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Kraftmaschinenanlage mit Einrichtungen zur Lieferung sterilisierter
Verfahrensluft In der chemischen Industrie, z. B. bei der Fabrikation von pharmazeutischen
Erzeugnissen, werden Verfahren angewendet, die die Zufuhr von sterilisiertem Gas
unter Druck zu einer Betriebsanlage bedingen. Dieses Gas darf nicht zu heiß sein,
manchmal muß es sogar kalt sein. Es kann wünschenswert sein, die Sterilisation des
Gases durch Erhitzen auf hohe Temperaturen durchzuführen. Im Anschluß hieran kann
das Gas gekühlt werden; in der dabei frei werdenden Wärme sind beachtliche Energiewerte
enthalten. Das Gas zur Durchführung der Verfahren soll weiterhin Verfahrensluft
genannt werden. Es kann unreine Luft oder auch ein anderes Gas sein. Obwohl in der
Betriebsanlage während des Verfahrens eine Verringerung des Gasdruckes eintritt,
wird das aus der Anlage herausströmende und dementsprechend Austrittsgas genannte
Gas, das ebenfalls ein Verfahrensgas sein kann - falls in der Anlage eine chemische
Umsetzung stattfindet, wird das Austrittsgas ein anderes Gas sein -, einen nur wenig
unter dem Druck der eintretenden Verfahrensluft liegenden Druck haben und beachtliche
Druckenergien enthalten.
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Die vorliegende Erfindung nutzt die Druckenergie des Austrittsgases
und die bei der Kühlung anfallende Wärmeenergie als Antriebsenergie für eine Gasturbine
aus, die wiederum einen Kompressor
zur Verdichtung der Verfahrensluft
vor ihrer Sterilisätion antreibt.
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Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß in einer Kraftmaschinenanlage,
die durch Erhitzen sterilisierte, verdichtete Verfahrensluft für eine Betriebsanlage
liefert und einen Kompressor zum Verdichten der Verfahrensluft sowie eine Vorrichtung
zur Erhitzung der verdichteten Luft auf zur Sterilisation genügend hohe Temperatur
enthält, ein Wärmeaustauscher zur Übertragung von in der sterilisierten Verfahrensluft
vor ihrem Eintritt in die Betriebsanlage vorhandener Wärme an das aus der Betriebsanlage
ausströmende Austrittsgas vorgesehen ist und eine mit dem wiedererhitzten Austrittsgas
als Arbeitsmittel gespeiste Gasturbine den Kompressor antreibt.
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Die Wärmeüberträgung reicht in den meisten Fällen aus, um die Verfahrensluft
vollständig oder wenigstens angenähert auf die für die Durchführung des chemischen
Verfahrens geeignete Temperatur zu bringen und um die Temperatur des Austrittsgases
so weit zu erhöhen, daß sie die für den Betrieb der Turbine erforderliche Höhe erreicht.
Auf diese Weise wird die Energie für den Antrieb des Kompressors aus der für die
Sterilisation aufgewendeten Energie zurückgewonnen.
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Wenn Verbrennungsprodukte oder solche Verbrennungsprodukte, z. B.
Kohlendioxyd, enthaltende Luft als Verfahrensluft verwendbar ist, kann die Vorrichtung
zur Erhitzung der Luft einfach eine gewöhnliche Brennkammer sein, in der ein flüssiger
Brennstoff in der verdichteten Luft verbrannt wird.
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In den Fig. i, 2 und 3 der Zeichnung sind beispielsweise drei voneinander
abweichende Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. .
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Fig. i zeigt die Betriebsanlage i, in der sich der chemische Prozeß
abspielt, einen Luftkompressor 2, eine Gasturbine 3 zum Antrieb des Kompressors,
eine Brennkammer .4 und einen Hauptwärmeaustauscher 6. Die Gasturbine 3 und der
Kompressor 2 können in üblicher,Weise ausgeführt werden; z.,B. können beide axial
vom- Arbeitsmittel durchflössen werden (Axialturbine bzw. -kompressor). Die Brennkammer
4 kann, wie bei Gasturbinen üblich, mit flüssigem Brennstoff aus der Quelle 5 gespeist
werden. Die Brennkammer 4 steht mit der Turbine 3 indirekt durch den Hauptwärmeaustauscher
6 in Verbindung, ferner direkt durch die Betriebsanlage i und dann durch den Hauptwärmeaustauscher
6 mit dem Einlaß der Turbine. In manchen Fällen ist das Gas, das den Wärmeaustauscher
verläßt, zu heiß für den Prozeß in der Betriebsanlage i, und infolgedessen muß ein
Kühler 7 nach Art der gebräuchlichen Wasserkühler zwischen den Wärmeaustauscher
6 und die Betriebsanlage i eingeschaltet werden. Schließlich ist noch ein zusätzlicher
Wärmeaustauscher 8 zur Übertragung der Hitze der Turbinenabgase an die den Kompressor
2 verlassende Luft vorgesehen.
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Der Kompressor 2 saugt Luft unter atmosphärischem Druck an und drückt
die gesamte von ihm verdichtete Luft in die Brennkammer 4, in der genügend. Brennstoff
verbrannt wird, um die Luft so weit zu erhitzen, daß der Turbinenkompressorsatz
2,3 für seinen Betrieb keine zusätzliche Energiezufuhr benötigt und die Sterilisation
der Verfährensluft gesichert ist. Gewünschtenfalls kann die Luft durch einen Filter
in den Kompressor eingesaugt oder nach ihrer Verdichtung durch einen Filter gedrückt
werden. Verbrennungsgase - oder, wenn der Brennstoff mit Luftüberschuß veibrannt
wird, ein Gemisch von Luft und solchen Gasen - verlassen die Brennkammer 4 mit hoher
Temperatur und gehen durch den Wärmeaustauscher 6, in dem sie einen erheblichen
Teil ihrer Wärme abgeben. Dann strömt das Gas durch den Kühler 7, welcher aus Gründen
der Wirtschaftlichkeit ein üblicher Speiservassererhitzer sein kann, in dem seine
Temperatur auf einen niedrigen, für das Verfahren in der Betriebsanlage i brauchbaren
Wert gebracht wird, der z. B. in dem Bereich zwischen einer mäßigen normaler' Außenlufttemperatur
und einer Temperatur etwas unterhalb des Siedepunktes des Wassers. liegt. Diese
Verfahrensluft wird bei dieser Tempertur und einem Druck von beispielsweise 2 at
der Betriebsanlage zugeführt. Das Austrittsgas verläßt die Betriebsanlage i mit
einer tieferen Temperatur und einem geringeren Druck - von z. B. 1,4 at -. Während
es durch den Wärmeaustauscher 6 strömt, steigt seine Temperatur auf den für den
Betrieb der Gasturbine 3 geeigneten Wert an. Das heiße Gas wird dann in der Turbine
3 entspannt. Der Hauptwärmeaustauscher 6 kann in einigen Fällen als Regenerator
ausgeführt sein; um einen hohen Grad der Sterilisation der Verfahrensluft zu sichern,
ist es jedoch im allgemeinen vorzuziehen, den Wärmeäustauscher als Rohrwärmeaustauscher
auszuführen, dessen Rohrverbindungen sorgfältig abgedichtet sein müssen, um das
Eindringen von Organismen enthaltender Luft zu verhüten.
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Die Kraftmaschinenanlage kann selbsttätig durch eine druckabhängige
Vorrichtung gesteuert werden, um einen bestimmten Einströmdruck in die Betriebsanlage
aufrechtzuerhalten. Fig. i zeit beispielsweise eine Vorrichtung, die verwendet wird,
wenn die Temperatur, auf welche die Verfahrensluft zur Sterilisation erhitzt werden
muß, über dem für den Betrieb des Turbinen-Kompressor-Maschinensatzes ohne äußere
Leistungszufuhr theoretisch erforderlichen Wert liegt. Die Vorrichtung i i arbeitet
in Abhängigkeit von dem Druck in der Zuleitung zu der Betriebsanlage i ; sie tritt
bei einem Druckanstieg in Tätigkeit und bewirkt eine Schließbewegung eines Drosselventils
i2, das in die Zuleitung (zur Turbine) eingeschaltet ist. Wahlweise oder zusätzlich
betätigt die Vorrichtung i i ein Gerät zur Regelung der Leistung einer Arbeit aufnehmenden
Vorrichtung 13, die zusammen mit dem Kompressor 2 von der Turbine 3 angetrieben
wird. Diese Arbeit aufnehmende Vorrichtung ist als ein Elektrogenerator
13 dargestellt, der an ein Netz 14 angeschlossen ist. Die druckabhängige
Vorrichtung i i kann bei Druckanstieg die parallel zu dem Widerstand 16 liegenden
elektrischen Kontakte 15 schließen, um die Erregung des Generators 13 zu erhöhen,
dessen
Feldwicklung 17 in Reihe mit dem Widerstand 16 an die Spannung i8 angeschlossen
ist.
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Es versteht sieh, daß die Kraftmaschinenanlage auch in der Weise gesteuert
werden kann, daß die der Betriebsanlage i zugeführte Verfahrensluftmenge etwa gleichgehalten
wird. Weiterhin bewirkt eine temperaturabhängige Vorrichtung 2i bei einem Temperaturrückgang
am Einlaß der Betriebsanlage i eine Erhöhung der Brennstoffzufuhr (z. B. durch Öffnen
der Düse 22 zwischen der Brennstoffquelle 5 und der Kammer 4); dadurch ist gesichert,
daß die Temperatur, auf welche die Verfahrensluft erhitzt wird, nicht unter den
für ihre Sterilisation erforderlichen Wert sinken kann.
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Falls anderseits die Temperatur, auf welche die Verfahrensluft erhitzt
werden muß, damit der Turbinenkompressorsatz 2, 3 ohne äußere Leistungszufuhr laufen
kann, über dem für ihre Sterilisation notwendigen Wert liegt, wird eine in Fig.
2 dargestellte Vorrichtung ig verwendet, die bei einem Druckabfall am Einlaß zur
Betriebsanlage i ein Drosselventil 2o zwischen der Brennstoffquelle 5 und der Brennkammer
q. öffnet, dadurch die Brennstoffzufuhr vergrößert und so eine Erhöhung der Temperatur
in der Brennkammer bewirkt. Dadurch wird ein bestimmter Druck am Einlaß der Betriebsanlage
i eingehalten. Die Temperaturbegrenzungsvörrichtung 2,1 arbeitet bei einem Abfall
der Temperatur derart, daß sie ein Übersteuern des Ventils 22 verhindert und durch
entsprechendes Öffnen dieses Ventils die für die Sterilisation erforderliche Temperatur
aufrechterhalten bleibt. Die weiteren Teile in der Fig. 2 tragen die gleichen Bezugsziffern
wie die entsprechenden Teile in der Fig. i.
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Sollte der Druckabfall der Betriebsanlage i so groß sein, daß die
verwertbare Energie des Austrittsgases nicht ausreicht, um die Turbine 3 derart
zu betreiben, daß sie die für den Antrieb des Kompressors 2 notwendige Leistung
abgibt, so kann zusätzliche Energie zugeführt werden. In einem solchen Falle wird
- wie Fig. - zeigt - das Gas auf seinem Wege vom Wärmeaustauscher 6 zur Turbine
3 in der Brennkammer 27 wieder aufgeheizt. Wahlweise kann der Kompressor 2 zusätzlich
mechanisch angetrieben werden. Die von dem Druck am Einlaß in die Betriebsanlage
i abhängige Vorrichtung 23 tritt in Tätigkeit, wenn der Druck abfällt, und bewirkt
eine Steigerung der Energiezufuhr zur Turbine, indem die Brennstoffzufuhr zur Verbrennungskammer
27, z. B. durch Öffnen des Ventils 24 zwischen der Kammer und der Brennstoffquelle
26, erhöht wird.
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Wenn die Verfahrensluft frei von Verbrennungsprodukten sein mu.ß,
wird die geänderte Anordnung mit indirekter Erhitzung gemäß Fig. 3 verwendet. Die
Verfahrensluft strömt durch beheizte Rohrschlangen q.b in der Brennkammer q." die
mit vom Kompressor oder Lüfter g getrennt zugeführter Verbrennungsluft gespeistwird.Die
Verfahrensluftgeht durch den Hauptwärmeaustauscher 6, und die aus der Brennkammer
ausströmenden Verbrennungsgase können durch einen zusätzlichen Wärmeaustauscher
io abgeführt werden. Das Austrittsgas geht zuerst durch den zusätzlichen und dann
durch den Hauptwärmeaustauscher. Es dürfte klar sein, daß diese Kraftmaschinenanlage
in der gleichen Weise gesteuert werden kann wie die in den Fig. i oder 2 dargestellten
Anlagen.