichtes im Ar beitsbehälter V beim Druck P" wird das Einlassorgan 0"i geschlossen.
Darauf öffnet sich das Einlassorgan 0i und lässt aus einem Vorratsbehälter A,. eine be stimmte Menge von Luft bei einem Druck P > P"' über den Wärmeregenerator R in den Arbeitsbe hälter V ein, wobei gleichzeitig an der angedeuteten Stelle in den Behälter V auch Brennstoff in einer solchen Menge zugeführt wird, dass sich die rege- nerativ erwärmte Luft durch Verbrennung des Brenn stoffes auf eine noch höhere Temperatur erhitzt, z.B. auf 1600 C. Infolgedessen wird der bestehende Inhalt des Arbeitsbehälters V auf ein kleineres Volumen bei einem Druck P zusammengedrückt.
Sobald beim Druck P ein Gleichgewicht des Druckes im Behälter V erreicht wird, öffnet sich das Auslassorgan OTe und lässt kalte unter Druck stehende Luft aus dem Behälter V in einen Vorratsbehälter A., ein. Die Zufuhr der Druckluft aus dein Vorratsbehälter Al über das Organ 0i und über den Wärmeregenerator R in den Arbeitsbehälter V sowie die Brennstoffzu fuhr und seine Verbrennung erfolgen solange, bis die gesamte kalte Luft aus dem Arbeitsbehälter V ver trieben ist. Zu diesem Zeitpunkt werden die Organe OTe, 0i geschlossen und die Brennstoffzufuhr wird unterbunden.
Der Arbeitsbehälter V bleibt dann mit heissen Verbrennungsprodukten von einem Druck P gefüllt.
Darauf öffnet sich das Auslassorgan 0.e und lässt über den Wärmeregenerator R in den Gas druckbehälter N" eine solche Menge von Verbren nungsgasen ein, dass der resultierende Druck im Ar beitsbehälter V und im Gasdruckbehälter N" P"' G P sein wird. Die Verbrennungsgase werden dabei im Wärmeregenerator R auf eine um das nötige 0 t höhere Temperatur abgekühlt, als das äussere (kalte) Ende des Wärmeregenerators R.
In den Gasdruckbe- hälter N" wird gleichzeitig eine genügende Menge kalten Wassers eingespritzt, um die Temperatur des Gasdruckbehälters N" um 2 A t herabzusetzen. Das Auslassorgan 0"e wird geschlossen.
Auf diese Weise wird absatzweise immer ein Teil des Inhaltes des Ar beitsbehälters V bei stufenweise sinkendem Druck abgelassen, bis der vorletzte Anteil der Verbrennungs gase über das Auslassorgan <B>0"</B> in den Gasdruckbe- hälter N, abgelassen wird, wobei im Arbeitsbehälter der Druck vom Wert P. auf den Wert P1' > P1 und im Gasdruckbehälter N1 der Druck vom Wert P, auf den Wert P1' sinkt.
Darauf wird das Auslassorgan O" gesperrt und ein Auslassorgan 0e geöffnet, über welches vorerst ein Teil der Verbrennungsgase aus dem Behälter V in die Atmosphäre expandiert und dann nach öffnen des Einlassorganes OTi der Rest der drucklosen Verbrennungsgase über das Auslass- organ 0e in die Atmosphäre ausgedrückt wird.
Durch das Einlassorgan OTi tritt in den Zylinder frische kalte atmosphärische Luft aus einem Vorrats behälter A3 ein und nimmt schliesslich wieder den ganzen Inhalt des Arbeitsbehälters V ein. Darauf werden gleichzeitig die Organe OTi und 0e geschlos sen, wodurch der Arbeitsprozess vollendet ist.
Ein im unteren Teil des Arbeitsbehälters V angeordnetes Beruhigungsgitter m verhütet ein über- mässiges Wirbeln der kalten Luft am Eintritt in den Arbeitsbehälter V, damit es zu keinem besonderen Mischen der kalten Luft mit den heissen Ver brennungsgasen kommt.
Da der Arbeitsbehälter V in Takten arbeitet, werden zur Erzielung eines ruhigen Ganges einer Turbine T, einer Kompressorgruppe K1, K. und eines Ventilators Ve eine Reihe von Arbeits behältern an gemeinsame Vorratsbehälter AI, A, A3 und an gemeinsame Druckgasbehälter N1, N. bis N" angeschlossen. Der gemeinsame Ventilator Ve erzeugt lediglich den Förderüberdruck für das Einpressen von Luft in die Arbeitsbehälter V und zum Ausdrücken der drucklosen Verbrennungsgase aus diesen.
Die Kompressorengruppe K1, KZ mit einem Einspritz kühler<B>CH,</B> liefert Luft bei einem Druck P in den Vorratsbehälter Al, die Luftturbine T verarbeitet die Druckluft aus dem Vorratsbehälter A@. Ein Generator G verbraucht die mechanische Nutzarbeit. Da aus der Turbine T kalte Luft entweicht, kann sie zum Kühlen der Mäntel der Arbeitsbehälter V verwendet werden, die geeignete Rippen besitzen. Ein derartiges Kühlen eignet sich besonders für niedrigere Arbeitsdrücke.
In den Vorratsbehälter A, wird Wasser eingespritzt, wel ches die Temperatur der Luft für den Wärmerege nerator R herabsetzt und gleichzeitig durch Verdamp fen die Menge des warmen Mediums erhöht, wodurch der Arbeitsverbrauch des Kompressors herabgesetzt und der thermische Wirkungsgrad des Prozesses erhöht wird.
Die Anzahl der Druckstufen bzw. die Anzahl der Druckgasbehälter für das Hilfsmedium wird durch den erwünschten Gesamtwirkungsgrad der Anlage bestimmt.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung wird ein geschlossener Kreisprozess der Turbine verwendet, der die Erzielung hoher Leistungen ermöglicht. Die Einrichtung unterscheidet sich von der vorher be schriebenen dadurch, dass in den Vorratsbehälter A3, der gleichzeitig ein Nachkühler ist, die Luft aus dem Turbinenaustritt geliefert wird, welcher ein höheres Druckniveau besitzt. Im Vorratsbehälter A3 ist die unumgängliche Oberflächennachkühlung der Luft vor der Kompression eingebaut.
Das obere Druckniveau an der oberen Seite des Arbeitsbehälters V wird durch ein Maschinenaggregat (Kompressor-Turbine) erhalten, das hier als Kompressorgruppe K,', K@', K3' mit Einspritzkülern <B>CH:,',</B> CHF', CH3' und einer Turbine T' ausgebildet ist. In die Turbine T' kommt der Auspuff von niedrigstem Druck im Arbeitsbehälter V; es ist somit nötig, einen gemeinsamen Vorratsbe hälter A4 einzuschalten. Ferner wird Wasserkühlung für die Mäntel der Arbeitsbehälter verwendet und der Dampf aus dem Mantel wird in den Vorratsbehälter A1 geführt.
Es kann eine ganze Reihe von Abänderungen vorgenommen werden, insbesondere, was die Anord nung der Kompressoren und deren Kühlung betrifft, sowie die Kühlung des Arbeitsbehälters. Das Steuern der Ein- und Auslassorgane kann mechanisch, hydrau lisch oder elektrisch erfolgen und durch Impulse von Druck- oder Wärmesonden beeinflusst werden. Die Druckbehälter N1 bis N" können vorteilhaft gleichach sig ineinander angeordnet sein, wobei jeweils ein Be hälter mit höherem Druck im Behälter mit einem um eine Stufe niedrigeren Druck vorgesehen ist. Das Kühlen der Verbrennungsgase in den Behältern kann gleichfalls durch eine Oberflächenkühlung erfolgen.
Die Ein- und Auslassorgane können ebenso beliebiger geeigneter Bauart sein.
Eine Eigenschaft dieser erfindungsgemässen Ein richtung besteht darin, dass weder die Turbinen schaufeln noch mechanisch heikle Teile (Ein- und Auslassorgane u. dgl.) hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Der Wirkung hoher Temperaturen ist lediglich das heisse Ende des Wärmeregenerators R ausgesetzt. Der Mantel des Arbeitsbehälters V kann leicht und wirksam gekühlt werden und bei grösseren Anlagen und hohen Drücken kann ein durch Druckwasser gekühlter Doppelmantel verwendet werden, so dass sein innerer heisser Teil von einer Druckbeanspru chung entlastet sein kann.
Diese Anordnung ermög licht die Anwendung genügend hoher Temperaturen in heissen Teil des Kreisprozesses, wodurch der thermische Wirkungsgrad von Dieselmotoren erzielbar ist.