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Wärmekraftanlage Die vorliegende Erfindung bezweckt, Wärmekraftanlagen
zu schaffen, deren Wirkungsgrad die heute unter gleichen Umständen erreichbaren
Wirkungsgrade übersteigt und die alle Vorteile ' einer dampf- und zum Teil auch
flüssigkeitsfreien Anlage aufweisen.
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Bei dem Erfindungsgegenstand handelt es sich um einen gasförmigen
Kreislauf, welcher mit Erwärmung unter konstantem Volumen arbeitet.
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Es kann gezeigt werden, daß der theoretische Wirkungsgrad in Kreisläufen,
welche mit Erwärmung des Arbeitsmittels unter-konstantem Volumen arbeiten, durch
eine geeignete Abwärmeverwertung gesteigert werden kann. Die Erwärmung unter konstantem
Volumen muß zu diesem Zweck mindestens zum Teil dadurch erfolgen, daß ein Teil der
Abwärme des aus der Kraftmaschine austretenden Arbeitsmittels unter konstantem Druck
entzogen und dem unter konstantem Volumen zu erwärmenden Stoff durch Wärmeaustausch
zugeführt wird.
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Die Wärmeaufnahme unter konstantem Volumen geschieht in der Weise,
daß das frische Arbeitsmittel in einen Aufnahmeraum eingeschlossen wird, welcher
während der Wärmeübertragung nach außen abgeschlossen oder fast abgeschlossen bleibt
und daß diesem Raume von außen Wärme zugeführt wird, die dem abgebenden Mittel unter
gleichbleibendem Druck entzogen wird. Das im abgeschlossenen Raume sich befindliche
Arbeitsmittel erfährt infolge Erwärmung unter konstantem Volumen eine Drucksteigerung.
Nach der Erreichung eines bestimmten Druckes wird das Arbeitsmittel der Kraftmaschine
zugeführt. Nach Entleerung wird der Wärmeaufnahmeraum gespült und mit neuem, kaltem
Arbeitsmittel angefüllt. Es wiederholt sich das Spiel des Füllens, Wärmeaufnehmens
unter konstantem Volumen und Entleerens in die Kraftmaschine beliebig oft. Der Wärmeaufnahmeraum
kann z. B. in Rohrform ausgebildet und vom Wärme abgebenden Arbeitsmittel umströmt
werden, oder @es können Rohre, welche das Wärme abgebende Arbeitstriittel enthalten,
den Aufnahmeraum durchsetzen usw. Es können auch mehrere Wärmeaufnahmeräume parallel
abwechslungsweise hintereinander oder in beliebigen Anordnungen geschaltet werden.
Die Wärmeaustauscheinrichtung, welche die Übertragung der Wärme von dem abgebenden
an das unter konstantem Volumen aufnehmende Arbeitsmittel vollzieht, wird im folgenden
mit Wärmeaustauscher für konstantes Volumen benannt.
Die Rückführung
der Abwärme des aus der Kraftmaschine austretenden, an das unter konstantem Volumen
zu erhitzende Arbeitsmittel kann auf verschiedene Weise erfolgen. Neben der rückgeführten
Abwärme muß dem Kreislauf auch Frischwärme zugeführt werden. In bezug auf die Art
der Frischwärmezufuhr können die beiden Fälle der Verbrennung unter konstantem Druck
oder der Verbrennung unter konstantem Volumen nach vorangegangener Vorwärmung unter
konstantem Volumen durch Wärmeaustausch unterschieden werden.
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Der Anfangsdruck des in die Konstantvolumenkammer geförderten Arbeitsmittels
kann von beliebiger Größe, z. B. gleich dem der Atmosphäre, sein. Es kann aber auch
mit mechanischer Vorverdichtung gearbeitet werden. -i. Schaltungen ohne Vorkompression
a. Verbrennung unter konstantem Druck Im Falle der Verbrennung unter konstantem
Druck erweist sich die Verwendung von Luft als Arbeitsmittel als besonders günstig.
Es ergibt sich dann beispielsweise die in Abb. i dargestellte Schaltung.
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Frischluft L wird absatzweise in den Raum R des Wärmeaustauschers
WV eingeführt. Der Raum R wird nach Füllung mit Frischluft nach außen abgeschlossen,
und die Luft nimmt von den ihn z. B. umströmenden, aus dem Verbrennungsraume 0 kommenden
Heizgasen VG infolge Wärmeaustausch durch die Wandung Wärme auf. Während der Dauer
dieser .Wärmeübertragung bleibt der Raum R abgeschlossen, so daß die Wärmeaufnahme
unter konstantem Volumen erfolgt, der Druck der in R befindlichen Luft also ansteigt,
während die Wärmeabgabe der Gase unter gleichbleibendem Drucke erfolgen soll.
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Nach Erreichung des Enddruckes und der Endtemperatur wird die Luft
in die Luftturbine LT entlassen, in der sie einen Teil ihrer Wärme in mechanische
Arbeit umsetzt. Dieses Spiel des Füllens, Wärmeaustausches und Entleerens wiederholt
sich beliebig oft. Die Abluft der Kraftmaschine wird zum Teil als Verbrennungsluft
verwendet und im Verbrennungsraume 0 mit dem eben daselbst zugeführten Brennstoff
B (z. B. Kohle) verbrannt. Die Heizgase geben im Austauscher WV Verbrennungswärme
und Abwärme mindestens zum Teil in der beschriebenen Weise an die Frischluft in
R ab, um als Restgase RG zu entweichen.
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Als Beispiel für die Verwertung der nicht zur Wärmerückführung benötigten
Abluft wird in Abb. i die überschüssige Abluft UA einem Dampfkessel DK zugeführt,
in dem sie Dampf erzeugt, um als Restluft RL ins Freie (oder zu weiterer Wärmeverwertung)
abzuströmen. Der in DK erzeugte Dampf leistet in der Dampfturbine DT Arbeit, kondensiert
im Kondensator K und wird als Kondensat wieder dem Kessel zugeführt. Natürlich sind
alle Hilfsbetriebe, Zusatzwasser, Dampfkessel usw. in der Abb. i weggelassen.
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Abb. z zeigt eine andere Verwertungsart der überschüssigen Abwärme
der Luftturbine: ein Teil der Abluft wird als Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum
0,
zurückgeführt, dessen Verbrennungsgase im Austauscher Wh, in der oben beschriebenen
Weise die Wärme an die im R1 unter konstantem Volumen erwärmte Frischluft L abgeben
und als Restgase RGl austreten. Der Rest der Abluft ÜA aus der Luftturbine tritt
als Verbrennungsluft VL2 in einen zweiten Verbrennungsraum 02, dessen Verbrennungsgase
einen zweiten Wärmeaustauscher WTl. durchströmen und als Restgase RG, austreten.
Dem Raum R, wird ein gasförmiges Arbeitsmittel M, zugeführt, das nach Erwärmung
unter konstantem Volumen in der Kraftmaschine K111. Arbeit leistet. Die Abwärme
aus letzterer wird wie in Abb. i in einer Dampfanlage verwertet. Natürlich kann
die überschüssige Abluft beliebigen andern Wärmeverbrauchern zugeführt werden. Bei
der Verwendung von Luft als Arbeitsmittel ist die Abwärmerückführung besonders einfach,
da die Abwärme das Arbeitsmittel nicht zu wechseln braucht, sondern zusammen mit
der bei der Verbrennung überlagerten Wärme zum Austauscher WV zurückgeführt wird.
Es zeigt sich nun aber, daß es in vielen Fällen, insbesondere in Hinsicht auf die
Lastreglung, von Vorteil ist, das Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf
zu führen, d. h. ihm nach Austritt aus der Kraftmaschine die Abwärme durch Austausch
unter konstantem Druck zu entziehen, um das so gekühlte Arbeitsmittel unmittelbar
in den Raum R zur erneuten Wärmeaufnahme unter konstantem Volumen zurückzuführen.
Die Abwärme wird dann vorteilhaft in einem gewöhnlichen Austauscher für konstanten
Druck an Frischluft abgegeben, die verbrannt wird, um im Wärmeau.stausclier Verbrennung
und Abwärme mindestens zum Teil an das unter konstantem Volumen wärmeaufnehmende
Arbeitsmittel abzugeben.
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Ein solcher geschlossener Kreislauf ist in Abb.3 dargestellt, in welchem
das Arbeitsmittel !1T in geschlossenem Kreislauf zunächst im Austauscher Wh unter
konstantem Volumen Wärme aufnimmt, welche die aus dem Verbrennungsraum 0 strömenden
Heizgase unter konstantem Druck abgeben; das Arbeitsmittel strömt nach Erreichung
eines bestimmten
Druckes und der zugehörigen Temperatur in die
Turbine T. Die Abwärme wird im Aust,auscher LVD an Frischluft L abgegeben.
Im kalten Zustand wird sodann das Arbeitsmittel 1I wieder in den Raum R des Austauschers
Wh eingeführt. Von der erwärmten Frischluft wird ein Teil als Verbrennungsluft dem
Verbrennungsraume O zugeführt, in dem sie zusammen mit dem Brennstoff B (z. B. Kohle)
verbrennt. Die Verbrennungsgase geben im Wärmeaustauscher TV L' sowohl Verbrennungswärme
wie Abwärme mindestens zum Teil an das in R unter konstantem Volumen erwärmte Arbeitsmittel
!17 ab, um als Restgase R G auszutreten. Die überschüssige Abwärme (Y A, welche
nicht zur Wärmerückführung gebraucht wird und welche in diesem Falle beispielsweise
in einem im Wärineaustauscher Tl%'D erwärmten Frischluftanteil steckt, kann nun,
wie in Abb. i oder z, einer Dampfanlage oder einem weiteren Wärmeaustauscher für
konstantes Volumen oder einer beliebigen Verwertung zugeführt werden.
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Das Arbeitsmittel im geschlossenen Kreislauf ist ein beliebiges gasförmiges
Mittel. Allgemein ist zu sagen, daß an die Stelle von Luft ein beliebiges brennbares
Gas treten kann, wobei an Stelle des Brennstoffes im Verbrennungsraum ein Sauerstoffträger
zugeführt werden müßte.
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Die bisher beschriebenen Fälle waren durch die Art der Wärmerückführung
über einen brennbaren Stoff ausgezeichnet, der unter konstantem Druck verbrannt
wird und Abwärme und überlagerte Verbrennungswärme unter konstantem Druck an das
unter konstantem Volumen zu erwärmende Arbeitsmittel zurück- oder abgibt.
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Eine -zweite Reihe von Schaltungen ergibt sich bei Zuführung der Frischwärme
unter konstantem Volumen. 1). Verbrennung unter konstantem Volumen Nachdem Frischluft
in einem abgeschlossenen Raume durch Austauschaufnahme von Wärme unter konstantem
Volumen - wobei die aufgenommene Wärme mindestens zum Teil von der Abwärme des eigenen
Kreislaufes herrühren und unter konstantem Druck abgegeben werden muß - auf eine
bestimmte Temperatur und einen bestimmten Druck gebracht worden ist, wird im abgeschlossenen
Rauine selber eine Verbrennung eingeleitet und damit Druck und Temperatur weiter
erhöht. Nach Erreichung eines bestimmten Endzustandes werden die Verbrennungsgase
in die Gaskraftmaschine entleert, deren Altwärme nun mindestens teilweise durch
Wärmeaustausch von außen und unter Wärmeabgabe unter konstantem Druck das Arbeitsmittel
unter konstantem Volumen vorwärmen soll.
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Abb. -. zeigt eine entsprechend arbeitende Schaltung.
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Es bedeutet O den Verbrennungsraum, welcher hier im Wärineaufnahmeraum
für konstantes Volumen des Wärmeaustauschers W h untergebracht oder mit ihm gleich
ist. In diesen Raum wird zunächst Frischluft L vom Druck p, befördert. Diese nimmt
bei abgeschlossenem Raume einen Teil der Abgaswärme der eigenen Gasturbine unter
konstantem Volumen auf. Die Wärmeabgabe der Gase geschieht unter konstantem Druck.
Auf diese Weise wird Druck und Temperatur der Luft erhöht, bis zum Augenblick, in
dem Brennstoff B in den abgeschlossenen Raum geführt und gezündet wird (z. B. beim
Druck p,). Infolge der Verbrennung steigen Druck und Temperatur im abgeschlossenen
Raume weiter. Nach Erreichung eines bestimmten Enddruckes (z. B. p,) und einer bestimmten
Endtemperatur werden die Verbrennungsgase VG in die Gasturbine GT entleert, in der
sie Arbeit leisten, entsprechend dem Druckgefälle L Ein Teil Po der Abgase wird
nun unmittelbar zum Wärmeaustauscher TV V zurückgeschickt, in dein die Abgaswärme
mindestens zum Teil durch Wärmeaustausch und unter Wärmeabgabe bei konstantem Druck
der im abgeschlossenen Raume O unter konstantem Volumen zu erwärmenden Luft mitgeteilt
wird. Ein überschüssiger Teil der Abgase ÜA kann anderweitig, z. B. in einer Dampfanlage
oder in weiteren Wärmeaustauschern für konstantes Volumen, verwertet werden.
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Schaltungen mit Vorkompression a. Verbrennung unter konstantem Druck
Bei sämtlichen bisher beschriebenen Schaltungen kann nur ein Teil der Abwärme zur
Rückführung und Wärmeabgabe an das unter konstantem Volumen zu erwärmende Arbeitsmittel
Verwendung finden, was, wesentlich mit den Eigenschaften der Erwärmung unter konstantem
Volumen zusammenhängt. Zur restlichen Ausnützung der Abwärme muß, sofern nicht irgendein
Wärmebedarf von der Größenordnung der überschüssigen Abwärme vorhanden ist, eine
wenigstens teilweise Umwandlung dieser Restwärme in einem neuen Wärmekreislauf,
z. B. in einem Dampfkreislauf, vorgesehen werden. Die Aufteilung der gesamten zu
erzeugenden Energie auf zwei Kreisläufe bedeutet, abgesehen von anderen Nachteilen,
zum mindesten eine verwickelte Wärmekraftanlage.
Es muß daher als
großer zusätzlicher Vorteil angesehen werden, wenn es gelingt, die nicht zur Rückführung
an das unter konstantem Volumen zu erwärmende Arbeitsmittel verwendbare restliche
Abwärme mindestens teilweise im eigenen Kreislauf zu verwerten, d. h. in mechanische
Arbeit zu verwandeln. Dies geschieht dadurch, daß die ganze oder fast die ganze
zur Verfügung stehende Menge des der Kraftmaschine entströmenden Arbeitsmittels
zum Wärmeaustausch an das unter konstantem Volumen zu erwärmende Frischmittel verwendet
wird, daß jedoch nicht das ganze zur Verfügung stehende Temperaturgefälle der Abwärme
auf diese Art verwertet wird, indem ein Teil des Temperaturgefälles, das mehr oder
weniger nahe an der Abwärmetemperatur liegen mag, nicht für den Rückführwärmeaustausch,
sondern für die Arbeitsleistung eines Vorverdichters herangezogen wird.
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Die folgenden Schaltungen stellen Beispiele für die Anordnung eines
Kompressors und zugehöriger Kraftmaschine dar. Es ist klar, daß die Beaufschlagung
dieser den Vorverdichtungsdruck ausnützenden Maschine dauernd von gleichem Drucke
sein wird, im Gegensatz zu jener Kraftmaschine, welche den Druck der Erwärmung unter
konstantem Volumen ausnützt und mit unterbrochen wechselndem Drucke beaufschlagt
wird. Die dauernd beaufschlagte Maschine wird im folgenden mit dem Index D, die
wechselnd beaufschlagte Maschine mit dem Index V bezeichnet. Natürlich können die
beiden Maschinen auf die gleiche Welle arbeiten.
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Wenn in den folgenden Schaltungen doch noch gelegentlich von überschüssiger
Abwärme die Rede ist, so soll das einfach bedeuten, daß durch Zuschalten von Kompressor
und zugehöriger Turbine nur ein Teil der ursprünglich überschüssigen Abwärme dem
eigenen Kreislauf zugeführt wird. Auf alle Fälle ist stets im Auge zu behalten,
daß die überschüssige Abwärme durch die Zuschaltung des Kompressors und der zugehörigen
Turbine erheblich vermindert wird und damit der Kreislauf ohne Zuhilfenahme einer
zweiten, Abwärme verwertenden Anlage wirtschaftlich günstig wird.
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In Abb. ä bedeuten wieder 0 den Verbrennungsraum, welchem die Verbrennungsluft
TL und der Brennstoff B zugeführt werden. Die Verbrennungsgase VG strömen
durch den Wärmeaustauscher Wh, in dem sie die im Kompressor K von Außendruck p,
auf den Druckpo' vorkomprimierte und im Augenblick des Wärmeübergangs in R abgeschlossene
Luft L unter konstantem Volumen erwärmen und damit auf den Druck p1 bringen. Schließlich
verarbeiten die aus dem Wärmeaustauscher WV ausströmenden Gase in der Gasturbine
GDT den Vorkompressionsdruck (natürlich unter Abzug der Druckverluste), um als Restgase
RG auszutreten. Die Luft, welche nach der Vorkompression im Kompressor K in der
Konstantvolumenkammer R eingeschlossen und dort durch Wärmeaufnahme auf den Druck
p1 gebracht worden ist, strömt nach Erreichen dieses Druckes absatzweise in die
Luftturbine L"T, wo sie auf p, herab expandiert. Ein Teil der Abluft der Luftturbine
L"T wird als Verbrennungsluft dem Verbrennungsraume 0 zugeführt, während ein anderer
Teil unmittelbar in der Luftturbine LDTdenVorkotnpressionsdruck ausnützt und als
überschüssige Abluft CIA weggeht.
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Restgase und Restluft, welche im allgemeinen eine höhere Temperatur
als die Umgebung aufweisen werden, können ihre Restwärme zur weiteren Wärmeverwertung
abgeben.
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Abb.6 zeigt eine andere Verwertung der nicht zur Verbrennung verwendeten
Restluft sowie eine andere Schaltung der Gasturbine.
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Die Frischluft L wird wieder durch den Kompressor K von Außendruck
p, auf den Druck pö gebracht, der Konstantvolumenkammer R zugeleitet, dort durch
Wärmeaufnahme unter konstantem Volumen auf den Druckpi gebracht, von wo aus sie
je nach Erreichung des Druckes p, absatzweise die Luftturbine L"T beaufschlagt.
Ein Teil der Abluft von Lt,T strömt als Verbrennungsluft l'L in den Verbrennungsraum
0; die hier erzeugten Verbrennungsgase VG geben alsdann im Wärmeaustauscher WV zunächst
nur einen Teil ihrer Wärme, entsprechend einer oberen Temperaturstufe, an die v
orkompriinierte und unter konstantem Volumen in R stehende Frischluft ab. Aus dem
Wärmeaustauscher WTl entweichen dann die Brenngase vorübergehend wieder, um in einem
Mischraum 3T mit dem Abluftrest der Luftturbine L" T gemischt zu werden und als
Gase mit hdherem Luftüberschuß in der Gasturbine GDT von pö (abzüglich Druckverluste)
auf PO zu expandieren. Nach Austritt aus der Gasturbine geben dann die Abgase einen
weiteren Teil ihrer Wärme, entsprechend einer untern Temperaturstufe, im Austauscher
WTl an die vorkomprimierte und in R unter konstantem Volumen stehende Frischluft
ab. Schließlich strömen sie als Restgas RG ins Freie oder zu einer weiteren Verwertungsstelle
der Wärme.
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Nach Abb. 7 ist die Abgasturbine LDT unmittelbar hinter die Luftturbine
L"T eingeschaltet. Als Verbrennungsluft wird mindestens ein Teil der LDT-Abluft
verwendet.
In allen Fällen geben im Wärmeaustauscher Wh die unter
konstantem Druck wärmeabgebenden Gase mindestens Teile der Verbrennung und Teile
der Abwärme an das unter konstantem Volumen wärmeaufnehmende Arbeitsmittel ab. Auch
hier kann ein geschlossener Kreislauf des Arbeitsmittels vorgesehen werden, ohne
am Wärmeweg viel zu ändern. Im geschlossenen Kreislauf wird in diesem Falle ein
beliebiges gasförmiges Arbeitsmittel verwendet.
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Allgemein ist zu sagen, daß beim Arbeiten mit Vorkompression die mit
ÜA bezeichnete überschüssige Menge an Arbeitsmittel bedeutend geringer ist als beim
Arbeiten ohne Vorkompression.
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b. Verbrennung unter konstantem Volumen Auch bei den Schaltungen für
Verbrennung unter konstantem Volumen läßt sich durch Arbeiten mit Vorkompression
und Verwerten des Vorkompressionsdruckes in einer Kraftmaschine, welche ein Temperaturgefälle
ausnützt, das innerhalb des Temperaturgefälles zwischen Abwärmetemperatur und Eintrittstemperatur
des Arbeitsmittels in dem abgeschlossenen Raum R des Wärmeaustauschers WIT liegt,
erreichen, daß mindestens ein Teil der überschüssigen, d. h. nicht zur Wärmerückführung
an das Arbeitsmittel im Raum R brauchbaren Abwärme der Kraftmaschine in der Anlage
in nützliche Arbeit umgewandelt wird.
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Nach Abb.8 wird Frischluft durch den Kompressor K von p" auf den Druck
p, gebracht, hierauf mindestens durch einen Teil der Abgase der Gasturbine HDT,
welche ihre Wärme unter konstantem Druck abgeben, im abgeschlossenen Raume 0 unter
konstantem Volumen erwärmt und dadurch auf den Druck p, gebracht. Durch Verbrennung
im geschlossenen Raum 0 (Zuführung des Brennstoffes B und Zündung) werden Temperatur
und Druck weiter gehoben. Mit dem Druckepl wird die Gasturbine G"T beaufschlagt
und auf den Vorverdichtungsdruck pö entspannt, um anschließend in der Gasturbine
GDT auf den Druck po zu expandieren. Ein Teil der Abgase wird alsdann dem Wärmeaustauscher
Wh zugeführt, um unter konstantem Druck die Abgaswärme an die unter konstantem Volumen
vorzuwärmende Frischluft abzugeben. Als überschüssige Abgase ÜUA, deren Wärme beliebigen
Zwecken dienstbar gemacht werden kann, bleibt wegen des auch hier durch die Turbine
GDT verarbeiteten Temperaturgefälles höchstens noch ein kleiner Restteil übrig.
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Nach Abb. 9 gibt ein Teil der Abgase aus der GasturbineGV,T zunächst
einen Teil oberer Wärme im Wärmeaustauscher Wh an die obere Temperaturstufe der
unter konstantem Volumen vorzuwärmenden Frischluft ab, worauf sie WV verlassen,
um mit dein Rest der Abgase gemischt zu werden und gemeinsam mit diesem in der Gasturbine
GUT das Vorkompressionsgefälle pö /p" auszunützen. Nach Austritt aus der
Turbine GDT wird das Gemisch zur Wärmeabgabe an die untere Temperaturstufe der unter
konstantem Volurnen vorzuwärmenden Frischluft wiederum dem Wärmeaustauscher Wh zugeführt,
aus dem es als Restgas R G ausstritt. Die Frischluft, die mit dem Vorkompressionsdruck
p, absatzweise dem Raum 0 des W ärmeaustauschers Wh zugeführt, darin abgeschlossen
und über die beiden Temperaturstufen hinweg unter konstantem Volumen vorgewärmt
wird, nimmt durch die Vorwärmung einen Druck pl' an und wird nach beendeter Wärmeaustauschvorwärmung
im abgeschlossenen Raume 0 bei Brennstoffzufuhr B nach Zündung verbrannt und dadurch
auf den Druck p1 gehoben und hernach als Verbrennungsgas VG
in GVT entspannt.
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Auch im Falle der Verbrennung unter konstantem Volumen läßt sich wenigstens
für denjenigen Kreislaufanteil, der nicht absatzweise arbeitet, ein geschlossener
Kreislauf verwirklichen.
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Nach Abb. io wird beispielsweise in bekannter Weise dem Raume 0 des
Wärmeaustauschers W V Frischluft absatzweise zugeführt, durch Vorwärmung
unter konstantem Volumen auf den Druck p,' gebracht, ,durch nachfolgende Verbrennung
im geschlossenen Raume 0 auf den Druck p, gehoben, in der Turbine T" auf den Druck
p, entspannt, worauf die Abwärme im Austauscher WD an das durch den Kompressor
K vorkomprimierte Arbeitsmittel des geschlossenen Kreislaufes übertragen wird, dieses
in der Turbine TD wieder entspannt und die Abwärme mindestens zum Teil (ausgenommen
die überschüssige Abwärme VA) im Wärmeaustauscher W V an die in 0 unter konstantem
Volumen vorzuwärmende Frischluft abgegeben wird. Die Wärmeabgabe geschieht wieder
unter gleichbleibendem Drucke. Nach Austritt aus WV beginnt gegebenenfalls nach
nochmaliger Kühlung das Arbeitsmittel seinen Kreislauf von neuem durch Wiedereinströmen
in den Kompressor K. Es lassen sich alle übrigen Schaltungen ebenfalls sinngemäß
auf einen geschlossenen Kreislauf übertragen.
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Die angegebenen Schaltungen sollen Beispiele darstellen, bei welchen
nur die grundsätzlich wichtigen Einrichtungen und Maschinen angedeutet sind.
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Die Einfüllung, Wärmeübertragung und Entleerung des Wärmeaustauschers
für konstantes
Volumen geschieht absatzweise, weshalb mit Vorteil
in einem Kreislauf mehrere solche Austauschräume, in welchen unter konstantem Druck
abgegebene Wärme an ein unterkonstantem Volumen erwärmtes Arbeitsmittel übertragen
wird, verwendet werden, welche parallel und mit zeitlicher Phasenverschiebung arbeiten
können.
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Der Luftüberschuß bei der Verbrennung kann beliebig hoch sein. Die
besondere Ausbildung der Verbrennungs- und Austauscherräume steht frei, sofern die
Grundregeln gewahrt bleiben.
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Es kann z. B. auch für mehrere Wärmeaufnahmeräume nur ein abgebender
angeordriet werden, oder umgekehrt. Auch steht es frei, das Wärme aufnehmende oder
abgebende Arbeitsmittel wenigstens teilweise in Rohren unterzubringen oder Rohranlagen
durchströmen zu lassen.
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Schließlich ist noch zu erwähnen, daß den Luft- und Gaskreisläufen
'an beliebiger Stelle Wärme nach Bedarf entnommen und zu Heiz-, Koch- oder anderen
Zwecken verwendet werden kann.
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Auch können, ähnlich wie dies bei Dampfanlagen üblich ist, Zwischenerwärmungen
vorgesehen werden, d. h. es kann dem Kreislauf außer an den in den Beispielen angedeuteten
Verbrennungsstellen an beliebigem Orte Frischwärme zugeführt werden. Diese kann
auch einer andern Stelle des Kreislaufes entnommen werden. Wärmeübertragung von
einem Kreislaufpunkt auf einen andern kann überhaupt durch Austausch oder Mischung
nach Bedarf erfolgen.
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An allen Stellen, wo im Hinblick auf die Verbrennung Luft als Arbeitsmittel
vorgesehen wurde, könnte an deren Stelle auch ein brennbares Gas treten; statt Brennstoff
müßte in diesem Falle ein Sauerstoffträger zugeführt werden, um die Verbrennung
zu bewerkstelligen.
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Zum Erfindungsgegenstand gehören auch vereinigte Schaltungen von verschiedenen
Kreisläufen, ebenso Kaskadenschaltungen, d. h. es können z. B. mehrere Kreisläufe
hintereinander angeordnet werden, um die Restwärmemengen möglichst gut auszunützen.
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Zur Erzeugung eines möglichst gleichmäßigen Drehmomentes können beim
Arbeiten mit Vorkompression die absatzweise arbeitenden Turbinen l', (z. B.
L"T oderG,,T) mit den durch Arbeitsmittel konstanten Druckes beaufschlagten Turbinen
TD (z. B.
LDT oder GDT) mit Vorteil auf die gleiche Welle arbeiten (z. B.
Laufräder auf der gleichen Welle), oder es werden ihre Wellen gekuppelt. Die Kupplung
kann auch erst auf der elektrischen Seite erfolgen, sofern Stromerzeuger als Leistungsverbraucher
angehängt sind. Schließlich kann auch bei mehrstufigen Kraftmaschinen nur ein Teil
der Sturen der Turbine TD mit der Turbine T" auf eine gemeinsame Welle arbeiten,
während ein anderer Teil der Stufen der Turbine 7'D mit dem Kompressor auf einer
besonderen Welle mit verschiedener Drehzahl läuft.
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Zur Erreichung hoher Wirkungsgrade und zur Ausnützung eines möglichst
großen Teiles der Abwärme ist es notwendig, daß der Wärmeaustausch zwischen den
unter konstantem Druck wärmeabgebenden und den unter konstantem Volumen wärmeaufnehmenden
Teilen des Arbeitsmittels so erfolgt, daß die Austauschendtemperatur des wärmeaufnehmenden
Arbeitsmittels über jener des wärmeabgebenden liegt. Die Verwirklichung dieser Forderung
wird durch die Tatsache, daß die Wärmeaufnahme unter konstantem Volumen erfolgt,
wohl erschwert, nicht aber ausgeschlossen.
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Aus dein Vorangehenden ergibt sich, daß der Erfindungsgegenstand sich
auf verschiedene Weise verwirklichen läßt. Insbesondere sind die beiden Möglichkeiten
der Verbrennung unter konstantem Druck und der Verbrennung unter konstantem Volumen
zu unterscheiden. Während in beiden Fällen ohne Arbeiten mit Vorkompression und
folgender Entspannung des Vorverdichtungsdruckes beträchtliche Abwärmemengen nicht
zur Rückführung an das unter konstantem Volumen durch Austausch zu erwärmende Arbeitsmittel
verwendet werden können, sind in beiden Fällen bei bestmöglicher Ausnützung der
Abwärmemengen, z. B. in einer Dampfanlage, Gesamtwirkungsgrade erzielbar, welche
jenen der heute verwirklichten Diampfanlagen überlegen sind. Beim Arbeiten mit Vorverdichtung
und Ausnützen des Vorkompressionsdruckes in einer Entspannungsmas.chine wird es
möglich, diese @Virkungsgrade zu erreichen, ohne eine zusätzliche Dampfanlage oder
einen sonstigen fremden Wärmekreis zur Verwertung der nicht rückführbaren Abwärme
zu benutzen. Bei sämtlichen Schaltungen kann ein geschlossener Arbeitsmittelkreislauf
angeordnet werden, welcher in bezug auf die Lastreglung Vorteile bringt, ohne am
thermischen Kreislauf etwas zu verändern. Der Wärmeaustausch zwischen den unter
konstantem Druck wärmeabgebenden und den unter konstantem Volumen wärmeaufnehmenden
Teilen soll nach Möglichkeit ähnlich im Gegenstrom erfolgen.