Verfahren zum Erhitzen von Gasen und Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen von Gasen durch Wärmeaus tausch, insbesondere für Gasturbinenanlagen mit Verbrennung unter Überdruck, und eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.
Bei Gaserhitzern, insbesondere bei solchen, die aufgeladen sind, das heisst bei denen im Feuerraum ein höherer Druck als der Um gebungsdruck herrscht, besteht bekanntlich eine der Schwierigkeiten, die bei der Kon- struktion solcher Gaserhitzer auftreten, darin, die den Feuerraum umgebenden Teile vor der Strahlung der Flamme zu schützen.
Ein bekanntes Mittel zur Lösung dieses Problems ist die Heizgasumwälzung. Bei die ser wird ein Teil des Heizgases, das die Erhitzerbündel durchströmt und dabei seine Wärme abgegeben hat, durch einen Ventila tor wieder in den Verbrennungsraum zurück geführt, so dass er eine wesentliche Herab setzung der Feuerraumtemperatur bewirkt. Da die Strahlung der vierten Potenz der ab soluten Temperatur proportional ist, wird die Intensität der Strahlung auf diese Weise stark reduziert.
Das Verfahren hat aber den Nachteil, dass ein Ventilator gebraucht wird, der bei einer immerhin noch relativ hohen Tempera tur arbeitet, und dass die Betriebsfähigkeit der ganzen Anlage von der Zuverlässigkeit dieser Hilfsmaschine abhängt.
Bei aufgela denen Gaserhitzern tritt dieser Nachteil des halb besonders in Erscheinung, weil ein sol cher Ventilator nicht nur bei hoher Tempera- tur, sondern auch unter erhöhtem Druck ar beiten muss, was konstruktiv grosse Schwie rigkeiten mit sich bringt. Gemäss dem Ver fahren nach der Erfindung wird dieser Nach teil dadurch behoben, dass in einem Arbeits mittel mindestens zwei aufeinanderfolgende Verbrennungen stattfinden und dass nach jeder Verbrennung mindestens ein-- Teil der erzeugten Verbrennungswärme durch Wärme austausch an die zu erhitzenden Gase abgege ben wird.
Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens besteht darin, dass mindestens zwei im Strömungsweg des Arbeütsmittels aufeinanderfolgende Stellen vorgesehen sind, an denen eine Verbrennung stattfindet, und dass nach jeder Verbrennungsstelle minde stens ein Wärmeaustäuscher angeordnet ist.
Nicht nur ist es. zweckmässig, für An lagen mit Gasturbinen mit Verbrennung un ter Überdruck den Lufterhitzer in zwei Ein heiten zu unterteilen, sondern ganz allgemein wird durch die Schaltung der Feuerräume in Serie erreicht, dass die Temperatur in jedem der Feuerräume bedeutend tiefer, z. B. meh rere 100 C, ist, als wenn der gesamte Brenn stoff in einem Feuerraum verbrannt wird.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens schematisch dargestellt, an Hand welcher auch das Verfahren beispielsweise erläutert wird.
Der Hauptverdichter 1 wird von der Hochdruckturbine 2 angetrieben, während die Niederdruckturbine <B>3</B> als NutzleistuDgs- turbine einen Generator 4 bezw. eine andere leistungsaufnehmende Maschine antreibt.
Das aus der Niederdruckturbine 3 austretende Arbeitsmittel wird mittels der Leitung 5 einem Rekuperator 6 zugeführt, in dem es sich abkühlt, und dann mittels der Leitung <B>7</B> durch einen Rückkühler 8 dem Hauptver dichter 1 zugeleitet. Das in dem Verdichter 1 verdichtete Arbeitsmittel wird dann durch die Leitung 9 durch den Rekuperator 6, ge trennt von dem durch die Leitung 5 zuge führten Arbeitsmittel, geschickt und im Re kuperator 6 erwärmt,
um alsdann durch die Leitung 10 in den Wärmeaustauscher 11 zu gelangen und hierauf im Erhitzer 12 erhitzt durch die Leitung 13 der Hochdruckturbine 2 zuzuströmen. Das zum Teil entspannte, aus der Hochdruckturbine 2 austretende Arbeits mittel gelangt durch die Leitung 14 in den Wärmeaustauscher 15 des Erhitzers 16 und von dort über die Leitung 17 in die Nieder druckturbine 3, wo es sich weiter entspannt und erneut den Kreislauf durchläuft.
Von dem aus der Niederdruckturbine 3 austretenden sauerstoffhaltigen Arbeitsmit tel gelangt ein Teil durch die von der Lei tung 5 abzweigende Leitung 18 in den Brennraum 19 des Erhitzers 16. An dieser Stelle wird über die Leitung 20 mit dem Regelventil 21 Brennstoff zugeführt. Die im Brennraum 19 entstehenden Heizgase durch queren den Wärmeaustauscher 15 und wer den dann über die Leitung 22 in den in Serie geschalteten Brennraum 23 des Erhitzers 12 eingeführt. Dem Brennraum 23 wird der Brennstoff aus der Leitung 24, die das Re gelventil 25 aufweist, zugeführt.
Die im -Wärmeaustauscher 15 abgekühlten Heizgase werden durch die zweite Verbrennung er neut erhitzt, durchqueren dann den Wärme- austauscher 11 und geben einen Teil ihrer Wärme dem der Hochdruckturbine 2 zuströ menden Arbeitsmittel ab.
Der restliche Teil der Wärme wird in der Abgasturbine 26 unter gleichzeitiger Entspannung auf Atmo sphärendruck verwendet für die Vorverdich- tung einer Luftmenge, die gleich gross ist wie die aus der Leitung 5 zur Verbrennung entnommene Arbeitsmittelmenge im Vor- oder Aufladeverdichter 27, welcher die vor verdichtete Luft zur Erneuerung des Sauer stoffgehaltes des im Umlauf befindlichen Arbeitsmittels über die Leitung 28 und den Rückkühler 8 ebenfalls dem Hauptverdich ter 1 zuführt.
Die Regelung der Leistungen der Turbine 2 und<B>3</B> kann zum Beispiel durch Erhöhen und Senken des Druckes am Eintritt des Hauptverdichters 1 erfolgen, wofür zum Bei spiel die Drehzahl des Aufladeverdichters 27 verändert wird.
Nach jedem Verbrennungsraum können anstatt eines Wärmeaustauschers auch meh rere Wärmeaustauscher angeordnet sein.
Process for heating gases and apparatus for carrying out the process. The invention relates to a method for heating gases by heat exchange, in particular for gas turbine systems with combustion under excess pressure, and a device for performing the method.
In the case of gas heaters, especially those that are charged, that is to say where the pressure in the combustion chamber is higher than the ambient pressure, one of the difficulties that occurs in the construction of such gas heaters is known to be the parts surrounding the combustion chamber to protect against radiation from the flame.
A known means of solving this problem is the hot gas circulation. In this water, part of the heating gas that flows through the heater bundle and has given off its heat is fed back into the combustion chamber through a ventila tor, so that it causes a significant reduction in the furnace temperature. Since the radiation is proportional to the fourth power of the absolute temperature, the intensity of the radiation is greatly reduced in this way.
However, the method has the disadvantage that a fan is required which still operates at a relatively high temperature, and that the operability of the entire system depends on the reliability of this auxiliary machine.
In the case of charged gas heaters, this disadvantage is particularly evident because such a fan not only has to work at high temperature but also under increased pressure, which creates great structural difficulties. According to the method according to the invention, this disadvantage is remedied in that at least two successive combustions take place in a working medium and that after each combustion at least part of the combustion heat generated is given off to the gases to be heated by heat exchange.
The device for performing the method consists in that at least two successive points in the flow path of the working medium are provided at which combustion takes place, and that at least one heat exchanger is arranged after each combustion point.
Not only is it. It is useful to divide the air heater into two units for systems with gas turbines with combustion under overpressure, but in general it is achieved by connecting the combustion chambers in series that the temperature in each of the combustion chambers is significantly lower, e.g. B. meh eral 100 C, is than if the entire fuel is burned in a furnace.
In the drawing, an embodiment example of a device for performing the method is shown schematically, on the basis of which the method is also explained, for example.
The main compressor 1 is driven by the high pressure turbine 2, while the low pressure turbine <B> 3 </B> as a power turbine a generator 4 respectively. drives another power-consuming machine.
The working fluid emerging from the low-pressure turbine 3 is fed via the line 5 to a recuperator 6, in which it is cooled, and then fed to the main compressor 1 via the line 7 through a recooler 8. The working fluid compressed in the compressor 1 is then sent through the line 9 through the recuperator 6, separated from the working fluid supplied through the line 5, and heated in the recuperator 6,
in order to then pass through the line 10 into the heat exchanger 11 and then, heated in the heater 12, flow through the line 13 to the high-pressure turbine 2. The partially relaxed, exiting from the high pressure turbine 2 working medium passes through the line 14 into the heat exchanger 15 of the heater 16 and from there via the line 17 into the low pressure turbine 3, where it relaxes further and goes through the circuit again.
Part of the oxygen-containing Arbeitsmit tel exiting from the low-pressure turbine 3 passes through the line 18 branching off from the Lei device 5 into the combustion chamber 19 of the heater 16. At this point, fuel is supplied via the line 20 to the control valve 21. The heating gases produced in the combustion chamber 19 traverse the heat exchanger 15 and who are then introduced via the line 22 into the combustion chamber 23 of the heater 12 connected in series. The combustion chamber 23 is supplied with the fuel from line 24, which has the control valve 25.
The heating gases cooled in the heat exchanger 15 are heated again by the second combustion, then pass through the heat exchanger 11 and give off part of their heat to the working medium flowing into the high-pressure turbine 2.
The remaining part of the heat is used in the exhaust gas turbine 26 with simultaneous expansion to atmospheric pressure for the pre-compression of an amount of air that is the same as the amount of working medium taken from the line 5 for combustion in the pre- or supercharging compressor 27, which compressed the before Air to renew the oxygen content of the working fluid in circulation via line 28 and the dry cooler 8 also feeds the main compressor 1.
The regulation of the performance of the turbine 2 and <B> 3 </B> can be done for example by increasing and lowering the pressure at the inlet of the main compressor 1, for which the speed of the supercharging compressor 27 is changed, for example.
After each combustion chamber, instead of a heat exchanger, several heat exchangers can also be arranged.