WO2000028220A1 - Verfahren und vorrichtung zum konditionieren von zuluft für eine kraft- oder arbeitsmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for conditioning supply air to be compressed for an engine or machine, the supply air being sucked in from the outside air and cooled by injecting water.
  • the invention relates to a device for conditioning supply air to be compressed for a motor or working machine with a supply air duct which is connected to the outside air and has a device for injecting water.
  • the simplest measure for this is to inject water into the supply air.
  • the enthalpy of evaporation of the supplied water reduces the temperature of the supply air, but only until the saturation limit is reached.
  • the excess water remains in droplets in the supply air.
  • the object is achieved with the method mentioned at the outset in that the water is atomized into microdroplets when injecting, which follow the flow of the supply air without damaging parts of the machine, that the supply air is humidified beyond its saturation limit with the formation of mist and that microdroplets forming the mist when the supply air is compressed, eg in the work machine.
  • the object is achieved in that the device for injecting water has a plurality of micro-nozzles distributed over the cross section of the supply air duct, the nozzle diameter of which is ⁇ 20 ⁇ m, preferably ⁇ 10 ⁇ m.
  • the invention is based on the knowledge that the evaporation enthalpy of the water supplied can also be used for cooling beyond the saturation limit of the supply air, provided the pulse of the droplets can be reduced to such an extent that the droplets follow the air flow without damaging the walls the machine.
  • the critical size for the diameter of the microdroplets is determined from this. At particularly high flow velocities in turbocompressors, one will go back to 10 ⁇ m, preferably down to 1 ⁇ m.
  • the evaporation enthalpy of the water supplied beyond the saturation limit is used in the subsequent compression of the supply air for internal cooling, with the result that the output and efficiency increase. It is essential that this internal cooling is effective regardless of the temperature and humidity conditions under which the outside air is located.
  • the invention can be used wherever the microdroplet mist forming the supply air is subjected to a process which leads to an increase in pressure and / or temperature leads and accordingly creates conditions under which the microdroplets can absorb latent heat as they evaporate.
  • a main area of application of the invention is that of gas turbines, above all in the power plant sector.
  • the atomization of the water preferably takes place before the first compressor stage, the internal cooling being able to take place in the first and / or in one or more of the downstream compressor stages. It is also possible to inject the microdroplets into the supply air or part of the supply air from a downstream compressor stage.
  • the invention can also be applied to piston compressors, in which case the sensitivity to the droplet size is somewhat lower, since the flow-mechanical impairments or unbalance problems associated with turbocompressors do not occur.
  • the atomization of the water is preferably carried out at a pressure of 100 to 300 bar. Pressures up to 1000 bar are also conceivable.
  • the nozzle system is advantageously arranged at a short distance in front of the compression point in order to prevent the microdroplets from colliding and agglomerating with one another.
  • the distance can be chosen to be very small due to an additional advantageous effect of the invention.
  • the microdroplets are able to evaporate very quickly due to their large specific surface area. The saturation limit is therefore exceeded very early. Further advantages of the invention emerge from the subclaims.
  • the diagram shows the air temperature in ° C, plotted against the water content of the air in g / kg.
  • the family of curves 1 represents the relative humidity of the outside air.
  • the starting point of the process is point 1, which shows the state of the outside air.
  • the temperature is about 26 ° C and the water content is 9 g / kg. This results in a relative humidity of around 43%.
  • the spraying of microdroplets is continued.
  • the state of the supply air continues to follow curve B up to point 3. This is in the supersaturation range.
  • the microdroplets and the supply air form a mist and enter the first stage of the compressor in this form.
  • the temperature of the supply air is still the same
  • the diagram shows that the effect of the internal cooling is also effective if the supply air is drawn in at a state point of the outside air which is at a higher temperature and / or at a higher relative humidity.
  • the steepness of curve B between points 1 and 2 can be changed by the temperature of the spray water.
  • the size of the microdroplets and the associated micro nozzles can be varied as required depending on the application. Furthermore, the nozzles can be made from a wide variety of materials.
  • the supply air can also be in at least two steps are cooled, the supply air being cooled in the first step with water of any droplet size up to the saturation limit, whereupon in the second step microdroplets are injected behind a droplet separator for internal cooling in the subsequent compressor.

Abstract

Die Zuluft wird vor Eintritt in die erste Verdichterstufe gekühlt, und zwar durch Eindüsen von Wasser. Dabei wird das Wasser zu Mikrotröpfchen zerstäubt. Der Durchmesser der Mikrotröpfchen wird so eingestellt, daß die Mikrotröpfchen der strömung der Zuluft durch den Verdichter folgen können, ohne beschädigend auf dessen Schaufeln einzuwirken. Dabei kann die Wassermenge so erhöht werden, daß die Zuluft über ihre Sättigungsgrenze hinaus unter Nebelbildung befeuchtet wird. Der Nebel verdampft im Verdichter und bewirkt dadurch eine Innenkühlung. Das Verfahren bewirkt eine Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung der Kraft- oder Arbeitsmaschine.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Konditionieren von Zuluft für eine Kraft- oder Arbei s aschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren von zu verdichtender Zuluft für eine Kraft- oder Arbeitsmaschine, wobei die Zuluft aus der Außenluft angesaugt und durch Eindüsen von Wasser gekühlt wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Konditionieren von zu verdichtender Zuluft für eine Kraft- oder Arbeitsmaschine mit einem Zuluftkanal, der mit der Außenluft in Verbindung steht und eine Einrichtung zum Eindüsen von Wasser aufweist.
Bekanntlich fällt die Leistung von Verbrennungskraftma- schinen mit steigender Außentemperatur stark ab. Ebenfalls ist eine Absenkung des Wirkungsgrades die Folge. Dies wirkt sich auch auf Gasturbinenanlagen zur Stromerzeugung aus . Man ist daher bestrebt, die Zuluft zu kühlen.
Die einfachste Maßnahme hierfür besteht darin, Wasser in die Zuluft einzudüsen. Die Verdampfungsenthalpie des zuge- führten Wassers vermindert die Temperatur der Zuluft, allerdings lediglich bis zum Erreichen der Sättigungsgrenze. Das überschüssige Wasser verbleibt in Tröpfchenform in der Zuluft.
Diese Tröpfchen können die nachgeschaltete Maschine be- schädigen. In dieser Hinsicht besonders empfindlich sind Turboverdichter. Bei Gasturbinen ist es daher unerläßlich, die befeuchtete Zuluft vor Eintritt in die erste Verdichterstufe durch einen Tropfchenabscheider bzw. Filter zu leiten. In jedem Falle bestimmt die Sättigungsgrenze der Zuluft die mögliche Temperaturabsenkung. Liegt die Luftfeuchtigkeit der Außenluft bei hoher Lufttemperatur auf hohem Niveau, also nahe der Sättigungsgrenze, so ist der Effekt der Temperaturabsenkung durch Befeuchtung daher relativ gering. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konditio- nierung der Zuluft insbesondere bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit der Außenluft zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß das Wasser beim Eindüsen zu Mikrotröpfchen zerstäubt wird, die der Strömung der Zuluft folgen, ohne beschädigend auf Teile der Maschine einzuwirken, daß die Zuluft über ihre Sättigungsgrenze hinaus unter Nebelbildung befeuchtet wird und daß die den Nebel bildenden Mikro- tropfchen bei der Verdichtung der Zuluft, z.B. in der Arbeitsmaschine, verdampft werden. Bei der eingangs genannten Vorrichtung besteht die Lösung der Aufgabe darin, daß die Einrichtung zum Eindüsen von Wasser eine Mehrzahl von über dem Querschnitt des Zuluftkanals verteilten Mikrodüsen auf- weist, deren Düsendurchmesser < 20 um, vorzugsweise < 10 μm ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verdampfungsenthalpie des zugeführten Wassers auch jenseits der Sättigungsgrenze der Zuluft zur Kühlung nutzbar gemacht werden kann, sofern es gelingt, den Impuls der Tröpfchen soweit zu vermindern, daß die Tröpfchen der Luftströmung folgen, ohne beschädigend auf die Wandungen der Maschine aufzutreffen. Hieraus bestimmt sich die kritische Größe für den Durchmesser der Mikrotröpfchen. Bei besonders hohen Strö- mungsgeschwindigkeiten in Turboverdichtern wird man bis auf lOμm, vorzugsweise bis auf 1 μm, zurückgehen.
Die Verdampfungsenthalpie des jenseits der Sättigungsgrenze zugeführten Wassers wird bei der anschließenden Verdichtung der Zuluft zu einer Innenkühlung mit dem Ergebnis genutzt, daß Leistung und Wirkungsgrad ansteigen. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß diese Innenkühlung unabhängig davon wirksam wird, unter welchen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen die Außenluft steht.
Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo der die Zu- luft bildende Mikrotröpfchen-Nebel einem Prozeß unterworfen wird, der zu einer Erhöhung des Drucks und/oder Temperatur führt und dementsprechend Bedingungen schafft, unter denen die Mikrotröpfchen bei ihrer Verdampfung latente Wärme aufnehmen können.
Ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist das der Gas- turbinen, und zwar vor allen Dingen auf dem Kraftwerkssektor. Die Zerstäubung des Wassers findet vorzugsweise vor der ersten Verdichterstufe statt, wobei die Innenkühlung in der ersten und/oder in einer oder mehreren der nachgeschalteten Verdichterstufen stattfinden kann. Auch besteht die Möglich- keit, die Mikrotröpfchen in die Zuluft oder in einen Teil der Zuluft einer nachgeschalteten Verdichterstufe einzudü- sen.
Auch auf Kolbenverdichter ist die Erfindung anwendbar, wobei hier die Empfindlichkeit gegenüber der Tröpfchengröße etwas geringer ist, da die mit Turboverdichtern verbundenen strömungsmechanischen Beeinträchtigungen bzw. Unwuchtprobleme nicht auftreten.
Ferner ist es vorteilhaft, die Zuluft von Kolbenkraftmaschinen in einen Mikrotröpfchen-Nebel zu überführen. Handelt es sich um eine aufgeladene Kolbenkraftmaschine, so werden besonders große Vorteile dadurch erzielt, alternativ oder insbesondere zusätzlich die Zuluft des Laders in einen übersättigten Mikrotröpfchen-Nebel zu verwandeln.
Die Zerstäubung des Wassers wird vorzugsweise mit einem Druck von 100 bis 300 bar durchgeführt. Drücke bis zu 1000 bar sind ebenfalls denkbar.
In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, das Wasser vor dem Zerstäuben zu kühlen. Dadurch wird die Sättigungsgrenze bei niedrigeren Temperaturen über- schritten, da die Enthalpie des zugeführten Wassers geringer ist. Die Temperatur der Zuluft kann dadurch weiter verringert und der Wirkungsgrad der Maschine weiter erhöht werden. Da der Durchmesser der Mikrodüsen kleiner als der kritische Tröpfchendurchmesser ist (er kann diesen Wert annä- hern) , bedarf es spezieller Technologien, um ein geeignetes Düsensystem aufzubauen. Halbleiterstrukturen und keramische Strukturen, beispielsweise Siliziumchips, haben sich besonders bewährt. Auch Polymere und Metalle kommen in Frage. Jede dieser Strukturen enthält vorzugsweise eine einzige Düsenöffnung. Im praktischen Einsatz wird mit Düsensystemen gearbeitet, die über mehrere tausend Düsen verfügen.
Das Düsensystem wird vorteilhafterweise in geringem Abstand vor der Verdichtungsstelle angeordnet, um die Mikrotröpfchen daran zu hindern, miteinander zusammenzustoßen und zu agglomerieren. Der Abstand kann aufgrund eines zusätz- liehen vorteilhaften Effektes der Erfindung sehr gering gewählt werden. Vor Erreichen der Sättigungsgrenze sind nämlich die Mikrotröpfchen aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche in der Lage, sehr rasch zu verdampfen. Die Sättigungsgrenze wird also schon sehr früh überschritten. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, und zwar in Verbindung mit dem als Fig. 1 beigefügten Diagramm. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um die
Konditionierung der Zuluft für die erste Verdichterstufe einer Gasturbine. Die Zuluft wird also direkt aus der Außenluft angesaugt.
Das Diagramm zeigt die Lufttemperatur in °C, aufgetragen über dem Wassergehalt der Luft in g/kg. Dabei gibt die Kurvenschar 1 die relative Luftfeuchtigkeit der Außenluft wieder .
Ausgangspunkt des Verfahren ist der Punkt 1, der den Zustand der Außenluft wiedergibt. Die Temperatur beträgt etwa 26°C, und der Wassergehalt liegt bei 9 g/kg. Daraus resultiert eine relative Luftfeuchtigkeit von etwa 43%.
Während der Ansaugung durch den Verdichter wird Wasser in Form von Mikrotröpfchen in die Zuluft eingesprüht. Der Zustand der Zuluft folgt dabei der Kurve B und erreicht da- bei den Punkt 2, der den Sättigungszustand wiedergibt, nämlich eine relative Luftfeuchtigkeit von 100%. Die Temperatur liegt hier bei etwa 17°C. Nach dem Stande der Technik würde die Zuluft nach Tropfenabscheidung in diesem Zustand in den Verdichter eintreten.
Erfindungsgemäß hingegen wird das Einsprühen von Mikro- tropfchen fortgesetzt. Der Zustand der Zuluft folgt weiterhin der Kurven B, und zwar bis zum Punkt 3. Dieser liegt im Übersättigungsbereich. Die Mikrotröpfchen und die Zuluft bilden einen Nebel, und treten in dieser Form in die erste Stufe des Verdichters ein. Dabei beträgt die Temperatur der Zuluft nach wie vor
17°, da der Abschnitt der Kurve B zwischen den Punkten 2 und 3 auf einer Isothermen liegt. Allerdings hat der Wassergehalt der Zuluft stark zugenommen. Betrug er im Punkte 2 noch ca. 12,2 g/kg, so liegt er nun bei ca. 15,3 g/kg. Die Diffe- renz des Wassergehaltes, nämlich ca. 3,1 g/kg, steht im Verdichter zur Verdunstung zur Verfügung und bewirkt dank ihrer Verdampfungsenthalpie eine entsprechende Innenkühlung .
Eine Beschädigung der Verdichterschaufeln ist nicht zu befürchten, da der Impuls der Mikrotröpfchen so gering ist, daß die Mikrotröpfchen der Luftströmung folgen, ohne beschädigend auf die Verdichterschaufeln aufzuprallen.
Das Diagramm zeigt, daß der Effekt der Innenkühlung auch dann wirksam wird, wenn die Zuluft an einem Zustandspunkt der Außenluft angesaugt wird, welcher bei höherer Temperatur und/oder bei höherer relativer Luftfeuchtigkeit liegt. Durch die Temperatur des Sprühwassers läßt sich die Steilheit der Kurve B zwischen den Punkten 1 und 2 verändern. Durch Kühlung des Sprühwassers besteht also die Möglichkeit, die Zustandsänderung der Zuluft derart zu steuern, daß die Sättigungsgrenze bei einer niedrigeren Temperatur durchschritten wird.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen gegeben. Die Größe der Mikrotröpfchen und der zugehörigen Mi- krodüsen kann je nach Anwendungsfall beliebig variiert wer- den. Ferner können die Düsen aus unterschiedlichsten Material hergestellt werden. Schließlich kann die Zuluft auch in wenigstens zwei Schritten gekühlt werden, wobei die Zuluft im ersten Schritt mit Wasser beliebiger Tröpfchengröße bis zur Sättigungsgrenze gekühlt wird, woraufhin im zweiten Schritt hinter einem Tröpfchenabscheider Mikrotröpfchen zur Innenkühlung im nachfolgenden Verdichter eingedüst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Konditionieren von zu verdichtender Zuluft für eine Kraft- oder Arbeitsmaschine, wobei die Zuluft aus der Außenluft angesaugt und durch Eindüsen von Wasser gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet,
- daß das Wasser beim Eindüsen zu Mikrotröpfchen zerstäubt wird, die der Strömung der Zuluft folgen, ohne beschädigend auf Teile der Maschine einzuwirken, - daß die Zuluft über ihre Sättigungsgrenze hinaus unter Nebelbildung befeuchtet wird und
- daß die den Nebel bildenden Mikrotröpfchen bei der Verdichtung der Zuluft verdampft werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrotröpfchen mit einem Durchmesser < 20μm, vorzugsweise < lOμm erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekenn- zeichnet, daß das Wasser mit einem Druck von 100 bis 300 bar zerstäubt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser vor dem Zerstäuben gekühlt wird.
5. Vorrichtung zum Konditionieren von zu verdichtender Zuluft für eine Kraft- oder Arbeitsmaschine, mit einem Zu- luftkanal, der mit der Außenluft in Verbindung steht und eine Einrichtung zum Eindüsen von Wasser aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Eindüsen von Wasser eine Mehrzahl von über dem Querschnitt des Zuluftkanals verteilten Mikrodüsen aufweist, deren Düsendurchmesser < 20um, vorzugs- weise < lOμm ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikrodüse eine Halbleiter-, Keramik-, Polymer- oder Metall-Mikrostruktur bildet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Eindüsen von Wasser eine Druckwasserquelle mit einem Druck von 100 bis 300 bar aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Eindüsen von Wasser eine Kühleinrichtung aufweist.
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