CH280282A - Verfahren zum Betrieb von Wärmekraftmaschinen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. - Google Patents

Description

  <B>Verfahren zum Betrieb von</B>     Wärmekraftmaschinen   <B>und Einrichtung</B>  zur     Durchführung    des Verfahrens.    hie vorliegende Erfindung bezweckt, die  thermische Ausnutzung in     Energieerzeugungs-          anlagen    zu verbessern und auch gleichzeitig  eine Verringerung der     Anlageerstellungskosten.          zii    erzielen. Sieht man von den     Wasserkraft-          Lind    Verbrennungsmaschinen ab, so geschieht  die Energieerzeugung noch fast ausschliess  lich in Dampfkraftanlagen, mit denen erst in  den letzten Jahren die     Grasturbinenanlage    in  Wettbewerb getreten ist.  



  Die Dampfkraftanlage ist durch folgende  wesentliche Bestandteile gekennzeichnet  1. Erhitzer,  2. Kraftmaschine,  3. Kondensator,       -l.        Kondensatpumpe    für Druckerhöhung des  Arbeitsmittels.  



  Die     GTasturbinenanlage    erfordert  1. einen Erhitzer,       _'.    eine Kraftmaschine,  :3. einen Kompressor für die Kompression des  kalten Arbeitsmittels,       -1.    einen     Wärmeaustauscher    für eine möglichst  weitgehende Übertragung der fühlbaren  Wärme der Abgase der Turbine auf das  komprimierte Arbeitsmittel.  



  her     Wärnieaustauscher    ist zwar grund  sätzlich entbehrlich, aber zur Erzielung eines  hohen thermischen Wirkungsgrades notwen  dig und ausschlaggebend.  



  Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein  Verfahren zum Betrieb von Wärmekraft-         niaschinen,    bei denen als Arbeitsmittel ein  Medium verwendet wird, welches von einem  Anfangszustand, gegeben durch Druck und  Temperatur, auf einen Gegendruck expan  diert, der gleich dem Dampfdruck des Me  diums bei     Umgebungstemperatur    ist, so dass  eine Verflüssigung des Mediums möglich ist,  wobei am Ende der Expansion das Medium  sich im Überhitzungsgebiet befindet.  



  Das Verfahren ist dadurch gekennzeich  net, dass zunächst die     Überhitzungswärme    des  Mediums nach der Expansion an das im Kreis  lauf     befindlielie    komprimierte Medium abge  geben wird, dass danach das Medium durch       Wärmeentzug    mittels der Umgebung konden  siert und schliesslich in flüssigem Zustand  komprimiert wird.

   Die Einrichtung zur Aus  übung dieses Verfahrens ist dadurch gekenn  zeichnet, dass sie einen Erhitzer zur indirek  ten Erwärmung des Mediums, eine Kraft  maschine, einen     -Värmeaustauscher    zur Rück  führung der beim Austritt aus der Kraft  maschine noch vorhandenen Überhitzungs  wärme des Mediums an das komprimierte,  noch nicht erhitzte Medium, einen Konden  sator zur Verflüssigung des Mediums durch  Wärmeentziehung mittels der Umgebung und  eine Flüssigkeitspumpe zur Erhöhung des  Druckes des verflüssigten Mediums auf den  Anfangsdruck der Kraftmaschine aufweist.  



  Gegenüber der     Gasturbinenanlage    besteht.  der Unterschied,     da.ss    der     Turbogaskompressor         durch einen Kondensator     und    eine     Kondensat-          pumpe    ersetzt ist, gegenüber der üblichen Was  serdampfkraftanlage der Unterschied, dass dem  Kondensator ein     Wärmeaustauscher    vorge  schaltet ist.

   Bei     Wasserdampfkraftmaschinen     wäre ein solcher     Wärmeaustauscher,    welcher  die     Überhitzungswärme    des auf den Enddruck  expandierten     Arbeitsmittels    in den Kreis  prozess zurückführt, wirkungslos und daher  unnütz, weil bei den für die Praxis in Be  tracht kommenden Druck- und Temperatur  grenzen der     Endzustand    des expandierten Ar  beitsmittels im Gebiet des nassen Dampfes  liegt und daher keine     regenerierbare    Abwärme  vorhanden ist. Es wird daher bei dem Ver  fahren nach der Erfindung ein Arbeitsmittel       verwandt,    welches andere thermische Eigen  schaften hat als Wasserdampf.  



  Das erfindungsgemässe Verfahren wird an  Hand des in der beiliegenden Zeichnung ge  zeigten     T-s-Diagrammes    beispielsweise erläu  tert. Das Arbeitsmittel tritt im Zustand     A.     in die Kraftmaschine und     expandiert        adia-          batiseh    bis     zum    Schnitt B     mit    der Linie kon  stanten Druckes<I>p2,</I> bei welchem die Konden  sation durchgeführt wird. Dieser Druck p2  entspricht der Isobare des Arbeitsmittels bei       Umgebungstemperatur    t,.

   Die Leistung der  Kraftmaschine<I>AL</I>     wird    durch die Fläche       DEABCD   <I>=</I>     EAFG    dargestellt. Vom     Punkt   <I>B</I>  aus wird zunächst die     Überhitzungswärme          BCJF   <I>-</I>     c,        (t2-t,)    und danach die latente  Wärme     r   <I>=</I>     CJHD    entzogen.

   Die Überhit  zungswärme wird durch einen     Rekuperator       auf das verflüssigte Arbeitsmittel     übertragen,     dessen Anfangszustand durch D gekennzeich  net ist, wenn man von der kleinen     Wärme-          zufuhr    der     Kondensatpumpe    absieht, und so  in den     Kreisprozess    zurückgeführt. Die unter  Druck befindliche Flüssigkeit erwärmt sich  im     Rekuperator,    geht, im Laufe der Wärme  aufnahme in Dampf über und erreicht die  durch K gekennzeichnete Endtemperatur,  welche dadurch bestimmt: ist, dass Fläche       DKLIID   <I>=</I>     BCJF        ist.     



  Die für den Prozess     benötigte    Wärme ist  
EMI0002.0041     
    Der Wirkungsgrad hängt somit von dem  Quotienten     rlAL    ab, welcher möglichst klein  sein muss, wenn man einen hohen Wirkungs  grad erzielen will.  



  Vergleicht man verschiedene Medien, so  muss man davon ausgehen, dass der     Enddruck     <I>p2</I> der Expansion der     Sättigungsdruek    bei  der Kondensationstemperatur ist, welche mit  25  C angenommen wurde, der     Anfangsdruek     durch Rücksicht     auf    die     Festigkeit    des Kon  struktionsmaterials bei einer zulässigen  Höchsttemperatur gegeben ist. Es sei       pi    = 100     at    und     t,    = 600 angenommen, was  etwa dem gegenwärtigen Stand der Technik  für Hochdruckanlagen entsprechen dürfte.

    Nebenstehend ist für mehrere Medien der  Wert     rlAL    angegeben, welcher sieh für vor  stehende     Voraussetzungen    in bezug auf Druck  und Temperaturen ergibt.  
EMI0002.0053     
  
    N1, <SEP> S02 <SEP> C02 <SEP> CHSCI <SEP> CII2C12 <SEP> CF2C12 <SEP> CFCl, <SEP> H20
<tb>  <I>pl/p2</I> <SEP> 9,8 <SEP> 25 <SEP> 1,5 <SEP> 17,3 <SEP> 173 <SEP> 15 <SEP> 92 <SEP> 3100
<tb>  <I>r/AL</I> <SEP> 1,45 <SEP> 1,28 <SEP> 1,7<B>8</B> <SEP> 1,04 <SEP> 0,93 <SEP> 0,99 <SEP> 0,91 <SEP> <B>1,26-</B>
<tb>  <B>'-</B> <SEP> Es <SEP> muss <SEP> hier <SEP> der <SEP> spezifische <SEP> Dampfgehalt <SEP> x <SEP> - <SEP> 0,802 <SEP> berücksichtigt <SEP> werden, <SEP> da <SEP> der <SEP> Endzustand
<tb>  des <SEP> expandierten <SEP> Dampfes <SEP> im <SEP> Nassdampfgebiet <SEP> liegt.

         Die     Zusammenstellung    ermöglicht einen Ver  gleich mit der     Hochdruckdampfkraftanlage,     welche zur Zeit den Stand der erreichbaren  besten     Wärmeausnutzung    kennzeichnet, wenn  man von     Verbrennungskraftmaschinen    und       Mehrstoffanlagen    absieht. Man sieht, dass es  Medien gibt, welche eine verbesserte Wärme  ausbeute und somit einen technischen Fort-    schritt. in thermischer Hinsicht. ermöglichen,  während andere sieh ungünstiger verhalten.

    Von den genannten Medien erscheinen, vom  thermodynamischen Standpunkt aus beurteilt,  die Verbindung     CF.Cl2        (Difluordichlor-          methan)    und     CFCl,        (llonofluordichlorme-          than)    besonders geeignet zu sein, weil sie  ausserdem .nicht brennbar und nicht giftig      sind. Damit, sind aber auch andere Stoffe  nicht. ausgeschlossen, welche für das vorge  schlagene Betriebsverfahren benutzt. werden  können und welche man, wenn man weiter       nachforscht,    zunächst unter denen findet,  welche in der Technik als Arbeitsmittel für  die Kälteindustrie vorgeschlagen und ange  wandt worden sind.  



  Wenn nun bei dem Verfahren nach der       Frfindun-    in dem     Wärmeaustauscher    ein  neues Bauelement hinzukommt, so sind auf  der     andern    Seite erhebliche Vorteile vorhan  den, nämlich ausser der Verbesserung der ther  mischen Ausnutzung der weitere Vorteil,     wel-          elier    sieh aus dem sehr viel kleineren Expan  sionsverhältnis ergibt, welcher bei     CF2C12     z. B. nur 15     gegenüber    3100 bei Wasserdampf  ist, wodurch die Turbinenkonstruktion ganz  wesentlich vereinfacht wird. Gegenüber der       Gasturbinenanlage    sind ebenfalls erhebliche  Vorteile vorhanden.  



  Bei der     Gasturbinenanlage    beträgt gegen  über der Nutzleistung die Turbinenleistung  etwa das     3,7faehe,    die     Kompressorleistung      < las     2,7faehe.    Bei denn Verfahren gemäss der  vorliegenden Erfindung ist nur die Effektiv  leistung selbst an rotierenden Maschinen zu  erstellen, wenn man von den nicht erheblichen  Kosten der     Kondensatpumpe    absieht.

   Der  Vergleich der     thermischen    Ausnutzung ergibt  hier folgendes: Für eine in den gleichen     Tem-          peraturgrenzen    arbeitende     Gasturbinenanlage          mit        881/9        Turbinenwirkungsgrad        und        85%          Kompressorwirkungsgrad,    wobei die Turbine  mit     adiabatiseher    Kompression, der Kompres  sor mit, einmaliger     Zwischenkühlung    arbeitet,  sind folgende Wirkungsgrade erzielbar,

   wenn  die mittlere Temperaturdifferenz im     Wärme-          austauscher    50 bzw. 100  C     beträgt.     



  4 t = 50 100       pr/p2    = 3,0 4,0       rr    = 0,33 0,27  Demgegenüber ist bei dem Verfahren gemäss  der vorliegenden Erfindung mit z. B.     Difluor-          dieblormethan    als Arbeitsmittel ein     Wirkungs-          grad    von etwa     ij    = 0,44 zu erwarten, und     zwar     bei einer mittleren Temperaturdifferenz im         Wärmearlstauscher    von annähernd 100  C.

   Die  Temperaturdifferenz beim Austritt aus dem       Rekuperator    ist nämlich<I>d t =</I>     r/cp.    Hierbei  bedeutet,     cp    die mittlere spezifische Wärme  zwischen den Temperaturen im Punkt E  gleich t2 und im Punkt K. Für     Difluor-          dichlormethan    z. B. ist d<I>t</I> = 33,8/0,18 =188  C,  so dass eine sehr kleine Temperaturdifferenz  bei Eintritt in den     Rekuperator    von etwa       1.0     C bereits ausreichend wäre, um eine mitt  lere Temperaturdifferenz von 100  C zur Ver  fügung     zu    haben.  



  In einem     Kreisprozess    muss die Summe der  abgeführten Wärme und der der Arbeit äqui  valenten Wärme gleich der     zugeführten     Wärme sein. Die     Kraftmaschinenleistung   <I>AL</I>  wird durch die vom Linienzug     DEABCD    ein  geschlossene Fläche und die abgeführte  Wärme durch die Fläche     CDHJ    entsprechend  der latenten Wärme r dargestellt. Die zu  geführte Wärme wird durch die Fläche     AFLK     dargestellt.

   Es ist also die Fläche     AFLK     <I>= AL +</I>     r.    Mit     AFGE   <I>= AL</I> ist       -r   <I>=</I>     EGLK   <I>=</I>     cp        (t2-tK)     Zusammenfassend ist nach den vorstehen  den Betrachtungen festzustellen, dass das Ver  fahren gemäss der vorliegenden Erfindung  einmal einen     Fortschritt    bezüglich der ther  mischen Ausnützung, ferner eine Reduzierung  der     Anlageerstellungskosten    ermöglicht.

   Letz  tere     Verbesserung    ist. gegenüber der Hoch  druckwasserdampfanlage in der bedeutenden  Verkleinerung des Expansionsverhältnisses zu  erblicken, gegenüber der     Gasturbinenanlage    in  der Reduzierung der zu installierenden Lei  stung der Kraftmaschine auf den dritten bis  vierten Teil.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zum Betriebe von Wärme kraftmaschinen, bei denen als Arbeitsmittel ein Medium verwendet wird, welches von einem Anfangszustand, gegeben durch Druck und Temperatur, auf einen Gegendruck ex pandiert, der gleich dem Dampfdruck des Mediums bei Umgebungstemperatur ist, so dass eine Verflüssigung des Mediums möglich ist, wobei sich das Medium am Ende der Expan sion noch im Überhitzungsgebiet befindet, da durch gekennzeichnet, dass zunächst die LTber- hitzungswärme des Mediums nach der Expan sion an das im Kreislauf befindliche kom primierte Medium abgegeben wird, dass da nach das Medium durch Wärmeentzug mittels der Umgebung kondensiert und schliesslich in flüssigem Zustand komprimiert wird.

   II. Einrichtung zur Ausübung des Ver fahrens gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Erhitzer zur in direkten Erwärmung des Mediums, eine Kraft maschine, einen Wärmeaustauscher zur Rück führung der beim Austritt aus der Kraft maschine noch vorhandenen Überhitzungs wärme des Mediums an das komprimierte, noch nicht erhitzte Medium, einen Konden sator zur Verflüssigung des Mediums durch Wärmeentziehung mittels der Umgebung und eine Flüssigkeitspumpe zur Erhöhung des Druckes des verflüssigten Mediums auf den Anfangsclruek der Kraftmaschine aufweist. UNTERANSPRüCHE: 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass ein Medium ver wendet wird, bei welchem das Verhältnis der latenten Wärme (r) bei der Kondensations temperatur zur Kraftmaschinenleistung (AL) bei einem angenommenen Anfangszustand von 100 ata und 600 C kleiner als<B>1,26</B> ist. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel Difluordichlormethan (CF.Clg) verwendet wird. 3. Verfahren nach Patentansprueh I, da durch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel Monofluordichlormethan (CFC13) verwendet wird.