-
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.