DE102013021831A1

DE102013021831A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung eines hocheffizienten thermodynamischen Kreisprozesses (Dampfkreislauf)

Info

Publication number: DE102013021831A1
Application number: DE102013021831.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-21
Filing date: 2013-12-21
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Ziel der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens ist, im thermodynamischen Wasser-Dampf Kreisprozess, einen wesentlich erhöhten Wirkungsgrad zu erreichen. Der Abdampf 6 der Turbine T1 wird im Heizregister H1 thermisch mit dem Brenner BR1 erhitzt. Die so erwärmte Dampfmenge 8 wird über einen Wärmetauscher HE zur Wassermenge 10 kondensiert, wobei im Gegenstrom das durch die Pumpe P1 druckerhöhte Arbeitsmedium 14 am Wärmetauscher HE verdampft und als Dampfphase 16 den Wärmetauscher HE1 verlässt. Über den Wärmetauscher HE2 und der Kühlmittelpumpe P2 wird mittels eines geeigneten Kühlmediums 30 eine für dem Wärmetauscher HE vorteilhafte Temperaturdifferenz erzeugt, so dass in HE1 der Prozess Kondensation <-> Verdampfung stattfinden kann. Die am Ausgang des Wärmetauschers HE1 ausströmende Dampfmenge 16 kann optional zur Erhöhung des Wirkungsgrades über das Heizregister H2 zur Dampfmenge 18 weiter erhitzt werden. P1 arbeitet als Speisewasserpumpe und gibt den Druck der Dampfphase vor.

Description

Die Erfindung umfasst ein Verfahren und Vorrichtung in einem thermodynamischen Kreislaufprozess nach Patentanspruch 1 bis 3
Stand der Technik:
In Wärmekraftwerken wird ein thermodynamischer Kreislaufprozess zur Übertragung von Wärme auf mechanische bzw. elektrische Energie verwendet. Vor allem in einfachen, kleineren Anlagen mit den Hauptkomponenten Dampferzeugung, Dampfkraftmaschine (Dampfmotor oder vorzugsweise Dampfturbine), Kondensator, Speisewasserpumpe, Befeuerung und weitern Hilfsanlagen wird hierbei im Kreisprozess selten mehr als 20% Wirkungsgrad erzielt. Im Wesentlichen findet hier eine Erwärmung des Arbeitsmediums vor der Dampfkraftmaschine und eine Abkühlung auf der Abdampfseite im Kondensator statt.
Aufgabenstellung:
1. Allgemein:
Ziel der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens ist, im thermodynamischen Wasser-Dampf Kreisprozess einen wesentlich erhöhten Wirkungsgrad zu erreichen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, das im Gegensatz zum Stand der Technik das Arbeitsmedium Dampf auf der Abdampfseite der Dampfkraftmaschine (Vorzugsweise Dampfturbine, des weitern nur Turbine genannt) soweit erhitzt wird, dass über einen geeigneten Wärmetauscher die Kondensationsenergie der Abdampfseite zur Verdampfung des Arbeitsmediums auf der Speiseseite des Kreislaufes genutzt wird. Zusätzlich kann das so erzeugte Speisemedium über einen weiteren Erhitzer weiter aufgeheizt werden um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Die bei diesem Verfahren und Vorrichtung anfallenden Dampftemperaturen und -drücke sind dabei vorzugsweise für den Betrieb effizienter einstufiger Dampfturbinen geeignet. Gleichzeitig lässt sich durch den einfachen Aufbau mit wenigen Baugruppen eine sehr kompakte Anlagenstruktur realisieren.
2. Ausführungsbeispiel:
Die erfindungsgemäßen Merkmale der Haupt- und Nebenansprüche werden in den folgen Figuren näher erläutert:
1: prinzipielle Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Kreislaufprozess in vereinfachter, schematischer Darstellung
2: Beispiel einer Kreislaufberechnung, in idealisierter Form, ohne Berücksichtigung von Druckverlusten in realen Bauteilen, für eine Vorrichtung gemäß 1
3: praktisches Ausführungsbeispiel des Kreislaufprozesses
4: Kreislaufberechnung, in idealisierter Form, ohne Berücksichtigung von Druckverlusten in realen Bauteilen, für eine Vorrichtung gemäß 3
1 zeigt eine Vorrichtung 1 eines thermodynamischen Kreisprozesses bei dem der Abdampf 6 der Turbine T1 im Heizregister H1 thermisch mit dem Brenner BR1 erhitzt wird. Die so erwärmte Dampfmenge 8 wird über einen Wärmetauscher HE zur Wassermenge 10 kondensiert, wobei im Gegenstrom das durch die Pumpe P1 druckerhöhte Arbeitsmedium 14 am Wärmetauscher HE1 verdampft und als Dampfphase 16 den Wärmetauscher HE1 verlässt. Über den Wärmetauscher HE2 und der Kühlmittelpumpe P2 wird mittels eines geeigneten Kühlmediums 30 eine für dem Wärmetauscher HE1 vorteilhafte Temperaturdifferenz erzeugt, so dass in HE1 der oben beschriebene Prozess Kondensation <-> Verdampfung stattfinden kann.
Die über das Kühlmedium 30 und 34 abgeführte Verlustleistung kann vorteilhaft als Prozesswärme weitergenutzt werden. Die am Ausgang des Wärmetauschers HE1 ausströmende Dampfmenge 16 kann optional zur Erhöhung des Wirkungsgrades über das Heizregister H2 zur Dampfmenge 18 weiter erhitzt werden. Die Dampfmenge 16 oder 18 betreibt eine Dampfkraftmaschine T1 und schließt den Kreisprozess. P1 arbeitet als Speisewasserpumpe und gibt den Druck der Dampfphase vor. Eventuell erforderliche Kondensatfänger und Armaturen sind in der schematischen Darstellung nicht dargestellt.
In 2 wird 1 um eine Kreislaufberechnung an einzelnen Berechnungspunkten erweitert. Ausgangsbedingungen sind Temperatur- und Druckbereiche, die zum einen die Verwendung preisgünstiger Standard-Plattenwärmetauscher ermöglichen und zum anderen ein hohes Temperaturniveau des Kühlstromes 30 und 34 ergeben, damit dieses Niveau für Heizungen oder Heißwasserspeicher genutzt werden kann.

Tabelle 1 stellt das Ergebnis der Berechnungen, in idealisierter Form, ohne Berücksichtigung von Druckverlusten in realen Bauteilen, an den aufgezeigten Punkten in 2 dar. Tabelle 1:

Teilstrom	Druck	Temperatur	spez. Enthalpie	Massenstrom	Leistung	Zustand
Maßeinheit:	[bar abs.]	[°C]	[KJ/Kg]	[Kg/h]	[KW]
6	2	140	2748,3	36,0	27,48	dampfförmig
8	2	240	2951,2	36,0	29,51	dampfförmig
10	2	110	461,4	36,0	4,61	flüssig
12	2	79	330,9	36,0	3,31	flüssig
14	20	79	332,1	36,0	3,32	flüssig
16	20	220	2821,7	36,0	28,22	dampfförmig
18	20	300	3024,2	36,0	30,24	dampfförmig
30	1	80	335	112,0	10,42	flüssig
34	1	90	377	112,0	11,73	flüssig

Tabelle 2 zeigt die Leistung der Wärmetauscher aus 2. Tabelle 2:

Bauteil Wärme-Leistung [KW]

HE1 24,90

HE2 1,31

H1 2,03

H2 2,03

T1 2,76
Tabelle 3 stellt die Kenngrößen der Energieeffizienz im Dampfkreislauf 2 am Auslegungsbeispiel dar. Tabelle 3:

zugeführte Leistung H1 + H2 theoretische Leistung Dampfkraftmaschine Wirkungsgrad Wärmekreislauf

[KW] [KW] [%]

4,05 2,76 68,1
3 und 4 zeigen ein praktisches Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip aus 1. Auch hier werden erforderliche Kondensatfänger und weitere Armaturen in der schematischen Darstellung nicht gezeigt.
Auf Grund des hohen Dampfvolumens 6 wird die Erwärmung nicht über ein Heizregister sondern über einen Wärmetauscher HE3 realisiert. Damit für die Erwärmung von 6 über die Primärseite von HE3 kein separater Kreislauf installiert werden muss, wird der über H1 erwärmte Strom 18 durch die Sekundärseite von HE3 geführt. Der dadurch abgekühlte Strom 20 kann direkt oder über eine optionale Nacherwärmung durch H2 zum Strom 22 zu T1 geführt werden. Durch diese Konstellation ergibt sich ein einfacherer Aufbau mit geringeren Rohrquerschnitten gegenüber dem Grundprinzip nach 1. Die restlichen Komponenten in 3 und 4 sind analog 1 und 2.

Tabelle 4 ist das Ergebnis der Berechnungen, in idealisierter Form, ohne Berücksichtigung von Druckverlusten in realen Bauteilen, an den aufgezeigten Punkten im Auslegungsbeispiel in 4. Tabelle 4:

Teilstrom	Druck	Temperatur	spez. Enthalpie	Massenstrom	Leistung	Zustand
Maßeinheit:	[bar abs.]	[°C]	[KJ/Kg]	[Kg/h]	[KW]
6	2	140	2748,3	36,0	27,48	dampfförmig
8	2	240	2951,2	36,0	29,51	dampfförmig
10	2	110	461,4	36,0	4,61	flüssig
12	2	79	330,9	36,0	3,31	flüssig
14	20	79	332,1	36,0	3,32	flüssig
16	20	220	2821,7	36,0	28,22	dampfförmig
18	20	320	3070,2	36,0	30,70	dampfförmig
20	20	236	2867	36,0	28,67	dampfförmig
22	20	340	3115,3	36,0	31,15	dampfförmig
30	1	80	335	112,0	10,42	flüssig
34	1	90	377	112,0	11,73	flüssig

Tabelle 5 zeigt die Leistung der Wärmetauscher nach 4. Tabelle 5:

Bauteil Wärme-Leistung [KW]

HE1 24,90

HE2 1,31

HE3 2,03

H1 2,49

H2 2,48

T1 3,67
Tabelle 6 stellt die Kenngrößen der Energieeffizienz im Dampfkreislauf am Auslegungsbeispiel von 4 dar. Tabelle 6:

zugeführte Leistung H1 + H2 theoretische Leistung Dampfkraftmaschine Wirkungsgrad Wärmekreislauf

[KW] [KW] [%]

4,97 3,67 73,9

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung des thermodynamischen Kreisprozesses eines Dampfkreislaufes, bei dem die Wärmezufuhr nach 1 durch einen Erhitzer H1 auf der Abdampfseite der Turbine T1 stattfindet und dadurch in einem Wärmetauscher HE1 die Kondensation des Stromes 8 auf der einen Seite und die Verdampfung des durch die Pumpe P1 druckerhöhten Kondensats 14 auf der andern Seite erreicht wird, wobei durch den Wärmetauscher HE2 zwischen den Strömen 10 und 14 eine geeignete Temperaturdifferenz für den Betrieb des Wärmetauschers HE1 erreicht wird und optional durch eine weitere Erwärmung des verdampften Stromes 16 durch den Erhitzer H2 eine zusätzliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erreicht wird
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Erwärmung des Abdampfes 6 der Turbine T1 nach 3 auf der einen Seite des Wärmetauschers HE3 erfolgt, dessen andere Seite durch den mit dem Erhitzer H1 verdampften Stromes 16 zu Strom 18 überhitzten Dampfbeheizt wird, so dass auf der Abdampfseite von Turbine T1 kein großvolumiger Erhitzer benötigt wird und optional zusätzlich ein Erhitzer H2 zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades nachgeschaltet werden kann.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 nach 1 und 2, bei dem an Stelle des Arbeitsmediums Wasser und Dampf, andere Stoffe oder Stoffkombinationen in der Flüssig- und Dampfphase, in gleicher Weise wie unter Anspruch 1 und 2 beschrieben, verwendet werden.