-
Die Erfindung betrifft eine Mikrogasturbinenanlage mit einem ringförmigen Rekuperator zur Wärmeübertragung von einem Abgasstrom auf einen Luftstrom.
-
Mikrogasturbinenanlagen umfassen in der Regel folgende Bauteile:
- – einen Generator zur Stromerzeugung,
- – einen Verdichter für die Verbrennungsluft,
- – eine Brennkammer,
- – eine Turbine,
- – einen ringförmigen Rekuperator.
-
Es handelt sich dabei um kompakte Einheiten, die meist transportabel sind. Mikrogasturbinenanlagen sind häufig nur zwei bis drei Meter lang, einen bis zwei Meter breit und einen bis zwei Meter hoch.
-
Mikrogasturbinenanlagen werden für eine dezentrale Stromversorgung eingesetzt, wobei die erzeugte elektrische Leistung unter 250 kW liegt. Die Abwärme wird häufig zu Heizzwecken, beispielsweise von Gebäuden, genutzt.
-
Mikrogasturbinenanlagen sind meist Einwellenmaschinen, bei denen Generator, Verdichter und Turbine auf einer Welle angeordnet sind.
-
Bei Mikrogasturbinenanlagen wird Luft von dem Verdichter angesaugt und komprimiert. Die Luft wird in dem ringförmigen Rekuperator vorgeheizt und der Brennkammer zugeführt. In der Brennkammer sind Brenner angeordnet, welche ein Brenngas mit der vorgewärmten Luft verbrennen. Die Turbine der Mikrogasturbinenanlage wird mit den heißen Abgasen aus der Brennkammer angetrieben. Der entspannte Abgasstrom wird über den Rekuperator geführt und wärmt den Luftstrom auf.
-
Ein ganz entscheidender Unterschied zwischen kompakten, transportablen Mikrogasturbinenanlagen und Großkraftwerken mit fest installierten Gasturbinen ist der Einsatz eines ringförmigen Rekuperator. Der ringförmige Rekuperator ist in der Regel hohlzylinderförmig ausgebildet und umschließt einen Teil der Bauteile.
-
Rekuperatoren sind Wärmetauscher, bei denen Wärme von einem wärmeren Fluidstrom auf einen, davon räumlich getrennten, kälteren Fluidstrom übertragen wird, wobei die beiden Fluide nicht miteinander vermischt werden. In Rekuperatoren von Mikrogasturbinenanlagen wird die Verbrennungsluft durch die heißen Abgase der Turbine vorgewärmt.
-
In der
WO 02/39045 A2 wird eine Mikrogasturbinenanlage mit einem ringförmigen Rekuperator beschrieben. Der heiße Abgasstrom der Turbine strömt über axiale Einlässe in den Rekuperator ein und auf der gegenüberliegenden Seite über axiale Einlässe aus dem Rekuperator aus. Durch diese Art der Abgasführung geht Potential für die Wärmeübertragung verloren. Dies wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad der Mikrogasturbinenanlage aus. Zudem bedingt die Führung des Abgasstroms wichtige konstruktive Merkmale der Mikrogasturbinenanlage. In der
WO 02/39045 A2 wird eine Mikrogasturbinenanlage beschrieben, bei der der Rekuperator fest in ein Gehäuse installiert ist und nicht ohne größeren Aufwand ausgetauscht werden kann.
-
Aufgabe der Erfindung ist es eine Mikrogasturbinenanlage mit einem ringförmigen Rekuperator anzugeben, bei dem die Wärmeübertragung zwischen dem Abgasstrom und dem Luftstrom optimiert wird. Dies soll zu einer Steigerung des Wirkungsgrades beitragen. Die einzelnen Bauteile sollen für Wartungsarbeiten gut zugänglich sein. Zudem soll die Mikrogasturbinenanlage leicht montierbar und kostengünstig herzustellen sein. Auch ein zuverlässiger Betrieb soll gewährleistet werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Abgasstrom über radiale Einlässe in den Rekuperator einströmt und/oder über radiale Auslässe aus dem Rekuperator ausströmt.
-
Die Begriffe axial und radial sind Richtungsangaben, die sich auf eine Rotationsachse als Bezugssystem beziehen. Diese Rotationsachse wird bei Mikrogasturbinenanlagen von der Welle gebildet.
-
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung strömt der Abgasstrom über radiale Einlässe in den Rekuperator ein und aber radiale Auslässe aus dem Rekuperator aus.
-
Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikrogasturbinenanlagen erfolgt die Zu- bzw. Abführung des Abgasstroms somit nicht über axiale sondern über radiale Ein- bzw. Auslässe. Dadurch entsteht eine Konstruktion, bei welcher der Rekuperator für Wartungsarbeiten leicht zugänglich ist, da an den axialen Enden des Rekuperators keine Blockierungen durch Abgaszu- bzw. -abführungen vorhanden sind. Zudem ist die neu konstruierte Mikrogasturbinenanlage leicht montierbar und somit kostengünstig herzustellen. Durch diese Abgasführung wird eine gute Wärmeübertragung und ein höherer Wirkungsgrad der Mikrogasturbinenanlage erreicht.
-
Der ringförmige Rekuperator hat vorzugsweise eine hohlzylinderförmige Geometrie. Er erstreckt sich in axialer Richtung und umschließt andere Bauteile der Mikrogasturbinenanlage. insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Rekuperator die Brennkammer umschließt.
-
Vorzugsweise sind die radialen Einlässe und die radialen Auslässe an einander axial gegenüberliegenden Seiten des Rekuperators angeordnet. Auf diese Weise durchströmt der Abgasstrom zunächst den gesamten Rekuperator in axialer Richtung bevor er diesen wieder verlässt. Durch die höhere Verweilzeit wird der Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluidströmen verbessert.
-
Bei einer günstigen Ausführung der Erfindung weist der Rekuperator eine innere und äußere Mantelfläche auf. Diese werden vorzugsweise jeweils von einem Rohr gebildet, wobei das innere Rohr axial zentriert in dem äußeren Rohr angeordnet ist. In dem inneren Rohr sind Öffnungen eingebracht, welche die radialen Einlässe für den Abgasstrom bilden. Die Öffnungen sind vorzugsweise als Schlitze ausgebildet. In dem äußeren Rohr sind ebenfalls Öffnungen eingebracht, welche die radialen Auslässe für den Abgasstrom bilden. Diese Öffnungen sind vorzugsweise ebenfalls als Schlitze ausgebildet.
-
Dabei erweist es sich als günstig, wenn die beiden Fluidströme im Rekuperator zumindest teilweise im Gegenstrom zueinander strömen. Dadurch ist die mittlere Temperaturdifferenz zwischen beiden Fluidströmen größer, so dass die übertragene Wärmeleistung im Vergleich zu Kreuz- oder Gleichstromführung zunimmt.
-
Bei einer Variante der Erfindung strömt der Luftstrom über axiale Einlässe ein- und/oder über axiale Auslässe aus. Vorzugsweise tritt der Luftstrom an einer Stirnseite des hohlzylinderförmigen Rekuperators ein und verlässt den Rekuperator an der gegenüberliegenden Stirnseite.
-
Der Verbrennungsluftsstrom wird im Rekuperator vorgewärmt bevor er der Brennkammer zugeführt wird. Vorzugsweise wird die Verbrennungsluft zuvor vom Verdichter komprimiert und steht somit unter Druck beim Durchströmen des Rekuperators.
-
Im Rekuperator sind Passagen für den heißen Abgasstrom und Passagen für den Luftstrom benachbart zueinander angeordnet. Dabei wechselt jeweils eine Passage für den Abgasstrom und eine Passage für den Luftstrom ab.
-
Benachbarte Passagen sind durch zumindest eine Wandung von einander getrennt. Bei der Wandung kann es sich beispielsweise um ein dünnes metallisches Blech handeln.
-
Durch die Wandungen werden die Passagen in Kanäle unterteilt, die sich in axialer Richtung erstrecken und entlang des Umfangs des ringförmigen Rekuperators angeordnet sind. Dabei wechselt entlang des Umfangs jeweils ein Kanal für die Abgasströmung und ein Kanal für die Luftströmung ab. Die Kanäle erstrecken sich über die gesamte axiale Länge des Rekuperators.
-
Die Wandungen erstrecken sich zwischen einer inneren Mantelfläche und einer äußeren Mantelfläche des Rekuperators. Vorzugsweise haben die Wandungen einen gekrümmten Verlauf, so dass sich evolent geformte Kanäle bilden. Die Wandungen sind parallel zueinander ausgerichtet und entlang des Umfangs des ringförmigen Rekuperators angeordnet.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen.
-
Dabei zeigt
-
1 einen Axialschnitt durch eine Mikrogasturbinenanlage,
-
2 eine perspektivische Darstellung der Mantelflächen des Rekuperators aus Sicht der Lufteintrittsseite,
-
3 eine perspektivische Darstellung der Mantelflächen des Rekuperators aus Sicht der Luftaustrittsseite,
-
4 eine vergrößerte Darstellung von abwechselnd zueinander angeordneten Abgas- und Luftpassagen.
-
1 zeigt eine Mikrogasturbinenanlage 1. Die Mikrogasturbinenanlage ist im Ausführungsbeispiel 1,6 m lang, 1,7 m breit, hat einen Durchmesser von 0,7 m und eine elektrische Leistung von 100 kW. Die Mikrogasturbinenanlage 1 umfasst eine Turbine 2, welche eine Welle 3 antreibt. Auf der Welle 3 sind ein Verdichter 4 und ein Rotor 5 angeordnet. Bei dem Verdichter 4 handelt es sich um einen einstufigen Radialverdichter. Als Turbine 2 wird eine einstufige Radialturbine eingesetzt. Der Rotor 5 ist von einem Stator 6 umgeben. Rotor 5 und Stator 6 sind Bestandteile eines Generators 7, der zur Stromerzeugung dient.
-
Vom Verdichter 4 wird Luft angesaugt und komprimiert. Der Luftstrom 8 strömt axial in einen ringförmigen Rekuperator 9 ein und auf der gegenüberliegenden Seite axial aus. Im Rekuperator 9 wird der Luftstrom 8 erwärmt und strömt zu einer Brennkammer 10. Die Brennkammer 10 umfasst Brenner 11 in denen ein Brenngas mit der vorgewärmten Luft zu einem Abgas verbrannt wird. Das Brenngas wird über Zuführungen 12 zu den Brennern 11 geleitet.
-
Das Abgas strömt über die Turbine 2 und treibt diese an. Der entspannte Abgasstrom 13 strömt radial in den Rekuperator 9 ein, durchströmt den Rekuperator 9 in axialer Richtung und strömt radial aus dem Rekuperator 9 aus. Im Rekuperator gibt der Abgasstrom 13 Wärme an den Luftstrom 8 ab. Der abgekühlte Abgasstrom 13 strömt in einen ringförmigen Abgassammler 14 und verlässt die Mikrogasturbinenanlage 1 durch einen Abgasschacht 15.
-
Der Rekuperator 9 umschließt die Brennkammer 10.
-
2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Mantelflächen 16, 17 eines Rekuperators 9 aus Sicht der Lufteintrittsseite. Die Mantelflächen 16, 17 werden von zwei Rohren gebildet.
-
Die innere Mantelfläche 16 weist an einem Ende Öffnungen auf. Die Öffnungen sind als in axialer Richtung verlaufende Längsschlitze ausgebildet. Die Öffnungen bilden radiale innere Einlässe 18 für den Abgasstrom 13.
-
Die äußere Mantelfläche 17 weist ebenfalls Öffnungen auf. Die Öffnungen sind als in axialer Richtung verlaufende Längsschlitze ausgebildet. Die Öffnungen bilden radiale äußere Auslässe 19 für den Abgasstrom 13.
-
Der Rekuperator 9 weist Passagen 20 für den Abgasstrom 13 und Passagen 21 für den Luftstrom 8 auf. Die Passagen 20, 21 sind abwechselnd zueinander entlang des Umfangs des ringförmigen Rekuperators 9 angeordnet. Die Passagen 20, 21 füllen den gesamten Raum zwischen der inneren Mantelfläche 16 und der äußeren Mantelfläche 17 des Rekuperators 9 aus. In den 2 und 3 sind exemplarisch lediglich drei dieser Passagen 20, 21 eingezeichnet.
-
Die Passagen 20, 21 erstrecken sich in einer in axialer Richtung über die gesamte Länge der Mantelflächen 16. Die Passagen 20, 21 sind räumlich von einander durch Wandungen 22 getrennt, so dass keine Vermischung zwischen dem Luftstrom 8 und dem Abgasstrom 13 auftritt.
-
Die Wandungen 22 haben einen gekrümmten Verlauf und bilden Evolente, die zwischen der inneren Mantelfläche 16 und der äußeren Mantelfläche 17 verlaufen. Die Wandungen 22 sind parallel zueinander angeordnet. Bei allen Wandungen 15 handelt es sich um metallische Folien. Im Ausführungsbeispiel bestehen die Folien aus einem Stahl, vorzugsweise X6CrNiTi 18-10. Sie haben eine Stärke von 0,125 mm.
-
Die Passagen 20 für den Abgasstrom 13 sind an den Stirnseiten des Rekuperators 9 von Abdeckelementen 23 verschlossen. Bei den Abdeckelementen 23 handelt es sich um Bleche, die ebenfalls einen gekrümmten Verlauf aufweisen.
-
Die Passagen 21 für den Luftstrom 8 sind an den Stirnseiten des Rekuperators 9 offen. Auf der in 2 dargestellten Stirnseite des Rekuperators 9 tritt der Luftstrom 8 durch axiale Einlässe 24 in den Rekuperator 9 ein, durchströmt die Passagen 21 in axialer Richtung und verlässt den Rekuperator 9 durch axiale Auslässe 25, (dargestellt in 3) auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Rekuperators 9.
-
Der heiße Abgasstrom 13 tritt durch die radialen inneren Einlässe 18 in die Passagen 20, durchströmt diese in axialer Richtung und verlässt die Passagen 20 durch die radialen äußeren Auslässe 19. Der aus den radialen äußeren Auslässen 19 austretende Abgasstrom 13 strömt in den ringförmigen Abgassammler 14 (gemäß 1) und verlässt die Mikrogasturbinenanlage 1 durch den Abgasschacht 15.
-
3 zeigt eine perspektivische Darstellung der Mantelflächen 16, 17 des Rekuperators 9 aus Sicht der Luftaustrittsseite. Der Luftstrom 8 verlässt die Passagen 21 über die axialen Auslässe 25. Im Rekuperator 9 strömen der Luftstrom 8 und der Abgasstrom 13 zumindest teilweise im Gegenstrom zueinander. Die radialen inneren Einlässe 18 und die radialen äußeren Auslässe 19 sind an einander axial gegenüberliegenden Seiten des Rekuperators 9 angeordnet.
-
4 zeigt einen Ausschnitt des ringförmigen Rekuperators mit Passagen 20 für den Abgasstrom 13 und Passagen 21 für den Luftstrom 8. In 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich exemplarisch vier Passagen 20, 21 dargestellt. Die Passagen sind abwechselnd zueinander angeordnet. Sie füllen den gesamten Raum des Rekuperators zwischen der inneren Mantelfläche 16 und der äußeren Mantelfläche 17 aus. Im Ausführungsbeispiel wird die innere Mantelfläche 16 von einem inneren Rohr und die äußere Mantelfläche 17 von einem äußeren Rohr gebildet.
-
Im Ausführungsbeispiel sind in jeder Passage 20 für den heißen Abgasstrom 13 und in jeder Passage für den Luftstrom 8 Füllungen 26 angeordnet. Die Füllungen 26 für den heißen Abgasstrom werden von Abdeckungen 27 verdeckt und sind somit bei der Darstellung gemäß 4 nicht sichtbar. Die Abdeckungen 27 verschließen die Passagen 20 des Abgasstroms 13 an der vorderen und hinteren Stirnseite des Rekuperators. Die Abdeckungen 27 haben ebenfalls einen gekrümmten Verlauf und sind mit den Wandungen 22 verschweißt.
-
Die Füllungen 26 bestehen aus einer Drahtanordnung. Diese Drahtanordnung ist als Drahtgewebe ausgeführt, bei der Drähte 28, die sich in radialer Richtung erstrecken, abwechselnd über und unter Drähten 29 geführt werden, die sich in axialer Richtung erstrecken.
-
Das äußere Rohr weist Nuten 30 auf, die sich an seiner Innenseite in axialer Richtung erstrecken. Das innere Rohr weist Nuten 31 auf, die sich an seiner Außenseite in axialer Richtung erstrecken.
-
Bei den Passagen 21 für den Luftstrom 8 sind, zwischen den Nuten 30 des äußeren Rohres und der Füllung 26, Leisten 32 angeordnet. Die Leisten 32 greifen teilweise in die Nuten 30 ein und stützen die Füllung 26 ab. Weiterhin sind in den Passagen 21 für den Luftstrom 8 Leisten 33, zwischen den Nuten 31 des inneren Rohres und den Füllungen 26 angeordnet. Die Leisten 32 greifen teilweise in die Nuten 31 ein und stützen die Füllung 26 ab.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 02/39045 A2 [0009, 0009]
