DE1902497A1

DE1902497A1 - Anlage zur Energieerzeugung in einem Gaskreislauf

Info

Publication number: DE1902497A1
Application number: DE19691902497
Authority: DE
Inventors: Pacault Pierre Henri; Mary Francis J
Original assignee: Babcock Atlantique SA
Current assignee: Babcock Atlantique SA
Priority date: 1968-01-19
Filing date: 1969-01-18
Publication date: 1969-08-28
Also published as: FR1566271A; GB1246164A; US3557568A

Description

Cas 6

Babcock-At!antique
48, Rue La Boe"tie

75 Paris (Ville de) 8e"me, Frankreich

Anlage zur Energieerzeugung in einem Gaskreislauf

Die Anmelderin hat eine Anlage zur Energieerzeugung in einem Gaskreislauf beschrieben, die durch das Zuschalten einer Kältemaschine gekennzeichnet ist, welche die Temperatur der Kältequelle absenken soll; dabei wurde besonders hervorgehoben, daß eine derartige Anlage infolge dieser Temperatursenkung eine ZusatzIeistung abzugeben imstande wäre, die höher liegt als die von der Kältemaschine aufgenommene Leistung.

In ihrer älteren Anmeldung vom (Aktenzeichen

(Priorität der französischen Anmeldung vom 12.1.1968) hat die Anmelderin ausserdem die Verwendung eines Zwischenmediums beschrieben, das den Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel der Kältemaschine und dem Antriebsfluid des Gaskreislaufes bewirkt.

Die Erfindung betrifft Einrichtungen, mit denen eine Anlage, wie sie oben erwähnt wurde, in einem Bereich gleichbleibender oder wenig veränderlicher Leistung arbeiten kann, auch wenn

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die Beanspruchung des Leitungsnetzes variiert.

Eine hierfür erforderliche Maßnahme besteht darin, das Kältemittel umzuwälzen, um das Zwischenmedium allmählich einzufrieren, und dieses Kältereservoir zum Kühlen des Antriebsfluids an der Kältequelle während der Zeitabschnitte heranzuziehen, in denen die Kältemaschine stillsteht.

Das Zwischenmedium wird auf diese Weise in einem Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase gehalten und stellt einen Kalorienspeicher dar. In Kraftwerken, die mit Belastungsunterachieden zu rechnen haben, würde eine solche Einrichtung es erlauben, die Kältemaschine während der Zeitspannen schwacher Belastung arbeiten zu lassen, wobei die gespeicherte Kälte später bei voller und vor allem bei Spitzenbelastung ausgenutzt werden kann.

Die Erfindung liefert somit ein besonders bequemes Mittel zum Speichern von Energieüberschüssen, da ja die Kältespeicherung leichter, billiger und mit wesentlich weniger Raumbedarf verbunden ist als die Leistungsspeicherung durch eine Wasserreserve. Mit einer solchen Maßnahme lassen sich somit sowohl die Anlagen verbessern, die nur über eine zu wenig variierbare Leistung verfügen, als daß sie grossen Variationen in der Energieanforderung gerecht werden könnten, als auch die Anlagen,deren Wärmewirkungsgrad deutlich mit der Turbinenbelastung ab-nimmt.

Die Maßnahmen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachstehenden Beschreibung, in der eine als Ausführungsbeispiel aufzufassende Ausbildung der Erfindung dargestellt wird; eine Zeichnung erläutert das in der Beschreibung Gesagte.

Das Ausführungsbeispiel beruht auf einem geschlossenen Kreislauf mit einer Expansionsstufe - die im übrigen vorteilhafterweise in mehreren Organen erfolgten kann- und zwei Kompressins-

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vorgängen und dazwischen liegendem Kühlvorgang. Die Turbine T treibt eine Last G und zwei Verdichter Cj, C₂ an. Die Turbine steht mit einer Wärmequelle O, etwa einem Kernreaktor, und einer Regeneriereinrichtung E in Verbindung; als Antriebsfluid kann Kohlendioxyd dienen.

Zwei Kaltwasserkühler A- bzw. A₂ liegen in den Antriebsfluidleitungen, die die Verdichter C« bzw. C₂ speisen.

Die Anlage enthält ausserdem erfindungsgemäß zwei Kühler B., B₂ mit umlaufendem Kältemittel, die in Strömungsrichtung oberhalb der Verdichter C., C₂ angeordnet sind und an denen das aus den Kühlern A-, A₂ austretende Antriebsfluid vorbeistreicht. Die Kühler Bj, B₂ sind einander parallel in einem geschlossenen Kreislauf mit einem Behälter G verbunden, aus dem ihnen über ein regelbares Strömungsventil R ein Kühlmedium zugeführt wird.

Die Kühler A-, A₂ sind zusammen mit einem dritten Kühler A^ einander parallel geschaltet und werden mit Kühlwasser versorgt, das bei i eintritt und bei j austritt.

In dem Behälter G kann sich als Kältemittel z.B. eine flüssige Sole oder eine Sole im Phasengleichgewicht fest-flüssig befinden. Ein Rohrbündel V, das in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch die Wanne G geführt ist, liegt in einem geschlossenen Kreislauf, der durch ein Gefäß H führt, in dem sich verflüssigtes Kältemittelgas befindet. Im Ausführungsbeispiel ist hierfür Kohlendioxyd vorgesehen, das am Ausgang des Verdichters C₂ durch eine Leitung L abgenommen wird, die von der Leitung abgezweigt ist, die über die Regeneriereinrichtung E des Reaktors O mit der Turbine T verbunden ist. Die Leitung L wird durch ein Ventil K geregelt, und das darin umlaufende Gas wird dem Gefäß H zugeleitet, nachdem es im Kühler A₃ kondensiert ist, eine Entspannung und Drosselung am Ventil D und eine Phasentrennung im Separator S erfahren hat. Ausser-

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dem verbindet eine durch ein Ventil N geregelte Leitung M das Gefäß H mit einer Zwischenanzapfstufe des Verdichters Cj.

Durch Freigeben der Leitungen L und M erfolgt somit nacheinander die Verdichtung, die Kondensation und die Entspannung des Kältemediums, das in dem Gefäß H im Phasengleichgewicht gehalten wird.

Das Antriebsfluidbewegt sich beispielsweise zwischen Drücken von etwa 15 und etwa 60 Bar, und im Gefäß herrscht ein Sättigungsdruck von z.B. ungefähr 25 Bar oder weniger.

Nun soll die Betriebsweise der Anlage in zwei Beispielen dargestellt werden, die zwei Belastungszuständen entsprechen.

Bei geringer Belastung sind die Ventile K und N geöffnet, damit die Leitungen L und M freigegeben werden. Das Ventil R wird teilweise oder ganz geschlossen. Das der Turbine T zugeleitete Gas tritt nach der Entspannung aus ihr aus und kehrt in den Verdichter C₁ zurück, nachdem es die Regeneriereinrichtung E durchlaufen hat und im Kühler A.. und gegebenenfalls im Kühler B- abgekühlt worden ist. Das teilweise verdichtete Gas mischt sich mit dem vom Gefäß H herkommenden und an der Zwischenanzapfstelle des Verdichters C. eingeleiteten Gas. Die aus C. austretende Mischung wird in A^ und gegebenenfalls in B2 gekühlt und wird in C2 zum zweiten Male verdichtet. Nach dem Austritt aus C2 wird die grössere Gasmenge über die Bauelemente E und 0 in die Turbine T zurückgeleitet, während der Rest nach Kondensation in A₃, Entspannung in D und Phasentrennung in S zum Gefäß H zurückkehrt. Das dem Gefäß H zugeführte verflüssigte Gas verdampft in der Rohrleitung V und kühlt dabei die in dem Behälter G befindliche Sole bzw. verfestigt sie nach und nach. Die in dem Kreislauf aus Verdich-

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tung (Cj), Kondensation (A3) und Entspannung (D) entwickelte Kälte wird demnach in dem Behälter G gespeichert.

Die Ventile K und N werden geschlossen. Die Reserve an Kohlendioxyd des Behälters H tritt nicht mehr in Erscheinung, wodurch die Arbeit des Verdichters verringert und die an der Turbine verfügbare Leistung vergrössert wird. Das Ventil R ist geöffnet, und die beiden mit voller Leistung arbeitenden Kühler B^, B₂ kühlen das Antriebsgas vor seinem Eintreten in Cj und C₂ maximal ab, wodurch der Wirkungsgrad der Anlage erhöht wird. Dieser Kühlung entspricht eine Lieferung von Wärme in den Behälter G, wodurch der gefrorene Teil seines Inhalts nach und nach schmilzt und ohne Temperaturerhöhung seiner flüssigen Phase in den Kühlern B^, B₂ zirkuliert.

Die Anlage kann auf verschiedene weitere Weisen arbeiten, wozu eine entsprechende Verstellung der Ventile R, K und N vorzunehmen ist. So kann etwa während eines Zeitraums mit schwacher Belastung das Ventil R soweit geöffnet werden, daß der Wirkungsgrad der Anlage einen befriedigenden Wert erreicht, während immer noch in dem Behälter G eine ausreichend grosse Reserve gefrorener Substanz für Perioden starker Belastung gebildet wird.

Bei einer anderen Betriebsweise, die zum Beispiel bei erschöpftem Vorrat an gefrorener Substanz angewendet werden kann, bleibt der Behälter II bei voller Belastung der Anlage eingeschaltet, und das von dem Verdichter verflüssigte Kohlendioxyd dient zum Kühlen des die Kühler B₁, B₂ bestreichenden Antriebsfluids unter der Wirkung des in dem Behälter G enthaltenen Fluids; ein Gefriervorgang in dem Gefäß G findet dabei nicht statt.

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Die beschriebene Anlage eröffnet somit die Möglichkeit, in den belastungsschwachen Stunden Energie zur speichern, die in Stunden mit starker Belastung wieder freigesetzt wird, ohne daß hierbei die Arbeitsweise der Wärmequelle verändert zu werden braucht; die zum Bilden dieser Reserve benutzten Mittel bestehen darin, daß in belastungsschwachen Stunden ein Teil der erzeugten mechanischen Arbeit zum Verfestigen eines fließfähigen Mediums verwendet wird, und daß die auf diese Weise gewonnene gefrorene Substanz zum Erniedrigen der Temperatur des Antriebsfluids an der Kältequelle während der Stunden mit hoher Belastung benutzt wird.

Für ein spezielles Beispiel ließ sich errechnen, daß mit 40 kg Sis 1 kWh gespeichert werden konnte, während in hydraulischen Speichern die Speicherung von 1 kWh bedeuten würde, daß 1000 K Wasser auf eine Höhe von ungefähr 460 ra angehoben werden müßten. Das Speichern von Energie in Form einer Eisreserve gestattet es also, den Raumbedarf und die Investitions- und Betriebskosten erheblich zu senken, wobei noch eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber den bisher üblichen Energiespeicherungen resuHert.

Natürlich soll die Erfindung nicht auf die beschriebenen und gezeichneten Ausführungsformen beschränkt sein; sie erstreckt sich vielmehr auf alle Detailvariationen und sonstigen Varianten. So kann z.B. mit dem Bauelement D in der Figur eine Expansions-Hilfsturbine gemeint sein.

Gemäß einer weiteren Variante sind Kältemittel und Antriebsfluid verschiedene Medien und werden entweder getrennt oder auch in ein und demselben Verdichter komprimiert, wie es in einem weiteren älteren Vorschlag der Anmelderin in deren

Patentanmeldung vom (Aktenzeichen ♦ ·..-.

Priorität der französischen Anmeldung vom 18. Januar 1968 "Anlage mit geschlossenem Gaskreislauf und gekühltem Antriebsfluid") beschrieben ist.

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In einer abgeänderten Ausftihrungsdform wird die Leitung L durch «ine Zwischenanzapfung W am Verdichter C₂ versorgt, wodurch die dem Motorkreis und dem Kältemaschinenkreis am besten Angepaßten Drücke unabhängig voneinander gewählt
werden Können.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1. Anlage zur Energieerzeugung in einem Gaskreislauf, mit einer Umlaufleitung für Antriebsfluid, in der ein Verdichter, eine Wärmequelle und eine Turbine liegen, dadurch gekennzeichnet,daß eine Umlaufleitung für Kältemittel vorgesehen ist, in der Verdichteranlagen (Cj, C^), Kühleinrichtungen (A-, A,, B,) Drossel- und Verdampfungseinrichtungen (D) liegen, daß ferner eine Umlaufleitung für ein Zwischenmedium mit einem Behälter (G)vorgesehen ist, der das Zwischenmedium in einem Phasengleichgewicht festflüssig enthält, und daß schließlich Einrichtungen (B-; ^B2» V] vorgesehen sind, die einen Wärmeaustausch zwischen dem Zwischenmedium und einerseits dem Antriebsfluid und andererseits dem Kältemittel ermöglichen.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kältemittel und Antriebsfluid die gleichen Substanzen sind.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2„ dadurch gekennzeichnet, daß Kältemittel und Antriebsfluid über ein und denselben Verdichter in Umlauf gesetzt sind»

4. Anlage nach Anspruch i, 2 oder 3_P dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittel-Umlaufleitung Regeleinrichtungen (K, N) für die in dieser Leitung umlaufenden Mengen aufweist.

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5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß in der Kältemittelleitung ein Behälter (H) vorgesehen ist, der das Kältemittel in einem Phasengleichgewicht gasförmig-flüssig enthält.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel einer Zwischenanzapfung des Verdichters (C.) zugeführt ist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Kältemittels aus einer Zwischendruckstufe des Verdichters (C2) geliefert ist.

8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (Cj, C2) aus mehreren Teilelementen besteht, die hintereinander in der Bahn des zu verdichtenden Fluids angeordnet sind, und daß in einer Fluidzuleitung zu jedem Teilelement zwei hintereinanderliegende Kühleinrichtungen (A₁, B^; A₂, B₂) vorgesehen sind, von denen die eine Gruppe (A₁, A₂) von einem auf Umgebungstemperatur befindlichen Fluid und die andere Gruppe (B^, B₂) von dem Zwischenmedium durchflossen wird.

9. Verfahren zur Anwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß von der durch die Gasturbine erzeugten Energie ein variabler Teil abgezogen wird, um die Kältereserve des Behälters (G) zu erhöhen, und daß von dieser Kältereserve eine variable Menge entnommen wird, um das Antriebsfluid vor dem Verdichten abzukühlen.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage wechselnden Betriebsbedingungen unterworfen wird, die einer Erhöhung bzw. Erniedrigung des Behälterinhalts an gefrorenem Zwischenmedium entsprechen, und daß der Kälte· mittelumlauf dabei abwechselnd aufrechterhalten bzw. angehalten wird.

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