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.