DE19916684A1 - Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung bei Kondensationskraftwerken - Google Patents

Abstract

Nachstehend beschriebenes Verfahren - vergl. Fig. 1 - hat den Zweck, die Abdampfverluste bei Kondensationskraftwerken dadurch zu verringern, daß Dampf aus einer Turbine einer vorhandenen Altanlage oder aus einer Neuanlage über eine Leitung I einem Wirbelaggregat (WR 1) zuströmt und dort nach Art eines Hilschrohres in zwei Teilströme unterschiedlicher Temperatur aufgeteilt wird, wobei der kältere Teilstrom kondensiert und das Kondensat über eine Leitung 2 zur Druckerhöhung einer Pumpe 3 zugeführt wird, anschließend in den Heizflächen 4 die Wärme des Warmstromes aufnimmt, dabei auf einem höheren Druckniveau verdampft, das in Abhängigkeit von der erreichbaren Temperatur eingestellt wird, über eine Leitung 5 einer Turbine 6 zuströmt, dort das Druckgefälle abarbeitet und darauf über eine Leitung 7 den Transformationsprozeß erneut durchlaufen kann, wobei jeweils der in den Heizflächen 4 bereits abgekühlte Warmstromanteil von WR 1 über eine Leitung 8 der nächsten Transformationsstufe WR 2 zuströmt bzw. auch einer oder mehreren weiteren WR-Stufen (z. B. WR 3), wo sich jeweils die Aufteilung in 2 Teilströme wie in WR 1 wiederholt, wofür das erforderliche Druckgefälle vorzusehen ist.

Description

Der beiliegende Artikel "Woher nehmen Tornados ihre Energie?", der 1968 verfaßt wurde, versucht die Zusammenhänge bei Wirbelstürmen zu erläutern und bildete mit einer Ergänzung, wie sie ähnlich hier ein­ geflochten ist, die Grundlagen für die damaligen der TH Karlsruhe eingereichten Vorstellungen, deren Beurteilung vom 18.01.71 hier beiliegt.

Die Vorstellung baut auf den in der Natur auftretenden Wirbelstür­ men auf, bei denen das strömende Medium mit zunehmender Winkelge­ schwindigkeit in immer engeren Windungen um einen Sogtrichter kreist und sich dabei einrollt, wobei das Dampf-Luft-Gemisch gewissermaßen ausgewrungen wird, die Luftfeuchtigkeit kondensiert und als Regen niedergeht.

Die freiwerdende Kondensationswärme wird dabei vermutlich u. a. in kinetische (Geschwindigkeit) und elektrische (Blitze) Energie umge­ setzt bzw. vom Kern nach außen gedrängt, wo sie z. B. als Wärmewel­ le dem Tornado vorauseilt. Letztere Erscheinung wurde aufgegriffen und sowohl in die Ausarbeitung an die TH Karlsruhe als auch in den Anspruch 1 eingearbeitet. Dabei sollte diese Wärme benutzt werden, um das Kondensat nach Druckerhöhung auf einem entspr. höheren Tem­ peraturniveau zu verdampfen, um Arbeitsgefälle zu gewinnen. Soweit die Theorie.

Eine Beweisführung für die Temperaturerhöhung in der Randzone des Wirbelaggregates schien kaum theoretisch, sondern nur durch entspr. Versuche vorstellbar, wie sie seinerzeit auch erläutert wurden. Sie wurden auch in begrenztem Rahmen befürwortet (s. Anlage), aber - mit der behördlichen Begründung des Geldmangels - nicht durchgeführt.

Da der Verfasser inzwischen auf das Hilschrohr stieß (s. Anlage), das ihm seinerzeit noch nicht bekannt war, sah er den erwarteten Ef­ fekt bestätigt und glaubt ihn hiermit verständlich erläutern zu kön­ nen. Zunächst erschien dieses Wirbelrohr für eine energetische Nut­ zung uninteressant angesichts der hohen erforderlichen Verdichtungs­ arbeit der Luft, wobei dann auch der Warmluftanteil mit dem höheren Druck pi nicht mehr genügend Druckgefälle für die rentable Arbeits­ leistung aufwies.

Wird jedoch in das Wirbelrohr Dampf statt Luft eingegeben (vergl. Anspruch 2), so kann eine Kondensation des kalten Teilstromes er­ wartet werden, wobei die Druckerhöhung des Kondensates mittels Pumpe weitaus energiegünstiger ist als die Erhöhung des Luftdruckes beim Wirbelrohr mittels Verdichter. Auch kann nun das bei Luft für eine rentable Arbeitsleistung fehlende Druckgefälle durch Sattdampfer­ zeugung wirtschaftlich hergestellt werden, indem die Wärme des war­ men Stromanteiles der Randzone auf das Kondensat der Kernströmung übertragen wird, dessen Verdampfungstemperatur über den Sattdampf­ druck auf einem möglichst hohen Niveau eingestellt wird, um ein ma­ ximales Druckgefälle zu erhalten, das in einer Turbine auf den Ein­ gangsdruck des Wirbelrohres abgearbeitet wird, wo der Prozeß von neu­ em beginnt. Das Kondensat wird hierbei außen um die erwärmte Randzone herumgeleitet, nimmt dessen Wärme auf und verdampft. Von Bedeutung ist hierbei der erreichbare Sattdampfdruck.

Das unter Anspruch 1 geschilderte Prinzip entspricht der ursprüngli­ chen Vorstellung. Der Dampfeintritt erfolgt etwa tangential in ein Gefäß von ca. 10 bis 30 cm Durchmesser, dessen Form einem Ei, einer Birne oder einem Trichter entspricht, sich nach unten verjüngend ge­ mäß dem Volumenschwund durch Dampfkondensation. Das Kondensat wird in einem mittigen Rohrstumpf nach unten abgeleitet. Da die Umlaufzahl, mit der der Dampfstrom, in spiralförmigen Wirbeln sich voranbewegend, die Längsachse des Einrollaggregates durchläuft, von Einfluß ist, wä­ re die Auswirkung einer geringen Schrägstellung des tangentialen Ein­ trittsrohres zu erproben, ebenso wie die Höhe der mit oder ohne Düse vorhandenen Eintrittsgeschwindigkeit, um die optimale Wirkung der Trennung in eine Kernströmung mit Kondensation und in eine Außen­ strömung mit möglichst hohem Temperaturanstieg zu erzielen.

Die Formen möglicher Einrollaggregate sind in verschiedenen Schau­ berger-Patenten dargestellt, die allerdings vorwiegend für gasför­ mige Strömungsmedien bzw. Wasser gedacht waren ohne Änderung des Aggregatzustandes, während der Einsatz von vorzugsweise Naß- bzw. Sattdampf eine weitaus größere Volumenänderung durch Kondensation und eine größere Wärmeumsetzung - auch gegenüber dem mit Druckluft beaufschlagten Wirbelrohr -, also eine größere Dynamik erwarten läßt, wobei ein höherer Temperaturanstieg als beim Wirbelrohr auftreten könnte und von Vorteil wäre bezüglich der Höhe des erreichbaren Satt­ dampfdruckes auf der Sekundärseite.

Auch die Abmessungen wären für größere Dampfmengen zu konzipieren und zu optimieren. Ferner wäre zu prüfen, ob im Grundeinsatz das Schauber­ ger-Aggregat mit gleicher Strömungsrichtung für warmen und kalten Teil­ strom gemäß Anspruch 1 oder das Wirbelrohrprinzip mit gegenläufiger Richtung der Austrittsströmung von Kern- und Randzone den besseren Effekt zeigen würde. Der Rückgriff auf das Wirbelrohr erfolgte hier vorrangig zur Darstellung der gedachten Funktionsweise eines Wirbel­ aggregates mit seinen etwas größeren Abmessungen.

Auch ist wenigstens in groben Umrissen zu überlegen, welcher Druck vor dem Einrollaggregat zu wählen ist und wie dieses Einrollprinzip optimal in einen Kraftwerkprozeß einzubinden wäre. Geht man aus von vorhandenen Kondensationskraftwerken, so wäre aus diesen bevorzugt Naßdampf aus dem Vakuumgebiet, z.B. von 0,2 bar (ts ~ 60°C) bei etwa 0,07 bar (ts ~ 39°C) Kondensationsdruck einzusetzen, was ein Druck­ verhältnis von fast 3 für die Entspannung im Einrollaggregat ergeben würde. Damit wird eine maximale Vorschaltleistung der vorhandenen Tur­ bine angestrebt, deren Leistung nur im Vakuumgebiet eingeschränkt würde.

Je nach erreichbarem Sekundärdampfdruck von ca. 15 bar (ts~198°C) oder höher z. B. von 60 bar (ts~275°C) ist der nachfolgende Tur­ binenprozeß zu gestalten. Würde der Sekundärdampfdruck z. B. eine Umsetzung von 20% der an den Sekundärdampf übertragenen transfor­ mierten Kondensationswärme erlauben, so wären in erster Überlegung etwa 5 Durchläufe nötig, um diese hierbei übertragene Wärme voll­ ständig in elektrische Energie umzusetzen.

Diese vereinfachte Darstellung hat allerdings noch ein Hindernis: Bei Aufteilung des Dampfstromes ist anteilmäßig nur der Weg des Kaltstro­ mes erfasst über Kondensat und Sekundärdampf. Jedoch ist z. B. beim Wirbelrohr das Verhältnis des kalten Stromes zum Gesamtstrom zu be­ denken. Welche Aufteilung zur optimalen Temperaturerhöhung führt, ist experimentell zu ermitteln.

Vor allem ergibt sich die Frage nach dem weiteren Weg des Warmstrom­ anteiles 1-γ. Wie hoch ist er und welchen Druck besitzt er noch? Die Wirbelrohr-Messungen lt. Anlage zeigen einen restlichen Überdruck als Innendruck pi am warmen Rohrende, wogegen die Entspannung des Kaltluftanteiles auf Atmosphärendruck erfolgt. Die verbleibende Tem­ peratur des Warmstromes ist wesentlich abhängig von der Grädigkeit bei der Sekundärdampferzeugung, dürfte evtl. im Heißdampfbereich lie­ gen.

Hierbei wird davon ausgegangen, daß der Transport der Wärme über den Warmstrom kontinuierlich erfolgt nach dem Prinzip eines dampfbeheiz­ ten Verdampfers und Phasenwechsel (Verdampfungseckpunkte), wie sie z. B. bei einem Abhitzekessel bei der Wahl der Druckhöhe zu beachten sind, nicht auftreten.

Für den weiteren Weg des Warmstromanteiles würde eine einfache Abar­ beitung des mit dem Staudruck pi erhaltenen Druckgefälles wenig Nut­ zen bringen. So bietet sich eine Wiederholung des beschriebenen Pro­ zesses im Wirbelrohr an. Allerdings müßte hierzu der Druck des ersten Durchlaufes von ca. 0,2 bar auf ~0,6 bar angehoben werden, damit für einen zweiten nachgeschalteten Durchlauf noch genügend Druckgefälle verbleibt, mit dem der von 0,6 bar auf 0,2 bar - zusätzlich Staudruck - entspannte Warmstromanteil sich weiterhin auf 0,07 bar entspannen kann.

Wird in beiden Fällen ein Aufteilungsfaktor γ von 0,5 angenommen, so verbleiben nach zweimaliger Aufteilung nach dem 2. Durchlauf 25% als Warmstromanteil, bezogen auf den anfänglichen Eingangsdampfstrom. Diese 25% wären mit dem geringen Restgefälle des Staudruckes pi ab­ zuarbeiten und im Kondensator niederzuschlagen, wobei diese verringer­ te Dampfmenge einen tieferen Kondensatordruck erlauben würde. Alterna­ tiv könnte diese Abdampfmenge zu Heizzwecken eingesetzt werden, wobei das Restgefälle nochmals in einem Wirbelrohr zu einer mäßigen Tempe­ raturerhöhung eingesetzt würde.

Es wird angestrebt, bei den jeweiligen Einrollstufen gemäß Anspruch 2 den gleichen Sekundärdampfdruck zu erhalten, um diese Dampfströme zu­ sammenzuführen und evtl. bei passender Druckstufe mit dem Eingangsdampf­ strom zur Vereinfachung des Prozesses gemeinsam weiterführen zu können. Sollte ein höherer Sekundärdampfdruck erreichbar sein, evtl. bei 0,6 oder 1,5 bar statt 0,2 bar Eingangsdruck als Basis, so könnte dieses höhere Druckgefälle über eine Turbine bis zur gemeinsamen Druckstufe abgearbeitet werden.

Bei den Versuchen wäre Cu-Legierung als Material zu testen sowie evtl. Sicherheitsvorkehrungen gegen elektrische Aufladungen zu treffen (Blitze beim Tornado). Intensivere elektrische Aufladungen wären evtl. dann zu erwarten, wenn die optimale Wirbelfrequenz und -resonanz getroffen werden sollten.

Der erörterte Gedankengang baut auf dem gemäß Anspruch 2 erwogenen Ein­ satz des verständlicheren Wirbelrohrprinzips mit Gegenstromverfahren auf. Die ursprüngliche Vorstellung entsprach jedoch mehr dem Prinzip des Einrollaggregates gemäß Anspruch 1 mit gleicher Strömungsrichtung der Rand- und Kernströmung, wobei eine höhere Einbindung der Konden­ sationswärme, also ein geringerer Restanteil des äußeren Warmstromes, erwartet wurde. Dies würde natürlich den Prozess vereinfachen, wäre allerdings weniger einleuchtend als die Veranschaulichung mittels Wirbelrohr.

Vorstehend ist ein denkbarer Ablauf einer Wärmetransformation mittels Einrollprinzip geschildert. Die tatsächlichen Verhältnisse dürften in der Wechselwirkung komplizierter sein und sind stufenweise in Abhängig­ keit von Mengenaufteilung γ, Druckniveau und Druckgefälle in der Dü­ se experimentell nach ihrer qualitativen Höhe zu ermitteln, um den op­ timalen Sekundärdampfdruck sowie die optimale Mengenaufteilung γ zu erhalten.

Für eine Fernwärmeerzeugung ist das vorstehende Konzept natürlich eben­ falls entspr. einsetzbar. Auch könnte aus den verschiedensten Quellen von Abfallwärme, Solarwärme u. a. Dampf erzeugt werden, der dann mit­ tels vorstehenden Prinzips z. T. auf eine höhere Temperaturstufe transformiert werden könnte zur jeweils gewünschten Umsetzung in Strom und Wärme. Auch der Einsatz einer Wärmepumpe wäre bei Billigstrom dis­ kutabel.

Besonders für Abwasserreinigung oder Meerwasserentsalzung ist vorste­ hendes Verfahren geeignet, da bei den verschiedenen Verdampfungsstufen das dort eingesetzte reine Kondensat zur Nutzung abgeführt und durch zu reinigendes Wasser ersetzt werden könnte, von dem dann eine Restmenge mit konzentrierten Verunreinigungen bzw. Salzwasser abzuschlämmen wäre.

Zur punktuellen Wassergewinnung in heißen trockenen Gebieten bietet das Verfahren die Möglichkeit, je nach relativer Feuchtigkeit der nachts ab­ gekühlten Luft durch Luftverdichtung mit anschließender Entspannung im Wirbelrohr den Kaltluftstrom bis unter den Taupunkt abzukühlen, damit Wasser auskondensiert. Ein Teil dieses Wassers kann dann tagsüber über Brennspiegel mittels Sonnenwärme verdampft werden, wobei der über eine Pumpe hergestellte Wasserdruck mit der erreichbaren Sattdampftemperatur abzustimmen ist. Die aus dem Sekundärdampf mittels Turbine gewonnene Energie wird dann auf einer Batterie gespeichert und zum nächtlichen An­ trieb des Luftverdichters eingesetzt. Eventuell kann damit nachts auch der Warmluftstrom zur Erzeugung von Dampf und Strom eingesetzt werden.

Da der Carnot-Wirkungsgrad bei dem vorliegenden Verfahren im Erfolgsfall keine Begrenzung des Verstromungswirkungsgrades mehr darstellt, könnte auch mit Wärmequellen tieferen Temperaturniveaus wie Solarenergie über Brennspiegel wirtschaftlich Strom erzeugt werden. So würde bei neuen Kraftwerken der teure Zwang zu hohen Frischdampfparametern entfallen, Betriebssicherheit und Verfügbarkeit zunehmen und die Leistungsgröße weniger abhängig sein von Kostendegression und somit freier wählbar sein am Ort des Bedarfs, wo eine Abstimmung mit der Kapazität einer Meerwasserentsalzungsanlage erfolgen kann, somit teure Stromübertra­ gungsleitungen entbehrlich sind. Stattdessen wäre für die Verteilung des entsalzten Meerwassers in das Landesinnere zu sorgen, was eine in­ teressante ökologische Aufgabe darstellt.

Zur Veranschaulichung des Wärmeübergangs im Wirbelrohr wird auf den Be­ trieb mit Druckluft gemäß anliegendem Artikel zurückgegriffen. Bei γ = 0,5 Kaltluftanteil am Gesamtstrom ist eine Temperaturspreizung um ca. 90°C (+60°C zu -30°C) meßbar. Der Kaltluftanteil könnte durch Wärme­ übertragung um 70°C auf +40°C aufgeheizt werden, wobei der Warmluft­ anteil von +60°C auf -10°C abkühlt. Aber selbst bei -30°C benötigt der Kaltstromanteil zuviel Verdichtungsenergie und erfährt dadurch eine zu hohe Aufheizung, was die erwähnte Wärmeübertragung und Nutzarbeit verhindert.

Diese Verhältnisse wären bei Beschickung des Wirbelrohres mit Dampf in­ sofern geändert, da als Kaltstromanteil Kondensat erwartet werden kann, das nach Druckerhöhung durch den Warmstrom aufzuheizen ist. Wesentlich ist dabei, daß die sekundäre Sattdampftemperatur oberhalb der Satt­ dampftemperatur des primären Warmstromanteiles liegen müßte, was ex­ perimentell zu bestätigen wäre, aber verständlich erscheinen dürfte. Die Wärmeübertragung erfolgt durch die aufgeheizte primäre Heißdampf­ phase. Dabei wäre auch festzustellen, mit welcher Temperatur der Warm­ stromanteil das Wirbelrohr verläßt. Diese würde im vorher erläuterten Fall bei Luftbeschickung -10°C betragen bei +40°C Kaltluftaustritt, könnte also auch bei Dampf unterhalb der sekundären Sattdampftempera­ tur liegen, darüber hinaus wäre aber ihre Höhe nicht theoretisch vor­ aussagbar.

Zur Erläuterung der Ausführungen unter Anspruch 2 ist die Skizze eines möglichen überschlägigen Schaltplanes beigelegt. Einige Richtwerte sind eingetragen ohne Abstimmung in der Wärmebilanz. Hierfür müßten konkrete Versuchsergebnisse vorliegen.

Da in der Turbine des als "Neuanlage" bezeichneten Teiles mit ca. 300÷400 kJ/Kg nur ein Teil jener Wärmemenge in Nutzleistung umgesetzt wird, die als Kondensationswärme von mehr als 2200 kJ/Kg dem Prozeß über die Wirbelrohraggregate zufließt, muß hier ein mehrfacher Durchlauf erfol­ gen, die Dampfmenge also auf das etwa 6-fache (ca. 2200 kJ/Kg : 350 kJ/Kg) der im ersten Durchlauf nach dem Start zirkulierenden Menge anwachsen. Damit steigt natürlich auch die stark verlustbehaftete Kondensations­ dampfmenge auf das etwa 6-fache von 25%, bezogen auf die Zudampfmenge aus der Altanlage, und macht damit den Prozeß unwirtschaftlich.

Daraus ergibt sich die Frage, durch welche Maßnahmen der "Neuanlage" die Kondensationsverluste verringert werden können. Dies wäre z. B.:

• 1. Geringerer Druckverlust für die einzelnen Wirbelrohrstufen (WR-Stufen), z. B. vom Druckverhältnis 3 auf 2. Jede dieser WR-Stufen kann aus einer Anzahl parallel geschalteten Wirbel­ rohre bestehen.
• 2. Damit wird die Erhöhung der Anzahl der WR-Stufen auf 4 oder mehr möglich. Bei n Stufen beträgt die Kondensationsdampfmenge bei etwa 0,07 bar, d. h. der Warmstromanteil aus der letzen WR-Stufe, G_K = (1-γ)ⁿ, bezogen auf die Umlaufdampfmenge der Neuanlage bei Dauerbetrieb.
• 3. Verringerung des Warmstromanteiles (1-γ) am Gesamtstrom, z. B. von 50% auf 33%.

Den Werten analog der angeführten Skizze Fall A soll nun ein Konzept gemäß Skizze B mit tendenziell geänderten Werten gegenübergestellt wer­ den, wobei sich die Prozentsätze auf die Zudampfmenge aus der Altanlage beziehen, die bei Nichtentnahme in den Kondensator strömen würde.

Als Drücke für die einzelnen WR-Stufen sind angenommen:
bei Fall A: p = 0,6/0,2/0,07 bar (s. Fig. 2)
bei Fall B: p = 0,56/0,28/0,14/0,07 bar (s. Fig. 3)
bei Fall Bi: p = 0,33/0,2/0,12/0,07 bar
im Fall Bi ist ein Staudruck pi für den Warmstromanteil von etwa einem Drittel des Druckverhältnisses im Wirbelrohr be­ rücksichtigt, wobei das Druckverhältnis etwa 1+(1-¹/₃) = 1,67 beträgt.

Für eine vierte Wirbelrohrstufe würde sich im Fall Bi₄ ein Eintrittsdruck von 1,67 × 0,33 = 0,55 bar ergeben.

Der Warmstromanteil wird von 50% auf 33% gesenkt.

Der Kondensationsstrom beträgt bei einem Warmstromanteil 1-γ und n WR-Stufen:
G_K = (1-γ)ⁿ ca. 5-fach
im Fall A: G_K, A₂ = (1-0,5)² = ¼ 125%
G_K, A₃ = (1-0,5)³ = ⅛ 63%
im Fall B: G_K, B₃ = (1-0,67)³ = ¹/₂₇ 19%
im Fall Bi: G_K, Bi₄ = (1-0,67)⁴ = ¹/₈₁ 6%

An den vorstehenden Beispielen zeigt sich die große Schwankungsbreite der Kondensationsdampfmenge (hier 125% bis 6%), die maßgeblichen Einfluß auf den Wirkungsgrad hat. Die gegenüber der Altanlage vermut­ lich höhere Abdampfenthalpie wird dabei wenig ins Gewicht fallen.

Vorstehend sollen lediglich die Strukturen und Abhängigkeiten eines möglichen Konzeptes von den verschiedenen Komponenten umrissen und das weitgefächerte Wirkungsgradpotenzial ertastet werden, was es mittels Versuche näher zu erfassen gilt.

Was z. B. das Druckverhältnis bzw. den Druckverlust einer WR-Stufe be­ trifft, so ist an dem Beispiel des Wirbelsturmes aufgezeigt - vergl. Artikel anbei -, daß keine Druckkomponente, sondern eine Sogkomponente die Rotationsgeschwindigkeit erzeugt. Somit wäre keine Geschwindigkeits­ erzeugung über Düsen mit Druckverlust nötig. bzw. könnte eine solche Sog­ kraft unterstützend wirken und so den Druckverlust im WR mindern, wo­ durch eine größere Anzahl von WR-Stufen in Reihe geschaltet werden könn­ te. Dies würde die im Kondensator niederzuschlagende Abdampfmenge und damit die abzuführende restliche Verlustwärme senken. Auch könnte hier­ durch die in Anspruch 1 beschriebene ursprüngliche Vorstellung eines sich selbst erhaltenden Wirbels eher zu erwarten sein.

Dies wäre verbunden mit einer Erhöhung des γ-Wertes (lt. Hilsch) bzw. mit einer Verringerung des Warmstromanteiles, der im wesentlichen als Wärmetransporteur betrachtet wird von der kondensierenden Phase zur verdampfenden Phase des Kaltstromanteiles nach Druckerhöhung jenseits der Rohrwand. Sofern dieser Sekundärdampf eine höhere Enthalpie aufweist als der primäre (Satt)-dampf enthält nach Durchlaufen der Turbine und Entwässerung, muß die überschüssige Kondensatmenge abgelassen werden, welche gemeinsam mit Entwässerungen und Kondensatorabdampfmenge in der Mengenbilanz die Frischdampfmenge der Altanlage im Normalbetrieb ergibt, sobald die Mengenbalance der Neuanlage (Durchflußvielfaches) im Gleich­ gewicht ist.

Auch sind die Parameter des Dampfkreislaufes der Neuanlage lediglich an­ genommen und müßten experimentell angenähert werden, so Dampfdruck, mög­ liche Überhitzung usw., was über eine Gefälleänderung auch das Dampf­ vielfache (Umlaufzahl) der Neuanlage beeinflussen würde.

Als Turbinen für die "Neuanlage" könnten u. U. nach Atomausstieg die Turbinen der dann stillgelegten Kernkraftwerke verwendet werden, deren Dampfzustand von ca. 10 bar vor Niederdruckgehäuse bei Gleitdruckbe­ betrieb entspr. anpassungsfähig wäre. Eine leichte Überhitzung könnte eventl. durch Dampf höheren Druckes aus der als "Altanlage" deklarier­ ten Vorschaltanlage oder auch durch die WR-Aggregate selbst erfolgen, falls dort Überhitzungstemperaturen erreichbar sind.

Sollte mittels der WR-Aggregate ein für das Hochdruckgehäuse passender Sattdampfdruck von ca. 60 bar bei Auslegung und entspr. niedriger bei Teillast im Gleitdruckbetrieb annähernd zu realisieren sein, so könnte auch dieser Turbinenteil für eine Wiederverwendung einbezogen werden.

Der diesen Turbinen zugeordnete höhere Massenstrom von ca. 1400 Kg/s bei ca. 10 bar würde infolge der Vervielfachung der Durchsatzmengen der "Neuanlagen" einer Zudampfmenge aus der Altanlage von ca. 250 Kg/s entsprechen, also etwa einem 400 MW-Block.

Die Turbinenstufen der "Neuanlage" hinter dem Entnahmedruck für die oberste WR-Stufe von z. B. 0,6 bar wären zu entfernen. Durch diese verringerte Leistung im Vakuumgebiet sowie durch den Teillastbetrieb der Hochdruckturbine sinkt die Leistung des 1300 MW-Generators ins Teillastgebiet.

Allerdings ist eine Nachbarschaft einer fossilen Anlage zu einem KKW nicht häufig gegeben. Dann wäre für das KKW eine fossile Vorschaltan­ lage zu erstellen, was eine "maßgeschneiderte" Zuordnung ermöglichen würde. Dadurch könnte die vorhandene Einbindung in das Stromverteilungs­ netz übernommen werden. Die sich hierbei anbietende Alternative einer dezentralen Stromerzeugung wäre dem gegenüberzustellen bzw. man könnte in diese hineinwachsen.

Die Vielfalt der möglichen Wirbel ist in dem beiliegenden Artikel von Prof. Dr. Harthun erörtert. Daher wird hier nicht weiter darauf einge­ gangen. In welcher Form sich der eingangs beschriebene Wirbelstromver­ lauf tatsächlich zeigt, bleibt Versuchen vorbehalten.

Als Anleitung zu Versuchen sind vorstehende Erörterungen zusammenge­ stellt. Die möglichen Versuchsergebnisse können weitaus anders ausfal­ len als erwartet. Hier sollte nur ein denkbares Konzept vorgelegt wer­ den, um es stufenweise zu überprüfen und den Versuchsergebnissen anzu­ passen. Dabei wird sich zeigen, inwieweit ein wirtschaftlicher Kraft­ werksprozeß auf diesen Überlegungen aufgebaut werden kann.

Von Vorteil ist, daß eine Aussage über eine wirtschaftliche Nutzung sich schon im Versuchsstadium herauskristallisiert ohne Errichtung einer teuren Prototypanlage. Die anzuwendende Niederdrucktechnik ist zudem kostengünstig und von geringem technischen Risiko. Da im Erfolgs­ fall die resultierenden Vorteile bezüglich Umwelt (CO₂) und Resourcen offensichtlich sind, sollte dieses günstige Verhältnis von möglichem Nutzen zu Aufwand ein Ansporn für Versuche sein.

Claims (6)

1. Wärmetransformationsprinzip mittels Wirbelaggregat, bei dem ein gas­ förmiges Medium - vorzugsweise Wasserdampf - nach Druckentspannung in einer Düse eine Umlenkung der Geschwindigkeit in eine Wirbelströ­ mung erfährt, wobei sich radiale Temperaturzonen herausbilden mit ei­ ner Erwärmung in der Randzone und Abkühlung mit Kondensation in der Kernzone - ähnlich den Vorgängen in einem Tornado -, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kondensat nach Druckerhöhung in einer Pumpe das Wirbelaggregat äußerlich umströmt, die Wärme der Randzone aufnimmt und verdampft, wobei der Sattdampfdruck möglichst weit oberhalb des Eintrittsdruckes vor Düse liegen sollte, soweit dies die Temperatur erlaubt, damit dadurch Arbeitsgefälle für eine Turbine gewonnen wird, wonach der Dampf wieder der Wirbelströmung zugeführt wird - wie ein­ gangs erwähnt - zur Wiederholung der Trennung in verschiedene Tempe­ raturzonen mit (Satt)-dampferzeugung, wobei schrittweise in mehreren Durchläufen die transformierte Kondensationswärme in der Turbine ver­ arbeitet wird, also weniger Wärme über den Kondensator und mehr in ge­ änderter Form über den Generator abgeführt wird, wobei sich der innere Wirbelkern und die äußere Wirbelzone in gleicher Achsrichtung bewegen, gewissermaßen als Gleichstromprinzip.

2. Wärmetransformation mittels Wirbelrohrprinzip gemäß Fig. 1 - Gegen­ stromverfahren mit Aufteilung des verwirbelten Mediums in einem Wirbel­ rohr (WR) 1 in zwei Teilströme entgegengesetzter axialer Richtung, da­ durch gekennzeichnet, daß statt Gas als Medium Dampf eingesetzt wird, welcher am kalten Ende 2 als Kondensat austritt, nach Druckerhöhung in einer Pumpe 3 einem Verdampfer 4 am heißen Ende zuströmt, dort verdampft, und ähnlich dem Anspruch 1 als Dampf in einer Leitung 5 einer Turbine 6 zuströmt, von wo er nach Arbeitsleistung über eine Leitung 7 wieder in den "Wälzbehälter" 1 eintritt, wobei die Aufteilung in kalten und war­ men Anteil unter Berücksichtigung der gegenüber Gas infolge der Konden­ sation weitaus größeren Wärmemenge erfolgen sollte, die dann an das Kondensat nach dessen Druckerhöhung als Verdampfungswärme auf einem höheren Sattdampftemperaturniveau übertragen wird.

3. Wirbelrohr (WR) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wirbelrohrstufen in Reihe hintereinandergeschaltet werden, von denen jede einzelne Stufe aus einer Anzahl parallel geschalteter kombinier­ ter Wirbelbohr-Verdampfer-Einheiten bestehen kann, wobei der verblei­ bende Warmstromanteil in der folgenden Stufe tieferen Druckes abermals in einer Wirbelrohrstufe aufgeteilt wird, der Kaltstromanteil als Kon­ densat nach Druckerhöhung wieder verdampft und der Warmstromanteil der letzten Wirbelrohrstufe als Abdampfmenge im Kondensator niedergeschla­ gen wird.

4. Wärmetransformationsprinzip gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Wärmequellen tieferen Temperaturniveaus wie Abfallwär­ me, Solarwärme, Erdwärme usw. über das Wirbelstromprinzip zur Erzeu­ gung von Strom und Heizwärme genutzt werden sowie zur wirtschaftli­ chen Aufbereitung von Schmutz- und Salzwasser über Verdampfung, wo­ bei auch über Wärmepumpen Wärme eingespeist werden kann, soweit das Temperaturniveau dies wirtschaftlich zuläßt.

5. Wärmetransformationsprinzip gemäß Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in heißen trockenen Gebieten tagsüber die Solarwärme über Brennspiegel zur Erzeugung von Strom genutzt wird, der als Spei­ cherstrom nachts die abgekühlte Luft verdichtet, die nach Abkühlung und Entspannung im Wirbelrohr einen Teil der Luftfeuchtigkeit auskon­ densiert.

6. Wärmetransformationsprinzip mittels Wirbelströmung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten von elektrischen Aufladungen - vergleiche Blitze beim Tornado - die elektrische Ener­ gie direkt abgezogen und einer Nutzung zugeführt wird.