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"Verfahren zum Betreiben einer Anordnung zur Erhöhung
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des Wirkungsgrades von Dampfkraftmaschinen1' Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Betreiben einer A.nordnung zur Erhöhung des Wirkungsgrades von
Dampfkraftmaschinen, bestehend aus einem Arbeitsmittelkreislauf und einem Energierückgewinnungskreislauf,
bei der im Arbeitsmittelkreislauf ein Dampferzeuger mit Heizeinrichtung, eine nach
dem Expansionsprinzip arbeitende Dampfkraftmaschine und eine den Abdampf kondensierende
Einrichtung und im Energierückgewinnungskreislauf eine Wärmepumpe vorgesehen sind,
deren Verflussigungsstufe in dem Dampferzeuger als Heizeinrichtung und deren Verdampfungsstufe
in einer den Abdampf aufnehmenden Kontraktionskammer angeordnet sind, wobei die
Verdampfungsstufe der wärmepumpe Restwa:rme des Abdampfes und beim Kondensieren
des Abdampfes frei
werdende Kondensationswärme aufnimmt und von
der Kontraktionskammer eine an diese angeschlossene, nach dem Volumenkontraktionsprinzip
arbeitende Kraftmaschine betrieben wird.
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Eine solche Anordnung zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Dampfkraftmaschinen
ist aus der DE-OS 2 803 953 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist die Wärmepumpe
direkt zwischen den Dampfkessel und den Kondensator des Arbeitsmittelkreislaufes
eingeschaltet. Die Wärmepumpe kühlt dabei den Abdampf direkt auf die Kondensationstemperatur
ab. Die dabei von dem W§rmepumpenkreislauf aufgenommene Wärme wird direkt dem Kesselwasser
und damit der Kraftmaschine wieder zugefAhrt. Dazu nimmt die Wärme pumpe bei der
bekannten Anordnung zusätzlich zu der Restwärme des Abdampfes auch die gesamte frei
werdende Kondensationswärme auf, die beim Kondensieren des Abdampfes frei wird.
Auch diese wird dem Arbeitsmittelkreislauf, nämlich dem Kesselwasser, direkt wieder
zugeführt. Die bei der Kondensation des Wasserdampfes entstehende Volumenkonzentration
wird bei dieser bekannten Anordnung mechanisch zum Antrieb einer weiteren Kraftmaschine
ausgenutzt.
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Das dabei anfallende Kondensat kann dem Speisewasservorlauf de Kessels
unmittelbar wieder zugeführt werden. Die Kondensation wird hier in einer geschlossenen
Kontraktionskammer durchgeführt, wobei der dabei auftretende Druckabfall energetisch
zum Betrieb einer weiteren Kraftmaschine ausgenutzt wird.
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t ist weiterhin bekannt, nicht nur bei Turbinen sondern auch bei Dampfkolbenmaschinen
das auftretende Kondensationsvakuum zur Erhöhung des Druckgefälles auszunutzen.
Dies hat sich jedoch in der Praxis wegen der damit verbundenen großen Unsicherheit
nicht bewährt. (Vgl. Lueger, Lexikon der Technik, Band 6 der Ausgabe Seite 628)
Weiterhin ist es bekannt, daß Abdampf-Absorptionskälteanlagen im industriellen Bereich
schon seit Jahrzehnten eingesetzt werden (vgl. Richter K.H. in "Kältetechnik", 8
(1956) 11.5, S.150 bis 155). leine solche Abdampf-Absorptionskälteanlage wird auch
in Kombination mit einer Wärmepumpe bei der Anordnung nach der n-os 2 359 813 eingesetzt.
Dadurch soll die dem Abdampf entzogene Wärme teilweise dem Speisewasserkreislauf
der Kraftwerksmaschine wieder zugeführt werden. Damit gelingt jedoch eine direkte
Rückgewinnung der Kondensationswärme in den Kraftmaschinen-Kondensatoren nicht.
Auch die direkte Ausnutzung der aus dem Abdampf gewonnenen Wärme zur Wiederverdampfung
des Arbeitsmittels der Kraftwerksmaschine ist mit dieser bekannten Anordnung nicht
möglich. Die bekannte Einrichtung bedarf weiterhin eines üblichen Khlwasserkreislaufes.
Sie ist daher umständlich,und die Erhöhung des Wirkungsgrades der Dampfkraftmaschine
gelingt nur im unzureichenden Umfange.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, das eingangs bezeichnete Verfahren weiterzubilden,
so daß bei entsprechender Dimensionierung der Anordnung ein wesentlich geringerer
Energieaufwand als in allen bekannten Kraftmaschinen erreicht werden kann, die üblicherweise
mit auf gegenüber der Umgebungstemperatur sehr hohen Arbeitstemperaturen des Dampfes
arbeiten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Arbeitsmittel
eine Flüssigkeit mit einem Verdampfungspunkt wi unterhalb des Verdampfungspunktes
von Wasser verwendet wird und der Abdampf des Arbeitsmittels mit der Temperatur
und dem Restdruck im Augenblick des Austritts aus der Dampfkraftmaschine der an
die Kontraktionskammer angeschlossenen zweiten Kraftmaschine zur Auslösung eines
Volumenexpansionshubes zugeleitet wird, und daß bei oder kurz vor Erreichen des
Endes des Expansionshubes der Kraftmaschine die Temperatur des Abdampfes unter Einleitung
von Arbeitsmittel in flüssiger Phase der Kondensationspunkt erzwungen und durch
implosionsartige Kondensation ein Kontraktionshub der Kraftmaschine ausgelöst wird.
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Es ist bekannt, daß die heutigen Verbrennungs- oder Dampfkraftmaschinen
unwirtschaftlich arbeiten, und zwar zum großen Teil aufgrund der Tatsache, daß Arbeitstemperaturen
notwendig sind, die weit über der Umgebungstemperatur liegen. Bei den Explosionsmotoren
muß durch entsprechende Kühlung dafür gesorgt werden, daß die Temperatur der Maschinenteile
nicht zu hoch wird. Ein
entsprechender Temperaturverlust tritt bei
Dampfkraftmaschinen auf, wenn der ausgestoßene Heißdampf in die Atmosphäre abgeleitet
wird.
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Bei dem neuen Verfahren für die in geschlossenen Kreisläufen arbeitende
Anordnung wird ein Abgeben von Temperatur an die Umgebungsatmosphäre weitgehend
verhindert. Da mit einem Arbeitsmittel gearbeitet wird, dessen Verdampfungspunkt
weit unter dem Verdampfungspunkt von Wasser, gegebenenfalls in der Nähe der Raumtemperatur
bzw. unterhalb der Raumtemperatur liegt, bedarf es gegebenenfalls nur einer geringfügigen
Erwärmung über die Umgebungs- oder Raumtemperatur, um den gewünschten Betrieb in
Gang zu setzen. Statt Wärme an die Umgebung abzugeben, kann vorteilhafterweise sogar
Wärme aus der Umgebungsluft abgezogen und für den Arbeitskreislauf zunutze gemacht
werden. Dies wird dadurch erreicht, daß der Verdampfungsteil der Wärmepumpe dafür
sorgt, daß das Arbeitsmittelkondensat dauernd auf eine Temperatur deutlich unter
dem Kondensationspunkt abgekühlt wird, wobei eine Wärmeisolation des Kondensatvorrates
nicht erforderlich ist. Vielmehr kann die Aufnahme der Umgebungswärme durch das
Arbeitsmittelkondensat über die Wärmepumpe direkt zur Verdampfung des Arbeitsmittels
im Arbeitsmittelkreislauf der Dampfkraftmaschine ausgenutzt werden. Auf diese Weise
kann die Atmosphäre mit ihren Wärmeenergien gleichzeitig dazu beitragen, motorische
Kräfte zu entwickeln.
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Als Arbeitsmittel kann vorteilhafterweise ein Kältemittel mit niedrigliegendem
Kondensationspunkt verwendet werden.
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Die implosionsartige Kondensation wird vorteilhafterweise bei.
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oder kurz vor Erreichen des Endes des Expansionshubes durch Einspritzen
oder Einsprühen von bereits kondensiertem Arbeitsmittel, also durch eine Unterkühlung
des Arbeitsmittels in dei Kontraktionskammer und der an diese angeschlossenen Arbeitsmaschine
erreicht. Das Einsprühen oder Einspritzen kann unter Sog oder Überdruck erfolgen.
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ei dem neuen Verfahren wird in Abwandlung des Betriebes der L,ekannten
Anordnung von der das neue Verfahren ausgeht, der W.irmeab zug aus dem Kontraktionsraum
durch die Wärmepumpe auf ein Maß beschränkt, so daß über die Wärmepumpe in der Kontraktionskanrner
und der angeschlossenen Kraftmaschine eine Kondensation des Abdampfes des Arbeitsmittels
selbsttätig nicht einsetzen kann.
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Wesentlich an dem neuen Verfahren ist nämlich, daß die Kondensation
schlagartig oder implosionsartig erfolgt, um so eine für den Kontraktionshub hohe
Druckdifferenz zu erhalten. Dazu ist es notwendig, daß die Temperatur des Abdampfes
in der Kontraktionskammer während des Expansionshubes der Kraftmaschine die Kondensationstemperatur
nicht erreicht oder unterschreitet.
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Andererseits wird durch die Verfahrensführung gewährleistet, daß der
Abdampf am Ende des Expansionshubes eine Temperatur dicht
an der
Kondensationstemperatur aufweist, so daß durch schlagartige Unterkühlung die implosionsartige
Kondensation ausgelöst werden kann.
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i)ie Anordnung selber, mit der das Verfahren nach der Erfindung verwirklicht
werden kann, kann prinzipiell der Anordnung entsprechen, wie sie aus der DE-OS 28
03 953 hervorgeht. Vorzugsweise ist als Kraftmaschine an die Kontraktionskammer
eine Dampfkolbenmaschine angeschlossen. Weiterhin ist der Verdampfungsteil der Wärmepumpe
so angeordnet und ausgebildet, daß der Verdampfungsteil vornehmlich einen gesonderten
Vorrat an Arbeitsmittelkondensat auf eine vorbestimmte Temperatur unter der Kondensationstemperatur
gekühlt hä.lt und den Abdampf in der Kontraktionskammer nur auf einer Temperatur
wenig überhalb der Kondensationstemperatur beläßt. Das Einsprühen des Kondensats
in die Kontraktionskammer und die angeschlossene Kammer der Kraftmaschine kann durch
den Kolbenhub ausgelöst werden, und zwar wenn der Kulben das Ende seines Expansionshubes
erreicht. Auch können entsprechende Ventile vorgesehen sein, welche den Eintritt
des Abdampfes in die Kontraktionskammer in Abhängigkeit vom Kolbensniel der an die
Kontraktionskammer angeschlossenen Kraftmaschine steuert.
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ei entsprechender Dimensionierung der gesamten Anordnung ist der Energieaufwand
wesentlich geringer als bei den bekannten Kraftmaschinen, die mit einem Arbeitsmittel
mit gegenüber der Umgebungstemperatur hoher Dampftemperatur arbeiten.
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Als Arbeitsmittel kommen zahlreiche bekannte Kältemittel infrage.
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Geeignet ist z.B. Dichlordifluormethan (R12), das zwischen 300 -350
C verdampft, oder Trichlormonofluormethan (R11), das bei 230 - 250 C verdampft.
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Die Schwierigkeiten bei Verwendung eines Kältemittels liegen in der
Kondensation. Diese Schwierigkeiten werden mit den neuen Maßnahmen zuverlässig und
auf eine einfache und sparsame Weise überwunden. Dabei wird die Gefahr einer zu
frühen Kondensation vor Erreichen einer vorbestimmten Kolbenstellung ausgeschaltet
und andererseits eine auch vom Zeitpunkt genau steuerbare ondensation von schock-
oder implosionsartigem Charakter ermöglicht. Damit wird ein - im Kälteprozeß als
solchem millionenfach bewährter - geschlossener Kreislauf auch für Dampfkraftmaschinen
verwirklicht, ohne den Nachteil von gegenüber der Umgebungstemperatur hohen Arbeitstemperaturen.