DE2611890C3 - Anordnung zum Umformen von in einem gasförmigen Primärfluid enthaltener Wärme in eine andere Energieart - Google Patents

Anordnung zum Umformen von in einem gasförmigen Primärfluid enthaltener Wärme in eine andere Energieart

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DE2611890C3 DE2611890A DE2611890A DE2611890C3 DE 2611890 C3 DE2611890 C3 DE 2611890C3 DE 2611890 A DE2611890 A DE 2611890A DE 2611890 A DE2611890 A DE 2611890A DE 2611890 C3 DE2611890 C3 DE 2611890C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Umformen von in einem gasförmigen Primärfluid enthaltener Wärme in eine andere Energieart, z. B. mechanische Energie oder die für eine Klimaanlage benötigte Energie, durch Wärmetausch der Wärme dieses Primärfluids mit einem kälteren Sekundärfluid (Arbeitsmittel des Kreislaufs), wobei man das flüssige Sekundärfluid auf seinen kritischen Druck bringt, es danach regenerativ vorwärmt, anschließend durch Wärmetausch mit dem Primärfluid weiter erhitzt, dann zur Abgabe von Energie entspannt, wodurch das Sekundärfluid dampfförmig wird, und wobei man ferner das dampfförmige Sekundärfluid in einem Kondensator durch Wärmetausch mit einem als Kühlmittel dienenden Terziärfluid kondensiert.
Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der GB-PS 04 119. Die Wärme von Heizgasen wird hierbei einem Kessel zugeführt, in dem eine Flüssigkeit erwärmt wird, die sich anschließend in einer Turbine entspannt und dadurch einen elektrischen Generator antreibt. Der aus der Turbine austretende Dampf dient zum regenerativen Vorwärmen der dem Kessel zugefuhrten Flüssigkeit, und dieser Dampf wird in einem Kondensator abgekühlt und anschließend über eine Speisepumpe wieder zum Kessel zurückgepumpt Die bekannte Anordnung hat aber keinen besonders hohen Wirkungsgrad, da im Kondensator viel Abwärme verlorengeht.
Aus der US-PS 36 36 706 kennt man ferner einen zum Antrieb eines Fahrzeugs bestimmten Dampfantrieb, der mit Trichlormonofluormethan arbeitet. Auch hier ist der
ίο Wirkungsgrad schlecht, zumal nicht einmal eine regenerative Vorwärmung der dem Kessel zugefuhrten Flüssigkeit vorgesehen ist
Ein sogenanntes binäres oder Zweistoffverfahren zum Antrieb einer Kraftwerksturbine ist bekannt aus
is der Zeitschrift »Brennstoff-Wärme-Kraft« 1966, Januarheft, Seitell. Hierbei wird im Hochdruckteil Dampf und im Niederdrücktet Dichlorfluormethan verwendet, um auch im Niederdruckteil zu kleineren Turbinenabmessungen zu gelangen. Eine Wirkungsgradverbesse-
-'(> rung ist hierdurch jedoch nicht möglich, sondern es ergeben sich nur Einsparungen beim Bau der Turbine durch die hierdurch ermöglichten kleineren Abmessungen.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, bei einer
2r> eingangs genannten Anordnung den Wirkungsgrad zu verbessern.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Auf diese Weise wird es möglich, die in einem gasförmigen
ίο Primärfluid, vorzugsweise Verbrennungsgasen, enthaltene Wärme bzw. Abwärme optimal zu nutzen und in Energie mit höherem thermischen Potential umzuformen, insbesondere für die Klimatisierung.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile sowie
)ϊ vorteilhafte Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem Unteranspruch und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsge-
•lo mäßen Anordnung, welche das Umformen von Wärme in elektrische Energie ermöglicht,
Fig. 1 eine schematische Darstellung analog Fig. 1, welche eine Anordnung mit einem Turbokompressor zeigt, die derart ausgebildet ist, daß sie bei der
-Γι Klimatisierung eingesetzt werden kann, wobei die Anordnung f'ir die Kälteerzeugung eingestellt ist,
Fig. 3 eine Teilansicht entsprechend Fig.2, wobei jedoch die Anordnung für die Wärmeerzeugung eingestellt ist,
si) Fig. 4 und 5 schemalische Darstellungen analog zu F i g. 2 und 3, bei denen jedoch ein Thermokompressor verwendet wird, und
Fig.6 eine Darstellung analog Fig. 4, welche eine Abwandlung dieser Ausführungsform zeigt.
ss Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die als Primärfluid dienenden Verbrennungsgase, deren Wärme man rückgewinnen will, in einen Rohr-Wärmetauscher 1 eingeleitet, der im folgenden nur als Wärmetauscher 1 bezeichnet wird und
M> in einem Rohrgehäuse mit Doppelmantel 2 und 3 angeordnet ist. Zwischen den Mänteln 2 und 3 ist ein Ringraum 4 gebildet, durch den ein Luftstrom zirkuliert.
Das Sekundärfluid, das in flüssigem Zustand in dem
Wärmetauscher 1 zirkuliert und über dessen bevorzugte
h> Zusammensetzung im folgenden nähere Angaben gemacht werden, überhitzt sich unter der Wirkung der Wärme der Verbrennungsgase, also des Primärfluids. Da dieses Sekundärfluid auf einen Druck komprimiert
ist, der gleich oder größer als sein kritischer Druck ist, bleibt es trotz der Erhitzung flüssig. Am Ausgang des Wärmetauschers 1 durchströmt die Flüssigkeit einen Mengenregler 5 und tritt in eine Turbine 6 ein. Durch einen geringen Druckabfall wandelt sich aie Flüssigkeit augenblicklich in Dampf um, und durch vollständige Entspannung dieses Dampfes wird seine thermische Energie in Antriebskraft umgewandelt Am Ausgang der Turbine 6 durchströmt der entspannte Dampf einen als ersten Wärmetauscher dienenden Heißdampfkühler 7, in welchem ein Teil seiner Wärme durch das Kühlfluid bzw. Sekundärfluid rückgewonnen wird, das in einem Kreis 8 umläuft Am Ausgang des ersten Wärmetauschers 7 tritt der Dampf in einen Kondensator 9 ein, wo er sich in Flüssigkeit umwandelt. Die Kondensationswärme wird durch ein Tertiärfluid rückgewonnen, im vorliegenden Fall durch Luft, die bei Niederdruck in dem Kreis 10 des Kondensators 9 umläuft Die Flüssigkeit wird darauf in einen Kondensatabscheider 11 geleitet, von wo aus eine als erster Kompressor dienende Umwälzpumpe 12 sie mit hohem Druck in einen Ejektor 13 drückt, an diesem arbeitet die Flüssigkeit als Flüssigkeitsmotor und erzeugt einen Unterdruck im Kondensatabscheider 11. Letzterer ist außerdem durch eine Leitung 14 mit den Dichtungen 15 der Turbine 61 derart verbunden, daß die dort gegebenenfalls auftretenden Dampfverluste rückgewonnen werden.
Nach Austrilt aus dem Ejektor 13 strömt die Flüssigkeit unter Druck durch den Kreis 8 des ersten Wärmelauschers 7, wo sie einen Teil der Wärme des entspannten Dampfes, also des Sekundärfluids, rückgewinnt. Die Flüssigkeit tritt danach in den Wärmetauscher 1 ein, und der Umlauf des Sekundärfluids beginnt von neuem.
Das Tertiärfluid des Zyklus ist atmosphärische Luft, die bei Niederdruck durch einen zweiten Kompressor 16 in den Kreis 10 des Kondensators 9 gedrückt wird. Diese durch die Wärme der Kondensation erwärmte Luft tritt dann in den Ringraum 4 des Wärmetauschers 1 ein. Ein Teil dieser Luft zirkuliert entlang dem Wärmetauscher 1, um die in das Rohrgehäuse 2 zunächst verlorene Wärme zurückzugewinnen. Diese Luft strömt durch den als Mischvorrichtung dienenden Zusammenlauf 17 in die Verbrennungsgase am Eingang des Wärmetauschers 1 ein. Ein Teil dieser Kondensationswärme und der an das Rohrgehäuse 2 verlorenen Wärme wird so erneut in den Zyklus eingeführt. Ein anderer Teil der Warmluft tritt durch die Öffnungen 18 aus und wird mit den Verbrennungsgasen abgeführt. Die Wärme dieses Luftanteils geht endgültig verloren.
Die Dampfturbine 6 kann z. B. einen Generator 19 zur Erzeugung von elektrischem Strom antreiben.
Die Umwälzpumpe 12 sowie der Kompressor 16 können unabhängig voneinander durch einen Elektromotor 20 mit variabler Geschwindigkeit angetrieben werden. Dies erleichtert zu Anfang den Anlauf der Anordnung und ermöglicht danach die Regelung des Dampfdurchsatzes der Turbine in Abhängigkeit vom Durchsatz und von der Temperatur der Verbrennungsgase, welche den Wärmetr-^her I als Primärfluid durchströmen.
Wenn man die aus den Verbrennungsgasen rückgewonnene Wärme zur Klimatisierung verwenden will, kann die Turbine 6 an einen dritten Kompressor gekoppelt werden. Dem Binärzyklus zur Erzeugung der Antriebskraft fügt man einen weiteren thermischen Zvklus hinzu, nämlich eine Wärmepumpe. Dieser neue zusammengesetzte Zyklus weist den Vorteil auf, daß man Wärme oder Kälte für eine Klimatisierung erzeugen kann, ohne daß hierzu eine andere elektrische Energiequelle für den Antrieb des Kompressors ί benötigt würde. Das Wirkungsprinzip dieses zweiten Zyklus ist in F i g. 2 dargestellt
Der von der Turbine 6 angetriebene Kompressor 21 saugt Sekundärfluid aus einem Behälter bzw. zweiten Wärmetauscher 22 über ein Vierwegeventil 23 an. Der
in. den Kompressor verlassende komprimierte Dampf durchströmt erneut das Vierwegeventil 23 und tritt in den Kreis des als erster Wärmetauscher dienenden Heißdampfkühlers 7 des Binärzyklus ein. Der Dampf tritt in den Kondensator 9 ein, und die Kondensations-
n wärme wird durch die als Tertiärfluid dienende Luft aufgenommen, welche im Kreis 10 zirkuliert. Das kondensierte Medium strömt danach in den Abscheider 11 und kehrt dann zurück zum Behälter 22. Vorher jedoch strömt es durch ein Ventil 24 und ein einstellbares Entspannungsventil 25. Durch den Unterdruck, der im Behälter 22 herrscht, wandelt sich die Flüssigkeit entsprechend durch Absorption von Wärme in Dampf um. Infolgedessen arbeitet dieser Behälter 22 als Verdampfer. Er enthält einen Wärmetauscher 26, in
2r> welchem die als viertes Fluid dienende Kühlflüssigkeit der Klimaanlage zirkuliert
Wenn die Klimaanlage mit Wärme versorgt werden soll, wirkt die beschriebene Anordnung gemäß Fig.3. Man erhält diese Wirkungsweise einfach durch Ände-
JD rung der Stellung der beiden Ventile 23 und 25. Der Kompressor 21 drückt den komprimierten Dampf über das Vierwegeventil 23 in den Behälter 22. Der Wärmetauscher 26, in welchem das Medium der Anlage zirkuliert, evakuiert die Kondensationswärme des Sekundärfluids. In diesem Fall wirken der Behälter 22 und der Wärmetauscher 26 als Kondensator. Die kondensierte Flüssigkeit durchströmt das Entspannungsventil 25 und das Ventil 27 und gelangt schließlich in den Abscheider 11. Am Eingang des Kreises 7 wird ein Teil des von der Turbine kommenden Dampfes zur Speisung des Kompressors 21 über das Vierwegeventil 23 abgezweigt
Die vom Wärmetauscher 26 entnommene Kondensationswärme wird zur Aufheizung der Klimaanlage
■4ri verwendet. Der Zyklus zur Erzeugung der Antriebskraft arbeitet in Verbindung mit dem Zyklus der Wärmepumpe, wobei beide Zyklen das gleiche Antriebsfluid benutzen.
Durch dieses System wird der Wirkungsgrad der
w Gesamtanordnung des Zyklus zur Wärmerückgewinnung erheblich erhöht, denn die Wärmepumpe gewinnt die am Kondensator des Zyklus zur Erzeugung der Antriebskraft verlorene Wärme zurück und erhöht dessen thermisches Potential ohne Aufwand an
v> elektrischer Energie.
Zur Erzeugung von Kühl- oder Warmluft in einer
Klimaanlage ist es möglich, unter Anwendung von Wärme mit geringer Temperatur denselben Binärzyklus
• anzuwenden, jedoch verwirklicht mit einem Thermo-
bo kompressor.
Dieses System hat im Vergleich zu Systemen mit Turbokompressoren den Vorteil, wesentlich einfacher zu sein und geringere Investitionskosten zu verursachen. Es weist jedoch einen geringeren thermodynami-
ii sehen Wirkungsgrad auf.
Das Wirkungsprinzip einer entsprechenden Anordnung nach der Erfindung ist in F i g. 4 dargestellt.
Wie im vorhergehenden Fall befindet sich das
Sekundärfluid nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 1 bei kritischem Druck im erhitzten Zustand, durchströmt den Mengenregler 5 und tritt in die Düse 60 ein. Unter der Wirkung der Entspannung des Dampfes wandelt sich thermische Energie in kinetische Energie um. Der Dampf hoher Geschwindigkeit durchströmt einen Ejektor 70 und erzeugt in einem Verdampfer 80 einen Unterdruck. Hierdurch wird ein Teil der Flüssigkeit, die der Verdampfer 80 enthält, verdampft. Der Feuchtdampf, welcher den Verdampfer 80 verläßt, wird durch den Frischdampf des Ejektors 70 mitgerissen. Die Mischung wird dann komprimiert im Divergenzteil des Ejektors 70. Am Ausgang des Divergenzteils 70 ist ein erster Wärmetauscher 90 angeordnet, um diesen Dampf zu kühlen und so einen Teil der Wärme rückzugewinnen, welche durch den Kondensator verloren würde. Die Dampfmischung tritt danach in den Kondensator JOO ein, in dem der Kreis 110 für den Durchtritt der als drittes Kühlfluid dienenden Kondensationsluft angeordnet ist. Der kondensierte Dampf wird in flüssigem Zustand durch die Umwälzpumpe 12 aufgenommen und unter Druck einerseits zum Zerstäuber 140 des Verdampfers 80 und andererseits zum ersten Wärmetauscher 90 geleitet. Diese Flüssigkeit durchströmt danach den Ejektor 13. um erneut in den Wärmetauscher 1 einzutreten. Der Ejektor hält einen Unterdruck im Kondensator 100 aufrecht, so daß der nicht kondensierte Restdampf auf diese Weise evakuiert wird.
Der Kreis des Kühlzyklus wird durch einen zweiten Kreis 120 der Umwälzpumpe 12 verwirklicht, welcher den Zerstäuber 140 des Verdampfers 80 speist.
Ein Teil des zerstäubten Fluids wird durch den im Verdampfer herrschenden Unterdruck verdampft. Die durch die Verdampfung absorbierte Wärme kühlt den Rest des im Verdampfer enthaltenen Fluids. Die gekühlte Flüssigkeit läuft danach in dem Kreis 150 eines zweiten Wärmetauschers um und kühlt die Luft ab. welche in dem Kreis 200 zirkuliert. Am Austritt des Kreises 150 is! die Flüssigkeit aufgeheizt und wird durch die Umwälzpumpe 12 angesaugt und erneut in den Kreis des Zyklus gefördert.
Das Tertiärfluid des Zyklus ist auch hier Luft, die bei Niederdruck durch den Kompressor 16 im ersten Kreis 110 des Kondensators gefördert wird. Die durch die Kondensationswärme des Dampfgemisches aufgeheizte Luft durchströmt das Vierwegeventil 170 und wird zur Verbraucherstelle, d. h. zur Klimaanlage, durch die Leitung 180 geleitet. Die Rückluft der Anlage gelangt durch die Leitung 190 zur Ansaugseite des zweiten Kompressors 16, von wo aus sie erneut durch die Leitung 220 in den zweiten Kreis 200 des zweiten Wärmetauschers gefördert wird. Die Wärme der Luft, die von der Anlage her ankommt, wird in dem Kreis 150 rückgewonnen und in den Zyklus der Wärmepumpe eingeführt. Die vom Kreis 200 ausgehende Luft durchströmt erneut das Vierwegeventil 170 und wird dem Wärmetauscher 1 zugeführt. Ein Teil dieser Luft zirkuliert im Ringraum 4, um die an das Rohrgehäuse 2 abgegebene Wärme zurückgewinnen. Diese Luft wird bei dem als Mischvorrichtung dienenden Zusammenlauf 17 in die Verbrennungsgase eingeführt, und ihre Wärme wird somit zum Teil in den Zyklus zurückgeführt. Ein anderer Teil dieser Luft wird durch die öffnungen 18 in die austretenden Gase geleitet; ihre Wärme geht verloren.
Wenn die Klimaanlage mit Kühlluft gespeist werden soll, ergibt sich die Wirkungsweise gemäß F i g. 5:
Die Lage des Vierwegeventils 170 ist geändert, und die vom Kreis 110 des Kondensators 100 kommende Luft wird durch das Vierwegeventil 170 dem Wärmetauscher 1 über die Leitung 210 zugeführt. Der zweite Teil der durch den zweiten Kompressor 16 geförderten Luft durchströmt durch die Leitung 220 den Kreis 200 des zweiten Wärmetauschers, wo sie gekühlt wird. Danach durchströmt sie das Vierwegeventii i/O und wird durch die Leitung 180 dem Verbraucher zugeleitet.
Durch Betätigung des Vierwegeventils 170 kann man daher die Klimaanlage entweder mit Warm- oder mit Kaltluft speisen.
In diesem System hat man ebenso wie in dem vorstehend beschriebenen System mit Turbokompressor zwei Zyklen, die nebeneinander arbeiten, nämlich einen Zyklus der Umwandlung der rekuperierten Wärme in mechanische oder kinetische Energie, und einen Zyklus der Umwandlung der Wärme in thermische Energie (kalt oder warm) mit höherem thermischem Potential.
In dem Zyklus mit Thermokompressor kann der 3» verwendete Thermokompressor entsprechend der Temperatur der rückzugewinnenden Wärme und des verwendeten Sekundärfluids ein- oder zweistufig sein. Ferner kann der Kondensator ein Oberflächenkondensator oder ein Mischkondensator sein. Für diesen Fall und als Beispiel ist der Funktionszyklus in Fig. 6 dargestellt. Der Kompressor 16 ist dann durch eine zweite Umwälzpumpe 160 ersetzt. Der Umlauf der Luft wird gewährleistet durch einen Motorvenlilator 230, welcher einen Teil der Klimaanlage bildet.
Das Sekundärfluid, welches thermodynamisches Medium in dem oben beschriebenen Zyklus verwendet wird, kann in Abhängigkeit von der Temperatur der rückzugewinnenden Wärme variiert werden:
Für verhältnismäßig hohe Temperaturen von 300 bis ·*' 4000C verwendet man vorteilhaft gesättigte Kohlenwasserstoffe der Methanreihe. Durch ihre Sättigung mit Wasserstoff haben diese Medien eine große chemische Stabilität bei hohen Temperaturen.
Das bei hohen Temperaturen stabilste Medium ist 5(l Propan. Dies ist in der Praxis das einzige Medium, das für Temperaturen oberhalb 350° C verwendet wird.
Für Temperaturen unter 3500C verwendet man im allgemeinen gesättigte Kohlenwasserstoffe wie Tetramethylmethan oder Dekan.
" Für Temperaturen unter 2000C verwendet man Fluide aus Fluorkohlenwasserstoffen oder Fluorchlorkohlenwasserstoffen.
Für Temperaturen unter 1000C verwendet man ebenfalls Fluorkohlenwasserstoffe oder Fluorchlorkohw' lenwasserstoffe.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Anordnung zum Umformen von in einem gasförmigen Primärfluid enthaltener Wärme in eine andere Energieart, z. B. mechanische Energie oder die für eine Klimaanlage benötigte Energie, durch Wärmetausch der Wärme dieses Primärfluids mit einem kälteren Sekundärfluid (Arbeitsmittel des Kreislaufs), wobei man das flüssige Sekundärfluid auf seinen kritischen Druck bringt, es danach regenerativ vorwärmt, anschließend durch Wärmetausch mit dem Primärfluid weiter erhi'zt, dann zur Abgabe von Energie entspannt, wodurch das Sekundärfluid dampfförmig wird, und wobei man ferner das dampfförmge Sekundärfluid in einem Kondensator durch Wärmetausch mit einem als Kühlmittel dienenden Tertiärfluid kondensiert, d a durch gekennzeichnet, daß zum Mischen mindestens eines Teils des gasförmigen Tertiärfluids mit dem gasförmigen Primärfluid eine Mischvorrichtung (17) vorgesehen ist, welche ein Rohrgehäuse (2) aufweist, das vom Primärfluid durchströmt ist, wobei ein Ringraum (4) am Umfang des Rohrgehäuses (2) mit einem Einlaß für das Tertiärfluid vorgesehen ist und erste öffnungen (18) im Bereich des Abströmendes des Rohrgehäuses (2) vorgesehen sind, um den Ringraum (4) mit dem Inneren des Rohrgehäuses (2) zu verbinden, daß ferner zweite öffnungen der Mischvorrichtung (17) im Bereich des Zuströmendes des Rohrgehäuses (2) vorgesehen sind, daß ein Rohr-Wärmetauscher (1) zur Durchleitung des regenerativ vorgewärmten Sekundärfluids im Rohrgehäuse (2) angeordnet ist, ferner eine Verjüngung, die das Primärfluid zum Rohr-Wärmetauscher (1) lenkt, wobei die Verjüngung im Bereich der zweiten öffnungen einen größeren Außenquerschnitt hat, um das gasförmige Tertiärfluid in den Rohr-Wärmelauscher (1) und um ihn herum zu leiten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tertiärfluid den Ritigraum (4) der Mischvorrichtung (17) mindestens teilweise im Gegenstrom zum Primärfluid durchströmt.
DE2611890A 1975-03-21 1976-03-20 Anordnung zum Umformen von in einem gasförmigen Primärfluid enthaltener Wärme in eine andere Energieart Expired DE2611890C3 (de)

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