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Verfahren zur Leistungsregelung von Wärmekraftanlagen, in welchen
ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf
unter überdruck beschreibt, und Anlage zur Ausführung dieses Verfahrens Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung von Wärmekraftanlagen, in welchen ein
gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf
unter Überdruck beschreibt, wobei das durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel
in mindestens einer Turbine unter äußerer Leistungsabgabe entspannt und hierauf
in mindestens einem Kreiselverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird und
ferner bei Änderung der Leistungsabgabe Arbeitsmittel in den Kreislauf zugeführt
oder aus ihm entnom m-en w#ird. Im weiteren betrifft die Eifindung eine Anlage zur
Ausführung dieses Verfahrens.
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Es ist bereits bekannt, bei Anlagen der vorstehenden Art bei Änderung,der
Leistungsabgabe Arbeitsmittel in den Kreislauf zu füh-
ren oder ihm zu entnehmen.
Bei solchen bekannten Wärmekraftanlagen geschieht dies aber lediglich zu dem Zwecke,
um bei auftretenden Belastungsänderungen ständig auf Wiederherstellung des normalen,
gleich hocl-i gehaltenen Betriebsdruckes in einem Erhitzer und Kühler hinzuwirken,
so daß bei solchen Änderungen lediglich in einzelnen Teilen des Kreislaufes eine
Dichteänderung eintritt. Erreicht wird dies in enter Linie mit Hilfe von Drosselorgan#n,
die ständig eine mit der Belastung sich ändernde Drosselwirkung auf dasden Kreislauf
beschreibende Arbeitsmittel ausüben. Diese Drosselorgane werden beim Ein- bzw. Auslassen
von im Verhältnis zur Belastungsünderung verhältnismäßig geringen Arbeitsinittelmengen
entsprechend beeinflußt. Derartige Drosselorganee stellen jedoch einen erheblichen
Nachteil dar, da in Kreisläufen der hier in Frage komm-enden Art jede adch noch
so kleine Drosselung einen unwiederbringlichen, äußerst stark ins Gewicht fallenden
Verlust darstellt.
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Zweck der Erfindung ist, für die Turbine und den Kreiselverdichter
Betriebsverhältnisse zu schaffen, bei denen diese bei allen vorkommenden Belastungen
der Anlage, also auch bei starken Teil- und überlasten, mit bestem, praktisch gleichbleibendem
Wirkungsgrad arbeiten. können. Zu diesem Behufe wird gemäß vorliegender Erfindung
die D-ichte des Arbeitsmittels im ganzen Kreislauf bei unveränderter Drehzahl von
Turbine und Verdichter derart geändert, daß sie an jeder Stelle des Kreislaufes
angenähert proportional zur jeweiligen äußeren Leistungsabgabe der Turbine ist.
Bei einer Leistungsregelung nach diesem Verfahren ändern sich alle Drücke an
:teil
verschiedenen Stellen des Kreislaufes in, gleichen Verhältnis, und die Wärmezefälle
. K
sowie Ströntungsggeschwindigkeiten in d#e Turbine und im Verdichter bleiben
sich ab' Irlut gleich, umsoniehr als die Temperatti durch Regelung der Brennstoffmenge,
welci J`# der Ouelle äußerer Wärinezufuhr zufließt, unverändert gehalten werden
können. Folglich bleiben auch die Anströtliwinkel der Kreiselinaschinen bei allen
Belastungen der Anlage unverändert, so daß sich der Wirkungsgrad bei allen Belastungen,
wenn von gewissen äußeren, sich gleich bleibenden Verlusten, wie Lagerreibung, abgesehen
wird, grundsätzlich 0 C, eich bleibt. Bei länger dauernden Belastungsänderungen
erfährtdabeidas umlaufende Arbeitsmittel keinerlei Drosselung, indem die Regelung
ausschließlich inder Weise erfolgt, daß die Dichte des Arbeitsmittels an jeder Stelledes
Kreislaufes geändert wird, so daß bei Belastungsänderungen längerer Dauer
keine Drosselverluste in Kauf zu nehmen sind. Lediglich bei kurz dauernden Belastungsschwankungen
unterhalb der Höchstlast kann zusätzlich eine Leistunggsregelung durch Änderung
der Drosselung des Arbeitsmittelstromes vor oder hinter der Turbine zur Anwctidung
kommen. In einer Wärmekraftanlag ge, bei welcher die Leistungsregelung auf diese
Weise erfolgt, sind gemäß vorliegender Z> ZD Erfindung Mittel vorgesehen,
welche in Ab-
hängigkeit von der augenblicklichen Leistungsab-gabe nach außen
selbsttätig eine Zufuhr von Arbeitsmittel in oder einen Entzug von solchem aus dein
geschlossenen Kreislauf in einer der prozentualen Belastutigsänderung etwa prozentual
entsprechenden Menge ermöglichen.
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Auf der Zeichnung ist beispielsweise eine ei Ausführungsform
- ner Anlage zur Ausführung des neuen Verfahrens in vereinfachter Darstellungsweise
veranschaulicht, und zwar zeigt die Figur eitle Anlage, bei -welcher als Arbeitsmittel
Luft verwendet wird.
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Die einen geschlossenen Kreislauf unter überdruck beschreibende Luft
wird in einer als Erhitzer i ausgebildeten Zufuhrstelle äußerer Wärme erhitzt. Die
eigentliche Erhitzung erfolgt in einem Oberflächenwärmeaustauscher2, welcher von
den Feuergasen umspült wird; die Erhitzting wird vorteilhaft auf mindestens 5oo"
C getrieben. Die so erhitzte Luft gelangt in eine mehrstufige Luftturbine
3 axialer Bauart, wo sie sich unter Leistungsabgabe an einen Stroi-nerzeuger4
und all einen als niehrstufiges Axialgebläse
5
ausgebildeten Kreiselverdichter
mindestens auf die Hälfte des Druckes entspannt, den sie am Eintritt in die Luftturbille
3 hat. Letzterer Druck entspricht praktisch dem Drucke, ;den die Luft nach
dem Verlassen der Zufuhrstelle 1.
2 von äußerer Wärine hat. Die ans ,der
Turbine
3 strömende Luft gelangt durch
| L-#ine Leitting6 in einen zweiten als Gegen- |
| , |
| olltapparat ausgebildeten Wärmeaustau- |
| er7, wo sie eine Röhrenanlage durch- |
| r(ö,mt und dabei Wärme an den unter höherem |
Drucke stehenden Teil des Arbeitsmittelstronies abgibt, welcher durch eine Leitung,
9 aus dein Axialverdichter
5 in den Wärmeaustauscher
7 und
aus diesem durch eine Leitung
8
in Aden Oberflächenwärineatistauscher 2 gelangt.
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Die in der Turbine 3 auf mindestens die Hälftedes Anfangsdruckes
entspannte und im Wärmeaustanscher 7 auf mindestens i 5o' C
abgekühlte
Luft gelangt durch eine Leitung i i, nachdem sie bei 25 noch vorgekühlt wor-den
ist, in das Axialge-bläse 5, wo sie unter Kühlung wieder auf einen höheren
Druck verdichtet wird. 12 bezeichnet eine Kühlwasserpumpe. All die Leitung i i ist
über eine Leitungii' ein Ventilkastenio mit Einlaßventil i o' und Auslaßventil i
o2 angeschlossen.
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Die Regelung von Leistungsschwankungen, die in einer Anlage,der beschriebenen
Art auftreten, erfolgt in der Weise, daß bei unveranderter Drehzahl von Turbine
3 und Ver-,dichter 5 (die Dichte der umlaufenden Luft all je..der
Stelle des Kreislaufes angenähert proportional zur jeweiligen äußeren Leistungsabgabe
der Turbine 3 geändert wird. Dabei können die Temperaturen durch Regelung
des dem Erhitzer i zugeführten Brennstoffes oder bei Kohlenfeuerung durch Beschickungsregelung
oder Abschirmendes Rostes unverändert bleiben. Es wird somit der Druck oder das
Durchflußgewicht (kg/sec) des den geschlogsenen Kreislauf beschreibenden Arbeitsmittels
an jeder Stelle dieses Kreislaufes geändert. Dabei ändern sich die Drücke an den
verschieidenen Stellen des Kreislaufes im wesentlichen proportional zur jeweiligen
äußeren Leistungsabgabe, und die Wärmegefälle sowie Strömungsgeschwittdigkeiten
in der Turbine3 und im Verdichter 5 bleiben praktisch gleich.
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Um eine solche Regelungsweise zu erreichen, wird dem Kreislauf vorübergehend
Arbeitsmittel in einer der prozentualen Belastunggsänderung etwa entsprechenden
prozentualen -Menge zugeführt oder entzogen. Zu diesem Zwecke sind bei der gezeigten
Ausführungsform Druckspeicher 24, 241 vorgesehen. Der Speicher 24 ist an einen Verdichter:23,
der -aus -der Umgebung angesaugte Luft in denselben fördert, sowie durch Lei--tun-
24-1 an das Einlaßventil iol angeschlossen. Der Speicher 24' ist dagegen durch Leitung
251 an das Auslaßventil io2 und zweckmäßig ;durch Leitung 246 an die Saugleitung
23' des Verdichters --13 angeschlossen. je nach der Einstelltin- der
Ventile iol, 102 striinit ZD
Luft aus dem Speicher 24 inden geschlossenen
Kreislauf oder aus letzterem in den Speicher-241. Die Einstellung ;der genannten
Ventile i ol, i o' erfolgt selbsttätig in Abhängigkeh vonder augenblicklich-en Leistung,
welchedie Turbine 3 nach außen abgibt; #diese- EinsteP' lung kann zweckmäßig
vom Regler 31 der Turbine 3, eventuell aber auch vom Reglerder von
der Turbine angetriebenen Maschine 4 durch eine Ölsteuerungsanla:ge-32 mit Steuerkolben
33 bewirkt werden. je nach der Einstellung,des Steuerkolbens 33 gelangt
Drucköl unter den Kolben io3 oder io', so daß das Ventil iol oder i& geöffnet
wird.
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Bei kurz dauernden Belastungsschwankungen unterhalb der Hö.chstlast
kann die Leistungsregelung zusätzlich durch Änderung der Drosselung (des Arbeitsmittelstromes
mittels eines Regelventils 4o, das vor der Turbine 3 angeordnet ist, erfolgen.
Dieses Ventil 40 wird ebenfalls vom GeschwindIgkeitsregler 3' aus Über die
ölsteuerungsanlage 32
eingestellt. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein,
ein solches Drosselventil hinter ,der Turbine 3 anzuordnen.
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Die beschriebene Reggelungsart, wonach dem geschlossenen Kreislauf
in Abhängigkeit von ,der jeweiligen äußeren Leistungsabgabe Luft in einer der prozentualen
Belastungsänderung etwa,entsprechenden prozentualen Menge entzogen oder zugeführt
wird, um bei unveränderter Drehzahl von Turbine und Verdichter die Dichtedes umfaufenden
Arbeitsmittels an jeder Stellt des Krelslaufes angenähert proportional zur erwähnten
Leistungsabgabe der Turbine zu ändern, ist wirtschaftlich. Sowohl die Turbine als
auch der Verdichter werden nämlich in einem solchen Falle unter den neuen Belastungsbedingungen
immer bei den der Berechnung dieser Maschinen zugrunde gelegten Verh2tnissen (gleiche
Schaufelwinkel, Geschwindigkeitspläne u. dgl.) arbeiten, sodaß der Wirkungsgraid,
abgesehen von kleinenmechanischen Verlusten, bis zu den kleinsten Belastungen praktisch
unverändert bleibt. Die Ouerschnittsverhältnisse der Leit- und Laufi-chaufeln stimmen
genau für alle Betriebspunkte, im Gegensatz zu den Verhältnissen bei allen bekannten
Wärmekraftanlagen mit Kreiselmaschinen, wie Dampf-oder Gasturbinen. '
Die
Mittel, welche in Abhängigkeit von der augenblicklichen Leistungsabgabe nach außen
selbsttätig eine Zufuhr von Arbeitsmittel in oder einen Entzug aus dem geschlossenen
Kreislauf ermöglichen, können grundsätzlich an jeder Stelle des Kreislaufes angeordnet
sein.
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Der Druck in der Einrichtung, welche bei einer augenblicklichen Leistungszunahine
zusätzliches Arbeitsmittel in den Kreislauf litfert, muß größer sein als der, welcher
an derjenigen Stelle des geschlossenen Kreislaufes herrscht, ander das zusätzliche
Arbeitsmittel inden Kreislauf einzuführen ist. Wie in der Figur gezeigt, kann eine
solche Einrichtung .iweckmäßi#,- als Druckspeicher ausgebil#det sein. Sie könnte
aber auch nur aus einem Ver-,dichter bestehen, der unmittelbar aus der Atmosphäre
oder aus einem Zwischenbehälter, z. B. dem Behälter.241, angesaugte Luft in den
geschlossenen Kreislauf fördert. Diese Luft kann:durch Abwärme der Anlage vorgewärmt
weilden. Indem Speicher, in welchen bei einer augenblicklichen Leistungsabnahme
Arbeitsmittel aus dem geschlossenen Kreislauf zu entweichen hat, hat dagegen ein
niedrigerer Druck als ander Stelle zu herrschen, wo sich ,dieser Speicher an den
geschlossenen Kreislauf anschließen läßt. An Stelle eines solchen Speichers 24'
kann aber auch eine Vorrichtun- -ii zur Verwendung kommen"die in Ab-
hängigkeit
von einer augenblicklichen Leistungsabnahine Arbeitsmittel aus dem ge-
schlossenen
Kreislauf unmittelbar ins Freie entweichen läßt. Es kann sogar zusätzlich eine als
Kreiselrad ausgebildete Fördervorrichtung 42 vorgesehen werden, welche bei einerLeistungsabnahmeArbeitsmittel
zwangsläufig aus dem Kreislauf unmittelbar ins Freie hinausfördert.
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An Stelle von Luft können erforderlichenfalls andere Gase, vorzüglich
solche mit hohen Wärmeübergangszahlen, wie z. B. Helium, Wiasserstoff, Stickstoff,
als Arbeitsmittel in einer Anlage der beschriebenen Art verwendet werden.
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Als Wäxmekraftanlagen, die sich zur Anwendung des neuen Verfahrens
eignen, kommen in Betracht z. B. ortsf este Krafterzengun, '-sanlagen aller Art,
ferner Anlagen zum Antrieb von Flugzeugen, Schiffen und Lokomotiven. Da namentlich
bei 1.olzcn-not,iven :die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit eine schlechte
ist, lassen sich bei solchen Fahrzeugen gegenüber rden bisherigen Ausführungen bei
Anwendung des neuen Verfa#hrens bereits Verbesserungen erzielen, wenn das Arbeitsmittel
im Oberflächenwärmeausta,uscher nur auf verhältnismäßig niedrige Temperatur erhitzt
wird.
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Um eine Inbetriebsetzung der Anlage zu ermöglichen, werden zweckmäßig
Mittel vorgesehen, welche das erforderliche Gefälle in der den Verdichter antreibenden
Turbine zu erzeugen gestatten. Als ein solches Mittel kann,der Behälter:24 in Frage
kommen, wobei er,dann durch eine Leitung 44 unmittelbar an die Turbine
3 anzuschließen ist.
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Als weiteres Mittel für das Anfahren kann eine Hilfsgruppe45 vorgesehen
werden, welche den Verdichter 5 antreiben kann, um
clas Umwälzen
des Arbeits#mittels einzuleiten. Diese Hilfsgruppe k.ann als Elektroi-notor oder
\'erbrenntingskraftniaschine o. dgl. ausgebildet sein.