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Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von nutzbarer kinetischer
Energie aus einem strömenden heißen Gase Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe,
aus einem strömenden heißen Gase nutzbare kinetische Energie zu gewinnen. Unter
einem heißen Gas ist dabei im wesentlichen ein Gas zu verstehen, dessen Temperatur
erheblich höher ist als die der Umgebung, wie es beispielsweise aus einer Wärmekraftmaschine,
insbesondere aus einer Gasturbine als Abgase, oder mit gleich hoher Temperatur aus
einem Behälter oder einer Leitung ausströmt.
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Es ist bekannt, bei Gasturbinen durch Wärmetauscher einen Teil der
fühlbaren Abgaswärme dem Kreisprozeß als Heizwärme. wieder zuzuführen, um Brennstoff
einzusparen. Der Betrieb der Gasturbine wird dadurch zwar wirtschaftlicher, jedoch
läßt sich bei diesem Wärmeaustausch die erzielbare Maschinenleistung nicht vergrößern.
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Letzteres ist aber das Ziel der vorliegend beschriebenen Erfindung
bei ihrer Anwendung auf Gasturbinen; es soll nicht nur die Wirtschaftlichkeit erhöht,
sondern vor allein die aus einem gegebenen Brennstoffaufwand gewinnbare Nutzleistung
vergrößert werden. Dies wird nach der der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis
grundsätzlich dadurch ermöglicht; da,ß der bekannte Gasturbinenprozeß ohne Wärmeaustauscher
unterhalb seiner Niveaulinie durch einen Kreisprozeß ergänzt wird, in dem die fühlbare
Abgaswärme teilweise in nutzbare kinetische Energie umgesetzt und teilweise in zerstreuter
Form, d. h. mit kleinstmöglichen Ternperaturgefälle zur Umgebung, abgeführt wird.
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Mit dem Verfahren des zusätzlichen Kreisprozesses nach der Erfindung
läßt sich über die Anwendung bei der bekannten Gasturbine hinaus aus jedem beliebigen,
nicht kondensierbaren heißen Gase, das irgendein technologischer Prozeß, also z.
B. auch eine Kolben-Brennkraftmaschine ausstößt und dessen Temperatur erheblich
höher ist als die der Umgebung, nutzbare Energie gewinnen, und zwar vorteilhaft
über Turbinenstufen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, in einem Unterdruckkreisprozeß
die Entspannung des Gases über Turbinenstufen und die anschließende Verdichtung
über von diesen angetriebene Verdichterstufen durchzuführen. Es ist aber mit mechanisch
angetriebenen, pulsierend oder gleichförmig fördernden Verdichtern ausgeschlossen,
eine zerstreute Wärmeabfuhr durchzuführen, wie sie nach der der Erfindung zugrunde
liegenden Erkenntnis erforderlich ist. Mit jenen bekannten Maßnahmen gelingt es
infolgedessen nicht, trotz des sehr erheblichen konstruktiven Aufwandes, den die
großen Maschinenabmessungen im Unterdruckgebiet erfordern, aus dem strömenden heißen
Gase nutzbare Energie zu gewinnen.
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Das Verfahren nach der Erfindung geht davon aus, das aus einem Behälter
oder einer Wärmekraftniaschine ausströmende heiße Gas in an sich bekannter Weise
auf einen Druck expandieren zu lassen, der unter dem Gegendruck am Ende der Gasströmung
liegt, und es dann wie beim Carnot-Prozeß unter Abführung der Verdichtungswärme
auf den Gegendruck zurückzuverdic.hten. Nach der Erfindung wird das Verfahren grundsätzlich
in der Weise durchgeführt, daß die Expansion zweistufig erfolgt, wobei der die Expansionsstufen
trennende Querschnitt als kritischer Querschnitt die, durchströmende, Gasmenge begrenzt,
und daß das strömende, Gas im Druckminimum am Ende der zweiten Expansionsstufe ein
Geschwindigkeitsmaximum erreicht. Dieses Verfahren kann weiterhin erfindungsgemäß
zweckmäßig in der Weise durchgeführt worden, da,ß man das strömende Gas anschließend
-.in die zweite Expansionsstufe durch Verengung seiner Leitung unter Druckanstieg
verzögert und auf den Gegendruck am Ende der Leitung zurückverdichtet, wobei man
den Gase durch Kühlung Wärme entzieht, und zwar am vorteilhaftesten derart, daß
ein Wiederanstieg der durch die Expansion abgesenkten Temperatur durch Kühlung dieses
Leitungsteiles verhindert wird.
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Bei diesem '\-erfahren ist die kinetische Energie aus der Entspannung
beider Stufen größer als der Energiebedarf der Rückverdichtung. Die Differenz ist
als Nutzleistung gewinnbar. Dieser Gewinn kann mit Vorteil bei der erfindungsgemäßen
Behandlung von heißen Gasen in der ersten Expansionsstufe des neuen Verfahrens durch
Turbinenstufen ausgenutzt werden. Die gewonnene Energie kann indessen auch erst
beim Entweichen des Gases aus der Rückverdichturngsleitung als kinetische Energie
ausgenutzt werden, z. B. als Rückstoßimpuls. Es können aber auch beide
Unter
dem Druck am Ende der Gasströmung ist im vorstehenden derjenige Druck zu verstehen,
welcher in demjenigen Raum herrscht, in den das Gas nach Verlassen seiner Rückverdichtungsleitung
gelangt. Üblicherweise ist das bei offenen Kreisläufen der Atmosphärendruck, jedoch
ist auch ein künstlich erzeugter höherer oder niedrigerer Druck möglich, z. B. der
Anfangsdruck des Verdichters hei geschlossenen Kreisläufen. Demgemäß liegt das Druckminimum,
bis auf das man das Gas expandieren läßt, gewöhnlich unter dem atmosphärischen Druck.
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Zur Verminderung der Reibungsverluste in der Strömung des heißen Gases
kann es dienen, wenn man gemäß der Erfindung dem Gase bereits in der zweiten Expansionsstufe
durch Kühlung Wärme entzieht, um das relative Geschwindigkeitsmaximum und damit
die geschwindigkeitsabhängigen Reibungsverluste in dem strömenden Gase herabzusetzen.
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Das hauptsächliche Anwendungsgebiet der Erfindung sind die Gasturbinen.
Hier besteht der mit der Erfindung erzielte Fortschritt vor allem darin, daß sie
es allein durch die Beeinflussung des Strömungsvorganges des Gases und somit ohne
Verwendung zusätzlicher Maschinenteile oder -aggregate, wie z. B. Kompressoren,
ermöglicht, aus dem Gase zusätzlich in dem Druckbereiche, der unterhalb des Turbinengegendruckes,
d. h. des Enddruckes der letzten Turbinenstufe liegt, nutzbare Energie. zu gewinnen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung
des neuen Verfahrens. Diese Vorrichtung besteht grundsätzlich in einer düsenartigen
Strömungsleitung für das zu behandelnde Gas mit einer sprungartigen Verengung auf
den kritischen Querschnitt, mit einem anschließenden sich erweiternden Querschnittsverlauf
für die Expansion des Gases auf ein Druckminimum sowie mit einem anschließenden
sich verengenden Querschnittsverlauf für die Rückverdichtung des Gases, wobei mindestens
der sich verengende Teil der Leitung mit einer Führung für ein Kühlmittel versehen
ist. Alternativ kann die Vorrichtung nach der Erfindung statt mit dem erwähnten
sich erweiternden, auch mit einem völlig oder im wesentlichen konstanten Querschnittsverlauf
in diesem Teile der Strömungsleitung ausgeführt werden. Ebenso kann die Kühlmittelführung
auf den Teil der Leitung ausgedehnt werden, in dem hinter dem kritischen Querschnitt
die Expansion des Gases stattfindet.
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Das Verfahren nach der Erfindung sei zunächst in seinem grundsätzlichen
Ablauf an Hand des Entropie-Temperatur-Diagramms nach Fig. 1 näher erläutert.
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Die Abszisse der Fig. 1 ist eine Entropiegröße, und die Ordinate entspricht
dem Verhältnis der mit Entspannung verbundenen Temperaturabsenkung T11T". Außerdem
ist das Diagramm nach der Isobare p, orientiert, die für den erfindungsgemäß ablaufenden
Kreisprozeß die Niveaugröße ist, von der dieser ausgeht und zu der er zurückkehrt.
Punkt A entspricht dem Austritt des strömenden Gases aus einem Gefäß oder einer
Brennkraftmaschine. Das Gas durchströmt danach die erste Expansionsstufe von A bis
1. Von 1 bis 2 findet hinter der Sperre eines kritischen Querschnittes im Punkte
1 die fortschreitende Expansion des Gases in der zweiten Stufe statt. Hier wird
diejenige kinetische Energie erzeugt, die zur Dekkung der Leistung für die anschließend
von 2 bis 3 erfolgende Rückverdichtung auf den Niveaudruck P3 und für die Austrittsgeschwindigkeit
w3 im Austrittsquerschnitt des Punktes 3 dient. Im Punkte 2, an der unteren Temperaturgrenze
des Kreisprozesses, wird im Druckminimum am Ende der zweiten Expansionsstufe das
Geschwindigkeitsmaximum w2 = w"", erreicht. Die anschließende Verringerung
dieser maximalen Geschwindigkeit vom Punkt 2 bis Punkt 3 ver läuft mit Druckanstieg;
hierbei wird die Verdichtungswärme aus dem Gasstrom an ein Kühlmittel alr geführt.
Da, diese Abführung momentan und gleichmäßig verläuft, erfolgt die Wärmeabfuhr aus
dem Kreisprozeß zerstreut, d. h. mit kleinstmöglichem Temperaturgefälle zur Umgebung.
Wenn die Wärmeabfuhr isothermisch verläuft, wird der Grenzfall des besten Wirkungsgrades
für das beschriebene Verfahren verwirklicht. Das Gas verläßt den Prozeß mit der
Austrittsgeschwindigkeit u,3. Die gewonnene nutzbare Energie wird durch die Strecke
A-1 dargestellt.
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Die der StreckeA-1 entsprechende Nutzleistungshöhe und die Austrittsgeschwindigkeitshöhe
w 3/2 g des Gases sind Größen, die einander supplementär ergänzen. Die letztere
kann z. B. auf Kosten der ersteren so weit gesteigert werden, bis Punkt i mit Punkt
A zusammenfällt; dann fällt der Leistungsgewinn des beschriebenen Unterdruckkreisprozesses
nur noch in Punkt 3 als kinetische Energie w;;2 g an, wie es Fig. 2 zeigt.
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Als Beispiel für das Verfahren nach der Erfindung ist in Fig. 3 seine
praktische Anwendung in Verbindung mit einer Gasturbine ebenfalls im Entropie-Temperatur-Diagramm
wiedergegeben.
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Der Kreisprozeß, der sich oberhalb der die atmosphärische Linie darstellenden
Isobare P3 abspielt, zeigt die übliche Arbeitsweise der bekannten Gasturbine mit
der Leistung, die durch die Höhe hl gekennzeichnet ist. Er wird erfindungsgemäß
erweitert durch den zweiten Kreisprozeß, der sich unterhalb der Isobare P3 abspielt
und demjenigen nach Fig. 1 entspricht; demgemäß sind auch im Diagramm der Fig.3
die ihn kennzeichnenden Punkte mit A, 1, 2 und 3 bezeichnet. Außerdem zeigt die
Krümmung der Linie 1-2 des Diagramms die Wirkung eines bereits in der zweiten Expansionsstufe
beginnenden Wärmeentzuges durch Kühlung des Gases. Die effektive Gesamtleistung
beider Kreisprozesse wird durch die Höhe h2 und der erzielte Leistungsgewinn durch
h2- lt, dargestellt.
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Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf Vorrichtungen zur Durchführung
des Verfahrens. Kennzeichnend ist hier der Verlauf der Leitungsquerschnitte, die
die Expansion und die Rückverdichtung des strömenden Gases steuern.
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Dies sei an Hand des Diagramms nach Fig.4 erläutert, wo für das Temperaturverhältnis
Tl1T2= 2,1
über den Querschnittsverlauf der zugehörige Druckverlauf bei der
zweistufigen Expansion und der Rückverdichtung des strömenden Gases gezeigt wird.
Die Drucksenkung, die im Diagratnm der Fig. 1 von der Isobare P3 bis zur Isobare,
P1 stattfindet und in der die gewinnbare Nutzleistung anfällt, erfolgt als erste
Expansionsstufe mit einer Erweiterung des Leitungsquerschnittes FA. Nach Entnahme
der Nutzleistung verengt sich die Leitung auf den kritischen Querschnitt F1= Fk"
wo der Beginn der zweiten Expansionsstufe durch den Drucksprung von P1 auf Pkr deutlich
gekennzeichnet ist. Vom Querschnitt Fk,, er-
weitert sich die Leitung bis
zum Querschnitt F2, in dem die zweite Expansionsstufe zu Ende ist. Im anschließenden,
sich zunächst stetig verengenden Teil der Leitung erfolgt der Druckanstieg des nunmehr
verzögert strömenden Gases bis zum Querschnitt F3, durch dem das Gas die Leitung
endgültig verläßt und in dem sein Druck mit lern Außen- bzw. dem jeweiligen
Niveaudruck
P3 übereinstimmt. Vom Querschnitt F2 bis zum Querschnitt F3 wird dem Gase Wärme
durch ein Kühlmittel entzogene.
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Zwischen den Querschnitten F2 und F3 ist der Querschnitt Fx besonders
gekennzeichnet, durch den das Gas mit der durch die- hier herrschende Tempera._
tur bedingten Schallgeschwindigkeit strömt. Der Querschnitt Fx muß also kleiner
sein als der Querschnitt F1= Fkn da T2 kleiner ist als T1. Der in Fig. 4 dargestellte
Strömungsverlauf weist demgemäß bei dem Querschnitt Fx eine Einschnürung auf, in
denn von F" bis Fx konvergent verlaufenden Teil der Leitung treten in der Strömung
keine Verluste durch Ablösung von der Wandung auf.
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Die Erfindung schlägt alternativ zu dem in Fig. 4 beschriebenen, Grenzfall
der größtmöglichen Entspannung weiterhin vor, gemäß Fig. 5 in der Leitung für das
strömende Gas den kritischen Querschnitt F1= Fk,. über eine solche Wegstrecke mindestens
im wesentlichem aufrechtzuerhalten, bis bei gleichzeitiger Geschwindigkeitssteigerung
und Wärmeabführung die Temperatur des heißen strömenden Gases auf den möglichen
Mindestwert abgesunken ist. Dadurch werden Wegstrecken vermieden, die im Wärmeentzug
unbeteiligt sind, und die Ablösung der Strömung von der Wandung auch während der
zweiten Expansionsstufe vermieden. Der Strömungsverlauf nach Fig. 5. ebenfalls für
Ti/T2= 2.1 ermittelt, überschreitet von F1= Fk,, bis F3 nirgends den Querschnitt
von F1. Die gesamte Weglänge von F1 bis F3 ist hier durch entsprechende Ausdehnung
der Kühlung am Wärineentzug beteiligt. Der Druckverlauf gibt das Entspannungsdruckvetrhältnis
der zweiten Expansionsstufe mit PI/P2= 5 und, das Rückverdicbtungsdruckverbältnis
mit P3/P2= 10,56 an.
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Schließlich befaßt sich die Erfindung mit der Durchführung des Wärmeentzuges
aus dem strömenden heißen Gase! im Zusammenhang mit seiner Rückverdichtung.
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Hierbei kann man erfindungsgemäß in be-zug auf Leistungsausbeute und
Wirtschaftlichkeit mit Kühlwasser von der Niveautemperatur des Kreisprozesses den
größten Effekt erzielen. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn eine Verbundgasturbine
nach der Erfindung zum Antrieb eines Schiffes dient. Eine Ausführungsform für diese
Möglichkeit ist in Fig. 6 schematisch veranschaulicht.
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Die Gasturbine ist durch ihren Verdichter 11, ihre Brenn- oder Heizkammer
12 und den eigentlichen Turbinenteil 13 dargestellt; dieser ist durch einen
Satz Schaufelräder 14 ergänzt, der die erfindungsgemäß gewonnene zusätzliche Wärmeenergie
in mechanische Energie umsetzt (vgl. Punkt A der Diagramme in Fig. 1 und 3). An
den Turbinenteil 13, 14 schließt sich die Leitung für die Weiterführung des
aus der Turbine ausströmenden heißen Gases an; sie besteht aus einem Teil 15 und
einem sich verengenden Teil 16, aus denn das auf den Gegendruck rückverdichtete
Gas ins Freie austritt. In der Leitung 15, 16 sind die kennzeichnenden Strömungspunkte
in übere:instimmung mit den entsprechenden Punkten der Dia gramme, in Fig. 1 und
3 mit 1, 2 und 3 bezeichnet. Die Leitung 15, 16 ist von einem Mantel 17 umschlossen,
der mit einer Zuführung 18- und einer Abführung 19 für einen ständigen Kühlwasserstrom
versehen ist, dessen Durchflußmenge und -geschwindigkeit nach den jeweiligen Verhältnissen
und Erfordernissen zu bemessen ist. In Fig.6 ist - entsprechend ihrer schematischem
Darstellungsweise-die Leitung 15, 16 in Gestalt eine düsenartigen Rohres mit Kühlina.ntel
als Element einer dem Turbinenaustritt kranzartig nachgeschalteten, Anordnung angedeutet.
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Für andere Verwendungszwecke einer Verbundgasturbine nach der Erfindung,
etwa für den Antrieb von Straßen- oder Schienenfahrzeugen, kann die nach Fig. 4
ungenutzte Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus der Leitung erfindungsgemäß injektorartig
Kühlluft durch die für den gesteuerten Wärmeentzug vorgesehene Apparatur hindurch-saugen.
Der Wasserkühlkreislauf kann dann entfallen. Ein Beispiel hierfür ist in Fig.7 veranschaulicht,
die hinsichtlich der Gasturbine und der Leitung 15, 16 mit Fig. 6 übereinstimmt.
Indessen ist hier die Leitung 15, 16 von einem düsenastigen Mantel 20 umschlossen,
der um eine gewisse Länge über das Ende des Leitungsteiles 6 hinausragen kann. In
diesem Bereiche übt das austretende Gas auf die, Luft im Mantel 20 eine Injektorwirkung
mit dem Ergebnis aus, daß in ihm eine ent= sprechend schnelle Außenluftströmung
erzeugt wird, die auf das Gas in der Leitung 15, 16 die erstrebte Kühlwirkung ausübt.
Bei rasch und stark veränderlichem. Betriebsbedingungen kommt hier die Veränderung
des Querschnittes der Leitung 15, 16 von F,= Fx (vgl. Fig.
5) zur gleichen Wirkung wie eine verstellbare Turbinenaustrittsdüse, da sich
der den Ausfluß des Gasstromes begrenzende kritische Querschnitt bei entlasteter
Maschine bis zum Querschnitt F" verlagern kann.
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Als weitere Möglichkeit schlägt die Erfindung vor, für den gesteuerten
Wärmeentzug einer erfindungsgemäßen Verbundgasturbine Preßluft zu verwenden, die
von der Nutzleistung der Verbundgasturbine eT-zeugt worden ist. Für diesen Preßluftstrom
bedeutet die Zufuhr der Abwärme aus dem Abgas der Gasturbine Heizwärme, die insbesondere
bei Luftfahrttriebwerken durch Erhöhung der inneren Energie die Austrittsgeschwindigkeit
und die Schubkraft dieser Sekundärluft vergrößert. Ein Ausführungsbeispiel hierfür
ist in Fig. 8 dargestellt, in der die; Gasturbine und die Leitung 15, 16 ebenfalls
mit Fig. 6 übereinstimmt. Hier ist vom Verdichter 11 der Gasturbine eine Preßluftleitung
21 abgezweigt und zu einem die Leitung 15, 16 umschließenden Mantel 22 geführt,
in dessen turbinenseitiges Ende sie mündet. Die Preßluft durchströmt den Mantel
22, übt dabei auf den Gasstrom in der Leitung 15, 16 die Kühlwirkung aus und tritt
mit erheblicher Geschwindigkeit ins Freie, die in der obenerwähnten Weise zur Schubkrafterzeugung
nusnutzbar ist.