DE102005047569A1 - Wärmekraftprozess und Hybridturbinenanlage - Google Patents

Wärmekraftprozess und Hybridturbinenanlage Download PDF

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Hans Ulrich Frutschi
Rolf Dr. Dittmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmektraftprozess sowie eine nach diesem Wärmekraftprozess arbeitende Hybridturbinenanlage (1). DOLLAR A Der Wärmekraftprozess umfasst einen ersten Fluidkreislauf (10I) sowie einen zweiten Fluidkreislauf (10II). Der erste Fluidkreislauf (10I) umfasst, ein erstes Prozessfluid, das in einem Ausgangszustand gasförmig ist, zu verdichten und nachgängig der Verdichtung arbeitsleistend zu entspannen, wobei das erste Prozessfluid keinen Phasenwechsel durchläuft. Der zweite Fluidkreislauf (10II) umfasst, ein zweites Prozessfluid, das in einem Ausgangszustand flüssig ist, mittels Wärmezufuhr zu verdampfen, das zweite Prozessfluid dem ersten Prozessfluid vorgängig der Entspannung zuzumischen und das zweite Prozessfluid zusammen mit dem ersten Prozessfluid arbeitsleistend zu entspannen. Es wird ausschließlich dem zweiten Prozessfluid Wärme zugeführt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Wärmekraftprozess gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Hybridturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
  • Wärmekraftprozesse mit offener sowie auch mit geschlossener Prozessführung sind im Stand der Technik bekannt. Zu nennen ist beispielsweise der Carnot-Prozess, der zwar als isentroper Idealprozess ein Wirkungsgradmaximum erzielt, sich aber in dieser Form technisch nur sehr aufwändig näherungsweise umsetzen läßt. Ein weiterer bekannter Prozess ist beispielsweise der Ackeret-Keller-Prozess, der die Prozessführung in einer Gasturbine oder Gasturbogruppe beschreibt. Weiterhin sind beispielsweise der Clausius-Rankine-Prozess, der den Arbeitsprozess einer Dampfkraftanlage beschreibt, oder der Joule-Brayton-Prozess bekannt.
  • Findet die Prozessführung eines Ackeret-Keller-Prozesses in einem geschlossenen Kreislauf statt, so bietet dies den Vorteil, dass der Ausgangszustand des Prozesses hinsichtlich Druck und Temperatur frei gewählt werden kann. Bei einem offenen Kreislauf ist der Eintrittszustand als der Umgebungszustand der Prozessführung vorgegeben. Weiterhin kann bei geschlossener Prozessführung auch das Arbeitsfluid frei gewählt werden. Aus dem Stand der Technik sind auch teilgeschlossene Kreisläufe bekannt geworden, bei denen ein Teil des entspannten Arbeitsfluids in die Atmosphäre ausgestossen wird, während ein zweiter Teil des entspannten Arbeitsfluids in den Ausgangszustand zurückgeführt und wieder in den Prozess eingebracht wird.
  • Aus dem Stand der Technik sind neben diesen Grundprozessen weitere Arbeitsprozesse bekannt, bei denen dem Arbeitsmedium ein zweites Prozessfluid beigemischt wird, um so den Gesamtwirkungsgrad des jeweiligen Arbeitsprozesses oder auch den Gesamtwirkungsgrad einer Kraftwerksanlage zu optimieren. So ist beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldeschrift WO 03/076769 A1 ein sogenannter "Closed-STIG"-Prozess bekannt. Stromab des Verdichters einer Gasturbogruppe wird dem Gas des Gasturbinenprozesses Dampf beigemischt, das Gemisch gemeinsam erhitzt und anschließend in einer Entspannungsturbine unter Abgabe technischer Arbeit entspannt. Nach der Entspannung wird der Dampf vollständig kondensiert und das Kondensat aus dem Gasstrom abgeführt. Die Prozessfluide werden somit wieder vollständig voneinander getrennt. Zur Dampferzeugung dient ein Abhitzedampferzeuger, der sekundärseitig von dem Abgas der Entspannungsturbine beströmt wird. Neben einem erhöhten Wirkungsgrad des Gesamtprozesses im Vergleich zu einem einfachen Gas- oder Dampfturbinenprozess kann aufgrund der geschlossenen Prozessführung hier auch das Prozessfluid sowie die Prozessbefüllung frei gewählt werden.
  • In der US-Patentschrift US 5 444 981 wird zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines geschlossenen Dampfturbinenprozesses vorgeschlagen, einem in einem Ausgangszustand flüssigen Prozessfluid vor oder während der Erhitzung ein weiteres gasförmiges Prozessfluid beizumischen, den beiden Prozessfluiden gemeinsam Wärme zuzuführen, die beiden Prozessfluide in einer Turbine arbeitsleistend zu entspannen und anschließend mittels eines Kondensators wieder voneinander zu separieren. Das zugemischte Gas soll gemäss der dort offenbarten Lehre maximal ein gleiches oder vorzugsweise ein geringeres Molekulargewicht aufweisen als das flüssige Prozessfluid.
  • Des weiteren wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 55 202 A1 vorgeschlagen, das Prozessfluid eines Dampfprozesses an geeigneter Stelle aus dem Prozess abzuführen, zu kondensieren, aufzubereiten, um das abgekühlte Kondensat anschließend an einer oder mehreren Stellen des Hauptarbeitsprozesses diesem zu Kühlzwecken wieder zuzuführen. Diese Fluidführung bietet zwar die Möglichkeit, den Prozess als geschlossenen Prozess auszuführen. Das als Kühlfluid verwendete Prozessfluid wird über einen Teil des Arbeitsprozesses dem Hauptarbeitsprozess entzogen und trägt somit nur teilweise zur Arbeitsumsetzung bei.
  • Darstellung der Erfindung
  • Gemäss einem Aspekt der Erfindung liegt dieser die Aufgabe zugrunde, einen Wärmekraftprozess sowie eine Wärmekraftanlage der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchen die Nachteile des Standes der Technik gemindert oder vermieden werden.
  • Die Aufgabe wird mit dem Wärmekraftprozess gemäss Anspruch 1 sowie durch die Kraftwerksanlage gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Der erfindungsgemäße Wärmekraftprozess umfasst einen ersten Kreisprozess eines ersten Prozessfluids und einen zweiten Kreisprozess eines zweiten Prozessfluids. Der erste Kreisprozess umfasst die Verfahrensschritte, das erste Prozessfluid, das in einem Ausgangszustand gasförmig ist, zu verdichten, und nachgängig der Verdichtung arbeitsleistend zu entspannen. Das erste Prozessfluid durchläuft hierbei keinen Phasenwechsel. Der zweite Kreisprozess umfasst die Schritte, ein zweites Prozessfluid, das in einem Ausgangszustand flüssig ist, mittels Wärmezufuhr zu verdampfen und gegebenenfalls den Dampf zu überhitzen, das verdampfte zweite Prozessfluid dem verdichteten ersten Prozessfluid vorgängig der Entspannung zuzumischen, und das zweite Prozessfluid zusammen mit dem ersten Prozessfluid arbeitsleistend zu entspannen. Es wird dabei ausschließlich dem zweiten Prozessfluid Wärme zugeführt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens einer der Fluidkreisläufe als wenigstens teilgeschlossener Kreislauf ausgeführt, derart, dass wenigstens ein erster Teilmassenstrom des ersten Prozessfluids und/oder ein zweiter Teilmassenstrom des zweiten Prozessfluids nachgängig der Entspannung wieder in den jeweiligen Ausgangszustand zurückgeführt und dem jeweiligen Fluidkreislauf wieder zugeführt wird. Dabei wird in einer Ausführungsform des Wärmekraftprozesses aus einem einem Fluidkreislauf wieder zugeführten Teilmassenstrom eines Prozessfluids vorgängig der Wiederzuführung das jeweils andere Prozessfluid zumindest im Wesentlichen abgeschieden.
  • Unter einem Fluidkreislauf ist im Sinne der vorliegenden Beschreibung nicht zwangsläufig zu verstehen, dass ein Fluid in einem fluidmechanisch geschlossenen Kreislauf geführt wird. Der Fluidkreislauf ist hingegen so zu verstehen, dass ein Fluid in einem thermodynamischen Kreisprozess geführt wird, wobei ein Austausch von Fluid über die Systemgrenzen hinaus erfolgen kann oder auch nicht.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Wärmezufuhr also ausschließlich auf das im Ausgangszustand flüssige, zweite Prozessfluid, welches erwärmt und verdampft wird; der entstehende Dampf wird in einer Ausführungsform der Erfindung überhitzt. Der Dampf wird dem verdichteten ersten Prozessfluid vorgängig dessen Entspannung zugemischt und mit diesem zusammen arbeitsleistend entspannt. Zur Übertragung von Wärme auf ein flüssiges Prozessfluid ist an sich ein wesentlich geringerer apparativer Aufwand erforderlich als zur Übertragung derselben Wärmemenge auf ein gasförmiges Prozessfluid. Erfolgt die Übertragung von Wärme auf das Prozessfluid beispielsweise mittels eines Wärmetauschers, so sind aufgrund der deutlich höheren Wärmeübergangszahlen bei einem flüssigen Prozessfluid, wie in der Erfindung realisiert, kleinere Wärmeübertragungsflächen erforderlich als bei einer Wärmeübertragung auf ein gasförmiges Prozessfluid.
  • Das erste Prozessfluid kann als ein Trägergas für das zweite Prozessfluid betrachtet werden, das im Wesentlichen die Zustandsänderungen der Verdichtung und der Entspannung erfährt. Dem als Trägergas fungierenden ersten Prozessfluid wird keine Wärme zugeführt, so dass die für eine Wärmeübertagung an ein gasförmiges Prozessfluid notwendigen apparativen Vorrichtungen erfindungsgemäß entfallen. Daher kann in einer Ausgestaltung der Erfindung das erste Prozessfluid mit einem sehr hohen Druckverhältnis verdichtet werden, ohne dass sie dabei auftretende Verdichterendtemperatur eine Grenze für die Wärmezufuhr zum Kreisprozess darstellt; in einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid bei niedrigerer Temperatur als der Verdichterendtemperatur. Dabei weist das dem ersten Prozessfluid zugemischte zweite Prozessfluid eine niedrigere Temperatur aufweist als das verdichtete erste Prozessfluid am Ende des Verdichtungsvorgangs. Damit kann ein hohes Druckverhältnis von über 30, beispielsweise 50 bis 100 und auch darüber, erzielt werden, ohne die obere Prozesstemperatur über alle praktisch vertretbaren Grenzen anheben zu müssen, und ohne Zwischenkühlungsschritte im Verdichtungsprozess einführen zu müssen; hingegen kann es durchaus erforderlich sein, die Verdichterkomponenten zu kühlen. Demnach lässt sich mit der Erfindung also prinzipiell eine Prozessführung realisieren, bei der die Wärmezufuhr bei einer niedrigeren Temperatur erfolgt als die Endtemperatur einer isentropen Verdichtung des ersten Prozessfluids auf den oberen Prozessdruck; in einer Ausführungsform erfolgt die Verdichtung des ersten Prozessfluids ohne Zwischenkühlungsschritte.
  • Der erfindungsgemäße hybride Wärmekraftprozess kann also sowohl als Dampfturbinenprozess mit zusätzlichem Trägergasprozess verstanden werden als auch als Gasturbinenprozess mit Dampfeinspritzung; hinsichtlich der Wärmezufuhr zum Prozess überwiegen die Eigenschaften des Dampfturbinenprozesses, wohingegen hinsichtlich der Wärmeabfuhr aus dem entspannten Fluid die Eigenschaften des Gasturbinenprozesses überwiegen.
  • Obschon dem gasförmigen ersten Prozessfluid keine Wärme zugeführt wird, resultiert aufgrund des durch die Zumischung des zweiten Prozessfluids erhöhten Gesamtmassenstroms der Entspannung gegenüber der Verdichtung eine technische Netto-Nutzleistung des erfindungsgemässen Wärmekraftprozesses.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens der erste und/oder der zweite Fluidkreislauf als wenigstens teilgeschlossener Kreislauf ausgeführt, derart, dass wenigstens ein Teilmassenstrom des ersten und/oder zweiten Prozessfluids nach der Entspannung wieder in den jeweiligen Ausgangszustand zurückgeführt und dem jeweiligen Fluidkreislauf wieder zugeführt wird. Zweckmässig wird hierbei vorgängig der Wiederzuführung eines Teilmassenstroms eines Prozessfluids zu dem Fluidkreislauf das jeweils andere Prozessfluid abgeschieden. Bei einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Prozessführung besteht weiterhin die Möglichkeit, auf an sich bekannte Weise die von dem Wärmekraftprozess abgegebene Nutzleistung zu variieren, indem der untere Prozessdruck und damit der Massenstrom des im Kreisprozess geführten Fluides variiert wird, während das Druckverhältnis des Prozesses und die obere Prozesstemperatur im Wesentlichen konstant bleiben. Unter dem unteren Prozessdruck ist dabei insbesondere der Druck stromauf des Verdichters für das erste Prozessfluid zu verstehen. Damit kann eine mit dem erfindungsgemässen Wärmekraftprozess betriebene Kraftwerksanlage unabhängig von der abgegebenen Nutzleistung in einem konstanten Betriebspunkt betrieben werden.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Wärmekraftprozesses wird sichergestellt, dass sich das zweite Prozessfluid vorgängig der Verdampfung wenigstens auf dem Druck des verdichteten ersten Prozessfluids befindet. Gegebenenfalls wird hierzu der Druck des zweiten Prozessfluids im flüssigen Aggregatzustand vorgängig der ersten Wärmezufuhr erhöht, solange, bis wenigstens der Druck des verdichteten ersten Prozessfluids erreicht ist. In einer Weiterbildung des erfindungsgemässen Wärmekraftprozesses wird das zweite Prozessfluid vorgängig der Verdampfung auf einen Druck versetzt, der höher ist als der Druck des verdichteten ersten Prozessfluids. Bevorzugt wird das verdampfte zweite Prozessfluid dann vorgängig der Zumischung zum ersten Prozessfluid arbeitsleistend auf einen Druck, der im Wesentlichen dem Druck des verdichteten ersten Prozessfluids entspricht, aber darüber liegt, entspannt. Dies hat den Vorteil, dass der Druck, bei dem das zweite Prozessfluid verdampft wird, vom oberen Prozessdruck des Wärmekraftprozesses beziehungsweise des ersten Prozessfluids entkoppelt wird.
  • Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Wärmekraftprozesses umfasst, nach der arbeitsleistenden Entspannung aus dem gemeinsamen strömenden ersten Prozessfluid und zweiten Prozessfluid Wärme abzuführen. Dabei wird beispielsweise das zweite Prozessfluid wenigstens teilweise durch die Wärmeabfuhr verflüssigt und das zweite verflüssigte zweite Prozessfluid aus dem gemeinsam strömenden ersten und zweiten Prozessfluid abgeschieden. Besonders einfach kann dies bewerkstelligt werden, indem das zweite Prozessfluid durch die Wärmeabfuhr wenigstens teilweise verflüssigt und mit einer geeigneten physikalischen Trennmethode aus dem gasförmigen ersten Prozessfluid abgeschieden wird.
  • Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens umfasst, das gemeinsam strömende erste und zweite Prozessfluid nachgängig der Entspannung zur Wärmeabfuhr durch den wärmeabgebenden primärseitigen Strömungsweg eines Wärmetauschers zu leiten, wenigstens einen Teilstrom des zweiten Prozessfluids zu verflüssigen, und das verflüssigte zweite Prozessfluid bevorzugt im Gegenstrom zum ersten Prozessfluid durch den wärmeaufnehmenden sekundärseitigen Strömungsweg des Wärmetauschers zu leiten, derart, dass dem zweiten Prozessfluid im sekundärseitigen Strömungsweg im Wärmetausch mit dem gemeinsam strömenden ersten und zweiten Prozessfluid Wärme zugeführt wird. In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung wird das verflüssigte zweite Prozessfluid vor dem Einströmen in den sekundärseitigen Strömungsweg des Wärmetauschers unter Druck gesetzt, und insbesondere auf einen Druck gebracht, der bereits dem Druck des in das verdichtete erste Prozessfluid eingedüsten dampfförmigen zweiten Prozessfluids entspricht.
  • In einer weiteren Variante des erfindungsgemässen Wärmekraftprozesses erfolgt wenigstens ein Teil der Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid in einem extern beheizten Dampferzeuger und/oder -überhitzer. Dabei wird bevorzugt das zweite Prozessfluid, nachdem es unter Druck gesetzt ist, und nachdem es gegebenenfalls den oben beschriebenen Wärmetauscher durchströmt hat, in einem extern beheizten, an sich aus den Stand der Technik bekannten, Dampferzeuger und/oder -überhitzer geleitet. Dort wird dem zweiten Prozessfluid Wärme zugeführt, das zweite Prozessfluid verdampft, und/oder der dabei entstehende Dampf überhitzt.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Wärmekraftprozesseserfolgt die Wärmezufuhr direkt, durch eine Verbrennung im zweiten Prozessfluid. Dazu werden ein Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas in einen Brennraum eingeleitet, und der Brennstoff wird im sauerstoffhaltigen Gas verbrannt, und ein Massenstrom des zweiten Prozessfluids wird mit dem entstehenden Reaktionsprodukt vermischt. In einer Ausführungsform wird bereits das sauerstoffhaltige Gas und/oder der Brennstoff vorgängig der Verbrennung mit wenigstens einem Teilstrom des zweiten Prozessfluids vermischt. Die dabei entstehende Mischung wird in das verdichtete erste Prozessfluid vorgängig der Entspannung eingeleitet. In einer Ausgestaltung wird das zweite Prozessfluid stromab der Brennkammer mit dem Reaktionsprodukt vermischt. In einer alternativen Ausgestaltung wird der Massenstrom des zweiten Prozessfluids stromab einer primären Reaktionszone der Brennkammer in die Brennkammer eingeleitet. In einer anderen Ausführungsform wird der Massenstrom des zweiten Prozessfluids derart in die Brennkammer eingeleitet, dass die Reaktionszone, in der der Brennstoff im sauerstoffhaltigen Gas verbrannt wird, von einem Mantel aus dem zweiten Prozessfluid umgeben ist. Letztere Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn das zweite Prozessfluid bereits im dampfförmigen Zustand in die Brennkammer eingeleitet wird, und als thermisch isolierender Mantel zwischen der Reaktionszone und der Wandung des Brennraumes liegt. In einer Weiterbildung wird flüssiges und/oder bereits verdampftes zweites Prozessfluid in die Reaktionszone des Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases eingebracht. Gemäss einer weiteren Ausführungsform werden das sauerstoffhaltige Gas und/oder der Brennstoff vorgängig der Verbrennung mit einem Massenstrom von zweitem Prozessfluid vermischt. Die Einbringung von zweitem Prozessfluid in die Reaktionszone oder die Vermischung des sauerstoffhaltigen Gases und/oder des Brennstoffs vor der Verbrennung senken die Flammentemperatur, und sind somit besonders geeignet, wenn eine stöchiometrische oder nahestöchiometrische Verbrennung realisiert werden soll. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass diese Ausführungsformen und Weiterbildungen auch beliebig untereinander kombiniert werden können. Hinsichtlich der Auswahl des Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases eröffnen sich mit der erfindungsgemässen Prozessführung interessante Perspektiven. Dies gilt insbesondere, wenn das zweite Prozessfluid Wasser ist. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird in der Brennkammer Wasserstoff mit Sauerstoff verbrannt. Das dabei entstehende Reaktionsprodukt ist bei stöchiometrischer Verbrennung Wasserdampf. Eine stöchiometrische Verbrennung kann realisiert werden, wenn, wie oben beschrieben, die Verbrennungszone mit Wasser oder Wasserdampf gekühlt wird oder von einem isolierenden Dampfmantel umgeben ist. Der entstehende Wasserdampf lässt sich nachgängig der Entspannung und einer Rückführung in den flüssigen Aggregatzustand zusammen mit dem zweiten Prozessfluid vollständig aus dem ersten Prozessfluid abscheiden. Bei einer vollständig geschlossenen Führung des ersten Prozessfluids kann auf diese Weise das erste Prozessfluid beliebig gewählt werden. Bekannt sind aus dem Stand der Technik beispielsweise geschlossene Gasturbinenkreisläufe, welche Helium als Prozessfluid nutzen. Abweichungen von der stöchiometrischen Verbrennung resultieren aber in einer Verunreinigung des ersten Prozessfluids, und es müssen Massnahmen zur Regelung des Druckes des ersten Prozessfluids und zum Ablassen überschüssigen Gases getroffen werden. Das heisst, dann ist an sich keine geschlossene Führung des ersten Prozessfluids mehr möglich. In einer Ausführungsform der Prozessführung wird die Brennkammer dann stets entweder leicht unterstöchiometrisch oder leicht überstöchiometrisch betrieben. Dies verhindert die Bildung eines Knallgasgemisches im ersten Fluidkreislauf. Es stellt sich dann als erstes Prozessfluid langfristig Sauerstoff oder Wasserstoff ein. Diesem Sachverhalt muss hinsichtlich der thermodynamischen Eigenschaften der Gase und dem chemischen Angriffspotenzial auf geeignete Weise Rechnung getragen werden. Hinsichtlich des zweiten Prozessfluids, also des Wassers, muss eben ein dem bei der Verbrennung entstehenden Massenstrom entsprechender Massenstrom abgeschieden werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem in dem Bereich des Fluidkreislaufs, in dem das Wasser im flüssigen Aggregatzustand vorliegt, ein niveaugeregelter Behälter angeordnet ist, in welchem überschüssiges Wasser abgeschieden wird. Das nichttoxische Produkt kann problemlos entsorgt oder weiterverwendet werden. Bei der Verbrennung von Wasserstoff in Luft entsteht als Produkt ein im Wesentlichen aus Wasserdampf und Stickstoff bestehendes Gemisch. Hier ergeben sich Probleme hinsichtlich der Brennbarkeit eines Gemisches nicht verbrannten Brenngases oder einer hohen chemischen Aggressivität von Reinsauerstoff nicht oder nur in geringerem Ausmasse, aufgrund des hohen Anteils an inertem Stickstoff. Im gasförmigen ersten Arbeitsfluid reichert sich demnach Stickstoff mit Anteilen von Sauerstoff und/oder Wasserstoff an. Auch hier auch müssen selbstverständlich Mittel angeordnet sein, welche eine Regelung der Kreislauffüllung des ersten Arbeitsfluid ermöglichen. Weil fortwährend zusätzliches wenigstens auf dem unteren Druckniveau gasförmiges Fluid herbeigeführt wird erfolgt ansonsten eine fortwährende Aufladung des Kreislaufs des ersten Prozessfluids, das heisst der Fluidgehalt und der Druck des Kreislaufs des ersten Prozessfluids steigt fortwährend an. Um dieses zu vermeiden, wird insbesondere eine Druckregelung stromauf des Verdichters verwendet, bei der zur Konstanthaltung des Vordrucks vor dem Verdichter und damit der Kreislauffüllung auf einem Sollwert ein Teil des ersten Prozessfluids aus dem Kreislauf abgeführt wird. Wenn zur Leistungssteigerung eine höhere Kreislauffüllung gefordert wird, so lädt sich der Fluidkreislauf des erfindungsgemässen Wärmekraftprozesses in dieser Ausführungsform selbsttätig auf, wenn der Drucksollwert erhöht wird. Eine Verringerung der Kreislauffüllung kann auf einfache Weise durch Ablassen eines Teils des nichttoxischen ersten Prozessfluids erfolgen. Ebenso muss wie oben dargestellt auch das bei der Verbrennung entstehende Wasser aus dem Kreisprozess abgeführt werden. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in Luft oder Sauerstoff müssen ebenfalls Mittel angeordnet werden, um sowohl die Menge des zirkulierten zweiten Prozessfluids, insbesondere also Wasser, als auch die Menge des im Kreisprozess geführten ersten Prozessfluids zu regeln. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in Sauerstoff entsteht als Reaktionsprodukt Kohlendioxid und Wasserdampf. Als erstes Prozessfluid stellt sich somit Kohlendioxid ein. Bei der Verbrennung eines mageren unterstöchiometrischen Gemischs stellt sich eine Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung ein. Durch nichtstöchiometrische Verbrennung im Prozessfluid verbleibende Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff sind dabei durch die Anwesenheit des inerten Kohlendioxids vergleichsweise unkritisch. Ein Teil des ersten Prozessfluids muss durch geeignete Mittel abgeführt werden. Bei einer im Wesentlichen geschlossenen oder teilgeschlossenen Prozessführung des ersten Prozessfluids kann hierzu beispielsweise stromauf oder auch stromab des Verdichters ein Stellorgan angeordnet sein, welches in Abhängigkeit vom Druck beispielsweise vor dem Verdichter öffnet und schliesst, dergestalt, dass bei steigendem Druck das Stellorgan geöffnet wird und ein Teil des Prozessfluids aus dem Fluidkreislauf abgeführt wird. Die Ausströmung des Kohlendioxids kann einerseits in die Atmosphäre erfolgen; andererseits kann das Kohlendioxid auch an einer geeigneten Lagerstätte gelagert werden. Für die Lagerung des Kohlendioxids ist im allgemeinen ein Ablassen von verdichtetem Kohlendioxid stromab des Verdichters besser geeignet; Hingegen ist ein Ablassen des Kohlendioxids stromauf des Verdichters energetisch günstiger. Die Lagerung von Kohlendioxid ist bei einer im Wesentlichen stöchimetrischen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in Sauerstoff besonders einfach zu realisieren, weil eine Trennung der unterschiedlichen Komponenten des ersten Prozessfluids in diesem Falle, also beim Vorliegen von in Wesentlichen reinem Kohlendioxid, nicht notwendig ist. Eine im Wesentlichen stöchimetrische Verbrennung kann besonders bei den Ausführungsformen der Erfindung realisiert werden, bei denen die Reaktionspartner in einer Wasserdampfatmosphäre zusammengeführt werden, oder bei denen grosse Mengen flüssigen Wassers in die Reaktionszone eingebracht werden, da auf diese Weise Temperaturspitzen unterbunden werden. Weiterhin hat die Verbrennung in Sauerstoff den Vorteil, dass auch bei einer nahezu stöchimetrischen Verbrennung keine thermischen Stickoxide gebildet werden können. Auf der anderen Seite muss selbstverständlich im Wesentlichen reiner Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden. Aus diesem Grunde ist es im Rahmen der Erfindung auch realisierbar, die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in Luft durchzuführen. Als erstes Prozessfluid stellt sich dann eine Mischung von Kohlendioxid, Stickstoff, und, bei unterstöchiometrischer Verbrennung, Sauerstoff ein. Diese nichttoxische Mischung wird zur Regelung der Kreislauffüllung in die Atmosphäre ausgestossen. Selbstverständlich ist es auch hier prinzipiell möglich, das entstehende Kohlendioxid in einer geeigneten Lagerstätte zu lagern. Dabei ist allerdings eine vorgängige Abtrennung des Kohlendioxids aus dem Gasgemisch beinahe zwingend, um eine gute Ausnutzung der Lagerkapazitäten zu gewährleisten und eine Blockierung der Lagerkapazitäten durch den weiterhin anwesenden Stickstoff und gegebenenfalls Sauerstoff zu vermeiden. Weiterhin ist bei nahestöchiometrischer Verbrennung des Brennstoffs in Luft die Entstehung von thermischen Stickoxiden zu beachten, und entsprechende aus dem Stand der Technik an sich bekannte Massnahmen sind zu ergreifen; die oben beschriebene Zumischung von Wasser oder Wasserdampf zur Reaktionszone und/oder zu dem sauerstoffhaltigen Gas und/oder zum Brennstoff senkt beispielsweise wie beschrieben die Flammentemperatur und vermindert damit die Stickoxidbildung.
  • Prinzipiell umfasst die Erfindung also auch die Möglichkeit zur direkten Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid durch innere Verbrennung. Die Vorteile, welche sich daraus ergeben, liegen auf der Hand, da auf Wärmeübertragungsapparate zur Zufuhr der Wärme wenigstens für einen Teil der Wärmezufuhr, und insbesondere bei der Wärmezufuhr bei den höchsten auftretenden Temperaturen verzichtet werden kann. Auf der anderen Seite zeigen die oben dargestellten Überlegungen, dass die Wärmezufuhr durch innere Verbrennung selbstverständlich die Freiheit bei der Auswahl der Prozessfluide eingrenzt. So ist es bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen an sich unumgänglich, als erstes Prozessfluid Kohlendioxid, gegebenenfalls in Verbindung mit anderen Komponenten, zu verwenden, und als zweites Prozessfluid Wasser einzusetzen; diese Bedingungen stellen sich im Betrieb, wie oben dargestellt, von selbst ein. Die indirekte Wärmezufuhr mittels eines Wärmetauschers ermöglicht hingegen die Ausbildung vollkommen geschlossener Kreisläufe für das erste und das zweite Prozessfluid, womit diese Fluide den thermodynamischen Gegebenheiten angepasst frei gewählt werden können. So kann beispielsweise, wie oben bereits angedeutet, als erstes Prozessfluid Helium gewählt werden. Als zweites Prozessfluid können insbesondere auch Kohlenwasserstoffe oder organische Kältemittel, wie beispielsweise Frigen oder Freon gefällt werden, oder es kann auch Ammoniak verwendet werden. Eine derartige Auswahl der Prozessfluide eignet sich beispielsweise besonders gut zur Nutzung von Wärme, die bei vergleichsweise niedriger Temperatur anfällt, wie zum Beispiel geothermische Wärme, Solarwärme, oder Wärme aus Biomasse. Ebenso kann bei geschlossener Prozessführung mit der Wärmezufuhr im Wärmetausch die dem zweiten Prozessfluid zugeführte Wärme auch die Abwärme eines konventionellen Gasturbinenprozesses sein.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind im Strömungsweg des zweiten Prozessfluides wenigstens ein extern beheizter Wärmetauscher, der primärseitig beispielsweise von den Abgasen einer Gasturbogruppe durchströmt wird, und stromab davon eine Brennkammer der oben beschriebenen Art zur direkten Wärmezufuhr angeordnet; selbstverständlich kann dabei stromauf des extern beheizten Wärmetauschere noch eine Rekuperator-Wärmetauscher angeordnet sein, in dem die stromab der Turbine abzuführende Wärme genutzt wird.
  • Eine zur technischen Realisierung des erfindungsgemässen Wärmekraftprozesses geeignete Wärmekraftanlage umfasst einen Strömungsweg für ein erstes Prozessfluid und einen Strömungsweg für ein zweites Prozessfluid. Der Strömungsweg für das erste Prozessfluid umfasst einen Verdichter zur Verdichtung des ersten Prozessfluids von einem gasförmigen ersten Zustand auf einen zweiten Zustand, sowie eine Entspannungsmaschine zur arbeitsleistenden Entspannung von Prozessfluid. Weiterhin umfasst der Strömungsweg für das erste Prozessfluid Mittel zur Zumischung des zweiten Prozessfluids zum verdichteten ersten Prozessfluid, die zwischen dem Verdichter und der Entspannungsmaschine angeordnet sind. Wohlgemerkt umfasst der Strömungsweg des ersten Prozessfluids ausdrücklich keine expliziten Mittel, über die dem ersten Prozessfluid, sei es durch innere Verbrennung oder durch Wärmetausch, Wärme zugeführt wird. Der Strömungsweg für das zweite Prozessfluid umfasst Mittel zur Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid und zur Verdampfung des in einem ersten Zustand flüssigen zweiten Prozessfluids. Weiterhin umfasst der Strömungsweg für das zweite Prozessfluid die Mittel zur Zumischung des zweiten Prozessfluids zum ersten Prozessfluid und die Entspannungsmaschine zur arbeitsleistenden Entspannung von Prozessfluid. Dabei sind die Mittel zur Zumischung im Strömungsweg des zweiten Prozessfluids stromab der Mittel zur Verdampfung angeordnet. Mittel zur Wärmezufuhr sind ausschließlich in Strömungsweg des zweiten Prozessfluids, stromauf der Mittel zur Zumischung des zweiten Prozessfluids zum ersten Prozessfluid, angeordnet.
  • In einer Weiterbildung der Wärmekraftanlage ist stromab der Entspannungsmaschine wenigstens ein Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr aus dem gemeinsam strömenden ersten und zweiten Prozessfluid angeordnet. Gemäss einer Ausgestaltung ist dabei ein Wärmetauscher zur weiteren Kondensation des zweiten Prozessfluids stromab der Entspannungsmaschine angeordnet. Stromab dieses Kondensationswärmetauschers sind insbesondere Mittel zur Abscheidung des verflüssigten zweiten Prozessfluids aus dem ersten Prozessfluid angeordnet, und in einer weiteren Ausführungsform finden sich weiterhin stromab dieses Abscheiders Mittel zur Führung wenigstens eines Teils des entspannten ersten Prozessfluids zum Verdichter. Durch die Trennung von erstem und zweitem Prozessfluid liegen das erste Prozessfluid und das zweite Prozessfluid wieder in einer Form vor, in der sie in den jeweiligen Fluidkreislauf zurückgeführt werden können, so, dass der Fluidkreislauf des ersten Prozessfluids und/oder der Fluidkreislauf des zweiten Prozessfluids wenigstens teilweise geschlossenen ausgeführt werden kann. Hierzu sind in einer weiteren Weiterbildung dieser Ausgestaltung stromab des Abscheiders Mittel zur Rückführung wenigstens eines Teils des verflüssigten zweiten Prozessfluids zum Wärmezuführmittel angeordnet. Die Rückführmittel umfassen beispielsweise eine Pumpe zur Unterdrucksetzung des zweiten Prozessfluids. Einerseits muss das zweite Prozessfluid wieder auf einen Druck versetzt werden, der wenigstens dem Druck des verdichteten ersten Arbeitsfluids entspricht. Durch Unterdrucksetzung des zweiten Prozessfluids kann diesem im flüssigen Aggregatzustand mehr Wärme zugeführt werden. In einer Ausführungsform der Wärmekraftanlage ist im Strömungsweg des zweiten Prozessfluids stromab der Wärmezufuhrmittel und stromauf der Mittel zur Einbringung in das erste Prozessfluid eine Entspannungsmaschine zur arbeitsleistenden teilweisen Entspannung des zweiten Prozessfluids angeordnet. Damit ist es möglich, das zweite Prozessfluid vor der Wärmezufuhr auf einen Druck zu versetzen, der wesentlich grösser ist als der Druck des verdichteten ersten Prozessfluids. Es ist mit dieser Ausgestaltung der Wärmekraftanlage möglich, den Druck, bei dem dem zweiten Prozessfluid Wärme zugeführt wird und bei denen das zweite Prozessfluid verdampft wird, vom Druck des verdichteten ersten Prozessfluids zu entkoppeln. Dies bietet die vorteilhafte Möglichkeit, für die Wärmezufuhr stets konstante und reproduzierbare thermodynamische Bedingungen herzustellen.
  • Der stromab der Entspannungsmaschine angeordnete Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr ist in einer Ausführungsform der Wärmekraftanlage ein Wärmerückgewinnungskessel, durch den wenigstens ein Teil der Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid erfolgt. Als ein Mittel zur Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid ist in einer Ausgestaltung der Wärmekraftanlage ein Wärmeübertrager angeordnet, in dem Wärme von einer externen Wärmequelle auf das zweite Prozessfluid übertragen wird. In dieser Ausgestaltung kann der weitere Wärmetauscher auch ein Wärmerückgewinnungskessel einer Gasturbogruppe sein. Die beschriebene Wärmekraftanlage führt dann den nachgeordneten Prozess oder Niedertemperaturprozess zur Abwärmenutzung der Gasturbogruppe in einem Kombikraftwerk aus. Eine alternativ oder kumulativ anzuwendende Ausgestaltung umfasst eine Brennkammer, in welche wenigstens ein Teil des zweiten Prozessfluids sowie ein brennbares Brennstoffgemisch einleitbar ist. Mit dieser Ausführungsform wird die oben beschriebene interne Verbrennung im zweiten Prozessfluid realisiert.
  • Weiterhin umfasst die Wärmekraftanlage in einer Ausgestaltung Mittel zur Regelung des Druckes des ersten Prozessfluids stromauf und/oder stromab des Verdichters. In einer weiteren Ausführungsform sind der Verdichter und die Entspannungsmaschine auf einem gemeinsamen Wellenstrang angeordnet.
  • Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, können der erfindungsgemässe Wärmekraftprozess und die zur Durchführung des Prozesses geeignete Wärmekraftanlage als Hybridprozess und als Hybrid-Kraftwerksanlage oder Hybrid-Turbinenanlage bezeichnet werden, da der realisierte Prozess gleichzeitig Eigenschaften eines Gasturbinenprozesses wie auch eines Dampfturbinenprozesses aufweist.
  • Um bei einer geschlossenen oder teilgeschlossenen Kreislaufführung die Befüllung der ersten Fluidkreislaufanordnung mit erstem Prozessfluid nach Bedarf verändern zu können, umfasst die Hybridturbinenanlage zweckmäßig zusätzlich eine drosselbare Zu- und Abführleitung zur Regelung einer Zu- und Abführung von erstem Prozessfluid. Zur Erhöhung des Druckniveaus des ersten und des zweiten Fluidkreislaufs wird die Menge des in dem ersten Fluidkreislauf befindlichen ersten Prozessfluids erhöht. Zur Verminderung des Druckniveaus des ersten und des zweiten Fluidkreislaufs wird die Menge des in dem ersten Fluidkreislaufs befindlichen ersten Prozessfluids vermindert. Durch die so zu realisierende Variationen der Menge an zirkuliertem Prozessfluid kann die Leistung der Kraftwerksanlage besonders effizient verändert werden.
  • Die Entspannungsmaschine ist ferner zweckmäßig als Turbine ausgebildet, die mit einem stromerzeugenden Generator antriebsverbunden ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Beispiel für einen erfindungsgemässen Wärmekraftprozess und eine erfindungsgemässe Kraftwerksanlage;
  • 2 ein zweites Beispiel für einen erfindungsgemässen Wärmekraftprozess und eine erfindungsgemässe Kraftwerksanlage.
  • In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente und Bauteile dargestellt. Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen und sollen einem besseren Verständnis dienen, jedoch nicht als Einschränkung des Erfindungsgegenstandes verstanden werden.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Hybridturbinenanlage. Die in 1 dargestellte Hybridturbinenanlage 1 umfasst einen Verdichter 11 zur Verdichtung eines ersten, gasförmigen Prozessfluids, einen Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 zur Verdampfung eines zweiten, in einem Ausgangszustand flüssigen Prozessfluids durch Wärmezufuhr zu dem zweiten Prozessfluid, ein Zuführ- und Vermischungsmittel 13 zur Zuführung und Vermischung des dampfförmigen zweiten Prozessfluids zu dem verdichteten ersten Prozessfluid, sowie eine Turbine 14 zur arbeitsleistenden Entspannung des Gemischs aus erstem und zweitem Prozessfluid. Verdichter 11, Die Turbine 14 ist des Weiteren über eine Welle 16 mit dem Verdichter 11 und einem Generator 17 antriebsverbunden. Verdichter 11, Turbine 14 und Generator 17 bilden eine Anordnung ähnlich einer Gasturbinenanlage. Gasturbinenanlagen an sich sind aus dem Stand der Technik bekannt. Jedoch ist zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 14 hier keine Brennkammer und auch kein anderweitiges Mittel zur Zuführung von Wärme zu dem ersten Prozessfluid angeordnet. Wärme wird hier ausschließlich mittels dem Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 dem zweiten Prozessfluid zugeführt. Das zweite Prozessfluid liegt in einem Ausgangszustand in flüssigen Zustand vor. Dieses Fluid wird von der Speisepumpe 20 unter Druck gesetzt und zu einem Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 gefördert, in welchem dem zweiten Prozessfluid Wärme zugeführt und dieses verdampft wird; vorzugsweise wird überhitzter Dampf erzeugt. Der überhitzte Dampf 15-2 wird zu den Mitteln 13 geleitet, wo er dem gespannten ersten Prozessfluid 15-1 zugemischt wird. Das so entstehende Gemisch wird 15-3 wird zu der Turbine 14 geführt und in der Turbine 14 arbeitsleistend entspannt. Die dargestellte Kraftwerksanlage umfasst einen Strömungsweg 10I für das erste Prozessfluid und einen Strömungsweg 10II für das zweite Prozessfluid. Die Turbine 14 sowie vorliegend die Mittel zur Wärmeabfuhr 18-1 und 18-2 gehören dabei beiden Strömungswegen an. Die in 1 dargestellte Hybridturbinenanlage 1 ist als vollständig geschlossene Turbinenanlage ausgeführt. Das bedeutet, dass beide Strömungswege 10I und 10II als geschlossene Kreislaufanordnungen ausgeführt sind, bei denen die Prozessfluide nach der Entspannung wieder in ihren jeweiligen Ausgangszustand zurückgeführt werden. Geschlossene Prozessführungen und die sich hieraus ergebenden Vorteile, wie beispielsweise eine freie Wahl der Prozessfluide als auch der Prozessparameter, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Hybridturbinenanlage könnte jedoch auch als offene Turbinenanlage oder auch als teilweise geschlossene Turbinenanlage ausgeführt sein. Damit beide Fluide vollständig geschlossen geführt werden können, sind in Strömungsrichtung stromab der Turbine 14 zunächst ein erster Wärmetauscher 18-1, ein erster Tropfenabscheider 19-1, ein zweiter Wärmetauscher 18-2 und ein zweiter Tropfenabscheider 19-2 in Reihe geschaltet. Der erste und zweite Wärmetauscher 18-1 und 18-2 werden als Wärmesenken betrieben, d.h. dem Gemisch aus erstem und zweitem Prozessfluid wird in den Wärmetauschern 18-1 und 18-2 Wärme entzogen. Hierdurch kommt es in dem ersten Wärmetauscher 18-1 zu einer teilweisen Kondensation des zweiten Prozessfluids unter Partialdruckbedingungen und in dem zweiten Wärmetauscher 18-2 zu einer vollständigen Restkondensation des zweiten Prozessfluids. Das Kondensat wird in dem dem betreffenden Wärmetauscher 18-1 bzw. 18-2 jeweils nachgeschalteten Tropfenabscheider 19-1 bzw. 19-2 aus der Gemischströmung abgeschieden und gelangt von hier in eine Sammelleitung 15-9. Am Austritt aus dem zweiten Tropfenabscheider 19-2 verbleibt somit im Wesentlichen gasförmiges erstes Prozessfluid 15-8, das wieder dem Verdichter 11 zugeführt wird. Das kondensierte und von dem ersten Prozessfluid separierte zweite Prozessfluid wird von der Pumpe 20 aus der Sammelleitung 15-9 in eine Leitung 15-10 gepumpt und gelangt über diese Rückführleitung 15-10 letztlich wieder in den Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12. Bevor das zweite Prozessfluid über die Rückführleitung 15-10 dem Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 zugeführt wird, ist die Leitungsführung der Rückführleitung 15-10 so geschaltet, dass wenigstens ein Teil des zweiten Prozessfluids den als Rekuperationswärmetauscher ausgebildeten ersten Wärmetauscher 18-1 sekundärseitig wärmeaufnehmend durchströmt. Hierzu wird die Rückführleitung 15-10 in der in 1 schematisch dargestellten Weise durch den Rekuperationswärmetauscher 18-1 geführt. Bypass-Leitungen 21-1 und 21-2 mit Stellorganen 22-1 und 22-2 ermöglichen es, einen variablen Teilmassenstrom des zweiten Prozessfluids an dem Rekuperationswärmetauscher vorbeizuleiten. Der in 1 dargestellte Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 ist als Wärmetauscher ausgebildet. Primärseitig wird der Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 in dem Ausführungsbeispiel von einem Heißgas durchströmt, das durch Verbrennung eines Brennstoffs in einem Wärmeerzeuger 23 gewonnen wird. Dem Wärmeerzeuger 23 vorgeschaltet ist ein Rauchgaswärmetauscher 24 als Luftvorwärmer für die Verbrennungsluft, der primärseitig von dem aus dem Primärkreis des Dampferzeugers und/oder -überhitzers 12 austretenden Abgas beströmt wird und durch Vorwärmung der Verbrennungsluft des Wärmeerzeugers 23 eine verbesserte Wärmeausnutzung bewirkt. Selbstverständlich kann aufgrund der bereits beschriebenen Fähigkeit zur Wärmenutzung auf vergleichsweise tiefem Temperaturniveau auch eine Abwärmequelle, beispielsweise das Abgas einer konventionellen Gasturbogruppe, oder sonstige Wärmequellen zur Dampferzeugung und -überhitzung im Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 genutzt werden, solange für den Wärmkraftprozess hinreichende und kompatible Frischdampfzustände am Austritt aus dem Dampferzeuger und/oder -überhitzer gewährleistet werden können. Als erstes Prozessfluid kann beispielsweise Luft oder aufgrund der geschlossenen Kreislaufanordnungen auch ein anderes Gas wie beispielsweise Helium verwendet werden. Die Verwendung von Helium bietet aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften Vorteile bei der Verwendung in einem geschlossenen Gasturbinenkreislauf, was aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist. Als zweites Prozessfluid kann Wasser oder aufgrund der geschlossenen Kreislaufanordnungen 10I und 10II auch ein toxisches Fluid wie Frigen, Freon oder Ammoniak verwendet werden. Die gesamte Wärmezufuhr zu dem Wärmekraftprozess erfolgt gemäss der Erfindung nur im zweiten Strömungsweg 10II. Da das zweite Prozessfluid vor und während der Wärmezufuhr wenigstens teilweise in einem flüssigen Zustand vorliegt, ergeben sich hier große Wärmeübergangszahlen an den Wärmeübertragungsflächen des Dampferzeugers und/oder -überhitzers 12, so dass Wärmeübertragungsflächen des Dampferzeugers und/oder -überhitzers 12 vergleichsweise klein ausgeführt sein können, um eine erforderliche Wärmemenge auf das zweite Prozessfluid zu übertragen. Die Wärmezufuhr kann prinzipiell bei einer Temperatur erfolgen kann, die sogar unterhalb der Verdichtungsendtemperatur des Verdichters 11 liegt. Somit können also hohe Druckverhältnisse bei einer geringen zur Verfügung stehenden oberen Prozesstemperatur realisiert werden. Die Enthalpiedifferenz, die in der Turbine als technische Arbeit umgesetzt und abgeführt werden kann, resultiert insbesondere aus der Massenstromdifferenz zwischen Verdichter 11 und Turbine 14. Bei einer dargestellten geschlossenen oder auch teilgeschlossenen Ausführung kann die Leistungsregelung sehr einfach über die Befüllung der Anlage mit erstem Prozessfluid erfolgen. Die Kraftwerksanlage arbeitet dann beispielsweise mit einem konstanten Druckverhältnis, wobei aufgrund der höheren Kreislauffüllung der Druck vor dem Verdichter 11 angehoben wird. Bei ansonsten gleichen Strömungsverhältnissen ist der Massenstrom in den Strömungsmaschinen grösser, woraus eine höheren Leistungsabgabe resultiert. Umgekehrt kann die Kreislauffüllung vermindert werden, wodurch der Druck stromauf des Verdichters 11 sinkt. Damit werden die Massenströme und die Leistung vermindert. Auf an sich bekannte Weise kann somit die Leistungsabgabe verändert werden, ohne dass die Strömungsmaschinen beispielsweise abseits ihres Auslegungsbetriebspunktes betrieben werden müssen.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kraftwerksanlage, die nach dem erfindungsgemäßen Wärmekraftprozess betrieben wird. Wie bereits im Zusammenhang mit der 1 beschrieben, umfasst auch die in 2 dargestellte Hybridturbinenanlage 1 einen Verdichter 11 zur Verdichtung eines ersten, gasförmigen Prozessfluids, einen Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 zur Verdampfung eines zweiten, in einem Ausgangszustand flüssigen Prozessfluids, ein Zuführ- und Vermischungsmittel 13 zur Zuführung und Vermischung des dampfförmigen zweiten Prozessfluids zu dem verdichteten ersten Prozessfluid sowie eine Turbine 14 zur arbeitsleistenden Entspannung des gemeinsam strömenden ersten und zweiten Prozessfluids. Zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 14 befindet sich ebenso wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel keine Brennkammer und auch kein anderweitiges Mittel zur Zuführung von Wärme zu dem ersten Prozessfluid. Wärme wird in der in 2 dargestellten Hybridturbinenanlage ausschließlich im Strömungsweg 10II des zweiten Prozessfluids dem zweiten Prozessfluid zugeführt. Als zweites Prozessfluid wird in diesem Beispiel Wasser verwendet. Das flüssige zweite Prozessfluid durchströmt einen Rekuperationswärmetauscher 18-1 und strömt anschliessend in einen Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12. Der Dampferzeuger und/oder -überhitzer 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Brennkammer ausgeführt. Stromauf des Dampferzeugers und/oder -überhitzers 12 kann auch ein weiterer Wärmetauscher zur Vorwärmung und/oder Verdampfung des zweiten Prozessfluids unter Nutzung einer externen Wärmequelle angeordnet sein. Durch die Brennstoffleitung 26 wird ein Brennstoff, beispielsweise Erdgas, welches im Wesentlichen aus Methan besteht, in die Brennkammer eingeleitet. Ein Brennluftkompressor 25 fördert Luft aus der Umgebung U in die Brennkammer 12. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis wird dabei in einer Ausführungsform stöchiometrisch oder nahestöchiometrisch eingestellt. Die dabei entstehende Temperatur wird durch Einspritzen von Wasser oder Dampf in die Flamme und/oder Vermischen des Brennstoff-Luft-Gemischs mit Wasserdampf oder Wasser stromauf der Verbrennung auf ein erträgliches Mass reduziert, welches die strukturelle Integrität der Brennkammer gewährleistet und die Stickoxidbildung nicht übermässig ansteigen lässt. Aufgrund dieser Wärmezufuhr wird das zweite Prozessfluid verdampft und überhitzt, beziehungsweise gegebenenfalls bereits eingebrachtes dampfförmiges zweites Prozessfluid wird weiter überhitzt und der Dampf 15-2 wird in den Mitteln 13 dem verdichteten ersten Prozessfluid zugemischt. Weiterhin werden bei der Verbrennung selbstverständlich auch Reaktionsprodukte gebildet, welche mit dem zweiten Prozessfluid dem ersten Prozessfluid zugemischt werden. Bei der Verbrennung von Methan in Luft entsteht stetig eine Mischung, welche im Wesentlichen aus Wasserdampf, Stickstoff, und Kohlendioxid besteht, welche zusammen mit dem zweiten Prozessfluid dem ersten Prozessfluid zugemischt und zusammen mit dem ersten und zweiten Prozessfluid in der Turbine entspannt wird. Entsprechend der Zufuhr von Luft und Brennstoff zum zweiten Prozessfluid muss auch ein Massenstrom stetig aus der Prozessführung abgeschieden werden, weshalb die Kraftwerksanlage nur mit einer teilgeschlossenen Ausführung ausgeführt ist. Im Ausführungsbeispiel wird der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf zusammen mit dem zweiten Prozessfluid in den Wärmetauschern 18-1 und 18-2 kondensiert und im Kondensatabscheider 19 von dem im Ausgangszustand des Kreisprozesses gasförmigen ersten Prozessfluid getrennt. In der Brennkammer 12 weiterhin erzeugtes Kohlendioxid und dort eingebrachter Stickstoff verbleiben im ersten Prozessfluid, und strömen in Richtung zum Verdichter 11. Im Strömungsweg des zweiten Prozessfluids ist stromab des Abscheiders 19 und stromauf der Speisepumpe 20 ein Behälter 27 angeordnet, aus welchem über ein Stellorgan 31 und eine Abströmleitung 30 flüssiges zweites Prozessfluid aus dem Fluidkreislauf abgeführt werden kann. Hierzu ist der Behälter 27 niveaugeregelt ausgeführt. Ein Niveaugeber 28 steht mit einem Regler 29 in Signalverbindung. Der Regler 29 öffnet das Stellorgan 31, wenn das Flüssigkeitsniveau in dem Behälter einen bestimmten Wert überschreitet, und er schliesst das Stellorgan, wenn das Niveau im Behälter einen unteren Grenzwert unterschreitet. Im Strömungsweg des ersten Prozessfluids ist stromab des Flüssigkeitsabscheiders 19 und stromauf des Verdichters 11 ebenfalls eine Ablassleitung 32 mit einem Absperr- und/oder Stellorgan 33 angeordnet. Durch die fortlaufende Zufuhr von Kohlendioxid und gegebenenfalls auch Stickstoff aus der Brennkammer 12 steigt an sich die Füllung des Strömungswegs für das erste Prozessfluid an. In der Folge steigt auch der Druck in dem Strömungsweg. In Wirkverbindung mit dem Absperr- und/oder Stellorgan 33 ist ein Druckregler 34 angeordnet. Dieser Druckregler öffnet das Absperr- und/oder Stellorgan 33, wenn der Druck an einer Druckmessstelle 35 einen bestimmten Grenzwert überschreitet, und lässt damit einen Teil des ersten Prozessfluids aus dem Fluidkreislauf ab. Als erstes Prozessfluid stellt sich hierbei Kohlendioxid oder ein Kohlendioxid-Stickstoff-Gemisch ein. Je nach Stöchiometrie der Verbrennung in der Brennkammer 12 kann hierbei weiterhin auch Sauerstoff anwesend sein. Es versteht sich von selbst, dass die Ablassleitung 32 und die Druckmessstelle 35 auch stromab des Verdichters angeordnet sein können. Auf diese Weise kann die Kreislauffüllung einfach eingestellt werden: Für eine Erhöhung der Kreislauffüllung wird das Absperr- und/oder Stellorgan 33 zunächst geschlossen gehalten, bis durch die Zufuhr von Fluid aus der Brennkammer 12 ein bestimmter Druck an der Messstelle 35 erzielt wird. Das heisst, der Kreislauf ist selbsttätig aufladend. Zur Verminderung des Druckes wird Fluid über die Ablassleitung 32 und das Stellorgan 32 aus dem Fluidkreislauf abgeführt.
  • Die im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Hybridturbinenanlagen sowie die zugehörigen Wärmekraftprozesse stellen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar, die von einem Fachmann durchaus in vielfältiger Weise ohne Weiteres modifiziert werden können, ohne den Erfindungsgedanken hierdurch zu verlassen.
  • 1
    Kraftwerksanlage, Hybridturbinenanlage
    10I
    Strömungsweg des ersten Prozessfluids
    10II
    Strömungsweg des zweiten Prozessfluids
    11
    Verdichter
    12
    Dampferzeuger und/oder -überhitzer
    13
    Zuführ- und Mischelement
    14
    Turbine
    15-1, 15-2, ...
    Leitungen; Fluide
    16
    Welle
    17
    Generator
    18-1
    Rekuperationswärmetauscher
    18-2
    Wärmetauscher, Kondensator
    19, 19-1, 19-2
    Kondensatabscheider
    20
    Speisepumpe
    21-1, 21-2
    Bypass-Leitungen
    22-1, 22-2
    Stellorgane
    23
    Wärmeerzeuger
    24
    Rauchgaswärmetauscher
    25
    Brennluftkompressor
    26
    Brennstoffzuleitung
    27
    Behälter
    28
    Füllstandssensor, Schwimmer
    29
    Regler
    30
    Ablaufleitung
    31
    Absperr- und/oder Regelorgan
    32
    Ablassleitung
    33
    Absperr- und/oder Regelorgan
    34
    Regler
    35
    Druckmesstelle
    U
    Umgebung

Claims (28)

  1. Wärmekraftprozess, umfassend einen ersten Kreisprozess (10I) für ein erstes Prozessfluid und einen zweiten Kreisprozess (10II) für eine zweites Prozessfluid, wobei der erste Kreisprozess (10I) umfasst: das erste Prozessfluid ab einem gasförmigen Ausgangszustand (15-8) zu verdichten und nachgängig der Verdichtung arbeitsleistend zu entspannen, wobei das erste Prozessfluid keinen Phasenwechsel durchläuft; und wobei der zweite Kreisprozess (10II) umfasst: ein zweites Prozessfluid in einem flüssigen Ausgangszustand (15-10) getrennt vom ersten Prozessfluid zu führen; dem zweiten Prozessfluid Wärme zuzuführen und das zweite Prozessfluid zu verdampfen; das verdampfte zweite Prozessfluid (15-2) dem verdichteten ersten Prozessfluid (15-1) vorgängig der Entspannung zuzumischen; und das zweite Prozessfluid zusammen mit dem ersten Prozessfluid arbeitsleistend zu entspannen, gekennzeichnet dadurch, vorgängig der Entspannung ausschliesslich dem zweiten Prozessfluid Wärme zuzuführen.
  2. Wärmekraftprozess gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der erste Fluidkreislauf und/oder der zweite Fluidkreislauf als wenigstens teilgeschlossener Kreislauf ausgeführt ist, derart, dass wenigstens ein erster Teilmassenstrom des ersten Prozessfluids (15-8) und/oder ein zweiter Teilmassenstrom des zweiten Prozessfluids (15-9) nachgängig der Entspannung wieder in den jeweiligen Ausgangszustand zurückgeführt und dem jeweiligen Fluidkreislauf wieder zugeführt wird.
  3. Wärmekraftprozess gemäss Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, aus einem einem Fluidkreislauf wieder zugeführten Teilmassenstrom eines Prozessfluids vorgängig der Wiederzuführung das jeweils andere Prozessfluid abzuscheiden.
  4. Wärmekraftprozess gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend, sicherzustellen, dass das zweite Prozessfluid (15-10) vorgängig der Verdampfung wenigstens den Druck des verdichteten ersten Prozessfluids (15-1) aufweist.
  5. Wärmekraftprozess gemäss Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, den Druck des zweiten Prozessfluids vorgängig einer ersten Wärmezufuhr zu erhöhen.
  6. Wärmekraftprozess gemäss Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, den Druck des zweiten Prozessfluids (15-10) vorgängig der ersten Wärmezufuhr wenigstens auf den Druck des verdichteten ersten Prozessfluids (15-1) zu erhöhen.
  7. Wärmekraftprozess gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, nach der arbeitsleistenden Entspannung aus dem gemeinsamen strömenden ersten Prozessfluid und zweiten Prozessfluid Wärme abzuführen.
  8. Wärmekraftprozess gemäss Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, das zweite Prozessfluid wenigstens teilweise durch die Wärmeabfuhr zu verflüssigen und das verflüssigte zweite Prozessfluid (15-9) aus dem gemeinsamen strömenden und ersten Prozessfluid und zweiten Prozessfluid abzuscheiden.
  9. Wärmekraftprozess gemäss einem der Ansprüche 7 oder 8, umfassend, das gemeinsam strömende erste Prozessfluid und zweite Prozessfluid zur Wärmeabfuhr durch einen wärmeabgebenden primärseitigen Strömungsweg eines Wärmetauschers (18-1) zu leiten und das verflüssigte zweite Prozessfluid (15-9, 15-10) durch den wärmeaufnehmenden sekundärseitigen Strömungsweg des Wärmetauschers (18-1) zu leiten, derart, dass dem zweiten Prozessfluid im sekundärseitigen Strömungsweg im Wärmetausch mit dem gemeinsam strömenden ersten und zweiten Prozessfluid Wärme zugeführt wird.
  10. Wärmekraftprozess gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, wenigstens einen Teil der Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid in einem extern beheizten Dampferzeuger und/oder -überhitzer (12) vorzunehmen.
  11. Wärmekraftprozess gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, in einen Brennraum (12) einen Brennstoff (26) und ein sauerstoffhaltiges Gas (25) einzuleiten, den Brennstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas zu verbrennen, und einen Massenstrom des zweiten Prozessfluides mit dem entstehenden Reaktionsprodukt zu vermischen, und die entstehende Mischung (15-2) in das verdichtete erste Prozessfluid (15-1) vorgängig der Entspannung einzuleiten.
  12. Wärmekraftprozess gemäss Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, das sauerstoffhaltige Gas und/oder den Brennstoff vorgängig der Verbrennung mit einem Massenstrom zweiten Prozessfluids zu vermischen.
  13. Wärmekraftprozess gemäss einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet dadurch, einen Massenstrom des zweiten Prozessfluids (15-10) stromab einer Reaktionszone der Brennkammer in die Brennkammer (12) einzuleiten.
  14. Wärmekraftprozess gemäss einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet dadurch, einen Massenstrom des zweiten Prozessfluids (15-10) derart in die Brennkammer (12) einzuleiten, dass die Reaktionszone, in der der Brennstoff im sauerstoffhaltigen Gas verbrannt wird, von einem Mantel aus zweitem Prozessfluid umgeben ist und/oder das zweite Prozessfluid der Reaktionszone beigemischt wird.
  15. Wärmekraftprozess gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, das zweite Prozessfluid (15-2) in Form von überhitztem Dampf in das verdichtete erste Prozessfluid (15-1) vorgängig der Entspannung einzuleiten.
  16. Wärmekraftprozess gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Temperatur des zweiten Prozessfluids nach der Wärmezufuhr kleiner ist als die Temperatur des verdichteten ersten Prozessfluids.
  17. Wärmekraftanlage, umfassend einen Strömungsweg (10I) für ein erstes Prozessfluid, und einen Strömungsweg (10II) für ein zweites Prozessfluid, wobei der Strömungsweg für das erste Prozessfluid einen Verdichter (11) zur Verdichtung des ersten Prozessfluids von einem gasförmigen ersten Zustand (15-8) auf einen zweiten Zustand (15-1) und eine Entspannungsmaschine (14) zur arbeitsleistenden Entspannung von Prozessfluid umfasst, und wobei Mittel (13) zur Zumischung des zweiten Prozessfluids (15-2) zum verdichteten ersten Prozessfluid (15-1) zwischen dem Verdichter (11) und der Entspannungsmaschine (14) angeordnet sind, und wobei der Strömungsweg für das zweite Prozessfluid Mittel (18-1, 12) zur Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid und zur Verdampfung des in einem ersten Zustand flüssigen zweiten Prozessfluids umfasst, und wobei der Strömungsweg für das zweite Prozessfluid weiterhin die Mittel (13) zur Zumischung und die Entspannungsmaschine (14) umfasst, wobei die Mittel zur Zumischung im Strömungsweg des zweiten Prozessfluides stromab der Mittel zur Verdampfung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Wärmezufuhr ausschliesslich im Strömungsweg des zweiten Prozessfluids stromauf der Mittel zur Zumischung des zweiten Prozessfluids zum ersten Prozessfluid angeordnet sind.
  18. Wärmekraftanlage gemäss Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Entspannungsmaschine (14) wenigstens ein Wärmetauscher (18-1, 18-2) zur Wärmeabfuhr aus dem gemeinsam strömenden ersten und zweiten Prozessfluid angeordnet ist.
  19. Wärmekraftanlage gemäss Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (18-2) zur Kondensation des zweiten Prozessfluids angeordnet ist.
  20. Wärmekraftanlage gemäss Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass stromab eines Wärmetauschers Mittel (19, 19-1, 19-2) zur Abscheidung des verflüssigten zweiten Prozessfluids (15-9) aus dem ersten Prozessfluid angeordnet sind.
  21. Wärmekraftanlage gemäss Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Abscheiders Mittel (15-8) zur Führung wenigstens eines Teils des entspannten ersten Prozessfluids zum Verdichter angeordnet sind.
  22. Wärmekraftanlage gemäss Anspruch 21, gekennzeichnet durch stromab des Abscheiders angeordnete Mittel zur Rückführung wenigstens eines Teils des verflüssigten zweiten Prozessfluids zu dem Wärmezuführmittel.
  23. Wärmekraftanlage gemäss Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführmittel eine Pumpe (20) zur Unterdrucksetzung des zweiten Prozessfluids umfassen.
  24. Wärmekraftanlage gemäss einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Wärmerückgewinnungskessel (18-1) ist, durch den wenigstens ein Teil der Wärmezufuhr zum zweiten Prozessfluid erfolgt.
  25. Wärmekraftanlage gemäss einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Mittel zur Wärmezufuhr ein Wärmeübertrager (12) ist, in dem Wärme von einer externen Wärmequelle (23) auf das zweite Prozessfluid übertragen wird.
  26. Wärmekraftanlage gemäss einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Mittel zur Wärmezufuhr eine Brennkammer (12) ist, in welche wenigstens ein Teil des zweiten Prozessfluids sowie ein brennbares Brennstoffgemisch einleitbar ist.
  27. Wärmekraftanlage gemäss einem der Ansprüche 17 bis 26, gekennzeichnet durch Mittel (32, 33) zur Regelung des Druckes des ersten Prozessfluids stromauf und/oder stromab des Verdichters.
  28. Wärmekraftanlage gemäss einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter und die Entspannungsmaschine auf einem gemeinsamen Wellenstrang (16) angeordnet sind.
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DE102008015915A1 (de) * 2008-03-27 2009-10-15 Giese, Michael, Dr.-Ing. Motor
CN108104887A (zh) * 2017-12-07 2018-06-01 中国神华能源股份有限公司 二次再热的热力系统
DE102017002286A1 (de) * 2017-03-09 2018-09-13 Klaus Jürgen Herrmann Hydridwärmekraftanlage mit zwei Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie Ermöglicht mit einer isochor arbeitenden Arbeitsmaschine, einem Hybridwärmekreislaufprozess und einer isotherm arbeitenden Wärmekraftmaschine.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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