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Einrichtung für Erhitzung des gasförmigen Arbeitsmittels, vorzugsweise
Luft, mittels billiger Brennstoffe, wie Kohle und Torf, in Wärmekraftanlagen Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhitzung des gasförmigen Arbeitsmittels,
vorzugsweise Luft, mittels billiger Brennstoffe, wie Kohle und Torf, in Wärmekraftanlagen,
in denen das durch äußere mittelbare Wärmezufuhr in einem Erhitzer erwärmte Arbeitsmittel
einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt und nach Entspannung unter
äußerer Leistungsabgabe wieder auf höheren Druck verdichtet wird, um die nach außen
abzugebende Leistung verändern -zu können. Die Erhitzung des Arbeitsmittels erfolgt
dabei im Gegensatz zu Gasturbinenanlagen mit offenem Kreislauf des Arbeitsmittels
nicht durch unmittelbare Verbrennung von Brennstoffen im Arbeitsmittelstrom, sondern
in der Weise, daß die Erhitzungswärme von einer äußeren Wärmequelle her durch Wandungen
hindurch an das Arbeitsmittel abgegeben wird.
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Bei Wärmekraftanlagen mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels
läßt sich die nach außen abgegebene Leistung dadurch in einfacher Weise regeln,
daß die Dichte des umlaufenden Arbeitsmittels bei gleichbleibender Temperatur ungefähr
proportional der Leistungsänderung verändert wird, was sich durch entsprechendes
vorübergehendes Ein-oder Ablassen von Arbeitsmittel in bzw. aus dem Kreislauf erreichen
läßt. Die Änderung des umlaufenden Arbeitsmittelgewichtes bei einer Änderung der
Leistungsabgabe macht es aber erforderlich, daß die von außen zugeführte Wärmemenge
ungefähr in gleichem Maße und in der gleichen Zeit wie die Arbeitsmitteldichte geändert,
d. h. geregelt wird, wenn nicht eine unerwünscht starke Änderung der Temperaturen
im Kreislauf und damit eine starke Gefährdung der meistens schon hoch beanspruchten
Anlageteile eintreten soll..
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Die dem Arbeitsmittel von außen zuzuführende Wärmemenge läßt sich
beispielsweise durch Verbrennen von Ö1 in einem besonderen
Gaserhitzer
erzeugen, wobei die Verbrennungsgase die eine Seite der Wärmeaustauschfläche des
Gaserhitzers bestreichen und ihre Wärme durch die Wand hindurch an das Arbeitsmittel
abgeben können. Eine solche Ölheizung läßt sich durch entsprechende Beeinflussung
der Ölzufuhr in den Brennern verhältnismäßig rasch regeln. Würden an Stelle von
Ölbrennern Kohlenstaubbrenner verwendet, so ist eine solche unter Umständen rasch
erforderliche Regelung der Brennstoffzufuhr ebenfalls möglich. Es wäre aber in hohem
Maße auch erwünscht, billige Brennstoffe, wie Kohle, Torf u. dgl., in möglichst
unaufbereitetein Zustande in einer Wärmekraftanlage der erwähnten Art verwenden
zu können. Die Heizkosten eines Gaserhitzers für eine bestimmte Leistung sind nämlich
bei Öl- und Kohlenstaubbeheizung bedeutend höher, als sie es bei normaler Kohlenverbrennung
zur Erzeugung gleicher Wärmemengen in einem Dampilessel wären. Dadurch wird die
Wirtschaftlichkeit der Anlage gefährdet.
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.Uan könnte nun bei gleichbleibender Last auch daran denken, auf einem
Rost Kohle zu verbrennen und .mit den erhaltenen Feuergasen den Gaserhitzer zu speisen,
in welchem dem Arbeitsmittel von außen her Wärme zuzuführen ist. Dabei könnten,
wie auch beim Brennerbetrieb und wie dies auch bei normalen Dampfkesseln der Fall
ist, der Rost, die Brennkammer und die übrigen Teile mit dem Gaserhitzer vorteilhaft
zu einer Einheit zusammengefaßt werden. Wenn sich aber das Gewicht des umlaufenden
Arbeitsmittels rasch ändert, so ist es bei einer solchen Verbrennung der Kohle auf
einem Rost nicht möglich, den Verbrennungsvorgang, die Rosttemperaturen und Strahlungswärme
entsprechend rasch zu ändern. Bei einer raschen Abnahme des umlaufenden Arbeitsmittelgewichtes,
d. h. wenn die Wärmekraftanlage einer verringerten Belastung folgen muß, würden
daher die Gaserhitzerflächen und damit das zu erhitzende « Arbeitsmittel augenblicklich
viel zu stark erhitzt, was Baustoffbeschädigungen und Explosionen zur Folge haben
könnte. Umgekehrt würde .es bei einer plötzlichen Belastung der Wärmekraftanlage,
wenn also mehr Arbeitsmittel durch den Gaserhitzer umgewälzt wird, nicht möglich
sein, den Verbrennungsvorgang auf dem Rost entsprechend rasch zu steigern. Die Temperaturen
im geschlossenen Kreislauf würden daher sinken, und die gewünschte Zunahme der Belastungsfälligkeit
der Anlage wurde ausbleiben. Eine Rostfeuerung, auf der Kohle verbrannt wird, eignet
sich folglich aus regeltechnischen Gründen, im Gegensatz zti Dampfkraftanlagen,
nicht zum Betrieb von Wärmekraftanlagen, in denen das Arbeitsmittel dauernd einen
geschlossenen Kreislauf beschreibt.
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Die Erfindung bezweckt nun, eine Einrichtung zur Erhitzung des -1#,ri>eitsmittels
von Wärmekraftanlagen der eingangs erwähnten Art ztt schaffen, welche auch unaufbereitete
billige Kohle als Wärm,eqti"lle zu verwenden ermöglicht; und zwar ohne dafi die
eben beschriebenen Nachteile einer Rostfeuerung mit der Schwierigkeit der Anpassung
an beliebige Lastwechsel in Kauf genointnen werden müssen. U m dies zu erreichen,
erfolgt gemäß vorliegender Erfindung die Erzeugung der im Erhitzer verbrannten Gase
in einem an sich bekannten Gaserzeuger, dessen erzeugte Gasmenge von einem in der
Fördermenge regelbaren Saugzuggebläse bzw. Druckgebläse beeinflußt wird, «-elches
die Abgase aus dem Erhitzer absaugt bzw. Frischluft in den Gaserzeuger fördert,
und der Gang dieses Gebläses wird von bekannten Einrichtungen, wie einem Schalter,
einem Druckregler o. d,1., beherrscht, die unter der Einwirkung des bei praktisch
gleichbleibender Temperatur sich ändernden spezifischen Gewichts und damit des Drucke:
des umlaufenden Arbeitsmittels zur Wärmekraftanlage stehen.
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An sich ist es bereits bekannt. bei Wärmekraftanlagen, in denen ein
gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd in geschlossenem Kreislauf
unter Überdruck geführt wird, den Gang des Verdichters, der unmittelbar in den Kreislauf
eingeschaltet ist, durch das umlaufende _\rlieitsmittel entsprechend seinem sich
ändernden spezifischen Gewicht zu beeinflussen, um dadurch die Leistung zu regeln.
Bei der Erfindung erfolgt die Leistungsregelung durch ein in seiner Fördertnengeregelbares
Saugzuggebläse bzw. Druckgebläse, das völlig außerhalb des Irreislaufes liegt und
dessen Gang durch Einrichtungen, wie Schalter, Druckregler o. dgl., beeinflußt wird,
die unter der Einwirkung des sich ändernden spezifischen Gewichtes und damit des
Druckes des umlaufenden Arbeitsmittels der Wärtnekraftanlage stehen.
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Die Erfindung zeitigt die nette vorteilhafte technische Wirkung, daß
sich nun ohtic weiteres auch billige feste Brennstoffe, wie unaufbereitete Kohle,
Torf u. dgl., für deli Betrieb von Wärmekraftanlagen, bei denen das gasförmige Arbeitsmittel
einen geschlossenen Irreislauf beschreibt und die Belastung starken Schwankungen
unterworfen ist, wirtschaftlich verwenden lassen. Mit der bekannten Vorrichtung
ist es nicht ohne weiteres möglich, billige feste Brennstoffe, wie unaufbercitete
Kohle, Torf o. d.- .,1., für
den Betrieb von Wärmekraftanlagen zu
verwenden.
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Auf der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. i eine Einrichtung,
bei welcher durch die Abgase des Erhitzers vorgewärmte Frischluft dem Brenner des
Erhitzers zugeführt wird, und Fig. 2 eine Einrichtung, bei welcher durch die Abgase
des Erhitzers vorgewärmte Frischluft in den Gaserzeuger gelangt.
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i bezeichnet einen Erhitzer, in welchem ein einen geschlossenen Kreislauf
unter Überdruck beschreibendes Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, einer Wärmekraftanlage
zu erhitzen ist. Die eigentliche Erhitzung des Arbeitsmittels erfolgt in einem Röhrenwärmeaustauscher
2, welcher von Feuergasen, die in weiter unten beschriebener Weise erzeugt werden,
umspült wird. Die Erhitzung des Arbeitsmittels wird im Erhitzer i vorteilhaft auf
mindestens 500° C getrieben. Das so erhitzte Arbeitsmittel gelangt durch
eine Leitung 3 in eine Turbine q., in der es unter Arbeitsabgabe an eine Maschine
5, die zum Beispiel als Stromerzeuger ausgebildet sein kann, expandiert. Die Turbine
q. treibt gleichzeitig auch einen Kreiselverdichter 6 an. Der aus der Turbine q.
strömende, expandierte Teil des Arbeitsmittels gelangt durch eine Leitung 7 in einen
als Gegenstromapparat ausgebildeten Wärmeaustauscher 8, in dem er Wärme an denjenigen
Teil des Arbeitsmittels höheren Druckes abgibt, welcher durch eine Leitung g aus
dem Verdichter 6 in diesen Röhrenwärmeaustauscher 8 gelangt. Der expandierte Teil
des Arbeitsmittels gelangt, nachdem er im Wärmeaustauscher 8 Wärme abgegeben hat,
durch eine Leitung io in den Verdichter 6, während der Teil des Arbeitsmittels höheren
Druckes, welcher im Wärmeaustauscher 8 Wärme aufgenommen hat, durch eine Leitung
i i in den Röhrenwärmeaustauscher 2 des Erhitzers i gelangt. 12 bezeichnet einen
Gaserzeuger an sich bekann= ter Bauart, dem Frischluft durch eine Leitung 17 zuströmt.
Das in, diesem Gaserzeuger erzeugte Gas gelangt durch @einie Leitung 14, 'in welche
ein Regelventil 15 eingebaut ist, zu einem Brenner 16, dem ferner in einer Leitung
13 vorgewärmte Frischluft zugeführt wird. Das Gemisch von Generatorgas und vorgewärmter
Frischluft wird im Erhitzer i verbrannt und liefert die für die Erhitzung des Arbeitsmittels
der Wärmekraftanlage benötigten Feuergase. Die Abgase des Erhitzers i gelangen durch
eine Leitung 18 in einen Wärmeaustauscher ig, in dem sie ihre Restwärme an die durch
die Leitung 13 dem Brenner 16 zuströmende Frischluf abgeben. Die Abgase strömen
aus dem Wärmeaustauscher i g durch eine Leitung 21 ab, in welche ein in der Fördermenge
regelbares Saugzuggebläse 22 eingebaut ist. Das Saugzwggebläsa 22 bewirkt über dan
Wärmeaustauscher ig und die Leitung 18 auch ein Absaugen der Abgase aus dem Erhitzer
i. Durch Regelung der Fördermenge dieses Saugzuggebläses 22 ist es möglich, die
im Gaserzeuger 12 erzeugte Gasmenge zu beeinflussen, da die dem Gaserzeuger durch
die Leitung 17 zuströmende Frischluftmenge vom Gang des Saugzuggebläses 22 abhängt
und die in einem Gaserzeuger erzeugte Gasmenge sich bekanntlich lediglich durch
Änderung der durch dessen Kohlenrost durchgesaugten Luftmenge ändern läßt. Daneben
läßt sich die vom Gaserzeuger 12 erzeugte Gasmenge auch. noch mit Hilfe der Regelvorrichtung
15 in der Zuleitung 1.4 zu dem Brenner 16 des Erhitzers i augenblicklich rasch regeln.
Die Regelung der Fördermenge des Saugzuggebläses 22 oder die Einstellung der Vorrichtung
15 erfolgt unter Einwirkung der Dichte und damit des Druckes des umlaufenden Arbeitsmittels.
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Die in Fig.2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der zuerst
beschriebenen lediglich dadurch, daß die in einem Wärmeaustauscher 23 durch die
Abgase des Erhitzers 24 vorgewärmte Frischluft nicht dem Brenner 27 des Erhitzers
24, sondern durch eine Leitung 26 dem Gaserzeuger 25 zugeführt wird. Das in letzterem
erzeugte Gas gelangt in einer Leitung 28 mit eingebauter Regelvorrichtung 29 zum
Brenner 27, in welchem es sich mit der durch eine Leitung 3o zuströmenden Frischluft
mischt, um das im Erhitzer 24 zu verbrennende Gemisch zu liefern.
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Gew ünschtenfalls kann nur ein Teil der Restwärme der aus dem Erhitzer
abziehenden Verbrennungsgase zum Vorwärmen der im Gaserzeuger bzw. der im Erhitzer
benötigten Verbrennungsluft verwendet werden. Ein Teil dieser Restwärme kann auch
in einer weiteren Wärmeaustauschvorrichtung für. die Gewinnung von Leistung, für
Heizzwecke u. dgl. ausgenutzt werden. Wenn auf Wärmewirtschaftlichkeit kein besonderer
Wert gelegt wird, so kann von einer Vorwärmung der benötigten Frischluft durch die
Abgase des Erhitzers Abstand genommen werden. In einem solchen Falle kann dann die
Abwärme des Erhitzers zu beliebigen anderen Heiz-oder Vorwärmezwecken benutzt werden.
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An Stelle eines Saugzuggebläses, welches vorerst Frischluft durch
den Rost des Gasgenerators und hierauf die erzeugten Gase durch den Erhitzer saugt,
kann auch ein in
seiner Fördermenge regelbares Druckgebläse vorgesehen
werden, welches die im Gaserzeuger benötigte Frischluft diesem zuführt und alsdann
bewirkt, daß die erzeugten Generatorgase durch den Erhitzer getrieben werden.