DE2344428A1

DE2344428A1 - Waermeuebertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE2344428A1
Application number: DE19732344428
Authority: DE
Inventors: Lucien Yehuda Bronicki; Amnon Yogev
Original assignee: Ormat Turbines Ltd
Current assignee: Ormat Industries Ltd
Priority date: 1972-09-20
Filing date: 1973-09-04
Publication date: 1974-04-11
Also published as: BR7306921D0; SE388003B; OA04477A; IL40390A0; IL40390A; US3845628A; AR202802A1; AU474001B2; FR2199796A5; GB1408807A; IT994282B; CA978376A; AU5996173A; ZA735681B; DE2344428C2

Description

Ormat Turbines (1965) Ltd., Yavne (Israel) Wärmeübertragungseinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinrichtung eines Typs, der ein Paar von Wärmetauschern aufweist, die in einem geschlossenen System miteinander verbunden sind, und insbesondere ein Kraftwerk mit geschlossenem Rankine-Kreislauf.

Wärmeübertragungseinrxchtungen des Typs, die ein Paar von Wärmetauschern aufweisen, die in einem geschlossenen System miteinander verbunden sind, finden zahlreiche Anwendung in vielen industriellen Prozessen. Ein extrem einfaches Beispiel ist dasjenige eines Wasserboilers, der Dampf zu einem Wärmetauscher führt, in dem dem Dampf Wärme entnommen wird, wobei-ein industrieller Prozess ausgeführt wird, wäh-

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rend der Dampf kondensiert wird, indem Wasser erzeugt wird, das in den Boiler zurückgeführt werden kann, um den Kreislauf zu vervollständigen. Ein komplizierteres Beispiel ist ein Kraftwerk mit geschlossenem Rankine-Kreislauf, das mit einer organischen Arbeitsflüssigkeit betrieben wird. Ein derartiges Kraftwerk entspricht der oben beschriebenen Wärmeübertragungseinrichtung,, da der Dampfkessel, in dem die Arbeitsflüssigkeit verdampft wird, einen der Wärmetauscher der Einrichtung bildet, während der andere Wärmetauscher durch die Turbine und das Kühlaggregat gebildet wird. Die Turbine entspannt den Dampf, der von dem Dampfkessel gebildet wird, und treibt eine Last, etwa einen elektrischen Generator, während das Kühlaggregat den Turbinenausgangsdampf in eine Flüssigkeit mit. einer Temperatur und einem Druck niedriger als im Kessel überführt. Geeignete Mittel sind hierbei in dem Kraftwerk vorgesehen, um die kondensierte Flüssigkeit zurück in den Kessel zu befördern*

Kraftwerke dieses Typs sind im einzelnen in den US-PSen 3 393 515 und 3 4o9 782 beschrieben. Sie können als sehr betriebssicher und relativ leistungsfähig bezeichnet werden. Sie werden daher laufend zur Stromversorgung von Nachrichtenübermittlungseinrichtungen entweder zum dauernden Betrieb oder als Notaggregat bei abgelegenen, unbemannten

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RelayrStationen verwendet, die aufgrund ihrer Unzugänglichkeit nur selten aufgetankt und gewartet werden können. ■

Eine geeignete Arbeitsflüssigkeit für diesen Kraftwerktyp ist Orthodichlorbenzol (ODB), das gute thermodynamische Eigenschaften besitzt, die Lager der rotierenden Teile des Kraftwerks ausreichend schmiert und das Material, aus dem das Kraftwerk hergestellt ist, bei den üblichen Kesselarbeitstemperaturen, die etwa bei 2oo C liegen, nicht korrosiv angreift.

Kraftwerke, die ODB benutzen, arbeiten in jeder beliebigen Umgebung zufriedenstellend, wo die Umgebungstemperatur oberhalb des Gefrierpunktes von ODB, der bei etwa -17°C liegt, übersteigt. Im allgemeinen ist der kälteste Teil des Systems, der mit der Axbeitsflüssigkeit in Berührung steht, das Kühlaggregat, das üblicherweise so ausgelegt ist, daß es im stationären Zustand mit einer besonderen zusätzlichen Temperaturdifferenz oberhalb der Umgebungstemperatur arbeitet, so daß der gewünschte Betrag an Wärmeabgabe geliefert wird. Unter den Betriebsbedingungen des stationären Zustands kann daher die Flüssigkeit im Kühlaggregat bei einer Temperatur oberhalb ihres Gefrierpunktes gehalten werden, während die Temperatur aller

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Teile, die in Berührung mit dem Dampf stehen, auf einer solchen Höhe gehalten werdenkönnen, die den Taupunkt des Dampfes übersteigt. Das Problem besteht jedoch im Starten der Einrichtung unter Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunktes der Arbeitsflüssigkeit, wenn alle Teile des Systems Umgebungstemperatur aufweisen.

Um die Einrichtung erfolgreich zu starten, ist es notwendig, die verschiedenen Teile langsam und vorsichtig zu erwärmen, während zu jeder Zeit sichergestellt sein muß, daß flüssige Arbeitsflüssigkeit, die an kalten Teilen kondensiert, nicht anfriert und das System blockiert. Hierzu sind gewöhnlich beträchtliche Zeit und ein manueller Eingriff erforderlich. Dies ist jedoch nicht bei solchen Einrichtungen möglich, die beispielsweise als Notaggregat dienen und die in der Lage sein müssen, automatisch gestartet zu werden und sehr schnell die Betriebsbedingungen des stationären Zustands nach Indienststellung zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue und verbesserte Wärmeübertragungseinrichtung des Typs zu schaffen, der ein Paar von Wärmetauschern aufweist, die in einem geschlossenen System miteinander verbunden sind, und insbesondere ein Kraftwerk mit einem geschlossenen Rankine-

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Kreislauf zu schaffen, bei denen die oben genannten Nachteile und Schwierigkeiten beim Starten wesentlich reduziert oder beseitigt sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine Wärmeübertragungseinrichtung vorgeschlagen, die ein Paar von Wärmetauschern aufweist, die in einem geschlossenen System miteinander verbunden sind, das eine Wärmeübertragungsflüssigkeit aus einer Mischung von wenigstens zwei,Flüssigkeiten enthält, die unterschiedliche Siedepunkte haben, nämlich die Startflüssigkeit, d.h. die Flüssigkeit, mit dem niedrigeren Siedepunkt, die einen Gefrierpunkt aufweist, der niedriger als der Gefrierpunkt de.r Arbeitsflüssigkeit, d.h. derjenigen Flüssigkeit mit dem höheren Siedepunkt, ist;-die Beaufschlagung mit Wärme des ersten der beiden Wärmetauscher, der darin befindliche Flüssigkeit in Dampf umwandelt, der in den zweiten Wärmetauscher strömt, von dem Wärme entzogen wird, um den darin befindlichen Dampf in eine Flüssigkeit bei einer Temperatur und einem Druck niedriger als in dem ersten Wärmetauscher zu überführen; Mittel zum Rückführen von Flüssigkeit von dem zweiten Wärmetauscher in den ersten Wärmetauscher und Mittel zum Auffangen der flüssigen Startflüssigkeit, wie sie von dem zweiten Wärmetauscher während der anfänglichen Wärmebeauf-

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schlagung des ersten Wärmetauschers erzeugt wird, und zum Vermeiden der Rückkehr der aufgefangenen flüssigen Startflüssigkeit zu dem ersten Wärmetauscher, solange dieser ausreichend mit Wärme beaufschlagt wird, wobei die Arbeitsflüssigkeit in dem System zirkuliert, nachdem die Startflüssigkeit aufgefangen ist.

Während der anfänglichen Wärmebeaufschlagung des ersten Wärmetauschers beim Starten der Wärmeübertragungseinrichtung verdampft die Startflüssigkeit, bevor die Arbeitsflüssigkeit zu verdampfen beginnt. Die verdampfte Startflüssigkeit gibt an alle Teile der Wärmeübertragungseinrichtung, die hiermit in Kontakt kommen,Wärme ab und kondensiert eventuell in dem zweiten Wärmetauscher und wird aufgefangen. Wenn die Startflüssigkeit einen relativ niedrigen Gefrierpunkt aufweist, wird die kondensierte Startflüssigkeit nicht gefrieren, wenn sich die Umgebungstemperatur unterhalb des Gefrierpunktes der Arbeitsflüssigkeit befindet. Wenn mit der Zeit der größte Teil der Startflüssigkeit in dem System im zweiten Wärmetauscher kondensiert ist, sind die Teile der Wärmeübertragungseinrichtung einschließlich des zweiten Wärmetauschers auf einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes der Arbeitsflüssigkeit in dem flüssigen Zustand. An diesem Punkt beginnt das Ver-

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dampfen der Arbeitsflüssigkeit durch den ersten Wärmetauscher, die dann beginnt, in dem System zu zirkulieren, während die aufgefangene Startflüssigkeit solange aufgefangen bleibt, wie der erste Wärmetauscher mit genügend Wärme beaufschlagt wird.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die flüssige Startflüssigkeit in einem Behälter aufgefangen, der mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, wobei das Auffangen automatisch und unabhängig von irgendeinem Sensor oder einer Steuerung mit Hilfe eines Rückschlagventils in der Flüssigkeitsleitung,' die den Behälter mit dem ersten Wärmetauscher verbindet, erfolgt. Das Rückschlagventil verhindert, daß mit Druck beaufschlagte Flüssigkeit in dem ersten Wärmetauscher in den Behälter fließt, bewirkt jedoch, daß infolge der Schwerkraft die Flüssigkeit in dem Behälter in den ersten Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Beendigung der Wärmebeaufschlagung hiervon fließt. In alternativen Anordnungen kann das Rückschlagventil durch ein Ventil ersetzt werden, das durch eine Magnetspule oder pneumatisch bedient wird und geschlossen ist, wenn ein Sensor feststellt, daß die gesamte Startflüssigkeit in dem Behälter aufgefangen ist, oder es kann auch ein manuell betätigbares Ventil vorgesehen sein, wenn die Umstände es • erlauben»

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In einer Auführungsform der Erfindung ist das Rückschlagventil unterhalb des Behälters angeordnet und bleibt gegeschlossen, bis eine vorbestimmte Menge von flüssiger Startflüssigkeit in dem Behälter vorhanden ist. Die Anordnung des Behälters relativ zu dem ersten Wärmetauscher wird derart vorgenommen, daß, nachdem eine vorbestimmte Menge an Startflüssigkeit in dem Behälter ist, der Flüssigkeitsdruck auf das Rückschlagventil bewirkt, daß das Ventil geöffent wird, wodurch die Flüssigkeit von dem zweiten Wärmetauscher in den ersten Wärmetauscher läuft. Das meiste oder gesamte dieser Flüssigkeit wird sich in der Arbeitsflüssigkeit befinden. In dieser Form der Erfindung kann die S.tartf lüssigkeit einen Siedepunkt aufweisen, der sehr viel niedriger als derjenige der Arbeitsflüssigkeit iät. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Form der Erfindung ist die Wärmeübertragungseinrichtung in Form eines Kraftwerks mit einem geschlossenen Rankine-Kreislauf vorgeschlagen, dessen Kessel den ersten Wärmetauscher und die Turbine und das Kühlaggregat hiervon den zweiten Wärmetauscher bilden. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Startflüssigkeit vorzugsweise ein niedriger aliphatischer einwertiger Alkohol mit bis zu 3 Kohlenstoffatomen und vorzugsweise Methylalkohol, während die Arbeitsflüssig-

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keit vorzugsweise ODB ist. Alternativ könnte die Wärmeübertragungsflüssigkeit auch eine Mischung von anorganischen Flüssigkeiten wie SnCl. und SnBr. sein.

In einer anderen Ausführungs form der Erfindung kann zwischen der Dampfseite des Behälters und der Dampfseite des zweiten Wärmetauschers eine Verbindung zum Zuführen von verdampfter Startflüssigkeit zurück in den zweiten Wärmetauscher bestehen, wenn der Dampfdruck in dem Behälter den Dampfdruck in dem zweiten Wäremtauscher übersteigt. Bei' dieser Anordnung sollte die Startflüssigkeit einen Dampfdruck bei Umgebungstemperatur aufweisen, der nicht größer als der Dampfdruck im zweiten Wärmetauscher unter stationären- Arbeitsbedingungen ist. Diese Anordnung verhindert das Zurückführen der verdampften Startflüssigkeit unter stationären Arbeitsbedingungen, erlaubt jedoch ein Zurückführen» wenn die Temperatur in dem zweiten Wärmetauscher beginnt, unter einen Wert zu fallen, der zu einem Frieren der flüssigen Arbeitsflüssigkeit in dem zweiten Wärmetauscher führen kann. Das Zurückführen des Dampfes der Startflüssigkeit in den zweiten Wärmetauscher ergibt unter diesen Bedingungen eine Kondensation von einer gewissen Menge von ' Startflüssigkeit, wobei sich die sich auf diese Weise ergebende Flüssigkeit mit der Arbeitsflüssigkeit im zweiten

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Wärmetauscher mischt, wodurch auf diese Weise ihr Gefrierpunkt heragesetzf und einer Verfestigung vorgebeugt wird.

Um die Startflüssigkeit aus dem Zyklus zu entfernen, nachdem die Wärmeübetragungseinrichtung zu den gewünschten Arbeitsbedingungen zurückgeführt worden ist, weist die Verbindung zwischen der Dampfseite des Behälters und der Dampfseite des zweiten Wärmetauschers vorzugsweise eine Destillationskolonne auf, die von dem zweiten Wärmetauscher getrennt oder ein funktioneller Teil hiervon zum Kondensieren der Startflüssigkeit aus dem Dampf in dem zweiten Wärmetauscher ist. Das Rückschlagventil kann wahlweise zwischen dem Behälter und der Dampfseite des zweiten Wärmetauschers eingesetzt werden, wobei das Ventil beispielsweise mit Hilfe eines Sensors mit einem Schwimmer in dem Behälter oder durch manuelle Betätigung steuerbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform dieser Form der Erfindung ist die Wärmeübertragungseinrichtung ein Kraftwerk mit einem geschlossenen Rankine-Kreislauf, in dem als Arbeitsflüssigkeit ODB verwendet wird. Die bevorzugte Startflüssigkeit ist Methylcyclohexan. Um eine zusätzliche Steuerung des Rücklaufs der verdampften Startflüssigkeit von dem Behälter zu erzielen, ist es freigestellt, den Behälter

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auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur unabhängig von den Umgebungsbedingungen zu halten. Ein Weg, durch den dies erreicht werden kann, besteht darin, den Behälter in dem Kamin anzuordnen, durch den die durch das Verbrennen des Brennstoffs erzeugten Gase abgeführt werden, wenn der Kessel mit Hilfe eines Brennstoffs beheizt wird.

Die Wärmeiibertragungsf lüssigkext gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise eine Mischung aus einer Start- und einer Arbeitsflüssigkeit. Wahlweise kann jedoch auch die Wärmeübertragungsflüssigkext eine Mischung von anderen Flüssigkeiten sein, wobei Start- und Arbeitsflüssigkeiten durch Destillation trennbar sind. Im allgemeinen kann die Wärmeübertragungsflüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Mischung einer organischen und einer anorganischen Flüssigkeit sein, oder nur aus anorganischen Flüssigkeiten bestehen. Beispielsweise kann die Startflüssigkeit SnCl₄ und die Arbeitsflüssigkeit SnBr. sein, di-e zum Betrieb einer Turbine geeignet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer

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Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der in Figur 1 dargestellten Wäraieübertragungseinrichtung.

Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 4 ist ein Steuersystem, das insbesondere bei der "in Figur 3 dargestellten Ausführungsform anwendbar ist.

In Figur 1 ist die Wärmeübertragungseinrichtung mit der Bezugsziffer 1o bezeichnet und besitzt ein Paar von Wärmetauschern 11 und 12, die in eine» geschlossenen System Miteinander verbunden sind. In diesem System ist eine Wärmeübertragungsflüssigkeit enthalten, die aus einer Mischung von zwei Flüssigkeiten besteht, die unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Die·Flüssigkeit mit dem niedrigeren Siedepunkt wird als Startflüssigkeit· bezeichnet und besitzt einen Gefrierpunkt, der niedriger als der der anderen Flüssigkeit ist, die als Arbeitsflüssigkeit bezeichnet wird. Die Arbeitsflüssigkeit kann beispielsweise Wasser und die Startflüssigkeit Methylalkohol sein.

Wenn die Einrichtung 1o sich im Ruhezustand befindet, ist

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die gesamte Wärmeübertragungsflüssigkeit in dem Wärmetauscher 11 enthalten, während sich sämtliche verschiedenen Teile des Systems auf Umgebungstemperatur befinden, die im Bereich zwischen den Gefrierpunkten der beiden Flüssigkeiten, die die Wärmeübertragungsflüssigkeit bilden, liegen kann. Wenn der Wärmetauscher 11 mit Wärme beaufschlagt wird, um das System von seinem Ruhezustand aus zu starten, verdampft die Stärtflüssigkeit vor der Arbeitsflüssigkeit infolge ihres niedrigeren Siedepunktes, worauf die verdampfte Startflüssigkeit in den Wärmetauscher 12 strömt, wo dem Dampf Wärme entzogen wird und die verdampfte Startflüssigkeit in eine Flüssigkeit überführt wird, die abwärts in eine senkrechte Leitung 13 fliesst. Ein Rückschlagventil 14, das infolge des Drucks in dem Wärmetauscher 11 aufgrund der Wärmebeaufschlagung hiervon geschlossen ist, ist ebenfalls für den Fluss der Startflüssigkeit in der Leitung 13 ober-« halb des Rückschlagventils geschlossen. An diesem Punkt besteht eine Diskontinuität in dem geschlossenen Kreislauf, so daß die in dem Wärmetauscher 11 verdampfte Startflüssigkeit nicht in diesen Wärmetauscher zurückkehrt. Stattdessen wandert die flüssige Startflüssigkeit durch eine Leitung 15 und wird in einem Behälter 16 gesammelt.

Das Rückschlagventil 14 ist mit einer Feder vorgespannt, um zu vermeiden, daß die Flüssigkeit in der senkrechten Lei-

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tung 13 zum Wärmetauscher zurückkehrt, bis eine vorbestimmte Druckdifferenz an dem Ventil existiert. Demzufolge füllt sich der Behälter 16 mit flüssiger Startflüssigkeit, wenn diese Flüssigkeit in dem Wärmetauscher 11 verdampft und in dem Wärmetauscher 12 kondensiert wird.

Während der Zeit, in der die Startflüssigkeit den Behälter 16 füllt, wird die Wärme in der verdampften Startflüssigkeit an das Leitungssystem abgegeben, das mit der Wärmeübertragungseinrichtung "verbunden ist, ebenso wie sie an die einzelnen Teile des Wärmetauschers 12 abgegeben wird, wobei alle diese Teile erwärmt werden. Eventuell wird die gesamte Startflüssigkeit in dem Wärmetauscher 11 verdampft und in dem Wärmetauscher 12 kondensiert, während die flüssige Startflüssigkeit in dem Behälter 16 aufgefangen wird. An dieser Stelle werden alle Teile des Systems auf eine Temperatur erwärmt, die wenigstens oberhalb des Gefrierpunkts der Arbeitsflüssigkeit liegt, wobei die meisten der Teile, die in Berührung mit der verdampften Arbeitsflüssigkeit stehen, sich auf einer Temperatur oberhalb des Taupunktes der Arbeitsflüssigkeit befinden. Der Dampfdruck in dem Behälter zusammen mit dem Flüssigkeitsdruck der Flüssigkeit in der senkrechten Leitung 13, die in einer Richtung auf das Rückschlagventil 14 wirken, werden nun den mit der Federvorspannung des Sicherheitsventils kombinierten Druck und

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Flüssigkeitsdruck auf das. Ventil aufgrund der Flüssigkeit und des Dampfes in dem Wärmetauscher 11 übersteigen. Folglich wird sich das Rückschlagventil nunmehr öffnen» wodurch die Flüssigkeit in der senkrechten Leitung 13 beginnen wird, durch das Ventil in den Wärmetauscher 11 zu f!leiten. Diese Flüssigkeit wird an dieser Stelle die Arbeitsflüssigkeit sein, die fortfahren wird, in dem System bis $|ia Ausschluss der StartflüsBigkeit zu zirkulieren, die in disü Behälter 16 solange aufgefangen bleibt, wie der Wärmetauscher 11 »it Wärme beaufschlagt wird. Daher beginnt mit 4er Zeit die Arbeitsflüssigkeit, durch das System zu zirkulieren, webei des System genügend erwärmt sein wird, um irgendeine Kondensation der Arbeitsflüssigkeit vor dem Gefrieren trott einer Umgebungstemperatur zu bewahren, die untejHkalb des Gefrierpunktes dieser Flüssigkeit liegt.

Alternativ kann zu der oben beschriebenen Anordnung, die ein passives System darstellt, das automatisch ohne Sensoren und Steuerungen betrieben werden kann, das Rückschlagventil durch eine Pumpe ersetzt werden, die zur arbeiten beginnt, wenn die Flüssigkeit im Behälter 16 eine vorbestimmte Höhe erreicht, die beispielsweise mit einem Schwimmerventil festgestellt wird, das anzeigt, daß die gesamte Startflüssigkeit in dea Behalter aufgefangen wurde. Diese

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Anordnung verzichtet in dieser Einrichtung auf eine Rückführung aufgrund der Schwerkraft und ist allgemein anwendbar, wenn die Dichte der verwendeten Flüssigkeiten und die in Betracht zu ziehenden Raumerfordernisse eine Anordnung mit einer Rückführung der Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, nicht ermöglichen.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die auf dem in Figur 1 gezeigten allgemeinen System beruht, nimmt die Wärmeübertragungseinrichtung die Form eines Kraftwerks

20 mit geschlossenem Rankine-Kreislauf, wie er in Figur 2 gezeigt ist, an, wobei eine organische oder anorganische Arbeitsflüssigkeit verwendet wird. Hier entspricht der Kessel

21 dem Wärmetauscher 11 von Figur 1 und die Turbine 22 und das Kühlaggregat 23 dem Wärmetauscher 12. Bei einem Kraftwerk, das dazu dient, Strom in entfernten Nachrichten-Relais-Stationen zu liefern, besteht die bevorzugte Arbeitsflüssig-

' keit aus Orth©dichlorbenzol (ODB), während in betriebsbereitem Zustand gesättigtes verdampftes ODB vom Kanal 21 zur Turbine 22 geführt wird, in der die Dämpfe entspannt werden, wodurch ein elektrischer Generator 24 angetrieben wird, der eine elektrische Last 25 mit Strom über eine Belastungsmessfühlereinrichtung 26 versorgt. Das Kühlaggregat 23 dient dazu, den Turbinenausgangsdampf in eine Flüssigkeit mit einem Druck, die niedriger als im Kessel 21 ist, und mit einer

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Temperatur, die um einen vorbestimmten Wert über der Umgebungstemperatur liegt, die kleiner als der Gefrierpunkt von ODB, nämlich niedriger -als etwa -17°C sein kann, umzuwandeln. Beim Betrieb im stationären Zustand wird daher die Flüssigkeit iiu Kühlaggregat nicht gefrieren, da das Kühlaggregat so ausgelegt ist, daß die Flüssigkeit auf einer Temperatur oberhalb ihres Gefrierpunktes gehalten wird.

Wie in den früher erwähnten US-Patentschriften ausgeführt ist, kann die Flüssigkeit im Kühlaggregat infolge der Schwerkraft durch die Lager 27 der rotierenden Teile des Kraftwerks geführt werden, wobei aufgrund des Flüssigkeitsdruckes in der vertikalen Leitung 28 die darin befindliche Flüssig- \ keit durch ein Rückschlagventil 29 in den Kessel 21 laufen kann, wodurch der Kreislauf vervollständigt wird. Der Kessel wird durch ein brennbares Material, etwa Gas in Stahlflaschen enthalten in einem Behälter 3o, das einem Brenner 31 über ein Steuerventil 32 zugeführt wird, dessen Einstellung durch den Belastungsmessfühler 26 bestimmt wird, mit Wärme beaufschlagt.

Wenn sich das Kraftwerk als Hilfs- oder Notaggregat in einer Umgebung befindet, wo die Umgebungstemperatur oft unterhalb des Gefrierpunktes von ODB liegt, wie in Kanada und

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Alaska, wird die gesamte Flüssigkeit des Systems in dem Kessel 21 entleert.· Der Inhalt des Kessels besteht unter diesen Bedingungen aus der Arbeitsflüssigkeit ODB und der Startflüssigkeit, die ein niedriger aliphatischer einwertiger Alkohol mit bis zu 3 Kohlenstoffatomen und vorzugsweise Methylalkohol sein kann. Das Volumen der Startflüssigkeit wird so sein, daß der Behälter 33 vollkommen gefüllt ist in dem Moment, wo das Rückschlagventil 29 durch den darauf einwirkenden Flüssigkeitsdruck geöffnet wird. Bei dieser Anordnung wird die anfängliche Wärmebeaufschlagung des Kessels 21, die durch das Öffnen des Steuerventils 32 und Ingangsetzen.des Brenners 31 bewirkt wird, dazu führen, daß die Startflüssigkeit verdampft und in die Turbine und das Kühlaggregat geführt wird. Die Startflüssigkeit, die insofern nur geringe thermodynamische Eigenschaften aufweist, wie die Turbine hierdurch arbeiten kann, hat einen geringen Einfluss auf den Antrieb der Turbine mit dem Ergebnis, daß die Lager 27 geschmiert werden, bevor die Rotation beginnt. Wichtiger ist jedoch, daß die verschiedenen Teile des Kraftwerks bis zu einem solchen Grad erhitzt werden, daß ein Gefrieren der kondensierten Arbeitsflüssigkeit vermieden wird, wenn die letztere beginnt, in dem Kessel zu verdampfen. Danach ist die Arbeitsweise des Kraftwerks die gleiche wie die weiter oben in Verbindung mit Figur 1 beschriebene.

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Andere als die oben angegebenen Startflüssigkeiten können in dem in Figur 1 gezeigten Kraftwerk mit der Einschränkung verwendet werden, daß die Startflüssigkeit einen Gefrierpunkt der Arbeitsflüssigkeit ODB und einen Siedepunkt beträchtlich unterhalb des Siedepunktes von ODB haben sollte. Alternativ können anorganische Flüssigkeiten wie SnCl- und SnBr. als Wärmeübertragungsflüssigkeiten benutzt werden.

Eines der Probleme bei Kraftwerken, wie sie in Figur 2 gezeigt sind, besteht in der Möglichkeit, daß sich unter bestimmten Umgebungsbedingungen und bei einer sehr geringen Belastung des Kraftwerks die Temperatur der Flüssigkeit im Kühlaggregat 23 dem Gefrierpunkt der Arbeitsflüssigkeit nähert. Unter diesen Umständen wäre es wünschenswert, einen Teil der Startflüssigkeit, die sich in dem Behälter 33 befindet, in das Kühlaggregat zurückzuleiten, um zu erreichen, daß die verdampfte Startflüssigkeit im Kühlaggregat 23 kondensiert und den Gefrierpunkt der darin befindlichen Flüssigkeit herabsetzt. Auf diese Weise wird ein Teil der Startflüssigkeit in der Arbeitsflüssigkeit verbleiben und die Temperatur der Flüssigkeit ie System auf einem Wert oberhalb des Gefrierpunktes halten. Das Problem besteht hierbei darin, die Startflüssigkeit aus dem System zu eliminier ren, wenn das Kraftwerk auf höhere Leistung zurückgebracht wird oder wenn die Umgebungstemperatur ansteigt.

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Dieses Problem wird durch Verwendung einer Einrichtung 4o gemäß Figur 3 gelöst. Hierbei ist der Kessel 42 unter dem Hauptkühlaggregat 41 in einer Höhe angeordnet, die einen genügenden hydrostatischen Druck liefert, so daß die kondensierte Flüssigkeit in den Kessel eintreten kann. Mit der Dampfseite des Kühlaggregats verbunden ist eine Destillationskolonne, die allgemein mit der Bezugsziffer 43 bezeichnet ist und dazu dient, die Startflüssigkeit, die in dem Hauptkühlaggregat enthalten ist, zu kondensieren, unxl bewirkt, daß die flüssige Startflüssigkeit in einem Behälter 44 gesammelt wird, der mit dem Kessel 42 über ein Absperrventil 45 verbunden ist, das nach den gleichen Prinzipien wie das Rückschlagventil der vorhergehenden Ausführungsform arbeitet.

Während des Betriebs im stationären Zustand wird der Behälter 44 vorzugsweise auf einer bestimmten Temperatur mit Hilfe eines Mantels 46 gehalten, durch den die Verbrennungsabgase 47 strömen, die durch die Verbrennung des Brennstoffs durch den Brenner erzeugt werden. Folglich wird der Dampfdruck in dem Behälter 44 auf einer im wesentlichen konstanten Höhe gehalten, die unabhängig von den Bedingungen des Wetters in der Umgebung ist. Die Startflüssigkeit wird so ausgewählt, daß ihr Dampfdruck bei der Bezugstemperatur, die durch den Mantel 46 erzeugt wird,nicht größer ist als

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der Dampfdruck der Arbeitsflüssigkeit in dem Kühlaggregat an dem hierfür bestimmten. Arbeitspunkt. Wenn das Wetter kälter wird als für die Ausführung vorgesehen oder die Belastung der Turbine geringer als die vorgesehene Last ist, sinkt folglich die Temperatur der flüssigen Arbeitsflüssigkeit in dem Kühlaggregat und bewirkt ein Absinken des Dampfdruckes in dem Hauptkühlaggregat. Mit einer geeigneten Startflüssigkeit im Behälter 44 erreicht man ein Zurückführen der verdampften Startflüssigkeit, wodurch der Gefrierpunkt der Flüssigkeit, die durch das Kraftwerk zirkuliert, gesenkt wird, so daß das Anfrieren der Flüssigkeit in dem Hauptkühlaggregat vermieden wird. Wenn, das Wetter wärmer wird oder die Belastung wächst, wird die Startflüssigkeit aus dem Dampf in dem Kühlaggregat ausdestilliert und nochmals in dem Behälter 44 gesammelt. Beim Abschalten läuft die Flüssigkeit im Behälter 44 durch das Rückschlagventil 45 und in den Kessel, wie vorher beschrieben, aufgrund des Abfalls des Kesseldruckes .

Beim Starten verdampft die Startflüssigkeit zuerst und dient zum Erwärmen der einzelnen Teile des Kraftwerks, wie vorher beschrieben wurde. Die bevorzugte Startflüssigkeit für diese Ausführungsform ist Methylcyclohexan, dessen Dampfdruck, Siedepunkt und Gefrierpunkt die gewünschte Beziehung zum

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Dampfdruck, Siedepunkt und Gefrierpunkt von ODB in den interessierenden Temperatur- und Druckbereich aufweisen.

Das Halten der Temperatur des Behälters 44 auf einer konstanten Bezugs temperatur wird bevorzugt, da auf diese Weise die Steuerung des Rücklaufs von der Umgebungstemperatur isoliert wird. Hierdurch wird ferner gesichert, daß die Startflüssigkeit nicht unter extrem kalten Bedingungen während .des Betriebs im stationären Zustand gefriert. Jedoch ist es in vielen Fällen auch möglich, den Mantel 46 nicht vorzusehen und den Behälter 44 der Umgebungstemperatur auszusetzen.

Gemäß einer weiteren fakultativen Ausführungsform ist es auch möglich, den Rücklauf mittels eines Ventils zu steuern, das zwischen der Destillationskolonne und dem Behälter angebracht ist, indem die Startflüssigkeit gesammelt wird. Figur 4 zeigt einen Weg, wie die Entkopplung der Destillationskolonne von dem Behälter erreicht werden kann. Im einzelnen ist ein Ventil in der Leitung vorgesehen, die die Destillationskolonne mit dem Behälter verbindet, wobei die Betätigung des Ventils durch einen Schwimmer im Behälter gesteuert wird. Auf diese Weise kann die Höhe des Flüssigkeitstandes im Behälter ausgen-utzt werden, um die Entkopplungs des Behälters von der Destillationskolonne zu erreichen. Letzteres kann aber auch mit Hilfe einer Magnetspule oder einem pneumatisch oder manuell betätigbaren Ventil erfolgen.

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Claims

Patentansprüche

.] Wärmeübertragungseinrichtung, gekennzeichnet durch ein Paar von Wärmetauschern (11, 12; 21, 22, 23; 42, 41, 43), die in einem geschlossenen System miteinander verbunden sind, das eine Wärmeübertragungsflüssigkeit enthält, die aus einer Mischung von wenigstens zwei Flüssigkeiten besteht, die unterschiedliche Siedepunkte aufweisen, nämlich der Startflüssigkeit, d.h. der Flüssigkeit mit dem niedrigeren Siedepunkt, die einen Gefrierpunkt besitzt, der niedriger als der Gefrierpunkt der Arbeitsflüssigkeit ist, d.h. der Flüssigkeit mit dem höheren Siedepunkt; Wärmebeaufschlagung des ersten der Wärmetauscher (11, 21, 42), wodurch flüssige Flüssigkeit hierin in Dampf überführt wird, der in den zweiten Wärmetauscher (12; 22, 23; 41, 43) strömt, dem Wärme entnommen wird, um den Dampf hierin in eine Flüssigkeit mit einer Temperatur und einem Druck umzuwandeln, die geringer als im ersten Wärmetauscher sind; Mittel zum Rückführen von Flüssigkeit vom zweiten Wärmetauscher in den ersten Wärmetauscher und Mittel (16, 33, 44) zum Auffangen flüssiger Startflüssigkeit, wenn diese durch den zweiten Wärmetauscher während der anfänglichen Wärmebeaufschlagung des

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ersten Wärmetauschers erzeugt wird und Mittel zum Vermeiden der Rückkehr der aufgefangenen flüssigen Startflüssigkeit zum ersten Wärmetauscher, solange dieser mit genügend Wärme beaufschlagt wird, wobei die Arbeitsflüssigkeit in dem System zirkuliert, nachdem die Startflüssigkeit aufgefangen worden ist.
2. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Auffangen der flüssigen Startflüssigkeit einen Behälter (16, 33, 44), der mit dem zweiten Wärmetauscher (12; 22, 23; 41, 43) verbunden ist und ein Rückschlagventil (14, 29, 45) in der Flüssigkeitsleitung, die den Behälter mit dem ersten Wärmetauscher (11, 21, 42) verbindet, aufweist, damit darin unter Druck befindliche Flüssigkeit nicht in den Behälter fließen kann und Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft aus dem Behälter in den ersten Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Wärmebeaufschiagung des letzteren fliesst.
3. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (14, 29, 45) unterhalb des Behälters (16, 33, 44) angeordnet ist und geschlossen bleibt, bis der Behälter mit flüssiger Startflüssigkeit gefüllt ist, wonach der hydrostatische Druck auf das Ventil bewirkt, daß dieses geöffnet wird, so daß

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Flüssigkeit von dem zweiten Wärmetauscher in den ersten Wärmetauscher strömt.
4. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absperrventil zwischen dem Behälter und dem Rückschlagventil zum wahlweisen Entkoppeln des Behälters von dem ersten Wärmetauscher angeordnet ist.
5. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Kraftwerk mit geschlossenem Rankine-Kreislauf ist, wobei der erste Wärmetauscher ein Kessel und der zweite Wärmetauscher eine Turbine zum Entspannen des Kesseldampfes und Antreiben einer Last, wie eines elektrischen Generators, und ein Kühlaggregat zum Oberführen des Turbinenausgangsdampfes in eine Flüssigkeit mit einer Temperatur und einem Druck ist, die niedriger als diejenigen im Kessel sind.
6. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Startflüssigkeit ein niedriger aliphatischer einwertiger Alkohol mit bis zu 3 Kohlenstoffatomen und vorzugsweise Methylalkohol und die Arbeits-

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flüssigkeit Orthodichlorbenzol ist.
7. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung zwischen der Dampfseite des Behälters und der Dampfseite des zweiten Wärmetauschers besteht, um verdampfte Startflüssigkeit zurück in den zweiten Wärmetauscher zu führen,wenn der Dampfdruck in dem Behälter den Dampfdruck in dem zweiten Wärmetauscher übersteigt.
8. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die. Startflüssigkeit einen Dampfdruck bei Umgebungstemperatur aufweist, der nicht größer als der Dampfdruck in dem zweiten Wärmetauscher unter den vorgesehenen Arbeitsbedingungen ist.
9. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine Destillationskolonne (43) aufweist, die getrennt von dem zweiten Wärmetauscher angeordnet oder ein Teil hiervon ist und dazu dient, die kondensierende Startflüssigkeit von dem Dampf in dem zweiten Wärmetauscher.zu trennen.

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10. Wärmeübertragungseinricht.ung nach einem derAnsprüche

6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absperrventil zwischen dem Behälter und der Dampfseite des zweiten Wärmetauschers angeordnet ist.
11. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil durch einen Schwimmer in dem Behälter (44^f) betätigbar ist.
12. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche

7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Kraftwerk mit geschlossenem Rankine-Kreislauf ist, wobei der erste Wärmetauscher ein Kessel ist und der zweite Wärmetauscher eine Turbine zum Entspannen des Kesseldampfes und Antreiben einer Last, wie eines elektrischen Generators, und ein Kühlaggregat zum Oberführen der Turbinenausgangsdämpfe in eine Flüssigkeit mit einer Temperatur und einem Druck aufweist, die niedriger als diejenigen im Kessel sind.
13. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit Orthodichlorbenzol und die Startflüssigkeit Methylcyclohexan ist.

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14. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (44) auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur haltbar ist.
15. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebeaufschlagung des Kessels durch einen brennbaren Brennstoff erfolgt, während der Behälter (44) durch die Abgase heizbar ist.

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