Wär mehr aftanlage. Die Erfindung betrifft eine Wärmekraft anlage, deren Nutzleistung aus der Differenz zwischen der Expansionsleistung eines gas förmigen, erhitzten Arbeitsmittels und der für die Verdichtung des noch nicht erhitzten Arbeitsmittels aufzuwendenden Verdichtungs- leistung gewonnen wird.
Zweck der Erfindung ist, eine Anlage dieser Art zu schaffen, die ein Arbeiten mit hohen Arbeitsmitteltemperaturen und einer vorteilhaften Art von Zwischenerhitzung des Arbeitsmittels, also mit einem guten thermi schen Wirkungsgrad zu arbeiten gestattet, ferner betriebssicher und von verhältnis mässig billigem Aufbau ist.
Erreicht werden diese Vorteile dadurch, dass gemäss der Erfindung verdichtete Luft mittelbar in einem Erhitzer erhitzt und hierauf mindestens zum Teil in einer Luft turbine auf einen über der Atmosphäre lie genden Gegendruck entspannt wird, wobei mindestens ein Teil der Abluft dieser Tur bine als Verbrennungsluft in den unter Über druck stehenden Verbrennungsraum des Luft- erhitzers gelangt, und dass ferner die in diesem Verbrennungsraum erzeugten Ver brennungsgase, nachdem sie im Erhitzer in direkt Wärme an die verdichtete Luft ab gegeben haben, in einer Verbrennungsgas turbine weiter auf nahezu Atmosphären druck entspannt werden,
wobei die Abgase dieser Turbine in einem Vorwärmer für die verdichtete Luft mittelbar noch einen Teil ihrer Wärme abgeben. Dadurch, dass in einer solchen Anlage in der Luftturbine, also in einer ersten Expansionsstufe, mittelbar er hitzte Luft und nicht einer Brennkammer entströmende Verbrennungsgase entspannt werden, lassen sich Temperaturspitzen, die infolge allfälliger Unregelmässigkeiten bei der Verbrennung auftreten können, von der Luft turbine fern halten.
Denn die Masse des Lufterhitzers besitzt eine solche Wärmespei- cherfähigkeit, dass sie Temperaturschwankun gen, die sich bei der mittelbaren Erhitzung der verdichteten Luft einstellen sollten, leicht ausgleichen kann. Folglich wird die Luft, solange keine Änderungen in der abzugeben- den Nutzleistung eintreten, mit praktisch gleichbleibender Temperatur in die Luft turbine eintreten.
Das ist nicht der Fall, wenn in einer Turbine unmittelbar einer Brenn- kammer entströmende Verbrennungsgase zur Expansion kommen, indem sich dann alle Ungleichheiten hinsichtlich der Verbrennung in der Brennkammer sofort in der Tempera tur der in die Turbine strömenden Verbren nungsgase auswirken.
Da dabei unter Um ständen zeitliche und örtlich gefährliche Temperaturspitzen auftreten können, ist es nicht möglich, eine ungleichmässige Beauf- schlagung der Turbine zu vermeiden, so dass die normale Temperatur des in dieselbe strö menden Treibmittels nicht so hoch gewählt werden darf, wie bei einer erfindungsgemässen Anlage, wo Temperaturspitzen der erwähn ten Art nicht auftreten.
Trotzdem bei der Anlage nach der Erfin dung auch mit einer Zwischenerhitzung zwi schen Luft- und Verbrennungsgasturbine ge arbeitet wird, ist doch nur ein einziger Ver brennungsraum vorzusehen. Da in diesem ge- wünschtenfalls die ganze Abluft der Luft turbine zur Verfügung steht, lässt sich darin mit einem grossen Luftüberschuss arbeiten und damit eine sehr vollkommende Verbren nung erzielen.
Ferner ist trotz der durch den hohen Luftüberschuss bedingten relativ tiefen Brenngastemperatur der Temperatursprung zwischen den Brenngasen und der im Luft erhitzer zu erhitzenden Luft beträchtlich, da die Brenngase den Erhitzer noch mit sehr hoher Temperatur verlassen, was sich auf die Grösse der Heizfläche günstig auswirkt.
In der vorzusehenden einzigen Verbren nungskammer lässt sich der Brennstoff in einer reinen Luftatmosphäre verbrennen. Die in dieser Verbrennungskammer auftretenden Temperaturschwankungen wirken sich sowohl gas- als auch luftseitig kaum merklich auf die Temperatur der in die Luftturbine eintreten den Luft aus.
Infolgedessen lässt sich gegen über Anlagen mit Verbrennungsgasturbinen und Zwischenerhitzung, wo jeder Turbine Verbrennungsgase unmittelbar aus einer Brennkammer zuströmen, auch in bezug auf die Verbrennungsgasturbine eine höhere Temperatur wählen, weil bei der Anlage die Werkstoffmasse des Erhitzers für die mittel bare Erhitzung der verdichteten Luft Un regelmässigkeiten bei der Verbrennung weit gehend ausgleichen kann, bevor die Verbren nungsgase in die Verbrennungsgasturbine gelangen. Es besteht somit die Gewähr für eine zeitliche und örtliche gleichmässige Be- aufschlagung dieser Turbine, so dass die Temperatur für die in diese strömenden Ver brennungsgase hoch angesetzt werden kann.
Ein weiterer Vorteil, den eine erfindungs gemässe Anlage zu erreichen ermöglicht, be steht darin, dass der resultierende Druck auf die Erhitzerrohre erniedrigt ist, weil im Brennraum auch ein Überdruck herrscht. Es lässt sich infolgedessen mit kleineren Wand stärken für die Erhitzerrohre auskommen, oder bei denselben Wandstärken ist eine höhere Rohrtemperatur und damit eine höhere Temperatur des Arbeitsmittels zulässig.
Das wirkt sich bekanntlich günstig auf den ther mischen Wirkungsgrad der Anlage aus. Da der Verbrennungsraum unter Überdruck steht, wird ferner der Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungsgasen und. Erhitzerrohren vor allem im Berührungsteil gefördert, so dass sich in der Anlage insgesamt mit klei neren W ärmeaustauschflächen auskommen lässt. Das trifft namentlich für den Erhitzer zu, was besonders wichtig ist, weil für diesen wegen der darin vorkommenden hohen Tem peraturen hochhitzebeständige Stähle, also teure Werkstoffe, verwendet werden müssen.
Durch den Vorwärmer für die verdichtete Luft kann auch allfällige Verbrauchsluft, also Druckluft, die für andere Zwecke als die Krafterzeugung verwendet wird, geför dert werden, die dann je nach dem gefor derten Druck und der geforderten Tempe ratur ganz oder teilweise vor dem Erhitzer oder zwischen diesem und der Luftturbine oder zwischen letzterer und dem Verbren nungsraum nach der Verwendungsstelle abgezweigt werden kann.
Weil in einem solchen Falle die durch den Vorwärmer strö- mende Abgasmenge kleiner ist als die durch denselben strömende Frischluftmenge, wird jenen eine grosse Wärmemenge entzogen, das heisst sie werden tief abgekühlt aus dem Vor wärmer ausströmen, so dass die Abgasverluste der Anlage klein sind.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfin dungsgegenstandes in vereinfachter Darstel lungsweise veranschaulicht. In der Figur be zeichnet 1 einen zweigehäusigen Verdichter, der durch eine Leitung 2 Frischluft ansaugt und sie unter Zwischenkühlung auf einen höheren Druck bringt.
Die so verdichtete Luft durchströmt vorerst das Rohrsystem 3 eines Vorwärmers 4, wo ihr von Abgasen, die durch. eine Leitung 5 in diesen Vor- wärmer gelangen, Wärme abgegeben wird, und anschliessend gelangt sie in das Rohr system 6 eines Erhitzers 7 mit Brennraum 8, wo sie mittelbar auf die am Eintritt in eine Luftturbine 9 geforderte Temperatur (z. B. 700 C) erhitzt wird.
In dieser Turbine 9, die den Verdichter 1 antreibt, entspannt sich die hocherhitzte Luft auf einen über der Atmosphäre liegenden Druck. Die Abluft der Turbine 9 gelangt durch eine Leitung 10 in den Brennraum 8, in dem somit ein höherer Druck als Atmosphärendruck herrscht und dem durch eine Leitung 11 auch Brennstoff zuströmt. Die Abluft dient im Brennraum 8 als Verbrennungsluft, und die in diesem Raum erzeugten Verbrennungsgase werden, nachdem sie im Erhitzer mittelbar Wärme an die durch das Heizsystem 6 strömende, ver dichtete Frischluft abgegeben haben, in einer Verbrennungsgasturbine 12 weiter auf nahezu Atmosphärendruck entspannt.
Die Turbine 12 treibt einen als Generator 13 ausgebilde ten Nutzleistungsempfänger an. Die Abgase der Turbine 12 strömen durch die schon er wähnte Leitung 5 in den Vorwärmer 4, den sie nach erfolgtem starkem Wärmeentzug durch eine Leitung 14 verlassen.
In der beschriebenen Anlage bilden somit die Luftturbine 9 und die Verbrennungsgas turbine 12 zwei Expansionsstufen, wobei in der ersten derselben reine, erhitzte Druck luft, in der zweiten Verbrennungsgase mit grossem Luftüberschuss als Treibmittel dienen.
Die Temperatur der in die Turbine 12 gelan genden Verbrennungsgase kann von derselben Grössenordnung wie die der Luft sein, welche in die Luftturbine 9 einströmt, so dass von einer Zwischenerhitzung des Treibmittels ge sprochen werden kann. 15 bezeichnet eine mit einem Absperrorgan 16 ausgestattete Lei tung, durch die sich ein Teil der Abluft der Turbine 9 vor dem Eintritt in den Brenn raum 8 nach einer Verbrauchsstelle erhitzter Luft, oder in einen Wärmeaustäuscher für irgendwelche Zwecke abzweigen lässt.
Soll die Verbrauchsluft einen verhältnismässig hohen Druck haben, so ist sie an einer Stelle abzuzapfen, die zwischen dem Vorwärmer 4 und der Luftturbine 9 liegt.
In beiden Fällen ist dann die durch das Rohrsystem 3 des Vor wärmers 4 strömende Frischluftmenge grösser als die durch diesen Vorwärmer strömende Abgasmenge, was einen höheren mittleren Temperatursprung zwischen den wärmeaus- tauschenden Medien und somit eine kleinere Austauschfläche zu erreichen gestattet.
Als Heizmittel lassen sich im Brennraum 8 01, Kohlenstaub, Erd-, Gicht- oder Genera torgas und dergleichen verfeuern. Die Luft- und die Gasturbine können auch mehrgehäu- sig ausgebildet sein;
anderseits kann der Ver dichter auch eingehäusig und mit oder ohne Zwischenkühlung versehen sein. Die aus Luftturbine 9 und Verdichter 1 bestehende Maschinengruppe läuft zweckmässig mit höherer Drehzahl als die aus Verbrennungs- gasturbine 12 und dem hier als Generator dargestellten Nutzleistungsempfänger 13 be stehende Gruppe. Wenn erforderlich, kann jedoch das Umgekehrte der Fall sein.
Ferner können die zwei Maschinengruppen auch über ein Ausgleichsgetriebe miteinander ver bunden sein, oder es können schliesslich sämt liche Maschinen eine gemeinsame Welle haben. Die Luftturbine kann auch den Nutz leistungsempfänger und die Verbrennungs- gasturbine den Verdichter antreiben. Auch kann ein Niederdruckteil des Verdichters ge- eieinsam mit dem Nutzleistungsempfänger angetrieben werden.
Die Wahl der Drehzahl, der gegenseitige Zusammenbau und die Unterteilung der Gruppen in der oben angedeuteten Weise kann sich je nach Leistungsgrösse, Tempera tur- und Druckverhältnissen nach den für Strömungsmaschinen geltenden Gesetzen zur Erreichung besten Wirkungsgrades richten.