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Verfahren zum Kühlen heißer Gase durch Mischen mit Gasen tieferer
Temperatur und niederen Druckes Zur Lösung der in der Technik vielfach auftretenden
Aufgabe, unter Überdruck stehende Gase hoher Temperatur auf eine Temperatur herunterzukühlen,
die dem Bedarf und Verwendungszweck angepaßt ist, sind verschiedene Vorschläge gemacht
worden. Eine Herabkühlung der Gase unter Verwendung eines Wärmeaustauschers kommt
für die Zwecke der Erfindung meist nicht in Frage, da wegen der kleinen Wärmeübergangszahlen
für Gase solche Wärmeaustauscher einen erheblichen Bauaufwand erfordern. Ein anderes
bekanntes Verfahren zum Kühlen heißer Gase besteht darin, daß die heißen Gase mit
Gasen tieferer Temperatur und niederen Druckes, der durch Expansion der heißen Gase
erhöht wird, vermischt werden. Von einem solchen Verfahren macht die vorliegende
Erfindung Gebrauch. Sie hat sich dabei die Aufgabe gestellt, das bekannte Verfahren
in der Hinsicht zu verbessern, daß eine möglichst hohe Energieausbeute bei der Herabkühlung
der heißen Gase erzielt wird.
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Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß nur eine Teilmenge der heißen,
unter Überdruck stehenden Gase zum Verdichten der kalten Gase auf den Druck der
heißen Gase verwendet und das gekühlte
Gasgemisch in einer Kraftmaschine,
z. B. Gasturbine öd. dgl., ausgenutzt wird, während der expandierte Gasanteil seine
Restwärme in einem Wärmeaustauscher abgibt. Die Erlangung der nach der Mischung
gewünschten und erforderlichen Temperatur, die dem Verwendungszweck, z. B. in einer
Gasturbine od. dgl., angepaßt ist, kann in einfacher Weise durch zweckentsprechende
Bemessung der zwecks Mischung zuzusetzenden Luft- oder Gasmenge gesichert werden.
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Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Expansion im
Zellenrad immer von einer höheren Temperatur ausgehen kann, als für eine Turbine
zulässig ist, da das Zellenrad durch seine Wirkungsweise abwechselnd mit kaltem
und heißem Gas arbeitet, also in seinen rotierenden Teilen eine mittlere Temperatur
annimmt. Die Turbine dagegen wird in ihren rotierenden Teilen immer in der höchsten
Gastemperatur arbeiten.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung ist darin
zu sehen, daß nur ein Teil der heißen Gase von ihrer Anfangstemperatur aus expandiert,
ein anderer Teil dagegen, nämlich der in der Turbine expandierende Teil, von der
Temperatur des Mischgases aus. Bei gleichen Wirkungsgraden der Expansion muß daher
die Energieausbeute größer werden, als wenn, wie es bei bekannten Verfahren der
Fall ist, die gesamte Gasmenge vor dem Eintreten in die Turbine auf die zulässige
Temperatur abgekühlt wird und von dieser Temperatur aus dann in der Turbine expandiert.
Dabei ist noch zu beachten, daß sowohl die niedrige Temperatur als auch das größere
Gasgewicht sich günstig für die bauliche Gestaltung und den thermischen Wirkungsgrad
der Turbine auswirken. Es ist dabei möglich, die die Turbine od. dgl. verlassenden
Abgase sowohl durch die Mischung mit den kalten Gasen als auch durch die Expansion
in der Turbine od. dgl. so weit herabzukühlen, daß Störungen durch Flammenbildung
od. dgl. vermieden werden.
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Zum stufenweisen Verdichten des kalten Gases auf den Druck der heißen
Gase können die letzteren in ein Zellenrad eingeleitet werden, so daß in den Kammern
dieses Zellenrades die Expansion der Teilmenge der heißen Gase und die Mischung
mit dem kalten Gas stattfindet.
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Die heißen Gase können einer Brennkammer oder dem Auspuff einer Brennkraftmaschine
entnommen werden. Bei Verwendung der Abgase einer Brennkraftmaschine als heiße Gase
für das Zellenrad kann das gekühlte Gasgemisch einer Rückstoßdüse zugeleitet werden,
die auch die Expansionsgase des Zellenrades aufnimmt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird an Hand der Abb. i bis 4 der
Zeichnung beschrieben. Abb. i zeigt als Beispiel eine Gasturbinenanlage.
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Der Verdichter i saugt durch die Leitung 2 Luft aus der Atmosphäre
an und drückt diese über den Wärmeaustauscher 3 in die Verbrennungskammer 4, in
der flüssige, gasförmige oder feste Brennstoffe verbrannt werden. Da eine Gasturbine
zur Zeit noch nicht in der Lage ist, Verbrennungsgase mit einer Temperatur zu verarbeiten,
die durch Verbrennung mit geringem Luftüberschuß wie z. B. in Feuerungen entsteht,
mußte bisher in der Brennkammer 4 mit einem so hohen Luftüberschuß gearbeitet werden,
daß eine Temperatur entsteht, für die die nachgeschaltete Turbine geeignet ist.
Nach dem Verfahren der Erfindung kann dagegen die durch den Verdichter i zu verdichtende
Luftmenge so. knapp bemessen werden, daß in der Brennkammer 4 nur mit geringem Luftüberschuß,
d. h. mit sehr hohen Temperaturen gearbeitet werden kann.
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Aus der Brennkammer 4 strömen die Gase durch die Leitung 5 in ein
Zellenrad 6, in dem nun die in der Brennkammer 4 erzeugten heißen Gase mit dem kalten
Gas, welches durch Expansion eines Teiles der heißen Gase auf deren Druck verdichtet
wird, gemischt werden. Das Zellenrad saugt durch die Leitung 8 das kalte Gas, z.
B. Luft, an:, die im Zellenrad 6 auf den Druck in der Leitung 5 verdichtet und mit
deren Gas vermischt wird. Das unter Druck stehende und durch Mischung gekühlte Gas
strömt durch die Leitung io der Turbine 12, zu. Die zwecks Mischung anzusaugende
Luftmenge ist so bemessen, daß nach der Mischung eine Temperatur entsteht, die dem
Verwendungszweck, d. h. in diesem Falle der Gasturbine, angepaßt ist.
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Der Anteil des heißen Gases, der durch Expansion das kalte Gas auf
den Druck des heißen Gases verdichtet, verläßt das Zellenrad durch die Leitung 14
und gibt, da seine Temperatur noch sehr hoch ist, im Wärmeaustauscher 3 seine Wärme
an die zur Brennkammer 4 gehende Verbrennungsluft ab: Ein besonderer Vorteil dieser
Anordnung ergibt sich daraus, daß ein Teil der Verbrennungsgase von der Temperatur
der Brennkammer und ein anderer Teil, nämlich der in der Turbine expandierende,
von der Temperatur des Mischgases aus expandiert. Bei gleichen Wirkungsgraden der
Expansion muß dabei zwangsläufig die Energieausbeute größer sein, als wenn die gesamte
Gasmenge vor dem Eintritt in die Turbine auf die zulässige Temperatur gekühlt wird
und von dieser Temperatur aus in der Turbine expandiert.
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Die Wirkungsweise des Zellenrades ist aus Abb. 2 ersichtlich, die
die am Umfang des Rades angeordneten Kammern gleichen Rauminhaltes in der Abwicklung
zeigt. Bei der Umdrehung des Rades in Pfeilrichtung durchläuft jede Kammer nacheinander
die Stellungen a bis m. Inder Stellung a
ist die Kammer mit der Heißgaszuleitung
5 und mit der zur Turbine gehenden Mischgasleitung io, in der Stellung g mit der
Kaltgaszüleitung 8 und der Ableitung 14 der expandierten Teilgasmenge verbunden.
In den Stellungen b bis f kommt die Kammer nacheinander mit den Kammern
m bis h in Verbindung, so daß jeweils ein Teil des Kammerinhaltes von b nach m usw.
überströmt und durch das überströmende heißere Gas der in diesen Kammern befindliche
Inhalt kälteren Gases stufenweise bis annähernd auf den Druck der Kammer a und der
anschließenden Leitungen 5, io verdichtet wird.
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Abb. 3 zeigt ein anderes Anwendungsgebiet, nämlich die Kühlung der
Auspuffgase von Brennkraftmaschinen
bei Verwertung von deren Energieinhalt
in einer Gasturbine (Turbolader). Die Abgastemperatur von Flugmotoren liegt so hoch,
daß diese zur Zeit noch nicht in Gasturbinen ohne besondere Kühlung der Auspuffgase
oder der Turbine verarbeitet werden können. Auch zur Lösung dieser Aufgabe ist es
von Vorteil, die Kühlung der Abgase durch Mischung mit verdichteten kalten Gasen
durchzuführen, die durch Expansion eines Teiles der Motorabgase von deren höchster
Temperatur ab erfolgt. Der Turboverdichter i saugt Luft durch die Leitung 2 aus
der Atmosphäre an und drückt diese durch die Leitung 7 dem Verbrennungsmotor 9 zu.
Die Abgase dieser Brennkraftmaschine strömen durch die Leitung i i dem Zellenrad
6 zu, in welchem ein Teil dieser Abgase expandiert und Kaltluft auf den Druck der
Abgase verdichtet. Die expandierten Verbrennungsgase verlassen das Zellenrad durch
die Leitung 1q., während durch die Leitung 8 Kaltluft angesaugt wird. Das mit .verdichteter
Kaltluft gemischte Abgas strömt durch die Leitung io vom Zellenrad zur Turbine 12,
die den Lader i und auch das Zellenrad 6 antreibt. Da durch die Expansionsleistung
der heißen Gase im Zellenrad ein größeres Gewicht kalter Gase verdichtet werden
kann, tritt somit ein größeres Gasgewicht als vom Motor 9 kommend mit niedriger
Temperatur in die Turbine 12. Sowohl die niedrige Temperatur als auch das größere
Gasgewicht wirken sich günstig für die konstruktive Gestaltung und den thermischen
Wirkungsgrad der Turbine aus.
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Ein weiteres Beispiel wird an Hand der Abb. q. beschrieben. Die Abgase
der Brennkraftmaschine 9 werden durch die Leitung i i dem Zellenrad 6 zugeführt,
in dem, wie vorher beschrieben, die heißen Gase durch Mischung mit kalten Gasen,
die durch Expansion eines Teiles der Abgase auf deren Druck verdichtet werden, gekühlt
werden. Das gekühlte Gemisch strömt durch die Leitung io einer Rückstoßdüse 15 zu,
die auch die Expansionsgase des Zellenrades durch die Leitung 14 aufnimmt. Auch
bei dieser Anordnung und Verwertung ist das größere Gasgewicht mit niedriger Temperatur
für den Wirkungsgrad der Schubdüse vorteilhaft.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich noch dadurch, daß
die die Schubdüse 15 (Abb. q) bzw. die Gasturbine 12 (Abb. 3) verlassenden Abgase
sowohl durch die Mischung mit kalten Gasen als auch durch Expansion in einer Turbine
oder Schubdüse in der Temperatur soweit herabgesetzt sind, daß Flammenerscheinungen
oder sonstige durch die Temperatur hervorgerufene störende Nebenwirkungen vermieden
werden.