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Verfahren zum Betriebe von Gaskrafttnaschinen und hiermit thermisch
gekuppelten Dampfkraftanlagen Um den Wirkungsgrad von Kraftanlagen zu erhöhen, ist
bereits der Vorschlag gemacht worden, beim Betriebe von Gaskraftmaschinen diese
mit Dampfkraftanlagen thermisch zu kuppeln. Hierbei wurde bereits zwischen den zur
Verbrennung des Brennstoffes bestimmten Verbrennungskammern und der Gaskraftmaschine
für die verbrannten Gase ein S ammelraum angeordnet, der in Verbindung mit einem
wasserführenden Mantel oder einer wasserführenden Rohrschlange zur Erzeugung von
Dampf für eine Dampfkraftanlage diente. Bei diesen Verfahren wurde die mit Rücksicht
auf den Werkstoff der Ga-skraftmaschine erforderliche Kühlung der Verbrennungsgase
vor ihrem Eintritt in die Gaskraftmaschine durch Erzeugung einer verhältnismäßig
großen Dampfmenge erreicht. Bei anderen Verfahren wurde die notwendige Kühlung durch
Wärmeübertragung an ein anderes, vorher komprimiertes Gas erzielt, das durch den
Wärmeübergang erhitzt wurde und danach in einer zweiten Gaskraftmaschine Arbeit
leistete. Bei jedem dieser bekannten Verfahren ist aber mit der Kühlung der Verbrennungsgase
eine wesentliche Verminderung ihrer im ungekühlten Zustande vorhandenen Arbeitsenergie
verbunden. Diese für die erste Gaskraftmaschine verlorene Arbeitsenergie wird durch
den bei den bekannten Verfahren angewendeten Wärmeaustausch nur zu einem geringen
Teil zurückgewonnen, so daß die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage keineswegs
günstig ist.
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Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, die Wirtschaftlichkeit
durch Anwendung hoher Anfangsdrücke in den Kraftmaschinen zu verbessern. Dieser
Weg führte jedoch weder auf der Seite der Gaskraftmaschine noch der Dampfkraftmaschine
zu einem besonderen Erfolg.
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.Auf der Seite der Gaskraftmaschine trat die Verbesserung deswegen
nicht ein, weil mit zunehmendem Anfangsdruck in der Gaskraftmaschine -auch die zur
Kompression der Verbrennungsluft bzw. des Brennstoffes notwendige Arbeit zunimmt,
und zwar hat sich gezeigt, daß selbst bei Anwendung stufenweiser Kompression der
Betrag, um den die Kompressionsarbeit zunimmt, den Betrag der Mehrleistung der Gaskraftmaschine
immer mehr übertrifft, je höher der Anfangsdruck gewählt wird. Die tatsächliche
Nutzarbeit der Anlage nimmt daher bei Anwendung höherer Drücke immer mehr ab, so
daß die Wirtschaftlichkeit der Anlage statt einer Verbesserung eine Verschlechterung
erfährt.
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Zwar ist es grundsätzlich bekannt, daß die Anwendung hoher Drücke
bei reinen Dampfkraftanlagen eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades mit
sich bringt. Bei den bisher bekannten Dampfkraftanlagen, die
mit
einer Gaskraftmaschine thermisch gekuppelt sind, ist diese Erhöhung des thermischen
Wirkungsgrades durch Anwendung hoher Drücke nicht möglich gewesen, weil bei den
bekannten Verfahren das ausnutzbare Wärmegefälle durch die mit Rücksicht auf den
Werkstoff höchste zulässige Anfangstemperatur bei Beginn der -Expansion des Dampfes
festliegt und dieses Wärmegefälle während der Arbeitsleistung des Dampfes nicht
erhöht wird.
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Bei Dampfkraftrnaschinen der genannten Art, die mit Gaskraftmaschinen
thermisch gekuppelt sind, beträgt das Wärmegefälle nach dem Mollierschen I-S-Diagramm
für Wasserdampf beispielsweise bei einer Eintrittstemperatur von 4500 C und 30°
CKondensationstemperatur 8o5 - 6o5 . = Zoo kcalikg. Dem entspricht ein höchster
Anfangsdruck von 5,o at abs. und ein thermischer Wirkungsgrad .der Maschine von
Bei Anwendung eines höheren
Antangsdruckes als 5 at abs. geht das ausnutzbare Wärmegefälle zurück, da die Kondensation
bei einem höheren Drucke eintritt. Beispielsweise steht bei So at abs. und q.50°
C bis zum Eintritte der Kondensation nur noch ein Wärmegefälle von 793 - 646 -1q.7
kcal/kg zur Verfügung. Dabei geht der thermische Wirkungsgrad der Maschine auf
zurück. Die Anwendung höherer Drücke bringt also auch hier eine Verschlechterung.
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Die Erfindung stellt es sich zur Aufgabe, trotz der erforderlichen
starken Kühlung .der Verbrennungsgase vor ihrem Eintritt in die Gaskraftmaschine
eine bedeutende Erhöhung der Wirtschaftlichkeit zu erzielen. Ferner soll bei Anwendung
höherer Drücke noch eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird dieses Ziel in erster Linie dadurch erreicht,
daß die erforderliche Kühlung der Verbrennungsgase durch Wärmeabgabe in den Sammelräumen
an die sowohl auf der Seite der Gaskraftmaschine als auf der Seite der Dampfkraftmaschine
verwendeten Arbeitsstoffe vor und während oder nur während der Arbeitsleistung derselben
in den Kraftmaschinen erfolgt. Die Verbesserung gegenüber den bekannten Verfahren
beruht darin, daß durch die Art der Kühlung der Verbrennungsgase ein großer Teil
der übergehenden Wärme unmittelbar in Arbeit umgesetzt wird und dadurch die erzeugte
Dampfmenge entsprechend abnimmt. Die Verringerung der Dampfmenge bedingt aber einen
geringeren Wärmeverlust bei der Kondensation des Dampfes, so daß der Wirkungsgrad
der Anlage in erheblichem Maße zunimmt.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Kühlung der Gase vor der Arbeitsleistung
am Umfang des Sammelraumes und während der Arbeitsleistung im Innern dieses Sammelraumes.
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In Verbindung mit der neuen Art der Kühlung der Verbrennungsgase bringt
die Anwendung höherer Drücke sowohl auf der Seite der Gaskraftmaschine als auch
auf der Seite der Dampfkraftmaschine eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades.
Auf der Seite der Gaskraftmaschine ist dies darin begründet, daß die Arbeitsleistung
der Gaskraftmaschine die zur Kompression der Luft bzw. des Brennstoffes notwendige
Arbeit immer mehr übertrifft, während auf der Seite der Dampfkraftmaschine das ausnutzbare
Wärmegefälle bis zum Eintritt, der Kondensation des Dampfes mit zunehmendem Drucke
immer größer wird. Die Durchführung einer Rechnung ergibt, daß bei Anwendung der
bisher bekannten Verfahren der Wirkungsgrad der Anlage von 18% auf 16,9°/o abnimmt,
wenn der Anfangsdruck in der Gaskraftmaschine von 8,18 at abs. auf 23,6 at abs.
zunimmt, während der Wirkungsgrad nach dem neuen Verfahren unter denselben Bedingungen
von 2,5,70/0 auf ?,7,9'1, zunimmt. Dabei ist noch zu beachten, daß eine wesentliche
Steigerung des Druckes über 23,6 at abs. hinaus bei den bekannten Verfahren nicht
zweckmäßig ist, weil die Temperatur am Ende der Expansion in der Gaskraftmaschine
unter o° C abfallen würde. Dabei würde das in den Verbrennungsgasen enthaltene Wasser
infolge Eisbildung nach verhältnismäßig kurzer Betriebszeit eine vollständige Verstopfung
der Auspuffkanäle der Gaskraftmaschine herbeiführen, so daß die Maschine zum Stillstand
käme. In dieser Hinsicht ist die Anwendung hoher Drücke bei dem neuen Verfahren
nach oben hin unbegrenzt. Eine Grenze ist lediglich durch die Festigkeit des zur
Verfügung stehenden Materials festgelegt. Die Vorteile hoher Drücke können also
bei dem neuen Verfahren gut ausgenutzt werden, bei dem die Anwendbarkeit hoher Drücke
nicht mehr von der Höhe der Eintrittstemperatur der Verbrennungsgase in die Kraftmaschine
abhängig ist. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Kühlung der Verbrennungserzeugnisse
im Sammelraum, welche durch Wärmeabgabe an die in den Kraftmaschinen Arbeit leistenden
Arbeitsstoffe erfolgt, bei höheren Drücken größer gewählt werden kann, so daß im
Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren eine höhere Verbrennungstemperatur zulässig
ist und damit der erforderliche Luftüberschuß bei der Verbrennung des Brennstoffes
geringer wird. Zur Erzeugung derselben Kraftleistung aus der gleichen Brennstoffmenge
ist also bei hohem Druck im Sammelraum eine kleinere Verbrennungsluftmenge,
bezogen
auf denselben Anfangszustand, zu komprimieren als bei niedrigem Druck im Sammelraum.
Andererseits entsteht aber auch eine geringere Menge an Verbrennungserzeugnissen.
Beides hat zur Folge, daß sowohl der Kompressor als auch die Brennkraftmaschine
geringere Abmessungen bekommen.
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Mit Rücksicht auf die Festigkeit werden die Sammelräume als Druckspeicher,
z. B. in Form nahtlos gezogener Körper ausgebildet. Zweckmäßig werden mehrere Druckspeicher
ausgeführt, die untereinander in Verbindung stehen. Ferner werden die Druckspeicher
wegen der neuen Art der Kühlung der Verbrennungsgase mit Vorteil in unmittelbarer
Nähe der Kraftmaschinen angeordnet, so daß sie mit diesen Maschinen eine Baueinheit
bilden.
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Die Speicherung der Verbrennungserzeugnisse kann nach .dem Verpuffungs-
oder dem Gleichdruckverfahren erfolgen. Irr beiden Fällen wird auf eine Konstanthaltung
des Druckes im Speicher besonderer Wert gelegt, auch bei wechselnder Belastung der
Maschine. Eine Konstanthaltung des Speicherdruckes wird im ersten Fall dadurch erreicht,
daß die jedem Speicher vorgeschaltete Verbrennungskammer, in welcher der Brennstoff
periodisch verpufft, am Eintritt und Austritt mit Absperrorganen versehen ist, die
abhängig von der Belastung der Maschine zwangsläufig gesteuert werden.
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Durch die Nacherhitzung der Arbeitsstoffe, welche diese durch die
neue Art der Kühlung der Verbrennungsgase erfahren, bleibt die Temperatur des Kraftmaschinengehäuses
auf nahezu gleichmäßiger Höhe. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß keine Wärmespannungen
im Gehäuse auftreten und insbesondere in der Gaskraftmaschine keine Abscheidung
von Teerkondensaten während des Betriebes stattfindet. Zweckmäßig werden die Arbeitsstoffe
nach erfolgter Expansion in einer Arbeitsstufe möglichst hoch, im Grenzfalle auf
die Eintrittstemperatur in die Kraftmaschine, wieder aufgeheizt Für die Wirkung
hinsichtlich der Kühlung der Verbrennungsgase kommt es auf dasselbe hinaus, wenn
die Rufheizung in der Maschine selbst oder in einer Rohrschlange, die im Druckspeicher
angeordnet ist und außerhalb der Gaskraftmaschine zwei Druckstufen miteinander verbindet,
erfolgt.
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Um die Wirtschaftlichkeit der Kraftanlage noch weiter zu verbessern,
wird ein Teil des expandierenden Dampfes an geeigneter Stelle aus dem Dampfkraftmaschinenaggregat
abgezapft und in einen Heißkondensator geleitet. Dieser ist als Vorwärmer für die
in mehreren Stufen komprimierte Luft- und Brennstoffmenge ausgebildet. Die Kondensation
erfolgt also bei Vorwärmungstemperatur und dem zugehörigen Dampfdrucke. Hierdurch
wird erreicht, daß der Wärmeverlust des Dampfkraftmaschinenprozesses, der nach erfolgter
Expansion bei der Kondensation des Dampfes entsteht, noch weiter vermindert wird.
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In der beiliegenden schematischen Zeichnung ist beispielsweise das
neue Verfahren auf eine Gasdampfturbine angewendet worden.
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Die zur Verbrennung erforderliche. Luft-und Gasmenge wird in einem
Kompressor a isothermisch komprimiert, wird dann in dem Vorwärmer b, der als Heißkondensator
ausgebildet ist, vorgewärmt und verteilt sich dann auf je drei zusammenarbeitende
Verbrennungskammern c, die durch mechanisch oder hydraulisch betätigte Ein- und
Auslaßventile gesteuert werden. Das in den Verbrennungskammern erzeugte Arbeitsgas
strömt dann in zwei Druckspeicher d und gelangt nach Abkühlung auf eine für den
zur Verfügung stehenden Werkstoff zulässige Temperatur in die Gasturbine e. Während
der Expansion in der Turbine werden die Gase in den Überhitzerschlangen f, die in
dem daneben befindlichen Druckspeicher d eingebaut sind, wieder auf die Eintrittstemperatur
der Gase in die Turbine aufgeheizt. An der Stelle A wird das aus den Verbrennungskammern
expandierende Gas in die Turbine eingeleitet. Nach Verlassen der Turbine durchströmen
die Gase die beiden Speisewasservorwärmer g und h und geben hier den Rest ihrer
Wärme ab.
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Der in den Kühlmänteln i der Druckspeicher d :erzeugte Dampf wird
zunächst in den überhitzerschlangen k, welche in den Druckspeichern eingebaut sind,
auf die mit Rücksicht auf die Werkstoffbeanspruchung höchstzulässige Temperatur
überhitzt und gelangt dann in ein Dampfturbinenaggregat 1. An geeigneter Stelle
B wird aus diesem Aggregat so viel Dampf abgezapft, als in dem Vorwärmer b, der
als Heißkondensator ausgebildet ist, bei einem Kondensationsdruck, welcher der Vorwärmungstemperatur
entspricht, kondensieren kann. Der übrige Dampf expandiert bis auf den geringstmöglichen
Kondensationsdruck. Dabei wird zur Erhöhung der Arbeitsleistung eine angenähert
isothermische Expansion des Dampfes in der Turbine dadurch erreicht, daß in möglichst
vielen Druckstufen der Dampf in den Überhitzerschlangen m, welche in den daneben
befindlichen Druckspeicher eingebaut sind, wieder auf die Eintrittstemperatur des
Dampfes in die Turbine erhitzt wird. Die Kondensation am Ende- des Dampfturbinenprozesses
erfolgt im Kondensator n in bekannter Weise durch Fortführung der Kondensationswärme.
Das
Kondenswasser wird zunächst in einen Niederdruckvorwärmer h und von da in einen
Hochdruckvorwärmer g gepumpt, wo es sich mit dem 'aus dem Heißkondensator b zufließenden
Wasser vereinigt. Aus dem Hochdruckvorwärmer g wird das Kondenswasser als Speisewasser
den Kühlmänteln i der Druckspeicher d zugeführt, und der Kreislauf
beginnt von neuem.