DE102004037934A1

DE102004037934A1 - Arbeitsverfahren

Info

Publication number: DE102004037934A1
Application number: DE200410037934
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Priebe
Original assignee: Individual
Current assignee: Deutsche Energie Holding 44227 Dortmund De GmbH
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: DE102004037934B4; WO2006015768A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermodynamisches Arbeitsverfahren, in dem ein in einem Wärmetauscher erzeugter Dampf oder ein erhitztes Arbeitsgas in eine Gas-/Dampfstrahlwärmepumpe eintritt, dort ein Sauggas oder einen Saugdampf mitnimmt und das Mischgas oder der Mischdampf anschließend in einem Wirbelrohr in zwei Wärmefraktionen zerlegt wird. Es können mehrere der Strahlpumpen-Wirbelrohre hintereinandergeschaltet werden, die jeweils erreichbare höchste Wärmefraktion beaufschlagt den Verdampfer/Erhitzer eines Turbinenkreislaufes, die erreichbare niedrigste Wärmefraktion den Kondensator/Kühler des Turbinenkreislaufs und/oder den Wärmetauscher zu einem Kältekreislauf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie, bei dem mit Hilfe einer Gas-/Dampfstrahlpumpe und eines Wirbelrohres der Gas-/Dampfmassenstrom in einem Carnot'schen Kreisprozess erhöht und eine Temperaturspreizung zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer des getrennten Turbinenkreislaufes herbeigeführt wird.

Bei der Nutzung solarthermischer, geothermischer und sonstiger Wärmequellen mit geringer Temperaturdifferenz zur Umwelttemperatur als Kondensatorvorlage sind bei Carnot'schen Kreisprozessen nur kleine Wirkungsgrade erreichbar. So beträgt bei einer erreichbaren Temperaturspreizung zwischen 300 K und 400 K der Carnot'sche Wirkungsgrad nur 0,25, der auf Grund spezifischer Verluste durch Speisepumpen- und Regelarbeit sowie Wärmeverluste praktisch nicht erreicht werden kann.

Mit Erfolg wird im Rahmen des Kalina-Prozesses versucht, die Ausbeute an mechanischer und elektrischer Energie dadurch zu erhöhen, dass mit einer Wasser-Ammoniak-Mischung und regelbarer Siedetemperatur eine bessere Temperaturspreizung bis nahe an den Gefrierpunkt von Wasser als Kondensationsvorlage für den Turbinenabdampf herbeigeführt wird. Der Einsatz von Absorptionskälteanlagen ist teuer und mit Prozessmedien wie Ammoniak umweltgefährlich.

Erfindungsgemäß war die Aufgabe zu lösen, ein einfacheres, weniger teures und weniger umweltgefährdendes Verfahren zur Erreichung der gleichen Zielsetzung der Temperaturspreizung zwecks Erhöhung des Wirkungsgrades zu finden. Da als weitere Randbedingung eine wesentliche Absenkung der Kondensationstemperatur aufgrund des steileren Kennlinienverlaufes des Carnot'schen Wirkungsgrades bei zunehmend kleineren Kondensationstemperaturen angestrebt wird, war erfindungsgemäß eine deutliche Absenkung der unteren Prozesstemperatur im Turbinenkreislauf unter die Umgebungstemperaturen zu erreichen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die von einer Wärmequelle zur Verfügung gestellte Wärme in einem Wärmetauscher zur Erhitzung und/oder Verdampfung eines Arbeitsmediums als Treibdampf eingesetzt wird und dieses gas- oder dampfförmige Arbeitsmedium in einem oder mehreren Wirbelrohren in zwei Wärmefraktionen zerlegt wird. Mit der heissen Fraktion wird der Verdampfer des vom Wärmearbeitskreislauf getrennten Turbinenkreislaufes und mit der kalten Fraktion der Kondensator des Turbinenkreislaufes beaufschlagt.

So wird zum Beispiel Druckluft von 8,0 bar und 300 K getrennt in eine Fraktion von 350 K und eine Fraktion von 240 K bei jeweils gleichen Masseanteilen. Hierfür rechnet sich der Carnot'sche Wirkungsgrad mit 0,31 also besser.

Der bessere Wirkungsgrad wird in diesem Fall jedoch im Blick auf den Systemwirkungsgrad kompensiert durch die Halbierung der Masse des Arbeitsmediums.

Hier wird mit einem mehrstufigen Dampfstrahlpumpe-Wirbelrohr die von dem Treibdampf durchgesetzte Masse mit entsprechender Temperaturspreizung verdoppelt oder vervielfacht.

Diese zusätzliche Masse wird dem jeweils nachgelagertem Kaltkreislauf derart entnommen, dass bei der letzten Stufe das dem Wirbelrohr entströmende Kaltgas den Kondensator des Turbinenkreislaufes durchströmt, dort das noch dampfförmige Arbeitsmedium unter Wärmeaufnahme kondensiert und entweder unmittelbar wieder von der Dampfstrahlpumpe angesaugt wird oder das Wirbelrohr als unterkühltes Kondensat verlässt, über eine Speisepumpe in den Kondensator des Turbinenkreislaufes gedrückt wird, dort verdampft und erneut von der Dampfstrahlpumpe angesaugt wird.

In den der letzten Stufe vorgelagerten Stufen wird das Sauggas jeweils über die zum Turbinenkreislauf gehörenden Wärmetauscher wie Vorwärmer und Verdampfer angesaugt.

Ein dreistufiger Arbeitsprozess ist also derart aufgebaut, dass in einem ersten Teilkreislauf das Arbeitsmittel in einem Wärmetauscher 1 (1) erhitzt oder verdampft wird und über die Gas-/Dampfstrahlpumpe 1 (2) unter Mitnahme des Sauggases in das Wirbelrohr 1 (3) eintritt und das Arbeitsmittel dort in zwei Temperaturfraktionen zerlegt wird. Die höherwertige Temperaturfraktion durchströmt den Überhitzer (4) des Turbinenkreislaufes (6), die niederwertigere Temperaturfraktionen wird der Gas-/Dampfstrahlpumpe 2 (7) zugeführt.
Das Arbeitsmittel nimmt in einem zweiten Teilkreislauf in der Gas-/Dampfstrahlpumpe 2 wiederum das Sauggas mit und wird in dem Wirbelrohr 2 (8) in zwei Temperaturfraktionen zerlegt, deren temperaturmäßig höherwertigere Fraktion dem Verdampfer (9) des Turbinenkreislaufes zugeführt wird und von dort über einen Wärmetauscher 2 (10) als Sauggas von der Dampfstrahlpumpe 1 angesaugt wird, die niederwertigere Temperaturfraktionen wird der Gas-/Dampfstrahlpumpe 3 (11) zugeführt. Der Wärmetauscher 2 dient der Aufnahme von Wärme aus der Umwelt.
In einem dritten Teilkreislauf wird die niederwertigere Temperaturfraktion nach dem Wirbelrohr 2 der Gas-/Dampfstrahlpumpe 3 zugeführt. Deren höherwertige Temperaturfraktion erwärmt das Arbeitsmedium des Turbinenkreislaufes in dem Vorwärmer (12) und strömt über einen Wärmetauscher 3 (13) der Gas-/Dampfstrahlpumpe 2 als Sauggas zu. Der Wärmetauscher 3 (13) dient wahlweise zur Abgabe von Kälte an einen Kältekreislauf oder zur Aufnahme von Wärme aus der Umwelt. Die niederwertige Temperaturfraktion nach dem Wirbelrohr 3 (14) wird zur Beaufschlagung des Kondensators (15) des Turbinenkreislaufes genutzt.
Der Kondensator (15) kann als Gegenstrom-Kondensator-Verdampfer ausgebildet werden, in dem einerseits das Arbeitsmittel der Teilkreisläufe nach Kondensation im Wirbelrohr 3 und Transport durch eine Speisepumpe 1 (16) erneut unter Wärmeaufnahme verdampft und andererseits das Arbeitsmittel des Turbinenkreislaufes nach Verlassen der Turbine unter Wärmeabgabe kondensiert.
Das Arbeitsmedium des Turbinenkreislaufes wird in dem Vorwärmer erwärmt, in dem Verdampfer verdampft und in dem Überhitzer überhitzt, beaufschlagt dann die Turbine und wird in dieser entspannt bevor es in dem Kondensator wieder verflüssigt wird. Eine Speisepumpe 2 (17) fördert das Arbeitsmedium des Turbinenkreislaufes in den Vorwärmer.
Der Wärmetauscher 1 (1) ist zur Wärmeaufnahme des Treibgases/-dampfes aus einem Solarkollektor oder einer sonstigen Wärmequelle vorgesehen, der Wärmetauscher 2 (10) zur Aufnahme von Wärme aus einer weiteren Wärmequelle wie zum Beispiel Luft oder Wasser.
Um optimale Treibdrücke zu erzielen, wird das Arbeitsmedium des Wärmearbeitskreislaufes in dem Wärmetauscher 4 (19) kondensiert und über die Speisepumpe 3 (20) der treibenden Wärmequelle im Wärmetauscher 1 (1) ausgesetzt.
Die rechnerische Auslegung des erfindungsgemässen Arbeitsverfahrens führt zu dem Ergebnis, das bei einer Temperaturdifferenz zwischen Wärmetauscher 1 und dem Wärmetauscher 2 von etwa 20 K ein einstufiger Arbeitsprozess gefahren werden kann und sodann je weiteren 20 K eine weitere Stufe, ein weiterer Teilkreislauf zum Einsatz gebracht werden kann, wobei die jeweilige Druckabstufung zwischen den Stufen der Teilkreisläufe eine Frage der gewünschten Masseverhältnisse zwischen Treibgas/-dampf und Sauggas/-dampf ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, dass die erzeugte Kaltgas-/Kaltdampffraktion auch genutzt werden kann, um über einen Wärmetauscher Kälte für einen Kältekreislauf zur Verfügung zu stellen.
Der Wärmearbeitskreislauf kann mit einem Gas oder einer verdampfbaren Flüssigkeit, vorzugsweise einem Kältemittel wie z.B. R 124 oder R 365mfc betrieben werden. Die besondere Prozessführung mit Strahlpumpen und Wirbelrohren sowie entsprechenden Teilkreisläufen in dem Wärmearbeitskrislauf legt es nahe, aceotrope Stoffgemische einzusetzen, um je nach Stufe optimale Verdampfungs- und Kondensationswärmen zu erhalten.
In der Zeichnung ist ein dreistufiges Verfahren wiedergegeben. Die Bezugszeichen stehen für die im obigen Text verwandten Bezeichnungen der einzelnen Bauteile.

Claims

Arbeitsverfahren dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher Wärme aufnimmt und als Treibgas oder Treibdampf in einer Strahlpumpe ein Sauggas oder einen Saugdampf in ein nachgeschaltetes Wirbelrohr mitnimmt und das Mischgas oder der Mischdampf in dem Wirbelrohr in zwei Wärmefraktionen zerlegt wird, wobei die höherwertige Temperaturfraktion den Verdampfer/Erhitzer eines Turbinenkreislaufes beaufschlagt sowie erneut dem Wärmetauscher zugeführt wird und die niederwertige Temperaturfraktion den Kondensator/Kühler des getrennten Turbinenkreislaufes und/oder den Wärmetauscher zu einem Kältekreislauf beaufschlagt sowie von dort der Strahlpumpe als Sauggas wieder zur Verfügung gestellt wird.
Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlpumpen-Wirbelrohre hintereinandergeschaltet sind und die jeweils höherwertige Temperaturfraktion abgestuft den Wärmetauschern der heissen Seite des Turbinenkreislaufes, also dem Vorwärmer, dem Verdampfer und dem Überhitzer zur Verfügung gestellt wird und von dort der jeweils vorgelagerten Strahlpumpe wieder als Sauggas unter Wärmeaufnahme durch einen Wärmetauscher zuströmt.
Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in dem letzten Wirbelrohr vor dem Kondensator des Turbinenkreislaufes als Kondensat ausgeschieden wird und nach Durchlaufen einer Speisepumpe in dem Kondensator unter Wärmeaufnahme wieder verdampft wird.
Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass erstes Wirbelrohr nach dem Überhitzer zwecks Kondensation dem Wärmetauscher einer nachgelagerten Sauggasstufe und über eine Speisepumpe erneut dem Wärmetauscher zur Verdampfung zugeleitet wird.
Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel im Wärmekreislauf ein Gas oder eine vedampfbare Flüssigkeit eingesetzt wird.
Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel im Wärmekreislauf ein aceotropes 2-Stoff-System eingesetzt wird.