DE815868C

DE815868C - Gasturbine mit Hilfsfluessigkeit

Info

Publication number: DE815868C
Application number: DESCH2465A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl-Ing Schiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-06-07
Filing date: 1950-06-07
Publication date: 1951-10-04

Description

Gasturbine mit Hilfsflüssigkeit Das Hauptziel hei der Entwicklung von 41':irmekrafttnaschinen ist Einfachheit, Leichtigkeit, guter Wirkungsgrad. Es wird heute allgemein versucht, einen diesbezüglichen Fortschritt vor allein auch dadurch zu erreichen, daß immer höhere Spitzentemperaturen verwendet werden. Hierdurch werden aber die Beanspruchungen der Konstruktionsteile immer größer, was letzten Endes auf kosten der Lebensdauer geht. Der Zweck der hier vorgeschlagenen @Värmekraftmaschine ist die Erreichung der ofenerwähnten Ziele bei nur mäßiger Höchsttemperatur, da sie gestattet, einen der idealen thermodynamischen Kreisprozesse, nämlich den -zwischen zwei Isotliermen und zwei Isobaren, weitgehend zu realisieren.
hierfür ist folgendes kennzeichnend: Die Einfachheit wird itt hekantiter `'eise dadurch erreicht, dafl statt iiiii tttt(l her gehender Teile nur umlaufende Teile verwendet werden, also nicht Kolben undzylinder, sondernTurbinen undKreiselpumpen. Das verhältnismäßig geringe Gewicht wird, was ebenfalls bekannt ist, dadurch erzielt, daß das Gas, an dem die Zustandsänderungen vorgenommen werden, schon von Anbeginn unter einer verhältnismäßig hohen Vorspannung steht. Den guten Wirkungsgrad ergibt die neuartige Verdichtung und Entspannung in der Form, daß an strömenden Schwermetallen, die flüssig sind, periodische Druckänderungen vorgenommen werden, während das Arbeitsgas in diesen fein verteilt ist. Wegen der großen spezifischen Wärme des Metalls im Verhältnis ztt der des Gases und wegen der guten Wärmeübergangszahl und der sehr innigen Berührung von Gas und Metall bleibt nämlich dessen Temperatur sowohl bei der Verdichtung als auch bei der Entspannung weitgehend konstant. Zur Veranschaulichung dienen die Abb. I bis III. Abb.I zeigt eine beispielsweise Ausführung, bei der nur die Verdichtung an einem Gas-Schwermetall-Gemisch vorgenommen wird, die Entspannung aber stufenförmig mit jeweiliger Zwischenerhitzung. Abb.II zeigt eine beispielsweise Ausführung, bei der auch die Entspannung am Gas-Schwermetall-Gemischdurchgeführt wird. Abb. III zeigt im P-V-Diagramm den Kreisprozeß, der durch diese Wärmekraftmaschine annähernd verwirklicht werden kann. Es wird dabei ein sauerstofffreies Gas, besonders vorteilhaft wäre Argon, von z. B: 25 ata und 300° Kelvin erst isotherm auf z. B. iooata verdichtet, dann isobar auf 12oo° K erwärmt, dann isotherm auf wieder 25 ata entspannt und schließlich wieder auf 3oo° K isobar abgekühlt, worauf sich der Vorgang wiederholt.
In den Abbildungen bedeutet i Zutrittleitung der Verbrennungsluft, 2 Lufterhitzer, 3 Luftleitung zur Verbrennungskammer, 4 Feuerraum, also Verbrennungskammer, 5 Ofen mit flüssigem Metall, z. B. Blei, gefüllt, 6 Leitung der Abgase, 7 Austrittsleitung der Abgase ins Freie, 8 Brennstoffzufuhrvorrichtung, z. B. Heizölleitung, 9 isolierte Leitung, in der das flüssige Blei infolge der Thermosiphonwirkung, die bei Blei ganz bedeutend stärker als bei Wasser ist, nach oben fließt, io den Ofen mit dem Bleibad und den Heizschlangen, 23, 11 die isolierte Falleitung für das flüssige Schwermetall. Alle bisher erwähnten Teile dienen nur zur übertragung der Wärme, die durch Verbrennung des Brennstoffes entsteht, auf das Gas, das den Kreisprozeß ausführen soll. 12 ein Beruhigungsgefäß, das kaltes Schwermetall enthält, z. B. Woodmetall mit etwas beigemischtem Quecksilber, 13 ein Gegenstromkühler, z. B. mit einer von Kühlwasser durchflossenen Schlange, 42, aus Stahlrohr, 14 Leitung für das kalte Schwermetall, 15 Kreiselpumpe, die wegen des hohen Gewichtes des Schwermetalls schon in einer Stufe und bei kleiner Umfangsgeschwindigkeit dennoch einen sehr hohen Druck liefert, 16 und i9 Leitungen für das kalte Schwermetall, 17 Strahlapparat, in dem das Gas durch den Schwermetallstrahl angesaugt wird, 18 Fangdüse, die aber sehr lang gezogen ist und sich erst verengt und nachher nur so geringfügig erweitert, daß die Druckzunahme über eine große Länge stattfindet und das mitgerissene Gas dabei Gelegenheit hat, die Verdichtungswärme weitgehend an das Schwermetall abzugeben, 2o Leitung für das verdichtete Gas, 21 Gegenstromwärmeaustauscher, in dem das verdichtete kalte Gas (isobar) die Wärme aus dem entspannten noch heißen Gas, ebenfalls isobar, übernimmt, 22 Leitung für das vorgewärmte verdichtete Gas zum Bleibadofen, 23 Heizschlange, im Bleibad liegend, 24 Leitung, natürlich wie alle heißen Teile gut isoliert, zur Turbine, 25 die einzelnen Stufen der Gasturbine, die übliche Bauart hat, 26 Leitung für das entspannte aber noch heiße Gas, 27 Leitung für das weitgehend abgekühlte entspannte Gas zum Strahlapparat, 28 Generator, an dem die Leistung der Anlage entnommen wird, 29 (Abb.II) Steigleitung für das heiße flüssige Blei, 3o Gefäß, das sich allmählich bis zur Turbine hin immer mehr verengt, so daß 'in ihm die Geschwindigkeit des darin fließenden Schwermetalls immer mehr steigert und der Druck demzufolge allmählich fällt, 31 düsenförmige Fortsetzung des Gefäßes 30, 32 Turbine, z. B. nach Art eines Peltonrades, die durch das flüssige Blei beaufschlagt wird, das Gas tritt in sie bereits isotherm entspannt ein, 33 Leitung für das entspannte aber noch heiße Gas, 34 Wärmeaustauscher, ähnlich dem 21 aus Abb. 1, 35 Leitung für das entspannte und weitgehend abgekühlte Gas, 36 Leitung für Abfluß des noch recht heißen, aber nur unter geringerem Druck befindlichen Bleis oder eines anderen Schwermetalls aus der Turbine zur Pumpe 37, 37 Pumpe. die das Blei wieder auf hohen Druck bringt, 38 Leitung, durch die das Blei von der Pumpe wieder in den Ofen 5 gelangen kann, 39 Leitung, durch die das verdichtete, aber noch kalte Gas in den «'ärmeaustauscher 34 gelangt, 4o Leitung, durch die das heiße verdichtete Gas in das Gefäß 30 gelangt, 41 brausenartige Düse, durch die das verdichtete Gas, das einen etwas höheren Druck besitzt als das heiße Blei im Gefäß 30, in das heiße Blei austreten kann, sich mit diesem vermischend, dann wärmeaufnehmend, annähernd isotherm bis zur Turbine hin expandiert.
Bei dieser Anlage sind also eigentlich Kreisläufe verschiedener Stoffe miteinander verkettet. Die Luft tritt bei Leitung i ein und die Abgase, kalt, bei Leitung 7 aus, die Verbrennungswärme an das Blei des Ofens 5 abgebend. Der Kreislauf des heißen Bleis findet nach ,1bb.I durch Thermosiphonwirkung über die Leitungen i i und 9 statt, in Abb. II durch Wirkung der Pumpe 37 über die Leitungen 38, Ofen 5, Leitung 29, Gefäß 30, Düse 31, Turbine 32 und Leitung 36 zurück zur Pumpe 37. Dabei wird die Wärme auf das Gas nach Abb. I in den Heizschlangen 23, nach Abb. 11 im Gefäß 30 übertragen. Die Verdichtung und gleichzeitig die Kühlung des Gases besorgt der Kreislauf des kalten Schwermetalls von Pumpe 15 über die Leitungen 16 und i9, Strahlapparat 17, Fangdüse 18, Beruhigungsgefäß 12, Gegenstromkühler 13 und Leitung i4 zurück zur Pumpe 15. Der Gaskreislauf, der die Leistung der Maschine hervorruft, vollzieht sich nach Abb. I durch Durchlaufen des Verdichters, also den Strahlapparat 17, Fangdüse 18, Leitung 20, Wärmeaustauscher 21, Leitung 22, Heizschlangen 23. Turbinen 25, Wärmeaustauscher 21 zurück zum Verdichter. In Abb. 1I läuft der Gaskreislauf ebenfalls vom Verdichter zum heißen Blei im Gefäß 30 und über die Turbine 32 und Wärmeaustauscher 34 schließlich zum Verdichter zurück. In Abb. I wird die isotherme Entspannung durch stufenförmige adiabatische Entspannung und jedesmalige Zwischenvorwärmung ersetzt. In Abb. I treibt das Gas selbst die Turbine, dagegen nach Abb. 1I praktisch nur mehr das flüssige, durch die Gasexpansion stark beschleunigte Blei. Das Gefäß 30 in Abb. II stellt eigentlich eine Umkehrung eines Strahlapparates dar, denn es ist ein Diffusor, der sich nicht erweitert sondern verengt, statt zu komprimieren läßt sich darin also Gas entspannen. Bemerkenswert ist, daß bei gleicher Leistung die Geschwindigkeit der beweglichen Flüssigkeit in Strahlapparaten bei Verwendung von Schwermetall viel kleiner sein muß als bei Wasser, und daß das Peltonrad bei gleicher Strahlgeschwindigkeit etwa iomal mehr leitet als mit Wasser. Dadurch wird die eben geschilderte Wärmekraftmaschine verhältnismäßig klein und leicht trotz großer Leistung, und als größere Teile verbleiben nur Lufterhitzer, Ofen, \\'iirnieaustatischer. Die Trennung von Gas und Schwermetall findet einwandfrei statt, da ja deren spezifische Gewichte stark unterschiedlich sind. Die benötigten Flächen für Wärmeaustauscher usw. werden recht günstig, wenn als Gas statt Stickstoff ein einatomiges Gas, z. B. Argon, verwendet werden kann. Selbst bei goo° K, also b:i dunkler Kotglut ist der Wirkungsgrad dieser Anlage noch, gegenüber den heute üblichen, hoch.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Erzeugung von mechainscher Energie aus Wärme durch Verwendung von Turbinen mit Hilfsflüssigkeit, wobei eine Gasmenge im geschlossenen Kreislauf einen thermodynamischen Kreisprozeß ausführt, der zwischen zwei Isothermen und zwei Isobaren liegt, wobei die isohare Zustandsänderung durch Verwendung von Wärmeaustauschern erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die isotlierme Verdichtung durch Verwendung eines Strahlapparates (17) mit Schwermetallkreislauf erzielt wird, die annähernd isotherme Entspaniiutig des Gases aber durch mittelbaren (23, 10) oder unmittelbaren (30, .11) Kontakt des Gases mit einem zweiten Schwermetallkreislauf erzielt wird, wobei das Metall des ersten Schwerinetallkreislaufes dauernd gekühlt (13), dasjenige des zweiten Schwermetallkreislaufes dauernd erhitzt (5) wird. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verdichtung des Gases das hierfür benützte Schwermetall aus Woodmetall mit Quecksilberzusatz besteht, welches von einer Kreiselpumpe (15) durch einen Strahlapparat (17), dann durch ein Beruhigungsgefäß (12), dann durch einen Gegenstromkühler (13) der gleichen Pumpe (15) wieder unter dem Druck des Beruhigungsgefäßes (12) zufließt und daß dabei die Fangdüse (18) einen derartigen Querschnitt hat, daß der Druck über ihre ganze Länge gleichmäßig zunimmt, so daß sie sich erst verengt und dann nur wenig und dann erst im zunehmenden Maße immer stärker erweitert. 3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Bleibades (io) durch einen darunterliegenden Ofen (5) erfolgt, wobei der Umlauf des Schwermetalls durch Thermosiphonwirkung hervorgerufen wird (Abb. I). Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Schwermetalls, das nachher in einem Gefäß (30) mit dem Hochdruckgas in direkten Kontakt kommt, in einem Ofen (5) erfolgt, dem das Schwermetall durch eine Pumpe (37) zugeführt wird. 5. Vorrichtung zur annähernd isothermen Expansion von Gasen zwecks Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Gefäß, das sich nach oben verjüngt (30), um schließlich in eine Düse auszulaufen (31), das von heißem Schwermetall durchflossen wird, in der Nähe des größten Querschnitts Hochdruckgas durch Düsen (41) zugeführt wird, wobei dieses Gas einen etwas höheren Druck als das Schwermetall an dieser Stelle hat und daß dieses Gas dann, innig mit dem Schwermetall vermischt, in dem sich verjüngenden Gefäß (30) gleichmäßig expandiert, dessen Fließgeschwindigkeit bis zum Eintritt in die Turbine (32) beschleunigend. 6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung an einer Turbine entnommen wird, die peltonradähnlich (32) gebaut ist, die auf gleicher Welle mit der Kreiselpumpe (37) für das Schwermetall liegt, deren Leistung aber den Kraftbedarf der Pumpe (37) dadurch übertrifft, daß der sie antreibende Schwermetallstrom infolge isothermischer Expansion des ihm zugemischten Gases beschleunigt wird. 7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das _entspannte oder teilweise entspannte Gas aus der Turbine (32) oder unmittelbar davor nach oben abströmt, um nachher in den Wärmeaustauscher (34) zu gelangen, daß aber das Schwermetall nach unten abströmt um nachher zur Kreiselpumpe (37) zu gelangen. B. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwermetallofen (5) ein Wärmeaustauscher (2), zur Übertragung der Wärme des Abgases an die Frischluft, vorgelagert ist.