Dampferzeuger mit Druckfeuerung. Die vorliegende Erfindung betrifft Dampf erzeuger zur Erzeugung reinen Dampfes für verschiedene Zwecke und von beliebigem Druck, bei welchen der Brennstoff unter einem den Atmosphärendruck überschreiten den, gleichbleibenden Druck verbrannt wird. Die hierfür erforderliche Druckerhöhung des Brennstoff-Luftgemisches erfolgt dabei durch einen Verdichter, den eine Gasturbine an treibt.
Es bilden die Dampferzeuger, bei denen Verdichter und Gasturbine einen wich tigen Bestandteil der Anlage ausmachen, einen Grenzfall für die Gasturbinen im all gemeinen, indem hier den Feuergasen zum Zwecke der Dampferzeugung mehr Wärme entzogen wird als zur notwendigsten Ernie drigung der Treibgastemperaturen und zur Kühlung der Wände (aus Festigkeitsgrün den)- erforderlich ist, so dass zur Energie erzeugung in der Gasturbine schliesslich nur noch so viel Wärmegefälle übrig bleibt, als die Gasturbine zum Beispiel zum Antrieb des Verdichters benötigt. Der Zweck der Anlage ist eben die Erzeugung von- Dampf, der zum Betrieb von Dampfturbinen- dient, und nicht die Erzeugung nutzbarer Energie durch eine Gasturbine.
Bei den bisher vor geschlagenen Dampferzeugern der beschrie benen Art hielt man sich bisher trotzdem eng an die Verhältnisse, wie sie für eine Gas turbinenanlage die gegebenen sind. Man wählte zum Beispiel sehr hohe Verdichtungs drücke, oder man liess sich umgekehrt, durch das Vorbild des Aufladens von Brennkraft- maschinen verleiten und schlug vor, die Gas turbine als reine Abgasturbine mit kleinem Druckgefälle auszuführen und an das Ende des Reizgasstromes zu setzen. In jedem Falle trachtet man darnach, das in der Tur bine ausgenutzte Druckgefälle möglichst gleich dem im Verdichter erzeugten Druck anstieg zu machen, das heisst man vermied im eigentlichen Dampferzeuger jeden grösse ren Druckabfall.
Der Dampferzeuger unter schied sich dann von einem gewöhnlichen, öl- oder gasgefeuerten Dampferzeuger nur inso- fern, als der höhere Verbrennungsdruck eine andere Ausbildung des Feuerraumes und der Feuergaszüge mit sich brachte und durch die Druckerhöhung auch eine gewisse Verkleine rung der Heizflächen möglich war. Die durch die Druckerhöhung erzielten Vorteile blieben aber gering und wogen kaum die Nachteile und Mehrkosten auf, die mit der Erhöhung des Druckes in der Brennkammer und den hierzu erforderlichen Hilfsmaschi nen verbunden waren. Es fanden daher die druckgefeuerten Dampferzeuger mit Gastur bine auch keine praktische Anwendung.
Grössere Bedeutung dürfen die druck gefeuerten Dampferzeuger aber erlangen, wenn neben -den Vorteilen, die aus der Ver kleinerung der Heizflächen infolge der hö heren Dichte der Heizgase erzielbar sind, auch noch die Vorteile zunutze gemacht werden, die sich ergeben, wenn man den Druckunterschied zwischen Brennkammer und Aussenluft zur Erzeugung sehr hoher Strömungsgeschwindigkeiten der Heizgase und damit zu einer noch wesentlicheren Er höhung des Wärmeüberganges und Verringe rung der Heizgasquerschnitte und der Heiz flächen verwendet.
So ist schon vorgeschla gen worden, hohe Heizgasgeschwindigkeiten zu erzeugen, indem man durch Verpuffung geeigneter Brennstoff-Luftgemische in Brenn- kammern, die durch Ventile abschliessbar sind, hohe Drücke herstellte und die hoch gespannten Gase dann durch die als Heiz flächen dienenden Heizrohre abströmen liess;
oder man. hat .durch einen Verdichter das Brennstoff-Luftgemisch in der Brennkam- mer auf gleichbleibendem höherem Druck gehalten und dauernd mit einer Geschwin digkeit durch die Heizrohre getrieben, die nahe an .die Schallgeschwindigkeit heran kam, oder sie erreichte. Bei .der ersten Art Dampferzeuger ("Verpuffungs"-Dampferzeu- ger) hat man zum Antrieb eines Auflade verdichters auch eine Abgasturbine vor geschlagen, die von den abgekühlten, aber teilweise noch hochgespannten Heizgasen gespeist wird.
Unmöglich ist dagegen bei der zweiten Art, dem "Gleichdruck"-Dampf- erzenger, der Betrieb einer Gasturbine mit abgekühlten Heizgasen, da hier das Druck gefälle allein vom Gebläse geliefert wird, also das in der Gasturbine verfügbare Druck gefälle schon an sich bedeutend niedriger ist als der im Verdichter herzustellende Druck anstieg und überdies noch die Heizgase ein bedeutendes Druckgefälle aufzehren, wenn sie mit ungefährer Schallgeschwindigkeit durch die Heizrohre fliessen sollen.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Dampferzeuger mit Druckfeuerung nach Art der oben erwähnten "Gleichdruck- dampferzeuger", bei welchem aber die Ver wendung der Gasturbine dadurch möglich gemacht werden soll, dass einerseits zwar hohe Heizgasgeschwindigkeiten gewählt wer den (etwa 200 m/Sek.), diese aber um eini ges unter der Schallgeschwindigkeit bleiben und anderseits die Gasturbine dabei ,so in den Heizgasstrom eingeschaltet wird, dass das Druckverhältnis der Entspannung in der Gasturbine kleiner, höchstens<B>0,8</B> Mal so gross ist .als das Druckverhältnis der Verdichtung im Verdichter.
Dieses Verhältnis wird bei spielsweise ermöglicht, wenn die Gasturbine derart in einer weder zu nahe am Beginn, noch zu nahe am Ende des Wärmeausnut- zungsbereiches der Rauchgase gelegenen Temperaturzone vorgesehen wird, dass das Temperaturgefälle der Rauchgase in der Gasturbine trotz kleineren, zu verarbeitenden Druckunterschiedes mindestens gleich wird der Temperaturzunahme der Luft während der Verdichtung. Damit verbleibt aber so wohl vor der Gasturbine, wie nach der Gas turbine ein gewisses Druckgefälle, das, ver bunden mit der hohen Temperatur, den Heizgasen hohe Geschwindigkeit (etwa 200 m/Sek.) erteilt.
Hierbei wird noch von dem Umstand praktisch Gebrauch gemacht, dass der Rohrwiderstand der Rohre noch dadurch vermindert wird, da.ss der Wärmeentzug eine Geschwindigkeitsminderung herbeiführt, die eine Rückverdichtung der Heizgase zur Folge haben kann. Zweckmässig wird die noch ver bleibende hohe Strömungsgeschwindigkeit in je einem an die Heizrohre anschliessenden Diffusor in Druck zurückverwandelt. Es las sen sich also mit verhältnismässig geringen Druckunterschieden hohe Geschwindigkeiten aufrecht erhalten, so dass die Abmessungen. der Heizflächen und der Rauchgaszüge über raschend klein werden.
Da durch die Ver kleinerung der sämtlichen Abmessungen auch die Wassermassen verringert werden und ferner durch Regelungsmöglichkeit des Verdichters für die Brennluft und des zuzu führenden Brennstoffes die Feuerführung unmittelbar und kurzzeitig geregelt werden kann, so kann der Dampferzeuger ohne Sammler auskommen.
Die Abbildung zeigt schematisch den Schnitt durch einen Dampferzeuger gemäss der Erfindung. Es ist 1 die Brennkammer, in welcher die bei 2 regelbar eintretende Druckluft und der bei 3 regelbar zugeführte Brennstoff, zum Beispiel Gas, 01 oder Koh lenstaub, verbrannt wird. Der zylindrische Teil der Kammer ist an der Wand mit Roh ren 4 eng besetzt, um die .Strahlungswärme von der druckfesten Zylinderwand 5 abzu halten. Diese Rohre werden von dem zu ver dampfenden Wasser durchflossen. Das Was ser wird zu diesem Zwecke mit einer Um- wälzpunpe (nicht sichtbar) bei 6 in den ke- geligen Unterteil 7 gedrückt und verteilt sich gleichmässig auf die einzelnen Rohre.
Die heissen Verbrennungsgase geben zunächst durch Strahlung und Berührung einen Teil ihrer Wärme an die Rohre 4 ab. Etwas ab gekühlt treten sie dann durch eine düsen- förmige Mündung bei 8 in die Heizrohre 9 ein.
Diese Heizrohre sind innerhalb der Was serrohre 4 angeordnet und enden mit einer diffusorartigen Erweiterung 10, in dem Sam melrohr 11, das mit der Gasturbine 12 ver bunden ist. Die Leitvorrichtung der Gas turbine ist so bemessen, & ss der sich vor der (sasturbine einstellende Druck um mehrere Meter Wassersäule niedriger ist als der Druck in der Brennkammer. Dieser Druck unterschied erteilt den mit hoher Temperatur vor die Düsen 8 tretenden Heizgasen eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit, dass schon verhältnismässig kurze Rohre genügen, um an diesen den Grossteil des Dampfes zu er zeugen und die Gase so weit abzukühlen, wie es für den Betrieb in der Gasturbine erforderlich ist.
Die Höhe dieser Tempera tur ist einerseits bestimmt durch die Lei stung, die die Gasturbine zum Antrieb des Verdichters aufbringen muss, anderseits durch die Festigkeitseigenschaften des verwendeten Schaufelbaustoffes. Die Entspannung der Gase in der Gasturbine geht jedoch nicht bis zum atmosphärischen Gegendruck, sondern nur bis zum Gegendruck, der hinreicht, um auch den Abgasen noch eine grosse Strö mungsgeschwindigkeit zu erteilen.
Es ver lassen die Gase also bei 13 die Gasturbine mit Überdruck, gelangen in das Verteilrohr 14 und durchströmen die ebenfalls in die Wasserrohre verlegten Heizrohre 15 mit hoher Geschwindigkeit, um dann durch die Diffusoren 16 in das Sammelrohr 17 zu tre ten, von wo sie durch Anschlussrohr 18 ent weder unmittelbar ins Freie, oder in einen Wasser- oder Luftvorwärmer gelangen.
Der sieh bildende Dampf wird durch die Strömung .des Umlaufwassers in den Raum 19 gerissen. Das Dampf-Wassergemisch tritt durch die Turbinenleitschaufeln ähnlichen Öffnungen 20, die dem Strom eine kreisende Bewegung erteilen, in,den Raum 21, wo sich der Dampf ausscheidet und in das ebenfalls als Fliehkraftabscheider ausgebildete Gefäss 22 übertritt. Das nicht verdampfte und das bei 23 frisch zugeführte Wasser fliesst durch Rohr 24 zur Umwälzpumpe zurück. Der Dampf geht dagegen über Überhitzen 25 zur Verbrauchsstelle.
Die Arbeitsleistung der Gasturbine wird allein für Hilfszwecke, das heisst im wesent lichen für die Verdichtung der Brennluft verwendet. Es ist 26 der Verdichter. Durch Rohr 27 gelangt die verdichtete Luft zum Brenner 28. Das durch die Arbeitsleistung in,der Gasturbine verbrauchte und daher für die Dampferzeugung fehlende Wärmegefälle wird dem Wärmekreislauf durch die Luft in Form von Verdichtungswärme nahezu voll ständig wieder zugeführt. Voraussetzung ist allerdings, ' dass im Verdichtungsvorgang keine Wärmeabfuhr, zum Beispiel keine Küh lung, stattfindet.
Es soll daher die Kühlung vermieden und aus diesem Grunde die Ver dichtung nur so hoch getrieben werden, dass die Kühlung entbehrt werden kann.
Die Anordnung der einzelnen Teile kann natürlich auch in anderer Weise erfolgen. So können zum Beispiel die Heizrohre auch in Verdampfergefässen, die von der Brenn- kammer getrennt sind, verlegt werden.
Das Wesen der Erfindung wird dadurch nicht berührt, das darin besteht, dass die Gastur bine, die nur Hilfsarbeit für den Dampf erzeuger liefert, weder am Anfang noch am Ende des nutzbaren Heizgastemperaturberei- ches gelegen ist und ein Druckgefälle ver arbeitet, das kleiner ist als das Druckgefälle des Verdichters, zum Zwecke, hohe Strö mungsgeschwindigkeiten in den Heizrohren zu erhalten.
Steam generator with pressure firing. The present invention relates to steam generators for generating pure steam for various purposes and of any pressure, at which the fuel is burned under a pressure which exceeds atmospheric pressure, constant pressure. The pressure increase of the fuel-air mixture required for this is done by a compressor that drives a gas turbine.
The steam generators, in which the compressor and gas turbine are an important part of the system, represent a borderline case for the gas turbines in general, in that more heat is extracted from the combustion gases for the purpose of steam generation than is necessary to lower the propellant gas temperatures and to cool the gas Walls (for reasons of strength) - is necessary, so that ultimately only as much heat gradient remains for energy generation in the gas turbine as the gas turbine needs to drive the compressor, for example. The purpose of the plant is the generation of steam, which is used to operate steam turbines, and not the generation of usable energy by a gas turbine.
In the previously proposed steam generators of the type described, one kept so far, however, closely to the conditions as they are given for a gas turbine system. For example, very high compression pressures were chosen or, conversely, they were tempted by the example of charging internal combustion engines and suggested that the gas turbine be designed as a pure exhaust gas turbine with a small pressure drop and placed at the end of the irritant gas flow. In any case, the aim is to make the pressure drop utilized in the turbine as equal as possible to the pressure generated in the compressor, i.e. avoid any major pressure drop in the actual steam generator.
The steam generator then differed from an ordinary oil- or gas-fired steam generator only in that the higher combustion pressure resulted in a different design of the combustion chamber and the fire gas flues and the increased pressure also made it possible to reduce the heating surface to a certain extent. The advantages achieved by increasing the pressure remained small and hardly outweighed the disadvantages and additional costs associated with the increase in pressure in the combustion chamber and the auxiliary machines required for this. The pressure-fired steam generator with gas turbine was therefore not used in any practical way.
However, the pressure-fired steam generators may gain greater importance if, in addition to the advantages that can be achieved from the reduction in the heating surfaces due to the higher density of the heating gases, the advantages that result from the pressure difference between Combustion chamber and outside air to generate very high flow rates of the heating gases and thus to an even greater increase in heat transfer and reduction of the heating gas cross-sections and the heating surfaces.
It has already been proposed to generate high heating gas velocities by creating high pressures by deflagrating suitable fuel-air mixtures in combustion chambers that can be closed by valves and then allowing the high-tension gases to flow off through the heating pipes used as heating surfaces;
or one. has kept the fuel-air mixture in the combustion chamber at a constant higher pressure by means of a compressor and has continuously driven it through the heating pipes at a speed that came close to or reached the speed of sound. In the case of the first type of steam generator ("deflagration" steam generator), an exhaust gas turbine has also been proposed to drive a supercharger, which is fed by the cooled, but sometimes still high-tension heating gases.
On the other hand, with the second type, the "constant pressure" steam generator, it is impossible to operate a gas turbine with cooled heating gases, since here the pressure drop is provided by the fan alone, so the pressure drop available in the gas turbine is itself significantly lower when the pressure to be produced in the compressor rose and, moreover, the hot gases consume a significant pressure gradient if they are to flow through the heating pipes at an approximate speed of sound.
The present invention relates to a steam generator with pressure firing in the manner of the above-mentioned "constant pressure steam generator", in which, however, the use of the gas turbine is to be made possible in that, on the one hand, high heating gas speeds are selected (about 200 m / sec.) , but these remain a little below the speed of sound and, on the other hand, the gas turbine is switched into the heating gas flow in such a way that the pressure ratio of the expansion in the gas turbine is smaller, at most 0.8 times as great the pressure ratio of the compression in the compressor.
This ratio is made possible, for example, if the gas turbine is provided in a temperature zone neither too close to the beginning nor too close to the end of the heat utilization range of the flue gases, that the temperature gradient of the flue gases in the gas turbine is at least at least smaller despite the smaller pressure difference to be processed the increase in temperature of the air during compression becomes the same. This leaves a certain pressure gradient in front of the gas turbine as well as after the gas turbine, which, combined with the high temperature, gives the hot gases high speeds (around 200 m / sec.).
In this case, practical use is made of the fact that the pipe resistance of the pipes is further reduced by the fact that the heat extraction brings about a reduction in speed, which can result in a recompression of the hot gases. The remaining high flow velocity is expediently converted back into pressure in a diffuser attached to each of the heating pipes. High speeds can therefore be maintained with relatively small pressure differences, so that the dimensions. the heating surfaces and the flue gas passages become surprisingly small.
Since the reduction in all dimensions also reduces the water masses and, furthermore, by regulating the compressor for the combustion air and the fuel to be fed, the fire control can be controlled immediately and briefly, the steam generator can do without a collector.
The figure shows schematically the section through a steam generator according to the invention. 1 is the combustion chamber in which the controllable compressed air entering at 2 and the controllable fuel supplied at 3, for example gas, oil or coal dust, are burned. The cylindrical part of the chamber is closely occupied on the wall with pipe ren 4 in order to keep the radiation heat from the pressure-resistant cylinder wall 5. The water to be evaporated flows through these pipes. For this purpose, the water is pressed into the conical lower part 7 with a circulating pump (not visible) at 6 and is evenly distributed over the individual pipes.
The hot combustion gases initially give off part of their heat to the tubes 4 through radiation and contact. A little cooled, they then enter the heating pipes 9 through a nozzle-shaped opening at 8.
These heating pipes are arranged within the What serrohre 4 and end with a diffuser-like extension 10, in the Sam melrohr 11, which is ver with the gas turbine 12 connected. The guide device of the gas turbine is dimensioned in such a way that the pressure set in front of the turbine is several meters lower than the pressure in the combustion chamber. This difference in pressure gives the hot gases, which are at high temperatures in front of the nozzles 8, such a high flow rate that even relatively short pipes are sufficient to generate most of the steam on them and to cool the gases as far as is necessary for operation in the gas turbine.
The level of this tempera ture is determined on the one hand by the performance that the gas turbine has to produce to drive the compressor, on the other hand by the strength properties of the blade material used. The expansion of the gases in the gas turbine, however, does not go up to the atmospheric counter pressure, but only up to the counter pressure which is sufficient to give the exhaust gases a high flow velocity.
It ver leave the gases so at 13 the gas turbine with overpressure, get into the manifold 14 and flow through the heating pipes 15, which are also laid in the water pipes, at high speed to then tre through the diffusers 16 into the manifold 17, from where they pass through Connection pipe 18 ent neither directly into the open, or into a water or air preheater.
The forming steam is torn into space 19 by the flow of the circulating water. The steam-water mixture passes through openings 20, similar to turbine guide vanes, which give the flow a circular motion, into space 21, where the steam separates and passes into vessel 22, which is also designed as a centrifugal separator. The water that has not evaporated and the water freshly fed in at 23 flows back through pipe 24 to the circulation pump. The steam, on the other hand, goes to the point of consumption via overheating.
The work done by the gas turbine is used solely for auxiliary purposes, that is, essentially for compressing the combustion air. It's 26 the compressor. The compressed air passes through pipe 27 to burner 28. The heat gradient consumed by the work in the gas turbine and therefore missing for steam generation is almost completely returned to the heat cycle through the air in the form of heat of compression. A prerequisite, however, is that no heat dissipation, for example no cooling, takes place in the compression process.
It should therefore avoid cooling and for this reason the compression should only be driven so high that the cooling can be dispensed with.
The arrangement of the individual parts can of course also take place in other ways. For example, the heating pipes can also be laid in evaporator vessels that are separate from the combustion chamber.
The essence of the invention is not affected by the fact that the gas turbine, which only supplies auxiliary work for the steam generator, is located neither at the beginning nor at the end of the usable Heizgas Temperaturbereich and processes a pressure gradient that is smaller than the pressure drop of the compressor, for the purpose of obtaining high flow velocities in the heating pipes.