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Es ist bekannt, Maschinen mit interner
Wärmeentwicklung,
zum Beispiel elektrische Maschinen mit Frischluft zu kühlen. Dabei
wird allerdings das Innere der elektrischen Maschine ständig mit
Staub und Feuchtigkeit aus der angesaugten Frischluft beaufschlagt,
was zu Verschmutzungen und Kühlproblemen
führen
kann (Quelle 1). Deshalb ist man bemüht, größere elektrische Maschinen,
zum Beispiel Elektzugeneratoren im geschlossenen System mit Luft
zu kühlen
(Zeitschrift < Turbomachinery
International~, Jg. 40, Nr. 7 1999, S. 32-34). Das Kühlmedium
Luft wird bevorzugt mit einem auf der Welle des Generators sitzenden
Ventilator durch die Maschine umgewälzt, wo es sich erwärmt, um
anschließend
in einem Kühler
auf die erforderliche Temperatur rückgekühlt zu werden. Um insbesondere
bei hohen spezifischen Leistungen die Kühlung zu verbessern und den
energetischen Aufwand für
die Umwälzung
des Kühlmediums
durch niedrige interne Reibung zu verringern, ist es ferner bekannt,
als gasförmiges
Kühlmedium
Wasserstoff unter Druck zu benutzen (Quelle 3).
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Die indirekte Kühlung ist gegenüber der Frischluftkühlung allerdings
mit einer zusätzlichen Temperaturdifferenz
am Lüftkühler verbunden.
Außerdem
wird meist der Luftkühler
mit Kühlwasser
aus einem geschlossenen Kühlkreislauf
beaufschlagt, der wiederum indirekt über einen Wärmeübertrager mit Kühlturmwasser
rückgekühlt wird.
So addieren sich zwei Temperaturdifferenzen, die insbesondere in wärmeren Gegenden
oder bei hohen spezifischen Leistungen zu einer ungenügenden Kühlung der elektrischen
Maschine führen
können.
Dies führt
zu einer beschleunigten Alterung der Isolationsmaterialien und letztendlich
zu einer verkürzten
Lebensdauer der elektrischen Maschine. Um diese Effekte zu minimieren,
werden die Wärmeübertrager
mit einer möglichst
kleinen Temperaturdifferenz von 2 bis 5 Kelvin ausgelegt, was zu
einer großen
Oberfläche und
teueren Apparaten führt.
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Wenn es sich zum Beispiel um ein
Gas- oder Gas- und Dampfturbinenkraftwerk handelt, so war bisher
mit steigenden Außentemperaturen
ein Rückgang
der Gasturbinenleistung verbunden, so dass gleichzeitig eine geringere
Wärmemenge
aus dem Elektrogenerator abzuführen
war. Nun gibt es aber technische Möglichkeiten, die Gasturbinenleistung insbesondere
in der wärmeren
Jahreszeit zu forcieren, so dass entgegen der früheren umgekehrten Abhängigkeit
von Außenlufttemperatur
und Gasturbinenleistung auch in der wärmeren Jahreszeit eine höhere Wärmemenge
aus dem Generator abzuführen
ist.
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Dies kann am einfachsten erreicht
werden durch eine Reduzierung des Temperaturniveaus der Kühlluft in
der elektrischen Maschine, was allerdings oft auf einem Niveau erforderlich
ist, welches unter der herrschenden Aussentemperatur liegt. Dies
ist mit einer herkömmlichen
Kühlung
nach den oben angeführten
Prinzipien nicht mehr möglich.
Eine naheliegende Lösung
wäre die
Rückkühlung der
elektrischen Maschine mit einer künstliche Kälte erzeugenden Anlage. Nachteil
dieses Verfahrens ist der Energieverbrauch zur Erzeugung der Kunstkälte in Form von
elektrischer Antriebsenergie für
eine Kompressionskälteanlage,
oder in Form von Wärme,
zum Beispiel für
eine Adsorptionskälteanlage.
Ausserdem erfordern Kältemaschinen
zusätzlichen
Stellplatz, unterliegen als Kompressionskältemaschinen einem ständigen Verschleiß, sind
regelmäßig zu warten, enthalten
meist nicht umweltneutrale Kältemittel,
reduzieren die Verfügbarkeit
des Hauptprozesses. Besonders negativ ist, dass die aus der Kältemaschine abzuführende Wärmemenge,
die wesentlich größer ist,
als die bisherige, da sie sich aus der Kälteleistung und der aufzuwendenden
Antriebsenergie zusammensetzt, ebenfalls über den herkömmlichen
Kühlkreislauf
abgeführt
werden muss, der zu diesem Zweck einer Erweiterung unterliegt.
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Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt
das Problem zugrunde, Maschinen mit interner Wärmeentwicklung, zum Beispiel
elektrische Maschinen mit möglichst
geringem Aufwand intensiver zu kühlen,
bevorzugt unabhängig
von der Aussenlufttemperatur.
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Dieses Ziel wird erreicht durch eine
ggf. mehrstufige Kühlung
des in der zu kühlenden
Maschine umgewälzten
Kühlmediums,
zunächst,
sofern nach der Wärmebilanz
erforderlich, mit einem herkömmlichen
Kühlkreislauf
bis auf ein wirtschaftliches Niveau, und danach mit einer ggf. ohnehin
vorhandenen Kältequelle,
und/oder wenn nach der Wärmebilanz
weiter erforderlich, zusätzlich
mit einer künstliche
Kälte erzeugenden
Anlage.
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Die mit der Erfindung erzielbaren
Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der energetische wie
der apparative Aufwand möglichst
gering gehalten werden, eine künstliche
Kälte erzeugende
Anlage, sofern erforderlich, möglichst
klein ausfällt,
ggf. mit dem herkömmlichen
Kühlkreislauf
der normale Betrieb des Hauptprozesses aufrecht erhalten werden
kann, und die aus der zu kühlenden
Maschine und einer ggf. vorhandenen künstliche Kälte erzeugenden Anlage abgeführte Wärmemenge
möglichst dem
Gesamtprozess wieder zugeführt
wird, so dass es nicht zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der
Gesamtanlage durch die intensivere Kühlung kommt, sondern eher zu
einer Steigerung.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch
2 ermöglicht
es, den zum Beispiel aus einer Pipeline mit nahezu konstanter niedriger
Erdbodentemperatur entnommenen Brennstoffstrom als möglichst
effektive Kältequelle
zu nutzen.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 3
ermöglicht
es, die in einem Prozess ohnehin vorhandene Kältequelle Frischwasser zu verwenden,
die zum Beispiel mit Bodentemperatur einer Leitung entnommen wird
und als Nachspeisewasser für
einen Kühl- oder
Dampfprozess, oder als Einspritzwasser in einem Gasturbinenprozess
oder anderweitig genutzt wird. Meist besteht Proportionalität zwischen
Kältebedarf
und Kälteanfall.
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Der Vorteil der Ausgestaltung nach
Anspruch 4 besteht darin, dass die Antriebsenergie und/oder das
Arbeitsmedium für
künstliche
Kälte erzeugende Anlagen
dem eigentlichen Hauptprozess möglichst verlustarm
entnommen und ggf. diesem auch wieder zugeführt wird. Damit entfallen ggf.
zusätzliche
Apparate, Antriebsmaschinen und neue Arbeitsmedien, der Betrieb
und die Wartung werden vereinfacht.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 5
führt zur Reduzierung
der erforderlichen Rückkühlleistung und
zur Erhöhung
des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 6
ermöglicht
es, das Temperaturniveau in der zu kühlenden Maschine proportional
zum Innendruck des gasförmigen
Kühlmediums
zu führen,
also mit Kältequellen passenden
Temperaturniveaus arbeiten zu können.
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Mit der Ausgestaltung nach Anspruch
7 wird gewährleistet,
dass am Wärmeaustausch
beteiligte Medien, zum Beispiel Hochdruckbrenngas und ein Kühlmedium,
sich bei einer eventuellen Undichtheit am Wärmeübertrager nicht miteinander
vermischen, es also auch ohne Zwischenkreislauf verhindert wird, das
gefährliche
Situationen in der zu kühlenden
Maschine entstehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt 1 das geschlossene Kühlsystem
einer elektrischen Maschine 1. Dieses besteht aus Lüftern 2 und
einem kombinierten Rückkühler 3, 4 für die umgewälzte erwärmte Kühlluft 5. Der
Rückkühler besteht
aus zwei Teilen, einem Vorkühler 3 und
einem Nachkühler 4.
Der Vorkühler 3 ist verbunden
mit einem herkömmlichen
Kühlkreislauf, im
wesentlichen bestehend aus einer Umwälzpumpe 6 und einem
Zwischenkühler 7.
Der Nachkühler 4 ist verbunden
mit einem zusätzlichen
Kühlkreislauf,
bestehend aus einer Umwälzpumpe 8 und
einem Gasvorwärmer 9,
letzterer ausgeführt
in Sicherheitsbauform.
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Die Kühlung der elektrischen Maschine 1 erfolgt
folgendermaßen.
Bei einer Aussentemperatur von 33 °C wird die Kühlluft 5 von Lüftern 2 durch
die Maschine 1 umgewälzt,
wobei sie die im Inneren freigesetzte Wärme aufnimmt und sich von etwa
30 auf 65 °C
erwärmt.
Anschließend
wird die Kühlluft 5 in dem
kombinierten Rückkühler 3, 4 in
zwei Stufen wieder abgekühlt.
Im Vorkühler 3 erfolgt
eine Rückkühlung auf
ca. 40 bis 38 °C
mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf,
durch das ein Kühlmedium
mit einer Temperatur von 35 °C
mittels einer Umwälzpume 6 gefördert wird
und seine Wärme
in einem Zwischenkühler 7 an
einen hier nicht näher
dargestellten offenen Kühlkreislauf
abgibt. Im Nachkühler 4 wird
die Kühlluft 5 dann
auf 30 °C
gekühlt.
Dazu dient ein Zwischenkühlkreislauf
mit einem 10 °C
kalten Kühlmedium,
der als Kältequelle
das Brenngas der Antriebsmaschine des Elektrogenerators 1 mit
einer Temperatur von 2 °C
in einem Gasvorwärmer 9 nutzt.
Damit es bei einer ev. Undichtheit des Wärmeübertragers 9 nicht
zu einem Eindringen des Hochdruckbrenngases in den Kühlkreislauf,
zu einer Verschleppung von Leckgasen bis in den Elektrogenerator 1 und
letztendlich zu einem Bersten des auf einen niedrigeren Druck ausgelegten
Zwischenkühlkreislaufes
kommt, wird der Gasvorwärmer 9 als
Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager
ausgeführt.
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Die Kühlluft wird somit ohne künstliche
Kältequelle
um 3 K unter die Aussenlufttemperatur gekühlt. Die Vorwärmung des
Brenngases von 2 auf 27 °C
mittels Abwärme
aus dem Prozess führt
zu einer Brennstoffeinsparung und einer äquivalenten Wirkungsgradsteigerung
der Gasturbine. Die Vorwärmung
des Brenngases mit Abwärme
aus dem Prozess ersetzt die üblicherweise
für diesen
Zweck genutzte Wärme
aus einem gesonderten mit Brenngas beheizten Kessel. Die für die zweite
Umwälzpumpe 8 erforderliche
Antriebsenergie ist ungleich kleiner, als die für eine Kompressionskälteanlage
mit gleicher Kühlleistung.
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Eine Kühlung der Kühlluft 5 unter 30 °C wäre möglich, wenn
das Brenngas eine niedrigere Temperatur als 2 °C hätte. Dies kann unter Ausnutzung
des Joule-Thomson-Effektes erreicht werden, wenn. das Brenngas vor
dem Gasvorwärmer 9 speziell
isenthalp gedrosselt wird. Eine noch höhere Abkühlung wird bei einer polytropen
Entspannung des Erdgases in einer Turbine erreicht. Die dabei freiwerdende
mechanische Energie kann zum Antrieb eines/des Generators 1 genutzt
werden. Sollte das verfügbare Druckgefälle nicht
ausreichen, so kann das Erdgas künstlich
unter den Verbrennungsdruck der Gasturbine entspannt und anschließend mit
der Antriebsenergie der Entspannungsturbine und ggf. zusätzlicher Antriebsenergie
in einem auf einer Welle sitzenden Verdichter wieder auf den Verbrennungsdruck
verdichtet werden. Bei Unterschreitung des Gefrierpunktes muss als
Kühlmedium
im Nachkühlkreislauf
ein Frostschutzmittel dienen. Bei zu tiefer Abkühlung kann die Entspannung
mehrstufig mit Zwischenerwärmungen
des Brenngases erfolgen. Mit diesem Verfahren kann ggf. die Wärmebilanz
vollständig
aufgehen, d. h. sämtliche
in der elektrischen Maschine 1 freiwerdende Wärme kann
dem Brenngas zugeführt werden.
Die entsprechende Wirkungsgradsteigerung wäre besonders hoch, ein Vorkühlsystem
könnte
entfallen.
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Zum Beispiel in Kraftwerken wird
zum Teil in erheblichen Mengen Frischwasser verbraucht. So wird
in Dampf- und Kühlprozessen
das Abschlämm- und
Verdunstungswasser ersetzt. In Gasturbinenprozessen kann Einsprühwasser
zum Einsatz kommen. Dieses wird einer im Erdboden verlegten Leitung oder
anderen sauberen Quellen entnommen und hat nahezu Bodentemperatur,
die über
das Jahr nur um ca. 20 K schwankt. Damit besteht eine bessere Kühlmöglichkeit,
als mit an der Umgebungsluft gekühltem Kühlwasser,
die bisher nicht genutzt wurde. Die dem Frischwasser übergebene
Abwärme
kommt dem Hauptprozess zugute und erhöht dessen Wirkungsgrad.
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Anstelle des Gasvorwärmers 9 oder
zusätzlich
dazu könnte
auch eine künstliche
Kälte erzeugende
Anlage den Nachkühlkreislauf
kühlen. Übliche Kompressions-,
Absorptions- oder Adsorptionskälteanlagen
können
mit Antriebsenergie aus dem Prozess versorgt werden. Zum Beispiel
könnte
ohne den Umweg über
elektrische Energie direkt mechanische Energie als Verdichterantrieb
genutzt weden. Die Wärmeenergie
für einen
Absorptions- oder Adsorptionsprozess kann ebenfalls direkt dem Hauptprozess entnommen
werden.
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Ebenfalls wie die letzteren nahezu
verschleißfrei
wäre ein
Dampfstrahlkälteprozess,
dessen Treibdampf zum Beispiel aus dem Abhitzekessel eines Gasturbinenprozesses
entnommen und dessen Kondensat dem Hauptprozess wieder zugeführt werden
kann.
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Als Kältemedium kann auch die Kühlluft 5 selbst
genutzt werden, die über
Verfahrensstufen wie Verdichtung, Drosselung/Entspannung, ähnlich wie für das Brenngas
beschrieben, die Wärme
abführen kann.
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Besonders sinnvoll ist es, die aus
Kälte erzeugenden
Anlagen freigesetzte Wärme
dem Hauptprozess wieder zuzuführen.
Dabei erlaubt ein Kälteprozess,
dies auf dem erforderlichen Temperaturniveau zu tun. In einer solchen
Anwendung arbeitet eine Kältemaschine
als <Wärmepumpe~.
Mögliche Wärmesenken
in einem Kraftwerk sind zum Beispiel das Brenngas oder das dem Kessel
wieder zugeführte
Kondensat.
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Es sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen,
dass das vorgeschlagene Verfahren für jede beliebige im Inneren
Wärme freisetzende
Maschine oder Anlage angewendet werden kann.
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Als Kühlmedium und Kältemittel
können selbstverständlich neben
Gasen auch Flüssigkeiten, auch
der gasförmige
oder flüssige
Brennstoff selbst dienen. Das interne Kühlsystem kann auch offen ausgeführt werden,
was allerdings mit den bekannten Nachteilen behaftet wäre.
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Weiterhin könnte ein Wärmeübertrager wie der Gasvorwärmer 9 auch
in den internen Kühlkreislauf
der zu kühlenden
Maschine 1 einbezogen werden, so dass eine Temperaturdifferenz
durch/und ein Zwischenkühlkreislauf
entfallen würden.
Ein Sicherheitswärmeübertrager 9 würde die
Gewähr
geben, dass der Brennstoff selbst bei einer Undichtheit des Wärmeübertragers 9 nicht
in die Maschine 1 eintreten würde. Letztendlich wäre die Kühlung auch
mittels in die zu kühlenden
Teile der Maschine 1 eingebauter Kühlkanäle ohne zusätzliches Kühlmedium 5 möglich, durch
die Kühl-
oder Kältemedien
herkömmlicher
Kühlkreisläufe, ohnehin
vorhandener Kältequellen,
und sofern nach der Wärmebilanz
weiter erforderlich, zusätzlicher
künstliche
Kälte erzeugender Anlagen
zirkulieren.