DE2714179C3

DE2714179C3 - Vorrichtung zur Energieerzeugung in einem geschlossenen Kreislaufsystem

Info

Publication number: DE2714179C3
Application number: DE19772714179
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Pocrnja
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1981-01-15
Also published as: BE865458A; DE2714179B2; DE2714179A1; NL7803351A; JPS53122041A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energie' erzeugung in einem geschlossenen Kreislaufsystem mit einer Pumpe, einem Wärmetauscher, in dem ein Arbeitsmedium durch Fremdwärme einer ersten War* mequelle Verdampft wird, einem Erhitzer, in dem das verdampfte Arbeitsmedium durch Fremdwärme einer von der ersten Wärmequelle unabhängigen zweiten Wärmequelle überhitzt wird, einer Turbine, in der das überhitzte Arbeitsmedium entspannt wird, und einem in Strömungsrichtung des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Wärmetauscher angeordneten Rekuperator sowie einem Kondensator.

Eine derartige Vorrichtung ist in der FR-PS 11 46 887, Zusatz 70 047 beschrieben. Zum Vorwärmen des mit Wasser als Arbeitsmedium arbeitenden Kreislaufsystems sind hierbei jedoch mehrere Wärmetauscher notwendig, die getrennt voneinander über jewüls eine Leitung an einen eigenen Ausgang der Turbine angeschlossen sind. Abgesehen davon, daß auf diese Weise nicht der gesamte, in die Turbine eintretende Dampf arbeitsleistend auf das niedrigste Druckniveau entspannt wird, erforder; die bekannte Vorrichtung eine große Zahl von Bauteilen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung geringen schalttechnischen Aufwands zu entwickeln, mit der eine wesentlich bessere Energieausnutzung als in bekannten Kraftwerken erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Strömungsrichtung des dampfförmigen Arbeitsmediums vor dem Rekuperator ein weiterer Rekuperator mit einem den Turbinenausgang mit dem Rekuperator verbindenden ersten Strömungsquerschnitt und einem den Wärmetauscher mit dem Erhitzer verbindenden zweiten Strömungsquerschnitt angeordnet ist, wobei der Rekuperator einen den weiteren Rekuperator mit dem Kondensator verbindenden Strömungsquerschnitt und einen die Pumpe mit dem Wärmetauscher verbindenden Strömungsquerschnitt besitzt.

Erfindungsgemäß sind zwischen der Turbine und dem Kondensator zwei Rekuperatoren geschaltet, die jeweils einen Strömungsquerschnitt für zu kühlenden Dampf und je einen weiteren Strömungsquerschnitt für zu verdampfendes Arbeitsmedium bzw. zu erhitzendes dampfförmiges Arbeitsmedium besitzen. So wird bei der vorgeschlagenen Erfindung der entspannte Dampl nicht sofort kondensiert, sondern zunächst zum Erhitzen des durch Fremdwärme der ersten Wärincquelle verdampften Arbeitsmediums und anschließend zum Erhitzen des zu verdampfenden Arbeitsmediums herangezogen. Dabei kühlt der Dampf bis in die Nähe der Kondensationstemperatur ab, so daß dem dampfförmigen Arbeitsmedium in dem den beiden Rekuperatoren nachgeschalteten Kondensator im wesentlichen nur die Kondensationswärme entzogen werden muß.

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das gesamte überhitzlr, dampfförmige Arbeitsmedium in der Turbine auf Kondensationsdruck entspannt. Das Volumen des in den Rekuperatoren gekühlten und in den Kondensator eintretenden Arbeitsmediums ist unabhängig von der Maximaltemperatur, auf die das Arbeitsmedium vor der Turbine erhitzt worden ist. Somit kann das Arbeitsmedium theoretisch auf eine beliebig hohe Temperatur erhitzt werden, die praktisch nur durch die Materialeigenschaften des Erhitzers beschränkt ist. Mit der im Erhitzer des Kreislaufsystems erzielbaren maximalen Temptratur steigt aber der Wirkungsgrad der Anlage. Die Steigerung des Wirkungsgrades ist zurückzuführen auf den besseren [Erhitzerwirkungsgräd, der dadurch erzielt wird, daß das ^Arbeitsmedium in dem dem Erhitzer Vorgeschalteten Rekuperator durch entspanntes Arbeitsmedium auf ein relativ hohes Temperatürniveau gehoben wird, Somit Wird die im Erhitzer angebotene Wärme stets optimal genutzt, d. h, auf einem höhen TempefälUfniveäU aufgenommen und umgewandelt. Auf diese Weise wird der Nachteil der bekannten Vorrichtung, bei der

zwischen dem Arbeitsmittel und der im Erhitzer angebotenen Wärme beträchtliche Temperaturdifferenzen bestehen, die entsprechende Exergieverluste ur.d damit einen schlechteren Erhitzerwirkungsgrad zur Folge haben, vermieden.

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Wärme der ersten Wärmequelle über einen Wärmeträger, der eine Temperatur zwischen Umgebungstemperatur und 600 K besitzt, auf das Arbeitsmedium übertragen. Die erste Wärmequelle hat die Aufgabe, das kondensierte, komprimierte Arbeitsmedium zu erwärmen und zu verdampfen. In vielen Anlagen werden große Mengen an Abwärme erzeugt, deren Temperaturen im Bereich zwischen Umgebungstemperatur und K liegen und somit als billige Wärmequellen für das Verdampfen und Erwärmen des Arbeitsmediums dienen können. Erfindungsgemäß können auch natürliche Wärmevorräte, z. B. Meerwasser oder Luft Verwendung finden.

Die bei der Kühlung des Arbeitsmediums abzuführende Wärme ist nur wenig größer als die dem Kreislaufsystem zugeführte Abwärme, die ohnedies abgeführt werden muß. Hingegen ergäbe sich bei einer konventionellen Anlage gleicher effektiver Leistung — je nach Wirkungsgrad — eine wesentlich größere 2ϊ Abwärmemenge, die zusätzlich abgeführt werden müßte.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann z. B. unter folgenden Arbeitsbedingungen betrieben werden:

a) die Temperaturen des Wärmeträgers liegen deutlich über Umgebungstemperatur und als Arbeitsmedium wird ein Stoff verwendet, der bei Umgebungstemperatur und einem Druck größer als i bar flüssig ist und der nach der Kompression im Wärmetausch mit dem Wärmeträger verdampft. So kann die Kondensationswärme des Arbeitsmediums durch ein Medium von Umgebungstemperatur, z. R. Wasser, abgeführt werden, für diesen Temperaturbereich und die übrigen Randbedingun- 4η gen erweisen sich Schwefelfluorid und Schwefelhexafluorid, insbesondere auch Schwefeldioxid als geeignete Arbeitsmedien.

b) Der Wärmeträger besitzt etwa Umgebungstemperatur und als Arbeitsmedium wird ein Stoff verwendet, der bei Umgebungstemperatur verdampft und gegen einen Kälteträger kondensiert, dessen Temperatur wesentlich unter Umgebungstemperatur liegt. Di?se Variante des Erfindungsgedankens findet vor allem dort Anwendung, wo eine große Kältemenge ungenutzt zur Verfügung steht,

d. h. flüssiges Erdgas in LNG-Terminals. Das Verfahren wird mit Hilfe der angebotenen Kälte und Umgebur.gswärme betrieben. Das Arbeitsmedium kondensiert gegen das anzuwärmende, flüssige Erdgas und verdampft im Wärmetausch mit der Umgebung (z. B. Meerwasser). Die Wärmezufuhr auf Umgebungsniveau bietet am h hier die Möglichkeit, anstelle einer Turbinen-Verdichter-Anlage eine Turbinen-Pumpen-Anlage zu verwenden. Auf diese Weise ergibt sich ein viel kleineres Kraftwerk, das aber die zugeführte Fremdwärme für die Erhitzung des Arbeitsmittels auf maximale Temperatur mit noch besserem Wirkungsgrad ausnutzt. Der Brennstoffverbrauch « der Wärmequelle entspricht dabei der laufend verdampften Menge an flüssigem Erdgas,
Als Arbeitsmittel eignet sich für das zuletzt

30

35 beschriebene Verfahren z. B. Kohlendioxid oder Xenon.

Es ist zweckmäßig, als Arbeitsmedien Stoffe einzusetzen, die sieh bei der höchsten, im Kreislaufsystem vorkommenden Temperatur wie inerte Gase verhalten. Soll nämlich die Wärme der Wärmequelle bei hohen Temperaturen (z. B. 970 K und höher) genutzt werden, so muß das eingesetzte Arbeitsmedien auch bei hohen Temperaturen chemisch stabil und nicht korrosiv sein. Das obenerwähnte Schwefeldioxid erfüllt diese Anforderungen wenigstens bei einigen Stählen, z. B. bei Cr₂J-AIu-Si. Auch Schwefelfluorid (SO₂F₂) und Schwefelhexafluorid (SF₆) besitzen eine große chemische Stabilität und Verträglichkeit mit allen Materialien, sind nicht entzündbar und nicht oder kaum toxisch.

Mit Vorteil kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem geschlossenen Kreislaufsystem eines Dampfkraftwerkes kombiniert werden, das eine Pumpe, einen Verdampfer, eine Entspannungstui foine und einen Kondensator enthält, wobei der Wärmetauscher, in dem das Arbeitsmedium verdampft wird, neben einem Strömungsquerschnitt für das Arbeitsmedium einen weiteren Strömungsquerschnitt für den zu kondensierenden Dampf aufweist und in einem Erhitzer für beide Kreislaufsysteme jeweils ein Strömungsquerschnitt angeordnet ist. In dieser Heizvorrichtung wird durch die zweite Wärmequelle sowohl das. Arbeitsmedium erwärmt als auch das Wasser verdampft und der Dampf überhitzt. Der vorgeschlagene Kreislauf ist also bezüglich der Wärmeaufnahme dem Dampfprozeß vor- und nachgeschalteL Erfindungsgemäß wird der Dampf bei wesentlich höheren Temperaturen kondensiert als bei herkömmlichen Dampfkraftwerken (z. B. bei 370 K anstelle von 310K). Dennoch erreicht das Verfahren einen Wirkungsgrad, der mit ca. 50% deutlich über dem eines konventionellen Dampfkraftwerkes liegt.

Ein geeignetes Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Nutzung von Sonnenenergie. Bekanntlich sind sehr teure Kollektoren und sonstige Einrichtungen nötig, um die Sonnenwärme bei hoher Temperatur (z. B. 770 K) zur Energieerzeugung zu nutzen. Andererseits ist es möglich, mit billigsten Mitteln (wassergefüllte Plastikschläuche, überdeckte seichte Teiche usw.) die Sonnenwärme bei Temperaturen um 350 K zu sammeln und zu speichern. Bei Anwendung der vorgeschlagener Vorrichtung könnte mit Hilfe billiger Sonnenwärme die Spitzenwärme aus teuren Kollektoren oder fossile Brennstoffwärme mit außerordentlich ho'iem Wirkungsgrad (rund 70%) in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für die erfindungsgeriäß«. Vorrichtung ist die Nutzung der Erdwärme als Wärmequelle.

Allgemein kann die Vorrichtung mit Erfwlg überall dort eingesetzt werden, wo große Mengen an Abwärme des angegebenen Temperaturbereiches anfallen und sonst ungenutzt vprloren gegeben werden, wie /. B. in Äthylenanlagen. Es ist anzunehmen, daß in chemischen Industriebetrieben, Raffinerten und dergleichen ein gewaltiges Potential an erfindungsgemäß nutzbarer Abwärme für die Energieerzeugung steckt.

In den Fig, 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch darge* stellt. Die in allen Figuren gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen Versehen.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schema des Verfahrens für die Kühlung mit

Wasser oder durch LNG,

F i g. 2 ein Verfahrensdiagramm.

In dem in Fig,l dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Arbeitsmedium Schwefeldioxid, als Kühlmittel Wasser und zur Verdampfung ein Wärmeträger mit einer Temperatur von etwa 350 K verwendet. Im Kondensator 1 wird das Schwefeldioxid kondensiert. Bei dem vorliegenden Druck von 5 bar liegt die Köndensationstemperatuf bei 305 K. Pumpe 2 bringt das Arbeitsmedium auf einen Druck von 14,5 bar, ehe es in den Rekuperator 8 und anschließend in den Wärmetauscher 3 eintritt. Hier wird das Arbeitsmedium durch Abwärme verdampft und im Rekuperator 4 weiter erwärmt. Erhitzer 5 bringt das Arbeitsmedium auf maximale Temperatur (978 K). In der nachgeschalteten Turbine 6 erfolgt die afbeitsleistende Entspannung auf Kondensationsdruck (5 bar). Die Turbinenleistung kann im Generator 7 in elektrische Leistung umgewan-Wärmetauschern I und 12 im Wärmelausch mit kondensierendem Arbeitsmedium bzw, Wärme von Umgebungstemperatur verdampft und einem Erdgas^ netz zugeleitet. Bei einem Druck von 6,6 bar kondensiert das Kohlendioxid bei 222 K. Die höchste Temperatur vor der Turbine' beträgt 993 K. Im übrigen gleicht die Anordnung dem letzten Beispiel. In Tabelle I sind die Leistungsdaten des erfiridungsgerhäßen Verfahrens mit Schwefeldioxid als Kreislaufmittel im Vergleich milden Leistungsdaten einer köhventionelleri Gasturbine mit geschlossenem Kreislauf angegeben. Wie aus der Tabelle ersichtlich, erscheint das neue Verfahren äußerst günstig. Der Wirkungsgrad, bezogen auf die im Erhitzer eingesetzte Brennstoffwärme, wird, unter Vernachlässigung der Abwärme-Exergie, doppelt so hoch, wie der in konventionellen Kraftwerken erreichbare. Selbst bei Berücksichtigung der Abwärme-Exergie liegt der Wirkungsgrad noch deutlich über dem

oxid im Rekuperator 4 und 8 weiter abgekühlt, ehe es wieder in den Kondensator I eintritt. Das Kühlwasser wird über Leitung 17 dem Kondensator 1 zugeführt.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel kann auch mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium betrieben werden, das, wie beschrieben, bei Temperaturen kondensiert, die wesentlich unter Umgebungstemperatur liegen. Zu diesem Zweck kommt durch Leitung 17 flüssiges Erdgas unter etwa atmosphärischem Druck aus einem Speicherbehälter, z. B. einem Flüssiggastankschiff. Mit der Flüssigkeitspumpe 13 wird der Druck des jo flüssigen Erdgases auf 70 bar erhöht und in den

KUuvcniiönciicf rtfiidgcn. rtüägciicnu VGn cincf circKti*

ven Leistung von 33,4 MW müssen im erfindungsgemäßen Verfahren durch den Kühler 9,4 MW mehr abgeführt werden, als durch die Abwärme im Wärmetauscher 3 in den Kreislauf eingebracht wurde. Hingegen ergäbe sich bei einer konventionellen Anlage gleicher effektiver Leistung — je nach Wirkungsgrad — eine zusätzlich abzuführende Abwärmemenge von 50 bis 80 MW.

In Tabelle Π sind die Leistungsdaten des Verfahrens für die Kühlung mit flüssigem Erdgas im Vergleich mit den Leistungsdaten eines herkömmlichen geschlossenen Kreislaufsystems mit LNG-Küh!ung angeführt.

Tabelle I
Annahmen:

Temperatur der Abwarme:	min. —75 C	Geschlossene
Turbinen- bzw. Verdichterwirkungsgrad:	>,ad = 0,85	Gtteiufbinc
Pumpenwirkungsgrad:	'/, =0,65	mit zwei
Thermischer Wirkungsgrad des Erhitzers:	>ie =0,9	stufiger
	Vorgeschlagenes	Verdichtung
	Vc f ι all feil	Lurt
		653 800
		5/30
		-
Kreislaufmedium	SO₂	720
Kreislaufdurchsatz (NmVh)	411000	-
Kreislaufdrücke (ata)	5/14,7	102,2
Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperatur ( C)	32/71
Spitzentemperatur vor der Turbine ( C)	705	81,8
Abwärmemenge (lOOGcal/h) Qvr(MW)	116,2	48,4
BrennsiofTwärme Q₃ (MW)	47,6	33,4
Leistungen (MW)
Turbinenleistung L₇-	33,8	57,8
Pumpen- bzw. Verdichterleistung L_P	0,4	58,6
Nutzleistung L^ = L_T-L_P	33,4	-
Wärmeumsätze (MW)
Rekuperator Q_x^	119,4
Wasserkühler Q₀	125,6
Abwärme-Exergie (bei T_K = 32 C) E_jVr (MW)	14,2

Wirkungsgrad des Verfahrens Uriicr Vernachlässigung tier Abwäfmc-Excf'gic

70\2

(icscliliKSciic

(iiislifihiilu' iiiil /ν*ιίϊ· sdiiiycr Viirtlicliltiiiji

32,7

Wirkungsgrad des Verfahrens unter Berüekiichligung der Abwärme-Exefgie

Tabelle II

(gültig mit Wirkungsgraden wie in Tabelle I) 54,0

	Vorgeschlagenes	Geschlossene
	Verfahren	Gasturbine
		mit LNG-
		Kühlung
Kreislaufmedium	CO,	Luft (N₂)
Kreislaufdurchsatz (NnrVh)	573500	2815000
Kreislaufdrücke	6,64/34,45	5/30
Verdampfungs-Kondensationstemperatur ( C)		-
Spitzentemperatur vor der Turbine ( C)	705	720
iJmgebungswärme Qu(MW)	88,0	-
IrennstolTwärme Q_B (MW)	100,8	439,8
Leistungen (MW)
Tiirhinenlektnng [ _r	⁷!.6	352,3
Pumpen- bzw. Verdichterleistung L_P	1,0	107,6
Nutzleistung L₉₇ = L_T-L_P	70,6	244,7
Wärmeumsätze (MW)
. Rekupatoren	179,4	411,3
LNG-Verdampfer (gegen CO₂)	108,1	151,2
LNG-Verdampfer (gegen Umgeb.)	39	-
Wirkungsgrad des Verfahrens, bezogen auf	-70,0	55,6

I rennstoffwärme

Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mit 70% um 14,4% größer als der des bisherigen Verfahrens.

Das Arbeitsmedium nimmt die Umgebungswärme (20) im Wärmetauscher 3 und die Brennstoffwärme (21) im Erhitzer 5 auf.

In Fig.2 ist zur weiteren Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Wärmeinhalt der in den Wärmetauschern, Rekuperatoren und im Erhitzer abzukühlenden bzw. anzuwärmenden Ströme als Funktion des Logarithmus ihrer Temperatur aufgetragen. Diesem Diagramm liegt als Arbeitsmedium Schwefeldioxid und eine Nutzung von lOOGcal/h Abwärme in Wärmetauscher 3 zugrunde.

Zur Vereinfachung wird ein Kreisprozeß ohne Rekuperator betrachtet Kurve 1 stellt den Wärmeinhalt des anzuwärmenden Stromes, Kurve 2 den des abzukühlenden Stromes dar. Wie zu erkennen ist, sind die beiden Kurven gegenseitig gut angepaßt, d. h, die Temperaturdifferenzen sind an keiner Stelle unnötig gTOu. r\US uicSciTl diagramm iSt aüCii ZU 6rS6zi€71, u5u sich das Verfahren vorzüglich für die Kombination mit einem Dampfkraftwerk eignet, dessen Dampf z. B. bei 373 K kondensiert

030 263/245

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Energieerzeugung in einem geschlossenen Kreislaufsystem mit einer Pumpe, einem Wärmetauscher, in dem ein Arbeitsmedium durch Fremdwärme einer ersten Wärmequelle verdampft wird, einem Erhitzer, in dem das verdampfte Arbeitsmedium durch Fremdwärme einer von der ersten Wärmequelle unabhängigen to zweiten Wärmequelle überhitzt wird, einer Turbine, in der das überhitzte Arbeitsmedium entspannt wird, und einem in Strömungsrichtung des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Wärmetauscher angeordneten Rekuperator sowie einen Kondensator, is dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des dampfförmigen Arbeitsmediums vor dem Rekuperator (8) ein weiterer Rekuperator (4) mit eirem den Turbinenausgang mit dem Rekuperator (8) verbindenden ersten Strömungsquerschnitt und einem den Wärmetauscher (3) mit dem Erhitzer (5) verbindenden zweiten Strömungsquerschnitt angeordnet ist, wobei der Rekuperator (8) einen den weiteren Rekuperator (4) mit dem Kondensator (1) verbindenden Stiömungsquerschnitt und einen die Pumpe (2) mit dem Wärmetauscher (3) verbindenden Strömungsquerschnitt besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem weiteren, geschlossenen Kreislaufsystem eines Dampfkraftwerkes, das eine Pumpe, einen Verdampfer, eine Entspannung^turbine und einen Kondensator enthält, daJu^rch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (3), in dem ias Arbeitsmedium verdampft wird, neben einem Strömungsquerschnitt 3-5 für das Arbeitsmedium einen weiteren Strömungsquerschnitt für den zu kondensierenden Dampf aufweist und in einem Erhitzer für beide Kreislaufsysteme jeweils ein Strömungsquerschnitt angeordnet ist.

3. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 auf die Nutzung von Sonnenenergie, wobei die in Kollektoren, vorzugsweise in Niedertemperatur-Kollektoren, erzeugte Wärme als erste Wärmequelle (20) benutzt wird. «,%

4. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 auf die Nutzung von Erdwärme als erste Wärmequelle (20).