-
Einrichtung zur Verdichtung von Gasen oder Dämpfen durch stufenweises
Überströmen von heißeren Gasen in eine Reihe von Kammern gleichen Volumens Es sind
Verfahren bekannt, um Gase und Dämpfe durch heißere Gase ohne Aufwand mechanischer
Energie durch stufenweises Überströmen thermisch zu verdichten. Für die Verdichtung
wird eine Reihe von Kammern gleichen Volumens verwendet, deren Größe sich nach der
zu verdichtenden Gasmenge richtet. Bei diesen bekannten Verfahren kann die Verdichtung
nicht beliebig hochgetrieben werden. Bei hoher Verdichtung tritt der Mangel auf,
daß der Anteil des zu verdichtenden Gases im verdichteten Zustand in den Kammern
sehr klein und der Teil des übergeströmten Gases sehr groß wird, so daß eine starke,
fast vollkommene Mischung zu erwarten ist. Außerdem werden die Zeiten für die Steuerung
des Vorgangs sehr kurz und bei Verwendung rotierender Kammern auch die Undichtigkeitsverluste
sehr hoch.
-
L m diese Mängel zu beseitigen und noch bei hohen Verdichtungsgraden
einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für die
thermische Verdichtung von Gasen oder Dämpfen durch stufenweises Überströmen von
Gasen höherer Temperatur zwei oder mehr Kammerreihen zu verwenden, in denen das
Gas der jeweils vorgeschalteten Kammerreihe höher verdichtet wird und deren Kammervolumen
dem Verdichtungsdruck der jeweils vorgeschalteten Kammerreihe angepaßt ist.
Das
Verfahren wird im folgenden an Hand der Abb. i bis 5 für einen Gasturbinenprozgß
beschrieben.
-
In Abb. i stellen 2" bis 2", als Abwicklung Kammern gleichen Volumens
dar, die auf dem Umfang eines Rades angeordnet sind, das sich in Pfeilrichtung dreht.
Durch die Leitung i und das Gebläse 3 wird das zu verdichtende Gas der Kammer 2"
zugeführt und das darin befindliche Gas in die Leitung 5 verdrängt. Bei Drehung
des Rades z kommt die Kammer 2" in die folgenden Stellungen 2, bis 2", und
dann zu -a zurück. In der Stellung 2" 2a und 2e kommt die Kammer durch die Leitungen
6, 7 und 8 mit den Kammern 2, bis 2i in Verbindung, die, wie später noch beschrieben
wird, mit heißerem Gas höheren Druckes gefüllt sind. Durch die Leitungen 6 bis 8
strömt ein Teil der Kammerinhalte z9 bis 2i nach 2, bis 2e über und verdichtet stüfen-%veise
den darin befindlichen Inhalt kalten Gases bis auf eine geringe Druckdifferenz unter
dem Druck in der Kammer f und den anschließenden Leitungen. In der Stellung 2 f
wird die Kammer in einen Kreislauf eingeschaltet, der aus der Leitung 4, dem Kühler
9, dem Gebläse io, der Kammer iia eines zweiten Zellenrades, der Leitung 12, der
Brennkammer 14 und der Leitung 15 zurück zur Kammer 2 f gebildet wird. Durch das
Gebläse io wird der verdichtete kalte Anteil des Inhalts der Kammer 2f, der durch
zweckmäßige Gestaltung der Kammer und der Gasführung möglichst wenig mit dem übergeströmten
heißeren Gas vermischt wird, durch die Leitung 4 und den Kühler 9, in dem das Gas
gekühlt wird, angesaugt und in die Kammer iia gedrückt, die ebenso wie die Kammern
iib bis ii", Kammern unter sich gleichen, jedoch gegenüber den Kammern 2" bis 2",
kleineren Volumens sind und die auf dem Umfang eines Rades, das sich in Pfeilrichtung
dreht, angeordnet sind.
-
Aus der Kammer iia wird durch das kalte Gas ein heißeres Gas in die
Leitung 12 verdrängt und in der Brennkammer 14 mit Hilfe eines bei 16 eingeführten
Brennstoffes und durch die Leitung 18 zugeführte Verbrennungsluft aufgeheizt. Das
erhitzte Gas tritt durch die Leitung 15 in die Kammer 2 f des ersten Zellenrades,
die mit dem heißeren Gas ganz oder teilweise gefüllt wird. Durch die Aufheizung
des Gases in der Brennkammer 14 tritt eine Volumensteigerung und daher durch den
Stau in der Kammer 2" eine Drucksteigerung auf, so daß in dem Kreislauf, gebildet
aus den Elementen q., 9, 10, 11" 12, 14 15 und 2f, ein höherer Druck herrscht als
in der Leitung i und der Kammer 2a. Bei der weiteren Drehung des Rades 2 kommt die
jetzt mit Gas höheren Druckes und höherer Temperatur gefüllte Kammer 2 f in die
Stellungen 2, bis 2i, in der diese Kammern, wie beschrieben, einen Teil ihres Inhalts
durch die Leitungen 6 bis 8 in die Kammern 2, bis 2e abgeben und deren Inhalt durch
den Stau in den Kammern bis auf eine kleine Druckdifferenz auf den Druck in der
Kammer 2f, auf letzeren durch Einströmung aus der Leitung 15, verdichten.
-
In der Kammerreihe iia bis ii", wiederholt sich nun der gleiche Vorgang
der Verdichtung wie in der Kammerreihe z" bis 2"" nur mit dem Unterschied, daß der
Anfangsdruck in der Kammer iia dem Enddruck der Verdichtung der Kammerreihe 2a bis
2", entspricht, d. h. durch stufenweises Überströmen von heißerem Gas höheren Druckes
aus den Kammern iig bis iii über die Leitungen 2o bis 22 wird der kältere Inhalt
der Kammern ii, bis ii, verdichtet. In der Stellung ii f wird die Kammer in einen
zweiten Kreislauf eingeschaltet, derart, daß das Gebläse 24 den kalten, möglichst
unvermischten Inhalt der Kammer ii f ansaugt und durch den Wärmeaustauscher a5 und
die Leitung 26 in die Brennkammer 28 fördert, in der durch Einführung von Brennstoff
aus der Leitung z9 das Gas erhitzt wird. Das erhitzte Gas strömt durch die Leitung
30 in die Kammer ii f, die damit ganz oder teilweise gefüllt wird. Das in
der Kammer ii", verbleibende Restgas wird in der Stellung iia durch kaltes Gas verdrängt
und in die Leitung 12 gefördert. Durch die Erhitzung in dem Kreislauf, gebildet
aus den Elementen 24, 25, 26, 28, 30 und ii f, wird eine Volumensteigerung
und daher durch den Stau in der Kammer ii f eine Drucksteigerung hervorgerufen über
den Druck in der Kammer iza hinaus. Ein Teil des verdichteten heißen Gases wird
dem Kreislauf durch die Leitung 32 als Nutzleistung entnommen und in diesem Beispiel
in einer Gasturbine 33 verwertet. Die Nutzarbeit könnte auch an anderer Stelle,
z. B. der Leitung 26 oder dem Gebläse 24, als verdichtetes kaltes Gas entnommen
werden.
-
In der Turbinenstufe 33 expandiert das heiße Gas auf den Druck der
Brennkammer 14, der das expandierte Gas zur Zwischenerhitzung zugeführt wird. Hinter
der Brennkammer 14 wird das Nutzgas aus der Leitung 15 durch die Leitung 34 wieder
entnommen und einer weiteren Turbine 35 zugeführt, in der es auf den Anfangsdruck
der Leitung i expandiert. Das expandierte Gas strömt durch die Leitung 36 zusammen
mit dem aus der Kammer 2, verdrängten heißen Gas durch die Leitung 5 dem Wärmeaustauscher
25 zu, in dem er seine Wärme an das aufzuheizende Gas abgibt, und verläßt den Prozeß
durch die Leitung 37.
-
In gleicher Weise, wie beschrieben, können noch weitere Verdichtungsstufen
hintereinandergeschaltet werden.
-
In Abb. 2 ist eine besonders einfache Ausführung der Kammerreihe 2a
bis 2"" für die Kammerreihe iia bis ii", würde sie ähnlich sein, dargestellt, bei
der die Kammerreihe 2" bis 2", in zwei gegenläufige Kammerreihen 2a' bis 21' und
2a" bis 2," aufgelöst ist. In den Stellungen 2a' und 2a" oder 2t" werden beide Kammerreihen
mit kaltem Gas aus der Leitung i gefüllt. Bei der gegenläufigen Drehung der Kammerreihen
kommen die mit kaltem Gas gefüllten Kammern 2G', 2d , ze und 2,", 2E" neben
die mit heißem Gas höheren Druckes gefüllten Kammern 2i', 2h', z9' und 2i", 2so
daß die stufenweise Verdichtung durch einfaches Überströmen in Pfeilrichtung zwischen
nebeneinanderliegenden Kammern erfolgen kann. In der Stellung 2f' und 2f' erfolgt
die Verdrängung des kalten verdichteten Gasanteiles in die Leitung 4 durch heißeres
Gas gleichen Druckes aus der Leitung 15. Die Anordnung der gegenläufigen Kammern
kann axial oder radial sein.
In Abb. 3 sind zwei koaxial zueinander
angeordnete gegenläufige Kammerreihen 2a' bis 2i' und 2a" bis 2i", die am Umfang
zweier Räder 40 und 4 angeordnet sind, dargestellt. Der Eintritt des zu verdichtenden
Gases erfolgt bei i (diese Stelle entspricht der Stelle i der Abb. i) in der Nähe
der Welle und der Austritt des verdrängten Gases bei .5 (diese Stelle entspricht
der Stelle 5 der Abb. i) am Umfang der Räder. Durch den Unterschied der Umfangsgeschwindigkeiten
bei i und 5 entsteht eine Druckerhöhung am Austritt 5, so daß auch ohne das Gebläse
3 eine Förderung des Gases von i nach 5 entsteht. In gleicher Weise ist in der Stellung
der Kammer f (Abb. i) der Eintritt aus der Leitung 15 in der Nähe der Welle und
der Austritt des Gases in die Leitung 4 am Umfang angeordnet, so daß das Gebläse
io in Fortfall kommen kann. Die Förderung des Gases von i nach 5 bzw. von 15 nach
4 kann statt durch eine solche Radialbeschaufelung auch durch eine Axialbeschaufelung
erfolgen. Es ist wegen der Undichtigkeitsverluste günstig, die Kammerreihen als
Strömungsmaschinen für hohe Drehzahlen auszubilden. Die Überströmung zur Verdichtung
des Gases erfolgt in der Einrichtung nach Abb. 3 bei 42 in den in Abb. 2 angegebenen
Stellungen in Pfeilrichtung.
-
Bei Anordnung der Kammern am Umfang eines Rades ergibt es sich aus
dem Verfahren, daß der Druck am Umfang verschieden ist und dadurch eine Belastung
der Welle hervorgerufen wird. Bei den vorgesehenen höheren Verdichtungen kann diese
Belastung zu untragbaren Abmessungen führen. Es ist daher nach Abb. 4 besonders
vorteilhaft, den Vorgang der Verdichtung zwei- oder mehrmals auf dem Umfang eines
Rades anzuordnen, wodurch sich die Drücke gegeneinander aufheben. In den sich radial
oder axial gegenüberliegenden Kammern 2a, 2" oder 2f, 2 f herrschen
jeweils gleiche Drücke, so daß diese einander aufheben und die Welle nicht belasten.
-
Eine besonders einfache Bauart ergibt sich daraus, daß die Kammerreihen
zweier oder mehrerer Verdichterstufen am Umfang eines Rades angeordnet werden, z.
B. radial übereinander, wie es die Abb. 5 zeigt. Am äußeren Umfang des Rades 45
sind die Kammern 2" bis 2m der niederen Verdichterstufe und durch einen Ring
46 davon getrennt die Kammern iia bis iim angeordnet. Die Anordnung wird zweckmäßig
so getroffen, daß die Kammer z f, aus der das verdichtete Gas der ersten Verdichterstufe
austritt, über oder neben der Kammer iia liegt, in die das verdichtete Gas der ersten
Stufe eintritt.