CH683281A5 - Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Energie unter Ausnützung des BLEVE-Effektes. - Google Patents

Description

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CH 683 281 A5

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Beschreibung

Thermodynamische Energie wird heute mit zwei bekannten Verfahren erzeugt. Zum Einen wird Wasserdampf erzeugt und dieses bis in den überhitzten Bereich erwärmt, um danach über ein- oder mehrstufige Turbinen den Dampf kontinuierlich zu expandieren. Zum Anderen wird Energie in Explo-sions-Verbrennungsanlagen erzeugt. Diese beiden Prozesse sind hinreichend bekannt und brauchen daher nicht weiter beschrieben zu werden.

Durch verschiedene Explosionsunfälle ist man auf einen neuen Effekt gestossen, der von verschiedenen Wissenschaftlern beschrieben worden ist, ohne jedoch hierfür bisher eine ausreichende physikalische Erklärung zu finden. Dieser Effekt ist in der Fachliteratur unter der Kürzung BLEVE bekannt. Hierin steht BLEVE für Boiling Liquid Expan-ding Vapour Explosion). Einer der wesentlichsten Artikel hierüber veröffentlichte Prof. Robert C. Reid vom Massachussets Institute of Technology (MIT), in der amerikanischen Zeitschrift American Scien-tist, Ausgabe März/April 1976 (Volumme 64). In diesem Artikel, unter dem Titel «Super Heated Li-quids», beschreibt Robert C. Reid den bisherigen Kenntnisstand der sogenannten BLEVE-Explosio-nen. In einem einfachen Versuch beschreibt er, eine Blasensäule, die mit einem Heizdraht umwik-kelt ist, dessen Anzahl Windungen pro Längeneinheit nach oben hin zunimmt. In dieser Blasensäule befindet sich eine Gastflüssigkeit, die erwärmt wird. Am unteren Säulenende wird ein Tropfen Testflüssigkeit injiziert. Die Gastflüssigkeit ist soweit erwärmt, dass unten in der Säule eine Temperatur kurz unterhalb der Siedetemperatur der Testfiüssig-keit herrscht, während die Temperatur oben in der Blasensäule bis weit über den Siedepunkt steigt. Der in der Blasensäule aufsteigende Tropfen der Testflüssigkeit wird somit über den Siedepunkt hinaus erhitzt in den sogenannten überhitzten Bereich. Da in der Gastflüssigkeit sich keine Verunreinigungen befinden, kann keine Nukleation stattfinden, wodurch keine zur Verdampfung erforderliche Blasenbildung möglich ist. Der Tropfen der Testflüssigkeit steigt nun kontinuierlich auf, überhitzt sich und es kommt völlig überraschend zur Explosion.

Den gleichen Effekt kann man auch mit einem flüssigen Gas erreichen, in dem man dieses unter Druck bis nahe der Sattdampfgrenze erwärmt und danach bei gleichbleibender Temperatur plötzlich expandieren lässt, wobei es zu einer heftigen Explosion kommt. Vergleicht man den Druckverlauf einer Explosion beispielsweise von Schwarzpulver mit dem Druckverlauf einer BLEVE-Explosion, so stellt man fest, dass der erzeugte Druck einer BLEVE-Explosion zirka dreimal so stark ist und die Reaktionszeit in dem der Druck aufgebaut und wieder abgebaut ist nur ein Zehntel einer üblichen Explosion misst. Während bei einer üblichen Explosion der Ablauf etwa innert 50 Millisekunden vorüber geht, erfolgt eine überhitzte Dampfexplosion innert nur 3 Millisekunden.

Trotz aller Versuche und Beobachtungen hat man sich bisher nicht daran gewagt, den BLEVE-Effekt für die Energienutzung zu verwenden. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Anlage zur Erzeugung von Energie unter Ausnützung des BLEVE-Effektes zu schaffen. Die erste Aufgabe erfüllt ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und eine danach arbeitende Anlage geht aus dem unabhängigen Anspruch 7 hervor. Um Gasverluste zu vermeiden, lässt sich das Verfahren in einem geschlossenen Kreislauf des Gases durchführen. Weitere vorteilhafte Formen des Verfahrens gehen aus den abhängigen Ansprüchen 3 bis 6 hervor und vorteilhafte Varianten der Anlage gemäss Anspruch 7 aus den abhängigen Ansprüchen 8 bis 10.

Zur Erläuterung des Verfahrens und der zur Durchführung erforderlichen Anlage dient die beiliegende Zeichnung. Sie zeigt:

Fig. 1 ein Temperatur-Druck-Diagramm aus dem der Ablauf des Verfahrens ersichtlich ist und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfin-dungsgemässen Anlage.

Was physikalisch in der Anlage gemäss der Fig. 2 abläuft, ist aus dem Diagramm gemäss der Fig. 1 ersichtlich. Dieses Temperatur-Druck-Dia-gramm ist für Propan gezeichnet. Die im Diagramm mit einer realtiv dünnen Linie gezeichnete Kurve a ist die Sattdampfkurve. Diese beginnt im Punkt F bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von zirka -40°C. Von hier aus steigt die Kurve in einem gekrümmten Verlauf kontinuierlich bis zu seinem höchsten Punkt bei einem Druck von etwa 42 bar und einer Temperatur von etwa 95°C. Eine steilere, darunter liegende, geradlinig verlaufende Kurve b stellt die sogenannte Limitkurve dar. Diese Limitkurve würde man korrekterweise mit Überhit-zungsgrenzkurve bezeichnen. Sie beginnt bei einem Druck von 1 bar und cirka 52°C und steigt linear zum bereits genannten Punkt A bei einem Druck von etwa 42 bar und einer Temperatur von annähernd 95°C auf. Oberhalb der Sattdampfkurve a bis zum Punkt A ist das Propan gasförmig, aber nicht überhitzt, jedoch oberhalb des Punktes A ist keine Flüssigkeit mehr vorhanden, man spricht von einem überkritischen Zustand und unterhalb der Limitkurve b ist das Propan in der Form eines überhitzten Gases vorhanden. Im Bereich zwischen den beiden Kurven a und b liegt das Propan in flüssiger Form vor. Erwärmt man das Propan auf eine Temperatur von zirka 40°C bei einem Druck von ungefähr 12 bar, was etwa dem Punkt B im gezeigten Diagramm entspricht, so kann man durch eine plötzliche Druckreduktion auf den Punkt C gelangen, doch ist es unmöglich das Propan in den Bereich des überhitzten Gases überzuführen, in dem man lediglich den Druck reduziert, da die sogenannte Limitkurve b hier nicht überschritten werden kann. Erst bei einer Erwärmung auf eine Temperatur von über 53°C und einem Druck über 20 bar ist dies möglich. Beim erfindungsgemässen Verfahren erwärmt man vorzugsweise das Propan bis auf eine Temperatur von cirka 65°C erhöht den Druck auf etwa 25 bar, was ungefähr dem Punkt D im Diagramm entspricht. Durch einen plötzlichen Druckab5

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fall auf etwa 10 bar bei gleichbliebender Temperatur erreicht man auf der Überhitzungsgrenzkurve b den Punkt E. Diese sogenannten Reaktionsentspannung vom Punkt D zum Punkt E löst die entsprechende BLEVE-Explosion aus. Es entsteht dabei ein Gasflüssigkeitsgemisch, bei dem die Flüssigkeit sich als Kondensat niederschlägt und das Gas zur Arbeitsentspannung über eine Turbine abgeführt wird. Das Gas entspannt sich, kühlt sich ab und kondensiert wieder bis man zum Ausgangspunkt F zurückgekehrt ist.

Dieser theoretische Ablauf erfolgt in einer Anlage gemäss der Fig. 2. Ausgehend von einem Entspannungsraum 7, in dem das Propan unten in Form von Kondensat 8 anliegt, wird mittels einer Druckpumpe 1 über ein Saugrohr 20 angesogen und über eine Druckleitung 21 zu einem ersten Wärmetauscher 2 geführt. Hier wird eine Wärmmenge Q zugeführt und das Propan auf eine Temperatur von cirka 40-50°C erwärmt. In der Druckleitung 21 herrscht ein Druck pi von cirka 25 bar und eine Temperatur von Ti cirka -20°C. In der nachfolgenden Förderleitung 22 herrscht der gleichgebliebene Druck pi und die erhöhte Temperatur T2 von cirka 40-50°C. Im anschliessenden zweiten Wärmetauscher 3 wird wiederum Wärme Q zugeführt bis das Propan eine Temperatur von T3 von cirka 60-70°C erreicht hat. Über eine Zufuhrleitung 23, in der die Temperatur T3 herrscht, gelangt das flüssige Propan zum sogenannten Vorentspannungsventil 10, aus dem Propan mit einem Druck von etwa 25 bar ausströmt und in den BLEVE-Reaktorraum 4 gelangt, in dem ein Druck P2 von etwa 7-17 bar herrscht. Durch die Entspannung findet die BLEVE-Explosion statt, wobei eine grosse Menge von Gas und ein kleiner Anteil von Kondensat entsteht. Das im BLEVE-Reaktorraum 4 sich unten anlagernde Kondensat wird mittels einer Druckpumpe 12 über die Rückkopplungsleitung 24 in den zweiten Wärmetauscher 3 zurückgeführt und auf die vorherige Temperatur T3 wieder erwärmt. Über ein Auslassrohr 25 strömt das Propangas aus dem BLEVE-Re-aktor 4 auf eine Gasturbine 5, die mit einem Generator 6 in Wirkverbindung steht. Sowohl die Gasturbine 5, wie auch der Generator 6 können entsprechend eingekapselt, direkt im geschlossenen Entspannungsraum 7 untergebracht sein. Das aus der Gasturbine 5 strömende Gas kühlt sich wiederum ab und schlägt als Kondensat 8 nieder und der Kreislauf kann von vorne beginnen. Mittels der Gasturbine 5 lässt sich auch die Druckpumpe 1 betreiben. Der Druck p3 und die Temperatur T4 im Auslassrohr 25 werden ständig überwacht und das Vorentspannungsventil 10 wird mittels einer Regelsteuerung 9 nach Massgabe davon gesteuert.

Woher die bei der BLEVE-Explosion freiwerdende Energie kommt, ist von der Wissenschaft bisher nicht schlüssig erklärt worden. Es ist auch nicht die Aufgabe der Erfinder, eine solche theoretische Erklärung oder Deutung zu finden.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie unter Ausnützung des BLEVE-Effektes

(Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion), dadurch gekennzeichnet, dass man ein flüssiges Gas in einem oder mehreren Schritten unter Druck bis an die Sattdampfgrenze erhitzt, in einem Bereich, in dem die Sattdampfkurve über die Überhitzungsgrenzkurve für das entsprechende flüssige Gas verläuft, worauf man das überhitzte, flüssige Gas unter kontrolliertem Druck und Temperaturbedingungen über ein Drosselventil in einen Reaktionsbehälter strömen lässt, wobei das Gas unter Explosion den Druck vom Bereich der Sattdampfkurve bis zur Überhitzungsgrenzkurve abbaut, und dass man das bei der Explosion freiwerdende Gas über eine Turbine leitet, die einen Generator betreibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verfahren in einem geschlossenen Kreislauf des Gases durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das flüssige Gas von 1 bar auf 25 bar unter Druck setzt und danach in einem ersten Schritt auf eine Temperatur erhitzt, bei der noch keine BLEVE-Explosion stattfinden kann und danach eine zweite Erwärmung des Gases herbeiführt, bis in einen Bereich in der eine BLEVE-Explosion stattfinden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mit Propan durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mit FREON durchgeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das flüssige Propan in einem ersten Schritt auf etwa 40-50°C und im zweiten Schritt auf etwa 60-70°C erwärmt.

7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Entspannungsraum (7), in dem der tiefste Druck der Anlage herrscht, eine Pumpe (1) vorhanden ist, die das Kondensat (8) des Gases ansaugt und unter Druck in einen ersten Wärmetauscher (2) fördert, den das flüssige Gas durchströmt, wobei es sich erwärmt und über eine Leitung (22) zu einem zweiten Wärmetauscher (3) gelangt, von dem es höher erhitzt über eine weitere Leitung (23) und ein Vorentspannungsventil (10) in den Reaktorraums (4) gelangt, in dem die BLEVE-Explosion stattfindet, von dem ein Auslassrohr (25) zu einer Turbine (5) im Entspannungsraum (7) führt.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückführungsrohr (24) vorhanden ist, über welches mittels einer Pumpe (12), das im Reaktorraum (4) anfallende Kondensat in den zweiten Wärmetauscher (3) zurückführbar ist.

9. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der zweite Wärmetauscher (3) mit einem Sicherheitsventil (11) ausgerüstet ist.

10. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelsteuerung (9) vorhanden ist, mittels der das Vorentspannungsventil (10) nach Massgabe des Druckes (P3) und der Temperatur (T4) des Gases im Auslassrohr (25) steuerbar ist.

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