DE2715499C2

DE2715499C2 - Geothermisches Wärmekraftwerk

Info

Publication number: DE2715499C2
Application number: DE2715499A
Authority: DE
Inventors: Hugh Brookie Boylston Mass. Matthews
Original assignee: Sperry Corp New York NY; Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1976-04-06
Filing date: 1977-04-06
Publication date: 1986-03-06
Also published as: IT1143566B; NZ183668A; GB1519565A; US4142108A; FR2347545A1; FR2347545B1; JPS6042358B2; JPS52122745A; DE2715499A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein geothermisches Wärmekraftwerk der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Es ist ein Wärmekraftwerk der eingangs genannten Art bekannt (US-PS 39 38 334), bei dem die heiße, die Heizflüssigkeit darstellende Sole durch Wärmetauschereinrichtungen geleitet wird, die das zum Antrieb der Nutzeinrichtungen dienende Arbeitsmittel, das in einem geschlossenen Kreislauf umläuft, erhitzen. Hierbei kann weiterhin ein Teil des zum Antrieb der Pumpeinrichtungen dienenden Arbeitsmittels über weitere Wärmetauschereinrichtungen zur Vorerwärmung des die Nutzeinrichtungen speisenden Arbeitsmittels verwendet werden, so daß auch ein Teil der Wärmeenergie des Arbeitsmittels zur Erzeugung von Nutzleistung herangezogen wird. Bei diesem bekannten Verfahren sind aufwendige Wärmetauscher- und Pumpeinrichtungen an der Erdoberfläche erforderlich, und das Arbeitsmittel steht nach dem Antrieb der Pumpeinrichtungen in Wärmeaustauschbeziehung mit der sich beim Hochsteigen in gewissem Ausmaß abkühlenden Heizflüssigkeit, so daß der Energieinheit des Arbeitsmittels gegenüber dem Austritt aus den Pumpeinrichtungen verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sich ein wesentlich vereinfachter Aufbau ergibt, ohne daß der Wirkungsgrad beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird durch im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ausschließlich die Wärmeenergie des Arbeitsmittels zur Gewinnung von Nutzleistung herangezogen, so daß sich ein wesentlich vereinfachter Aufbau ohne die Notwendigkeit aufwendiger Wärmetauscher- und Pumpeinrichtungen an der Erdoberfläche ergibt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Arbeitsmittel in. Wärmeaustauschbeziehung und im Gegenstrom zur Heizflüssigkeit zu den Pumpeinrichtungen geleitet und von diesen aus in wärmeisolierter Beziehung wieder nach oben geleitet, so daß beim Hochleiten des Arbeitsmittels keine Energieverluste auftreten. Damit können bei der crfindungsgemäßen Vorrichtung die in der Erde befindlichen Rohrleitungen gleichzeitig als Wärmetauscher benutzt werden, die die Wärmeenergie von der Heizflüssigkeit auf das zu den Pumpeinrichtungen strömende Arbeitsmittel übertragen, das dann nach Erreichen seiner höchsten Temperatur ion wärmeisolierter Beziehung nach oben zu den Nutzeinrichtungen strömt.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen des Wärmetauschers angegeben, die zu einem Druck-Enthalpie-Verlauf führen, der einen optimalen Wirkungsgrad ergibt. Die Auslegung eines Wärmetauschers zur Erzielung des in den Unteransprüchen angegebenen Druck-Enthalpie-Verlaufes ist dem Fachmann allgemein bekannt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des geothermischen Wärmekraftwerks,
Fig. 2a bis 3b graphische Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise der Ausführungsform nach Fig.1.

In Fig.1 ist eine Ausführungsform des geothermischen Wärmekraftwerks dargestellt, die ein an der Erdoberfläche angeordnetes Encrgieumwandlungssystcm

b5 und ein damit zusammenwirkendes Energiecntnahmcsystem einschließt, das in einen Tiefbrunnen eingetaucht ist, der sich in Schichten weit unter der Erdoberfläche erstreckt. Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform

des geothermischen Wärmekraftwerks weist ein gegenüber bekannten Wärmekraftwerken vereinfachtes Oberflächenenergie-Umwandlungssystem ~uf, das mit einem weniger komplizierten und wirkungsvolleren geothermischen Energieentnahmesystem zusammenwirkt, wobei das letztere in dem Tiefbi unnen angeordnet ist, der sich in Schichten erstreckt, die einen reichlichen Zufluß von geothermisch erhitztem Wasser oder geothermisch erhitzter Sole als Heizflüssigkeit unter relativ hohem Druck aufweisen. Die Tiefbrunnenvorrichtung schließt eine aktive Sole-Pumpvorrichtung ein, die sich in einer Brunnenauskleidung 125 unter der Tiefe befindet, an der eine Dampfbildung erfolgen würde. Die Ausführungsform nach Fig. 1 schließt einen Brunnenkopfabschnitt 149 ein, der sich teilweise über der Erdoberfläche 131 befindet und sich von dieser nach unten ers'reckt. In Richtung auf die geothermische Quelle stehen Verlängerungen der Brunnenrohre dirke* mit einem Dampfturbinenmotorabschnitt 170, einem Drehtraglagerabschnitt 171 und einem Heißwasser-Pumpabschnitt 172 in Verbindung, die in enger Aufeinanderfolge mit zunehmenden Tiefen angeordnet sind.

Die Brunnenauskleidung 125 erstreckt sich von einer Oberflächenabdeckung oder Kopfplatte 120 nach unten, umgibt allgemein konzentrisch ein einen Wärmetauscher 123 bildendes relativ großes Rohr, das eine kreisringförmige Leitung 126 bildet, durch das die immer in flüssigem Zustand befindliche heiße geothermische Sole nach oben strömen kann. Zwischen dem Wärmetauscher 123 und einem inneren Rohr 121 ist eine kreisringförmige Leitung 124 gebildet, die eine nach unten gerichtete Strömung eines Arbeitsmittels in Form einer organischen Flüssigkeit in überkritischem Zustand ermöglicht, um die Dampfturbine in dem Turbinenabschnitt 170 anzutreiben. Nach dem Antrieb der Dampfturbine wird die teilweise abgekühlte, sich im überkritischen Zustand befindliche Flüssigkeit ohne Phasenänderung in der Leitung 122 nach oben zurückgeführt, die in dem Rohr 121 gebildet ist.

Ein intensiver Wärmeaustausch wird durch die Wändc des Wärmetauschers 123 zwischen dem nach oben strömenden heißen geothermischen Wasser und dem mich unten strömenden Arbeitsmittel erzielt, das in der kreisringförmigen Leitung 124 in einen überkritischen Zustand erhitzt wird. Andererseits wird ein Wärme-Übergang zwischen der erhitzten Arbeitsmittel in der kreisringförmigen Leitung 124 und dem in der inneren Leitung 122 nach oben strömenden Arbeitsmittel sehr stark verringert. Zu diesem Zweck wird lediglich ein kleiner Teil des Rohres 121 aus Metall hergestellt und der größte Teil der Leitung 122 ist durch ein aus thermisch isolierendem Material hergestelltes Rohr gebildet. Ein derartiges Isolierrohr ist in Fig. 1 als Steigleitung 127 dargestellt, die mit dem metallischen Brunncnkopf-lnnenrohr 121 in üblicher Weise verbunden ist, beispielsweise durch eine Gewindeverbindung 128. Die Steigleitung 127 kann in ähnlicher Weise an einer Gewindeverbindung mit einem Metallrohr verbunden sein, das sich in dem Turbinenabschnitt 170 befindet, der noch beschrieben wird. Die Steigleitung 127 kann in üblicher Weise aus feuerfesten Materialien geformt werden, die mit einem geeigneten Bindemittel gegossen werden, und sie kann Glas-, Asbest- oder ähnliche Fasern enthalten. Alternativ kann die Steigleitung 127 ein Stahlrohr mit einer Schicht aus pulverisiertem thermisch isolierendem Material sein, das in üblicher Weise auf eine oder beiden zylindrischen Oberflächen des Rohres aufgesprüht oder mit diesen auf andere Weise verbunden wird. Am unteren Ende des Betriebstemperaturbereiches sind verstärkte Kunststoff rohre geeignet

Wenn die Pumpe in dem Pumpenabschnitt 172 arbeitet, wird die Heizflüssigkeit in der Leitung 126 immer in flüssigem Zustand durch die Wirkung der Pumpenflügel 174 nach oben gefördert, wobei diese Pumpenflügel über eine Welle 173 von der Dampfturbine des Abschnittes 170 angetrieben werden. Während des Aufsteigens der Heizflüssigkeit in der Leitung 126 ergibt sich eine intensive Wärmeübertragung durch die Wände des Wärmetauschers 123 in das nach unten strömende Arbeitsmittel in der Leitung 124. Die Heizflüssigkeit strömt in der Leitung 126 nach oben und über ein Verzweigungsauslaßrohr 132 an der Erdoberfläche 131 aus, so daß sie in beträchtlich abgekühlter Form einem Rückleitungsbrunnen 133 zugeführt wird. Entsprechend kann der Energieableitungskreislauf kontinuierlich wiederholt werden.

Das Arbeitsmittel, das über ein an der Oberfläche angeordnetes Zweigrohr 118 in die Leitung 124 eingeleitet wird, strömt zwischen dem Wärmetauscher 123 und der thermisch isolierenden Steigleitung 127 mit einem beträchtlichen Volumen nach unten, so daß der größere Teil der geothermischen Energie auf das Arbeitsmittel übertragen ist, wenn diese die Dampfturbine des Abschnittes 170 in überkritischem Zustand erreicht. Nach der Lieferung der Energie zum Antrieb der Dampfturbine, der Welle 173 und der Flügel 174 der Solepumpe strömt das Arbeitsmittel dann im überkritischen Zustand in der Leitung 122 ohne Zustandsänderung nach oben und strömt durch die in Reihe hintereinander angeordneten Rohre 119 und 104 zum Eingang einer üblichen mehrstufigen Dampfturbine 101. Auf diese Weise wird Energie durch den Dampf geliefert, der sich an den Eingangsdüsen der Dampfturbine 101 bildet, um den an der Erdoberfläche angeordneten Wechselstromgenerator oder allgemein einen Generator 102 anzutreiben, der eine elektrische Leistung an den Ausgangsanschlüssen 103 liefert.

Der an der Ausgangsstufe der Turbine 101 austretende und durch das Rohr 105 fließende Dampf wird durch die Wirkung des Kondensatorelementes 110 eines Kondensators 109 in Flüssigkeit rückgewandelt. Die Kühlung des Kondensators 109 wird durch eine Wasserströmung beispielsweise von einem (nicht gezeigten) Kühlturm über ein Rohr 106, ein Kondensatorelement 108 und über ein Rohr 107 zum Turm zurück erzielt. Im Normalbetrieb strömt das Arbeitsmittel über die Rohre 111, 112, über ein offenes Ventil 114 und über eine T-Verbindung 117 in das Zweigrohr 118, um wieder in Umlauf gebracht zu werden. Das Ventil 114 wird nur unter ungewöhnlichen Umständen geschlossen, wie z. B. beim Inbetriebsetzen der Vorrichtung und in diesem Fall wird das Ventil 116 statt des Ventils 114 geöffnet und eine Pumpe 115 wird in Betrieb gesetzt, um eine Strömung durch ein Rohr 113, die Pumpe 115, das Ventil 116 und die T-Verzweigung 117 hervorzurufen, damit sich ein ausreichender Druck zum Anlassen der Dampfturbine des Abschnittes 170 ergibt, worauf der Normalbetrieb mit geschlossenem Ventil 116 und geöffnetem Ventil 114 fortgesetzt wird.

Die Ausführungsform des geothermischen Wärmekraftwerks nach F i g. 1 weist lediglich zwei Arbeitskreise auf, nämlich:

1. Einen geothermischen Solekreislauf mit der Leitung 126, dem Rohr 132, dem Rückleitungsbrunnen

133 und der durchlässigen Schicht 84, die den Boden der beiden Brunnen verbindet, und 2. einen vollständig getrennten Kreislauf, der hier als organischer Kreislauf bezeichnet wird und der die Strömung des Arbeitsmittels durch die Rohre 111, 112,118, die Brunnenleitung 126, die Dampfturbine im Abschnitt 170, die Leitung 122, die Rohre 119, 104, die Dampfturbine 101 und den Wärmetauscher 110 umfaßt.

Im Betrieb des Heizflüssigkeitskreislaufes wird die Heizflüssigkeit vom Boden der Brunnenauskleidung 125 mit Hilfe der Pumpe am Abschnitt 172 nach oben gepumpt und sie erhält einen Zusatzdruck, damit sie sich über die Erdoberfläche 131 bewegt. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 überträgt die Heizflüssigkeit im wesentlichen ihre gesamte zur Verfugung stehende Wärme durch die Wände des sehr langen Wämetauschers 123 an das Arbeitsmittel in der Leitung 124 des organischen Kreislaufs. Nach dem Antrieb der Dampfturbine in dem Turbinenabschnitt 170 erreicht das Arbeitsmittel die Erdoberfläche 131 mit einer relativ erniedrigten Temperatur, beispielsweise in der Größenordnung von 49°C bis 65,5°C, wenn die Heizflüssigkeit in dem Brunnen eine Temperatur von ungefähr 150° C aufweist, und zwar üblicherweise in Abhängigkeit von der Temperatur des abschließenden Kühlers. Die Temperatur der Heizflüssigkeit in der Leitung 126 wird kontinuierlich verringert, wenn diese hochsteigt und der Druck in der Heizflüssigkeit fällt ebenfalls kontinuierlich ab und entsprechend ist es nicht erforderlich, daß die am Boden des Brunnens angeordnete Pumpe des Abschnittes 172 einen beträchtlichen Zusatzdruck erzeugt, um eine Dampfbildung zu verhindern und die gesamte von der im Brunnen angeordneten Pumpe erzeugte Arbeit dient lediglich zur Überwindung von Strömungsreibungsverlusten.

Die Betriebsweise des überkritischen organischen Kreislaufs nach F i g. 1 kann in Verbindung mit den Diagrammen nach den F i g. 2a und 2b erläutert werden.

Der im überkritischen Zustand betriebene organische Kreislauf ist in Fig.2a durch den Kreislauf ACFEDA dargestellt. Beginnend am Ausgang des Kondensatorelementes 110, der dem Punkt A nach Fig.2a entspricht, fließt das Arbeitsmittel in der Leitung 124 zwischen dem Wärmetauscherrohr 123 und der thermisch isolierenden Steigleitung 127 nach unten. Das durch die Schwerkraft hervorgerufene Druckgefälle in zunehmender Tiefe des Arbeitsmittels in der Leitung 124 steigt kontinuierlich an; die Temperatur und die Enthalpie steigen ebenfalls kontinuierlich an, weil das Arbeitsmittel Wärme von der Heizflüssigkeit während des gesamten Durchlaufens durch die Leitung 124 aufnimmt Das Arbeitsmittel in der Leitung 124 bleibt in dem einphasigen überkritischen Zustand entlang der Kurve 148 und normalerweise gerade außerhalb der Kurve 142, die den Zweiphasenbereich 141 nach F i g. 2a umgrenzt und sie erreicht die Dampfturbine in dem Abschnitt 170 mit maximaler Temperatur, mit maximalem Druck und mit maximalem Wärmeinhalt (Enthalpie), wie dies durch den Punkt C dargestellt ist In der Praxis kann zugelassen werden, daß die Kurve 148 geringfügig in den Zweiphasenbereich 141 absinkt wie dies noch näher erläutert wird. Die Form der Kurve 142 ist selbstverständlich von Natur her durch die physikalischen Eigenschaften des organischen Arbeitsmittels bestimmt oder festgelegt während die Form der Kurve 148 ohne weiteres unter Anwendung der beschriebenen Maßnahmen verändert werden kann. Im allgemeinen wird die Form der Kurve 148 gemäß F i g. 2a so eingestellt und ausgewählt, daß die Einführung von Wärme in das Arbeitsmitlei bei kosntantem Druck vermieden wird.
Weil der Druck und die Temperatur zusammen entlang des Weges AC nach F i g. 2a ansteigen, bleibt die spezifische Wärme dQ/dTdes Arbeitsmittels angenähert mit der Temperatur konstant. Diese Eigenschaft einer relativ konstanten spezifischen Wärme kann mit ίο einem weiten Bereich von organischen Arbeitsmitteln erzielt werden, die zur Verwendung in thermodynamischen Systemen geeignet sind, unter Einschluß von Isobutan, Propan, Propylen, Difluoromethan (CH2F2) und anderen allgemein verwendeten ein hohes Molekulargewicht aufweisenden Kühlmitteln auf Kohlenstoffwasserstoff- oder Chlorfluorkarbon-Halogen-Grundlage, beispielsweise CClF₂-CCIF₂, CCI₃FOdCrCIF₂-CF₃.

Die grundlegenden Eigenschaften, die das Arbeitsmittel in der beschriebenen Vorrichtung aufweisen muß, besteht darin, daß seine spezifischen Wärmeeigenschaften im wesentlichen an die im wesentlichen konstanten spezifischen Wärmeeigenschaften der geothermischen Heizflüssigkeit angepaßt sein sollten. Bei Erfüllung dieser Forderung durch das ausgewählte organische Arbeitsmittel ist es möglich, eine ideale, kleine, im wesentlichen konstante Temperaturdifferenz zwischen der hochsteigenden Heizflüssigkeit in der Leitung 126 und dem nach unten strömenden Arbeitsmittel in der Leitung 124 über die gesamte Länge des Wärmetauscherrohres 123 zu erzielen. Mit dieser Anordnung kann eine hohe maximale Temperatur des Arbeitsmittels bei dessen Eintreten in den Abschnitt 170 erzielt werden. Weiterhin kann eine beträchtliche Wärmemenge der Heizflüssigkeit entnommen werden, so daß sie auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird. Daher wird die Gefahr der Einschnürungswirkung in dem Wärmetauscher wesentlich verringert, wenn nicht sogar vollständig beseitigt

Das Arbeitsmittel dehnt sich dann beim Durchlaufen des Abschnittes 170 aus, wobei es einen geringen Betrag des Druckes und der Enthalpie beim Durchlaufen des Weges CF verliert. Es tritt keine Phasenänderung beim Durchlaufen des Weges CFauf, so daß das in überkritischem Zustand befindliche Arbeitsmittel dann innerhalb der Steigleitung 127 mit einer im wesentlichen konstanten hohen Temperatur nach oben fließt, wobei eine geringe Ausdehnung auftritt. Auf dem entsprechenden Weg FE nach F i g. 2a können im Arbeitsmittel geringe Strömungsverluste auftreten. Beim Erreichen der Erdoberfläche 131 tritt das Arbeitsmittel als Dampf aus der Dampfturbine 101 aus, wobei es der. verbleibenden größeren Teil der im Arbeitsmittel zur Verfügung stehenden Wärmeenergie abgibt Der entsprechende Weg ED ist ein Weg konstanter Entropie abgesehen von Verlusten, insbesondere an den Schaufeln der Dampfturbine 101, durch die eine gewisse Richtungsabweichung des Weges ED hervorgerufen werden kann. Der Weg ED nach F i g. 2a kann in gewissem Ausmaß außerhalb oder innerhalb des Zweiphasenbereiches 141 liegen, und zwar im Gegensatz zu der Darstellung, wenn dies erwünscht ist Der Kreisprozeß wird schließlich entlang des Weges DA mit konstantem Druck vervollständigt, und zwar auf Grund der Wirkungsweise des Kondensators 109, und der Kreisprozeß wiederholt sich dann.
In der Vorrichtung nach F i g. 1 ist keine Pumpe erforderlich, um die Druckdifferenz zwischen den Punkten A und C hervorzurufen. Die gewünschte Druckdifferenz ergibt sich teilweise aus der Temperatur und damit der

Dichte des Arbeitsmittels in der Leitung 124 und daher auf Grund des vergrößerten Druckgefälles der Arbeitsmiitclsäulc, die zwischen dem Wärmetauscher 123 und der Steigleitung 127 angeordnet ist. Die sich ausdehnende Säule des Arbeitsmittels in der Leitung 122 ruft eine verringerte Dichte hervor, so daß eine Druckdifferenz ausgebildet wird, die eine Zirkulation des Arbeitsmittels durch den Turbinenabschnitt 170 in Richtung der Pfeile 134,135 nach F i g. 1 hervorruft. Es steht eine sehr große Fuiergic zur Verfügung, wenn die Strömungsreibungsverluste durch die Verwendung relativ großvolumiger Leitungen so weit wie möglich verringert werden. Selbst wenn die erforderliche Brunnenauskleidung 125 größer sein kann als die, die bei üblichen Ölbohrungen verwendet wird, sind die entsprechenden zusätzlichen Kosten für den einen größeren Durchmesser aufweisenden Brunnen und die einen entsprechenden größeren Durchmesser aufweisenden Rohre bei einer Tiefe von beispielsweise 600 m wesentlich geringer als die Kosteneinsparungen, die sich aus dem Fortfall einer Binärkreislauf-Speisepumpe und eines Primär-Wärmetauschers, eines Antriebskreis-Kondensators und einer Solckreislauf-Zusatzpumpe bekannter Vorrichtungen ergeben. Weiterhin ist der Wert der elektrischen Leistng, die für eine vorgegebene Solequellentemperatur und Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, bei der Ausführungsform nach Fi g. 1 wesentlich größer.

Insgesamt ist zu erkennen, daß der thermodynamische Kreisprozeß der Vorrichtung nach Fig. 1, dessen Eigenschaften in den Fig.2a und 2b dargestellt sind, wie folgt abläuft:

(A — C) Wärmeübertragung auf das Arbeitsmittel,

(C-F) Pumpen der Heizflüssigkeit,

(F-E) bei dem Fördern des Arbeitsmittels zur Erdoberfläche geleistete Arbeit,

(F. —D) Ausdehnung des Arbeitsmittels in der Haupt-Dampfturbine,

(D-A) Kondensation des Arbeitsmittels,

(Cj-H) Wärmeentnahme aus der Heizflüssigkeit und Überführung dieser Wärme auf das Arbeitsmittel,

(I—J) Wiedergewinnung der beim Fördern geleisteten Arbeil (F- E)als Wärme.

Für einen typischen, jedoch lediglich beispielhaften Satz von Betriebsbedingungen, für die Vorrichtung nach F i g. 1, sind die Drücke und Temperaturen an den verschiedenen alphabetischen Punkten der F i g. 2a und 2b in der folgenden Tabelle angegeben:

Tabelle

	Druck	Temperatur
	kp/cm²	⁰C
A	2,32	26,5
C	63,3	167,5
F	49,6	160
F	19,35	115
D	2,67	29,5
C	64,0	177,5
	+ Rückleitungsdruck
H	Rückleitungsdruck	37,8

Die Temperaturdifferenz AT(G-C) beträgt 10⁰C; AT(H-A) beträgt 11,1⁰C und die mittlere effektive Tc-mperaturdifferenz beträgt 11,1⁰C, doch ist die Gefahr des Auftretens des Einschnürungseffektes in vorteilhafter Weise beseitigt. Es ist zu erkennen, daß die Wärmekapazität, die mit der Temperatur konstant ist, das Entstehen des Einschnürungseffektes unmöglich macht, wobei AT(C-C) und AT(H-Λ,/immer positiv und endlich sind.

Im Idealfall ergibt sich ein endlicher allgemein konstanter Temperaturunterschied über die gesamte Länge des Wärmetauschers 123 nach Fig. 1 zwischen der

ίο Heizflüssigkeit und dem Arbeitsmittel. Der Verwendung eines Ausführungsbeispiels wirkt in wünschenswerter Weise im Sinne eines Nachuntenbiegens der Kurve des Arbeitsmittels von der Heizflüssigkeits-Kurve fort, so daß eine gewünschte jedoch kleine, relativ

is konstante Differential-Temperaturdifferenz ohne weiteres erzielt wird. Die Arbeitsmittelbedingungen sind daher so ausgewählt, daß die beiden Kurven sich niemals am Einschnürungspunkt berühren, d. h. an der Stelle ihres geringsten Abstandes. Vorzugsweise sind die beiden Kurven zumindest im wesentlichen parallel wie in Fig.2b, wobei sie lediglich einen geringen Abstand aufweisen, so daß die Kurven damit im wesentlichen die gleichen konstanten Neigungen haben, was anzeigt, daß die gleichen spezifischen Wärmen für die Heizflüssigkeit und das Arbeitsmittel erwünscht sind. In der Praxis ist eine angenäherte Anpassung des spezifischen Wärmewertes annehmbar, (wobei sich jedoch ein verringerter Wirkungsgrad ergibt), solange sich die Kurven nicht berühren, weil in diesem Fall der Wärmeaustausch vollständig gestoppt wird.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 ist sehr vielseitig und es ist zu erkennen, daß sie mit Erfolg in zusätzlichen Betriebsarten betrieben werden kann, wie dies noch näher anhand der F i g. 3a und 3b beschrieben wird. Beispielsweise bewirkt die Anorndung bei einer weiteren brauchbaren Betriebsart, daß das Arbeitsmittel eine Wärmekapazität aufweist, die praktisch einen geringfügig negativen thermischen Koeffizienten aufweist, wie dies noch näher erläutert wird. Diese Betriebsart wird unter Verwendung des Diagramms nach F i g. 3a erzielt, in dem die Linie 143 etwas nach unten in den Bereich 141 gedruckt wird, der durch die Kurve 142 umgrenzt ist. Die thermodynamischen Kreisprozesse sind im übrigen allgemein die gleichen wie sie anhand der Betiebsart nach den F i g. 2a und 2b erläutert wurden. Wiederum ist lediglich der Wärmeaustausch zwischen den im Gegenstrom strömenden Medien zu betrachten.

Die Untersuchung der Diagramme zeigt, daß, wenn die Temperaturdifferenz am heißen Ende 147 des Wärmetauschers hoch ist, (an dem Ende, an dem die Heizflüssigkeit eintritt und das Arbeitsmittel austritt) das Arbeitsmittel abschließend nicht die höchstmögliche Temperatur erreicht, so daß der Wirkungsgrad des Kreisprozesses daher verringert ist. Eine hohe Temperaturdifferenz am kalten Ende 146 führt zu einer höheren Temperatur der ausströmenden Heizflüssigkeit, so daß eine geringere Wärmemenge in dem Arbeitsmittel strömt Die Wärmeübertragung ist jedoch proportional zur mittleren effektiven Temperaturdifferenz durch die Wärmetauscherwände und je größer diese Differenz ist, desto geringer ist die gesamte Wärmetauscheroberfläche, die benötigt wird. Es ist daher ohne weiteres verständlich, daß es wünschenswert ist, die geringstmöglichen Temperaturunterschiede an den Enden 146, 147 des Wärmetauschers zu verwenden, daß jedoch über den Rest des Wärmetauschers die höchstmöglichen Temperaturdifferenzen auftreten sollten.

In den Fig.2b und 3b wurden willkürliche jedoch

typische Betriebsbedingungen zu Vergleichszwecken so ausgewählt, daß die Kondensator-Austrittstemperatur am Punkt A immer 26,5⁰C beträgt. In den Fig. 2b und 3b weist das Eintrittsrohr 118 zum Tiefbrunnen-Wärmetauscher eine Temperatur von 26,5°C. In dem üblichen Rankine-Kreisprozeß bekannter Vorrichtungen hebt die von einer Arbeitsmittel-Pumpe geleistete Arbeil die Temperatur des Arbietsmittels an und bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen der Heizflüssigkeit und dem Arbeitsmittel ist die Austrittstemperatur der Heizflüssigkeit höher, so daß die von der Heizflüssigkeit auf das Arbeitsmittel übertragene Wärme verringert ist.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 wird die Pumpenhebearbeit rückgewonnen, um die Enthalpie über die gesamte vertikale Länge des Wärmetauschers zu vergrößern. Auf diese Weise wird eine große Wärmemenge in vorteilhafter Weise aus der Heizflüssigkeit entnommen, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt.

Die F i g. 2a bis 3b zeigen die Wirkung einer weiteren Verbesserung der Ausführungsform nach F i g. 1, wobei sich diese Verbesserung duch die Änderung der Form der Wärmekapazitätskurve des Arbeitsmittels derart ergibt, daß dieses im Ergebnis einen negativen thermischen Koeffizienten oder Wärmewert aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß Wärme entlang eines ausgewählten Weges mit sich änderndem Druck hinzugefügt wird, was durch den vertikalen Wärmeaustausch in dem Schwerkraft-Druckgefällezyklus ermöglicht wird. Die Art der Diagramme wird daruch geändert, daß systematisch die Verteilung des Wärmetauscherbereiches vom Boden bis zum oberen Ende des Wärmetauschers geändert wird.

Somit kann das Arbeitsmittel gezwungen werden, durch verschiedene aufeinanderfolgende Druckzonen bei Temperaturen hindurchzulaufen, die willkürlich ausgewählt werden können. Eine Wärmekapazitätskurve mit einem thermischen Koeffizienten oder Wärmewert von 0 beseitigt die Möglichkeit eines Einschnürungseffektes, wie dies aus F i g. 2b zu erkennen ist. Dies ermöglicht andererseits niedrige Temperaturdifferenzen zwischen den Temperaturen der Heizflüssigkeit und dem Arbeitsmittel an den Enden 146, 147 der Wärmetauscher, wobei sich gleichzeitig in gewünschter Weise eine große mittlere effektive Temperaturdifferenz längs des Wärmetauschers ergibt Andererseits ist eine geringere Wärmetauscherfläche erforderlich, so daß Einsparungen bei den Anfangs-Herstellungskosten ermöglicht werden. Eine weitere Änderung des Systems zur Erzeugung eines negativen thermischen Koeffizienten oder Wärmewertes ergibt das Temⁿeraturⁿrof!l nach F i g. 3b, das noch nv.-hr gegen den Einschnürungseffekt und gegen andere Probleme bekannter Vorrichtungen geschützt ist.

Entsprechend wird eine weitere Verbesserung der Vorrichtung nach F i g. 1 durch Modifikation der effektiven Wärmeübertragung durch die Wand des Wärmetauschers 123 zwischen den Leitungen 124 und 126 erzielt Dies wird durch entsprechende Gestaltung des Wärmetauschers erreicht. Der Wärmetauscher 123 beginnt am Verbindungspunkt mit dem Pumpenturbinenmotorabschnitt 170 beispielsweise als einfaches Wärmetauscherrohr ohne hinzugefügte Elemente. An einer willkürlichen Entfernung oberhalb des Pumpenabschnitts 170 sind erste und zweite sich verjüngende vertikale Flossen oder Flügel an einer oder beiden Oberflächen des Wärmetauschers 123 hinzugefügt Beispielsweise können gegenüberliegende sich verjüngende Flossen oder Flügel an der äußeren Oberfläche des Wärmetauschers 123 befestigt sein. Diese Flügel oder Flossen erstrecken sich bis zum oberen Ende des Brunnens. Die damit zusammenwirkenden inneren Flügel 5 oder Flossen können, falls sie vorhanden sind, in gleicher Weise verjüngt sein und sich bis zum oberen Ende des Brunnens erstrecken.

Es ist ohne weiteres verständlich, daß viele zusätzliche Flügel oder Flossen oder andere sich verjüngende

ίο Wärmeaustauscheinrichtungen verwendet werden können und daß sie irgendeine der Formen aufweisen können, die in der Technik der Wärmetauscher gut bekannt ist. Die Beseitigung von Einschnürungseffekt-Störungen kann unter Verwendung bekannter Formen von thermi-

!5 sehen Leitern erzielt werden, wie z. B. von teilkreisförmigen Zylindern durch die die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem nach unten strömenden Arbeitsmittel der Leitung 124 und der nach oben fließenden Heizflüssigkeit der Leitung 126 ohne weiteres an einer beliebigen vertikalen Höhenlage in dem Brunnen vorherbestimmt werden kann, wie dies für den Fachmann leicht erkennbar ist.

Es ist ersichtlich, daß der Wärmetauscher 123 so ausgelegt werden kann, daß sich eine gleichförmig ansteigende Wärmeübertragung von der am unteren Ende des Brunnens angeordneten Pumpe zur Station an der Erdoberfläche 131 ergibt, wenn dies erwünscht ist. Wenn sich andererseits aufeinanderfolgende Verjüngungen nicht überlappen, können schrittweise Änderungen verwendet werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.

Die Rate des Wärmeaustausches von der aufsteigenden Heizflüssigkeit zum nach unten strömenden Arbeitsmittel wird von dem unteren zum oberen Ende bei einer anderen Ausführungsform fortschreitend vergrößert, beispielsweise dadurch, daß fortschreitend die Anzahl von Wärmetauscherrohre von Wärmetauschereinheiten von Mehrrohrtyp in jeder aufeiannderfolgendcn Wärmetauschereinheit vergrößert wird, so daß die Wärmeübertragung vergrößert wird, wie dies weiter oben beschrieben wurde.

Die Anzahl der Rohre und die gesamte Wärmeaustauschfläche in jeder Wärmetauschereinheit vergrößert sich fortschreitend in Richtung auf das obere Ende des Brunnens und die letzte Wärmetauschereinheit weist die größte Wärmeübertragungsfläche auf, weil s-ie die größte Anzahl von Wärmetauscherrohren aufweist.

Es ist für den Fachmann zu erkennen, daß die Anordnungen von Wärmetauscherrohren in konzentrischen Kreisen oder in regelmäßiger radialer Weise ausgebildet sein können und daß die Größen und Abmessungen der einzelnen Wärmetauscherrohre veränderlich gemacht werden können, solange die gewünschte fortschreitende Vergrößerung des Wärmeaustauschers erzielt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Geothemisches Wärmekraftwerk zur Oberführung von Wärmeenergie von einem im Erdinneren liegenden heißen Bereich zu einer eine erste Dampfturbine mit Generator enthaltenden ersten Station auf der Erdoberfläche, mit einem zwischen der ersten Station und einer zweiten Station im Erdinneren angeordneten Wärmetauscher zur Aufheizung und Verdampfung eines herabströmenden Arbeitsmittels, welches in der zweiten Station eine zweite Dampfturbine antreibt und anschließend über eine Steigleitung zur ersten Station zurückgeführt wird, wo es zum Antrieb der ersten Dampfturbine thermisch ausgenutzt wird, wobei die zweite Dampfturbine mit einer Förderpumpe verbunden ist, die eine im Erdinneren geothermisch aufgeheizte Heizflüssigkeit unter Druck im flüssigen Zustand über den Wärmetauscher zur Erdoberfläche fördert, von wo die abgekühlte Heizflüssigkeit ins Erdinnere zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur das über die mit einer Wärmeisolierung versehene Steigleitung (127) geleitete Arbeitsmittel in der ersten Dampfturbine (101) als Arbeitsmittel entspannt und weiter im geschlossenen Kreislauf geführt wird, und daß sich der Wärmetauscher (123) im wesentlichen von der ersten bis zur zweiten Station erstreckt.

2. Geothermisches Wärmekraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (123) über seine gesamte Länge für eine konstante Übertragungstemperatur ausgelegt ist.

3. Geothermisches Wärmekraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (123) über den mittleren Bereich seiner Längserstreckung für eine erhöhte Übertragungstemperatur ausgelegt ist.

4. Geothermisches Wärmekraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (123) für eine steigende Übertragungstemperatur über seine gesamte Länge ausgehend von der zweiten Station ausgelegt ist.

5. Geothermisches Wärmekraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckgefälle zwischen dem Arbeitsmittel in dem Wärmetauscher (123) und dem Arbeitsmittel in der mit einer Wärmeisolierung versehenen Steigleitung(127) aufrechterhalten wird.

6. Geothermisches Wärmekraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels in dem Wärmetauscher (123) immer entgegengesetzt zu der der Heizflüssigkeit ist.

7. Geothermisches Wärmekraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kühleinrichtungen (109) für das Arbeitsmittel am Ausgang der Dampfturbine (101) angeordnet sind.