DE923283C

DE923283C - Gas-steam mixture process with high efficiency

Info

Publication number: DE923283C
Application number: DEJ4218A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl-Ing Bauer; Robert Dr-Ing Joetten
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-06-03
Filing date: 1951-06-03
Publication date: 1955-02-07

Description

Gas-Dampf-Gemisch-Prozeß mit hohem Wirkungsgrad Der Gedanke, eine Wärmearbeitsmaschine zu bauen, in der die Verbrennungsgase selbst, vermischt mit Wasserdampf, das Arbeitsmittel darstellen, ist seit langem bekannt. Trotzdem ist die Entwicklung diesen Weg nicht gegangen, sondern die heute gebauten Verbrennungsturbinen sind reine Gasturbinen. Der Grund hierfür ist, daß mit den bisher gemachten Vorschlägen der Wasserzusatz den Wirkungsgrad verschlechtert. Es ist praktisch nicht möglich, die in dem Dampfanteil steckende Verdampfungswärme zur Arbeitsleistung heranzuziehen. Bei der reinen Gasturbine muß aber etwa das 6fache der zur Verbrennung notwendigen Luftmenge auf den Turbineneintrittsdruck komprimiert werden. Hierzu ist eine Antriebsleistung erforderlich, die ungefähr das a,q.fache der Turbinennutzleistung beträgt. Die Turbine muß also das 3,4fache der Nutzleistung als mechanische Leistung hergeben können. Entsprechend hoch ist der Maschinenaufwand für die Verdichtung. Schließlich ist dieser Energiekreislauf Turbine-Verdichter-Turbine mit erheblichen Verlusten verbunden. Rechnet man 15 % der aufgenommenen Leistung von Turbine und Verdichter als Verluste, so betragen diese insgesamt 87 % der nutzbaren Leistung.Gas-steam mixture process with high efficiency The thought of a Build a thermal machine in which the combustion gases themselves are mixed with Water vapor, the working medium, has been known for a long time. Still is the development did not go this way, but the combustion turbines built today are pure gas turbines. The reason for this is that with the proposals made so far the addition of water worsens the efficiency. It is practically impossible to use the heat of vaporization contained in the steam portion for work performance. In the case of a pure gas turbine, however, about 6 times the amount required for combustion must be Air volume can be compressed to the turbine inlet pressure. For this purpose there is a drive power required, which is approximately a, q times the turbine power output. The turbine must therefore be able to provide 3.4 times the useful power as mechanical power. The machine outlay for compaction is correspondingly high. Finally is this turbine-compressor-turbine energy cycle is associated with considerable losses. If one calculates 15% of the power consumed by the turbine and compressor as losses, this amounts to a total of 87% of the usable power.

Die Entwicklung im Gasturbinenbau ist den Weg zu verhältnismäßig niedrigen Drucken und Verdichtungsverhältnissen gegangen. Würde man nämlich zwecks Erzielung eines höheren Wirkungsgrades die Verdichtung erhöhen, so ergäbe sich bereits bei der notwendigen Vorverdichtung der Eintrittsluft eine für die Turbinenschaufeln zu hohe Temperatur. Mit Wärmeaustausch gibt es ein Wirkungsgradoptimum bei kleinen Verdichtungsverhältnissen. Natürlich treten auch im Wärmetauscher Verluste ein, und ein Wärmeaustausch zwischen Gasströmen, die unter geringem Druck stehen, erfordert einen umfangreichen Apparat.The development in gas turbine construction is the way to relatively low Printing and compression ratios gone. One would namely for the purpose of achieving a higher degree of efficiency would increase the compression, so would already result in the necessary pre-compression of the inlet air one for the turbine blades too high Temperature. With heat exchange there is an optimum efficiency at low compression ratios. Of course, there are also losses in the heat exchanger a, and a heat exchange between gas streams that are under low pressure, requires extensive apparatus.

Alle diese Überlegungen veranlaßten, theoretisch nachzuprüfen, ob sich der Prozeß mit Wasserzusatz beim heutigen Stand der Technik so führen läßt, daß die verlorene Verdampfungswärme durch andere Vorteile wieder aufgehoben und ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.All these considerations prompted to theoretically check whether the process can be carried out with the addition of water with the current state of the art, that the lost heat of vaporization is canceled out by other advantages and a high degree of efficiency is achieved.

Zur Abgrenzung der Erfindung gegen das Bekannte wird auf folgendes hingewiesen: In der Literatur ist der Wasserzusatz schon beschrieben. Aber (er führt nach den dort angegebenen Verfahren zu nur geringfügigem Wirkungsgradgewinn. Als Richtschnur für die Führung des Prozesses ist im wesentlichen das Streben nach einem möglichst hohen Wasserzusatz angegeben. Im übrigen befaßt sich das Schrifttum außerdem hauptsächlich mit konstruktiven Vorschlägen, und wenn Vorschriften für die günstigste Führung des Prozesses gegeben werden, so sind diese nach den heutigen Erkenntnissen nicht mehr aufrechtzuerhalten. In neuerer Zeit ist die Wassereinspritzung und Nachverbrennung bei Strahltriebwerken für Luftfahrzeuge zur Erzielung kurzzeitiger Höchstleistung ohne Rücksicht auf den Wirkungsgrad `bekanntgeworden. Hiervon unterscheidet sich die angegebene Verfahrensweise jedoch grundsätzlich: Beim Strahltriebwerk wird in der Turbine nur die für den Verdichterantrieb benötigte Energie gewonnen, im übrigen wird direkt der Strahlschub ausgenutzt. Ferner maß auch beim Betrieb mit Wassereinspritzung die volle Überschußluft wie im Normalbetrieb gefördert werden. Die sogenannte Nachverbrennung erfolgt hinter der Turbine im Auspuff, so daß die so überhitzten Gase keiner weiteren Kraftmaschine mehr zugeführt werden.To distinguish the invention from the known, the following is used pointed out: The addition of water has already been described in the literature. But (he leads according to the procedures specified there to only a slight gain in efficiency. as The guiding principle for the conduct of the process is essentially the pursuit of one the highest possible amount of water added. Otherwise the literature is also concerned mainly with constructive proposals, and when rules for the most favorable Leadership of the process are given, so these are according to today's knowledge no longer sustainable. More recently there is water injection and post-combustion in jet engines for aircraft to achieve short-term maximum performance became known regardless of the efficiency. This differs from this However, the specified procedure is basically: In the case of a jet engine, in the turbine only generates the energy required to drive the compressor, otherwise the jet thrust is used directly. Furthermore, measured when operating with water injection the full excess air can be conveyed as in normal operation. The so-called afterburning takes place behind the turbine in the exhaust, so that the gases overheated in this way cannot be used any further Power machine can be supplied more.

Die Erfindung besteht im Gegensatz zu dem Bekannten aus einem Verfahren, nach dem mit Wasserzusatz bei einer Verbrennungsturbine sowohl der Wirkungsgrad der Gasturbine wie auch der Wirkungsgrad der Kondensationsdampfturbine bei geringerem Gesamtaufwand übertroffen werden kann.In contrast to the known, the invention consists of a method after the addition of water in a combustion turbine, both the efficiency the gas turbine as well as the efficiency of the condensing steam turbine at a lower level Total effort can be exceeded.

Das Verfahren besteht darin, daß das Verdichtungsverhältnis, im Gegensatz zur bisherigen Entwicklung im Gasturbinenbau, möglichst hoch gewählt wird, z. B. von Atmosphärendruck auf r 5o at, und daß nur so viel Überschußluft gefördert wird, wie notwendig ist, um eine vollkommene Verbrennung sicherzustellen. Bei einem solch hohen Druckverhältnis ist eine Zwischenkühlung der zu komprimierenden Gase zwischen den einzelnen Verdichterstufen notwendig. Es ist bekannt, daß diese Zwischenkühlung für den Wirkungsgrad vorteilhaft ist. Erfindungsgemäß wird diese Zwischenkühlung mit einer Vorwärmung des Einspritzwassers auf Sättigungstemperatur verbunden, d. h. sie wird als Wärmeaustausch zwischen vorkomprimiertemGas und Speisewasser durchgeführt. Die Wärmezufuhr erfolgt durch Gleichdruckverbrennung. Die Menge des Einspritzwassers wird so bemessen, daß die zulässige Höchsttemperatur eingehalten wird. Bei einer zulässigen Temperatur von 65o° C und dem angenommenen Druck von r5o at hat das @ entstehende Gas-Dampf-Gemisch etwa 36 Gewichtsprozent Wasserdampf und 64Gewichtsprozent Gas. Durch das gewählte hohe Verdichtungsverhältnis wird erreicht, daß die Temperatur der Auspuffgase nur wenig über der Außentemperatur liegt. Das bedeutet einen guten thermischen Wirkungsgrad. Die Menge der geförderten Luft geht auf größenordnungsmäßig ein Sechstel der bei der reinen Gasturbine notwendigen Luftmenge zurück, damit der Aufwand an Antriebsleistung für den Verdichter von :240 0/0 auf größenordnungsmäßig 40 % der Nutzleistung, die mechanische Leistung der Turbine von 340 auf r4o 1/o der Nutzleistung. Es ist bekannt, daß die Druckförderung des Einspritzwassers demgegenüber eine vernachlässigbar kleine Leistung erfordert. Die auf die Nutzleistung der Turbine bezogenen Verluste von Turbine und Verdichter gehen auf größenordnungsmäßig 27°/o zurück, gegenüber 87 %, die für die Gasturbine genannt wurden.The method consists in that the compression ratio, in contrast to previous developments in gas turbine construction, is selected as high as possible, e.g. B. from atmospheric pressure to r 50 at, and that only as much excess air is promoted as is necessary to ensure perfect combustion. With such a high pressure ratio, intermediate cooling of the gases to be compressed is necessary between the individual compressor stages. It is known that this intermediate cooling is advantageous for the efficiency. According to the invention, this intermediate cooling is combined with preheating of the injection water to saturation temperature, ie it is carried out as a heat exchange between precompressed gas and feed water. The heat is supplied through constant pressure combustion. The amount of water to be injected is measured in such a way that the maximum permissible temperature is observed. At a permissible temperature of 65o ° C and the assumed pressure of r5o at, the resulting gas-vapor mixture has about 36 percent by weight of water vapor and 64 percent by weight of gas. The high compression ratio selected means that the temperature of the exhaust gases is only slightly above the outside temperature. That means a good thermal efficiency. The amount of air conveyed is on the order of a sixth of the amount of air required for a pure gas turbine, so that the drive power required for the compressor from: 240 0/0 to 40% of the useful power, the mechanical power of the turbine from 340 to r4o 1 / o the useful power. It is known that the pressure delivery of the injection water, in contrast, requires a negligibly small power. The turbine and compressor losses related to the useful power of the turbine go back to the order of magnitude of 27%, compared to 87% that were cited for the gas turbine.

Für Kleinanlagen sowie dort, wo es auf Gewichts- und Raumersparnis mehr als auf den Wirkungsgrad ankommt, kann eine einstufige Entspannung ausreichend sein. Man kann z. B. auch eine Kolbenmaschine so betreiben und benötigt kein Kühlwasser für die Kondensation. Eine beträchtliche Wirkungsgradverbesserung kann jedoch mit größerem Aufwand durch mehrstufigeEntspannung und Zwischenüberhitzung erreicht werden. Dazu wird nach Arbeitsleistung in einer Hochdruckstufe und so erfolgter Entspannung auf einen geringeren Druck eine Zwischenüberhitzung bei konstantem Druck in der Weise vorgenommen, daß in einer weiteren Brennkammer erneut Brennstoff und Luft ohne Luftüberschuß zugeführt und verbrannt und die zusätzlichen Verbrennungsgase mit dem vorhandenen Gemisch innig vermengt werden. Bei noch hinreichend hohem Druck und geringem Schaufelraddurchmesser kann z. B. nochmals die gleiche Temperatur zulässig sein wie vor der Hochdruckstufe. Diese Art der Zwischenüberhitzung kann mehrmals durchgeführt -,werden. Man erreicht damit, daß der Dampfgehalt im Gemisch in jeder folgenden Stufe geringer wird. Dies bedeutet eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades, denn der bei dem vorgeschlagenen Verfahren unvermeidliche Verlust der Verdampfungswärme im Auspuff macht einen um so geringeren Anteil der umgesetzten Leistung aus, je kleiner der Dampfgehalt in den Abgasen ist. Da nach den Zwischenüberhitzungen die Auspufftemperatur höher isst als ohne Zwischenüberhitzung, wird zweckmäßig auch die Auspuffwärme zum Wärmetausch mit dem Speisewasser herangezogen.For small systems as well as where there is a need to save weight and space more than that depends on the degree of efficiency, a single-stage relaxation can be sufficient be. You can z. B. also operate a piston engine in this way and does not require cooling water for condensation. However, a considerable improvement in efficiency can be achieved with greater effort can be achieved through multi-stage relaxation and reheating. This is done after work in a high pressure stage and relaxation at a lower pressure reheating at constant pressure in the Way made that in another combustion chamber again fuel and air supplied and burned without excess air and the additional combustion gases be intimately mixed with the existing mixture. If the pressure is still high enough and small impeller diameter can, for. B. again the same temperature permissible be like before the high pressure stage. This type of reheating can occur several times be performed. One achieves that the steam content in the mixture in each following level becomes lower. This means an improvement in the thermal efficiency, because the inevitable loss of the heat of vaporization in the proposed method in the exhaust makes up a smaller proportion of the output, ever the steam content in the exhaust gases is smaller. Since after the reheating the Eating at the exhaust temperature higher than without reheating is also expedient the exhaust heat is used to exchange heat with the feed water.

Die Verbrennungsluft für die Zwischenüberhitzung wird zweckmäßig zwischen den Verdichterstufen entnommen, und die unteren Druckstufen des Verdichters sind entsprechend auszulegen. Ein Idealprozeß nach dem geschilderten Verfahren, bestehend aus a) mehrstufiger Kompression mit Zwischenkühlung durch Speisewasservorwärmung, Enddruck 8 atü, b) adiabatische Kompression auf 15o atü, c) Gleichdruckerwärmung auf 65o° C und Wasserzumischung, d) adiabatische Entspannung auf 25 atü, e) Zwischenüberhitzung auf 65o° C durch Verbrennungsgaszumischung, f) Entspannung auf Atmosphärendruck, dabei Gemischendtemperatur etwa 13o° C, g) Abkühlung auf die Ausgangstemperatur, mit Speisewasservorwärmüng verbunden, ergibt einen theoretischen Wärmeverbrauch von etwa 130o kcal/PS.h entsprechend einem thermischen Wirkungsgrad von der Größenordnung 501/o. Der Wasserdurchsatz liegt in der Größenordnung 0,1-5 kg/PS.h. Das Auspuffgemisch ist in diesem Falle mit etwa 15 % Wassergehalt bei 130° C vollkommen trocken.The combustion air for reheating is expediently taken from between the compressor stages, and the lower pressure stages of the compressor must be designed accordingly. An ideal process according to the method described, consisting of a) multi-stage compression with intermediate cooling by preheating the feed water, final pressure 8 atm, b) adiabatic compression to 150 atm, c) constant pressure heating to 65 ° C and water admixture, d) adiabatic relaxation to 25 atm, e) Intermediate superheating to 65o ° C by admixing combustion gas, f) expansion to atmospheric pressure, with the final mixture temperature around 13o ° C, g) cooling to the initial temperature, combined with feedwater preheating, results in a theoretical heat consumption of around 130o kcal / PS.h corresponding to a thermal efficiency of the Order of magnitude 501 / o. The water throughput is in the order of 0.1-5 kg / PS.h. In this case, the exhaust mixture is completely dry with around 15% water content at 130 ° C.

Wenn Kühlwasser vorhanden, müßte sich auch das Speisewasser zurückgewinnen lassen.If cooling water is available, the feed water should also be recovered permit.

Auch einfachere Anlagen ohne Zwischenüberhitzung dürften gute Wirkungsgrade erreichen. Der Wasserverbrauch, etwa einer Lokomotive, würde bei diesem Verfahren etwa ein Zehntel des Verbrauchs einer Dampflokomotive sein, bzw. bei gleicher Wassermenge würde die Reichweite verzehnfacht.Even simpler systems without reheating should have good efficiencies reach. The water consumption of a locomotive, for example, would be reduced with this method about a tenth of the consumption of a steam locomotive, or with the same amount of water the range would be increased tenfold.

Im folgenden wird ein Schaltschema als Ausführungsbeispiel beschrieben: Die Brennkammer enthält Luft- und Brennstoffdüsen wie die Brennkammer einer Gasturbine. Von dieser unterscheidet sie sich dadurch, daß zusätzlich Wassereinspritzdüsen angeordnet sind, durch die vorgewärmtes Speisewasser an geeigneter Stelle fein verteilt in den Verbrennungsgasstrom eingespritzt, so verdampft und in Dampfform mit den Verbrennungsgasen vermischt wird. Eine notwendige Kühlung der Brennkammerwände kann mit der Vorwärmung des Speisewassers verbunden werden. Auch kann in Abänderung ein Teil des Wassers dem verdichteten Luftstrom zugeführt werden. Wesentlich ist jedoch, daß die Druckförderung des Wassers noch im flüssigen Zustand und frühestens hinter der letzten Verdichterstufe die Zumischung erfolgt. Die Zeichnung gibt das Beispiel eines Schaltschemas einer Anlage mit zweistufiger Verdichtung, Zwischenkühlung, zweistufiger Entspannung und Zwischenüberhitzung. Die Verbrennungsluft nimmt den Weg über den Niederdruckverdichter i, über den Wärmetauscher :2 und den Mitteldruckverdichter 3. Hinter diesem wird die Verbrennungsluft für die Gasbrennkammer 9 entnommen. Die übrige Verbrennungsluft geht über den Wärmetauscher 4, den Hochdruckverdichter 5, den Wärmetauscher 6 zur Brennkammer 7, die als Gas-Dampf-Brennkammer bezeichnet ist, weil hier die Zumischung des Wassers erfolgt. Das Gemisch leistet Arbeit in der Hochdruckturbine 8, wird in der Gasbrennkammer 9 durch Zumischung weiterer Verbrennungsgase zwischenüberhitzt, das neue Gemisch leistet nochmals Arbeit in der Niederdruckturbine 1o und strömt durch einen Wärmetauscher 11 ins Freie.In the following a circuit diagram is described as an exemplary embodiment: The combustion chamber contains air and fuel nozzles like the combustion chamber of a gas turbine. It differs from this in that additional water injection nozzles are arranged are, through the preheated feed water finely distributed in a suitable place in injected into the combustion gas stream, so evaporated and in vapor form with the combustion gases is mixed. A necessary cooling of the combustion chamber walls can be done with the preheating of the feed water. Part of the water can also be modified be fed to the compressed air stream. It is essential, however, that the pressure promotion of the water is still in the liquid state and at the earliest after the last compressor stage the admixture takes place. The drawing gives an example of a circuit diagram of a System with two-stage compression, intermediate cooling, two-stage relaxation and Reheating. The combustion air takes its way through the low-pressure compressor i, via the heat exchanger: 2 and the medium pressure compressor 3. Behind this is the combustion air for the gas combustion chamber 9 is taken. The rest of the combustion air goes through the heat exchanger 4, the high pressure compressor 5, the heat exchanger 6 to Combustion chamber 7, which is referred to as the gas-steam combustion chamber, because this is where the admixture takes place of the water. The mixture does work in the high pressure turbine 8, is reheated in the gas combustion chamber 9 by adding further combustion gases, the new mixture does work again in the low-pressure turbine 1o and flows through a heat exchanger 11 to the outside.

Das Speisewasser steht in den Wärmetauschern 2, 4, 6, die der Zwischenkühlung dienen, im Wärmeaustausch mit der verdichteten Verbrennungsluft und im Wärmetauscher 11 mit den Auspuffgasen. Dabei ist die Reihenfolge, in der die einzelnen Wärmetauscher durchlaufen werden, nicht zwingend so, wie in der Zeichnung angegeben. Sie hängt vielmehr von der Führung des Prozesses ab und wird zweckmäßig so gewählt, daß der Wärmeaustauscher mit dem niedrigeren Temperaturniveau vom Speisewasser vor dem Wämetauscher mit dem höheren Temperaturniveau durchlaufen wird.The feed water is in the heat exchangers 2, 4, 6, those of the intermediate cooling serve, in the heat exchange with the compressed combustion air and in the heat exchanger 11 with the exhaust gases. This is the order in which the individual heat exchangers are run through, not necessarily as indicated in the drawing. She hangs rather, it depends on the management of the process and is expediently chosen so that the Heat exchanger with the lower temperature level of the feed water upstream of the heat exchanger is run through with the higher temperature level.

Insbesondere kann es zweckmäßig sein, das Speisewasser in parallelen Strömen durch die Zwischenkühler zu schicken, statt in Reihenschaltung. 17 ist die Brennstoffpumpe. Die Druckförderung des Speisewassers kann auch auf mehrere Stufen aufgeteilt werden.In particular, it can be useful to have the feed water in parallel To send flows through the intercooler instead of in series. 17 is the Fuel pump. The pressure delivery of the feed water can also take place in several stages be divided.

Claims

PATENT CLAIM: Process for achieving high thermal efficiency in heat engine systems using gas-steam mixtures, characterized by the use of the highest possible initial pressures with the lowest possible addition of water, further reduction of the percentage of steam in the working medium through additional combustion of fuel without excess air and without the addition of water in a downstream Intermediate superheater (9), preheating of the feed water to saturation temperature through heat exchange with the exhaust gases on the one hand and through use as a coolant for intermediate cooling between the compressor stages on the other hand and finally pressure delivery of the make-up water in the liquid state. Cited publications: German Patent Nos. 737 478, 63o 624, 173 447; Norman D a ve y, The Gas Turbine, London, 1914, pp. 95 to 1o2.