DE102008019906A1

DE102008019906A1 - Wärmekraftwerk für Dämpfe und seine Prozesse

Info

Publication number: DE102008019906A1
Application number: DE102008019906A
Authority: DE
Inventors: Peter Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-14
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-04-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmekraftwerk für Dämpfe und seine Prozesse. Dabei werden zwei aus verschiedenen Medien bestehende Dampfkreisläufe so hintereinander geschaltet, dass die Kondensationswärme des ersten Kreislaufs die zugeführte Wärme des zweiten Kreislaufs ist. Während das Medium des ersten Kreislaufs z.B. Wasser sein kann, welches eine hohe spezifische Verdampfungstemperatur hat, muss das zweite Medium eines sein, welches eine viel kleinere spezifische Verdampfungstemperatur als Wasser aufweist. Damit geht bei diesem Prozess viel weniger nicht nutzbare Kondensationswärme verloren als beim reinen Wasserdampfprozess.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmekraftwerk für Dämpfe und seine Prozesse.
Dampfkraftwerke arbeiten heute überwiegend mit einem Dampfprozess mit Wasserdampf.
Wirkungsgrade heutiger Kraftwerke liegen zwischen 30% für reine Dampfkraftwerke und 46% für GuD-Kraftwerke unter Verwendung von Gasturbine und Dampfturbine.
Moderne Dampfkraftwerke werden heute in der Regel als Kraftwerke mit Kraft-Wärmekopplung und/oder als GuD-Kraftwerke gebaut.
Zu den Kraftwerken mit einer Gasturbine und einer Dampfturbine gibt es zahlreiche Vorschläge wie z. B. DE 3103431 A1 ; EP 03 98070 B1
Gasturbinen haben den Nachteil, daß sie den vergleichsweise teuren Brennstoff Gas benötigen.
Es sind auch Dampfprozesse bekannt, die mit unterschiedlichen Dämpfen zwei oder mehr Dampfkreisläufe betreiben, die bestimmte Eigenschaften verbessern sollen.
Im Internet (www.wikipedia.de/Kraftwerke bzw. www.wikipedia.de/Dampfkraftwerke) sind Versuche angeführt, bei der vor einen Kreisprozess mit Wasserdampf ein Kreisprozess mit Quecksilber und Kalium angeordnet ist, desses Kondensationswärme das Wasser erhitzen und verdampfen sollte, um so die hohen Verbrennungstemperaturen ohne große Exergieverluste an den Wärmetauschern nutzen zu können. Die technischen Anforderungen waren aber unbeherrschbar und unwirtschaftlich wegen der hohen Temperaturen.
In DE 125372 B sind hinter einem Kreisprozess mit Wasserdampf zwei weitere Kreisprozesse angeordnet worden, die von der Kondensationswärme des ersten Wasserkreislaufs erhitzt werden. Zweck dieser Anordnung ist, die hohen Gasvolumina im unteren Druckbereich, die von einer Großturbine kaum mehr verarbeitet werden können zu vermeiden und in mehreren Turbinen oder mit Stoffen mit geringerem spezifischen Volumen als Wasserdampf im Kaltdampfbereich das Arbeitsvermögen des Dampfes nutzen zu können.
Wasserdampf, insbesondere überhitzter Wasserdampf hat zwar eine großes Arbeitsvermögen pro kg und einen hohen kritischen Punkt, sodaß er problemlos Verbrennungstemperaturen nutzen kann.
Ein wesentlicher Nachteil des Wasserdampfes ist aber seine sehr hohe und bei niedrigen Temperaturen sogar noch stark zunehmende Kondensationswärme.
Dies begrenzt den Wirkungsgrad des Dampfprozesses, da selbst bei einem Arbeitsvermögen von 1000 kJ/kg Wasserdampf durch die hohe Kondensationsenthalpie von ca. 2400 kJ/kg der Wirkungsgrad bei
bleibt. Der Wirkungsgrad eines reinen Dampfkraftwerks bleibt damit vergleichsweise bescheiden.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, erreicht ein hohes Arbeitsvermögen des Dampfprozesses bei niedrigen Kondensationswärmen, sodaß ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad des Wärmekraftprozesses erzielt wird.
Dies wird dadurch erreicht, daß im oberen und mittleren Bereich der Wärmezufuhr ein erster Dampfkreis mit einem Dampf mit vergleichsweise hohem kritischen Punkt, hoher spezifischer Wärmekapazität (bzw. hoher spezifischer Wärmekapazität/mol) und beliebig hoher Kondensationswärme arbeitet (bevorzugt Wasserdampf) und eine erste Turbine oder Dampfmaschine treibt und dann in einem Wärmetauscher zur Kondensation gebracht wird und in diesem Wärmetauscher mit dieser Kondensationswärme eine zweite Flüssigkeit aufheizt und verdampft, die eine niedrige Kondensationswärme hat und deren Dampf eine zweite Turbine treibt und dann in einem zweiten Wärmetauscher zur Kondensation gebracht wird.
Schlägt man in Tabellen mit der spezifischen Wärmekapazität und mit den spezifischen Verdampfungswärmen verschiedener Flüssigkeiten nach, so erkennt man, daß von den Stoffen, die bei 1 bar und einer Siedetemperatur zwischen 50°C und 200°C verdampfen, Wasser die 2–3 fache spezifische Wärmekapazität anderer Stoffe besitzt und damit ein besonders großes Arbeitsvermögen realisieren kann.

Gleichzeitig besitzt es aber auch die mit Abstand höchste Verdampfungswärme die zu hoher nicht nutzbarer Wärmeabfuhr führt. Beispielwerte:

Stoff	Siedetemperatur	Verdampfungswärme	spez. Wärmekap.
Ameisensäur	101°	432 kJ/kg	2,15 kJ/kg°K
Benzol	80,1°	394 kJ/kg	1,725 kJ/kg°K
Brom	58,8°	183 kJ/kg	0,46 kJ/kg°K
Chloroform	61,3°	279 kJ/kg	0,959 kJ/kg°K
..........
Toluol	111°	364 kJ/kg	1,687 kJ/kg°K
Wasser	100°	2256 kJ/kg	4,182 kJ/kg°K

Um eine Aussage über die Wirkungsgrade eines Dampfprozesses zu erhalten, wollen wir dessen Arbeitsvermögen aufgrund der spezifischen Wärmekapazität in Relation setzen zu seinen Verlusten durch die spez. Verdampfungswärme.

Dazu multiplizieren wir die spez, Wärmekapazität mit 100 und teilen diesen Wert durch die Verdampfungswärme: Diesen Wert finden wir in der letzten Spalte.

Stoff	spez. Wärmekap.	Verdampfungswärme	Wirkungsgradbruch
Ameisensäure	215 kJ/kg 100°K	432 kJ/kg	0,498
Benzol	172 kJ/kg 100°K	394 kJ/kg	0,436
Brom	46 kJ/kg 100°K	183 kJ/kg	0,251
Chloroform	96 kJ/kg 100°K	279 kJ/kg	0,344
..........
Toluol	169 kJ/kg 100°K	364 kJ/kg	0,464
Wasser	418 kJ/kg 100°K	2256 kJ/kg	0,185

Man erkennt, daß von den verschiedenen Stoffen Wasser die weitaus ungünstigste Relation besitzt. Tatsächlich sollte man aber diesen Wert nicht aufgrund der Masse, sondern des spez. Volumens oder der Molmasse bilden, um den für die Praxis optimalen Wert zu erhalten
Die Erfindung wird anhand der 1–4 erläutert.
1 zeigt den Prozess, bei welchem Wasserdampf von 100 bar auf 550°C überhitzt wird und in einer Turbine auf 0,13 bar und 50°C entspannt wird. In einem Kondensator wird dem Wasserdampf die Kondensationswärme von 2382 kJ/kg entzogen und der Dampf verflüssigt. Das Wasser wird dann mit einer Speisewasserpumpe in den Druckraum mit 100 bar zurückgebracht und das Spiel beginnt von Neuem.
Der Prozess liefert eine Arbeit von 3499 – 2592 kJ/kg = 907 kJ/kg bei einem Wärmebedarf von 3290 kJ/kg, hat also einen Wirkungsgrad von 27,6%.
Nun betrachten wir den Prozess der 2. Wie bei 1 wird Wasserdampf von 100 bar auf 550°C überhitzt und in einer Turbine auf 15 bar und 200°C entspannt. Dort wird der Wasserdampf im einem Kondensator WT1 verflüssigt und gibt seine Kondensationswärme in Höhe von 1939 kJ/kg an einen Benzolkreislauf ab, wobei er das flüssige Benzol aufheizt und verdampft. Dann wird er mit einer Speisewasserpumpe wieder in den Druckraum von 100 bar gebracht und der Prozess beginnt von neuem. Die Wasserdampfturbine erzeugt damit eine Arbeit von 3499 – 2791 = 708 kJ/kg.
Der Benzoldampf wird im Wärmetauscher auf die Temperatur 180°C gebracht und beim Druck 10° verdampft. Die Kondensationswärme 1939 kJ/kg von einem kg Wasser kann 1939/528 = 3,6 kg Benzoldampf erzeugen.
Der Benzoldampf wird in der Turbine auf die Temperatur 80°C und den Druck 1 bar entspannt und dann kondensiert.
Das kondensierte Benzol wird wieder auf die Temperatur 180°C gebracht und beim Druck 10 bar verdampft.
Der Benzoldampfprozess gewinnt 528 – 399 = 129 kJ/kg Benzoldampf. Da wir aber aufgrund der hohen Kondensationswärme des Wasserdampfes 3,6 kg Benzdampf mit einem kg kondensierendem Wasserdampf verdampfen können, erhalten wir 3,6·129 = 464.4 kJ/kg Wasserdampf.
Wir können auch das gesamte Arbeitsvermögen aus Q(in) – Q(ab) = 2647 – 1456 = 1191 kJ/kg berechnen
Damit erhalten wir für den Gesamtprozess den thermodynamische Wirkungsgrad von (464,6 + 708)/2647 = 0,44
Einen noch besseren Wirkungsgrad erhalten wir mit azeotropischen Mischdämpfen.
Es ist ein Dampfprozess mit azeotropischen Mischungen bekannt, dessen Wirkungsgrad im Temperaturbereich zwischen 220°C und 50°C deutlich über dem von Wasserdampf in diesem Temperaturbereich liegt.
Dies resultiert daraus, daß bei azeotropischen Mischungen das RAOULT'sche Gesetz nicht gilt und daher bei gegebener Temperatur der Dampfdruck unter dem kleineren Dampfdruck der beiden reinen Mischungskomponenten oder über dem größeren der beiden Komponenten liegt.
3 zeigt die entsprechenden Phasendiagramme bei entsprechenden Temperaturen bzw. Drücken.
So zeigen die Diagramme, daß bei der Temperatur 450°K der Dampfdruck von Wasser bei ca. 9,5 bar liegt, der der azeotropen Mischung Wasser-Benzol aber bei 19,1 bar.
Da bei Absenkung des Druckes in einer Dampfmaschine oder einer Dampfturbine sich das Mischungsverhältnis des Dampfes ändert, fällt ein Teil einer der beiden komponenten als Flüssigkeit oder Nebel aus, seine Kondensationswärme geht auf den Restdampf über.
Dieses Verhalten wurde von dem Ungarn ARNOLD IRINYI 1927 entdeckt und von mehreren unabhängigen Gutachtern praktisch untersucht.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden 1931 als Berichte vom Deutschen Institut für Energieforschung in Hamburg veröffentlicht.
Die Gutachter massen für den Mischdampf bei gleichbleibender zugeführter Wärmemenge wie beim Wasserdampf eine Mehrarbeitsleistung des Mischdampfs von 45–100%.
In der Patentschrift AT 155744 ist ein Verfahren zur Energieerzeugung für die Nutzung von Dampfgemischen beschrieben.
Dort geht die Kondensationswärme nicht verloren, sondern wird durch Wiederverdichtung zurückgewonnen.
Auch in DE 41 01 500 , DE 4244016 , US-A-4242870 , CH-A-237 849 , DE 198 04 845 A1 , DE 100 52 993 A1 und an anderen Orten sind ähnliche Verfahren beschrieben.
Ein wesentlicher Nachteil all dieser Lösungen ist, daß die azeotropen Mischungen vergleichsweise niedrige Temperaturen fordern und daher für Verbrennungsprozesse mit hohen Verbrennungstemperaturen weniger gut geeignet sind, da dann hohe Exergien zwischen den Medien stark unterschiedlicher Temperaturen auftreten.
Zusätzlich ist von Nachteil, daß durch die Wiederverdichtung und die geringe Leistungsdichte dieser Verfahren bei großen Kraftwerksleistungen ein hoher maschineller Aufwand erforderlich ist.
Nun betrachten wir den erfindungsgemäßen Prozess der 4, bei welchem der Niedertemperaturkreislauf mit azeotropem Mischdampf erfolgt.
Wie bei 1 wird Wasserdampf von 100 bar auf 550°C überhitzt und in einer Turbine auf 15 bar und 200°C entspannt. Dort wird der Wasserdampf im einem Kondensator WT1 verflüssigt und gibt seine Kondensationswärme in Höhe von 1939 kJ/kg an einen Mischdampfkreislauf ab, wobei er die Mischungsflüssigkeit aufheizt und verdampft. Dann wird er mit einer Speisewasserpumpe wieder in den Druckraum von 100 bar gebracht und der Prozess beginnt von neuem. Die Wasserdampfturbine erzeugt damit eine Arbeit von 3499 – 2791 = 708 kJ/kg.
Der Mischdampf wird im Wärmetauscher auf die Temperatur 180°C gebracht und beim Druck 19° verdampft. Die Kondensationswärme 1939 kJ/kg von einem kg Wasser kann 1939/862 = 2,25 kg Mischdampf erzeugen.
Der Mischdampf wird in der Turbine auf die Temperatur 75°C und den Druck 1,33 bar entspannt und dann kondensiert. Zwar kann, wie in den angegebenen Patenten gezeigt, die Kondesationswärme durch erneute Verdichtung teilweise zurückgewonnen werden.
Bei den großen Gasmassenströmen fallen aber vergleichsweise große Mengen des Benzols bei der Verdichtung als Flüssigkeit aus, die durch die hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Turbinenschaufeln wahrscheinlich zu Kavitation, zumindest aber zur Verschlechterung des Turbinenwirkungsgrades führen würden.
Daher verzichten wir bei der Berechnung darauf.
Grundsätzlich sollten diese Verfahren aber möglich sein.
Die kondensierte Mischflüssigkeit wird wieder auf die Temperatur 180°C gebracht und beim Druck 19 bar verdampft.
Der Mischdampfprozess gewinnt 862 – 527,9 = 334,1 kJ/kg Mischdampf. Da wir aber aufgrund der hohen Kondensationswärme des Wasserdampfes 2,25 kg Mischdampf mit einem kg kondensierendem Wasserdampf verdampfen können, erhalten wir 2,25·334,1 = 750 kJ/kg Wasserdampf.
Damit erhalten wir für den Gesamtprozess den thermodynamische Wirkungsgrad von (750 + 708)/2647 = 0,55
Da aus den vorliegenden Unterlagen mit den Messungen leider nicht genau die versuchsdaten hervorgehen, können sie nur abgeschätzt werden. Es läßt sich aber zeigen, daß die berechneten Werte und die gemessenen Werte in ähnlichen Größenordnungen liegen.
Setzt man vor den erfindungsgemäßen Prozess noch eine Gasturbine ein, deren Abgase den Wasserdampf aufheizen, wird der Prozess noch besser.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3103431 A1 [0005]
- EP 0398070 B1 [0005]
- DE 125372 B [0009]
- AT 155744 [0040]
- DE 4101500 [0042]
- DE 4244016 [0042]
- US 4242870 A [0042]
- CH 237849 A [0042]
- DE 19804845 A1 [0042]
- DE 10052993 A1 [0042]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- www.wikipedia.de/Kraftwerke [0008]
- www.wikipedia.de/Dampfkraftwerke [0008]

Claims

Wärmekraftwerk für Dämpfe, bei welchem die Abwärme eines ersten thermodynamischen Kreisprozesses die Erhitzungs- und Verdampfungswärme eines zweiten thermodynamischen Prozesses ist, der ein Dampfprozess ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozess mit zwei hintereinander geschalteten Dampfkreisläufen so arbeitet, dass a) beim ersten Dampfkreislauf die erste Flüssigkeit mit der spezifischen Kondensationskapazität r₁ bei der Temperatur T1 und unter dem Dampfdruck p(T1) verdampft wird und der Dampf mit einer Kraftmaschine auf die Temperatur T2 und den Druck p(2) entspannt wird, wo er die Wärmemenge Q₁(Kond) in einem Wärmetauscher an einen zweiten Dampfkreislauf abgibt, und dann die Flüssigkeit mit einer Speisepumpe wieder auf des Ausgangsdruck p(T1) gebracht wird und durch Wärmezufuhr auf die Temperatur T1 gebracht wird, b) und die zweite Flüssigkeit mit der spezifischen Kondensationswärme r₂ im zweiten Dampfkreislauf bei der Temperatur T3 < T2 verdampft wird und in einer Turbine auf den Wert T4 entspannt wird und dort kondensiert und c) bei denen die Gasmasse m₂(T3) des zweiten Dampfkreislaufs, die bei der Verdampfungstemperatur T3 von der Kondensationswärme bei T2 der Gasmasse m₁(T2) des ersten Dampfes verdampft werden kann, deshalb in der Relation R = m₂(T3)/m₁(T2) zur Gasmasse m₁(T2) steht, und die Flüssigkeiten der beiden Dampfkreisläufe so gewählt werden, daß die Kondensationswärme Q(m₂(T4)) der Masse m₂(T3) des zweiten Dampfes bei der Temperatur T4 geringer ist als die Kondensationswärme Q(m₁(T4)) der Masse m₁(T2) des ersten Dampfes bei der Temperatur T4 und so der nicht nutzbare Wärmeverlust durch Kondensation des Dampfes des zweiten Dampfkreislaufs bei der Temperatur T4 geringer ist als es der nicht nutzbare Wärmeverlust durch Kondensation des Dampfes des ersten Dampfkreislaufs bei der Temperatur T4 wäre.
Wärmekraftwerk und seine Prozesse unter Patentanspruch 1, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fluide unterschiedlich sind und das erste Fluid eine beliebige spezifische Verdampfungswärme hat und das zweite Fluid eine niedrigere spezifische Verdampfungswärme als das erste Fluid aufweist.
Wärmekraftwerk und seine Prozesse unter Patentanspruch 1 oder 2 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fluid Wasser ist.
Wärmekraftwerk und seine Prozesse unter einem der Patentansprüche 1 bis 3 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dampf aus einer azeotropischen Mischung besteht.
Wärmekraftwerk und seine Prozesse unter einem der Patentansprüche 1 bis 4, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kondensationswärme des zweiten Kreislaufs mit Hilfe eine Wärmepumpe oder durch Wiederverdichtung eines azeotropischen Gemisches dem Kreislauf wieder zugeführt wird.
Wärmekraftwerk und seine Prozesse unter einem der Patentansprüche 1 bis 5, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr zum ersten Dampfkreislauf aus den Abgaswärmen einer Gasturbine erfolgt.