DE10131072C1

DE10131072C1 - Wärmetrafo mit Rückverdichtung

Info

Publication number: DE10131072C1
Application number: DE10131072A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schwieger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: DE50201822D1; EP1270877A1; ES2236395T3; ATE285511T1; EP1270877B1

Abstract

Durch Rückverdichtung des Abdampfes soll der das Wärmetrafosystem durchlaufende Dampf in einem geschlossenen Kreislaufsystem möglichst weitgehend in Energie umgesetzt werden, ohne daß Abwärme über einen Kühlturm abgeführt werden muß.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregats, z. B. eines Hilschrohres, bei dem ein Dampfstrom, insbesondere ein Sattdampfstrom, im Wirbelaggregat in einen erwärmten Teilstrom und in einen abgekühlten Teilstrom aufgeteilt wird und im abgekühlten Teilstrom eine Kondensation stattfindet, und das Kondensat nach Druckerhöhung durch eine Pumpe die Wärme des erwärmten Teilstro mes aufnimmt und verdampft und der Dampf nach Arbeitsleistung in einer Arbeitsmaschine in die Wirbelströmung zurückgeführt wird entsprechend dem Patent DE 199 16 684.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem entsprechend der Patentschrift DE 199 16 684 arbeitenden Kraftwerk die im Abdampf befind liche Energie besser zu nutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Restdampf menge mittels eines Dampfverdichters verdichtet einem Wirbelaggregat (W) zugeführt wird, wobei die Restdampfmenge aus dem Warmstromanteil des letzten Wirbelaggregates und dem Abdampf der letzten Arbeitsmaschine besteht.

In Abweichung von dem in der Patentschrift DE 199 16 684 beschriebenen Verfahren ist es nicht so sehr von Bedeutung, in einem einzigen Durchlauf durch das Transformations-System durch möglichst viele in Reihe geschal teter Trafostufen eine möglichst hohe Verringerung der im Kondensator niederzuschlagenden Abdampfmenge zu erreichen, da eine Rückverdichtung erfolgt.

So kann auch eine lohnende Mehrleistung der Turbine gegenüber dem Verdichter einen einstufigen Trafo-Prozeß wirtschaftlich vertretbar machen. Allerdings steigt mit der Abnahme der Leistungsdifferenz zwischen Ver dichter und Turbine bei nur einer Trafostufe die Anzahl der erforderlichen Durchläufe.

An Stelle einer Dampfabgabe aus einer vorhandenen Anlage kann natürlich auch Dampf aus anderen Quellen bezogen bzw. über Dampfverdichter in das System eingespeist werden. So kann aus einer thermischen Meerwasserentsalzungsanlage in der Dampfphase über Verdichtung eine Einspeisung erfolgen, wobei der Dampf nach Nutzung zur Energieerzeugung wieder als Kondensat abgegeben wird. Ähnlich kann bei solar, mittels Erdwärme oder sonst wie erzeugtem Heißwasser Dampf durch Aus dampfung gewonnen werden.

Bei der Optimierung des Prozesses bringt eine Abweichung der er reichbaren Turbinenleistung weniger eine Änderung des Prozess-Wirkungsgrades als vielmehr eine Erhöhung der Zahl der Durchläufe über die Rückverdichtung, dadurch einen Anstieg der erforderlichen Anlagenkapazität und der Kosten, da ja die vorstehend einzeln betrachteten Durchläufe in Wirk lichkeit gemeinsam gleichzeitig ablaufen.

Wesentlich ist also, daß die erzielte Turbinenleistung möglichst hoch über der Verdichterleistung liegt, um die Anzahl der Durchläufe und da mit die Kapazität der Komponenten zu begrenzen. Eine Leistungsgleichheit würde den Trafo-Prozess verhindern. Eine Unterschreitung der Bandbreite der vertretbaren Leistungsdifferenz würde durch eine zu hohe Umlaufzahl die Anlage bis zur Unwirtschaftlichkeit verteuern.

So liegt auch die vereinfachte Einbeziehung von 3 Kondensationsturbinen ohne Vakuumentwässerung und des Verdichters ohne Zwischenkühlung im Rah men der Bandbreite einer Überschlagsrechnung, die nicht immer im Detail einer optimierten Ausführung entspricht.

Da bei Fremd-Dampfeinspeisung die Wärmezufuhr infolge der Verdichtung nur gering ist gegenüber der weit größeren Dampfenthalpie, so ist sie meist wirtschaftlich lohnend, denn nicht Exergie, sondern Energie ist maßgebend.

So kann auch das Druckniveau des Trafoprozesses zwecks optimaler Abmessungen angehoben werden.

Bei den allgemeinen Rückverdichtungskreisläufen und den Pro jektuntersuchungen war die Effektivität vorwiegend bestimmt durch den Temperaturunterschied zwischen Expansion und Kompression. Bei der Rück verdichtung in Verbindung mit einem Wärmetrafo findet der Arbeitsprozess jedoch überwiegend im Satt- und Naßdampfgebiet statt. Auch wird hier keine Wärme zugeführt, sondern die vorhandene latente Wärme des Arbeits mediums umgesetzt, bis der Dampf weitgehend kondensiert ist.

Der Wirkungsgrad der Vorstufe mit Trafosystem ohne Rückverdichtung er höht sich gleitend in Abhängigkeit von der Güte der Randbedingungen, wie Anzahl und Druckverlust der Trafostufen, Höhe des Kaltstromanteiles und dessen Temperaturdifferenz zum Warmstrom.

Diese Kriterien beeinflussen allerdings bei einer Trafoanlage mit Rück verdichtung vorrangig die Kosten auf dem Wege über den Wirkungsgrad. Das Maß der Leistungsdifferenz zwischen Turbine und Verdichter ist dabei al lein entscheidend für die Ausführbarkeit, da hiervon das Maß der Umläufe, also die Kapazität der Anlage und somit deren Kosten abhängen. Lassen diese eine Rückverdichtungsanlage wirtschaftlich erscheinen, dann rückt ein innerer Wirkungsgrad nahe an 100% in Reichweite.

Zur Frage der Ausführbarkeit folgendes: Beim Hilschrohr ist die Wärmetrennung mit Luft experimentell nachgewiesen. Es ist zu er warten, daß auch mit Dampf und eingepaßtem Wirbelaggregat ein ent sprechender Effekt eintritt. Schließlich zeigt uns die Natur, daß beim Tornado eine Kondensation erfolgt. Diese Wirkungsweise wäre technisch zu erfassen und nachzuahmen.

Die Abwärme eines Kraftwerkes kann dann statt in einen Kondensator und Kühlturm in ein neues Kraftwerk mit Trafosystem und Rückver dichtung eingeleitet werden und eine Leistung ohne zusätzlichen Brennstoffeinsatz erzeugen.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines nach dem erfindungs gemäßen Verfahren arbeitenden Kraftwerkes,

In den Zeichnungen bedeuten

A Altanlage
N Neuanlage
G Generator
T Turbine
P Wirbelaggregat
P Pumpe
V Verdampfer
K Kompressor für Dampf
m (kg/s) relativ
1 m 100% Zudampf
p (bar) Druck
pi Staudruck
t (°C) Temperatur
h (kj/kg) Enthalpie
B Kondensatbehälter

Bei dem Kondensationskraftwerk nach Fig. 1 strömt Dampf aus einer Turbine T₀ einer vorhandenen Altanlage A über eine Leitung 1 einem Wirbelaggre gat W₁ zu und wird in zwei Teilströme unterschiedlicher Temperatur aufgeteilt. Der kältere, Teilstrom kondensiert, und das Kondensat wird über eine Leitung 2 einer Pumpe P₁ zur Druckerhöhung zugeführt. Anschließend nimmt das Kon densat im Verdampfer V₁ die vom Warmstrom aufgenommene und transportierte Kondensationswärme des Kaltstromes auf und verdampft.

Der Dampf strömt über eine Leitung 5 der Turbine T₁ zu. Nach Arbeitsleistung wird der Dampf über eine Leitung 7 in das Wirbelaggregat W₂ der nächst niederen Stufe eingeführt.

Der im Verdampfer V₁ bereits auf seine Eingangsenthalpie abgekühlte Warm stromanteil des Wirbelaggregat W₁ wird über eine Leitung 8 dem Wirbelaggregat W₂ zugeführt. Es können eine oder mehrere Wirbelaggre gat-Stufen vorgesehen sein, in denen sich die Aufteilung in jeweils 2 Teilströme wiederholt.

In einer Berechnung eines Kraftwerkes mit Rückverdichtung gemäß Fig. 1 wurde in Fig. 2 das Verhältnis von Kalt- zu Warmstrom auf 2 : 1 gesetzt und zum Teil angenommene Ausgangsdaten bei den einzelnen Wärmetransforma tionsstufen eingetragen. Es wird ein in sich geschlossener Kreislauf darge stellt als Grundlage für eine Überschlagsrechnung an einem Beispiel.

Mit den eingesetzten Werten ergibt sich bei einer Zudampfmenge von 1 m (1 m = 1 kg/s - symbolisch für 100%) eine innere Dampfturbinenleistung von insgesamt ca. 940 KW i bei 3 Trafostufen mit den jeweils zugeordneten Teilturbinen. Dabei beträgt die Minderleistung der vorhandenen Entnahme turbine T₀ ΔN = 1 m.(2545 - 2340) h.0,98 = 200 KW i (h = kj/kg) bei einer an das Trafosystem abgegebenen Wärmemenge von

Q = 1 m.(2545 - 163) h = 2382 KW th,

d. h. der fiktive Teilwirkungsgrad für die Entnahmedampfmenge zu 1 m würde lediglich betragen

η = 200 KW i : 2382 KW th = 0,084,

allerdings unter Berücksichtigung der Kondensationswärme und lediglich gedacht für den Vergleich mit dem Trafo-System.

Demgegenüber zeigt das neue Konzept gemäß Fig. 2 die gleiche Gesamtlei stung von 940 Kw i. Nach Abzug von 200 Kw i Minderleistung verbleiben 740 Kw i bzw. Ne = ca. 740 Kw i.0,96 = 710 Kw e.

Zur Kontrolle beträgt die umgesetzte Wärmemenge beim 1. Durchlauf gemäß Fig. 2

1. Durchlauf

Q ein = 1 m.2545 h = 2545 KW th
Q aus = 0,702 m.2171 h = 1524 KW th
Q Kondensat = 0,298 m.212 h = 63 KW th
Differenz = 958 KW th
N_i

= 940 KW i
N_el

= 910 KW e

Das neue Konzept besteht nun darin, daß die dem Kondensator zuströmende Abdampf menge von 0,702 m bei 0,07 bar durch Rückverdichtung bei vorhe riger Entwässerung und nachfolgender Einspritzkühlung auf den ursprüng lichen Eingangswert von 0,56 bar bei 2545 h wieder eingespeist wird. Dabei beträgt die hierfür erforderliche Verdichterleistung 280 KW.

Allerdings sinkt nun die verdichtete Zudampfmenge auf 0,71 m gegenüber ursprünglich 1,0 m. Nach diesem ersten Durchlauf beginnt ein sich mit der Rückverdichtung wiederholender Umlauf, wobei sich der jeweilige Massenstrom auf 71% des vorherigen Umlaufs verringert.

2. Umlauf - Bilanz

Q zu = 0,71 m.2545 h = 1800 KW th
Q aus = 0,71 m (0,702 m.2171 h - 163 h) = 1145 KW th
Differenz Q = 635 KW th
z. Vergl.: N = 0,71.910 KW - 280 KW = 646 - 280 = 366 KW e

Da die Wärmemenge in wiederholten Umläufen mit Rückverdichtung (280 KW) abgearbeitet wird, ergeben sich abhängig von der jeweiligen Umlaufzahl die nachfolgenden Werte:

Nach dem zehnten Umlauf wird ein Wirkungsgrad von etwa 80% erreicht. Somit steht der durch die Dampfentnahme entstandenen Minderleistung von 200 KW eine Leistung im Trafosystem von nunmehr ca. 1900 KW e gegenüber. Die kursierende Umlaufdampfmenge erreicht hierbei fast den 3-fachen Wert der Eintrittsdampfmenge, was eine entsprechend große Kapazität der An lage erfordert.

Diese Überschlagsrechnung soll lediglich die Tendenz veranschaulichen. Die angenommenen Randbedingungen, z. B. Anzahl der Trafostufen, Auftei lung des Dampfstromes können sich je nach Versuchsergebnis noch än dern. Allerdings ist vorstehend auf gezeigt, daß eine größere Bandbreite von Ausführungs- und Optimierungsmöglichkeit des Trafosystems ein erfolg versprechendes Konzept erlaubt.

Die Wärmeübertragung bei der Transformation ist ein kontinuierli cher Prozeß, wobei die Kondensationswärme des Kaltstromes nicht auf die Warmstromenthalpie aufgestockt wird, sondern die Wärme übertragung kontinuierlich gleitend erfolgt und zur Verdampfung dient. Nachstehend soll der Zusammenhang aufgezeigt werden, daß letztlich die erzeugte Turbinenleistung der Verdampfungswärme des abgeführten Konden sates entspricht. Am Turbinenaustritt ist die Dampfenthalpie infolge der Arbeitsleistung verringert, wodurch dieser Dampf nur eine geringere men ge an sekundärem Sattdampf erzeugen kann. Das überflüssige Kondensat, das ohne externe Wärmeabfuhr kondensiert, wird über die Entwässerung abgeführt.

Die erzeugte Leistung von ca. 940 KW i entspricht in der Größenordnung jener Wärmemenge, die bei der Kondensation der aus dem System abgegebenen Kondensatmenge frei wird und zwar

1. aus den Trafostufen mit Q Kond = 0,298 m.(2545 - 212) h = 695 KW th und
2. aus der Entwässerung vor Verdichter: Q Kond = 0,117.(2545 - 163) h = 278 KW th Σ Q Kond = 695 + 278 = 973 KW th.

Die innere Turbinenleistung beträgt 940 Kw i. Der erste Umlauf nach Verdichtung hat bei 71% der Zudampfmenge auch entspr. 71% der obigen Werte, wobei statt der Turbinenminderleistung von 200 KW i die Verdich terleistung (280 KW im 2. Umlauf) abzuziehen ist.

Da infolge der Erhöhung von Temperatur und Enthalpie des Sekundärdampfes (219°C, 2800 kJ/kg) gegenüber dem zuströmenden Primärdampf (84°C, 2545 h) die Wärme in Verdampfer V₁ nicht zur Verdampfung der gesamten Kondensat menge ausreicht, wird der Überschuß in den Kondensatsammelbehälter B ab geführt.

Eine nicht kondensierte Restdampfmenge, die sich aus den beiden Abdampf mengen der letzten Transformationsstufe (Leitung 10) und der letzten Turbine T₃ (Leitung 11) zusammensetzt, wird nach Entwässerung in einem Dampfkom pressor K verdichtet und nach Wassereinspritzung zwecks Kühlung - zur rechnerischen Vereinfachung - wieder auf Zudampfzustand der Leitung 1 gebracht und dort bei Y dem Prozeß wieder eingegeben. Der Kondensator wird hierdurch entbehrlich.

Claims

1. Verfahren zur Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregats, z. B. eines Hilschrohres, bei dem ein Dampfstrom, insbesondere ein Satt dampfstrom, im Wirbelaggregat in einen erwärmten Teilstrom und in einen abgekühlten Teilstrom aufgeteilt wird und im abgekühlten Teilstrom eine Kondensation stattfindet und das Kondensat nach Druckerhöhung durch eine Pumpe die Wärme des erwärmten Teilstromes aufnimmt und verdampft und der Dampf nach Arbeitsleistung in einer Arbeitsmaschine in die Wirbelströ mung zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Restdampf menge mittels eines Dampfverdichters (K) verdichtet einem Wirbelaggregat (W) zugeführt wird, wobei die Restdampfmenge aus dem Warmstromanteil des letzten Wirbelaggregates (W₃) und der Abdampf der letzten Arbeitsma schine (T₃) besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rest dampfmenge auf den Ausgangswert verdichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transformationsstufe eine Turbine (T₁, T₂, T₃) zugeordnet ist.