AT501554A1

AT501554A1 - Verbrennungskraftmaschine mit injektor, sowie verfahren zum betreiben einer verbrennungskraftmaschine mit injektor

Info

Publication number: AT501554A1
Application number: AT4122005A
Authority: AT
Original assignee: Nagel Siegfried
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-09-15
Also published as: AT501554B1

Description

Siegfried Nagel Unterbach 1111 A - 6863 Egg
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit deren klassischen Bauteilen einer Mitteloder Hochdruck-Abgasturbine (Axial oder Radial), sowie eines kontinuierlich betriebenen Brenners, welcher erfindungsgemäss von einem Hochdrucktreibstrahl-Dampfinjektor mit Verbrennungsluft geladen wird und dessen Treibdampf überwiegend in einem, der Abgasturbine nachgeschalteten Rekuperator (Gegenstrom-Wärmetauscher) erzeugt wird.

Im Gegensatz zu bekannten Anwendungen eines solchen Rekuperator, werden dem Abgas im Wärmetauschers nicht nur das Speisewasser zur Treibdampferzeugung entgegen geführt, sondern auch der Treibstoff und auch die Verbrennungsluft.
Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit deren klassischen Bauteilen einer Mittel- oder Hochdruck-Abgasturbine, sowie eines kontinuierlich betriebenen Brenners, welcher erfindungsgemäss von einem Hochdrucktreibstrahl-Dampfinjektor mit Verbrennungsluft geladen wird und dessen Treibdampf überwiegend in einem, der Abgasturbine nachgeschalteten Rekuperator erzeugt wird.

Im Gegensatz zu bekannten Anwendungen eines solchen Rekuperator, werden dem Abgas im Wärmetauschers nicht nur das Speisewasser zur Treibdampferzeugung entgegen geführt, sondern auch der Treibstoff und die Verbrennungsluft.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftkraftmaschine der eingangs erwähnten Art bereitzustellen und dabei eine Hochdruck-Dampftreibstrahlpumpe zum Verdichten der Verbrennungsluft für eine solche Maschine anwendbar zu machen.

Die Ausführungsbeispiele zeigen zwei Varianten der Anwendung des HochdruckDampfinjektor: In einem ersten Beispiel wird der Brenner alleine durch den Dampfinjektor, ohne weitere bewegliche Bauteile geladen, in einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Anwendung des Dampfinjektor mit zusätzlichem Vorschalten einer von der Turbine angetriebenen Verdichterstufe gezeigt.
Ähnliche Anwendungen sind aus der Anmeldung DE 560273 A bekannt, in welcher mittels Dampf die Verbrennungsluft zusätzlich verdichtet wird und in den Brenner folglich ein Gemisch aus Dampf und Verbrennungsluft gelangt.
Aus der Anmeldung US 2 542 953 A ist bekannt, dass im Injektor nur der verdampfte Treibstoff zum Fördern und Verdichten der Verbrennungsluft verwendet wird. Die Verdampfung des Brennstoffes erfolgt in einem Wärmetauscher zur Brennkammer.

In einer Ausführung nach US 5 983 640 A wird mit Hilfe der Dampfstrahlpumpe Luft angesaugt und nachträglich ebenfalls in einer Turbine expandiert wird.
Die EP 0 462 458 A beschreibt ein Verfahren, wonach in einem Abhitzedampferzeuger einer Gasturbogruppe Hochdruckdampf erzeugt, welcher zur Weiterverdichtung der Luft mittels Dampfstrahlpumpe verwendet wird.
Aus GB 190927090 A ist bekannt, dass mittels eines im Abgas-Wärmetauscher erzeugten Dampfes, Brennstoff und Luft von einem Strahlapparat angesaugt wird.
Zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine können Dampftreibstrahlpumpen zum Verdichten der Verbrennungsluft nur sehr bedingt eingesetzt werden, da extrem schlechte Wirkungsgrade erzielt werden. Dieser schlechte Wirkungsgrad resultiert zum einen daraus, dass der Hochdruck-Treibdampf bereits in der Treibdüse in den Zustand des Nassdampfes übergeht.

Zum anderen wird durch die Vermischung mit der Ansaugluft der Dampf in der Injektorkammer fast vollständig verflüssigt, der Wirkungsgrad [eta][Theta]ff sinkt dermassen auf bis zu < 5 % !
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren bereitzustellen, welches den Wirkungsgrad der Hochdruck-Dampftreibstrahlpumpe soweit zu verbessern, dass bei ausreichenden Pumpfähigkeit des Dampfes der unvermeidliche Flüssigkeitseintrag des Treibdampfes in die Verbrennungsluft unter einem Mass bleibt, welches zum Löschen der Flamme führt. Folglich wird das Speisewasser im Gegenstromwärmetauscher bei physikalisch höchst möglichem Druck erhitzt und danach zusätzlich im Wärmetauscher zum Brenner überhitzt. Mit dem Passieren der Laval-Dampftreibdüse und dem Wandeln des Dampfdrucks in die Überschallgeschwindigkeit des abströmenden Treibdampfes, entsteht unvermeidlich Kondenswasser im Dampf.

Deswegen wird die angesaugte Verbrennungsluft im Rekuperator weit über die Kondensationstemperatur des Dampfes erwärmt, wodurch bei der anschliessende Vermischung des Nassdampfes mit dieser heissen Luft die Wasseranteile im Dampf wieder verdampfen. Dadurch wird die Pumpfähigkeit des Treibstrahles im entscheidenden Masse verbessert.
Der Rekuperator, besteht für alle ihn durchströmenden Medien, aus einem filigranen labyrinthartigen Kanalsystem, durch welche die Medien mit Unterschallgeschwindigkeit strömen. Erst durch das Strömen mit Unterschallgeschwindigkeit können Gase und Flüssigkeiten ohne das Auftreten schadhafter Verdichtungsstösse durch labyrinthartige, raumsparende Tauscherrohre und Kammern geleitet werden. Der Rekuperator weist in die Hauptströmrichtung der Medien eine länglich gestreckte Form auf und ist allseitig nach aussen wärmeisoliert.

Er weist eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit des für den Rekuperator verwendeten Metalls auf, um nach dem Abschalten der Maschine, das Temperaturgefälle von einem Ende des Tauschers zum anderen allmählich zu egalisieren. Dieses Egalisieren der Temperatur führt zu einer gleichmässig hohen Mischtemperatur des gesamten Wärmetauschers. Dies hat wiederum zur Folge, dass Russ- und Brennstoffablagerungen an den (im Betrieb) kalten Stellen des abgasseitigen Wärmetauschers nach verbrannt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert.

In dieser zeigt:
Fig.1 einen schematische Ansicht der Maschine mit nur Injektorverdichtung (ohne vorgeschaltete Verdichterstufe)
Fig.2 einen schematische Ansicht der Maschine mit einer zusätzlichen von der Turbine angetriebenen Vorverdichterstufe für die Verbrennungsluft
Bei der erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine ist einer Hochdruck-Dampfstrahlpumpe (31) mit ihrer Laval-Treibdampfdüse (1) und der Mischkammer (10), sowie des Injektordiffusor (12) nach der nachfolgenden Treibstoffeinblasung (13) ein adiabater Brenner (15) nachgeschaltet. Das Abgas aus diesem kontinuierlich betriebenen Druckbrenner (15) strömt über die vorzugsweise mehrstufige Abgasturbine (16) (wahlweise Axial oder Radial) mit vorwiegend Unterschallgeschwindigkeit und unter stetiger Expansion des Druckgases in den Rekuperator (4).

In der Abgasturbine (16) wird der Druck des Gases vollständig entspannt und in die Rotation einer Welle (17) gewandelt. Das noch sehr heisse Abgas aus dieser Turbine (16) strömt anschliessend im Gegenstrom zum dem zufliessenden Treibstoff (25), zu dem Speisewasser (26) und zu der Verbrennungsluft (24) mit Unterschallgeschwindigkeit durch den Gegenstromwärmetauscher (4). Das Abgas verliert durch die Wärmeabgabe an die entgegen fliessenden Medien (bei entsprechender Qualität und ausreichender Tauschfläche) seine gesamte Restwärme, bis auf den nicht wieder zu gewinnenden Wärmeanteil aus der Kondensationswärme des Dampfes.

Da der Dampfdruck des abströmenden Gemisches etwa bei atmosphärischen Druck liegt, der des zuströmenden Speisewasser Drücke mit ca. 500 bar aufweist, kann das zulaufende Wasser die Kondensationswärme nicht aufnehmen (Zulauf-Verdampfungstemperatur liegt wesentlich über der Abfliess-Kondensationstemperatur). Die Verbrennungsluft strömt durch den Wärmetauscher (24) und die Verbrennungsluftleitung (21) zum Injektor (31). Gleichzeitig wird aus dem Speisewassertank (26) durch die Speisewasserpumpe (22) Wasser gefördert und mit physikalisch höchst möglichem Druck in den Dampfseitigen Wärmetauscherteil (26) gedrückt. Das Speisewasser erhitzt sich im Dampftauscher (26). Danach wird es zum Dampfüberhitzer am Brenner (14) geführten. Über den Dampfüberhitzer (14), wird Wärme zugeführt, sodass überhitzter Heissdampf entsteht.

Der überhitzte Heissdampf mit physikalisch höchstmöglichem Druck strömt sodann über die Hochdruck-Dampfleitung (2) weiter zur Laval-Dampf-Treibdüse (1 ), wo er mit Überschallgeschwindigkeit in den Injektor (31) eingeblasen wird.
Am Auslass der Dampf-Treibdüse (1) entsteht ein Unterdrück mit einigen 1/10 bar unter atmosphärischem Druck. Dieser Unterdruck fördert die Verbrennungsluft in den Injektor (31). In einem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird gezeigt, dass es möglich ist durch einen von der Turbine (16) angetriebenen Verdichter (28) den Druck der zuströmenden Verbrennungsluft über atmosphärischen Druck zu erhöhen.
Im Injektor (9-12) kommt es zu einen intensiven Durchmischung des Überschallschnellen Dampfes und der vorgewärmten Verbrennungsluft. Dabei stossen Dampfmoleküle mit Luftmolekülen zusammen.

Der hohe Bewegungsimpuls der Dampfmoleküle überträgt sich im überwiegend elastischen Stoss auf das Luftmoleküle. Die Volumenanteile von Verbrennungsluft zu Treibdampf können durch die maximierte Temperatur des Treibdampfes und den maximierten Druck des Treibdampfes -botragon ein Vielfaches betragen. Bei ausreichender Länge des Injektor-Mischrohres (10) nehmen beide Stoffe allmählich vorteilhaft eine homogene Geschwindigkeit und homogenisierte Mischtemperatur ein.
Die Verbrennungsluft wird im Rekuperator (24) soweit erwärmt, deren Temperatur weit über der Kondensationstemperatur des Dampfes liegt. Wassertröpfchen, welche im Treibdampf durch dessen Arbeitsleistung in der Dampftreibdüse (1) entstehen, werden durch die intensive Vermischung im Injektor (9-12) wieder verdampft.

Dadurch steigert sich der Wirkungsgrad der Dampftreibstrahlpumpe (31) in jenem entscheidenden Mass, der sie für diesen Einsatzzweck erst anwendbar macht. Würde eine Dampftreibstrahlpumpe (31) die Verbrennungsluft mit normaler Umgebungstemperatur zugeführt, würden nicht nur die ohnehin schon vorhandenen Wassertröpfchen als Nassdampf erhalten bleiben, sondern dem Treibdampf würde von der Luft soviel Wärme entzogen, dass dieser fast vollständig kondensieren würde.

Es ist also von unabdingbarer Wichtigkeit, für das erfindungsgemässe Funktionieren der Dampftreibstrahlpumpe (31), maximal überhitzten Heissdampf mit höchst möglichem Druck zu erzeugen und die Verbrennungsluft weit über die Dampf-Kondensationstemperatur zu erwärmen.
Der, dem Brenner (15) zugeführte Treibstoff wird in dem dafür vorgesehenen Gegenstrom-Wärmetauscher (25) ebenfalls durch die rekuperative Wärme aus dem Abgas erhitzt. Es werden Temperaturen erreicht, welche der Selbstzündungstemperatur der Treibstoffe übersteigen kann und viele flüssige Treibstoffe werden ausserdem schon im Wärmetauscher (25) verdampft.
Damit der Brenner (15) eine adiabatische Verbrennung vollführen kann, muss auch er nach aussen hin mit einer Hochtemperatur-Isolierung ummantelt sein.

Befindet sich der Brenner (15) noch nicht auf jener Betriebstemperatur, bei der Treibstoff selbstzündend ist, wird mit einer elektrischen Zündkerze (30) gezündet. Diese Zündkerze (30) muss also nur in der Startphase der Maschine aktiv sein.
Der Brenner (15) ist, wie bei solchen Einrichtungen üblich, in seiner Form konisch, er stellt einen Diffusor dar. Das unter Druck in den Brenner einströmende Gemisch aus Dampf, vorgewärmter Verbrennungsluft und dem soeben eingespritztem Treibstoff (13), wird in dem sich allmählich erweiterten Brenner (15) auf ca. 25 m/sek abgebremst.
Nagel Siegfried Unterbach 1111 A - 6863 Egg
Legende zu den Hinweisziffern: = Laval-Dampftreibdüse = Heissdampfleitung = Verbrennungslufteinl. am Injektor = Rekuperator (Mit der Darstellung d.

Abgas-Gegenstrom-Wärmet.) = Auspuff am Wärmetauscher = Lufteinlass am Rekuperator = Treibstoffpumpe = Treibstofftank = Injektoreinlasskammer = Injektor-Mischrohr = Injektorhals = Injektordiffusor = Treibstoffeinblasung = Dampfüberhitzer = adiabater Brenner = Axial- od. Radial-Abgasturbine = Kraftabgabewelle
<EMI ID=6.1>
= Abgasleitung
19 = Dampfleitung
20 = Treibstoffleitung
21 = Luftleitung
22 = Speisewasserpumpe
23 = Speiswassertank
24 = Lufttauscher
25 = Treibstofftauscher
26 = Speisewassertauscher
27 = Lufteinlass am Verdichter
28 = Turbinen getriebener Verdichter
29 = Luftleitung von Verdichter zum
Rekuperator
30 = Zündkerze
31 = Dampfstrahlpumpe gesamt
<EMI ID=6.2>
32 = Wärmetauscher Abgasseitig

Claims

Siegfried Nagel Unterbach 1111 A- 6863 Egg Patentansprüche :

1. Verbrennungskraftmaschine mit einer Mittel- oder Hochdruck-Abgasturbine (16) und einem vorgeschalteten kontinuierlich betriebenen Unterschallbrenner (15), welcher die verdichte Verbrennungsluft aus einer Strahlpumpe (31) bezieht und einem, der Abgasturbine (16) nachgeschaltete Rekuperator (4), in welchem der Maschine zufliessenden Medien erwärmt werden und umgekehrt dem Abgas Restwärme entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher (32) bei Unterschallgeschwindigkeit Wärme aus dem Abgas entzogen wird, um im Gegenstrom dem Treibstoff (25) und der Verbrennungsluft (24) und dem Speisewasser (26) diese Wärme zugeführt wird.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der in der Injektorkammer (31) im Überschall-Dampfreibstrahldampf auftretende Nassdampf durch die Vermischung des Treibdampfes mit der im Rekuperator (4) weit über die Kondensationstemperatur des Dampfes erwärmte Verbrennungsluft (24) wieder verdampft wird.

3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Rekuperator (26) erzeugt Dampf im Wärmetauscher zum Brenner (14) überhitzt wird.

4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im, der Abgasturbine (16) nachgeschalteten Gegenstromwärmetauscher (4), allen vier durchströmenden Medien mit Unterschallgeschwindigkeit fliessen und folglich die Strömungskanäle raumsparend auch labyrinthartig angelegt sein können. -

4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im, der Abgasturbine (16) nachgeschalteten Gegenstromwärmetauscher (4), allen vier durchströmenden Medien mit Unterschallgeschwindigkeit fliessen und folglich die Strömungskanäle raumsparend auch labyrinthartig angelegt sein können.

5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Treibdampf ein Dampfdruck von zumindest annähernd 500 bar aufweist und der Treibdampf im Dampfüberhitzer auf zumindest annähernd 500[deg.]C erhitzt wird.

5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstromwärmetauscher (4) eine längliche Form entlang der Hauptströmrichtung der Medien aufweist und er aus einem ausreicht wärmeleitfähigen Metall besteht, welches während des Stillstandes der Maschine die Temperaturdifferenz, welche während des Betriebs vom Anfang bis zum Ende des Tauscher auftritt, allmählich über den gesamten Wärmetauscher (4) in eine gleichmässige Temperatur verteilen.

6. Verforennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibdampf mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit aus der Laval-Treibdüse (1) austritt.

6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Treibdampf ein Dampfdruck von zumindest annähernd 500 bar aufweist und der Treibdampf im Dampfüberhitzer auf zumindest annähernd 500[deg.]C erhitzt wird.

7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzelch-net, dass das im Mischrohr (10) des Injektors zunächst auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigte Gemisch aus Treibdampf und Verbrennungsluft, vor dem Eintritt in den Brenner (15) durch Verdichtungsstösse und in einen, dem Mischrohr (10) nachgeschalteten Diffusor (12) weit unter Schallgeschwindigkeit verzögert wird.

8. Verfahren zum Betreiben einer Verforennungskraftmaschine mit einer Mittel- oder Hochdruck-Abgasturbine(16) und einem vorgeschalteten kontinuierlich betriebenem Unterschallbrenner (15), weicher die verdichte Verbrennungsluft aus einer Strahlpumpe (31) bezieht und einem, der Abgasturbine (16) nachgeschaltenen Rekuperator (4), in welchem der Maschine zufliessenden Medien erwärmt werden und umgekehrt dem Abgas Restwärme entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibdampf für den Dampfinjektor ein physikalisches Maximum an Druck, vorzugsweise bis zu einem Maximum von 500 bar aufweist und ausserdem überhitzt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung der am Auspuff (5) des Rekuperator (4) auftretenden unwiederbringlichen Kondensat-ionswärmeveriuste, die erforderliche Dampfmenge im Verhältnis zur geförderten Luftmenge ein Verhältnis von 1:2,5 bis 1:6 hat, indem der Treibdampf einen Druck von 250 bis 500 bar aufweist und auf über 500[deg.]C überhitzt ist, sowie der Injektor (31) zur Durchmischung des Dampfes und der Heissluft vorhanden ist.

7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibdampf mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit aus der Laval-Treibdüse (1) austritt.

8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das im Mischrohr (10) des Injektors zunächst auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigte Gemisch aus Treibdampf und Verbrennungsluft, vor dem Eintritt in den Brenner (15) durch Verdichtungsstösse und in einen, dem Mischrohr (10) nachgeschalteten Diffusor (12) weit unter Schallgeschwindigkeit verzögert wird.

9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle thermisch relevanten Bauteile der Maschine, wie Brenner (15), Rekuperator (4), Abgasturbine (16), Injektor (31), etc., nach aussen hin ausreichend wärmeisoliert sind.

10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Wärmetauschers (32) zumindest abgasseitig technisch glatt ist und/oder eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist, welche das Anhaften von Verbrennungsrückständen verringert. 11.Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Mitteloder Hochdruck-Abgasturbine(16) und einem vorgeschalteten kontinuierlich betriebenen^ Unterschallbrenner (15), welcher die verdichte Verbrennungsluft aus einer Strahlpumpe (31) bezieht und einem, der Abgasturbine (16) nachgeschaltenen Rekuperator (4), in welchem der Maschine zufliessenden Medien erwärmt werden und umgekehrt dem Abgas Restwärme entzogen wird, dadurch gekenn-zeichnet, dass der Treibdampf für den Dampfinjektor ein physikalisches Maximum an Druck aufweist und ausserdem überhitzt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung der am Auspuff (5) des Rekuperator (4) auftretenden unwiederbringlichen Kondensationswärmeverluste, die erforderliche Dampfmenge im Verhältnis zur geförderten Luftmenge geringst möglich gehalten wird, indem der Treibdampf einen maximalen Druck aufweist und überhitzt ist, sowie der Injektor (31) eine ausreichende Länge und günstige Bauform zur optimalen Durchmischung von Dampf und Heissluft aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine thermische Homogenisierung des Rekuperator (4) während des Stillstandes der Maschine und nach einem Lauf dieser, der Rekuperator (4) insgesamt eine derart hohe Mischtemperatur einnimmt, um im Rekuperator (4) anhaftete Brennstoffreste allerorts nach zu verbrennen.

14. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Die Bauweise des Rekuperator (4) insgesamt mit ausreichender Tauschflächen auszulegen ist, um die erforderlichen Temperaturgefälle zum Wärmeübergang vom Abgas (4) auf die drei entgegenströmenden Medien (24/25/26) in einem kleinstmöglichen Masse gehalten weder kann. Siegfried Nagel Unterbach 1111 A- 6863 Egg

Patentansprüche :

8

^MACHGEREICHT