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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kompressor für Luft oder
für jedes
andere Gas mit geringem Selbstkostenpreis, dessen Hauptenergie,
die in dem Kompressionszyklus verwendet wird, keine mechanische
oder elektrische Energie wie in den meisten Kompressoren ist, sondern
direkt Wärmeenergie; dieser
Kompressor weist keinen anderen beweglichen Teil, der einem Verschleiß unterliegt,
auf, und die Energieverluste aufgrund von Reibungen sowie der Wärmeüberschuss
der kalten Quelle des Zyklus können
zurückgewonnen
werden, um in dem Kompressionszyklus wieder verwendet zu werden
oder um Dampf unter Druck zu erzeugen, der, mit dem komprimierten
Gas gemischt, dessen Durchsatz erhöht.
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Diese
Vorrichtung wird beim Komprimieren oder beim Herstellen von teilweisem
Vakuum oder jedem Industriegas angewandt, aber ihr Wärmezyklus bedingt,
dass sie insbesondere für
das Herstellen von Wärmeenergiekraftwerken
mit hoher Leistung bestimmt ist, für die Herstellung von Energiesparsystemen,
wie zum Beispiel dem mechanischen Neukomprimieren von Dampf oder
für die
Rückgewinnung
und Rückumwandlung
von Restwärmeenergie.
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Gemäß dem derzeitigen
Stand der Technik bestehen die Kompressoren aus Vorrichtungen, in welchen
die Kompressionsenergie des Gases in Form von mechanischer Energie
geliefert wird: Verdrängerverdichter,
Turboverdichter oder Axialverdichter usw. oder in Form potenzieller
Energie oder kinetischer Energie eines anderen Antriebsgases, was
wieder eine Form mechanischer Energie ist: Ejektoren.
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Ferner
gibt es Vorrichtungen des Typs „Ejektoren", bei welchen die mechanische Kompressionsenergie
als Ursprung die kinetische Energie eines Antriebsgases oder einer
Antriebsflüssigkeit
hat, was der Fall in den Patenten Nr.
BE
537 693 ,
GB 928 661 und
EP 0514 914 ist, oder auch
in einer Vorrichtung, die nur Gasgemische ohne Gegenwart von Flüssigkeit
betrifft, wie das der Fall des Patents Nr.
US 3 915 222 ist. Die Betriebskonzepte
selbst dieser Vorrichtungen unterscheiden sich stark vom Gegenstand des
vorliegenden Patents, bei dem die Kompressionsenergie weder die
mechanische noch die kinetische Energie eines Antriebsfluids ist,
sondern nur Wärmeenergie
mit unerlässlichem
Mischen des zu komprimierenden Gases mit Flüssigkeit, deren Verdampfen
es erlaubt, die Wärme
zu absorbieren und an der kalten Quelle des Zyklus abzuleiten.
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Die
Kompressoren, die dem Stand der Technik entsprechen, erfordern eine
umfassende Instandhaltung aufgrund der mechanischen Reibungen und daraus
hervorgehenden Abnutzungen, und sie weisen geringe Energieleistungen
auf, ja sogar sehr geringe bei Ejektoren, die im Wesentlichen auf
Folgendes zurückzuführen sind:
- – auf
die mehrfachen Umwandlungen von Energie in den verwendeten Ausstattungen:
Verbrennungsmotoren oder Turbinen zum Umwandeln der Wärmeenergie
in mechanische oder elektrische Energie, eventuell Wechselstromgeneratoren
und Elektromotoren zum Wiederumwandeln der elektrischen Energie
in mechanische Energie, schließlich
Kompressoren zum Übermitteln
der mechanischen Energie an das zu komprimierende Gas,
- – auf
die relativ niedrigen Temperaturen, die bei der ersten Umwandlung
der Wärmeenergie
in mechanische Energie in den Elektrizitätswerken verwendet werden,
- – auf
das Erhitzen des zu komprimierenden Gases bei seinem Komprimieren,
was es unweigerlich von einer adiabatischen Kompression entfernt,
- – auf
die mechanischen Reibungen und Bewegungsenergieverluste des zu komprimierenden Gases,
- – auf
das Nichtzurückgewinnen
im gesamten Zyklus der Wärmeenergien,
die aus dem Komprimieren, den Reibungsverlusten und der kalten Quelle
des Motors oder der Turbine hervorgehen,
- – auf
die mechanischen Abnutzungen,
- – auf
die Ablagerungen und Verschmutzungen auf den Luftkompressoren: Sogar
häufiges
Waschen der Kompressoren der Gasturbinen kann die Auswirkung dieser
Verschmutzungen nicht mindern.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung,
die weder mechanische noch Bewegungsenergie zum Antreiben verwendet,
sondern nur Wärmeenergie
zum Komprimieren des Gases, erlaubt es, den meisten dieser Nachteile
durch den Gebrauch eines unterschiedlichen Zyklus abzuhelfen, der
darin besteht, das zu komprimierende Gas vorzubereiten und ihm direkt
Wärmeenergie
zuzuführen,
dieses Letztere mit einer Schall- oder Überschallgeschwindigkeit
durch Entspannungsdüsen
zu entspannen, eine Hochgeschwindigkeitswärmeentnahme und daher bei niedriger
Temperatur durch Zerstäuben
und kontrolliertes Verdampfen von Flüssigkeit, die in einer Entspannungs-Kühlsprühdüse verteilt
wird, durchzuführen, wobei
es die Sprühdüse erlaubt,
eine hohe Geschwindigkeit beizubehalten, und dieses Gas schließlich wieder
in einer Sprühdüse zur adiabatischen
Kompression zu komprimieren, um seine Geschwindigkeit auf einen
normalen Strömungswert
zurückzubringen;
die Entspannungssprühdüsen, Entspannungs-/Kühlsprühdüsen und
Sprühdüse zur adiabatischen
Kompression können
mit einem System mit variabler Geometrie ausgestattet werden, das
es erlaubt, die Querschnitte ihrer Eingangs- und/oder Ausgangshälse anzupassen,
um unter anderem den Durchsatz und die Kompressionsrate der Vorrichtung einzustellen.
Die Entnahme von Wärme
bei niedriger Temperatur verursacht einen beträchtlichen Entropieabfall in
dem zu komprimierenden Gas, was zu einem Druck am Ausgang der Vorrichtung
führt,
der viel höher
ist als der Eingangsdruck.
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Bei
dieser Vorrichtung werden die Energieverluste, die auf die Lastverluste
des zu komprimierenden Gases sowie auf die Wärmeverluste über die Wände der
Vorrichtung zurückzuführen sind,
in Form von Wärme
wieder in das zu komprimierende Gas eingeführt, und verringern daher um
ebensoviel die ursprüngliche
Wärmezufuhr.
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Ebenso
wird die überschüssige Wärme der kalten
Quelle durch das Verdampfen der zerstäubten Flüssigkeit abgeleitet, was den
Durchsatz an komprimiertem Gas am Ausgang der Vorrichtung um ebenso
viel erhöht;
diese Erhöhung
des Durchsatzes, die am Ausgang der Vorrichtung durch Kondensation
eliminiert werden kann, ist für
bestimmte Anwendungen der Vorrichtungen von Nutzen, und insbesondere
für das
Herstellen von Wärmekraftwerken,
in welchen sie sehr vorteilhaft die Dampfgeneratoren in den Dampfwerken
und insbesondere in den Werken mit kombinierten Zyklen ersetzt.
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Die
vorliegende Erfindung hat daher eine Vorrichtung gemäß den Bestimmungen
der unabhängigen
Ansprüche
1, 3 und 4 zur Aufgabe. Die Erfindung zielt insbesondere auf die
charakteristischen Punkte und Ausführungsformen ab, die in den
abhängigen
Ansprüchen
2 und 5 bis 10 beschrieben und beansprucht sind.
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Die
Stoß-
oder Kompressionswellen, die sich eventuell in dem Überschallteil
des Stroms entwickeln können,
können
eliminiert oder zu der Ausgangsöffnung
der Vorrichtung verlagert werden, wie das in den unten stehenden
Varianten ausführlich
beschrieben ist.
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BASISVERSION 1
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Gemäß ihrem
einfachsten Konzept, das wir Basisversion 1 nennen, die auf 1 dargestellt
ist, verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Unterschall- oder Schallgeschwindigkeitsströmen; sie weist eine Ansaugleitung
auf, die zur Vorbehandlung und zum Erwärmen des zu komprimierenden Gases
ausgestattet ist, eine optionale Einlasskammer C, die dazu bestimmt
ist, den Gasstrom zu beruhigen, bevor er in einen Entspannungsteil
C1 eingelassen wird, der des erlaubt, seine Geschwindigkeit bis
zu eventuell der Schallgeschwindigkeit zu erhöhen, eine Übergangszone N, eine konvergierende Sprühdüse zum Entspannen/Kühlen C2,
ein Kühlsystem
R, das aus einer Einheit von Düsen
zum Zerstäuben
von Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit) besteht, deren Durchsatz
und/oder Position ausgehend von außerhalb der Vorrichtung her
einstellbar sind, und die entlang der Zonen N und C2 verteilt und
dazu bestimmt sind, die Hitze des zu komprimierenden Gases durch
Verdampfen der eingespritzten Flüssigkeit
zu extrahieren, und schließlich
ein divergierendes Element zur adiabatischen Kompression D, die dazu
bestimmt ist, das Gas zu komprimieren, indem seine Geschwindigkeit
bis auf eine normale Strömungsgeschwindigkeit
in der Größenordnung
von 10 bis 50 m/s vor seinem Einlassen in eine Kompressorvorkammer
T und seinem Fördern
in einer Evakuierungsleitung verringert wird.
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Die Übergangszone
N stellt eine ununterbrochene Verbindung zwischen den Enden C1 und
C2 mit einer Mantellinie mit monotonem Gefälle und ohne Abwinkelung sicher.
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Die
Ansaugung ist mit Elementen ausgestattet, die es erlauben, das zu
komprimierende Gas zu erwärmen,
wie zum Beispiel: Wärmeaustauscher
E1, E2, ..., En, die direkt oder mit Hilfe eines Zwischenfluids
die Restwärme
verwenden, die in dem komprimierten Gas am Ausgang der Vorrichtung
enthalten ist, oder jede andere Wärmequelle, die anderswo verfügbar ist,
Brenner B, der mit Kraftstoff versorgt wird, Entspannungsturbine
TB; diese Elemente sind dazu bestimmt, das zu komprimierende Gas
zu erhitzen, wenn seine Temperatur am Eingang der Vorrichtung nicht
ausreichend hoch ist; je nach dem Bedarf, für welchen das zu komprimierende
Gas bestimmt ist, kann die Ansaugung mit zusätzlichen Elementen ausgestattet
werden, wie zum Beispiel: Ansaugfilter F, Schalldämmer S,
Primärkompressor
CP zum Inbetriebsetzen der Vorrichtung.
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Ebenso
und je nach Einsatzkontext der Vorrichtung kann die Evakuierungsleitung
mit folgenden Elementen ausgestattet sein: Heißgasrecyclingsysteme, Wärmeaustauscher
E'1, E'2, ..., E'n, die das Rückgewinnen
der Restwärme
erlauben, die in dem komprimierten Gas der Vorrichtung enthalten
ist, Schalldämmer
S'; diese Ausstattungen
können
auch nur mit einem Teil des komprimierten Gases versorgt werden
und können
stromabwärts
eines Brenners oder einer Turbine installiert werden, wenn die Vorrichtung
zu einem Erzeugen mechanischer oder elektrischer Energie bestimmt
ist.
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Das
Erwärmen
des Gases stromaufwärts von
C erlaubt es, es zu überhitzen,
um seine Temperatur von der Sättigungstemperatur
mit der zerstäubten
Flüssigkeit
zu entfernen; je nach angestrebter Kompressionsrate und der angestrebten
Leistung, kann sich die Überhitzungstemperatur
von 100°C
bis über
1500°C erstrecken.
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Bei
seinem Fließen
in der konvergierenden Entspannungs-/Kühlsprühdüse C2 wird
das Gas ständig
entspannt und in der konvergierenden Sprühdüse beschleunigt und gleichzeitig
durch das Verdampfen der zerstäubten
Flüssigkeit
abgekühlt,
was sein Zusammenziehen im Schall- oder Unterschallbereich verursacht
und daher einen Geschwindigkeitsabfall mit Abfallen der Entropie
und Druckerhöhung,
was die Tendenz zur Geschwindigkeitssteigerung aufgrund der konvergierenden
Sprühdüse mindert
oder eliminiert: Die Verteilung der Zerstäubung und des Verdampfens entlang
der neutralen Zone N und der Sprühdüse C2 erlaubt
es, das Gleichgewicht zwischen den Steigerungs- und Verringerungstendenzen
der Geschwindigkeit herzustellen und daher eine Wärmeentnahme
durchzuführen
und gleichzeitig eine optimale Schall- oder Unterschallgeschwindigkeit
entlang der ganzen Achse von C2 beizubehalten.
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Dazu
erlaubt es das Kühlsystem
R, die Verteilung der Kühlung
entlang der Achse von C2 durch jedes Mittel einzustellen, das das
Einstellen des Durchsatzes und der Position jeder Düse gestattet; eine
Ausführungsform,
die auf 1.1 dargestellt ist, zeigt Düsen, die
in den radialen Rippen angeordnet sind, die entlang der Achse 02
verteilt sind, mit der Möglichkeit,
manuell oder automatisch von außen her
den in jede Düsenreihe
mit Hilfe externer Schieber eingespritzten Flüssigkeitsdurchsatz einzustellen;
eine zweite bevorzugte Ausführungsform,
die auf 1.2 dargestellt ist, zeigt Sprühdüsen, die
entlang der Achse der Vorrichtung in den Zonen N und C2 verteilt
und am Ende konzentrischer axial gleitender Röhren angeordnet sind; die Röhren werden
von Gewindelagern am Ende der Einlasskammer getragen, wobei es diese
Gewinde erlauben, manuell oder automatisch von außen her
die Position jeder Zerstäubungsdüse einzustellen;
externe Schieber erlauben das Einstellen des Durchsatzes jeder Düse.
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Natürlich kann
die Vorrichtung mit einer einzigen Zerstäubungsdüse konzipiert werden, sie weist dann
aber eine verschlechterte Leistung auf.
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Um
die Länge
der Zone C2 und daher die Lastverluste des zu komprimierenden Gases
durch die Vorrichtung hindurch zu verringern, sind die ausgewählten Zerstäubungsdüsen vorzugsweise
Düsen mit
hoher Einspritzgeschwindigkeit und minimalen Tröpfchengrößen, wie zum Beispiel Hochdruckdüsen mit
Unterstützung
mit Druckluft oder Dampf und eventuell mit Ultraschall oder mit
Mikrowellen.
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Bei
Gastemperaturen am Eingang von C, die kleiner sind als 300°C, können die
Teile C, C1, N, C2, D und T aus kohlenstoffhaltigem Stahl, nicht
rostendem Stahl oder jedem anderen Werkstoff hergestellt werden,
der mit dem zu komprimierenden Gas vereinbar ist und eine gute mechanische
Festigkeit und gute Scheuerfestgkeit bei 300°C aufweist; bei Gastemperaturen
am Eingang von C, die größer sind
als 300°C,
können
diese Teile zum Beispiel aus Kohlenstoffstahl hergestellt werden,
der innen mit Wärmedämmung oder
feuerfestem Material beschichtet ist, aus Kohlenstoffstahl oder
nicht rostendem Stahl mit Doppelmantel, der mit Wasser oder dem
zu komprimierenden Gas gekühlt
wird, aus Keramik oder jedem anderen Werkstoff, der gute mechanische
Festigkeit und eine gute Scheuerfestigkeit bei hohen Temperaturen
aufweist.
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Als
Ausführungsbeispiel
erlaubt es die Vorrichtung gemäß 1,
nahezu 30.000 Nm3/Stunde Luft von 1 bar
A auf 2,5 bar A ausgehend von den folgenden Elementen zu komprimieren:
- – Eine
Luftansaugleitung mit Innendurchmesser 0,6 m aus Kohlenstoffstahl
mit einem Starthauptkompressor, der einen Überdruck von 100 mbar entwickeln
kann, und einem Brenner, der mit Erdgas funktioniert, mit Innenbeschichtung
der Ansaugleitung mit feuerfestem Beton auf der Ebene des Brenners
und stromabwärts;
der Brenner erlaubt es, die Luft auf eine Temperatur von etwa 1200°C aufzuwärmen.
- – Eine
zylindrische Einlasskammer C mit Länge 1,5 m und Durchmesser von
etwa 1,2 m
- – Eine
zylindrische konvergierende Sprühdüse C1 mit Länge 0,6
m und Ausgangsdurchmesser 0,6 m
- – Eine
zylindrische Übergangszone
N mit Durchmesser 0,6 m und Länge
0,3 m Eine Sprühdüse C2 mit
Eingangsdurchmesser 0,6 m, Ausgangsdurchmesser von etwa 0,35 m und
Gesamtlänge von
etwa 1 m
- – Eine
divergierende Düse
D mit Eingangsdurchmesser 0,35 m und Länge 0,3 m
- – Eine
Kompressorvorkammer T mit Durchmesser 0,6 m und Länge 0,7
m
- – Einen
Wärmeaustauscher
zwischen komprimierter Luft am Ausgang von T und der Luft an der Ansaugung.
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Die
Einlasskammer C besteht aus Kohlenstoffstahl, der innen mit feuerfestem
Beton beschichtet ist, während
C1, N, C2, D und T aus Kohlenstoffstahl mit Doppelmantel, gekühlt durch
Zirkulation der zu komprimierenden Luft vor ihrem Eintreten in die Luftansaugung
gekühlt
wird; die Zerstäubungsdüsen, die
installiert sind auf und versorgt werden von einem System konzentrischer
gleitender Röhren
aus Kohlenstoffstahl mit Außendurchmesser
60 mm, die die Einlasskammer durchqueren, werden in 02 verteilt und
erlauben das Einspritzen von etwa 4,7 kg/Sekunde Wasser mit 200
m/Sekunde mit mittlerer Tröpfchengröße von etwa
10 μm.
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VARIANTE 2
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Eine
Variante 2, die ein Strömen
mit Schall- oder Unterschallgeschwindigkeit betrifft, die auf den 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 dargestellt
ist, erlaubt das Einstellen des Durchsatzes des zu komprimierenden
Gases, der Kompressionsrate und der Energieleistung der Vorrichtung.
Bei dieser Variante werden die Entspannungs- /Kühlsprühdüse C2 und das
divergierende Element zur adiabatischen Kompression D der Basisversion
1 durch eine konvergierende Sprühdüse und eine
divergierende Sprühdüse mit jeweils
variabler Geometrie ersetzt, was es erlaubt, den Ausgangsquerschnitt
von C2 und den Eingangsquerschnitt von D anzupassen und daher den Querschnitt
des Halses zwischen C2 und D; das System mit variabler Geometrie,
das von außerhalb
der Vorrichtung her gesteuert wird, erzielt man durch jeden Mechanismus,
der es erlaubt, den Durchgangsquerschnitt des Halses der Vorrichtung
zu modifizieren, wie zum Beispiel durch den Einsatz verformbarer Wände auf
den Sprühdüsen C2 und
D, wie in dem Beispiel der 2.1 dargestellt,
oder durch das Hinzufügen
eines Profilkerns K oder K1, der axial in den Zonen N, C2 und D
gleiten kann und auf einer Welle befestigt ist, die ein Ende oder
beide Enden der Vorrichtung durchquert und es erlaubt, die Position
des Kerns von außen
her wie in den Beispielen der 2.2, 2.3 und 2.4 einzustellen.
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Das
Beispiel der 2.1 betrifft eine Sprühdüse mit kreisförmigem Querschnitt
mit verformbaren Wänden;
die Zone C2 und die Zone D bestehen aus biegsamen Stahlklingen,
die sich überlagern
und regelmäßig auf
den Mantellinien der Vorrichtung angeordnet sind, und ihre Enden
werden auf die Ränder der, Übergangszone
N und der Kompressorvorkammer geschweißt; kreisförmige Spannschellen oder jedes
andere System, wie zum Beispiel Zylinder usw. erlauben es, den zentralen
Querschnitt der Vorrichtung zu modifizieren, der daher den Hals
der Zonen C2 und D bildet.
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Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind mit denen, die für die Basisversion
1 beschrieben wurden, identisch. Das Ausführungsbeispiel, das auf 2.1 dargestellt ist, weist die gleichen Leistungen wie
das vorhergehende Beispiel, das die Basisversion 1 betrifft, auf,
mit der Möglichkeit,
den Durchsatz und die Kompressionsrate des zu komprimierenden Gases
zu ändern.
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Das
Beispiel der 2.2 betrifft eine Sprühdüse mit rechteckigem
Querschnitt; es ist mit einem einstellbaren System versehen, das
aus einem Kern K besteht, der axial in den Zonen N, C2 und D gleiten kann,
und dessen Achse auf einer Welle befestigt ist, die ein Ende oder
beide Enden der Vorrichtung durchquert; die axiale Position des
Kerns K kann manuell oder automatisch von außen her durch ein Gewinde,
das auf einem Lager angeordnet ist, durch einen externen Zylinder
oder jedes andere externe System, eingestellt werden.
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Die
Zerstäubungsdüsen sind
in den Zonen N und C2 verteilt.
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Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind mit denen, die in der Basisversion
1 beschrieben wurden, identisch.
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Der
Kern K ist ein Teil mit rechteckigem Querschnitt, von dem zwei Seiten
parallel entgegen gesetzt zu der Achse neben den Seiten der Sprühdüse liegen;
die zwei anderen Seiten des Kerns haben ein aerodynamisches Profil,
das es erlaubt, die Lastverluste des zu komprimierenden Gases zu
minimieren; jeder von ihnen besteht aus einem stromaufwärtigen Teil
K' mit konstantem
oder in die Strömungsrichtung
des Gases zunehmendem Querschnitt, einem stromabwärtigen Teil
K''' mit in die Strömungsrichtung des Gases abnehmendem
Querschnitt, und einem Zwischenteil K'',
dessen ununterbrochenes winkelloses Profil die Verbindung zwischen
der Mantellinie von K' und
der von K''' sicherstellt.
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Die
Teile K''' des Kerns K gleiten in dem Hals zwischen
der Entspannungs-/Kühlsprühdüse C2 und dem
divergierenden Teil zur adiabatischen Entspannung D.
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Je
nach der für
die Vorrichtung angestrebten Anwendung und je nach den Temperaturen
des zu komprimierenden Gases am Eingang der Einlasskammer C, kann
der Kern K aus Kohlenstoffstahl für Temperaturen unter 300°C, aus nicht
rostendem Stahl, Stahl mit Kühlung
durch interne Zirkulation von Kühlmittel,
aus Keramik oder jedem anderen Werkstoff hergestellt werden, der
eine gute Scheuerfestigkeit bei den Umsetzungstemperaturen aufweist.
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Das
Beispiel der 2.3 betrifft eine Vorrichtung
mit kreisförmigem
Querschnitt; es ist mit einem einstellbaren System bestehend aus
einem Kern K, der axial in den Zonen N, C2 und D gleitet, ausgestattet,
wobei der Kern auf einer Welle befestigt ist, die ein Ende oder
beide Enden der Vorrichtung durchquert; die axiale Position des
Kerns K kann manuell oder automatisch von außen her durch ein Gewinde, das
auf einem Lager angeordnet ist, durch einen externen Zylinder oder
durch jedes andere externe System eingestellt werden.
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Die
Zerstäubungsdüsen sind
in den Zonen N und C2 verteilt.
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Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind identisch mit den in der Basisversion
1 beschriebenen.
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Der
Kern K ist ein Teil mit voller Rotation, dessen aerodynamisches
Profil es erlaubt, die Lastverluste des zu komprimierenden Gases
zu minimieren; er besteht aus einem stromaufwärtigen Teil K' mit konstantem oder
in die Strömungsrichtung
des Gases zunehmendem Querschnitt, einem stromabwärtigen Teil
K''' mit in die Strömungsrichtung des Gases abnehmendem
Querschnitt, und einem Zwischenteil K'',
dessen ununterbrochene Mantellinie (ohne Winkel) die Verbindung
zwischen der Mantellinie von K' und
der von K''' sicherstellt.
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Der
Teil K''' des Kerns K gleitet in dem Hals zwischen
der Entspannungs-/Kühlsprühdüse C2 und dem
divergierenden Element zur adiabatischen Entspannung D.
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Je
nach der für
die Vorrichtung angestrebten Anwendung und den Temperaturen des
zu komprimierenden Gases am Eingang der Einlasskammer C, kann der
Kern K aus Kohlenstoffstahl für
Temperaturen unter 300°C,
aus nicht rostendem Stahl, aus Stahl mit interner Kühlung durch
Zirkulation von Kühlmittel,
aus Keramik oder aus jedem anderen Werkstoff hergestellt werden,
der eine gute Scheuerfestigkeit und Beständigkeit bei den Umsetzungstemperaturen
aufweist.
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Das
auf 2.3 dargestellte Ausführungsbeispiel
zeigt eine durchgehende Welle K, die von einem Lager getragen wird,
das in der Einlasskammer platziert ist, und von einem zweiten Lager
am Ende der Kompressorvorkammer T, wobei dieses Letztere ein Einstellgewinde
der Position des Kerns und der Zerstäubungsdüsen aufweist.
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Bei
dem Strömen
des zu komprimierenden Gases in dem konvergierenden Entspannungs-/Kühlteil C2
bildet der Freiraum zwischen K''' und C2 eine konvergierende Sprühdüse, die
die gleiche Aufgabe sicherstellt wie die konvergierende Kompressions-/Kühlsprühdüse C2, die
in der Variante 1 beschrieben wurde; der Hals, das heißt der minimale
Durchgangsquerschnitt dieser konvergierenden Sprühdüse, befindet sich leicht stromaufwärts des Ausgangshalses
von C2, und sein Querschnitt Ss kann jederzeit von außen her
durch Einstellen der axialen Position des Kerns K geändert werden.
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Diese
Einstellung des Querschnitts Ss am Hals erlaubt es begleitet von
einem Anpassen des Durchsatzes der zerstäubten Flüssigkeit, den Durchsatz des
zu komprimierenden Fluids zu ändern
oder auch die Kompressionsrate und die Energieleistung der Vorrichtung
durch Ändern
der Erwärmungstemperatur
des Gases am Eingang der Einlasskammer zu ändern.
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Das
auf 2.3 dargestellte Ausführungsbeispiel
weist die gleichen Leistungen auf wie das vorhergehende Beispiel,
das den Basisfall 1 betrifft, mit den folgenden Änderungen, die es erlauben,
den Durchsatz und die Kompressionsrate des zu komprimierenden Gases
anzupassen:
- – der Durchmesser der Übergangszone
N wird 0,5 m,
- – der
Eingangs- und der Ausgangsdurchmesser der konvergierenden Entspannungs-/Kühlsprühdüse C2 werden
jeweils zu 0,45 m und 0,22 m,
- – der
Eingangsdurchmesser des divergierenden Elements D wird 0,22 m,
- – Hinzufügen eines
Kerns K aus nicht rostendem Stahl, gekühlt durch interne Zirkulation
von Wasser mit maximalem Durchmesser 0,3 m, Mindestdurchmesser 0,1
m am Ausgang von K''' und Gesamtlänge 1,0 m, mit Positionseinstellgewinde.
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Das
Beispiel der 2.4 betrifft ebenfalls eine
Vorrichtung mit kreisförmigem
Querschnitt; das Prinzip ist identisch mit dem der Variante 2.3,
aber der Kern ist hier stromabwärts
der Vorrichtung installiert.
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Die
Vorrichtung ist mit einem Kern K1 ausgestattet, der axial in den
Zonen N, C2, D und T gleitet, und dessen Achse auf einer Welle befestigt
ist, die ein Ende oder beide Enden der Vorrichtung durchquert; die
axiale Position des Kerns K1 kann manuell oder automatisch von außen her
durch ein Gewinde, das auf einem Lager angeordnet ist, durch einen
externen Zylinder oder jedes andere externe System eingestellt werden.
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Die
Zerstäubungsdüsen sind
in den Zonen N und C2 verteilt.
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Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind mit den in der Basisversion
1 beschriebenen identisch.
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Der
Kern K1 ist ein Teil mit voller Rotation, dessen aerodynamisches
Profil es erlaubt, die Lastverluste des zu komprimierenden Gases
zu minimieren; er besteht aus einem stromaufwärtigen Teil K'1 mit in die Strömungsrichtung
des Gases zunehmendem Querschnitt, einem stromabwärtigen Teil
K'''1 mit konstantem oder in die Strömungsrichtung
des Gases abnehmendem Querschnitt, und einem Zwischenteil K''1, dessen ununterbrochene Mantellinie ohne
Winkel die Verbindung zwischen der Mantellinie von K'1 und der von K'''1
sicherstellt.
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Der
Teil K'1 des Kerns
gleitet in dem Hals zwischen der Entspannungs-/Kühlsprühdüse C2 und dem divergierenden
Element zur adiabatischen Entspannung D.
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Je
nach der für
die Vorrichtung angestrebten Anwendung und den Temperaturen des
zu komprimierenden Gases am Eingang der Einlasskammer C, kann der
Kern K1 aus Kohlenstoffstahl für
Temperaturen unter 300°C,
aus nicht rostendem Stahl, aus durch interne Zirkulation von Kühlmittel
gekühltem Stahl,
aus Keramik oder aus jedem anderen Werkstoff hergestellt werden,
der eine gute Scheuerfestigkeit und Beständigkeit bei den Umsetzungstemperaturen
aufweist.
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Das
auf 2.4 dargestellte Ausführungsbeispiel
zeigt eine den Kern K1 komplett durchquerende Welle, die auf Lagern
ruht, die in der Einlasskammer und in der Kompressorvorkammer platziert sind,
wobei Letzteres ein Positionseinstellgewinde aufweist.
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Bei
dem Strömen
des zu komprimierenden Gases in der Zone C2 bildet der Freiraum
zwischen K1 und der Leitung C2 eine konvergierende Sprühdüse, die
die gleiche Aufgabe sicherstellt wie die konvergierende Kompressions-/Kühlsprühdüse C2, die in
der Basisversion 1 beschrieben ist; der Hals, das heißt der Mindestdurchgangsquerschnitt
stromabwärts
dieser konvergierenden Sprühdüse befindet sich
allgemein stromabwärts
des Ausgangshalses von C2, und sein Querschnitt Ss kann jederzeit
von außen
her durch Justieren der axialen Position des Kerns K1 geändert werden.
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Dieses
Justieren des Querschnitts Ss am Hals erlaubt begleitet von einem
Justieren des Durchsatzes der zerstäubten Flüssigkeit das Ändern des
Durchsatzes des zu komprimierenden Fluids, oder auch das Ändern der
Kompressionsrate und Energieleistung der Vorrichtung durch Ändern der
Erwärmungstemperatur
des Gases am Eingang der Einlasskammer.
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Als
Ausführungsbeispiel
weist die auf 2.4 dargestellte Vorrichtung
die gleichen Leistungen wie das Ausführungsbeispiel in Zusammenhang
mit dem Basisfall 1 auf, mit den folgenden Änderungen, die es erlauben,
den Durchsatz und die Kompressionsrate des zu komprimierenden Gases einzustellen:
- – der
Eingangs- und der Ausgangsdurchmesser der konvergierenden Entspannungs-/Kühlsprühdüse C2 werden
jeweils 0,60 m und 0,36 m,
- – der
Eingangsdurchmesser des divergierenden Elements D wird 0,36 m und
seine Länge
wird 0,5 m,
- – Hinzufügen eines
Kerns K aus nicht rostendem Stahl, gekühlt durch interne Wasserzirkulation
mit maximalem Durchmesser 0,35 m, Mindestdurchmesser 0,07 am Eingang
von K' und am Ausgang von
K''', mit Gesamtlänge 1,0 m, getragen von einer
Welle mit Durchmesser 70 mm, die auf Lagern ruht, die in C und T
installiert sind, mit Einstellgewinde ihrer Position.
- – Das
Zerstäubungsdüsensystem
ist gleich wie das des Ausführungsbeispiels
des Basisfalls 1, aber die gleitenden Röhren sind in der Tragwelle des
Kerns untergebracht.
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VARIANTE 3
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Eine
Variante 3, die ein Überschallströmen in der
Kühlzone
betrifft, ist auf 3 dargestellt; sie erlaubt es,
die Energieleistung der Vorrichtung, wie sie in der Basisversion
1 beschrieben ist, durch Erzielen eines großen Temperaturunterschieds
des Fluids zwischen dem Eintreten in die Einlasskammer C und der
Kühlzone
zu verbessern.
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Die Änderungen
im Vergleich zu der Basisversion 1 betreffen einerseits den Einsatz
des konvergierenden Elements zum Entspannen C1, in dem das zu komprimierende
Fluid systematisch bis zu der Schallgeschwindigkeit entspannt wird,
und andererseits das Ersetzen der Übergangszone N und der Sprühdüse C2 durch
eine divergierende Überschallentspannungssprühdüse D1, gefolgt
von einer Übergangszone
NT, einer konvergierenden Kompressions-/Kühlsprühdüse C3 und
einer konvergierenden Sprühdüse zur adiabatischen
Kompression C4; das Zerstäubungsdüsensystem
R, das gleich ist wie das der Basisversion 1, ist in der Zone C3
installiert und eventuell, wie unten beschrieben, in den Zonen D1 oder
NT.
-
Die Übergangszone
NT stellt eine ununterbrochene Verbindung zwischen den Enden von
D1 und C3 mit einer Mantellinie mit monotonem Gefälle und
ohne Winkel sicher.
-
Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind mit denen in der Basisversion
1 beschriebenen identisch.
-
Das
zu komprimierende Fluid wird stromaufwärts der Zone C bis zu einer
Temperatur erhitzt, die 1000 bis 1500°C weit überschreiten kann, dann entlang
der Zonen C1 und D1, die eine konvergierende/divergierende Überschallentspannungssprühdüse mit Schallgeschwindigkeit
am Hals bilden, bis zu einem Druck Pa und einer Geschwindigkeit
Va und einer Temperatur Ta entspannt und schließlich mit Temperaturanstieg
in der konvergierenden Kompressions-/Kühlsprühdüse C3 komprimiert, wobei gleichzeitig
in der gleichen Sprühdüse C3 Hitze
durch Verdampfen von zerstäubter
Flüssigkeit
entnommen wird; die konvergierende Sprühdüse zur adiabatischen Kompression
C4 erlaubt es, das Fluid vor seinem adiabatischen Unterschallkomprimieren
in dem divergierenden Element zur adiabatischen Kompression D und
seinem Ableiten auf die Schallgeschwindigkeit zurückzubringen.
-
Das
Zerstäubungssystem
besteht aus einer Reihe von Düsen,
deren Positionen und/oder Durchsätze
manuell oder automatisch von außen
her gemäß dem gleichen
Konzept wie bei der Basisversion 1 eingestellt werden können; die
Entnahme von Wärme
durch Verdampfen der zerstäubten
Tröpfchen kann
in der Zone D1 erfolgen, wobei sich der Zyklus daher einem isobaren
Kühlen
nähert,
aber dieser Fall hat nur wenig praktische Bedeutung: wir erwähnen in der
folgenden Beschreibung nur die Entnahme von Wärme, die in den Zonen NT oder
C3 mit einem Zyklus erfolgt, der sich einer isothermen Umwandlung nähert, wobei
die Zerstäubungsdüsen in der
Zone C3 und eventuell durch Vorwegnahme in der Übergangszone NT verteilt sind,
um die zeitliche Verschiebung zwischen der Zerstäubung und der Verdampfung zu
berücksichtigen.
-
Die
theoretische Energieleistung der Vorrichtung ist umso höher als
die Temperatur des zu komprimierenden Gases am Eingang von C hoch
und die Entspannungstemperatur Ta niedrig ist, wobei Letztere jedoch
höher bleibt
als die Sättigungstemperatur Ts
des Gases im Vergleich zur zerstäubten
Flüssigkeit,
denn der Temperaturunterschied DT = Ta – Ts ist für das Verdampfen der zerstäubten Flüssigkeit
am Eingang der Zonen NT und C3 erforderlich; in dem Sonderfall,
in dem Ta kleiner ist als Ts, beginnen die Verdampfung der zerstäubten Flüssigkeit
und daher die Wärmeentnahme
in dem zu komprimierenden Gas erst in C3, wenn unter der Einwirkung
der Kompression- die tatsächliche
Temperatur des Gases seine Sättigungstemperatur überschritten
hat.
-
Die
Verdampfung der zerstäubten
Flüssigkeit
und die Wärmeentnahme
in den Zonen NT und C3 sind umso schneller als die zerstäubten Tröpfchen klein
sind und als der Temperaturunterschied DT = Ta – Ts hoch ist, mit als direkter
Folge eine Verringerung der Länge
von C3 und eine Verringerung des Lastverlustes des zu komprimierenden
Gases durch C3; in der Praxis führen
Tröpfchenmaße in der Größenordnung
von 5 bis 30 μm
und Temperaturunterschiede DT = Ta – Ts in der Größenordnung
von 10°C
bis 100°C
zu Bemessungen der Vorrichtung und Lastverlusten des Gases durch
C3, die ganz und gar akzeptabel sind.
-
Die
Bemessung der Vorrichtung hängt
natürlich
in erster Linie von dem Durchsatz und den Charakteristiken des zu
komprimierenden Gases ab, sowie von dem angestrebten Ausgangsdruck;
da diese Kriterien unveränderlich
sind, ergeben sich die Auswahl der Erwärmungstemperatur des Gases
stromaufwärts
von C, der Entspannungsrate durch C und C2 und der Tröpfchenmaße aus einem
Kompromiss zwischen den auf dem Markt verfügbaren Standardausstattungen:
Zerstäubungsdüsentypen,
Werkstoffe usw., und den Maßen
und dem Preis der Vorrichtung und ihrer Energieleistung.
-
Als
Ausführungsbeispiel
erlaubt es ein Luftkompressor bestehend aus einer Vorrichtung gemäß 3,
nahezu 20.000 Nm3 pro Stunde Luft ausgehend
von den folgenden Elementen von 1 bar A auf 1,5 bar A zu komprimieren:
- – eine
Luftansaugung mit Innendurchmesser 0,47 m aus Kohlenstoffstahl,
innen mit feuerfestem Beton verkleidet, mit einem Starthauptkompressor, der
einen Überdruck
von 500 mbar entwickeln kann, und einem Brenner, der mit Erdgas
funktioniert und es erlaubt, die Luft auf 1000°C zu erhitzen,
- – eine
Einlasskammer C mit Durchmesser 0,97 m und Länge 1, 16 m,
- – eine
konvergierende Unterschallentspannungssprühdüse C1 mit Durchmesser am Hals
von etwa 0,295 m und Länge
0,670 m,
- – eine
divergierende Überschallentspannungssprühdüse D1 mit
Eingangsdurchmesser von etwa 0,295 m mit Ausgangsdurchmesser von etwa
0,388 m und Länge
0,2 m, in der die Luft bis auf 0,1 bar A, etwa 370°C und 1160
m/s entspannt wird,
- – eine
konvergierende Kompressions-/Kühlsprühdüse C3 und
eine konvergierende Sprühdüse zur adiabatischen
Kompression C4 mit Eingangsdurchmesser von etwa 0,388 m, Durchmesser
am Hals von etwa 0,209 m und Länge
1 m,
- – ein
divergierendes Element zur adiabatischen Kompression D mit Eingangsdurchmesser
0,209 m, Ausgangsdurchmesser von etwa 0,7 m und Länge 1 m,
- – eine
Kompressorvorkammer T mit Durchmesser 0,7 m und Länge 0,84
m,
- – ein
Zerstäubungsdüsensystem
mit Ultraschall mit Druckluftunterstützung, das pro Sekunde 1,22 kg
Wasser mit einem Tröpfchendurchmesser
von etwa 5 μm
zerstäuben
kann,
- – ein
Wärmeaustauscher,
der es erlaubt, die Druckluft am Ausgang von T abzukühlen und
die Luft vor ihrem Eintreten in C auf etwa 480°C zu erwärmen.
-
Die
Einlasskammer C wird aus Kohlenstoffstahl, innen mit feuerfestem
Beton beschichtet, hergestellt, während C1, D1, C3, C4, D und
T aus Kohlenstoffstahl mit Doppelmantel gekühlt durch zu komprimierende
Luft vor ihrem Eintritt in die Luftansaugung hergestellt sind; die
Zerstäubungsdüsen mit
Ultraschall, die auf einem System konzentrischer gleitender Röhren installiert
und von ihm versorgt werden, aus Kohlenstoffstahl mit Außendurchmesser
40 mm, die die Einlasskammer durchqueren, sind in C3 verteilt.
-
VARIANTE 4
-
Eine
Variante 4, die ebenfalls ein Überschallströmen betrifft,
ist auf 4 dargestellt; sie geht aus der
Variante 3 hervor und erlaubt es, deren Konzept zu vereinfachen,
indem das System der Zerstäubungsdüsen, die
entlang der Achse der Vorrichtung verteilt sind, durch eine einzige
axiale Düse
oder durch radiale Düsen
ersetzt wird, die am Eingang der Zone C3 oder in der Übergangszone
NT platziert wird oder werden, wobei letztere Anordnung es erlaubt, die
zeitliche Verschiebung zwischen dem Zerstäuben und dem Verdampfen der
eingespritzten Flüssigkeit vorwegzunehmen;
der Durchsatz und die axiale Position dieser Düsen können manuell oder automatisch
von außerhalb
der Vorrichtung her eingestellt werden.
-
Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind identisch mit denen, die für die Variante
3 beschrieben wurden.
-
4 stellt
ein Ausführungsbeispiel
mit einer einzigen Düse
dar, die sich auf der Achse der Vorrichtung befindet, an dem Ende
einer Welle, die die Einlasskammer durchquert und deren Durchsatz
und Position manuell oder automatisch von außen her eingestellt werden
können; 4.1 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit mehreren
axialen Düsen des
gleichen Typs dar, und 4.2 stellt
ein drittes Ausführungsbeispiel
mit Düsen
mit einstellbarem Durchsatz dar, die auf radialen Rippen angeordnet sind.
Das Beispiel der 4, das das praktischste ist, wird
in dem Rest der Beschreibung allein erwähnt.
-
Bei
dieser Variante wird der gesamte Durchsatz an zerstäubtem Fluid
zu Beginn des Wärmeentnahmezyklus
in die Zone NT oder am Eingang von C3 eingespritzt; das zu komprimierende
Gas wird am Eingang von C3 rasch durch das Verdampfen eines Teils
der Tröpfchen
gesättigt,
der Rest der Tröpfchen bleibt
in dem gasförmigen
Strom suspendiert; im Laufe seines Fortschreitens in der Kompressions-/Kühlsprühdüse C3 wird
das Gas unter Anheben seiner Temperatur und Entfernen von dem vorhergehenden Sättigungszustand
komprimiert, was das zusätzliche Zerstäuben von
Tröpfchen
erlaubt; dieses kontinuierliche Gleichgewicht erlaubt es, Wärme aus
dem zu komprimierenden Gases entlang der ganzen Zone C3 oder bis
zum kompletten Verdampfen der eingespritzten Tröpfchen zu extrahieren, und
dies unter Erhalten des zu komprimierenden Gases entlang der ganzen
Achse von C3 in einem Zustand, der seiner Sättigung sehr nahe ist; in jedem
Punkt dieser Achse gleicht sich der Temperaturunterschied DT zwischen der
tatsächlichen
Temperatur des Gases und seiner Sättigungstemperatur auf seinem
Minimum in Abhängigkeit
von den Maßen
der Tröpfchen
und den Wärmeaustauschkoeffizienten
und Gasdiffusionskoeffizienten aus; die Variante 4 erlaubt es daher,
den thermodynamischen Zyklus der Vorrichtung zu optimieren, indem
die kalte Quelle auf der Mindesttemperatur, die mit dem Prozess
kompatibel ist, gehalten wird.
-
Als
Ausführungsbeispiel
weist die auf 4 dargestellte Vorrichtung die
gleichen Elemente und die gleichen Leistungen wie das Ausführungsbeispiel der
Variante 3 auf, mit Ausnahme des Ersetzens des Zerstäubungsdüsensystems
durch eine einzige axiale Düse.
-
VARIANTE 5
-
Eine
Variante 5, die ein Überschallströmen betrifft,
geht aus der Variante 3 oder der Variante 4 hervor und erlaubt es,
den Durchsatz des zu komprimierenden Gases, die Kompressionsrate
und die Energieleistung der Vorrichtung jederzeit einzustellen; bei
dieser Variante werden das konvergierende Element C1 und das divergierende
Element D1 der Varianten 3 und 4 durch eine konvergierende Sprühdüse gefolgt
von einer divergierenden Sprühdüse, beide mit
variabler Geometrie, ersetzt, was es erlaubt, den Querschnitt des
Halses zwischen diesen zwei Sprühdüsen anzupassen;
das System mit variabler Geometrie, das von außerhalb der Vorrichtung her
gesteuert wird, erzielt man durch jeden Mechanismus, der es erlaubt,
den Durchgangsquerschnitt des Halses zwischen C1 und D1 wie die
Mechanismen, die in den folgenden Beispielen beschrieben sind, zu ändern.
-
Bei
dem Beispiel der 5 erzielt man das System mit
variabler Geometrie durch Ersetzen von C1 und D1 durch eine konvergierende
Sprühdüse CG mit
variabler Geometrie, gefolgt von einer optionalen Übergangszone
NT1 und dann von einer divergierenden Sprühdüse DG ebenfalls mit variabler
Geometrie, alle drei mit verformbaren Wänden, um den Querschnitt des
Halses zwischen den zwei Sprühdüsen zu modifizieren;
das System mit verformbarer Wand kann vom gleichen Typ wie der sein,
der in Absatz 2.1 beschrieben und zum Beispiel auf 2.1 dargestellt wurde.
-
In
Abhängigkeit
von den Einsatzbedingungen der Vorrichtung kann die Sprühdüse DG mit
einem System mit variabler Geometrie ausgestattet werden, das es
ihr erlaubt, auch leicht konvergierend zu sein, um die Inbetriebnahme
der Vorrichtung unter Unterschallbedingungen zu erleichtern.
-
Die Übergangszone
NT1 stellt eine kontinuierliche Verbindung zwischen den Enden von
CG und DG mit einer Mantellinie mit monotonem Gefälle und ohne
Winkel dar.
-
Da
die Geschwindigkeit des zu komprimierenden Gases in dem ersten Hals
der Vorrichtung und in dem zweiten Hals so weit wie möglich Schallgeschwindigkeit
sein muss, erlaubt es diese Möglichkeit,
ihren Querschnitt zu modifizieren, die Temperatur und den Durchsatz
des zu komprimierenden Gases am Ausgang der Einlasskammer voneinander unabhängig zu
machen und gleichzeitig die Auflage des Schallgeschwindigkeitsströmens in
diesem Hals einzuhalten; das erlaubt es, entweder den Durchsatz des
zu komprimierenden Gases oder seine Temperatur am Eingang des ersten
Halses und eventuell den Durchsatz an zerstäubter Flüssigkeit zu ändern, was eine Änderung
der Kompressionsrate der Vorrichtung und ihrer Leistung nach sich
zieht, oder beide gleichzeitig.
-
Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind mit denen in der Variante
3 oder Variante 4 beschriebenen identisch.
-
Bei
dem bevorzugten Beispiel der 5.1 wird
die divergierende Überschallentspannungssprühdüse D1 der
Varianten 3 oder 4 durch ein einstellbares System ersetzt, das aus
einer optionalen Übergangszone
NT' gefolgt von
einer vorzugsweise leicht divergierenden Leitung N2 besteht, mit
Hinzufügen
eines Profilkerns K2, der axial in dem konvergierenden Unterschallentspannungselement
C1, in der Übergangszone
NT' und in der Leitung
N2 gleitet; der Kern ist an einer Welle befestigt, die zum Beispiel das
ein Ende oder beide Enden der Vorrichtung durchquert; die axiale
Position des Kerns K2 kann manuell oder automatisch von außerhalb
der Vorrichtung her durch ein auf einem Lager angeordnetes Gewinde,
durch einen externen Zylinder oder durch jedes andere System, das
dies erlaubt, eingestellt werden.
-
Das
Zerstäubungssystem
kann in der Zone NT, in der Zone C3 oder am stromabwärtigen Ende von
K'''2 untergebracht werden: siehe unten.
-
Der
Kern K2 ist ein Teil, dessen aerodynamisches Profil es erlaubt,
die Lastverluste des zu komprimierenden Gases zu minimieren; er
besteht aus einem stromaufwärtigen
Teil K'2 mit konstantem
oder in die Strömungsrichtung
des Gases zunehmendem Querschnitt, aus einem stromabwärtigen Teil
K'''2 mit einem in die Strömungsrichtung
des Gases abnehmenden Querschnitt und aus einem Zwischenteil K''2, dessen kontinuierliche Mantellinie
ohne Winkel die Verbindung zwischen der Mantellinie von K'2 und der von K'''2
sicherstellt.
-
Der
Teil K'''2 des Kerns K2 ist in dem konvergierenden
Unterschallentspannungselement C1, in der Übergangszone NT' und in der Leitung
N2 untergebracht.
-
Je
nach der für
die Vorrichtung angestrebten Anwendung und in Abhängigkeit
von den Temperaturen des zu komprimierenden Gases am Eingang der Verbrennungskammer
C, kann der Kern K2 aus Kohlenstoffstahl für Temperaturen unter 300°C, aus nicht rostendem
Stahl, aus Stahl gekühlt
durch interne Zirkulation von Kühlmittel,
aus Keramik oder aus jedem anderen Werkstoff hergestellt werden,
der eine gute Scheuerfestigkeit und Beständigkeit bei den Umsetzungstemperaturen
aufweist.
-
Das
auf 5.1 dargestellte Ausführungsbeispiel
zeigt einen Kern K2, der von einer Welle getragen wird, die ihn
axial durchquert, die selbst auf einem Lager ruht, das in der Einlasskammer
angeordnet ist und ein Positionseinstellgewinde aufweist; bei diesem
Beispiel ist eine einzige Zerstäubungsdüse am stromabwärtigen Ende
des Teils K'''2 des Kerns K2 installiert.
-
Beim
Strömen
des zu komprimierenden Gases in dem konvergierenden Entspannungselement C1
bildet der freie Raum zwischen K'2
und C1 eine konvergierende Unterschallentspannungssprühdüse, die
die gleiche Aufgabe erfüllt
wie die konvergierende Unterschallentspannungssprühdüse C1 der Varianten
4 oder 5, und der freie Raum zwischen K'''2, NT' und N2 bildet seinerseits
eine divergierende Überschallentspannungsdüse, die
die gleiche Aufgabe erfüllt
wie die Sprühdüse D1 der Varianten
3 oder 4; der Hals, das heißt
der Mindestdurchgangsquerschnitt zwischen diesen zwei Sprühdüsen der 5.1, liegt allgemein zwischen dem maximalen Querschnitt
von K2 und dem Ausgangsquerschnitt von C1, und sein Querschnitt
Ss kann jederzeit von außen
her durch Anpassen der axialen Position des Kerns K2 modifiziert
werden.
-
Je
nach den Einsatzbedingungen der Vorrichtung, kann die Leitung N2
leicht konvergierend sein, um das Inbetriebnehmen der Vorrichtung
unter Unterschallbedingungen zu erleichtern.
-
Als
Ausführungsbeispiel
weist eine Vorrichtung gemäß 5.1 die gleichen Leistungen wie das Ausführungsbeispiel
für die
Variante 4 auf, mit den folgenden Änderungen, die es erlauben,
den Durchsatz und die Kompressionsrate des zu komprimierenden Gases
anzupassen:
- – Ersetzen des divergierenden Überschallentspannungselements
D1 durch eine Übergangszone
NT' und eine divergierende
Leitung N2, wobei die Einheit einen Eingangsdurchmesser von etwa 0,295
m, einen Ausgangsdurchmesser von etwa 0,388 m und eine Länge von
0,2 m aufweist, wobei die Luft dort auf 0,1 bar A entspannt wird;
die Übergangszone
NT' und das divergierende
Element N2 bestehen aus Kohlenstoffstahl mit Doppelmantel,
- – Hinzufügen eines
Kerns K2 aus nicht rostendem Stahl, gekühlt durch interne Wasserzirkulation
mit maximalem Durchmesser 0,293 m, Mindestdurchmesser 0,04 m am
Eingang von K'2
und am Ausgang von K'''2, mit Gesamtlänge 0,9 m, getragen von einer
Welle mit Durchmesser 40 mm, die auf einem Lager ruht, das in C
installiert ist, mit Einstellgewinde seiner Position.
- – Die
Zerstäubungsdüse ist identisch
mit der des Ausführungsbeispiels
der Variante 4, aber die gleitende Röhre, die ihr Versorgen mit
Wasser erlaubt, ist in der Tragwelle des Kerns K2 untergebracht.
-
VARIANTE 6
-
Eine
Variante 6, die ein Überschallströmen betrifft,
geht aus der Variante 3 oder der Variante 4, die oben beschrieben
sind, hervor, und erlaubt es ebenfalls, jederzeit die Kompressionsrate
und/oder die Leistung der Vorrichtung wie bei der Variante 5 zu modifizieren;
sie erlaubt es ferner, die eventuellen Druck- oder Stoßwellen,
die sich in bestimmten Fällen
in den Zonen D1, NT oder C3 der Varianten 3 oder 4 entwickeln können, zu
eliminieren oder zu dem Ausgang der Vorrichtung zu verlagern; das
Konzept dieser Variante ist identisch mit dem der Variante 5, aber
die variable Geometrie betrifft den zweiten Hals der Vorrichtung;
bei dieser Variante werden die Zonen C3, C4 und D der Varianten
3 und 4 durch ein System mit variabler Geometrie ersetzt, das von
außerhalb
der Vorrichtung her gesteuert wird und es erlaubt, den Querschnitt
des Halses zwischen C3 und D zu modifizieren; das System mit variabler
Geometrie erzielt man durch jeden Mechanismus, der es erlaubt, den
Querschnitt dieses Halses zu ändern,
wie zum Beispiel die in den folgenden Beispielen beschriebenen.
-
Bei
dem Beispiel der 6 erzielt man das System mit
variabler Geometrie durch Ersetzen von C3, C4 und D durch eine Sprühdüse CG1 mit
verformbaren Wänden,
die eingestellt werden kann, um vorzugsweise bei der Inbetriebnahme
der Vorrichtung leicht divergierend zu sein, dann in der Folge konvergierend,
wobei diese Sprühdüse als konvergierende
Entspannungs-/Kühlsprühdüse C3 und konvergierende
Sprühdüse zur adiabatischen
Kompression C4 dient; auf CG1 folgt eine divergierende Sprühdüse DG1 ebenfalls
mit verformbaren Wänden, wobei
die Sprühdüse DG1 als
divergierende Sprühdüse zur adiabatischen
Kompression D dient. Das System mit verformbaren Wänden kann
des gleichen Typs sein wie das in Absatz 2.1 und zum Beispiel auf 2.1 beschriebene.
-
Da
die Geschwindigkeit des zu komprimierenden Gases vorzugsweise in
dem zweiten Hals der Vorrichtung Schallgeschwindigkeit sein muss,
erlaubt es diese Möglichkeit,
seinen Querschnitt zu modifizieren, die Temperatur, den Druck und
den Durchsatz des komprimierten Gases am Ausgang des konvergierenden
Elements zur adiabatischen Entspannung unabhängig zu machen und gleichzeitig
die Auflage des Schallgeschwindigkeitsströmens in diesem Hals einzuhalten;
das erlaubt es, entweder den Durchsatz des zu komprimierenden Gases
oder seine Temperatur am Eingang des zweiten Halses durch Ändern der Temperatur
in C oder durch Ändern
des Durchsatzes an zerstäubter
Flüssigkeit
zu ändern,
was eine Änderung
der Kompressionsrate der Vorrichtung und ihrer Leistung oder beider
gleichzeitig bewirkt.
-
Bei
der Inbetriebnahme der Vorrichtung wird schließlich die erste Sprühdüse mit variabler
Geometrie in einer leicht divergierenden Position gehalten, bis
die Kompressionsrate der Vorrichtung ausreichend hoch ist, damit
die Druckwelle, die sich in D1 entwickeln kann, in die zweite divergierende
Sprühdüse DG verlagert
wird; nach diesem Evakuieren der Druckwelle können die zwei Sprühdüsen mit
variabler Geometrie ihre Betriebsposition einnehmen, während sich
die Druckwelle allmählich
zu dem Ausgang der Vorrichtung allmählich entfernt, während sich
die zwei Sprühdüsen mit
variabler Geometrie ihrer Betriebsposition nähern.
-
Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind mit denen in den Varianten
3 oder 4 beschriebenen identisch.
-
Bei
dem bevorzugten Beispiel der 6.1 werden
die konvergierende Kompressions-/Kühlsprühdüse C3 und die konvergierende
Sprühdüse zur adiabatischen Überschallkompression
C4 der Varianten 3 oder 4 durch eine Leitung N3, die leicht divergierend
ist, vorzugsweise mit einem Eingangsdurchmesser leicht größer als
der von D1 ersetzt, in deren Innerem axial ein Profilkern K3 gleiten
kann, der auf einer Welle befestigt ist, die zum Beispiel ein Ende
oder beide Enden der Vorrichtung durchquert und es erlaubt, die
Position von K3 einzustellen; die Position des Kerns K3 kann manuell
oder automatisch von außerhalb
der Vorrichtung her durch ein auf einem Lager angeordnetes Gewinde,
durch einen Zylinder oder durch jedes andere externe System, das
dies erlaubt, eingestellt werden.
-
Die
Zerstäubungsdüse ist in
der Zone NT oder N3 untergebracht.
-
Bei
einem vereinfachten Konzept können
die divergierende Leitung D und eventuell die Kompressorvorkammer
T einfach aus einer Verlängerung
der leicht divergierenden Leitung N3 bestehen.
-
Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind identisch mit den in der Variante
3 oder der Variante 4 beschriebenen.
-
Der
Kern K3 ist ein Teil, dessen aerodynamisches Profil es erlaubt,
die Lastverluste des zu komprimierenden Gases zu minimieren; er
besteht aus einem stromaufwärtigen
Teil K'3 mit in
die Strömungsrichtung
des Gases zunehmendem Querschnitt, einem stromabwärtigen Teil
K'''3 mit konstantem oder in die Strömungsrichtung
des Gases abnehmendem Querschnitt, und aus einem Zwischenteil K''3, dessen kontinuierliche Mantellinie
ohne Winkel die Verbindung zwischen der Mantellinie von K'3 und der von K'''3
sicherstellt.
-
Der
Teil K'3 des Kerns
K3 befindet sich in der Leitung N3.
-
Je
nach der für
die Vorrichtung angestrebten Anwendung und in Abhängigkeit
von den Temperaturen des zu komprimierenden Gases am Ausgang des divergierenden Überschallentspannungselements D1,
kann der Kern K3 aus Kohlenstoffstahl für Temperaturen unter 300°C, aus nicht
rostendem Stahl, aus Stahl gekühlt
durch interne Zirkulation von Kühlmittel,
aus Keramik oder aus jedem anderen Werkstoff hergestellt werden,
der eine gute Scheuerfestigkeit und Beständigkeit bei den Umsetzungstemperaturen
aufweist.
-
Das
auf 6.1 dargestellte Ausführungsbeispiel
zeigt eine Welle, die den Kern K3 ganz durchquert und auf Lagern
ruht, die in der Einlasskammer und in der Kompressorvorkammer platziert sind,
wobei Letzteres einen Positionseinstellmotor aufweist; die Zerstäubungsdüse wird
am Ende einer auf der Welle gleitenden Röhre platziert.
-
Bei
dem Strömen
des zu komprimierenden Gases in der Leitung N3 bildet der freie
Raum zwischen K'3
und der Leitung N3 eine konvergierende Sprühdüse, die die gleiche Aufgabe
erfüllt
wie die konvergierende Kompressions-/Kühlsprühdüse C3 und die konvergierende
Sprühdüse zur adiabatischen Überschallkompression
C4 der Variante 3 oder der Variante 4, und der freie Raum zwischen
K'''3 und D bildet eine divergierende Sprühdüse, die
die gleiche Aufgabe erfüllt
wie die konvergierende Sprühdüse zur adiabatischen
Kompression D, die in der Variante 3 oder der Variante 4 beschrieben
ist; der Hals, das heißt
der Mindestdurchgangsquerschnitt zwischen diesen zwei Sprühdüsen, liegt
im Allgemeinen zwischen dem Ausgang der Leitung N3 und dem maximalen
Durchmesser von K''3, und sein Querschnitt Ss
kann jederzeit von außen
her durch Einstellen der axialen Position des Kerns K3 geändert werden;
diese Einstellung des Querschnitts an dem Hals erlaubt Folgendes:
- – Bei
der Inbetriebnahme: komplettes Zurückziehen des Kerns K3 aus der
Leitung N3, so dass die ursprüngliche
Druckwelle, die sich beim Überschallbetrieb
in einer divergierenden Sprühdüse entwickeln
kann, wenn der von dem Hauptstartkompressor gelieferte Überdruck
ausreichend hoch ist, stromabwärts
des Ausgangs der Leitung N3 liegt; dieser Überdruck sowie der maximale Durchmesser
von K3 werden derart ausgewählt, dass,
wenn der Kern K3 allmählich
in die Leitung N3 eingeführt
wird, die Zone, in der sich die Druckwelle befindet, immer divergierend
bleibt, und dass die Druckwelle dort bleibt, bis K3 seinen endgültigen Platz
in N3 einnimmt.
- – Beim
ordnungsgemäßen Betrieb:
die Temperatur, den Druck und den Durchsatz des zu komprimierenden
Gases am Ausgang des zweiten Halses voneinander unabhängig zu
machen, was der Vorrichtung die gleichen Vorteile verleiht wie die des
Beispiels der 6: Möglichkeit des Einstellens des
Durchsatzes, der Kompressionsrate oder der Leistung.
-
Als
Ausführungsbeispiel
weist eine Vorrichtung gemäß 6.1 die gleichen Leistungen wie das Ausführungsbeispiel
für die
Variante 4 auf, wobei es die folgenden Änderungen erlauben, den Durchsatz und
die Kompressionsrate des zu komprimierenden Gases einzustellen:
- – Ersetzen
der konvergierenden Sprühdüsen C3 und
C4 durch eine Leitung N3, die einen Eingangsdurchmesser von etwa
0,388 m, einen Ausgangsdurchmesser von etwa 0,390 m und eine Länge von
1,0 m aufweist; die Leitung N3 wird aus Kohlenstoffstahl mit Doppelmantel
hergestellt,
- – Ersetzen
des divergierenden Elements D mit Eingangsdurchmesser 0,209 m durch
ein divergierendes Element D mit gleicher Konzeption aber Eingangsdurchmesser
0,390 m,
- – Hinzufügen eines
Kerns K3 aus nicht rostendem Stahl, gekühlt durch interne Wasserzirkulation
mit maximalem Durchmesser 0,388 m, Mindestdurchmesser 0,04 m am
Eingang von K'3
und am Ausgang von K'''3, Gesamtlänge von 1,2 m, getragen von
einer Welle mit Durchmesser 40 mm, die auf einem Lager ruht, das
in T mit Einstellgewinde seiner Position installiert ist, und auf
einem zweiten Lager, das am Ende von C installiert ist,
- – die
Zerstäubungsdüse ist gleich
wie die des Ausführungsbeispiels
der Variante 4, aber die gleitende Röhre, die das Zuführen von
Wasser erlaubt, ist in der Tragwelle des Kerns K3 untergebracht.
-
VARIANTE 7
-
Eine
Variante 7, die ein Überschallströmen betrifft,
geht aus der gleichzeitigen Anwendung der Varianten 5 und 6 auf
einer gleichen Vorrichtung hervor und erlaubt es, von außen her,
unabhängig
voneinander und jederzeit die Querschnitte der zwei Hälse der
Vorrichtung einzustellen und daher den Durchsatz an zu komprimierendem
Gas, die Kompressionsrate der Vorrichtung und ihre Energieleistung
zu ändern
und es ihr gleichzeitig zu erlauben, die eventuellen Druck- oder
Stoßwellen,
die sich in bestimmten Fällen
in den divergierenden Überschallelementen
der Varianten 3, 4 oder 5 entwickeln können, zu eliminieren oder zu
ihrem Ausgang zu verlagern; bei dieser Variante werden die Zonen
C3, C4 und D der Variante 5 wie für die Variante 6 durch eine
Sprühdüse mit variabler
Geometrie ersetzt, die eingestellt werden kann, um bei der Inbetriebnahme
der Vorrichtung leicht divergierend zu sein, dann in der Folge konvergierend,
gefolgt von einer divergierenden Sprühdüse mit variabler Geometrie;
der Durchmesser des Halses zwischen den zwei Sprühdüsen kann ständig an den Durchmesser des
ersten Halses der Vorrichtung angepasst werden, das heißt an den Durchsatz
und an die physikalischen Bedingungen des zu komprimierenden Gases
am Einlass, sowie an die physikalischen Bedingungen am Ausgang der Vorrichtung,
das heißt
an den Durchsatz an zerstäubter
Flüssigkeit
und daher an die Kompressionsrate und die Leistung der Vorrichtung.
-
Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind identisch mit den in der Variante
5 beschriebenen. Diese Variante weist daher die kombinierten Vorteile der
Varianten 5 und 6 auf.
-
In
dem Beispiel der 7 erzielt man die Systeme mit
variabler Geometrie durch den Einsatz von Sprühdüsen mit verformbaren Wänden des
gleichen Typs wie der, der in Absatz 2.1 beschrieben und zum Beispiel
auf 2.1 beschrieben ist.
-
Bei
dem bevorzugten Beispiel der 7.1 werden
die konvergierende Kompressions-/Sprühdüse C3 und die konvergierende
Sprühdüse zur adiabatischen Überschallkompression
C4 der 5.1 durch eine Leitung N3, die
vorzugsweise leicht divergierend ist, ersetzt, vorzugsweise mit
einem Eingangsdurchmesser leicht größer als der von D1, in deren
Innerem axial ein Kern K3 gleiten kann, dessen Achse auf einer Welle
befestigt ist, die zum Beispiel ein Ende oder beide Enden der Vorrichtung
durchquert; die axiale Position des Kerns K3 kann manuell oder automatisch
von außerhalb
der Vorrichtung her durch ein Gewinde, das auf einem Lager angeordnet ist,
durch einen externen Zylinder oder durch jedes andere externe System,
das dies erlaubt, eingestellt werden.
-
Bei
einem vereinfachten Konzept können
die Zonen N2, NT, N3, D und T in einer einzigen Leitung mit leicht
divergierendem Querschnitt gruppiert werden.
-
Der
Kern K3 ist ein Teil mit voller Rotation, dessen aerodynamisches
Profil es erlaubt, die Lastverluste des zu komprimierenden Gases
zu minimieren; er besteht aus einem stromaufwärtigen Teil K'3 mit in die Strömungsrichtung
des Gases zunehmendem Querschnitt, einem stromabwärtigen Teil K'''3 mit
konstantem oder in die Strömungsrichtung
des Gases abnehmendem Querschnitt, und aus einem Zwischenteil K''3, dessen ununterbrochene Mantellinie
ohne Winkel die Verbindung zwischen der Mantellinie von K'3 und der von K'''3
sicherstellt.
-
Der
Teil K'3 des Kerns
K3 ist in der Leitung N3 untergebracht.
-
Die
Zerstäubungsdüse ist in
einer der Zonen N2, NT oder N3 zwischen K'''2, dem stromabwärtigen Ende
von K2 und K'3,
dem stromaufwärtigen
Ende von K3 untergebracht.
-
Die
anderen Elemente der Vorrichtung sind gleich wie die der Variante
5.
-
Je
nach der für
die Vorrichtung angestrebten Anwendung und gemäß den Temperaturen des zu komprimierenden
Gases am Ausgang des divergierenden Überschallentspannungselements
D1, kann der Kern K3 aus Kohlenstoffstahl für Temperaturen unter 300°C, aus nicht
rostendem Stahl, aus Stahl gekühlt
durch interne Zirkulation von Kühlflüssigkeit, aus
Keramik oder aus jedem anderen Werkstoff hergestellt werden, der
eine gute Scheuerfestigkeit und Beständigkeit bei den umgesetzten
Temperaturen aufweist.
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Das
Ausführungsbeispiel,
das auf 7.1 dargestellt ist, zeigt eine
Welle, die den Kern K2 und den Kern K3 ganz durchquert und auf Lagern
ruht, die in der Verbrennungskammer und in der Kompressorvorkammer
platziert sind; jedes Lager umfasst einen Motor, der es erlaubt,
die axiale Position jedes der Kerne einzustellen, und die Zerstäubungsdüse ist direkt
auf dem stromabwärtigen
Ende von K3'''2 installiert.
-
Wie
bei dem Beispiel der 5.1, weist der freie Raum zwischen
K2, C1, NT' und
N2 einen ersten Hals mit Querschnitt S's auf, der von außen her durch Einstellen der axialen
Position des Kerns K2 eingestellt werden kann.
-
Ebenso,
wie in dem Beispiel der 6.1, weist
der freie Raum zwischen K3, N3 und D einen zweiten Hals mit Querschnitt
Ss auf, der von außen her
durch Einstellen der axialen Position des Kerns K3 einstellbar ist.
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Diese
Einstellmöglichkeiten
des Querschnitts jedes Halses verleihen dem Beispiel der 7.1 die kombinierten Vorteile der Beispiele der 5.1 und 6.1,
die oben beschrieben wurden.
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Als
Ausführungsbeispiel
kann eine Vorrichtung nach 7.1,
die es erlaubt, nahezu 20.000 Nm3 Luft von
1 bar A auf 2,5 bar A zu komprimieren, und die es erlaubt, den Durchsatz
und die Kompressionsrate des zu komprimierenden Gases einzustellen,
erzielt werden, indem man die folgenden Änderungen an dem Ausführungsbeispiel
der Variante 5 durchführt:
- – Ersetzen
von NT' und N2 durch
eine divergierende Sprühdüse mit gleichem
Eingangsdurchmesser aber Länge
1,5 m und Ausgangsdurchmesser von etwa 1,034 m, die es erlaubt,
Luft auf 0,004 bar A zu entspannen.
- – Ersetzen
der konvergierenden Sprühdüsen C3 und
C4 durch eine Leitung N3, die einen Eingangsdurchmesser von etwa
1,034 m, einen Ausgangsdurchmesser von etwa 1,036 m und eine Länge von
2,0 m aufweist; die Leitung N3 ist aus Doppelmantel-Kohlenstoffstahl
hergestellt,
- – Ersetzen
des divergierenden Elements D mit Eingangsdurchmesser 0,209 m durch
ein divergierendes Element D mit gleicher Konzeption aber Eingangsdurchmesser
gleich 1,036 m, Ausgangsdurchmesser gleich 1,176 m und Länge 2,0 m,
- – Ersetzen
der Kammer T durch eine Kammer mit gleicher Konzeption aber Durchmesser
1,176 m und Länge
1,41 m,
- – Hinzufügen eines
Kerns K3 aus nicht rostendem Stahl, gekühlt durch interne Wasserzirkulation
mit maximalem Durchmesser 1,034 m, Mindestdurchmesser 0,06 m am
Eingang von K'3
und am Ausgang von K'''3, Gesamtlänge 3,1 m, getragen von einer
Welle mit Durchmesser 60 mm, die auf einem in T installierten Lager,
mit Einstellgewinde seiner Position, auf einem zweitem Lager installiert
auf C und auf einem dritten Zwischenlager ruht,
- – die
Zerstäubungsdüse hat die
gleiche Konzeption wie die des Ausführungsbeispiels der Variante 4,
aber der Zerstäubungswasserdurchsatz
ist auf 1,0 kg pro Sekunde reduziert, und die Düse wird durch eine gleitende
Röhre versorgt,
die in der Trägerwelle
des Kerns K3 untergebracht ist.
-
VARIANTE 8
-
Eine
Variante 8, die die Zerstäubungsdüsen der
Basisoption 1 oder der Varianten 2 bis 7, die oben beschrieben wurden,
betrifft, ist auf 8 dargestellt; sie besteht darin,
als Hilfsfluid zum Zerstäuben
einen Teil des komprimierten Gases zu verwenden, das von der Vorrichtung
erzeugt wird, oder Dampf, der durch Wärmerückgewinnung auf dem komprimiertem
Gas stromabwärts
der Kompressorvorkammer erzeugt wird. Diese Variante erlaubt es,
die Größe der Zerstäubungströpfchenflüssigkeit
zu verringern und ihre Anfangsgeschwindigkeit ohne zusätzliches
Beisteuern von mechanischer externer Energie zu steigern und daher
die Energieleistung der Vorrichtung zu verbessern.
-
Das
Beispiel der 8 betrifft den gleichen Anlagentyp
wie der der 7.1, es ist aber mit einer Unterstützung beim
Zerstäuben
ausgehend von komprimierter Luft, die am Ausgang der Vorrichtung entnommen
wird, ausgestattet.
-
Als
Ausführungsbeispiel
kann man eine Vorrichtung nach 8, die es
erlaubt, nahezu 20.000 Nm3 Luft von 1 bar
A auf 2,5 bar zu verdichten, und die es erlaubt, den Durchsatz und
die Kompressionsrate des zu komprimierenden Gases einzustellen,
erzielen, indem man die folgenden Änderungen an dem Ausführungsbeispiel
der Variante 7 vornimmt:
- – der Ausgangsdurchmesser von
C1 wird 0,322 m,
- – Ersetzen
von NT' und N2 durch
eine divergierende Sprühdüse mit gleicher
Konzeption aber einem Eingangsdurchmesser 0,322 m, Ausgangsdurchmesser
1,042 m und Länge
1,439 m, die es erlaubt, die Luft auf 0,004 bar A zu entspannen,
- – Ersetzen
der Leitung N3 durch ein neue Leitung mit gleicher Konzeption aber
Eingangsdurchmesser von etwa 1,042 m, Ausgangsdurchmesser von etwa
1,044 m und Länge
2,086 m,
- – das
Zerstäuben
wird durch den Einsatz von 0,26 kg/Sekunde Gemisch aus „komprimierter Luft-Dampf", das am Ausgang
der Vorrichtung entnommen wird, unterstützt,
- – der
Zerstäubungswasserdurchsatz
wird auf 0,61 kg/Sekunde verringert,
- – Ersetzen
des Kerns K3 durch einen neuen Kern mit maximalem Durchmesser 1043
mm, Mindestdurchmessern 137 mm an den Enden K'3 und K'''3 und Länge 3,1
m, getragen von einer Welle mit Durchmesser 140 mm, in deren Innerem
Zerstäubungswasser
und Luft zum Unterstützen
des Zerstäubens
zirkulieren.
-
VARIANTE 9
-
Eine
Variante 9, die die Zerstäubungsdüsen der
Basisoption 1 oder der Varianten 2 bis 8, die oben beschrieben wurden,
betrifft, ist auf 9 dargestellt; sie besteht darin,
die in den Zerstäubungsdüsen verwendete
Flüssigkeit
vor ihrem Einführen
in die Düsen durch
den Einsatz der auf dem komprimiertem Gas stromabwärts der
Kompressorvorkammer T rückgewonnenen
Wärme zu
erwärmen,
wobei die Rückgewinnung
eventuell bis zur Kondensation des Dampfs zerstäubter Flüssigkeit gehen kann; beim Entspannen
der zu zerstäubenden
Flüssigkeit
erlaubt es dieses Überhitzen,
die Größe der Tröpfchen zu
verringern und ihre Anfangsgeschwindigkeit zu steigern, indem die
Zufuhr an externer mechanischer Energie minimiert wird, und daher
die Energieleistung der Vorrichtung zu verbessern.
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Bei
Bedarf und mangels an oder ergänzend zu
dieser stromabwärts
der Kompressorvorkammer wiedergewonnenen Wärme, kann jede andere interne
Wärmequelle
der Vorrichtung verwendet werden, wie zum Beispiel die in den Doppelmänteln zurückgewonnene
Wärme oder
jede Wärmequelle
außerhalb der
Vorrichtung.
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Das
Beispiel der 9 betrifft den gleichen Anlagentyp
wie der der 8, bei dem die zu zerstäubende Flüssigkeit
zuvor in einem Wärmeaustauscher,
der auf der Ableitung des komprimierten Gases installiert ist, erwärmt wird.
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Als
Ausführungsbeispiel
kann eine Vorrichtung nach 9, die die
gleichen Maße
und gleichen Leistungen aufweist wie das Ausführungsbeispiel der Variante
8, mit zusätzlich
einer Ausgangstemperatur der komprimierten Luft erhöht um 20°C erzielt
werden, indem man auf der Ableitung einen Wärmeaustauscher E'1 hinzufügt, der
es erlaubt, das Zerstäubungswasser
auf 40°C
vorzuwärmen.
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VARIANTE 10
-
Eine
Variante 10 betrifft die parallele Installation oder Serieninstallation
mehrerer in der Basisoption 1 und den Varianten 2 bis 9 beschriebenen
Vorrichtungen, um ihre Herstellung zu erleichtern, Kompressionsraten
zu erzielen, die durch eine einzige Vorrichtung nicht erzielt werden
können,
die Gesamtleistung der Anlage zu verbessern oder auch die Inbetriebnahme
der Anlage zu erleichtern; die Vorrichtungen können voneinander wie bei dem
Beispiel der 10, das unten beschrieben wird,
getrennt oder ineinander wie in dem Beispiel der 10.1, die zwei parallel in einem gleichen Mantel
installierte Vorrichtungen betrifft, verschachtelt sein, oder wie
bei den Beispielen der 10.2, 10.3 und 10.4,
bei welchen zwei Vorrichtungen nach den Ansprüchen 2 und 9 in Serie und ineinander
verschachtelt mit der Ansaugleitung, der Einlasskammer C, den konvergierenden
Elementen C1 und C2 und dem gemeinsamen Eingangskern, der als Kern
K für die
erste Unterschallvorrichtung und Kern K2 für die zweite Überschallvorrichtung
dient, installiert werden. Das Beispiel der 10 erlaubt
das Inbetriebnehmen einer Überschall-Luftkompressionsvorrichtung
mit hoher Kompressionsrate mit Hilfe eines Startkompressors mit
niedriger Leistung. Es besteht aus zwei getrennten, in Serie installierten
Vorrichtungen: eine erste Schallgeschwindigkeitsvorrichtung gemäß 2.3 mit stromaufwärtigem Kern, der ein Einstellen
des Luftdurchsatzes erlaubt, und deren Ansaugleitung ein Filter,
einen Schalldämmer,
einen Kompressor und einen Heizölbrenner
enthält,
gefolgt von einer stromabwärtigen Überschallvorrichtung
gemäß 9 mit
stromaufwärtigem
und stromabwärtigem Kern,
deren Ansaugleitung einen Aufwärmwärmeaustauscher
für Luft
mit Hilfe eines Wärmefluids
aufweist; die Ableitung der stromabwärtigen Vorrichtung weist einen
Rückgewinnungswärmeaustauscher
auf, der es erlaubt, das Wärmefluid
wieder zu erwärmen, gefolgt
von einem zweiten Rückgewinnungswärmeaustauscher,
der es erlaubt, das Zerstäubungswasser
aufzuwärmen.
-
Die
erst stromaufwärtige
Vorrichtung wird nur bei der Inbetriebnahme der Anlage verwendet, um
einen ausreichenden Überdruck
sicherzustellen, um das Starten der zweiten Vorrichtung zu erlauben, wonach
die erste Vorrichtung gestoppt wird.
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Die
zweite stromabwärtige
Vorrichtung gemäß 9,
die beim ordnungsgemäßen Betrieb
verwendet wird und daher leistungsfähig sein muss, weist zusätzlich einen
Wärmerückgewinner
auf, der es erlaubt, die Luft am Einlass aufzuwärmen, einen zweiten Rückgewinner,
der es erlaubt, das Zerstäubungswasser
aufzuwärmen,
und eine Unterstützung beim
Zerstäuben
durch den Einsatz von komprimierter Luft, die am Ausgang der Anlage
entnommen wird.
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Das
Beispiel der 10.1 erlaubt das Herstellen
eines Kompressors mit sehr großer
Kapazität durch
den parallelen Einsatz zweier identischer Vorrichtungen wie die,
die auf 8 dargestellt ist; die zwei
parallel installierten Vorrichtungen sind ineinander verschachtelt,
wobei die Kerne jeder der Vorrichtung in einem gemeinsamen Mantel
installiert sind; dies Anordnung erlaubt es, die Größe der Kerne
zu verringern, die auf einer einzigen Vorrichtung mit sehr großer Kapazität zu groß würden.
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Das
Beispiel der 10.2 ist eine vereinfachte Version
des Beispiels der 10, bei der die zwei Vorrichtungen
verschachtelt sind; es besteht aus einer Überschallvorrichtung gemäß 9,
bei der die Leitungen N2, NT, N3 und D in einer einzigen leicht
divergierenden Leitung gruppiert sind, und bei der die Zone C1 die
Aufgabe der Zonen C1 und C2 der Schallgeschwindigkeitsvorrichtung,
die auf 2.3 dargestellt ist, übernehmen
kann; der Kern K2 der Überschallvorrichtung
weist Zerstäubungsdüsen auf,
die entlang seiner Achse verteilt sind, und kann die Aufgabe des
Kerns K1 der Schallgeschwindigkeitsvorrichtung, die auf 2.3 dargestellt ist, übernehmen.
-
Bei
der Inbetriebnahme der Anlage wird der Kern K3 ganz aus der Kompressorvorkammer
T herausgezogen; der Kompressor, der Brenner und die Zerstäubungsdüsen des
Kerns K1 werden in Betrieb genommen, und der stromaufwärtige Teil
der Vorrichtung wird allein als eine Schallgeschwindigkeitsanlage
verwendet; wenn der Druck stromabwärts von C2 ausreichend hoch
ist, wird der Kompressor gestoppt, der stromabwärtige Überschallteil der Vorrichtung wird
ebenfalls in Betrieb genommen, und, wenn der Druck in der Kompressorvorkammer
ausreichend hoch ist, werden die Zerstäubungsdüsen des Kerns K1, das heißt die der
Schallgeschwindigkeitsvorrichtung allmählich gestoppt; die ganze Anlage
funktioniert daher nur als eine Überschallvorrichtung,
und die Einstellungen des Durchsatzes, der Kompressionsrate und
der Leistung der Anlage können
durch Einstellen des Brenners, des Durchsatzes an Zerstäubungsflüssigkeit
und der Positionen von K2 und K3 durchgeführt werden.
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Das
Beispiel der 10.3 ist ebenfalls eine vereinfachte
Version einer Schallgeschwindigkeitsvorrichtung, die in einer Überschallvorrichtung
verschachtelt ist, um die Inbetriebnahme zu erleichtern; es besteht
aus einer Überschallvorrichtung
gemäß 7 mit
Sprühdüsen mit
durch verformbare Wände variabler
Geometrie, in welchen das konvergierende Element CG der Überschallvorrichtung
die Aufgabe der konvergierenden Elemente C1 und C2 der Schallgeschwindigkeitsvorrichtung,
die auf 2.3 dargestellt ist, übernehmen
kann; das konvergierende Element CG der Überschallvorrichtung weist
zusätzlich
Zerstäubungsdüsen R auf,
die entlang seiner Achse verteilt sind und die die gleiche Aufgabe
erfüllen
wie die Zerstäubungsdüsen, die
in der Zone C2 der Schallgeschwindigkeitsvorrichtung verteilt sind.
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Bei
der Inbetriebnahme der Anlage wird die Leitung CG1 auf Startposition,
leicht divergierend gestellt; der Kompressor, der Brenner und die
Zerstäubungsdüsen der
Schallgeschwindigkeitsvorrichtung werden in Betrieb genommen, und
der stromaufwärtige
Teil der Vorrichtung wird allein verwendet, nämlich als Schallgeschwindigkeitsanlage;
wenn der Druck stromabwärts
von C2 ausreichend hoch ist, wird der Kompressor gestoppt, der stromabwärtige Überschallteil
der Vorrichtung wird ebenfalls in Betrieb genommen und, wenn der
Druck in der Kompressorvorkammer ausreichend hoch ist, werden auch
die Zerstäubungsdüsen der
Schallgeschwindigkeitsvorrichtung allmählich gestoppt; die ganze Anlage
funktioniert daher nur wie eine Überschallvorrichtung
und die Einstellungen von Durchsatz, Kompressionsrate und Leistung
der Anlage können
durch Einstellen des Brenners, des Durchsatzes an Zerstäubungsflüssigkeit
und der Querschnitte jedes der Hälse
der Vorrichtung durchgeführt
werden.
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Das
Beispiel der 10.4 erlaubt es sehr vereinfacht,
das gleiche Ergebnis wie die Beispiele der 10 und 10.2 zu erzielen, es erlaubt es nämlich, eine Überschall-Luftkompressionsvorrichtung
mit hoher Kompressionsrate mit Hilfe eines Startkompressors mit
niedriger Leistung in Betrieb zu nehmen; es besteht aus einer Überschallvorrichtung gemäß 8 und
aus einer Schallgeschwindigkeitsvorrichtung gemäß 2.4,
die in Serie und ineinander verschachtelt installiert sind. Bei
dieser Anlage sind die Leitungen NT', N2, NT und N3 in einer einzigen leicht
konvergierenden Leitung gruppiert, und der Kern K3 sowie die Zerstäubungsdüse R der Überschallvorrichtung
werden auch als Kern K1 und als Düse R der Schallgeschwindigkeitsvorrichtung, wenn
diese Letztere verwendet wird, verwendet.
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Bei
der Inbetriebnahme der Anlage wird nur die Schallgeschwindigkeitsvorrichtung
verwendet, wobei der Kern K2 komplett in C zurückgezogen ist, bis ein ausreichender
Druckgewinn erzielt wird, um die Inbetriebnahme der Überschallvorrichtung
zu gestatten, das heißt,
das Einführen
von K2 in C1 zu erlauben, um ein divergierendes Element zu schaffen.
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Als
Ausführungsbeispiel
kann eine Vorrichtung gemäß 10.2, die es erlaubt, nahezu 20.000 Nm3 Luft von 1 bar A auf 2,5 bar A zu komprimieren, und
die es erlaubt, den Durchsatz und die Kompressionsrate des zu komprimierenden
Gases einzustellen, mit einem Startkompressor erzielt werden, der
einen Überdruck
von nur 100 mbar erzeugt, indem die folgenden Änderungen an dem Ausführungsbeispiel der
Variante 8 vorgenommen werden:
- – das konvergierende
Element C1 wird durch ein konvergierendes Element mit gleicher Konzeption ersetzt,
das die Aufgabe von C1 hinsichtlich des Überschallbetriebs und von C1
+ C2 hinsichtlich des Schallgeschwindigkeitsbetriebs erfüllt, mit gleichem
Eingangs- und Ausgangsdurchmesser aber Länge 1,5 m,
- – Ersetzen
des Eingangskerns K2 durch einen neuen Kern, der die Aufgabe von
K2 hinsichtlich des Überschallbetriebs
und von K hinsichtlich des Schallgeschwindigkeitsbetriebs erfüllt, mit
gleichen Durchmessern aber Gesamtlänge 1,3 m; sein stromabwärtiger Teil
K''', der in C1 gleitet, weist auf seinem
Umfang die Zerstäubungsdüsen auf,
die für
den Schallgeschwindigkeitsbetrieb erforderlich sind.
-
INDUSTRIELLE ANWENDUNG DER
ERFINDUNG
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann bei industriellen Verfahren Anwendungen finden, die komprimierte
Gase, Druckluft oder Wasserdampf umsetzen, mit ganz besonderer Bedeutung
für Wärmekraftwerke:
siehe Beispiele 5, 6, 7, 8 und 9 unten; sie erlaubt es zum Beispiel,
die folgenden Anlagen mit wettbewerbsfähigen Ausstattungs-, Wartungskosten
und Energieleistungen herzustellen:
- 1. Anlagen
zum Erzeugen komprimierter Luft oder komprimierter Gase zum Decken
der Industrieerfordernisse und Erzeugen sehr hoher Durchsätze, von
1000 Nm3/h bis zu mehreren Millionen Nm3/h, mit Drücken zwischen 1,5 bar A und
20 bar A, ja sogar darüber.
- 2. Vakuumsysteme, die große
Luft- oder Gasdurchsätze
umsetzen, um industriellen Bedarf, den Bedarf thermodynamischer
Teststände,
wie zum Beispiel aeronautischer, klimatischer Teststände usw.
zu decken.
- 3. Einsatz der Restwärme
von Rauchgasen in Leistungsheizkesseln zum Herstellen des teilweisen
Vakuums ihrer Verbrennungskammern, was den ständigen Gebrauch der Zuggebläse vermeidet
und es erlaubt, mehrere hunderte oder tausende kW Strom zu sparen.
- 4. Mechanisches Wiederverdichten von Dampf mit niedrigem Druck,
wie zum Beispiel der Wasserdampf, wobei die eingespritzte Flüssigkeit Wasser
ist, um Dampf mit höherem
Druck zu erzielen; bei diesem Beispiel weist die Ansaugleitung bei
Bedarf einen Wärmeaustauscher
auf, der es erlaubt, den Niederdruckdampf zu überhitzen.
- 5. Wärmekraftwerke
mit Dampf, bei welchen die Kessel mit Hochdruckdampf durch die gleiche Vorrichtung
wie die ersetzt werden, die in dem vorhergehenden Beispiel beschrieben
ist; bei derartigen Kraftwerken wird der wieder komprimierte Dampf überhitzt
und dann durch Turbinen hindurch entspannt, bevor er zu dem Eingang
der Vorrichtung zurückgeführt wird,
wobei die Dampfkondensatoren nur noch erforderlich sind, um bei niedriger
Temperatur einen Dampfdurchsatz gleich dem Wasserdurchsatz, der
in die Vorrichtung eingespritzt wird, zu kondensieren. Bei derartigen
Kraftwerken ist die Wärmequelle
des thermodynamischen Zyklus nahe 500 bis 700°C viel höher als die der herkömmlichen
Kraftwerke: 250°C
bis 310°C,
was dem Sieden des Dampfs von 40 bis 100 bar entspricht; sie erlaubt
daher Energieleistungen die deutlich höher sind und 45% überschreiten
könne.
- 6. Wärmekraftwerke
mit Gasturbinen, bei welchen eine Vorrichtung zum Beispiel gemäß 9 aber ohne
Brenner, die auf dem Rauchgaskreislauf stromabwärts der Turbine installiert
wird, die latente Wärme
der Rauchgase verwendet, um einen Teil der Rauchgase wiederzukomprimieren, bevor
sie stromabwärts
des Kompressors der Gasturbine wieder eingespritzt werden und es
erlauben, den Durchsatz und daher die von diesem Kompressor verbrauchte
Leistung entsprechend zu verringern; ein derartiger Zyklus erlaubt
es zum Beispiel, die Leistung einer Gasturbine, natürlich mittels
entsprechenden Anpassungen, von 27% auf nahezu 45% zu erhöhen.
- 7. Wärmekraftwerke
mit Gasturbinen, bei welchen eine Vorrichtung zum Beispiel gemäß der 9 aber
ohne Brenner, die auf dem Rauchgaskreislauf stromabwärts der
Turbine installiert wird, die latente Wärme der Rauchgase verwendet,
um ein Vakuum zu schaffen, das es erlaubt, die Leistung der Gasturbine
zu verbessern; ein derartiger Zyklus erlaubt es ebenfalls, die Leistung
einer Gasturbine, natürlich
anhand entsprechender Anpassungen der Turbine, von 27% auf nahezu
45% zu erhöhen.
- 8. Wärmekraftwerke,
die den Kompressionszyklus der Vorrichtung verwenden und zum Beispiel aus
der Vorrichtung gemäß 10.1 mit zusätzlich
einer Luftturbine TB bestehen, die stromabwärts des Brenners der Ansaugleitung
installiert wird, und aus Luft- Dampf-Turbinen,
die auf der Ableitung installiert werden; ein derartiger Zyklus erlaubt
es, Leistungen von über
56% zu erzielen, indem man die verschiedenen Verluste des Systems
berücksichtigt:
Wärmeverluste,
Lastverluste der Vorrichtung, Verluste durch Reibung, isentrope
Leistung der Turbine usw.
- 9. Wärmekraftwerke,
die den Kompressionszyklus der Vorrichtung verwenden und zum Beispiel aus
der Vorrichtung gemäß 10.1 ohne Brenner B auf der Ansaugleitung bestehen,
aber mit einem Brenner und einer Luft-Dampf-Turbine, die auf der
Ableitung stromaufwärts
des Wärmeaustauschers
E'1 installiert
werden; ein derartiger Zyklus erlaubt es, Leistungen über 60%
zu erzielen, wobei die verschiedenen Verluste des Systems berücksichtigt
werden: Wärmeverluste,
Lastverluste der Vorrichtung, Reibungsverluste, isentrope Leistung
der Turbine usw.