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Arbeitsverfahren für Wärmekraftanlagen und Wärmekraftanlage Die Erfindung
betrifft ein Arbeitsverfahren für Wärmekraftanlagen, bei welchem eine durch Entspannung
der Gase arbeitende Kraftmaschine, z. B. eine Turbine, mit einem Eintrittsdruck
mittleren Wertes von etwa 2o Atm. betrieben wird.
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Dieses Arbeitsverfahren kennzeichnet sich dadurch, daß eine Hauptkraftmaschine,
die mit Entspannung der Gase arbeitet, unter einem Druck mittleren Wertes von etwa
2o Atm. zum Teil mit zunächst hochverdichteten (etwa auf ioo Atm.) und dann in einer
Hilfskraftmaschine auf den genannten mittleren Wert entspannten Gasen und zum Teil
mit weiteren Gasen betrieben wird, die unmittelbar auf den genannten mittleren Wert
verdichtet werden, wobei die Hilfskraftmaschine dazu dient, mindestens einen Teil
der Verdichter anzutreiben, die zum Verdichten der genannten Gase auf den mittleren
und auf den hohen Druck erforderlich sind.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Wärmekraftanlage für die Ausübung
des vorgenannten Verfahrens.
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Brennkraftmaschinen, insbesondere Freiflugkolbenmaschinen mit Schwingkolben,
können zum Antreiben eines Teiles der Verdichter benutzt werden, wobei letztere
ebenfalls durch Schwingkolbenmaschinen mit Freiflugkolben gebildet sein können.
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Die auf hohen Druck, etwa auf ioo Atm., verdichtete Luft kann zunächst
auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur von etwa 700° C gebracht werden, und zwar
mit Hilfe von Brennkammern, in denen sie als Brennluft dient. Sie wird alsdann in
der Gasmaschine entspannt und erneut auf eine verhältnismäßig
hohe
Temperatur von etwa 700° C gebracht, und zwar wieder in Brennern, in denen die Brennluft
aus dieser Luft und gegebenenfalls aus Zusatzluft mittleren Druckes zusammengesetzt
ist.
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Die auf hohen und mittleren Druck verdichtete Luft kann vor dem Eintreten
in die entsprechenden Brennkammern in den Mänteln der Brennkraft- und Gasmaschinen
zur Kühlung dieser letzteren erwärmt werden, gegebenenfalls auch in einem Wärmeaustauscher,
und zwar dann durch die Auspuffgase der Brennkraftmaschinen, die selbgt hinter dem
Wärmeaustauscher in die entsprechende Stufe der Gasturbine geleitet werden können,
um in dieser Wärmekraft und kinetische Energie abzugeben.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Fig. i ist ein Strömungsschema; Fig.2 ist das Entropiediagramm der
verschiedenen den Kreisprozeß kennzeichnenden Vorgänge; Fig.3 veranschaulicht schematisch
eine praktische Lösung zur Anwendung des Kreisprozesses; Fig. 4 ist ein schematischer
Querschnitt in größerem Maßstab, rechtwinklig zur Achse eines Mehrkolbenverdichters
mit Schwingkolben.
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Die Brennkraftmaschine 2 und die Gasmaschine 3 treiben die Verdichter
4, 5 und 5, 4, welche hochverdichtete Luft von etwa ioo Atm. liefern, die in einer
Brennkammer 14 auf eine hohe Temperatur von etwa 700° C gebracht wird. Diese Gase
werden in der Gasmaschine 3 entspannt. Die auf diese Weise auf einen mittleren Druck
von etwa 2o Atm. entspannten C#ase werden in einer Brennkammer 17 erwärmt, bevor
sie in die Gasturbine i9 eingelassen werden.
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Fig.2 verdeutlicht die Wirkungsweise des Prozesses. In diesem Fall
sind in Wirklichkeit drei Prozesse übereinandergelagert, und zwar: Der mit vollen
Strichen dargestellte Prozeß a b c d e f g h
e' a, der das Verhalten
der auf ioo Atm. verdichteten Luft darstellt, der gestrichelt angedeutete Prozeß
a k j 1 m n a, der das Verhalten der auf 2o Atm. verdichteten Luft darstellt,
wenn diese nicht durch die hochverdichtete Luft gekühlt würde, der punktiert angedeutete
Prozeß a c r s p a, der den Arbeitsprozeß der Brennkraftmaschinen
darstellt.
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Der Klarheit halber sind in das Diagramm die isobaren Linien eingezeichnet,
und für jede ist der entsprechende Druck von etwa ioo Atm., 8o Atm. usw. angegeben.
Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß im ersten mit vollen Strichen gezeichneten
Prozeß die Verdichtung der Luft in zwei Stufen geschieht, und zwar in einer ersten
von i auf io Atm., die durch das Kurvenstück a b dargestellt ist und einer polytropischen
Verdichtung entspricht, die sich der isothermen Verdichtung durch eine Zerstäubung
von Wasser in den Körper der Verdichter während der Verdichtung nähert (an sich
bekanntes Verfahren). Nach dieser ersten Verdichtung wird die auf io Atm. gebrachte
Luft unter den üblichen Verhältnissen zusätzlich gekühlt. Diese Abkühlung ist durch
die Kurve b c der Isobaren dargestellt. Die zweite Stufe verläuft gemäß der polytropischen
Verdichtung c d, und zwar wieder durch Zerstäubung einer gewissen Wassermenge
im Verdichter. Bei dieser zweiten Verdichtung nähert man sich aber mehr der Adiabate,
so daß die Endtemperatur der auf ioo Atm. verdichteten Luft z. B. 15o° C erreicht.
Die Kurve d e der Isobaren entspricht der Erwärmung der Luft, zunächst gegebenenfalls
durch die Kühlmäntel der Kraftmaschinen und des von den Auspuffgasen der Motoren
geheizten Wärmeaustauschers, sodann durch die Brennkammern bei einem Druck von ioo
Atm. Die Adiabate e f entspricht der Entspannung des aus Luft und Gasen bestehenden
Gemisches in den Gasmaschinen, die einen Teil der Verdichter antreiben. Von dem
Punkt f an beginnt die zweite Erwärmung, und der Prozeß verläuft gemäß den Linien
f g h a.
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Beim zweiten, gestrichelt dargestellten Prozeß erkennt man wieder
eine zweistufige Verdichtung, zunächst von i bis 4,4 Atm., a k, sodann von
4,4 auf 2o Atm., j 1, mit Zwischenkühlung, K j. Von l
nach m ist die
Erwärmufig der Luft von 2o Atm. als Beispiel nicht auf 700° C getrieben worden (Endtemperatur
nach dem Mischen mit dem zu erwärmenden Mittel, Punkt g), sondern bis zu dem Wert,
der ohne dieses Mischen erreicht würde, d. h. etwa 120o° C.
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Bei dem dritten, punktiert angedeuteten Prozeß findet man bei
a p den Ladedruck von 3,5 Atm., der adiabatisch in einem besonderen Verdichter
erzeugt wird. Ebenso findet man bei p q die adiabatische Verdichtung bis
zu etwa 8o Atm. im Innern der Brennkraftmaschine. Von q nach r findet die Erwärmung
der Luft und der Verbrennungsgase durch Einspritzen von Brennstoff in die Kraftmaschine
statt. Von r nach s erfolgt die adiabatische Entspannung mit Krafterzeugung. Diese
Kraft dient zum Antreiben eines Teiles der Verdichter. Von s nach p erfolgt der
Auspuff durch den Wärmeaustauscher hindurch. Schließlich findet von p nach
a
die Entspannung der Auspuffgase in der Gasturbine statt.
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Aus dem Entropiediagramm kann man leicht mit den üblichen Adiabaten
den Wert der eingesetzten Energien sowie den Endwirkungsgrad der Vorgänge entnehmen.
Es muß jedoch daran erinnert werden, daß für jeden der drei vorgenannten Prozesse
nicht eine gleiche Luftmasse in Betracht kommt. Die Luftmasse von 2o Atm. hängt
nämlich von der Endtemperatur dieser Luft nach der Erwärmung ab. Je höher die Temperatur,
desto kleiner ist die Luftmasse. Ebenso ist die Luftmasse von 3,5 Atm. unmittelbar
abhängig von der Leistung, die für die Brennkraftmaschinen gewählt wurde. Durch
eine angepaßte Wahl dieser verschiedenen Werte kann man leicht einen Betriebszustand
erreichen, bei welchem die Massen der Zusatzluft von 2o Atm. und der Speiseluft
von 3,5 Atm. jeweils einen Wert haben, der sich im wesentlichen der Hälfte der Luftmasse
von ioo Atm. nähert.
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Vom Standpunkt des Endwirkungsgrades und der Einfachheit der Anlage
aus betrachtet ist es ganz besonders angebracht, Verdichter mit Freiflugkolben und
noch besser mit Schwingkolben anzuwenden. Für den Wirkungsgrad ist es zweckmäßig,
einen
Teil der Wärme zurückzugewinnen, die durch die Kühlung der Mäntel der Brennkraftmaschinen
verlorengeht. Hierzu benutzt man Wasser von genügendem Druck, etwa von 5 Atm., von
dem ein Teil in den Mänteln verdampft wird. In gewissen Fällen kann es auch für
den Endwirkungsgrad angebracht sein, die Kühlung der Mäntel der Brennkraftmaschinen
mit der auf ioo und/oder auf 20:1tin. verdichteten Luft zii be-,virken.
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Fig. 3 zeigt eine Anlage, bei welcher die Verdichter als Schwingkolbenmaschinen
mit Freiflugkolben ausgebildet sind, wobei jeder Verdichter mit zwei treibenden
Kränzen versehen ist, von denen der eine als Brennkraftmaschine ausgebildet ist
und der andere mit den auf ioo Atin. verdichteten Gasen betrieben wird. Jedes Aggregat
besitzt ebenfalls in einem entsprechenden Verhältnis Verdichterkränze für ioo, 2o
und 3,5 Atm.
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Fig. 3 zeigt eine Gruppe von mit vollen Strichen dargestellten ':Maschinen,
die der vorstehenden Beschreibung entsprechen, sowie mehrere gestrichelt angedeutete
Vorrichtungen und Maschinen, die in der weiter unten beschriebenen greise zusätzlich
vorgesehen sein können.
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Man findet dort den zusammengesetzten ''erdicliter mit Freischwingkolben
i, die Schwingkolbenbrennkraftmaschine 2, die Schwingkolbenkraftmaschine 3, die
durch die Gase von ioo Atm. betrieben wird, den Schwingkolbenverdichter 4 für mittleren
Druck, R P, den Schwingkolbenverdichter 5 für Hochdruck, H P.
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Alle Schwingkolbenmaschinen sind mit acht Freischwingkolben versehen.
wie dies in Fig. ,4 für den Mitteldruckverdichter BP dargestellt ist.
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Diese Figur gilt für die Voraussetzung, daß als nicht beschränkendes
Beispiel das Aggregat mit nur einem inneren Schwingkörper versehen ist, der vier
Kolbenkränze trägt, die jeweils mit acht Kolben arbeiten. Die vier Kolbenkränze
arbeiten dabei in einem gemeinsamen Gehäuse mit vier Kränzen von je acht Zellen,
in denen die zugehörigen Kolben schwingen. Für den Kranz BP dienen die Zellen
6 und 6' zur adiabatischen Verdichtung der Ladeluft für die mit 3,5 Atm. betriebenen
Brennkraftmaschinen. Die Zellen 7 und 7' dienen zur ersten polvtropischen Verdichtung
auf 4,4 Atm. der Zusatzluft von 2o Atm. Die Zellen 8, 8', 9, g' dienen zur ersten
polytropischen Verdichtung auf io Atm. der Luft von ioo Atm. Da die Luftmassen von
3.5 und von 2o Atm. in der Regel nicht genau gleich sind der Hälfte der Luftmasse
von ioo Atm., geschieht die Einstellung der Fördermenge der entsprechenden Verdichter
durch geeignete Regelung der jeweiligen toten Räume und, wenn dies nicht genügt,
der radialen Höhe der entsprechenden Zellen.
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Beim Verdichter HP sind unter ähnlichen Verhältnissen vier
Zellen für die zweite polytropische Verdichtung der Zusatzluft von 4,4 auf 2o Atm.
und vier Zellen für die zweite polytropische Verdichtung der Hauptluft von io auf
ioo Atm. vorgesehen.
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Von dieser Voraussetzung ausgehend, sind die verschiedenen Strömungskreise
wie folgt angeordnet: Die auf io Atm. verdichtete Luft geht aus dem Verdichter
BP in den Verdichter HP durch das Rohr io über. Die auf ioo Atm. verdichtete
Luft tritt aus dem Verdichter HP aus, strömt zuerst durch die Mäntel der
Kraftmaschinen, strömt durch die Rohrleitung i i in die Rohre 12 des Wärmeaustauschers,
tritt aus diesem durch die Rohrleitung 13 aus, durchströmt die Brennkammer 14 und
gelangt durch die Rohrleitung 15 in die Kraftmaschine 3. Die auf 2o Atm. entspannten
Gase strömen durch die Rohrleitung 16 aus, werden im Brenner 17 erwärmt und gelangen
durch die Rohrleitung 18 auf die Hochdruckseite der Turbine i9.
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Die auf 4,4 Atm. verdichtete Luft geht vom Verdichter BP durch die
Rohrleitung 20 in den Verdichter HP und tritt aus diesem mit 2o Atm. durch
die Rohrleitung 21 aus. Sie dient dann als Brennluft in der Brennkammer 17 und mischt
sich mit den von dieser Brennkammer erwärmten Gasen.
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Die auf 3,5 Atm. verdichtete Luft tritt aus dem Verdichter
BP durch die Rohrleitung 22 aus und gelangt durch diese in die Brennkraftmaschine
2. Die aus dieser austretenden Verbrennungsgase gelangen durch die Rohrleitung 23
in den Wärmeaustauscher 12. Von diesem ausgehend, gelangt (las Gemisch von Luft
und Verbrennungsgasen durch die Rohrleitung 24 in die entsprechende Stufe der Gasturbine
i9.
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Wenn die Beschreibung der gesamten Anlage umständlich erscheint, so
ist aus den vorstehenden Erklärungen doch ersichtlich, daß die praktische Ausführung
sehr einfach ist.
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Gegebenenfalls, und wenn dies als vorteilhaft angesehen wird, kann
die Anlage in der folgenden Weise ergänzt werden: Zur Erwärmung der Luft auf die
gewünschte Temperatur, wozu nur ein geringer Teil des Sauerstoffs verbraucht wird,
kann die Brennkammer 14 eine größere Brennstoffmenge verbrennen, und die dadurch
erzeugte überschüssige Wärme kann zur Beheizung eines Gleichdruckkessels dienen,
der überhitzten Dampf von ioo Atm. zum Betreiben der Dampfturbine erzeugt.
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Die Brennkammer 17 kann seinerseits auch eine überschüssige Wärmemenge
liefern, und diese Wärme kann in sehr vorteilhafter Weise in einem Gleichdruckkessel
benutzt werden, der den Dampf nach der Entspannung von ioo auf 2o Atm. in der Dampfturbine
neu überhitzt.
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Die entsprechenden Einrichtungen sind gestrichelt angedeutet. 25 ist
der Hauptgleichdruckkessel, 26 der Gleichdruckkessel für die Wiederüberhitzung,
27 ist die Dampfturbine, die beispielsweise mit der Gasturbine auf einer gemeinsamen
Welle sitzt.
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Das aus dem Kondensator durch die Rohrleitung austretende Kondenswasser,
das durch die verschiedenen Zapfdampfwärmer fließt, von denen nur zwei bei 29 und
3o angedeutet sind, gelangt durch die Rohrleitung 31 in den Kessel 25. Der überhitzte
Dampf tritt aus dem Kessel durch die Rohrleitung 32 aus und gelangt durch diese
auf die Hochdruckseite der Dampfturbine. Der in der Turbine entspannte Dampf gelangt
durch die Leitung 33 in den zur Wiederüberhitzung dienenden Kessel 26.
Der
wieder überhitzte Dampf wird durch die Leitung 34 erneut in die Dampfturbine geleitet.
Die Verbrennungsgase des Hauptkessels, die auf ioo Atm. verdichtet sind, werden
durch die Leitung 3; in die Kraftmaschine 3 geleitet. Ebenso werden die Verbrennungsgase
des Wiederüberhitzungskessels durch die Leitung 36 auf die Hochdruckseite der Gasturbine
i9 gebracht.
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Schließlich ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine Zapfstelle für
erwärmtes und auf den gewünschten Druck, z. B. von 5 Atm., gebrachtes Kondenswasser
angegeben, welches Kondenswasser durch die Leitung 37 in den Mantel der Brennkraftmaschine
2 geleitet wird. Der in diesen Mänteln erzeugte Dampf strömt dann durch einen Mantel
38, der das Auspuffrohr 23 umgibt, und wird dadurch überhitzt. Durch die Leitung
39 gelangt der überhitzte Dampf von 5 Atm. in die entsprechende Stufe der Dampfturbine.
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4o und 41 sind die Zuführungsleitungen des Brennstoffes zu den Brennkammern.
Dieser Brennstoff kann flüssig, kolloidförmig oder fest (Staubkohle) sein.
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Wie bereits erwähnt, kann die Kühlung des Mantels der Brennkraftmaschine
2 dadurch geschehen, daß man durch diese MäntelLuft,z.B.von iooAtm., strömen läßt,
bevor diese in den Wärmer gelangt.
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Die restliche Wärme der Auspuffgase der Gasturbine kann natürlich
teilweise zurückgewonnen werden, indem sie zur Erwärmung der Luft oder des Wassers
im Kreisprozeß dient.
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In den Anlagen zur Ausübung des Verfahrens werden die verschiedenen
Verdichter 4, 5 und 5, 4 sowie die am Kreisprozeß beteiligten Hilfskraftmaschinen
2, 3 vorzugsweise zu mechanischen Aggregaten zusammengestellt, die jeweils aus einer
Gaskraftmaschine 3, einer Brennkraftrriaschine 2, einem Hochdruckverdichter 5, 'einem
Mitteldruckverdichter 4 und einem Ladeverdichter (für Niederdruck) für die Brennkraftmaschine
bestehen, wobei jedes dieser Aggregate zusammen mit den Brennkammern 14, 17 und
entsprechenden Wärmeaustauschern 12 schließlich einen Druck- und Heißgaserzeuger
zur Speisung der Gasturbine 19 und gegebenenfalls der Dampfturbine 27 darstellt.