DE2513183C3

DE2513183C3 - Wärmekraftmaschinenanlage

Info

Publication number: DE2513183C3
Application number: DE2513183A
Authority: DE
Inventors: Lindsay Grahame Loughborough Leicestershire Dawson (Grossbritannien)
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1974-03-26
Filing date: 1975-03-25
Publication date: 1978-05-03
Also published as: JPS5624842B2; IT1034600B; GB1500702A; USRE30629E; DE2513183B2; DE2513183A1; FR2265988A1; US4062190A; JPS50129809A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anlage ist aus der CH-PS 2 70 344 bekannt. Bei dieser bekannten Anlage, bei der über den Wärmetauscher die als Arbeitsmittel wirkende Luft erhitzt wird, ist der Erhitzer baulich mit dem Wärmetauscher vereinigt, jedoch arbeitet der Wärmetauscher in herkömmlicher Weise, indem er einen Wärmeübergang von einem durch den Erhitzer erwärmten Gasstrom auf einen zweiten das Arbeitsmittel bildenden Gasstrom (Luft) überträgt, indem der Regenerator zunächst durch den erhitzten Gasstrom aufgeheizt wird und die aufgeheizten Kanäle dann von dem zu erwärmenden Arbeitsmittel durchströmt werden.

Um das Arbeitsmittel für bestimmte Zwecke, z. B. zum Anlassen oder auch um kurzzeitig eine höhere Leistung zu erzielen, noch weiter zu erwärmen, ist hierbei vorgesehen in dem Arbeitsmittel (Luft) vor der Turbine noch eine Verbrennung durchzuführen, indem flüssiger Brennstoff eingespritzt und verbrannt wird. Dadurch wird der Arbeitsmittelsirom, der über den Wärmeaustausch von Fremdstoffen sauber gehalten werden soll, wieder verunreinigt.

Eine andere Wärmekraftmaschinenanlage der Bauart gemäß Oberbegriff Anspruch 1 ist aus der US-PS 9S 625 bekannt. Hierbei wird ebenfalls ein durch den Erhitzer erwärmtes gasförmiges Medium in Wärmetausch mit dem Arbeitsmittel gebracht, und zwar über die die beiden Gasströme trennenden Wandungen eines als Heißluft-Generator arbeitenden Wärmetauschers.
In beiden Fällen kann zwar erreicht werden, daß im Normalbetrieb d. h. ohne vorgeschaltete Verbrennungsanlage die Turbine von sauberen Gasen beaufschlagt wird, so daß Korrosion und Erosion vermindert werden, jedoch ist der Wirkungsgrad derartiger Anlagen

ίο schlecht weil die Temperaturdifferenz zwischen Primär- und Sekundärkreis der Wärmetauscher relativ gering ist und mit den üblicherweise zur Verfügung stehenden Brennkammern die Primärtemperatur nicht wesentlich erhöht werden kann, weil die für die Brennkammern benutzten Materialien einer höheren Temperatur nicht standhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftanlage mit Erhitzer zu schaffen, die mit einem Arbeitsmittel sehr hoher Temperatur arbeitet wobei das vom Verbrennungskreis getrennte Arbeitsmittel frei von Verunreinigungen gehalten wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch diese Oberflächenverbrennung wird erreicht, daß die Temperatur des Arbeitsmittels auf einen Wert gebracht werden kann der höher liegt als die Temperilur der Abgase, weil sich die Wandungen des Wärmetauschers durch die Oberflächenverbrennung auf eine Temperatur erhitzen die der Flammentemperatur entspricht, und diese Flammentemperatur ist wesentlich höher als die Abgastemperatur.

Es ist zwar durch die DT-PS 10 77 821 bereits eine Kraftmaschinenanlage bekannt, die mit Oberflächenverbrennung, und zwar in diesem Falle mit katalytischer Verbrennung, arbeitet; jedoch wird hierbei nicht ein vom Strom der Brenngase getrennter Gasstrom aufgeheizt, sondern die vom Kompressor herrührende Luft wird im Primärkreis des Wärmetauschers unter Oberflächenverbrennung erhitzt und die Abgase des Primärkreises durchströmen den Sekundärkreis des Wärmetauschers, um eine weitere Aufheizung des Primärkreises und damit eine Verbesserung der Verbrennung im Primärkreis zu gewährleisten. Um diese Funktion durchführen zu können, muß der den Primärkreis verlassende aufgeheizte Gasstrom beim Durchströmen des Sekundärkreises Wärme abgeben, damit die Verbrennung im Primärkreis auf katalytischem Wege erfolgen kann.

Eine derart nach der Erfindung ausgebildete Wärmekraftmaschinenanlage kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Gasturbinenanlage ausgebildet sein. Dabei ist die Anordnung zweckmäßigerweise derart getroffen, daß die Wärmekraftmaschine ein Gasturbinentriebwerk ist. Die Verbrennungsvorrichtung ist dabei zweckmäßigerweise der Turbine nachgeschaltet und die Turbinenabluft wird als Oxydationsmittel für die Oberflächenverbrennung benutzt. Hierdurch ergibt sich eine günstige Ausnutzung der Abwärme.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anlage als eine nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Heißgasmaschine ausgebildet ist.

Für alle Anwendungszwecke kann der Wärmetauscher selbst in an sich bekannter Weise entweder als Speicherwärmetauscher oder als Rekuperator ausgebildet sein. Im letzten Fall ist der Speicherwärmetauscher liui Käiiäicü versehen, ifi ucäScil wucrnäCiicFi uic

Verbrennung stattfindet Dieser zweite Wärmetauscher kann dabei in an und für sich ebenfalls bekannter Weise eine drehbare Matrix aufweisen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer Erhitzungseinrich'.ung geniäß der Erfinune,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung eines Wärmeaustauschers für das Triebwerk gemäß F i g. 1.

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsfcrm.

F i g. 1 zeigt eir. Gasturbinentriebwerk, welches einen Axialverdichter 10 aufweist, der seine Luft über einen Lufteinlaß 11, diese verdichtet und die verdichtete Luft einer Verbrennungsvorrichtung 12 liefert. Die Verbrennungsvorrichtung 12 weist einen Wärmet:, uscherkanal 13 auf, durch den die verdichtete Luft hindurchtritt und in dem Kanal 13 steht die Luft in thermischer Berührung mit einer Oberflächenverbrcnnungseinrichtung 14, die weiter unten beschrieben wird. Die Luft wird somit in dem Kanal 13 erhitzt und fließt nach einer Axialturbine 15 ab, in der sie expandiert und die Turbine in der üblichen Weise antreibt Eine Welle 16 verbindet die Turbine antriebsmäuig mit dem Verdichter.

Die aus der Turbine 15 austretende Luft v, . d über eine Leitung 17 an einen Brennstoffinjektor 18 einer Oberflächenverbrennungseinrichtung 14 geführt. Der Brennstoffinjektor 18 bewirkt, daß Brennstoff, z. B. Kerosen oder gasförmiger Kohlenwasserstoffbrennstoff innig mit Luft gemischt wird, so daß eine brennbare Mischung gebildet ist, sobald die Oberflächenverbrennungseinrichtung 14 erreicht ist. Diese Einrichtung kann im einzelnen von verschiedener Ausbildung sein. Das Hauptkriterium besteht darin, daß die Oberfläche, welche das Phänomen der Oberflächenverbrennung trägt, eine ausreichende Flächenerstreckung hat. Vorzugsweise wird ein Bündel feiner Silizium- oder Aluminiumrohre benutzt, so daß das Brennstoff-Luftgemisch innerhalb der Rohre und des Kanals 13 abströmen kann, der außerhalb der Rohre angeordnet ist oder umgekehrt. Stattdessen könnte das Rohrbündel oder eine typische Matrix Teil eines rotierenden Wärmetauschers bilden, wie unten beschrieben ist, oder es könnte ein ähnlicher rotierender Wärmetauscher mit herkömmlicher Matrix benutzt werden, vorausgesetzt daß er mit einer genügend großen Oberflächenausdehnung ausgestattet ist.

Vorzugsweise verbrennt das Brennstoff-Luftgemisch in den Rohren und wegen der relativ großen Oberfläche findet die Verbrennung als Oberflächenverbrennung statt. Bei der Oberflächenverbrennung wird die Oberflächentemperatur auf eine Temperatur angehoben, die beträchtlich über jener Temperatur liegt, die im Falle einer normalen Verbrennung auftreten würde, obgleich das Brennstoff-Luftgemisch nicht stoichiometrisch zu sein braucht.

Oberflächenverbrennungseinrichtungen sind bekannt und sie sind auf die verschiedenste Weise verwirklicht worden. Industrielle Anwendung haben sie wenigstens seitdem Jahre 1900 gefunden.

Der Vorteil der Oberflächenverbrennung besteht darin, daß die chemische Reaktion auf der Oberfläche stattfindet und die Temperatur der Wandung benachbart zu dieser Reaktion beträchtlich größer ist als die Temperatur des abströmenden Gases entsprechend dem Luft-Brennstoff-Verhäitnis der Reaktion, tin laboratoriumsmäßig durchgeführtes Experiment zeigte, daß bei einer Verbrennung eines Kerosin-Luft-Gemisches mit einem Temperaturanstieg von 400^CC entsprechend dem betreffenden Luft-Brennstoffverhältnis e:ine Abgastemperatur von 700⁰C ergab. Die Temperatur der Wandung des Oberflächenverbrennungsgerätes betrug etwa 1600°C.

Wenn man eine Wärmeübertragungseinrichuung benutzt, um die Wärme von der Verbrennungsluft auf

ίο das Arbeitsmedium zu übertragen, dann würde mit normalen Anordnungen die Temperaturdifferenz die zur Übertragung der Wärme verfügbar ist, auf einer Gastemperatur von 700° C basieren. Die Wandung, die das Heißgas von dem kälteren Arbeitsmittel trennt, würde auf einer Temperatur von weniger als 700⁰C stehen. Durch Anwendung einer Oberflächenverbrennungseinrichtung wird die Temperatur der Wandung merklich erhöht, und zwar gemäß dem Ausführungsbeispiel würde eine Erhöhung auf einen maximal möglichen Wert von 1600⁰C auftreten. Demgemäß ist die zur Wärmeübertragung verfügbare Temperaturdifferenz sehr viel größen

Die Rohre werden daher sehr heiß und die Hitze wird der Luft innerhalb des Kanals 13 übertragen.

Die Abgase der Vorrichtung 14 strömen über einen Kanal 19 nach einer weiteren Turbine, einer Abgasdüse oder einer anderen Stelle, wo sie einer weiteren Verwendung zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt die Benutzung eines rotierenden Wärmetauschers, der sowohl eine Oberflächenverbrennungseinrichtung als auch einen Wärmetauscher mit der Verdichterdruckluft bildet In diesem Fall besteh; ein rotierender Wärmetauscher aus einem zylindrischen Bündel feiner Siliziumrohre 20 oder aus einer typischen Matrix aus Keramik oder Metall, wobei die Rohre koaxial zum Zylinder liegen. Der Zylinder ist drehbar um seine Achse auf einer Welle 21 angeordnet und abgedichtete Einlaß- und Auslaßkanäle ermöglichen eine Brennstoff-Luft-Strömung über die Rohre im Sektor 22, während die Verdichterluft im Gegensinn über die übrigen Rohre oder durch einige von ihnen strömt. Der Zylinder wird durch nicht dargestellte Mittel langsam gedreht und es findet eine Oberflächenverbrennung innerhalb der Rohre in dem Sektor 22 statt. Diese Rohre werden demgemäß erhitzt und we:nn sie den Sektor 22 infolge der Drehung des Zylinders verlassen, übertragen sie ihre Hitze der Verdichterluftströmung. Der Zylinder stellt demgemäß eine Oberflächenverbrennungsanordnung und einen Wärmetauscher in einer Baueinheit dar.

Es ist klar, daß man herkömmliche Metall- oder Keramikmatrizen für den rotierenden Wärmetauscher benutzen kann. Diese können aus Wicklungen gewellten oder flachen Metalls oder aus Keramik bestehen, welche Streifen enthalten, die eine Matrix erzeugen, welche eine Vielzahl axial verlaufender Kanäle besitzt. Die Größe der Kanäle kann eine unterschiedliche Bemessung gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern erfordern, um optimale Ergebnisse hinsichtlich der Oberflächenverbrennung zu erlangen.

Fig.3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform. Diese entspricht im wesentlichen der Ausführungsform nacl. Fig. 1, jedoch ist ersichtlich, daß ein weiterer Wärmetauscher 30 vorgesehen ist, in dem die Abgase der Oberflächenverbrennungseinrichtung und die Kompressordruckluft vor dem Eintritt in den Kanal 13 in Wärmetausch gebracht werden. Auf diese Weise wird die in den Abeasen enthaltene Luft innerhalb de*

Triebwerks ausgenutzt. Der Wärmetauscher 30 kann ein rotierender Wärmetauscher, wie in F i g. 2 dargestellt, sein oder er kann eine andere einfache Ausbildung haben.

Es ergibt sich, daß die beschriebene Triebwerksanordnung relativ einfach ist und es ist klar, daß auch komplexere Anordnungen, z. B. Mehrwellentriebwerke, auf die Weise abgewandelt werden können. Bisher hat es sich als schwierig erwiesen, eine Oberflächenverbrennung bei Kerosin-Luft-Mischungen einzuleiten, ohne erst ein leichtes Gas, wie z. B. Acetylen, zur Vorerhitzung der Oberflächenverbrennungseinrichtung zu benutzen. Es kann sich als notwendig erweisen, eine anderen Brennstoff zum Anlassen des Triebwerkes zi benutzen und/oder es kann sich als notwendig erweisen zusätzliche Vorerhitzungsmittel für die Oberflächenverbrennungseinrichtung vorzusehen.

Ein Rohrbündel, wie es oben beschrieben wurd erweist sich als besonders zweckmäßig, jedoch könnei auch andere Anordnungen verwendet werden, be spielsweise eine Partikelmenge oder auf der Oberfläch mit Texturen versehene Platten aus unterschiedliche! Materialien.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aus einem Verdichter, einer Erhitzungseinrichtung und einer Expansionsmaschine bestehende Kraftmaschinenanlage, bei der die Erhitzungseinrichtung aus einer Verbrennungsvorrichtung und einem die in letzterer erzeugte Wärme auf das Arbeitsmittel übertragenden Wärmetauscher besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbrennungsvorrichtung (14) eine Oberflächenverbrennung stattfindet und daß die Verbrennungsoberfläche durch eine Wärmeübergangswand des Wärmetauschers gebildet ist

2. Kraftmaschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gasturbinenanlage lit.

3. Kraftmaschinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärteil (13) des Wärmetauschers der Erhitzungseinrichtung im Luftstrom zwischen Verdichter (10) und Turbine (15) angeordnet ist

4. Kraftmaschinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung (14) der Turbine (15) nachgeschaltet ist und daß die Turbinenabluft als ein Oxydationsmittel für die Oberflächenverbrennung dient.

5. Kraftmaschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Heißgasmaschine ist

6. Kraftmaschinenanlage nach einem der Ansprüche I₁ 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Speicherwärmetauscher ist, in dessen Kanälen (20) die Oberflächenverbrennung stattfindet

7. Kraftmaschienenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherwärmetauscher eine drehbare Matrix aufweist.