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Verfahren und Anlage zur Ausnutzung der Energie, die in brennbaren,
aus Gasgeneratoren, chemischen Apparaturen u. dgl. anfallenden Gasen enthalten ist
In vielen industriellen Betrieben werden brennbare Gase als Haupt- oder Nebenprodukte
erzeugt, wobei sie häufig; mit relativ hoher Temperatur anfallen. Bei ihrer Weiterförderung
und allenfalls auch zwecks Reinigung werden solche Gase meistens abgekühlt. ohne
daß sich dabei deren fühlbare Wärme verwerten läßt.
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Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren und eine Anlage zur Ausnutzung
der Energie, die in brennbaren, aus Gasgeneratoren, chemischen Apparaten u. dgl.
anfallenden Gasen enthalten ist.
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Zweck der Erfindung ist, die Verwertung der Energie, d. h. der fühlbaren
und der Verbrennungswärme in Gasturbinenanlagen von der Bauart zu ermöglichen, bei
der das Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf arbeitet und mittelbar, d.
h. durch Zufuhr von Wärme durch Wandungen hindurch, erhitzt wird. In einer Anlage
dieser Art gibt äeiiiiilj der I:i-findulig mindestens ein Teil der allfallenden
Gase in einem Oberflächenwärmeaustatischer fühlbare Wärme an mindestens einen Teil
des im geschlossenen Kreislauf arbeitenden Älediums ab. Diesem Medium wird dann
an einer anderen Stelle seines Weges in einem Oberflächenerhitzer, in welchem ein
Anteil der anfallenden Gase verbrannt wird, eine weitere aus der Verbrennung stammende
Wärmemenge zugeführt, und zwar vorzugsweise die Wärmemenge, welche es noch erfordert,
damit das im geschlossenen Kreislauf arbeitende NkIedium vor der Turbine eine vorgeschriebene
Temperatur aufweist.
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Auf der "Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen desErfindungsgegenstandes
in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. r eine Anlage,
in der die anfallenden brennbaren
Gase restlos durch einen Oberflächenwärmeaustauscher
gehen, während von dem in einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden Medium nur ein
Teil durch diesen Vorwärmer geht, und Fig. 2 eine Anlage, in der die Strömungsverhältnisse
in bezug auf den Oberflächenwärmeaustauscher gerade umgekehrt als bei der Anlage
nach Fig. i sind.
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In Fig. i bezeichnet i einen aufgeladenen Gasgenerator, d. h. einen
Generator, in dessen Vergasungsschacht die Gaserzeugung unter einem Druck vor sich
geht, der über dem Atmosphärendruck liegt. Die für die Gaserzeugung benötigte Luft
wird dem Generator i von einem Verdichter 2 geliefert, der sie aus der Umgebung
ansaugt und in eine an -,Jeti. Generator i angeschlossene Leitung 21 fördert. '
3,15ezeichnet einen Oberflächenwärmeaustauscher; in 'den alle im Gasgenerator i
erzeugten brennbaren Gase durch eine Leitung 4 gelangen. 5 bezeichnet ,eipe Turbine
einer Gasturbinenanlage, in welcher `das arbeitende Medium einen geschlossenen Kreislauf
durchläuft. Zu dieser Anlage gehört ferner ein Verdichter 6, der das in der Turbine
5 entspannte Gas wieder auf -einen höheren Druck bringt und alsdann in eine
Leitung 7 fördert. Diese Leitung 7 unterteilt sich an der Stelle 8 in zwei Zweige
9 und io. Der Zweig ist an den Wärmeaustauscher 3 angeschlossen, und der in letzteren
durch den Zweig 9 gelangende Teil des in einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden
Mediums nimmt im Wärmeaustauscher 3 Wärme von den diesen durchströmenden, vom Gasgenerator
i anfallenden heißen Gasen auf und gelangt nach der dabei erfolgten Erhitzung in
eine Leitung iol, die an den Eintrittsstutzen der Turbine 5 angeschlossen ist.
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Der erwähnte Leitungszweig io ist an das Heizsystem i i eines Oberflächenerhitzers
12 angeschlossen. Eine Leitung 13 stellt eine Verbindung zwischen dem Heizsystem
i i und der bereits erwähnten Leitung iol her. Die das Heizsystem ii und den Oberflächenwärmeaustauscher
3 durchströmenden Teilströme des im geschlossenen Kreislauf arbeitenden Mediums
sind somit parallel geschaltet. Im Oberflächenerhitzer 12 wird ein Teil der aus
dem Wärmeaustauscher 3 austretenden brennbaren Generatorgase verbrannt, damit an
dieser Stelle des Weges, den das im geschlossenen Kreislauf arbeitende -Medium durchläuft,
diesem Medium eine weitere Wärmemenge zugeführt werden kann. Letztere wird vorzugsweise
der Wärmemenge entsprechen, die es noch erfordert, damit das betreffende Medium
vor der Turbine 5 eine vorgeschriebene Temperatur aufweist. Der übrige Teil des
aus dem Oberflächenwärmeaustauscher 3 austretenden Anfallgases strömt durch eine
Leitung 14 einer nicht gezeigten Verbrauchsstelle zu.
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Die Turbine 5 treibt den Verdichter 2 an, der die zum Aufladen des
Gasgenerators i und zur Vergasung benötigte Luft fördert. Bei der beschriebenen
Anlage wird somit fühlbare Wärme, die in den brennbaren, aus dem Gasgenerator i
anfallenden Gasen enthalten ist, zur Erzeugung mechanischer Energie ausgenutzt.
Um eine Anpassung an den eventuell veränderlichen Leistungsbedarf des von der Turbine
5 angetriebenen Energieverbrauchers 2 zu ermöglichen, ist in die Leitung 15, durch
welche anfallende Generatorgase dem Oberflächenerhitzer 12 zuströmen, ein Regulierorgan
16 eingebaut, so daß sich der in den Oberflächenerhitzer 12 gelangende Anteil anfallender
brennbarer Gase dem erwähnten Leistungsbedarf anpassen und der Erhitzungsgrad des
durch das Heizsystem i i strömenden Anteils des im geschlossenen Kreislauf arbeitenden
Mediums somit beherschen läßt.
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Bei der beschriebenen Anlage ist die Ausnutzung der fühlbaren Wärme
anfallender brennbarer Gase in einer Gasturbine auch dann möglich, wenn die erwähnten
Gase einen großen Gehalt anVerunreinigungen aufweisen, was nicht möglich wäre, wenn
die Anlage eine sogenannte offene Gasturbine aufweisen würde, in der mit Hilfe jener
Anfallgase erzeugte Treibgase zu verarbeiten wären. Das hängt damit zusammen, daß
bei einer erfindungsgemäßen Anlage die verunreinigten brennbaren Gase im Oberflächenwärmeaustauscher
3 nur mit der Außenfläche von Wärmeaustauschrohren, die sich verhältnismäßig leicht
reinigen lassen, in Berührung kommen, während bei offenen Gasturbinen die verunreinigten
Treibgase mit der Schaufelung der Turbine direkt in Berührung kommen, wobei infolge
Verschmutzung der Turbine rasch eine Verschlechterung ihres Wirkungsgrades verursacht
wird.
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In der in Fig. 2 gezeigten Anlage sind die Teile, welche denen der
Fig. i entsprechen, mit denselben Bezugszeichen belegt. Bei dieser zweiten Ausführungsform
durchströmt das in einem geschlossenen Kreislauf arbeitende Medium restlos den Oberflächenwärmeaustauscher
3 und wird, nachdem es in diesem Wärme aufgenommen hat, im Heizsystem i i des Oberflächenerhitzers
12 weiter erhitzt, damit es am Eintritt in die Turbine 5 eine vorgeschriebene Temperatur
aufweist. Die dem Gasgenerator i entströmenden Gase durchströmen den Oberflächenwärmeaustauscher
3 nur zum Teil, indem ein Anteil dieser Anfallgase an der Stelle 17 aus der Leitung
4 abgezweigt und durch eine Leitung 18 in den Brennraum des Oberflächenerhitzers
12 übergeführt wird. Ein in die Zweigleitung 18 eingebautes Einstellventil i9 gestattet,
die in den Oberflächenerhitzer 12 gelangende Menge brennbarer Anfallgase zu verändern
und somit die im Heizsystem i i dem im geschlossenen Kreislauf arbeitenden Medium
zugeführte Wärme der vom Verdichter 2 jeweils verbrauchten Energie anzupassen.
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In Fig. 2 sind noch ein von der Turbine 5 angetriebener weiterer \utzleistungsempfänger
20 und ein an den geschlossenen Kreislauf über eine absperrbare Leitung 21 angeschlossener
Arbeitsmittelspeicher 22 gezeigt. 23 bezeichnet eine absperrbare, ein Auslassen
von Medium aus dem Kreislauf gestattende Leitung.-.. Je nach der Größe der von den
\utzleistungsempngern 2 und 20 geforderten Leistungsabgabe wird der Druckpegel im
geschlossenen
Kreislauf durch Einlassen von Arbeitsmittel aus dem Speicher 22 bzw. durch Auslassen
von Arbeitsmittel durch die Leitung 23 geändert. Dabei hat man es in der Hand, mit
Hilfe des Einstellventils 16 bzw. i9 die dem Oberflächenerhitzer i i zuströmende
Menge brennbarer Anfallgase der von der Turbine 5 jeweils abzugebenden Leistung
anzupassen, so daß sich erreichen läßt. daß das im geschlossenen Kreislauf arbeitende
Medium bei allen Belastungen der Anlage am Eintritt in die Turbine 5 die erwünschte
Temperatur aufweist.
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Der Druckpegel im geschlossenen Kreislauf kann auch dadurch geändert
werden, daß in der in Fig. 2 gezeigten Weise durch eine absperrbare Leitung 2-4
zusätzliches Arbeitsmittel aus dem Verdichter 2 abgezapft und an einer Stelle 25
in den Kreislauf eingeführt wird.
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Da der den Oberflächenwärineaustauscher 3 durchströmende Teil des
im geschlossenen Kreislauf arbeitenden Mediums sich unter höherem Druck (z. B. 15
at) befindet, so lassen sich in diesem -#\'ärmeaustausclier günstige Druckverhältnisse
für den Wärineaustatisch und infolgedessen auch wirtschaftlich günstige Abmessungen
erzielen.
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Das im geschlossenen Kreislauf arbeitende Medium kann Luft oder ein
anderes Gas sein, wie z. B. Helium, ein Gemisch auf Heliumbasis, Wasserstoff, Stickstoff.