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Anlage zur Erzeugung von heißen Gasen unter Druck Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Erzeugung von heißen Gasen unter Druck,
beispielsweise zur Erzeugung von Heißwind für Hochöfen. Für derartige Anlagen sind
zahlreiche Vorschläge gemacht worden. Unter den Nachteilen der bekannten Anlagen
ist besonders ihr hoher Preis, ihr Raumbedarf und oft die Kompliziertheit der Anlagen
hervorzuheben.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Anlage zur Erzeugung von
Heißgasen zu schaffen, deren Vorteile in geringen Gestehungs- und Unterhaltungskosten,
einem geringen Raumbedarf, einer großen Einfachheit in der Arbeitsweise und einer
guten Anpassungsfähigkeit im Betrieb liegen. Zu diesem Zweck ist die Anlage gemäß
der Erfindung in der Hauptsache aus Kompressoren, Turbinen und Wärmeaustauschern
aufgebaut, die nach dem Schema der Fig. i gruppiert sind. Das zu erzeugende Heißgas
unter Druck, das im folgenden mit Gas A bezeichnet wird, z. B. Wind für Hochöfen,
wird bei i unter dem Druck P1 durch den Kompressor Cl angesaugt, der es bei 2 auf
einen Druck -P2 verdichtet, der bedeutend höher liegt als der Druck P3, unter dem
es benötigt wird. Das Gas A, das aus dem Kompressor Cl austritt, wird dann in einem
Vorwärmer E erhitzt, aus dem es bei 3 austritt und gelangt dann in einen Vorwärmer
R1, aus dem es bei q. austritt. Darauf findet die Entspannung des Gases vom Druck
P2 auf den
Druck P3 in einer Gasturbine T1 statt, aus der es bei
5 austritt, um eine letzte Erwärmung in einem Vorwärmer R$ zu erfahren, aus dem
es bei 6 austritt, um seinem Verwendungszweck zugeführt zu werden.
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Die Vorwärmer E, R, und R$ werden durch Verbrennungsgase beheizt,
die folgenden Kreislauf nehmen: Die Verbrennungsluft wird bei 7 angesaugt und durch
den Kompressor C$ bei 8 verdichtet, der sie von Atmosphärendruck auf einen Druck
p,' komprimiert, der dicht bei oder gleich dem zuvor definierten Druck P2 ist.
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Die aus dem Kompressor C$ herkommende Verbrennungsluft tritt dann
in die Verbrennungskammer Ch, wo sie mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff zusammentrifft,
der zuvor durch den Apparat C9 auf einen höheren Druck als P$ oder gleich diesem
gebracht worden ist.
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Die Verbrennungsgase, die bei 9 aus der Verbrennungskammer Ch austreten,
erfahren in R,, von wo sie bei io austreten, und darauf in R1, wo sie bei ii austreten,
eine Abkühlung und werden dann in einer Gasturbine T2 vom Druck p$ auf einen Druck
pg entspannt, der in der Nähe von P$ liegt oder gleich diesem Druck ist. Die bei
12 aus der Turbine T$ austretenden Verbrennungsgase werden dann in zwei im wesentlichen
gleiche Teilströme aufgeteilt, von denen der eine in der Gasturbine T,, von 14 auf
15 entspannt wird, während der andere in der Turbine T, von 13 auf 16 entspannt
wird. Die Turbinen T, und T4 vollführen die Entspannung bis in die Nähe des Atmosphärendruckes.
Die Verbrennungsgase, die aus den Turbinen T, und T4 bei 15 und 16 austreten, vereinigen
sich, um bei 17 in den Vorwärmer E einzutreten, in dem sie abgekühlt werden, um
schließlich bei 18 in die Atmosphäre hinauszugelangen.
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Der Kompressor Cl ist mit der Turbine T1 und der Turbine T8 so gekuppelt,
daß ein Wellenstrang I gebildet wird. Der Kompressor C,; der Apparat Cg, die Turbine
T, und die Turbine T4 sind so gekuppelt, daß sie einen Wellenstrang II bilden. Das
Anlassen der Anlage geschieht mittels eines Anlaßmotors d, der auf den Wellenstrang
II arbeitet, wobei der Anlaßschieber V1 geschlossen ist. Sobald die Geschwindigkeit
des Wellenstranges II einen genügenden Wert erreicht hat, löst man die Zündung in
der Verbrennungskammer aus und kuppelt den Motor d von dem Wellenstrang II ab. Diese
klassisch gewordenen Vorgänge können durch irgendeine bekannte Einrichtung ausgelöst
werden. Wenn von- den an dem Wellenstrang II gruppierten Maschinen die normale Geschwindigkeit
erreicht ist, wird der Schieber V, geöffnet, wodurch das Anlassen der an dem Wellenstrang
I gruppierten Apparate auf Grund der Entspannung der Gase in der Turbine T$ bewirkt
wird.
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Die Geschwindigkeitsregulierung des Wellenstranges I wird durch einen
Geschwindigkeitsregler S, vollführt, der einen Schieber VRl einer Umgehungsleitung
für die. in R1 eintretenden verbrannten Gase steuert. Die Öffnung dieses Schiebers
bewirkt nämlich eine Verringerung der Temperatur des Gases A am Eintritt in die
Turbine T1 und demzufolge eine Verringerung der von dieser Turbine aufgebrachten
Leistung, was zur Folge hat, daß sich der Wellenstrang I verlangsamt. Umgekehrt
bewirkt das Schließen, des Schiebers VR, durch den umgekehrten Prözeß die Beschleunigung
der Drehung des Wellenstranges I.
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Die Geschwindigkeitsregulierung des Wellenstranges II geschieht durch
einen GeschwindigkeitsreglerS,, der die Brennstoffzufuhr in die Verbrennungskammer
Ch steuert. Die Verringerung der Brennstoffmenge bewirkt nämlich eine Verringerung
der Temperatur der Verbrennungsgase am Eintritt in die Turbine T2 und demzufolge
eine Verringerung der Leistung dieser Turbine, wodurch die Geschwindigkeit des Wellenstranges
II nachläßt. Umgekehrt bewirkt das Schließen des Schiebers VR, im umgekehrten Prozeß
die Beschleunigung der Drehung des Wellenstranges II.
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Die Regulierung der Temperatur des Gases A bei 6 geschieht durch einen
Thermostaten S3, der einen Schieber VR, einer Umgehungsleitung der in R2 eintretenden
Verbrennungsgase steuert.
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Die Druckregulierung des Gases A bei 6 vollzieht sich durch einen
Schieber V2, der die Punkte 5 und 13 verbindet und es gestattet, zur Turbine T3
einen Teil der aus der Turbine T, austretenden Gase. A, im Falle, wo die Erhöhung
des Druckes bei 6 die Geschwindigkeit des Wellenstranges I zu verlangsamen sucht,
überzuleiten.
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In der Anlage gemäß der Erfindung sind die Gewichtsleistungen einerseits
des Gases A, das die Turbine T1 durchläuft, und anderseits der Verbrennungsgase,
die die Turbine T2 durchlaufen, unter den normalen Betriebsbedingungen im wesentlichen
gleich. Außerdem wird das Verhältnis vom Druck P2 zum Druck P3 so gewählt, daß die
volumetrische Leistung der Verbrennungsgase am Ausgang der Turbine T2 etwa das Doppelte
der volumetrischen Leistung dieser Gase am Eintritt in diese Turbine beträgt. Hieraus
ergibt sich die Möglichkeit, wenn der Druck P3 in der Nähe von 2 ata liegt, eine
einzige Art fester und beweglicher Schaufeln und Rotoren für die Turbinen
T,, T3 und T4 zu verwenden. `Fenn außerdem die spezifischen Volumina des
Gases A und der Verbrennungsgase unter den gleichen Temperatur- und Druckbedingungen
benachbart liegen, können der Rotor und die festen und beweglichen Schaufeln der
Turbine T, gleich ausgebildet sein wie die entsprechenden Elemente der Turbinen
T2, T3 und Tq, nur in der Form und Anordnung der Eintritts- und Austrittsöffnungen
der Gase sind gegebenenfalls Unterschiede erforderlich.
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Wenn die spezifischen Volumina des Gases A und der Verbrennungsluft
in den Kompressoren Cl und C2 etwa die gleichen sind, können diese Kompressoren
gleiche Rotoren und Diffusoren besitzen. Lediglich in bezug auf die Form und die
Anordnung der Gaseintritts- und -austrittsöffnungen können Unterschiede in der Bauart
erforderlich sein.
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Die Vorteile der Anlage gemäß der Erfindung ergeben sich aus den zuvorerwähnten
Eigenheiten. Die Gleichheit der Kompressoren und der Turbinen bedeutet für das Versuchsstadium
wie auch die praktische Ausführung der Teile eine bedeutende Vereinfachung, wozu
als weiterer Vorteil hinzukommt, daß die meisten Teile untereinander austauschbar
sind und die Ersatzteilhaltung auf wenige Ersatzteile
beschränkt
wird, wodurch sich die Herstellungs- und Unterhaltungskosten wesentlich senken,
Der verringerte Raumbedarf der Anlage gemäß der Erfindung ergibt sich aus der Möglichkeit,
auf Grund der Tatsache, daß die Kompressoren und Turbinen in zwei unabhängigen Wellensträngen
angeordnet sind, die verschiedenen Elemente, aus denen si(fh die Anlage zusammensetzt,
in einem begrenzten Raum unterbringen zu können.
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Die Elastizität der Anlage gemäß der Erfindung liegt in der weitgehenden
Änderungsmöglichkeit der Betriebsbedingungen begründet, die sich aus der Möglichkeit
einer willkürlichen Regelung der Umlaufgeschwindigkeiten der beiden Wellenstränge
sowie der Temperatur und des Druckes des erzeugten Gases A ergeben.
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Die Einfachheit der Arbeitsweise der Anlage ist eine Folge des Umstandes,
daß alle Steuerungen zur Einstellung oder Änderung der, Betriebsbedingungen einzig
und allein durch die gesonderten Apparate S1, SZ und S3, von denen jeder eine bestimmte
Funktion hat, ausgelöst werden.
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Die Anlage gemäß der Erfindung eignet sich für verschiedene, besonders
vorteilhafte Ausführungen; deren Besonderheiten im nachfolgenden aufgeführt sind.
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Eine Ausführungsform der Erfindung weist Kompressoren Cl und C2 auf,
deren Räder sämtlich gleich und vorzugsweise in großer Serie hergestellt sind. Die
Fig. 2 veranschaulicht schematisch einen Kompressorrotor nach dieser besonderen
Ausführungsform der Erfindung. Der Rotor besitzt drei gleiche Zentrifugalräder mit
doppeltem Einlaß i9, 20 und 21 auf einer gemeinsamen Achse a. Das Gas A dringt in
die äußeren Räder i9 und 21 durch jeden der Einlässe ein.
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Das aus dem Rad i9 nach der Kompression austretende Gas A tritt in
bekannter Weise in einen Diffusor und gegebenenfalls in einen Zwischenkühler und
wird darauf dem Einlaß des mittleren Rades 20 zugeleitet. Das aus dem Rad 21 nach
der Kompression austretende Gas A tritt gleichfalls in einen Diffusor und gegebenenfalls
in einen Zwischenkühler und wird dann ebenso dem Einlaß des mittleren Rades 2o,
der dem Rad 21 benachbart liegt, zugeleitet.
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Das aus dem Rad 2o austretende Gas A tritt dann in bekannter Weise
in einen Diffusor, von wo es dem Auslaß des Kompressors zuströmt.
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Wenn der in der Anlage gemäß der Erfindung verwandte Brennstoff ein
flüssiger Brennstoff ist, so ist der Kompressor C2 ein Kompressor für die Verbrennungsluft,
welcher dem Kompressor Cl des Gases A bis evtl. auf die Form und die Anordnung der
Ein-und Auslaßöffnungen gleicht. In diesem Fall würde der Apparat C3 eine Pumpe
für den flüssigen Brennstoff bekannter Art sein, die mit dem Wellenstrang II gekuppelt
ist.
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Wenn der in der Anlage gemäß der Erfindung benutzte Brennstoff ein
armes Gas, beispielsweise Hochofengas ist, werden der Apparat C3 und der Kompressor
C, zu einem einzigen Kompressor C2, gleich ,mit Cl, vereinigt. In diesem letzteren
Fall können die gleichen Rotoren der Kompressoren C1 und C2 beispielsweise aus einer
ungleichen Zahl von Zentrifugalrädern zusammengesetzt sein, die ein mittleres Rad
mit doppeltem Einsatz und Mittelwand besitzen.
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Zum Beispiel zeigt die Fig.3 einen Rotor dieser Art, jedoch ist es
einleuchtend, daß die anderen Räder außer dem mittleren auch einen einfachen Einlaß
und in beliebiger Anzahl haben können. Der Kre_s des Gases A in dem in der Fig.
3 dargestellten Rotor ist gleich dem Kreislauf des Gases A in dem in Fig. 2 dargestellten
Rotor. Der Kreislauf der Verbrennungsluft in dem in Fig.3 dargestellten Rotor ist
folgender: Die Verbrennungsluft dringt in das äußere Rad 22 durch jeden seiner Einlässe
ein. Die aus dem Rad 22 nach der Kompression austretende Verbrennungsluft tritt
in bekannter Weise in einen Diffusor und gegebenenfalls in einen Zwischenkühler
und wird dann zum Einlaß 25 des mittleren Rades 23, benachbart zum Rad 22 geleitet.
Die bei 26 aus dem Rad 23 austretende Verbrennungsluft geht dann in bekannter Weise
in den Diffusor 27, von dem aus sie zum Auslaß strömt. Der Kreislauf des Verbrennungsgases
in dem in Fig. 3 dargestellten Rotor ist folgender: Das Verbrennungsgas dringt durch
jeden seiner Einläße in das äußere Rad 24 ein. Das aus dem Rad 24 austretende Verbrennungsgas
tritt nach der Kompression in bekannter Weise in einen Diffusor und gegebenenfalls
in einen Zwischenkühler und gelangt darauf zum Einlaß 29 des mittleren Rades 23,
welcher dem Rad 24 benachbart liegt. Das bei 3o aus dem Rad 23 austretende Verbrennungsgas
tritt darauf in den Diffusor, von wo aus es zum Auslaß strömt. Die Verbrennungsluft
und das Verbrennungsgas bleiben im Kompressor C2, dessen Rotor in Fig.3 dargestellt
ist, getrennt bis auf den sehr geringen Raum zwischen der mittleren Wand des Rades
23 und der Trennwand der Diffusoren 27 und 31.
Die Kleinheit dieses Raumes
verhindert jede nennenswerte Mischung von Luft und Gas.
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Wenn die Anlage gemäß der Erfindung einen für die Verbrennungsluft
und das arme Gas kombinierten Kompressor C2 besitzt, wird die Änderung der Verbrennungstemperatur,
geregelt durch den Regler S1, durch eine veränderliche Zufuhi von verbrannten Gasen,
die bei ihrem Austritt in die Atmosphäre abgezogen und vorher in einem Kühler bekannter
Art bis in die Nähe der Umgebungstemperatur abgekühlt werden, in das arme Gas vor
der ersten Stufe des Kompressors C2 erhalten.
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Die Fig.4 veranschaulicht schematisch eine solche Anlage zur Erzeugung
von Heißwind für Hochöfen, wobei der benutzte Brennstoff Hochofengas ist.
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Bei dieser schematisch dargestellten Anlage sind Kühler bekannter
Art beispielsweise mit Wasserzirkulation zwischen die Punkte 2 und 3, 2' und 3',
io und ii, io' und 1i', 22 und 23 des Kreises eingeschaltet. Der Regler S2 steuert
das Einlaßventil V$ für die Zufuhr von verbrannten, abgekühlten Gasen durch die
Leitung 24 in das arme Gas vor dem Kompressor C2, wodurch eine Regelung der Verbrennungstemperatur
erzielt wird. Der Kompressor Cl ist von der in Fig. 2 und der Kompressor C2 von
der in Fig. 3 dargestellten Art. Die anderen Elemente der Anlage erklären sich leicht
aus der voraufgegangenen Beschreibung der Anlage gemäß Fig. i.
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Die Eigenheiten dieser Anlage können folgende sein:
Punkte Leistung Temperatur Drücke |
kg/h I kg/sec |
Celsius ata |
I |
i, i', g' Luft .................. 55 0o0 15,3
20 1 |
2, 2', io' Luft .................. 55000 15,3 120 2,5 |
3, 3', 11' Luft.................. 55000 15,3 50 2,5 |
4 Luft.................. 110000 30,6 150 5 |
5 Luft.................. 11O ooo 30,6 325 5 |
6 Luft .................. iio ooo . 3o,6 650
5 |
7 Luft .................. li0 000 3o,6 515 2,2 |
8 Luft .................. 110000 30,6 750 2,2 |
g armes Gas ............ 55000 15,3 20 1 |
9a armes Gas ............ 46 Zoo 12,8 20 1 |
io armes Gas ............ 55000 15,3 120 2,5 |
11 armes Gas ............ 55000 15,3 50 2,5 |
12 armes Gas ............ 55000 I 15,3 150 5 |
12' Luft.................. 55000 15,3 150 5 |
13 verbrannte Gase ....... iio ooo 30,6 1210
5 |
14 verbrannte Gase ....... 110000 I 3o,6 975 5 |
15 verbrannte Gase ....... 110000 30,6 650 5 |
16 verbrannte Gase ....... iio ooo 30,6 515 2,2 |
17, 18 verbrannte Gase ....... 55 000 I 15,3
515 2,2 |
ig, 2o verbrannte Gase ....... 55 Ooo 15,3 400 1 |
21 verbrannte Gase ....... iio ooo 30,6 400 1 |
22 verbrannte Gase ....... iio ooo 3o,6 225 1 |
23 verbrannte Gase ....... 8 8oo 1 2,4 40 1 |
Der isontropische Gesamtwirkungsgrad aller Geräte beträgt o,8.
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Die Verwendung von in Serie herstellbaren Kompressoren und Turbinen
bei einer Anlage gemäß der Erfindung setzt deren Gestehungskosten wesentlich herab.
Sämtliche Unkosten für Erprobung und Fertigung verteilen sich auf eine sehr große
Anzahl von Stücken, so daß die Anlagekosten insgesamt gesehen wesentlich niedriger
liegen, als wenn die Unkosten nur auf eine sehr beschränkte Stückzahl umgelegt werden
müssen.
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Bekanntlich haben bestimmte Organe in Gasturbinen, beispielsweise
die Schaufeln, eine sehr kurze Lebensdauer, beispielsweise iooo Stunden bei voller
Belastung, soweit sie hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt
sind. Die normale Lebensdauer einer industriellen Anlage soll in der Größenordnung
von ioo ooo Stunden liegen.
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Soweit solche Überbelastungen gewisser Organe bei Anlagen gemäß der
Erfindung in Frage kommen, so kann man die genügende Lebensdauer dieser Organe dadurch
sichern, daß man die Zentrifugalkräfte oder die Temperaturen oder beides gleichzeitig
senkt, was dadurch geschehen kann, daß man die Umlaufgeschwindigkeit der Rotoren
in normalen Grenzen hält, die ungefähr zwei Drit;el der für diese Elemente zulässigen
Höchstgeschwindigkeit betragen können, oder die Eintrittstemperatur der Gase in
die Turbinen um mindestens ioo°C niedriger wählt als sonst bei Gas-Luft-Turbinen
der entsprechenden Art.