DE2344242B2

DE2344242B2 - Dampfkraftwerk mit geschlossenem rankine-kreislauf mit dichlorbenzol als arbeitsmittel

Info

Publication number: DE2344242B2
Application number: DE19732344242
Authority: DE
Inventors: Lucien Yehuda; Yogev Amnon; Behovoth Bronicke (Israel)
Original assignee: Ormat Turbines Ltd
Current assignee: Ormat Industries Ltd
Priority date: 1972-09-05
Filing date: 1973-09-01
Publication date: 1977-07-21
Also published as: IL40299A; DE2344242C3; JPS49132431A; JPS542344B2; US3842593A; DE2344242A1; AR198531A1; IL40299A0; CA974780A

Description

Die Erfindung betrifft ein Dampfkraftwerk mit geschlossenem Rankine-Kreislauf mit Dichlorbenzol als Arbeitsmittel, welches in einem Dampferzeuger verdampft, in einer Turbine entspannt, in einem Kondensator verflüssigt und durch eine Druckerhöhungspumpe zum Dampferzeuger zurückgeführt wird.

Ein Dampfkraftwerk dieser Gattung ist aus US-PS 30 40 528 bekannt, wobei hier neben Dichlorbenzol auch andere Arbeitsmittel mit höherem Molekulargewicht wie z. B. N-Oktan, Isooktan, Aromaten und Ester vorgeschlagen werden, deren Auswahl hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt des Siedeverhaltens erfolgen soll.

Dampfkraftwerke dieser Art eignen sich besonders zur Verwendung als autarke, betriebssichere Kraftwerke z. B. für die Versorgung von Nachrichtenübertragungsstationen an abgelegenen, unbemannten Aufstel- lungsorten, wo sie aufgrund der Unzugänglichkeit nur selten zur Wartung und zum Auftanken aufgesucht werden können.

Bei Verwendung eines derartigen Dampfkraftwerkes in einer Umgebung, in der häufig und für längere Zeiträume tiefe Außentemperaturen auftreten, wie z. B. in Teilen von Alaska und Kanada, besteht das Problem des Einfrierens des Arbeitsmittels im Kondensator, was zu einer Blockierung und Beschädigung der Anlage führt. Diese Gefahr besteht auch bei Verwendung von auf üblichem Wege hergestelltem Dichlorbenzol als Arbeitsmittel, das aufgrund seiner Herstellung entweder als Mischung von Ortho- und Paradichlorbenzol mit einem Gefrierpunkt von günstigenfalls -24,4° C, oder als reines Orthodichlorbenzol mit einem Gefrierpunkt von -17° C vorliegt. Es wurde versucht, durch Zusätze nach Art von Gefrierschutzmitteln den Gefrierpunkt des Arbeitsmittels herabzusetzen. Dabei tritt aber das Problem auf, daß derartige Mischungen bei Annäherung an den Gefrierpunkt einen sehr starken Anstieg der Viskosität auf das etwa 20- bis 30fache der Viskosität bei Raumtemperatur zeigen, so daß das Arbeitsmittel im tiefen Temperaturbereich sehr schlechte Fließeigenschaften hat und eine sehr hohe Pumpleistung erforderlich ist, um das verflüssigte Arbeitsmittel unter Druck zum Dampferzeuger zu pumpen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß bei derartigen Mischungen auterund der sehr unterschiedlichen Siedepunkte der beiden Bestandteile die eine Komponente sich durch fraktionierte Destillation in der Dampfphase anreichert _unI Salb in der Flüssigphase die gewünscht, Herabsetzung des Siedepunktes nicht mehr bewirken ^Aufgabe der Erfindung ist es, ein Arbeitsmittel für eine Dampfkraftanlage mit geschlossenem Rankine-Kreislauf zu schaffen, das neben einem niedrigen Gefrierpunkt auch eine geringe Viskosität des flüssigen Arbeitsmittels bis in Gefrierpunktnähe aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Dampfkraftwerk der eingangs genannten Art darin, daß das Dichlorbenzol eine EE"von Orthodichlorbenzol (ODB) und Metadichlorbenzol (MDB) ist. wobei die Zusammensetzung des verflüssigten Dichlorbenzols im Kondensator im Bereich von 2:3 bi* 32 von Orthodichlorbenzol zu Metadichlorbenzol liegt, wenn sich das Kraftwerk im Beharrungs/ustand befindet, bei dem die Zusammensetzung der Flüssigkeit im Kondensator gleich der Zusammensetzung des Dampfes im Dampferzeuger ist

Hierdurch wird einerseits der Vorteil erreicht, daß der Gefrierpunkt des Arbeitsmittels auf einen sehr tiefen Wert gesenkt wird. Wenn gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ODB und MDB in der eutektischen Mischung, also in einem Mischungsverhältnis vor etwa 1:1 verwendet werden, hegt der Gefrierpunkt bei -6O⁰C, im Gegensatz zu dem Gefrierpunkt des reinen ODB von -17° C und des reinen MDB von -25⁰C Andererseits wird der Vorteil erreicht daß die Viskosität des Arbeitsmittels bis zu sehr tiefen Temperaturen gering bleibt. Bei Verwendung der eutektischen Mischung beträgt die Viskosität bei -50⁰C nur etwa 6cp und liegt damit in der gleichen Größenordnung wie die Viskosität bei Raumtemperatur

Damit kann das Kraftwerk auch bei niedrigen Temperaturen ohne übermäßigen Anstieg der erforderlichen Pumpleistung arbeitsfähig bleiben. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Siedepunkte von ODB und MDB sehr nahe beieinanderliegen und ihre thermodynamischen Eigenschaften im wesentlichen gleich sind. Auch die Korrosivität der erfindungsgemäßen Mischung aus ODB und MDB in der Dampfphase im Dampferzeuger und in der Turbine isi nicht größer als die von reinem ODB. Deshalb weiden durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Arbeitsmittels in einem an sich auf die Verwendung von z. B. reinem ODB ausgelegten Dampfkraftwerk dessen günstige Betriebseigenschaften bei Normaltemperaturen und dessen Wirkungsgrad nicht beeinträchtigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnung, die ein schematisches Phasendiagramm für die Gasphase und Flüssigphase von Mischungen aus ODB und MDB zeigt, näher erläutert.

Für die folgende Beschreibung soll mit Lb die Zusammensetzung des aus ODB und MDB bestehenden Arbeitsmittels in der flüssigen Phase im Dampferzeuger bezeichnet werden, mit V_B die Zusammensetzung des Arbeitsmittels in der Dampfphase im Dampferzeuger, und analog mit Vc die Zusammensetzung mit der Dampfphase und Lc die Zusammensetzung in der Flüssigphase des Kondensators. Aufgrund der etwas unterschiedlichen Siedepunkte von ODB und MDB werden sich etwas unterschiedliche Zusammensetzungen der miteinander im Gleichgewicht stehenden Dampf- und Flüssigphase im Dampferzeuger und

ebenso der Dampf- und Flüssigphase im Kondensator ergeben. Wenn ein stationärer Betriebszustand der An'age erreicht ist und eingehalten wird, ist jedoch die Zusammensetzung des Dampfes im Dampferzeuger die gleiche, wie die Zusammensetzung der Flüssigkeit im Kondensator.

In der Zeichnung ist angenommen, daß das flüssige Arbeitsmittel im Dampferzeuger eine Zusammensetzung Lsi hat. Nachdem das dampfförmige Arbeitsmittel in der Turbine expandiert und dem Kondensator zugeführt worden ist, hat der Dampf in dem Kondensator eine Zusammensetzung Vc i. die im Gleichgewicht der Flüssigkeit der Zusammensetzung Ln im Kondensator steht Aufgrund der Bedingung eines stationären Betriebes ist die Zusammensetzung des Dampfes im Dampferzeuger die gleiche, wie die Zusammensetzung der Flüssigkeit im Kondensator, daß die Punkte Vb\ und Lei auf der gleichen Abzisse des Phasendiagramms liegea

Gemäß der Erfindung liegt der Bereich der Zusammensetzung für das verflüssigte Arbeitsmittel im Kondensator zwischen den in der Zeichung angegebenen Grenzen, nämlich 60% ODB und 40% MDB, gekennzeichnet durch die Bezugszeichen mit Index 2 bzw. 40% ODB und 60% MDB, gekennzeichnet durch die Bezugszeichen mit Index 1. Innerhalb dieses Bereiches kann das mit diesem Arbeitsmittel arbeitende Kraftwerk bei Umgebungstemperaturen bis zu -50⁰C betrieben werden, wobei die Viskosität des verflüssigten Arbeitsmittels in derselben Größenordnung wie die Viskosität bei Raumtemperatur verbleibt und die einwandfreie Rückführung des Arbeitsmittels zum Dampferzeuger ohne übermäßig hohe Pumpleistung gewährleistet ist.

Die in der Zeichnung dargestellten Kurven sind bei bestimmten Drücken im Dampferzeuger und Kondensator anwendbar. Eine Änderung des Drucks im Dampferzeuger aufgrund einer Änderung der elektrischen Last verschiebt die Dampferzeugerdruckkurve, und eine Änderung in dem Wärmeableitvermögen des Kondensators, infolge einer Änderung der Wetterbedingungen in der Umgebung verschiebt die Kondensatordruckkurve. In beiden Fällen ist es wesentlich, daß die in dem Kondensator enthaltene Flüssigkeit eine Mischung ist, deren Zusammensetzung sich innerhalb der in der Zeichnung angegebenen Grenzen befindet. Aufgrund der Variablen in bezug auf den Druck im Dampferzeuger und Kondensator gibt es weitere Grenzen in der Änderung der Zusammensetzung der Flüssigkeit im Dampferzeuger während des ständigen Betriebs. Als Konsequenz hiervon gibt es einen entsprechend weiteren Bereich der Änderung in der Mischung, mit der das Kraftwerk betrieben werden kann, um das gewünschte Verhalten im Kondensator während des ständigen Betriebs zu erzielen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Dampferzeuger so betrieben, daß gesättigter Dampf von einer Temperatur zwischen UO⁰C und 135⁰C, was von der Turbinenlast abhängig ist, zur Turbine geliefert wird. Bei der bevorzugten Ausfüh rungsform soll bei stationärem Betriebszustand die Flüssigkeit in dem Kondensator als eutektische Mischung von ODB und MDB, nämlich als Mischung von gleichen Teilen von ODB und MDB, vorliegen, da diese Mischung den niedrigst möglichen Gefrierpunkt

is von allen möglichen Mischungen besitzt Weil der stationäre Zustand erfordert, daß das Mischungsverhältnis der kondensierten Flüssigkeit das gleiche wie das Mischungsverhältnis des Dampfes im Dampferzeuger ist, folgt, daß die Flüssigkeit im Dampferzeuger solches Mischungsverhältnis haben muß, daß sie eine eutektische Dampfmischung erzeugt, wenn die Flüssigkeit siedet Dieses Resultat wird mit einer Flüssigkeitsmischung im Dampferzeuger von fünf Teilen MDB und sechs Teilen ODB erreicht.

Unter der Voraussetzung, daß der Anteil der Flüssigkeit, die beim Abschalten in den verschiedenen Teilen des Systems verbleibt, im Verhältnis zu der im Dampferzeuger enthaltenen Flüssigkeit weniger als 5% beträgt, ist es möglich, das System anfänglich mit einer

Mischung von MDB und ODB in einem Verhältnis von 5:6 zu füllen, um eine im wesentlichen eutektische Zusammensetzung der Flüssigkeit im Kondensator bei stationärem Zustand des Kraftwerks zu erhalten. Bei anderen Systemen, anderen Betriebsbedingungen un^

bei einem größeren Anteil der Flüssigkeit, die beim Abschalten in den verschiedenen Teilen des Systems zurückbleibt, kann ein anderes Mischungsverhältnis von MDB und ODB erforderlich sein, um die eutektische Mischung der Flüssigkeit im Kondensator bei stationären Betriebsbedingungen zu erhalten. Im allgemeinen können die erforderlichen Anteile von MDB und ODB durch Versuche ermittelt werden, da die Entnahme von Flüssigkeitsproben aus dem Kondensator im Beharrungszustand Informationen über mögliche in dem

System erforderliche Änderungen liefert Wenn einmal die erforderliche Menge jeder Flüssigkeitskomponente in das System eingefüllt wurde, wird beim weiteren Betrieb immer die Flüssigkeit im Kondensator die eutektische Mischung von MDB und ODB oder jedenfalls eine Mischung in dem Bereich von 3:2 zu 2:3 sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Dampfkraftwerk mit geschlossenem Rankine· Kreislauf mit Dichlorbenzol als Arbeitsmittel, S welches in einem Dampferzeuger verdampft, in einer Turbine entspannt, in einem Kondensator verflüssigt und durch eine Druckerhöhungspumpe zum Dampferzeuger zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichlorben- zol eine Mischung von Orthodichlorbensol und Metadichlorbenzol ist, wobei die Zusammensetzung des verflüssigten Dichlorbenzol im Kondensator im Bereich von 2:3 bis 3:2 von Orthodichlorbenzol zu Metadichlorbenzol Hegt, wenn sich das Kraftwerk >s im Beharrungszustand befindet, bei dem die Zusammensetzung der Flüssigkeit im Kondensator gleich der Zusammensetzung des Dampfes im Dampferzeuger ist.

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