DE102012013128A1

DE102012013128A1 - Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Wärmeauskopplung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102012013128A1
Application number: DE201210013128
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTINTEGRATION DEUTSCHER INNOVATIONEN und FORSCHUNGSPRODUKTE MBH; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen und Forschungsprodukte Mbh
Current assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTINTEGRATION DEUTSCHER INNOVATIONEN und FORSCHUNGSPRODUKTE MBH; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen und Forschungsprodukte Mbh
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches den Nutzungsgrad einer WDK-Prozessanlage ohne Regeneration durch zusätzliche Wärmeauskopplung erhöht. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt. Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leistet die Wärmekraftkopplung, die Strom und gleichzeitig Wärme für Heizzwecke liefert, weswegen der Gesamtnutzungsgrad durch die bessere Auslastung der Brennstoffe steigt. Bei den bekannten WDK-Prozess Varianten mit innerer, externer oder kombinierter Verbrennung und auch bei der solaren Erwärmung wird der zu kondensierende Kühlmittelanteil im Unterdruckbereich zwischen Verdichter und Heißdampfturbine abgezweigt. Die Kondensationstemperatur liegt etwa bei 30°C, weswegen eine Abwärmenutzung kaum Sinn macht. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Prozessverlauf so zu verändern, dass die Abwärme in einem nutzbaren Temperaturbereich liegt. Erreicht wird das, indem der zu kondensierende Kühlmittelanteil erst aus dem Verdichtungsprozess abgezweigt wird, wobei der jeweilige Stufendruck die Kondensationstemperatur bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches den Nutzungsgrad einer WDK-Prozessanlage ohne Regeneration durch zusätzliche Wärmeauskopplung erhöht. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.
Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leistet die Wärmekraftkopplung nach dem Stand der Technik, die Strom und gleichzeitig Wärme für Heizzwecke liefert, weswegen der Gesamtnutzungsgrad durch die bessere Auslastung der Brennstoffe steigt. Beispiele hierfür wären Verbrennungskraftmaschinen mit Bereitstellung der Motor- und Abgaswärme oder Dampfkraftanlagen, die mittels Gegendruckturbinen oder Turbinenanzapfungen die Kondensationstemperaturen erreichen, mit denen sie Fernwärmenetze betreiben können.
Bei den bekannten WDK-Prozess Varianten mit innerer, externer oder kombinierter Verbrennung und auch bei der solaren Erwärmung wird der zu kondensierende Kühlmittelanteil im Unterdruckbereich zwischen Verdichter und Heißdampfturbine abgezweigt. Da die Kondensationstemperatur etwa bei 30°C, liegt, ist eine Abwärmenutzung kaum möglich.
Es wäre besser, wenn die Kondensationstemperatur je nach Bedarf auch höher sein könnte, um die Abwärme nutzen zu können.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Prozessverlauf so zu verändern, dass die Abwärme in einem nutzbaren Temperaturbereich liegt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst. Bisher erfolgt im WDK-Prozess ohne Regeneration der Abzweig des zu kondensierenden Kühlmittelanteils im Unterdruckbereich zwischen Verdichter und Heißdampfturbine, um das maximale Arbeitsvermögen zu nutzen. Mit der prozesstypischen Verdichterkühlung, bei der Kondensat die Oberfläche der Leitschaufeln benetzt, um das vorbeiströmende Arbeitsfluid durch Verdampfung zu kühlen, welches sich bei der Druckerhöhung im Diffusor erwärmt hat, kommt es darauf an, dass genügend flüssiges Kondensat für jedes einzelne Leitgitter zur Verfügung steht. Damit wird gewährleistet, dass die Verdichtung bei kleinstmöglichen Volumen entlang der Taulinie verläuft. Da sich der Massenstrom von Stufe zu Stufe um die zu verdampfende Kondensatmenge erhöht, ist die bestimmende Dampfmenge am Verdichterausgang größer als beim Eintritt, was die Antriebsleistung senkt. Wenn die Abzweigung des zu kondensierenden Kühlmittelanteils nun nicht wie bisher zwischen Verdichter und Heißdampfturbine erfolgt sondern erst nach entsprechender Vorverdichtung, ließe sich mit erhöhter Verdichterleistung die Kondensationstemperatur anheben. Der Verdichter muss dabei den gesamten Massenstrom aus der Turbine ansaugen und ihn entlang der Taulinie gut gekühlt bis zum Abzweig verdichten, von wo sich die Teilströme trennen. Etwa 70% des Massenstroms bleiben im Verdichter und werden nach WDK-Prozessart bis zum Austrittsdruck komprimiert. Die Kondensationstemperatur des Kühlmittelanteils wird vom Druck der Abzweigstelle bestimmt und kann somit bedarfsgerecht eingestellt werden. Mit steigender Kondensationstemperatur erhöht sich zwar die Verdichter-Antriebsleistung, was die Stromgewinnung mindert, verbessert aber markant den Nutzungsgrad, wenn Heizwärme benötigt wird. Bei innerer Verbrennung beträgt dieser von Abstrahlungsverlusten abgesehen nahe 100%.
Mit der vorgeschlagenen Variante funktioniert die Kühlung auch in Gegenden mit hohen Lufttemperaturen und bei Wasserknappheit bspw. Solarthermie in der Wüste.
1 ein schematisches Blockschaltbild des Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Wärmeauskopplung
2 prinzipielle Verdichtung im stilisierten Enthalpie Entropie-Diagramm (hs-Diagramm)
Bezugszeichenliste

1: Axialverdichter Gesamtmassenstrom
2: Axialverdichter Teilmassenstrom
3: Erhitzer
4: Axialturbine
5: Kondensator
6: Kondensataufbereitung
7: Kondensatpumpe
8: Abzweig
9: Generator
10: Wärmeverbraucher
11: Arbeitsfluid Wasserdampf
12: Kühlfluid Wasser
13: Enthalpieachse
14: Entropieachse
15: Taulinie
16: Isobare Eintrittsdruck
17: Isobare Austrittsdruck
18: intern gekühlter verlustbehafteter Verdichtungsverlauf
19: verlustfreier Verdichtungsverlauf
20: verlustbehafteter Entspannungsverlauf

Claims

Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Wärmeauskopplung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus Axialverdichter Gesamtmassenstrom (1), Axialverdichter Teilmassenstrom (2), Erhitzer (3) allgemein für externe und interne Energiezufuhr, Axialturbine (4), Kondensator (5), Kondensataufbereitung (6), Kondensatpumpe (7), Generator (9), Wärmeverbraucher (10) und betrieben mit dem Arbeitsfluid Wasserdampf (11) und Kühlfluid Wasser (12) dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung im hs-Diagramm 2, durch die direkte Verdichterkühlung in Axialverdichter Gesamtmassenstrom (1) und in Axialverdichter Teilmassenstrom (2), bei der Kühlfluid Wasser (12) die Oberfläche der einzelnen Leitschaufeln benetzt, um das vorbeiströmende Arbeitsfluid Wasserdampf (11) durch Verdampfung zu kühlen, welches sich bei der Druckerhöhung im Diffusor erwärmt hat, entlang der Taulinie (15) verläuft und dadurch Verdichter-Antriebsleistung spart, wie der Vergleich intern gekühlter verlustbehafteter Verdichtungsverlauf (18), verlustfreier Verdichtungsverlauf (19) und verlustbehafteter Entspannungsverlauf (20) zeigt.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Wärmeauskopplung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Abzweig (8) Kühlmittelanteil nicht wie im Stand der Technik zwischen Axialverdichter und Axialturbine erfolgt sondern zwischen Axialverdichter Gesamtmassenstrom (1) und in Axialverdichter Teilmassenstrom (2), um die Kondensationstemperatur anzuheben.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Wärmeauskopplung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Abzweig (8) je nach Bedarf zwischen der Isobare Eintrittsdruck (16) und der Isobare Austrittsdruck (17) möglich ist.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Wärmeauskopplung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Axialverdichter Gesamtmassenstrom (1) und Axialverdichter Teilmassenstrom (2) mit dem Abzweig (8) in einem Gehäuse untergebracht sind.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Wärmeauskopplung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationstemperatur-Anhebung Abwärmenutzung durch Wärmeverbraucher (10) ermöglicht, wodurch der Nutzungsgrad markant steigt.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Wärmeauskopplung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Erhöhung der Kondensationstemperatur auch die Kühlung in Gegenden mit hohen Lufttemperaturen und bei Wasserknappheit möglich wird bspw. in der Wüste Solarthermie.