DE3444433A1

DE3444433A1 - Gas/dampf-verbundturbine mit zweistufiger abwaermenutzung

Info

Publication number: DE3444433A1
Application number: DE19843444433
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. 5401 Kobern-Gondorf Bongers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-06
Filing date: 1984-12-06
Publication date: 1986-06-12

Description

Bei dieser Erfindung handelt es sich um eine Wärmekraft-
maschine, in der brennbare Stoffe verbrannt werden und die bei der Verbrennung entstehende Wärmeenergie in nutzbare mechanische Energie umgewandelt wird. Angewendet können Wärmekraftmaschinen als Antriebsquelle von Arbeitsmaschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen etc. werden. Turbinen sind in erster Linie geeignet für Belastungen bei konstanten Drehzahlen. Bei Belastungen mit wechselnden Drehzahlen ist ein Schalt-Getriebe erforderlich.
Die Dampfturbine wurde Ende vergangenen Jahrhunderts erfunden und hat seitdem Anwendung gefunden als Industrie-, Kraftwerks-, Schiffsturbine etc..
Die Gasturbine ist ebenfalls bekannt. Die dominierende Anwendung dürfte beim Antrieb von Hubschraubern zu verzeichnen sein.
Ebenfalls bekannt sind Gasturbinen, bei denen die aus der Arbeitsturbine austretenden heißen Verbrennungsgase nach dem Austritt aus der Arbeitsturbine durch einen zwischen Verdichteraustritt und Brennkammereintritt geschalteten Wärmetauscher ins Freie strömen und dabei den durch die Verdichtung der Verbrennungsluft hervorgerufenen Temperaturanstieg der Verbrennungsluft noch weiter erhöhen und damit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Turbine teitragen.
Gasturbinen, bei denen die heißen Abgase als Heizquelle für einen nachgeschalteten Dampfkessel mit angeschlossener Dampfturbine dienen, und bei der der Abdampf der Dampfturbine noch zusätzlich für Heizzwecke verwandt wird, sind ebenfalls nicht neu, aber auch nicht weit verbreitet.
Gasturbinen mit nachgeschalteter Dampfturbine, bei denen zur Verbesserung des Wirkungsgrades die vom Verdichter angesaugte Verbrennungsluft vorgewärmt bzw. aufgeheizt in den Verdichter tritt, sind vom Konzept her bekannt (siehe Patentschrift: Dipl.-Ing. H. Bongers, "Gas/Dampf-Verbundturbine mit erhöhtem Temperaturniveau", vom 27.09.1984, Az.: P 34 35 382.8).
Dampf- und auch Gas turbinen weisen unter den Wärmekraftmaschinen nicht den besten Wirkungsgrad auf. Gasturbinen mit nachgeschalteter Dampfturbine liegen im Wirkungsgrad erheblich günstiger.
Das Ziel der Erfindung ist es, eine Wärmekraftmaschine zu konzipieren mit einem Wirkungsgrad, wie er bis heute noch nicht erreicht wurde.
Das in der Erfindung gestellte Ziel wird wie folgt erreicht: Bei einer konventionellen Gasturbine mit Rückführung der aus der Arbeitsturbine 6 austretenden heißen Verbrennungsgase in einen zwischen Verdichteraustritt 33 und Brennkammereintritt 34 geschalteten Wärmetauscher 4 zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Gas turbine 1 werden die aus dem Wärmetauscher 4 austretenden Verbrennungsgase anschließend in einen Gas/Luft-Wärmetauscher 13 geführt, durch den auch die vom Verdichter 2 angesaugte Verbrennungsluft strömt. Die Verbrennungsluft wird dabei vorgewärmt. Im Verdichter 2 steigt die Temperatur der Verbrennungsluft infolge der Verdichtung weiter an.
In den ersten 3 Teilen des Verdichtungs-Bereiches sind Luft/ Wasser-Wärmetauscher 16 und im letzten Viertel Luft/Dampf-Wärmetauscher 17 angeordnet.
Durch den Wärmeaustausch in den Luft/Wasser-Wärmetauschern 16 wird das Wasser in dem Wärmetauscher 16 zum Sieden gebracht und die Verbrennungsluft abgekühlt.
Der beim Sieden des Wassers entstehende Dampf wird in dem Kessel 11 gespeichert und über dem Luft/Dampf-Wärmetauscher 17, wobei er überhitzt wird, der Dampfturbine 10 zugeführt.
In der Turbine 10 findet die Entspannung des Dampfes unter gleichzeitiger Abgabe von mechanischer Energie an den Turbinenläufer 19 statt.
Nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Verbundturbine werden die Verbrennungsgase nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 4 durch den Gas/Dampf-Wärmetauscher 14 und anschließend danach durch den Gas/Wasser-Wärmetauscher 15 und dann durch den Gas/Luft-Wärmetauscher 13 ins Freie geführt.
Nach einem besonderen Merkmal der erfindungsgemäßen Verbundturbine wird der Abdampf der Dampfturbine 10 in einen Kondensator 12, den man auch als "Dampf/Luft-Wärmetauscher" bezeichnen könnte, geleitet, der von der Verbrennungsluft durchströmt wird. Dabei steigt die Temperatur der Verbrennungsluft an.
Danach wird die so vorgewärmte Verbrennungsluft durch den Gas/Luft-Wärmetauscher 13, hier nimmt die Temperatur der Verbrennungsluft weiter zu, und den Ansaugstutzen 32 in den Verdichtereintritt 35 geführt.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbundturbine braucht man als Verdampfungsmittel kein Wasser zu nehmen, sondern kann Kohlenwasserstoff oder eine Mischung aus Ammoniak und Wasser mit einer wesentlich niedrigeren Verdampfungswärme als sie bei Wasser vorhanden ist, verwenden.
Nach einem herausragenden Merkmal der erfindungsgemäßen Verbundturbine wird der Abdampf der Dampfturbine 10 in einen Dampf/organisches Verdampfungsmittel-Wärmetauscher 23 geführt. Die Verbrennungsgase werden nach dem Austritt aus dem Gas/Luft-Wärmetauscher 13 durch einen Gas/organisches Verdampfungsmittel-Wärmetauscher 36 geleitet. Durch die Wärmezufuhr in den Wärmetauschern 23 und 36 gerät das Verdampfungsmittel zum Sieden. Der dabei entstehende organische Dampf bzw. das Gas wird unter Druck in einem separaten Kessel 28 gespeichert und in einer separaten Turbine 27 unter Abgabe von mechanischer Energie an den Turbinenläufer entspannt.
Der Abdampf aus der Turbine 27 wird in einem von der Verbrennungsluft beaufschlagten Kondensator 25 geführt. Die im Kondensator 25 von dem Abdampf vorgewärmte Verbrennungsluft wird durch den Gas/Luft-Wärmetauscher 13, wobei ihre Temperatur weiter ansteigt, dem Verdichter 2 zugeführt.
In der konstruktiven Auslegung der Verbundturbine sind mehrere Varianten möglich. Es können die Gas- 1 und Dampfturbine 10 sowohl hintereinander als auch übereinander angeordnet sein. Ferner ist es möglich, daß die Läuferwellen von Gas- 1 und Dampfturbine 10 miteinander kraft-oder formschlüssig verbunden sind oder daß keine Verbindung zur Übertragung von Leistung zwischen den beiden Turbinenläufern besteht. Die letzte Auslegung gestattet ein besseres Anpassen der Turbinen an wechselnde Betriebsbedingungen, weil die Drehzahlen der beiden Turbinensätze unabhängig voneinander geregelt werden können.
Vorteile - günstiger Wirkungsgrad und deshalb geringer spezifischer Kraftstoffverbrauch, - geringere Abgabe von Wärme an die Umwelt als bei Wärmekraftmaschinen gleicher Leistung, - geringerer Schadstoffgehalt in den Abgasen als bei Diesel-und Otto-Motoren, - wegen des geringeren Kraftstoffverbrauchs entsteht auch eine niedrigere Abgasmenge als bei Gasturbinen gleicher Leistung.
Die erfindungsgemäße 2'Gas/Dampf-Verbundturbine mit zweistufiger Abwärmenutzung ist in Fig. 1 und Fig. 2 beispielhaft veranschaulicht.
Fig. 1 - Seitenansicht einer Verbundturbine, bei der beide Turbinen übereinander angeordnet sind.
Fig. 2 - Seitenansicht einer Verbundturbine, bei der die Dampf- und die separate Turbine hintereinander angeordnet sind und die Gasturbine darunter plaziert ist.
Zu Fig. 1 In dem hier dargestellten Beispiel sind die Gasturbine und die Dampfturbine übereinander angeordnet. Die beiden Turbinenläufer sind nicht miteinander verbunden. Die Verbrennungsgase werden nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 4 durch den Gas/Dampf-Wärmetauscher 14, den Gas/ Wasser-Wärmetauscher 15 ins Freie geführt.
Der Abdampf aus der Dampfturbine 10 wird in den Kondensator 12 geleitet. Die Verbrennungsluft wird durch den Kondensator 12 und den Gas/Luft-Wärmetauscher 13 dem Verdichter zugeführt. Im Verdichter 2 sind die Leitschaufeln 8 der einzelnen Stufen als Luft/Wasser-Wärmetauscher 16 ausgelegt. Zwischen dem Wärmetauscher 4 und dem Gas/Luft-Wärmetauscher 13 sind ein Gas/Dampf-Wärmetauscher 14 und ein Gas/ Wasser-Wärmetauscher 15 geschaltet.
Zu Fig. 2 In diesem Anwendungsbeispiel ist die Dampfturbine 10 mit nachgeschalteter separater Turbine 27 über der Gasturbine 1 angeordnet. Im Verdichter sind der Luftwasser- 16 und der Luft/Dampf-Wärmetauscher hintereinander geschaltet. Die Verbrennungsgase werden nach dem Austritt aus der Arbeitsturbine 6 durch den Abgasstutzen 31 in den Wärmetauscher 4 geführt. Im Wärmetauscher 4 sind Leitbleche 22 schraubenförmig angeordnet. In diesem Falle (so auch bei Fig. 1) wie eine zweigängige Schraube. Dadurch ist es möglich, die Abgase und die Verbrennungsluft im Gegenstromprinzip durch den Wärmetauscher 4 zu führen. Die Verbrennungsgase werden nach dem Durchströmen des Wärmetauscher 4 durch einen Gas/ Dampf-Wasser-Wärmetauscher 18, danach durch den Gas/Luft-Wärmetauscher 13 ins Freie geleitet.
Der Gas/Dampf-Wasser-Wärmetauscher 18 ist vergleichbar mit einem Zwangsdurchlaufkessel oder auch Bensonkessel.
An der Gasaustrittseite wird das Wasser eingeleitet und am Gaseintritt wird der Dampf abgeführt.
Der Abdampf der Dampfturbine wird in einen Dampf/organisches Verdampfungsmittel-Wärmetauscher 23 geleitet. Der durch den Wärmeaustausch des Abdampfes mit dem organischen Verdampfungsmittel entstehende organische Dampf oder Gas wird in dem separaten Kessel unter Druck gespeichert und in der separaten Turbine entspannt. Die Verbrennungsluft wird in den Kondensator, der von dem Abdampf der separaten Turbine beaufschlagt wird, vorgewärmt, bevor sie durch den Gas/Luft-Wärmetauscher 13 in den Verdichter 2 tritt.
Auf eine mögliche Darstellung, bei der die aus dem Gas/ Luft-Wärmetauscher 13 austretenden Abgase durch einen Gas/ organisches Verdampfungsmittel-Wärmetauscher 36 ins Freie geleitet, der dabei erzeugte Dampf ebenfalls in der separaten Turbine entspannt wird (Anspruch 5), wurde wegen der besseren Übersicht verzichtet.
Verzeichnis der Bezugszahlen 1 - Gasturbine 2 - Verdichter 3 - Brennkammer 4 - Wärmetauscher 5 - Brenner 6 - Arbeitsturbine 7 - Turbinenläufer der Gasturbine 8 - Verdichter-Leitschaufel 9 - Verdichter-Laufschaufel 10 - Dampfturbine 11 - Dampfkessel 12 - Kondensator (oder Dampf/Luft-Wärmetauscher) 13 - Gas/Luft-Wärmetauscher 14 - Gas/Dampf-Wärmetauscher 15 - Gas/Wasser-Wärmetauscher 16 - Luft/Wasser-Wärmetauscher 17 - Luft/Dampf-Wärmetauscher 18 - Gas/Wasser/Dampf-Wärmetauscher 19 - Turbinenläufer der Dampfturbine 20 - Laufschaufel der Dampfturbine 21 - Leitschaufel der Dampfturbine 22 - Leitblech im Wärmetauscher 23 - Dampf/organisches Verdampfungsmittel-Wärmetauscher 24 - Speisewasserpumpe 25 - Kondensator für organisches Verdampfungsmittel 26 - Förderpumpe für organisches Verdampfungsmittel 27 - separate Turbine 28 - separater Kessel 29 - Eintrittsöffnung für Verbrennungsluft 30 - Austrittsöffnung für Verbrennungs- oder auch Abgase 31 - Abgasstutzen 32 - Ansaugstutzen 33 - Verdichteraustritt 34 - Brennkammereintritt 35 - Verdichteraustritt 36 - Gas/org. Verdampfungsmittel-Wärmetauscher - Leerseite -

Claims

"Gas/Dampf-Verbundturbine mit zweistufiger Abwärmenutzung" Patentansprüche 1. Gas/Dampf-Verbundturbine mit zweistufiger Abwärmenutzung, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer konventionellen Gasturbine (1) mit verbessertem Wirkungsgrad, der hervorgerufen durch die Rückführung der aus der Arbeitsturbine (6) austretenden heißen Verbrennungsgase durch einen zwischen Verdichteraustritt (33) und Brennkammereintritt (34) geschalteten Wärmetauscher (4), dabei wird im Wärmetauscher (4) die Verbrennungsluft aufgeheizt, bevor diese in die Brennkammer (3) eintritt, daß die Verbrennungsgase nach dem Durchströmen des Wärmetauschers (4) anschließend durch einen vor dem Verdichtereintritt (35) angeordneten GastLuft-Wärmetauscher (13) ins Freie strömen und dabei die vom Verdichter (2) angesaugte Verbrennungsluft, die auch durch diesen Wärmetauscher (13) geführt wird, vorwärmen, so daß im Verdichter (2) zwischen Verdichtereintritt (35) und Verdichteraustritt (33) ein oder mehrere Luft/Wasser-Wärmetauscher (16) und Luft/Dampf-Wärmetauscher (17) angeordnet sind, daß durch den Austausch der in der Verbrennungsluft enthaltenen Wärme das in dem Wärmetauscher (16) enthaltene Wasser zum Sieden gebracht und der dabei entstehende Wasserdampf in dem Dampfkessel (11) unter Druck gespeichert wird, daß dieser Wasserdampf vom Kessel (11) durch den Luft/Dampf-Wärmetauscher (17) in die Dampfturbine (10) geführt und dort unter Abgabe von mechanischer Energie an den Turbinenläufer (19) entspannt wird.
2. Gas/Dampf-Verbundturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß im Verdichter (2) nur ein oder mehrere Luft/ Wasser Wärmetauscher (16) angeordnet, daß zwischen dem Wärmetauscher (4) und dem Gas/Luft-Wärmetauscher (13) ein Gas/ Dampf-Wärmetauscher (14) und ein Gas/Uaser-Wärmetauscher (15) geschaltet sind,
3. Gas/Dampf-Verbundturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdampf der Dampfturbine (10) in einen von der Verbrennungsluft beaufschlagten Kondensator (12) geleitet und danach über den Gas/LutWärmetauscher (13) dem Verdichter (2) zugeführt wird
4. Verbundturbine nach Anspruch 1 = 3, dadurch gekennzeichnet.

daß als Verdampfungsmittel ein Kohlenwasserstoff oder eine Mischung aus Ammoniak und Wasser mit einer niedrigeren Verdampfungswärme als Wasser verwendet wird0
5. Verbundturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdampf der Dampfturbine (10) in einen Dampf/ organisches Verdampfungsmittel-Wärmetauscher (23) geleitet, daß die Verbrennungsgase nach dem Austritt aus dem Gas/Luft-Wärmetauscher (13) durch einen Gas/organisches Verdampfungsmittel-Wärmetauscher (36) ins Freie geführt werden, daß die durch den Wärmeaustausch des organischen Verdampfungsmittels mit den Abdampf- bzw. Verbrennungsgasen in den Wärmetauschern (36) und (23) entstehenden organischen Dämpfe in einem separaten Kessel (28) unter Druck gespeichert und in einer separaten Turbine (27) unter Abgabe von mechanischer Energie an den Turbinenläufer entspannt werden, daß der organische Abdampf der Turbine (27) in einem von der Verbrennungsluft beaufschlagten Kondensator (25) abgekühlt, daß die den Kondensator (25) durchströmende Verbrennungsluft über den Gas/Luft-Wärmetauscher (13) in den Verdichter (2) geführt wird.