DE102015009231A1

DE102015009231A1 - Arbeits-Kreisprozess für die Elektroenergieerzeugung mit Phasenwechsel, thermischer Verdichtung und Wärmeauskopplung

Info

Publication number: DE102015009231A1
Application number: DE102015009231.6A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Excellence Gesellschaft Zur Obhutsverwaltung Erlesener Liegenschaften und Vermogensanlagen Mbh
Current assignee: Excellence Gesellschaft Zur Obhutsverwaltung Erlesener Liegenschaften und Vermogensanlagen Mbh
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-01-26
Also published as: WO2017025072A3; WO2017025072A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Arbeits-Kreisprozess für die Elektroenergieerzeugung mit Phasenwechsel, thermischer Verdichtung und Wärmeauskopplung, welcher alternativ zu Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im kleineren und mittleren Leistungsbereich einsetzbar ist. Eine derartige Lösung wird 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. Einen Beitrag hierzu leistet die Wärmekraftkopplung, die Strom und gleichzeitig Wärme für Heizzwecke liefert. Industrierelevant sind Kombinationen aus Verbrennungskraftmaschine – Generator – Abwärme oder Dampf-Gegendruckturbine – Generator – Abwärme oder Gasturbine – Generator – Abwärme, wobei Verdichtungsart, Wartungsaufwand, Lebensdauer, Baukosten, Effizienz und die nutzbaren Brennstoffe Vergleichskriterien für die Anwendung sind. Der Turboverdichter in der Gasturbine beschleunigt mit dem Laufrad das Arbeitsfluid, wonach im feststehenden Leitgitter die Geschwindigkeits- in Druckenergie umgewandelt wird. Aufgabe ist es, den Prozessverlauf so zu verändern, dass für die Verdichtung nur thermischer kein mechanischer Aufwand mehr Notwendig ist, um eine Turbine anzutreiben und Abwärme auszukoppeln. Die Aufgabe wird gelöst, in dem ein speziell geschalteter thermischer Verdichter die isobare Volumenarbeit beim Phasenwechsel nutzt, diese mittels Diffusoren in Druckenergie wandelt, wobei die Phasenwechselenergie regeneriert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren „Arbeits-Kreisprozess für die Elektroenergieerzeugung mit Phasenwechsel, thermischer Verdichtung und Wärmeauskopplung”, welches alternativ zu Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im kleineren und mittleren Leistungsbereich einsetzbar ist. 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 neben Strom auch Wärme für Heizzwecke liefert, weswegen der Gesamtnutzungsgrad durch die bessere Auslastung der Brennstoffe steigt. Bekannt sind, Verbrennungskraftmaschinen, die Generatoren antreiben und Abwärme für Heizzwecke aus Kühlung von Motor und Abgas generieren (z. B. DE 10 2010 063 434 A1 ), Gasturbinen mit nachgeschalteten Rekuperatoren (z. B. CH 000 000 0762 49 A ) oder Dampfkraftanlagen, die mittels Gegendruckturbinen oder Turbinenanzapfungen die Kondensation auf Fernwärmenetz-Temperaturen angleichen (z. B. DE 10 2012 217 929 A1 ). Diese Grundverfahren bestimmen den industrierelevanten Stand der Technik. Die Kombination Gasmotor, Turbolader, Generator und Rekuperator ist im kleineren und mittleren Leistungsbereich effizienz- und kostenbezogen kaum zu schlagen. Nachteilig sind die Wartungskosten, der Verschleiß und die damit verbundene kurze Lebensdauer.
Der Vorgang, Kondensation des gesamten Dampfmassenstroms (Wärmeabfuhr bei niedriger Temperatur), Druckerhöhung im flüssigen Zustand mittels Pumpe (geringer mechanischer Aufwand) und Verdampfung bei hohem Druck und hoher Temperatur (Energiezufuhr), wird im Dampfkraftprozess auch als „thermische Verdichtung” bezeichnet. Da der Energieaufwand für den Phasenwechsel sehr hoch ist, verlangt dieser Prozess nicht nur hohe Temperaturen sondern auch hohe Drücke, was zu materialtechnischen Grenzen führt. Der Wirkungsgrad des Dampfkraftprozesses liegt unter dem des Biogasmotors, kann aber dafür jegliche Art von Biomasse verbrennen. Auch das Konzept Gasturbine und Rekuperator benötigt flüssigen oder gasförmigen Brennstoff. Wartung, Verschleiß und die Lebensdauer fällt im Vergleich zum Biogasmotor günstiger aus, kann aber wiederum mit dem elektrischen Wirkungsgrad nicht mithalten. Der Turboverdichter in der Gasturbine beschleunigt mit dem Laufrad das Arbeitsfluid (mechanischer Aufwand), wonach im feststehenden Leitapparat (Diffusor) die Geschwindigkeits- in Druckenergie umgewandelt wird.
Es wäre besser, wenn es eine Möglichkeit gäbe, die mechanische Beschleunigung durch eine thermische Beschleunigung des Arbeitsfluides zu ersetzen, bevor es im Diffusor in Druckenergie umgewandelt wird.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Prozessverlauf so zu verändern, dass für die Verdichtung nur thermischer kein mechanischer Aufwand mehr Notwendig ist, um eine Turbine anzutreiben und Abwärme auszukoppeln.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 9 gelöst. Bisher erfolgte die Beschleunigung des Arbeitsfluides durch ein mechanisch angetriebenes Laufrad, bevor sich im Diffusor die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie (Bernoulli) wandelt. Bei den thermischen Vorgängen Verdampfung oder Kondensation findet bei konstantem Massenstrom, Druck und konstanter Temperatur eine extreme Volumenänderung (Volumenarbeit) statt. Auf die Fläche bezogen entstehen Geschwindigkeitsdifferenzen. Der kleinste mögliche freie Strömungsquerschnitt (Diffusor-Eintritt) wird durch die isobare Schallgeschwindigkeit des Arbeitsfluides bestimmt, wodurch pro Phasenwechsel eine nutzbare Differenz (Schallgeschwindigkeit minus Diffusor-Austrittsgeschwindigkeit) entsteht. Bezogen auf dem Gesamtenergiebedarf für den Phasenwechsel ist der mögliche Anteil für die Druckerhöhung gering. Werden Kondensator und Verdampfer aber so angeordnet, dass der Kondensationsdruck über den Verdampfungsdruck liegt, kann die gesamte Phasenwechselenergie regenerieren. Ein regelbares Expansionsventil sorgt für den erforderlichen Differenzdruck und somit für die Temperaturdifferenz zwischen Kondensation und Verdampfung.
1 stellt die thermische Verdichtung an der Druck-Tendenzskala (25) dar. Der Kondensator Diffusor (1) saugt das Arbeitsfluid im Druckzustand 1 (9) mit Schallgeschwindigkeit an und erhöht den Druck auf Druckzustand 2 (10) [= Kondensationsdruck] durch Geschwindigkeitsreduzierung [Vergrößerung des Strömungsquerschnittes], gelangt zur Kondensationsseite des Wärmeübertragers (3), wo es sich verflüssigt, dabei sein Volumen isobar extrem reduziert, was insgesamt den Vorgang antreibt. Flüssig fließt es weiter durch das Expansionsventil (5) [moderate Druckreduzierung] zur Verdampferseite des Wärmeübertragers (4), wo sich der niedrigere Druckzustand 3 (11) einstellt [= Verdampfungsdruck] und die Wiederverdampfung mit extremer isobarer Volumenzunahme erfolgt. Die abzuführende Kondensationswärme liefert die zuzuführende Verdampfungswärme, wodurch die Phasenwechselenergie (8) regeneriert. Dampfförmig tritt das Arbeitsfluid mit Schallgeschwindigkeit in den Verdampfer Diffusor (2) ein, wo wiederum eine Druckerhöhung auf Druckzustand 4 (12) durch Geschwindigkeitsreduzierung erfolgt. Die maximale Druckerhöhung einer derartigen Stufe wird von der Schallgeschwindigkeit des Arbeitsfluides und dem erforderlichen Differenzdruck zwischen Druckzustand 2 (10) und Druckzustand 3 (11) bestimmt.
Eine thermische Verdichterstufe besteht demnach aus einem kompakten Plattenwärmeübertrager, in dem das Arbeitsfluid auf der Primärseite kondensiert und auf der Sekundärseite gleich wieder verdampft, zwei auf einem bestimmten Massenstrom ausgelegte Diffusoren und einem regelbaren Expansionsventil inklusive Rohrverbindungen. Die Aufgabe ist gelöst, denn die Beschleunigung des Arbeitsfluides übernimmt die isobare Volumenarbeit beim thermisch betriebenen Phasenwechsel. Da keine Drehteile benötigt werden, sinken Wartungsaufwand und Verschleiß auf ein Minimum, was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt. Die Turbine muss keine Leistung an den Verdichter abgeben, wodurch bei gleicher Stromauskopplung sich die Baugröße verkleinert.
Obwohl die Wärmedurchgangszahlen beim Phasenwechsel sehr hoch sind, verlangt die angestrebte niedrige Temperaturdifferenz zwischen Kondensation und Verdampfung eine relativ große Heizfläche, was den Platzbedarf und die Masse vergrößert. Deshalb sollte der Differenzdruck an der Turbine (15) nicht so hoch gewählt werden, um die Anzahl der dann in Reihe zu schaltenden thermischen Verdichterstufen (24) zu begrenzen. 2 zeigt die üblichen Prozessschritte nach der thermischen Verdichtung. Es folgen Erhitzung durch Überhitzer (13) mit Wärmeinput (14), Entspannung durch Turbine (15) mit Generator und Stromoutput (16) und Abkühlung mittels Kühler (26) mit Wärmeoutput (19), wonach das Arbeitsfluid den Anfangszustand am Kondensator Diffusor (1) zyklisch wieder erreicht.
Im Gegensatz zu luftbetriebenen Gasturbinen muss das zirkulierende Arbeitsfluid in der Lage sein, Phasenwechsel im benötigten Temperaturbereich vollziehen zu können, was ein geschlossenes Anlagensystem erfordert. Um eine Gasturbine zu starten, beginnt ein Anlassmotor die Verdichter-Turbinenachse bei gleichzeitiger Brennstoffzufuhr zu drehen, bis die Turbinenleistung ausreicht, das Anlagensystem selbständig weiter hochzufahren. Bei thermischer Verdichtung geht es nicht so schnell, da die gesamte Anlage beispielsweise beim Arbeitsfluid Wasser mit Dampf erst einmal gefüllt und entlüftet werden muss. Ein Prozedere, welches bei Dampfanlagen generell bekannt ist. Deshalb wurden Symbole und Rohrleitungen für die Entlüftung und die Kondensatabführung der Anlage aus Übersichtsgründen nicht mit ins Blockschaltbild eingetragen. Die Anfahr-Dampferzeugereinheit (27) flutet über das Füll- und Startventil (23) den gesamten Innenraum mit Dampf. Sind die Umfassungswände der Anlage erwärmt und ist die Entlüftung abgeschlossen, wird der Füllstand über das Kondensatsystem im Wärmeübertrager beidseitig eingestellt. Dieses, der Durchfluss vom Expansionsventil (5), Bypassventil (29) und vom Füll- und Startventil (23), das Schließen des Turbinenventils (28) und den Wärmeinput (14) am Überhitzer (13) werden von einer zentralen Recheneinheit automatisch geregelt. Nach dem Erreichen der maximalen Diffusoren-Durchflussmenge wechseln die Schaltzustände vom Turbinenventil (28) von „zu” auf „offen” sowie vom Bypassventil (29) und vom Füll- und Startventil (23) von „offen” auf „zu”. Damit ist der Startvorgang abgeschlossen und die Anfahr-Dampferzeugereinheit (27) geht auf Standby. Sie hat im Betriebszustand des Arbeits-Kreisprozesses keine weitere Funktion. Die Leistungsregelung erfolgt über die Temperaturreglung des Wärmeinputs (14) am Überhitzer (13) und mittels Expansionsventil (5).
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 3. Um den Druckverlust zwischen Turbine (15) und thermischer Verdichterstufe (24) für die Abkühlung gering zu halten, bietet sich Mischwärmeübertragung durch Kondensateindüsung (21) an. Am Abzweig (17) wird hierfür mittels Regelventil Wärmeoutput (22) ein Teilmassenstrom in Abhängigkeit vom Abwärmeoutput (19) abgetrennt und im Abwärme-Kondensator (18) verflüssigt. Die Kondensatpumpe (20) erhöht den Druck, um das Arbeitsfluid mittels Düse im Teilmassenstrom zwischen Abzweig (17) und thermischer Verdichterstufe (24) fein zu zerstäuben, wonach dieser durch die Verdampfung auf die Ansaugtemperatur am Kondensator Diffusor (1) ohne Druckverlust abkühlt.
1 schematisches Blockschaltbild der thermischen Verdichtung an der Druck-Tendenzskala
2 Blockschaltbild des Arbeits-Kreisprozesses für die Elektroenergieerzeugung mit Phasenwechsel, thermischer Verdichtung und Wärmeauskopplung
3 spezifisches Blockschaltbild des Arbeits-Kreisprozesses für die Elektroenergieerzeugung mit Phasenwechsel, thermischer Verdichtung und spezieller Wärmeauskopplung
Bezugszeichenliste

1: Kondensator Diffusor
2: Verdampfer Diffusor
3: Kondensationsseite des Wärmeübertragers
4: Verdampferseite des Wärmeübertragers
5: Expansionsventil
6: Dampfleitung
7: Kondensatleitung
8: Phasenwechselenergie
9: Druckzustand 1
10: Druckzustand 2
11: Druckzustand 3
12: Druckzustand 4
13: Überhitzer
14: Wärmeinput
15: Turbine
16: Generator und Stromoutput
17: Abzweig
18: Abwärme-Kondensator
19: Abwärmeoutput
20: Kondensatpumpe
21: Kondensateindüsung
22: Regelventil Wärmeoutput
23: Füll- und Startventil
24: thermische Verdichterstufe
25: Druck-Tendenzskala
26: Kühler
27: Anfahr-Dampferzeugereinheit
28: Turbinenventil
29: Bypassventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010063434 A1 [0002]
CH 000000076249 A [0002]
DE 102012217929 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung, ein Arbeits-Kreisprozess für die Elektroenergieerzeugung mit Phasenwechsel, thermischer Verdichtung und Wärmeauskopplung bestehend aus den Prozessschritten Verdichtung, Erhitzung, Entspannung und Kühlung, dadurch gekennzeichnet, dass im Prozessschritt Verdichtung a) der Kondensator Diffusor (1) das Arbeitsfluid mittels Dampfleitung (6) ansaugt und die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie wandelt vom Druckzustand 1 (9) zum Druckzustand 2 (10), in dem er die Volumenabnahme beim Kondensieren des Arbeitsfluides nutzt, b) anschließend die Kondensationsseite des Wärmeübertragers (3) das Arbeitsfluid verflüssigt, c) das Kondensat weiter durch das druckmindernde Expansionsventil (5) zur Verdampferseite des Wärmeübertragers (4) mittels Kondensatleitung (7) fließt und sich der Druckzustand 3 (11) einstellt, d) das Arbeitsfluid in der Verdampferseite des Wärmeübertragers (4) wieder verdampft, e) der Verdampfer Diffusor (2) wiederum die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie wandelt vom Druckzustand 3 (11) zum Druckzustand 4 (12), in dem er die Volumenzunahme beim Verdampfen nutzt, f) die Phasenwechselenergie (8) aufgrund des Druckunterschiedes zwischen Kondensation und Verdampfung regeneriert.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für höhere Differenzdrücke an der Turbine (15) man mehrere thermische Verdichterstufen (24) in Reihe schaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluid alle Gase und Gemische einsetzbar sind, die im benötigten Temperaturbereich ihren Aggregatzustand wechseln können.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess in einem geschlossenen Anlagensystem abläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass rechnergesteuert eine Anfahr-Dampferzeugereinheit (27) über das Füll- und Startventil (23) das Arbeitsfluid zuführt, dabei den Wärmeinput (14) im Überhitzer (13) abgleicht und Schaltvorgänge am Bypassventil (29), Turbinenventil (28) und Expansionsventil (5) tätigt, bis die Zirkulation im Prozess auf maximale Umlaufmenge hochgefahren ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Anfahr-Dampferzeugereinheit (27) nach dem Startvorgang auf Standby geht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung über den Wärmeinput (14) im Überhitzer (13) und dem Expansionsventil (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager Kühler (26) durch Mischwärmeübertragung mittels Kondensateindüsung (21) ersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Abzweig (17) in Abhängigkeit vom Abwärmeoutput (19) mittels Regelventil Wärmeoutput (22) ein Teilmassenstrom abtrennt, der sich im Abwärme-Kondensator (18) verflüssigt, der dann mit erhöhtem Druck durch die Kondensatpumpe (20) zerstäubt in den Hauptmassenstrom eingedüst wird.