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.
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.