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Kesselanlage mit Verbrennungsluftzufuhr unter Druck Die Erfindung
betrifft eine Kesselanlage mit Verbrennungsluftzufuhr unter Druck, bei welcher die
Verdichtung der Verbrennungsluft mittels eines Zellenrad-Druckaustauschers erfolgt.
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Bei den meisten Kesselanlagen ist es. üblich, eine Einrichtung vorzusehen,
mit deren Hilfe dem Verbrennungsraum der Feuerung Luft von Überatmosphärischem Druck
zugeführt wird. Dabei ist die zuzuführende Luftmenge groß, während der Druck der
zuzuführenden Luft niedrig ist, was zur Folge hat, daß bisher für diesen Zweck Niederdruckgebläse
großer Mengenleistung angewendet wurden. Derartige Gebläse können eine erhebliche
räumliche Ausdehnung haben.
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Unter dem Begriff »Druckaustauscher« sind im Rahmen der nachstehenden
Darlegungen Einrichtungen zu verstehen, bei welchen zwischen einem Zellenrad und
einem Kanalsystem eine Relativdrehung stattfindet, wobei in den Zellen des Zellenrades
ein Gas höheren Druckes expandiert, während durch diesen Expansionsdruck ein weiteres
Gas niedrigeren Druckes komprimiert wird und wobei die beiden Gase durch das Kanalsystem
in im wesentlichen stetigen Strömen den Zellen des Zellenrades zugeführt bzw. von
diesen abgeführt werden.
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Es ist bereits bekannt, für die Verbrennungsluftzufuhr zu Druckfeuerungsanlagen
mittels parallel zueinander betriebener Gebläseturbinen angetriebene Gebläse vorzusehen,
welche ihrerseits zur Bildung von Verdichterstufen hintereinandergeschaltet sind.
Diese bekannte Anordnung ist jedoch nur für Kesselanlagen geeignet, bei welchen
die Verbrennungsluftzufuhr unter hohem Druck erfolgen kann. Bei den gebräuchlichen,
mit verhältnismäßig niedrigen Drükken arbeitenden Kesselanlagen ergeben sich jedoch
zur Sicherstellung der notwendigen Fördermenge außerordentliche Baugrößen der Turbogebläse,
die bei den den niedrigen Drücken entsprechenden niedrigen Gasgeschwindigkeiten
mit verhältnismäßig schlechtem Wirkungsgrad arbeiten.
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Weiter sind Kesselanlagen bekannt, bei welchen eine einzige Abgasturbine
im Zuge eines mit einem zusätzlichen Brennraum verbundenen Abgaskanals liegt und
einen einzigen Verbrennungsluftverdichter antreibt. Auch bei dieser Anlage werden
die Abmessungen für große Kesselleistungen im Falle niedriger Verbrennungsluftdrücke
außerordentlich groß und die Wirkungsgrade entsprechend niedrig.
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Schließlich sind noch Anlagen bekanntgeworden, bei welchen als Verbrennungsluftverdichter
Druckaustauscher verwendet werden, die jedoch mit hohem Ausgangsdruck arbeiten.
Solche hohen Ausgangsdrücke sind für die gebräuchlichen Kesselanlagen nicht zuträglich.
Eine Drosselung auf die gewünschten Drücke würde jedoch zu einer Verschlechterung
des Wirkungsgrades der Anlage führen.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Verbrennungsluftzufuhr
für Kesselanlagen, welche die oben kurz angedeuteten Nachteile der bekannten Anlagen
nicht aufweist und welche mit gutem Wirkungsgrad in großen Mengen Verbrennungsluft
von verhältnismäßig niedrigem Druck an die Kesselanlage abgibt.
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Die Erfindung geht demgemäß von einer Kesselanlage mit Verbrennungsluftzufuhr
unter Druck aus, bei welcher die Verdichtung der Verbrennungsluft mittels eines
Zellenrad-Druckaustauschers erfolgt, und eine solche Kesselanlage ist nach der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der die Verbrennungsluft liefernde Druckaustauscher
ein Druckausgleicher mit einem oder mehreren Hochdruckeinlässen, einem oder mehreren
Niederdruckeinlässen und einem oder mehreren Mitteldruckauslässen ist, bei welchem
der in dem Mitteldruckauslaß herrschende Druck zwischen dem im Hochdruckeinlaß herrschenden
Druck und dem im Niederdruckeinlaß herrschenden Druck liegt, und daß außerdem ein
weiterer Druckaustauscher mit einem Hochdruckeinlaß, einem Hochdruckauslaß, einem
Niederdruckeinlaß und einem Niederdruckauslaß vorgesehen ist, dessen Hochdruckauslaß
über einen Verbindungskanal mit dem Hochdruckeinlaß des Druckausgleichers verbunden
ist,
während eine, einerseits an die Kesselfeuerung und andererseits an den Druckausgleicherauslaß
angeschlossene Verbindungsleitung unter einem Druck steht, der nicht höher als der
Mitteldruck ist.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist ein dritter Druckaustauscher
vorgesehen, dessen einer Einlaßkanal dem Zellenrad dieses dritten Druckaustauschers
Gas unter höherem Druck zuführt, dessen anderer mit dem Abgaskanal des Kessels verbundener
Einlaßkanal dem Zellenrad Gas unter niedrigerem Druck zuführt und dessen Auslaßkanal
ein Gas vom Zellenrad abführt, dessen Druck zwischen dem genannten höheren und dem
genannten niedrigeren Druck liegt.
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Zwei Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung sind unter Bezug
auf die Zeichnung beschrieben, in welcher F i g. 1 eine erfindungsgemäße Kombination
zweier Druckaustauscher mit einem Kessel zeigt, wobei die beiden Druckaustauscher
in Abwicklung dargestellt sind, und F i g. 2 eine erfindungsgemäße Kombination dreier
Druckaustauscher mit einem Kessel, wobei wiederum die Druckaustauscher in Abwicklung
dargestellt sind.
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Der eine der beiden in F i g. 1 dargestellten Druckaustauscher weist
.ein Zellenrad 1 auf, welches in der durch einen Pfeil 2 angedeuteten Richtung zwischen
zwei feststehenden Endplatten 3 und 4 umläuft. In der Endplatte 3 sind zwei Einlaßöffnungen
5 für unter höherem Druck und zwei Einlaßöffnungen 6 für unter niedrigerem Druck
stehendes Gas angeordnet. Die Endplatte 4 weist zwei Auslaßöffnungen 7, 8 für unter
mittlerem Druck stehendes Gas auf. Das Zellenrad 1 des Druckaustauschers wird durch
elektromotorischen Antrieb 9 in Umlauf versetzt.
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Das Zellenrad 11 eines weiteren Druckaustauschers wird mittels eines
Elektromotors 11A in Umlauf versetzt. Die Umlaufrichtung des zwischen zwei Endplatten
13 und 14 umlaufenden Zellenrades 11 ist durch einen Pfeil 12 angedeutet. Die Hochdruckspülstufe
dieses weiteren Druckaustauschers weist eine in der Endplatte 13 angeordnete Einlaßöffnung
15, eine in der Endplatte 14 angeordnete Auslaßöffnung 16, eine Brennkammer 17,
einen die Auslaßöffnung 16 mit der Brennkammer 17 verbindenden Kanal 18 und einen
die Brennkammer 17 mit der Einlaßöffnung 15 verbindenden Kanal 19 auf. Die Durchtrittsöffnungen
15 und 16 sind, wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, in Umfangsrichtung des Druckaustauschers
gegeneinander versetzt. Die Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers weist eine
Einlaßöffnung 20 und eine Auslaßöffnung 21 auf.
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Der zu dieser erfindungsgemäßen Kesselanlage gehörige Kessel kann
jeder beliebigen Kesselbauart angehören und ist in der Zeichnung mit der Bezugsziffer
22 angedeutet. Als Luftvorwärmer für diesen Kessel dient ein Wärmetauscher 23.
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Die beiden Druckaustauscher, der Kessel 22 und der Luftvorwärmer 23
sind in der nachstehend beschriebenen Weise untereinander verbunden, wobei in der
Zeichnung die betreffenden Verbindungsleitungen durch strichpunktierte Linien angedeutet
sind. Die Einlaßöffnungen 5 des einen Druckaustauschers sind über Einlaßkanäle 24
mit dem zur Hochdruckspülstufe des anderen Druckaustauschers gehörigen Kanal 19
verbunden. Die weiteren Einlaßöffnungen 6 des einen Druckaustäuschers sind über
weitere Einlaßkanäle 25 mit der Auslaßöffnung 21 der Niederdruckspülstufe des anderen
Druckaustausehers verbunden. Über eine an den kalten Ast des Luftvorwärmers 23 angeschlossene
Leitung 26 wird der einen der beiden Einlaßöffnungen 6 zusätzlich Luft zugeführt.
Der warme Ast des Luftvorwärmers 23 ist über eine Leitung 27 an die Abgasleitung
des Kessels 22 angeschlossen. Die Auslaßöffnung 7 des einen Druckaustauschers ist
über einen Auslaßkanal 28 an den Kessel 22 angeschlossen, während die Verbindung
zwischen der Auslaßöffnung 8 und diesem Kessel mittels einer Leitung 29 hergestellt
ist. Die beiden Kanäle 28 und 29 können sich vor Eintritt in den Kessel miteinander
vereinigen. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung
kann der Kanal 29 auch über einen Kanal 30 als Zweitluftzuführungskanal an
den Kessel angeschlossen sein. Im Fall dieser abgewandelten Ausführungsform des
Gegenstandes der Erfindung führt der Kanal 28 nur Erstluft.
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Beim Betrieb der Anlage wird Frischluft über die Eintrittsöffnung
20 in das Zellenrad 11 des zweiten Druckaustauschers eingelassen. Diese Frischluft
wird in den Zellen dadurch komprimiert, daß über die Einlaßöffnung 15 der Hochdruckspülstufe
Verbrennungsgase in die Zellen des Zellenrades eingelassen werden. Das auf diese
Weise verdichtete Gas verläßt die Zellen des Zellenrades 11 über die Auslaßöffnung
16 und strömt zur Brennkammer 17. Die Verbrennungsgase werden in zwei Ströme aufgeteilt,
deren einer zur Auslaßöffnung 16 der Hochdruckspülstufe zurückfließt und deren anderer
dem Zellenrad 1 des ersten Druckaustauschers zugeführt wird, in welches er über
die Kanäle 24 und die Einlaßöffnungen 5 eintritt. In diesem Zusammenhang wird bemerkt,
daß die Gasströmung innerhalb der Zellen des Zellenrades in der Hochdruckspülstufe
in umgekehrter Richtung mit Bezug auf die Gasströmung in den Zellen des Zellenrades
innerhalb der Niederdruckspülstufe erfolgt. Die Verbrennungsgase verlassen das Zellenrad
11 über die Auslaßöffnung 21 und werden im Kanal 25 mit Luft durchmischt, welche
über den Kanal 26 vom Luftvorwärmer 23 her bezogen wird. Aus diesen Darlegungen
ergibt sich, daß der zweite Druckaustauscher als Gasgenerator wirkt, welcher dem
ersten Druckaustauscher Gas zuführt, wobei dieser erste Druckaustauscher als Druckausgleicher
wirksam ist.
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Gas von höherem Druck wird über die Einlaßöffnungen 5 in die Zellen
des Zellenrades 1 des ersten Druckaustauschers eingelassen, während Gas von niedrigerem
Druck über die Einlaßöffnungen 6 in diese Zellen eintritt. Ein Gasgemisch, welches
hauptsächlich Luft enthält und dessen Druck zwischen dem niedrigeren und dem höheren
Druck liegt, verläßt die Zellen des Zellenrades 1 über die Auslaßöffnungen 7 und
B. Dieses im. wesentlichen Luft enthaltende Gasgemisch dient entweder als Erstluft
für den Kessel 22 oder aber gemäß der abgewandelten Ausführungsform, bei welcher
der Kanal 30 Anwendung findet, sowohl als Erstluft und als Zweitluft für den Kessel
22. Die Abgase des Kessels ziehen über einen Kanal 27 in den warmen Ast des
Luftvorwärmers 23 ein, von wo sie über einen in der Zeichnung nicht dargestellten
Schornstein in die freie Atmosphäre abgelassen werden.
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Bei der in F i g. 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsform einer
Kesselanlage nach der Erfindung
sind diejenigen Teile, welche gleich
den Teilen der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind, mit
gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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Der erste der dort angegebenen Druckaustauscher, welcher als Druckausgleicher
wirksam ist, weist ein Zellenrad 1 auf und entspricht im übrigen im wesentlichen
dem bereits in Verbindung mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform des Gegenstandes
der Erfindung erläuterten Druckaustauscher mit Ausnahme dessen, daß derselbe nur
jeweils eine Einlaßöffnung 5 und 6 bzw. nur eine Auslaßöffnung 7 aufweist.
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Der zweite Druckaustauscher, welcher bei dieser Ausführungsform des
Gegenstandes der Erfindung als Gasgenerator wirksam ist, entspricht grundsätzlich
hinsichtlich seines Aufbaues dem entsprechenden Druckaustauscher der ersten Ausführungsform
des Gegenstandes der Erfindung, jedoch mit dem Unterschied, daß nunmehr die Gasströmungen
in den Hochdruck- und Niederdruckspülstufen jeweils in gleicher Richtung innerhalb
der Zellen verlaufen. Die Endplatte 14 dieses Druckaustauschers weist eine Einlaßöffnung
31 und eine weitere Einlaßöffnung 32 auf, während die Endplatte 13 eine Auslaßöffnung
33 und eine weitere Auslaßöffnung 34 aufweist. Die erstgenannte Einlaßöffnung 31
ist an einen Kanal 35 angeschlossen, der seinerseits wiederum in Verbindung mit
dem kalten Ast eines Wärmeaustauschers 36 steht. An die erstgenannte Auslaßöffnung
33 schließt sich ein Kanal 37 an, welcher sich in zwei Teilkanäle 38 und
39 aufzweigt, von welchen der Teilkanal 38 zum Einlaß des kalten Astes des
Wärmeaustauschers 36 führt und der Teilkanal 39 zu einem dritten Druckaustauscher
führt. Der Kanal 37 führt zum Hochdruckeinlaß 5 des ersten Druckaustauschers. Der
Niederdruckauslaß 34 schließt an einen Kanal 40 an, der zum Niederdruckeinlaß 6
des ersten Druckaustauschers führt. In den Kanal 40 mündet ein Einlaßkanal 41, über
welchen Gas zugeführt wird.
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Der erste Druckaustauscher ist über eine einzige Leitung 42 an den
Kessel 22 angeschlossen. Der Abgaskanal des Kessels ist über eine Leitung 43 an
den dritten Druckaustauscher angeschlossen. Das Zellenrad 44 dieses dritten Druckaustauschers
wird mittels eines Elektromotors 45 zwischen feststehenden Endplatten 46,47 in Umlauf
gesetzt. Die Umlaufrichtung ist in F i g. 2 durch einen Pfeil 48 angedeutet. Die
vom Hochdruckauslaß des zweiten Druckaustauschers her führende Zweigleitung 39 verzweigt
sich nochmals in zwei weitere Zweigleitungen, welche zu zwei Hochdruckeinlaßöffnungen
49 des dritten Druckaustauschers führen. Der Kanal 43 verzweigt sich ebenfalls in
zwei Zweigleitungen und führt zu zwei Niederdruckeinlaßöffnungen 50. Die beiden
Auslaßöffnungen 51 sind an einen Abgaskanal 52 angeschlossen, der seinerseits in
einen in der Zeichnung nicht dargestellten Schornstein mündet.
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Der Wärmetauscher 36 wird vorzugsweise in Form eines Luftvorwärmer-Rohrbündels
innerhalb des Kessels 22 angeordnet. Falls erforderlich, kann der oben in Verbindung
mit dem dritten Druckaustauscher beschriebene erste Druckaustauscher auch mehr als
nur einen einzigen Satz von Durchtrittsöffnungen 5, 6, 7 aufweisen.
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Die Wirkungsweise der in F i g. 2 beschriebenen Ausführungsform des
Gegenstandes der Erfindung gleicht in vieler Hinsicht derjenigen der in F i g. 1
dargestellten Ausführungsform. Unter niedrigem Druck stehende Luft tritt über die
Einlaßöffnung 6 in den ersten Druckaustauscher ein, während unter höherem Druck
stehendes Gas über die öffnung 5 in diesen Druckaustauscher eintritt. Gas, dessen
Druck zwischen dem genannten Hochdruck und dem genannten Niederdruck liegt, tritt
über die Auslaßöffnung 7 aus den Zellen des Zellenrades 1 aus und gelangt über den
Kanal 42 zum Kessel 22. Der erste Druckaustauscher wirkt also als Druckausgleicher:
Die Niederdruckspülstufe des zweiten Druckaustauschers umfaßt die Einlaßöffnung
32 und die Auslaßöffnung 34, während die Hochdruckspülstufe dieses Druckaustauschers
die Einlaßöffnung 31 und die Auslaßöffnung 33 umfaßt. In der Niederdruckspülstufe
wird durch die Eintrittsöffnung 32 Frischluft eingelassen. Die Abgase strömen innerhalb
des Kanals 40 zur Einlaßöffnung 6 des ersten Druckaustauschers, während über die
Zweigleitung 41 zusätzlich Luft aufgenommen wird. Die im Wärmetauscher 36 erhitzten
Gase werden von der Hochdruckspülstufe an der Einlaßöffnung 31 aufgenommen, während
komprimiertes Gas aus dieser Stufe über die Auslaßöffnung 33 abgegeben wird, von
welchem ein Teil nochmals dem Wärmetauscher 36 zugeführt wird, während ein anderer
Teil dieses Gases über den Kanal 39 zum dritten Druckaustauscher gelangt und wiederum
ein anderer Teil der Hochdruckeinlaßöffnung 5 des ersten Druckaustauschers zugeführt
wird.
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Der dritte Druckaustauscher wirkt als Druckausgleicher und mit Bezug
auf den Kessel als künstlicher Zug. Die vom Kessel 22 gelieferten, unter niedrigem
Druck stehenden Abgase treten über die Einlaßöffnung 50 in das Zellenrad 44 ein,
während die von der Hochdruckspülstufe des zweiten Druckaustauschers herrührenden,
unter höherem Druck stehenden Gase über die Eintrittsöffnung 49 in den Druckaustauscher
eintreten. Gas von einem Druck, welcher zwischen dem .genannten Hochdruck und dem
genannten Niederdruck liegt, verläßt den Druckaustauscher über Austrittsöffnungen
51 und gelangt über den Kanal 52 in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Schornstein.
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Bei allen in Verbindung mit den beiden beschriebenen Ausführungsformen
des Gegenstandes der Erfindung erläuterten Druckaustauschern kann die Zahl der Durchtrittsöffnungen
bzw. Druckaustauscherstufen je nach den im Einzelfall auftretenden Erfordernissen
erhöht oder vermindert werden. Die in den Spülstufen der Druckaustauscher innerhalb
der Zellen der Zellenräder auftretenden Kompressionswellen sind in der Zeichnung
in voll ausgezogenen Linien angedeutet, während die entsprechenden Expansionswellen
durch gestrichelte Linien dargestellt sind.
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Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der erste Druckaustauscher
gegebenenfalls weggelassen werden, in welchem Fall der Abgaskanal des Kessels an
die Niederdruckeinlaßöffnung 50 des dritten Druckaustauschers angeschlossen ist.
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Bei beiden Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung kann das
zum Zwecke des Anlassens der Anlage dem ersten Druckaustauscher zuzuführende, unter
höherem Druck stehende Gas Dampf sein.
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An Stelle des jeweils zweiten Druckaustauschers bzw. Gasgenerators
kann bei beiden Ausführungsformen
des Gegenstandes der Erfindung
auch eine Gasturbine üblicher Ausführung Anwendung finden.
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Bei bestimmten Ausführungsarten können erforderlichenfalls die Tätigkeiten
zweier oder mehrerer Druckaustauscher in einer einzigen Maschine zusammengefaßt
werden, in welchem Fall ein beiden Teilgeräten gemeinsames Zellenrad mit jeweils
einem Satz von Durchtrittsöffnungen zusammenwirkt, welche einerseits als Gasgenerator
wirksam sind, während andererseits ein weiterer Satz von Durchtrittsöffnungen als
Druckausgleicher wirksam ist.
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Die Druckaustauscher können gegebenenfalls selbstantreibend sein,
indem die Zellenwandungen entsprechend gekrümmt ausgeführt sind. Andererseits können
die Rotoren auch durch eine äußere Kraftquelle angetrieben sein, beispielsweise
also mittels Elektromotoren angetrieben werden.