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Wärmekraftanlage zur Ausnutzung von Abwärme Die Erfindung betrifft
eine Wärmekraftanlage, in der ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft,
einen Kreislauf beschreibt, zur Ausnutzung von in einem Wärmeträger anfallender
Wärme.
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Bei einer Wärmekraftanlage dieser Art wird bekanntlich das gasförmige
Arbeitsmittel durch einen Verdichter auf einen erhöhten Druck gebracht und in einem
Erhitzer durch Wärmezufuhr von außen erhitzt, worauf es in einer Turbine im wesentlichen
wieder auf den Saugdruck des Verdichters entspannt. Nach bekannten Anordnungen kann
dabei die Turbine aus einem einzigen Teil bestehen, von welchem gleichzeitig der
Verdichter angetrieben und auch Nutzleistung abgegeben wird, oder auch aus zwei
nacheinander vom Arbeitsmittel durchflossenen, gegebenenfalls voneinander mechanisch
getrennten Teilen, von denen der eine den Verdichter antreibt und der andere die
Nutzleistung abgibt. Das aus der Turbine austretende Arbeitsmittel gibt die in ihm
enthaltene Wärme dabei noch soweit wie möglich in einem Wärmeaustauscher an das
verdichtete Arbeitsmittel vor dessen Eintritt in den Erhitzer ab. Das verdichtete
Arbeitsmittel gelangt also mit einer Temperatur in den Erhitzer, die nahezu so hoch
ist wie die Temperatur, mit der das entspannte Arbeitsmittel die Turbine verläßt.
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Weist der Erhitzer beispielsweise eine Feuerung auf, so können die
Verbrennungsgase nur so lange Wärme an das Arbeitsmittel abgeben, als sie eine höhere
Temperatur haben als die Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels in den Erhitzer,
die ihrerseits auch um so höher ist, je höher die Temperatur
des
die Turbine verlassenden Arbeitsmittels ist. Dies bedeutet aber in diesem Fall keinen
Nachteil, da die Verbrennungsgase nach Verlassen des Erhitzers noch zur Vorwärmung
der Verbrennungsluft ausgenutzt werden können.
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Bei vorgegebener Höchsttemperatur des in die Turbine eintretenden
Arbeitsmittels ist die Austrittstemperatur des Arbeitsmittels durch das Expansionsverhältnis,
d. h. durch die Größe des Verhältnisses von Eintrittsdruck zu Austrittsdruck der
Turbine bestimmt. Die Austrittstemperatur wird um so niedriger, je größer dieses
Verhältnis ist. Es ist bekannt, daß der thermischeWirkungsgrad einer solchen Wärmekraftanlage,
bezogen auf die im Erhitzer dem Arbeitsmittel zugeführte Wärme, in Abhängigkeit
vom Expansionsverhältnis einen Höchstwert aufweist, wobei nach Überschreiten des
entsprechenden Expansionsverhältnisses der thermische Wirkungsgrad wieder abnimmt.
Um nicht allzusehr von dem Bestwert des Wirkungsgrades abzuweichen, wird daher das
Expansionsverhältnis auf einen Wert beschränkt, der beispielsweise bei einer Anlage
ohne Zwischenerhitzung des Arbeitsmittels nach Teilexpansion unterhalb 4. liegt
oder zumindest .a. nicht wesentlich überschreitet. Bei einer Anlage mit Zwischenerhitzung
gilt ungefähr die gleiche Grenze für die einzelnen Expansionsstufen.
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Eine so ausgelegte Wärmekraftanlage, die also ein Expansionsverhältnis
aufweist, welches den Wert für besten thermischen Wirkungsgrad, bezogen auf die
dem Arbeitsmittel zugeführte Wärme, nicht wesentlich übersteigt, wird im folgenden
als »normal ausgelegt« bezeichnet. Solche Anlagen haben das größte Anwendungsgebiet,
so daß sich mit Rücksicht auf die werkstattmäßige Herstellung eine Entwicklung von
einzelnen, etwa nach Leistung abgestuften Typen als zweckmäßig erweist.
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Es ist schon vorgeschlagen worden, solche Anlagen unverändert auch
für die Ausnutzung der in einem Wärmeträger, beispielsweise in Abgasen eines industriellen
Prozesses, enthaltenen fühlbaren Wärme zu verwenden. Die Abgase verlassen aber hierbei
denErhitzer noch mitverhältnismäßighoher Temperatur, und es besteht die Möglichkeit,
daß die Restwärme, die in diesem Wärmeträger nach Abgabe von Wärme an das Arbeitsmittel
der Wärmekraftanlage verbleibt, nicht mehr verwertet werden kann. Durch eine Erhöhung
des Expansionsverhältnisses des Arbeitskreislaufes kann jedoch bekanntlich eine
Erniedrigung der Temperatur des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels und somit
auch der Temperatur des vorgewärmten, in den Erhitzer eintretenden verdichteten
Arbeitsmittels erreicht werden. Es ist dann möglich, den Wärme an das Arbeitsmittel
abgebenden Wärmeträger im Erhitzer tiefer abzukühlen. Dadurch vermindert sich die
unverwertbare Restwärme dieses Wärmeträgers, und es kann ein großer Teil der im
Wärmeträger anfallenden Wärme ausgenutzt werden. Es ist dann trotz einer Verminderung
des thermischen Wirkungsgrades infolge der Erhöhung des Expansionsverhältnisses
über den Bestwert möglich, eine erhöhte Nutzleistung zu erhalten, da im Erhitzer
eine größereWärmemenge an den Kreislauf derWärmekraftanlage abgegeben wird.
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Die Erfindung bezweckt nun, für diese Sonderfälle eine Wärmekraftanlage
mit erhöhtem Expansionsverhältnis und damit verbesserter Ausnutzung der in einem
Wärmeträger anfallenden Wärme mit möglichst geringen Anlagekosten zu schaffen. Zu
diesem Behufe weist die Wärmekraftanlage gemäß der Erfindung als Maschinenanlage
eine aus mindestens einer Turbine und mindestens einem Verdichter bestehende, Nutzleistung
abgebende Maschinengruppe einer normal ausgelegten Wärmekraftanlage und eine zum
Zwecke der Erhöhung des Expansionsverhältnisses zusätzlich niederdruckseitig in
den Kreislauf eingeschaltete, aus Turbine und Verdichter bestehende Maschinengruppe
auf.
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Für eine derart ausgebildete Wärmekraftanlage ergibt sich der Vorteil,
daß sie zum größten Teil aus normalen, auch für eine anderen Zwecken dienende Wärmekraftanlage
verwendbaren Maschinen zusammengebaut werden kann. Die zusätzliche Maschinengruppe
wird verhältnismäßig billig, da deren Turbine von dem aus der Turbine der normalen
Maschinengruppe austretendenArbeitsmittel beaufschlagt wird, dessen Temperatur schon
so niedrig ist, daß eine Verwendung teurer austenitischer Baustoffe nicht erforderlich
ist, und daß auch höhere Beanspruchung der Werkstoffe zulässig ist.
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Da sowohl die normale Maschinengruppe wie auch die zusätzliche Maschinengruppe
für sich nur einen Teil des gesamten Expansionsgefälles verarbeiten bzw. nur einen
Teil des gesamten Verdichtungsverhältnisses erzeugen, ist es möglich, die Anlage
so zu bauen, daß bei mindestens einer der beiden Maschinengruppen, d. h. also bei
der normalen oder bei der zusätzlichen oder bei beiden Gruppen, Turbine und Verdichter
mit gemeinsamer Welle in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. Eine solche
Anlage ist vorteilhaft bezüglich Platzbedarf, Baustoffaufwand sowie auch bezüglich
Reibungsverlusten in den Lagern und bezüglich Undichtheitsverlusten nach außen,
da die Zahl der Lagerstellen und die Zahl der nach außen abdichtenden Stopfbüchsen
auf ein Minimum beschränkt wird.
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Die zusätzlich in den Kreislauf eingeschaltete Maschinengruppe wird
zweckmäßig so ausgelegt, daß sie für sich im Leistungsgleichgewicht ist, so daß
also die von der Turbine abgegebene Leistung gerade für den Antrieb des Verdichters
aufgebracht wird. Diese Maschinengruppe kann dann ohne Kupplung mit einem Nutzleistungsempfänger
frei laufend betrieben werden. Eine solche Auslegung kann durch entsprechende Dimensionierung
der Durchtrittsquersehnitte der Turbinenbeschaufelung der zusätzlich eingeschalteten
Maschinengruppe erreicht werden in dem Sinne, daß der Teil des zusätzlich gewonnenen
Expansionsgefälles, welcher für den Antrieb des zusätzlichen Verdichters nicht benötigt
wird, auf die Turbine der normalen Gruppe übertragen wird. Diese erhält also ein
etwas größeres Gefälle als jenes, für das sie normal ausgelegt ist, welches sie
aber ohne nennenswerte Einbuße an
Wirkungsgrad verarbeiten kann.
Der Leistungsüberschuß erscheint als zusätzliche Nutzleistung.
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Um einen insbesondere bei anomalen Betriebsbedingungen allfällig auftretenden
Leistungsüberschuß der zusätzlich in den Kreislauf eingeschalteten Maschinengruppe
und eine dadurch möglicherweise sich ergebende unzulässigeDrehzahlerhöhung dieser
Gruppe zli vermeiden, ist es -zweckmäßig, eine die Turbine oder eine den Verdichter
dieser Gruppe umgehende, mit einem regelbaren Absperrorgan versehene Leitung vorzusehen.
Durch Öffnen eines solchen Absperrorgans wird dann die Turbinenleistung vermindert
bzw. die Verdichterleistung erhöht, so daß ein Leistungsgleichgewicht wiederhergestellt
werden kann.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfuhr ungsforin des Erfindungsgegenstandes
und die damit erzielte Wirkung veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. r eine Wärmekraftanlage
zur Ausnutzung von in Abgasen anfallender Abwärme und Fig. 2 einen beispielsweisen
Verlauf des zum Arbeitskreislauf einer Anlage nach Fig. i gehörenden l?ntropiediagrainms.
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Die in Fig. i dargestellte Wärmekraftanlage besteht im wesentlichen
aus einem Erhitzer i, einer Turbine 2, einer weiteren Turbine 3, einem Wärmeaustauscher
d., einem Verdichter 5 und einem weiteren Verdichter 6. Mit 7 ist ein elektrischer
Stromerzeuger bezeichnet, der die von der Wärmekraftanlage abgegebene Nutzleistung
aufnimmt.
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Ein gasförmiges Arbeitsmittel beschreibt einen Kreislauf, wobei es
in Rohren 8 des Erhitzers i von einem durch einen Stutzen 9 eintretenden und durch
einen Stutzen io austretendenWärmeträgerWärme aufnimmt, darauf nacheinander in den
Turbinen 2 und 3 entspannt, den Wärmeaustauscher .I durchströmt, nacheinander in
den Verdichtern 5 und 6 iin wesentlichen wieder auf denAusgangsdruckverdichtet wird,
im Wärmeaustauscher 4. durch das die Turbine 3 verlassende Arbeitsmittel vorgewärmt
wird und darauf wieder in den Erhitzer i gelangt. Vor dein Eintritt in den Verdichter
5 durchströmt das Arbeitsmittel einen Kühler i i und vor dem Eintritt in den Verdichter
6 einen Kühler 12. Ferner wird es nach Teilverdichtung im Verdichter 6 in einem
Kühler 13 zwischengekühlt.
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Die aus der Turbine 2 und dem Verdichter 6 bestehende, Nutzleistung
an den Stromerzeuger 7 abgebende Maschinengruppe ist die Maschinenanlage einer im
Sinne der vorstehenden Erläuterungen als >;normal ausgelegt« bezeichneten Wärmekraftanlage.
Die aus der Turbine 3 und dem Verdichter 5 bestehende Maschinengruppe ist zum Zwecke
der Erhöhung des Expansionsverhältnisses zusätzlich in den Kreislauf eingeschaltet.
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Die dargestellte Wärmekraftanlage weist somit als Maschinenanlage
eine aus einer Turbine 2 und einem Verdichter 6 bestehende, Nutzleistung abgebende
Maschinengruppe einer normal ausgelegten Wärmekraftanlage und eine zum Zwecke der
Erhöhung des Expansionsverhältnisses zusätzlich niederdruckseitig in den Kreislauf
eingeschaltete, aus Turbine 3 und Verdichter 5 bestehende Maschinengruppe auf.
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Ferner sind bei den beiden Maschinengruppen 2, 6 bzw. 3, 5 Turbine
und Verdichter mit gemeinsamer Welle je in einem einzigen Gehäuse untergebracht.
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Die zusätzlich in den Kreislauf eingeschaltete 1laschinengruppe
3,5 ist so ausgelegt, daß sie für sich im Leistungsgleichgewicht ist. Die
von der Turbine 3 abgegebene Leistung wird voll für den Antrieb des Verdichters
5 verbraucht.
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Zu Regelzwecken «reist die Wärmekraftanlage im weiteren eine die Turbine3
der zusätzlich in den Kreislauf eingeschalteten Maschinengruppe umgehende, mit einem
regelbaren Absperrorgan 1,4 versehene Leitung 15 und eine den Verdichter 5 der zusätzlich
in den Kreislauf eingeschalteten Maschinengruppe umgehende, mit einem regelbaren
Absperrorgan 16 versehene Leitung 17 auf.
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Bei Öffnen des Absperrorgans 14 kann ein Teil des umlaufenden Arbeitsmittels
ohne Arbeitsleistung in der Turbine 3 von der Eintrittsseite nach der Austrittsseite
dieser Turbine gelangen, und bei Öffnen des Absperrorgans 16 kann ein Teil des durch
den Verdichter 5 verdichteten Arbeitsmittels nach dessen Saugseite zurückgelangen.
Beide Maßnahmen führen zu einem Überschuß der Verdichtungsleistung über die von
der Turbine abgegebene Leistung und wirken im Sinne einer Drehzahlverminderung der
Maschinengruppe 3, 5.
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Bei der in Fig. i dargestellten Wärmekraftanlage sind die Turbinen
in axialer und die Verdichter in radialer Bauart ausgeführt. Für die Erfindung ist
dies indessen unerheblich, indem die Turbinen auch in radialer und die Verdichter
auch in axialer Bauart ausgeführt werden können.
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In Fig. 2 ist ein beispielsweiser Zustandsverlauf des Arbeitsmittels
beim Durchlaufen des Kreislaufs der in Fig. i dargestellten Wärmekraftanlage in
einem Entropiediagramm veranschaulicht. In Richtung der Abszisse ist die Entropie:
S und in Richtung der Ordinate die Temperatur T aufgetragen. Die Maschinengruppe
2, 6 ist für einen Zustandsverlauf des Arbeitsmittels ausgelegt, der der Linie
AB' E FGHJA folgt, wobei das Arbeitsmittel in der Turbine 2 von
A nach
B', also von einem Druck p1 nach einem Druck pz entspannt würde.
Das Expansionsverhältnis p1
: p2' entspricht jenem einer normal ausgelegten
Anlage im Sinne der vorstehenden Erläuterungen. Durch das niederdruckseitige Einschalten
der Maschinengruppe 3, 6 in den Kreislauf wird nun der tiefste Druck im Kreislauf
p2 auf p2 erniedrigt. Der Zustandsverlauf geht nach der Linie ABCDEFGHJA. Die Turbine
3 ist so ausgelegt, daß sie das Gefälle BC verarbeitet, welches sie benötigt, um
den Verdichter 5 antreiben zu können, der das Arbeitsmittel längs der Linie
DE
verdichtet. Das Gefälle BC ist kleiner als das zusätzlich gewonnene Expansionsgefälle
B'C, so daß sich das Gefälle der Turbine 2 von
AB' auf
AB erhöht.
Da der Verdichter 6 im wesentlichen gleiche Leistungsaufnahme behält wie er sie
ohne die Zuschaltung der Maschinengruppe 3, 5 hätte, so äußert sich
| die Erhöhung des Expansionsgefälles der Turbine |
| in einer erhöhten Nutzleistungsabgabe an den |
| Stromerzeuger 7. |