Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Kon- ditionieren von zu verdichtender Zuluft für eine Kraft-oder Arbeitsmaschine mit einem Zuluftkanal, der mit der Außenluft in Verbindung steht und eine Einrichtung zum Eindüsen von Wasser aufweist.

Bekanntlich fällt die Leistung von Verbrennungskraftma- schinen mit steigender Außentemperatur stark ab. Ebenfalls ist eine Absenkung des Wirkungsgrades die Folge. Dies wirkt sich auch auf Gasturbinenanlagen zur Stromerzeugung aus. Man ist daher bestrebt, die Zuluft zu kühlen.

Die einfachste Maßnahme hierfür besteht darin, Wasser in die Zuluft einzudüsen. Die Verdampfungsenthalpie des zuge- führten Wassers vermindert die Temperatur der Zuluft, aller- dings lediglich bis zum Erreichen der Sättigungsgrenze. Das überschüssige Wasser verbleibt in Tröpfchenform in der Zu- luft.

Diese Tröpfchen können die nachgeschaltete Maschine be- schädigen. In dieser Hinsicht besonders empfindlich sind Turboverdichter. Bei Gasturbinen ist es daher unerläßlich, die befeuchtete Zuluft vor Eintritt in die erste Verdichter- stufe durch einen Tröpfchenabscheider bzw. Filter zu leiten.

In jedem Falle bestimmt die Sättigungsgrenze der Zuluft die mögliche Temperaturabsenkung. Liegt die Luftfeuchtigkeit der Außenluft bei hoher Lufttemperatur auf hohem Niveau, al- so nahe der Sättigungsgrenze, so ist der Effekt der Tempera- turabsenkung durch Befeuchtung daher relativ gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konditio- nierung der Zuluft insbesondere bei hoher Temperatur und ho- her Feuchtigkeit der Außenluft zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß das Wasser beim Eindüsen zu Mikrotröpf- chen zerstäubt wird, die der Strömung der Zuluft folgen, ohne beschädigend auf Teile der Maschine einzuwirken, daß die Zuluft über ihre Sättigungsgrenze hinaus unter Nebelbil- dung befeuchtet wird und daß die den Nebel bildenden Mikro- tröpfchen bei der Verdichtung der Zuluft, z. B. in der Ar- beitsmaschine, verdampft werden. Bei der eingangs genannten Vorrichtung besteht die Lösung der Aufgabe darin, daß die Einrichtung zum Eindüsen von Wasser eine Mehrzahl von über dem Querschnitt des Zuluftkanals verteilten Mikrodüsen auf- weist, deren Düsendurchmesser < 20 um, vorzugsweise < 10 um ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verdampfungsenthalpie des zugeführten Wassers auch jenseits der Sättigungsgrenze der Zuluft zur Kühlung nutzbar gemacht werden kann, sofern es gelingt, den Impuls der Tröpfchen so- weit zu vermindern, daß die Tröpfchen der Luftströmung fol- gen, ohne beschädigend auf die Wandungen der Maschine aufzu- treffen. Hieraus bestimmt sich die kritische Größe für den Durchmesser der Mikrotröpfchen. Bei besonders hohen Strö- mungsgeschwindigkeiten in Turboverdichtern wird man bis auf lOpm, vorzugsweise bis auf 1 Wm, zurückgehen.

Die Verdampfungsenthalpie des jenseits der Sättigungs- grenze zugeführten Wassers wird bei der anschließenden Ver- dichtung der Zuluft zu einer Innenkühlung mit dem Ergebnis genutzt, daß Leistung und Wirkungsgrad ansteigen. Von we- sentlicher Bedeutung ist, daß diese Innenkühlung unabhängig davon wirksam wird, unter welchen Temperatur-und Feuchtig- keitsbedingungen die Außenluft steht.

Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo der die Zu- luft bildende Mikrotröpfchen-Nebel einem Prozeß unterworfen wird, der zu einer Erhöhung des Drucks und/oder Temperatur

führt und dementsprechend Bedingungen schafft, unter denen die Mikrotröpfchen bei ihrer Verdampfung latente Wärme auf- nehmen können.

Ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist das der Gas- turbinen, und zwar vor allen Dingen auf dem Kraftwerkssek- tor. Die Zerstäubung des Wassers findet vorzugsweise vor der ersten Verdichterstufe statt, wobei die Innenkühlung in der ersten und/oder in einer oder mehreren der nachgeschalteten Verdichterstufen stattfinden kann. Auch besteht die Möglich- keit, die Mikrotröpfchen in die Zuluft oder in einen Teil der Zuluft einer nachgeschalteten Verdichterstufe einzudü- sen.

Auch auf Kolbenverdichter ist die Erfindung anwendbar, wobei hier die Empfindlichkeit gegenüber der Tröpfchengröße etwas geringer ist, da die mit Turboverdichtern verbundenen strömungsmechanischen Beeinträchtigungen bzw. Unwuchtproble- me nicht auftreten.

Ferner ist es vorteilhaft, die Zuluft von Kolbenkraftma- schinen in einen Mikrotröpfchen-Nebel zu überführen. Handelt es sich um eine aufgeladene Kolbenkraftmaschine, so werden besonders große Vorteile dadurch erzielt, alternativ oder insbesondere zusätzlich die Zuluft des Laders in einen über- sättigten Mikrotröpfchen-Nebel zu verwandeln.

Die Zerstäubung des Wassers wird vorzugsweise mit einem Druck von 100 bis 300 bar durchgeführt. Drücke bis zu 1000 bar sind ebenfalls denkbar.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorge- schlagen, das Wasser vor dem Zerstäuben zu kühlen. Dadurch wird die Sättigungsgrenze bei niedrigeren Temperaturen über- schritten, da die Enthalpie des zugeführten Wassers geringer ist. Die Temperatur der Zuluft kann dadurch weiter verrin- gert und der Wirkungsgrad der Maschine weiter erhöht werden.

Da der Durchmesser der Mikrodüsen kleiner als der kriti- sche Tröpfchendurchmesser ist (er kann diesen Wert annä- hern), bedarf es spezieller Technologien, um ein geeignetes Düsensystem aufzubauen. Halbleiterstrukturen und keramische

Strukturen, beispielsweise Siliziumchips, haben sich beson- ders bewährt. Auch Polymere und Metalle kommen in Frage.

Jede dieser Strukturen enthält vorzugsweise eine einzige Dü- senöffnung. Im praktischen Einsatz wird mit Düsensystemen gearbeitet, die über mehrere tausend Düsen verfügen.

Das Düsensystem wird vorteilhafterweise in geringem Ab- stand vor der Verdichtungsstelle angeordnet, um die Mikro- tröpfchen daran zu hindern, miteinander zusammenzustoßen und zu agglomerieren. Der Abstand kann aufgrund eines zusätz- lichen vorteilhaften Effektes der Erfindung sehr gering ge- wählt werden. Vor Erreichen der Sättigungsgrenze sind näm- lich die Mikrotröpfchen aufgrund ihrer gro$en spezifischen Oberfläche in der Lage, sehr rasch zu verdampfen. Die Sätti- gungsgrenze wird also schon sehr früh überschritten.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un- teransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, und zwar in Verbindung mit dem als Fig. 1 beigefügten Diagramm.

Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um die Konditionierung der Zuluft für die erste Verdichterstufe einer Gasturbine. Die Zuluft wird also direkt aus der Außen- luft angesaugt.

Das Diagramm zeigt die Lufttemperatur in °C, aufgetragen über dem Wassergehalt der Luft in g/kg. Dabei gibt die Kur- venschar 1 die relative Luftfeuchtigkeit der Außenluft wie- der.

Ausgangspunkt des Verfahren ist der Punkt 1, der den Zu- stand der Außenluft wiedergibt. Die Temperatur beträgt etwa 26°C, und der Wassergehalt liegt bei 9 g/kg. Daraus resul- tiert eine relative Luftfeuchtigkeit von etwa 43%.

Während der Ansaugung durch den Verdichter wird Wasser in Form von Mikrotröpfchen in die Zuluft eingesprüht Der Zustand der Zuluft folgt dabei der Kurve B und erreicht da- bei den Punkt 2, der den Sättigungszustand wiedergibt, näm- lich eine relative Luftfeuchtigkeit von 100%. Die Temperatur

liegt hier bei etwa 17°C. Nach dem Stande der Technik würde die Zuluft nach Tropfenabscheidung in diesem Zustand in den Verdichter eintreten.

Erfindungsgemäß hingegen wird das Einsprühen von Mikro- tröpfchen fortgesetzt. Der Zustand der Zuluft folgt weiter- hin der Kurven B, und zwar bis zum Punkt 3. Dieser liegt im Übersättigungsbereich. Die Mikrotröpfchen und die Zuluft bilden einen Nebel, und treten in dieser Form in die erste Stufe des Verdichters ein.

Dabei beträgt die Temperatur der Zuluft nach wie vor 17°, da der Abschnitt der Kurve B zwischen den Punkten 2 und 3 auf einer Isothermen liegt. Allerdings hat der Wasserge- halt der Zuluft stark zugenommen. Betrug er im Punkte 2 noch ca. 12,2 g/kg, so liegt er nun bei ca. 15,3 g/kg. Die Diffe- renz des Wassergehaltes, nämlich ca. 3,1 g/kg, steht im Ver- dichter zur Verdunstung zur Verfügung und bewirkt dank ihrer Verdampfungsenthalpie eine entsprechende Innenkühlung.

Eine Beschädigung der Verdichterschaufeln ist nicht zu befürchten, da der Impuls der Mikrotröpfchen so gering ist, daß die Mikrotröpfchen der Luftströmung folgen, ohne beschä- digend auf die Verdichterschaufeln aufzuprallen.

Das Diagramm zeigt, daß der Effekt der Innenkühlung auch dann wirksam wird, wenn die Zuluft an einem Zustandspunkt der Außenluft angesaugt wird, welcher bei höherer Temperatur und/oder bei höherer relativer Luftfeuchtigkeit liegt.

Durch die Temperatur des Sprühwassers läßt sich die Steilheit der Kurve B zwischen den Punkten 1 und 2 verän- dern. Durch Kühlung des Sprühwassers besteht also die Mög- lichkeit, die Zustandsänderung der Zuluft derart zu steuern, daß die Sättigungsgrenze bei einer niedrigeren Temperatur durchschritten wird.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen ge- geben. Die Größe der Mikrotröpfchen und der zugehörigen Mi- krodüsen kann je nach Anwendungsfall beliebig variiert wer- den. Ferner können die Düsen aus unterschiedlichsten Materi- al hergestellt werden. Schließlich kann die Zuluft auch in wenigstens zwei Schritten gekühlt werden, wobei die Zuluft im ersten Schritt mit Wasser beliebiger Tröpfchengröße bis zur Sättigungsgrenze gekühlt wird, woraufhin im zweiten Schritt hinter einem Tröpfchenabscheider Mikrotröpfchen zur Innenkühlung im nachfolgenden Verdichter eingedüst werden.