DE2122064A1 - Kühlanlage, Wärmerückgewinnungsanlage, Verdichtungsanlage für gekühltes Gas und Anlage zur Durchführung eines Brayton-Kreisprozesses - Google Patents
Kühlanlage, Wärmerückgewinnungsanlage, Verdichtungsanlage für gekühltes Gas und Anlage zur Durchführung eines Brayton-KreisprozessesInfo
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Description
DR. I. MAAS >ί.
a MÜNCHEN 23 TR—1 3
Treadwell Corporation New York, N.Y. 10019, V.St.A.
Kühlanlage«, Wärmerückgewinnungsanlage, Verdichtungsanlage für gekühltes Gas und Anlage zur
Durchführung äines Brayton-Kreisprozeßes
Der Wirkungsgrad einer Kühlanlage wird durch die Energie bestimmt, welche erforderlich ist, um die nötige Wärmemenge
einer Arbeitsströmung zu entziehen, welche auf eine gewählte Temperatur gekühlt werden soll. Wenn diese Wärme in Stufen mit fortschreitend niedrigeren Temperaturen
entzogen wird, so wird die erforderliche Energie entsprechend der Anzahl von verwendeten Stufen verringert. Je
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größer die Anzahl von Stufen ist, desto geringer ist die erforderliche Energie und desto größer ist der Wirkungsgrad
der Kühlanlage.
Der Wirkungsgrad einer Wärmerückgewinnungsanlage wird
durch die Energie bestimmt, welche sie aus der Wärme erzeugt, die sie einer Arbeitsströmung entzieht, wenn sie
die Arbeitsströmung über einen gewählten Temperaturbe- ^ reich abkühlt. Wenn diese Wärme rückgewonnen wird und in
Stufen mit fortschreitend niedrigeren Temperaturen verwendet wird, so wird die erzeugte Energie entsprechend
der Anzahl von verwendeten Stufen erhöht. Je größer die Anzahl von Stufen, desto größer ist die erzeugte Energie
und desto größer ist der Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnungsanlage
.
Wenn das Gas, welches in einen Gasverdichter eintritt,
durch Kühlung abgekühlt wird, ist eine geringere Energie erforderlich, um das Gas mit einem gewünschten Verdichtungsverhältnis
zu verdichten, und wenn das Einlaßgas auf eine geeignete Temperatur abgekühlt ist, ist die er-P
sparte Gasverdichtungsenergie größer als die zur Abkühlung des Gases erforderliche Kühlenergie. Die gesamte
Energie, welche die Summe der Verdichtungsenergie für das gekühlte Ansauggas sowie der Kühlenergie ist, ist geringer
als die Verdichtungsenergie für das ungekühlte Ansauggas
allein. Der ersparte Energiebetrag hängt vom Wirkungsgrad (von der Anzahl von Stufen) der Kühlanlage und
vom Gasverdichtungsverhältnis ab. Je größer der Wirkungsgrad der Anlage und je größer das Verhältnis ist, desto
größer ist die Ersparnis. Bei einem gegebenen Verdich-
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-" 3
tungsverhältnis und bei Abkühlung auf eine gegebene Temperatur ergibt eine zweistufige Kühlanlage eine
größere Ersparnis als eine einstufige und eine dreistufige Anlage ergibt eine noch größere Ersparnis.
Bei einer Braytonkreisproz^-Maschine tritt Luft unter
Atmosphärendruck in die Maschine ein, wird verdichtet,
erhitzt und sodann wieder auf Atmosphärendruck entspannt, Die Nettoenergieabgabe der Maschine ist die verhältnismäßig
kleine Differenz zwischen zwei ziemlich großen Zahlen, d. h. die Differenz der vom Luftentspanner erzeugten
Gesamtenergie und der vom Luftverdichter verbrauchten Energie. Die vom Luftentspanner einer einfachen
Braytonkreisproaeß-Maschine mit dem Verhältnis 5,1+
erzeugte Energie beträgt etwa das 2,77fache der Nettoenergieabgabe
der Maschine und wenn der Verdichter bei Umgebungstemperatur (beispielsweise 37,8° C(IOO0T))
ansaugt, so beträgt die vom Luftverdichter verbrauchte
Energie etwa das l,77fache der Nettoenergieabgabe. Wenn
die auf Umgebungstemperatur befindliche Luft gekühlt wird, bevor sie in den Verdichter eintritt, erhöht sich
die Energieabgabe dieser Braytonkreisxioaeß-Maschine, da
das Verdichtungsverhältnis steigt und das Entspannungsverhältnis entsprechend steigt, da sich infolgedessen
die vom Luftentspanner erzeugte Energie erhöht und auch die Luftmengenströmung durch die Maschine sich infolge
der größeren Dichte der kalten Luft erhöht. Die zum Kühlen der Einlaßluft erforderliche Energie muß natürlich
von der Energie abgezweigt werden, welche von der BraytonkreispEozeß-Maschine erzeugt wird, aber auch bei
Verwendung einer einstufigen Kühlanlage mit geringem
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Wirkungsgräd liefert die Maschine mit gekühlter. Ansaugluft
mehr Nutzenergie an der Welle, als es die gleiche Maschine bei Ansaugung mit 37,8° C (100° F) tun würde.
Die Erfindung befaßt sich mit einer verbesserten Kühlanlage.
In der Kühlanlage wird kaltes Kühlmittel in der flüssigen Phase zur Gegenstromkühlung einer Arbeitsströmung
von etwa Umgebungstemperatur auf eine gewählte niedrigere Temperatur verwendet. Die kalte Kühlflüssigkeit wird
dadurch auf Umgebungstemperatur erwärmt. Die Kühlflüssigkeit wird unter ausreichendem Druck gehalten, so daß
sie bei der obersten, von ihr bei der Gegenstromkühlung der Arbeitsströmung erreichten Temperatur nicht siedet.
Eine Füllung von kaltem flüssigem Kühlmittel wird erzeugt, indem eine Füllung von auf Umgebungstemperatur befindlicher
Kühlflüssigkeit in einem Entspannungsverdampfer
(flash tank) zur Verdampfung gebracht wird. Während dieser Entspannungsverdampfung (flashing)'siedet die Kühlflüssigkeit
bei fortschreitend niedrigeren Drücken und Temperaturen. Der entstehende Dampf wird ständig durch
Kühlmittelverdichter abgeleitet und wird sodann verdichtet, gekühlt und bei etwa Umgebungstemperatur kondensiert.
Die Entspannungsverdampfung führt zu einer Abkühlung
desjenigen Teils der Kühlflüssigkeit, welche bei der Entspannung nicht verdampft, und wenn die Flüssigkeit in
dieser Weise ausreichend abgekühlt ist, wird sie vorübergehend in einem Kaltspeicherbehälter gespeichert und sodann
zur Gegenstromkühlung der Arbeitsströmung verwendet.
Obwohl'die kalte Flüssigkeit in einzelnen Füllungen oder
10985071094 " 5 "
Beschickungen erzeugt wird, ermöglicht der Kaltspeicherbehälter ihre Verwendung in gleichbleibender Menge zur
Kühlung der Arbeitsströmung. Da die Füllung der auf Umgebungstemperatur befindlichen Kühlflüssigkeit bei fortschreitend
niedrigeren Temperaturen verdampft, wird derselben ständig bei fortschreitend niedrigeren Temperaturen
Wärme entzogen. Das Verfahren entspricht daher einem solchen, bei dem Wärme in einer sehr großen (theoretisch
unendlichen) Anzahl von Kühlstufen entzogen und ausgeschieden wird. Daher ist diese Kühlanlage in der
Theorie thermodynamisch reversibel und hat möglicherweise
den höchsten Wirkungsgrad, welcher erreicht werden kann.
Bei der Wärmerückgewinnungsanlage wird die auf Umgebungstemperatur
befindliche Kühlflüssigkeit erhitzt und unter ausreichendem Druck gehalten, so daß sie nicht siedet,
während sie erwärmt wird. Die heiße Flüssigkeit wird vorübergehend in einem Heißspeicherbehälter gespeichert.
Eine Füllung der erhitzten Flüssigkeit wird vom Heißspeicherbehälter zu einem Heißentspannungs-Verdampfer
(hot flash tank) geleitet, wo sie einer Entspannungsverdampfung (flash) bei sinkenden Temperaturen und Drücken
unterzogen wird, bis sie zuletzt eine vorbestimmte niedrigere
Temperatur, gewöhnlich etwa Umgebungstemperatur, erreicht. Der durch die Entspannung abgedampfte Dampf
wird durch Kühlentspanner geleitet, deren jeder einen entsprechenden KühIverdichter antreibt, wie oben erläutert.
Der Kühlentspanner kann seinen Kühlverdichter
direkt oder über eine konstante oder veränderliche Geschwindigkeit
sübersetzungseinrichtung antreiben. Der den
letzten Entspanner verlassende, abgedampfte Dampf wird bei etwa Umgebungstemperatur kondensiert. Da die Füllung von heißer Kühlflüssigkeit bei fortschreitend niedrigeren
Temperaturen verdampft, gibt sie ständig Wärme bei fortschreitend niedrigeren Temperaturen ab. Das Verfahren
entspricht daher einem solchen, bei welchem Wärme rückgewonnen und in einer sehr großen (theoretisch unendlichen)
Anzahl von Wärmerückgewinnungsstufen verwendet wird. Daher ist in der Theorie diese Wärmerückgewinnungsanlage
thermodynamisch reversibel und hat möglicherweise den höchsten Wirkungsgrad, welcher erreicht werden kann.
Am Beginn des Arbeitszyklus befindet sich der aus dem Heißentspannungs-Verdampfer kommende Dampf auf seiner
maximalen Temperatur und seinem maximalen Druck und kann den maximalen Betrag an Entspannungsarbeit leisten. Am
Beginn des Arbeitszyklus befindet sich der aus dem KaItentspannungs-Verdampfer
kommende Dampf ebenfalls auf seiner maximalen Temperatur und seinem maximalen Druck
und er erfordert den minimalen Betrag an Verdichtungsarbeit. Daher wird am Beginn des Arbeitszyklus das verfügbare
Gesamtentspannungsverhältnis in drei Entspannern verwendet, welche so mit Ventilen verbunden sind, daß
sie in Reihe arbeiten, und das erforderliche Verdichtungsverhältnis wird durch die damit paarweise verbundenen
drei Verdichter geliefert, welche so mit Ventilen verbunden
sind, daß sie parallel arbeiten. (Drei Paare von Entspannern und Verdichtern bilden einen außerordentlich
zufriedenstellenden Kompromiß zwischen Wirkungsgrad und Kosten der Anlage und so wird die Zusammenfassung der
Erfindung in Verbindung mit einer solchen Anlage beschrieben, wobei natürlich festzuhalten ist, daß auch nur zwei
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oder mehr als drei Paare von Entspannern und Verdichtern vorhanden sein können). Wenn der Arbeitszyklus fortschreitet,
sinkt der Druck des verdampfenden Kühlmittels im Heißentspannungs-Verdampfer und der Druck des verdampfenden
Kühlmittels im Kaltentspannungs-Verdampfer sinkt ebenfalls, so daß die von jedem Kühlmittelentspanner
erzeugte Energie sinkt und die von jedem Kühlmittelverdichter angeforderte Energie steigt. Wenn der Arbeitszyklus
bis zu dem Punkt fortgeschritten ist, in dem jeder Entspanner nicht mehr in der Lage ist, den damit paarweise
verbundenen Verdichter anzutreiben, werden die Ventilverbindungen so geschaltet, daß der heiße Dampf durch
zwei in Reihe liegende Entspanner und der kalte Dampf durch zwei parallel liegende Verdichter geleitet wird.
(Ein Entspanner und der damit paarweise zusammengefaßte
Verdichter werden durch Ventile vorübergehend abgesperrt), Das in diesem Zeitpunkt zur Verfügung stehende kleinere
Gesamtentspannungs-Druckverhältnis wird lediglich in zwei und nicht in drei Entspannern verwendet und jeder
Entspanner erzeugt mehr Energie (welche zum Antrieb des damit paarweise verbundenen Verdichters ausreicht). Nach
einem weiteren Abfall des Drucks des aus dem Heißentspannungs-Verdampfer
kommenden Dampfes werden wiederum Ventile derart geschaltet, daß zwei parallelliegende
Entspanner zwei parallelliegende Verdichter antreiben. Nach einem weiteren Druckabfall im HeißentSpannungs-Verdampfer
treiben zwei parallelliegende Entspanner zwei in Reihe liegende Verdichter und schließlich am Ende des
Arbeitszyklus treiben drei parallelliegende Entspanner drei in Reihe liegende Verdichter.
Durch Umschalten der Verdichterventile ist es möglich,..
1098 5 0/1094 -8"
zuerst mit einer, dann zwei und sodann drei Verdichterstufen
zu arbeiten. Wenn das gesamte Verdichtungsverhältnis , welches erforderlich ist, in drei Stufen statt
in einer erzeugt wird, ist für jeden Verdichter eine geringere Energie erforderlich, aber gleichzeitig tritt
ein Abfall der Gesamtmenge ein, mit der Dampf vom KaItentspannungs-Verdampfer
ausströmt, und es besteht ein entsprechender Abfall in der Geschwindigkeit, mit der
der Entspannungsverdampfer sich abkühlt.
Durch Umschalten der Entspannerventile ist es möglich, zuerst mit drei Stufen, dann zwei Stufen und sodann einer
Entspannungsstufe zu arbeiten. Wenn das zur Verfügung stehende Gesamtentspannungsverhältnis in einer Entspannungsstufe
statt in drei benutzt wird, wird mehr Energie von jedem Entspanner erzeugt, aber es besteht ein
gleichzeitiger Anstieg in der Gesamtmenge, mit der Dampf aus dem Heißentspannungs-Verdampfer ausströmt, und es
besteht ein entsprechender Anstieg in der Geschwindigkeit, mit der sich der Entspannungsverdampfer abkühlt.
In irgendeinem gegebenen Zeitpunkt während des Verdampfungszyklus ist die Geschwindigkeit, mit der Dampf aus
dem Heißentspannungs-Verdampfer durch die Entspanner ausströmt, gewöhnlich ganz unterschiedlich von der Geschwindigkeit,
mit der Dampf aus dem Kaltentspannungs-Verdampfer durch die Verdichter ausströmt, aber in jedem Zeitpunkt
des VerdampfungsZyklus ist die Energie, welche von jedem
Kühlentspanner erzeugt wird, genau die gleiche wie die Energie, die für den damit paarweise verbundenen Verdichter
nötig ist.
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Während des ganzen Arbeitszyklus wird der den letzten
Kühlentspanner verlassende Dampf im wesentlichen auf Umgebungstemperatur gekühlt und zu einer Flüssigkeit kondensiert.
Der Kühlverdichter-Abdampf wird ebenfalls gekühlt
und kondensiert. Die auf Umgebungstemperatur befindliches kondensierte Kühlflüssigkeit kann sowohl den
Kaltentspannungs-Verdampfer als auch die Abhitze-Rückgewinnungsanlage speisen. (Es ist natürlich möglich und
kann in einigen Fällen erwünscht sein, unterschiedliche
Arbeitsmedien für den Kühlkreislauf und für den Energieerzeugerkreislauf zu verwenden. In diesem Fall werden
zwei getrennte Kondensatoren verwendet. Wenn ein Arbeitszyklus beendet ist, wird die auf Umgebungstemperatur befindliche
Flüssigkeit, welche im Heißentspannungs-Verdampf
er zurückbleibt, in den Umgebungstemperatur-Speicherbehälter geleitet. Die im Kaltentspannungsverdampfer
zurückbleibende kalte Flüssigkeit wird in den Kaltspeicherbehälter
geleitet. Sodann wird eine neue Füllung von heißer Kühlflüssigkeit vom Heißspeicherbehälter zum
Heißentspannungs-Verdampfer geleitet, eine neue Füllung
von auf Umgebungstemperatur befindlicher Kühlflüssigkeit wird vom Umgebungstemperatur-Speicherbehälter zum Kaltentspannungs-Verdampfer
geleitet und der Arbeitszyklus wird wiederholt.
In der erfindungsgemäßen Kühlanlage kann der Wärmewert
der Kühlarbeit (WR), welche zur Abkühlung einer Arbeitsströmung (beispielsweise eines Kilomols Gas, normalerweise
Luft) von Umgebungstemperatur (T.) auf eine gewählte niedrigere Temperatur (Tg) erforderlich ist, ausgedrückt
werden durch
- 10 109850/1094
- ίο -
CP r CTA - Δν
V = if &C in -
<TA -
wobei Cp = der spezifischen Molwärme des Gases (für Luft
etwa 7,0); T_ = der gewählten Kondensationstemperatur;
Atr = der gewählten Temperaturdifferenz zwischen dem
den Kühler verlassenden Gas und der in den Kühler eintretenden Kühlflüssigkeit; und ER = dem gewählten Wirkungsgrad
des Kühlverdichters ist.
Als Beispiel werde angenommen, daß T. = 560° R, Tp = 58O°R,
ÄTR = 20°, ER = 0,8 und daß das Gas auf 400° R gekühlt
werden soll. Dann gilt
WR = ^-0T Γ58Ο In 4J°r - (560 - 400)] = 211,7 kcal/kmol
K . u>ö öiSV (381 BTU/lb.mol.)
Für irgendeine gewählte Kühlanlage kann ein Leistungskoeffizient CR (bei einem bestimmten Wert von Tg) errechnet
werden, wobei CR das Verhältnis von WR (in Wärmeeinheiten)
zu der einem Kilomol Gas entzogenen Wärme ist, wobei das Gas von Umgebungstemperatur T. auf eine gewählte niedrigere Temperatur T„ abgekühlt wird. Mathematisch
WR
gilt CR = —- , was für die angenommenen Bedingungen
gilt CR = —- , was für die angenommenen Bedingungen
ergibt
C0 = —ÜTTTTT = 0,086 kcal (0,34 BTU)
i\ / jU V1 0DU ^ HUU/
an Arbeit, welche für jeweils 0,2 5 kcal (1 BTU) erforder-
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- ii -
lieh ist, die dem Gas beim Kühlen entzogen wurden. Obwohl
für die gewählte Anlage CR in.gewissem Ausmaß von
den Werten von Cp, Tc, ATR, T^ und ER abhängt, hängt es
hauptsächlich von T„ ab. Wenn beispielsweise die Werte von Cp, Tp,Atr, T. und ER wie beim vorangehenden Beispiel
gewählt sind, aber T3 450° R statt 400° R beträgt,
so ist CR = 0,063 kcal (0,245 BTU) statt 0,086 kcal
(0,34 BTU).
Bei der Wärmerückgewinnungsanlage gemäß der Erfindung kann der Wärmewert der Rückgewinnungsenergie (Wu)» welche
aus der einer Arbeitsströmung (beispielsweise einem Kilomol Gas, normalerweise Luft) entzogenen Wärme erzeugt
wird, wenn die Strömung sich von einer über der Umgebungstemperatur
liegenden Temperatur (Τττ) auf Umgebungstemperatur
(T.) abgekühlt wird, ausgedrückt werden durch
(T WH = CE Γ(Τ - t„) - Tp (In—2_
η r H u η η U 1
wobei E„ der gewählte Wirkungsgrad des Kühlentspanners
und ATh die gewählte Temperaturdifferenz zwischen dem
Gas und dem Kühlmittel ist.
Als Beispiel werde angenommen, daß E„ = 0,8, Δ,ΤΗ = 50°,
T0 = 580° R ist und daß die Anlage 211,7 kcal/kmol
(381 BTU per Ib. mol) an Arbeit erzeugt, dann gilt
(T„-50) ■ WH = 7,0 χ 0,8 C(TH-50) - 580 (In —~g— +1)] = 211,7 kcal/kmol
(381 BTU/lb.mol),
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woraus sich ergibt T„ = 950 R.
Für irgendeine gewählte Wärmerückgewinnungsanlage kann
(bei einem bestimmten Tj1) ein Leistungskoeffizient CH
errechnet werden, wobei C„ das Verhältnis von W„ (in Wärmeeinheiten)
zu der Wärme ist, welche verfügbar wird, wenn ein Kilomol Gas sich von einer Anfangstemperatur
Ttt auf Umgebungstemperatur T. abkühlt. Mathematisch er-
wH
gibt sich Cn = ρ—JT= ?=—τ- 5 was für die angenommenen
ti LpUH - iA;
Bedingungen bedeutet
ορ·ι
CH = = °'035 kcal
BTU)
an Arbeit, welche aus jeweils 0,2 5 kcal (1 BTU) verfügbarer Wärme erzeugt wird. Für die gewählte Anlage hängt
Cj1 etwas von den Werten von Cp, E„, Δτη, T-. und Tp ab,
hängt jedoch hauptsächlich von T„ ab. Wenn beispielsweise die Werte von Cp, EH, ΔΤΗ, TA und Tc wie beim vorangehenden
Beispiel gewählt sind, aber T„ 900° statt 9 50° R beträgt,
so ist CH = 0,0287 kcal (0,114 BTU) statt
0,035 kcal (0,14 BTU).
Gemäß einem weiteren Gesihtspunkt der Erfindung wird die auf Umgebungstemperatur befindliche, leistungserzeugende
Kühlflüssigkeit zur Gegenstromkühlung des Gases verwendet, welches aus einem Gasverdichter abströmt, und die auf Umgebungstemperatur
befindliche, leistungserzeugende Kühlflüssigkeit wird dadurch erwärmt. Wenn die Gasansaugtemperatur
und das Gasverdichtungsverhältnis geeignet angepaßt sind, erwärmt die Verdichtungswärme des Gases die
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Kühlflüssigkeit auf eine Temperatur, welche hoch genug
ist, daß die leistungserzeugende Flüssigkeit die ganze Energie liefert, welche zur Kühlung des gerade in den
Gasverdichter eintretenden Gases erforderlich ist, und es ist keine äußere Arbeit zur Aufrechterhaltung des
Kühlkreislaufes erforderlich. (In der ganzen folgenden Beschreibung wird diese selbstangetriebene, in bestimmter
Folge mit Ventilen geschaltete Kühlentspanner-Verdichteranlage
als Treadwellanlage bezeichnet. Sie kann als die wirtschaftlichste und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrachtet werden, obwohl statt
dessen auch der Kühlkreislauf-Anteil der Anlage ganz
oder teilweise durch einen unabhängigen Motor oder Dampfturbinenantrieb
mit Leistung versorgt werden kann.) VJenn die Wärme der Gasverdichtung die Kühlarbeit liefert,
ist T„ gleich der Auslaßtemperatur des Gasverdichters und es gilt T
TH = ~~ tecn - 1} + TS
LC
wobei En der Wirkungsgrad des Gasverdichters; rp das"
Gasverdichtungsverhältnis und η der numerische Wert
k—1
des adiabatischen Exponenten —^=- (für Luft ist k =1,4 und η = 0,286) ist. Wenn für ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis r„ das passende Tg bestimmt werden soll, wird ein !; Versuchswert von T„ gewählt und ein entsprechendes Tu aus der obigen Formel errechnet. Die Kühlarbeit WR , welche für eine gewählte Kühlanlage erforderlich ist, um die Luft auf den Versuchswert von Tg abzukühlen, wird nach dem oben erläuterten Verfahren errechnet. Dieses WR wird mit der errechneten Wärmerückgewinnungsarbeit Wri verglichen, welche von einer gewählten Wärffifi-
des adiabatischen Exponenten —^=- (für Luft ist k =1,4 und η = 0,286) ist. Wenn für ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis r„ das passende Tg bestimmt werden soll, wird ein !; Versuchswert von T„ gewählt und ein entsprechendes Tu aus der obigen Formel errechnet. Die Kühlarbeit WR , welche für eine gewählte Kühlanlage erforderlich ist, um die Luft auf den Versuchswert von Tg abzukühlen, wird nach dem oben erläuterten Verfahren errechnet. Dieses WR wird mit der errechneten Wärmerückgewinnungsarbeit Wri verglichen, welche von einer gewählten Wärffifi-
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rückgewinnungsanlage (unter Verwendung des errechneten To, das dem, Versuchswert von 1T5 entspricht J erzeugt .wird,
Eine Reihe von Werten von T5 wird geprüft, bis die für
den jeweiligen Versuchswert Tg erforderliche Kühlarbeit
gleich der Wärmerückgewinnungsarbeit ist, die erzeugt wird, wenn das entsprechende errechnete Τττ verwendet
wird.
Als Beispiel werde angenommen, daß ein Verdichtungsverhältnis' von 15,0 erwünscht ist und daß die selbst angetriebene
Treadwell-Anlage verwendet werden soll. Mehrere Werte von T« werden geprüft, welche zuletzt bei 400° R
konvergieren und zur Probe wird dieser Wert von Tc zusammen
mit dem gewünschten Wert von 15,0 für rc in die
oben angegebene Gleichung
T
1H Ec QrC 1} 1S
eingesetzt.
Daraus ergibt sich
τ = 022. (15 OO,286 +
H 1-85
woraus folgt T„ = 9 50° R. Es wurde oben gezeigt, daß bei
der Treadwell-Anlage mit T„ = 9 50° R die von der Wärme-
rückgewinnungsanlage erzeugte Energie die von der Kühlanlage
mit Tg = 400° R benötigte Arbeit liefert.
Bei dieser Ansaugtemperatur erfordert die Gasverdichtung
nur 71,5% der einstufigen adiabatischen Arbeit, welche
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erforderlich ist, wenn die Ansaugtemperatur 560° R beträgt. Bei bekannten Anlagen kann ein Verdichtungsverhältnis
von 15,0 in einem einstufigen Verdichter mit einer Ansaugung h_jei Umgebungstemperatur (560° R) nicht erreicht
werden, da die Auslaßtemperatur von 1330° R (466° C bzw. 8 79° F) viel zu hoch ist und da viel zu viel
Verdichtungsarbeit verbraucht wird, so daß ein Verdichtungsverhältnis
dieser Größe gewöhnlich zwei kostspielige, zwischengekühlte Verdichterstufen erfordert. Wenn jedoch
die Treadwellanlage zur Kühlung des Sauggases auf 400°· R
verwendet wird, läßt sich das gleiche Verdichtungsverhältnis von 15,0 leicht in einem einstufigen Verdichter erreichen,
welcher eine Auslaßtemperatur von nur 9 50° R (2 54° C bzw. 490° F) erzeugt, und gleichzeitig ist die Nettoenergie
geringer als die Energie, welche von dem kostspieligeren zweistufigen Verdichter benötigt wird. Wenn andere,
weniger wirkungsvolle Kühl- und Wärmerückgewinnungsanlagen
statt der Treadwellanlage verwendet werden, ist mehr Kühlarbeit zur Kühlung des Ansauggases auf 400° R
erforderlich und es wird weniger Wärmerückgewinnungsenergie
bei einem TH von 9 50° R erzeugt. Daher kann die rückgewonnene
Wärme nicht eine Kühlung bis auf eine Temperatur von 400° R hervorrufen und die Nettoenergie zur Gasverdichtung
ist größer.
Wenn die Treadwellanlage zur Kühlung des in den Gasverdichter eintretenden Gases verwendet wird, nähert sich
die folgende Arbeit der adiabatischen Verdichtung der Arbeit der isothermen Verdichtung eng an, wenn die isotherme Verdichtung bei Umgebungstemperatur durchgeführt
wird. WennA TR undATH unendlich klein gemacht werden' :
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und Tp gleich T„ gemacht wird, ist bei Verwendung der
Treadwellanlage die Kühlung des Sauggases tatsächlich die Arbeit der adiabatischen Verdichtung gleich der
isothermen Verdichtung bei Umgebungstemperatur.
Die isotherme Verdichtung erfordert den geringsten Energiebetrag, da in der Theorie dieses Verfahren thermodynamisch
reversibel ist. Bei der adiabatischen Verdichtung befindet sich das Gass welches aus dem Verdichter austritt,
auf einer höheren Temperatur als das Gas, welches in den Verdichter eintritt, und die zur Erzeugung dieses
Temperaturanstiegs erforderliche Wärmeenergie wird auf Kosten von zusätzlicher Energie erhalten, welche in den
Verdichter gegeben worden ist. Das verdichtete Gas wird aus dem Verdichter mit einer verhältnismäßig niedrigen
Temperatur abgelassen und seine Wärme geht normalerweise verloren, indem sie an Kühlwasser in einem Zwischen- oder
Nachkühler abgegeben wird. Die direkte Abgabe dieser Wärme an Kühlwasser ist thermodynamisch ein vollständig
irreversibler"Vorgang. In dem Wärmerückgewinnungsteil der
Treadwellanlage wird dagegen Wärme ebenfalls an Kühlwasser abgegeben, aber erst nachdem sie im Kühlentspanner Arbeit
geleistet hat. Daher ist in der Treadwellanlage theoretisch die Wärmeabgabe thermodynamisch vollständig
reversibel. In gleicher Weise ist im Kühlteil der Treadwellanlage theoretisch die Wärmeabgabe vollständig reversibel.
Wenn in der Theorie die Treadwellanlage mit einem adiabatischen Gasverdichter verwendet wird, befindet
sich das Gas anfänglich auf Umgebungstemperatur und nach Verdichtung und Wärmerückgewinnung ebenfalls auf
Umgebungstemperatur. Der Kühlvorgang ist reversibel,
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der» Wärmerückgewinnungsvorgang Ist reversibel und die
adiabatische Verdichtung Ist reversibel. Da die Endtemperatur des verdichteten Gases die gleiche ist wie
seine Anfangstemperatur und da in der Theorie alle vorkommenden
Vorgänge reversibel sind, ist in der Theorie bei Verwendung der Treadwellanlage die adiabatische
Verdichtung gleichwertig mit der isothermen Verdichtung.
Es wird bemerkt, daß die Anlage sich selbst reguliert,
Tienn das verdichtete Gas die Wärme liefert, welche die
von der Kühlanlage benötigte Arbeit erzeugt. Wenn die Auslaßtemperatur des Gasverdichters steigt, ist mehr
"«»cu/uui verfügbar, wird mehr Arbeit erzeugt und ist mehr
Kühlarbeit verfügbar, um die Temperatur des Gases abzusenken, welches gerade in den Verdichter eintritt.
Wsnri diese Temperatur abgesenkt wird, wird wiederum
die Temperatur des aus dem Verdichter austretenden Gace£
gesenkt. Wenn die Auslaßtemperatur des Gasverdichters
fällt, steht weniger Wärme zur Verfügung, weniger Arbeit wird erzeugt und weniger Kühlarbeit ist verfügbar, so
daß die Temperatur des Gases steigt, welches gerade in den Verdichter eintritt und dieser Anstieg erhöht
wiederum die Temperatur des Gases, welches aus dem Verdi r.ivt-er austritt. Diese automatische Selbstregelung ist
ein wichtiger Betriebsvorteil dieses Gesichtspunktes ac--'-- Erfindung.
Die Kühlanlage kann auch zur Kühlung anderer Stoffe als Gas
verwendet werden. In diesem Fall kann Wärme aus einer anderen Quelle zur Erhöhung der Temperatur der leistungsei·
zeugend en Kühlflüssigkeit auf einen Wert verwendet werden, der hoch genug ist, daß sie alle von den Kühl-
109850/1094
- ist.-
Verdichtern benötigte Arbeit liefert. Arbeit wird jedoch in dem Ausmaß eingespart, als Abhitze wenigstens
einen Teil der Arbeit für die Kühlanlage liefert,
wenn es auch nicht die ganze Arbeit sein mag.
Wenn die Treadwellanlage zur Kühlung des in einen Gasverdichter eintretenden Gases verwendet wird, muß
die Wärme der Gasverdichtung nicht die einzige Wärmequelle für die »leistungserzeugende Kühlflüssigkeit sein.
Es können andere Quellen vorhanden sein, welche das , Ausmaß der selbstangetriebenen Kühlung, die erzeugt
werden kann, weiter erhöhen und dies kann eine noch niedrigere Gasverdichter-Einlaßtemperatur bei einer
noch weiteren' Einsparung an Verdichterarbeit ermöglichen.
Die Kombination der Treadwellanlage mit einer Braytonkreisproz.-Maschine
bildet eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei die gerade in den
Verdichter einer Braytonkreisprozeß-Maschine mit Vorwärmung
eintretende Luft gekühlt wird und die ganze Kühlarbeit durch die Wärme geliefert wird, welche aus der
Abluft rückgewonnen wird, welche den Vorwärmer der gleichen Maschine verläßt. Erfindungsgemäß wird die
maximale Energie beim Braytonkreisprozeß erzeugt, v?enn
rp n einen optimalen Wert hat, welcher durch das Optimum
von · r -j
1/2
ECETEPT
c - T
(Gleichung 1)
definiert wird, wobei Ep =/——j (das Entspannungs-
1 r '
1098 507 10 94
Verhältnis r ist kleiner als das Verdichtungsverhältnis r infolge der störenden Druckverluste in der Anlage), En
und η gleich den oben definierten Werten, Em der Wirkungsgrad
des Luftentspanners, TT die Einlaßtemperatur
des Luftentspanners und Tg eine gewählte Ansaugtemperatur
ist, welche gewöhnlich aus praktischen Gründen, wie den Kosten oder der Leistung der zur Verfügung stehenden Kühlanlage,
gewählt wird.
Es hat sich bei Ausführung der Erfindung gezeigt, daß Tg
mindestens etwa 28° C (50° F) unter der normalerweise
angetroffenen Temperatur der Umgebungsluft liegen sollte, wenn die Verbesserung der Leistung praktische Bedeutung
hat. Weiter hat sich gezeigt, daß zufriedenstellende Ergebnisse über einen Bereich von 10% höher bis 10% geringer
als das tatsächlich berechnete r_n erzielt werden können.
Für jedes gewählte T0 besteht ein einziger Wert von Vn .
bei welchem die in einem Braytonkreisprozeß erzeugte Arbeit ein Maximum ist. Die Nettoenergieabgabe, d.h. die
Braytonkreisproaaß-Arbeit abzgjülich der Kühlarbeit, hä§gt
natürlich vom Wirkungsgrad der gewählten Kühlanlage ab, wenn aber einmal die Kühlanlage gewählt ist, ist bei dem
gewählten T„ die Nettoenergieabgabe ein Maximum bei dem gleichen einzigen Wert von ^1Q11J bei welchem (für das
gleiche T„) die Braytonkreiqafceeß-Energieabgabe ein Maximum
ist. ■
Es wurde oben gezeigt, daß bei VErwendung der Treadwellanlage unter den angenommenen Bedingungen die Abluft in
die Wärmerückgewinnungsanlage bei 9 50° R eintreten muß,
- 20 -
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damit die Wärmerückgewinnungsanlage die Kühlarbeit leistet, welche erforderlich ist, wenn die Kühlanlage
die in den Luftverdichter eintretende Luft von 560° R
auf 400° R abkühlt. Es wurde ebenfalls oben gezeigt, daß für eine maximale Energieabgabe des Braytonkreisprozesses
das optimale
~* 1/2
Ts
(Gleichung 1) ist.
Als Beispiel werde angenommen, daß Ep = 0,85; Ε™ = 0,87;
Ep = (l,05)n = 1,014; Ί"τ = 1960° R (816°C (150Ό° F)) und
R ist, dann gilt
1/2
0,85 χ 0,87 χ 1,011 χ 1960 _ Λ Q+c _ η
1 ■■ "' ' ■■'■■" ' ■ ■ ' '■ — x j y _L u — i?p ι
400 υ
Mit diesen Werten von rp n Ep und Tc beträgt die Auslaßtemperatur
CTn-.) des Luftkompressors etwa 830° R. Die
angenäherte Recuperatortemperatur (^VJ ist die Differenz
zwischen der Temperatur der verdichteten Luft, welche in den Recuperator eintritt, und der Temperatur
der Abluft, welche den Recuperator verläßt, und beträgt daher 120° R (950-83o). Dies ist etwa die Differenz
zwischen der Temperatur der verdichteten Luft, welche den Recuperator verläßt und der Temperatur der Abluft, welche
den Entspanner verläßt und in den Recuperator eintritt. Für das angenommene rc n, das angenommene ET und das angenommene
Ep verläßt die Abluft den Entspanner bei einer
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Temperatur von etwa 1160° R, so daß die verdichtete Luft recuperativ auf etwa 1040° R (1160 - 120) erhitzt
wird und der Kreislauf mit einem Wärmewirkungsgrad von etwa 40,2% arbeitet.
Es wird bemerkt, daß bei Bekanntsein der Arbeitsbedingungen des Braytonkreisproz, (Tg und die zugehörigen Werte
von rc n, Trp, Ep, ET) und der Arbeitsbedingungen der
Treadwellanlage (TA, Tc, TR, TH, ER, EH) die angenäherte
Recuperatortemperatur (ΔΤητ.«) auf einen einzigen Wert
festgelegt ist. (Dies gilt nur, wenn die Kühlarbeit durch die Wärme geleistet wird, welche in der Recuperatorabluft
verfügbar ist). Da die Einlaßtemperatur (Τ™) des Luftentspanners, die den Wert Ep festlegenden Druckverluste
der Anlage, die Wirkungsgrade der .Bestandteile (Eq» Em,
ER, Err), die angenäherten Wärmetauschertemperaturen
(aTr, Ay, die Kondensationstemperatur (Τ£) und die
Umgebungstemperatur CT.) für eine gewählte Anlage alle
konstant sind, ist die angenäherte Recuperatortemperatur ( Δ. TREC) eine Funktion lediglich von Tg und fcc n. Da Tg
und r„n durch die oben angegebene Gleichung 1 für ein
optimales rc n zur Erzielung einer maximalen Ärbeitsabgabe
des Braytonkreisproz. in gegenseitiger Beziehung stehen, ist rc n lediglich eine Funktion von Δ TREp. Wenn daher
aus wirtschaftlichen oder anderen Gründen eine bestimmte angenäherte Recuperatortemperatur gewählt wird, bestimmt
diese Wahl auch das optimale r„n , welches zur Erzielung
einer maximalen Arbeitsabgabe erforderlich ist.
Dieses optimale rc n wird durch die folgende Gleichung
- 22 -
109850/109A
gegeben:
1 111
r π , _1^J _
(Gleichung 2),
wobei Em, En, Tm, T. und E0 die oben definierten Werte bedeuten,
ΔΤ^ρρ 'die angenäherte Recuperatortemperatur, CR
der Leistungskoeffizient der gewählten Kühlanlage bei dem Betriebswert von T3 und C„ der Leistungskoeffizient der gewählten
Wärmerückgewinnungsanlage bei dem Betriebswert von Ttj ist. Obwohl Tq nicht explizite in der Gleichung erscheint,
steckt es in der Berechnung von CR und CLr. Die obige Gleichung
gilt nur dann, wenn die Kühlarbeit von der Wärme geleistet wird, welche in den Recuperator abgas en enthalten
ist.
Bei Verwendung dieser Gleichung wird ein Versuchswert von .
T„ gewählt und aus der Gleichung
η _ f ECETEPTT \
welche rJ1 mit T0 in Beziehung setzt, wird ein optimaler
Versuchswert rc errechnet. Die entsprechende Auslaßtemperatur
Tp0 des Luftνerdichters,wird sodann berechnet
( TS \
ΙΤητΛ = Tc + (rn - 1) Tr=·) , und dazu wird die gewünschte
angenäherte Recuperatortemperatur (ÄTREr) addiert, damit
- 23 -
109850/1094
man T„ erhält. Der Leistungskoeffizient C„ der gewählten Wärmerückgewinnungsanlage wird für dieses T„ errechnet
und der Leistungskoeffizient CR der gewählten Kühlanlage wird für den gleichen Versuchswert T3 errechnet.
Die Werte für TT, ET, ATREC, CR, CH, TA und Ec werden
in Gleichung 2 eingesetzt und das erhaltene ro11 wird
mit dem Versuchswert rc n (Gleichung 1) verglichen. Wenn
dieses erhaltene rp nicht das gleiche ist wie der Versuchswert
Vn , wird ein neuer Versuchswert rp aus einem
neuen Versuchswert T„ errechnet, ein neues CH und ein
neues C„ werden errechnet und ein neues sich ergebendes
r" wird errechnet. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis
das errechnete sich ergebende rp n das gleiche ist wie
der errechnete Versuchswert r~ .
Bei einer angenäherten Recuperatortemperatur von -12,2° C
(10° F) (wozu ein extrem großer und sehr kostspieliger Recuperator erforderlich ist) ist die errechnete Ansaugtemperatur
442° R, das optimale rp11 ist 1,825, der Wärmewirkungsgrad
des Kreisprozesses beträgt 42,8 % und die Leistungserzeugung ist 1,94 kcal (7,7 BTU) Energie für
jeweils 28,3 1 ( 1 cu. ft.) vom Verdichter verdrängter
Luft, d. h. für jeweils 28,3 1 (1 cu.ft.) Volumenfassungsvermögen des Verdichters. Wenn die anderen Werte
gleich bleiben, hängen die Kosten eines Verdichters von seinem Volumenfassungsvermögen ab und die Kosten des !
Verdichters stellen einen wesentlichen Teil der Kosten einer Braytonkreisprozeß-Maschine dar. Die je Einheit
des Verdichterfassungsvermögens erzeugte Arbeit ist daher ein Maß für die Kosten der zur Erzeugung von Leistung
in einer Braytonkreisprozeß-Maschine verwendeten Anlage.
-24 -
50/1094 -
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·- 24·
Bei einer angenäherten Recuperatortemperatur von 38° C (100° F) beträgt die Ansaugtemperatur 407° R, das optimale
rp n beträgt 1,898, der Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses
beträgt 40,7 % und die Energieerzeugung beträgt 2,17 kcal (8,6 BTU) Energie je 28,3 1 (1 cu.ft.)
des Verdichterfassungsvermögens.
Bei einer angenäherten' Recuperatortemperatur von 49 C
(120° F) beträgt die Ansaugtemperatur 204° C (400° F), das optimale rc n beträgt 1,915, der Warmewirkungsgrad
des Kreisprozesses beträgt 40,2 % und die Leistungserzeugung beträgt 2,2 6 kcal (8,96 BTU) Energie je 28,3 1
(1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen.
Bei einer angenäherten Recuperatortemperatur von 6 6 C
(150° F) beträgt die Ansaugtemperatur 390° R, das optimale rc n ist 1,94, der Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses
beträgt 39,7 % und die Leistungserzeugung ist 2,37 kcal (9,42 BTU) Energie je 28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen
.
Wenn kein Recuperator verwendet wird und die Wärme der den Luftentspanner verlassenden Luft nur zur Leistungsversorgung der Kühlanlage verwendet wird, ist die Ansaugtemperatur
343° R, das optimale' vr n ist 2,07, der
Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses ist 37 % und die Leistungserzeugung ist 3,10 kcal (12,3 BTU) Energie je
28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen.
Wenn mit 560° R bei einem rp n von 1,62 und einer angenäherten
Recuperatortemperatur von 150° angesaugt wird,
- 25 -
109850/1094 '
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erzeugt eine bekannte vorgewärmte, ungekühlte Braytonr
kreisprozeß-Maschine 0,99 kcal (3,94 BTU) Energie je 28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen bei einem
Wärmewirkungsgrad von etwa 29,2 %. Der Recuperator dieser Maschine bläst bei etwa 1120° R ab und wenn diese
Abhitze in einem Abhitzeboiler zur Erzeugung von.Dampf mit 3,52, atü (50 psig) verwendet wird, erzeugt der
Dampf in einer kostspieligen getrennten Dampfturbine etwa 0,3 5 kcal (1,38 BTU) zusätzliche Energie, so daß
man insgesamt 1,34· kcal (5,32 BTU) je 28,3 1 (1 cu.ft.)
Fassungsvermögen des Luftverdichters der Braytonkreisprozeß-Maschine
erhält. Der Wärmewirkungsgrad des kombinierten Kreisprozesses beträgt etwa 39 %.
Mit der gleichen angenäherten Recuperatortemperatur von
150° hat.eine erfindungsgemäß ausgebildete Maschine
eine Ansaugtemperatur von 390 R, arbeitet mit einem Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses von etwa 39,7 %
und erzeugt eine Nettoenergieabgabe von etwa 2}37 kcal
(9,42 BTU) je 28,3 1 (1 cu.ft.) Verdichterfassungsvermögen, was etwa das 2,39fache des Wertes bei einer Maschine
mit üngekühltem, normalem, vorgewärmtem Kreisprozeß und
das etwa 1,77fache des Wertes einer Maschine mit ungekühltem,
kombiniertem, vorgewärmtem Kreisprozeß ist. Es
wird bemerkt, daß diese Energieabgabe von 2,37 kcal (9,42 BTU) durch die Braytonkreisprozeß-MascÜne allein
erzeugt wird und daß keine kostspielige getrennte leistungserzeugende
Dampfturbine erforderlich ist.
Alle obigen Braytonkreisprozeß-Beispiele beruhen auf der
Verwendung der Treadwellanlage. Mit einem Braytonkreis-
<- 28
109850/1094
prozeß können jedoch auch andere, weniger wirkungsvolle
Kombinationen von selbstangetriebenen Kühl-Wärmerückgewinmmgsanlagen
verwendet werden. Beispielsweise kann eine einstufige oder mehrstufige kühlanlage durch eine
Wärmerückgewinnungsanlage mit einem einstufigen oder mehrstufigen Boiler mit Leistung versorgt werden. Für
eine gewählte Wärmerückgewinnungsanlage und für eine gewählte Kühlanlage müssen alle wichtigen Faktoren, wie
die angenäherten Wärmetauschertemperaturen 9 die Wirkungsgrade der Bestandteile die Anzahl von Stufen und
dergleichens genau berücksichtigt werden und es ist für
jedes bestimmte T„ sein Leistungskoeffizient Co und für
jedes bestimmte T„ sein Leistungskoeffizient CR zu bersehnan»
Sodann wird das oben beschriebene Verfahren der· Verwendung eines Versuchs wert es von TQ angewendet 9
η
um das optimale rc für ein gewähltes <a>TREC zu bestimmen.
um das optimale rc für ein gewähltes <a>TREC zu bestimmen.
■?■
Die obige Gleichung 2 für v„ ist daher unabhängig von
dar Art der jeweils verwendeten Kühlanlage oder Wärmepückgewlnnungsanlage
anwendbar»
Dez» Wämewirkungsgrad einer bekannten Braytonkreisprozeß-Maschine
wird wesentlich schlechter, wenn es" erforderlich wird j die Maschine mit einem verringerten Leistungsvermögen
2u betreiben» Beispielsweise arbeitet die oben be-.
eelirisbene bekannte Maschine mit einer angenäherten Reet'pspatortemperatur
von 150°, einem r»c n von 1,62 und
<5i±n®w Änsaugtemperatur von 560° R (Umgebungstemperatur =
560° R) mit einem Wärmewirkungsgrad beim Auslegungspunkt
2ia2 %o Wenn die Maschine mit 42 % ihres dem Ausle-
LsistunggVermögens betrieben
- 27 09850/1094
wird, arbeitet die gleiche Maschine mit einem Wärmewirkungsgrad von 17,8 %, was nur 61 % ihres Wirkungsgrades
beim Auslegungspunkt entspricht. Dies beruht darauf, daß die praktischste Weise zur Verringerung des Leistungsvermögens einer bekannten Maschine darin besteht, ihre
Heiz- oder Zündtemperatur zu senken, wodurch gleichzeitig auch der Wirkungsgrad ihres Carnot-Kreisprozesses
erniedrigt wird. Bei diesem Beispiel liegt am Ausle-
gungspunkt die Heiz- oder Zündtemperatur bei 816 C (1500° F), beträgt aber bei 42 % Leistungsvermögen nur
588° C (1090° F).
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Maschine mit einer angenäherten
Recuperatortemperatur von 150°, einem rc n
von 1,94 und einer Ansaugtemperatur von 390° R (Umgebungstemperatur
= 560 R) arbeitet beim Auslegungspunkt mit einem Wärmewirkungsgrad von 39,7 %. Wenn diese Maschine
mit 42 % ihres Leistungsvermögens beim Auslegungspunkt arbeiten soll, arbeitet sie mit einem Wärmewirkungsgrad
von 29,5 %, was beinahe 75 % ihres Wirkungsgrades beim Auslegungspunkt sind. In diesem Fall wird das Leistungsvermögen erniedrigt, indem man einen Anstieg der Ansaugkühlung
auf 560° R zuläßt. Die Lexstungsfähigkeit der Maschine läßt sich leicht zwischen 42 % und 100 % ihrer
ausgelegten Lexstungsfähigkeit ändern, indem der Temperaturwert eingestellt wird, auf welchen die Ansaugluft
abgekühlt wird. (Diese Einstellung kann leicht auf verschiedene
Weisen durchgeführt werden, beispielsweise durch Drosslung der Kühlwasserströmung zum Kühlkondensator).
Wenn die Temperatur der angesaugten Luft angehoben wird, wird das Leistungsvermögen der Maschine verringert.
- 28 109850/1094
ο ρ
Die Heiz- oder Zündtemperatur bleibt bei 816° C (1500° F)
über diesen ganzen Bereich der Leistungsfähigkeit der Maschine. Wenn die Heiz- oder Zündtemperatur abgesenkt
wird, kann das Leistungsvermögen der Maschine sogar auf weniger als 42 % ihres Leistungsvermögens beim Auslegungspunkt auflösten eines etwas abgesenkten Wärmewirkungsgrades
verringert werden»
Die Figur zeigt in rein schematischer Form die Kombination
der Kühlanlage zum Kühlen des Luftverdichters, für einen offenen Brayton-Kreisprozeß mit Vorwärmung.
Gemäß der Figur tritt Luft mit Umgebungstemperatur T.
in den Luftkühler an dem mit "Lufteinlaß" bezeichneten Punkt ein und wird auf eine Temperatur"^- abgekühlt9 welche
wenigstens 2 8° C (50° F) unter der Umgebungstemperatur
liegt, bei der die.Maschine arbeiten soll» Die gekühlte
Luft tritt in den Luftverdichter ein9 in welchem sie mit dem errechneten optimalen Verdichtungsverhältnis
r„ verdichtet "wird. Die verdichtete Luft tritt in den
Recuperator mit einer Auslaßtemperatur ein, welche durch
dieses optimale rc und die Ansaugtemperatur T„ bestimmt
wird. Im Recuperator wird die Luft durch Wärmeaustausch mit den Abgasen aus dem Entspanner des Braytonkreisprozesses
erwärmt und strömt in die übliche Brennkammer eines Braytonkreisprozesses. In dieser Kammer wird Brennstoff verbrannt und die Temperatur der verdichteten Luft
wxrd weiter auf Tm erhöht, welches die maximale Temperatur
ist, die die Materialien des Entspanners aushalten können.-Der maximal zulässige Wert von Tm wird durch die
vorliegende Erfindung in keiner Weise beeinflußt.
- 29 109850/1094
22064
Der Verdichter wird vom Entspanner angetrieben. Die Differenz der Energie, welche vom Entspanner erzeugt wird,
und der Energie, welche der Verdichter benötigt, bildet die Nettoenergieabgabe des Braytonkreisprozesses, Dies
ist in der Figur durch die Leistungsabgabewelle symbolisiert , welche mit dem Generator verbunden ist und diesen
antreibt.
Die Abgase des Entspanners strömen zu einem Recuperator, welchen sie mit der Temperatur T„ verlassen. T„ wird
durch die Auslaßtemperatur der verdichteten Luft und durch die angegebene Temperaturdifferenz ÄTRpC bestimmt.
Die Abgase strömen sodann durch einen Kühlmittelerhitzer, in welchem die Pumpe 2 die Kühlflüssigkeit
auf einem ausreichenden Druck hält, so daß sie nicht siedet. Die Flüssigkeitsmenge, welche in den Erhitzer
strömt, wird durch die Einstellung von Ventilen S und 6
bestimmt. Im Erhitzer wird das flüssige Kühlmittel bis zu einer Temperatur Tj, abzüglich der kleinen Temperaturdifferenz
ΔΤΗ erhitzt, welche für den Wärmeaustausch erforderlich
ist» Die Abgase werden sodann9 wie angegeben*
gewöhnlich bei. Umgebungstemperatur zusätzlich der gleichen kleinen Temperaturdifferenz AT^ abgelassen.
Die heiße Kühlflüssigkeit strömt vom Ktihlmittelerhitzer
in einen geeignet isolierten Heißspeicherbehälter 1.
Von Zeit zu Zeit wird das Ventil 4 geöffnet und eine Füllung heißer Flüssigkeit wird vom Heißspeicherbehälter· 1
zum Heiß-Entspannungsverdampfer 3 geleitet. Das Flüssigkeitsfassungsvermögen
des Heißspeicherbehälters 1 ist
- 30 -
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genügend viel größer als dasjenige des Heiß-Entspannungs-Verdampfers
3, so daß im wesentlichen ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist. Die Figur ist schematisch, wobei
nur ein einziger Heiß-Entspannungsverdampfer dargestellt
ist. Es können jedoch auch mehrere solche Behälter verwendet werden, wenn gewünscht.
Im .Heiß-Entspannungsvecdampf er 3 verdampft die erhitzte
Kühlflüssigkeit., anfänglich unter einem solchen Druck9
wie er zur Verhinderung des Siedens im Kühlmittelerhitzen erforderlich sein kann., bei sinkenden Temperaturen
und Drückens bis sie eine minimale Temperatur und minimalen DrUCk9 normalerweise etwa Umgebungstemperatur3
erreicht ο Sodann wird das Ventil 10 geöffnet und die
restliche,, nicht verdampft® Flüssigkeit kann in den Um=
gebungstemperatur-Speicherbehälter Ii strömen.
Kühlmittelentspanner 7, 8 und 9 bilden den Leistungserzeugerteil
der Kühlanlage« Die Strömungsverteilung durch die Entspanner wird durch Ventile-12s 13s
1^9 ISj IS9 -17j 1.8 und 19 geregelt. Zuerst, wenn der
Dampf im.Heiß=Entspannungsverdampfer sich auf maximaler
Temperatur und maximalem Druck befindet, werden die Ventile 12 s 1«ί, 17 und 19 geöffnet und die Ventile 13, IS8
16 und 18 geschlossen« Infolgedessen tritt Kühlmitteldasipf
in Reihe durch die Entspanner. 7, 8 und 9. Diese
Entspanner treiben entsprechende Kühlverdichter 2I9 22
lind 23 ο Dies ist in der Figur als eine gemeinsame WeIIe8
welch© den Entspänner 7 mit dem Verdichter 23 verbindet9
eine gemeinsame WeIIe9 welche den Entspanner 8 und den
Verdichter 22 verbindet, und eine gemeinsame WeIIe3 wel-
• ' - 31
1.9860/1094 - -
ehe den Entspanner 9 und den Verdichter 21 verbindet,
symbolisiert.
Am Beginn sind Temperatur und Druck im Heiß-Entspannungs
νerdampfer 3 auf einem maximalen Wert und der durch
Entspannung verdampfte Dampf strömt durch die Entspanner 7, 8 und 9 in Reihe. Gleichzeitig sind Drück und
Temperatur im Kalt-Entspannungsverdampfer 30 auf einem maximalen Wert und die Belastung der Kühlverdichter 21,
22 und 23 ist minimal. Die Strömungsverteilung durch diese Verdichter wird durch Ventile 20, 24, 25, 26, 27,
28, 29 und 33 geregelt. Am Beginn arbeiten die drei Verdichter parallel, die Ventile 20, 24, 26, 27, 29 und 33
sind geöffnet und die Ventile 2 5 und 2 8 sind geschlossen. Die Belastung der Verdichter 21, 22 und 23 steigt, wenn
Temperatur und Druck des Kühlmittels im Kalt-Entspannungsverdampfer 30 fällt. Wenn die Entspanner 7, 8 und
9 nicht mehr genügend Leistung erzeugen können, um die Verdichter anzutreiben, werden die Ventile 17, 19, 20
und 26 geschlossen. Dies hat die Wirkung, daß der Entspanner 9 und der Verdichter 21 abgeschaltet werden und
nun die Entspanner 7 und 8 in Reihe die parallelliegenden Verdichter 22 und 2 3 antreiben.
Nach einer weiteren Zeitspanne fällt Druck und Temperatur
des Kühlmittels im Heiß-Entspannungsverdampfer 3 und des Kühlmittels im Kalt-Entspannungsverdampfer 30. Wenn
die Belastung der Verdichter 22 und 23 steigt und die Leistungsabgabe der Entspanner 7 und 9 bis zu dem Punkt
abfällt, an dem die Entspanner die Verdichter nicht mehr
antreiben können, werden die Ventile 13 und 15 g-eöffnet
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122064
und das Ventil 14 wird geschlossen. Nun treiben die Entspanner-7 und 8 parallel die parallelliegenden Verdichter
22 und 23.
Nach einem weiteren Abfall der Temperatur und des Drucks
des Kühlmittels in den Verdampfern 3 und 30 werden.die
Ventile 27 und 29 geschlossen und das Ventil 28 wird geöffnet. Dies führt dazu, daß zwei parallelliegende Entspanner
7 und 8 zwei in Reihe liegende Verdichter 22 und 2 3 antreiben«
Wenn die Temperaturen und Drücke in den Verdampfern 3 und 30 noch weiter abgefallen sind, werden die Ventile
169 19,-20 und 25 geöffnet und das Ventil 24 wird geschlossen.
Nun arbeiten die drei Entspanner 7, 8 und 9 parallel und treiben die in Reihe liegenden drei Verdichter
21, 22 und 2 3 an. Es wird bemerkt, daß während
des ganzen Arbeitsganges Abdämpfe aus den Entspannern und verdichtete Dämpfe aus den Verdichtern in.einen üblichen
wassergekühlten Kühlkondensator 34 strömen, wo die Dämpfe praktisch bei Umgebungstemperatur kondensiert
werden. Das Kondensat wird in den Umgebungstemperatur-Speicherbehälter 11 abgeleitet. Wenn die Entspanner 7,
8 und 9 nicht mehr genügend Kraft haben, um die Verdichter 21, 22 und 23 anzutreiben, wird'das Ventil 10
geöffnet und die unverdampfte Flüssigkeit im Heiß-Entspannungsverdampfer
3, die sich nunmehr im wesentlichen auf Umgebungstemperatur befindet, wird ebenfalls in den
Umgebungstemperatur-Speicherbehälter 11 abgeleitet. Die unverdampfte kalte Flüssigkeit im Kalt-Entspannungsverdampfer
30 wird in den Kalt-Speicherbehälter 31 über
das Ventil 35 abgeleitet. Wie beim Heiß-Speicherbehälter
03850/10-94 " 33
soll der Kalt-Speicherbehälter 31 ein ausreichendes
Fassungsvermögen aufweisen, so daß ein kontinuierlicher v Betrieb möglich ist.
In der Zwischenzeit hat die Pumpe 32 ständig kalte Kühlflüssigkeit
vom Kalt-Speicherbehälter 31 durch den Luftkühler gepumpt, wie oben erwähnt. Die Strömung der kaiten
Flüssigkeit wird durch das Ventil 3 6 geregelt. Es ist aus der Figur ersichtlich, daß die Kühlflüssigkeit
den Luftkühler im wesentlichen bei Umgebungstemperatur verläßt und in den Umgebungstemperatur-Speicherbehälter
11 strömt, in welchem sie sich mit dem Kondensat -vereinigt, welches im Kühlkondensator 34 gebildet wird. Die Ventile
10 und 35 werden nun geschlossen und die Ventile 4 und 6 werden geöffnet. Eine neue Füllung von Kühlflüssigkeit
vom Heiß-Speicherbehälter 1 wird auf diese Meise in den Heiß-Entspannungsverdampfer 3.eingelassen-und
eine neue Füllung von auf Umgebungstemperatur befindli~
eher Flüssigkeit wird in den Kalt-Entspannungsverdampfer
30 eingeleitet. Der Kühlkreislauf wird sodann wiederholt. Die Anlage reguliert sich selbst. Wenn die Temperatur Tg
am Einlaß des Luftverdichters zu steigen beginnt, steigt die Temperatur der in den Recuperator eintretenden verdichteten
Luft ebenfalls, wie auch der Wert Τ™» Dadurch
wird wiederum die Kühlflüssigkeit auf eine höhere Temperatur erwärmt. Die Entspannungsverdampfung dieser heisseren
Flüssigkeit im Heiß-Entspannungsverdampfer 3 erzeugt
mehr Leistung, wodurch wiederum die Temperatur des Kühlmittels im Kalt-Speicherbehälter 31 vermindert
und Tg abgesenkt wird. Wenn T„ zu sinken beginnt, wird
der Vorgang umgekehrt. Diese Selbstregelung ist ein Vor-
109850/1094
teil, wenn die Treadwellanlage zur Kühlung mit dem Braytonkreisprozeß
mit Vorwärmung kombiniert wird.
Die in der Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsform nützt alle Vorteile einer vollen Treadwellanlage
aus. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausnützung aller Vorteile eingeschränkt und kann auch nur einen
Teil derselben benutzen. . "
Es wird bemerkt, daß die Kombination der Treadwellanlage
zur Kühlung mit einem Braytonkreisprozeß optimale Resultat® ergibt» Es kann jedoch auch die Luft, welche
in den Verdichter des Braytonkreisprosesses eintritt3■
durch irgendeine andere Kühleinrichtung,, wenn auch mit
einem gewissen Verlust in der gesamten Energieabgabe oder iai Wirkungsgrads gekühlt werden.
Wenn man die Kühlanlage allein ohne Braytonkreisprozeß
betrachtet 9. kann die Parallel-Reihen-Strömungsverteilung
der Kühlverdiöhter mit irgendeiner anderen Art von An=
trieb verwendet werden und ist nicht auf Entspanner eingeschränkt s welche durch Abhitze mit Leistung versorgt
werden» Wo jedoch Abhitze zur Verfügung steht, ist es er»=
wünschta dieselbe in maximal möglichem Ausmaß zu verwenden ο Wie oben "erläutert j ist es in der Treadwellanlage
nicht wesentlich j» "daß'das gleiche Kühlmittel, welches
in dem leistungserzeugenden Kreislauf verwendet wirds
aueh im Kühlkreislauf verwendet wird. Wenn jedoch die
Treadwellanlage mit einem Braytonkreisprozess kombiniert t-iird.j ist es gewöhnlich zweckmäßiger und wirtschaftlicher,
die gleiche Kühlflüssigkeit sowohl für die Leistungserzeuals
auch für die Kühlung zu verwenden.
10 8850/1094- ' . - 3S -
Claims (1)
- PatentansprücheEinfache Braytonkreisprozeß-Leistungserzeugeranlage mit einem Gas- oder Luftverdichter, Brennkammer und Entspanner, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Verdichter eintretende Gas auf wenigstens 28 C (50° F) unter Umgebungstemperatur abgekühlt wird, das gekühlte Gas auf einen solchen Druck verdichtet wird, daß das Verdichtungsverhältnis r beträgt, und daß der numerische Wert von r11 zwischen 0,9 ro und 1,1 r„n liegt, wobei rp n ein Optimum ist, das durch die Gleichungχ Em x Tm<VTg Vijp·definiert wird, worin Ep der Wirkungsgrad des Verdichters der Maschine, Em der Wirkungsgrad des Entspanners der Maschine, Tm die Temperatur in Grad Rankine des in. den Entspanner eintretenden Gases, Tg die gewählte Temperatur in Grad Rankine des in den Verdichter eintretenden Gases, Ep das Verhältnis des Verdichtungsverhältnissesder Maschine zum Entspannungsverhältnis der Maschine, r das Verdichtungsverhältnis des Verdichters und η der nu-k — 1 merische Wert des Ausdrucks j- ist, wobei für dasgenannte Gas k das Verhältnis seiner spezifischen Wärme bei konstantem Druck zu seiner spezifischen Wärme bei konstantem Volumen ist.- 36 -109850/10 9 4Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Braytonkreisprozess-Entspanner mit einem Recuperator versehen ist, welcher die Abgase aus dem Entspanner aufnimmt, und daß der Kreisprozeß mit einem vn zwischen 0,9 rn n und I9I rp n durchgeführt wird, wobei rp n ein Optimum ist, das durch den Ausdruck[* f"1 I" f1 "1 ""1 Ί1 /definiert wird, worin ET der Wirkungsgrad des Entspanners der Maschbe, Ep die n-te Potenz des Verhältnisses des Verdichtungsverhältnisses des Verdichters der Maschine zum Entspannungsverhältnis des Entspanners der Maschine, Tm die Temperatur in Grad Rankine des in den Entspanner eintretenden Gases, T. die Umgebungstemperatur in Grad Rankine, für eine gewählte Kühlanlage CR das Verhältnis des Wärmewerts der zur Kühlung des Gases benötigten Energie zu der dem Gas entzogenen Wärme, für eine gewählte - Wärmerückgewinnungsanlage Ctt das Verhältnis des Wärmewerts der aus der Abwärme erzeugten Energie zu dieser Abwärme, &TREC die gewählte Temperatutfdifferenz zwischen dem den Recuperator verlassenden Abgas und dem in den Recuperator eintretenden verdichteten Gas, Ep der Wirkungsgrad des Verdichters und r, η und k die Größen sind, wie sie in Anspruch 1 definiert sind.3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des in den Verdichter eintretenden Gases- 37 10 9850/10 94durch Wärmeaustausch mit einer kalten Kühlflüssigkeit erfolgt, welche in einer Anlage mit mehreren Verdichtern gekühlt wird, in der die Kühlflüssigkeit bei fallenden Temperaturen und Drücken einer Entspannungsverdampfung unterzogen wird.^. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des in den Verdichter eintretenden Gases durch Wärmeaustausch mit einer kalten Kühlflüssigkeit erfolgt, welche in einer Anlage mit mehreren Verdichtern gekühlt wird, in der die Kühlflüssigkeit bei feilenden Temperaturen und Drücken einer Entspannungsverdampfung unterzogen wird, wobei die maximale Anzahl von Verdichtern zuerst zur Aufnahme von Dämpfen von der Entspannungsverdampfung parallel und ,zuletzt in Reihe angeordnet sind. ■S, Anlage nach den Ansprüchen 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen auf Umgebungstemperatur befindliche Kühlflüssigkeit bei fallenden Temperaturen und Drücken unter Entspannung verdampft wird, so daß die Temperatur des nicht verdampften und flüssig bleibenden Kühlmittelanteils abgesenkt wird*S. Anlage nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit unter einem Druck, welcher oberhalb ihres Siededrucks liegt, durch Abhitze aus dem Braytonkreisprozeß erhitzt wird, die erhitzte Kühlflüssigkeit bei fortschreitend fallenden Temperaturen und Drücken unter Entspannung verdampft und die Dämpfe in Turbinen entspannt werden, jede Turbine mit einem Kühl-- 38 -109850/1094mittelverdichter verbunden ists die Turbinen zuerst zur Aufnahme der verdampften Kühlmittä-dämpfe in Reihe und die Verdichter zur Aufnahme der Kühlmitteldämpfe parallel und zuletzts wenn die Temperaturen und Drücke des verdampften Kühlmittels sinken5 die Turbinen parallel die Verdichter in Reihe verbunden sind.Kühlanlage«, in welcher ein flüchtiges Kühlmittel auf eine tiefe Temperatur gekühlt wird, indem ein Teil desselben verflüchtigt wird, dadurch gekennzeichnet s daß das Kühlmittel unter Entspannung verdampft und die Dämpfe zu mehreren Verdichtern geleitet werdens wobei zuerst alle. Verdichter parallel und zuletzt alle Verdichter in Reihe liegen* und daß der gekühlte> unverdampfte Teil des Kühlmittels abgesogen und der Vorgang mit einer· frischen Kühlmittelfüllung wiederholt wird.nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnets daß jeder Verdichter, durch eine Turbine angetrieben wird,, die kalte Kühlflüssigkeit zum Kühlen verwendet und dabei erwärmt wirds die so erzeugte heiße Kühlflüssigkeit bei f bart schreitend fallenden Temperaturen und Drücken unter Entspannung verdampft und'die Dämpfe zu den Turbinen geleitet werden, die Turbinen alle anfänglich zur Aufnahme der Dämpfe *in Reihe und die Verdichter parallel verbunden sind und zuletzt, wenn die heiße' Kühlflüssigkeit durch Entspannungsverdampfung auf vorbestimmte Werte der Temperatur und des Drucks herabgemindert ist, die Turbinen parallel und die Verdichter in Reihe verbunden sind.Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Turbinen vorgesehen sind, welche drei Verdichter antreiben.109850/1094
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