DE2443055A1

DE2443055A1 - Nachschalt-dampfkraftanlage nach dem rankine-kreisprozess

Info

Publication number: DE2443055A1
Application number: DE2443055A
Authority: DE
Inventors: Jerry P Davis; Dean T Morgan
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1973-10-09
Filing date: 1974-09-09
Publication date: 1975-04-10
Also published as: JPS5064643A; CA1013953A; IT1022704B; US3830062A; JPS567042B2; SE414216B; FR2246723B1; CH586349A5; FR2246723A1; SE7412648L; DE2443055B2; GB1452856A

Description

Patentanwälte Dlpl-lng. R. BEETZ

Dr.-ing- R- ■■- ■■ - ■ ~ - ' !Manchen 22, Stoinsdorfetr. t·

65-23.174P(23.175H) 9. 9. 1974

Thermo Electron Corporation, Waltham, Mass. (V. St. A.)

Nachschalt-Dampfkraftanlage nach dem Rankine-Kreisprozeß

Die gegenwärtige Energiekrise erfordert in den mit fossilem Brennstoff betriebenen Kraftanlagen wirksamere Brennstoffausnutzung, damit an den vorhandenen Brennstoff mengen gespart wird. Die derzeitigen Verfahren zur Brennstoffersparnis schließen wohl Wärmerückgewinnung und bessere Maschinenbauart ein j aber diese Verfahren sind' nur in dem Maße anwendbar, wie sie den Wirkungsgrad einer Fossilbrennstoff-Wärmekraftmaschine merklich verbessern können. Auch Umweltschutz-Rücksichten erfordern wirksamere Kraftwerksanlagen und weniger Umweltbelastung durch Abwärme.

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Alle mit Fossilbrennstoff betriebenen Wärmekraftanlagen stoßen große Wärmemengen in Verbrennungserzeugnissen aus. Ein Teil dieser Wärme läßt sich durch Vorwärmung des zur Verbrennung bestimmten Brennstoffes und der Luft mittels Abwärme innerhalb der Wärmekraftanlage wiedergewinnen, aber oft geht der größte Teil der Wärmemenge ungenutzt verloren. Nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeitende Maschinen kann man in manchen Anlagen als Nachschaltmaschinen verwenden, um diese verlorene Energie in wirksamer Weise dadurch wiederzugewinnen, daß man die Wärmemenge in mechanische Arbeit umwandelt. Mittels der Rankine-Maschine kann man diese Energieumwandlung bewirken, indem man, um ihr Arbeitsfluid zu verdampfen, Abwärme der Primär-Kraftanlage verwendet. Der so erzeugte Dampf kann dann entspannt werden, um Arbeit zu leisten; danach wird das Arbeitsfluid kondensiert und in den geschlossenen Kreislauf zurückgeführt.

Diese Erfindung betrifft eine wirksame Ausnutzung von Abwärme niedriger Temperatur aus einer mit Fossilbrennstoff betriebenen Primär-Kraftanlage mittels einer nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeitenden Sekundär-Kraftanlage als einer Nachschalt-Anlage. Der Gesamtwirkungsgrad einer Kraftanlage wird so durch höchste Ausnutzung der Abwärme der Primär-Kraftanlage verbessert. Die in der Abgaseinrichtung und die in der Kühleinrichtung abgeführten Abwärmen werden mittels einer einzigen, aber zwei Dampferzeuger enthaltenden Rankine-Anlage wiedergewonnen. Zwei Dampferzeuger werden deshalb verwendet, weil die Abgaseinrichtung viel höhere Temperaturen als die Kühleinrichtung hat und daher das mittels des Abgases erhitzte Arbeitsfluid bei viel höherem Druck als das mittels der Kühleinrichtung verdampfte Arbeitsfluid verdampft werden kann.

Die von der Primär-Kraftanlage getriebene Lastmaschine kann

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dieselbe wie die von der Sekundär-Kraftanlage getriebene Lastmaschine sein, so daß dann die Sekundär-Kraftanlage die Primär-Kraftanlage ergänzt, oder aber jede Kraftanlage kann eine eigene, getrennte Lastmaschine treiben. Im Rankine-Kreislauf kann Wärmerückgewinnung angewendet werden, um besseren Betriebs-Wirkungsgrad zu erreichen. Als Arbeitsfluid empfiehlt sich ein organisches Fluid; denn solche haben niedrige Verdampfungswärme und gute Entropie-Eigenschaften und greifen chemisch nicht an.

Diese Erfindung ist besonders geeignet für eine elektrische Kraftanlage, deren Primär-Kraftmaschine ein Dieselmotor und deren Lastmaschine ein elektrischer Stromerzeuger ist. Diese Erfindung läßt sich für größere oder kleinere elektrische Kraftanlagen anpassen, und sie ermöglicht sehr hohen Gesamtwirkungsgrad.

Die Erfindung bringt also eine nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeitende Dampfkraftanlage als Nachschalt-Anlage für eine Primär-Wärmekraftanlage, welche Abwärme durch ihre Äbgaseinrichtuhg und durch ihre Kühleinrichtung abgibt. Diese Rankine-Anlage weist eitle doppelte Dampferzeugungseinrichtung auf, welche gleichzeitig die durch die Abgaseinrichtung und die durch die Kühleinrichtung der Primäranlage abgegebene Abwärme ausnutzt, um ein Arbeitsfluid im Machschalt-Kreislauf zu verdampfen. Das so verdampfte ArbeitsfDuid wird dann arbeitsleistend entspannt.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführüngsform, der Erfindung,

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Fig. 2 die Wärmetattsch-Beziehungen zweier Fluide in einem Gegenstrom-WärimetaMscher, -. ■-■■..· ·· ' ■■--.:

Fig. 3 ein zu der bevorzugten Ausführung sfbrm gehörendes Temperatur-Entropie-Diagram ate. · ■■■ ,

Wie Fig. 1 zeigt, enthält eine Primär—Kraftanlage 10 einen Motor 12 mit innerer Verbrennung, ζ. B. einen Dieselmotor, ferner, ,eine |ispuffeinrichtung 14, welche das verbrannte Gas aus dem Motor; 12 abführt, und eine geschlossene Kühleinrichtung 16, welche Wärme aus dem Motor 12 abführt. Die Primär-Kraftanlage 10 treibt eine lastmar , schine 24; diese kann ein elektrischer Strom erzeuger sein. Die Auspuffeinrichtiung 14 leitet das verbrannte Gas atis dem Motor" ab und befördert es nach außerhalb des· Motors, Die Kühleinrichtung 16 enthält ein Küblfluid sowie einen Behälter 1® fiir dieses Kühlftaid, ferner eine Leitung 19, welche verhältnisanäßig «armes Kühlfluid aus dem Motor 12 ableitet, und eine Leitung 21., we&he verhältnismäßig kaltes Kühlfluid zum Motor 12 Mitleitet. Dieses Fluid in der Ktiileinrichtung 16 kann Wasser oder ein beliebiges anderes Fluid sein- ·

Eine Sekundär-Kraftanlage -weist eine in geschlosseneni Rankine-Kreisprozeß arbeitende Kraftmachine 32 auf. Diese enthält einen Hochdruck-Dampferzeuger 34, einen Niederdruck-Dampferzeuger 36, eine EntspannungsiHascliine 38, einen Kondensator 40, eine PumpeinricMung 42, einen Regenerativ-Wärmetauscher 44, eine erste Leitung 46, welche vom Hochdruck-Dampferzeuger 34 zur Entspannungsmaschine 38 führt,. eine zweite Leitung 48, welche den Niederdruck-Dampferzeuger 36 mit der Entspannungsmaschine 38 verbindet, eine dritte Leitung 50, die von der Entspannungsmaschine 38 zum Kondensator 40 geht, eine

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vierte Leitung 54, die vom Kondensator 40 zum Hochdruck-Dampferzeuger 34 verläuft, und eine fünfte Leitung 52, die den Kondensator 40 an den Niederdruck-Dampferzeuger 36 anschließt.

Der Dampferzeuger 34 verdampft ein Arbeitsfluid bei verhältnismäßig hohem Druck mittels des verhältnismäßig heißen Abgases aus der Auspuff einrichtung 14 als Wärmequelle; er läßt dieses Abgas abgekühlt durch die Leitung 15 austreten. Der Dampferzeuger 36 verdampft Arbeitsfluid bei verhältnismäßig niedrigem Druck mittels des verhältnismäßig warmen Kühlfluids aus der Kühleinrichtung 16 als Wärmequelle. Die Entspannungsmaschine 38 ist vorzugsweise eine Turbine; ihr Hochdruck-Teil 60 entspannt das aus dem · Hochdruck-Dampferzeuger 34 kommende verdampfte Arbeitsfluid, und ihr Niederdruck-Teil 62 verdampft das aus dem Niederdruck-Dampferzeuger 36 kommende verdampfte Arbeitsfluid. Der Hochdruck-Turbinenteil 60 enthält einen ersten Turbinenläufer 64, und der Niederdruck-Turbinenteil 62 enthält einen zweiten Turbinenläufer 66; diese beiden Turbinenläufer sind an eine gemeinsame Welle 68 gekuppelt. Diese Turbinenwelle 68 zeigt.eine Lastmaschine 90, wie z. B. einen elektrischen Stromerzeuger. Die Lastmaschine 90 kann identisch mit der Lastmaschine 24, welche mit der Primär-Kraftanlage gekuppelt ist, oder sie kann eine- gänzlich unabhängige Maschine sein. Im Regenerativ-Wärmetauscher 44 wird flüssiges Arbeitsfluid, das durch die Leitungen 52 und 54 strömt, mittels verdampften und entspannten Arbeitsfluids vorgewärmt; der Wärmetauscher kann, wie Fig. 1 zeigt, innerhalb der Entspannung?turbine 38, und zwar neben ihrem Hochdruck-Teil 60, angeordnet sein.

Die Pumpeinrichtung 42, die zwischen dem Kondensator 40 und dem Regenerativ-Vorwärmer 44 angeordnet ist, enthält zwei Pumpen,

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nämlich eine Niederdruck-Pumpe 92 und eine Hochdruck-Pumpe 94, sowie eine Einrichtung 98 zur Regelung der Durchsatzmenge flüssigen; Arbeitsfluids. Die Niederdruck-Pum pe 92 ist eingerichtet, das flüssige Arbeitsfluid aus dem Kondensator 40 abzusaugen und zum Mengen-Teiler 96 zu fördern. Die Hochdruck-Pumpe 94 saugt einen Teil des, Arbeitsfluids aus dem Mengen-Teiler 96 ab und fördert ihn zum Hochdruck-Dampferzeuger 34. Der andere Arbeitsfluid-Teil wird durch die Niederdruck-Pumpe 92 zum Niederdruck-Dampferzeuger 36 gefördert. Die Einrichtung 98 zur Regelung der Durchsatzmenge flüssigen Arbeitsfluids enthält ein erstes Ventil 80, das in der vierten Leitung 52 angeordnet ist und die Menge des dem Niederdr uck-Dampf er zeuger 36 zuzuführenden Arbeitsfluids regelt, "und ein zweites Ventil 82, das in der fünften Leitung 54 angeordnet ist und die Menge des dem Hochdruck-Dampferzeuger 34 zuzuführenden Arbeitsfluids regelt. In Abwandlung dieser Bauart kann aber die Anlage auch so gewählt werden, daß nicht nur die Niederdruck-Pumpe 92, sondern auch die Hochdruck-Pumpe 94 unmittelbar aus dem Kondensator 40 saugt; bei solcher Parallelanord-*.■·. nung der Pumpen ist der Mengen-Verteiler 96 unnötig. ■

Als Arbeitsfluid in der Sekundär-Kraftanlage eignet sich jedes Fluid, dessen Siedetemperatur bei Außenluftdruck nicht niedriger als 38 C und nicht höher als 149 C ist. Organische Fluide sind vorzuziehen. Empfehlenswert ist eine Mischung aus 85 Mol-Prozenten Trifluoräthanol und 15 Mol-Prozenten Wasser. Dieses Fluid empfiehlt sich hauptsächlich aus drei Gründen: Erstens wird, je niedriger die Verdampfungswärme ist, der Außen-Wirkungsgrad der Kraftmaschine um so höher; zweitens wird durch fast isöntropes Verhalten in dem zwi- ^: sehen der unteren und der oberen Grenzkurve gelegenen Sattdampf-Gebiet der innere Wirkungsgrad der Kraftmaschine erhöht; und drit- :

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tens wird, da das Fluid nicht korrodierend wirkt, die Lebensdauer der Maschinen-Bestandteile erhöht. Andere mögliche Arbeitsfluide sind eine Pyridin-Wasser-Mischung, Chterbenzol und Hexafluorbenzol.

Aus Fig. 2, die den Vorgang des Wärmetausches in einem Gegenstrom-Dampferzeuger zeigt, ist ersichtlich, warum der AuÖen-Wirkungsgrad der nach dem Rankine-Kreisprozeß. arbeitenden Maschine 32 durch niedrige Verdampfungswärme erhöht wird. Die obere Linie 100 zeigt die Temperatur des Verbrennungs-Abgases, und die untere Linie 102 zeigt die Temperatur des Arbeitsf luids, beide aufgetragen über demjenigen Anteil an der gesamten übertragenen Wärme, die an das Arbeitsfluid übertragen worden ist. Der .Unterschied zwischen der Abgas-Temperatur auf linie 100 und der Arbeitsfluid-Tempexatur auf linie 102 bei jedem Wert dieses Anteils ist durch dT dargestellt. Um einen vollständig umkehrbaren WärmetauscM-Brozeß zu ergeben, müßte dT Null sein, und um den höchsten Außen-Wirkuagsgrad zu ergeben, muß der Prozeß umkehrbar sein. Wenn der Prozeß nicht umkehrbar ist, dann geht Wärme an die Anlage verloren und wird nicht arbeitleistend ausgenutzt.

Aus praktischen Gründen kann dT niemals Mull sein} denn wenn dT sich an Null annähert, dann muß die Größe des Dampferzeugers nahezu unendlich werden. Daher sollte dT auf einen Kleinstwert verringert werden, der sich aus den Größen-Erfordernissen des Dampferzeugers ergibt. Im Idealfall sollte dieser Mindestwert auf dem ganzen Wärmetausch-Prozeß eingehalten werden, damit sich höchster Wirkungsgrad ergibt. In der Praxis nimmt, wie Fig. 2 zeigt, die Temperatur des Arbeitsf luids, während die Temperatur des Verbrennungsabgases geradlinig abnimmt, geradlinig zu, Ms "Verdampfung eintritt.

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Der Wert dT nimmt unmittelbar, ehe Verdampfung eintritt, adf seinen' Kleinstwert ab. Der Wert dT laßt sich auf seihen Kleinstwert viel schneller durch Regenerativ-Vorwärmung verringern, denn dürehdiese wird die Temperatur des Arbeitsfluids beim Beginn des WärmetMuschvorganges erhöht. Der Punkt 104, an welchem Verdampfung des Arbeitsfluids eintritt, wird Ehgpunkt genannt. Nach dem Engpürtkt 104 bleibt der Neigungswinkel der oberen" Linie gleich, aber der Neigungswinkel der unteren Linie 102 ändert sich plötzlich zu Null, da das Arbeitsmittel den Aggregatzustand ändert und auch weiterhin, aber bei gleichbleibender Temperatur, Wärmfe aufnimmt. Wenh die Änderung des Aggregatzustandes beendet ist, himmt die Steigung der Unteren Linie wiederum einen positiven Wert ah, da die Temperatur des Arbeitsfluids wiederum ansteigt, und zWar nähert sie Sich der Temperatur des Verbrennungsabgases an, und zWar linear. Wenn die Änderung des Aggregätzustandes beginnt, Wird dT größer; Je größer die latente Verdampfungswärme des Arbeitsfluids ist, um so größer wird dT, ehe die Temperatur des Arbeitsfluids wieder zu steigen beginnt. Da die meisten organischen Fluide verhältnismäßig niedrige latente Verdampfungswärme haben, werden die im Dampferzeuger einer nach dem Rartkine-Kreisprozeß arbeitenden Maschine im allgemeinen günstig sein, hohen Außenwirkungsgrad zu erreichen.

Fig. 3 ist ein Temperätür-Entfopie-Diagramm für ein Gernisch aus 85 % Trifluoräthanol und 15 % Wasser. Dieses Diagramm¹ sseigt, daß organische Fluide hohen Wirkungsgrad in einer hack d&m Rähkihe-Kreisprozeß arbeitenden Maschine ergeben. Die Kurve 70 ist die Grehzkurve dieses Gemisches; die. Kurve 74 zeigt die Arbeitsweise des Rankine-Kreisprozesses mit diesem Gemisch als Arbeitsfluid* ti&r fifttspannungs-Vorgang ist durch die Punkte D bis E auf der Küi*ve 74 dar-

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gestellt. Wie ersichtlich, geht die ganze Entspannung außerhalb der Grenzkurve vor sich. Es findet innerhalb der Anlage keine Kondensation von Arbeitsfluid und kein Energieverlust statt. Wenn Tropfen entstünden, würden sie, da sie geringere Geschwindigkeit als der Dampf haben, den Turbinen-Wirkungsgrad verringern..

Wasser - ein typisches anorganisches Fluid - hat in einer nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeitenden Maschine eine schädlichere Wirkung als organische Fluide. Bei der Entspannung entsteht Flüssigkeit, und diese bewirkt Anfressung (Erosion) in der Entspannungsturbine und erfordert von Zeit zu Zeit den Ersatz der Turbine. Ferner neigt Wasser mit vielen Metallen chemisch zu reagieren und sie anzufressen (korrodieren) und so die Lebensdauer metallischer Bauteile der Maschine zu verkürzen. Die meisten organischen Fluide dagegen werden Metalle nicht korrodieren und, wenn bei der Expansion keine Flüssigkeit entsteht, auch nicht erodieren.

Die Arbeitsweise der Sekundär-Kraftanlage 30 ist in Fig. 1 schematisch und in Fig. 3 als Funktion der veränderlichen Therm odynamischen Größen Temperatur und Entropie bei Verwendung eines Gemisches aus Trifluoräthanol und Wasser als Arbeitsfluid gezeigt. Die obere Kurve 74 zeigt denjenigen Teil des Kreisprozesses, an dem der Hochdruck-Dampferzeuger 34 mitwirkt; die untere Kurve 72 zeigt denjenigen Teil des Kreisprozesses, an dem der Niederdruck-Dampferzeuger 36 beteiligt ist.

In den Hochdruck-Dampferzeuger 34 strömt verhältnismäßig heißes Verbrennungsabgas vom Motor 12 durch die Auspuffeinrichtung 14 und verhältnismäßig kaltes, flüssiges Arbeitsfluid durch die vierte Lei-

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tung 54 ein; siehe Punkt A in Fig. 3. Das Verbrennungsabgas und das flüssige Arbeitsfluid strömen einander, entgegen.. Das Abgas, gibt Wärme an das Arbeitsfluid ab und wird dann durch die Abgas-Austritts- . leitung 15 abgegeben. Das flüssige Arbeitsfluid wird vom Abgas: auf seinen Siedepunkt erwärmt; siehe A-JB in Fig. 3. Das Arbeitsfluid wird dann bei gleichbleibender Temperatur verdampft; siehe B-C in Fig. 3. Durch weitere Wärmezufuhr aus dem Verbrennungsabgas wird das nun dampfförmige Arbeitsfluid überhitzt; siehe C-D in Fig. 3.. Danach wird der Dampf im Turbinen-Teil 60, entspannt; siehe die Strecke D-E. Die Kühlung im Regenerativ-Wärmetauscher ist durch die Strecke E-F, die Kondensation durch die Streqken F-H, das Pumpen durch die Strekke H-I und die Erwärmung im Regenerativ-Wärmetauscher durch die, Strecke I-A dargestellt. Einige ungefähre Zahlenwerte: Aus einem Dieselmotor tritt das Verbrennungsabgas in den Hochdruck-Dampferzeuger 34 mit einer Temperatur von etwa 370 C ein und aus ihm mit einer Temperatur von etwa 120 C aus (bei tieferer Temperatur würden gewisse Teile des Abgases kondensieren) .Das Arbeitsfluid, z. B. die oben erwähnte Mischung aus Trifluoräthanol und Wasser, tritt in , den Hochdruck-Verdampfer 34 mit einer Temperatur von etwa 100 C, . in flüssiger Form ein und aus ihm als Dampf mit einer Temperatur von etwa 315 C und einem Druck von etwa 50 ata aus. Die Austrittstemperaturen des Verbrennungsabgases und des Arbeitsfluids können je nach den Erfordernissen der Anlage geändert werden, indem die Durchflußmengen des Arbeitsfluids und des Verbrennungsabgases geändert werden. Jedoch gibt es einige Grenzen solcher Änderung:· Die Austrittstemperatur des Arbeitsfluids kann niemals höher sein als die Eingangstemperatur des Verbrennungsabgases; und dieses sollte niemals unter 120 C abgekühlt werden, denn dann würde es zu konden- ■ sieren beginnen und den Hochdruck-Verdampfer 34 korrodieren.

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Gleichzeitig mit dem oben geschilderten Vorgang strömt verdampftes Kühlfluid aus der Kühleinrichtung 16 durch die Leitung 19 in den Niederdruck-Dampferzeuger 36 ein und durch diesen im Wärmetausch entgegen dem Arbeitsfluid. Das verdampfte Kühlfluid wird dabei abgekühlt und kondensiert, und es wird dann durch die Leitung 21 in die Kühleinrichtung zurückgeführt, in der es vom Motor wieder erwärmt wird. Das Arbeitsfluid im Dampferzeuger 36 wird auf seine Siedetemperatur (Punkt X in Fig* 3) erwärmt und verdampft . (Strecke X-Y); es wird dann im Niederdruck-Teil 62 der Entspannungsturbine 38 entspannt (Strecke Y-Z) und danach mit· dem aus dem Hochdruck-Teil 60 der Turbine kommenden entspannten Arbeitsfluid gemischt. Das Arbeitsfluid wird kondensiert (Strecke Z-ti)j zum Regenerativ-Wärm etauscher gepumpt (Strecke H-V), in diesem vorgewärmt (Strecke V-W) und dann im Dampferzeuger 36 auf Siedetemperatur erwärmt (Strecke W-X). Einige ungefähre Zahlenί Wenn der Motor 12 ein Dieselmotor und das Kühlfluid Wasser ist, dann tritt Was^· serdampf aus der Kühleinrichtung 16 mit 120 in den Niederdruckverdampfer 36 ein und aus diesem mit 1Ö4 C aus; das Arbeitsfluid tritt in den Niederdruck-Verdampfer 36 flüssig mit etwa iOÖ C ein und aus ihm dampfförmig mit einer Temperatür von etwa 113 C und einem Druck von etwa 3,5 at a aus.

Es wird nun die Arbeitsweise der Ent spannung stürbine 38, des Kondensators 40, der Pumpeinrichtung 42 und des Regenerativ-Wärmetauschers 44 anhand der Fig. 1 und der Fig. 3 näher beschrieben: Das vom Hochdruckverdampfer 34 kommende verdampfte Arbeitsfluid strömt zum Hochdruckteil 60 der Ent spannung stur bine 38 und wird darin schnell entspannt, wobei es den ersten Turbineniäufer 64 treibt. Diese schnelle Entspannung und entsprechende Volümenzunahme des Arbeitsfluid-Damp-

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fes ist von einer TemperatUräbnahme dieses Dampfes begleitet* Der Arbeitsfluid-Dampf tritt in den Höchdruck-Teil der Turbine mit einer Temperatur von 315 C und einem Druck von 50 ata ein und aus ihm mit einer Temperatur von 150 C und einem Druck van 0,2 ata aus.

Dieser aus dem Hochdrück-Teil 60 der Turbine kommende Arbeitsfluid-Dampf strömt im Gegetistrom zu dem vom Kondensator 40 kommenden flüssigen Arbeitsfluid durch den Regenerati v-Wärmetäuscher 44, worin er viel von seinem Wärmeinhalt verliert. Diese® Ar- ■ beitsfluid tritt in den Regerterativ-^fWärmetausCher 44 mit einer Temperatur von 150 °C und einem Druck von 0,2 ata ein und aus ihm mit einer Temperatur von etwa 63 C und einem Drück Von 0,2 ätä aus.

Gleichzeitig strömt verdampftes Arbeitsfluid Vom Niederdruck-Dampferzeuger 36 zum Niederdruck-Teil 62 der Entspannung'stÜrbine 38, worin es sich schnell entspannt, dabei den zweiten Turbinehläufer 66 treibend. Auch dieser Dampf erfahrt infolge seiner Entspannung eine Volumenzunahme und TemperatUräbnahme. Er tritt in den Niederdruck-Teil 62 der Turbine mit einer Temperatur von 113 C und einem Druck von etwa 2,5 ata ein und aus ihm mit einer Temperatür von 38 C und einem Druck von etwa 0,2 ata aus.

Der aus dem Regenerativ-Wärmetauscher 44 austretende Arbeitsfluid-Dampf vereinigt sich mit dem aus dem Niederdruck-Teil 62 der Turbine kommenden Arbeitsfluid-Dampf, und diese gesamte Dampfmenge strömt in den Kondensator 40 ein. In Wärmetausch mit ihm wird ein Kühlmittel durch den Kondensator gepumpt, und Wärme aus dem verhältnismäßig warmen Arbeitsfluid geht an dieses Kühlmittel überf das dampfförmige Arbeitsfluid wird verflüssigt. Der Kondensator wird auf

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einem Druck von 0,2 ata gehalten^ der Siedepunkt der oben genannten Mischung aus Trifluoräthanol und Wasser bei diesem Druck von 0,2 ata ist 38 °C.

Die Pumpeinrichtung 42 fördert sodann das verflüssigte Arbeitsfluid aus dem Kondensator 40 zurück zum Hochdruck-Verdampf er 34 und zum Niederdruck-Verdampfer 36. Das Arbeitsfluid strömt in die Pumpeneinrichtung zuerst durch die Niederdruck-Pumpe 92, in der es eine geringe Druckerhöhung erfährt, und dann in den Mengen-Teiler 96, wo ein Teil seiner Menge zum Niederdruck-Dampferzeuger. 36 abgezweigt und der Rest seiner Menge zur Hochdruck-Pumpe 94 geleitet wird, in der es höheren Druck bekommt. Das erste Ventil 80 regelt die zum Hochdruck-Dampferzeuger fließende Menge, und das zweite Ventil 82 regelt die zum Niederdruck-Verdampfer strömende Menge des Arbeitsfluids.

Wenn es den Kondensator verlassen hat, wird das Arbeitsfluid mittels der vierten Leitung 54 und der fünften Leitung 52 durch den Regenerativ-Wärmetauscher 44 geführt. Es tritt sowohl durch die vierte Leitung 54 als auch durch die fünfte Leitung .52 in den Regenerativ-Wärmetauscher mit einer Temperatur von etwa 38 C ein und aus ihm mit einer Temperatur von etwa 100 C aus. Diese Regenerativ-Vorwärmung des Arbeitsfluids vor seinem Eintritt in den Hochdruck-Dampferzeuger 34 und den Niederdruck-Dampferzeuger 36 erhöht den Wirkungsgrad des Rankine-Kreisprozesses, aber ist zu seinem Betrieb nicht unbedingt nötig. Der Wirkungsgrad der Maschine würde auch erhöht, wenn nur eine der Leitungen 52 oder 54 durch den Regenerativ-Wärmetauscher ginge.

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Wenn man als Arbeitsfluid das oben erwähnte Gemisch aus Trifluoräthanol und Wasser benutzt, erreicht man den höchsten Gesamt-Wirkungsgrad der Anlage, wenn man das Arbeitsfluid in Regenerativwärmetauscher auf etwa 100 C vorwärmt. Dies ergibt im Hochdruck-Dampferzeuger 34 am Eintritt des Arbeitsfluids einen Wert dT von etwa 22 C und im Niederdruck-Dampferzeuger 32 am Eintritt des Arbeitsfluids einen Wert dT von etwa 6 C. So erreicht man für dT sowohl im Hochdruck-Dampferzeuger als auch im Niederdruck-Dampferzeuger einen sehr kleinen Wert, und die obere Linie 100 und die untere Linie 102 in Fig. 2 sind über den ganzen Wärmetausch-Vorgang hin fast einander parallel.

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Claims

Ansprüche

\ 1.'Dampfkraftanlage, die aus einer Primär-Kräftanlage und einer Sekundär-Kraftanlage besteht und deren Primär-Kraftanlage eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, eine Auspuff einrichtung für die Abfuhr heißen Verbrennungsabgases aus dieser Brennkraftmaschine und eine geschlossene Kühleinrichtung, die das Kühlmittel für die Brennkraftmaschine enthält, aufweist und deren Sekundär-Kraftanlage eine nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeitende Kraftmaschine aufweist, die für Ausnutzung der von der Primär-Kraftanlage abgegebenen Abwärme eingerichtet ist, gekennzeichnet durch

a) einen Hochdruck-Dampferzeuger (34), welcher ein Arbeitsfluid bei hohem Druck verdampft,

b) eine Abgas-Austrittsleitung (14), welche das heiße Verbrennungsabgas aus dem Auspuff in den Hochdruck-Dampferzeuger (34) zwecks Wärmeabgabe an das Arbeitsfluid leitet _y

c) einen Niederdruck-Dampferzeuger (36), welcher ein Arbeitsfluid bei niedrigem Druck verdampft,

d) eine Kühlmittel-Austrittsleitung (19), welche das Kühlmittel aus dem Kühlmittel-Behälter (18) in den Niederdruck-Dampferzeuger (36) zwecks Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel leitet,

e) eine einzige Entspannungsmaschine (38), die das verdampfte Arbeitsfluid aus dem Hochdruck- und dem Niederdruck-Dampferzeuger (34, 36) aufnimmt und gleichzeitig arbeitleistend entspannt, und

f) einen Kondensator (40), der sowohl das aus dem Hochdruck-

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Verdampfer als auch das aus dem Niederdruck-Verdampfer kommende Arbeitsfluid kondensiert.
2. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (12) ein Dieselmotor und das in der Sekundär-Kraftanlage (32), im Hochdruck-Dampfe erzeuger (34) und im Niederdruck-Dampferzeuger (36) benutzte Arbeitsfluid ein organisches Fluid ist.
3. Dampfkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sekundär-Kraftanlage (32) ein Regenerativ-Wärmetauscher (44) angeordnet ist, welcher Wärme aus dem vom Hochdruck-Dampferzeuger (34) gekommenen dampfförmigen Arbeitsfluid, nachdem es aus der Entspannungsmaschine (38) ausgetreten ist und bevor es in den Kondensator (40) eintritt, an das aus dem Kondensator (40) ausgetretene und den Hochdruck-Verdampfer zuströmende Arbeitsfluid überträgt.
4. Dampfkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine (38) eine Turbine ist, welche zwei Läufer (64, 66) auf gemeinsamer Welle (68) aufweist, deren erster Läufer (64) von dem aus dem Hochdruck-Verdampfer (34) kommenden Arbeitsfluid und deren zweiter Läufer (66) von dem aus dem Niederdruck-Verdampfer (36) kommenden Arbeitsfluid getrieben wird.
5. Dampfkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine einen elektrischen Stromerzeuger (90) antreibt.

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6. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sekundär-Kraftanlage (32) ein Regenerativ-Wärmetauscher (44) angeordnet ist, welcher Wärme aus dem vom Hochdruck-Dampferzeuger (34) gekommenen dampfförmigen Arbeitsfluid, nachdem es aus der Entspannungsmaschine (38) ausgetreten ist und bevor es in den Kondensator (40) eintritt, an das aus dem Kondensator (40) ausgetretene und den Hochdruck-Verdampfer zuströmende Arbeitsfluid überträgt.
7. Verfahren zur Rückgewinnung von Abwärme aus einer Primär Kraftanlage, die eine Verbrennung erzeugt und durch ein Fluid gekühlt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, daß

a) durch Abwärme aus dem Verbrennungsabgas eine erste Menge eines organischen Arbeitsfluids, dessen Siedepunkt bei Außenluft-. Druck zwischen 38 C und 150 C liegt, in einem Dampferzeuger verdampft wird, . .

b) durch Abwärme aus dem Kühlfluid der Primär-Kraftanlage eine zweite Menge desselben Arbeitsfluids gleichzeitig in einem zweiten Dampferzeuger verdampft wird,

c) das verdampfte Arbeitsfluid gleichzeitig aus dem ersten und aus dem zweiten Dampferzeuger entnommen wird,

d) das verdampfte Arbeitsfluid arbeitleistend entspannt wird,

e) das entspannte Arbeitsfluid kondensiert wird,

f) das flüssige Arbeitsfluid in den ersten Dampferzeuger mit einem ersten Druck gepumpt wird,

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g) das flüssige Arbeitsfluid in den zweiten Dampferzeuger mit einem zweiten Druck, welcher niedriger als der erste Druck ist, gepumpt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Arbeitsfluid, welches vom Kondensator zum ersten Dampferzeuger strömt, durch Zufuhr von Wärme aus dem vom ersten Dampferzeuger kommenden, entspannten Arbeitsfluid vorgewärmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid, welches vom Kondensator zum zweiten Dampferzeuger strömt, durch Zufuhr von Wärme aus dem vom ersten Dampferzeuger kommenden entspannten Arbeitsfluid vorgewärmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine eine Turbine mit zwei Arbeitsfluid-Zuführungen ist, welche in einem ersten Teil der Turbine einen ersten Turbiiieriläufer mittels Arbeitsfluids aus dem ersten Dampferzeuger antreibt und gleichzeitig in einem zweiten Teil der Turbine einen zweiten Turbinenläufer mittels Arbeitsfluids aus dem zweiten Dampferzeuger antreibt .

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