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Verfahren zum Erwärmen von Stoffströmen über einen größeren Temperaturbereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur stufenweisen Erwärmung
eines Stoffstromes über einen größeren Temperaturbereich.
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Um einen Stoffstrom auf eine sehr hohe Temperatur, beispielsweise
900°K, zu erwärmen, ist es vollkommen falsch, die notwendige Wärme bei dieser hohen
Temperatur aufzubringen, da die sogenannten Nichtumkehrbarkeiten bei der Erwärmung
um große Temperaturdifferenzen stark ins Gewicht fallen.
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Es ist bekannt, zur Erwärmung einen Prozeß anzuwenden, der theoretisch
aus einer isothermen Entspannung, bei Umgebungstemperatur, unter Wärmezufuhr aus
der Umgebung, einer adiabaten Kompression und schließlich einer isobaren Aukühlung
des Arbeitsmittels, wobei im Gegenstrom eine Stoffmenge erwärmt werden kann, besteht.
Weder die Isotherme noch die Adiabate lassen sich genau verwirklichen. Auch wird
im Wärmeaustauscher ein Druckverlust auftreten, so daß auch eine vollkommene isobare
Zustandsänderung nicht möglich ist. Doch bleibt der gesamte Prozeß im Prinzip erhalten.
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Der obengenannte bekannte Prozeß ist in Fig.2 dargestellt. In Fig.
1 ist das umgekehrte Verfahren zur Abkühlung eines Stoffstromes gezeigt. Dieses
besteht theoretisch aus einer isothermen Verdichtung, einer adiabaten Entspannung
und schließlich einer isobaren Erwärmung des gas- oder dampfförmigen Arbeitsmittels.
Das sich isobar erwärmende Arbeitsmittel kann seinerseits einen Stoffstrom von Umgebungstemperatur
auf die in dem Prozeß tiefste erreichte Temperatur abkühlen. In den Fig. 1 und 2
sind die beiden Verfahren im T,s-Diagramm dargestellt. Die isotherme Zustandsänderung
verläuft zwischen den Zustandspunkten 1 und 2, daran schließt sich eine adiabate
Zustandsänderung zwischen den Punkten 2 und 3 an, während die Zustandsänderung vom
Punkt 3 zum Punkt 1 isobar verläuft.
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Der obengenannte an sich umkehrbare Prozeß (Erwärmung oder Abkühlung)
hat indessen den Nachteil, daß das Druckverhältnis zwischen den Punkten 1 und 2
bzw. 3 und 2 bei einer großen Temperaturdifferenz sehr hoch wird. Will man z. B.
von Umgebungstemperatur auf etwa -200°C abkühlen, so läge das Druckverhältnis bei
rund 130, d. h., wenn man beim Zustandspunkt 1 den Druck 1 ata wählt, muß der Druck
beim Zustandspunkt 2 weit über 100 at betragen, was technisch sehr unbequem ist.
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Es ist ein Prozeß bekannt, der aus einer Kaskadenschaltung mehrerer
Kompressionskältekreisläufe besteht. Die Kondensationswärme des Niedertemperaturkreislaufes
wird vom Verdampfer des Hochtemperaturkreislaufes aufgenommen. Beide Kreisläufe
sind voneinander getrennt. Der Nutzstoffstrom nimmt die Unterkühlungswärme und anschließend
die vom Verdampfer der Hochtemperaturstufe nicht in Anspruch genommene Kondensationswärme
des Niedertemperaturteils auf und und wird dann durch den Kondensator des Hochtemperaturkreislaufes
geschickt.
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Bei einer Abwandlung dieser Kaskadenschaltung ist der Niedertemperaturkreislauf
beibehalten, doch der Hochtemperaturteil insofern geändert, als er unter Voraussetzung
gleicher Medien von Nutzstoffstrom und Hochtemperaturarbeitsmittel keinen Kreislauf
mehr darstellt, sondern der in der Niedertemperaturstufe erwärmte Nutzstoffstrom
aufgeteilt wird. Ein Teil des Nutzstoffstromes wird abgezweigt, der über ein Regelventil
entspannt wird und die Kondensationswärme der Niedertemperaturstufe aufnimmt. Dieser
Teil wird dann komprimiert und in den anderen Teil des Nutzstoffstromes kondensiert.
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Beide Arten von Kaskadenschaltungen machen für ein Verfahren zur Erwärmung
eines Stoffstromes über einen großen Temperaturbereich - wegen der Forderung möglichst
geringer Nichtumkehrbarkeiten - eine sehr große Stufenzahl notwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die den bekannten Verfahren
anhaftenden Nachteile zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zum stufenweisen
Erwärmen von Stoffströmen über einen größeren Temperaturbereich zu schaffen, das
trotz geringerer Stufenzahl eine Erhöhung des Reversibilitätsgrades ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Teilströme eines
Gases oder Dampfes nach einer gemeinsamen Entspannung weiteren Zustandsänderungen
unterworfen
werden, die aus Verdichtungen und im wesentlichen isobaren Zustandsänderungen durch
Wärmeaustausch nur mit anderen Teilströmen desselben Stoffstromes in mehreren Stufen
bestehen, wobei die Entspannung und die Verdichtung zwischen denselben Druckgrenzen
erfolgen.
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Zweckmäßig werden als Verdichtungs- und Entspannungsmaschinen Turbomaschinen
verwendet. Der zu erwärmende Stoff kann selbst als Arbeitsmittel verwendet werden.
Ein Teilstrom des Stoffes wird im Prozeß bei der höchsten Temperatur entzogen und
bei der tiefsten Temperatur (z. B. Umgebungstemperatur) dem Prozeß zugeführt.
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Alternativ ist es jedoch auch möglich, den bei der höchsten Temperatur
verfügbaren Teilstrom der Entspannungsmaschine wieder zuzuführen, so daß die Wärmeleistung
mit Hilfe eines Wärmeaustauschers auf den zu erwärmenden Stoffstrom übertragen wird.
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Man kann auf diese Weise für den Fall der Kälteleistung schon bei
einem Druckverhältnis 5 : 1 in drei Stufen theoretisch von Umgebungstemperatur auf
rund -200° C kommen. Unter Berücksichtigung endlicher Temperaturdifferenzen beim
Wärmeaustausch und Wirkungsgraden bei Verdichtung und Entspannung wird die Endtemperatur
etwas höher liegen.
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Selbstverständlich ist es nicht notwendig, bei dem Verfahren gemäß
der Erfindung vom Druck von 1 ata auszugehen. Man kann vielmehr den Druckpegel beliebig
wählen. Je höher dieser liegt, um so weniger Arbeitsmittel braucht für eine bestimmte
Kälte- und Wärmeleistung umgewälzt zu werden. Damit hat man für eine bestimmte Kälte-
oder Wärmeleistung die Wahl des Volumens in der Hand, und dies begünstigt erfindungsgemäß
die Wahl von Turbomaschinen als Verdichtungs- und Entspannungsmaschinen für das
Verfahren.
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An Hand der Zeichnung soll das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung
beispielsweise erläutert werden. Es zeigt Fig.1 einen an sich bekannten Prozeß des
Arbeitsmittels zur Abkühlung eines Stoffstromes im T,S-Diagramm, Fig.2 den umgekehrten,
ebenfalls an sich bekannten Prozeß nach Fig.l zur Erwärmung eines Stoffstromes,
Fig.3 einen Prozeß zur Abkühlung einer Stoffmenge in Teilströmen im T,s-Diagramm,
Fig. 4 ein Strömungsschaltbild des Verfahrens nach Fig. 3, Fig.5 den Prozeß zum
Erwärmen eines Stoffstromes gemäß vorliegender Erfindung mittels Teilströmen im
T,s-Diagramm und Fig. 6 eine schematische Darstellung des Prozessu nach Fig. 5.
' Die Fig. 1 und 2 sind in der Beschreibungseinleitung erwähnt worden. Nach Fig.
1 erfolgt eine isothermeVerdichtung vom Zustandspunkt 1 zum Zustandspunkt 2. Daran
schließt sich eine adiabate Entspannung zwischen den Punkten 2 und 3 an. Die Zustandsänderung
von den Punkten 3 bis 1 ist isobar. Im Gegenstrom zu der isobaren Erwärmung des
Arbeitsmittels kann ein Stoffstrom die Abkühlung 1 bis 3 erfahren.
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Die an sich bekannte Umkehrung dieses Verfahrens zur Wärmeerzeugung
ist in Fig.2 dargestellt. Bei Umgebungstemperatur wird zwischen den Zustandspunkten
1 und 2 isotherm entspannt, dann zwischen den Punkten 2 und 3 adiabat verdichtet
und schließlich isobar zwischen 3 und 1 abgekühlt, wobei im Gegenstrom eine Stoffmenge
erwärmt werden kann.
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Obwohl sich die Erfindung nicht auf ein Verfahren zur Abkühlung einer
Stoffmenge bezieht, kann ein solcher Prozeß jedoch mit dem Verfahren durchgeführt
werden.
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In Fig.3 ist ein Prozeß zur Abkühlung einer Stoffmenge in ein T,s-Diagramm
eingetragen. Die beiden dick ausgezogenen Kurven, die mit p und po bezeichnet sind,
stellen die beiden Isobaren dar, zwischen denen der Prozeß stattfindet, und zwar
ist p größer als po. Die drei Teilströme des Arbeitsmittels a, b und c werden
ausgehend vom Zustand 1 isotherm auf den Druck p verdichtet, so daß das Arbeitsmittel
den Zustandspunkt 2 erreicht.
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Im Punkt 2 wird der Teilstrom a abgezweigt und adiabat auf den Druck
po entspannt, so daß der Zustandspunkt 3 erreicht wird. Der Teilstrom a wird sodann
isobar beim Druck po wieder auf den Zustand 1 gebracht, wobei er zwischen Punkt
3 und Punkt 1 einen Wärmeaustauscher durchströmt. Die restliche Arbeitsmittehnenge,
die aus den Teilströmen b und c besteht, wird, von Punkt 2 ausgehend, in einem Wärmeaustauscher
auf den Zustand 4 abgekühlt, wobei ein Wärmeaustausch mit den. Teilströmen, deren
Zustand sich von Punkt 3 auf den Punkt 1 ändert, erfolgt, wie später noch erläutert
wird. Im Punkt 4 findet wieder eine Teilung statt. Der Teilstrom b wird adiabat
bis zum Zustand 5 entspannt und strömt durch einen Wärmeaustauscher, wobei sich
der Zustand 5 auf den Zustand 1 ändert. Im Gegenstrom zum Teilstrom b fließt der
Teilstrom c und erreicht im Wärmeaustausch mit b den Zustand 6. Vom Zustandspunkt
6 ab wird der Teilstrom c adiabat entspannt und erreicht den Zustand 7.
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Im Punkt 7 kann nunmehr der Teilstrom c dem Prozeß als kaltes Gas
entzogen werden. In diesem Fall ist das Arbeitsmittel identisch mit dem Stoff, der
abgekühlt werden soll. Es ist jedoch auch möglich, den Teilstrom c in einem Wärmeaustauscher
bis zum Zustand 1 isobar beim Druck po zu erwärmen und auf diese Weise einen Stoffstrom
von der Temperatur Zustand 1 auf die Temperatur Zustand 7 abzukühlen. Die Teilströme
a, b und c müssen so bemessen sein, daß beim Wärmeaustausch zwischen Punkt
2 und Punkt 4 einerseits und Punkt 3 und Punkt 1 andererseits die Wärmekapazitäten
der Teilströme a und b einerseits und b und c andererseits
gleich sind. Beim Wärmeaustausch von Punkt 4 nach Punkt 6 einerseits und von Punkt
5 nach Punkt 3 andererseits müssen die Wärmekapazitäten des Teilstromes c und des
Teilstromes b gleich sein.
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Der Prozeß ist der Einfachheit halber so aufgezeichnet, daß er verlustlosen
Verhältnissen entspricht, d. h., die Verdichtung ist isotherm und die Entspannungen
sind adiabat vorausgesetzt. In Wirklichkeit läßt sich eine isotherme Verdichtung
nicht durchführen, und man wird eine Zwischenkühlung oder eine Endkühlung vorsehen.
In der Fig.3 ist ferner vorausgesetzt, daß die einzelnen Wärmeaustauscher mit unendlich
kleinen Temperaturdifferenzen arbeiten, d. h. Punkt 4 und Punkt 3 einerseits und
Punkt 6 und Punkt 5 andererseits liegen im T,s-Diagramm auf einer Horizontalen.
In Wirklichkeit werden bei den Wärmeaustauschern endliche Temperaturdifferenzen
auftreten, so daß unter praktischen
Verhältnissen Punkt 7 bei einer
höheren Temperatur liegt, als sie theoretisch im Diagramm gezeigt ist.
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Fig.4 zeigt ein entsprechendes Verfahren im Schema. Der Elektromotor
M, der Verdichter V und die drei Entspannungsmaschinen E sitzen auf einer Welle.
Der Wärmeaustauscher W1 kühlt die drei Teilströme a, b und c, nachdem sie
durch die Verdichtung eine Temperaturerhöhung erfahren haben, annähernd auf Umgebungstemperatur
ab. Im Wärmeaustauscher W2 gehen die Zustandsänderungen 2 bis 4 bzw. 3 bis 1 vonstatten,
im Wärmeaus.tauscher W3 4 bis 6 bzw. 5 bis 3. Im Punkt 7 kann, wie schon früher
besprochen, ein kalter Teilstrom entnommen werden, oder dieser Teilstrom kann über
die gestrichelte Leitung und den Wärmeaustauscher W4 dem Verdichter V wieder zugeführt
werden. Der Wärmeaustauscher W4 dient dann der Abkühlung der zu kühlenden Stoffmenge.
Wird der Teilstrom c als kalter Gasstrom bei Punkt 7 entnommen, so muß eine entsprechende
Menge a bei Punkt 1 von außen dem Prozeß wieder zugeführt werden.
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Fig.5 zeigt das Verfahren zum Erwärmen eines Stoffstromes gemäß vorliegender
Erfindung. p. und p sind wiederum die zwei Isobaren, zwischen denen sich der Prozeß
abspielt, wobei p. größer ist als p. Die Teilströme a, b und c werden nunmehr
zuerst isotherm entspannt, wobei diese Entspannung in einer einzigen oder auch in
mehreren Entspannungsmaschinen erfolgen kann. Im Punkt 2 wird der Teilstrom a abgezweigt
und adiabat bis Punkt 3 verdichtet. Entsprechend dem in Fig.3 besprochenen Verfahren
werden nun die Teilströme b und c im Wärmeaustausch bis auf Punkt 4 erwärmt. Im
Punkt 4 findet wieder eine Abzweigung statt, der Teilstrom b wird adiabat bis auf
Punkt 5 verdichtet, während c im Wärmeaustausch bis auf Punkt 6 erwärmt wird. Schließlich
wird der Teilstrom c, ausgehend von Punkt 6, adiabat verdichtet und so in den Zustand
7 gebracht, bei dem er entweder als warmes Gas entnommen oder aber isobar beim Druck
pp bis auf den Zustand 1 abgekühlt wird, wobei er einen Stoffstrom vom Zustand 1
bis zum Zustand 7 erwärmen kann.
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Die Stoffströme b und c erwärmen sich also im Wärmeaustauscher von
Punkt 2 auf Punkt 4, wobei sie die Stoffströme a und b von Punkt 3 auf Punkt 1 abkühlen.
Der Teilstrom c erwärmt sich im Wärmeaustauscher von Punkt 4 auf Punkt 6 und kühlt
dabei den Teilstrom b vom Zustand 5 auf Zustand 3.
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Auch dieser Prozeß ist wie der in Fig. 3 beschriebene für verlustlose
Verhältnisse gezeichnet. Bezüglich der Änderung, die bei Berücksichtigung von Verlusten
eintritt, gilt das zu Fig. 3 Gesagte. Fig.6 zeigt eine schematische Darstellung
des Prozesses nach Fig.5. Der Eelektromotor M, die Entspannungsmaschine E und die
drei Verdichter V sitzen auf einer Welle. Im Wärmeaustauscher W1 wird den Teilströmen
a, b und c aus der Umgebung Wärme zugeführt. W2 und W3 sind die beiden anderen
Wärmeaustauscher. Die Bezeichnungen entsprechen im übrigen der Fig.5. Bei Punkt
7 kann dann entweder der Teilstrom des warmen Gases entnommen werden, oder er kann
auch durch den Wärmeaustauscher W4 dem Verdichter V wieder zugeführt werden, wobei
dann im Wärmeaustauscher W4 ein anderer Stoffstrom erwärmt werden kann.
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Es ist möglich, mit einer geringeren Zahl von Entspannungen auszukommen,
als in Fig.3 dargestellt ist, oder weitere Entspannungsstufen anzuschließen. Entsprechendes
gilt auch für die Erwärmung.