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Wärmekraftanlage mit Zellenrad-Druckaustauscher Es ist bereits vorgeschlagen
worden, einer Turbine die von der Hochdruckspülstufe eines Druckaustauschers gelieferten
Heißgase zuzuführen. Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung ist schon rein theoretisch
nicht so hoch, als dies mit Rücksicht auf eine wirtschaftliche praktische Auswertung
einer solchen Anordnung wünschenswert wäre. Daraus ergibt sich die Aufgabestellung,
für eine derartige Anordnung einen besseren Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, ohne
auf die Vorteile der einfachen Konstruktion des Druckaustauschers verzichten zu
müssen und ohne unnötige weitere, zumeist sperrige, apparative Einrichtungen zu
einer solchen Anordnung hinzufügen zu müssen. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung
dadurch gelöst worden, daß in der Hochdruckspülzone des Druckaustauschers ein weiterer
Gasabzugskanal eingefügt wird. Durch diese Maßnahme ist es gelungen, den Wirkungsgrad
einer derartigen Anordnung um etwa 4011/o zu verbessern.
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Die Erfindung beinhaltet demgemäß eine Wärmekraftanlage mit einem
Zellenrad-Druckaustauscher, der einen Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal und eine Wärmezuführungseinrichtung
in der Hochdruckstufe sowie einen in Bewegungsrichtung des Zellenrades zwischen
Hoch- und Niederdruckspülstufe an der Abgasseite des Druckaustauschers angeordneten
Niederdruck-Nutzgas-Abzugskanal aufweist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß
der Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal mit einer Stufe höheren Drucks einer Expansionskraftmaschine
und daß der Niederdruck-Nutzgas-Abzugskanal mit einer Stufe niedrigeren Drucks dieser
Kraftmaschine verbunden ist, wobei der Druck dieser niedrigeren Druckstufe der Kraftmaschine
zwischen dem in der Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers herrschenden Druck
und dem in der Hochdruckspülstufe des Druckaustauschers herrschenden Druck liegt.
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Es ist zwar bereits bekannt, einen Druckaustauscher mit zwei Gasentnahmekanälen
auszustatten, deren Gasströmung einstellbar ist. Diese bekannte Anordnung weicht
jedoch hinsichtlich der Schaltung der Gasentnahmekanäle mit Bezug auf den Druckaustauscher
und mit Bezug auf eine angeschlossene Expansionsmaschine insofern wesentlich von
der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ab, als bei der bekannten Schaltung
die von der Hochdruckspülstufe abzweigende Leitung zu einer Brennkammer führt, während
die von der Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers abzweigende Nutzgasleitung
zu einer Niederdruckturbine führt, welcher außerdem unmittelbar Heißgas von der
Brennkammer her zugeführt wird. Die bekannte Anordnung hat infolge ihres schaltungsmäßigen
Aufbaus den eingangs bereits mit Bezug auf bekannte Anordnungen erwähnten Nachteil
eines schlechten Wirkungsgrades, weshalb sich die bekannte Schaltung in der Praxis
auch nicht durchsetzen konnte.
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Der gemäß der Erfindung erzielbare, gegenüber bekannten Anordnungen
wesentlich bessere Wirkungsgrad beruht auch darauf, daß gemäß einem weiteren Merkmal
der Erfindung das Verhältnis der Querschnitte der beiden Nutzgas-Abzugskanäle so
gewählt ist, daß das Verhältnis des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur
der Gase im Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal zum Produkt aus Masse und absoluter Temperatur
der gesamten, durch beide l#Tutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gleich der
aus der gesamten, durch diese Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gewinnbaren
Arbeit ist. Dieses Prinzip ist bei keiner bekannten Wärmekraftanlage der dargelegten
Art verwirklicht, weshalb die Wärmekraftanlage nach der Erfindung im Vergleich zu
den bekannten Anlagen einen sehr großen technischen Fortschritt bringt, der sich
in dem erwähnten, gegenüber den bekannten Anlagen ganz wesentlich besseren Wirkungsgrad
ausdrückt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Verhältnis der Strömungsquerschnitte
oder der Schluckfähigkeiten der beiden Expansionskraftmaschinenstufen derart gewählt,
daß das Verhältnis des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur der Gase im
Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal des Druckaustauschers zum Produkt aus Masse und absoluter
Temperatur der gesamten, durch beide Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge gleich
der aus der gesamten, durch - diese Nutzgas-Abzugskanäle strömenden Gasmenge ggwinnbaren
Arbeit ist.
Die Expansionskraftmaschine der Wärmekraftanlage nach
der Erfindung wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform derselben durch eine
Gasturbine gebildet.
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Als Beispiel sollen nunmehr einige Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Es stellt dar:
Fig. 1 eine schematische Abwicklung des Zellenrades eines Druckaustauschers und
der Anordnung der Kanäle desselben im Rahmen einer Wärmekraftanlage nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm, aus welchem die für die Erfindung kennzeichnende Änderung der
an der in Fig. 1 gezeigten Turbine 9 verfügbaren Leistung bei einer Änderung des
Verhältnisses des Produktes Masse mal absolute Temperatur des aus dem Hochdruckspülstufen-Abzugskanal
8 entnommenen Gases zum Produkt Masse mal absolute Temperatur des gesamten durch
den Hochdruckspülstufen-Abzugskanal 8 sowie durch den zusätzlichen Abzugskanal 10
entnommenen Gases ersichtlich ist, und Fig. 3 eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten
Kanalanordnung.
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In Fig. 1 ist ein Zellenrad 1 mit sich in axialer Richtung erstreckenden,
an beiden Enden offenen Zellen in Abwicklung dargestellt. Das Zellenrad bewegt sich
in Richtung des Pfeiles X an feststehenden Endplatten 13 und 14 vorbei. Niederdruckspülstufen-Einlaß-
und -Auslaßkanäle 2 bzw. 3 stehen mit den Zellen 1 durch Öffnungen in den Endplatten
in Verbindung. Die Bezugsnummern 4 und 5 bezeichnen den Hochdruckspülstufen-Einlaß-
bzw. -Auslaßkanal, welche ebenfalls durch Öffnungen in den Endplatten mit den Zellen
des Zellenrades 1 in Verbindung stehen. Die Kanäle 4 und 5 sind außerhalb des Zellenrades
durch einen Kanal 6 miteinander verbunden. In dem Kanal 5 befindet sich eine Heizvorrichtung
7. Damit bilden die Kanäle 4, 5 und 6 sowie die zeitweise mit den Kanälen 4 und
5 in Verbindung stehenden Zellen des Zellenrades 1 eine Hochdruckspülstufe. Der
Auslaßkanal 5 steht ferner mit einem Hochdruckspülstufen-Abzugskanal 8 in Verbindung,
welcher das heiße Gas aus der Hochdruckspiilstufe einer Turbine 9 zuführt. Die Welle
der Turbine 9 ist mit der Welle eines elektrischen Generators 11 gekuppelt. In einem
gewissen Abstand von dem Kanal 5 am Umfang des Zellenrades befindet sich in Drehrichtung
ein zusätzlicher Abzugskanal 10, welcher ebenfalls heißes Gas aus dem Zellenrad
der Turbine 9 zuführt. Der Kanal 10 steht mit einer niedrigeren Druckstufe der Turbine
9 in Verbindung als der Kanal 8, da der Druck des Gases im Kanal 10 niedriger ist
als der Druck des Gases im Kanal B. Die Strömungscharakteristik der Turbine ist
derart gewählt, daß die Strömungen des Gases durch die beiden Kanäle 8 und
10 das in Anbetracht der Erzielung einer möglichst hohen Leistung optimale
Verhältnis haben.
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Dies wird in den Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Fig.2 erklärt
werden. Die Turbine kann an den Stufen, welche mit den Kanälen 8 und 10 in Verbindung
stehen, mit Einlaßdüsen des Aktionstyps für teilweise Beaufschlagung und mit einstellbarem
Durchgangsquerschnitt versehen werden, wodurch die Verteilung der Gasströme zwischen
den beiden Kanälen geregelt werden kann.
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Im Betriebe wird ein Gas (beispielsweise Frischluft) durch den Kanal
2 mittels des Niederdruckspülvorganges dynamisch in die Zellen eingesogen, dort
verdichtet und dann der Hochdruckspülstufe in der Nähe der Kanäle 4 und 5 zugeführt.
Das Gas in den Zellen wird durch den Kanal s abgeführt und durch den Kanal 4 wieder
eingeführt. Ein Teil jedoch des auf diese Weise in Umlauf gebrachten Gases wird
durch denKanal 8 entnommen, um die Turbine 9 anzutreiben. Das Gas in den Zellen
nach Verlassen der Hochdruckspülstufe wird expandiert, und ein Teil dieses Gases
wird durch den Kanal 10 entnommen, um die Turbine 9 anzutreiben. Das in den Zellen
verbleibende Gas strömt dann aus dem Kanal 3 aus, während frisches Gas durch den
Kanal 2 eintritt. Hierauf wird der Arbeitszyklus wiederholt. Die Verdichtung sowie
die Entspannung des Gases erfolgt durch Stoß- bzw. Expansionswellen, welche durch
das Öffnen bzw. Schließen der Zellen zu den Kanälen 2, 3, 4, 5 und 10 entstehen.
In der Fig. 1 sind die Stoßwellen in voll ausgezogenen Linien, die Expansionswellen
in gestrichelten Linien dargestellt. Die Kanäle 2 und 3 sowie die Kanäle 4 und 5
liegen mit ihren Mündungen am Umfang dicht aneinander, so daß jeweils eine Stoßwelle
mit einer Expansionswelle kombiniert wird.
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Die Fig.2 zeigt eine typische Kennlinie der aus dem Gase in den Kanälen
8 und 10 verfügbaren Gesamtleistung in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Produktes
aus Masse und absoluter Temperatur des Gases in dem Kanal 8 zum Produkt aus Masse
und absoluter Temperatur des gesamten Gases in den beiden Kanälen 8 und 10. Aus
der Fig. 2 ist ersichtlich. daß die maximale Leistung verfügbar ist, wenn etwa 0,6
des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur aus dem durch den Hochdruck-Nutzgas-Abzugskanal
8 entnommenen Gase und etwa 0,4 des Produktes aus Masse und absoluter Temperatur
aus dem durch den zusätzlichen Abzugskanal 10 entnommenen Gase stammt. Wird
dem Kanal 8 mehr oder auch weniger Gas entnommen, dann nimmt die verfügbare Leistung
ab. Es ist daher vorzuziehen, den Druckaustauscher praktisch bei dem vorerwähnten
optimalen Wert in Betrieb zu halten. Wie bereits vorher erwähnt wurde, ändert die
Kennlinie ihre Form je nach den verschiedenen Wirkungsgraden der Verdichtung und
Entspannung und nach den verschiedenen Druckhöhen, also je nach der verschiedenen
Konstruktion der Druckaustauscher. Der optimale Wert könnte dann eventuell weiter
nach rechts liegen, als es in Fig.2 dargestellt ist. In einem Grenzfall würde die
Kurve dann überhaupt kein Maximum erreichen. Das ganze nutzbare Gas würde dann dem
Kanal 8 entnommen werden. Durch den Einbau einstellbarer Einlaßdüsen bei einer Turbine
9, wie dies im Zusammenhang mit der Fig.l beschrieben wurde, kann der Druckaustauscher
an einem bestimmten Punkt der in Fig.2 dargestellten typischen Kurve in Betrieb
gehalten werden. In dem vorhergehenden Beispiel wurde die in dem Gas enthaltene
Energie durch die Turbine 9 ausgenutzt. Man könnte aber auch das durch die Kanäle8
und 10 entnommene Gas für andere nützliche Zwecke verwenden, beispielsweise für
chemische oder metallurgische Prozesse.
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Die Fig. 3 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig. 1, wobei Überleitungskanäle,
von denen einer bei 12 dargestellt ist, dazu verwendet werden, die Verdichtung und
die Entspannung, wie sie durch die Stoß- bzw. Expansionswellen zustande kommen,
zu erhöhen. Bei richtiger Konstruktion werden nämlich Stoß- und Expansionswellen
infolge des Schließens bzw. Öffnens der Zellen zu den Überleitungskanälen erzeugt.
Die übrige Anordnung der Kanäle nach Fig. 3 ist identisch mit derjenigen nach Fig.
1, insofern als
die Kanäle 8 und 10 an geeignete Stufen der Turbine
9 oder aber beispielsweise an eine Anlage zur Durchführung eines chemischen Prozesses
angeschlossen sind.
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Obwohl in den Fig. 1 und 3 in dem Kanal s eine indirekte Heizvorrichtung
7 dargestellt wurde, kann an deren Stelle auch eine Brennkammer treten.
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In den obigen Beispielen ist der Zellenring drehbar, und die Kanalanordnung
steht still; man kann jedoch auch die Kanalanordnung drehen und den Zellenring festhalten.
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Die Turbine 9 kann zum Antrieb des Zellenringes oder der Kanalanordnung,
je nachdem welcher der beiden Teile drehbar ist, verwendet werden.