CH303029A - Wärmekraftanlage zur Ausnützung von Abwärme. - Google Patents

Wärmekraftanlage zur Ausnützung von Abwärme.

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CH303029A
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turbine
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Studien Aktiengesel Technische
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Tech Studien Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10—Closed cycles

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Description


  Wärmekraftanlage zur Ausnützung von Abwärme.    Die Erfindung betrifft eine Wärmekraft  anlage, in der ein gasförmiges Arbeitsmittel,  vorzugsweise Luft, einen Kreislauf beschreibt,  zur Ausnützung von in einem Wärmeträger  anfallender Wärme.  



  Bei einer Wärmekraftanlage dieser Art  wird das gasförmige Arbeitsmittel durch einen  Verdichter auf einen erhöhten     Druck    ge  bracht und in einem Erhitzer durch Wärme  zufuhr von aussen erhitzt, worauf es in einer  Turbine im wesentlichen wieder auf den Saug  druck des Verdichters entspannt. Das aus der  Turbine austretende Arbeitsmittel gibt die in,  ihm enthaltene Wärme dabei noch so weit als  möglich in einem Wärmeaustauscher an das  verdichtete Arbeitsmittel vor dessen Eintritt  in den Erhitzer ab. Das verdichtete Arbeits  mittel gelangt also mit einer Temperatur in  den Erhitzer, die nahezu so hoch ist wie die  Temperatur, mit der das entspannte Arbeits  mittel die Turbine verlässt.  



  Weist der Erhitzer beispielsweise eine  Feuerung auf, so können die Verbrennungs  gase nur so lange Wärme an das Arbeitsmit  tel abgeben, als sie eine höhere Temperatur  haben als die Eintrittstemperatur des Ar  beitsmittels in den Erhitzer, die ihrerseits  auch um so höher ist, je höher die Tempera  tur des die Turbine verlassenden Arbeitsmit  tels ist. Dies bedeutet aber in diesem Fall kei  nen Nachteil, da die Verbrennungsgase nach  Verlassen des Erhitzers noch zur Vorwärmung  der     Verbrennungsluft    ausgenützt werden kön  nen.

      Bei vorgegebener Höchsttemperatur des in  die Turbine eintretenden Arbeitsmittels ist die  Austrittstemperatur des Arbeitsmittels durch  das Expansionsverhältnis, das heisst 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 thermische     Wirkungsgrad    einer sol  chen Wärmekraftanlage, bezogen auf die im  Erhitzer dem Arbeitsmittel zugeführte Wärme,  in Abhängigkeit vom Expansionsverhältnis       einen    Höchstwert aufweist, wobei nach über  schreiten des entsprechenden Expansionsver  hältnisses der     thermische        Wirkungsgrad    wie  der abnimmt.

   Um nicht     allzusehr    von dein  Bestwert des     Wirkwlgsgrades    abzuweichen,'  wird daher das Expansionsverhältnis auf  einen Wert beschränkt, der beispielsweise bei  einer Anlage ohne     Zwischenerhitzung    des Ar  beitsmittels nach Teilexpansion unterhalb 4       liegt    oder zumindest 4,4 nicht überschreitet.  Bei einer Anlage mit     Zwischenerhitzung    gilt  ungefähr die gleiche Grenze für die     einzelnen     Expansionsstufen.  



  Eine aus mindestens einer Turbine     und     mindestens einem Verdichter bestehende,       1TTUtzleistung    abgebende     Maschinengruppe,     welche ein Expansionsverhältnis von höch  stens 4,4     aufweist    und daher für so ausgelegte       Wärmekraftanlagen    verwendbar ist, wird, im ,  folgenden als  normal  bezeichnet. Solche  Maschinengruppen haben das grösste Anwen  dungsgebiet, so dass sich mit Rücksicht auf      die werkstattmässige Herstellung eine Ent  wicklung von einzelnen, etwa nach Leistung  abgestuften Typen, als zweckmässig erweist.  



  Anders verhält es sich, wenn die auszu  nützende Wärme als fühlbare Wärme in einem  Wärmeträger,     beispielsweise    in Abgasen eines  industriellen Prozesses, zur Verfügung steht.  Es besteht dann die Möglichkeit, dass die Rest  wärme, die in diesem Wärmeträger nach Ab  gabe von Wärme an das Arbeitsmittel der  Wärmekraftanlage verbleibt, nicht mehr ver  wertet werden kann. Durch eine Erhöhung  des Expansionsverhältnisses des Arbeitskreis  laufes kann jedoch bekanntlich eine Ernied  rigung der Temperatur des die Turbine ver  lassenden Arbeitsmittels und somit auch der  Temperatur des vorgewärmten, in den Erhit  zer 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 anfallen  den Wärme ausgenützt werden. Es ist dann  trotz grösserer Abweichung des thermischen  Wirkungsgrades von seinem Bestwert infolge  der Erhöhung des Expansionsverhältnisses       möglich,    eine erhöhte Nutzleistung zu erhal  ten, da im Erhitzer eine grössere Wärmemenge  an den Kreislauf der Wärmekraftanlage ab  gegeben wird.  



  Die Erfindung bezweckt nun, für diese  Sonderfälle eine Wärmekraftanlage mit er  höhtem Expansionsverhältnis und damit ver  besserter     Ausnützung    der in einem Wärme  träger anfallenden Wärme zu schaffen. Zu  diesem Behufe weist die Wärmekraftanlage  gemäss der Erfindung als Maschinenanlage  eine aus mindestens einer Turbine und min  destens einem Verdichter bestehende, Nutz  leistung abgebende Maschinengruppe mit       einem    Expansionsverhältnis von höchstens 4,4  und eine zum Zwecke der Erhöhung des Ex  pansionsverhältnisses zusätzlich     niederdruck-          seitig    in den Kreislauf eingeschaltete, aus Tur  bine und Verdichter bestehende Maschinen  gruppe auf.

      Für eine derart ausgebildete Wärmekraft  anlage ergibt sich die Möglichkeit, sie zum  grössten Teil aus normalen, auch für eine an  dern Zwecken. dienende Wärmekraftanlage  verwendbaren Maschinen zusammenzubauen.  Die zusätzliche Maschinengruppe wird ver  hältnismässig billig, da deren Turbine von dem  aus der Turbine der vorgeschalteten  nor  malen  Maschinengruppe austretenden Ar  beitsmittel     beaufschlagt    wird, dessen Tempera  tur schon so niedrig ist, dass eine Verwen  dung teurer     austenitischer    Baustoffe nicht  erforderlich ist,     und    dass auch höhere Bean  spruchung der Werkstoffe zulässig     ist.     



  Da sowohl die  normale      11#Iaschinengrappe     wie auch die zusätzliche     Maschinengruppe    je  für sich nur einen Teil des gesamten Expan  sionsgefälles verarbeiten bzw. nur einen Teil  des gesamten Verdichtungsverhältnisses er  zeugen,     ist    es möglich, die Anlage so zu bauen,  dass bei mindestens einer der beiden Maschi  nengruppen, das heisst     also,    bei der  nor  malen  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, Baustoff  aufwand sowie auch bezüglich Reibungsver  lusten in den Lagern und     bezüglieh        Undicht-          heitsverlusten    nach aussen, da die Zahl der  Lagerstellen     und    die Zahl der nach aussen  abdichtenden Stopfbüchsen auf ein Minimum  beschränkt wird.  



  Die zusätzlich in den Kreislauf eingeschal  tete Maschinengruppe wird zweckmässig so  ausgelegt, dass sie keinen     Nutzleistimgsemp-          fänger    antreibt, wobei also die von der Tur  bine abgegebene Leistung gerade für den An  trieb des Verdichters aufgebracht wird. Diese  Maschinengruppe kann dann ohne Kupplung  mit einem     Nutzleistungsempfänger    frei lau  fend betrieben werden.

   Eine solche     Auslegung     kann durch entsprechende     Dimensionierung     der     Durchtrittsquerschnitte    der     Turbinen-          beschaufelung    der zusätzlich eingeschalteten       Maschinengruppe    erreicht werden in dem       Sinne,    dass der Teil des zusätzlich gewon  nenen Expansionsgefälles, welcher für den      Antrieb des zusätzlichen Verdichters nicht be  nötigt 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 ver  arbeiten kann.

   Der Leistungsüberschuss er  scheint als zusätzliche Nutzleistung.  



  Um einen insbesondere bei abnormalen Be  triebsbedingungen allfällig auftretenden Lei  stungsüberschuss der zusätzlich in den Kreis  lauf eingeschalteten Maschinengruppe und  eine dadurch möglicherweise sich ergebende  unzulässige Drehzahlerhöhung dieser Gruppe  zu vermeiden, ist es zweckmässig, eine die Tur  bine oder eine den Verdichter dieser Gruppe  umgehende, mit einem regelbaren Absperr  organ versehene Leitung vorzusehen. Durch  Öffnen eines solchen Absperrorgans wird  dann die Turbinenleistung vermindert bzw.  die Verdichterleistung erhöht, so dass ein Lei  stungsgleichgewicht wieder hergestellt werden  kann.  



  In der beiliegenden     Zeichnung    ist eine bei  spielsweise Ausführungsform des Erfindungs  gegenstandes veranschaulicht, und zwar zei  gen:  Fig. 1 eine Wärmekraftanlage zur     Ausnüt-          zung    von in Abgasen anfallenden Abwärme  und  Fig.2 einen beispielsweisen Verlauf des  zum Arbeitskreislauf einer Anlage nach Fig.1  gehörenden Entropiediagrammes.  



  Die in Fig. 1 dargestellte Wärmekraft  anlage besteht im wesentlichen aus einem     Er-          bitzer    1, einer Turbine 2, einer weiteren Tur  bine 3, einem Wärmeaustauscher 4, einem  Verdichter 5 und einem weiteren Verdichter  6. Mit 7 ist ein elektrischer Stromerzeuger be  zeichnet, der die von der Wärmekraftanlage  abgegebene Nutzleistung aufnimmt.  



  Ein gasförmiges Arbeitsmittel beschreibt  einen     Kreislauf,    wobei es in Rohren 8 des     Er-          hitzers    1 von einem durch einen Stutzen 9 ein  tretenden und durch     einen    Stutzen 10 austre  tenden Wärmeträger Wärme aufnimmt, dar  auf nacheinander in den Turbinen 2 und 3  entspannt, den     Wärmeaustauscher    4 durch-    strömt, nacheinander in den Verdichtern 5  und 6 im wesentlichen     wieder    auf den Aus  gangsdruck verdichtet wird, im     Wärmeaus-          Lauscher    4 durch das die Turbine 3 verlas  sende Arbeitsmittel vorgewärmt wird und dar  auf wieder in den Erhitzer 1 gelangt.

   -Vor dem  Eintritt in den     Verdiehter    5 durchströmt das  Arbeitsmittel einen Kühler 11     Lund    vor dem  Eintritt in den Verdichter 6 einen Kühler 12.  Ferner wird es nach Teilverdichtung im Ver  dichter 6 in     einem    Kühler 13 zwischengekühlt.  



  Die aus der Turbine 2 und dem Verdich  ter 6 bestehende, Nutzleistung an den Strom  erzeuger 7 abgebende Maschinengruppe weist  ein Expansionsverhältnis von höchstens 4,4  auf, ist also eine     Maschinenanlage,    wie sie  vorstehend als  normal  bezeichnet wurde.  Die aus der Turbine 3 und dem     Verdiehter    5  bestehende Maschinengruppe ist zum Zwecke  der Erhöhung des Expansionsverhältnisses zu  sätzlich in den     Kreislauf    eingeschaltet.  



  Die dargestellte Wärmekraftanlage weist  somit als Maschinenanlage eine aus einer Tur  bine 2 und einem Verdichter 6 bestehende,  Nutzleistung abgebende Maschinengruppe mit  einem Expansionsverhältnis von höchstens 4,4  und eine zum Zwecke der Erhöhung des     Ex-          pansionsverhältnisses    zusätzlich     niederdruck-          seitig    in den     Kreislauf    eingeschaltet,     aus    Tur  bine 3 und Verdichter 5 bestehende Maschi  nengruppe auf.  



  Ferner sind bei den beiden Maschinen  gruppen<B>9-,6</B> bzw.<B>3,5</B> Turbine und Verdich  ter mit gemeinsamer Welle je in einem ein  zigen Gehäuse untergebracht.  



  Die zusätzlich in den Kreislauf eingeschal  tete Maschinengruppe 3, 5 treibt keinen Nutz  leistungsempfänger an. Die von der Turbine 3  abgegebene Leistung wird voll für den An  trieb des Verdichters 5 verbraucht.  



  Zu Regelzwecken weist die Wärmekraft  anlage im     weiteren    eine die Turbine 3 der       zusätzlich    in den Kreislauf eingeschalteten  Maschinengruppe umgehende, mit einem re  gelbaren Absperrorgan 14 versehene Leitung  15 und eine den Verdichter 5 der zusätzlich  in den Kreislauf eingeschalteten Maschinen-      gruppe umgehende, mit einem regelbaren Ab  sperrorgan 16 versehene Leitung 17 auf.  



  Bei Öffnen des Absperrorgans 14 kann ein  Teil des umlaufenden Arbeitsmittels ohne       Arbeitsleistung    in der Turbine 3 von der Ein  trittsseite nach der Austrittsseite dieser Tur  bine gelangen,     und    bei Öffnen des Absperr  organs 16 kann ein Teil des durch den Ver  dichter 5 verdichteten Arbeitsmittels nach  dessen Saugseite zurückgelangen. Beide Mass  nahmen führen zu einem Überschuss der Ver  dichtungsleistung über die von der Turbine  abgegebene Leistung     und    wirken im Sinne  einer Drehzahlverminderung der Maschinen  gruppe 3, 5.  



  Bei der in Fig.1 dargestellten Wärme  kraftanlage sind die Turbinen in axialer     und     die Verdichter in radialer Bauart ausgeführt.  Für die Erfindung ist dies indessen unerheb  lich, indem die Turbinen auch in radialer  und die Verdichter auch in axialer Bauart  ausgeführt werden können.  



  In Fig. 2 ist ein beispielsweiser Zustands  verlauf des Arbeitsmittels beim Durchlaufen  des Kreislaufes der in Fig. 1 dargestellten  Wärmekraftanlage in einem Entropiedia  gramm 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 Zu  standsverlauf des Arbeitsmittels ausgelegt, der  der Linie AB' E FGHJA folgt, wobei das Ar  beitsmittel in der Turbine 2 von A nach B',  also von einem Druck p1 nach einem Druck  p'2 entspannt würde. Das Expansionsverhält  nis p1 : p'2 entspricht jenem einer normal aus  gelegten Anlage im Sinne der vorstehenden  Erläuterungen. Durch das niederdruckseitige  Einschalten der Maschinengruppe 3,5 in den  Kreislauf wird nun der tiefste Druck im Kreis  lauf auf p'2 auf p2 erniedrigt.

   Der Zustands  verlauf 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<I>DE</I>  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 we  sentlichen gleiche Leistungsaufnahme behält,  wie er sie ohne die     Zuschaltung    der Maschi  nengruppe<B>3,5</B> hätte, so äussert sich die Er  höhung des Expansionsgefälles der Turbine 2  in einer erhöhten     Nutzleistungsabgabe    an den  Stromerzeuger 7.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Wärmekraftanlage, in der ein gasförmiges Arbeitsmittel einen Kreislauf beschreibt, zur Ausnützung von in einem Wärmeträger anfal lender Abwärme, dadurch gekennzeichnet, dass die W ärinekraftanlage als Maschinenanlage eine aus mindestens einer Turbine und min destens einem Verdichter bestehende, Nutz leistung abgebende Maschinengruppe mit einem Expansionsverhältnis von höchstens 4,4 und eine zum Zwecke der Erhöhung des Ex pansionsverhältnisses zusätzlich niederdruck- seitig in den Kreislauf eingeschaltete,
    aus Tur bine und Verdichter bestehende Maschinen gruppe aufweist. UNTERANSPRÜCHE: 1. Wärmekraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlich in den Kreislauf eingeschaltete Maschinengruppe keinen 1\Ttitzleistimgsempfänger antreibt. 2. Wärmekraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer der beiden Maschinengruppen Turbine und Verdichter mit gemeinsamer Welle in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. 3.
    Wärmekraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine die Tur bine der zusätzlich in den Kreislauf einge schalteten Maschinengruppe umgehende, mit einem regelbaren Absperrorgan versehene Lei tung aufweist. 4. Wärmekraftanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine den Ver dichter der zusätzlich in den Kreislauf ein geschalteten Maschinengruppe umgehende, mit einem regelbaren Absperrorgan versehene Leitung aufweist.
CH303029D 1952-05-01 1952-05-01 Wärmekraftanlage zur Ausnützung von Abwärme. CH303029A (de)

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