DE102012102351A1

DE102012102351A1 - Micro gas turbine device for mini-block heating station for generating electricity for residential or commercial unit, has exhaust gas-fresh air mixing unit arranged before combustion chamber inlet for mixing fresh air with exhaust gas

Info

Publication number: DE102012102351A1
Application number: DE201210102351
Authority: DE
Inventors: Gerold Göttlicher; Axel Widenhorn
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; EnBW Energie Baden Wuerttemberg AG
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; EnBW Energie Baden Wuerttemberg AG
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2013-09-26

Abstract

The micro gas turbine device (60) has a combustion chamber (20), a compressor (16) and a turbine (18), where an exhaust gas-fresh air mixing unit (74) is arranged before the combustion chamber inlet (48) for mixing fresh air of an air inlet (30) with exhaust gas of an exhaust gas recirculation line (70) and for supplying the gas mixture in the combustion chamber. The combustion chamber outlet is connected with a turbine inlet (44). A turbine outlet (46) is indirectly connected with a compressor inlet (32) for compressing the exhaust gas. An exhaust gas branching unit (72) is arranged after the compressor outlet. An independent claim is included for a method for operating a micro gas turbine device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrogasturbinenvorrichtung, die für eine Brennwertnutzung mit erhöhtem Wirkungsgrad geeignet ist, ein Mini-Blockheizkraftwerk, das eine derartige Mikrogasturbinenvorrichtung nutzt, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Mikrogasturbinenvorrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. The invention relates to a micro gas turbine apparatus, which is suitable for a condensing with increased efficiency, a mini cogeneration plant, which uses such a micro gas turbine apparatus, and a method for operating a micro gas turbine apparatus according to the preambles of the independent claims.

STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass zur Bereitstellung des Wärme- oder Strombedarfs in Ein- oder Mehrfamilienhäusern sowie in Gewerbeeinheiten, wie Bürogebäuden, Produktions- und Lagerhallen etc. zur Beheizung und zur Bereitstellung von Strom getrennte Vorrichtungen genutzt werden. Üblicherweise wird Heizwärme und Warmwasser in einer konventionellen Heizkraftanalage, die beispielsweise mit Öl, Gas oder Pellets betrieben wird, bereitgestellt. Strom wird von einem öffentlichen Stromnetz oder von dezentralen Stromgeneratoren, beispielsweise Dieselgeneratoren, zur Verfügung gestellt. From the prior art it is known that separate devices are used to provide the heat or electricity demand in single or multi-family houses and in commercial units, such as office buildings, production and warehouses, etc. for heating and for the provision of electricity. Usually, heating and hot water is provided in a conventional Heizkraftanalage, which is operated for example with oil, gas or pellets. Electricity is provided by a public power grid or decentralized power generators, such as diesel generators.

Eine Alternative zu den vorgenannten Strom- und Heizvorrichtungen bieten sogenannte Mini-Blockheizkraftwerke. Sie ermöglichen eine gekoppelten Strom- und Wärmebereitstellung für eine Wohn- oder Gewerbeeinheit, beispielsweise ein Ein- oder Mehrfamilienhaus, eine Einlieger- oder Etagenwohnung mit eigener Wärme- und Stromversorgung oder eine Lagerhalle, Fabrikanlage oder dergleichen. Ein Mini-Blockheizkraftwerk ist eine modular aufgebaute Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie und Wärme, die vorzugweise am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben wird, und das Prinzip der Kraft-Wärmekopplung einsetzt. Der erzeugte Strom und die Wärme können entweder selbst verbraucht oder in ein Strom- bzw. in ein Wärmenetz eingekoppelt oder gespeichert werden. Als besonderer Vorteil erreichen Blockheizkraftwerke einen höheren Gesamtwirkungsgrad als lokale Wärmeheizungen und zentrale Stromkraftwerke, wobei typischerweise die Abwärme der Stromerzeugung zur Heizung benutzt wird. Der Wirkungsgrad liegt für Strom- und Heizzwecke bei 80% bis 90%. Somit können Blockheizkraftwerke gegenüber konventionellen Wärme- und Stromenergiegewinnungsanlagen bis zu 40% mehr Energie einsparen. An alternative to the aforementioned power and heating devices offer so-called mini combined heat and power plants. They allow a coupled power and heat supply for a residential or commercial unit, such as a single or multi-family house, a Einlieger- or apartment with its own heat and electricity or a warehouse, factory or the like. A mini cogeneration plant is a modular system for the production of electrical energy and heat, which is preferably operated at the place of heat consumption, and uses the principle of cogeneration. The generated electricity and heat can either be consumed by itself or coupled into a power or heat network or stored. As a particular advantage, combined heat and power plants achieve a higher overall efficiency than local heat and central power plants, typically using the waste heat of power generation for heating. The efficiency is 80% to 90% for power and heating purposes. This means that cogeneration units can save up to 40% more energy than conventional heat and electricity generation systems.

Neben Kolbenmaschinen und Brennstoffzellen bieten sich in Mini-Blockheizkraftwerken zur Energieproduktion insbesondere Mikrogasturbinen an. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Mikrogasturbinen erzeugt ein Verbrennungsmotor eine mechanische Antriebsenergie, mit der ein Stromgenerator angetrieben wird. Die Abwärme des Verbrennungsmotors aus dem Abgas und dem Kühlwasserkreislauf wird in der Regel zur Aufheizung von Heizungs- und Brauchwasser verwendet werden. Werden Mikrogasturbinen eingesetzt, so umfassen diese typischerweise einen Verdichter sowie eine Turbine, zwischen denen eine Brennkammer angeordnet ist, wobei einströmende Frischluft durch den Verdichter hochverdichtet wird, in die Brennkammer eingebracht wird, dort gezündet wird, und mit den Abgasen die Turbine betrieben wird. Die Abgase werden häufig einem Rekuperator, d.h. einem Wärmetauscher, zugeführt, der die einströmende Frischluft, die durch den Verdichter komprimiert ist, zusätzlich erwärmt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die im Abgas enthaltene Wärmeenergie im System zu belassen. Typischerweise sind Mikrogasturbinen Einwellenmaschinen, bei denen Generator, Verdichter und Turbine auf einer Welle befestigt sind. Die Welle dreht sich mit einer sehr hohen Drehzahl, ist oftmals luftgelagert und daher geräuscharm. Die Frischluft wird typischerweise auf etwa 4 Bar durch den Verdichter komprimiert, im Rekuperator durch die heißen Abgase vorgewärmt, durch die Zugabe von komprimierten Brennstoff wie Gas, Diesel oder Heizöl in der Brennstoffkammer gezündet, und die heißen Verbrennungsgase entspannen in der Turbine und treiben Verdichter und Generator an. Die aus dem Rekuperator ausströmenden Abgase werden über den Rekuperator als Abgaswärmetauscher und Kamin abgeleitet. In addition to piston engines and fuel cells, micro gas turbines are particularly suitable for producing energy in mini cogeneration plants. In the micro gas turbines known from the prior art, an internal combustion engine generates a mechanical drive energy with which a power generator is driven. The waste heat of the internal combustion engine from the exhaust gas and the cooling water circuit is usually used for heating of heating and service water. If micro gas turbines are used, these typically include a compressor and a turbine, between which a combustion chamber is arranged, wherein incoming fresh air is highly compressed by the compressor, is introduced into the combustion chamber, is ignited there, and the turbine is operated with the exhaust gases. The exhaust gases are often recuperated, i. a heat exchanger, which additionally heats the inflowing fresh air which is compressed by the compressor, in order to increase the efficiency and to leave the heat energy contained in the exhaust gas in the system. Typically, micro gas turbines are single shaft machines in which the generator, compressor and turbine are mounted on a shaft. The shaft rotates at a very high speed, is often air-bearing and therefore quiet. The fresh air is typically compressed to about 4 bar by the compressor, preheated in the recuperator by the hot exhaust gases, ignited by the addition of compressed fuel such as gas, diesel or fuel oil in the fuel chamber, and the hot combustion gases relax in the turbine, driving compressors and Generator on. The exhaust gases flowing out of the recuperator are discharged via the recuperator as an exhaust gas heat exchanger and chimney.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Mikrogasturbinen ist, dass bei der Abwärmenutzung zu Heizzwecken aufgrund des hohen Luftüberschusses durch die hohe Kompression keine Brennwerttechnologie eingesetzt werden kann. Als Folge kann das im Rauchgas gebundene Wasser nicht auskondensieren und die darin gebundene thermische Energie nicht genutzt werden. Als Brennwerttechnologie bezeichnet man in der Regel die Nutzung der Rauchgaswärme bis zur Kondensation zumindest eines Teils des Wasserdampfanteils. Dadurch kann im Idealfall mehr als nur der Heizwertstrom des Brenngases (Brenngas-Massenstrom multipliziert mit dem Brenngas-Heizwert) genutzt werden, bis zur theoretischen Obergrenze, dem Brennwertstrom. In technischer Hinsicht wird dies durch Unterschreitung des Taupunktes des Abgases erreicht, wobei Druck und Temperatur des Abgases definiert werden. Somit wird, da bei der Verbrennung von Gasen, Ölen und den meisten anderen Brennstoffen unter anderem Wasserdampf entsteht, bei der Brennwertnutzung der Dampf unter den Taupunkt abgekühlt, wobei das gebundene Wasser kondensiert und die im Abgas enthaltene Energie freigesetzt wird. In herkömmlichen Mikrogasturbinen wird diese nicht genutzt, da das entstehende Kondensat die Wärmetauscher korrodieren lässt. Es ist somit notwendig, brennwertnutzende Mikrogasturbinen mit kondensatbeständigen Wärmetauschern auszurüsten. Mit diesen Geräten kann das Abgas bei niedrigen Heizwassertemperaturen unter den Taupunkt abgekühlt werden. Tendenziell sollte die Abgastemperatur unter 40C liegen. A major disadvantage of the known micro gas turbines is that no waste gas technology can be used in the waste heat for heating purposes due to the high excess air through the high compression. As a result, the water bound in the flue gas can not condense and the thermal energy bound therein can not be used. As condensing technology is usually referred to the use of the flue gas heat to the condensation of at least a portion of the water vapor content. As a result, in the ideal case, more than just the calorific value stream of the fuel gas (fuel gas mass flow multiplied by the fuel gas calorific value) can be used, up to the theoretical upper limit, the calorific value stream. Technically, this is achieved by falling below the dew point of the exhaust gas, whereby pressure and temperature of the exhaust gas are defined. Thus, since the combustion of gases, oils and most other fuels, inter alia, water vapor is formed, the condensing the steam is cooled below the dew point, whereby the bound water is condensed and the energy contained in the exhaust gas is released. In conventional micro gas turbines this is not used because the resulting condensate can corrode the heat exchangers. It is thus necessary to equip fuel-using micro gas turbines with condensate-resistant heat exchangers. With these devices, the exhaust gas can be at low Heating water temperatures are cooled below the dew point. The exhaust gas temperature should tend to be below 40C.

Typischerweise beträgt bei Mikrogasturbinen die Luftzahl, d.h. das Massenverhältnis zwischen Brennstoff und Luft, 1:8 bis 1:10, wobei die Brennwerttechnologie nur eingesetzt werden kann, wenn die mindestens benötigte Frischluftmenge nahe dem stöchiometrischen Verhältnis liegt, d.h. so viel Luft vorhanden ist, dass eine nahezu vollkommene Verbrennung des eingesetzten Kraftstoffs möglich ist. Die Luftzahl wird auch als λ-Wert bezeichnet. Bei mit Erdgas betriebenen Gasturbinen liegt die Luftzahl λ in unmittelbarer Nähe der Gasflamme typischerweise bei 1, die nachfolgende Zuführung von Sekundärluft kann die Luftzahl auf 8–10 erhöhen. Die bei Mikrogasturbinen typischerweise vorherrschende hohe Luftzahl von 8 bis 10 ist allerdings für eine Brennwertnutzung ungeeignet. Typically, in micro gas turbines the air ratio, i. the mass ratio between fuel and air, 1: 8 to 1:10, wherein the condensing technology can only be used when the minimum fresh air required amount is close to the stoichiometric ratio, i. so much air is available that a nearly perfect combustion of the fuel used is possible. The air ratio is also referred to as the λ value. For natural gas powered gas turbines, the air ratio λ in the immediate vicinity of the gas flame is typically 1, and the subsequent supply of secondary air may increase the air ratio to 8-10. However, the typically prevailing at micro gas turbines high air ratio of 8 to 10 is unsuitable for a calorific value.

Weiterhin ist bei bisher bekannten Mikrogasturbinenvorrichtungen die Verdichtung des Brennstoffs, der erforderlich ist, um den Brennstoff in druckaufgeladene Brennkammer einzudüsen, nachteilig. Für die Kompression des Brennstoffs, insbesondere Gas, wird Energie benötigt, welche die Nettoleistung der Mikrogasturbinenvorrichtung herabsetzt und somit den Gesamtwirkungsgrad verschlechtert. Schließlich wird der Wirkungsgrad der Mikrogasturbinenvorrichtung von der Baugröße der Turbokomponenten, also Verdichter und Turbine, beeinflusst, wobei sich diese mit abnehmendem Querschnittsdurchmesser reduzieren. Je kleiner die Turbokomponenten, umso höher sind die Verluste, so dass bei geforderten geringen Leistungen der Mikrogasturbine im Vollastpunkt nur ein geringer Wirkungsgrad der Turbokomponenten und somit des Gesamtsystems erreichbar sind. Furthermore, in previously known micro gas turbine devices, the compression of the fuel required to inject the fuel into the pressurized combustion chamber is disadvantageous. For the compression of the fuel, in particular gas, energy is required, which reduces the net power of the micro gas turbine device and thus deteriorates the overall efficiency. Finally, the efficiency of the micro gas turbine device on the size of the turbo components, ie compressor and turbine, influenced, which reduce this with decreasing cross-sectional diameter. The smaller the turbo components, the higher are the losses, so that only low efficiency of the turbo components and thus of the overall system can be achieved with the required low power of the microturbine in the full load point.

Aus der WO2011/001311 A2 ist eine Mikrogasturbinenvorrichtung mit Brennstoffzelle bekannt, die unter subatmosphärischen Arbeitsbedingungen arbeitet. Allerdings wird im Gegensatz zur erfinderischen Lösung keine Verbesserung des Wirkungsgrads durch Ermöglichung einer Brennwertnutzung angesprochen, des Weiteren ist zentrales Element eine Brennstoffzelle, die die Mikrogasturbinenvorrichtungen erheblich verteuert. From the WO2011 / 001311 A2 For example, a fuel cell micro gas turbine apparatus is known that operates under subatmospheric operating conditions. However, in contrast to the inventive solution, no improvement in the efficiency is addressed by allowing a condensing use, further central element is a fuel cell, which increases the cost of the micro gas turbine devices considerably.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben dargestellten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere eine Mikrogasturbinenvorrichtung mit Brennwertnutzung vorzuschlagen, wobei die Kondensationswärme des Wasserdampfs im Abgas genutzt werden kann. Somit ist es Aufgabe der Erfindung, eine Mikrogasturbinenvorrichtung mit deutlich erhöhtem Wirkungsgrad vorzustellen, wobei durch eine verringerte Abgastemperatur eine Brennwertnutzung ermöglicht wird. The object of the invention is to overcome the above-described disadvantages of the prior art, in particular to propose a micro gas turbine device with condensing, wherein the heat of condensation of the water vapor can be used in the exhaust gas. Thus, it is an object of the invention to provide a micro gas turbine device with significantly increased efficiency, which is made possible by a reduced exhaust gas temperature, a condensing.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION

Erfindungsgemäß wird eine Mikrogasturbinenvorrichtung vorgeschlagen, die eine Brennkammer, einen Verdichter und eine Turbine umfasst, wobei vor dem Brennkammereinlass eine Abgas-Frischluft Mischeinrichtung zur Vermischung von Frischluft eines Lufteinlasses mit Abgas einer Abgasrückführungsleitung und zur Zuführung des Gasgemisches in die Brennkammer angeordnet ist. Hierzu ist der Brennkammerauslass mit dem Turbineneinlass verbunden und der Turbinenauslass zumindest mittelbar mit dem Verdichtereinlass zur Verdichtung des Abgases verbunden. Nach dem Verdichterauslass ist eine Abgasabzweigungseinrichtung angeordnet, so dass zumindest Teile des Abgases über die Abgasrückführungsleitung zumindest mittelbar zur Abgas-Frischluft Mischeinrichtung geleitet wird, und das übrige Abgas an einen Abgasauslass geleitet werden kann. According to the invention, a micro gas turbine apparatus is proposed which comprises a combustion chamber, a compressor and a turbine, wherein an exhaust gas fresh air mixing device for mixing fresh air of an air inlet with exhaust gas of an exhaust gas recirculation line and for supplying the gas mixture into the combustion chamber is arranged in front of the combustion chamber inlet. For this purpose, the combustion chamber outlet is connected to the turbine inlet and the turbine outlet is connected at least indirectly to the compressor inlet for compressing the exhaust gas. After the compressor outlet, a Abgasabzweigungseinrichtung is arranged so that at least parts of the exhaust gas is passed via the exhaust gas recirculation line at least indirectly to the exhaust gas fresh air mixing device, and the remaining exhaust gas can be passed to an exhaust gas outlet.

Mit anderen Worten wird eine Mikrogasturbinenvorrichtung vorgeschlagen, bei der das Abgas, das zunächst durch eine Turbine geleitet wird, um diese anzutreiben und mechanische Leistung bereitzustellen, durch einen nachgeschalteten Verdichter verdichtet wird, wobei ein Teil des verdichteten Abgases mit Frischluft in einer Abgas-Frischluft Mischeinrichtung vermischt wird, um es der Brennkammer zuzuführen. Somit wird das stöchiometrische Verhältnis in der Brennkammer erreichbar, da nur der Frischluftanteil zur Verbrennung dient und die Masse der Wärmeenergie des Abgases im System gehalten wird. Die nach der Brennkammer angeordnete Turbine saugt ein Gemisch aus Abgas und Frischluft in die Brennkammer unter atmosphärischen Normaldruck hinein, wobei der Luftüberschuss so eingestellt werden kann, dass der Brennstoff entweder stöchiometrisch oder mit einem minimalen Luftüberschuss verbrannt werden kann. Die Abgasmenge kann auf die stöchiometrische Verbrauchsgasmenge reduziert werden, so dass die Wärmeverluste um etwa den Faktor Drei verkleinert werden können. Durch die Abgasrezirkulation kann das Verbrennungswasser im System gehalten und damit der Wasserdampfanteil erhöht werden. In der Brennkammer herrscht Atmosphärendruck, so dass eine Verdichtung des zuzuführenden Brennstoffs zum Gasgemisch nicht notwendig ist. Hierdurch ist es möglich, eine Brennwertnutzung bereitzustellen und eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads zu erreichen. In other words, a micro gas turbine apparatus is proposed in which the exhaust gas, which is first passed through a turbine to drive and provide mechanical power is compressed by a downstream compressor, wherein a portion of the compressed exhaust gas with fresh air in an exhaust fresh air mixing means is mixed to supply it to the combustion chamber. Thus, the stoichiometric ratio in the combustion chamber is reached, since only the fresh air portion is used for combustion and the mass of the heat energy of the exhaust gas is kept in the system. The arranged after the combustion chamber turbine sucks a mixture of exhaust gas and fresh air into the combustion chamber under atmospheric atmospheric pressure, wherein the excess air can be adjusted so that the fuel can be burned either stoichiometrically or with a minimal excess air. The amount of exhaust gas can be reduced to the stoichiometric amount of consumption gas, so that the heat losses can be reduced by about a factor of three. Through the exhaust gas recirculation, the combustion water can be kept in the system and thus the water vapor content can be increased. In the combustion chamber there is atmospheric pressure, so that a compression of the fuel to be supplied to the gas mixture is not necessary. This makes it possible to provide a condensing use and to achieve an increase in the overall efficiency.

Dabei ist es ebenfalls denkbar und vorteilhaft, dass das am Abgasauslass abzugebende und nicht rückzuführende Abgas bereits vor dem Verdichterablass abgezweigt, d.h. dass die Abgasabzweigungseinrichtung vor dem Verdichtereinlass angeordnet ist. Somit wird nur der Teil des Abgases verdichtet, der rückgeführt werden muss. It is also conceivable and advantageous that the exhaust gas to be discharged at the exhaust outlet and not to be recirculated exhausted already before the compressor discharge, i. in that the exhaust branching device is arranged in front of the compressor inlet. Thus, only the part of the exhaust gas is compressed, which must be returned.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in der Verbindungsleitung zwischen Turbinenauslass und Verdichtereinlass und/oder zwischen Abgasabzweigungseinrichtung und Abgasauslass eine Abwärmenutzungseinrichtung für eine Brennwertnutzung angeordnet werden. Die Abgasabwärmenutzungseinrichtung, meist ein Warmwasser- oder Heizwasser-Wärmetauscher ermöglicht das Ausscheiden bzw. Kondensieren von Wasser aus dem Abgas zwischen Turbinenauslass und Verdichtereinlass bzw. kurz vor Abgabe des Abgases durch den Abgasauslass an einen Kamin und erhöht somit effektiv den Wirkungsgrad der Mikrogasturbinenvorrichtung durch eine verbesserte Brennwertnutzung. Da bei einer herkömmlichen Mikrogasturbinenvorrichtung das anfallende Kondensat sauer ist und daher Werkstoffe angreift, mussten bisher hohe Betriebstemperaturen über 70°C gefahren werden, um eine Kondensation zu verhindern. Die Abgastemperatur beträgt dabei üblicherweise meist über 120°C. Durch Anordnung einer Abwärmenutzungseinrichtung, insbesondere eines oder mehrerer Wärmetauscher, die Wärme aus den Abgas zu Heiz- oder Brauchwasseraufbereitungszwecken nutzen und somit eine Kondensation von Wasser des Abgases ermöglichen, kann die Abwärme auf bis zu 60°C reduziert werden, das Kondensat der Abgase kann gesammelt und der Säureanteil reduziert und schließlich in das Abwassernetz eingeleitet oder anderweitig genutzt werden. Die üblicherweise in den Abgasleitungen vorherrschenden Druckverhältnisse von 2–3 Bar in der Gasturbine und 4–5 Bar im Gasverdichter können reduziert werden, so dass die Langlebigkeit der Komponenten erhöht wird. Der übliche Wirkungsgrad von 80% bis 85% kann auf 90% bis über 95% gesteigert werden. Auch ist es möglich, im atmosphärischen Bereich Schwachgase, also Gase mit niedrigem Heizwert, wie Holzgas, Deponiegas, Biogas, Gewerbegas einzusetzen, da diese Gase nicht verdichtet und in eine Überdruckgasbrennkammer eingedüst werden müssen. Es ist des weiteren vorteilhaft möglich, beispielsweise Lösungsmitteldämpfe aus Lackieranlagen zur Verbrennung zu nutzen, um Abgase zu reinigen. Durch die Rezirkulation der Abgase können Schadstoffe wie Lack- oder Lösungsmittelrückstände aus der Abgasluft entzogen und somit das Abgas effektiv gereinigt werden. In an advantageous development of the invention, a waste heat utilization device for calorific value utilization can be arranged in the connecting line between the turbine outlet and the compressor inlet and / or between the exhaust branching device and the exhaust gas outlet. The waste gas waste heat utilization device, usually a hot water or hot water heat exchanger allows the separation or condensation of water from the exhaust gas between the turbine outlet and compressor inlet or shortly before discharge of the exhaust gas through the exhaust outlet to a chimney and thus effectively increases the efficiency of the micro gas turbine by an improved condensing technology. Since in a conventional microturbine device, the resulting condensate is acidic and therefore attacks materials, previously high operating temperatures above 70 ° C had to be driven to prevent condensation. The exhaust gas temperature is usually usually above 120 ° C. By disposing a waste heat utilization device, in particular one or more heat exchangers, which use heat from the exhaust gas for heating or service water treatment purposes and thus allow condensation of water of the exhaust gas, the waste heat can be reduced to up to 60 ° C, the condensate of the exhaust gases can be collected and the acid portion is reduced and eventually discharged into the sewerage network or otherwise used. The usually prevailing in the exhaust gas pressure conditions of 2-3 bar in the gas turbine and 4-5 bar in the gas compressor can be reduced, so that the longevity of the components is increased. The usual efficiency of 80% to 85% can be increased to 90% to over 95%. It is also possible to use weak gases, ie gases with a low calorific value, such as wood gas, landfill gas, biogas, industrial gas in the atmospheric range, since these gases do not have to be compressed and injected into a pressurized gas combustion chamber. It is also advantageous, for example, to use solvent vapors from paint shops for combustion to clean exhaust gases. The recirculation of the exhaust gases pollutants such as paint or solvent residues can be removed from the exhaust air and thus the exhaust gas can be effectively cleaned.

Die Mikrogasturbinenvorrichtung eignet sich insbesondere für Kleineinheiten, in denen 1 bis 10 Kilowatt Strom und 5–40 Kilowatt Wärme erzeugt werden. Die Turbokomponenten, wie Verdichter und Turbine, können beispielsweise aus der KFZ-Technik verwendet werden. Der Gesamtaufbau ist einfacher als bei einem Sterlingmotor und das Gas kann aus erneuerbaren Energiequellen, wie Biogas, Grubengas oder Deponiegas gewonnen werden. Letztlich können EEG-Einspeisevergütungen verwendet werden, um staatliche Subventionsprogramme für effektive Energiegewinnungsarten zu nutzen. The micro gas turbine apparatus is particularly suitable for small units in which 1 to 10 kilowatts of electricity and 5-40 kilowatts of heat are generated. The turbo components, such as compressor and turbine, can be used for example from the automotive technology. The overall structure is simpler than with a Sterling engine and the gas can be obtained from renewable energy sources such as biogas, mine gas or landfill gas. Ultimately, EEG feed-in tariffs can be used to use government subsidy programs for effective energy generation.

In einem nebengeordneten Aspekt wird eine Mikrogasturbinenvorrichtung mit Brennwertnutzung vorgeschlagen, die eine Brennkammer, einen Verdichter, eine Turbine und einen Rekuperator umfasst. Es ist vorgesehen, dass vor dem Rekuperator-Aufnahmeeinlass eine Abgas-Frischluft Mischeinrichtung zur Vermischung von Frischluft eines Lufteinlasses mit Abgas einer Abgasrückführungsleitung angeordnet ist, wobei der Rekuperator-Aufnahmeauslass zumindest mittelbar mit dem Brennkammereinlass zur Zuführung des Mischgases verbunden ist. Der Brennkammerauslass ist des Weiteren mit dem Turbineneinlass verbunden, und der Turbinenauslass ist zumindest mittelbar mit dem Rekuperator-Abgabeeinlass zur Wärmeübertragung von Abgas zum Mischgas aus Abgas und Frischluft verbunden. Der Rekuperator-Abgabeauslass ist zumindest mittelbar mit dem Verdichtereinlass zur Verdichtung des Abgases verbunden, wobei nach dem Verdichterauslass eine Abgasabzweigungseinrichtung angeordnet ist, um zumindest Teile des Abgases über die Abgasrückführungsleitung zumindest mittelbar zur Abgas-Frischluft Mischeinrichtung zu leiten und das übrige Abgas an einen Abgasauslass zu leiten, wobei zumindest in der Verbindungsleitung zwischen Rekuperator-Abgabeauslass und Verdichtereinlass und/oder zwischen Abgasabzweigungseinrichtung und Abgasauslass eine Abwärmenutzungseinrichtung für eine Brennwertnutzung angeordnet ist. In a sidelined aspect, a condensing gas micromachine device is proposed that includes a combustor, a compressor, a turbine, and a recuperator. It is provided that an exhaust-fresh air mixing device for mixing fresh air of an air inlet with exhaust gas of an exhaust gas recirculation line is arranged in front of the recuperator intake inlet, wherein the recuperator receiving outlet is at least indirectly connected to the combustion chamber inlet for supplying the mixed gas. The combustor outlet is further connected to the turbine inlet, and the turbine outlet is at least indirectly connected to the recuperator discharge inlet for heat transfer of exhaust gas to the mixed gas of exhaust gas and fresh air. The recuperator discharge outlet is connected at least indirectly to the compressor inlet for compressing the exhaust gas, wherein downstream of the compressor outlet an exhaust branching device is arranged to at least indirectly direct exhaust gas to the exhaust fresh air mixing device via the exhaust gas recirculation line and to feed the remaining exhaust gas to an exhaust gas outlet , wherein at least in the connecting line between the recuperator discharge outlet and compressor inlet and / or between the exhaust branching device and the exhaust gas outlet, a waste heat utilization device for a calorific value utilization is arranged.

Mit anderen Worten wird gemäß des nebengeordneten Aspekts eine Mikrogasturbinenvorrichtung wie bereits im ersten Aspekt vorgeschlagen, bei der allerdings in der Verbindungsleitung zwischen Rekuperator-Abgabeauslass, der das Abgas in den Verdichter führt, und dem Verdichtereinlass und/oder am Abgasauslass eine Abwärmenutzungseinrichtung, beispielsweise ein Wärmetauscher zur Erwärmung für Heizzwecke, zum Beispiel zur Erwärmung von Brauchwasser oder für Heizungswärme, angeordnet ist, so dass dem Abgas Wärme entzogen werden kann und das im Abgas gebundene Wasser kondensieren kann. Hierzu ist an der Abwärmenutzungseinrichtung, die üblicherweise als Wärmetauscher ausgebildet ist, ein Kondensationsablass erforderlich, um das kondensierte Abgaswasser aufzufangen und dieses nach eventueller Nachbehandlung in ein Abwassernetz zu geben oder anderweitig zu nutzen. Das in der Abwärmenutzungseinrichtung erhitzte Wasser kann eine Rücklauftemperatur um die 40°C bei einer Vorlauftemperatur von etwa 20°C bis 30°C erreichen, und kann sowohl im Abgasstrang nach dem Rekuperator zum Verdichter angeordnet sein als auch in der Nähe des Abgasauslasses, wobei ein Teil des Abgases, der nicht zurückgeführt wird, an die Umwelt abgegeben werden kann. Damit wird die Temperatur des Abgases deutlich verringert, so dass eine Abgastemperatur Richtung Kamin zwischen 40°C und 60°C erreicht werden kann. Aufgrund der minimierten Frischluftzufuhr, da diese mit Abgas gemischt wird, steigt der Wassergehalt im Abgas an, so dass eine Brennwertnutzung durch die Abwärmenutzungseinrichtungen möglich ist. Es wird eine reduzierte Abgasmenge abgegeben, da ein Großteil des Abgases im System zirkulieren kann, so dass Abgasverluste signifikant reduziert und Schadstoffemissionen verringert werden können. Durch die zusätzliche Brennwertnutzung wird ein deutlich höherer Wirkungsgrad von 90% bis über 95% der Mikrogasturbinenvorrichtung ermöglicht. Selbstverständlich kann das abzugebende Abgas bereits vor dem Verdichtereinlass abgezweigt werden. In other words, according to the independent aspect, a micro gas turbine apparatus as already proposed in the first aspect, but in the connecting line between recuperator discharge outlet, which leads the exhaust gas into the compressor, and the compressor inlet and / or at the exhaust outlet, a waste heat utilization device, such as a heat exchanger is arranged for heating for heating purposes, for example for heating domestic water or for heating heat, so that heat can be withdrawn from the exhaust gas and the water bound in the exhaust gas can condense. For this purpose, at the waste heat utilization device, which is usually designed as a heat exchanger, a condensation outlet is required to collect the condensed waste gas water and give this after any treatment in a sewer network or otherwise use. The heated in the waste heat recovery device water can reach a return temperature around 40 ° C at a flow temperature of about 20 ° C to 30 ° C, and can be located both in the exhaust line to the recuperator to the compressor and in the vicinity of the exhaust outlet, where Part of the exhaust gas that is not returned to the environment can be discharged. Thus, the temperature of the exhaust gas is significantly reduced, so that an exhaust gas temperature direction fireplace between 40 ° C and 60 ° C can be achieved. Due to the minimized Fresh air supply, since it is mixed with exhaust gas, the water content increases in the exhaust gas, so that a calorific value utilization by the waste heat utilization facilities is possible. A reduced amount of exhaust gas is emitted since a large part of the exhaust gas can circulate in the system, so that exhaust gas losses can be significantly reduced and pollutant emissions can be reduced. Due to the additional calorific value utilization, a significantly higher efficiency of 90% to more than 95% of the microturbine device is made possible. Of course, the exhaust gas to be dispensed can be branched off before the compressor inlet.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können der Verdichter und die Turbine durch eine Antriebswelle verbunden sein, so dass eine Einwellenmaschine vorgeschlagen ist, wobei an der Antriebswelle bevorzugt verdichterseitig ein Stromgenerator zum mechanischen Antrieb angeschlossen sein kann. Somit wird die Turbine durch das aus der Brennkammer herausströmende heiße Abgas angetrieben und treibt wiederum durch die Welle den Verdichter an, so dass ein zusätzlicher Antrieb für den Verdichter nicht erforderlich ist. Bevorzugt verdichterseitig aber auch turbinenseitig kann ein Stromgenerator an die Antriebswelle angeschlossen sein, der durch die mechanische Turbinenenergie des Abgases Strom erzeugt. Dabei wird der Großteil der mechanischen Abgasenergie in Strom umgewandelt und nur ein geringer Bruchteil für die Verdichtung des Abgases eingesetzt. According to an advantageous embodiment of the invention, the compressor and the turbine may be connected by a drive shaft, so that a single-shaft machine is proposed, wherein on the drive shaft preferably a compressor power generator can be connected to the mechanical drive. Thus, the turbine is driven by the hot exhaust gas flowing out of the combustion chamber and in turn drives the compressor through the shaft, so that an additional drive for the compressor is not required. Preferably on the compressor side but also on the turbine side, a power generator may be connected to the drive shaft, which generates electricity by the mechanical turbine energy of the exhaust gas. The majority of the mechanical exhaust gas energy is converted into electricity and only a small fraction is used for the compression of the exhaust gas.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann in der Abgasrückführungsleitung eine weitere Abwärmenutzungseinrichtung, beispielsweise zur zusätzlichen oder separaten Erwärmung von Heizungswasser oder Brauchwasser, angeordnet sein. Somit wird auch im Abgas, das verdichtet rückgeführt und mit der Frischluft vermischt wird, Wärme entzogen, wobei die Kondensationswärme zu zusätzlichen Heizzwecken genutzt werden kann. Die Temperatur des Mischgases wird hierdurch reduziert, wobei auch zusätzliche Wärme durch die Kompression des Abgases im Verdichter zu Heizzwecken verwendet werden kann. Durch die Kühlung des Mischgases wird die abgasseitige Austrittstemperatur aus dem Rekuperator verringert, und der Brennwertnutzungseffekt in der Abgasrückführungsleitung vor der Frischluft-Abgas Mischeinrichtung aufgrund des erhöhten Drucks deutlich effizienter. According to a further advantageous embodiment of the invention, a further waste heat utilization device, for example, for additional or separate heating of heating water or service water, may be arranged in the exhaust gas recirculation line. Thus, also in the exhaust gas, which is recirculated compressed and mixed with the fresh air, heat withdrawn, the heat of condensation can be used for additional heating purposes. The temperature of the mixed gas is thereby reduced, whereby additional heat can be used by the compression of the exhaust gas in the compressor for heating purposes. By cooling the mixed gas, the exhaust gas outlet temperature is reduced from the recuperator, and the Brennwertnutzungseffekt in the exhaust gas recirculation line before the fresh air-exhaust mixing device due to the increased pressure much more efficient.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann in der Verbindungsleitung zwischen Rekuperator-Abgabeauslass und Verdichtereinlass bevorzugt nach der Abwärmeableitung einer Abwärmenutzungseinrichtung eine Frischluft-Luftvorwärmeinrichtung angeordnet sein, wobei durch das Abgas einströmende Frischluft erwärmt und der Abgas-Frischluft Mischeinrichtung oder einer weiteren Abgas-Frischluft Mischeinrichtung in der Abgasrückführungsleitung, die bevorzugt nach einer Abwärmeableitung einer Abwärmenutzungseinrichtung angeordnet ist, zugeführt werden. Somit wird vorgeschlagen, dass in der Verbindungsleitung zwischen Rekuperator und Verdichter eine Luftvorwärmeinrichtung angeordnet ist, bei der die Frischluft, die nachgeordnet in der Frischluft-Abgas Mischeinrichtung mit dem rückgeführten Abgas vermischt wird, durch eine Luftvorwärmvorrichtung erwärmt wird, wobei zusätzlich dem Abgas Wärme entzogen und die einströmende Luft erwärmt werden kann, wobei wiederum eine Brennwertnutzung eintritt und das Wasser des Abgases auskondensieren kann. Die einströmende Frischluft wird erwärmt und die Eintrittstemperatur des Abgases vor dem Verdichter wird reduziert, so dass durch die Druckerhöhung die Temperaturzunahme des Abgases geringer ausfällt. Besonders an kalten Tagen kann eine reduzierte Kompression des Abgases bereitgestellt werden, wodurch ein Effizienzgewinn erreicht werden kann. Durch die bereits erwärmte Frischluft kann der Rekuperator kleiner ausgestaltet werden, da eine reduzierte Wärmeübertragung zwischen dem Abgas aus der Turbine und dem Mischgas, das in die Brennkammer geleitet wird, erfolgen muss. Schließlich wird durch die Erhöhung der Temperatur des Mischgases die Abgastemperatur erhöht und somit eine höhere Heizleistung zur Verfügung gestellt. Die Luft aus der Luftvorwärmeinrichtung kann in die Frischluft-Abgas Mischeinrichtung eingeleitet werden, oder an eine zusätzliche Frischluft-Abgas Mischeinrichtung in der Abgasrückführungsleitung eingeführt sein. According to a further advantageous embodiment of the invention, a fresh air Luftvorwärmeinrichtung may be arranged in the connecting line between the recuperator discharge outlet and compressor inlet preferably after the Abwärmeableitung a waste heat recovery device, heated by the exhaust fresh air and the exhaust fresh air mixing device or another exhaust fresh air mixing device in the exhaust gas recirculation line, which is preferably arranged after a waste heat dissipation of a waste heat utilization device, are supplied. Thus, it is proposed that an air preheating device is arranged in the connecting line between the recuperator and compressor, in which the fresh air, which is mixed downstream in the fresh air-exhaust gas mixing device with the recirculated exhaust gas, is heated by an air preheating device, wherein in addition the exhaust heat withdrawn and the incoming air can be heated, which in turn enters a condensing and can condense the water of the exhaust gas. The inflowing fresh air is heated and the inlet temperature of the exhaust gas in front of the compressor is reduced, so that the temperature increase of the exhaust gas is lower due to the pressure increase. Especially on cold days, a reduced compression of the exhaust gas can be provided, whereby an efficiency gain can be achieved. Due to the already heated fresh air, the recuperator can be made smaller, since a reduced heat transfer between the exhaust gas from the turbine and the mixed gas, which is passed into the combustion chamber must be made. Finally, by increasing the temperature of the mixed gas, the exhaust gas temperature is increased, thus providing a higher heat output. The air from the air preheating device may be introduced into the fresh air exhaust gas mixing device, or may be introduced to an additional fresh air exhaust gas mixing device in the exhaust gas recirculation line.

Alternativ aber auch additiv zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel kann in einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung eine weitere Frischluft-Luftvorwärmeinrichtung in der Verbindungsleitung zwischen Rekuperator-Abgabeauslass und Verdichtereinlass vor der Abwärmezuleitung einer Abwärmenutzungseinrichtung angeordnet sein, wobei bevorzugt die Frischluft nach dem vorgenannten Ausführungsbeispiel zweistufig in zwei Abwärmenutzungseinrichtungen vorwärmbar ist. Somit können die vorgenannten Vorteile durch die Anordnung einer weiteren Luftvorwärmeinrichtung, die zwischen Rekuperator und einer Abwärmenutzungseinrichtung, die zwischen Rekuperator und Verdichter angeordnet ist, zusätzlich erwärmt werden, so dass die Frischluft eine sehr hohe Wärmemenge aufnehmen kann und der Rekuperator dementsprechend klein ausgeführt werden kann. Dies ermöglicht eine Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades bei vergleichbarer Gesamteffizienz, wobei durch die Abwärmenutzungseinrichtung eine verringerte Wärmemenge aus dem Abgas entnommen werden kann, da das Abgas bereits durch die weitere Frischluft-Luftvorwärmeinrichtung abgekühlt wird. Zusätzlich wird die Verdichter-Eintrittstemperatur weiter abgesenkt, und es besteht beim Einsatz von zwei Luftvorwärmeinrichtungen die Möglichkeit, die Luft je nach Betriebsfall durch keinen, die erste Luftvorwärmeinrichtung, die zweite Luftvorwärmeinrichtung oder beide Luftvorwärmeinrichtungen zu leiten, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. So können beide Luftvorwärmeinrichtungen auch durch einen Bypass umgangen werden, beispielsweise bei einem Start der Mikrogasturbinenvorrichtung, solange das Abgas kalt ist, oder bei hohen Außentemperaturen oder zu hoher Arbeitsleistung der Turbine. Die Brennwertnutzung findet insbesondere in den Abwärmenutzungseinrichtungen und in der vorgenannten ersten Luftvorwärmeinrichtung statt. Alternatively, but also additively to the preceding embodiment, a further fresh air Luftvorwärmeinrichtung can be arranged in the connecting line between recuperator discharge outlet and compressor inlet before the waste heat of a waste heat recovery device in an advantageous development of the invention, wherein preferably the fresh air according to the aforementioned embodiment, two stages preheat in two waste heat utilization facilities is. Thus, the above advantages can be additionally heated by the arrangement of another Luftvorwärmeinrichtung between recuperator and a waste heat recovery device, which is located between the recuperator and compressor, so that the fresh air can absorb a very high amount of heat and the recuperator can be made correspondingly small. This makes it possible to increase the electrical efficiency with comparable overall efficiency, wherein a reduced amount of heat can be taken from the exhaust gas by the waste heat utilization device, since the exhaust gas is already cooled by the further fresh air Luftvorwärmeinrichtung. In addition, the compressor inlet temperature is further lowered, and there is the use of two Luftvorwärmeinrichtungen Possibility of passing the air through none, the first air preheater, the second air preheater, or both air preheaters, depending on the operation, to achieve optimum efficiency. Thus, both Luftvorwärmeinrichtungen can also be bypassed by a bypass, for example, at a start of the micro gas turbine device, as long as the exhaust gas is cold, or at high ambient temperatures or high performance of the turbine. The calorific value utilization takes place in particular in the waste heat utilization devices and in the aforementioned first air preheating device.

In einem nebengeordneten Aspekt wird eine Mini-Blockheizkraftwerk zum Einsatz insbesondere in privaten Wohneinheiten oder Gewerbeeinheiten, beispielsweise einem Wohnhaus, einer Etagenwohnung, einem Büro- oder Fabrikgebäude, vorgeschlagen, das eine Mikrogasturbinenvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche umfasst. Ein derartiges Mini-Blockheizkraftwerk, das zur Gewinnung elektrischer Energie und Wärme am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben werden kann, nutzt eine Kraft-Wärmekopplung, wobei durch Einsatz der vorgeschlagenen Mikrogasturbinenvorrichtung ein deutlicher verbesserter Wirkungsgrad, erhöhte Effizienz, geringe Emissionen und ein geräuschloser Betrieb ermöglicht werden. Es können Wirkungsgrade von deutlich über 90% bis 95% erreicht werden. In a sidelined aspect, a mini cogeneration plant is proposed for use in particular in private residential units or commercial units, such as a residential building, a flat, an office or factory building, comprising a micro gas turbine apparatus according to any one of the preceding claims. Such a mini combined heat and power plant, which can be operated for the production of electrical energy and heat at the site of heat consumption, uses a combined heat and power, by using the proposed micro gas turbine device significantly improved efficiency, increased efficiency, low emissions and noiseless operation are possible. Efficiencies of well over 90% to 95% can be achieved.

In einem weiteren Aspekt wird eine Verfahren zum Betrieb einer Mikrogasturbinenvorrichtung bevorzugt nach einem der vorgenannten Ausführungsbeispiele vorgeschlagen, wobei Abgas einer Brennkammer eine Turbine antreibt, das Abgas von dem Turbinenauslass einem Verdichter zur Verdichtung zugeführt wird, und das verdichtete Abgas zumindest teilweise rückgeführt und mit Frischluft vermischt der Brennkammer zur Verbrennung mit einem Brennstoff wieder zugeführt wird. Mit anderen Worten wird ein Verfahren zum Betrieb einer Mikrogasturbinenvorrichtung vorgeschlagen, bei dem ein Mischgas zur Verbrennung in einer Brennkammer mit einem Brennstoff, beispielsweise Gas, gemischt wird, nach dem Verbrennen beim Austritt des Abgases eine Turbine antreibt, das Abgas durch einen Verdichter verdichtet wird und zumindest ein Teil des Abgases wieder zurückgeführt wird, um mit Frischluft vermischt als Mischgas zur weiteren Verbrennung zur Verfügung zu stehen. Durch die Rückführung zumindest eines Teils des Abgases und die Einführung in eine Brennkammer unter atmosphärischen Bedingungen kann der Brennstoff ebenfalls unter atmosphärischen Bedingungen eingeführt und verbrannt werden, wobei das Abgas mit dem Brennstoff stöchiometrisch vermischt werden kann, so dass die Verbrennung mit einem minimalen Luftüberschuss ablaufen kann. Die Abgasmenge kann somit auf die stöchiometrische Verbrennungsgasmenge reduziert werden, so dass Wärmeverluste um den Faktor Drei geringer ausfallen können. Durch die Abgasrezirkulation wird das Verbrennungswasser im System gehalten, so dass ein hoher Wasserdampfanteil entsteht, der für eine Brennwertnutzung genutzt werden kann. Gegenüber üblichen Mikrogastubinenvorrichtungen, in denen Frischluft unter hohem Druck in die Brennkammer eingebracht wird, muss der Brennstoff nicht ebenfalls unter Hochdruck eingebracht werden, so dass der Wirkungsgrad durch die Verdichtung des Brennstoffs nicht beeinträchtigt wird. Durch die Rezirkulation des Abgases wird ein solch hoher Wasseranteil im Abgas gehalten, so dass eine Brennwertnutzung durch Kühlen des Abgases, beispielsweise durch einen Wärmetauscher als Abwärmenutzungseinrichtung, zur Erwärmung von Heiz- oder Brauchwasser durchgeführt werden kann. Somit können ein deutlich höherer Wirkungsgrad und ein effizienter Betrieb bei geringerer Abgasabgabe und niedrigen Abgastemperaturen erreicht werden. In a further aspect, a method for operating a micro gas turbine apparatus is preferably proposed according to one of the aforementioned embodiments, wherein exhaust gas of a combustion chamber drives a turbine, the exhaust gas is supplied from the turbine outlet to a compressor for compression, and at least partially recirculated the compressed exhaust gas and mixed with fresh air the combustion chamber is recirculated for combustion with a fuel. In other words, a method for operating a micro gas turbine apparatus is proposed, in which a mixed gas for combustion in a combustion chamber with a fuel, for example gas, mixed, after combustion at the outlet of the exhaust gas drives a turbine, the exhaust gas is compressed by a compressor and at least a portion of the exhaust gas is recirculated to be mixed with fresh air as a mixed gas for further combustion available. By recycling at least a portion of the exhaust gas and introducing it into a combustion chamber under atmospheric conditions, the fuel may also be introduced and combusted under atmospheric conditions, where the exhaust gas may be stoichiometrically mixed with the fuel so that combustion may proceed with a minimal excess of air , The amount of exhaust gas can thus be reduced to the stoichiometric amount of combustion gas, so that heat losses can be smaller by a factor of three. The recirculation of exhaust gas keeps the combustion water in the system so that a high proportion of water vapor is generated, which can be used for utilization of the calorific value. Compared with conventional Mikrogastubinenvorrichtungen in which fresh air is introduced under high pressure in the combustion chamber, the fuel must not be introduced under high pressure, so that the efficiency is not affected by the compression of the fuel. Due to the recirculation of the exhaust gas, such a high proportion of water is retained in the exhaust gas, so that utilization of the calorific value can be carried out by cooling the exhaust gas, for example by a heat exchanger as a waste heat utilization device, for heating heating or service water. Thus, a significantly higher efficiency and efficient operation can be achieved with lower exhaust emissions and lower exhaust gas temperatures.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann das Abgas zwischen Turbinenauslass und Verdichtereinlass im Verdichter eines Rekuperators Abgaswärme an das der Brennkammer zugeführte Mischgas aus Frischluft und verdichtetem Abgas abgeben. Durch den Einsatz eines Rekuperators, beispielsweise eines großflächigen Wärmetauschers kann Abgaswärme genutzt werden, um das Mischgas, das aus Frischluft und rückgeführtem Abgas besteht, zu erwärmen, um somit dem Abgas Wäre zu entziehen, Wärmeverluste zu verringern und die Mischgaseintrittstemperatur zu erhöhen, so dass ein leichtes Verbrennen bei hohem Wirkungsgrad möglich wird. Das Mischgas wird durch den Turbinenunterdruck in die Brennkammer gesogen, und die Oxidation des Brennstoffs findet unter atmosphärischen Bedingungen statt. Das Abgas wird durch den Rekuperator deutlich abgekühlt, so dass ein hoher Verdichterwirkungsgrad erreicht werden kann. In der Brennkammer können neben Gas auch flüssige Brennstoffe, beispielsweise Diesel oder Heizöl, verbrannt werden. Des Weiteren ist auch der Einsatz von Schwachgasen, zum Beispiel Holzgas, Deponiegas, Grubengas oder brennfähiges Schadgas, wie Lösungsmittelgas von Lackieranlagen möglich. Durch die Rezirkulation der Abgase werden Schadstoffe durch Kondensation in Abwärmenutzungseinrichtungen ausgeschieden und können nachträglich behandelt werden. Das Abgas kann effizient gereinigt werden. Auch kann als Brennkammer eine Brennstoffzelle oder eine Brennstoffzelle in Kombination mit einer weiteren Brennkammer eingesetzt werden. Schließlich kann auch eine von außen beheizbare Brennkammer zur Umwandlung des Mischgases in Abgas eingesetzt werden. According to an advantageous development of the method, the exhaust gas between the turbine outlet and the compressor inlet in the compressor of a recuperator can emit exhaust heat to the mixed gas supplied to the combustion chamber from fresh air and compressed exhaust gas. By using a recuperator, such as a large-area heat exchanger exhaust heat can be used to heat the mixed gas, which consists of fresh air and recirculated exhaust gas, thus to escape the exhaust heat, reduce heat losses and increase the mixed gas inlet temperature, so that a easy burning at high efficiency is possible. The mixed gas is drawn into the combustion chamber by the turbine vacuum, and the oxidation of the fuel takes place under atmospheric conditions. The exhaust gas is significantly cooled by the recuperator, so that a high compressor efficiency can be achieved. In addition to gas, liquid fuels, for example diesel or heating oil, can be burned in the combustion chamber. Furthermore, the use of lean gases, for example wood gas, landfill gas, mine gas or combustible noxious gas, such as solvent gas from paint shops is possible. By the recirculation of the exhaust gases pollutants are eliminated by condensation in waste heat recovery facilities and can be treated later. The exhaust gas can be cleaned efficiently. Also, as a combustion chamber, a fuel cell or a fuel cell can be used in combination with another combustion chamber. Finally, it is also possible to use an externally heatable combustion chamber for converting the mixed gas into exhaust gas.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung kann zur Brennwertnutzung das Abgas mittels Kondensation in zumindest einer Abgaswärmenutzungseinrichtung, die vor dem Verdichtereinlass, bevorzugt zwischen Turbinenauslass und Verdichtereinlass, insbesondere an einem Rekuperator-Abgabeauslass und/oder an einem Abgasauslass des übrigen Abgases nach einer Abgasabzweigung an dem Verdichterauslass angeordnet ist, abgekühlt werden. Durch Einsatz einer Abgaswärmenutzungseinrichtung, der in der Regel als Wärmetauscher zur Erwärmung von Heiz- oder Brauchwasser ausgeführt sein kann, wird dem Abgas Wärme entzogen, und es erfolgt eine Kondensation des im Abgas gebundenen Wassers. Hierdurch erfolgt eine zusätzliche Brennwertnutzung, da die Abgastemperatur gesenkt und die im Abgas gehaltene thermische Energie zur zusätzlichen Erwärmung genutzt werden kann. Somit wird die Kondensationswärme des Wasserdampfes im Abgas genutzt und die nach außen abgegebene Abgastemperatur kann auf 30°C bis 60°C reduziert werden. Schließlich ist damit eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreichbar. According to an advantageous development, the exhaust gas can be used for condensing by means of condensation in at least one Exhaust gas heat recovery device, which is arranged in front of the compressor inlet, preferably between the turbine outlet and compressor inlet, in particular at a recuperator discharge outlet and / or at an exhaust gas outlet of the remaining exhaust gas after an exhaust branch at the compressor outlet, are cooled. By using an exhaust heat utilization device, which can be designed as a rule as a heat exchanger for heating heating or service water, heat is removed from the exhaust gas, and there is a condensation of the bound water in the exhaust gas. This results in an additional calorific value, since the exhaust gas temperature is lowered and held in the exhaust gas thermal energy can be used for additional heating. Thus, the heat of condensation of the water vapor is used in the exhaust gas and the exhaust gas emitted to the outside can be reduced to 30 ° C to 60 ° C. Finally, a significant improvement in efficiency can be achieved.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens kann das rückgeführte Abgas nach dem Verdichter vor der Vermischung mit Frischluft mittels zumindest einer Abgaswärmenutzungseinrichtung abgekühlt werden. In diesem Aspekt wird alternativ oder auch zusätzlich zu dem vorgenannten Aspekt der Einsatz einer Abgaswärmenutzungseinrichtung in der Abgasrückführungsleitung vor der Vermischung mit der Frischluft vorgeschlagen, so dass dem rückgeführten und verdichteten Abgas, das eine hohe Verdichtungstemperatur erreicht, zusätzlich Wärme entzogen werden kann, um den Wirkungsgrad weiter zu steigern. According to a further advantageous embodiment of the method, the recirculated exhaust gas can be cooled after the compressor before mixing with fresh air by means of at least one exhaust heat utilization device. In this aspect, as an alternative or in addition to the above-mentioned aspect, the use of an exhaust heat utilization device in the exhaust gas recirculation line before mixing with the fresh air is proposed, so that additional heat can be withdrawn from the recirculated and compressed exhaust gas, which achieves a high compression temperature continue to increase.

Schließlich kann nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens zumindest ein Teil der zugeführten Frischluft vor dem Vermischen mit dem Abgas durch zumindest eine Luftvorwärmeinrichtung, die bevorzugt vor dem Verdichtereinlass und/oder vor einer Abgaswärmenutzungseinrichtung zwischen Turbinenauslass und Verdichtereinlass angeordnet ist, vorgewärmt werden. Durch den Einsatz zumindest einer Luftvorwärmeinrichtung, die bei Bedarf auch umgangen werden kann, kann die Eintrittstemperatur des Abgases vor dem Kompressor erniedrigt werden, eine weitere Brennwertnutzung stattfinden, sowie die Einlasstemperatur des Mischgases als Frischluft im Abgas erhöht werden. Hierdurch ist es möglich, die Rekuperatorleistung abzusenken, so dass ein wesentlich kleinerer Rekuperator eingesetzt werden kann. Die nutzbare Heizwärme kann dadurch erhöht werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad nochmals verbessert werden kann. Finally, according to a further advantageous embodiment of the method, at least some of the fresh air supplied may be preheated by at least one air preheating device, which is preferably arranged in front of the compressor inlet and / or upstream of an exhaust heat utilization device between the turbine outlet and the compressor inlet. By using at least one Luftvorwärmeinrichtung, which can be bypassed if necessary, the inlet temperature of the exhaust gas can be lowered before the compressor, take place another use of condensing, and the inlet temperature of the mixed gas can be increased as fresh air in the exhaust gas. This makes it possible to lower the recuperator, so that a much smaller recuperator can be used. The usable heating heat can be increased, so that the overall efficiency can be further improved.

ZEICHNUNGEN DRAWINGS

Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Further advantages result from the present description of the drawing. In the drawings, embodiments of the invention are shown. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigen: Show it:

1 ein Blockschaltbild einer Mikrogasturbinenvorrichtung nach dem Stand der Technik; 1 a block diagram of a microturbine device according to the prior art;

2 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung; 2 a block diagram of a first embodiment of the invention;

3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; 3 a block diagram of a second embodiment of the invention;

4 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung; 4 a block diagram of a third embodiment of the invention;

5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 5 a block diagram of another embodiment of the invention;

6 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 6 a block diagram of another embodiment of the invention.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. In the figures, the same or similar components are numbered with the same reference numerals.

In der 1 ist ein Blockschaltbild einer Mikrogasturbinenvorrichtung für ein Blockheizkraftwerk 10 des Stands der Technik dargestellt. Bei Mikrogasturbinen wird üblicherweise die Prozessluft der Maschine, die durch einen Lufteinlass hereinströmt, zunächst durch einen Kompressor 16 verdichtet, wobei die Frischluft am Verdichtereinlass 32 eintritt und die komprimierte Frischluft am Verdichterauslass 34 austritt. Die Frischluft wird durch einen Rekuperator 22, der als Wärmetauscher ausgestaltet ist, geleitet, und tritt an dem Rekuperator-Aufnahmeeinlass 36 ein und die erwärmte Frischluft tritt am Aufnahmeauslass 38 aus. Zur Erwärmung der Frischluft wird ausströmendes Abgas, das durch den Abgas-Abgabeeinlass 40 in den Rekuperator einströmt, und am Abgabeauslass 42 ausströmt, um hiernach an einem Abgasauslass 52 ins Freie, z.B. durch einen Kamin geleitet zu werden, erwärmt. Die durch den Rekuperator 22 erwärmte Frischluft wird an einem Brennkammereinlass 48 in eine Brennkammer 20 gegeben, und, da sie mit einem hohen Druck von etwa 4–6 Bar in die Brennkammer eintritt, muss mit einem ebensolchen Druck ein Brennstoff durch eine Brennstoffzuleitung 24 in die Brennkammer 20 eingeleitet werden, beispielsweise Gas, Diesel oder Heizöl. Eine Verwendung von Schwachgasen mit niedriger Kompression ist nicht möglich. In der Brennkammer 20 wird die Mischung aus Frischluft und Brennstoff verbrannt, tritt mit hohem Druck an dem Brennkammerauslass 50 aus, und wird an einem Turbineneinlass 44 in eine Turbine 80 geleitet, um diese durch den Entspannungsdruck anzutreiben. In der Turbine 80 wird mechanische Energie erzeugt, die über eine Antriebswelle 14 den Verdichter 16 und einen Stromgenerator 12 antreibt, der verdichterseitig angeordnet ist, mechanisch derart antreibt, dass Strom aus dem Blockheizkraftwerk erzeugt werden kann. Das aus der Turbine 18 austretende Abgas wird von dem Turbinenauslass 46 an den Abgabeeinlass 40 des Rekuperators 22 geleitet. Somit wird üblicherweise die Prozessluft der Brennkammer 20 zunächst durch den Verdichter 16 verdichtet und anschließend in dem Rekuperator 22 mithilfe des heißen Turbinengases weiter erwärmt. Diese Form der Wärmerückgewinnung ermöglicht eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei den für Mikrogasturbinenvorrichtungen 10 typischen niedrigen Verdichterdruckverhältnissen. Danach wird die Prozessluft der Brennkammer 20 zugeführt, mit dem Brennstoff durch die Brennstoffzuleitung 24 vermischt und verbrannt. Die Verbrennungsabgase werden über die Turbine 18 entspannt und im Rekuperator 22 abgekühlt. Der größte Teil der abgegebenen Turbinenleistung wird zur Kompression der Prozessluft und zur Überwindung der Lagerreibung verwendet. Die überschüssige mechanische Leistung treibt den Permanentmagnetgenerator 12 an, um elektrische Energie zu erzeugen. Bei der Abwärmenutzung für Heizzwecke kann aufgrund des hohen Luftüberschusses im Abgas keine Brennwerttechnologie eingesetzt werden, da die Frischluft mit hohem Druck in die Brennkammer 20 eingebracht wird. Als Folge kann das im Rauchgas gebundene Wasser nicht kondensieren, und die darin gebundene thermische Energie nicht weiter genutzt werden. Um eine Brennwerttechnologie einzusetzen, muss die mindestens benötigte Frischluftmenge nahe dem stöchiometrisch benötigten liegen, wobei sie bei dem in 1 dargestellten Mikrogasturbinen-Blockheizkraftwerk 10 üblicherweise zwischen 8 bis 10 beträgt. Ebenfalls ist der Einsatz eines nicht dargestellten Brennstoffverdichters zur Erhöhung des Drucks des einzubringenden Brennstoffes in die Brennstoffzuleitung 24 der Brennkammer 20 nachteilig, da für die Kompression des Brennstoffes zusätzlich Energie benötigt und der Wirkungsgrad dadurch herabgesetzt wird. Schließlich sinkt der Wirkungsgrad der Turbokomponenten, also Verdichter 16 und Turbine 18, mit abnehmendem Raddurchmesser. Ist die geforderte elektrische Leistung für dieses Blockheizkraftwerk im Volllastpunkt gering, so werden die Turbokomponenten entsprechend klein ausgelegt, und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems sinkt ab. In the 1 is a block diagram of a micro gas turbine apparatus for a combined heat and power plant 10 of the prior art. In micro gas turbines usually the process air of the machine, which flows in through an air inlet, initially by a compressor 16 compressed, with the fresh air at the compressor inlet 32 enters and the compressed fresh air at the compressor outlet 34 exit. The fresh air is passed through a recuperator 22 , which is configured as a heat exchanger, passed, and occurs at the recuperator receiving inlet 36 a and the heated fresh air occurs at the receiving outlet 38 out. For heating the fresh air is exhaust gas flowing through the exhaust gas discharge inlet 40 flows into the recuperator, and at the discharge outlet 42 flows out to hereafter at an exhaust outlet 52 into the open air, eg to be passed through a fireplace, heated. The by the recuperator 22 heated fresh air is at a combustion chamber inlet 48 in a combustion chamber 20 given, and because it enters the combustion chamber with a high pressure of about 4-6 bar, with such a pressure a fuel must pass through a fuel supply line 24 into the combustion chamber 20 be introduced, for example, gas, diesel or fuel oil. It is not possible to use lean gases with low compression. In the combustion chamber 20 When the mixture of fresh air and fuel is burned, high pressure occurs at the combustor outlet 50 off, and is at a turbine inlet 44 in a turbine 80 headed to this through to drive the relaxation pressure. In the turbine 80 Mechanical energy is generated via a drive shaft 14 the compressor 16 and a power generator 12 drives, which is arranged on the compressor side, mechanically drives so that electricity from the cogeneration plant can be generated. That from the turbine 18 Exhaust gas exiting is from the turbine outlet 46 to the delivery inlet 40 of the recuperator 22 directed. Thus, usually the process air of the combustion chamber 20 first through the compressor 16 compressed and then in the recuperator 22 further heated using the hot turbine gas. This form of heat recovery allows for an increase in the electrical efficiency of those for micro gas turbine devices 10 typical low compressor pressure ratios. Thereafter, the process air of the combustion chamber 20 supplied with the fuel through the fuel supply line 24 mixed and burned. The combustion gases are passed through the turbine 18 relaxed and in the recuperator 22 cooled. Most of the turbine power output is used to compress the process air and overcome bearing friction. The excess mechanical power drives the permanent magnet generator 12 to generate electrical energy. When using the waste heat for heating purposes, no condensing technology can be used because of the high excess air in the exhaust gas, since the fresh air with high pressure in the combustion chamber 20 is introduced. As a result, the water bound in the flue gas can not condense, and the thermal energy bound in it can not be used further. To use a condensing technology, the minimum amount of fresh air required must be close to the stoichiometrically required 1 shown micro gas turbine cogeneration plant 10 usually between 8 to 10. Also, the use of a fuel compressor, not shown, to increase the pressure of the fuel to be introduced into the fuel supply line 24 the combustion chamber 20 disadvantageous because additional energy is required for the compression of the fuel and the efficiency is thereby reduced. Finally, the efficiency of the turbo components, ie compressors, decreases 16 and turbine 18 , with decreasing wheel diameter. If the required electrical power for this combined heat and power plant at full load is low, the turbo components are designed to be correspondingly small, and the efficiency of the overall system decreases.

In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel 60 der Erfindung dargestellt. Hierbei wird Frischluft durch einen Lufteinlass 30 atmosphärisch zusammen mit einem in einer Abgasrückführungsleitung 70 rückgeführten Abgas in einer Abgas-Frischluft Mischeinrichtung 74 vermischt, und in die Brennkammer 20 geleitet. Ebenfalls atmosphärisch wird der Brennstoff mit etwa einem Bar Druck hinzugeführt und das Gemisch in der Brennkammer 20 verbrannt. Das Abgas tritt aus dem Brennkammerauslass 50 aus und in den Turbineneinlass 44 der Turbine 18 mit etwa einem Bar bei ca. 850°C Wärmetemperatur ein. Nach dem Abgang aus der Turbine an dem Turbinenauslass 46 entspricht die Abgastemperatur noch 600°C bis 645°C, wobei der Gasdruck nur noch 0.1 bis 0.5 Bar entspricht. Zwischen Turbinenauslass 46 und Verdichtereinlass 32 ist eine erste Abwärmenutzungseinrichtung 62a angeordnet, um Abwärme des Abgases zu Heizzwecken zu nutzen. Das Abgas tritt an dem Abwärmeeinlass 64 in die Abwärmenutzungseinrichtung 62a ein und tritt mit verminderter Temperatur am Abwärmeauslass 66 aus, wobei Abgaswärme in einer wärmetauscherähnlichen Struktur an Heiz- oder Brauchwasser abgegeben wird (nicht dargestellt). Hierbei findet eine Kondensation von im Abgas gebundenem Wasser statt, wobei das Wasser nachbereitet werden kann, um Schadstoffe zu entfernen und in ein Abwassernetz abgeleitet oder für anderweitige Zwecke verwendet werden zu können. Der Verdichter 16 erhöht den Druck des am Verdichtereinlass 32 eintretenden Abgases auf wieder ca. 1 Bar, d.h. atmosphärischen Druck, wobei nach Ausströmen des Abgases aus dem Verdichterauslass 34 ein Teil des Abgases durch eine Abgasabzweigungseinrichtung 72 zurück an die Abgas-Frischluft Mischeinrichtung 74 geführt werden kann, und ein verbleibender Teil des Abgases an einen Abgasauslass 52 zur Abgabe ins Freie weitergeleitet wird. In dieser Abgasauslassleitung 52 kann eine weitere Abwärmenutzungseinrichtung 62b angeordnet sein, um zusätzlich Wärme aus dem Abgas für Heiz- oder Warmwasserzwecke zu nutzen. In the 2 is a first embodiment 60 represented the invention. This fresh air is through an air inlet 30 atmospheric together with one in an exhaust gas recirculation line 70 recirculated exhaust gas in an exhaust gas fresh air mixing device 74 mixed, and into the combustion chamber 20 directed. Atmospheric as well, the fuel is added with about a bar of pressure and the mixture in the combustion chamber 20 burned. The exhaust gas exits the combustion chamber outlet 50 out and into the turbine inlet 44 the turbine 18 with about a bar at about 850 ° C heat temperature. After leaving the turbine at the turbine outlet 46 the exhaust gas temperature is still 600 ° C to 645 ° C, the gas pressure corresponds to only 0.1 to 0.5 bar. Between turbine outlet 46 and compressor inlet 32 is a first waste heat utilization facility 62a arranged to use waste heat of the exhaust gas for heating purposes. The exhaust gas occurs at the waste heat inlet 64 in the waste heat utilization device 62a and enters the waste heat outlet at a reduced temperature 66 from, wherein exhaust heat in a heat exchanger-like structure of heating or service water is discharged (not shown). Here, a condensation of bound water in the exhaust gas takes place, wherein the water can be post-processed to remove pollutants and discharged into a sewage network or used for other purposes can. The compressor 16 increases the pressure at the compressor inlet 32 incoming exhaust gas back to about 1 bar, ie atmospheric pressure, wherein after flowing out of the exhaust gas from the compressor outlet 34 a portion of the exhaust gas through a Abgasabzweigungseinrichtung 72 back to the exhaust fresh air mixing device 74 can be performed, and a remaining part of the exhaust gas to an exhaust outlet 52 forwarded to the outside. In this exhaust outlet pipe 52 may be another waste heat utilization facility 62b be arranged to use additional heat from the exhaust gas for heating or hot water purposes.

3 stellt in gleicher Weise wie 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel 60 der Erfindung dar, wobei zwischen der Abgas-Frischluft Mischeinrichtung 74 und dem Brennkammereinlass 48 ein Rekuperator 22 eingeschaltet wird, so dass das Abgas-Frischluftgemisch durch den Aufnahmeeinlass 36 in den Rekuperator eingeleitet wird, und das durch die Abgaswärme erwärme Gemisch am Aufnahmeauslass 38 in die Brennkammer 20 weitergeleitet wird. Nach dem Abgang aus der Turbine 18 an dem Turbinenauslass 46 wird das Abgas durch den Rekuperator 22 am Rekuperator-Abgabeeinlass 40 geleitet, um Wärme an das Abgas-Frischluftgemisch abzugeben und die Abgastemperatur auf bis zu 250°C weiter abzusenken. Das Abgas gelangt durch den Abgabeeinlass 40 in den Rekuperator 22 und tritt am Abgabeauslass 42 aus dem Rekuperator 22 aus. Zwischen Rekuperator-Abgabeauslass 42 und Verdichtereinlass 32 ist eine erste Abwärmenutzungseinrichtung 62a angeordnet, um Abwärme des Abgases zu Heizzwecken zu nutzen und die Abgastemperatur weiter auf bis zu 40°–80°C abzusenken, wobei der Druck weiterhin bei ca. 0.1–0.5 Bar verbleibt. Ansonsten entspricht die Konfiguration der in 3 dargestellten Mikrogasturbinenvorrichtung 60 der in 2. Im subatmosphärischen Betrieb wird die Umgebungsluft somit zunächst durch den Rekuperator 22 geleitet, und dort mittels der Abwärme der Verbrennungsabgase erwärmt. Anschließend wird die vorgewärmte Prozessluft der Brennkammer 20 zugeführt, und mit dem Brennstoff durch die Brennstoffzuleitung 24 atmosphärisch vermischt. Die Oxidation, d.h. Verbrennung des Brennstoffs, erfolgt unter atmosphärischen Bedingungen. Die heißen Verbrennungsgase mit ca. 850°C und einem Bar Druck werden über die Turbine 18 in den Unterdruck bei ca. 0.1–0.5 Bar entspannt und durch den Rekuperator 22 geführt. Um einen möglichst hohen Verdichterwirkungsgrad zu erreichen, muss Abgas nach dem Rekuperator 22 weiter abgekühlt werden. Hierzu wird dies vor der Kompression auf Umgebungsdruck mit einem Bar durch eine Abwärmenutzungseinrichtung 62, zum Beispiel einen Heizkessel, geleitet, wobei die Abgastemperatur bis auf 40°–80°C absinkt, und Heizwasser bei 20°–35°C Rücklauftemperatur 40–80°C Vorlauftemperatur erreichen kann. Nach dem Verdichter 16 wird ein Teil des nun auf Atmosphärendruck verdichteten Verbrennungsabgases bei ca. 120°–180°C mit dem Frischgas in der Abgas-Frischluft Mischeinrichtung 74 vermischt, wobei das Abgas durch die Abgasrückführungsleitung 70 zurückgeführt wird. Der übrige Teil des Abgases wird in der Abgasabzweigungseinrichtung 72 an den Abgasauslass 52 weitergeleitet, wobei die Wärme des abgegebenen Abgases durch eine zweite Abwärmenutzungseinrichtung 62b genutzt werden kann, und das am Abgabeauslass 52 austretende Abgas eine Temperatur von nur noch 30°–60°C aufweist. Die Nutzung des Brennwertes findet in den Abwärmenutzungseinrichtungen 62a und 62b statt, wo das Verbrennungswasser auskondensieren kann. 3 represents in the same way as 2 another embodiment 60 of the invention, wherein between the exhaust gas fresh air mixing device 74 and the combustion chamber inlet 48 a recuperator 22 is turned on, so that the exhaust fresh air mixture through the intake 36 is introduced into the recuperator, and heated by the heat of exhaust gas mixture at the receiving outlet 38 into the combustion chamber 20 is forwarded. After leaving the turbine 18 at the turbine outlet 46 the exhaust gas is passed through the recuperator 22 at the recuperator discharge inlet 40 passed to heat to the exhaust-fresh air mixture and reduce the exhaust gas temperature up to 250 ° C. The exhaust gas passes through the discharge inlet 40 in the recuperator 22 and enters the delivery outlet 42 from the recuperator 22 out. Between recuperator outlet 42 and compressor inlet 32 is a first waste heat utilization facility 62a arranged to use waste heat of the exhaust gas for heating purposes and further reduce the exhaust gas temperature to 40 ° -80 ° C, the pressure still remains at about 0.1-0.5 bar. Otherwise, the configuration corresponds to the in 3 shown micro gas turbine apparatus 60 the in 2 , In subatmosphärischen operation, the ambient air is thus initially through the recuperator 22 passed, and there heated by the waste heat of the combustion gases. Subsequently, the preheated process air of the combustion chamber 20 supplied, and with the fuel through the fuel supply line 24 atmospherically mixed. The oxidation, ie combustion of the fuel, takes place under atmospheric conditions. The hot combustion gases with about 850 ° C and a bar pressure are transmitted through the turbine 18 relaxed in the negative pressure at about 0.1-0.5 bar and through the recuperator 22 guided. In order to achieve the highest possible compressor efficiency, exhaust gas must after the recuperator 22 be cooled further. This is done before compression to ambient pressure with a bar through a waste heat utilization facility 62 , for example, a boiler, with the exhaust gas temperature drops to 40 ° -80 ° C, and heating water at 20 ° -35 ° C return temperature can reach 40-80 ° C flow temperature. After the compressor 16 is a part of the now compressed to atmospheric pressure combustion exhaust gas at about 120 ° -180 ° C with the fresh gas in the exhaust gas fresh air mixing device 74 mixed, the exhaust gas through the exhaust gas recirculation line 70 is returned. The remaining part of the exhaust gas is in the Abgasabzweigungseinrichtung 72 to the exhaust outlet 52 forwarded, wherein the heat of the exhaust gas emitted by a second waste heat utilization device 62b can be used, and that at the delivery outlet 52 exiting exhaust gas has a temperature of only 30 ° -60 ° C. The use of the calorific value takes place in the waste heat utilization facilities 62a and 62b instead, where the combustion water can condense out.

In der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mikrogasturbinenvorrichtung 60 als Blockschaltbild dargestellt. Ausgehend von dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich in der Abgasleitung 70 eine weitere Abgaswärmenutzungseinrichtung 62c zur Erhöhung der Heizleistung vorgesehen. Somit wird dem rückgeführten Abgas Wärme entzogen und weiterhin kann Wasserdampf des Abgases auskondensieren. Diese Kreislaufvariante verfügt im Vergleich zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel über eine dritte Abwärmenutzungseinrichtung 64c. Sie befindet sich nach dem Verdichter 16 und der Abgasabzweigungseinrichtung 72 und vor der Abgas-Frischluft Mischeinrichtung 74, und nutzt die bei der Kompression des Abgases erzeugte Wärme. Bei einer Mikrogasturbinenvorrichtung 60 mit Abgasrückführung wird die Eintrittstemperatur auf der Frischgasseite des Rekuperators 22 reduziert, wobei auch die abgasseitigen Austrittstemperaturen aus dem Rekuperator am Aufnahmeauslass 38 abgesenkt ist. Die Nutzung des Brennwertes findet in den Abwärmenutzungseinrichtungen 62a, 62b und 62c statt, wobei Verbrennungswasser auskondensieren kann. Die Brennwertnutzung in der Abwärmenutzungseinrichtung 62c nach dem Verdichter ist im Vergleich zur Niedrigdruck-Abwärmenutzungseinrichtung 62a aufgrund des höheren Abgasdrucks erhöht. In der Abgasauslassleitung 52 vor der Abwärmenutzungseinrichtung 62b erreicht das Abgas eine Temperatur von ca. 120°C bis 180°C bei ca. 1 Bar, wobei nach der Abwärmenutzungseinrichtung 62b nur noch eine Abgastemperatur von etwa 30°–60°C vorhanden ist. Nach dem Brennkammerauslass 50 der Brennkammer 20 hat das Abgas eine typische Temperatur von 58°C bei einem Bar Atmosphärendruck und nach der Turbine nur noch etwa 0,2 Bar bei ca. 600°C bis 650°C. In der Abwärmenutzungseinrichtung 62a kann bei einer Rücklauftemperatur von 20°C bis 35°C eine Vorlauftemperatur von 45°C bis 80°C erreicht werden. In the 4 is another embodiment of a micro gas turbine device 60 shown as a block diagram. Starting from the in 3 illustrated embodiment is additionally in the exhaust pipe 70 another exhaust heat utilization device 62c intended to increase the heating power. Thus, the recirculated exhaust gas heat is removed and can continue to condense water vapor of the exhaust gas. This cycle variant has a third waste heat utilization device compared to the previous embodiment 64c , It is located after the compressor 16 and the exhaust branching device 72 and in front of the exhaust fresh air mixing device 74 , and uses the heat generated in the compression of the exhaust gas. In a micro gas turbine device 60 with exhaust gas recirculation, the inlet temperature on the fresh gas side of the recuperator 22 also reduces the exhaust gas outlet temperatures from the recuperator at the receiving outlet 38 is lowered. The use of the calorific value takes place in the waste heat utilization facilities 62a . 62b and 62c instead, where combustion water can condense out. The calorific value utilization in the waste heat utilization device 62c after the compressor is compared to the low-pressure waste heat recovery device 62a increased due to the higher exhaust pressure. In the exhaust outlet pipe 52 in front of the waste heat utilization facility 62b reaches the exhaust gas, a temperature of about 120 ° C to 180 ° C at about 1 bar, after the waste heat utilization device 62b only an exhaust gas temperature of about 30 ° -60 ° C is present. After the combustion chamber outlet 50 the combustion chamber 20 the exhaust gas has a typical temperature of 58 ° C at a bar atmospheric pressure and after the turbine only about 0.2 bar at about 600 ° C to 650 ° C. In the waste heat utilization facility 62a At a return temperature of 20 ° C to 35 ° C, a flow temperature of 45 ° C to 80 ° C can be achieved.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der 5 kommt zusätzlich zu dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Mikrogasturbinenvorrichtung 60 ein erster Luftvorwärmer 80 hinzu, um Frischluft vorzuwärmen, die an einem Kaltlufteinlass 30, 82 in den Luftvorwärmer 80 eintritt, und mit durch Abgaswärme erwärmt am Warmluftausgang 84 austritt. Die bei Atmosphärendruck erwärmte Frischluft wird in einer Abgas-Frischluft Mischeinrichtung 74 in die Abgasrückführungsleitung 70 nach der Abwärmenutzungseinrichtung 62c eingeleitet. Alternativ kann nach der Luftvorwärmeeinrichtung 80 die erwärmte Frischluft direkt in den Rekuperator 22 eingeleitet werden, und sich dort mit dem rückgeführten Abgas unter Normaldruck vermischen. Somit umfasst die in 5 dargestellte Mikrogasturbinenvorrichtung 60 drei Abwärmenutzungseinrichtungen 62a, 62b und 62c und eine Luftvorwärmeinrichtung 80, wobei die Luftvorwärmeinrichtung 80 die Frischluft erwärmt, sofern die Umgebungstemperatur der Luft unterhalb der Abgas-Austrittstemperatur der ersten Abwärmenutzungseinrichtung 62a liegt. Hierdurch wird die Eintrittstemperatur des Abgases in den Verdichter 16 weiter reduziert indem die frische Prozessluft vorgewärmt wird. Thermodynamisch hat dies den Vorteil, dass der Wirkungsgrad des Verdichters 16 mit sinkender Eintrittstemperatur steigt. Die Brennwertnutzung findet in den Abwärmenutzungseinrichtungen 62a, 62b und 62c und in der Luftvorwärmeinrichtung 80 statt. In a further embodiment of the 5 comes in addition to the in 4 illustrated embodiment of a micro gas turbine device 60 a first air preheater 80 to preheat fresh air from a cold air intake 30 . 82 in the air preheater 80 enters, and heated by exhaust heat at the hot air outlet 84 exit. The heated at atmospheric pressure fresh air is in an exhaust fresh air mixing device 74 in the exhaust gas recirculation line 70 after the waste heat utilization device 62c initiated. Alternatively, after the air preheating device 80 the heated fresh air directly into the recuperator 22 are introduced, and there mix with the recirculated exhaust gas under atmospheric pressure. Thus, the in 5 shown micro gas turbine apparatus 60 three waste heat utilization facilities 62a . 62b and 62c and an air preheater 80 wherein the air preheating device 80 the fresh air is heated, provided that the ambient temperature of the air below the exhaust gas outlet temperature of the first waste heat utilization device 62a lies. As a result, the inlet temperature of the exhaust gas in the compressor 16 further reduced by the fresh process air is preheated. Thermodynamically this has the advantage that the efficiency of the compressor 16 increases with decreasing inlet temperature. The calorific value utilization takes place in the waste heat utilization facilities 62a . 62b and 62c and in the air preheater 80 instead of.

Schließlich zeigt die 6 ein weiteres auf dem Blockschaltbild der 5 aufbauendes Ausführungsbeispiel einer Mikrogasturbinenvorrichtung 60, bei der neben einer ersten Luftvorwärmeinrichtung 80a, die zwischen Abwärmenutzungseinrichtung 62a und Verdichter 16 angeordnet ist, eine zweite Luftvorwärmeinrichtung 80b, die zwischen Rekuperator-Abgabeauslass 42 und Abwärmeeinlass 64 der Abwärmenutzungseinrichtung 62a angeordnet ist, geführt wird. Somit wird die Frischluft zweifach erwärmt und dem Abgas weitere Wärme entzogen, so dass die Effizienz des Verdichtungsprozesses erhöht wird. Somit verfügt dieses Ausführungsbeispiel über drei Abwärmenutzungseinrichtungen 62a, 62b, 62c und zwei Luftvorwärmeinrichtungen 80a und 80b. Mittels der zweiten Luftvorwärmeinrichtung 80b wird die Eintrittstemperatur der Frischluft nach der ersten Luftvorwärmeinrichtung 80a weiter erhöht, und näher an die Temperatur der rezirkulierten Abgase gebracht. Thermodynamisch bedeutet dies, dass in der ersten Abwärmenutzungseinrichtung 62a eine geringere Wärmemenge entnommen werden kann als in der vorangegangenen Varianten. Der elektrische Wirkungsgrad bei einer vergleichbaren Gesamteffizienz ist jedoch höher als im vorhergehenden Ausführungsbeispiel der 5. Weiterhin kann durch den Einsatz der ersten Luftvorwärmeeinrichtung 80a die Verdichtungstemperatur auf unter 40°C abgesenkt werden, so dass der Verdichterwirkungsgrad erhöht wird. Je nach Umgebungstemperatur und Betriebskonzept bietet sich die Möglichkeit, die Frischluft entweder über beide Luftvorwärmeinrichtungen 80a, 80b zu leiten, oder nur über eine der beiden oder über gar keine. Ebenfalls können beide Luftvorwärmeinrichtungen umgangen werden. Die Brennwertnutzung findet in den Abwärmenutzungseinrichtungen 62a, 62b und 62c und in der ersten Luftvorwärmeinrichtung 80a statt. Finally, the shows 6 another on the block diagram of 5 constructive embodiment of a micro gas turbine device 60 , in addition to a first Luftvorwärmeinrichtung 80a between waste heat recovery facility 62a and compressors 16 is arranged, a second Luftvorwärmeinrichtung 80b between the recuperator outlet 42 and waste heat inlet 64 the waste heat utilization device 62a is arranged is guided. Thus, the fresh air is heated twice and the exhaust further heat withdrawn, so that the efficiency of the compression process is increased. Thus, this embodiment has three waste heat utilization facilities 62a . 62b . 62c and two air preheaters 80a and 80b , By means of the second air preheating device 80b is the inlet temperature of the fresh air after the first Luftvorwärmeinrichtung 80a further increased, and brought closer to the temperature of the recirculated exhaust gases. Thermodynamically, this means that in the first waste heat utilization device 62a a smaller amount of heat can be removed than in the previous variants. However, the electrical efficiency at a comparable overall efficiency is higher than in the previous embodiment of the 5 , Furthermore, by using the first air preheating device 80a the compression temperature can be lowered below 40 ° C so that the compressor efficiency is increased. Depending on the ambient temperature and operating concept, it is possible to supply the fresh air either via both air preheating devices 80a . 80b to lead, or just one or both. Also both air preheating devices can be bypassed. The calorific value utilization takes place in the waste heat utilization facilities 62a . 62b and 62c and in the first air preheater 80a instead of.

Die vorgeschlagene Mikrogasturbinenvorrichtung kann gewerblich für Blockheizkraftwerke in Privat- oder Gewerbeeinheiten eingesetzt werden. Sie ermöglicht eine vereinfachte Nachverbrennung von sauerstoffhaltigen Abgasen aufgrund mehrfacher Zirkulation der Abgase durch die Brennkammer. Die Abgase werden mit Frischluft zugeführt und ersetzen die Frischluft bei einem niedrigen Sauerstoffgehalt unter atmosphärischen Bedingungen. Der einzuspritzende Brennstoff in die Brennkammer muss nicht weiter verdichtet werden. Die Mikrogasturbinenvorrichtung erreicht einen höheren Wirkungsgrad gegenüber konventionellen Anlagen von mindestens 90% bis 95%. Die Mikrogasturbinenvorrichtung kann für einen großen Leistungsbereich von 2kW bis 10MW ausgelegt werden. The proposed micro gas turbine apparatus can be used commercially for combined heat and power plants in private or commercial units. It allows a simplified post-combustion of oxygen-containing exhaust gases due to multiple circulation of the exhaust gases through the combustion chamber. The exhaust gases are supplied with fresh air and replace the fresh air at a low oxygen content under atmospheric conditions. The fuel to be injected into the combustion chamber does not need to be further compressed. The micro gas turbine device achieves a higher efficiency than conventional systems of at least 90% to 95%. The micro gas turbine device can be designed for a wide power range from 2kW to 10MW.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2011/001311 A2 [0008]

Claims

Microturbine device ( 60 ) comprising a combustion chamber ( 20 ), a compressor ( 16 ) and a turbine ( 18 ), characterized in that in front of the combustion chamber inlet ( 48 ) an exhaust fresh air mixing device ( 74 ) for mixing fresh air of an air intake ( 30 ) with exhaust gas of an exhaust gas recirculation line ( 70 ) and for supplying the gas mixture into the combustion chamber ( 20 ), wherein the combustion chamber outlet ( 50 ) with the turbine inlet ( 44 ), and the turbine outlet ( 46 ) at least indirectly with the compressor inlet ( 32 ) is connected to the compression of the exhaust gas, wherein after the compressor outlet ( 34 ) an exhaust branching device ( 72 ) is arranged to at least parts of the exhaust gas via the exhaust gas recirculation line ( 70 ) at least indirectly to the exhaust gas fresh air mixing device ( 74 ) and the remaining exhaust gas to an exhaust gas outlet ( 52 ).

Apparatus according to claim 1, characterized in that in the connecting line between the turbine outlet ( 46 ) and compressor inlet ( 32 ) and / or between exhaust branching device ( 72 ) and exhaust outlet ( 52 ) a waste heat utilization device ( 62a . 62b ) is arranged for a calorific value use.

Microturbine device ( 60 ) with calorific value use, comprising a combustion chamber ( 20 ), a compressor ( 16 ), a turbine ( 18 ) and a recuperator ( 22 ), characterized in that in front of the recuperator receiving inlet ( 36 ) an exhaust fresh air mixing device ( 74 ) for mixing fresh air of an air intake ( 30 ) with exhaust gas of an exhaust gas recirculation line ( 70 ), wherein the recuperator receiving outlet ( 38 ) at least indirectly with the combustion chamber inlet ( 48 ) is connected to the supply of the mixed gas, the combustion chamber outlet ( 50 ) with the turbine inlet ( 44 ), and the turbine outlet ( 46 ) at least indirectly with the recuperator discharge inlet ( 40 ) is connected to the heat transfer of exhaust gas to the mixed gas, and the recuperator discharge outlet ( 42 ) at least indirectly with the compressor inlet ( 32 ) is connected to the compression of the exhaust gas, wherein after the compressor outlet ( 34 ) an exhaust branching device ( 72 ) is arranged to at least parts of the exhaust gas via the exhaust gas recirculation line ( 70 ) at least indirectly to the exhaust fresh air mixing device ( 74 ) and the remaining exhaust gas to an exhaust gas outlet ( 52 ), at least in the connecting line between recuperator discharge outlet ( 42 ) and compressor inlet ( 32 ) and / or between exhaust branching device ( 72 ) and exhaust outlet ( 52 ) a waste heat utilization device ( 62a . 62b ) is arranged for a calorific value use.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that compressors ( 16 ) and turbine ( 18 ) by a drive shaft ( 14 ) and that on the drive shaft ( 14 ) preferably a compressor generator side ( 12 ) is connected to the mechanical drive.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the exhaust gas recirculation line ( 70 ) another waste heat utilization device ( 62 ) is arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the connecting line between recuperator discharge outlet ( 42 ) and compressor inlet ( 32 ), preferably after the waste heat removal ( 66 ) a waste heat utilization device ( 62a ) a fresh air preheating device ( 80 ) is arranged, heated by the exhaust gas flowing fresh air and the exhaust fresh air mixing device ( 74a ) or another exhaust fresh air mixing device ( 74b ) in the exhaust gas recirculation line ( 70 ), which preferably after a waste heat dissipation ( 66 ) a waste heat utilization device ( 62c ), is supplied.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a further fresh air Luftvorwärmeeinrichtung ( 80b ) in the connecting line between recuperator discharge outlet ( 42 ) and compressor inlet ( 32 ) before the waste heat supply ( 64 ) a waste heat utilization device ( 62a Preferably, the fresh air in two stages in two waste heat utilization facilities ( 80a . 80b ) is preheated.

A mini combined heat and power plant comprising a micro gas turbine device ( 10 ) according to one of the preceding claims for the production of electricity and heating for a residential or commercial unit.

Method for operating a micro gas turbine device ( 60 ), preferably according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the exhaust gas of a combustion chamber ( 20 ) a turbine ( 18 ), the exhaust gas from the turbine outlet ( 46 ) a compressor ( 16 ) is supplied to the compression, and the compressed exhaust gas is at least partially recycled and mixed with fresh air of the combustion chamber ( 20 ) for combustion with a fuel ( 24 ) is supplied.

A method according to claim 9, characterized in that the exhaust gas between the turbine outlet ( 46 ) and compressor inlet ( 32 ) by means of a recuperator ( 22 ) Exhaust heat to the combustion chamber ( 20 ) supplied mixed gas from fresh air and compressed exhaust gas.

A method according to claim 9 or 10, characterized in that for the utilization of calorific value, the exhaust gas by means of condensation in at least one exhaust heat utilization device ( 62 ) located in front of the compressor inlet ( 32 ), preferably between turbine outlet ( 46 ) and compressor inlet ( 32 ), in particular after a recuperator discharge outlet ( 42 ) and / or at an exhaust gas outlet ( 52 ) of the remaining exhaust gas after an exhaust branch ( 72 ) at the compressor outlet ( 34 ), is cooled.

Method according to one of the preceding claims 9 to 11, characterized in that the recirculated exhaust gas after the compressor ( 16 ) before mixing with fresh air by means of at least one exhaust heat utilization device ( 62 ) is cooled.

Method according to one of the preceding claims 9 to 12, characterized in that at least a part of the supplied fresh air before mixing with the exhaust gas by at least one Luftvorwärmeeinrichtung ( 80 ), preferably in front of the compressor inlet ( 32 ) and / or in front of an exhaust heat utilization device ( 62 ) between turbine outlet ( 46 ) and compressor inlet ( 32 ), is preheated.