DE874676C - Waermekraftanlage mit geschlossenem Kreislauf des gasfoermigen Arbeitsmittels - Google Patents

Waermekraftanlage mit geschlossenem Kreislauf des gasfoermigen Arbeitsmittels

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DE874676C
DE874676C DEA13580A DEA0013580A DE874676C DE 874676 C DE874676 C DE 874676C DE A13580 A DEA13580 A DE A13580A DE A0013580 A DEA0013580 A DE A0013580A DE 874676 C DE874676 C DE 874676C
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heat exchanger
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10Closed cycles
    • F02C1/105Closed cycles construction; details

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

  • Wärmekraftanlage mit geschlossenem Kreislauf des gasförmigen Arbeitsmittels Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage, in welcher mindestens der größere Teil eines gasförmigen Arbeitsmittels einen Kreislauf beschreibt, wobei dieser Teil durch äußere Wärmezufuhr erhitzt, in mindestens einer Turbine unter äußerer Leistungsabgabe entspannt und dann in mindestens einem Verdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird und ferner das Arbeitsmittel zwischen Entspannung und Verdichtung an das Arbeitsmittel zwischen Verdichtung und äußerer Wärmezufuhr in einem Wärmeaustauscher Wärme abgibt.
  • Bei solchen Wärmekraftanlagen ist es üblich, den Wärmeaustauscher getrennt von der Turbine und dem Verdichter aufzustellen, wobei die erforderlichen Verbindungsleitungen über oder unter Flur angeordnet werden können. Dabei beeinflussen bekanntlich die Druckverluste in den Rohrleitungen den Wirkungsgrad der Anlage in bedeutend höherem Maße als bei anderen Wärmekraftanlagen, z. B. Dampfturbinen. Folglich ist man genötigt, bei Anlagen der eingangs erwähnten Art die Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen klein zu wählen, so daß die Verbindungsleitungen zwischen Wärmeaustauscher und austrittsseitigem Ende der Turbine einerseits und zwischen Wärmeaustauscher und eintrittsseitigem Ende des Verdichters andererseits verhältnismäßig groß zu bemessen sind. Hinzu kommt, daß die Temperatur des aus der Turbine in den Wärmeaustäuscher strömenden Arbeitsmittelteils für gewöhnlich mindestens 35o° beträgt, so daß die Beherrschung der Wärmedehnungen, denen vor allem die einen v erhältnismäßig großen Durchmesser aufweisende und zudem" noch nahezu auf die erwähnte Temperatur erhitzte Verbindungsleitung zwischen Turbine und Wärmeaustauscher ausgesetzt ist, große Schwierigkeiten bereitet. Diese lassen sich dadurch beheben, daß der Wärmeaustauscher gemäß vorliegender Erfindung unmittelbar an das austrittsseitige Erde der Turbine angebaut und der Austrittsquerschnitt des Turbinengehäuses in bezug auf den freien Durchströmquerschnitt am Rohrbündelanfang des Wärmeaustauschers so bemessen und angeordnet ist, daß die Längsströmung zwischen diesen Querschnitten angenähert keine Richtungsänderung erfährt. Zweckmäßig kann der Wärmeaustauscher auch noch unmittelbar an das eintrittsseitige Ende des Verdichters angebaut sein, in welchem Falle der freie Durchströmquerschnitt am Rohrbündelende des Wärmeaustauschers angenähert ohne Änderung in den Eintrittsquerschnitt des Verdichtergehäuses übergehen kann. Es läßt sich in einem solchen Falle ganz ohne Verbindungsleitungen zwischen Wärmeaustauscher und Turbine einerseits und zwischen Wärmeaustauscher und Kreiselverdichter andererseits auskommen.
  • Ist es bei Dampfturbinenanlagen auch schon bekannt; den Kondensator unmittelbar an das Austrittsende der Turbine anzubauen, um Druckverluste in der Überströmleitung zu vermeiden, so kommt dem Erfindungsgegenstand- doch erfinderische Bedeutung zu. Dies aus dem Grund, weil auf dem in Betracht kommenden Sondergebiet die Wärmedehnungen der Rohrleitungen den Konstrukteur vor nahezu unlösbare Aufgaben stellen, so daß die Behebung dieser Schwierigkeiten einen technischen Fortschritt darstellt. Im Gegensatz dazu spielen bei Dampfturbinen die Wärmedehnungen des Austrittsstutzens und der diesen mit dem Kondensator verbindenden Teile keine Rolle. Sodann fallen bei einer Bauart nach der Erfindung Leitungsabstrahlverluste zwischen Turbine und Wärmeaustauscher ganz weg; da j a zwischen diesen zwei Anlageteilen, wie erwähnt, überhaupt keine Leitung benötigt wird. Der unmittelbare Anbau des Wärmeaustauschers an die Turbine ermöglicht ferner, ohne Umlenkung des Arbeitsmittels beim Überströmen in den Wärmeaustauscher auszukommen, so daß die Durchtrittsgeschwindigkeit durch die Turbine und die Ausströmgeschwindigkeit aus der letztern groß gewählt werden können. Das ermöglicht, die Grenzleistung der Turbine hinaufzutreiben. Sodann gestattet die Bauart nach der Erfindung eine äußerst zweckmäßige Führung der Strömung, indem sich zwischen Turbine, Wärmeaustauscher und Kreiselverdichter praktisch keine Umlenkungs- und Leitungsdruckverluste ergeben, was aus den schon genannten Gründen bei Wärmekraftanlagen, für welche die Erfindung bestimmt ist, ganz besonders wichtig ist. Herrscht im Kreislauf der Anlage an allen Stellen Überdruck, so fallen Turbine und Kreiselverdichter im Vergleich zum Wärmeaustauscher klein aus, so daß sich dieser dank seiner großen Masse als tragendes Element für die an denselben angeflanschten Maschinen verwenden läßt. Dies ermöglicht, wesentlich an Fundamenten und Baustoff zu sparen. Somit erlaubt die Erfindung trotz kleinerem Baustoffaufwand, kleineren Gewichten, gedrängterem Aufbau und kleineren Fundamenten eine Umsetzung der Austrittsenergie am Turbinenaustritt mit besserem Wirkungsgrad, als es bisher der Fall war. Aus all den erwähnten Gründen ist daher eine Wärmekraftanlage nach der Erfindung besonders für Fahrzeuge, wie Schiffe, geeignet; da ja hier kleiner Raumbedarf und kleines Gewicht bei gutem Wirkungsgrad eine wichtige Rolle spielen.
  • In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht,. und zwar zeigt Fig. i eine erste Ausführungsform in Draufsicht, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform ebenfalls in Draufsicht und Fig.3 in einem axialen Längsschnitt und in größerem Maßstab Einzelheiten des austrittsseitigen Endes der Turbine und des unmittelbar an diese angebauten Teils des Wärmeaustauschers.
  • In Fig. i bezeichnet i einen Erhitzer, in welchem dem einen Kreislauf durchlaufenden Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, von außen her Wärme zugeführt wird. Die in diesem Erhitzer i auf höhere Temperatur gebrachte Luft gelangt in eine zweigehäusige Turbine, wo sie sich unter Leistungsabgabe entspannt. Die zwei in Reihe geschalteten Turbinen sind mit den Bezugszeichen 2 und 3 belegt. Die Turbine 2 treibt einen Kreiselverdichter 4 an, und die Turbine 3 gibt Leistung an einen als Generator g ausgebildeten Nutzleistungsempfänger ab. Die entspannte Luft gelangt aus dem als gerader, ringförmiger Diffusor 6 ausgebildeten austrittsseitigen Ende der Turbine 3 in einen als Gegenstromapparat ausgebildeten Wärmeaustauscher 7, der unmittelbar an dieses Turbinenende angebaut ist. Der Austrittsquerschnitt des Turbinengehäuses ist in bezug auf den freien Durchströmquerschnitt am Rohrbündelanfang des Wärmeaustauschers so bemessen und angeordnet, daß die Längsströmung der Luft zwischen diesen zwei Querschnitten angenähert keine Richtungsänderung erfährt. Das in den Wärmeaustauscher eingebaute Röhrensystem wird daher von der von der Turbine 3 kommenden Luft im Längsstrom voll beaufschlagt, so daß sie unter günstigen Bedingungen Wärme an den unter höherem Druck stehenden Arbeitsmittelstrom abgibt, welcher vom Kreiselverdichter 4 durch eine Leitung 8 in das erwähnte Röhrensystem gefördert wird. Dabei läßt sich der Diffusor 6 am austrittsseitigen Ende der Turbine 3 so bemessen, daß darin der ausströmende Luftstrom auf die Geschwindigkeit verzögert wird, die in bezug auf die günstigste Wärmeabgabe im Wärmeaustauscher 7 gerade erwünscht ist. Der in letzterem durch Wärmeabgabe abgekühlte Luftteil gelangt nach Durchströmen eines Vorkühlers 9, der in das Gehäuse des Wärmeaustauschers 7 eingebaut und .daher vor dem eintrittsseitigen Ende des Kreiselverdichters 4 gelegen ist, in den letzteren, worin dieser Luftteil wieder auf höheren Druck gebracht wird, um anschließend in die erwähnte Leitung 8 gefördert zu werden. Der Verdichter 4 ist auf seiner Eintrittsseite ebenfalls unmittelbar an den Wärmeaustauscher 7 angebaut, und ein zwischen diesen Teilen ,4, 7 vorgesehenes Übergangsstück 71 ist düsenförmig gestaltet, so daß die Luft bei dessen Durchströmen eine Beschleunigung erfährt, was für das richtige Anströmen der ersten Leitvorrichtung des Verdichters .4 erwünscht ist. Auch hier geht der freie Durchströmquerschnitt am Rohrbündelende des Wärmeaustauschers angenähert ohne Änderung in den Eintrittsquerschnitt des Verdichtergehäuses über. Da die Masse des Wärmeaustauschers 7 im Vergleich zu derjenigen der Turbine 3 und des Verdichters 4 groß ist, so kann der Wärmeaustauscher als tragendes Element für die daran angeflanschten Maschinen 3 und 4 dienen, so daß die Stützen und Fundamente für Turbine 3 und Kreiselverdichter 4 klein bemessen werden können und daher billig ausfallen. Der Luftstrom. welcher vom Kreiselverdichter 4 durch die Leitung , in den Wärmeaustauscher 7 gefördert wird, gelangt aus letzterem, nachdem er darin `'Wärme aufgenommen hat, durch eine Leitung io wieder in den Erhitzer i, womit der Kreislauf durchlaufen ist.
  • Indem der Wärmeaustauscher 7 sowohl unmittelbar an das austrittsseitige Ende der Turbine 3 als auch unmittelbar an das eintrittsseitige Ende des Kreiselverdichters 4 angebaut ist, läßt sich zwischen den Teilen 7 und 3 einerseits und 7 und 4 andererseits ohne Rohrleitungen auskommen, was hinsichtlich Strömungszustände, Druck- und Strahlungsverluste die günstigsten Verhältnisse ergibt und hinsichtlich Wärmedehnungen keine besonders schwierigen Probleme stellt.
  • Bei der Bauart nach Fig. 2 sind sowohl die Turbine als auch der Wärmeaustauscher zweigehäusig ausgebildet. Die in Reihe geschalteten, am rechten Ende über Leitungen 22. 221 miteinander in Verbindung stehenden zwei Teile des Wärmeaustauschers sind mit den Bezugszeichen 13 und 1s belegt. 15 ist der Lufterhitzer, aus dem die erhitzte Luft durch eine Leitung 161 vorerst in die Hochdruckturbine i i und dann aus dieser durch eine Leitung 16 in die Niederdruckturbine 12 gelangt. Die Turbinen i i und i2 sind auf verschiedenen Wellen angeordnet, so daß sie mit verschiedenen Drehzahlen laufen können; dabei treibt die Turbine i i einen Verdichter 17 und die Turbine 12 einen als Generator 189 ausgebildeten Nutzleistungsempfänger an. In jeden der Wärmeaustauscherteile 13, 14 ist ein Röhrensvstem i9 eingebaut. Das in den Wärmeaustauscherteil 13 eingebaute Röhrensystem i9 ist am einen Ende über eine Sammelkammer 2o und eine Leitung 2i an den Erhitzer 15 und am anderen Ende über die Leitung 22 all das Röhrensystem i9 des Wärmeaustauscherteils 14 angeschlossen. Dieses zweite Röhrensytem ist ferner über eine Verteilungskammer 23 und eine Leitung 2.I an den Druckstutzen des Verdichters 17 angeschlossen. Letzterer und die Niederdruckturbine 12 sind auch in diesem Falle unmittelbar an den Wärmeaustauscher 13, 14 angebaut, wobei der Anschluß an das als gerader, ringförmiger Diffusor ausgebildete Austrittsende der Turbine 12 und der Anschluß an das als Düse ausgebildete Eintrittsende des Verdichters 17 auf derselben Seite dieses Wärmeaustauschers liegen. In den Teil 14 des Wärmeaustauschers ist zwischen seiner linken Endfläche und der Verteilkammer 23 noch ein Vorkühler 25 eingebaut.
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 tritt das aus der Niederdruckturbine 12 strömende Arbeitsmittel mit einer durch ihren diffusorartig ausgebildeten Austrittsteil bestimmten Geschwindigkeit geradlinig in den Wärmeaustauscherteil 13 über und beaufschlagt voll das darin eingebaute Röhrensystem 19, wobei es Wärme an das durch dieses Röhrensystem. i9 nach dem Erhitzer i; strömende Arbeitsmittel abgibt. Der Wärme abgebende Arbeitsmittelstrom tritt dann durch die Leitung 221 in den Wärmeaustauscherteil 14 über und gelangt schließlich, nachdem er den Vörkühler 2 5 durchströmt hat, in den Verdichter 17, wobei er vor dem Eintritt in die erste Leitvorrichtung des letzteren in dem düsenförmig ausgebildeten Eintrittsteil des Verdichters eine Beschleunigung erfährt. Auch hier sind zwischen der Niederdruckturbine 12 und dem Wärmeaustauscherteil 13 einerseits und dem @ATärmeaustauscherteil 14 und dem Eintrittsende des Verdichters 17 andererseits keine Leitungen irgendwelcher Art vorzusehen.
  • Anstatt den Wärmeaustauscher zweigehäusig auszubilden und die zwei Teile auf der einen Seite durch zwei Leitungen zu verbinden, kann der Wärmeaustauscher auch U-förmig ausgebildet sein. In diesem Falle können die Rohre des im Wärmeaustauscher untergebrachten Röhrensystems und das Gehäuse des Wärmeaustauschers an dem von den Anschlußstellen des Verdichters und der Niederdruckturbine abgelegenen Ende bogenförmig ausgebildet sein, so daß dann am betreffenden Ende zwischen den zwei Ästen des U-förmigen Wärmeaustauschers keine besonderen Überströmleitungen vorzusehen sind.
  • In Fig. 3 ist noch gezeigt, wie sich ein Lager 30 für die Turbinenwelle 34 in einen Nabenabstr ömkörper 35 der Turbine einbauen läßt. Dieser Abströmkörper 35 ist seinerseits von einem Teil 31 des Turbinengehäuses umgeben; beide Teile begrenzen den geraden, ringförmigen Diffusor.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmekraftanlage, in welcher mindestens der größere Teil eines gasförmigen Arbeitsmittels einen Kreislauf beschreibt, wobei dieser Teil durch äußere Wärmezufuhr erhitzt, in mindestens einer Turbine unter äußerer Leistungsabgabe entspannt und dann in mindestens einem Verdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird und ferner das Arbeitsmittel zwischen Entspannung und Verdichtung an das Arbeitsmittel zwischen Verdichtung und äußerer Wärmezufuhr in einem Wärmeaustauscher Wärme abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher unmittelbar an das austrittsseitige Ende der Turbine angebaut und der Austrittsquerschnitt des Turbinengehäuses in bezug auf den freien Durchströmquerschnitt am Rohrbündelanfang des Wärmeaustauschers so bemessen und angeordnet ist, daß die Längsströmung zwischen diesen Querschnitten angenähert keine Richtungsänderung erfährt.
  2. 2: Wärmekraftanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher auch unmittelbar an das eintrittsseitige Ende des Verdichters angebaut ist und der freie Durchströmquerschnitt am Rohrbündelende des Wärmeaustauschers angenähert ohne Änderung in den Eintrittsquerschnitt des Verdichtergehäuses übergeht.
  3. 3. Wärmekraftanlage nach Anspruch i und 2, die zwei Turbinen aufweist, von denen die eine den Verdichter antreibt, während die andere ihre Leistung an einen Nutzleistungsempfänger abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher zweiteilig ausgebildet ist und die Stellen, an denen die den Nutzleistungsempfänger antreibende Turbine und der Verdichter unmittelbar an den Wärmeaustauscher angebaut sind, sich auf derselben Seite der zwei Wärmeaustauscherteile befinden. q..
  4. Wärmekraftanlage nach Anspruch i und 2, bei welcher das Arbeitsmittel vor dem Eintritt in den Verdichter einen Vorkühler durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkühler vor dem eintrittsseitigen Ende des Verdichters in den Wärmeaustauscher eingebaut ist.
  5. 5. Wärmekraftanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das austrittsseitige Ende der Turbine, an das der Wärmeaustauscher unmittelbar angebaut ist, als gerader, ringförmiger Diffusor ausgebildet ist.
  6. 6. Wärmekraftanlage nach Anspruch i und 5, bei welcher der Turbinenläufer am austrittsseitigen Ende der Turbine in einem Lager läuft, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Lager in einem Abströmnabenkörper der Turbine liegt.
  7. 7. Wärmekraftanlage nach- Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher als tragendes Element für die unmittelbar an denselben angebauten Maschinen dient.
DEA13580A 1945-06-22 1951-06-30 Waermekraftanlage mit geschlossenem Kreislauf des gasfoermigen Arbeitsmittels Expired DE874676C (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1102489B (de) * 1957-01-04 1961-03-16 Rolls Royce In geschlossenem Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlage

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1102489B (de) * 1957-01-04 1961-03-16 Rolls Royce In geschlossenem Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlage

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