Verfahren zur Leistungsregelung von Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt und Anlage zur Ausführung dieses Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung von Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen, geschlosse nen Kreislauf unter Überdruck beschreibt,
wobei das durch äussere Wärmezufuhrerhitzte Arbeitsmittel unter äusserer Leistungsabgabe in mindestens einer Turbine expandiert, und hierauf in mindestens einem Turboverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird. Im weiteren betrifft die Erfindung eine An lage zur Ausführung dieses Verfahrens.
Zweck der Erfindung ist, für .die Tur bine und den Turboverdichter Betriebsver- hältnisse zu schaffen, bei denen diese bei allen vorkommenden Belastungen der Anlage. also auch bei starken Teil- und Überlasten mit bestem, praktisch gleichbleibendem Wir kungsgrad arbeiten können.
Zu diesem Be- hufe wird gemäss vorliegender Erfindung bei unveränderter Drehzahl d er Turbine und des Verdiehters die Dichte des umlaufenden Ar- beitsmittels angenähert proportional zur je weiligen äussern Leistungsabgabe der Tur bine geändert, wobei sich :die Drücke an den verschiedenen Stellen des Kreislaufes im gleichen Verhältnis ändern und die Wärme gefälle, sowie Strömungsgeschwindigkeiten in der Turbine und im Verdichter absolut sich gleich bleiben.
Dabei können die Tempe raturen durch Regelung der Brennstoff menge, welche der Quelle äusserer Wärme zufuhr zufliesst, unverändert bleiben. Es wird somit da.s Durchflussgewicht in kg/sec. des den geschlossenen Kreislauf beschreibenden Arbeitsmittels geändert.
In einer Wärme- kraftanlage, bei welcher die ILeistungsrege- lung auf diese Weise erfolgt, sind gemäss vorliegender Erfindung Mittel vorgesehen,
welche in Abhängigkeit von der augenblick lichen Leistungsabgabe nach aussen selbst tätig eine Zufuhr von Arbeitsmittel in bezw. einen Entzug von Arbeitsmittel aus .dem ge schlossenen Kreislauf ermöglichen. Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform einer An lage zur Ausführung des neuen Verfahrens in vereinfachter Darstellungsweise veran schaulicht,
und zwar zeigt die Figur eine Anlage, bei welcher als Arbeitsmittel Luft verwendet wird.
Die einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibendeLuftwird in einer als Erhitzer 1 ausgebildeten Zufuh.rstelle durch äussere Wärmeerhitzt. Die eigentliche Erhit zung erfolgt in einem Oberflä.cIienwärmeaus- tauscher ?. welcher von den Feuergasen um spült wird; die Erhitzung wird vorteilhaft auf mindestens 500 C getrieben.
Die so er hitzte Luft gelangt in eine mehrstufige Luft turbine 3 axialer Bauart, wo sie - unter Leistungabgabe an einen Generator 4 und an einen als mehrstufiges Axialgebläse 5 aus gebildeten Kreiselverdichter - mindestens auf die Hälfte des Druckes. expandiert, den sie am Eintritt in .die Luftturbine 3 hat. Letzterer Druck entspricht praktisch dem Drucke. den die Luft nach dem Verlassen der Zufuhrstelle (1, 2) von äusserer Wärme hat.
Die aus der Turbine 3 strömende Luft gelangt durch eine Leitung 6 in einen zwei ten, als Gegenstromapparat ausgebildeten Wärmeaustauscher 7, wo sie ein Röhren system durchströmt und dabei Wärme an den unter höherem Druck stehenden Teil des Arbeitsmittelstromes abgibt, welcher durch eine Leitung 9 aus dem Axialverdichter 5 in den Wärmeaustauscher 7 und aus diesem durch eine Leitung 8 in den Oberflächen wärmeaustauscher 2 gelangt.
Die in der Turbine 3 auf mindestens die Hälfte des Anfangsdruckes expandierte und im Wärmeaustauscher 7 auf mindestens 150E C abgekühlte Luft gelangt durch eine Leitung 11, nachdem sie bei 25 noch vorge kühlt worden ist, in das Agialgebläse 5, wo sie unter Kühlung wieder auf einen höheren Druck verdichtet wird. 12 bezeichnet eine Kühlwasserpumpe.
An die Leitung 11 ist über eine Leitung 1V ein Ventilkasten 1,0 mit Einlassventil 1,01 und Auslassventil 102 angeschlossen.
Die Regelung von Leistungsschwankun gen, die in einer Anlage .der beschriebenen Art auftreten, erfolgt in der Weise, dass. bei unveränderter Drehzahl von Turbine 3 und Verdichter 5 die Dichte der umlaufenden Luft angenähert proportional zur jeweiligen äussern Leistungsabgabe der Turbine 3 ge ändert wird. Dabei können die Temperaturen durch Regelung des :dem Erhitzer 1 zuge führten Brennstoffes, oder bei Kohlenfeue rung durch Beschickungsregelung oder Ab schirmen -des Rostes, unverändert bleiben.
Es wird somit der Druck bezw. da-s Durchfluss- gewicht (kg/sec.) des den geschlossenen Kreislauf beschreibenden Arbeitsmittels ge ändert. Dabei ändern sich .die Drücke an den verschiedenen. Stellen des Kreislaufes im wesentlichen proportional zur jeweiligen äu ssern Leistungsabgabe und die Wärmegefälle, sowie Strömungsgeschwindigkeiten in der Turbine 3 und im Verdichter 5 bleiben praktisch konstant.
Um eine solche Regelungsweise zu errei chen, wird dem Kreislauf vorübergehend Arbeitsmittel zugeführt bezw. entzogen. Zu diesem Zwecke sind bei der gezeigten Aus führungsform Druckspeicher 24, 241 vorge sehen. Der ..Speicher 24 ist an einen Verdich ter 23, :der aus der Umgebung angesaugte Luft in denselben fördert, sowie durch Lei tung 244 an das Einlassventil 101 angeschlos sen.
Der Speicher 241 ist dagegen durch Lei tung 2:4' an das Auslassventil 102 und zweck mässig durch Leitung 2.1E an die Saugleitung 2.31 des Verdichters 23 angeschlossen. Je nach der Einstellung der Ventile 1:01, 102 strömt Luft aus dem Speicher 24 in den ge schlossenen Kreislauf bezw. aus letzterem in den Speicher 241.
Die Einstellung der ge nannten Ventile 101, 102 erfolgt selbsttätig in Abhängigkeit von der augenblicklichen Leistung, welche die Turbine 3 nach aussen abgibt; diese Einstellung kann zweckmässig vom Regler 31 ,der Turbine 3, eventuell aber auch vom Regler der von der Turbine ange triebenen Maschine 4, durch ein Ölsteuerungs- system 32 mit Steuerkolben 32 bewirkt wer den.
Je nach der Einstellung des Steuerkol- bens 3#, gelangt Drucköl unter den Kolben 103 oder 104, so dass das Ventil 10' bezw. 102 geöffnet. wird.
Bei stossweisen Belastungsschwankungen unterhalb der Höchstlast kann die Leistungs regelung zusätzlich durch Änderung der Drosselung des Arbeitsmittelstromes mittelst eines Regelventils .10, das vor der Turbine 3 angeordnet ist. erfolgen. Dieses Ventil 40 wird ebenfalls vom Geschwindigkeitsregler 3' aus über das Ölsteuerungssy stem 32 betä tigt. Unter Umständen kann es zweckmässig sein, ein solches Drosselventil hinter der Tur bine 3 anzuordnen.
Die beschriebene Regelungsart, wonach dem geschlossenen Kreislauf in Abhängig keit von der jeweiligen äussern Leistungsab gabe Luft entzogen oder zugeführt wird, um bei unveränderter Drehzahl von Turbine und Verdichter die Dichte des umlaufenden Ar beitsmittels angenähert proportional zur er wähnten Leistungsabgabe der Turbine zu än dern, ist sehr wirtschaftlich.
Sowohl die Tur bine, als auch der Verdichter werden nämlich in einem solchen Falle unter den: neuen Bela stungsbedingungen immer bei den der Be rechnung dieser Maschinen zugrunde gelegten Verhältnissen (gleiche Schaufelwinkel, Ge schwindigkeitspläne und dergl.) arbeiten, so dass der Wirkungsgrad, abgesehen von klei nen mechanischen Verlusten, bis zu den kleinsten Belastungen praktisch unverändert bleibt.
Die Querschnittsverhältnisseder Iieit- und Laufschaufeln stimmen genau für alle Betriebspunkte, im Gegensatz zu den Ver hältnissen bei" allen bekannten Wärmekraft anlagen mit Turbomaschinen, wie Dampf- oder Gasturbinen.
Die Mittel, welche in A:bhä-ngigkeit von der augenblicklichen Leistungsabgabe nach aussen selbsttätig eine Zufuhr von Arbeits mittel in bezw. einen Entzug aus dem ge schlossenen Kreislauf ermöglichen, können grundsätzlich an jeder Stelle des Kreislaufes angeordnet sein.
Der Druck in der Einrichtung, welche bei einer augenblicklichen Leistungszunahme zusätzliches Arbeitsmittel in den Kreislauf liefert, muss, grösser sein als der, welcher an derjenigen Stelle des geschlossenen Kreislau fes herrscht, wo das zusätzliche Arbeitsmit tel in den Kreislauf einzuführen ist. Wie in der Figur gezeigt, kann eine solche Einrich tung zweckmässig als Druckspeicher ausgebil det sein.
Sie könnte aber auch nur aus einem Verdichter bestehen, der unmittelbar aus der Atmosphäre oder aus einem Zwischenbehäl ter, z. B. dem Behälter 24@, angesaugte Luft in den geschlossenen Kreislauf fördert. Diese Luft kann durch Abwärme der Anlage vor gewärmt werden.
In dem Speicher, in wel chen bei -einer augenblicklichen Leistungsab nahme Arbeitsmittel aus dem geschlossenen Kreislauf zu entweichen hat, hat dagegen ein niedrigerer Druck als an der Stelle zu herr schen, wo sich dieser Speicher an den ge schlossenen Kreislauf anschliessen läBt. An Stelle eines solchen Speichers (2(4j) kann aber auch eine Vorrichtung 41 zur Verwendung kommen, die in Abhängigkeit von einer au- genblicklichen Leistungsabnahme Arbeits mittel aus :
dem geschlossenen Kreislauf un mittelbar ins Freie entweichen lässt. Es kann sogar zusätzlich eine als Kreiselrad ausgebil dete Fördervorrichtung 42 vorgesehen: wer den, welche bei einer Leistungsabnahme Arbeitsmittel zwangsläufig aus: dem Kreis laue unmittelbar ins Freie hinausfördert.
An Stelle von Luft können erforderli chenfalls andere Gase, vorzüglich solche mit hohen Wärmeübergangszahlen, wie z. B. Helium, Wasserstoff, Stickstoff, als Arbeits- mittel in einer Anlage der beschriebenen Art verwendet werden.
Als Wärmekraftanlagen, die sich zur An wendung des neuen Verfahrens, eignen, kom men in Betracht zum Beispiel ortsfeste Kraft- erzeugungsanlagen aller Art, ferner Anlagen # zum Antrieb von Flugzeugen, Schiffen und Lokomotiven.
Da namentlich bei Lokomoti ven. die Umwandlung von Wärme in mecha nische Arbeit eine schlechte ist, lassen sich bei solchen Fahrzeugen gegenüber den bis herigen Ausführungen bei Anwendung des neuen Verfahrens bereits Verbesserungen :er- zielen, wenn das Arbeitsmittel im Oberflä- chenwärmeaustauscher nur auf verhältnis mässig niedrige Temperatur erhitzt wird.
Um eine Inbetriebsetzung ,der Anlage zu ermöglichen, werden zweckmässig Mittel vor gesehen, welche das erforderliche Gefälle in der den Verdichter antreibenden Turbine zu erzeugen gestatten. Als ein solches Mittel kann der Behälter 24 in. Frage kommen, wo bei er dann ,durch eine Leitung 44 unmittel bar an .die Turbine 3 anzuschliessen ist.
Als weiteres Mittel für das Anfahren kann eine Hilfsgruppe 45 vorgesehen werden, welche den Verdichter 5 antreiben kann, um das Umwälzen des Arbeitsmittels einzuleiten. Diese Hilfsgruppe kann als Elektromotor, Verbrennungskraftmaschine oder dergl. aus gebildet sein.