DE2721379A1

DE2721379A1 - Triebwerk mit einer mehrzahl von reaktionskammern

Info

Publication number: DE2721379A1
Application number: DE19772721379
Authority: DE
Inventors: John Michael Clarke
Original assignee: Noel Penny Turbines Ltd
Current assignee: Noel Penny Turbines Ltd
Priority date: 1976-05-14
Filing date: 1977-05-12
Publication date: 1977-11-24
Also published as: GB1573319A; US4137706A

Description

Patentanwalt Dipl.-lng. Harro Gralfs

Gralfs Patentanwalt Am Bürgerpark 8 D 3300 Braunschweig Germany

Am Bürgerpark 8 D 3300 Braunschweig, Germany Telefon 05 31-7 47 98 Cable patmarks braunschweig

P 1107 - Al/Lie 10. Mai 1977

NOLL PENNY TURBINES LIMITED
Siskin Drive
Toll Bar End

Coventry, West Midlands
England

Triebwerk mit einer Mehrzahl von Reaktionskammern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Triebwerk, bei dem eine direkte Verbrennung von Brennstoff in Luft nicht in einer einzigen Verbrennungsstufe vorgenommen wird, sondern der Brennstoff in einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Stufen zur Reaktion gebracht wird. Aufgabe der Erfindung ist eine erhebliche Verringerung des Brennstoffverbrauchs.

Gemäß der Erfindung weist ein Triebwerk eine erste Reaktionskammer auf, der entweder allein oder zusammen mit einem anderen Reaktionsmittel Brennstoff zugeführt wird, und weiter Wärme zugeführt wird, um eine endotherme chemi-

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sehe Reaktion zu bewirken, durch die unter im wesentlichen reversiblen Bedingungen ein reformierter Brennstoff oder ein brennbares Gemisch (im folgenden als "reformierter Brennstoff" bezeichnet) erzeugt wird. Das Triebwerk weist weiter eine zweite Reaktionskammer auf, der der aus der ersten Reaktionskammer zusammen mit Luft oder einem anderen Reaktionsmittel austretende reformierte Brennstoff zugeführt wird, um in der zweiten Reaktionskammer eine exotherme Reaktion zu bewirken. Ferner sind Wärmetauschereinrichtungen vorgesehen, die die in der zweiten Reaktionskammer durch die exotherme Reaktion erzeugte Wärme an die erste Reaktionskammer übertragen, um hier die endotherme Reaktion zu bewirken, sowie Leistung liefernde Einrichtungen, durch die ein Arbeitsmedium oder die Produkte der exothermen Reaktion strömen, wobei dem Arbeitsmedium oder den Produkten Energie entzogen wird.

Der reformierte Brennstoff wird dadurch erzeugt, daß der Brennstoff mit sich selbst, mit Wasser oder mit einer begrenzten Zufuhr von Luft im wesentlichen reversibel bei einer Temperatur zur Reaktion gebracht wird, die niedriger ist als die Temperatur, bei der die normale Verbrennung abläuft. Dadurch hat der reformierte Brennstoff eine geringere Gleichgewichts-Reaktionstemperatur mit Luft und kann mit geringeren Verlusten bei in der Praxis annehmbaren Temperaturen verbrannt werden.

Zweckmäßigerweise weisen die zweite Reaktionskammer und die Wärmetauscheinrichtung zusammen einen Wirbelbettwännetauscher auf, der ein Bett besitzt, durch das der reformierte Brennstoff aus der ersten Reaktionskammer zusammen

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mit Luft oder einem anderen Reaktionsmittel hindurchströmt, wobei die Luft oder das andere Reaktionsmittel, die vorgeheizt sind, durch einen Wärmetauschweg strömen, der durch das Wirbelbett aufgeheizt wird.

Die zweite Reaktionskammer und die Wärmetauschereinrichtung können andererseits zusammen eine Mehrzahl von Wirbelbetten aufweisen, die in Reihe oder kaskadenartig angeordnet sind, und durch deren erstes, bezogen auf die Strömungsrichtung des reformierten Brennstoffs aus der ersten Reaktionskammer, der reformierte Brennstoff zusammen mit Luft oder einem anderen Reaktionsmittel hindurchtritt, wobei die Luft oder das andere Reaktionsmittel dadurch vorgeheizt wurden, daß sie durch einen durch die Wirbelbetten aufgeheizten Wärmetauschweg geleitet werden, und wobei die Produkte aus der exothermen Reaktion im ersten Wirbelbett durch das stromabwärts liegende oder die folgenden Wirbelbetten geleitet v/erden. Die Temperatur in jedem Wirbelbett ist dabei geringer als in dem unmittelbar vorhergehenden Wirbelbett, gesehen in Richtung des Stroms des reformierten Brennstoffs oder der Produkte der exothermen Reaktion.

Die Leistung liefernde Einrichtung kann wenigstens eine Turbine aufweisen, durch die ein Strom verdichteter Luft oder eines anderen Reaktionsmittel, das durch die exotherme chemische Reaktion im Wirbelbettwärmetauscher aufgeheizt wurde, hindurchtritt, bevor es zusammen mit dem reformierten Brennstoff aus der ersten Reaktionskammer in das oder die Wirbelbetten eingeleitet wird.

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Dadurch, daß die Reaktion des Brennstoffs in einer ersten Stufe so vorgenommen wird, daß durch eine endotherme Reaktion ein reformierter Brennstoff entsteht, und daß anschließend eine exotherme Reaktion des reformierten Brennstoffs in einer oder in mehreren Reaktionskammern aufeinanderfolgend und bei abnehmender Temperatur bewirkt wird, ergibt sich eine bedeutende Verringerung im Brennstoffverbrauch.

Ein Triebwerk, das die oben erläuterten endothermen und exothermen Reaktionsstufen aufweist, ist beispielsweise in der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht und wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnung im einzelnen erläutert .

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch das Triebwerk.

Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Triebwerk nach der Linie II-II der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das Triebwerk nach der Linie III-III der Fig. 1.

Fig. 4 ist ein Schnitt durch das Triebwerk nach der Linie IV-IV der Fig. 1.

Fig. 5 zeigt eine Abänderung eines in Fig. 1 dargestellten Teils des Triebwerks, in dem der oben erwähnte reformierte Brennstoff erzeugt wird.

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Fig. 6 zeigt eine Abänderung des Teils des Triebwerks der Fig. 1, das die normale Abgasstufe des Triebwerks einschließt und eine weitere Abgasstufe aufweist, die in Reihe mit der normalen Abgasstufe angeordnet ist.

Nach den Fig. 1 bis 4 weist das Triebwerk eine Welle 1 auf, die den Rotor 2 eines Luftverdichters trägt. Der Verdichter saugt Luft aus der Atmosphäre an und liefert die verdichtete Luft an einen Wärmetauscher 3» der durch Abgas aufgeheizt wird, wie es weiter unten noch erläutert wird. Die aufgeheizte Luft aus dem Wärmetauscher 3 strömt durch Heizkanäle 16, 17» wie z.B. Rohre, in zwei Wirbelbettwärmetauschern ("fluidised bed heat exchangers") 4- bzw. 5> in denen die Luft zunehmend weiter aufgeheizt und in Turbinenrotoren 13, 14- und 15 expandiert wird. Die Luft gelangt dann zu einem kreisringförmigen Kanal 6 in der Nähe einer ringförmigen Mischkammer 7» aus der reformierter Brennstoff, wie er oben beschrieben wurde, durch eine Mehrzahl von beispielsweise sechs Düsen 11 austritt, die im Abstand voneinander auf einem Kreis in der unteren Wandung (in Fig. 1 gesehen) des kreisringförmigen Kanals 6 angeordnet sind. Auf die Herstellung des reformierten Brennstoffs in der Mischkammer wird weiter unten noch eingegangen. Der aus den Düsen 11 austretende reformierte Brennstoff mischt sich mit der aufgeheizten Luft, die durch den kreisringförmigen Kanal 6 strömt. Das sich ergebende Gemisch wird dann durch das Wirbelbett 19 des Wirbelbettwärmetauschers 5 geleitet, wobei eine erste exotherme Reaktion des reformierten Brennstoffs mit Luft erfolgt. Die Produkte dieser ersten exothermen Reaktion werden dann

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durch das Wirbelbett 18 des Wirbelbettwännetauschers 4 geleitet, wo eine zweite exotherme Reaktion erfolgt. Die Wärme aus jeder der exothermen Reaktionen in den Wirbelbetten 19, 18 wird auf die Luft übertragen, die vom Wärmetauscher 3 dem kreisringförmigen Kanal 6 zuströmt. Schließlich treten die heißen Abgase aus dem Wirbelbett 18 des Wirbelbettwärmetauschers 4 durch den Wärmetauscher 3, bevor sie in die Atmosphäre austreten, so daß sie am Anfang noch die verdichtete Luft aufheizen, die aus dem Verdichter 2 austritt, bevor diese in die Heizkanäle der Wirbelbettwärmetauscher 4 und 5 eintritt. Die exotherme Reaktion, die im Wirbelbettwärmetauscher 5 erfolgt, ist heißer als die im Wärmetauscher 4, so daß sich eine zunehmende Temperatur in Richtung des Pfeiles X sowohl im Luftstrom wie auch im Strom des reformierten Brennstoffs ergibt. Die Temperatur jeder exothermen Reaktion wird vorzugsweise bei oder in der Nähe der Gleichgewichtstemperatur gehalten, und zwar durch die Auslegung der Wirbelbetten. Die Welle 1 trägt die oben bereits erwähnten Turbinenrotoren 13, 14 und 15, die im Luftstrom vom Verdichter 2 zum kreisringl'örmigen Kanal 6 liegen und stromaufwärts des Wirbelbettwärmetauschers 4, zwischen den Wirbelbettwärmetauschern 4 und 5 bzw. stromabwärts des Wirbelbettwärmetauschers 5 angeordnet sind, bezogen auf die Strömungsrichtung des Luftstroms. Die Luft wird in den Turbinenrotoren 13, 14 und 15 entspannt, wobei der Luft die Energie entzogen wird, die zum Antrieb des Verdichters 2 erforderlich ist. Die überschüssige Energie ist als Wellenleistung an der Welle 1 verfügbar. Der Wärmetauscher 3 kann von beliebiger Bauart sein, d.h. es kann beispielsweise ein Gegenstrom-Rekuperativwärmetauscher verwendet werden, wie er in der Zeichnung dargestellt ist.

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Der reformierte Brennstoff wird in der ringförmigen Mischkammer 7 ^aus einem Gemisch, aus verdampftem flüssigen Brennstoff und Wasser durch eine endotherme Reaktion gebildet. Der Brennstoff und das Wasser, die hierfür erforderlich sind, werden von Brennstoff- und Wasserpumpen 8 und 9 geliefert, die über ein Getriebe 10 von der Welle 1 angetrieben werden. Die Brennstoffpumpe 8 liefert Brennstoff über eine Zuführleitung 20, die als geschlossener Ring ausgebildet ist, an eine Mehrzahl, z.B. drei im Abstand voneinander liegenden Öffnungen 21, während die Wasserpumpe 9 Wasser über eine Zuführleitung 22, die ebenfalls als geschlossener Ring ausgebildet ist, an eine Mehrzahl von beispielsweise drei im Abstand voneinander liegenden Öffnungen 23 liefert, die abwechselnd mit den öffnungen 21 in der unteren Wandung der Mischkammer 7 angeordnet sind, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Wärme, die für die endotherme Reaktion erforderlich ist, wird durch Wärmeübertragung über die Wandung zwischen dem Kanal 6 und der Kammer 7 aufgebracht.

Falls es erforderlich ist, kann zusätzliche Wärme, durch die die endotherme Reaktion bewirkt wird, dadurch bereitgestellt werden, daß ringförmige Heizkammern um die Mischkammer 7 herum angeordnet werden, die mit heißer Luft versorgt werden, die aus dem Kanal 6 zugeführt wird. Diese Abänderung ist in Fig. 5 dargestellt, in der die ringförmigen Heizkammern bei 24 und 25 veranschaulicht sind, wobei je eine auf jeder Seite der Kammer 7 liegt. Es sind ferner Löcher vorgesehen, durch die heiße Luft aus dem Kanal 6 in die ringförmigen Heizkammern 24, 25 eintreten kann. Die Löcher sind mit 26 bezeichnet.

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Wenn auch nur eine einzige endotherme Reaktionsstufe und zwei in Reihe kaskadenförmig angeordnete exotherme Reaktionsstufen dargestellt sind, so kann doch jede andere Anzahl von aufeinanderfolgenden endothermen Reaktionsstufen und jede Anzahl von aufeinanderfolgenden exothermen Reaktionsstufen verwendet werden. Beispielsweise könnte durch die Verwendung von zwei oder mehr endothermen Reaktionsstufen die maximale Temperatur des Triebwerksprozesses verringert werden.

Venn auch die Abgase aus dem Wärmetauscher 3 direkt in die Abmosphäre ausgestoßen werden, so können sie auch in einer Turbine bis auf einen Druck unterhalb des Atmosphärendrucks entspannt, gekühlt und dann wieder zum Austritt in die Atmosphäre verdichtet werden, wodurch die Abgasverluste weiter verringert werden können. Eine Abänderung des in Fig. 1 dargestellten Triebwerks, bei der eine solche zusätzliche Abgasstufe dargestellt ist, zeigt die ffig. 6. Durch radiale Rohre 29 wird Luft zum ringförmigen Einlaß 30 des Verdichters 2 geleitet, der sonst der Ausbildung wie in Fig. 1 entspricht. Von dem Wärmetauscher 3-, der sonst der Ausbildung der Fig. 1 entspricht, führt ein ringförmiger Abgasauslaß 31 zu einer Turbine 32, in der die Abgase bis auf einen Druck unterhalb des Atmosphärendrucks entspannt werden. Die Abgase werden dann durch einen Wärmetauscher 33 geleitet, in dem sie durch die Umgebungsluft gekühlt werden, die durch ein Gebläse 34- durch den Wärmetauscher 33 geleitet wird. Nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 33 werden die abgekühlten Abgase von dem unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck durch einen Verdichter wieder auf Atmosphärendruck verdichtet. Die Abgase treten dann durch einen Abgaskanal 36 in die Atmosphäre

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aus. Der Turbinenrotor 32 und der Verdichterrotor 35 sind auf der Welle 1 angebracht, die langer ist als die in Fig. 1 dargestellte Welle 1. Das Gebläse 34- kann durch die Welle 1 angetrieben werden. Der Rest des Triebwerks entspricht der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform. Der Wärmetauscher 33 kann durch irgendeinen geeigneten Luft-Gas-Wärmetauscher dargestellt sein. Beispielsweise kann der gleiche Rekuperativ-Wärmetauscher verwendet werden, der als Wärmetauscher 3 Verwendung findet.

Wenn in der Beschreibung auch Turbinenrotoren 13» 14 und 15 als Einrichtungen erläutert wurden, mit denen Energie der aufgeheizten Luft entzogen wird, so können andererseits die Abgase bei jeder endothermen oder exothermen Reaktionsstufe auch dazu verwendet werden, die hin- und hergehende Bewegung von Kolben zu bewirken, die dann dazu verwendet werden, die Luft zu verdichten und die Wellenleistung zu liefern.

Die aufeinanderfolgenden endothermen und exothermen Reaktionsstufen des Triebwerks gemäß der Erfindung ermöglichen es, einen reversiblen oder im wesentlichen reversiblen Verbrennungszustand zu erreichen, wodurch ein höherer thermischer Wirkungsgrad sowie ein geringerer spezifischer Brennstoffverbrauch erreicht werden als in den bekannten Triebwerken.

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Claims

Patentansprüche

1.,Triebwerk mit einer Mehrzahl von Reaktionskammern, die ... ■ in Reihe oder kaskadenartig angeordnet sind und in denen Brennstoff entweder allein oder mit einem anderen Reaktionsmittel zur Reaktion gebracht wird, ferner mit Einrichtungen, durch die ein Arbeitsmedium strömt, und die dem Arbeitsmedium Energie entziehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Reaktionskammer (7) so angeordnet ist, daß ihr Wärme zugeführt wird, die eine endotherme chemische Reaktion bewirkt, durch die unter im wesentlichen reversiblen Bedingungen ein reformierter Brennstoff oder ein brennbares Gemisch (im folgenden als "reformierter Brennstoff" bezeichnet) erzeugt wird, und daß die zweite oder die folgenden Reaktionskammern (4, 5) so angeordnet sind, daß sie den aus der ersten Reaktionskammer (7) zusammen mit Luft oder einem anderen Reaktionsmittel austretenden reformierten Brennstoff aufnehmen und in der zweiten oder den folgenden Reaktionskammern (4, 5) eine exotherme chemische Reaktion bewirken, wobei Wärmetauscher (16 und 18, 17 und 19) vorgesehen sind, die die durch die exotherme Reaktion in der zweiten oder den folgenden Reaktionskammern (4,5) erzeugte Wanne an die erste Reaktionskammer übertragen, um dort die endotherme Reaktion zu bewirken.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Reaktionskammer und die Wärmetauschereinrichtung zusammen einen Wirbelbettwärmetauscher (4, 5) aufweisen, der ein Bett (18, 19) besitzt, durch das der reformierte Brennstoff aus der ersten Reaktionskammer (7) zusammen mit Luft oder einem anderen Reaktionsm-ittel hindurchströmt, wobei die Luft oder das andere Reaktionsmittel,

ORIGINAL INSPECTED

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die vorgeheizt sind, durch einen Wärmetauschweg (16, 17) strömen, der durch das Wirbelbett (18, 19) aufgeheizt wird.

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung liefernden Einrichtungen wenigstens eine Turbine (13, 14, 1?) aufweisen, durch die ein 3trom verdichteter Luft oder eines anderen Reaktionsmittels, das durch die exotherme chemische Reaktion im Wirbelbettwärmetauscher (4, 5) aufgeheizt wurde, hindurchtritt, bevor es zusammen mit dem reformierten Brennstoff aus der ersten Reaktionskammer (7) in das oder die Wirbelbetten (18, 19) eingeleitet wird.

4. Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftverdichter (2) vorgesehen ist, der einen /Strom verdichteter Luft erzeugt, die durch den Wärmetauschweg in dem oder den Wirbelbetten (18, 19) strömt und in der oder den Turbinen (13, 14, 15) entspannt wird, wobei die oder jede Turbine sowie der Verdichter auf einer Welle

(1) sitzen, die den Verdichter antreibt und an der Wellenleistung verfügbar ist.

5. Triebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Wirbelbetten (18, 19) vorgesehen ist, und daß jeweils eine Turbine (15, 14, 13) stromaufwärts des ersten Wirbelbetts (19), zwischen jedem Paar von benachbarten Wirbelbetten (19, 18) und stromabwärts des letzten Wirbelbettes (18) in Richtung der Strömung des reformierten Brennstoffs aus der ersten Reaktionskammer (7) oder der Produkte aus der exothermen Reaktion in den Wirbelbetten (19, 18) angeordnet ist.

7 Π M H /, 7 / 1 Π fi /♦

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6. Triebwerk nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Wärmetauscher (5) vorgesehen ist, der die verdichtete Luft aus dem Verdichter (2) vor der Expansion der Luft in einer der Turbinen (1?, 14, 15) und die Produkte aufnimmt, die aus dem letzten stromabwärts gelegenen Wirbelbett (18) vor dem Austritt aus dem Triebwerk ausströmen.

7· Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Turbine (32) vorgesehen ist, deren Rotor auf der Welle (1) sitzt, und in der die Abgase aus dem weiteren Wärmetauscher (3) bei Betrieb des Triebwerks auf einen Druck unterhalb des Atmosphärendrucks entspannt werden, daß weiterhin noch ein Wärmetauscher (33) vorgesehen ist, der als Kühler dient und die aus der Turbine (32) austretenden Abgase kühlt, und daß ein weiterer Verdichter (35) vorgesehen ist, dessen Rotor auf der Welle (1) sitzt und bei Betrieb des Triebwerks die Abgase auf Atmosphärendruck rückverdichtet und in die Atmosphäre austreten läßt.

8. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reaktionskammer (7) eine Heizkammer (24, 25) aufweist, durch die Luft hindurchströmen kann, die in dem Wärmetauscher (4, 5) durch Wärme aus der exothermen Reaktion aufgeheizt worden ist.

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