DE19730353A1 - Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Bekannt sind Verfahren zur Erzeugung einer Nutzarbeit, welche ein kondensierendes Arbeitsfluid verwenden, wobei der nach der Entspannung kondensierte Anteil abgeschieden wird, während der restliche Anteil zurückverdichtet wird, worauf der verdampfte Kondensatanteil dem verdichteten Restdampf zugemischt wird (DE-PS 298416, DE-PS 27 50 925 C2, DE-PS 23 29 020.2, DE-OS 23 62 556).

Die in DE-PS 298416 beschriebene Vorrichtung verwendet im Hochdruckteil Vorratsbehälter, welche schwer und teuer sind. Die beschriebene Vorgehensweise kann nur in Verdrängermaschinen mit gemeinsamen Volumina für Verdichtung und Zumischung angewendet werden, wobei die Drucksteigerung durch den zugemischten Anteil gegenüber der zusätzlich angewandten Mischungserwärmung, welche ihrerseits die Exergiebilanz ungünstig beeinflußt, keinen erheblichen Anteil besitzt.

Das in DE-PS 27 50 925 C2 beschriebene Verfahren, welches das obige Verfahren verbessert, geht von der Erhöhung der bei der Entspannungskondensation übergegangenen Wärmemenge durch eine Erhöhung der Differenz der Isentropenexponenten der beteiligten Gase aus. Jedoch ist die übergegangene Wärmemenge auch von der Menge der beteiligten Stoffe und damit deren Dichte abhängig. Eine Auswahl von Komponenten zur Erzielung einer hohen Kondensationsrate ist daher für jede Paarung gesondert zu ermitteln. Auch reine Dämpfe kondensieren bei der Entspannung unterschiedlich stark, sofern deren rechte Grenzkurve im T,s-Diagramm im betrachteten Bereich nicht überhängt. Weiterhin ist im Einsatzfall nicht die abgegebene Arbeit pro Masse des Arbeitsfluides, sondern bei gegebener Dimensionierung einer Maschine meist pro Volumen des Arbeitsfluides und damit dessen Dichte maßgeblich. Eine Exergiebetrachtung zeigt weiterhin, daß die Erwärmung des verdichteten Gases durch den zugemischten Dampfanteil thermodynamische Verluste verursacht. Weiterhin ist die konstruktive Umsetzung auch im einfachsten Fall komplex.

Das in DE-PS 23 29 020.2 beschriebene Verfahren und dessen durch DE-OS 23 62 556 beschriebene Weiterentwicklung weisen einen teilgeschlossenen Kreislauf auf. Dabei ist mit Verlusten des kondensierenden Arbeitsmediums zu rechnen, wodurch die Auswahl auf Wassers beschränkt bleibt, wobei die Korrosion zu beachten ist. Die Behebung von Temperaturproblemen durch die Erhöhung der Einspritzmenge ist konstruktiv aufwendig und belastet die Arbeitsabgabe.

Wie anhand einer Kontrollrechnung leicht nachgeprüft werden kann, liegt bei diesen Verfahren offenbar ein starker Einfluß der Wandwärmeleitung vor, wodurch die Verdichtung polytrop erfolgt. Bei einer maßstäblichen Vergrößerung des dargestellten Aggregates wird deshalb mit dem Rückgang des Einflusses der Wandwärmeleitung auch die abgeführte Verdichtungswärme abnehmen, wobei sich die ansteigende Verdichtungsarbeit nachteilig auswirkt. Die Wärmezufuhr ist bei dieser Anmeldung nicht dargestellt.

Ein dem gefundenen Lösungsansatz ähnlicher Vorschlag ist in dem Lehrbuch [1], S. 183, beschrieben, wobei das entspannte Arbeitsfluid im Zweiphasengebiet verdichtet wird, um eine Carnotisierung der Dampfvorwärmung zu erreichen. Dort wird jedoch auch die technischen Unmöglichkeit der betriebsfesten Verdichtung eines Zweiphasengemisches mit hohem Flüssigkeitsanteil erwähnt.

Keines der bekannten Verfahren führt allgemein verwendbare und fundierte Maßnahmen zur Drucksteigerung des verdichteten Anteils durch den zugemischten, verdampften Kondensatanteil durch. Derartige Bestrebungen sind beispielsweise im Bereich der Verpuffungsturbinen zum Einsatz gekommen, welche jedoch keine weite Verbreitung erlangten. In dem hier behandelten Einsatzgebiet bedeuten sie jedoch einen unschätzbaren Vorteil, da hierdurch die Verdichtungsarbeit erheblich verringert werden kann.

Der in Patentanspruch 1 dargelegten Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Betreiben der Anlage zu erzielen, welches einen sicheren und verlustarmen Betrieb unter Vermeidung von Dampfnässe in dem oder den Verdichtern ermöglicht und unter anderem durch eine geeignete Zumischung die Abgabeleistung optimiert. Dabei sollten auch Wärmequellen niedriger Temperatur verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Verwendung eines vor der Entspannung gesättigten dampfförmigen Arbeitsfluides, der isentropen Entspannung mit Kondensation eines Teils des Arbeitsfluides, der weiteren Kondensation im (Teil-)Kondensator K mit anschließender vollständiger Abscheidung des Kondensates von dem Restdampf, der Komprimierung des Kondensates durch die Speisepumpe, der polytropen Verdichtung des Restdampfes, ausgehend vom gesättigten Dampfzustand, bis zur Erreichung der Ausgangstemperatur unter vollständiger Wärmeabfuhr der Verdichtungswärme Qab,p an das dadurch vorgewärmte Kondensat, der isothermen Verdichtung des Dampfanteils mit Wärmeabgabe an das Kondensat und nach außen sowie der anschließenden isochor-isothermen Zumischung des verdampften Kondensates zu dem verdichteten Restdampf erreicht.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile bestehen in der Vereinfachung des Verfahrens gegenüber den herkömmlichen Lösungen, der sicheren und für verlustarmen Dauerbetrieb geeigneten Gestaltung, der höheren Abgabeleistung aufgrund des Vermeidens von Exergieverlusten und geeigneter Zumischung sowie in der Folge der Eignung des Verfahrens zum Betrieb auch mit Wärmequellen geringer Temperatur.

In einem geeigneten Betriebsbereich, gekennzeichnet durch eine nicht vollständige Wärmezufuhr von typischerweise 0 ≦ Qzu ≦ 40% bezogen auf die zur vollständigen Verdampfung des Arbeitsfluides im Dampferzeuger DE erforderlichen Wärmemenge, tritt keine Dampfnässe bei der Verdichtung auf, wodurch ein sicherer und verläßlicher Dauerbetrieb ermöglicht wird.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 findet eine Verdichtung nicht bis zum Ausgangsgesamtvolumen, sondern bis zum Ausgangsgesamtdruck statt. Diese Ausgestaltungsform ist vorzugsweise in Strömungsmaschinen umsetzbar, kann jedoch auch in Verdrängermaschinen durchgeführt werden. Durch die Vereinfachung des Verfahrens gegenüber Anspruch 1 kann die technische Umsetzung ebenfalls vereinfacht werden. Dabei ist ein über einen weiten Bereich der Wärmezufuhr Qzu (etwa 10% ≦ Qzu ≦ 75%) dem Carnotschen Wert nahekommender Wirkungsgrad erreichbar. Aufgrund der ab der Wärmezufuhr von etwa Qzu ≧ 35. . .40% auftretenden Dampfnässe bei der Verdichtung ist der Dauerbetrieb auf einen unter diesem Wert liegenden Betriebszuständ zu beschränken. Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht dadurch die gezielte Carnotisierung der Kondensatvorwärmung im Teillastbereich. Sinnvoll erscheint die Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 für den Teillastbereich in Verbindung mit einer herkömmlichen Anzapfvorwärmung für den Vollastbereich.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 stellt eine vor allem für Verdrängermaschinen und allen anderen Gestaltungsformen, welche die geforderte Druckerhöhung durch eine isochore Wärmezufuhr vor der Verdichtung durchzuführen vermögen, geeignete Variante dar, welche eine günstige Nutzleistung verspricht. Diese Ausgestaltungsform ist jedoch mit einer schwierigeren Wärmeleitungssituation verbunden. Aufgrund der Wärmezufuhr bei einer von der unteren bis zur oberen Prozeßtemperatur gleitenden Temperatur ist allerdings eine Anpassung an das Wärmeangebot möglich.

Bei der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4 wird das Verfahren nach den Ansprüchen 1 mit 3 um überhitzte Zustände bei der Entspannung 3 → 4, nun 3ü → 4ü, ergänzt. Dabei wird das durch die zu geführte Wärmemenge -zu bereits vollständig verdampfte Kondensat durch die Verdichtungswärme Qab,i des nun ebenfalls polytrop arbeitenden Verdichters IV überhitzt. Dadurch erhält man bei der Entspannung eine geringere Dampfnässe, wodurch ein sicherer Dauerbetrieb auch der Expansionsmaschine DT ermöglicht wird.

Für die Überhitzung kann entweder der vorverdichtete Restdampf verwendet werden, oder es wird eine Teilmenge nach der unveränderten Zumischung DZ vom gesamten umlaufenden Arbeitsfluid erneut abgetrennt. Die abgetrennte erste Teilmenge oder der vorverdichtete Restdampf führt meist zunächst eine isotherme Entspannung unter Zuführung der Wärmemenge Qzu,i von außen bei der meist unveränderten oberen Prozeßtemperatur durch.

Anschließend wird die erste Teilmenge oder der vorverdichtete Restdampf polytrop unter Abführung der Verdichtungswärme Qab,pü auf den Zustand 3ü verdichtet. Das vollständig verdampfte Kondensat oder die zweite Teilmenge wird durch die zugeführte Wärmemenge Qab,pü isobar oder bei geschlossenen Systemen auch isochor überhitzt.

Anschließend findet im Dampfzumischer DZü eine Vereinigung der beiden Teilmengen statt. Dabei ist die Temperatur T3ü konstant, wobei T3ü ≧ T3. Falls die Zustandsänderung 3 → 3ü in geschlossenen Systemen durchgeführt wird, so steigt der Druck der ersten Teilmenge oder des verdichteten Restdampfes bei der Zumischung auf den Druck des verdichteten Kondensates an, wobei bei nicht geschlossenen Systemen zur Entleerung des Dampfzumischers DZü entsprechend den Ansprüchen 1 mit 3 Arbeit zur Entleerung des Dampfzumischers DZü zugeführt werden muß.

Der Vorteil des Verfahrens nach Anspruch 4 besteht in der Vermeidung der bei den meisten Arbeitsfluiden bei der adiabatischen Entspannung aus einem gesättigten Zustand heraus auftretenden Dampfnässe, welcher die Expansionsmaschine DT zu schädigen vermag. Dieser Vorteil wird bei der Zuführung einer Wärmemenge bei einer gegenüber der Überhitzungstemperatur geringeren Temperatur T3 ≦ T3ü erzielt. Dabei erfolgt die Überhitzung mit einem dem Carnotschen Wert der Sättigungstemperaturgrenzen entsprechenden Wirkungsgrad.

Eine weiter vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 5 dargelegt. Bei dieser Variante wird eine Anpassung der Prozeßführung an die jeweiligen spezifischen Einsatzbedingungen ermöglicht.

Die Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 6 bietet konstruktive Vorteile vor allem bei der Umsetzung in Verdrängermaschinen, da die Kondensateinspritzung i.A. leichter beherrscht werden kann als eine Dampfzumischung.

Die Ausgestaltungsform nach Anspruch 7 bezeichnet einen weitere mögliche Betriebsart des Verfahrens unter der Verwendung von Wärme speichern, während Anspruch 8 die auszuwählenden Arbeitsfluide benennt sowie Möglichkeiten zum günstigen Einsatz eines Kühlmediums (2) beschreibt. Die Ausgestaltung nach Anspruch 9 bezieht sich auf die technische Gesamtlösung des Verfahrens unter Berücksichtigung bekannter Aggregate, verbunden mit für das Verfahren besonders vorteilhaften Ausgestaltungen derselben.

Die Ausgestaltungsformen der Erfindung nach Anspruch 10 weisen einige für die Durchführung des Verfahrens in Verdrängermaschinen, insbesondere Hubkolbenmaschinen vorteilhafte Aspekte auf, welche in jedem Fall die Vorteile des Verfahrens auch bei sehr stark vereinfachter Konstruktion erhalten, wogegen Anspruch 11 mögliche Umsetzungen des Verfahrens anhand der Einzelheiten der konstruktiven Lösung behandelt.

Bei der Ausgestaltungsform der Erfindung nach Anspruch 12 wird ein weiterer Weg zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgestellt, welcher durch den einfachen Aufbau überzeugt, wobei jedoch andere Leistungsgrößen zu erwarten sind, da der Reibungseinfluß hier erheblich sein könnte. Nach Anspruch 13 wird eine Möglichkeit zur Schuberzeugung vorgestellt, während Anspruch 14 die Regelung der Betriebszustände des Verfahrens durch verschiedene Maßnahmen darstellt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Abb. näher erläutert.

Abb. 1 zeigt das Wärmetechnische Schaltbild des Verfahrens nach Anspruch 1, welches als Darstellung der Zustandsänderungen gelesen werden kann, aber welches gleichzeitig eine Möglichkeit der Gestaltung des Prozesses mit Strömungs- und Verdrängermaschinen darstellt.

In Abb. 2 ist schematisch ein p,V-Diagramm des Verfahrens nach Anspruch 1 dargestellt, welches sich auf den Arbeit umsetzenden Bereich des Prozesses, Turbine und Verdichter, bezieht. Die Beschriftung der Zustände entspricht der oben beschriebenen Abb. 1.

Abb. 3 stellt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 dar. Dabei ist der Wegfall der Ventile b, c, und d sowie der Wegfall der Zuführung einer Entleerungsarbeit an den Dampfzumischer DZ zu beachten.

Abb. 4 stellt das sich auf Abb. 3 beziehende, schematische T,s-Diagramm dar, wobei zu beachten ist, daß die Teilmengen unterschiedliche Massen beinhalten, was durch unterschiedliche Strichstärken angedeutet wird. Die Darstellung bezieht sich auf einen Betrieb bei geringen, auf die vollständige Verdampfung bezogenen, prozentualen Werten der Wärmezufuhr Qzu. Die Lageänderung der Zustände bei steigender Wärmezufuhr Qzu ist angedeutet.

In Abb. 5 wird das Wärmetechnische Schaltbild des Verfahrens nach Anspruch 3, welches ebenfalls als Darstellung der Zustandsänderungen gelesen werden kann, dargestellt. Entsprechend Abb. 1 wird auch durch diese Abbildung gleichzeitig eine Möglichkeit der Umsetzung des Verfahrens mit Verdränger- und Strömungsmaschinen dargestellt.

Abb. 6 zeigt das zu Abb. 5 gehörende, schematische p,V-Diagramm. Deutlich erkennbar ist hier der linksläufige Teilprozeß, dessen Arbeitsanteil einen negativen Einfluß auf die Nutzarbeit aufweist, wobei jedoch eine Wärmezufuhr bei gleitender Temperatur erfolgt, wodurch die Eigenschaften des Verfahrens gegenüber der Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1, 2 und 4 mit 12 bezüglich des benötigten Wärmeangebotes verändert werden. Dabei muß die gesamte anschließende Verdichtung isotherm erfolgen, was insgesamt gegenüber der polytropen Verdichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 und den Abb. 1 mit 4 anstelle der Wärmezufuhr, jeweils ergänzt durch die isochore Verdichtung, Nachteile bezüglich der gesamten aufgenommenen Verdichterarbeit beinhaltet. Bei der Verwendung des beschriebenen Verfahrens zur Erzeugung überhitzter Zustände bei der Entspannung erfolgt die Verdichtung polytrop (PVü). Die Beschriftung der Zustände entspricht der Beschriftung der Zustände in Abb. 5.

Es folgen vier weitere Abbildungen, welche schematisch einige Möglichkeiten der Durchführung des Verfahrens in Verdrängermaschinen nach Anspruch 10 darstellen. Dabei ist zusätzlich neben Abb. 9 ein in den Verdichtungsraum integrierter Wärmeübertrager DE dargestellt.

Literatur

[1] Schmidt, E.; Technische Thermodynamik, 9. Aufl., Springer, Berlin, 1962

Claims (31)

1. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage, dadurch gekennzeichnet,
daß vorwiegend bei Verdrängermaschinen eine Vorwärmung des Kondensates erfolgen kann, indem das kondensierende Arbeitsfluid, ausgehend vom gesättigten Zustand, in einer Turbine DT oder einer anderen geeigneten Einrichtung entspannt wird, wobei ein Teil des Dampfes kondensiert, worauf im (Teil-)Kondensator K unter Abfuhr der veränderbaren Wärmemenge Qab ein der abgeführten Wärmemenge entsprechender Teil des Arbeitsfluides zusätzlich zu dem bei der Entspannung 3 → 4 kondensierten Anteil kondensiert wird. Der gesamte kondensierte Anteil des Arbeitsfluides wird anschließend im (Teil-)Kondensator K, welcher meist gleichzeitig einen Abscheider beinhaltet, oder einer anderen zweckdienlichen Einrichtung von dem restlichen Dampf abgeschieden (4 → 1).

Der Restdampf wird, ausgehend vom gesättigten Gasförmigen Zustand 1D'' zunächst auf das Gesamtvolumen V4 der Entspannung isotherm entspannt (1 → 11). Dabei ist v1 = v4, jedoch v11 ≦ v4. Entsprechend ist p1 = p4, hingegen p11 ≦ p4. Dabei wird die Wärmemenge Qzu,r zugeführt. Die zugeführte Wärmemenge Qzu,r verringert die gesamte bei der gleichen Temperatur T4 ab geführte Wärmemenge Qab, ges.

In einer Abwandlung des Verfahrens kann die Entspannung des Restdampfes auch adiabat erfolgen, wobei die Temperatur T11D'' unter der Temperatur T4 liegt. Durch die Zuführung der Wärmemenge Qzu,a wird der Restdampf anschließend isochor bis zum Erreichen der Entspannungsendtemperatur T11aD'' = T4 erwärmt.

Der Restdampf wird daraufhin unter Abfuhr der Wärme Qab, p polytrop verdichtet (Zustand 1aD'').

Die hierbei abgeführte Wärme Qab,p wird bei angenommenem vollständigen Wärmeausgleich von der Menge des Kondensates bestimmt, welches durch die abgeführte Wärme Qab,p, ausgehend vom Zustand 1K' im flüssigen Zustand bis zum Erreichung der Ausgangstemperatur T3 erwärmt wird (Zustand 1aK').

Die Menge des Kondensates wird durch die im (Teil-) Kondensator K abgeführte Wärmemenge Qab bestimmt. Bei steigender Wärmeabfuhr erhöht sich die Menge des Kondensates, wobei die Menge des Restdampfes in gleichem Maße zurückgeht.

Das Kondensat wird zunächst von einer Speisepumpe SP auf den Ausgangsdruck komprimiert (Zustand 1kK', p1kK' = p3) und anschließend durch die Zufuhr der Wärmemenge Qab, p auf die Ausgangstemperatur erwärmt (Zustand 1aK', T1aK' = T3).

Daraufhin wird der Restdampfanteil unter einer Wärmeabfuhr Qab, i angenähert isotherm verdichtet, bis das Ausgangsgesamtvolumen wieder erreicht ist (Zustand 2D''), wobei aufgrund der verringerten Menge des Restdampfanteils gegenüber der Ausgangsmenge ein gegenüber dem spezifischem Ausgangsvolumen v3 = v3'' geringeres spezifisches Volumen des Restdampfanteils v2D' und damit entsprechend ein etwas unter dem Ausgangsdruck p3 liegender Druck p2D'' erreicht ist. Die bei der Verdichtung abgeführte Wärme Qab,i wird dazu verwendet, den Kondensatanteil isotherm bei dem Ausgangsdruck p2K'' = p3 im Sattdampferzeuger DE zu verdampfen (Zustand p2K''). Da die Wärmemenge Qab,i zur vollständigen Verdampfung nicht ausreicht, wird zusätzlich Wärme von außen bei oder Nahe der Ausgangstemperatur T3 zugeführt.

Andernfalls kann die Wärme Qab,i auch nach außen abgeführt werden, wodurch sich die zuzuführende Wärme Qzu in gleichem Maße erhöht. In einer Abwandlung des obigen Verfahrens wird die Wärme Qab,i intern zwischengespeichert, worauf der flüssige Kondensatanteil in zeitlicher Abfolge später zugeführt und durch die zwischengespeicherte Wärme verdampft wird, wobei anschließend ebenfalls die Wärme Qzu zusätzlich von außen zugeführt werden muß.

Zuletzt wird das verdampfte Kondensat dem verdichteten Restdampf isochor-isotherm zugemischt, wobei der Druck des Restdampfes p2D'' wieder auf den Ausgangswert p3 ansteigt, welcher gleichzeitig der Sättigungsdruck des Arbeitsfluides ist (p3 = p3s). Dies kann in einer mit gesteuerten Ventilen (b, c, d) bestückten Zumischkammer DZ erfolgen. Durch das öffnen des Ventils d steht das Arbeitsfluid, welches sich nun wieder im Ausgangszustand 3 befindet, für einen erneuten Umlauf zur Verfügung.

Durch die Zuführung der Entleerungsarbeit Wdz wird der Dampfzumischer DZ entleert, wodurch der Ausgangszustand vollends erreicht ist. Die Zuführung der Entleerungsarbeit Wdz entfällt bei geschlossenen Systemen,
daß die Öffnung der Ventile günstigerweise meist in der Reihenfolge b-c-d-b. . . erfolgt. Um einen möglichst gleichmäßigen Betrieb auch bei der Verwendung von Strömungsmaschinen zu ermöglichen, ist eine ausreichend Anzahl von Zumischkammern vorzusehen, welche nacheinander betrieben werden. Dazu können axial zu den Strömungsmaschinen angeordnete Plattendrehschieberventile oder andere Pilz-, Schieber-, oder sonstige Ventile verwendet werden,
daß der erwünschte Effekt der Druckerhöhung des Restdampfanteils durch den zu gemischten verdampften Kondensatanteil auch durch eine geeignete Ausformung des Strömungskanals im Bereich der Zumischung erreicht werden kann, wodurch die Zumischkammer DZ sowie die Ventile b, c und d entfallen können, wobei die Ausgestaltung des Strömungskanals von den in diesem Bereich auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten abhängt,
daß die Zumischung des verdampften Kondensatanteils auch in der Form einer Druckwelle erfolgen kann, durch welche die für den Betrieb des Verfahrens erforderliche Drucksteigerung des verdichteten Restdampfanteils erzielt wird, wodurch ebenfalls Bauteile eingespart werden können,
daß bei der Verwendung in Strömungsmaschinen die (Teil-) Kondensation K mit Abscheidung auch erfolgen kann, indem die Strömung zunächst expandiert und dabei beschleunigt wird, worauf die Abscheidung des kondensierten Anteils z. B. durch Drall und bzw. oder durch Umlenkung durchgeführt wird, und erst anschließend die Umsetzung der Geschwindigkeit in eine Kraftwirkung, z. B. durch eine Turbine, erfolgt,
daß n vollständige Zustandsänderungen 3-4-1-2-3 bei einem Umlauf des Arbeitsfluides durchlaufen werden, deren Mittelachsen sich gleichmäßig im Winkel 360°/n schneiden beziehungsweise zueinander parallel liegen, wobei sich die anteiligen Umlenkverluste durch die Anzahl n der vollständigen Zustandsänderungen teilt und damit deren Gesamtanteil reduziert, wobei in den Umlenkungen die Abscheidung AS integriert sein kann,
daß, vor allem bei der Durchführung des Verfahrens mittels des Strömungskanals OSK nach Unteranspruch 12, die Kraftwirkung von n vollständigen Zustandsänderungen auch durch eine einzelne Turbine abgenommen werden kann,
daß bei der Durchführung des Verfahrens in Verdrängermaschinen die Verdichtung PV, IV und die Dampfzumischung DZ in einem gemeinsamen Arbeitsraum erfolgen kann, wobei das Ventil a entfällt. Erfolgt die Entspannung DT im gleichen Arbeitsraum, so kann das Ventil c ebenfalls entfallen, wogegen andere Ventile erforderlich sind, um in bekannter Weise einen Ladungswechsel nach dem Zweitakt-, Viertakt-, oder anderen Verfahren nach der Entspannung durchzuführen,
daß das verwendete Arbeitsfluid im Bereich der Betriebstemperaturen einen geeigneten Dampfdruck aufweist und dort im T,s-Diagramm eine nicht überhängende rechte Grenzkurve aufweist, d. h. bei der Entspannung kondensiert.

2. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß vorwiegend bei Strömungsmaschinen eine Vorwärmung des Kondensates erfolgen kann, indem die Entspannung des Restdampfes auf das Gesamtvolumen V4 nach der Entspannung (1 → 11) entfällt, wobei die Rückverdichtung des Restdampfes ausgehend vom gesättigten Gasförmigen Zustand 1D'' erfolgt und
daß die isotherme Rückverdichtung IV des Restdampfanteils nicht bis zum Ausgangsgesamtvolumen V2 = V3, wobei v2 ≧ v3, sondern bis zum Ausgangsgesamtdruck p2 = p3 erfolgt, wobei die Zumischung 2 → 3 nun bei konstanten Stoffwerten erfolgt und dadurch die Ausgestaltung insbesondere bei der Verwendung in Strömungsmaschinen aufgrund des Wegfalls der Ventile b, c und d der Dampfzumischkammer DZ vereinfacht wird, wobei jedoch auch die Eigenschaften des Verfahrens verändert werden.

3. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Restdampfanteil nach der Abscheidung AS des Kondensatanteils in ein durch das Ventil a abgeschlossenes Teilsystem strömt und anschließend im Dampfvorwärmer DV unter der Aufnahme der von außen zugeführten Wärme Qzu,dvg bis zum Erreichen der Ausgangstemperatur erwärmt wird, wobei der Druck aufgrund des abgeschlossenen Teilsystems auf einen etwas höheren Wert steigt, während der flüssige Kondensatanteil nach der Komprimierung durch die Speisepumpe SP ebenfalls unter Aufnahme einer von außen zugeführten Wärme Qzu, kvg bis zum Erreichen der Ausgangstemperatur erwärmt wird.

Bei der Zuführung der Wärmemengen Qzu, dvg und Qzu, kvg kann Nutzkälte gewonnen werden. Anschließend wird der Restdampfanteil im geschlossenen Teilsystem isotherm bis zum Erreichen des Gesamtausgangsvolumens V3 verdichtet, wobei der Restdampfanteil aufgrund der gegenüber der Gesamtmenge um den Kondensatanteil verringerten Menge gegenüber dem spezifischen Ausgangsvolumen v3 = v3'' ein geringeres spezifisches Volumen v2'' und damit einen gegenüber dem Ausgangsdruck p3 geringeren Druck p2'' erreicht.

Die bei der Verdichtung ab geführte Wärmemenge Qab,i ist erheblich höher als unter den Ansprüchen 1 und 2 und wird an den Sattdampferzeuger DE abgeführt, wodurch das Kondensat isotherm bei der Ausgangstemperatur T2K'' = T3 verdampft wird. Die nicht benötigte Wärme Qab,i kann nach außen abgegeben oder zur teilweisen Deckung der zuzuführen den Wärmemenge Qzu und in Ausnahmefällen auch zur teilweisen Deckung der zuzuführenden Wärmemengen Qzu, dvg und Qzu, kvg verwendet werden.

Anschließend wird der verdampfte Kondensatanteil dem verdichteten Restdampfanteil im Dampfzumischer DZ isochor­ isotherm zugemischt, wodurch der Ausgangszustand wieder erreicht wird. Entsprechend Hauptanspruch 1 muß dabei die Entleerungsarbeit Wdz zur Entleerung der Dampfzumischkammer DZ zugeführt werden. Die Zuführung der Entleerungsarbeit entfällt bei geschlossenen Systemen, wie beispielsweise bei Verdrängermaschinen mit gemeinsamen Volumina IV und DZ sowie bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dieses Anspruchs in Verbindung mit einer Durchführung nach Anspruch 2.

4. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage nach den Ansprüchen 1 mit 3, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Verdränger- und bei Strömungsmaschinen eine Überhitzung des Arbeitsfluides vor und während der Entspannung 3 → 4 erfolgen kann, indem die Verdichtung des Restdampfes 1aD'' → 2D'' nicht isotherm IV, sondern polytrop PVü erfolgt, wobei die abgeführte Wärmemenge (bisher Qab, i; jetzt Qab, pü) nicht zur Teilverdampfung des Kondensates, sondern zur Überhitzung des bereits unter Zuführung der gesamten Verdampfungswärme Qzu vollständig verdampften Kondensates im Zustand 3K'' verwendet wird (Zustand 3Kü''). Aufgrund des weiterhin angenommenen vollständigen Wärmeausgleichs wird T3Kü'' = T3Dü''.

Anschließend werden die Teilmengen im Dampfzumischer DZü zusammengeführt, wobei ein Ausgleich des Druckes nach Hauptanspruch 1 erfolgen kann, worauf die Entspannung des überhitzten Arbeitsfluides 3ü → 4ü, die Wärmeabfuhr im Kondensator K und die Zustandsänderungen nach den Ansprüchen 1 und 2 erfolgen,
daß bei Verdränger- und bei Strömungsmaschinen eine Überhitzung des Arbeitsfluides bei der Entspannung 3ü → 4ü auch erfolgen kann, indem das Arbeitsfluides im Zustand 3 bei konstanten Stoffwerten in zwei Teilmengen aufgeteilt wird, wobei anstelle der Aufteilung auch der verdichtete Restdampf im Zustand 2 bei p2 = p3 und das vollständig verdampfte Kondensat verwendet werden können, welche zunächst nicht im Dampfzumischer DZ bzw. DZü vereinigt werden.

Der Restdampfanteil oder die erste Teilmenge wird zunächst unter der Zuführung der Wärmemenge Qzu,i bei der Temperatur T3 auf den Zustand 3a isotherm entspannt. Anschließend wird der Restdampf oder der abgeteilte erste Anteil unter vollständigem Wärmeausgleich mit dem vollständig verdampften Kondensat oder der zweiten Teilmenge polytrop auf den Zustand 3üD'' verdichtet PVü, wobei die Wärmemenge Qab,pü an das vollständig verdampfte Kondensat oder die zweite, nicht abgeteilte Teilmenge abgegeben wird, welcher dadurch isobar oder bei geschlossenen Systemen auch isochor erwärmt wird. Dabei wird von beiden Teilmengen die Temperatur T3üD'' = T3üK'' = T3ü erreicht.

Anschließend werden die Teilmengen im Dampfzumischer DZü bei konstanter Temperatur vereinigt. Bei geeigneten Mengenanteilen wird darüber hinaus von beiden Teilmengen der gleiche Druck p3üD'' = p3üK'' (= p3) erreicht, wodurch die Dampfzumischung DZü bei konstanten Stoffwerten erfolgt. Bei anderen Mengenanteilen oder bei der Durchführung der Zustandsänderung 3 → 3ü in geschlossenen Systemen erfolgt im Dampfzumischer DZü eine isochore Zumischung nach Anspruch 1 mit nicht konstanten Stoffwerten, wobei zur Entleerung des Dampfzumischers DZü die Entleerungsarbeit Wdzü zugeführt werden muß. Die Zuführung der Entieerungsarbeit entfällt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in geschlossenen Systemen.

Das gesamte Arbeitsfluid verläßt anschließend den Dampfzumischer DZü im überhitzten Zustand 3ü. Anschließend erfolgt eine Entspannung auf den Entspannungsendzustand 4ü, welcher im T,s-Diagramm auf gleicher Höhe (Temperatur) rechts neben dem Zustand 4 nach den Ansprüchen 1 mit 3 liegt, womit eine gegenüber diesen Ansprüchen geringere Dampfnässe nach der Entspannung verbunden ist. Anschließend wird entsprechend obigen Ansprüchen 1 mit 3 die Wärmemenge Qab abgeführt, worauf die weiteren Zustandsänderungen entsprechend dieser Ansprüche durchgeführt werden,
daß die isotherme Entspannung einer Teilmenge, deren polytrope Rückverdichtung unter vollständigem Wärmeausgleich mit der zweiten Teilmenge innerhalb eines Umlaufes des Arbeitsfluides auch n-mals erfolgen kann, wodurch eine Dampfüberhitzung sowie n-1 Zwischenüberhitzungen erzielt werden, wobei die gesamte zuzuführende Wärmemenge Qzu, ges = Qzu + Qzu,i bei der Temperatur T3 ≦ T3ü zugeführt wird,
daß die Überhitzung in beschriebener Weise durch eine polytrope Verdichtung PVü, und die Kondensatvorwärmung durch eine herkömmliche Anzapfvorwärmung erfolgen kann, sowie
daß eine Überhitzung auch in herkömmlicher Weise durch mindestens eine Wärmezufuhr Qzu,ü von außen erfolgen kann, daß die Kondensatvorwärmung durch eine herkömmliche Anzapfvorwärmung oder durch die Verdichtungswärme Qab,pv nach den Ansprüchen 1 mit 3 erfolgen kann, und
daß die erwähnten herkömmlichen Verfahren und die Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 mit 14 in verschiedenen Kombinationen durchgeführt werden können.

5. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage nach den Ansprüchen 1 mit 4, dadurch gekennzeichnet,
daß durch eine Verringerung der abgeführten Verdichtungswärmemenge Qab,i eine Erhöhung der Verdichtungsendtemperatur T2 erreicht wird. Bei der anschließenden Rückkühlung des Restdampfanteils auf die Ausgangstemperatur T3 kann Nutzwärme gewonnen werden, worauf die Zumischung des verdampften Kondensatanteils erfolgt oder
daß die erhöhte Verdichtungsendtemperatur T2 nach der Zumischung des Kondensatanteils eine erhöhte Ausgangstemperatur T3 bewirkt,
daß die erhöhte Verdichtungsendtemperatur T2 eine Erhöhung der Temperatur im Dampferzeuger DE über die Sattdampftemperatur hinaus bewirkt, wodurch überhitzter Dampf erzeugt wird,
daß der Wärmehaushalt durch eine Verringerung der zu geführten Wärmemenge Qzu ausgeglichen wird, wodurch die Abfuhr der nicht für die Verdampfung des Kondensatanteils benötigten Wärmemenge Qab nach außen entfällt. In jedem Fall geht dabei die ab gegebene Nutzarbeit zurück.

6. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage nach den Ansprüchen 1 mit 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verdichtungswärme nicht an das Kondensat oder nach außen abgegeben wird, sondern durch eine geeignete Vorrichtung, zum Beispiel einem Regenerator R oder einem anderen Bauteil zeitweilig aufgenommen wird. Diese Wärme wird anschließend an das flüssige Kondensat abgeführt, indem dieses auf oder in die betreffende Einrichtung R eingespritzt wird (KE), wobei das Kondensat verdampft, oder
daß die gesamte Verdichtungswärme Qab,i nach außen abgegeben wird, und das Kondensat durch eine erneute Wärmezufuhr Qzu,ik von außen verdampft wird.

7. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage nach den Ansprüchen 1 mit 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die zugeführte Wärme Qzu der Umgebung anhand eines geeignet betriebenen Wärmespeichers zum Ausgleich eventueller zeitlicher Verschiebungen und bzw. oder eines Solarkollektors entnommen werden kann, und
daß die abgeführte Wärme Qab direkt oder zum Ausgleich eventueller zeitlicher Versetzungen mittels eines geeignet betriebenen Wärmespeichers an Umgebungen mit geeigneter Temperatur abgegeben werden kann.

8. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage nach den Ansprüchen 1 mit 7, dadurch gekennzeichnet,
daß gemeinsam mit dem Arbeitsfluid (Dampf) ein zusätzliches, nicht kondensierendes Arbeitsfluid (Gas) eingesetzt wird, wobei das Gas-Dampfgemisch in der Gesamtheit die unter Anspruch 1 genannten Eigenschaften aufweisen sollte. Bei der Bestimmung geeigneter Stoffe vermag der Wert der Isentropenexpoenten alleine keine gültige Aussage über die Tauglichkeit zu geben, vielmehr sind Dichte und Druck ebenfalls zu berücksichtigen, wobei durch eine geeignete Auswahl der Gesamtdruck und die Kondensationsrate und damit die erzielbare Arbeit optimiert werden können, oder
daß gemeinsam mit dem Arbeitsfluid (Dampf) ein zusätzliches, ebenfalls kondensierendes Arbeitsfluid (Dampf 2) mit einem geringeren Dampfdruck eingesetzt wird, welches gemeinsam mit dem Kondensatanteil abgeschieden, jedoch von diesem anschließend abgetrennt wird und vor der Verdichtung wieder dem Restdampfanteil zugegeben wird, wonach es die Verdichtungswärme unter Verdampfen aufnimmt, und anschließend an das eingespritzte, flüssige Kondensat KE ab gibt, welches dabei verdampft wird, während das zusätzliche Arbeitsfluid kondensiert, oder
daß das zusätzliche Arbeitsfluid 2 nach dessen Kondensation, aber vor der Entspannung DT abgeschieden und nach einer Wärmeabfuhr Qzu an das entspannte Arbeitsfluid 1 oder dem Restdampf- und Kondensatanteil des Arbeitsfluides 1 dem Restdampfanteil vor der Verdichtung IV zugemischt wird, wo es ebenfalls die Verdichtungswärme Qab,i unter Verdampfen aufnimmt und bei der Einspritzung des flüssigen Kondensates 1, KE, nach der Verdichtung IV wieder kondensiert oder
daß das zusätzliche Arbeitsfluid 2 bei einer Drallabscheidung, welche in den Entspannungsraum und bzw. oder in den Verdichtungsraum integriert sein kann, so ausgewählt wird, daß die Abscheidung überwiegend für das Arbeitsfluid 1 wirksam ist. Dabei sind Tropfengröße, Oberflächenspannung und Dichte der beteiligten Kondensate bei gegebener Verweilzeit und Zentripetalkraft maßgeblich. Die weitere Prozeßführung entspricht der Gestaltung nach Anspruch 6 unter Wegfall des Regenerators R oder der vergleichbaren Einrichtung.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 mit 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Entspannung in einer oder mehreren Turbinen DT erfolgt, wobei die Turbine(n) mit mechanischen Entwässerungen versehen sein kann, oder auch bei der Verwendung mehrerer hintereinander geschalteter Turbinen zwischen diesen Zwischenabscheider angeordnet sein können, oder daß die Abscheidung in das Turbinengehäuse integriert ist,
daß beliebige Bauformen von Turbinen verwendet werden können,
daß die Verdichtung durch einen oder mehrere ein- oder mehrstufige Radial- , Axial- oder sonstige Verdichter erfolgen kann, wobei die Wärmeübertragung Qab,i bei einer mehrstufigen Verdichtung zwischen die Verdichter in Form einer Zwischenkühlung angeordnet sein kann, oder daß die Wärmeübertrager in den oder die Verdichter integriert sein können und
daß Turbine DT, Verdichter IV und Speisepumpe SP miteinander gekoppelt sind, wobei die Verbindung durch mechanische, elektrische oder andere Einrichtungen vorgenommen werden kann.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 mit 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Entspannung DT und die Verdichtung IV durch Verdrängermaschinen beliebiger Bauart erfolgen kann, wobei analog zu Anspruch 9 ein oder mehrere Expander und Verdichter verwendet werden können,
daß bei der Verwendung von Hubkolbenmaschinen die Entspannung DT und die Verdichtung IV durch einen oder mehrere gemeinsame Kolben K erfolgen können, wobei die Dampfzumischung durch das zur Dampferzeugerseite DE hin öffnende Ventil c, welches als Pilz- oder anderes Ventil oder als Dreh- oder sonstigen Schieber ausgestaltet sein kann, welches nahe dem oberen Umkehrpunkt des Kolbens öffnet und
daß ein Ladungswechsel nach der Entspannung erfolgt, welcher entsprechend einem Zweitakt- oder Viertaktverfahren ausgestaltet ist und durch ein Gebläse, z. B. eine Kurbelkastenspülung, ergänzt werden kann,
daß die Kondensatabscheidung auch in den Verdichtungsraum integriert sein kann, indem dort ein Drall erzeugt wird, wodurch das Kondensat an die Zylinderwandung gedrängt und von einem am Kolben K angebrachten Kondensatabstreifring zum oberen Umkehrpunkt des Kolbens befördert wird, wo das Kondensat durch eine poröse Oberfläche der Zylinderwandung hindurch abgesaugt wird, wodurch der Ladungswechsel entfallen kann,
daß der Drall entweder durch eine außermittig angebrachte, gegenüber der Zylinderlängsachse geneigte Dampfzumischung DZ durch das Ventil c, eine entsprechend plazierte Kondensateinspritzung KE oder durch eine Rotation der gesamten Zylinderwandung erzeugt wird,
daß auch bei Drehkolbenmaschinen die Verdichtung IV und die Entspannung DT durch einen gemeinsamen Kolben in bekannter Weise durchgeführt werden kann, wobei ebenfalls eine Dampfzumischung DZ nahe dem kleinsten Volumen des Verdichtungsraumes durch das Ventil c erfolgt, welches als Ventil oder Schieber beliebiger Bauform ausgestaltet sein kann,
daß die Abfuhr der Verdichtungswärme Qab,i durch einen entsprechend gestalteten Verdichtungsraum ermöglicht wird, welcher eine vergrößerte innere Oberfläche, z. B. einen Regenerator R, eine Nebenkammer oder eine zerklüftete, aber dennoch strömungsgünstige Oberfläche aufweist,
daß die Verdichtungswärme Qab,i durch einen in den Verdichtungsraum integrierten Wärmeübertrager an das Kondensat oder an eine zusätzliche Kühlflüssigkeit übertragen wird,
daß eine Verdrängungseinrichtung, welche bewegt sein kann, in Verbindung mit Bereichen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit des Verdichtungsraumes verwendet werden, wobei (Teil-)Kondensftion K mit Abscheidung durch ein an der Verdrängereinrichtung befestigtes, geeignetes halbdurchlässiges Gitter erfolgen und das Kondensat abgesaugt werden kann, sowie
daß eine Kondensateinspritzung KE nach den Ansprüchen 6 mit 8 in herkömmlicher Weise durch eine gesteuerte Einspritzpumpe oder einer Speisepumpe, einem Common Rail und einem Einspritzventil erfolgt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 mit 10, dadurch gekennzeichnet,
daß anstelle eines Hubkolbens K unter anderem auch Frei-, doppelt wirkende, Schwenk- und Rotationskolben sowie zur Steuerung des Ladungswechsels und der Dampfzumischung DZ durch das Ventil c Pilz- und andere Ventile, Schieber, Dreh- und Walzenschieber, Schlitze und sonstige Steuerorgane verwendet werden können, wobei die Steuerung der Pilzventile durch gemeinsame oder getrennte, oben- oder untenliegende Nockenwellen, Tassenstößel, Gabel- und Kipphebel erfolgen kann,
daß das Dampfzumischventil c durch einen gegabelten Kipphebel und die je nach Art des Ladungswechsels vorhandenen zusätzlichen Ventile über Tassenstößel direkt oder ebenfalls über Kipphebel betätigt werden,
daß bei Verwendung eines Ladungswechsels nach dem Zweitaktverfahren dieser als Gleichstrom-, Quer-, Umkehr- oder sonstige Spülung ausgebildet sein kann.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 mit 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dampfkraftmaschinenanlage unter dem Wegfall mechanischer Verdichter und Expansionsmaschinen in einem geschlossenen, ortsfesten Strömungskanal OSK betrieben wird, wobei durch unterschiedliche Kanalquerschnitte aufgrund einer Strömungswirkung die Verdichtung IV und die Entspannung DT des umlaufenden Arbeitsfluides bewirkt wird, daß die Dampfzumischung durch einen Dampfzumischer DZ erfolgt,
daß die Nutzleistung durch mindestens eine im Strömungskanal angeordnete Turbine T entnommen wird oder
daß durch die Zugabe geeigneter Substanzen eine Ionisierung des Arbeitsfluides erfolgt und die Nutzleistung durch induktive Wirkung in Form von Elektrizität gewonnen wird.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 mit 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswelle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Gebläse verbunden wird, wodurch eine Arbeitsmaschine entsteht, welche für die Schuberzeugung in Luftfahrzeugen geeignet ist, wobei das Gebläse in einem strömungsgünstigen Mantel angeordnet werden kann.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 mit 13, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Veränderung der abgegebenen Nutzleistung durch eine Teilkondensation im Kondensator K durch eine teilweise Wärmeabfuhr Qab und der resultierenden Veränderung der Wärmezufuhr Qzu, durch Drehzahländerung, durch unvollständige Abscheidung im (Teil-)Kondensator K, durch eine Änderung der zu gemischten verdampften Kondensatmenge DZ mittels Drosselklappen, gesteuerten Ventilen oder steuerbarer Speisepumpe, im Falle der Kondensateinspritzung KE durch einer bezüglich der Einspritzmenge oder dem Einspritzzeitpunkt steuerbaren Kondensateinspritzpumpe sowie durch eine Steuerung der zugeführten Wärmemenge Qzu erfolgen kann, ferner
daß bei der Verwendung von Hubkolbenmaschinen eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses und damit der Nutzleistung z. B. durch bewegliche Gegenkolben oder zuschaltbare Verdichtungsräume erreicht wird,
daß bei der Verwendung von Strömungsmaschinen eine Veränderung der Nutzleistung durch verstellbare Leitschaufeln erreicht werden kann,
daß die Speisepumpe SP durch Bypassventile, Drehzahländerung oder andere Maßnahmen so geregelt wird, daß der Dampf vor der Entspannung DT immer im gesättigten Zustand bzw. immer im für die Abgabe der Nutzleistung (bzw. Nutzwärme) günstigsten Zustand ist, sowie
daß der Gesamtdruck des Verfahrens durch verschiedene Arbeitsfluide und eine Veränderung deren Mengenanteile oder durch andere Maßnahmen nachgeregelt und verändert werden kann.