Verfahren zum Betrieb eines Erhitzers von beliebigen Stoffen mit einer
Feuerung für beliebige Brennstoffe Feuerungsanlagen für Wärmekraftmaschinen, wie
Dampf- und Gasturbinenanlagen, aber auch für rein industrielle Zwecke der Erhitzung
von Stoffen jeder Art benötigen für die Umsetzung der chemischen Energie des Brennstoffes
in Wärme Sauerstoff, der vorzugsweise in Form von Luft geliefert wird. Die gelieferte
Luft muß Widerstände überwinden, um in die Feuerung zu gelangen und ebenso, um die
Feuerung als Rauchgas zu verlassen, wofür Druckenergie erforderlich ist. Die Erzeugung
der Druckenergie erfolgt in den bekannten Anlagen durch Rotations- bzw. Verdrängungsgebläse
oder Sauger. Zum Antrieb dieser Druckerzeugungsmittel wird mechanische bzw. elektrische
Energie benötigt. Um die hochwertigen und teuren Rotations- bzw. Verdrängungsdruckerzeuger
zu vermeiden, um die Abgastemperatur zu senken und damit den Wirkungsgrad der Feuerungsanlagen
zu verbessern und um die Ausnutzung der Abwärme zur Erzeugung hochwertiger Druckenergien
heranziehen zu können, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb eines Erhitzers
von beliebigen Stoffen mit einer Feuerung für beliebige Brennstoffe angewandt, nach
welchem die Erzeugung der für Verbrennungsluftlieferung notwendigen Druckenergie
durch Umwandlung von Wärme in kinetische und anschließend in Druckenergie in einem
oder mehreren hintereinandergeschalteten für sich bekannten Düsenanordnungen erfolgt,
in denen das Arbeitsmittel
nahezu adiabatisch expandiert und nahezu
isothermisch verdichtet wird, und die in den Düsenanordnungen zur Umwandlung in
kinetische und Druckenergie kommende Wärme vorzugsweise den Abgasen entnommen wird.
Die Verbrennungsluft zwischen den Düsenanordnungen, sofern mehrere hintereinander
verwendet werden, und nach der letzten Düsenanordnung soll vor Zuführung zur Feuerung
zur weiteren Abgaswärmeausnutzung durch -Rauchgase des Erhitzers aufgeheizt werden.
Wird b_ei weitestgehender Ausnutzung der Abgaswärme der durch die Düsenanordnungen
erzeugte Druck der Verbrennungsluft höher als zum Betreiben der Feuerung notwendig,
so ist es zweckmäßig, die Verbrennungsluft vor Eintritt in die Feuerung unter Arbeitsabgabe
sich entspannen zu lassen. Als weiteres wesentliches Merkmal des Verfahrens kann
die Wärme der Abgase des Erhitzers ebenso in einer Düsenanordnung direkt zur Druckerzeugung
verwendet werden. Eine dieser oder diesen Düsenanordnungen nachgeschalteteGasturbine
wird in diesem Falle direkt von den Abgasen des Erhitzers betrieben. Zweckmäßig
dabei ist es, die Abgase zwischen den Düsenanordnungen und der nachgeschalteten
Gasturbine nochmals unter Ausnutzung der Abgaswärme zu erhitzen. Auch bei gasförmigen
Brennstoffen kann die Verdichtung derselben nach der Erfindung durch Umwandlung
v # Wärme in kinetische und Druckenergie in on einer Düsenanordnung erfolgen. In
weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Feuerung des Er-' hitzers als Druckfeuerung
ausgebildet werden. Das Verfahren wird an Hand der Zeichnung näher erläutert; welche
als Beispiel eine Erhitzeranlage bringt, die aus einem Erhitzer 5 besteht, in dessen
Abgasleitung zwei Rohrstränge q. und i i liegen und zu dessen Verbrennungsluftförderung
und Verdichtung sowie zu dessen Abgaswärmeausnutzung zwei Düsenanordnungen I und
II verwendet werden, welche jeweils aus einem konischen Düsenstück 7, 7', einem
zylindrischen Mittelstück 2, 2' und einem gekühlten Verdichterteil 9 und io bzw.
g und io' bestehen, in welchen die Abgase bzw. die Verbrennungsluft ann'ä'hernd
adiabatisch expandieren und nahezu isothermisch verdichtet werden.Method for operating a heater of any substances with a
Firing for any fuels Firing systems for heat engines, such as
Steam and gas turbine systems, but also for purely industrial heating purposes
of substances of any kind are required for the conversion of the chemical energy of the fuel
in heat oxygen, which is preferably supplied in the form of air. The delivered
Air has to overcome resistance in order to get into the furnace and also to the
To leave the furnace as flue gas, for which pressure energy is required. The production
In the known systems, the pressure energy is generated by rotary or displacement blowers
or sucker. To drive this pressure generating means is mechanical or electrical
Energy required. About the high-quality and expensive rotary or displacement pressure generators
to avoid in order to lower the flue gas temperature and thus the efficiency of the combustion systems
to improve and to utilize the waste heat to generate high-quality printing energies
In accordance with the invention, a method for operating a heater can be used
of any materials with a furnace for any fuel applied, according to
which is responsible for the generation of the pressure energy necessary for the supply of combustion air
by converting heat into kinetic and then into pressure energy in one
or several series-connected nozzle arrangements known per se takes place,
in which the work equipment
expanded almost adiabatically and nearly
Isothermally compressed, and the in the nozzle arrangements for conversion into
Kinetic and pressure energy coming heat is preferably taken from the exhaust gases.
The combustion air between the nozzle arrangements, if several in a row
should be used, and after the last nozzle arrangement should be before feeding to the furnace
to further utilize the exhaust gas heat, they can be heated by -flue gases from the heater.
If the exhaust gas heat is used as far as possible, the nozzle arrangements
generated pressure of the combustion air higher than necessary to operate the furnace,
so it is advisable to discharge the combustion air before it enters the furnace
to relax. Another essential feature of the process can be
the heat of the exhaust gases from the heater also in a nozzle arrangement directly to generate pressure
be used. A gas turbine connected downstream of this or these nozzle arrangements
is operated directly from the exhaust gases of the heater in this case. Appropriate
it is the exhaust gases between the nozzle assemblies and the downstream
To heat the gas turbine again using the exhaust gas heat. Even with gaseous
Fuels can be the compression of the same according to the invention by conversion
v # Heat in kinetic and pressure energy in on a nozzle arrangement. In
A further embodiment of the invention can be the firing of the heater as pressure firing
be formed. The method is explained in more detail with reference to the drawing; Which
as an example brings a heater system, which consists of a heater 5, in which
Exhaust pipe two pipe strings q. and i i lie and to its combustion air delivery
and compression as well as two nozzle arrangements I and for its exhaust gas heat utilization
II are used, each of which consists of a conical nozzle piece 7, 7 ', a
cylindrical center piece 2, 2 'and a cooled compressor part 9 and io or
g and io 'exist, in which the exhaust gases or the combustion air approximately
expand adiabatically and become almost isothermally compressed.
Durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpe, die an
die Leitung i angeschlossen ist, wird in .dem Mittelstück :2 ein Vakuum hergestellt.
Infolge des so erzeugten Druckgefälles strömt @durch die Leitung 3 aus dem Freiern,
evtl. über ein Filter, das Arbeitsmittel, in diesem Fall Luft, über einen Rohrstrang
q. in die Düsenanordnung I. Durch Rauchgase des Erhitzers 5 wird die angesaugte
Luft erhitzt und expandiert im konischen Düsenstück 7 nahezu adnabatisch (wenn entsprechende
Isolierung vorgesehen ist) auf das im geraden Stück der Düsenanordnung I herrschende
Vakuum. Bei 8 wird die größte Ge= schwindigkeit des Strömungsvorganges erreicht,
die bis 9 gleichbleibt. Das, Entspannungsverhalinis ist so gewählt, daß die Temperatur
der strömenden Luft, nachdem sie ihre größte Geschwindigkeit bei 8 erreicht hat,
der Temperatur, der zur Verfügung stehenden Kühlmittel entspricht. Von 9 bis zo
wird unter gleichzeitiger Abführung von Wärme isothermisch verdichtet (oder aber
eine weitgehende Annäherung an die Isotherme erstrebt). Die Abführung der Wärme
erfolgt beispielsweise durch Kühlwasser. Bei io ist die größte Verdichtung erreicht.
Die verdichtete Luft wird in einem Rohrstrang i i durch Rauchgase des Erhitzers
5 erhitzt und anschließend durch die Leitung 12 der Feuerung des Erhitzers ,5 teils
als Erstluft, teils als Zweitluft. zugeführt. Falls notwendig oder erwünscht, kann
auch die Wärme der Erhitzerabgase in einer zweiten Düsenanordnung II in gleicher
Weise zur Erzeugung von Druckenergie (z. B. um die Rauchgase in den Schornstein
zu drücken) ausgenutzt werden. Die einzelnen Teile dieset Düsenanordnung sind@gleich
der der ersten bezeichnet, wobei zur Unterscheidung der entsprechenden Kennzahlen
ein Strich (!) beigefügt wurde. Bei entsprechender Auslegung kann das verdichtete
Abgas nochmals erhitzt und evtl. einer Gasturbine zur Arbeitsleistung zugeführt
werden. Anstatt die Luft in den Rohrsträngen q. und i i zu erhitzen, kann die Erhitzung
naturgemäß auch in getrennten Brennkammern erfblgen. Falls Druckluft mit niedriger
Temperatur benötigt wird, kann der Rohrstrang i i weggelassen werden. Die Düsenanordnung
kann so ausgelegt werden, daß die Druckluft nur mit dem zur Überwindung der Feuerungswiderstände
benötigtgn Überdruck .geliefert wird, aber auch mit einem entsprechend höheren Druck.
Im zweiten Fall kann die Erhitzerfeuerung als Druckfeuerung ausgebildet werden,
wobei die Rauchgase nach Verlassen des Erhitzers 5 einer nachgeschalteten Gasturbine
zugeführt werden und dort unter Arbeitsabgabe expandieren. Ist es erwünscht, die
Feuerung nur mit atmosphärischem Druck arbeiten zu lassen, so kann trotzdem die
Düsenanordnung I für einen höheren Druck ausgelegt - werden. Im letzteren Fall wird
die Druckluft nach Erhitzung im Rohrstrang i i (oder in einer Brennkammer) einer
Luft- bzw. Gasturbine 13 zugeführt, wo sie unter Arbeitsabgabe expandiert. Das Entspannungsverhältnis
der Turbine 13 wird so gewählt, daß ihre Abluft (bzw. Abgas) mit dem notwendigen
Überdruck als Verbrennungsluft der Feuerung des Erhitzers 5 geliefert werden kann.By a vacuum pump, not shown in the drawing, which on
the line i is connected, a vacuum is created in the middle section: 2.
As a result of the pressure gradient generated in this way, @ flows through line 3 from the vacant,
possibly via a filter, the working medium, in this case air, via a pipe
q. into the nozzle arrangement I. The flue gases from the heater 5 are sucked in
Air heats and expands in the conical nozzle piece 7 almost adnabatically (if appropriate
Insulation is provided) to that prevailing in the straight piece of the nozzle arrangement I.
Vacuum. At 8 the highest speed of the flow process is reached,
which stays the same until 9. The relaxation behavior is chosen so that the temperature
of the flowing air after it has reached its greatest speed at 8,
the temperature corresponding to the available coolant. From 9 to zo
is isothermally compressed with simultaneous dissipation of heat (or else
aims to approximate the isotherm as closely as possible). The dissipation of heat
takes place, for example, by cooling water. The greatest compression is achieved at io.
The compressed air is in a pipe string i i through the flue gases of the heater
5 heated and then through the line 12 of the furnace of the heater, 5 in part
as first air, partly as second air. fed. If necessary or desired, can
also the heat of the heater exhaust gases in a second nozzle arrangement II in the same
Way of generating pressure energy (e.g. around the flue gases in the chimney
to press) can be exploited. The individual parts of this nozzle arrangement are @ the same
that of the first, whereby to differentiate the corresponding key figures
a line (!) was added. With the appropriate design, the compressed
Exhaust gas heated again and possibly fed to a gas turbine for work
will. Instead of the air in the pipe strings q. and i i to heat, the heating can
naturally also be carried out in separate combustion chambers. If compressed air with lower
Temperature is required, the pipe string i i can be omitted. The nozzle arrangement
can be designed so that the compressed air can only be used to overcome the firing resistance
required overpressure. is delivered, but also with a correspondingly higher pressure.
In the second case, the heater firing can be designed as pressure firing,
wherein the flue gases after leaving the heater 5 of a downstream gas turbine
are supplied and expand there under work delivery. Is it desirable that
To let the furnace work only with atmospheric pressure, the
Nozzle arrangement I designed for a higher pressure - be. In the latter case, will
the compressed air after heating in the pipe string i i (or in a combustion chamber) a
Air or gas turbine 13 supplied, where it expands with work output. The relaxation relationship
the turbine 13 is chosen so that its exhaust air (or exhaust gas) with the necessary
Overpressure as combustion air of the furnace of the heater 5 can be supplied.
Werden höhere Drücke erwünscht, so können auch zwei oder mehrere Düsenanordnungen
I hintereinandergeschaltet werden.If higher pressures are required, two or more nozzle arrangements can also be used
I can be connected in series.
Die nachgeschaltete Luft bzw. Gasturbinen 13 können in allen bekannten
Schaltungen mit einmaliger oder mehrmaliger Arbeitsmittelerhitzung ausgeführt werden.The downstream air or gas turbines 13 can be in all known
Circuits with single or multiple heating of the working medium are carried out.
Die Feuerung selbst kann sowohl- für feste, staubförmige, flüssige
wie auch gasförmige Brennstoffe ausgeführt werden. Bei gastförmigen Brennstoffen
kann auch für die Brennstoffdruckerzeugung eine Düsenanordnung der beschriebenen
Art verwendet werden. Für die Kühlung der Verdichterdüse-kann ebenso Kondensat einer
Dampfanlage, Wasser einer Heizungsanlage und sonstige
Mittel, die
die Verwendung dieser Abwärme für Nutzzwecke gestatten, verwendet werden.The furnace itself can be used for solid, dusty and liquid
as well as gaseous fuels are carried out. With gaseous fuels
A nozzle arrangement of the type described can also be used for generating fuel pressure
Kind be used. A condensate can also be used to cool the compressor nozzle
Steam system, water from a heating system and others
Means that
allow this waste heat to be used for useful purposes.
Bei großen Entspannungsverhältnissen der Entspannungsdüse und der
relativ niedrigen Lufttemperatur vor der Düse ist es vorteilhaft, die Düse zusätzlich
zu heizen (z. B. durch Abgase). Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Anlage lassen sich wie folgt zusammenfassen: i. Verdichtung in unbeweglichen Anlageteilen
mit guten Wirkungsgraden; z. Ausnutzung der Abwärme zur Erzeugung hochwertiger Druckenergie;
3. Senkung der Abgabetemperatur und Verbesserung des Wirkungsgrades des Erhitzers
5 ; 4. einfache Kombination mit Gasturbinenanlagen; 5. gänzlicher oder teilweiser
Fortfall hochwertiger und teurer Rotations- bzw. Verdrängerdruckerzeuger und ihre
Antriebe.With large expansion ratios of the expansion nozzle and the
relatively low air temperature in front of the nozzle, it is advantageous to use the nozzle in addition
to heat (e.g. with exhaust gases). The advantages of the proposed according to the invention
Plant can be summarized as follows: i. Compaction in immovable parts of the system
with good efficiencies; z. Utilization of waste heat to generate high-quality printing energy;
3. Lowering the discharge temperature and improving the efficiency of the heater
5; 4. simple combination with gas turbine systems; 5. Whole or partial
Elimination of high-quality and expensive rotary or displacement pressure generators and their
Drives.