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Titel: Verfahren und Vorrichtung zur Ausnutzung der
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Primärenergie bei der Verdichtung beliebiger gasförmiger Arbeitsmittel
und bei Gas turbinenanlagen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sflutzung der
Primärenergie bei der Verdichtung beliebiger gasförmiger Arbeitsmittel und bei Gasturbinenanlagen
durch die Ankopplung geeigneter Vltemittel bzw. Wärmepumpenkreisläufe und eine Vorriciltung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Verfahren zur Auskopplung von Wärme aus geschlossenen Gasturbinenanlagen,
um sie Wärmeverbrauchern zuzuleiten, sind bekannt, Bei diesen Verfahren sind der
oder die Kühler der geschlossenen Gasturbinenanlage in einen Heizteil und einen
Kühlteil aufgeteilt Im Heizteil wird dem Kreislauf der geschlossenen Gasturbinenanlage
für Wärmeverbraucher nutzbare Wärme abgeführt. im Kühlteil wird die Restwärme entzogen
und an die Umgebung abgegeben, um eine für den geschlossenen Gasturbinenkreislauf
möglichst günstige untere Prozeßtemperatur zu erreichen.
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Ein besonderer Nachteil der bekannten Verfahren liegt darin, daß der
Anteil der nutzbaren Abwärme an der insgesamt zur Verfügung stehenden, von der Eintrittstemperatur
des von den Wärmeverbrauchern kommenden Wärmeträgers in den Heizteil des Kühlers
der geschlossenen Gasturbinenanlage abhängig ist, da dadurch unter Beachtung der
im Kühler unvermeidlichen Temperaturdifferenzen zwischen den wärmeaustauschenden
Fluiden die übertragbare Enthalpiedifferenz des Fluides der geschlossenen Gasturbine
bestimmt wird0 Schaltet man nun den Kühlteil des Gasturbinenkreislaufes ab, so steigt
die Verdichtereintrittstemperatur an, so daß die gesamte Abwärme des Gasturbinenkreislaufs
genutzt werden kann0 Dabei sinkt jedoch der elektrische Wirkungsgrad der Anlage
infolge der erhöhten Verdichtereintrittstemperatur stark ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
bei dem man dem zu verdichtenden Arbeitsmittel in einem Wärmetauschenden Apparat
(im weiteren Niedertemperaturwärmetauscher genannt) mit Hilfe eines geeigneten Fluids
(im folgenden Kühlfluid genannt) vor der Verdichtung Wärme entzieht und so die Eintrittstemperatur
des Arbeitsmittels im Verdichter absenkt, dann die Temperatur des Kühlfluids durch
Erhöhung des Druckes so weit anhebt, daß die Abwärme in einem weiteren Wärmeübertrager
(im weiteren Hochtemperaturwärmeübertrager genannt) entweder bei Umgebungstemperatur
an die Umgebung oder bei höherer Temperatur an Wärmeverbraucher abgegeben werden
kann, und schließlich durch geeignete, den thermodynami schen Eigenschaften des
Kühlfluids entsprechende Maßnahmen das Kühlfluid wieder auf seinen Zustand am Eintritt
in den Niedertemperaturwärmeübertrager bringt, so daß sich für das Kühlfluid ein
geschlossener Kreislauf ergibt0
Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, das die genannten Nachteile vermeidet,
bei dem also der nutzbare Anteil der gesamten Abwärmemenge nicht durch die Temperatur
des von den Wärmeverbrauchern kommenden Fluids begrenzt ist und mit dem die gesamte
Abwärme der Gasturbinenanlage mit einem besseren elektrischen Wirkungsgrad ausgenutzt
werden kann als bei den herkömmlichen Verfahren.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht auch darin, ein Verfahren zu schaffen,
mit dem der Energieaufwand für die Verdichtung beliebiger gasförmiger Arbeitsmedien
gegenüber den herkömmlichen Verfahren verringert werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach den im Anspruch t angegebenen
Verfahrens schritten0 Es sind nun grundsätzlich zwei Anwendungsmöglichkeiten des
Verfahrens zu unterscheiden: i. Durch einen zusätzlichen Kältekreislauf wird das
gasförmige Arbeitsmittel vor dem Eintritt in den Verdichter nach der üblichen Kühlung
auf etwa Umgebungstemperatur noch weiter unter Umgebungstemperatur abgekühlt0 Durch
die verringerte Verdichtereintrittstemperatur wird beim Arbeitsmittelverdichter
mehr Energie eingespart, als für den Betrieb des Kältekreislaufs aufgewendet werden
muß.
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2. Mit einem zusätzlichen Kältekreislauf wird einem gasförmigen Arbeitsmittel
vor der Verdichtung Wärme entzogen. Diese Wärmemenge wird mit dem zusätzlichen Kältekreislauf
nach dem Prinzip der Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und an
Wärmeverbraucher abgegeben.
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Dabei verringert sich der Energiebedarf für den Wärme pumpenprozeß
um den Betrag der durch die abgesenkte Verdichtereintrittstemperatur eingesparten
Verdichterarbeit. Dieser Vorteil läßt sich insbesondere bei der Auskopplung von
Heizwalze aus geschlossenen Gasturbinenanlagen ausnutzen.
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Zwischen dem Kühlfluidkreislauf und dem zu kühlenden Arbeitsmittel
kann erfindungsgemäß ein zusätzlicher Wärmeträgerkreislauf, z. Bo mit Wasser als
Wärmeträger, geschaltet sein.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in einem internen
wärmeaustauschenden Apparat ein Teil der im kühlfluid nach dem Verlassen des Nochtemperaturwärmeübertragers
noch enthaltenen Wärmemenge an das vom Niedertemperaturwärmeübertrager kommende
Kühlfluid übertragen.
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Des weiteren ist es zweckmäßig, wenn das zwischen dem Austritt des
Hochtemperaturwärmeübertragers bzw. des nachgeschalteten internen Wärmeübertragers
und dem Eintritt des Niedertemperaturwärmeübertragers im Kühlfluid noch vorhandene
Druckgefälle dazu benutzt wird, mit Hilfe einer Entspannungsmaschine einen Teil
der von dem druckerhöhenden Aggregat aufgenommenen Leistung zu decken.
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Eine weitere Möglichkeit, das Kühlfluid von seinem Zustand am Austritt
aus dem Hochtemperaturwärmeübertrager bzw.
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dem internen Wärmeübertrager auf den Zustand am Eintritt in den Niedertemperaturwärmeübertrager
zu bringen, besteht darin, daß das Kühlfluid, thermodynamische Eignung des Kühlfluides
vorausgesetzt in einer Drosselstelle entspannt und dadurch gleichzeitig seine Temperatur
herabgesetzt wird0
Weiterhin ist es erfinderisch, das Kühlfluid
auf den Zustand am Eintritt des Niedertemperaturwärmeübertragers zu bringen, wenn
das Kühlfluid in beliebiger Reihenfolge oder auch gleichzeitig auf die Eintrittstemperatur
in den Niedertemperaturwärmeübertrager in einem weiteren wärmeaustauschenden Apparat
abgekühlt und durch Drosselung auf den Eintrittsdruck des Niedertemperaturwärmeübertragers
gebracht wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, das Kühlfluid
in einem wärmeaustauschenden Apparat mit Hilfe eines Fluides auf die Eintrittstemperatur
des Kühifluides in den Niedertemperaturwärmeübertrager ab zu kühlen, wenn die Austrittstemperatur
des Kühifluides aus der einen Teil der Leistung des druckerhöhenden Aggregates deckenden
Entspannungsmaschine höher als die Eintrittstemperatur des Kühlfluides in den Niedertemperaturwärmeübertrager
ist.
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Im folgenden soll an einigen Beispielen der Nutzen des beschriebenen
Verfahrens verdeutlicht werden0 Soll ein beliebigea, gasförmiges Arbeitsmittel um
ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis komprimiert werden, so kann man die gesamte
für die Verdichtung zuzuführende Energie vermindern, indem das Arbeitsmittel vor
der Verdichtung nicht nur wie üblich auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt, sondern
durch einen zusätzlichen Kältekreislauf auf eine Temperatur unter Umgebungstemperatur
gebracht wird. Unter der Voraussetzung eines idealen Kälteprozesses nach Carnot
und unter Vernachlässigung der unvermeidlichen Grädigkeiten in den wärmetauschenden
Apparaten ergibt sich, für den Fall der isentropen Verdichtung folgende Beziehung
für die optimale Unterkühlungstemperatur
Dabei ist T die absolute Temperatur am Verdichtereintritt, Tu die absolute Temperatur
der Umgebung, Jr das Verhältnis Verdichteraustrittsdruck zu Verdichtereintrittsdruck
und % der Isentropenexponent des Arbeitsmittels.
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Ausgehend von der optimalen Verdichtereintrittstemperatur ist in Tabelle
1 für verschiedene Verdichtungsverhältnisse und das Arbeitsmittel Luft die auf die
Verdichtungsarbeit ohne Unterkühlung bezogene Gesamtverdichtungsarbeit angegeben.
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Dabei setzt sich die Gesamtverdichtungsarbei aus der Arbeitsmittelverdichterarbeit
und der für den Kälteprozeß erforderlichen Arbeit zusammen. Man erkennt aus der
Tabelle, daß sich mit steigendem Verdichtungsverhältnis immer größere Einsparungen
ergeben.
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Tabelle i: Bezogene Gesamtverdichtungsarbeit bei optimaler Verdichtereintrittstemperatur
(Arbeitsmittel Luft) Dim.
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Verdichtungsverhältnis - 2 4 b 8 10 Verdichtereintritts- 0g -3,1 -28,6
-42,3 -51,6 -58,6 temperatur bezogener Eintrittsvolumstrom 1) % 90,ó 82,0 77,1s
74,3 72,0 bezogene Gesamtverdichtungsleistung bei % 9591 90,1 87,3 85,3 83,7 idealem
Kälteprozeß (Carnot 1) 1) Die Verdichtungsarbeit bzw. der Eintrittsvolumstrom bei
einer Eintrittstemperatur von 250C wurde zu 100% gesetzt.
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Gleichzeitig wird bei gegebenem Druck und Massendurchsatz der Volumstrom
am Eintritt in den Verdichter verringert0 Das ist insbesondere bei großen Axialverdichtern
von Bedeutung, da auf diese Weise bei gleichen Abmessungen der Maschine der maximale
Massendurchsatz erhöht werden kann.
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Die Werte für die jeweiligen Volumströme am Verdichtereintritt sind
ebenfalls in der Tabelle enthalten. Sie wurden auf den Eintrittsvolumstrom bei Umgebungstemperatur
bezogen.
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Mit realen Kälteprozessen kann man etwa 40 bis 60 % der angegebenen
Energieersparnis verwirklichen.
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Beim offenen Gasturbinenprozeß läßt sich unter der Voraussetzung heute
üblicher Auslegungsdaten durch Unterkühlen der Verdichtereintrittstemperatur der
elektrische Wirkungsgrad um ca. 2 bis 3 %- Punkte steigern, Bei der Auskopplung
von Heizwärme aus einer geschlossenen Gasturbine lassen sich bei vollständiger Ausnutzung
der Abwärme je nach angestrebter Vorlauftemperatur elektrische Wirkungsgrade erreichen,
die etwa 2 bis 4 ajO -Punkte höher liegen als bei dem heute verwendeten Verfahren,
bei dem die Verdichtereintrittstemperatur über die Rücklauftemperatur des Wärmeträgers
angehoben wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so gefahren werden, daß der
zusätzliche Kältekreislauf durch geeignete Maßnahmen derart geregelt wird, daß die
Abwärme je nach Bedarf entweder bei Umgebungstemperatur abgegeben wird, so daß nur
relativ wenig Leistung für den Kältekreislauf benötigt wird, oder die Abwärme auf
ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, so daß bei entsprechend höheren Leistungsbedarf
des Kältemittelkreislaufs Wärme an Wärmeverbraucher abgegeben werden kann. Diese
Regelung kann z. B. durch
Drehzahlregelung des Kältemittelverdichters
oder durch den Einsatz unterschiedlicher Kältemittel oder Kältemittelmischungen
ermöglicht werden.
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Wenn zum Betrieb der Adsorptionskältemaschine solare Energie oder
Niedertemperaturenergie genutzt werden, ergibt sich der Vorteil mit relativ einfachen
Mitteln zur Verfügung zu stellende Niedertemperaturwärme zur Verbesserung z. B.
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des elektrischen Wirkungsgrades von Gasturbinenanlagen nutzen zu können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung
einer geschlossenen Gasturbinenanlage, Fig. 2 eine schematische Darstellung des
Verfahrens zur Nutzung der Abwärme nach dem Stand der Technik, Fig. 3 eine schematische
Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auskopplung von Heizwärme bei einer
Gasturbinenanlage im Prinzip, Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Auskopplung von Heizwärme und Fig. 5 eine prinzipielle Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verringerung der Verdichterleistung.
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Figur 1 zeigt einen geschlossenen Gasturbinenkreislauf in schematischer
Darstellung, wobei eine sehr einfache Kreislaufgestaltung zugrunde gelegt wurde.
In einem Verdichter i wird das Arbeitsmittel (Luft, Helium, G02 o.ä.) auf den höchsten
Prozeßdruck verdichtet, nimmt in einem Wärmeaustauscher 2 Wärme vom Turbinenabgas
auf und wird schließlich in einem Erhitzer 3, dessen Brennstoff fossiler oder nuklearer
Art sein kann, auf die höchste Prozeßtemperatur gebracht.
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Anschließend strömt es einer Turbine 4 zu und wird dort entspahnt.
Das Turbinenabgas gibt einen Teil der noch in ihm enthaltenen Wärme an das vom Verdichter
kommende Gas ab, wird in einem Kühler 5 auf die niedrigste ProzeBtemperatur abgekühlt
und tritt dann wieder in den Verdichter 1 ein. Turbine und Verdichter sind über
eine Welle 6 verbunden und geben an einer Kupplung 7 Leistung ab, die zum Antrieb
von Generatoren oder anderen Arbeitsmaschinen benutzt werden kann.
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In Fig. 2 ist dargestellt, wie nach dem heutigen Stand der Technik
nutzbare Abwärme aus einem geschlossenen Gasturbinenkreislauf ausgekoppelt wird.
Das Bild zeigt vom Gasturbinenkreislauf lediglich den Verdichter 1 mit der Welle
6, den Wärmetauscher 2 und den in einen Heizteil 8 und einen Kühlteil 9 aufgeteilten
Vorkühler. Im Heizteil 8 des Vorkühlers gibt das Arbeitsmedium des Gasturbinenkreislaufs
einen Teil seiner Abwärme an einen Wärmeträger ab, der mittels einer Pumpe 10 einem
Wärmeverbraucher ii zugeführt und dort auf Rücklauftemperatur abgekühlt wird, mit
der er wieder in den Heizteil 8 des Vorkühlers eintritt. Die restliche Abwärme des
geschlossenen Gasturbinenprozesses, die auf einem Temperaturniveau unterhalb der
Rücklauftemperatur des Wärmeträgers anfällt, wird im Kühlteil 9 des Vorkühlers an
ein Kühlmittel, das durch eine Pumpe 12
umgewälzt wird, abgegeben.
Das Kühlmittel gibt anschließend dieses Wärmemenge z. B. über einen Kühlturm 13
an die Umgebung ab und tritt wieder in den Kühlteil des Vorkühlers ein.
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Figur 3 zeigt eine einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Auskopplung von Heizwärme. Der Hauptkreislauf mit dem Verdichter 1, dem Wärmeaustauscher
2, der Welle 6 und einem hier einteiligen Kühler i4 ist nur teilweise dargestellt.
Der Wärmeträger wird von der Pumpe 10 angesaugt, nimmt in einem Hochtemperaturwärmeübertrager
15 Wärme vom Kühl fluid auf, und gibt die in ihm enthaltene Wärmemenge an den oder
die Verbraucher ii ab. Danach wird er vom Kühlfluid in einem Niedertemperatur-Wärmeübertrager
16 abgekühlt und kühlt dann seinerseits in dem Kühler 14 das Arbeitsmittel des Hauptkreislaufs
auf dessen niedrigste Prozeßtemperatur ab.
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Das Kühlfluid nimmt in einem Niedertemperaturwärmeübertrager 16 Wärme
vom Wärmeträger auf und wird durch Energiezufuhr in einer Pumpe bzw. einem Verdichter
17 auf eine Temperatur gebracht, die über der Temperatur des in den oder die Wärmeverbraucher
eintretenden Wärmeträgers liegt. Darauf gibt es im Hochtenperaturwärmeübertrager
Wärme an den Wärmeträger ab, wird in einem Drosselventil 18 entspannt und auf eine
Temperatur unterhalb der niedrigsten Prozeßtemperatur des Hauptkreislaufs abgekühlt.
Diese Art der Ankopplung hat unter anderem den Vorteil, daß bei einem Ausfall des
Kühlkreislaufs die Anlage mit nur wenig veränderter elektrischer Leistung weiter
betrieben werden kann.
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Anstelle des Drosselorgans 18 kann auch eine Entspannungsmaschine
19 vorgesehen werden, wie sie in Fig. 4 dargestellt
ist, mit deren
Hilfe ein Teil des Leistungsbedarfs der Pumpe 17 gedeckt werden kann. Falls erforderlich,
kann einer Entspannungsmaschine 19 noch ein Kühler 20 nachgeschaltet werden, in
dem Wärme an die Atmosphäre abgegeben wird. Nach Verlassen des Kühlers strömt bei
der in Fig. 4 dargestellten Kreislaufschaltung das Kühlfluid durch den Niedertemperatur-Wärmeübertrager
16 und nimmt anschließend in einem internen Wärmeübertrager 21 Wärme von dem aus
dem Hochtemperaturwärmeübertrager kommenden Kühlfluid auf.
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Dadurch wird die Eintrittstemperatur der Pumpe erhöht und ihre Leistungsaufnahme
bei konstanter Austrittstemperatur verringert. Die Pumpe 17 fördert das Kühlfluid
über den Hochtemperatur-Wärmeübertrager 15 und einen internen Wärme übertrager 21
wieder zum Eintritt der Entspannungsmaschine 19. Der Kreislauf des Wärmeträgers
bleibt unverändert.
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Figur 5 zeigt eine einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Verringerung der Verdichterleistung bei der Verdichtung eines beliebigen gasförmigen
Arbeitsmittels. Das zu verdichtende Arbeitsmittel wird zunächst in einem Kühler
22 auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt, dann in einem Kältemittelverdampfer 23
auf eine Temperatur unter Umgebungstemperatur gebracht und anschließend in einem
Arbeitsmittelverdichter 24 verdichtet. Das im Kältemittelverdampfer 23 verdampfte
Kühlfluid wird von einem Kältemittelverdichter 25 angesaugt und verdichtet, in einem
Kältemittelverflüssiger 26 verflüssigt und in einem Drosselventil i8 entspannt,
wobei die Temperatur abgesenkt wird. Dann tritt das Kühlfluid wieder in den Kältemittelverdampfer
23 ein. Damit ist der Kreislauf des Kühlfluids geschlossen.