CH675749A5 - - Google Patents

Description

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CH 675 749 A5

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung eines thermodynami-schen Prozesses zur Erzeugung von mechanischer Energie in einem Binärzyklus, welcher einen ersten und einen zweiten Kreislauf besitzt.

Es ist bekannt, dass grosse konventionelle ther-moelektrische Kraftwerke eine besonders günstige Leistungsfähigkeit aufweisen und es besteht die Tendenz, diese Kraftwerke noch mehr zu vergrös-sern.

Gleichzeitig besteht die Tendenz für spezielle Anwendungsbereiche, insbesondere in hochindustrialisierten Ländern, kleinere Kraftwerke mit weniger als 50 MW zu bauen. Solche Kraftwerke benützen bekannte thermodynamische Vorgänge, werden durch Abfallverbrennung oder ähnlich gespiesen und haben nur eine sehr mässige Wirtschaftlichkeit.

Vorgeschlagen wird nun ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer Kraft in einem Binärzyklus, welcher einem neuen thermodynamischen Zyklus entspricht und durch hohe funktionelle Stabilität durch eine einfache Konstruktion und durch relativ mässige Kosten gekennzeichnet ist.

Die Hauptanwendung des Verfahrens liegt im Bereich von Energiequellen mit Temperaturen höher als 400°C, wobei Sonnenenergie, städtische Abfälle, Biomassen sowie industrielle Heizquellen gebraucht werden können. Das Verfahren eignet sich ebenfalls für Wärmerückgewinnung bei variablen Temperaturen über 400°C, z.B. zur Rückgewinnung der Abgaswärme von diesen Motoren. Ferner eignet sich das Verfahren für industrielle Zwecke, z.B. Energiekraftwerken und zum Heizen von städtischen Bezirken.

Um im Vergleich zum Carnot-Prozess, welcher mit hohen Maximaltemperaturen in Kleinkraftwerken arbeitet, eine wesentliche Verbesserung zu erzielen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die in den Ansprüchen beschriebenen Merkmale aufweist. In dieser Weise soll ein Kreislauf mit den nachfolgenden Vorteilen erreicht werden:

1. Gute Anpassung der Wärmeabsorptionskurve des Kreislaufes an die entsprechende Kurve der äusseren Wärmequellen mit hoher Minimaltemperatur, um die Energieverluste durch Wärmeübertragung zwischen einer äusseren Wärmequelle und dem Kreislauf niedrig zu halten.

2. Expansion in einer Turbine unter optimalen thermodynamischen Bedingungen, so dass einfache Turbinen gebraucht werden können mit hohem isoen-tropischem Wirkungsgrad, sowohl bei Vollast als auch bei Teillast. Zu diesem Zwecke ist es notwendig, Flüssigkeiten mit hohem Molekulargewicht zu verwenden, mit mittelmässigen Maximaldrücken und mit niedrigen Druckverhältnissen, um einen hohen Reaktionsgrad und eine trockene Expansion zu erreichen.

3. Fehlendes Vakuum in der Installation, um Energieverluste in dieser Verbindung zu verhindern und eine Kondensation bei der Minimaltemperatur zu ermöglichen, welche das Kühlmedium erlaubt, oder mit variablen Kondensationstemperaturen zu arbeiten, je nach Jahreszeit.

Es ist offenkundig, dass die vorhin aufgeführten Bedingungen nicht mit einer einzigen Flüssigkeit erfüllt werden können. Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass bei Arbeiten mit Maximaltemperaturen im Bereiche von 400°C (um eine hohe absolute Wirksamkeit zu erreichen) es notwendig ist, mindestens drei Kreisläufe zu benützen und zwar jeden mit einer einzigen Flüssigkeit, die kaskadenför-mig verbunden sind, um die vorher erwähnten Bedingungen zu erfüllen. Jeder der drei Kreisläufe arbeitet mit je einer Flüssigkeit, deren Siedepunkt dem Temperaturbereich, welcher diesem Zyklus zugeordnet ist, angepasst ist. Wasser kann nicht eine der Flüssigkeiten sein, da im mittleren Kreislauf arbeitend zwar die erste und die dritte Bedingung erfüllt ist, nicht aber die zweite, da sein Molekulargewicht niedrig ist.

Es ist naheliegend, dass diese Lösung den Nachteil aufweist, dass eine separate Wärmeaustauschfläche zur Wärmerückgewinnung benötigt wird, da die Flüssigkeiten mit hohem Molekulargewicht und trockener Expansion die Rückgewinnung von wesentlichen Wärmemengen am Turbinenausgang implizieren. Ferner sind drei Kreisläufe und drei Turbinen notwendig, wodurch sich eine komplexe Wirkungsweise ergibt und die Kosten ebenfalls erhöht werden.

Das vorgeschlagene Verfahren ersetzt die beiden Kreisläufe mit Einzelflüssigkeit, welche im hohen und im mittleren Temperaturbereich arbeiten, durch einen einzigen Kreislauf, welcher zwei nicht mischbare Flüssigkeiten mit verschiedenen Siedepunkten verwendet, wobei der Kreislauf mit einer Einzelflüssigkeit im mittleren Temperaturbereich arbeitet. Die Ursache, dass dieser letzte Kreislauf separat gehalten wird besteht darin, dass Kühlflüssigkeiten nicht verfügbar sind, welche in einem niedrigen Temperaturbereich gebraucht werden können und ein hohes Molekulargewicht besitzen und ferner, dass sie Temperaturen im Bereiche von 400°C widerstehen können.

Wenn man den oben beschriebenen dreifachen Kreislauf mit dem Binärzyklus vergleicht, so ist es ersichtlich, dass dieser Binärzyklus wesentlich weniger kompliziert ist, d.h. dieser ähnelt einem konventionellen Kreislauf mit einer einzigen Flüssigkeit, da der sekundäre Kreislauf von Kühlflüssigkeit eine kompakte Standardeinheit sein kann, welche automatisch und unabhängig startet, arbeitet und aufhört, der Energie entsprechend, welche vom Primärkreislauf ihm zugeführt wird.

Der Primärkreislauf arbeitet mit einem Gemisch von nichtmischbaren Flüssigkeiten in solcher Weise, dass bei einer maximalen Arbeitstemperatur und bei maximalem Arbeitsdruck das Dampfgemisch trocken und gesättigt ist.

Die Arbeit mit einem Gemisch von zwei Flüssigkeiten bringt den Vorteil mit sich, dass, obwohl die gebrauchten Flüssigkeiten für den Temperaturbereich welcher von diesem gedeckt wird entsprechende Siedepunkte aufweisen, die Bedingung des benötigten hohen Molekulargewichtes nicht für jede der

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Flüssigkeiten erfüllt sein muss. Es genügt nämlich, wenn das Gemisch welches in der Turbine expandiert die Bedingung erfüllt. In dieser Weise kann Wasser als Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt im Gemisch benützt werden, sofern die andere Flüssigkeit ein hohes Molekulargewicht aufweist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass -in der Turbine Dampfverschlüsse gebraucht werden können, ohne dass die Arbeitsflüssigkeit verseucht wäre.

Im Vergleich mit den zwei unabhängigen Zyklen (welche ersetzt wurden) im erwähnten dreifachen Zyklus, weist der Kreislauf mit dem Flüssigkeitsgemisch auch noch andere Vorteile auf, welche darin bestehen, dass die zirkulierenden Flüssigkeitsvolumen reduziert werden und vor allem die notwendige Wärmeaustauschfläche drastisch reduziert wird, nicht nur wegen dem öfteren Wärmeaustausch, sondern auch deswegen, weil dieser Wärmeaustausch hauptsächlich mit Kondensation und Verdampfung stattfindet, (eutektisch bei konstanter Temperatur und nicht eutektisch bei variabler Temperatur) anstelle von mit überhitztem Dampf.

Auf beiliegender Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze der vorgeschlagenen Kreislaufanordnung;

Fig. 2 eine weitere Skizze der Anordnung, wobei im Kreislauf Wasser und Diphenyloxid gebraucht wird; und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufes in Funktion von aH für den Kreislauf nach Fig. 2 mit einer Maximaltemperatur von 400°C.

Das Mengenverhältnis der beiden Flüssigkeiten im ersten Kreislauf beim Turbineneingang ist für einen maximalen Druck und für eine Temperatur festgelegt. Von diesem Verhältnis abhängig ist das Verhältnis zwischen der wiedergewonnenen Wärme im Kreislauf und der Wärme, absorbiert von einer äusseren Wärmequelle. In dieser Weise kann der Kreislauf zur Temperaturkurve an der Wärmequelle angepasst werden.

Die praktische Ausführung der Wärmewiedergewinnung und der Wärmeabsorption in der Aussen-wärmequelle variiert gemäss der gebrauchten Mengenverhältnisse.

Anschliessend wird eine spezielle Ausführung des Verfahrens beschrieben, wobei gemäss dem praktischen Beispiel im Primärkreislauf ein Gemisch von Wasser und Diphenyloxid und im Sekundärkreislauf Freon R11 gebraucht wird.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung zur Energierückgewinnung von Quellen mit konstanter oder variabler Temperatur, wobei die Minimaltemperatur relativ hoch ist.

Die Anlage umfasst zwei Turbinen T-l und T-Il, eine äussere Wärmeerzeugung, zwei Rekuperatoren R-l und R-Il, einen Boiler und einen Dampferzeuger R11, einen Kondenser, einen Phasenseparator und drei Pumpen P-l, P-Il und P-Ill. In diesem Falle erfolgt die Wärmerückgewinnung im Primärkreislauf durch die beiden Rekuperatoren und im Boiler. Das Verfahren geht wie folgt vor sich. Ein Flüssigkeitsgemisch aus Diphenyloxid und Wasser (Punkt 1) kommt vom Verdampfer R11 und wird mit Hilfe der Pumpe P-l zu maximalem Prozessdruck gebracht und anschliessend beim Punkt 2 in die Leitungen des Rekuperators R-Il eingeführt.

Das erwärmte Flüssigkeitsgemisch (Punkt 3) wird -dann in den Boiler eingeführt. In diesem verdampft das Wasser zusammen mit einer kleinen Menge von Diphenyloxid, so dass ein eutektisches Gemisch von Dampf bei Punkt 4 entsteht. Dabei herrscht eu-tektische Temperatur beim maximalen Verfahrensdruck. Das verbleibende flüssige Dipenyloxid wird vom Bodenteil des Boilers extrahiert, wo es infolge seiner grösseren Dichte sich ansammelt und zum Diphenyloxidbehälter (Punkt 14) gebracht wird.

Vor Eintritt in die Leitungen bei Punkt 5 des Rekuperators R-l wird das eutektische Gemisch vom Dampf, erzeugt im Boiler bei Punkt 4, mit dem flüssigen Diphenyloxid gemischt, welch letzteres durch die Pumpe P-Il mit dem grösstmöglichen Druck bei Punkt 18 gefördert wird. Dieses flüssige Diphenyloxid wird in einem Behälter an verschiedenen Stellen des Kreislaufes 14,15,16 und 17 gesammelt, wie dies aus der Fig. 2 ersichtlich ist.

In den Leitungen des R-l Rekuperators findet eine nicht eutektische Verdampfung von flüssigem Diphenyloxid statt. Diese Verdampfung erfolgt bei variabler Temperatur in solcher Weise, dass in jedem Punkt der Umwandlung die Temperatur der Sättigungstemperatur für Diphenyloxid für den parti-alen Druck im nicht-eutektischen Gemisch von Diphenyloxiddampf und Wasserdampf entspricht, welcher die Diphenyloxidflüssigkeit durch die Leitung begleitet. Am Austritt des Rekuperators R-l in der Leitung bei Punkt 6 ist immer noch ein wesentlicher Teil von flüssigem Diphenyloxid vorhanden, zusammen mit einem nicht-eutektischen Gemisch von Diphenyloxiddampf und Wasserdampf.

Diese Zweiphasenströmung gelangt dann zur äusseren Wärmequelle, wo wiederum bei variabler Temperatur das flüssige Diphenyloxid verdampft wird. Bei der Austrittsstelle (Punkt 7) ist bereits das ganze Diphenyloxid verdampft, so dass ein Gemisch von Diphenyloxiddampf und Wasserdampf entsteht, welches trocken und Diphenyloxid-gesät-tigt ist. (Es kann auch überhitzt sein). In diesem Falle bei einer bestimmten Maximaltemperatur wird das Verhältnis von Diphenyloxiddampf und Wasserdampf durch den maximalen Druck im Kreislauf beim Punkt 7 bestimmt, da, nachdem das Gemisch in Dipenyloxid gesättigt ist, der Partialdruck desselben dem Sättigungsdruck von Diphenyloxid bei der maximalen Kreislauftemperatur entsprechen muss.

In der äusseren Wärmequelle entstandenes Dampfgemisch gelangt in die Turbine T-l, wo es sich ausdehnt und für die nachfolgende Wärmerückgewinnungsphase einen geeigneten Druck aufweist. Das Gemisch dehnt sich aus, es erfolgt eine Überhitzung wobei in Übereinstimmung mit dem Bestreben des überwiegend vorhandenen Komponenten (Diphenyloxid) die Expansion vollständig trocken ist.

Das überhitzte Dampfgemisch, welches die Turbine beim Punkt 8 verlässt, gelangt zu der Warmseite des nachfolgenden Wärmeaustauschers der Wärmerückgewinnungsstufe, deren Kaltseite soeben

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beschrieben wurde. Zunächst gelangt es zum Rekuperator R-l, wo es abgekühlt wird, bis zum Erreichen des Taupunktes des Gemisches beim vorhandenen Druckpunkt Von diesem Punkt beginnt die Kondensation von Diphenyloxid bei variabler Temperatur aus denselben Gründen wie im Falle der Verdampfung desselben.

Am Ausgang des Rekuperators R-l ist flüssiges Diphenyloxid vorhanden, welches kondensiert wurde und ein verbleibendes Dampfgemisch wird im Diphenyloxid gesättigt. Die kondensierte Diphenyl-oxidflüssigkeit wird bei Punkt 15 in den Dipenyloxid-behälter eingeführt. Das Dampfgemisch gelangt bei Punkt 9 in die Leitungen des Boilers.

In den Boilerleitungen wird das Diphenyloxid bei variablen Temperaturen weiter kondensiert. Beim Ausgang wird das flüssige Diphenyloxid durch einen Phasenseparator gesammelt, welches Diphenyloxid in den Diphenyloxidkessel bei Punkt 16 eingeführt wurde. Das verbleibende Dampfgemisch (Punkt 11), gesättigt im Diphenyloxid, gelangt zum Behälter R11, wo ein Teil des Diphenyloxides wiederum bei variabler Temperatur kondensiert und beim Aus-lass (Punkt 17) des R11-Rekuperators extrahiert wird, worauf die Rückführung zum Diphenyloxidbe-hälter erfolgt. Das verbleibende Dampfgemisch (Punkt 12), gesättigt in Diphenyloxid, gelangt zum Kühlflüssigkeitsverdampfer R11. Im R11-Verdampfer wird das Dampfgemisch wie folgt kondensiert: Zuerst wird ein Teil des Diphenyloxids kondensiert bis das Dampfgemisch seine eutektische Zusammensetzung erreicht und praktisch dieselbe Temperatur hat wie dieselbe gesättigt mit Wasser beim gegebenen Druck. Diphenyloxid und Wasser werden simultan kondensiert, bis eine Flüssigkeitsmischung entsteht, wie am Anfang der Beschreibung des Kreislaufes (Punkt 1) erwähnt ist.

Im Sekundärkreislauf gelangt die Kühlflüssigkeit, welche im Verdampfer R11 verdampft wurde (Punkt 21), zur Turbine T-l und expandiert-trockenüberhitzt bei einem Sättigungsdruck, welcher der Kondensationstemperatur (Punkt 22) entspricht. Dieser Druck ist gleich oder leicht höher als der atmosphärische Druck. Von da aus gelangt es zum Endkondenser (Punkt 19) zum Abkühlen und Kondensieren, worauf das Gemisch zum Verdampfer durch die Pumpe P-III gepumpt wird beim Maximaldruck des Kreislaufes (Punkt 20).

Claims (12)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Durchführen eines thermodynamischen Prozesses zur Erzeugung von mechanischer Energie in einem Binärzyklus, welcher einen ersten und einen zweiten Kreislauf besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Kreislauf eine Kühlflüssigkeit und im ersten Kreislauf zwei im wesentlichen nicht mischbare Flüssigkeiten mit verschiedenen Siedepunkten verwendet werden, wobei bei maximalem Arbeitsdruck und maximaler Temperatur in der Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt ein Dampfgemisch gesättigt wird, während bei einem niedrigeren Arbeitsdruck eine eutektische Kondensation bei einer Temperatur stattfindet, bei welcher

Wärmeabgabe an die Kühlflüssigkeit des zweiten Kreislaufs möglich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Trockenexpansion des im ersten Kreislauf entstandenen Dampfgemischs von maximalem Arbeitsdruck und maximaler Temperatur zum minimalen Arbeitsdruck des ersten Kreislaufs;

b) Kühlen des expandierten Dampfgemischs und Kondensieren von Teilen der Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt bei variablen Temperaturen, wobei diese Wärme im ersten Kreislauf wiedergewonnen wird;

c) Trennen der Flüssigkeitsteile mit höherem Siedepunkt, welche gemäss Schritt b) kondensiert werden und Überführen der Flüssigkeit zu einer Stelle, wo die gleiche Temperatur herrscht wie in Schritt e);

d) vollständige Kondensation des nach dem Schritt c) verbliebenen Dampfgemischs in einem Wärmeaustauscher, welcher Wärme vom ersten zum zweiten Kreislauf fördert, zunächst bis zum Erreichen der elektischen Zusammensetzung bei variablen Temperaturen und dann bei elektischer Temperatur, welche bei minimalem Arbeitsdruck im ersten Kreislauf herrscht;

e) Wiedergewinnung der Wärme aus dem Schritt b) zum Erwärmen des Gemischs, kondensiert im Schritt d) und zum teilweisen Verdampfen derselben;

f) Wärmeaufnahme durch das Gemisch in zwei Phasen, erhalten im Schritt e) und vollständige Verdampfung des Gemischs bis zum Erreichen der maximalen Arbeitstemperatur des ersten Kreislaufs zur Rückkehr zum Schritt f);

g) Trockenexpansion des Dampfs der Kühlflüssigkeit des zweiten Kreislaufs vom maximalen Arbeitsdruck und maximaler Temperatur zum minimalen Arbeitsdruck dieses Kreislaufs;

h) vollständige Kondensation des entwichenen Dampfs nach der Expansion g) in einem gekühlten Endkondenser;

i) Erwärmen und Verdampfen der Kühlflüssigkeit in einem Wärmeaustauscher, welcher Wärme vom ersten Kreislauf fördert, bis zum Erreichen der maximalen Arbeitstemperatur des zweiten Kreislaufs und Gewinn von trockengesättigtem oder überhitztem Dampf gemäss der Anfangskonditionen des Schritts g).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerückgewinnung im ersten Kreislauf drei Unterstufen aufweist, welche durch das Medium, welches auf der Kaltseite arbeitet, gekennzeichnet sind, wobei in der ersten Unterstufe mit der niedrigsten Temperatur, das Gemisch in der flüssigen Phase erwärmt wird, in der zweiten Unterstufe die ganze Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt, welche eutektisch mit Teilen der Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt gemischt ist, bei der eu-tektischen Temperatur verdampft wird, oder die Verdampfung nur die Flüssigkeit von niedrigem Siedepunkt betrifft, welche vorher in der flüssigen Phase von der anderen Flüssigkeit getrennt wurde, und in der dritten Unterstufe Teile der verbleibenden Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt, nicht eu-

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tektisch bei variabler Temperatur verdampft werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Warmseite jeder Wiedergewinnungsunterstufe des ersten Kreislaufs kondensierten Teile der Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt getrennt und anschliessend an eine oder an verschiedene geeignete Stellen auf der Kaltseite der Wärmerückgewinnung gepumpt werden, welche Stelle die Einlass- oder die Auslassstelle oder eine Zwischenstelle zwischen den Unterstufen sein kann.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung der zweiten Wärmerückgewinnungsunterstufe des ersten Kreislaufs im Gehäuse eines Wärmeaustauschers erfolgt, wobei die Überschussflüssigkeit mit höherem Siedepunkt im unteren Teil des Gehäuses getrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht eutektische Verdampfung der Flüssigkeit vom höheren Siedepunkt des ersten Kreislaufs in der dritten Unterstufe nicht direkt im Wärmeaustauscher erfolgt, sondern durch das Gemisch einer Substanz mit höherem Siedepunkt in der Liquidphase, welche vorher in der dritten Unterstufe erhitzt wurde, entweder mit dem eutektischen Dampfgemisch aus der zweiten Unterstufe oder mit dem gesättigten Dampf, welcher in dieser zweiten Unterstufe erzeugt wurde.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung der Flüssigkeit mit niederem Siedepunkt oder die eutektische Verdampfung des Gemischs in der zweiten Unterstufe des ersten Kreislaufs teilweise mit Hilfe einer äusseren Wärmequelle durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Flüssigkeitsge-mischs des ersten Kreislaufs in der ersten Unterstufe teilweise durch eine äussere Wärmequelle erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Kreislauf Wärme auch aus der äusseren Wärmequelle absorbiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kreislauf Wasser und eine mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit verwendet wird, wobei das Wasser die Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt bildet und die andere Flüssigkeit Diphenyl, Diphenyloxid oder ein Gemisch der beiden in einem solchen Verhältnis sein kann, dass die beiden mischbar bleiben und zuletzt eine Flüssigkeit bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Kreislauf Wasser verwendet wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Kreislauf das nach dem Schritt c) verbliebene Dampfgemisch, gebildet meistens als Wasserdampf, zur direkten Expansion gebracht wird und in einer Turbine zur Arbeitserzeugung verwendet, während die austretende Mischung in einen Endkondensor geführt wird.

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