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Wärmekraftanlage für gasförmige Treibmittel In einer Wärmekraftanlage,
die mit einem gasförmigen Treibmittel arbeitet, durchläuft das Treibmittel- in der
Regel einen Kreisprozeß folgender@Art: Verdichtung, Wärmeaufnahme durch Wärmeaustausch
und Verbrennung, Arbeitsleistung durch Expansion, Wärmeabgabe. Ein entsprechendes
Anlageschema zeigt Fig. i beiliegender Zeichnung. Es enthält den Verdichter i, den
Brennraum oder die Heizung a, die Turbine 3 und den Kühler 4.. Zur Ausnutzung eines
Teils der Restwärme, die das Treibmittel nach dein Verlassen der Turbine noch enthält,
dient der vor den Kühler einerseits und nach dem Verdichter anderseits geschaltete
Wärmeaustauscher 5. Bei Anlagen, die mit Verbren-, nungsgasen arbeiten, kann der
Kühler .4 fehlen; an seine Stelle tritt die Atmosphäre.
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Um den Wärmenutzungsgrad zu steigern, sind Wärmekraftanlagen vorgeschlagen
worden, in welchen zwei oder mehr Kreisläufe nach Art des vorangehend beschriebenen
stattfinden. Hierher gehören beispielsweise die Mehrstoffwärmekraftanlagen, in welchen
verschiedene Treibmittel mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften arbeiten.
Bei diesen bekanntgewordenen Anlagen wird die dem Brennstoff entnommen Wärme einem
ersten Treibmittel zugeführt, das in einem ersten Kreislauf arbeitet, dessen Kühler
zugleich die Heizung eines zweiten, nachgeschalteten und von einem zweiten Treibmittel
durchlaufenen Kreisprozesses übernimmt. Im zweiten Kreislauf wird also die Abwärme
des ersten Kreislaufs ausgenutzt. Der zweite Kreislauf findet bei wesentlich tieferen
Temperaturen statt als der erste Kreislauf. Die vom Brennstoff her zugeführte Wärme
durchfließt in ununterbrochenem Wärmestrom die beiden in Reihe hintereinandergeschalteten
Kreisprozesse.
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Bei den meisten Mehrstoffwärrnekraftanlagen ist einem ersten Kreislauf
von Verbrennungsgasen oder Heißluft ein weiterer Kreislauf von Wasserdampf zugeschaltet.
Der Wasserdampf wird vermittels der an verschiedenen Stellen dein Gaskreislauf zwecks
Kühlung entnommenen Wärme erzeugt. Beispielsweise ist es bekannt, die bei der Verbrennung
eines Brennstoffes entstehenden
hocherhitzten Rauchgase zunächst
in einen Dampfkessel zu leiten, wo sie einen beträchtlichen Teil ihrer Wärme zwecks
Dampferzeugung abgeben, und hiernach bei gemäßigter Temperatur einer Gasturbine
zuzuführen. Der erzeugte Dampf wird zwecks Arbeitsleistung in eine zugeschaltete
Dampfmaschine geleitet. Die zugeschaltete Dampfinaschine dient der Verwertung von
Kühlungsverlusten.
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Es sind auch Wärmekraftanlagen bekanntgeworden, bei denen zwei oder
mehr in Reihe hintereinandergeschaltete Kreisläufe stattfinden, deren Treibmittel
stofflich gleich sind. Diese Art der Reihenschaltung wirkt sich lediglich als Abwärmeverwertung
aus und bleibt im Wärmenutzungsgrad stets geringer als ein einzelner, die gegebenen
Temperaturgrenzen voll ausnützender Kreislauf.
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Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft Wärmekraftanlagen
für gasförmige Treibmittel, bei welchen einem ersten vollständigen Kreislauf eines
ersten Treibmittels (Grundkreislauf) mindestens ein weiterer vollständiger Kreislauf
eines weiteren Treibmittels überlagert ist und bei welchen die aus dem überlagerten
Kreislauf notwendigerweise abzuführende Wärme an das Treibmittel des Grundkreislaufs
übergeführt wird. Das erfinderisch Neue besteht darin, daß neben der Wärmequelle
für das Treibmittel des Grundkreislaufs eine zusätzliche Wärmequelle für das Treibmittel
mindestens eines der überlagerten Kreisläufe vorgesehen ist.
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Fig.3 zeigt als. Beispiel das Schaltbild einer Anlage, welhe die vorliegende
Erfindung verwirklicht. Die Anlage enthält gleiche Bestandteile wie die Anlage nach
Fig. i, nämlich den Verdichter i, den Brennraum oder die Heizung z, die Turbine
3, den Kühler q. und den Wärineaustauscher 5, die alle von einer ersten Treibinittelinenge
durchströmt wcrden. Dazu kommen ein Zusatzverdichter 6, eine Zusatzheizung 7, eine
Zusatzturbine B. Zusatzkühler 9. Der überlagerte Kreislauf 6, 7, 8, 9 der zweiten
Treibmittelmenge erfordert im wesentlichen die gleichen Einrichtungen wie der Grundkreislauf
i, 3, 5, d.. Die Zusatzheizung 7 dient der unmittelbaren Wärmezufuhr vom Brennstoff
her an das Treibmittel des überlagerten Kreislaufes. Im Zusatzkühler 9 wird die
Wärme, die aus dem überlagerten Kreislauf notwrendigerweise der zweiten Treibmittelmenge
entzogen werden muß, an :die erste Treibmittelmenge des Grundkreislaufs übergeführt.
Durch diese an sich bereits bekannte Maßnahme wird verhindert, daß die im Kühler
4 nach außen abgeleitete Wärme vergrößert wird: dagegen erlaubt die Zusatzheizung
oder der Zusatzbrennratim 7, daß der Gesamtanlage eine zusätzliche Wärme zugeführt
wird.
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Der Wärmenutzungsgrad einer Wärmekraftanlage wird maßgeblich durch
den Unterschied zwischen der zugeführten Wärme und der abgeführten Wärme bestimmt.
Da in der Anlage Fig. 3 die zugeführte Wärme vergrößert wird, ohne daß gleichzeitig
die im Kühler nach außen abgeleitete Wärnte zunimmt, so wird hier tatsächlich der
Wärmenutzungsgrad verbessert.
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Der Beweis, daß die vorliegende Erfindung tatsächlich eine Vergrößerung
des Wärmenutzungsgrades bewirkt, wird nachfolgend durch eine Untersuchung der Ztista.itdsänderungen
.erbracht.
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Das Temperaturentropieschaubild Fig. 2 zeigt den Verlauf der Zustandsänderungen
des Treibmittels bei einem Prozeß nach dein Schaltbild Fig, i mit adiabatischer
Verdichtung. Wärmeaufnahme bei unverändertem Druck p, adiabatischer Expansion und
anschließender Wärmeabgabe bei unverändertem Druck @" ., ohne Berücksichtigung von
Reibung oder anderweitigen Temperatur- und Druckverlusten.
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Der Wärmenutzungsgrad litt, einer solchen einfachen Wärmekraftanlage
wird in bekannter Weise aus der von außen zugeführten Wärme n,' und der nach außen
abgeführten Wärme 0Q berechnet
Die der Gewichtseinheit der Treibmittelmenge von außen zugeführte Wärme ist durch
die spezifische Wärme C" und den Unterschied der Temperaturen T1 und Tg=T. bestimmt
QZ=Cn (Ti--Ta) ° Cn (Ti-T=). Beim Kreislauf mit adiabatischer Verdichtung beträgt
die nach außen abgeführte Wärme Q, = Cv (T ä - T3) = Cn (T4
- Ta), während zwischen den Temperaturen T. -T:i und T,-T4 der Wärmeaustausch zur
Ausnutzung der Restwärme stattfindet.
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Wird isothermische Verdichtung angewendet, so ist bekanntlich die
nach außen abzuführende Wärme gleich -dem Wärmeäquivalent der isothermischen Verdichtungsarbeit
AL;,. Bei diesem Prozeß findet der Wärmeaustausch zwischen den Temperaturen
T. -T3 statt.
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In einer Wärmekraftanlage nach Fig.3 durchläuft eine erste Treibmittelinenge
GI das Zustandsdiagramm Fig. 2, das in der neuen Fig. 4 zunächst wiederholt ist.
In
Fig. 4. ist weiterhin ein kleineres Zustandsdiagramm eingezeichnet,
welches der Arbeitsvorgang einer zweiten Treibmittelmenge G= veranschaulicht, die
den überlagerten Kreisprozeß durchläuft. Diese Treibmittelmenge G2 gibt in der Zusatzturbine
8 bei adiabatischer Expansion zwischen den Drücken pi , p2' und den Temperaturen
T,", T2' Arbeit ab. Anschließend wird die Treibmittelmenge G2 im Zusatzkühler g
bei unveränderlichem Druck p2' von der Temperatur T2 auf die Temperatur T2 = TG
abgekühlt, wobei die erste Treibmittelmenge G,. als Kühlmittel dient und im Gegenstrom
von der Temperatur T, auf die Temperatur Ts = T2 erwärmt wird. Die von der Menge
G, aufgenommene Wärme muß der von G. abgegebenen Wärme gleich sein.
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G,' Cpi (To'-7'0) = G2' Cp2 (T2 77 )
G, . Cpi
= G2 . Cn2.
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Sind beide Treibmittelmengen vom gleichen Stoff (Cni = C12),
so ergibt sich aus der letzten Gleichung, daß die im überlagerten Kreislauf arbeitende
Menge G. und die im Grundkreislauf arbeitende 1Tenge G, einander gleich sein müssen.
Der Einfachheit halber soll im wettern G, = G2 vorausgesetzt sein. Nach beendetem
`'Wärmeaustausch wird die Treibmittelmenge G2 adiabatisch auf den ursprünglichen
Druck pi verdichtet, wobei sie die Temperatur T4 erreicht. Schließlich wird bei
unveränderten Drücken p,, pi Wärme von außen an beide Treibmittelmengen G, und G2
zugeführt, damit letztere ihre Höchsttemperaturen T1, Ti wieder erreichen. Damit
sind die Kreisläufe beendet. Die gesamte zuzuführende Wärme ist bei Gl=GZ=i Q--
Cp (TI - T_') 4- Cp (TI'- T4'), Die nach außen durch den Kühler q.
abzuführende Wärme ist wie früher Q,. - Cp (T5 - T-) -- Cp
(Ti - T3).
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Es ist T1-72'= (T,-T2)-T2'-T2), so daß sich ergibt Q= = cp
(T, - T2) + Cp (T,'- T-1') - Cp (T2'- T2). Im Vergleich- zum
bekannten Kreislauf Fig. i bzw. Fig. 2 und den entsprechenden Gleichungen ist die
Wärmezufuhr um den Betrag q = C, (TI" -Tä )-Cn (T2 -T2) vergrößert worden.
Diese Wärmemenge q wird im Temperaturentropieschaubild Fig. d. durch die schraffierte
Fläche i', 2', 3', 4 dargestellt und ist tatsächlich von endlicher positiver Größe.
Der Wärmenutzungsgrad der erfindungsgemäß verbesserten Wärmekraftanlage steigt deshalb
vom früher angegebenen Wert fit" auf
Bemerkenswert ist, daß diese zusätzlich zuführbare Wärme q vollständig in Arbeit
umgewandelt wird, weil ja die nach außen abzuführende Wärme Q, unverändert blieb.
Das Wärmeäquivalent der zusätzlichen Arbeit AL, ist q.
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Die Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmekraftanlage durch die
vorliegende Erfindung ist zunächst für das Beispiel bewiesen worden, bei dem die
Treibmittel im Grundkreislauf und im überlagerten Kreislaus adiabatisch verdichtet
werden. Die günstige Auswirkung der Erfindung ist aber nicht an dieses Beispiel
gebunden; man sieht- leicht, daß die Kreislaufüberlagerung stets den `'Wirkungsgrad
verbessert, wenn durch geeignete Zuordnung der Kreisprozesse das Vorhandensein eines
zusätzlichen Arbeitsbetrages gewährleistet wird, dessen Wärmeäquivalent der zusätzlichen
Wärmezufuhr mindestens angenähert gleich ist. Weitere Beispiele von Kreislaufüberlagerungen,
welche die vorliegende Erfindung verwirklichen, sind folgende: Zustandsschaubild
Fig. 5: Im Grundkreislauf wird isothermisch von 3 nach 4,- im überlagerten Kreislauf
adiabatisch von 3' nach .@ verdichtet. Beide Kreisläufe beginnen die Expansion vom
gleichen Zustandspunkt aus.
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Schließlich soll als Beispiel noch eine Anlage (Fig.6) angegeben werden,
bei welcher der Grundkreislauf ohne Rückgewinn von Abwärme in einem Austauscher
arbeitet, sondern mit einfacher Kühlung von 2 nach 3 ,und mit darauffolgender isothermischer
Verdichtung von 3 nach d.. Der überlagerte Kreislauf i', 2', 3', 4 arbeitet mit
denselben Drücken und Temperaturen, aber adiabatischer Verdichtung von 3' nach 41.
Wärmeaustausch findet zwischen beiden Kreisläufen so statt, daß die erste Treibmittelmenge
G1 von T4 auf T5 erwärmt und die zweite Treibmittelmenge G2 von T2 nach T3 abgekühlt
wird. Beide Treibinittelmengen seien von gleichen Stoff. Wegren der Teinheraturgleichheit
T5 = T2, T., = T3 folgt dann, daß die Mengen G, und G2 gleich sind.
Die
gesamte zugeführte Wärme ist: nZ = Cn (T1 -Tr>) + C" (T,
-T4 ), dabei ist ' Ti - Ts = (T, -T1) - (T, -- T-j -`-
(T, -T,) - (7.= - T ;)
Die gesamte nach außen abzuführende Wärme setzt
sich zusammen aus dem Anteil der Kühlung von T. nach T3 und der isotherrnischen
Verdichtungsarbeit .-IL;s. '
Q. - Cp (T_ - T;) -}- d L;,.. Der
Wä rnienutzungsgrad IftI, ist dann bestimmt durch
Hierin bedeuten
den Wärinenutzungsgrad des Grundkreislaufes für sich allein. Daneben ist die Klammer
iCn (T,-Ti')-Cx (T.,-T3)i=q die zusätzlich infolge der Kreislaufüberlagerung zuführbare
Wärme, die wieder gleich ist dem Wärmeäquivalent der zusätzlich gewonnenen Arbeit.
Sie wird wiederum durch die schraffierte Fläche des Schaubildes dargestellt.
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Läßt man zwei Wärmekraftanlagen unabhängig voneinander mit den zwei
Kreisläufen r, :2, 3, d. und z', a', 3', q' arbeiten, so ist die gewonnene Arbeit
dieselbe wie bei den überlagerten Kreisläufen. Die zuzuführende Wärme dagegen ist
mit Q: - CP (TI - T4) -f- CY. (TI - T4') um den Betrag C,,
(T, -T3) größer, so daß also der Wärmenutzungsgrad kleiner ausfällt als bei überlagerten
Kreisläufen.
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Obige Beispiele sind alle ohne Berücksichtigung von Reibung oder Temperatur-
und Druckverlusten dargestellt worden, um das Wesentliche der Erfindung Hervortreten
zu. lassen. Die Überlegung, ob und in welchem Betrage durch die Erfindung der Wärmenutzungsgrad
bei beliebiger Art der Kreisläufe gesteigert wird, bleibt auch bei Berücksichtigung
von Nebenverlusten grundsätzlich gleich.
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Bisher wurde gezeigt, daß die Wärmekraftanlage nach Schaltbild Fig.3,
«-elche die Erfindung verwirklicht, einen höheren Wärinenutzungsgrad hat als das
in Schaltbild Fig. z gezeigte Urbild einer Wärmekraftanlage. Aber auch im Vergleich
zii den oben angegebenen zusammengesetzten Wärmekraftanlagen mit mehreren Kreisläufen
und mit verschiedenen Treibmitteln bietet die Wärmekraftanlage nach der vorliegenden
Erfindung bauliche und wärmewirtschaftliche Vorteile. In allen Fällen, in welchen
mindestens ein zusätzlicher Kreislauf nur die Ab--wärme eines vorgeschalteten Kreislaufs
ausnutzt, findet der zusätzliche Kreislauf bei wesentlich tieferen Temperaturen
statt als der vorgeschaltete Kreislauf. Der Wärmenutzungsgrad des zugeschalteten
Kreislaufs ist deshalb gering. Da überdies für den Wärmeübergang vom Kreislauf höherer
Temperatur an den Kreislauf tieferer Temperatur ein gewisser Temperaturunterschied
bestehen muß, so arbeitet eine solche zusammengesetzte Anlage unwirtschaftlicher
als eine einfache Anlage mit Ausnutzung des ganzen verfügbaren Temperaturbereiche.
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Im Gegensatz dazu wirkt sich bei der Wärmekraftanlage gemäß der Erfindung
das Bestehen zweier Heizungen, nämlich der Heizung -a des Grundkreislaufs und der
Zusatzheizung 7 des überlagerten Kreislaufs, vorteilhaft aus, indem ihretwegen die
Höchsttemperatur des Grundkreislaufs ebenso hoch sein kann wie diejenige des überlagerten
Kreislaufs. Dadurch wird der Wärmenutzungsgrad des Grundkreislaufs an sich schon
hoch, was nicht der Fall wäre, wenn der Grundkreislauf nur die Abwärme eines im
Sinne der bekannten Vorschaltung hinzugefügten Kreislaufs aufnehmen würde.
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Wird andererseits einem Grundkreislauf von Verbrennungsgasen ein Dampfkreislauf
zugeschaltet, an welchen die heißen Verbrennungsgase vor ihrer Arbeitsleistung Wärme
abgeben, beispielsweise wegen beabsichtigter Kühlung, so liegt die Höchsttemperatur
dieses zugeschalteten Dampfkreislaufs wesentlich tiefer als die Höchsttemperatur
eines erfindungsgemäß zugeschalteten Kreislaufs mit selbständiger Beheizung; sein
Wärmenutzungsgrad
fällt entsprechend geringer aus. Deshalb hat
die Zuschaltung eines Kreislaufs im Sinne der Erfindung einen größeren wärmewirtschaftlichen
Gewinn zur Folge.
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Die Zahl der möglichen Anwendungen ist durch die angegebenen Beispiele
keineswegs erschöpft: Insbesondere ist zu erwähnen, daß die beschriebene Überlagerung
von Kreisläufen auch mehrfach durchgeführt werden kann, wenn nur die Temperaturen
passend gewählt werden, damit die aus jedem überlagerten Kreislauf abzuführende
Wärme an die übrigen Kreisläufe in passenden Anteilen abgegeben werden kann.
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Die Erfindung ist immer dann verwirklicht, wenn mindestens zwei Kreisläufe
in der Weise einander überlagert sind, daß mindestens zwei .der Kreisläufe ihre
Wärme von zwei gesonderten Wärmequellen beziehen. Beispielsweise können einem Grundkreislauf
drei weitere Kreisläufe überlagert sein, von denen -der Grundkreislauf und ein überlagerter
Kreislauf die Wärme von einer ersten Wärmequelle her beziehen, der zweite überlagerte
Kreislauf dagegen von einer zweiten Wärmequelle gespeist wird, während der -dritte
überlagerte Kreislauf nur zwecks Abwärmeverzvertung in bekannter Weise einem der
übrigen Kreisläufe nachgeschaltet ist.
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In den beschriebenen Beispielen wurde stets vereinfachend vorausgesetzt,
daß in allen Kreisläufen die Treibmittel vom gleichen Stoff sind. Der Erfindungsgedanke
wirkt sich aber auch dann vorteilhaft aus, wenn er auf Mehrstoffwärmekraftanlagen
angewendet wird, bei denen in verschiedenen Kreisläufen verschiedene Treibmittel
mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften arbeiten.
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Ferner können an Stelle von Turbinen und 'Kreiselverdichtern andere
zweckentsprechende Einrichtungen treten, wie z. B. Kolbenmaschinen oder Strahlverdichter;
auch mit solchen sind die Kreislaufüberlagerungen im Sinne der Erfindung durchführbar.
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Wenn in allen Kreisläufen. gleiche Stoffe als Treibmittel verwendet
werden, wie z. B. bei Heißluftanlagen, ist es möglich, die den überlagerten Kreisläufen
zugeordneten Turbinen mit der Hauptturbine des Grundkreislaufs mindestens teilweise
zu vereinigen, indem man :gewisse Stufen der Hauptturbine durch die Summe einiger
Treibmittelmengen durchströmen läßt. Diese bauliche Vereinfachung der Anlage läßt
sich besonders dann durchführen, wenn in den gekoppelten Kreisläufen Zustandsänderungen
gleicher Art aufeinander folgen.