CH693682A5 - Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie mittels einer Strömungsmaschine. - Google Patents

Description

  


 Technisches Gebiet 
 



  Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung derselben gemäss Patentanspruch 10. 


 Stand der Technik 
 



  Für die Energiegewinnung werden Strömungsmaschinen eingesetzt, von denen in der Kategorie der Wärmekraftmaschine die Gasturbine ein weit verbreitetes energieumwandelndes Aggregat darstellt. Gasturbinen werden mit flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen betrieben. Ein typischer Rekuperator-Gasturbinenaufbau weist einen Luftverdichter auf, auch Turbokompressor genannt, der Frischluft ansaugt, die typischerweise auf einen Druck von 4 bis 8 bar verdichtet und, bei bestimmten Schaltungen, in einen Wärmetauscher gedrückt wird, in dem sie, vorzugsweise, durch noch heisse, der Turbine entströmenden Verbrennungsgase vorgewärmt wird. Bei Anlagen ohne Rekuperator beträgt der Druck am Ende des Verdichters typischerweise 12-30 bar. Schliesslich gelangt die vorgewärmte und komprimierte Zuluft gemeinsam mit Brennstoffen in eine Brennkammer, wobei Heiss- bzw.

   Verbrennungsgase grösser 1200 DEG C entstehen. Diese Verbrennungsgase strömen mit grosser Geschwindigkeit in die Turbine und treiben diese an, die für gewöhnlich mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. 



   Eine Vielzahl von Anstrengungen werden unternommen, den Betrieb von Gasturbinen hinsichtlich ihrer Leistungsdichte und ihren Wirkungsgrades zu verbessern. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine hängt grundsätzlich vom Verhältnis des Energieeintrages in die Gasturbine zu der durch die Gasturbine umgesetzten Energie ab, die mittels eines Generators in elektrische Energie umwandelbar ist. So gilt es, den Energieanteil, der theoretisch von den Verbrennungsgasen der Gasturbine zur Verfügung gestellt wird, aber nicht in elektrische Energie umgewandelt wird, zu reduzieren. 



  Ein grosser Teil der Verluste einer Gasturbine hängt mit den relativ hohen Temperaturen zum Turbinenaustritt zusammen. Damit die in der Brennkammer zugeführte Wärme zu einem möglichst hohen Prozentsatz von der Turbine in mechanische Leistung umgesetzt werden kann, muss das Druckverhältnis der Gasturbine möglichst gross gewählt werden. Allerdings haben hohe Druckverhältnisse den Nachteil, dass die komprimierte Luft sehr heiss wird. Dies hat zur Folge, dass bei einer festgelegten Turbinenaustrittstemperatur mit zunehmendem Druckverhältnis immer weniger Wärme pro Kilogramm Luft in die Brennkammer eingeleitet werden kann. Ausserdem entfällt die Möglichkeit einer Luftvorwärmung, weil die Lufttemperatur nach dem Verdichter bei hohem Druckverhältnis grösser wird als die Abgastemperatur nach der Turbine. 



  Eine weitere wichtige Verlustquelle bei Gasturbinen hängt damit zusammen, dass ca. 2/3 der mechanischen Leistung der Turbine zum Antrieb des Verdichters aufgewendet werden müssen. Weil Turbine und Verdichter Komponentenwirkungsgrade aufweisen, die kleiner als 1 sind, führt die Leistungs-abgabe der Turbine zu dem Verdichter zu einem Produktwirkungsgrad, der dem Produkt der Komponentenwirkungsgrade entspricht, und deshalb deutlich geringer ist als die Komponentenwirkungsgrade. 



  Die erwähnten Gründen führen zu einem Kompromiss. Die höchste Leistungsdichte einer Gasturbine wird bei niedrigerem Druckverhältnis als demjenigen des höchsten Wirkungsgrads erreicht. In der Regel wird das Druckverhältnis der Gasturbine deshalb so gewählt, dass ein optimaler Kompromiss zwischen Leistung und Wirkungsgrad erzielt wird. Neben der Verbesserung der oben genannten Gesichtspunkte bezüglich der Leistungsdichte und des Wirkungsgrades von Gasturbinen, spielt auch die thermische Belastbarkeit der einzelnen Komponenten, die für den Betrieb von Gasturbinen erforderlich sind, für die Konzeption und Auslegung derartiger Anlagen eine zunehmend bedeutende Rolle. Nicht zuletzt aus Wettbewerbsgründen gilt es Gasturbinenanlagen nicht zu aufwändig und demzufolge zu kostspielig zu gestalten aber andererseits langlebige und hochqualitative Produkte anzubieten. 



  So bestehen beispielsweise konventionelle Verdichterstufen jeweils aus einem, mit Lauf- und Leitschaufeln bestückten Rotor und Stator durch die die durch die Verdichterstufe hindurchströmende Luft durch die Kompression von Umgebungstemperatur auf bis zu über 500 DEG C erwärmt wird. Derartig hohe Temperaturen strapazieren die verwendeten Materialien in der Verdichterstufe erheblich, wodurch die Lebensdauer der einzelnen beteiligten Komponenten nachhaltig beeinträchtigt werden, sodass aufwändige und umfangreiche Kühlmassnahmen zu treffen sind, um die Widerstandsfähigkeit der Materialien im Verdichterbereich gegenüber dem Auftreten von hohen Temperaturen zu steigern. Weil ausserdem die Kühlluft sehr heiss ist, wird die Kühlung schwierig und verbraucht sehr viel Kühlluft. 


 Darstellung der Erfindung 
 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszugestalten, dass die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad sowie die Lebensdauer der Komponenten der Strömungsmaschine, insbesondere ihrer thermisch belasteten Komponenten, gesteigert werden sollen. 



   Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhafte ausgestaltende Merkmale sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. 



  Erfindungsgemäss ist eine Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, zu deren Antrieb eine Verdichteranordnung zur Verdichtung eines komprimierbaren Mediums, vorzugsweise Luft, vorgesehen ist, das über ein Zuleitungssystem der Strömungsmaschine direkt oder nach Zwischenschaltung einer Brennkammer, in der das komprimierte Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, zuführbar ist, derart ausgebildet, dass die Verdichteranordnung wenigstens eine Verdichterstufe vorsieht, in der das Medium isotherm komprimierbar ist. 



  Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, Luft im Rahmen einer isothermen Kompression, in der die Luft vergleichbar hoch verdichtet werden kann, wie es auch im Falle konventioneller Luftverdichterstufen möglich ist, jedoch ohne auf hohe Kompressionstemperaturen zu gelangen, in einen vorverdichteten Zustand überzuführen, sodass diese im Extremfall unter Vermeidung eines konventionellen Teilluftverdichters und somit Fortfall der Notwendigkeit des Antriebes des Luftverdichters durch die Gasturbine, direkt für den Antrieb der Gasturbine zur Verfügung steht. Der entscheidende Vorteil isothermer Verdichtung liegt darin, dass die maximal mögliche Wärmezufuhr mit zunehmendem Druckverhältnis nicht abnimmt. Damit bleibt die Leistungsdichte auch bei grossem Druckverhältnis hoch. Ausserdem ist Rekuperation immer möglich.

   Ferner besteht der entscheidende Vorteil eines offenen mit externem Isothermverdichter betriebenen Zyklus darin, dass keine Produkte von Wirkungsgraden auftreten. 



  Ferner ist es erfindungsgemäss möglich, isotherm vorkomprimierte Luft einer konventionellen Hochdruckvorverdichterstufe zuzuleiten, durch die die Luftdichte auf einen festgelegten Sollwert erhöht wird. Auf diese Weise wird die Temperatur der hochverdichteten Luft nach Passieren der hochverdichtenden Verdichtereinheit von üblicherweise 555 DEG C auf unter 300 DEG C reduziert. Das niedrige Temperaturniveau der hochverdichteten Luft innerhalb der Verdichtereinheit trägt insbesondere dazu bei, dass jegliche in der Verdichtereinheit vorhandenen Komponenten, wie beispielsweise Laufschaufeln am Rotor sowie Leitschaufeln am Stator, geringeren Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, sodass auf Kühlmassnahmen vollständig oder zumindest teilweise verzichtet werden kann, wodurch die Anordnung einfacher in der Wartung und kostengünstiger wird.

   Ausserdem kann der Kühlluftverbrauch des Rotors und der Turbine wegen der niedrigen Lufttemperatur sehr stark abgesenkt werden, was Leistungsdichte und Wirkungsgrad der Anlage stark erhöht. 



  Schliesslich bietet eine Gasturbine mit der erfindungsgemässen vorgeschalteten isothermen Kompression verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Nutzung der Abwärme der aus der Gasturbine austretenden Abgase, zumal, wie vorstehend dargelegt, das Temperaturniveau der hochverdichteten Luft nach Austritt aus einer der isothermen Kompression nachgeschalteten Hochdruckvorverdichterstufe geringer ist als bei Verdichtern konventioneller Gasturbinenanlagen und daher ein besserer Wärmeübergang zwischen einem Wärmetauscher, in dem die Abgase der Gasturbine rückgeführt werden (Rekuperator) und der hochverdichteten Luft stattfindet. 



  Ein Nachschalten einer hochverdichtenden Verdichterstufe nach der isothermen Kompression erfordert zwar wiederum einen kinematischen Antrieb durch die Turbine, wodurch der vorstehend beschriebene Leistungsverlust der Gasturbine entsteht, doch ist dieser Energieanteil nun erheblich reduziert gegenüber der ausschliesslichen Vorverdichtung mittels konventioneller Verdichterstufen. Zudem tragen die niedrigeren Temperaturen der hochverdichteten Zuluft nach Austritt aus der hochverdichtenden Verdichterstufe zu einem besseren Wärmeübergang beim Rekuperator bei, was sich positiv auf eine Reduktion der Abgasemissionswerte auswirkt. 



  Die erfindungsgemässe isotherme Vorkompression von Luft vor Eintritt in eine Gasturbine oder in eine vor der Gasturbine vorgeschaltete Hochdruck-Verdichterstufe erfolgt in besonders vorteilhafter Weise unter Ausnutzung der Gravitation entlang einer Gefällstrecke, entlang der ein Luft-Wasser-Gemisch durch einen geeignet ausgebildeten Strömungskanal fällt, wobei die Luft im Wege hydraulischer Kompression eine isotherme Verdichtung erfährt. 



  Der Einsatz der erfindungsgemässen Kombination aus isothermer Vorverdichtung und einer energieerzeugenden Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, eignet sich besonders an orografisch hochgelegenen Wasservorkommen, wie beispielsweise Bergseen, aus denen Wasser für eine hydraulische Kompression entnommen werden kann. 



  Hierzu ist ein vorzugsweise senkrecht verlaufender Strömungskanal vorgesehen, der einen oberen Einlass- und einen unteren Austrittsbereich aufweist, wobei der Durchmesser des Strömungskanals im Bereich des Einlasses grösser ist als der Durchmesser im Bereich des Austrittsbereiches. Im Einlassbereich des Strömungskanals ist eine, das Wasser zerstäubende Düsenanordnung, angeordnet, welche in grosser Menge eine möglichst grosse Vielzahl kleinster Wassertropfen erzeugen soll. Ebenso ist bei der Wasserzerstäubung im Einlassbereich des Strömungskanals darauf zu achten, dass das zerstäubte Wasser mit einem möglichst grossen Luftvolumen vermischt werden soll.

   Das auf diese Weise erzeugte Luft-Wasser-Gemisch fällt auf Grund der Eigenschwere durch das Gravitationsfeld durch den Strömungskanal, dessen Innenkontur derart ausgebildet ist, dass der Bereich nahe dem Einlassbereich eine weit gehend gleich bleibende Querschnittsfläche entlang der vertikalen Erstreckung des Strömungskanals aufweist, sodass sich die Geschwindigkeiten der Luftströmung und der fallenden Tropfenwolke möglichst rasch durch Impulsübertragung angleichen. Sobald das Luft-Wasser-Gemisch eine bestimmte Fallgeschwindigkeit von ca. 6 bis 12 m/s erreicht hat, verkleinert sich der Querschnitt des Strömungskanals in Fallrichtung, sodass der relative Geschwindigkeitsunterschied zwischen Tropfenwolke und Luft bzw. zwischen Wasser und Blasen möglichst klein wird. 



   Ohne Bremsung würde die Tropfenwolke mit der Gravitationsbeschleunigung nach unten beschleunigt. Die Geschwindigkeit v würde sich rasch nach der Formel 



   
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  erhöhen, wobei g die Gravitationsbeschleunigung bezeichnet und x die nach unten gerichtete Koordinate sei. x0 ist eine Konstante, die etwa dem Startpunkt der freien Fallbewegung entspricht. Würde auch die Luft dem freien Fall folgen, dann müsste die Querschnittsfläche des Kompressionsschachtes nach dem Gesetz der Volumenerhaltung, 



   
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  folgen, wobei A0 die Querschnittsfläche am Anfang des Fallschachtes und A die Querschnittsfläche an einer beliebigen Stelle bezeichnen. 



  Nun wird der Querschnitt des Fallschachtes erfindungsgemäss etwas langsamer verengt als nach (2). Der Verlauf der Verengung wird gerade so gewählt, dass die Bremswirkung der Luft auf die Tropfenwolke zu einer konstanten möglichst kleinen relativen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Tropfenwolke und Luft führt. 



  Die Wirkungsgradeinbusse der Energieübertragung von der Tropfenwolke auf die Luft entspricht direkt der relativen Geschwindigkeitsdifferenz. Deshalb darf die Bremsung nur so stark sein, dass die relative Geschwindigkeitsdifferenz, d.h. v-Tropfen weniger v-Luft dividiert durch v-Tropfen genügend klein bleibt. Die Tropfenbremsung führt dann zu einer isothermen Kompression der Luft. 



  Durch die Strömungsquerschnittsverringerung erfährt die zwischen den Wassertropfen eingeschlossene Luft nach der Gesetzmässigkeit von Bernoulli eine Druckerhöhung, die einer isothermen Kompression entspricht. Schliesslich gelangt das isotherm komprimierte Luft-Wasser-Gemisch durch die Aus-lass-öffnung des Strömungskanals in ein unmittelbar an der Auslassöffnung vorgesehenes Auffangbecken bzw. Hochdruckkammer, in der sich das Wasser von der komprimierten Luft abscheidet. Der Abscheidevorgang ist vergleichbar mit dem Auftreten grosser Luftblasen, die im Bereich eines in Wasser eintauchenden Wasserfalls entstehen. 



  Zudem kann die Strömungsdynamik des Luft-Wasser-Gemisches, die durch den Strömungskanal fällt, mit der Dynamik auftretender Staub- oder Trockenschneelawinen verglichen werden. Insbesondere bei Staub- bzw. Schneelawinen, die aus trockenem Schnee bestehen und somit eine grosse Menge an Luft einschliessen, können je nach Hanglage Vorwärtsgeschwindigkeiten von über 400 km/h aufweisen. Übertragen auf den in Rede stehenden Strömungskanal und die damit erreichbare isotherme Kompression bedeutet dies, dass für eine besonders effiziente Kompression ein möglichst stark mit Luft angereichertes Luft-Wasser-Gemisch mittels der Wasser-Zerstäubungseinrichtung zu erzeugen ist, sodass eine möglichst grosse Vielzahl kleinster Wassertropfen gebildet werden oder eine ebensolche Vielzahl kleinster Blasen in Wasser. 



  Die in der Hochdruckkammer isotherm vorverdichtete Luft ist über einen entsprechenden Auslasskanal mit der Strömungsmaschine direkt verbunden, falls der Verdichtungsgrad der Luft genügend hoch ist. Andernfalls ist der Auslasskanal mit einer Hochdruckvorverdichterstufe verbunden, mittels der die Luft auf einen gewünschten Wert vorverdichtet werden kann. 



  Der vorstehend geschilderte Fall nutzt insbesondere das natürliche Gefälle einer Orografie beispielsweise von Bergseen aus, wodurch Ressourcen geschont werden ohne Minderung der Leistung einer Strömungsmaschine. 



  Um die Vorteile der isothermen Kompression auch an Orten zu nutzen, an denen keine durch die -Orografie vorgegebene natürliche Gefällstrecken vorhanden sind, ist das Luft-Wasser-Gemisch in den vorstehend geschilderten Strömungskanal auch mittels Rotationsmaschinen oder mittels Hochdruckstrahl-Anordnungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeit einleitbar, sodass grundsätzlich das Erzielen der iso thermen Kompression mit dem Strömungskanal unabhängig von orografischen Bedingungen möglich ist. Derartige Lösungen erfordern jedoch einen zusätzlichen Energieeintrag, der im Gesamtwirkungsgrad beim Betrieb einer Gasturbine mit zu berücksichtigen ist. 



  Es hat sich gezeigt, dass unter Nutzung der vorstehend beschriebenen isothermen Kompression die Netto-Ausgangsleistung von Gasturbinen um mehr als den Faktor 2 gesteigert werden kann. 


 Kurze Beschreibung der Zeichnungen 
 



  Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 Prinzipdarstellung eines Blasenkompressors zur Erläuterung der isothermen Kompression, 
   Fig. 2 Anordnung zur thermodynamischen Kompression mit Strömungskanal, 
   Fig. 3 Anordnung wie Fig. 2 und zusätzlicher Teilrückführung des Wassers sowie 
   Fig. 4a, b, c Anordnungsvarianten für eine mit isothermer Kompression betreibbare Strömungsmaschine. 
 


 Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit 
 



  Das der isothermen Kompression zu Grunde liegende Prinzip ist aus der Fig. 1 zu entnehmen. Ein oberes Wasserreservoir 1 ist mit einem Strömungskanal 2 verbunden, in den, im gezeigten Beispiel, zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Wasser paketen 3, 3¾ Lufteinschlüsse 4, 4¾ vorgesehen sind, die im Gravitationsfeld der Erdbeschleunigung g unterliegen und sich im Strömungskanal 2, der senkrecht angeordnet ist, nach unten bewegen. Das Gewicht des Wassers führt zu einer isothermen Verdichtung der eingeschlossenen Luftpakete. Diese gelangen dann in verdichteter Form in eine Hochdruckkammer 5, die im unteren Bereich des Strömungskanals 2 vorgesehen ist. Im gezeigten Beispiel gelangt das durch die Erdbeschleunigung g beschleunigte Wasser in ein Auffangbecken 6, in dem das Wasser zur Ruhe kommt.

   Theoretische und praktische Untersuchungen zeigen, dass die Wirkungsweise der isothermen Kompression gesteigert werden kann, wenn ein bestimmtes Luftvolumen mit möglichst viel Wasseroberfläche in Kontakt kommt. Dies setzt voraus, dass das in den Strömungskanal einzuleitende Wasser in möglichst kleine Tropfen zu zerstäuben ist, um auf diese Weise ein fein verteiltes Luft-Wasser-Gemisch zu erzeugen. Das durch den Strömungskanal 2 hindurchtretende Luft-Wasser-Gemisch führt zu einem erheblichen Druckanstieg in der Hochdruckkammer 5, die einen Auslasskanal 7 vorsieht, durch den die isotherm vorverdichtete Luft gezielt abgeführt wird und beispielsweise unmittelbar der Brennkammer, die einer Gasturbine vorgeschaltet ist, zur Verfügung gestellt werden kann. 



  In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform zur isothermen Kompression eines Luft-Wasser-Gemisches dargestellt, das die potenzielle Energie eines hochgelegenen Wasserreservoirs 1 nutzt. Die in Fig. 2 dargestellte Querschnittsdarstellung zeigt eine Wasserzerstäubungseinrichtung 8, die das Wasser des oberen Wasserreservoirs 1 in feinste Wassertröpfchen unter Beimengung von Luft zerstäubt. Das in dem Einlassbereich des Strömungskanals 2 erzeugte Luft-Wasser-Gemisch unterliegt dem Gravitationsfeld und fällt zunächst im freien Fall senkrecht im Strömungskanal 2 nach unten. Der Strömungskanal 2 verjüngt sich mit zunehmender Falltiefe in der Weise, dass die relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Tropfenwolke und Luft genügend klein und etwa konstant bleibt.

   Die Auslassöffnung des Strömungskanals 2 ist mit einer Hochdruckkammer 5 verbunden, in der das Wasser von der verdichteten Luft getrennt wird. Die verdichtete Luft wird aus der Hochdruckkammer 5 über einen Auslasskanal 7 abgeführt und kann an eine Hochdruck-Verdichterstufe einer Gasturbine zugeführt werden. Das sich in der Hochdruckkammer 5 ansammelnde Wasser wird über einen unteren Auslasskanal 9 aus der Hochdruckkammer 5 ausgeschleust, wobei eine Wasserkraftturbine 10, vorzugsweise eine Pelton-Turbine, die im unteren Auslasskanal 9 vorgesehen ist, angetrieben wird. 



  Je nach Leistungsdichte der mit der isotherm vorkomprimierten Luft versorgbaren Gasturbine sind die Fallstrecken sowie die Innenkontur des Strömungskanals 2 geeignet zu dimensionieren. Bei den derzeit bekannten, leistungsstarken Gasturbinen sind typische Falltiefen des Strömungskanals zwischen 30 und 100 m vorzusehen. Bei Anlagen ohne nachgeschaltetem Adiabat-Verdichter werden grössere Fallhöhen vorgesehen. Bei der Luft-Wasser-Gemischbildung sind für einen effizienten Betrieb etwa 0,1 bis 0,5 m<3> Wasser pro Kg Luft in kleinste Wassertröpfchen zu zerstäuben. Je mehr Wasser zerstäubt wird, umso niedriger kann die Fallstrecke innerhalb des Strömungskanals ausgebildet sein. Typische Werte für den Durchmesser des oberen Einlassbereiches des Strömungskanals betragen in Abhängigkeit der Gasturbine etwa 2 bis 7 m.

   Der untere Durchmesser im Auslassbereich des Strömungskanals hingegen beträgt typischerweise 0,7 bis 2 m. 



  Eine weitere typische Ausführungsform zur isothermen Kompression ist in Fig. 3 dargestellt. Das durch den trichterförmig ausgebildeten Strömungskanal 2 hindurchfallende Luft-Wasser-Gemisch, das mithilfe der Wasserzerstäubungseinrichtung 8 erzeugbar ist, gelangt in isothermisch komprimierter Form in die Hochdruckkammer 5 in der sich die Luft vom Wasser abscheidet. Oberhalb der Wasseroberfläche wird durch einen entsprechenden Auslasskanals 7 die komprimierte Luft nach aussen abgeführt. Die durch die Hochdruckkammer 5 durchfliessenden Wassermengen werden in einem anschliessenden, nach oben ansteigenden Kanal 11 in ein oberes Auffangbecken 6 geführt. Auf diese Weise wird die kinetische Energie des Wassers wenigstens teilweise in potenzielle Energie zurückgewandelt.

   In dem oberen Auffangbecken 6 ist eine Rückführpumpe 12 vorgesehen, mittels der das in dem Auffangbecken 6 befindliche Wasser in das obere Wasserreservoir 1 zurückgeführt werden kann. Mithilfe dieser Anordnung ist es möglich, auch in orografisch ungünstigen Orten die thermische Kompression durchzuführen, indem lediglich der Strömungskanal 2 in den Boden eingebracht werden muss. 



  Die auf die vorstehend beschriebene Weise isotherm komprimierte Luft kann in unterschiedlicher Weise einer Strömungsmaschine zur Verfügung gestellt werden. 



  Aus Fig. 4 sind unterschiedliche Ausführungsformen zum Betrieb einer Strömungsmaschine für den Energiegewinn dargestellt. 



  In Fig. 4a wird die isotherm vorkomprimierte Luft aus dem isothermen Kompressor 13 direkt der Brennkammer 14 einer Gasturbine 15 zugeführt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist ein Rekuperator 16 vorgesehen, der die Abwärme der Abgase 17 der Gasturbine 15 der isotherm vorverdichteten Luft zur Verfügung stellt. Zur Gewinnung elektrischer Energie ist ein Generator 18 vorgesehen, der mit der Gasturbine 15 über eine Welle verbunden ist. 



  In Fig. 4b ist der isothermische Kompressor 13 mit einer Hochdruck-Verdichterstufe 19 verbunden, die die isotherm vorkomprimierte Luft auf einen höheren Verdichtungsgrad weiter verdichtet. Dem Hochdruck-Vorverdichter 19 ist die Brennkammer 14, die Turbine 15 sowie der an sich bekannte Generator 19 nachgeschaltet. 



  Als weitere Variante zeigt Fig. 4c einen isothermischen Kompressor 13, der mit einem Hochdruck-Vorverdichter 19 verbunden ist, dessen, hochverdichtete Zuluft einer Hochdruckbrennkammer 20 zugeführt wird, die eine Hochdruckturbine 21 antreibt. In einer zweiten Stufe ist der Hochdruckturbine 21 eine Niederdruckbrennkammer 22 nachgeschaltet, deren Heissgase in eine Niederdruckturbine 23 eingeleitet werden. Die gesamte Anordnung treibt über eine Welle einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie an. 



  Im Falle der Ausführungsformen 4b und 4c treibt zwar die Gasturbine kinematisch eine Vorverdichterstufe an, wodurch ein gewisser Teil der Nennleistung der Gastur bine verloren geht, doch ist durch die erfindungsgemässe isothermische Vorkompression ein erheblicher Anteil der für die Komprimierung aufzuwendenden Energie zu gewinnen. 



  Es ist denkbar, das Wasser und die Luft auf verschiedene Arten durch den Strömungskanal zu führen. An orografischen geeigneten Stellen, an denen die potenzielle Energie eines höher gelegenen Wasserreservoirs genutzt werden kann, wird das Wasser und auch die Luft lediglich durch Gravitation fallen. In anderen Anwendungsfällen ist es auch denkbar, die Luft durch eine antreibbare Rotationseinheit zu beschleunigen und so in den Strömungskanal zu leiten. 


 Bezugszeichenliste 
 
 
   1 Oberes Wasserreservoir 
   2 Strömungskanal 
   3, 3¾... Wasserpaket 
   4, 4¾...

   Luftpaket 
   5 Hochdruckkammer 
   6 Auffangbecken 
   7 Auslasskanal 
   8 Wasserzerstäubungseinrichtung 
   9 Unterer Auslasskanal 
   10 Wasserkraftturbine 
   11 Kanal 
   12 Rückführpumpe 
   13 Isothermischer Kompressor 
   14 Brennkammer 
   15 Gasturbine 
   16 Rekuperator/ Wärmetauscher 
   17 Abgase der Gasturbine 
   18 Generator 
   19 Hochdruck-Vorverdichter 
   20 Hochdruck-Brennkammer 
   21 Hochdruck-Turbine 
   22 Niederdruck-Brennkammer 
   23 Niederdruck-Turbine 

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Ener-gie mittels einer Strömungsmaschine (21, 23) mithilfe eines angeschlossenen Generators (18), wobei zum Antrieb der Strömungsmaschine eine Verdichteranordnung zur Verdichtung eines kompressiblen Mediums, welches vorzugsweise Luft ist, vorgesehen ist, wobei die Verdichteranordnung über ein Zuleitungssystem direkt oder nach Zwischenschaltung einer Brennkammer (14) mit der Strömungsmaschine (21, 23) verbunden ist, wobei die Verdichter-anordnung wenigstens eine Verdichterstufe (13) vorsieht, und wobei die Verdichterstufe (13) einen Strömungskanal (2) mit einem Einlass- und einem Auslassbereich aufweist, wobei oberhalb des Strömungskanals ein Wasserreservoir (1) vorhanden ist, wobei der Strömungskanal (2) an der Seite des Auslassbereichs mit einer Hochdruckkammer (5) verbunden ist, die wenigstens zwei Auslasskanäle (7, 9),

einen oberen (9) für das komprimierte Medium und einen unteren (7) für Wasser, vorsieht, wobei im Einlassbereich des Strömungskanals (2) eine Wasserzerstäubereinrichtung (8) mit wenigstens einer Einspritzdüse vorhanden ist und wobei das Medium, mit welchem das Medium komprimiert wird, Wasser ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) einen veränderlichen Querschnitt aufweist, wobei sich der Durchmesser zur Austrittöffnung hin verringert, und somit der Einlassbereich des Strömungskanals (2) grösser ist als der Auslassbereich des vertikalen Strömungskanals (2) und das Gemisch Wasser/kompressibles Medium mittels Gravitation fällt, sodass die relative Geschwindigkeit zwischen zerstäubten Wassertropfen und dem zu komprimierenden Medium annähernd konstant bleibt.

2.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) einen ersten Bereich mit in etwa gleich bleibendem Durchmesser aufweist und einen zweiten Bereich, in dem sich der Durchmesser zur Austrittsöffnung hin verringert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Auslasskanal (7) der Hochdruckkammer (5) eine Wasserkraftmaschine (10) zur Gewinnung elektrischer Energie vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Auslasskanal (7) der Hochdruckkammer (5) über einen Kanal (11) mit einem Auffangbecken (6) verbunden ist, welches höher gelegen ist als der Auslassbereich des horizontalen Strömungskanals (2) und niedriger als der Einlassbereich des horizontalen Strömungskanals (2).

5.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Auffangbecken (6) eine Rückführpumpe (12) vorhanden ist, welche mit dem oberen Wasserreservoir der Verdichteranordnung verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlassbereich des Strömungskanals eine antreibbare Rotationseinheit vorhanden ist, durch die das Medium beschleunigbar und in den Strömungskanal (2) leitbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine eine Gasturbine (15) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Medium vor Eintritt in die Brennkammer (14, 20) thermisch an einen Wärmetauscher, der von der Abwärme der Abgase der Gasturbine (15) thermisch gespeist wird, gekoppelt ist.

9.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verdichterstufe (13) mit einem hochverdichtenden Verdichter (15, 19) und der hochverdichtende Verdichter (15, 19) mit der Brennkammer (14, 20) verbunden ist.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) an orografischen Stellen, an denen die potenzielle Energie eines hochgelegenen Wasserreservoirs genutzt wird, verläuft.