DE834795C - Waermekraftanlage mit Gasturbine und fluessigem Waermeuebertragungsmittel im geschlossenen Kreislauf - Google Patents

Description

• Wärmekraftanlage mit Gasturbine und flüssigem Wärmeübertragungsmittel im geschlossenen Kreislauf Die l:rfitidtitig betriftt Wärmekraftanlagen, bei denen <las Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf umläuft. zu dem mindestens ein Kompressor gehrt, der von einer Turbine angetrieben wird und der weiter mindestens einen Wärmeaustauscher enthält, in dem Wärme auf das Arbeitsmittel übertragen wird.
• Die Erfindung betrifft insbesondere die \\'ärmeaustauscher in solchen Anlagen. Sie bezweckt, die bekannten 0i>erfläc'lienaustauscher, bei denen z. B. Wärme von Verbrennungsgasen oder einer anderen äußeren Wärmequelle durch 'Metallwände auf das Arheitsmittel übertragen wird, zu ersetzen. Bei Kraftanlagen dieser Art, bei welchen derartige N"irmeatistattsclier verwendet wurden, sind die Metallwinde des Eingangserhitzers, in welchem die Wärme auf das Arbeitsmittel von einer äußeren Quelle übertragen wird, im Inneren dem vollen Druck des Arbeitsmittels ausgesetzt. Das ergibt infolge des geringen Unterschiedes zwischen der Temperatur, auf die das Arbeitsmittel erwärmt werden mußte, und der für die Rohre des Wärmeaustauschers zulässigen Temperatur viele Fragen.
• Dieser Temperaturunterschied muß indessen wegen der geringen Leitfähigkeit des das Arbeitsmittel bildenden Gases beträchtlich sein, um eine angemessene Wärmeübertragung zu erzielen. Weiter besteht die Gefahr, daß die' Temperatur einiger Rohre des Wärmeaustauschers bei einem Anwachsen des lokalen Wärmestromes weit höher ansteigt a15 in einem Dampferzeuger, was z.13. infolge einer Änderung in der Wärmezufuhr von der äußeren Quelle her eintreten kann. Auf diese Weise können Cherhitzung und Beschädigung der Rohre od. dgl. schon aus verhältnismäßig geringem Anlaß eintreten.
• Nach der Erfindung wird die Erwärmung des gasförmigen Arbeitsmittels mit Hilfe eines flüssigen Wärmeübertragungsmittels bewirkt, (las unter den .\rbeitsbedingungen so gut wie inert gegenüber dein Arbeitsmittel ist und das selbst von einer Wärmequelle geheizt wird, die außerhalb des geschlossenen Kreislaufs liegt und ferner derart in unmittelbare Berührung mit dem Arbeitsmittel gebracht wird, claß die Wärme vom Wärmeübertragunginittel unmittelbar auf das Arbeitsmittel übertragen wird. Das verwendete Wärmeübertragungsmittel ist z. 13. ein geschmolzenes Metall oder eine geschmolzene \letallegierung. Dieses Wärmeübertragungsmittel wird vorzugsweise unter niedrigem Druck in einem ()berflächenwä rmeaustatischer außerhalb des geschlossenen Umlaufes des Arbeitsmittels in der Kraftanlage erwärmt, in welche (las \Vä rineiil)ertragungsmittel dann unter wesentlich höherem Druck eingeführt wird. Nachdem es Wärnie all (las Arleitsinittel abgegeben hat, wird (las Wärineül)ertragungsmittel dazu benutzt, Wärine aus den eine Turbine der Anlage verlassenden Abgasen aufzunehmen, bevor es zum Wiedererwä rmen durch die äußere Wärmeduelle zurückgeführt wird. Diese 1?rw@irrnung des Wärmeübertragungsmittels durch eine äußere Wärmequelle kann in verschiedener Weise erfolgen, z. B. durch eine im Kreislauf strömende Flüssigkeit, die ihrerseits durch unmittelbare oder mittelbäre Berührung mit Verbrennungsgasen irgendeiner Wärmequelle erwärmt wird.
• Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Heißgasturbinenanlage, bei der die Erfindung verwendet wird.
• Bei dieser .Ausführungsforti kann als Arbeit@-mittel beispielsweise Stickstoff verwendet werden, während als Wärmeübertragungsmittel z. B. geschmolzenes Gallium benutzt wird, das im folgenden oft als Metall bezeichnet wird.
• Das Gallium befindet sich in einerRohrschlange.4, die in einem Gehäuse B angeordnet ist und z. B. von einem Brenner C beheizt wird. Luft tritt in das Gehäuse 13 durch ein Rohr B', und die heißen Gase treten bei B2 aus, nachdem sie die Rohrschlange bespült haben. Vorteilhaft werden die eintretende Luft und die austretenden heißen Gase durch einen \\''ärnieaustausclier D geleitet, der als Drehkörper gebaut sein kann, in (lern die heißen Gase durch eine 1-ioltlforin aus wärmeübertragendem \Verkstoff strömen, auf den die Wärme übertragen wird, wobei die Wärme dann auf die bei 13t eintretende Luft übergebt, wenn sie in entgegengesetzter Richtung im \Vä rmeaustauscher D durch die Holilforin strömt.
• Das geschmolzene Metall wird aus der 1Zolirschlange .4 durch eine Pumpe .4t über eine Düse _4' in Form eines Sprühregens abgegeben, der nach unten in einen Rieselerhitzer E für die 2\rl)eitsgase geleitet wird. Der voll einem clilrc,li eine Gasturbine C angetriebenen Kompressor P gelieferte

  Stickstoff strömt durch cin kohr 11 in den unteren

  Teil des Rieselerliitzcrs l:, in dein es im Gegenstrom

  zu den nach unten gerichteten Sprühstrahlen des

  austretenden geschmolzenen Gallitiins aus der

  Düse .-12 nach oben strömt.

  Vom oberen Teil des Rieselerliitzers l: strömt (las

  erwärmte Gas durch citi Rohr Ei in einen Ab-

  scheider 1, in welchem etwa noch initgefiihrtes

  Metall abgeschieden wird. Dieses läuft durch ein

  Rohr E' in den 1Zieselerhitzer l: zurück und fällt

  dort zu Boden, wo auch das von der Düse .1=

  kommende 'Metall sich ansammelt.

  Das vorn Kompressor l' kommende, ini Hrhitzer 1:

  erwärmte Gas (der Stickstoff) steht unter einem

  erheblichen Druck und wird <furch ein IZolir K einer

  Turbine G

  die, wie ei-\v:ilitit, den K(lln-

  pressor 1# antreibt.

  Weiter ist ein 1Zieselkiiiilei- 1_ für die .\rl>eitsgasc

  vorgesehen. I )er die Turbine G verlassende Stick-

  stoff wird durch ein kolir Lt in dun unteren Teil des

  Rieselkühlers L geführt, in (lein (las (las ini Gegen-

  strom ztt den nach tiiiteii ge#i-icliteteii Sprühstrahlen

  geschmolzenen 'letalls aufwärts striinit, <las aus

  einer Düse M in den IZieselkühler 1. gespitzt wird.

  der das unten in, 1?rhitzer l: angesammelte 'letal'

  z. 13. durch Schwerewirkung oller auf andere Weise

  durch ein 1Zolir E:3 zugeführt wird. DieTeinperatur

  des geschmolzenen \letalls (Galltilin) ist niedriger

  als die des in den 11Iiililei- 1. eintretenden Stickstoffes.

  so daß das Gas durch (las \letall ;;ekii)ilt wird. Der

  so teilweise (furch (las Gallium ini kieselkühler I_

  abgekühlte Stickstoff wird durch ein 1Zohr .11t in

  eineu \\'ürmeaustausclicr X geführt. durch den

  Wasser striinit, (las ])ei 0 ein- und bei 01 austritt.

  Die Temperatur cks Stickstoffes wird in (fiesem

  Wärmeaustauscher weiter verringert, so (laß sie auf

  den niedrigst möglichen Wert gebracht wird, ehe

  das Gas durch (las 1Zolir .\-t dein Kompress(»- h zu-

  strömt.

  Das geschmolzene 'letall wird unten itn Riesel-

  kühler L angesammelt und durch ein lZohr 1.2 den,

  oberen Ende der 1Zolirsclilange .-1 zugeführt. in der

  es wieder erwärmt wird.

  Wie ersichtlich, kamt die .\i-lteits- oller Wirkungs-

  weise der Eingati;gsei-würiner .-1, h, iti welchen (las

  Gallium oder ein anderes \\':irnieiil)erti-agurigsinittel

  erwärmt wird, zusammen mit der des Riesel-

  erhitzers E als gleichwertig derienigen einer C)ber-

  Ilächenwä rnieaustauschanlage angesehen «-erden.

  wie sie sollst meist iii bekannten .\tilageti (fieser Art

  verwendet wird, tim die Anfangserwärmung des

  _\rl)eitsinittels von eitler ihißeren Wärmeduelle

  durchzuführen. I)er niitei-c Teil lies fZiesel-

  et'hitzers E, in dein sich (las \\''ärineiil)et-tragtings-

  inittel ansammelt, arbeitet in \'erl)indutig n,it dein

  lZieselkiihler I_ als IZegenerator. Wenn erwünscht,

  können die Ftliil<tiolieii des IZieselerliitzers /? atif

  zwei Erhitzer verteilt werden. wobei in dein einett

  (las Gas ini Gegenstrom zum \\'<irineiil)erti-a.gttngs-

  mittel aus dein 1'.ingangserw;irmer _-1. h strömt,

  während in dein anderen (las Gas (itircii eine atis dein

  Rieselkiihler 1. k(»nni(n(1 1 lüssigkeit erw:irnit

  \v i r (l .

  Die Vorteile einer Wärmekraftanlage nach der Erfindung sind folgende: Der Wärmeübergang von der lleizfläche des Eingangserwärmers .-i. R auf das flüssige Wärineiibertragungsmittel, z. I3. Gallium, ist so viel besser als in Ol>erflächenwärmeatistauschern. die in bekannten Wärmekraftanlagen verwendet werden, welche beiderseits mit einem gasförmigen \I ittel arbeiten, (laß die Wandtemperatur im wesentlichen die des flüssigen Wärmeiibertragungsmittels seift wird. Infolgedessen wird eine zufällige örtliche Vberhitzung der Metallwände eine verliültnistniil.iig geringe Wirkung auf die Temperatur dieser Wiinde ausüben. Dieses Freisein von lrl>ci-liitzung ennciglicht es, die Wärtneiibertragungsflächen des liingangserw-äriners _-I dadurch zti verringern. (laß nian vollen Gebrauch von der Strahlung der \'crl)reniitingsl>i-o(itikte des Brenners C macht. 1)a das Würmeübertragungsmittel in der Rohrschlange --1 hei niedrigem Druck erwärmt wird, im Vergleich zu dem Druck bis zu 20 Atü in bekannten \\'iirnieaiilageu, die beiderseits gasförnnige Mittel verwenden, werden die :Metallwände des Wärmeaustauschers nur wenig beatispruclit.
• Dadurch, (laß der IZieselerliitzer E und der Rieselkühler 1. voegeseheu sind, ist die Verwendung einer großen \\'iirnieül>ertragungsfläclie auf kleinen Raum für die \\'ürineiil>ertragtitig zwischen dem Wärmeübertragttngsinittel und denn gasförmigen Arbeits@ mittel ermöglicht. Das Arbeiten des Rieselerhitzers und des Rieselkühlers wird durch die im allgemeinen große Dichte der in ihnen verwendeten Flüssigkeiten erleichtert, wodurch die zulässige Leistung für eine Erhitzer- 1>zw. Kühlereinheit vergrößert wird. Der Kühler 1. und der Erhitzer E ersetzen die mit komprimierten :Altgasen arbeitenden Wärmeaustauscher ebenso wie die 7?ingangsgaserw,ärnier. Außer dem Austatischer A werden in einer Anlage nach Erfindung nur der wassergekühlte Wärmeaustauscher 111 und irgendein Zwischenkühler, den man zu verwenden für richtig findet, als rohrförmige oder 1'lattenoberflächenwärmeatistauscher verwendet, und können kleine bei niedriger Temperatur arbeitende Einheiten sein.
• In dein als alwasbeheizten Wärmeaustauscher zuni \'orw-:irmen des Wärnieübertragungsmittels wirkenden Rieselkiihler 1- und im Rieselerhitzer F_ wird (las Wärmeübertragungsmittel im Gegenstrom zum :\rl)eitsgas geführt. so daß jedes Teilchen des \\'ärineatistauschmittels zwischen den Vorrichtungen l; und L eine höchste und eine niedrigste Temperatur durchläuft, die annähernd gleich der höchsten und der niedrigsten Temperatur im geschlossenen Kreislauf des Arbeitsgases sind.
• Die Vorrichtungen E und 1_ wirken also zusammen in ähnlicher Weise wie ein üblicher Regenerator, nur ist im vorliegenden Fall die feste Regeneratorfüllung (furch die eingesprühte Flüssigkeit ersetzt. Dieses flüssige Metall gibt in dem Vorrichtungsteil E Wärme an das Gas ab, während es in dem Vorrichtungsteil L \\'ärme aus dem Gas aufnimmt in ähnlicher Weise, wie es die feste wärmeaustauschende Füllung eines üblichen Regenerators tut, nur ist jetzt infolge der Gegenstromführung des Wärmeübertragungsmittels zum Arbeitsgas und deren unmittelbare Berührung miteinander der Wärmeübergangsgrad der Vorrichtungen E und I_ zusammen im Vergleich zum üblichen Regenerator mit feststehender Regeneratorfüllung verbessert. Die zu pumpende Flüssigkeitsmenge ist gering, und offensichtlich ergibt sich kein Abblaseverlust. Die Wiedererwärmung kann leicht so durchgeführt werden, daß man einen Teil der ;heißen Flüssigkeit zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbinen einem zweiten Erhitzer zufuhrt, wenn diese Turbinen verwendet werden.
• "Zusätzlich zu diesen Vorteilen hat die Erfindung diejenigen Vorteile, welche einem geschlossenen Luftturbinenkraftwerk innewohnen.
• Hinsichtlich des Wärmeübertragungsmittels kann man im allgemeinen folgende Forderungenstellen: i. Es soll das Metall des Ei-ngangser,%-ärmers bis zu Temperaturen der Größenordnung 750' C nicht angreifen: 2. es soll sich bis zu einer Temperatur der Größenordnung 75o° C nicht zersetzen; 3. es soll mit dem Arbeitsmittel, d. h. vorzugsweise mit Stickstoff, nicht reagieren; 4. es soll einen niedrigen Schmelzpunkt haben, vorzugsweise etwa 75° C oder weniger, um die Anlage möglichst leicht anlaufen lassen zu können. Diese obere Grenze für den Schmelzpunkt ist erwünscht, um das System auftauen zu können, und zwar mit Hilfe von Dampf, wenn die Anlage stillgelegt war; 5. das Mittel darf nicht entzündbar und auch nicht giftig sein; 6. erwünscht ist ein hoher Siedepunkt der Flüssigkeit, um die Dampfmitnahme zu verringern. Der Siedepunkt soll etwa goo° C oder mehr betragen; 7. eine holte Wärmeleitfähigkeit ist erwünscht; B. eine hohe Dichte ist erwünscht, um die Trennung im Rieselerhitzer oder Rieselkühler zwischen Gas und Sprühsträhl zu erleichtern.
• In manchen Fällen kann man jedoch ein flüssiges Wärmeübertragungsmittel verwenden, das nicht alle diese Forderungen erfüllt.
• Als Werkstoffe zur Verwendung in einer Anlage nach der Erfindung kommen in Betracht a) Metalle, b) Salze. Die Vorteile des bevorzugten Metalls Gallium sind die folgenden: Schmelzpunkt etwa bei 30° C, Siedepunkt etwa bei i8ooc C. Dichte ungefähr 6, Neigung zum Oxydieren gering.
• Weiter kann man Metallegierungen, z. B. schmelzbare. Legierungen, wie Woods Metall, verwenden. M'eiter kann man Alkalimetalle, insbesondere Natrium und Kalium benutzen, da diiese den Vorteil geringer Kosten und des geringen Angreifens der Eisenmetalle haben. Legierungen dieser beiden Metalle haben die richtigen Schmelzpunkte. Zum Beispiel kann eine Legierung benutzt werden mit etwa 5o bis 6o% Natrium und 5o bis 4o% Kalium sowie mit einem Schmelzpunkt von etwa 2o° C. Wenn auch eine Natrium-Kalium-Legierung niicht alle die eben genannten Erfordernisse erfüllt, kann sie gleichwohl verwendet werden. Schmelzbare Metallegierungen, die Quecksilber enthalten, sind wegen ihrer Flüchtigkeit unerwünscht, ebenso wie solche mit hohem Wismutgehalt wegen ihrer Ausdehnung beim Festwerden mit der daraus folgenden Gefahr von Rohrbrüchen beine .\I>kiihlen der Anlage.
• Wird ein Stoff verwendet, der sich beim Gefrieren ausdehnt, können die schädlichen M'irkungen der .\tls(lellllnllg z. B. durch eines der folgenden Verfahren vermieden werden: a) Einfügen eines inneren abgeflachten Rohres ;ins dünnem Metall in die Rohre, wobei das eingefügte abgeflachte Rohr die Ausdehnung aufnimmt. Ohne (las Hauptrohr übermäßig zu beanspruchen ()der (las abgeflachte Rohr ständig außer Forni zu bringen. Wird ein solches inneres Rohr benutzt, kann nian es auch zur Aufnahme voll Dampf verwenden. der nach einem Stilliegen der Anlage zum Auftauen verwendet werden soll; b) Anordnung einer Einrichtung in der Anlage, durch welche das ganze, das Wärmeühertragungsmittel bildende Metall in einen Sumpf abgezogen wird, der mit Heizrohren versehen ist, damit es beim Wiederanlaufen der Anlage wieder geschmolzen werden kann.
• Als gasförmiges Arbeitsmittel ist Luft unerwünscht, da sie die Oxydation des flüssigen Arbeitsmittels und/oder die der Metallwände der Erhitzer und Kühler und der Rohre hervorrufen kann.
• :\rgon wäre geeignet, ist aber praktisch wegen seiner Kosten kaum verwendbar, da ein gewisser Leckverlust des Arbeitsmittels unvermeidbar ist. Der leicht beschaffbare Stickstoff ist geeignet und passend.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmekraftanlage, bei der ein gasförmiges Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf umläuft, mit wenigstens einem von einerTurbine angetriebenen Kompressor und einem Erhitzer zum Erhitzen des Arbeitsmittels, dadurch ge- kennzeichnet. dal.i (las I:rllitzeil des .\rl)eits- mittels mit Hilfe eines flüssigen Wärmeiil>er- tragungsmittels durchgeführt "wird. das im wesentlichen liiert geg°niiber dem Arbeitsmittel unter den Arbeitsl).cdin-ungen istunddas seiner- seits durch eine \\'iirme(luelle erwärmt wird. die außerhalb des geschlossenen Gaskreislaufes liegt, das ferner in tmmittlbare Berührung mit (lein :\rbeitsmittel derart gebracht wird, daß die Wärnie auf das :\rireitsmittel unmittelbar vorn Wärmeiibertragungsmittel übertragen wird. 2. \\"ärmekraftanlagc nach .\nslrrtich i. da- durch gekeinizeichnet. (lal.i (las \\'ärnieiil>er- tragutigsrnittel in einem Oberfläcüenwärme- austauscher bei niedrigem 1 )ruck erwärmt und dann in den geschlossenen :\rl)eitsgaskreislauf bei wesentlich höherem Druck eingeführt wird. 3. Wärmekraftanlage nach .-\nspruch i oder 2. dadurch gek°nirzeicliiiet, daß das Wä rmeül>er- trä:gungsntittel. nachdem es Wärme all das .\rl)eitstnittel ül)ertrageu hat, in unmittelbare Berührung mit (lein von einer Turbilie der Ali- lage abströmenden .\rl)eitsrnittel gebracht wird, wodurch (las \\'ärineiil)ertragtitigstnittel aus diesem :\bga> Wärme autnininit, ehe es durch die äußere Wärtnequelle wieder erwärmt wird. d. Wärmekraftanlage nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeits- mittel in Berührung finit dein \V\'ärmeüber- tragungsmittel in einem oder mehreren Erhitzern und Kühlern gebracht wird, die sämtlich oder zum Teil als offene Wärnieaustauschvorrichtung mit unmittelbarer Berührung der beiden Wärme- austauschmittel ausgebildet sind, wobei die beiden Mittel im (@egciisti-oni geführt werden. 3. Wärmekraftanlage nach Anspruch r bis .l. dadurch gekennzeicliuet, daß auch (las Wärme- übertragungsmittel die _\nlage in einem ge- schlossenen Kreislauf (hirchströint.