DE302746C

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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

Bei Kraftanlagen mit Verbrennungsmaschinen zeigt sich neuerdings das Bestreben, außer der ber der Verbrennung primär entwickelten Energie auch die Wärme der Abgase sowie die Strahlungswärme möglichst weitgehend auszunutzen. Auch bei Gasturbinen wird dieser Weg verfolgt, und hier besitzt die Angelegenheit eine um so größere Bedeutung, als der thermische Wirkungsgrad, d. h. das VerhältnisIn power plants with internal combustion engines, the effort has recently been shown, except The energy primarily developed through the combustion also includes the heat of the exhaust gases as well to use the radiant heat as much as possible. This is also the case with gas turbines Path pursued, and here the matter is all the more important than that thermal efficiency, d. H. The relationship

ίο zwischen der abgegebenen Arbeit und dem zugeführten Brennstoff, sehr gering und eine Erhöhung desselben im Interesse der Wirtschaftlichkeit unbedingt notwendig ist.ίο between the submitted work and the submitted Fuel, very low and an increase in the same in the interests of economy is absolutely necessary.

Die meisten der bisher gebauten und in Vorschlag gebrachten Gasturbinen arbeiten nun in der Weise, daß das Betriebsmittel vor der Verbrennung vorverdichtet wird, und zwar gewöhnlich in Turbokompressoren oder Kolbenverdichtern. Es zeigt sich nun, daß ein bedeutender Teil — etwa Y₃ ■— der für den Kompressor aufgewandten Arbeit im praktischen Betriebe unwiederbringlich verloren ist, da er als Flüssigkeitswärme an das Kompressorkühlwasser übergeht, dessen Wärmeinhalt wegen der geringen Temperatur — höchstens 40 ° — nicht verwendbar ist. Von der gesamten, dem Brennstoff zugeführten Wärmemenge beträgt dies etwa 20 Prozent, d. h. etwa ebensoviel, wie in günstigen Fällen praktisch an Arbeit abgegeben werden kann.Most of the previously built and proposed gas turbines now operate in such a way that the operating medium is precompressed before combustion, usually in turbo compressors or reciprocating compressors. It now turns out that a significant part - about Y ₃ ■ - of the work expended on the compressor in practical operation is irretrievably lost, since it is transferred as liquid heat to the compressor cooling water, the heat content of which cannot be used due to the low temperature - at most 40 ° is. Of the total amount of heat supplied to the fuel, this amounts to about 20 percent, ie about as much as can practically be given off to work in favorable cases.

Eine etwaige Abwärmeverwertungsanlage muß sich bei diesen Turbinen auf die Ausnutzung der in der eigentlichen Turbine verfügbaren Abwärme — der Auspuffgase, der Strahlung und der Radreibungsarbeit — beschränken, die nur einen Teil derjenigen Wärme darstellt, die im Brennstoff nach Abzug des Äquivalents der nutzbar abgegebenen Arbeit dargeböten wird.Any waste heat recovery system must be based on the utilization of these turbines the waste heat available in the actual turbine - the exhaust gases, the Radiation and the work of friction - limit that only part of those heat represents that in the fuel after deducting the equivalent of the usable work delivered is offered.

Die große negative Kompressorarbeit und der schlechte Wirkungsgrad, mit dem diese geleistet wird, hat nun nach Mitteln suchen lassen, diese Verluste zu vermeiden. Bei vorliegender Erfindung wird nun eine mit Selbstverdichtung arbeitende Turbine mit einer im Gegenstromverfahren arbeitenden Abwärmeanlage vereinigt. Es zeigt sich dabei, daß der dem oben geschilderten Verlust an Wärme in dem Kompressorkühlwasser entsprechende Verlust bei dieser Anordnung umgangen werden kann, und daß man durch die richtige Anordnung des zur Abwärmeausnutzung dienenden Wärmeaustauschapparates und geeignete Führung des Wassers den Wirkungsgrad der Gesamtanlage ganz erheblich steigern kann, da fast die ganze Abwärme in verwertbarer' Form gewonnen wird. 'The large negative compressor work and the poor efficiency with which this is being done, has now been looking for ways to avoid these losses. With the present Invention is now a working with self-compression turbine with an im Counter-current process combined waste heat system. It shows that that corresponds to the above-described loss of heat in the compressor cooling water Loss in this arrangement can be circumvented, and that one can be achieved by the correct arrangement of the heat exchange apparatus used for the utilization of waste heat and suitable management of the water the efficiency of the Can increase the overall system considerably, since almost all of the waste heat is converted into usable ' Form is obtained. '

Die Ursache hierfür ist der Umstand, daß bei Gasturbinen mit Selbstverdichtung keine Wärmemengen mit niedrigen Temperaturen fortgeführt werden müssen, daß vielmehr an allen Stellen der Turbine zwischen dem Kühlmittel und dem zu kühlenden Teil derartige Temperaturunterschiede bestehen bzw. eingestellt werden können, daß die abgeführte Wärme praktisch ausgenutzt werden kann. 'The reason for this is the fact that in gas turbines with self-compression none Amounts of heat at low temperatures must be continued that rather at all points of the turbine between the coolant and the part to be cooled such Temperature differences exist or can be set that the discharged Heat can be put to practical use. '

Die vorliegende Erfindung besteht demgemäß in der Verbindung einer mit Selbstverdichtung der Betriebsmittel arbeitenden Turbine mit einer zweckentsprechend angeordneten Abwärmeverwertungsanlage. The present invention accordingly resides in the combination of one with self-compression of the operating resources working turbine with an appropriately arranged waste heat recovery system.

Wenn die Abwärme einer Gasturbine nutzbar gemacht werden soll, so kann dies nach dem heutigen Stande der Technik am besten dadurch geschehen, daß man Dampf damitIf the waste heat from a gas turbine is to be made usable, this can be done after The best way to do this with today's technology is to use steam with it

ίο erzeugt, und zwar solchen Dampf, der in normalen Maschinen bequem ausnutzbar ist, also hohe Spannung und hohe Temperatur besitzt. Bei jeder Dampferzeugung ist nun die Hauptsache die Zuführung der großen Menge von Verdampfungswärme, während erheblich weniger Flüssigkeitswärme und nach Belieben Überhitzungswärme zugeführt werden muß. Andererseits muß die letztere bei möglichst hohen Temperaturen übertragen werden, während fürίο generated, namely such steam that in normal Machines can be used comfortably, i.e. has high voltage and high temperature. In any steam generation, the main thing is to supply a large amount of Heat of vaporization, while considerably less heat of liquid and, if desired, superheating heat must be supplied. On the other hand, the latter must be transferred at the highest possible temperatures while for

den Übergang der Verdampfungswärme eine über der ,Siedetemperatur liegende Turbinentemperatur nötig ist; für die Flüssigkeitswärme endlich kann man, je nach der Anfangstemperatur des zu erwärmenden Wassers, die niedrigen in der Turbine auftretenden Temperaturen 'ausnutzen. Dementsprechend wird zweckmäßigerweise die ganze Menge des zur Kühlung und Wärmeverwertung dienenden Wassers so geführt, daß es zunächst die bei den geringsten Temperaturen dargebotenen Wärmemengen als Flüssigkeitswärme aufnimmt; darauf muß die Verdampfungswärme übertragen werden und schließlich die Überhitzungswärme. Dabei müssen natürlich die zur Wärmeübertragung dienenden Apparate — z. B. Rohrschlangen im Auspuff, Kühlmantel und Verdampfungskörper an anderen Stellen — sowie die zugeführte Wassermenge so bemessen sein, daß die gewünschten Wärmemengen übergehen.the transition of the heat of evaporation requires a turbine temperature above the boiling point; for the heat of the liquid finally, depending on the initial temperature of the water to be heated, the low in the turbine occurring temperatures' exploit. Accordingly, will expediently the whole amount of the water used for cooling and heat recovery so that it is initially the at absorbs amounts of heat presented to the lowest temperatures as liquid heat; then the heat of evaporation must be transferred and finally the heat of superheating. Of course, the apparatus used for heat transfer - z. B. pipe coils in the exhaust, cooling jacket and evaporator in other places - as well as the amount of water supplied must be measured in such a way that that the desired amounts of heat pass.

An einem Beispiel soll dies erläutert werden. Es stehe eine Gasturbine mit Selbstverdichtung in gesondert angeordneten Verdichtungskammern zur Verfügung. Der thermische Wirkungsgrad betrage 20 Prozent, und von den restlichen 80 Prozent der im Brennstoff zugeführten Wärme gehen 40 Prozent als Strahlung an die Wandungen der Verbrennungsund Verdi'chtungskammern über und ebenfalls 40 Prozent mit den Abgasen fort. In diesen letzteren 40 Prozent ist die Reibungswärme der Gase, die bei der Kompression entsteht, sowie ein Teil der Kompressionswärme mit enthalten. Um nun beispielsweise 1 kg Dampf zu erzeugen, seien 180 W-E. Flüssigkeitswärme, 480 W.E. Verdampfungswärme.: und 100 W.E. Überhitzungswärme erforderlich, also jeweils 24 Prozent, 64 Prozent und 13 Prozent der Gesamtwärme. Wird diese Gesamtwärme den obigen 80 Prozent gleichgesetzt, so stehen vom BrennstoffThis will be explained using an example. There is a gas turbine with self-compression available in separately arranged compression chambers. The thermal efficiency is 20 percent, and of the the remaining 80 percent of the heat supplied in the fuel is 40 percent as radiation on the walls of the combustion and evaporation chambers and also 40 percent with the exhaust gases. In these the latter 40 percent is the frictional heat of the gases that is generated during compression, as well as part of the compression heat included. For example, 1 kg of steam to be generated are 180 W-E. Liquid heat, 480 W.E. Heat of Evaporation .: and 100 W.E. Overheating required, so each 24 percent, 64 percent and 13 percent of the total heat. Will this total heat den Equated above 80 percent, so stand from the fuel

für die Flüssigkeitswärme 19 Prozentfor the liquid heat 19 percent

für die Verdampfungswärme 50for the heat of vaporization 50

für die Überhitzungswärme 11for overheating 11

für die effektive Arbeit......... 20for effective work ......... 20

in Summa 100 Prozent ⁶Sin total 100 percent ⁶ p

zur Verfügung. Demgemäß führt man beispielsweise das Wasser folgendermaßen:to disposal. Accordingly, for example, the water is carried out as follows:

Zunächst wird in einer in den Auspuff eingebauten Schlange das frische Wasser auf die Dampftemperatur erhitzt; die Wärmeaufnahme hierbei sei 19 Prozent der gesamten Wärme. Dann wird das Wasser in einen um die Verbrennungs- und Verdichtungskammern angeordneten Mantel geführt, wo ein Teil der Verdampfungswärme — etwa 40 Prozent der Gesamtwärme — abgegeben wird, und weiter wird der Rest der Verdampfungswärme durch eine in den Auspuff eingebaute Schlange, die 10 Prozent überträgt, aufgenommen. Die noch erforderlichen 11 Prozent Überhitzungswärme werden endlich durch eine dritte, ebenfalls in den Abgasen liegende Schlange übertragen.First of all, the fresh water is poured into the exhaust pipe in a queue Steam temperature heated; the heat absorption here is 19 percent of the total heat. Then the water is placed in one around the combustion and compression chambers Jacket led where part of the heat of vaporization - about 40 percent of the total heat - is given off, and further the rest of the heat of vaporization is passed through a coil built into the exhaust pipe, which 10 percent transmits, recorded. The 11 percent superheat that is still required are finally transmitted through a third snake, also located in the exhaust gases.

Zu bemerken ist hierbei, daß die kleinen Verluste durch Lagerreibungsarbeit sowie durch die mit einer gewissen Temperatur abziehenden Abgase u. dgl. nicht berücksichtigt sind, da sie das Gesamtbild nicht beeinträchtigen. It should be noted here that the small losses due to bearing friction work as well not taken into account due to the exhaust gases and the like, which withdraw at a certain temperature as they do not affect the overall picture.

In der beiliegenden Zeichnung ist die neue Erfindung in einer Ausführungsform veranschaulicht, und zwar der Einfachheit halber für eine Turbine mit nur zwei Verdichtungsund Verbrennungsräumen B¹, B² und zwei Laufrädern 1 und 2. Des besseren Verstandnisses halber ist die Maschine in Abwicklung gezeichnet. Sie arbeitet in folgender Weise:In the accompanying drawing, the new invention is illustrated in one embodiment, for the sake of simplicity for a turbine with only two compression and combustion chambers B ¹ , B ² and two impellers 1 and 2. For the sake of better understanding, the machine is drawn in development. It works in the following way:

Zu Beginn sind alle Räume, nämlich die Verdichtungs- und Verbrennungsräume JS¹ und B², die Leitschaufeln D¹, D², F¹, F²^G¹, G² und die Kanäle E¹, E² mit Abluft von atmosphärischer Pressung gefüllt. Durch die Gemischzuleitung A,- in welcher ein Überdruck von einigen zehntel Atm. herrscht, wird nun die Verbrennungskammer B¹ durch das Ventil a¹ mit Ladung versehen, wobei die Ventile c¹ und b¹ geschlossen sind. Hierauf wird das Ventil a¹ geschlossen und die Ladung durch die Zündvorrichtung Z¹ zur Verbrennung gebracht. Nach Öffnung des Ventils b¹ strömen hierauf die Verbrennungsgase durch, den Leitapparat D¹, die Leitschaufeln 1, Kanal E¹, Leitapparat F¹ und das geöffnete Ventil c² in die Verbrennungskammer B², deren übrige Ventile geschlossen sind, und verdichtet das dort inzwischen durch Ventil a² eingefüllte Gemisch. Nachdem Druckausgleich eingetreten ist, wird Ventil c₂ geschlossen und d¹ geöffnet, worauf die noch in B¹ enthaltenen, teilweise entspannten Gase durch den Leitapparat G¹ und die At the beginning, all rooms, namely the compression and combustion chambers JS ¹ and B ² , the guide vanes D ¹ , D ² , F ¹ , F ² ^ G ¹ , G ² and the ducts E ¹ , E ² with exhaust air are under atmospheric pressure filled. Through the mixture feed line A, - in which an overpressure of a few tenths of an atm. prevails, the combustion chamber B ¹ is now provided with charge by the valve a ¹ , the valves c ¹ and b ^{1 being} closed. The valve a ^{1 is then} closed and the charge is brought to combustion by the ignition device Z ^1. After opening the valve b ¹ , the combustion gases then flow through the diffuser D ¹ , the guide vanes 1, channel E ¹ , diffuser F ¹ and the opened valve c ² into the combustion chamber B ² , the other valves of which are closed, and compresses it there meanwhile filled mixture through valve a ^2. After pressure equalization has occurred, valve c _{2 is} closed and d ^{1 is} opened, whereupon the partially expanded gases still contained in B ¹ through the diffuser G ¹ and the

Laufschaufeln 2 in den Abwärmeverwerter C und von da durch das Auspuffrohr H ins Freie abströmen. Sind hierdurch die Gase in ' B¹ völlig auf atmosphärischen Druck entspannt, so tritt durch das Ventil a¹ neue Ladung in die Verbrennungskammer B¹. ein, worauf die Ventile α¹, δ¹, c¹ und d¹ wieder geschlossen werden und ein neues Spiel beginnt. Inzwischen hat sich das Verfahren in der Verbrennungs^ kammer B² in analoger Weise fortgesetzt. Der Inhalt dieser Kammer war, wie vorstehend beschrieben, durch die aus B¹ über D¹, E¹, F¹, c² einströmenden Explosionsgase verdichtet worden. Er wird hierauf durch die Zündvorrichtung Z² gleichfalls zur Verbrennung gebracht, und die Verbrennungsgase strömen dann, nachdem Ventil δ² geöffnet worden ist, durch die Leitapparate D²,- die Laufschaufeln 1 am geschlossenen Ventil d² vorbei durch den Kanal E² und die Leitapparate F² in die Verbrennungskammer B¹, wo sie die inzwischen eingetretene neue Ladung verdichten. Hierauf schließt Ventil c¹ ab, und d² wird geöffnet, so daß der noch vorhandene Inhalt aus B², D², E² und F² durch die Leitapparate G² ifi den Abwärmeverwerter C und von da ins Freie ausströmen kann. In gleicher Weise wieder-The rotor blades 2 flow into the waste heat exchanger C and from there through the exhaust pipe H into the open air. Are hereby gases in 'B ¹ fully expanded to atmospheric pressure to ¹ new charge passes through the valve a in the combustion chamber ^B1. a, whereupon the valves α ¹ , δ ¹ , c ¹ and d ^{1 are} closed again and a new game begins. In the meantime, the process has continued in the combustion chamber B ² in an analogous manner. As described above, the contents of this chamber had been compressed by the explosive gases flowing in from B ¹ via D ¹ , E ¹ , F ¹ , c ^2. It is then also brought to combustion by the ignition device Z ² , and the combustion gases then flow, after valve δ ^{2 has been} opened, through the diffuser D ² - the rotor blades 1 past the closed valve d ² through the channel E ² and the Diffusers F ² into the combustion chamber B ¹ , where they compress the new charge that has now entered. Valve c ^{1 then} closes and d ² is opened so that the remaining contents from B ² , D ² , E ² and F ² can flow out through the diffusers G ² ifi the waste heat exchanger C and from there into the open. In the same way again-

- holt sich wechselweise der Vorgang in den beiden Kammern und ihren Kanälen.- The process alternates between the two chambers and their channels.

Bei der beschriebenen Anordnung von Turbinen ist es möglich, durch geeignete Führung des Kühlwassers die gesamten Wärmeverluste im Vergleich zu einer Anlage mit besonderer Verdichtungsmaschine erheblich kleiner zu halten. Die großen Wassermengen, die ein Kreiselverdichter zur Kühlung benötigt, können durch die übliche Abwärme der Gasturbinen nur zu einem kleinen Bruchteil verdampft werden; es muß also notgedrungen ein Teil der im ablaufenden Verdichter - Kühlwasser enthaltenen Abwärme verloren gehen. Nach der vorliegenden Erfindung läßt sich die ganze Kühlwassermenge der Anlage in Dampf von gewünschter Spannung und Temperatur verwandeln. Zu diesem Zweck wird das Kühlwasser in der Rohrschlange /, welche im kühleren Teil des Vorwärmers C enthalten ist, vorgewärmt, strömt von da in die Kühlräume der Verbrennungskammern B¹, B² und in die Kühlräume der anschließenden Leitapparate und Kanäle D¹, D², E\ E², F¹, F², GVG². In diesen Räumen wird es ganz oder teilweise verdampft und durchströmt dann noch den Wärmeaustauschapparat K, welcher im heißesten Teil der Auspuffkammer C angeordnet ist, wo es in gesättigten oder überhitzten Dampf verwandelt wird. Diese Anordnung erlaubt es, das Abfließen von Kühlwassermengen· bei verhältnismäßig niedriger Temperatur zu vermeiden und dadurch gegenüber den mit Abwärmeverwertung arbeitenden Turbinen,,welche einen eigenen Verdichter für Luft und Gas oder Gemische besitzen, einen wesentlichen Wärmegewinn zu erzielen.With the described arrangement of turbines, it is possible, by suitably routing the cooling water, to keep the total heat losses considerably smaller compared to a system with a special compression machine. The large amounts of water that a centrifugal compressor needs for cooling can only be evaporated to a small fraction due to the usual waste heat from the gas turbines; It is therefore necessary that part of the waste heat contained in the running compressor cooling water is lost. According to the present invention, the entire amount of cooling water in the system can be converted into steam of the desired voltage and temperature. For this purpose, the cooling water is preheated in the pipe coil /, which is contained in the cooler part of the preheater C , flows from there into the cooling spaces of the combustion chambers B ¹ , B ² and into the cooling spaces of the adjoining guide devices and channels D ¹ , D ² , E \ E ² , F ¹ , F ² , GVG ² . In these spaces it is wholly or partially evaporated and then flows through the heat exchange apparatus K, which is arranged in the hottest part of the exhaust chamber C , where it is converted into saturated or superheated steam. This arrangement makes it possible to avoid the drainage of cooling water quantities at a relatively low temperature and thereby to achieve a substantial gain in heat compared to the turbines which work with waste heat recovery, which have their own compressor for air and gas or mixtures.

Claims

Patent-An saying:

Gas turbine plant with waste heat recovery, characterized in that at a gas turbine that works with self-compression to utilize the waste heat serving water is conducted in such a way that the entire waste heat is recovered in a practically usable form, by the radiant heat of the combustion and compression chamber as well as the Frictional heat of the gases and most of the heat content of the exhaust gases as Heat of evaporation and overheating are used, while only that remaining in the above-mentioned process Heat from the exhaust gases already used for overheating and evaporation is used as liquid heat will.

1 sheet of drawings.