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Kraftwerk, insbesondere Heizkraftwerk
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftwerk in einem druckrührenden
Leitungssystem, insbesondere Heizkraftwerk, mit einem Expansionsvorgang, wobei das
zu expandierende Druckmittel einer druckführenden Leitung entnommen wird, deren
Ableitung mit dem Verbraucher des Drucknittels in Verbindung steht, wobei durch
den Expansionsvorgang ein Verdichter angetrieben wird, nach Patentanmeldung P 27
37 915.3.
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Dieses Kraftwerk nach der nicht vorveröffentlichten Hauptpatentanmeldung
ist in erster Linie für Helzungszwecke vorgesehen und zeigt den großen Vorteil,
daß die Einspeisung von elektrischem Strom.in das offentliche Netz nicht erforderlich
ist.
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Dadurch sind auch sehr viel kleinere Kraftwerke dieser Art lohnend,
bei denen eine mechanische Snergie erzeugende Expansionsmaschine wie eine Turbine
an die Druckleitung des druckführenden Leitungssystems angeschlossen ist, so daß
diese Expansionsmaschine anstelle des bekannten Druckminderventils fungiert. Bei
dem Druckmittel handelt es sich entweder um ein Gas wie Erdgas oder um Flüssigkeiten
wie Wasser oder O1. Diese Druckentspannung ist erforderlich, um bei den bekannten
druckführenden Leitungssystemen von einem höheren auf einen niederen
Druck
in der Leitung zu kommen. Beim Erdgas kennt man z. B.
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etwa vier derartige Druckstufen. Dadurch ergibt sich der sehr große
Vorteil, daß diese Energie ohne Jeden zusätzlichen Einsatz von Primär-Energie gewonnen
werden kann.
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Gemäß der vorangegangenen Hauptpatentanmeldung wurde dabei schon vorgeschlagen,
das Druclmlttel selbst gleichzeitig als Wärmemittel für die Wärmetauscher zu nutzen.
Ferner war hierbei vorgesehen, daß mehrere Wärmepumpenkompressoren mit der Welle
der Expansionsmaschine lesbar gekuppelt sind. Dies bedeutet, daß der maschinelle
Aufwand beachtlich ist, weil immerhin eine Expansionsmaschine dieser Art und zusätzlich
mindestens ein Verdichter oder Kompressor auf der Turbinenwelle benötigt werden.
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Es sind weiter Strahlverdichter bekannt, die zur Verdichtung von Gasen
dienen können und bei Anwendung auf Flüssigkeiten auch Strahlpumpen genannt werden,
deren Wirkungsweise und Berechnung ebenso ist wie die der Strahlverdichter, sofern
die Treib- und die Förderflüssigkeit gasförmig sind. Weiter kennt man hydraulische
Verdichter, bei denen das Treibwasser durch ein lotrecht angeordnet es Fallrohr
geführt wird, das am oberen Ende !,Düsen aufweist. Hierdruch wird Luft vom niederströmenden
Wasser angesogen, die sich mit dem Wasser mischt und statisch verdichtet wird, so
daß diese hydraulischen Luftverdichter
einen hohen Wirkungsgrad
haben. Unten am Fallrohr wird die Luft abgeschieden, entlüftetes Wasser strömt durch
ein Steigrohr zum Abfluß. Der erzeugte Luftdruck entspricht hierbei der Höhe dieser
RUcklaufwassersäule. Es können Gefälle bis 100 m in einer Stufe ausgenutzt werden.
Innerhalb eines Gefälles von 4 bis 120 m ist der Wirkungsgrad, bezogen auf isothermische
Verdichtung 0,6 - 0,7 (hatte, Berlin 1954, Teil A, S. 863 und 864).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Kraftwerk der eingangs
erwähnten Art so zu verbessern, daß es wesentlich einfacher ist als bisher.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung besteht darin, daß der
Verdichter als an sich bekannter Strahlverdichter oder als an sich bekannter hydraulischer
Verdichter ausgebildet ist, dessen Treibdüse mit dem zu expandierenden Druckmittel
in Verbindung steht, während die Fangdtlse mit einem Drucitmittel mit wesentlich
geringerem Druck, insbesondere einem drucklosen Wärmemittel,in Verbindung steht.
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Dadurch entsteht der sehr große Vorteil, daß bewegliche Teile Uberhaupt
gar nicht vorhanden sind und daß die Expansion gleichzeitig mit der Verdichtung
erfolgt. In den Fachmann überraschender Weise wird der Verdichter gleichzeitig zur
Expansion des
Druckmittels verwendet. Dies geschieht dadurch, daß
der Fangdüse das Druckmittel im wesentlichen völlig drucklos zugeführt wird, so
daß das verdichtete Druckmittel zusammen mit dem Treibmittel einen Druck ergibt,
der unter dem Druck des Treibmittels liegt. Da die Berechnung dieser Strahlverdichter
völlig zuverlässig erfolgen kann, besteht die MOglichkeit, die Expansion in der
gewünschten Weise zu steuern.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mehrere
Strtahlverdichter innerhalb einer Wärmepumpe hintereinander geschaltet sind und
daß in einer von der Verbraucherleitung abzweigenden Leitung das Entspannungsventil
der Wärmepumpe angeordnet ist, welche Leitung mit Je einer Abzweigung mit den Fangdüsen
in Verbindung steht.
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Auf diese Weise wird das völlig entspannte Wärmemittel den Fangdüsen
zugeführt, so daß der Wärmemittelkreislauf> wie bei den bekannten Wärmepumpen
allgemein üblich, geschlossen ist.
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Dadurch läuft ein bedeutender Teil des IJErmemittels, das mit dem
Druckmittel identisch sein kann, ständig um wie bei den bekannten Wärmepumpen.
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Weiter ist vorteilhaft, daß bei der Verwendung eines hydraulischen
Verdichters nur das verdichtete Gas in die Treibdüse eines nachgeschalteten Strahlverdichters
eingeführt wird.
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Auf diese Weise ist das ständig umlaufende Wärmemittel nur durch das
als Wärmemittel dienende Gas, insbesondere Luft, gebildet.
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Erstere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den
nun folgenden Beschreibung einiger AusfUhrungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnung.
In deser zeigen: Fig. 1 eine Schaltung mit zwei hintereinander geschalteten Strahlverdichtern
und Fig. 2 eine Schaltung mit einem hydraulischen Verdichter und einem dahinter
geschalteten Stralilverdichter.
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Fig. 1 zeigt oben die Hauptleitung 3 eines druckführenden Leitungssystems,
von der die Leitung 2, die im wesentlichen den gleichen zu reduzierenden Druck führt
wie Leitung 3, abzweigt und in die Treibdüse 38 a des ersten Strahlverdichters 8
b ein mündet. Die Bauweise dieses Strahlverdichters muß nicht im ein zelnen erläutert
werden weil sie dem Fachmann seit sehr langer Zeit bekannt ist. Die darunter liegende
Fangdüse 113 a steht mit der Leitung 66 b in Verblndun-g, die ganz allgemein einen
sehr niedrigen Druck führt, weil der Druck von der Leitung 66 durch das Ventil 54
b entspannt worden ist. Da die Leitung 66 von der Verbraucherleitung li abzweigt,
ist erslchtllch, daß es sich hier um das genau gleiche Druckmlttel, z. B. Erdgas,
handelt.
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Durch das mit hoher Geschwindigkeit aus der Treibdüse 38 a strömende
Gas wird nun das Gas aus der Leitung 66 b angesaugt und in der ttlschlcammer 67
a im wesentlichen isotherm verdichtet. Dabel steigt natürlich die Temperatur. Es
ist aber zu berücksichtigen, daß das Gas der Leitung 66 b nur verhNltnismäßig geringfügig
durch die Wärmeschlange 58 b erwärmt worden ist und daß das Hochdruckgas aus der
Leitung 3 vor der Verdichtung ebenfalls nicht besonders wanngewesen ist, wie der
Fachmann weiß. Aus diesem Grunde ist ein weiterer Strahlverdichter 8 c nachgeschaltet,
in dessen Treibdüse 38 b das Mischgas eingeführt wird. Wie zuvor wird das Gas mit
dem geringen Druck durch die Leitung 66 a in die Fangduse 43 b geleitet, das Gemisch
wird in die Leitung 69 eingespeist. Das so erwärmte Gas wird durch den Wärmetauscher
56 b geleitet und gelangt dann in die Verbraucherleitung 11. Wie schon erwährt,
wird ein Teil dieses durch den Wärmetauscher 56 b nunmehr abgekühlte Gas mittels
der Leitung 66 abgezweigt und zum Entspannungsventil 54 b geführt.
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Da das Gas in den Leitungen 66 a und 66 b seiir kalt ist und demgegenüber
d;s durch die Leitungen 3 und 2 strömende Hochdruckgas vergleichsweise warm ist,und
außerdem in großen Mengen mit dem Niederdruckgas gemischt wird, können beim Erfindungszegenstand
die beiden Wärmeschlangen 58 b und 58 c
entfallen. In der Mischkammer
67 ist nämlich der Kontakt mit dem Druckmittel sehr intensiv, so daß eine schnelle
Erwärmung nicht nur durch die Verdichtung erfolgt, sondern auch durch die relative
Wärme des Druckmittels, die selbst im Winter in der Regel stets über dem Gefrierpunkt
liegt. Das ist natürlich besonders dann der Fall, wenn gemäß der IIauptpatentanmeldung,
was nicht dargestellt ist, das Gas in der Leitung 2 durch einen Wärmetauscher erwärmt
wird, dessen Wärme z. B. der Abwärme eines Kraftwerkes entnommen ist.
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Von dem Wärmetauscher 56 b führen die Leitungen 60 b und 61 b in bekannter
weise zu einem thermischen Speicher 53 b, von dem Heizleitungen 62 b und 63 b zum
Verbraucher 64 b führen.
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Bei einer weiteren in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform
ist nur ein Strahlverdichter 8 b vorgesehen. Wenn die Druckreduzlerung nur in einem
geringen Umfang zu erfolgen hat, dann kann ein derartiger Strahlverdichter ausreichend
sein, wie für den Fachmann verständlich ist. Darüber hinaus können beliebig viele
Strahlverdichter 8 im Falle der Reduzierung eines Druckgases hintereinander angeordnet
werden.
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Gemaß der Fig, 2 kann es sich bei dem Druckmittel in der Hauptleitung
3 z. B. um Wasser handeln. Es besteht die Möglichkeit, auch Wasser als Wärmemittel
zu verwenden, zumal ein Strahlverdichter
ein hohes Vakuum erzeugt,
das zur Verdampfung eines Teiles des Wassers geeignet ist.
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Fig. 2 zeigt aber die Verwendung eines anderen gasförmigen Wärmemittels
wie Luft. Hierzu ist ein hydraulischer Verdichter 8 d erforderlich, der dem Fachmann
ebenfalls seit sehr langer Zeit bekannt ist. Diese hydraullschenVerdlchter zeichnen
sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Ahnlich wie zuvor wird durch das in dem
Rohr 2 niederströmende Wasser die Luft durch die Leitung 66 angesaugt und mischt
sich mit dem Wasser unter statischer Verdichtung. Unten wird die Luft durch die
Leitung 67 abgeschieden, und das entlüftete Wasser strömt durch das Steigrohr 68
zum Verbraucher 11. In diesem Falle strömt also nicht ein Gemisch, sondern lediglich
die Luft durch die Leitung 67 in die Treibdüse 38 c des Strahlverdichters 8 e.
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Wie zuvor gelangt entspannte Luft durch die Leitung 66 in die Fangdüse
43 c und von da Uber die Leitung 69 a in den Wärmetauscher 56 c. Nach der dortigen
Abkühlung gelangt die Luft über das Entspannungsventil 54 c abgekühlt und nahezu
drucklos über die Leitungen 66, die Wärmeschlange 58 d und die Leitung 66 b in die
Fangddse des Strahlverdichters 8 e. Ein weiterer Teil dieser Luft wird durch die
Leitung 66 dem hydraulischen Verdichter 8 d oben zugeführt. Auf diese Weise zirkuliert
ein Teil des Wärmemittels in der Wärmepumpe mit dem Strahlverdichter
8
e und ein anderer Teil durch den hydraulischen Verdichter 8 d. Natürlich ist die
Erfindung nicht auf diese Ausftthrungsform beschränkt, z. B. ist möglich, einen
parallelen Wasserstrom mit dem vollen ungeminderten Druck durch den Strahlverdichter
8 e zu schicken, der dann auch mit "Waseerstrahl-Luftpumpe" bezeichnet werden kann.
Hierbei ist aber zu berücksichtigen, daß trotz der Kürze der Zeit eine erhebliche
Wärmemenge an das Wasser übergeht. Die Luft allein läßtsich schneller auf höhere
Temperaturen bringen.
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Ferner besteht die Möglichkeit, die durch den hydraulischen Verdichter
8 d in der Leitung 67 mit hohem Wirkungsgrad gewonnene Druckluft anderen Zwecken
nutzbar zu machen. Bekanntlich wird Druckluft heute für die allerverschiedensten
Zwecke benötigt. Hierzu wird bei einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
die Druckluft,ähnlich wie nach der Hauptpatentanmeldunglzunächst in einen Zwischenspeicher
geleitet, der in diesem Falle als Druckluftspeicher ausgebildet ist. Druckluftanlagen
mit Druckluft speichern sind für sich bekannt und müssen nicht im einzelnen erläutert
werden. In die sem Falle entfällt natürlich die dargeStellte Wärmepumpe.
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Im Vergleich zu der Erzeugung der Druckluft oder eines anderen nach
dem Stand der Technik Druckmittels 4rgibt sich durch die Erfindung in Jedem Falle
der Vorteil, daß irgend welche beweglichen Teile der Expanisonsmaschine oder des
Verdichters ganz vermieden sind.
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ähnlich wie bei der Verwendung einer mechanische Energie abgebenden
Expansionsmaschine wie einer Turbine arbeitet ein Strahiverdichter ebenso wie ein
hydraulischer Verdichter nur in einem gewissen Bereich der Druckschwankungen und
Durchflußmengen. Wenn dieser Bereich unterschritten wird, so besteht wie gemäß der
Hauptpatentanmeldung die Möglichkeit, automatisch eine Bypassleitung einzuschalten,
in der ein herkömuliches Druckminderventil angeordnet ist. Wenn ein gewisser Durchflußanstieg
festgestellt ist, wird automatisch auf Expansions- und Verdichterbetrieb umgeschaltet
AuPerdem kann das Fntspannungsventil 54b zur AnpaPung an den Verbrauch des Druclcrnittels
verstellbar sein, weil mit zurück= gehendem Verbrauch die Schluckfähigkeit der Fandilsen
abnimmt.
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Dies ist bevorzugt und zeigt den Vorteil, daß die umlaufende Wärmemittelmenge
automatisch dem Verbrauch angepaßt wird, so daß das Verhältnis von Treibmittel zum
Wärmemittel immer das gleiche sein kann.