DE1060669B - Waermekraftanlage mit Zellenrad-Druckaustauscher - Google Patents

Waermekraftanlage mit Zellenrad-Druckaustauscher

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DE1060669B
DE1060669B DES50331A DES0050331A DE1060669B DE 1060669 B DE1060669 B DE 1060669B DE S50331 A DES50331 A DE S50331A DE S0050331 A DES0050331 A DE S0050331A DE 1060669 B DE1060669 B DE 1060669B
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pressure
gas
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discharge duct
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DES50331A
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English (en)
Inventor
Dudley Brian Spalding
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/02Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using exhaust-gas pressure in a pressure exchanger to compress combustion-air

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Wärmekraftanlage mit Zellenrad-Druckaustauscher Es ist bereits vorgeschlagen worden, einer Turbine die von der Hochdruckspülstufe eines Druckaustauschers gelieferten Heißgase zuzuführen. Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung ist schon rein theoretisch nicht so hoch, als dies mit Rücksicht auf eine wirtschaftliche praktische Auswertung einer solchen Anordnung wünschenswert wäre. Daraus ergibt sich die Aufgabestellung, für eine derartige Anordnung einen besseren Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, ohne auf die Vorteile der einfachen Konstruktion des Druckaustauschers verzichten zu müssen und ohne unnötige weitere, zumeist sperrige, apparative Einrichtungen zu einer solchen Anordnung hinzufügen zu müssen. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst worden, daß in der Hochdruckspülzone des Druckaustauschers ein weiterer Gasabzugskanal eingefügt wird. Durch diese Maßnahme ist es gelungen, den Wirkungsgrad einer derartigen Anordnung um etwa 4011/o zu verbessern.
  • Die Erfindung beinhaltet demgemäß eine Wärmekraftanlage mit einem Zellenrad-Druckaustauscher, der einen Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal und eine Wärmezuführungseinrichtung in der Hochdruckstufe sowie einen in Bewegungsrichtung des Zellenrades zwischen Hoch- und Niederdruckspülstufe an der Abgasseite des Druckaustauschers angeordneten Niederdruck-Nutzgas-Abzugskanal aufweist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal mit einer Stufe höheren Drucks einer Expansionskraftmaschine und daß der Niederdruck-Nutzgas-Abzugskanal mit einer Stufe niedrigeren Drucks dieser Kraftmaschine verbunden ist, wobei der Druck dieser niedrigeren Druckstufe der Kraftmaschine zwischen dem in der Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers herrschenden Druck und dem in der Hochdruckspülstufe des Druckaustauschers herrschenden Druck liegt.
  • Es ist zwar bereits bekannt, einen Druckaustauscher mit zwei Gasentnahmekanälen auszustatten, deren Gasströmung einstellbar ist. Diese bekannte Anordnung weicht jedoch hinsichtlich der Schaltung der Gasentnahmekanäle mit Bezug auf den Druckaustauscher und mit Bezug auf eine angeschlossene Expansionsmaschine insofern wesentlich von der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ab, als bei der bekannten Schaltung die von der Hochdruckspülstufe abzweigende Leitung zu einer Brennkammer führt, während die von der Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers abzweigende Nutzgasleitung zu einer Niederdruckturbine führt, welcher außerdem unmittelbar Heißgas von der Brennkammer her zugeführt wird. Die bekannte Anordnung hat infolge ihres schaltungsmäßigen Aufbaus den eingangs bereits mit Bezug auf bekannte Anordnungen erwähnten Nachteil eines schlechten Wirkungsgrades, weshalb sich die bekannte Schaltung in der Praxis auch nicht durchsetzen konnte.
  • Der gemäß der Erfindung erzielbare, gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich bessere Wirkungsgrad beruht auch darauf, daß gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das Verhältnis der Querschnitte der beiden Nutzgas-Abzugskanäle so gewählt ist, daß das Verhältnis des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur der Gase im Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal zum Produkt aus Masse und absoluter Temperatur der gesamten, durch beide l#Tutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gleich der aus der gesamten, durch diese Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gewinnbaren Arbeit ist. Dieses Prinzip ist bei keiner bekannten Wärmekraftanlage der dargelegten Art verwirklicht, weshalb die Wärmekraftanlage nach der Erfindung im Vergleich zu den bekannten Anlagen einen sehr großen technischen Fortschritt bringt, der sich in dem erwähnten, gegenüber den bekannten Anlagen ganz wesentlich besseren Wirkungsgrad ausdrückt.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Verhältnis der Strömungsquerschnitte oder der Schluckfähigkeiten der beiden Expansionskraftmaschinenstufen derart gewählt, daß das Verhältnis des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur der Gase im Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal des Druckaustauschers zum Produkt aus Masse und absoluter Temperatur der gesamten, durch beide Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gleich der aus der gesamten, durch - diese Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge ggwinnbaren Arbeit ist. Die Expansionskraftmaschine der Wärmekraftanlage nach der Erfindung wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform derselben durch eine Gasturbine gebildet.
  • Als Beispiel sollen nunmehr einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Es stellt dar: Fig. 1 eine schematische Abwicklung des Zellenrades eines Druckaustauschers und der Anordnung der Kanäle desselben im Rahmen einer Wärmekraftanlage nach der Erfindung, Fig. 2 ein Diagramm, aus welchem die für die Erfindung kennzeichnende Änderung der an der in Fig. 1 gezeigten Turbine 9 verfügbaren Leistung bei einer Änderung des Verhältnisses des Produktes Masse mal absolute Temperatur des aus dem Hochdruckspülstufen-Abzugskanal 8 entnommenen Gases zum Produkt Masse mal absolute Temperatur des gesamten durch den Hochdruckspülstufen-Abzugskanal 8 sowie durch den zusätzlichen Abzugskanal 10 entnommenen Gases ersichtlich ist, und Fig. 3 eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten Kanalanordnung.
  • In Fig. 1 ist ein Zellenrad 1 mit sich in axialer Richtung erstreckenden, an beiden Enden offenen Zellen in Abwicklung dargestellt. Das Zellenrad bewegt sich in Richtung des Pfeiles X an feststehenden Endplatten 13 und 14 vorbei. Niederdruckspülstufen-Einlaß- und -Auslaßkanäle 2 bzw. 3 stehen mit den Zellen 1 durch Öffnungen in den Endplatten in Verbindung. Die Bezugsnummern 4 und 5 bezeichnen den Hochdruckspülstufen-Einlaß- bzw. -Auslaßkanal, welche ebenfalls durch Öffnungen in den Endplatten mit den Zellen des Zellenrades 1 in Verbindung stehen. Die Kanäle 4 und 5 sind außerhalb des Zellenrades durch einen Kanal 6 miteinander verbunden. In dem Kanal 5 befindet sich eine Heizvorrichtung 7. Damit bilden die Kanäle 4, 5 und 6 sowie die zeitweise mit den Kanälen 4 und 5 in Verbindung stehenden Zellen des Zellenrades 1 eine Hochdruckspülstufe. Der Auslaßkanal 5 steht ferner mit einem Hochdruckspülstufen-Abzugskanal 8 in Verbindung, welcher das heiße Gas aus der Hochdruckspiilstufe einer Turbine 9 zuführt. Die Welle der Turbine 9 ist mit der Welle eines elektrischen Generators 11 gekuppelt. In einem gewissen Abstand von dem Kanal 5 am Umfang des Zellenrades befindet sich in Drehrichtung ein zusätzlicher Abzugskanal 10, welcher ebenfalls heißes Gas aus dem Zellenrad der Turbine 9 zuführt. Der Kanal 10 steht mit einer niedrigeren Druckstufe der Turbine 9 in Verbindung als der Kanal 8, da der Druck des Gases im Kanal 10 niedriger ist als der Druck des Gases im Kanal B. Die Strömungscharakteristik der Turbine ist derart gewählt, daß die Strömungen des Gases durch die beiden Kanäle 8 und 10 das in Anbetracht der Erzielung einer möglichst hohen Leistung optimale Verhältnis haben.
  • Dies wird in den Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Fig.2 erklärt werden. Die Turbine kann an den Stufen, welche mit den Kanälen 8 und 10 in Verbindung stehen, mit Einlaßdüsen des Aktionstyps für teilweise Beaufschlagung und mit einstellbarem Durchgangsquerschnitt versehen werden, wodurch die Verteilung der Gasströme zwischen den beiden Kanälen geregelt werden kann.
  • Im Betriebe wird ein Gas (beispielsweise Frischluft) durch den Kanal 2 mittels des Niederdruckspülvorganges dynamisch in die Zellen eingesogen, dort verdichtet und dann der Hochdruckspülstufe in der Nähe der Kanäle 4 und 5 zugeführt. Das Gas in den Zellen wird durch den Kanal s abgeführt und durch den Kanal 4 wieder eingeführt. Ein Teil jedoch des auf diese Weise in Umlauf gebrachten Gases wird durch denKanal 8 entnommen, um die Turbine 9 anzutreiben. Das Gas in den Zellen nach Verlassen der Hochdruckspülstufe wird expandiert, und ein Teil dieses Gases wird durch den Kanal 10 entnommen, um die Turbine 9 anzutreiben. Das in den Zellen verbleibende Gas strömt dann aus dem Kanal 3 aus, während frisches Gas durch den Kanal 2 eintritt. Hierauf wird der Arbeitszyklus wiederholt. Die Verdichtung sowie die Entspannung des Gases erfolgt durch Stoß- bzw. Expansionswellen, welche durch das Öffnen bzw. Schließen der Zellen zu den Kanälen 2, 3, 4, 5 und 10 entstehen. In der Fig. 1 sind die Stoßwellen in voll ausgezogenen Linien, die Expansionswellen in gestrichelten Linien dargestellt. Die Kanäle 2 und 3 sowie die Kanäle 4 und 5 liegen mit ihren Mündungen am Umfang dicht aneinander, so daß jeweils eine Stoßwelle mit einer Expansionswelle kombiniert wird.
  • Die Fig.2 zeigt eine typische Kennlinie der aus dem Gase in den Kanälen 8 und 10 verfügbaren Gesamtleistung in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur des Gases in dem Kanal 8 zum Produkt aus Masse und absoluter Temperatur des gesamten Gases in den beiden Kanälen 8 und 10. Aus der Fig. 2 ist ersichtlich. daß die maximale Leistung verfügbar ist, wenn etwa 0,6 des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur aus dem durch den Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal 8 entnommenen Gase und etwa 0,4 des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur aus dem durch den zusätzlichen Abzugskanal 10 entnommenen Gase stammt. Wird dem Kanal 8 mehr oder auch weniger Gas entnommen, dann nimmt die verfügbare Leistung ab. Es ist daher vorzuziehen, den Druckaustauscher praktisch bei dem vorerwähnten optimalen Wert in Betrieb zu halten. Wie bereits vorher erwähnt wurde, ändert die Kennlinie ihre Form je nach den verschiedenen Wirkungsgraden der Verdichtung und Entspannung und nach den verschiedenen Druckhöhen, also je nach der verschiedenen Konstruktion der Druckaustauscher. Der optimale Wert könnte dann eventuell weiter nach rechts liegen, als es in Fig.2 dargestellt ist. In einem Grenzfall würde die Kurve dann überhaupt kein Maximum erreichen. Das ganze nutzbare Gas würde dann dem Kanal 8 entnommen werden. Durch den Einbau einstellbarer Einlaßdüsen bei einer Turbine 9, wie dies im Zusammenhang mit der Fig.l beschrieben wurde, kann der Druckaustauscher an einem bestimmten Punkt der in Fig.2 dargestellten typischen Kurve in Betrieb gehalten werden. In dem vorhergehenden Beispiel wurde die in dem Gas enthaltene Energie durch die Turbine 9 ausgenutzt. Man könnte aber auch das durch die Kanäle8 und 10 entnommene Gas für andere nützliche Zwecke verwenden, beispielsweise für chemische oder metallurgische Prozesse.
  • Die Fig. 3 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig. 1, wobei Überleitungskanäle, von denen einer bei 12 dargestellt ist, dazu verwendet werden, die Verdichtung und die Entspannung, wie sie durch die Stoß- bzw. Expansionswellen zustande kommen, zu erhöhen. Bei richtiger Konstruktion werden nämlich Stoß- und Expansionswellen infolge des Schließens bzw. Öffnens der Zellen zu den Überleitungskanälen erzeugt. Die übrige Anordnung der Kanäle nach Fig. 3 ist identisch mit derjenigen nach Fig. 1, insofern als die Kanäle 8 und 10 an geeignete Stufen der Turbine 9 oder aber beispielsweise an eine Anlage zur Durchführung eines chemischen Prozesses angeschlossen sind.
  • Obwohl in den Fig. 1 und 3 in dem Kanal s eine indirekte Heizvorrichtung 7 dargestellt wurde, kann an deren Stelle auch eine Brennkammer treten.
  • In den obigen Beispielen ist der Zellenring drehbar, und die Kanalanordnung steht still; man kann jedoch auch die Kanalanordnung drehen und den Zellenring festhalten.
  • Die Turbine 9 kann zum Antrieb des Zellenringes oder der Kanalanordnung, je nachdem welcher der beiden Teile drehbar ist, verwendet werden.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Wärmekraftanlage mit einem Zellenrad-Druckaustauscher, der einen Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal und eine Wärmezuführungseinrichtung in der Hochdruckstufe sowie einen in Bewegungsrichtung des Zellenrades zwischen Hoch- und Niederdruckspülstufe an der Abgasseite des Druckaustauschers angeordneten Niederdruck-Nutzgas-Abzugskanal aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal (5, 8) mit einer Stufe höheren Drucks einer Expansionskraftmaschine (9) und daß der Niederdruck-Nutzgas-Abzugskanal (10) mit einer Stufe niedrigeren Drucks dieser Kraftmaschine verbunden ist, wobei der Druck dieser niedrigeren Druckstufe der Kraftmaschine zwischen dem in der Niederdruck-Spülstufe (2, 3) des Druckaustauschers herrschenden Druck und dem in der Hochdruckspülstufe (4, 5) des Druckaustauschers (1) herrschenden Druck liegt.
  2. 2. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein derartiges Verhältnis der Querschnitte der beiden Nutzgas-Abzugskanäle (5, 8 bzw. 10), daß das Verhältnis des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur der Gase im Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal (5, 8) zum Produkt aus Masse und absoluter Temperatur der gesamten, durch beide Nutzgas-Abzugskanäle (5, 8 und 10) strömenden Gasmenge gleich der aus der gesamten, durch diese Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gewinnbaren Arbeit ist.
  3. 3. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein derartiges Verhältnis der Strömungsquerschnitte oder der Schluckfähigkeiten der beiden Expansionskraftmaschinenstufen, daß das Verhältnis des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur der Gase im Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal (5, 8) zum Produkt aus Masse und absoluter Temperatur der gesamten, durch beide Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gleich der aus der gesamten durch diese Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gewinnbaren Arbeit ist.
  4. 4. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Ausbildung der Expansionskraftmaschine als Gasturbine. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 932 041, 928 857; schweizerische Patentschrift Nr. 229 280.
DES50331A 1955-09-12 1956-09-12 Waermekraftanlage mit Zellenrad-Druckaustauscher Pending DE1060669B (de)

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