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Verfahren und Einrichtung zum Verbessern des Arbeitsprozesses in Wärmekraftanlagen
Die Erfindung besteht darin, einen mit hochverdichteter Brennluft von z. B. 40 bis
r2o Atm. oder mehr gespeisten Kessel zu benutzen, der Dampf gleichen Druckes erzeugt,
um gleichzeitig eine Gasturbine und eine Dampfturbine zu betreiben, die parallel
geschaltet und vorzugsweise auf einer gleichen Welle angeordnet sind, wobei die
verdichtete Luft von Freiflugkolbenverdichtern geliefert wird.
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Die treibenden Teile dieser Freiflugkolbenmaschinen können Brennkraftmaschinen
mit Zwei-oder Viertaktbetrieb für flüssigen, gasförmigen oder kolloidförmigen Brennstoff
oder Kraftinaschinen ohne Verbrennung für Druckluft oder Druckgas oder auch Dampfmaschinen
sein.
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Ein besonders eigenartiger Fall gemäß der Erfindung besteht darin,
Brennkraftmaschinen beliebiger Art anzuwenden, weil diese Zusammenstellung eine
ganze Reihe äußerst vorteilhafter Rückgewinnungen gestattet. Eine solche Anordnung
wird nachfolgend näher beschrieben.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch die allgemeine Anordnung.
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o, x, 2 und 3 sind Wärmekraftmaschinen mit Freiflugkolben, die jeweils
Verdichter o', z', an @d 3' antreiben. Der Verdichter ö ist ein Lade-und Spülluftverdichter,
der die zur Ladung und Spülung der Kraftmaschinen o, r, 2, 3 notwendige Luft liefert.
Das Laden und Spülen dieser Kraftmaschinen erfolgt vorzugsweise unter Hochdruck,
wozu der Förderdruck des Verdichters ö vorzugsweise 3 bis q. Atm. beträgt. Die Verdichter
r', 2' und 3' arbeiten mit drei Stufen. Sie entsprechen jeweils der Nieder-, Mittel-
und Hochdruckstufe..
Das gemeinsanieVer,dichtung:sverhältnis einer
jeden Stufe beträgt 3,5 bis 4. Die vorstehenden Verhältnisse betreffend die Drücke
entsprechen .im wesentlichen; dem Gebiet des höchsten Wirkungsgrades des Arbeitsprozesses,
etwa Kesseldrücken von 45 bis 65 Atm.
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Im Verlauf der Verdichtung wird die Luft zwischen r" und 2' in einem
Kühler 4 und zwischen 2' und 3' in einem Kühler 5 gekühlt. Wenn es möglich ist und
`nenn es bei der Anlage vorgesehen ist, sollen auch vorteilhaft die Zylinder der
Verdichter i', 2' und 3' gekühlt werden, damit bis zu einem gewissen Maß eine isotherme
Verdichtung erzielt wird.
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Davon ausgehend besteht ein wesentliches Merk-. m:al des Arbeitsprozesses
darin, daß die verdichtete Luft hinter dem Verdichter 3.' durch einen. Wärmeaustauscher
6 strömt, in dem sie von den Auspuffgasen der Wä:rmekraftmaschinen o, z, 2 und 3'
erwärmt wird. Beim Austreten aus - diesem Austauscher hat die Luft z. B. eine Temperatur
von 55o° C. Die Gase werden ihrerseits auf eine Temperatur von etwa 23a° C abgekühlt.
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Ein: zweites wesentliches Merkmal des Arbeitsprozesses besteht darin,
daß die auf diese Weise abgekühltem Gase in eine Stufe der Gasturbine:8 geleitet
werden, die ihrem Druck entspricht, nach Abzug der Strämungsverlüste, d ie natürlich
möglichst klein gehalten werden, sollen: Die in der .angegebenen Weise verdichtete
und erwärmte Luft "vürd ihrerseits in die Feuerung eines Kessels 7 eingeführt, in
dem die Drücke der Gase und des Dampfes unter sich gleich sind. In den Brennern
dieses Kessels wird eine solche Brennstoffmenge verbrannt,-daß dieFeuergase-nach
Abgabe eines Teils ihrer Wärme an den Dampfteil den Kessel mit einer für die Gasturbine
8 zulässigen Temperatur von beispielsweise 6oo° C verlassen.
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Die Feuergase werden dann in die Gasturbine 8 eingelassen.
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Grundsätzlich könnte der Arbeitsprozeß auf die vorgenannten Maschinen
beschränkt werden. Es ist dies tatsächlich eine für die Erfindung in Betracht kommende.
Lösung. Der Eintrittsdruck der Gasturbine beträgt dabei in der angegebenen Weise
45 bis 65 Atm. Der genaue und günstigste Druck ist natürlich abhängig einerseits
vom Wirkungsgrad der Luftverdichter, anderseits vom Wirkungsgrad der Turbine und
schließlich auch von, der mehr oder weniger großen Vollkommenheit der Kühlung und,des
Wärmeaustausches. In jedem Fall ist der auf. diese Waise durchgeführte Arbeitsprozeß
dem üblichen Arbeitsprozeß' der gewöhnlichen Kraftmaschinen mit Freiflugkolben sehr
überlegen sowohl was den schließlichen thermodynami8chen Wirkungsgrad :als auch
was die effektive Leistung auf der Welle der Gasturbine je Kilogramm verbrannten
- Brennstoffs in der Wärmekraftmaschine mit Freiflugkolben anbetrifft. Dies rührt
insbesondere von dem viel höheren Druck und der viel höheren Temperatur am Einlaß
der Gasturbine her. Der Arbeitsprozeß hat aber noch ein weiteres Merkmal von der
größten Bedeutung aufzuweisen.
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Verbrennt man im Kes;sel7 eine zusätzliche Brennstoffmange bis zur
gänzlichen Erschöpfung des in der verdichtetem Luft enthaltenen Sauerstoffs, so
liefert dieser Kessel nicht nur Gase von 6oo° C mit einem bestimmten Druck, sondern
erzeugt auch einen Dampf vom gleichen Druck, dessen Temperatur ebenfalls 6oo° C
betragen kann. Mit solchen Kesseln lassen sich leicht höhere Überhitzungstemperaturen
als mit normalen Kesseln erreichen.
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Der Dampfprozeß einer solchen Anlage ist natürlidh betreffend den
Wirkungsgrad viel vorteilhafter als der normale Arbeitsprozeß einer Dampfturbine
und eines Kessels mit gleicher Temperatur und gleichem Druck, wenn der Kessel mit
Luft von atmosphärischem Druck gespeist wird.
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Diese Überlegenheit rührt daher, daß bei dem vorgeschriebenen Fall
gemäß dtr Erfindung die den Wirkungsgrad betreffenden Berechnungen genau so stattfinden
könnten, wie wenn im Kamin des Kessels kein Verlust entstehen würde, und auch, wie
wenn die von den Gebläsen, den Zugvorrichtungen und den Kohleneinwurfvorrichtungen
verbrauchte Kraft ebenfalls gleich Null wäre. Dies rührt daher, daß die entsprechenden
Verluste dem vorb.eschriebenen Gasprozeß zugeschrieben wurden, der keine wesentliche
Änderung dadurch erleidet, daß -der mit gleichen Drücken im Feuerungs- und Dampfteil
arbeitende Kessel? einen Dampf gleichen Druckes erzeugt. Richtiger wird der Gasprozeß
dadurch etwas- geändert, daß die Gase einen viel höheren Gehalt an C02 aufweisen.
Übrigens wird durch diese Änderung der Endwirkungsgrad etwas begünstigt.
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Trotzdem die vorgeschriebene Kombination einen Gasprozeß mit hohem
Wirkungsgrad mit einem Dampfprozeß mit wesentlich kleinerem Wirkungsgrad vereinigt,
bietet sie unter solchen Verhältnissen wirtschaftliche Vorteile. Diese Vorteile
sind natürlich noch größer, wenn man im Kessel einen festen Brennstoff verbrennt,
wie z. B. Staubkohle, oder einen gasförmigen Brennstoff (Hochofengas, Erdgas od.
dgl.), da der Preisunterschied dieser Brennstofte im Vergleich zu demjenigen der
flüssigen Brennstoffe weitgehend den Unterschied der thermodynamischen Wirkungsgrade
des reinen Gasprozesses und, der vereinigten Gas- und Dampfprozesse ausgleichen
kann.
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Es besteht schließlich ein ganz besonderer Fall, für den die Erfindung
auch ganz besonders bestimmt ist und in, dem der Kessel Quecksilber anstatt Wasser
verdampft. Für eine Grenztemperatur des Quecksilberdampfes von 6oo° C muß hier der
Kesseldruck auf 22- Atm. zurückgebracht werden. Es ergibt sich daraus eine geringe
Verminderung des Wirkungsgrades des Gasprozesses, aber eine sehr wesentliche Verbesserung
des Wirkungsgrades des Dampfprozesses. Dadurch stellt diese Kombination eine Lösung
von gesteigerter Wirtschaft-1 ichlceit',dar.
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Davon abgesehen gestattet die Gegenwart der Dampfturbine 9 eine zusätzliche
Rückgewinnung
von Wärme, durch welche der Endwirkungsgrad noch wesentlich
verbessert werden kann. Diese Rückgewinnung ist folgende: Ein Teil des im Kondensator
der Dampfturbine kondensierten Wassers wird in der üblichen Weise einer gewissem
Zahl Anzapfdampfvorwärmern io zugeführt und gelangt von dort in den Kessel 7. Ein
zusätzlicher Teil wird in der folgenden Weise benutzt: Dieser Teil des Kondensats
wird zuerst in einen Kühler i i geleitet, wo das Kondensat auf die Temperatur des
Kühlwassers gebracht wird. Dieses so gekühlte Kondensat kühlt in den beiden Kühlern
4 und 5 die in Verdichtung befindlicheLuft, durch die es parallel fließt. Diese
Kühler, in welche die Luft z. B. mit i4o° C eintritt, sind derart ausgebildet, daß
das gesamte zur Kühlung dienende Kondenswasser etwa mit i2o0 C austritt, und zwar
unter einem Druck von etwa. 3,5 Atm. Ein Teil dieses Wassers wird dann durch die
Kühlmäntel der Brennkraftmaschinen o, i, 2, 3 geleitet, wo es ganz in Dampf von
i3$° C mit einem Druck von 3,5 Atm. umgewandelt wird.
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Dieser Dampf wird dann der entsprechenden Stufe der Dampfturbine 9
zugeführt, wo er die entsprechende mechanische Energie zurückgibt. Bei einer anderen:
Ausführung kann dieser Dampf auf seinem Weg in einem besonderen Teil des Kessels
überhitzt werden.
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Der Rest des aus den Kühlern 4 und 5 austretenden Wassers strömt über
die Rohrleitung i2 an. einen geeigneten Punkt des Zapfdampfvorwärmerkreises, wobei
dieser Punkt vor dem mit io bezeichneten Zapfdampfvorwärmer liegen soll.
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Hier kann man einwenden, daß die Rückgewinnung der durch die Kühlung
in Brennkraftmaschinen entstehenden Wärmeverluste bereits ohne Erfolg versucht wurde.
Die ganz neuen Betriebsverhältnisse @dieses Vorgangs gemäß der Erfindung gestatten
,es nun aber, den Erfolg infolge der vollkommenen Stabilität der Dampfturbine zu
sichern, ini welcher der Rückgewinnungsdampf nur eine Zugabe darstellt. Diese Stabilität
wird natürlich noch verbessert, wenn die Dampfturbine und die Gasturbine auf einer
gleichen Welle sitzen.
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Was schließlich die Einstellung der Druckgleichheit anbetrifft, so
gestattet die Erfindung die Anwendung eines Verfahrens, das zugleich einfach und
wirksam ist. Dieses Verfahren ist folgendes: Der Leistungsregler des Aggregats der
beiden Turbinen, der z. B. von einem gewöhnlichen tachometrische:n Getriebe betrieben
wird, beeinflußt nur den Einlaß einer einzigen der beiden Turbinen, und zwar etwa
der Dampfturbine. Der Einlaß der zweiten Turbine, also in diesem Fall der Gasturbine,
wird dagegen von einem Differenzd-ruckregler gesteuert, der von der gegenläufigenWirkung
der beiden Drücke betätigt wird, und zwar derart, daß der Gaseinlaß vermindert wird,
wenn der Druck der Gase zu sinken sucht, und daß dieser Gaseinlaß im entgegengesetzten
Fall vergrößert wird. Während dieses . Vorgangs wirkt selbstverständlich der Leistungsregler
genau im entgegengesetzten Sinn auf die Dampfmenge ein, wodurch die Korrektionen
mit sehr großer Geschwindigkeit stattfinden.
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Die Erfindung erstreckt sich besonders auf den Fall, wo die Brennkraftmaschinen
mit einem gasförmigen Brennstoff oder mit kolloidaler Kohle betrieben werden, d.
h. im letzteren Fall mit einer Flüssigkeit, die mit Staubkohle durchsetzt ist.
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Der Kessel kann auch für zwei Dampfarten, z. B. Wasser und Quecksilber,
ausgebildet sein, um den an sich bekannten Arbeitsprozeß mit zwei Dampfarten ausüben
zu können. Schließlich kann der Kessel auch aus zwei Teilen bestehen, von denen
der eine mit Wasser und der andere mit 0uecksilber arbeitet und die beide parallel
mit dler aus dem Wärmeaustauscher kommenden Druckluft gespeist werden.