DE2122064A1

DE2122064A1 - Kühlanlage, Wärmerückgewinnungsanlage, Verdichtungsanlage für gekühltes Gas und Anlage zur Durchführung eines Brayton-Kreisprozesses

Info

Publication number: DE2122064A1
Application number: DE19712122064
Authority: DE
Inventors: William H. Woodside N.Y. Nebgen (V.StA.)
Original assignee: Treadwell Corp
Current assignee: Treadwell Corp
Priority date: 1970-05-05
Filing date: 1971-05-04
Publication date: 1971-12-09
Also published as: ZA712173B; BE766745A; US3668884A; ATA386471A; AU2847071A; CA939523A; GB1349576A; IT942575B; NL7105785A; FR2091249A5; ES390877A1

Description

P AT E NT A N W S CTE

DR. I. MAAS >ί.

DR. W. PFEIFFER ^ DR. F. VOITHENLEITNERI

a MÜNCHEN 23 TR—1 3

UNeERERSTR. 25 -TEL. 39 02 8ft

Treadwell Corporation New York, N.Y. 10019, V.St.A.

Kühlanlage«, Wärmerückgewinnungsanlage, Verdichtungsanlage für gekühltes Gas und Anlage zur Durchführung äines Brayton-Kreisprozeßes

Der Wirkungsgrad einer Kühlanlage wird durch die Energie bestimmt, welche erforderlich ist, um die nötige Wärmemenge einer Arbeitsströmung zu entziehen, welche auf eine gewählte Temperatur gekühlt werden soll. Wenn diese Wärme in Stufen mit fortschreitend niedrigeren Temperaturen entzogen wird, so wird die erforderliche Energie entsprechend der Anzahl von verwendeten Stufen verringert. Je

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größer die Anzahl von Stufen ist, desto geringer ist die erforderliche Energie und desto größer ist der Wirkungsgrad der Kühlanlage.

Der Wirkungsgrad einer Wärmerückgewinnungsanlage wird durch die Energie bestimmt, welche sie aus der Wärme erzeugt, die sie einer Arbeitsströmung entzieht, wenn sie die Arbeitsströmung über einen gewählten Temperaturbe- ^ reich abkühlt. Wenn diese Wärme rückgewonnen wird und in Stufen mit fortschreitend niedrigeren Temperaturen verwendet wird, so wird die erzeugte Energie entsprechend der Anzahl von verwendeten Stufen erhöht. Je größer die Anzahl von Stufen, desto größer ist die erzeugte Energie und desto größer ist der Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnungsanlage .

Wenn das Gas, welches in einen Gasverdichter eintritt, durch Kühlung abgekühlt wird, ist eine geringere Energie erforderlich, um das Gas mit einem gewünschten Verdichtungsverhältnis zu verdichten, und wenn das Einlaßgas auf eine geeignete Temperatur abgekühlt ist, ist die er-P sparte Gasverdichtungsenergie größer als die zur Abkühlung des Gases erforderliche Kühlenergie. Die gesamte Energie, welche die Summe der Verdichtungsenergie für das gekühlte Ansauggas sowie der Kühlenergie ist, ist geringer als die Verdichtungsenergie für das ungekühlte Ansauggas allein. Der ersparte Energiebetrag hängt vom Wirkungsgrad (von der Anzahl von Stufen) der Kühlanlage und vom Gasverdichtungsverhältnis ab. Je größer der Wirkungsgrad der Anlage und je größer das Verhältnis ist, desto größer ist die Ersparnis. Bei einem gegebenen Verdich-

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tungsverhältnis und bei Abkühlung auf eine gegebene Temperatur ergibt eine zweistufige Kühlanlage eine größere Ersparnis als eine einstufige und eine dreistufige Anlage ergibt eine noch größere Ersparnis.

Bei einer Braytonkreisproz^-Maschine tritt Luft unter Atmosphärendruck in die Maschine ein, wird verdichtet, erhitzt und sodann wieder auf Atmosphärendruck entspannt, Die Nettoenergieabgabe der Maschine ist die verhältnismäßig kleine Differenz zwischen zwei ziemlich großen Zahlen, d. h. die Differenz der vom Luftentspanner erzeugten Gesamtenergie und der vom Luftverdichter verbrauchten Energie. Die vom Luftentspanner einer einfachen Braytonkreisproaeß-Maschine mit dem Verhältnis 5,¹+ erzeugte Energie beträgt etwa das 2,77fache der Nettoenergieabgabe der Maschine und wenn der Verdichter bei Umgebungstemperatur (beispielsweise 37,8° C(IOO⁰T)) ansaugt, so beträgt die vom Luftverdichter verbrauchte Energie etwa das l,77fache der Nettoenergieabgabe. Wenn die auf Umgebungstemperatur befindliche Luft gekühlt wird, bevor sie in den Verdichter eintritt, erhöht sich die Energieabgabe dieser Braytonkreisxioaeß-Maschine, da das Verdichtungsverhältnis steigt und das Entspannungsverhältnis entsprechend steigt, da sich infolgedessen die vom Luftentspanner erzeugte Energie erhöht und auch die Luftmengenströmung durch die Maschine sich infolge der größeren Dichte der kalten Luft erhöht. Die zum Kühlen der Einlaßluft erforderliche Energie muß natürlich von der Energie abgezweigt werden, welche von der BraytonkreispEozeß-Maschine erzeugt wird, aber auch bei Verwendung einer einstufigen Kühlanlage mit geringem

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Wirkungsgräd liefert die Maschine mit gekühlter. Ansaugluft mehr Nutzenergie an der Welle, als es die gleiche Maschine bei Ansaugung mit 37,8° C (100° F) tun würde.

Die Erfindung befaßt sich mit einer verbesserten Kühlanlage.

In der Kühlanlage wird kaltes Kühlmittel in der flüssigen Phase zur Gegenstromkühlung einer Arbeitsströmung von etwa Umgebungstemperatur auf eine gewählte niedrigere Temperatur verwendet. Die kalte Kühlflüssigkeit wird dadurch auf Umgebungstemperatur erwärmt. Die Kühlflüssigkeit wird unter ausreichendem Druck gehalten, so daß sie bei der obersten, von ihr bei der Gegenstromkühlung der Arbeitsströmung erreichten Temperatur nicht siedet. Eine Füllung von kaltem flüssigem Kühlmittel wird erzeugt, indem eine Füllung von auf Umgebungstemperatur befindlicher Kühlflüssigkeit in einem Entspannungsverdampfer (flash tank) zur Verdampfung gebracht wird. Während dieser Entspannungsverdampfung (flashing)'siedet die Kühlflüssigkeit bei fortschreitend niedrigeren Drücken und Temperaturen. Der entstehende Dampf wird ständig durch Kühlmittelverdichter abgeleitet und wird sodann verdichtet, gekühlt und bei etwa Umgebungstemperatur kondensiert. Die Entspannungsverdampfung führt zu einer Abkühlung desjenigen Teils der Kühlflüssigkeit, welche bei der Entspannung nicht verdampft, und wenn die Flüssigkeit in dieser Weise ausreichend abgekühlt ist, wird sie vorübergehend in einem Kaltspeicherbehälter gespeichert und sodann zur Gegenstromkühlung der Arbeitsströmung verwendet. Obwohl'die kalte Flüssigkeit in einzelnen Füllungen oder

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Beschickungen erzeugt wird, ermöglicht der Kaltspeicherbehälter ihre Verwendung in gleichbleibender Menge zur Kühlung der Arbeitsströmung. Da die Füllung der auf Umgebungstemperatur befindlichen Kühlflüssigkeit bei fortschreitend niedrigeren Temperaturen verdampft, wird derselben ständig bei fortschreitend niedrigeren Temperaturen Wärme entzogen. Das Verfahren entspricht daher einem solchen, bei dem Wärme in einer sehr großen (theoretisch unendlichen) Anzahl von Kühlstufen entzogen und ausgeschieden wird. Daher ist diese Kühlanlage in der Theorie thermodynamisch reversibel und hat möglicherweise den höchsten Wirkungsgrad, welcher erreicht werden kann.

Bei der Wärmerückgewinnungsanlage wird die auf Umgebungstemperatur befindliche Kühlflüssigkeit erhitzt und unter ausreichendem Druck gehalten, so daß sie nicht siedet, während sie erwärmt wird. Die heiße Flüssigkeit wird vorübergehend in einem Heißspeicherbehälter gespeichert. Eine Füllung der erhitzten Flüssigkeit wird vom Heißspeicherbehälter zu einem Heißentspannungs-Verdampfer (hot flash tank) geleitet, wo sie einer Entspannungsverdampfung (flash) bei sinkenden Temperaturen und Drücken unterzogen wird, bis sie zuletzt eine vorbestimmte niedrigere Temperatur, gewöhnlich etwa Umgebungstemperatur, erreicht. Der durch die Entspannung abgedampfte Dampf wird durch Kühlentspanner geleitet, deren jeder einen entsprechenden KühIverdichter antreibt, wie oben erläutert. Der Kühlentspanner kann seinen Kühlverdichter direkt oder über eine konstante oder veränderliche Geschwindigkeit sübersetzungseinrichtung antreiben. Der den

letzten Entspanner verlassende, abgedampfte Dampf wird bei etwa Umgebungstemperatur kondensiert. Da die Füllung von heißer Kühlflüssigkeit bei fortschreitend niedrigeren Temperaturen verdampft, gibt sie ständig Wärme bei fortschreitend niedrigeren Temperaturen ab. Das Verfahren entspricht daher einem solchen, bei welchem Wärme rückgewonnen und in einer sehr großen (theoretisch unendlichen) Anzahl von Wärmerückgewinnungsstufen verwendet wird. Daher ist in der Theorie diese Wärmerückgewinnungsanlage thermodynamisch reversibel und hat möglicherweise den höchsten Wirkungsgrad, welcher erreicht werden kann.

Am Beginn des Arbeitszyklus befindet sich der aus dem Heißentspannungs-Verdampfer kommende Dampf auf seiner maximalen Temperatur und seinem maximalen Druck und kann den maximalen Betrag an Entspannungsarbeit leisten. Am Beginn des Arbeitszyklus befindet sich der aus dem KaItentspannungs-Verdampfer kommende Dampf ebenfalls auf seiner maximalen Temperatur und seinem maximalen Druck und er erfordert den minimalen Betrag an Verdichtungsarbeit. Daher wird am Beginn des Arbeitszyklus das verfügbare Gesamtentspannungsverhältnis in drei Entspannern verwendet, welche so mit Ventilen verbunden sind, daß sie in Reihe arbeiten, und das erforderliche Verdichtungsverhältnis wird durch die damit paarweise verbundenen drei Verdichter geliefert, welche so mit Ventilen verbunden sind, daß sie parallel arbeiten. (Drei Paare von Entspannern und Verdichtern bilden einen außerordentlich zufriedenstellenden Kompromiß zwischen Wirkungsgrad und Kosten der Anlage und so wird die Zusammenfassung der Erfindung in Verbindung mit einer solchen Anlage beschrieben, wobei natürlich festzuhalten ist, daß auch nur zwei

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oder mehr als drei Paare von Entspannern und Verdichtern vorhanden sein können). Wenn der Arbeitszyklus fortschreitet, sinkt der Druck des verdampfenden Kühlmittels im Heißentspannungs-Verdampfer und der Druck des verdampfenden Kühlmittels im Kaltentspannungs-Verdampfer sinkt ebenfalls, so daß die von jedem Kühlmittelentspanner erzeugte Energie sinkt und die von jedem Kühlmittelverdichter angeforderte Energie steigt. Wenn der Arbeitszyklus bis zu dem Punkt fortgeschritten ist, in dem jeder Entspanner nicht mehr in der Lage ist, den damit paarweise verbundenen Verdichter anzutreiben, werden die Ventilverbindungen so geschaltet, daß der heiße Dampf durch zwei in Reihe liegende Entspanner und der kalte Dampf durch zwei parallel liegende Verdichter geleitet wird. (Ein Entspanner und der damit paarweise zusammengefaßte Verdichter werden durch Ventile vorübergehend abgesperrt), Das in diesem Zeitpunkt zur Verfügung stehende kleinere Gesamtentspannungs-Druckverhältnis wird lediglich in zwei und nicht in drei Entspannern verwendet und jeder Entspanner erzeugt mehr Energie (welche zum Antrieb des damit paarweise verbundenen Verdichters ausreicht). Nach einem weiteren Abfall des Drucks des aus dem Heißentspannungs-Verdampfer kommenden Dampfes werden wiederum Ventile derart geschaltet, daß zwei parallelliegende Entspanner zwei parallelliegende Verdichter antreiben. Nach einem weiteren Druckabfall im HeißentSpannungs-Verdampfer treiben zwei parallelliegende Entspanner zwei in Reihe liegende Verdichter und schließlich am Ende des Arbeitszyklus treiben drei parallelliegende Entspanner drei in Reihe liegende Verdichter.

Durch Umschalten der Verdichterventile ist es möglich,..

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zuerst mit einer, dann zwei und sodann drei Verdichterstufen zu arbeiten. Wenn das gesamte Verdichtungsverhältnis , welches erforderlich ist, in drei Stufen statt in einer erzeugt wird, ist für jeden Verdichter eine geringere Energie erforderlich, aber gleichzeitig tritt ein Abfall der Gesamtmenge ein, mit der Dampf vom KaItentspannungs-Verdampfer ausströmt, und es besteht ein entsprechender Abfall in der Geschwindigkeit, mit der der Entspannungsverdampfer sich abkühlt.

Durch Umschalten der Entspannerventile ist es möglich, zuerst mit drei Stufen, dann zwei Stufen und sodann einer Entspannungsstufe zu arbeiten. Wenn das zur Verfügung stehende Gesamtentspannungsverhältnis in einer Entspannungsstufe statt in drei benutzt wird, wird mehr Energie von jedem Entspanner erzeugt, aber es besteht ein gleichzeitiger Anstieg in der Gesamtmenge, mit der Dampf aus dem Heißentspannungs-Verdampfer ausströmt, und es besteht ein entsprechender Anstieg in der Geschwindigkeit, mit der sich der Entspannungsverdampfer abkühlt.

In irgendeinem gegebenen Zeitpunkt während des Verdampfungszyklus ist die Geschwindigkeit, mit der Dampf aus dem Heißentspannungs-Verdampfer durch die Entspanner ausströmt, gewöhnlich ganz unterschiedlich von der Geschwindigkeit, mit der Dampf aus dem Kaltentspannungs-Verdampfer durch die Verdichter ausströmt, aber in jedem Zeitpunkt des VerdampfungsZyklus ist die Energie, welche von jedem Kühlentspanner erzeugt wird, genau die gleiche wie die Energie, die für den damit paarweise verbundenen Verdichter nötig ist.

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Während des ganzen Arbeitszyklus wird der den letzten Kühlentspanner verlassende Dampf im wesentlichen auf Umgebungstemperatur gekühlt und zu einer Flüssigkeit kondensiert. Der Kühlverdichter-Abdampf wird ebenfalls gekühlt und kondensiert. Die auf Umgebungstemperatur befindliches kondensierte Kühlflüssigkeit kann sowohl den Kaltentspannungs-Verdampfer als auch die Abhitze-Rückgewinnungsanlage speisen. (Es ist natürlich möglich und kann in einigen Fällen erwünscht sein, unterschiedliche Arbeitsmedien für den Kühlkreislauf und für den Energieerzeugerkreislauf zu verwenden. In diesem Fall werden zwei getrennte Kondensatoren verwendet. Wenn ein Arbeitszyklus beendet ist, wird die auf Umgebungstemperatur befindliche Flüssigkeit, welche im Heißentspannungs-Verdampf er zurückbleibt, in den Umgebungstemperatur-Speicherbehälter geleitet. Die im Kaltentspannungsverdampfer zurückbleibende kalte Flüssigkeit wird in den Kaltspeicherbehälter geleitet. Sodann wird eine neue Füllung von heißer Kühlflüssigkeit vom Heißspeicherbehälter zum Heißentspannungs-Verdampfer geleitet, eine neue Füllung von auf Umgebungstemperatur befindlicher Kühlflüssigkeit wird vom Umgebungstemperatur-Speicherbehälter zum Kaltentspannungs-Verdampfer geleitet und der Arbeitszyklus wird wiederholt.

In der erfindungsgemäßen Kühlanlage kann der Wärmewert der Kühlarbeit (W_R), welche zur Abkühlung einer Arbeitsströmung (beispielsweise eines Kilomols Gas, normalerweise Luft) von Umgebungstemperatur (T.) auf eine gewählte niedrigere Temperatur (Tg) erforderlich ist, ausgedrückt werden durch

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- ίο -

^CP r ^CTA - ^Δν

V = if &C in - <T_A -

wobei Cp = der spezifischen Molwärme des Gases (für Luft etwa 7,0); T_ = der gewählten Kondensationstemperatur; At_r = der gewählten Temperaturdifferenz zwischen dem den Kühler verlassenden Gas und der in den Kühler eintretenden Kühlflüssigkeit; und E_R = dem gewählten Wirkungsgrad des Kühlverdichters ist.

Als Beispiel werde angenommen, daß T. = 560° R, Tp = 58O°R, ÄT_R = 20°, E_R = 0,8 und daß das Gas auf 400° R gekühlt werden soll. Dann gilt

W_R = ^-⁰T Γ58Ο In 4J°r - (560 - 400)] = 211,7 kcal/kmol ^K . ^u>^ö ^öiSV (381 BTU/lb.mol.)

Für irgendeine gewählte Kühlanlage kann ein Leistungskoeffizient C_R (bei einem bestimmten Wert von T_g) errechnet werden, wobei C_R das Verhältnis von W_R (in Wärmeeinheiten) zu der einem Kilomol Gas entzogenen Wärme ist, wobei das Gas von Umgebungstemperatur T. auf eine gewählte niedrigere Temperatur T„ abgekühlt wird. Mathematisch

W_R
gilt C_R = —- , was für die angenommenen Bedingungen

ergibt

C₀ = —ÜTTTTT = 0,086 kcal (0,34 BTU)

i\ / jU V₁ 0DU ^ HUU/

an Arbeit, welche für jeweils 0,2 5 kcal (1 BTU) erforder-

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lieh ist, die dem Gas beim Kühlen entzogen wurden. Obwohl für die gewählte Anlage C_R in.gewissem Ausmaß von den Werten von Cp, T_c, AT_R, T^ und E_R abhängt, hängt es hauptsächlich von T„ ab. Wenn beispielsweise die Werte von Cp, Tp,At_r, T. und E_R wie beim vorangehenden Beispiel gewählt sind, aber T₃ 450° R statt 400° R beträgt, so ist C_R = 0,063 kcal (0,245 BTU) statt 0,086 kcal (0,34 BTU).

Bei der Wärmerückgewinnungsanlage gemäß der Erfindung kann der Wärmewert der Rückgewinnungsenergie (Wu)» welche aus der einer Arbeitsströmung (beispielsweise einem Kilomol Gas, normalerweise Luft) entzogenen Wärme erzeugt wird, wenn die Strömung sich von einer über der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur (Τττ) auf Umgebungstemperatur (T.) abgekühlt wird, ausgedrückt werden durch

(T W_H = CE Γ(Τ - t„) - Tp (In—2_

η r H ^u η η U 1

wobei E„ der gewählte Wirkungsgrad des Kühlentspanners und AT_h die gewählte Temperaturdifferenz zwischen dem Gas und dem Kühlmittel ist.

Als Beispiel werde angenommen, daß E„ = 0,8, Δ,Τ_Η = 50°, T₀ = 580° R ist und daß die Anlage 211,7 kcal/kmol (381 BTU per Ib. mol) an Arbeit erzeugt, dann gilt

(T„-50) ■ W_H = 7,0 χ 0,8 C(T_H-50) - 580 (In —~g— +1)] = 211,7 kcal/kmol

(381 BTU/lb.mol),

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woraus sich ergibt T„ = 950 R.

Für irgendeine gewählte Wärmerückgewinnungsanlage kann (bei einem bestimmten Tj₁) ein Leistungskoeffizient C_H errechnet werden, wobei C„ das Verhältnis von W„ (in Wärmeeinheiten) zu der Wärme ist, welche verfügbar wird, wenn ein Kilomol Gas sich von einer Anfangstemperatur Ttt auf Umgebungstemperatur T. abkühlt. Mathematisch er-

w_H

gibt sich C_n = ρ—JT= ?=—τ- ₅ was für die angenommenen

ti LpU_H - i_A;

Bedingungen bedeutet

ορ·ι

^CH = ⁼ °'^{035 kcal}

^BTU)

an Arbeit, welche aus jeweils 0,2 5 kcal (1 BTU) verfügbarer Wärme erzeugt wird. Für die gewählte Anlage hängt Cj₁ etwas von den Werten von Cp, E„, Δτ_η, T-. und Tp ab, hängt jedoch hauptsächlich von T„ ab. Wenn beispielsweise die Werte von C_p, E_H, ΔΤ_Η, T_A und T_c wie beim vorangehenden Beispiel gewählt sind, aber T„ 900° statt 9 50° R beträgt, so ist C_H = 0,0287 kcal (0,114 BTU) statt 0,035 kcal (0,14 BTU).

Gemäß einem weiteren Gesihtspunkt der Erfindung wird die auf Umgebungstemperatur befindliche, leistungserzeugende Kühlflüssigkeit zur Gegenstromkühlung des Gases verwendet, welches aus einem Gasverdichter abströmt, und die auf Umgebungstemperatur befindliche, leistungserzeugende Kühlflüssigkeit wird dadurch erwärmt. Wenn die Gasansaugtemperatur und das Gasverdichtungsverhältnis geeignet angepaßt sind, erwärmt die Verdichtungswärme des Gases die

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Kühlflüssigkeit auf eine Temperatur, welche hoch genug ist, daß die leistungserzeugende Flüssigkeit die ganze Energie liefert, welche zur Kühlung des gerade in den Gasverdichter eintretenden Gases erforderlich ist, und es ist keine äußere Arbeit zur Aufrechterhaltung des Kühlkreislaufes erforderlich. (In der ganzen folgenden Beschreibung wird diese selbstangetriebene, in bestimmter Folge mit Ventilen geschaltete Kühlentspanner-Verdichteranlage als Treadwellanlage bezeichnet. Sie kann als die wirtschaftlichste und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrachtet werden, obwohl statt dessen auch der Kühlkreislauf-Anteil der Anlage ganz oder teilweise durch einen unabhängigen Motor oder Dampfturbinenantrieb mit Leistung versorgt werden kann.) VJenn die Wärme der Gasverdichtung die Kühlarbeit liefert, ist T„ gleich der Auslaßtemperatur des Gasverdichters und es gilt _T

^TH ⁼ ~~ ^tecⁿ - ^{1} + T}S ^LC

wobei E_n der Wirkungsgrad des Gasverdichters; r_p das" Gasverdichtungsverhältnis und η der numerische Wert

k—1
des adiabatischen Exponenten —^=- (für Luft ist k =1,4 und η = 0,286) ist. Wenn für ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis r„ das passende T_g bestimmt werden soll, wird ein ^!; Versuchswert von T„ gewählt und ein entsprechendes Tu aus der obigen Formel errechnet. Die Kühlarbeit W_R , welche für eine gewählte Kühlanlage erforderlich ist, um die Luft auf den Versuchswert von Tg abzukühlen, wird nach dem oben erläuterten Verfahren errechnet. Dieses W_R wird mit der errechneten Wärmerückgewinnungsarbeit Wri verglichen, welche von einer gewählten Wärffifi-

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rückgewinnungsanlage (unter Verwendung des errechneten To, das dem, Versuchswert von ¹T₅ entspricht J erzeugt .wird, Eine Reihe von Werten von T₅ wird geprüft, bis die für den jeweiligen Versuchswert Tg erforderliche Kühlarbeit gleich der Wärmerückgewinnungsarbeit ist, die erzeugt wird, wenn das entsprechende errechnete Τττ verwendet wird.

Als Beispiel werde angenommen, daß ein Verdichtungsverhältnis' von 15,0 erwünscht ist und daß die selbst angetriebene Treadwell-Anlage verwendet werden soll. Mehrere Werte von T« werden geprüft, welche zuletzt bei 400° R konvergieren und zur Probe wird dieser Wert von T_c zusammen mit dem gewünschten Wert von 15,0 für r_c in die oben angegebene Gleichung

T ¹H E_c ^QrC ^1} ¹S

eingesetzt.

Daraus ergibt sich

τ = 022. _{(15 O}O,286 ₊ ^H 1-85

woraus folgt T„ = 9 50° R. Es wurde oben gezeigt, daß bei der Treadwell-Anlage mit T„ = 9 50° R die von der Wärme-

rückgewinnungsanlage erzeugte Energie die von der Kühlanlage mit Tg = 400° R benötigte Arbeit liefert.

Bei dieser Ansaugtemperatur erfordert die Gasverdichtung nur 71,5% der einstufigen adiabatischen Arbeit, welche

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erforderlich ist, wenn die Ansaugtemperatur 560° R beträgt. Bei bekannten Anlagen kann ein Verdichtungsverhältnis von 15,0 in einem einstufigen Verdichter mit einer Ansaugung h_jei Umgebungstemperatur (560° R) nicht erreicht werden, da die Auslaßtemperatur von 1330° R (466° C bzw. 8 79° F) viel zu hoch ist und da viel zu viel Verdichtungsarbeit verbraucht wird, so daß ein Verdichtungsverhältnis dieser Größe gewöhnlich zwei kostspielige, zwischengekühlte Verdichterstufen erfordert. Wenn jedoch die Treadwellanlage zur Kühlung des Sauggases auf 400°· R verwendet wird, läßt sich das gleiche Verdichtungsverhältnis von 15,0 leicht in einem einstufigen Verdichter erreichen, welcher eine Auslaßtemperatur von nur 9 50° R (2 54° C bzw. 490° F) erzeugt, und gleichzeitig ist die Nettoenergie geringer als die Energie, welche von dem kostspieligeren zweistufigen Verdichter benötigt wird. Wenn andere, weniger wirkungsvolle Kühl- und Wärmerückgewinnungsanlagen statt der Treadwellanlage verwendet werden, ist mehr Kühlarbeit zur Kühlung des Ansauggases auf 400° R erforderlich und es wird weniger Wärmerückgewinnungsenergie bei einem T_H von 9 50° R erzeugt. Daher kann die rückgewonnene Wärme nicht eine Kühlung bis auf eine Temperatur von 400° R hervorrufen und die Nettoenergie zur Gasverdichtung ist größer.

Wenn die Treadwellanlage zur Kühlung des in den Gasverdichter eintretenden Gases verwendet wird, nähert sich die folgende Arbeit der adiabatischen Verdichtung der Arbeit der isothermen Verdichtung eng an, wenn die isotherme Verdichtung bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird. WennA T_R undAT_H unendlich klein gemacht werden' ^:

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und Tp gleich T„ gemacht wird, ist bei Verwendung der Treadwellanlage die Kühlung des Sauggases tatsächlich die Arbeit der adiabatischen Verdichtung gleich der isothermen Verdichtung bei Umgebungstemperatur.

Die isotherme Verdichtung erfordert den geringsten Energiebetrag, da in der Theorie dieses Verfahren thermodynamisch reversibel ist. Bei der adiabatischen Verdichtung befindet sich das Gas_s welches aus dem Verdichter austritt, auf einer höheren Temperatur als das Gas, welches in den Verdichter eintritt, und die zur Erzeugung dieses Temperaturanstiegs erforderliche Wärmeenergie wird auf Kosten von zusätzlicher Energie erhalten, welche in den Verdichter gegeben worden ist. Das verdichtete Gas wird aus dem Verdichter mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur abgelassen und seine Wärme geht normalerweise verloren, indem sie an Kühlwasser in einem Zwischen- oder Nachkühler abgegeben wird. Die direkte Abgabe dieser Wärme an Kühlwasser ist thermodynamisch ein vollständig irreversibler"Vorgang. In dem Wärmerückgewinnungsteil der Treadwellanlage wird dagegen Wärme ebenfalls an Kühlwasser abgegeben, aber erst nachdem sie im Kühlentspanner Arbeit geleistet hat. Daher ist in der Treadwellanlage theoretisch die Wärmeabgabe thermodynamisch vollständig reversibel. In gleicher Weise ist im Kühlteil der Treadwellanlage theoretisch die Wärmeabgabe vollständig reversibel. Wenn in der Theorie die Treadwellanlage mit einem adiabatischen Gasverdichter verwendet wird, befindet sich das Gas anfänglich auf Umgebungstemperatur und nach Verdichtung und Wärmerückgewinnung ebenfalls auf Umgebungstemperatur. Der Kühlvorgang ist reversibel,

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der» Wärmerückgewinnungsvorgang Ist reversibel und die adiabatische Verdichtung Ist reversibel. Da die Endtemperatur des verdichteten Gases die gleiche ist wie seine Anfangstemperatur und da in der Theorie alle vorkommenden Vorgänge reversibel sind, ist in der Theorie bei Verwendung der Treadwellanlage die adiabatische Verdichtung gleichwertig mit der isothermen Verdichtung.

Es wird bemerkt, daß die Anlage sich selbst reguliert, ^Tienn das verdichtete Gas die Wärme liefert, welche die von der Kühlanlage benötigte Arbeit erzeugt. Wenn die Auslaßtemperatur des Gasverdichters steigt, ist mehr "«»cu/uui verfügbar, wird mehr Arbeit erzeugt und ist mehr Kühlarbeit verfügbar, um die Temperatur des Gases abzusenken, welches gerade in den Verdichter eintritt. Wsnri diese Temperatur abgesenkt wird, wird wiederum die Temperatur des aus dem Verdichter austretenden Gace£ gesenkt. Wenn die Auslaßtemperatur des Gasverdichters fällt, steht weniger Wärme zur Verfügung, weniger Arbeit wird erzeugt und weniger Kühlarbeit ist verfügbar, so daß die Temperatur des Gases steigt, welches gerade in den Verdichter eintritt und dieser Anstieg erhöht wiederum die Temperatur des Gases, welches aus dem Verdi r.ivt-er austritt. Diese automatische Selbstregelung ist ein wichtiger Betriebsvorteil dieses Gesichtspunktes ac--'-- Erfindung.

Die Kühlanlage kann auch zur Kühlung anderer Stoffe als Gas verwendet werden. In diesem Fall kann Wärme aus einer anderen Quelle zur Erhöhung der Temperatur der leistungsei· zeugend en Kühlflüssigkeit auf einen Wert verwendet werden, der hoch genug ist, daß sie alle von den Kühl-

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- ist.-

Verdichtern benötigte Arbeit liefert. Arbeit wird jedoch in dem Ausmaß eingespart, als Abhitze wenigstens einen Teil der Arbeit für die Kühlanlage liefert, wenn es auch nicht die ganze Arbeit sein mag.

Wenn die Treadwellanlage zur Kühlung des in einen Gasverdichter eintretenden Gases verwendet wird, muß die Wärme der Gasverdichtung nicht die einzige Wärmequelle für die »leistungserzeugende Kühlflüssigkeit sein. Es können andere Quellen vorhanden sein, welche das , Ausmaß der selbstangetriebenen Kühlung, die erzeugt werden kann, weiter erhöhen und dies kann eine noch niedrigere Gasverdichter-Einlaßtemperatur bei einer noch weiteren' Einsparung an Verdichterarbeit ermöglichen.

Die Kombination der Treadwellanlage mit einer Braytonkreisproz.-Maschine bildet eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei die gerade in den Verdichter einer Braytonkreisprozeß-Maschine mit Vorwärmung eintretende Luft gekühlt wird und die ganze Kühlarbeit durch die Wärme geliefert wird, welche aus der Abluft rückgewonnen wird, welche den Vorwärmer der gleichen Maschine verläßt. Erfindungsgemäß wird die maximale Energie beim Braytonkreisprozeß erzeugt, v?enn r_p ⁿ einen optimalen Wert hat, welcher durch das Optimum von · _r -j

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^EC^ET^EP^T

c - _T

(Gleichung 1)

definiert wird, wobei E_p =/——j (das Entspannungs-

¹ r '

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Verhältnis r ist kleiner als das Verdichtungsverhältnis r infolge der störenden Druckverluste in der Anlage), E_n

und η gleich den oben definierten Werten, Em der Wirkungsgrad des Luftentspanners, T_T die Einlaßtemperatur des Luftentspanners und T_g eine gewählte Ansaugtemperatur ist, welche gewöhnlich aus praktischen Gründen, wie den Kosten oder der Leistung der zur Verfügung stehenden Kühlanlage, gewählt wird.

Es hat sich bei Ausführung der Erfindung gezeigt, daß T_g mindestens etwa 28° C (50° F) unter der normalerweise angetroffenen Temperatur der Umgebungsluft liegen sollte, wenn die Verbesserung der Leistung praktische Bedeutung hat. Weiter hat sich gezeigt, daß zufriedenstellende Ergebnisse über einen Bereich von 10% höher bis 10% geringer als das tatsächlich berechnete r_ⁿ erzielt werden können.

Für jedes gewählte T₀ besteht ein einziger Wert von V_n . bei welchem die in einem Braytonkreisprozeß erzeugte Arbeit ein Maximum ist. Die Nettoenergieabgabe, d.h. die Braytonkreisproaaß-Arbeit abzgjülich der Kühlarbeit, hä§gt natürlich vom Wirkungsgrad der gewählten Kühlanlage ab, wenn aber einmal die Kühlanlage gewählt ist, ist bei dem gewählten T„ die Nettoenergieabgabe ein Maximum bei dem gleichen einzigen Wert von ^¹Q¹¹J bei welchem (für das gleiche T„) die Braytonkreiqafceeß-Energieabgabe ein Maximum ist. ■

Es wurde oben gezeigt, daß bei VErwendung der Treadwellanlage unter den angenommenen Bedingungen die Abluft in die Wärmerückgewinnungsanlage bei 9 50° R eintreten muß,

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damit die Wärmerückgewinnungsanlage die Kühlarbeit leistet, welche erforderlich ist, wenn die Kühlanlage die in den Luftverdichter eintretende Luft von 560° R auf 400° R abkühlt. Es wurde ebenfalls oben gezeigt, daß für eine maximale Energieabgabe des Braytonkreisprozesses das optimale

~* 1/2

^Ts

(Gleichung 1) ist.

Als Beispiel werde angenommen, daß Ep = 0,85; Ε™ = 0,87; E_p = (l,05)ⁿ = 1,014; Ί"_τ = 1960° R (816°C (150Ό° F)) und R ist, dann gilt

1/2

0,85 χ 0,87 χ 1,011 χ 1960 _ _Λ _Q+c _ η

¹ ■■ "' ' ■■'■■" ' ■ ■ ' '■ — x j y _L u — i?p ι

400 ^υ

Mit diesen Werten von r_p ⁿ E_p und T_c beträgt die Auslaßtemperatur CT_n-.) des Luftkompressors etwa 830° R. Die angenäherte Recuperatortemperatur (^VJ ist die Differenz zwischen der Temperatur der verdichteten Luft, welche in den Recuperator eintritt, und der Temperatur der Abluft, welche den Recuperator verläßt, und beträgt daher 120° R (950-83o). Dies ist etwa die Differenz zwischen der Temperatur der verdichteten Luft, welche den Recuperator verläßt und der Temperatur der Abluft, welche den Entspanner verläßt und in den Recuperator eintritt. Für das angenommene r_c ⁿ, das angenommene E_T und das angenommene Ep verläßt die Abluft den Entspanner bei einer

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Temperatur von etwa 1160° R, so daß die verdichtete Luft recuperativ auf etwa 1040° R (1160 - 120) erhitzt wird und der Kreislauf mit einem Wärmewirkungsgrad von etwa 40,2% arbeitet.

Es wird bemerkt, daß bei Bekanntsein der Arbeitsbedingungen des Braytonkreisproz, (Tg und die zugehörigen Werte von r_c ⁿ, Trp, Ep, E_T) und der Arbeitsbedingungen der Treadwellanlage (T_A, T_c, T_R, T_H, E_R, E_H) die angenäherte Recuperatortemperatur (ΔΤητ.«) auf einen einzigen Wert festgelegt ist. (Dies gilt nur, wenn die Kühlarbeit durch die Wärme geleistet wird, welche in der Recuperatorabluft verfügbar ist). Da die Einlaßtemperatur (Τ™) des Luftentspanners, die den Wert E_p festlegenden Druckverluste der Anlage, die Wirkungsgrade der .Bestandteile (Eq» Em, E_R, Err), die angenäherten Wärmetauschertemperaturen (aT_r, Ay, die Kondensationstemperatur (Τ_£) und die Umgebungstemperatur CT.) für eine gewählte Anlage alle konstant sind, ist die angenäherte Recuperatortemperatur ( Δ. T_REC) eine Funktion lediglich von T_g und fc_c ⁿ. Da Tg und r„ⁿ durch die oben angegebene Gleichung 1 für ein optimales r_c ⁿ zur Erzielung einer maximalen Ärbeitsabgabe des Braytonkreisproz. in gegenseitiger Beziehung stehen, ist r_c ⁿ lediglich eine Funktion von Δ T_REp. Wenn daher aus wirtschaftlichen oder anderen Gründen eine bestimmte angenäherte Recuperatortemperatur gewählt wird, bestimmt diese Wahl auch das optimale r„ⁿ , welches zur Erzielung einer maximalen Arbeitsabgabe erforderlich ist.

Dieses optimale r_c ⁿ wird durch die folgende Gleichung

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gegeben:

1 111

_r π , _1^J _

(Gleichung 2),

wobei E_m, E_n, T_m, T. und E₀ die oben definierten Werte bedeuten, ΔΤ^ρρ 'die angenäherte Recuperatortemperatur, C_R der Leistungskoeffizient der gewählten Kühlanlage bei dem Betriebswert von T₃ und C„ der Leistungskoeffizient der gewählten Wärmerückgewinnungsanlage bei dem Betriebswert von Ttj ist. Obwohl Tq nicht explizite in der Gleichung erscheint, steckt es in der Berechnung von C_R und CLr. Die obige Gleichung gilt nur dann, wenn die Kühlarbeit von der Wärme geleistet wird, welche in den Recuperator abgas en enthalten ist.

Bei Verwendung dieser Gleichung wird ein Versuchswert von . T„ gewählt und aus der Gleichung

η _ f ^EC^ET^EP^TT \

welche rJ¹ mit T₀ in Beziehung setzt, wird ein optimaler Versuchswert r_c errechnet. Die entsprechende Auslaßtemperatur Tp₀ des Luftνerdichters,wird sodann berechnet

( ^TS \

ΙΤ_ητΛ = T_c + (r_n - 1) Tr=·) , und dazu wird die gewünschte

angenäherte Recuperatortemperatur (ÄT_REr) addiert, damit

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man T„ erhält. Der Leistungskoeffizient C„ der gewählten Wärmerückgewinnungsanlage wird für dieses T„ errechnet und der Leistungskoeffizient C_R der gewählten Kühlanlage wird für den gleichen Versuchswert T₃ errechnet. Die Werte für T_T, E_T, AT_REC, C_R, C_H, T_A und E_c werden in Gleichung 2 eingesetzt und das erhaltene ro¹¹ wird mit dem Versuchswert r_c ⁿ (Gleichung 1) verglichen. Wenn

dieses erhaltene r_p nicht das gleiche ist wie der Versuchswert V_n , wird ein neuer Versuchswert r_p aus einem neuen Versuchswert T„ errechnet, ein neues C_H und ein neues C„ werden errechnet und ein neues sich ergebendes r" wird errechnet. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das errechnete sich ergebende r_p ⁿ das gleiche ist wie der errechnete Versuchswert r~ .

Bei einer angenäherten Recuperatortemperatur von -12,2° C (10° F) (wozu ein extrem großer und sehr kostspieliger Recuperator erforderlich ist) ist die errechnete Ansaugtemperatur 442° R, das optimale rp¹¹ ist 1,825, der Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses beträgt 42,8 % und die Leistungserzeugung ist 1,94 kcal (7,7 BTU) Energie für jeweils 28,3 1 ( 1 cu. ft.) vom Verdichter verdrängter Luft, d. h. für jeweils 28,3 1 (1 cu.ft.) Volumenfassungsvermögen des Verdichters. Wenn die anderen Werte gleich bleiben, hängen die Kosten eines Verdichters von seinem Volumenfassungsvermögen ab und die Kosten des ^! Verdichters stellen einen wesentlichen Teil der Kosten einer Braytonkreisprozeß-Maschine dar. Die je Einheit des Verdichterfassungsvermögens erzeugte Arbeit ist daher ein Maß für die Kosten der zur Erzeugung von Leistung in einer Braytonkreisprozeß-Maschine verwendeten Anlage.

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·- 24·

Bei einer angenäherten Recuperatortemperatur von 38° C (100° F) beträgt die Ansaugtemperatur 407° R, das optimale r_p ⁿ beträgt 1,898, der Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses beträgt 40,7 % und die Energieerzeugung beträgt 2,17 kcal (8,6 BTU) Energie je 28,3 1 (1 cu.ft.) des Verdichterfassungsvermögens.

Bei einer angenäherten' Recuperatortemperatur von 49 C (120° F) beträgt die Ansaugtemperatur 204° C (400° F), das optimale r_c ⁿ beträgt 1,915, der Warmewirkungsgrad des Kreisprozesses beträgt 40,2 % und die Leistungserzeugung beträgt 2,2 6 kcal (8,96 BTU) Energie je 28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen.

Bei einer angenäherten Recuperatortemperatur von 6 6 C (150° F) beträgt die Ansaugtemperatur 390° R, das optimale r_c ⁿ ist 1,94, der Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses beträgt 39,7 % und die Leistungserzeugung ist 2,37 kcal (9,42 BTU) Energie je 28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen .

Wenn kein Recuperator verwendet wird und die Wärme der den Luftentspanner verlassenden Luft nur zur Leistungsversorgung der Kühlanlage verwendet wird, ist die Ansaugtemperatur 343° R, das optimale' v_r ⁿ ist 2,07, der Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses ist 37 % und die Leistungserzeugung ist 3,10 kcal (12,3 BTU) Energie je 28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen.

Wenn mit 560° R bei einem r_p ⁿ von 1,62 und einer angenäherten Recuperatortemperatur von 150° angesaugt wird,

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erzeugt eine bekannte vorgewärmte, ungekühlte Braytonr kreisprozeß-Maschine 0,99 kcal (3,94 BTU) Energie je 28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen bei einem Wärmewirkungsgrad von etwa 29,2 %. Der Recuperator dieser Maschine bläst bei etwa 1120° R ab und wenn diese Abhitze in einem Abhitzeboiler zur Erzeugung von.Dampf mit 3,52, atü (50 psig) verwendet wird, erzeugt der Dampf in einer kostspieligen getrennten Dampfturbine etwa 0,3 5 kcal (1,38 BTU) zusätzliche Energie, so daß man insgesamt 1,34· kcal (5,32 BTU) je 28,3 1 (1 cu.ft.) Fassungsvermögen des Luftverdichters der Braytonkreisprozeß-Maschine erhält. Der Wärmewirkungsgrad des kombinierten Kreisprozesses beträgt etwa 39 %.

Mit der gleichen angenäherten Recuperatortemperatur von 150° hat.eine erfindungsgemäß ausgebildete Maschine eine Ansaugtemperatur von 390 R, arbeitet mit einem Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses von etwa 39,7 % und erzeugt eine Nettoenergieabgabe von etwa 2_}37 kcal (9,42 BTU) je 28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen, was etwa das 2,39fache des Wertes bei einer Maschine mit üngekühltem, normalem, vorgewärmtem Kreisprozeß und das etwa 1,77fache des Wertes einer Maschine mit ungekühltem, kombiniertem, vorgewärmtem Kreisprozeß ist. Es wird bemerkt, daß diese Energieabgabe von 2,37 kcal (9,42 BTU) durch die Braytonkreisprozeß-MascÜne allein erzeugt wird und daß keine kostspielige getrennte leistungserzeugende Dampfturbine erforderlich ist.

Alle obigen Braytonkreisprozeß-Beispiele beruhen auf der Verwendung der Treadwellanlage. Mit einem Braytonkreis-

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prozeß können jedoch auch andere, weniger wirkungsvolle Kombinationen von selbstangetriebenen Kühl-Wärmerückgewinmmgsanlagen verwendet werden. Beispielsweise kann eine einstufige oder mehrstufige kühlanlage durch eine Wärmerückgewinnungsanlage mit einem einstufigen oder mehrstufigen Boiler mit Leistung versorgt werden. Für eine gewählte Wärmerückgewinnungsanlage und für eine gewählte Kühlanlage müssen alle wichtigen Faktoren, wie die angenäherten Wärmetauschertemperaturen ₉ die Wirkungsgrade der Bestandteile die Anzahl von Stufen und dergleichen_s genau berücksichtigt werden und es ist für jedes bestimmte T„ sein Leistungskoeffizient Co und für jedes bestimmte T„ sein Leistungskoeffizient C_R zu bersehnan» Sodann wird das oben beschriebene Verfahren der· Verwendung eines Versuchs wert es von T_Q angewendet ₉

η
um das optimale r_c für ein gewähltes <a>T_REC zu bestimmen.

■?■

Die obige Gleichung 2 für v„ ist daher unabhängig von dar Art der jeweils verwendeten Kühlanlage oder Wärmepückgewlnnungsanlage anwendbar»

Dez» Wämewirkungsgrad einer bekannten Braytonkreisprozeß-Maschine wird wesentlich schlechter, wenn es" erforderlich wird j die Maschine mit einem verringerten Leistungsvermögen 2u betreiben» Beispielsweise arbeitet die oben be-. eelirisbene bekannte Maschine mit einer angenäherten Reet'pspatortemperatur von 150°, einem r»_c ⁿ von 1,62 und <5i±n®w Änsaugtemperatur von 560° R (Umgebungstemperatur = 560° R) mit einem Wärmewirkungsgrad beim Auslegungspunkt 2i_a2 %o Wenn die Maschine mit 42 % ihres dem Ausle-

LsistunggVermögens betrieben

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wird, arbeitet die gleiche Maschine mit einem Wärmewirkungsgrad von 17,8 %, was nur 61 % ihres Wirkungsgrades beim Auslegungspunkt entspricht. Dies beruht darauf, daß die praktischste Weise zur Verringerung des Leistungsvermögens einer bekannten Maschine darin besteht, ihre Heiz- oder Zündtemperatur zu senken, wodurch gleichzeitig auch der Wirkungsgrad ihres Carnot-Kreisprozesses erniedrigt wird. Bei diesem Beispiel liegt am Ausle-

gungspunkt die Heiz- oder Zündtemperatur bei 816 C (1500° F), beträgt aber bei 42 % Leistungsvermögen nur 588° C (1090° F).

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Maschine mit einer angenäherten Recuperatortemperatur von 150°, einem r_c ⁿ von 1,94 und einer Ansaugtemperatur von 390° R (Umgebungstemperatur = 560 R) arbeitet beim Auslegungspunkt mit einem Wärmewirkungsgrad von 39,7 %. Wenn diese Maschine mit 42 % ihres Leistungsvermögens beim Auslegungspunkt arbeiten soll, arbeitet sie mit einem Wärmewirkungsgrad von 29,5 %, was beinahe 75 % ihres Wirkungsgrades beim Auslegungspunkt sind. In diesem Fall wird das Leistungsvermögen erniedrigt, indem man einen Anstieg der Ansaugkühlung auf 560° R zuläßt. Die Lexstungsfähigkeit der Maschine läßt sich leicht zwischen 42 % und 100 % ihrer ausgelegten Lexstungsfähigkeit ändern, indem der Temperaturwert eingestellt wird, auf welchen die Ansaugluft abgekühlt wird. (Diese Einstellung kann leicht auf verschiedene Weisen durchgeführt werden, beispielsweise durch Drosslung der Kühlwasserströmung zum Kühlkondensator). Wenn die Temperatur der angesaugten Luft angehoben wird, wird das Leistungsvermögen der Maschine verringert.

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ο ρ

Die Heiz- oder Zündtemperatur bleibt bei 816° C (1500° F) über diesen ganzen Bereich der Leistungsfähigkeit der Maschine. Wenn die Heiz- oder Zündtemperatur abgesenkt wird, kann das Leistungsvermögen der Maschine sogar auf weniger als 42 % ihres Leistungsvermögens beim Auslegungspunkt auflösten eines etwas abgesenkten Wärmewirkungsgrades verringert werden»

Die Figur zeigt in rein schematischer Form die Kombination der Kühlanlage zum Kühlen des Luftverdichters, für einen offenen Brayton-Kreisprozeß mit Vorwärmung.

Gemäß der Figur tritt Luft mit Umgebungstemperatur T. in den Luftkühler an dem mit "Lufteinlaß" bezeichneten Punkt ein und wird auf eine Temperatur"^- abgekühlt₉ welche wenigstens 2 8° C (50° F) unter der Umgebungstemperatur liegt, bei der die.Maschine arbeiten soll» Die gekühlte Luft tritt in den Luftverdichter ein₉ in welchem sie mit dem errechneten optimalen Verdichtungsverhältnis r„ verdichtet "wird. Die verdichtete Luft tritt in den Recuperator mit einer Auslaßtemperatur ein, welche durch dieses optimale r_c und die Ansaugtemperatur T„ bestimmt wird. Im Recuperator wird die Luft durch Wärmeaustausch mit den Abgasen aus dem Entspanner des Braytonkreisprozesses erwärmt und strömt in die übliche Brennkammer eines Braytonkreisprozesses. In dieser Kammer wird Brennstoff verbrannt und die Temperatur der verdichteten Luft wxrd weiter auf Tm erhöht, welches die maximale Temperatur ist, die die Materialien des Entspanners aushalten können.-Der maximal zulässige Wert von Tm wird durch die vorliegende Erfindung in keiner Weise beeinflußt.

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Der Verdichter wird vom Entspanner angetrieben. Die Differenz der Energie, welche vom Entspanner erzeugt wird, und der Energie, welche der Verdichter benötigt, bildet die Nettoenergieabgabe des Braytonkreisprozesses, Dies ist in der Figur durch die Leistungsabgabewelle symbolisiert , welche mit dem Generator verbunden ist und diesen antreibt.

Die Abgase des Entspanners strömen zu einem Recuperator, welchen sie mit der Temperatur T„ verlassen. T„ wird durch die Auslaßtemperatur der verdichteten Luft und durch die angegebene Temperaturdifferenz ÄT_Rp_C bestimmt. Die Abgase strömen sodann durch einen Kühlmittelerhitzer, in welchem die Pumpe 2 die Kühlflüssigkeit auf einem ausreichenden Druck hält, so daß sie nicht siedet. Die Flüssigkeitsmenge, welche in den Erhitzer strömt, wird durch die Einstellung von Ventilen S und 6 bestimmt. Im Erhitzer wird das flüssige Kühlmittel bis zu einer Temperatur Tj, abzüglich der kleinen Temperaturdifferenz ΔΤ_Η erhitzt, welche für den Wärmeaustausch erforderlich ist» Die Abgase werden sodann₉ wie angegeben* gewöhnlich bei. Umgebungstemperatur zusätzlich der gleichen kleinen Temperaturdifferenz AT^ abgelassen.

Die heiße Kühlflüssigkeit strömt vom Ktihlmittelerhitzer in einen geeignet isolierten Heißspeicherbehälter 1.

Von Zeit zu Zeit wird das Ventil 4 geöffnet und eine Füllung heißer Flüssigkeit wird vom Heißspeicherbehälter· 1 zum Heiß-Entspannungsverdampfer 3 geleitet. Das Flüssigkeitsfassungsvermögen des Heißspeicherbehälters 1 ist

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genügend viel größer als dasjenige des Heiß-Entspannungs-Verdampfers 3, so daß im wesentlichen ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist. Die Figur ist schematisch, wobei nur ein einziger Heiß-Entspannungsverdampfer dargestellt ist. Es können jedoch auch mehrere solche Behälter verwendet werden, wenn gewünscht.

Im .Heiß-Entspannungsvecdampf er 3 verdampft die erhitzte Kühlflüssigkeit., anfänglich unter einem solchen Druck₉ wie er zur Verhinderung des Siedens im Kühlmittelerhitzen erforderlich sein kann., bei sinkenden Temperaturen und Drückens bis sie eine minimale Temperatur und minimalen DrUCk₉ normalerweise etwa Umgebungstemperatur₃ erreicht ο Sodann wird das Ventil 10 geöffnet und die restliche,, nicht verdampft® Flüssigkeit kann in den Um= gebungstemperatur-Speicherbehälter Ii strömen.

Kühlmittelentspanner 7, 8 und 9 bilden den Leistungserzeugerteil der Kühlanlage« Die Strömungsverteilung durch die Entspanner wird durch Ventile-12_s 13_s 1^₉ ISj IS₉ -17j 1.8 und 19 geregelt. Zuerst, wenn der Dampf im.Heiß=Entspannungsverdampfer sich auf maximaler Temperatur und maximalem Druck befindet, werden die Ventile 12 s 1«ί, 17 und 19 geöffnet und die Ventile 13, IS₈ 16 und 18 geschlossen« Infolgedessen tritt Kühlmitteldasipf in Reihe durch die Entspanner. 7, 8 und 9. Diese Entspanner treiben entsprechende Kühlverdichter 2I₉ 22 lind 23 ο Dies ist in der Figur als eine gemeinsame WeIIe₈ welch© den Entspänner 7 mit dem Verdichter 23 verbindet₉ eine gemeinsame WeIIe₉ welche den Entspanner 8 und den Verdichter 22 verbindet, und eine gemeinsame WeIIe₃ wel-

• ' - 31

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ehe den Entspanner 9 und den Verdichter 21 verbindet, symbolisiert.

Am Beginn sind Temperatur und Druck im Heiß-Entspannungs νerdampfer 3 auf einem maximalen Wert und der durch Entspannung verdampfte Dampf strömt durch die Entspanner 7, 8 und 9 in Reihe. Gleichzeitig sind Drück und Temperatur im Kalt-Entspannungsverdampfer 30 auf einem maximalen Wert und die Belastung der Kühlverdichter 21, 22 und 23 ist minimal. Die Strömungsverteilung durch diese Verdichter wird durch Ventile 20, 24, 25, 26, 27, 28, 29 und 33 geregelt. Am Beginn arbeiten die drei Verdichter parallel, die Ventile 20, 24, 26, 27, 29 und 33 sind geöffnet und die Ventile 2 5 und 2 8 sind geschlossen. Die Belastung der Verdichter 21, 22 und 23 steigt, wenn Temperatur und Druck des Kühlmittels im Kalt-Entspannungsverdampfer 30 fällt. Wenn die Entspanner 7, 8 und 9 nicht mehr genügend Leistung erzeugen können, um die Verdichter anzutreiben, werden die Ventile 17, 19, 20 und 26 geschlossen. Dies hat die Wirkung, daß der Entspanner 9 und der Verdichter 21 abgeschaltet werden und nun die Entspanner 7 und 8 in Reihe die parallelliegenden Verdichter 22 und 2 3 antreiben.

Nach einer weiteren Zeitspanne fällt Druck und Temperatur des Kühlmittels im Heiß-Entspannungsverdampfer 3 und des Kühlmittels im Kalt-Entspannungsverdampfer 30. Wenn die Belastung der Verdichter 22 und 23 steigt und die Leistungsabgabe der Entspanner 7 und 9 bis zu dem Punkt abfällt, an dem die Entspanner die Verdichter nicht mehr antreiben können, werden die Ventile 13 und 15 g-eöffnet

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und das Ventil 14 wird geschlossen. Nun treiben die Entspanner-7 und 8 parallel die parallelliegenden Verdichter 22 und 23.

Nach einem weiteren Abfall der Temperatur und des Drucks des Kühlmittels in den Verdampfern 3 und 30 werden.die Ventile 27 und 29 geschlossen und das Ventil 28 wird geöffnet. Dies führt dazu, daß zwei parallelliegende Entspanner 7 und 8 zwei in Reihe liegende Verdichter 22 und 2 3 antreiben«

Wenn die Temperaturen und Drücke in den Verdampfern 3 und 30 noch weiter abgefallen sind, werden die Ventile 16₉ 19,-20 und 25 geöffnet und das Ventil 24 wird geschlossen. Nun arbeiten die drei Entspanner 7, 8 und 9 parallel und treiben die in Reihe liegenden drei Verdichter 21, 22 und 2 3 an. Es wird bemerkt, daß während des ganzen Arbeitsganges Abdämpfe aus den Entspannern und verdichtete Dämpfe aus den Verdichtern in.einen üblichen wassergekühlten Kühlkondensator 34 strömen, wo die Dämpfe praktisch bei Umgebungstemperatur kondensiert werden. Das Kondensat wird in den Umgebungstemperatur-Speicherbehälter 11 abgeleitet. Wenn die Entspanner 7, 8 und 9 nicht mehr genügend Kraft haben, um die Verdichter 21, 22 und 23 anzutreiben, wird'das Ventil 10 geöffnet und die unverdampfte Flüssigkeit im Heiß-Entspannungsverdampfer 3, die sich nunmehr im wesentlichen auf Umgebungstemperatur befindet, wird ebenfalls in den Umgebungstemperatur-Speicherbehälter 11 abgeleitet. Die unverdampfte kalte Flüssigkeit im Kalt-Entspannungsverdampfer 30 wird in den Kalt-Speicherbehälter 31 über das Ventil 35 abgeleitet. Wie beim Heiß-Speicherbehälter

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soll der Kalt-Speicherbehälter 31 ein ausreichendes Fassungsvermögen aufweisen, so daß ein kontinuierlicher ^v Betrieb möglich ist.

In der Zwischenzeit hat die Pumpe 32 ständig kalte Kühlflüssigkeit vom Kalt-Speicherbehälter 31 durch den Luftkühler gepumpt, wie oben erwähnt. Die Strömung der kaiten Flüssigkeit wird durch das Ventil 3 6 geregelt. Es ist aus der Figur ersichtlich, daß die Kühlflüssigkeit den Luftkühler im wesentlichen bei Umgebungstemperatur verläßt und in den Umgebungstemperatur-Speicherbehälter 11 strömt, in welchem sie sich mit dem Kondensat -vereinigt, welches im Kühlkondensator 34 gebildet wird. Die Ventile 10 und 35 werden nun geschlossen und die Ventile 4 und 6 werden geöffnet. Eine neue Füllung von Kühlflüssigkeit vom Heiß-Speicherbehälter 1 wird auf diese Meise in den Heiß-Entspannungsverdampfer 3.eingelassen-und eine neue Füllung von auf Umgebungstemperatur befindli~ eher Flüssigkeit wird in den Kalt-Entspannungsverdampfer 30 eingeleitet. Der Kühlkreislauf wird sodann wiederholt. Die Anlage reguliert sich selbst. Wenn die Temperatur T_g am Einlaß des Luftverdichters zu steigen beginnt, steigt die Temperatur der in den Recuperator eintretenden verdichteten Luft ebenfalls, wie auch der Wert Τ™» Dadurch wird wiederum die Kühlflüssigkeit auf eine höhere Temperatur erwärmt. Die Entspannungsverdampfung dieser heisseren Flüssigkeit im Heiß-Entspannungsverdampfer 3 erzeugt mehr Leistung, wodurch wiederum die Temperatur des Kühlmittels im Kalt-Speicherbehälter 31 vermindert und Tg abgesenkt wird. Wenn T„ zu sinken beginnt, wird der Vorgang umgekehrt. Diese Selbstregelung ist ein Vor-

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teil, wenn die Treadwellanlage zur Kühlung mit dem Braytonkreisprozeß mit Vorwärmung kombiniert wird.

Die in der Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsform nützt alle Vorteile einer vollen Treadwellanlage aus. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausnützung aller Vorteile eingeschränkt und kann auch nur einen Teil derselben benutzen. . "

Es wird bemerkt, daß die Kombination der Treadwellanlage zur Kühlung mit einem Braytonkreisprozeß optimale Resultat® ergibt» Es kann jedoch auch die Luft, welche in den Verdichter des Braytonkreisprosesses eintritt₃■ durch irgendeine andere Kühleinrichtung,, wenn auch mit einem gewissen Verlust in der gesamten Energieabgabe oder iai Wirkungsgrads gekühlt werden.

Wenn man die Kühlanlage allein ohne Braytonkreisprozeß betrachtet 9. kann die Parallel-Reihen-Strömungsverteilung der Kühlverdiöhter mit irgendeiner anderen Art von An= trieb verwendet werden und ist nicht auf Entspanner eingeschränkt _s welche durch Abhitze mit Leistung versorgt werden» Wo jedoch Abhitze zur Verfügung steht, ist es er»= wünschta dieselbe in maximal möglichem Ausmaß zu verwenden ο Wie oben "erläutert j ist es in der Treadwellanlage nicht wesentlich j» "daß'das gleiche Kühlmittel, welches in dem leistungserzeugenden Kreislauf verwendet wird_s aueh im Kühlkreislauf verwendet wird. Wenn jedoch die Treadwellanlage mit einem Braytonkreisprozess kombiniert t-iird.j ist es gewöhnlich zweckmäßiger und wirtschaftlicher, die gleiche Kühlflüssigkeit sowohl für die Leistungserzeuals auch für die Kühlung zu verwenden.

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Claims

Patentansprüche

Einfache Braytonkreisprozeß-Leistungserzeugeranlage mit einem Gas- oder Luftverdichter, Brennkammer und Entspanner, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Verdichter eintretende Gas auf wenigstens 28 C (50° F) unter Umgebungstemperatur abgekühlt wird, das gekühlte Gas auf einen solchen Druck verdichtet wird, daß das Verdichtungsverhältnis r beträgt, und daß der numerische Wert von r¹¹ zwischen 0,9 r_o und 1,1 r„ⁿ liegt, wobei r_p ⁿ ein Optimum ist, das durch die Gleichung

χ Em x T_m

<V

Tg ^Vijp·

definiert wird, worin Ep der Wirkungsgrad des Verdichters der Maschine, Em der Wirkungsgrad des Entspanners der Maschine, T_m die Temperatur in Grad Rankine des in. den Entspanner eintretenden Gases, Tg die gewählte Temperatur in Grad Rankine des in den Verdichter eintretenden Gases, E_p das Verhältnis des Verdichtungsverhältnissesder Maschine zum Entspannungsverhältnis der Maschine, r das Verdichtungsverhältnis des Verdichters und η der nu-

k — 1 merische Wert des Ausdrucks j- ist, wobei für das

genannte Gas k das Verhältnis seiner spezifischen Wärme bei konstantem Druck zu seiner spezifischen Wärme bei konstantem Volumen ist.

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Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Braytonkreisprozess-Entspanner mit einem Recuperator versehen ist, welcher die Abgase aus dem Entspanner aufnimmt, und daß der Kreisprozeß mit einem vⁿ zwischen 0,9 r_n ⁿ und I₉I r_p ⁿ durchgeführt wird, wobei r_p ⁿ ein Optimum ist, das durch den Ausdruck

[* f"¹ I" f¹ "1 ""1 Ί¹ /

definiert wird, worin E_T der Wirkungsgrad des Entspanners der Maschbe, E_p die n-te Potenz des Verhältnisses des Verdichtungsverhältnisses des Verdichters der Maschine zum Entspannungsverhältnis des Entspanners der Maschine, Tm die Temperatur in Grad Rankine des in den Entspanner eintretenden Gases, T. die Umgebungstemperatur in Grad Rankine, für eine gewählte Kühlanlage C_R das Verhältnis des Wärmewerts der zur Kühlung des Gases benötigten Energie zu der dem Gas entzogenen Wärme, für eine gewählte - Wärmerückgewinnungsanlage Ctt das Verhältnis des Wärmewerts der aus der Abwärme erzeugten Energie zu dieser Abwärme, &T_REC die gewählte Temperatutfdifferenz zwischen dem den Recuperator verlassenden Abgas und dem in den Recuperator eintretenden verdichteten Gas, E_p der Wirkungsgrad des Verdichters und r, η und k die Größen sind, wie sie in Anspruch 1 definiert sind.

3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des in den Verdichter eintretenden Gases

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durch Wärmeaustausch mit einer kalten Kühlflüssigkeit erfolgt, welche in einer Anlage mit mehreren Verdichtern gekühlt wird, in der die Kühlflüssigkeit bei fallenden Temperaturen und Drücken einer Entspannungsverdampfung unterzogen wird.

^. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des in den Verdichter eintretenden Gases durch Wärmeaustausch mit einer kalten Kühlflüssigkeit erfolgt, welche in einer Anlage mit mehreren Verdichtern gekühlt wird, in der die Kühlflüssigkeit bei feilenden Temperaturen und Drücken einer Entspannungsverdampfung unterzogen wird, wobei die maximale Anzahl von Verdichtern zuerst zur Aufnahme von Dämpfen von der Entspannungsverdampfung parallel und ,zuletzt in Reihe angeordnet sind. ■

S, Anlage nach den Ansprüchen 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen auf Umgebungstemperatur befindliche Kühlflüssigkeit bei fallenden Temperaturen und Drücken unter Entspannung verdampft wird, so daß die Temperatur des nicht verdampften und flüssig bleibenden Kühlmittelanteils abgesenkt wird*

S. Anlage nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit unter einem Druck, welcher oberhalb ihres Siededrucks liegt, durch Abhitze aus dem Braytonkreisprozeß erhitzt wird, die erhitzte Kühlflüssigkeit bei fortschreitend fallenden Temperaturen und Drücken unter Entspannung verdampft und die Dämpfe in Turbinen entspannt werden, jede Turbine mit einem Kühl-

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mittelverdichter verbunden ist_s die Turbinen zuerst zur Aufnahme der verdampften Kühlmittä-dämpfe in Reihe und die Verdichter zur Aufnahme der Kühlmitteldämpfe parallel und zuletzts wenn die Temperaturen und Drücke des verdampften Kühlmittels sinken₅ die Turbinen parallel die Verdichter in Reihe verbunden sind.

Kühlanlage«, in welcher ein flüchtiges Kühlmittel auf eine tiefe Temperatur gekühlt wird, indem ein Teil desselben verflüchtigt wird, dadurch gekennzeichnet _s daß das Kühlmittel unter Entspannung verdampft und die Dämpfe zu mehreren Verdichtern geleitet werden_s wobei zuerst alle. Verdichter parallel und zuletzt alle Verdichter in Reihe liegen* und daß der gekühlte> unverdampfte Teil des Kühlmittels abgesogen und der Vorgang mit einer· frischen Kühlmittelfüllung wiederholt wird.

nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_s daß jeder Verdichter, durch eine Turbine angetrieben wird,, die kalte Kühlflüssigkeit zum Kühlen verwendet und dabei erwärmt wird_s die so erzeugte heiße Kühlflüssigkeit bei f bart schreitend fallenden Temperaturen und Drücken unter Entspannung verdampft und'die Dämpfe zu den Turbinen geleitet werden, die Turbinen alle anfänglich zur Aufnahme der Dämpfe *in Reihe und die Verdichter parallel verbunden sind und zuletzt, wenn die heiße' Kühlflüssigkeit durch Entspannungsverdampfung auf vorbestimmte Werte der Temperatur und des Drucks herabgemindert ist, die Turbinen parallel und die Verdichter in Reihe verbunden sind.

Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Turbinen vorgesehen sind, welche drei Verdichter antreiben.

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