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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompression von Gasen mit Hilfe
von Kolbenkraftmaschinen bekannter Bauart.
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Die
Erfindung kann angewendet werden zur Erhöhung des Druckniveaus von Gasen,
insbesondere von Erd-, Brenn- und Synthesegasen, Gicht- und Konvertergasen,
Sauerstoff, sauerstoffhaltigen Gasgemischen wie Luft und Dämpfen aller
Art in allen Bereichen der Volkswirtschaft, in denen solche Aufgaben
zu erfüllen
sind.
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Der
Stand der Technik auf dem Gebiet der Kompression von Gasen ist gekennzeichnet
und wird bestimmt durch die Verwendung von Kolben- und Turbokompressoren.
Eine Aufstellung der Bauarten ist gegeben in "Das Fachwissen des Ingenieurs", Band I, Teil 2,
VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1965, Seite 876. Ebenda, Seite 898 bis
943, werden Wirkungsweise und Aufbau dieser Maschinen beschrieben,
während
auf Seite 850 eine besondere Art von Kompressionsmaschine, der Freikolbengaserzeuger,
beschrieben ist. Kennzeichnend für
diesen Freikolbengaserzeuger ist, daß der Hubkolben einer Dieselmaschine
direkt mit einem Hubkolben eines Kompressors gekoppelt ist, der
die Dieselmaschine mit Verbrennungsluft versorgt. Für alle Kompressionsmaschinen
des Standes der Technik ist kennzeichnend, daß ihnen technische Arbeit von
außen,
die von Motoren oder Turbinen bereitgestellt wird, zugeführt werden
muß. Diese
technische Arbeit wird meist durch Umwandlung von thermischer Energie,
die dabei nur zu 20 bis 60 % ausgenutzt wird oder Elektroenergie erzeugt,
was zu einem hohen spezifischen Energieverbrauch der Kompressoren
führt.
Somit ist für
den Stand Technik bei der Kompression kennzeichnend, daß thermische
Energie in mechanische und diese wieder in thermische umgewandelt
wird, d.h., eine Gasturbine bekommt beim Stand der Technik mit der
komprimierten Luft nur einen Bruchteil der thermischen Energie zurück, den
sie für
die Bereitstellung der anteiligen Kompressionsarbeit verbraucht
hat.
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Die
Kompression der Verbrennungsluft und die Expansion des durch Verbrennung
erzeugten Arbeitsmittels sind bei Verbrennungsmotoren immer, und
bei Gasturbinen üblicherweise,
zwangsgekoppelt.
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Dadurch
erfolgt bei Verbrennungsmotoren die Kompression der Verbrennungsluft
und die Expansion des Arbeitsmittels bei gleichem Volumenverhältnis, das
z.B. durch den Hub des Kolbens und vom Totraum im Zylinder bestimmt
wird. Wegen des höheren
mittleren Temperaturniveaus der Expansion gegenüber dem der Kompression, als
entscheidende Voraussetzung für
die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie, leistet die
Verbrennung in der Kraftmaschine thermische Kompressionsarbeit.
Infolgedessen kann das Arbeitsmittel nicht auf den Anfangsdruck
des Kreisprozesses, meist Umgebungsdruck, expandieren, wodurch das
Arbeitsvermögen
des Arbeitsmittels im Motor ungenügend genutzt wird. Durch Kopplung
von Verbrennungsmotoren mit Turboladern, die einen Teil des Arbeitsvermögens der
Motorabgase für
die Vorverdichtung der vom Motor benötigten Verbrennungsluft nutzen,
wird beim Stand der Technik dieser Nachteil annähernd ausgeglichen. Beim Stand
der Technik der Verbrennungsmotoren wird somit unnötigerweise
zuviel Expansionsarbeit für
die interne Kompression der Verbrennungsluft und ggf. des Brennstoffes
eingesetzt.
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Strömungsmaschinen,
wie Gasturbinen, sind in der Lage, das Arbeitsmittel auf den Anfangsdruck
des Kreisprozesses zu entspannen. Diese Kraftmaschinen haben aber
den Nachteil, daß der
Verbrennungsprozeß nicht
isochor abläuft
und deshalb keinen Beitrag zum Druckaufbau in der Kraftmaschine
leisten kann. Was zur Folge hat, daß die Kompression der Verbrennungsluft
und ggf. der Brennstoffe vollständig
durch technische Arbeit geleistet werden muß, wofür meist mehr als die Hälfte der
durch Expansion erreichbaren mechanischen Energie in der Kraftmaschine
selbst verbraucht wird.
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Als
weiterer Stand der Technik sei die
DE
117106 genannt, wo mittels eines Überdruckventils die von einem
Kolben komprimierte Luft einem Zylinder zum Teil entnommen und in
einem Gasbehälter
gespeichert wird. Diese Druckluft wird zum Anfahren oder Abbremsen
des Motors verwendet.
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Die
Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren vorzuschlagen, das den Aufwand
an technischer Arbeit bei der Kompression von Gasen und Dämpfen aller
Art, insbesondere bei der kreisprozeßinternen Kompression von Verbrennungsluft
und Brennstoffen der Kraftprozesse in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen,
senkt und damit den Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer
in mechanische Energie erhöht
sowie das Masse/Leistungs-Verhältnis
der Kraftmaschinen verbessert oder den technischen Aufwand reduziert.
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Die
technische Aufgabe, die die Erfindung zu lösen hat, besteht somit darin,
die thermodynamische Zustandsänderung
der Kompression so zu gestalten, daß der Kompressionsvorgang die
thermodynamische Gleichung p·V:T = konstant(p = Druck
in MPa, V = Volumen in m3 i. N., T = absolute
Temperatur in °K),
aus der sich bei konstantem Volumen ableitet, daß sich das Druckverhältnis proportional
zum Verhältnis
der absoluten Temperatur verhält,
also die Möglichkeiten
der isochoren thermodynamischen Zustandsänderung bei der Verbrennung,
unter Beachtung gegebener konstruktiver Möglichkeiten und verfügbarer Werkstoffe,
verfahrenstechnisch optimal nutzt.
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Bei
den gegebenen technischen Möglichkeiten
zur Veränderung
der Öffnungs- und Schließzeiten
der Vorrichtungen für
die Gaszu- und -abführung
bei Kolbenkraftmaschinen und zur Beeinflussung der Volumenverhältnisse
im Zylinder durch Veränderung
der Kolben wird die technische Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem
- – bei
thermischen Kreisprozessen die mit Kolbenkraftmaschinen realisierbar
sind, der Gaseinlaß der
Kolbenmaschine nur zeitweise geöffnet
und im 1. Takt nur so viel Gas, z.B. Luft, und explosibles Gasgemisch in
den Zylinder gesaugt und dem Zyklus zugeführt wird, daß am Ende
der isentropen Expansion beim Zweitaktzyklus am Ende des 1. Taktes
und beim Viertaktzyklus am Ende des 3. Taktes unter Nutzung der
prozeßbedingten
isochoren Druckerhöhung,
bei ungekoppelter Erzeugung von technischer Arbeit, der Druck im
Zylinder annähernd
dem Umgebungsdruck und bei gekoppelter Erzeugung von technischer
Arbeit und Druckgas dem gewünschtem
Druck des Gases entspricht.
- – der
Zylinder vollständig
gefüllt,
die isentrope Kompression jedoch unterbrochen oder abgebrochen und dem
Zylinder so viel Gas bei einem für
die Weiterverwendung des Gases geeigneten Druck isobar entnommen
wird, daß die
isentrope Expansion in der Verbrennungskraftmaschine annähernd bei
Umgebungsdruck endet und ein Teil des Abgases mit diesem Druck einer
thermischen Nutzung oder an die Umgebung abgegeben wird, wobei nach
Abschluß der
Gasentnahme die isentrope Kompression des im Zylinder verbleibenden
anderen Teil des Gases bis auf die für den optimale Prozeßführung erforderliche
Temperatur fortgesetzt werden kann.
- – der
Zylinder beim Zweitaktzyklus vollständig gefüllt, mit soviel explosiblem
Gas-Brennstoffgemisch beladen und der Einlaß zu einer Zeit vor Ende des
1. Taktes geschlossen wird, daß,
nachdem das explosible Gemisch mit bekann ten Methoden gezündet und
verbrannt wurde, im Zylinder eine Gastemperatur mindestens in Höhe der Zündtemperatur
der explosiblen Gasmischung entsteht, und das Gas mindestens soviel technische
Arbeit an den Kolben abgibt, daß dieser
das heiße
Gas mit einem Druck, der gegenüber
dem Druck des angesaugten Gases annähernd um den Faktor absolute
Temperatur des Ausgangsgases zu absoluter Temperatur des Eingangsgases
in °K höher ist,
vollständig über den
geöffneten
Auslaß in
ein Druckgassystem drücken
kann,
- – der
Zylinder, der mit einem zusätzlichen
Auslaß ausgerüstet wurde,
beim Viertaktzyklus vollständig
gefüllt, das
Gas auf einen vorgegebenen Druck isentrop komprimiert, danach unter
diesem Druck über
den zusätzlichen
Auslaß annähernd vollständig durch
den Kolben in ein Drucksystem gefördert wird, aus dem es über den
gleichen Auslaß mit
annähernd
gleichem Druck und gleicher Temperatur durch den Kolben zu Beginn des
3. Taktes unter Zugabe von soviel explosiblen Brennstoff-Gasgemisch
in den Zylinder zurückgesaugt wird,
daß nach
Zündung
und Verbrennung des explosiblen Gemisches die Gastemperatur im Zylinder
mindestens die Zündtemperatur
des explosiblen Gasgemisches erreicht, und das Gas die für die isentrope Kompression,
den Gasausstoß und
die Überwindung
der Reibungsverluste im Gesamtzyklus erforderliche technische Arbeit
an den Kolben abgeben kann, bevor das Gas im 4. Takt mit einem Druck,
der gegenüber dem
Druck des Eintrittsgases annähernd
um den Faktor absolute Temperatur des Ausgangsgases zu absoluter
Temperatur des Eingangsgases in °K
höher ist,
vollständig über den
geöffneten
Auslaß in
ein Druckgassystem drücken
kann.
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Erfindungsgemäß kann,
bei Anwendung des Viertaktzyklusses auch nur ein Teil des im 1.
Takt angesaugten und im 2. Takt komprimierten Gases im 3. Takt in
den Zylinder zurückgeführt und
dort zur Herstellung von gasförmigem
Arbeitsmittel durch isochore Verbrennung verwendet werden, das sein
technisches Arbeits vermögen
im Zyklus selbst und/oder in angekoppelten externen Prozessen, wie
Entspannungsturbinen, Abhitzeverwertungsanlagen, und andere, also
auch nach außen
abgeben kann, während
der nicht zurückgeführte Teil
als Druckgas einer anderen Verwendung zugeführt wird.
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Die
erforderlichen explosiblen Gemische werden erfindungsgemäß bei der
Kompression von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, wie Luft,
durch zeitweise Zumischung von Brennstoffen, beim Zweitaktzyklus
im 1. Takt und beim Viertaktzyklus mit Gasentnahme während des
2. Taktes sowie bei Gasrückführung zu Beginn
des 2.Taktes im 3. Takt und bei Kompression von brennbaren Gasen
oder Dämpfen
durch zeitweises Zumischen von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen
Gasen, z.B. Luft, anstelle von Brennstoffen hergestellt. Werden
inerte Gase oder Dämpfe
erfindungsgemäß komprimiert,
werden den Gasen entsprechend in sich selbst explosible Gemische
zugegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch mit mehreren Vorrichtungen, die untereinander gekoppelt
sind, realisiert werden, z.B., indem einem erfindungsgemäß im Zweitaktzyklus
arbeitendem Kraftprozeß komprimiertes
Gas zugefahren wird, für
dessen Erzeugung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens thermische oder
mechanische Energie bereitgestellt wurde. Typische technische Lösungen dafür sind die
Kopplung einer konventionellen isentropen Kompression mit einem
Kraftprozeß,
bei dem die isochore Druckerhöhung
erfindungsgemäß primär für die Erfüllung der
Aufgaben Erzeugung von technischer Arbeit und Druckgaserzeugung
genutzt wird. Bezogen auf den erfindungsgemäßen Viertaktzyklus heißt das,
daß die
Aufgaben des 1. und 2. Taktes mit Vorrichtungen des Standes der
Technik der Gaskompression, während
die Aufgaben des 3. und 4. Taktes erfindungsgemäß erfüllt werden.
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Es
ist auch erfindungsgemäß, wenn
zum Zwecke der thermischen Entlastung der Vorrichtung zwei Leertakte
beim Viertaktzyklus zwischen dem 2. und 3. Takt und beim Zweitaktzyklus
vor dem 1. Takt in den Prozeß eingeordnet
werden, und zwar so, daß im
1. Leertakt das erfindungsgemäß zu komprimierende
Gas isentrop entspannt und im 2. Leertakt wieder auf den Druck des
zugeführten
Gases isentrop komprimiert wird, bevor es der isochore Kompression
zugeführt
wird.
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Der
praktische Nutzen bei der Anwendung der Erfindung besteht darin,
daß bei
der Kompression von Gasen der Aufwand an technischer Arbeit, deren
Herstellung mit hohen Energieverlusten verbunden ist, deutlich gesenkt
werden kann, so daß z.B.
Kreisprozesse, die Kompression und Expansion kombinieren, wie Gasturbinenanlagen,
eine um 30 bis 40 % bessere Energieausnutzung und eine Leistungssteigerung
bei thermischen Kraftmaschinen, z.B. Gasturbinen, erreicht wird,
die gegenüber
dem Stand der Technik zwei- bis dreimal so hoch ist, was die Brennstoff-
und Investitionskosten und damit die Betriebskosten, z.B. bei der
Erzeugung von Elektroenergie, drastisch senkt.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung soll für
6 Anwendungsfälle
beschrieben werden.
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1. Anwendungsfall
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird eingesetzt für
die Herstellung von Druckgas, das verwendet wird als Oxidationsmittel
(Verbrennungsluft) in Druckfeuerungen oder Gasturbinen, oder als
Vergasungsmittel bei der Druckvergasung von fossilen oder nachwachsenden
Brennstoffen zu Brenngas. Die nachfolgenden Parameter und Kennziffern
kennzeichnen einen annähernd
idealen Prozeßablauf.
Die Auswirkungen der technischen Verluste werden beim Vergleich
des Brennstoffwärmeverbrauches
durch Zuschläge
berücksichtigt.
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Als
Verbrennungskraftmaschine wird ein modifizierter Gasmotor eingesetzt,
dessen Nockenwelle und Kolben eine Steuerung der Ein- und Auslaßventile
zur Realisierung des erfindungsgemäßen Viertaktzyklusses und einen
annähernd
vollständigen
Gasausschub im 2. und 4. Takt zulassen. Die Schwungmasse der Kurbelwelle
ist ausreichend zur Speicherung von so viel technischer Arbeit aus
der Gasexpansion im 3. Takt, wie für die Kompression im 2. Takt
und zur Überwindung
der Reibungsverluste erforderlich. Die Gastemperatur soll am Ende
des 3. Taktes 900 °C
betragen, und mit dieser Temperatur und einem Druck von 1,0 MPa
soll das Gas mit dem 4. Takt der weiteren Verwendung zugeführt werden.
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Mit
diesem Ziel wird bei geschlossenem Auslaßventil Luft mit einer angenommenen
Umgebungstemperatur von 15 °C
im 1. Takt in den Zylinder des Motors gesaugt. Das Einlaßventil
schließt,
wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat. Der Kolben komprimiert
im 2. Takt die Luft isentrop auf 0,55 MPa. Bei diesem Druck öffnet das
1. Auslaßventil,
und der Kolben drückt
die Luft annähernd
vollständig
in einen Druckluftspeicher mit einer Temperatur von ca. 190 °C.
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Mit
annähernd
gleichem Druck und gleicher Temperatur wird die Luft mit Beginn
des 3. Taktes isobar wieder dem Zylinder zugeführt, so daß das 1. Auslaßventil über den
oberen Totpunkt geöffnet
bleiben kann. Bevor das 1. Auslaßventil schließt, wird
der Luft Kraftstoff, in diesem Beispiel Methan, zugemischt. Erforderlich für den thermodynamischen
Zyklus wäre
die Zuspeisung von 0,02068 kg Methan/kg Luft. Unter Berücksichtigung
der Motorkühlung
werden jedoch 0,02275 kg/kg zugeführt. Das 1. Auslassventil schließt im 2.Takt,
wenn die im 2. Takt komprimierte Luft wieder annähernd vollständig im
Zylinder ist.
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Bei
isochorer Verbrennung des Methans im 3. Takt wird eine Gastemperatur
von 1.036 °C
und ein Druck von 1,61 MPa erreicht. Der 3. Takt wird beendet mit
der isentropen Expansion des Gases von 1,61 MPa auf 1,0 MPa. Dabei
gibt das Gas die für
die Kompression im 2. Takt und die Überwindung der Reibungsverluste erforderliche
technische Arbeit an den Zylinder ab und erreicht eine Temperatur
von 900 °C.
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Annähernd 90
% der für
die Kompression aufgewendeten Brennstoffwärme können dem nachfolgendem Prozeß zugeführt werden.
10 % gehen mit der Motorkühlung
verloren, bzw. stehen für
Niedertemperaturprozesse zur Verfügung.
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Somit
beträgt
der Energieaufwand für
die Luftkompression ca. 100 kJ/kg Luft gegenüber 710 kJ/kg Luft, also 14
%, beim Stand der Technik der Luftkompression mit Elektro-, Motor-
oder Turbinenantrieben, bei einem Wirkungsgrad der Elektroenergiebereitstellung
vom Kraftwerk bis zum Abnehmer von 30 %.
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Wird
das erfindungsgemäß komprimierte
Gas als Arbeitsmittel einer Expansionsturbine zugeführt und dort
auf eine Gastemperatur von 1.132 °C
durch Zufeuerung nachgeheizt, dann sind für die Zufeuerung in der Gasturbine
0,0067 kg Methan/kg Luft erforderlich. Der Gesamtwärmeverbrauch
je kg Gasturbinenarbeitsmittel beträgt dann 1.430 kJ/kg. Eine Gasturbine
des Standes der Technik kann so, bei einem Massedurchsatz von 7,4
kg/s und einer Expansion des Gases auf eine Temperatur von 600 °C und Umgebungsdruck,
4,5 MW Elektroenergie mit einem Wirkungsgrad von 42,5 % erzeugen,
was einem Brennstoffwärmeverbrauch
von 8.471 kJ/kWh Elektroenergie entspricht. Bei sonst gleichen Bedingungen
erreicht die gleiche Gasturbine des Standes der Technik eine elektrische
Leistung von 1,6 MW bei einem Wirkungsgrad von 25,8% und einem Brennstoffwärmeverbrauch
von 13.970 kJ/kWh Elektroenergie, d.h., die Erfindung ermöglicht bei
kleinen Gasturbinen eine Absenkung des Brennstoffwärmeverbrauches
um 40 % bei einer gleichzeitigen Erhöhung der elektrischen Leistung
um das 2.8fache. Damit können
kleine Gasturbinen bei deutlich sinkenden spezifischen Investitionskosten
im Bereich der dezentralen Energieversorgung bessere Wirkungsgrade
erzielen als die besten Gasturbinen des Standes der Technik mit
großer
Leistung im Rahmen der überregionalen
Energieversorgung.
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Die
Möglichkeiten
einer Einordnung der erfindungsgemäß arbeitenden Gasturbine in
eine GuD-Anlage bleiben erhalteten, so daß auch kleine Kraftwerke im Leistungsbereich
um 5 MWel elektrische Wirkungsgrade von über 60 %
erreichen können.
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Benutzt
man die Erfindung zur Herstellung von Gasturbinenarbeitsmittel für leistungsfähigere Gasturbinen,
die z.B. mit einem Massedurchsatz von 45,8 kg/s bei einer Gaseintrittstemperatur
von 1.216 °C
und einem Expansionsdruckverhältnis
von 21.5 arbeiten, dann wird die Luft mit Hilfe eines modifizierten
Dieselmotors erfindungsgemäß im 2.
Takt auf 3,7 MPa isentrop komprimiert und im 3. Takt durch Zufeuerung
von 0,00937 kg Methan/kg Luft auf eine Temperatur von 1.300 °C gebracht,
bevor sie im gleichen Takt auf einen Druck von 2,25 MPa und eine
Temperatur von 900 °C
unter Abgabe technischer Arbeit zum Ausgleich der Kompression im
2. Takt und der Reibungsverluste expandiert. Der Brennstoffwärmeverbrauch
beträgt
dann 1.556 kJ/kg Gasturbinenarbeitsmittel. Eine solche Gasturbine
kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
ihre elektrische Leistung von 13,85 MW auf 38,4 MW, d.h. auf das
2,76fache erhöhen,
bei einer Steigerung des Wirkungsgrades von 36 auf 54 %. Der Brennstoffwärmeverbrauch
sinkt somit von 10.028 auf 6.685 kJ/kWel,
also um 33 %. Auch hier bleibt die Kopplungsfähigkeit mit einer Dampfturbine
erhalten, so daß GuD-Kraftwerke
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kompressionsverfahrens
Wirkungsgrade bei der Elektroenergieerzeugung von über 70 %
erreichen können.
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2. Anwendungsfall
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Komprimiert
werden soll ein gereinigtes Syntheserohgas von einem Anfangsdruck
von 0,5 MPa auf einen Enddruck von ca. 6,0 MPa mit Hilfe eines modifizierten
Dieselmotors, der im Viertaktzyklus wie beim 1. Anwendungsfall betrieben
wird. Demzufolge wird das Syntheserohgas im 1.Takt durch den Kolben
bei einem Druck von 0,5 MPa annähernd
isobar in den Zylinder gesaugt, im 2. Takt durch den Kolben auf
einen Druck von 6,5 MPa isentrop komprimiert und danach vollständig über das
1. Auslaßventil
in einen Druckgasbehälter gedrückt, aus
dem es mit Beginn des 3. Taktes möglichst isobar wieder in den
Zylinder gesaugt wird.
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Kurz
bevor die Gasrückführung durch
Schließen
des 1. Auslaßventils
beendet wird, wird ein Teil des Synthesegases durch Zugabe von Sauerstoff
zu einem explosiblen Gasgemisch umgewandelt, das nach Schließen des
1. Auslaßventils
gezündet
wird. Der Sauerstoffbedarf beträgt
ca. 10 %, bezogen auf die zugeführte
Masse des Synteserohgases. Durch Verbrennung des explosiblen Gemisches
steigt der Gasdruck im 3.Takt im Zylinder auf 15,32 MPa und die
Gastemperatur auf 1.136 °C.
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Nach
anschließender
isentroper Expansion unter Abgabe der für die Kompression erforderlichen
technischen Arbeit auf einen Druck von 6,4 MPA erreicht das Gas
eine Temperatur von annähernd
900 °C,
mit der es über
das 2. Auslaßventil
der weiteren Verarbeitung zugeführt
wird. Folgende Werte charakterisieren die erfindungsgemäße Prozeßführung der
Kompression:
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Gegenüber der
konventionellen Art der Synthesegasverdichtung von 0,5 auf 6,4 MPa
sinken die Betriebskosten der Gasverdichtung auf weniger als 50
%.
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3. Anwendungsfall
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In
diesem Anwendungsfall wird die Anwendung der Erfindung für Erzeugung
von Druckluft für
die Luftzerlegung, für
Druckfeuerungen oder übliche
Druckluftsysteme mit Hilfe eines Gasmotors, der im Viertaktzyklus
betrieben wird, in zwei Varianten beschrieben.
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Die
erste Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Zylinder des Motors
im 3. Takt nur soviel Luft zurückgeführt wird,
wie für
die Bereitstellung der im 2. Takt ablaufenden Kompression der im
1. Takt angesaugten Luft auf 0,6 MPa erforderlich ist. Zur Herstellung
des explosiblen Gemisches wird der Luft im 3. Takt zeitweise Erdgas
zugemischt. Der Prozeßablauf
im einzelnen ist folgender:
Im 1. Takt wird 1 kg Luft mit einer
Temperatur von 15 °C
aus der Umgebung in den Zylinder des Motors isobar gesaugt. Diese
Luft wird im 2. Takt bei geschlossenen Ein- und Auslässen durch
den Kolben auf 0,6 MPa isentrop komprimiert und danach über den
1. Auslaß mit
diesem Druck und einer Temperatur von 204 °C in einen Druckluftspeicher
gedrückt.
17,2 % der komprimierten Luft werden zu Beginn des 3. Taktes über den
noch offenen 1. Auslaß in
den Zylinder zurückgeführt und
teilweise mit 0,0056 kg Erdgas zu einem explosiblen Gas vermischt.
Danach wird der 1. Auslaß geschlossen
und das Erdgas isochor verbrannt, wodurch das Gas eine Temperatur
von 1.400 °C
und einen Druck von 2,23 MPa erreicht. Durch anschließende Expansion
des Gases auf 0,105 MPa und eine Temperatur von 550 °C überträgt das Gas
an den Kolben die für
die Kompression und die Überwindung
der Reibungsverluste erforderliche technische Arbeit. Die geringe
Füllung
des Zylinders im 3. Takt hat zur Folge, daß der Prozeß in diesem und im 4. Takt
in den Unterdruckbereich fährt,
so daß der
für den
Gasausstoß erforderliche
Umgebungsdruck erst im 4. Takt durch Aufwärtsbewegung des Kolbens erreicht wird.
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Für die Erzeugung
von 1 kg Druckluft mit einem Druck von 0,6 MPa nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
müssen
somit unter Beachtung der Motorkühlung
0,0075 kg Erdgas aufgewendet werden, was einem Brennstoffwärmeverbrauch
von 355 kJ/kg entspricht. Der Brennstoffwärmeverbrauch der konventionellen Luftverdichtung
auf gleichen Druck würde
mindestens 700 kJ/kg betragen, oder es müßten ca. 275 kJ Elektroenergie/kg
Luft zur Verfügung
gestellt werden. Somit können
durch Anwendung der Erfindung die Betriebskosten bei der Drucklufterzeugung
unter 50 % gesenkt werden, was bei der Luftzerlegung zu ähnlichen
Ergebnissen führt.
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In
der 2. Variante wird ein modifizierter Dieselmotor verwendet, dem
im 3. Takt soviel Luft zurückgeführt wird,
daß das
Gas am Ende der isentropen Expansion im 3. Takt, unter Abgabe von
technischer Arbeit nach außen,
Umgebungsdruck erreicht. Unter dieser Vorgabe wird der Prozeß erfindungsgemäß wie folgt durchgeführt:
Im
1. Takt wird 1 kg Luft mit einer Temperatur von 15 °C aus der
Umgebung in den Zylinder des Motors gesaugt, die wie bei der 1.
Variante komprimiert und vollständig
in einen Druckluftspeicher gefördert
wird. In Abweichung zur 1. Variante werden nicht 17,2 % der komprimierten
Luft, sondern 34,2 % Anfang des 3. Taktes in den Motor zurückgeführt und
die doppelte Menge Erdgas bei sonst gleichen Bedingungen zugemischt.
Druck und Temperatur des Abgases am Ende des 3. Taktes entsprechen
denen der 1. Variante.
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Unter
diesen Bedingungen kann allein der Motor technische Arbeit, ausreichend
für eine
Elektroenergieerzeugung von 0,102 kWh/m3 Druckluft
abgeben. Bei Nutzung der Motorabwärme können 0,150 kWh Elektroenergie/m3 Druckluft abgegeben werden. Erfolgt die
erfindungsgemäße Drucklufterzeugung
für eine
Luftzerlegungsanlage, dann können,
gekoppelt an die Sauerstofferzeugung, 0,710 kWh Elektroenergie/m3 Sauerstoff abgegeben werden. Der Brennstoffwärmeverbrauch
des Koppelprozesses beträgt
1,581 kWh/m3 Sauerstoff, der Wirkungsgrad
der Elektroenergieerzeugung 45 %. Bei einem Brennstoffpreis von
0,035 DM/kWh^ ist die Elektroenergie mit 0,078 DM/kWh durch Brennstoffkosten
belastet. In der Regel heißt
das, daß die
Brennstoffkosten durch Elektroenergie kompensiert werden können und
die Kosten der Luftzerlegung reduziert werden um die sonst üblichen
Energiekosten. Der Einsatz solcher Anlagen bei der Kohleverstromung
mit GuD-Anlagen und integrierter Kohlevergasung hebt den Nettowirkungsgrad
der Elektroenergieerzeugung um 4 bis 6%-Punkte und sichert dieser
Art der Kohleverstromung entgültig
den notwendigen Vorteil gegenüber
modernsten Dampfkraftwerken und den Übergang zu neuen abgasarmen
Technologien bei der energetischen Verwertung fossiler Brennstoffe.
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4. Anwendungsfall
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Dieser
Anwendungsfall beschreibt die Erzeugung von Druckgas mit einem Druck
von 0,4 MPa, ausgehend von Luft mit einem Umgebungsdruck von 0,1
MPa und einer Temperatur von 15 °C.
mit Hilfe einer Kolbenkraftmaschine, bei der der Kolben mit einer
Schwungmasse, z.B. einer Kurbelwelle, die über eine ausreichende Speicherkapazität für mechanische
Energie verfügt,
verbunden ist und die nach dem Zweitaktzyklus arbeitet. Bei Stellung
des Kolbens im oberen Totpunkt soll das Gasvolumen im Zylinder vernachlässigbar
klein sein. Unter diesen Vorgaben wird die Kompression erfindungsgemäß wie folgt
durchgeführt:
Die
Umgebungsluft wird bei geschlossenem Auslaßventil über ein Einlaßventil
durch Bewegung des Kolbens vom oberen zum unteren Totpunkt in den
Zylinder gesaugt. Nachdem der Kolben annähernd die halbe Wegstrecke
zurückgelegt
hat, wird der in den Zylinder strömenden Luft Methan so zugemischt,
daß sich
in einem Teil des Zylinders ein explosibles Gasgemisch bildet; in
diesem Falle der Anwendung 0,022 kg Methan/kg Luft.
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Nachdem
der Kolben annähernd
90 % seiner Wegstrecke zwischen oberem und unterem Totpunkt im Zylinder
zurückgelegt
hat, wird das Einlaßventil
geschlossen und das explosible Gasgemisch mit einer bekannten Zündvorrichtung,
z.B. mit einer elektrischen Zündkerze,
gezündet,
so daß das
Methan verbrennt, und die Gastemperatur unter Beachtung einer Kompressorkühlung auf
ca. 900 °C
und der Druck im Zylinder auf ca. 0,41 MPa sowie das Gasvolumen,
bezogen auf den Normzustand, um ca. 3,5 % steigen. Das heiße Gas leistet
bis zum unteren Totpunkt technische Arbeit und gibt diese an den
mit einer Schwungmasse verbundenen Kolben, auf seinem Wege zum unteren
Totpunkt, ab. Nach Erreichen des unteren Totpunktes wird das Auslaßventil
geöffnet,
und das ca. 900 °C
heiße
Gas bei einem Druck von ca. 0,4 MPA in ein angeschlossenes Drucksystem
gleichen Druckniveaus oder direkt an eine andere Vorrichtung, z.B.
eine Expansionsturbine, mit Hilfe der in der Schwungmasse gespeicherten
mechanischen Energie abgegeben. Das Gleichgewicht zwischen an den
Kolben durch Gasexpansion abzugebender technischer Arbeit und von
der Schwungmasse bereitzustellender mechanischer Energie wird sichergestellt
durch Einstellung der Öffnungszeiten
der Ein- und Auslaßventile.
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Während der
Energiebedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens
sich auf die Verluste der verwendeten Maschine, also auf ca. 100
kJ/kg Druckgas beschränkt,
und die Enthalpie des Gases vollständig dem nachfolgendem Prozeß zugeführt wird,
beträgt
der Brennstoffwärmeverbrauch
der konventionellen motorgetriebenen Kompression annähernd 400
kJ/kg Luft.
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5. Anwendungsfall
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Dieser
Anwendungsfall nutzt die durch die Erfindung gegebene Chance, innerhalb
eines Taktes eines thermischen Kreisprozesses Gase zu komprimieren
und zu expandieren und somit technische Arbeit zu leisten. In diesem
Falle der Anwendung der Erfindung wird der Kreisprozeß wie folgt
gestaltet:
Bei geschlossenem Auslaßventil saugt der Kolben über das
Einlaßventil
Umgebungsluft mit einer Temperatur von 15 °C in den Zylinder der Kolbenmaschine.
Dieser Luft werden so viel Erd- oder Brenngas bzw. andere übliche Kraftstoffe
zugemischt, wie unter Beachtung der Motorkühlung und der anderen Oberflächenverluste erforderlich
sind für
das Erreichen einer Gastemperatur im gekühlten Zylinder von z.B. 1.600 °C bei vollständiger Verbrennung.
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Ist
der Zylinder, bezogen auf seinen Rauminhalt, bei Stellung des Kolbens
am unteren Totpunkt annähernd
zu 15 % gefüllt,
wird das Einlaßventil
geschlossen und das explosible Gasgemisch mit üblichen Methoden gezündet. Bei
isochorer Verbrennung soll die Gastemperatur auf 1.600 °C und der
Druck im Zylinder auf 0,65 MPa steigen. Anschließend expandiert das Gas isentrop,
bis der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat und gibt dabei
an den Kolben technische Arbeit ab. Bei Verwendung von Methan als
Brennstoff müssen ca.
0,044 kg Methan/kg Arbeitsmittel, das nach der Expansion im 2. Takt
vom Kolben als Abgas aus dem Zylinder gedrückt wird, zugeführt und
verbrannt werden. Das Abgas hat eine Temperatur von 900 °C, die mögliche technische
Arbeit beträgt
950 kJ/kg Arbeitsmittel, und das Abgas hat eine Enthalpie von 1.065
kJ/kg. Der Wirkungsgrad der technischen Arbeit beträgt somit
43 %, obwohl für
die Expansion nur ein Druckverhältnis
von 6,5 zur Verfügung
steht. Bei Kombination dieser Maschine mit einer Dampfturbinenanlage
sind somit Wirkungsgrade bei der Elektroenergieerzeugung von mehr
als 60 % möglich.
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6. Anwendungsfall
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Verwendet
für die
Realisierung der Erfindung wird ein Viertakt-Dieselmotor, der mit
einem Entnahmeventil für
die erfindungsgemäße Luftentnahme
aus dem Zylinder ausgerüstet
ist und bei dem durch Veränderung
der Kolbenhöhe
der Gasraum im Zylinder beim Stand des Kolbens am oberen Totpunkt
auf ca. ein Drittel reduziert wurde.
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In
diesem Fall wird dem Motor Luft mit einem Druck von 0,6 MPa im 2.
Takt entnommen. Zu diesem Zwecke öffnet das Entnahmeventil, nachdem
der Kolben im 2. Takt die Luft auf 0,6 MPa isentrop komprimiert hat.
Während
der Luftentnahme arbeitet der Motor isobar, d.h. er überwindet
nur die Reibungsverluste. Nach Entnahme von ca. 65 % der angesaugten
Luft schließt
das Entnahmeventil, und der Kolben setzt seine isentrope Kompressionsarbeit
fort, bis das Gas die für
die Fortsetzung des Dieselbetriebes erforderliche Temperatur erreicht
hat.
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Der
weitere Ablauf des Kreisprozesses erfolgt wie beim Stand der Technik
der Gas- und Dieselmotoren üblich,
d.h. es wird Brennstoff eingespritzt, der selbsttätig oder
durch Hilfseinrichtung zündet,
bevor die isentrope Expansion unter Abgabe von technischer Arbeit
durchgeführt
wird. Die Brennstoffzuführung
erfolgt reduziert mit den für
den Motorbetrieb erforderlichen spezifischen Werten, bezogen auf
die im Zylinder verbliebene Luft.
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Die
entnommene Luft wird als Druckluft einer kryogenen Luftzerlegung,
Abhitzeverwertung, Gasexpansionsturbine mit Brennkammer, Druckfeuerung
oder anderes zugeführt.
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Da
der Gasdurchsatz maschinentechnisch begrenzt ist, reduziert sich
die Abgabe der technischen Arbeit. Aufgrund der besseren Ausnutzung
des Arbeitsvermögens
des im Motor verbleibenden Gases verbessert sich jedoch der Wirkungsgrad
der Energieumwandlung so, daß das
Koppelprodukt "Druckluft" gegenüber üblicher weise
erzeugter Druckluft nur noch 10 bis 20 % der Kosten verursacht,
was äußerst positive
betriebswirtschaftliche Auswirkungen auf die o.g. mit Druckluft
versorgten Prozesse, insbesondere die kryogene Luftzerlegung hat.
