DE3015307A1 - Verfahren zur umwandlung von waerme in mechanische energie oder nutzbare waerme - Google Patents

Description

(H 1195) H 80/21

Hm/fl 21.4.1980

Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie und/oder nutzbare Wärme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie und/oder nutzbare Wärme mit einem geschlossenen Kreislaufsystem, in dem ein Arbeitsmittel erhitzt, entspannt, verflüssigt und auf Druck gebracht wird.

In herkömmlichen Heizkraftwerken z.B. wird Wärme in einem offenen Kreislaufsystem bereitgestellt. Dazu wird Luft komprimiert, einer Brennkammer zugeführt und mit einem Brennstoff verbrannt. Die entstehenden Gase hoher Temperatür und hohen Drucks werden in einer Gasturbine entspannt und zur Nutzung der restlichen Wärme einem Wärmetauscher (Abhitzekessel) zugeleitet. Diese Wärme wird im Wärmetauscher zur Verdampfung von Wasser, das in einem geschlossenen Kreislaufsystem zirkuliert, genutzt. Der gebildete Dampf wird in einer Kondensationsdampfturbine auf einen Kondensationsdruck von beispielsweise 0,04 bar entspannt, im Wärmetausch mit Kühlwasser kondensiert und erneut zum Wärmetauscher gepumpt. Zu Heizzwecken kann der Dampfturbine Dampf entnommen und gegen einen Wärmeträger (Heizwas-

35 ser) kondensiert werden.

Form. 5729 7.78

130043/0557

In Heizkraftwerken dieser Art wird aber die bei gleitender Temperatur angebotene Wärme nicht optimal genutzt. Außerdem erfolgt die Auskoppelung von Heizwärme aus dem Dampfkreislauf zwangsläufig auf Kosten der Erzeugung mechanischer

5 Energie.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch das Heizwärme bereitgestellt werden kann, ohne daß der in mechanische Energie umgewandelte Anteil der Wärme verringert werden muß.

G Aufgabe wird erfindungsgomäß dadurch gelöst, daß ein tiefer als Wasser siedendes Arbeitsmittel verwendet wird, das auf wenigstens 2 Druckniveaus entspannt wird, wobei der auf niedrigsten Druck entspannte Teilstrom des Arbeitsmittels im Wärmetausch mit Luft von Umgebungstemperatur und jeder andere Teilstrom gegen einen Wärmeträger verflüssigt, die Teilströme auf Druck gebracht und vereinigt werden.

Wird Wasser als Kreislaufmittel eingesetzt, muß eire weitgehend konstante Kondensationstemperatur eingehalten werden, da der Dampfdruck des Wassers im Dereich des Entspannungsdrucks der Dampfturbine mit sinkender Kondensationstemperatur stark abnimmt. Jn gleichem Maß wächst das Volumen des aus der Turbine austretenden Dampfes. Diese ist aber nur auf ein bestimmtes Austrittsvolumen ausgelegt, das bei einer Senkung der Kondensationstemperatur um 10 bis 20⁰C um ein Vielfaches überschritten würde. Zudem ist eine noch tiefere Kondensationstemperatur wegen der Gefahr des Einfrierens nicht realisierbar.

In herkömmlichen Heizkraftwerken muß daher im Sommerbetrieb wie auch im Winterbetrieb im wesentlichen die gleiche Kon-35densationstemperatur eingehalten werden. Kann im Sommer

Form. 5729 7.78

1300A3/0557 ORlGfNAL

bei nur geringem Heizwasserverbrauch die gesamte umlaufende Wasser- bzw. Dampfmenge auf den niedrigsten Druck von ca. 0,04 bar entspannt und daher ein Maximum an mechanischer Energie gewonnen werden, so sinkt dieser Energiebetrag

5 bei Heizwasserbedarf.

Mit Vorteil wird daher beim erfindungsgemäßen Verfahren ein tiefer als Wasser siedendes Arbeitsmittel verwendet, Der Dampfdruck eines Arbeitsmittels, das tiefer als Wasser siedet, schwankt im Bereich der Umgebungstemperatur weniger als der von Wasser. Bei einem derartigen Arbeitsmittel muß daher die Kondensationstemperatur nicht oberhalb eines bestimmten Wertes gehalten werden, vielmehr ist eine niedrige Kondensationstemperatur von großem Vorteil. Es erweist sich daher als sehr günstig, das Arbeitsmittel im Wärmetausch mit Luft von Umgebungstemperatur als Kühlmittel zu kondensieren. Da die Lufttemperatur im Winter sehr niedrig ist und auch Werte unter dem Gefrierpunkt von Wasser annimmt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gerade in dieser Jahreszeit entweder zusätzlich nutzbare Wärme, z.B. Heizwärme, ohne Einbußen bei der Erzeugung mechanischer Energie ausgekoppelt oder mehr mechanische Energie - jeweils bezogen auf den Sommerbetrieb bereitgestellt werden: Durch weitgehende Angleichung der Kondensationstemperatur des Arbeitsmittels an die Temperatur der Außenluft stellt sich im Winter ein niedrigerer Kondensationsdruck des Arbeitsmittels als im Sommer ein. Gilt es daher Heizwärme bereitzustellen, wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß - wiederum bezogen auf den Sommerbetrieb - eine kleinere Arbeitsmittelmenge bis auf Kondensationsdruck entspannt wird und die verbleibende Arbeitsmittelmenge bei höherem Druck der Entspannungsturbine entnommen und zur Erwärmung eines Wärmeträgers, beispielsweise Heizwasser, verwendet wird. In dieser Variante ändert sich der Anteil der je Zeiteinheit

Form. 5729 7.78

130043/0557 BAD ORIGINAL

gewonnenen mechanischen Energie nicht, da zwar die Menge des auf niedrigsten Druck entspannten Arbeitsmittels sinkt, das Volumen jedoch wegen des kleineren Kondensationsdruckes weitgehend konstant bleibt. Im Unterschied zum Verfahrensprinzip herkömmlicher Heizkraftwerke nutzt das vorgeschlagene Verfahren die Temperaturabsenkung der Luft im Winter. Dabei ist das Verhältnis der aus der umzuwandelnden Wärme in mechanische Energie und nutzbare Wärme umgewandelten Anteile

in weiten Grenzen variabel. 10

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens steht das Arbeitsmittel beim Wärmetausch mit der in mechanische Energie und/oder nutzbare Wärme bei gleitender Temperatur verfügbare! Wärme unter überkritischem Druck. Aufgrund des charakteristischen Verlaufs der Enthalpie als Funktion der Temperatur können die Temperaturdifferenzen zwischen dem zu erhitzenden Arbeitsmittel und dem die Wärme abgebenden Strom klein gehalten, Exergieverluste beim Wärmetausch somit auf ein Minimum reduziert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird das Arbeitsmittel außer auf Kondensationsdruck bei Umgebungstemperatur auf mehrere Druckniveaus entspannt und der Entspannungsturbine an verschiedenen Stellen entnommen. Mit Ausnahme des auf niedrigsten Druck entspannten Teilstromes werden die einzelnen Teilströme in der Reihenfolge steigenden Druckniveaus in Wärmetausch mit einem Wärmeträger, z.B. Heizwasser gebracht, wobei die einzelnen Teilströme kondensieren.

Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere zur Nutzung von Niedertemperatur- oder Mitteltemperatur-Wärme. Dabei erstreckt sich der Bereich der Niedertemperaturwärme bis ungefähr zu einer Temperatur von 150⁰C und der Bereich

35der Mitteltemperaturwärme etwa zwischen 150° und 450⁰C. Das

Form. 5729 7.78

130043/0 5 57

»—

BAD ORIGINAL

erfindungsgemäße Verfahren wird daher mit Vorteil bei der Umwandlung der z.B. in Thermalwasser oder warmen Gasen und Flüssigkeiten mit einer Temperatur aus dem angegebenen Bereich enthaltenen, bei gleitenden Temperaturen verfügbaren Wärme eingesetzt. Als Arbeitsmittel eignen sich hierbei Paraffine mit einer Zahl an Kohlenstoffatomen zwischen 3 und 6 oder halogenierte Kohlenwasserstoffe.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß durch die Angleichung der Kondensationstemperatur an die Temperatur der Außenluft gemäß Erfindungsgedanken die Umwandlung von Wärme in mechanische Energie gesteigert bzw. die Auskopplung einer großen Menge an Heizwärme im Winter ohne Verringerung des Anteils an mechanischer Energie (Sommerbetrieb) erfolgen kann. Diese Maßnahme sowie die gute Anpassung der Temperatur des Arbeitsmittels und des Wärmeträgers der fühlbaren Wärme gewährleisten eine wirtschaftliche Nutzung von Wärmeströmen mit relativ niedriger Anfang stemperatür.
20

Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens geschildert werden. Es zeigen:

25 Figur 1 ein Verfahrensschema

Figuren 2 und 3 je ein Wärmemenge-Temperatur-Diagramm

Gemäß Figur 1 wird ein Wärmeträger von z.B. 150⁰C über eine Leitung 8 einem Wärmetauscher 1 zugeführt und dort weitgehend abgekühlt. Wärme;, die im Wärmetauscher 1 nicht ausgenutzt worden ist, kann in einem weiteren Wärmetauscher 5 z.B. zur Erwärmung von Brauchwasser unter Abkühlung des Wärmeträgers auf etwa 25⁰C genutzt werden. Im Wärmetauscher 1 wird ein unter überkritischem Druck stehendes Arbeitsmittel, im Ausführungsbeispiel Propan mit einem Druck

Form. 5729 7.78

130043/0557

von 80 bar, auf eine Temperatur von ca. 140⁰C erhitzt und nachfolgend in einer Turbine 2 auf Kondensationsdruck P bei Umgebungstemperatur entspannt. Neben dem auf Druck P entspannten Teilstrom G wird der Turbine 2 ein weiterer Teilstrom G₁ mit einem höheren Druck P₁ entnommen. Teilstrom G₁ wird einem Wärmetauscher 3 zugeführt. Im Wärmtausch mit Heizwasser wird diesem Teilstrom die Wärmemenge Q, entzogen, wobei das Propan kondensiert und in einer Pumpe 6 auf überkritischen Druck gebracht wird. Teilstrom G wird einem luftgekühlten Kondensator 4 zugeführt. Im Kondensator 4 wird dem Propan die Wärmemenge Q entzogen, so daß es kondensiert. Das verflüssigte Propan des Druckes ρ

wird durch Pumpe 7 auf überkritischen Druck gebracht, mit dem ebenfalls unter überkritischen Druck stehenden Teilstrom G₁ vereinigt und erneut dem Wärmetauscher 1 zugeführt.

Mit dem beschriebenen Kreislaufprozeß läßt sich die bei gleitender Temperatur verfügbare Wärme je nach Jahreszeit unterschiedlich nutzen:'

Im Sommerbetrieb (Fall 1) wird die vom Kreislauf aufgenommene Wärme ausschließlich zur Energieerzeugung und der Rest zur Erwärmung von Brauchwasser genutzt. Dieser Fall ist im Wärmcmengen-Tcmporatur-Diagramm der Figur. 2 dargestellt. Hierbei entspricht Kurve 9 dem Wärmestrom des Wärmeträgers, der von 150⁰C im Wärmetausch mit Propan (Kurve 10) auf ca. 70⁰C und nachfolgend gegen Brauchwasser (Kurve 11) auf 25°C abgekühlt wird. Dem Kurvenverlauf ist zu entnehmen, daß nur geringe Temperaturdifferenzen zwischen dem unter überkritischem Druck (80 bar) stehenden Propan und dem Wärmeträger bestehen, der Wärmetausch folglich ohne große Exergieverluste erfolgt. Der Wärmeträger gibt an das Propan die Wärmemenge pro Zeiteinheit Q₁ = 64 MW ab, so daß zur Erwärmung des Brauchwassers noch Q- = 36 MW zur Verfügung stehen. Das unter überkri-

Form. 5729 7.78

130043/0557

BAD ORIGINAL

tischem Druck stehende, erhitzte Propan wird ausschließlich auf Kondensationsdruck ρ = 13,7 bar entspannt und im Wärmetausch mit Luft bei einer Temperatur von 40⁰C kondensiert. Der Kondensation des Propans entspricht Kurve 12. Hierbei

5 werden Q = 56,61 MW an die Luft abgegeben.

Im Winterbetrieb (Fall 2) kann die fühlbare Wärme nicht nur in mechanische Energie umgewandelt und zur Brauchwassererwärmung genutzt, sondern auch zur Erwärmung von Heizwasser verwendet werden. Infolge der sinkenden Außenlufttemperatur wird die Kondensationstemperatur im Kondensator 4 gesenkt, so daß im Kreislauf mehr mechanische Energie erzeugt oder zusätzlich - ohne Einbußen mechanischer Energie im Vergleich zum Sommerbetrieb - Heizwärme geliefert wird. Dieser Fall ist im Wärmemengen-Temperatur-Diagramm der Figur 3 dargestellt. Hierbei wird von einer Lufttemperatur unter 0⁰C ausgegangen, so daß das auf niedrigsten Druck entspannte Propan bei einer Temperatur von 0⁰C und einem Druck von 4,8 bar kondensiert. Da ein Teil des Propans auf einem im Vergleich zum Sommerbetrieb niedrigeren Kondensationsdruck entspannt wird, kann bei gleicher Nutzleistung L wie im Sommerbetrieb (6,78 MW) zusätzlich Heizwärme (34,17 MW) bereitgestellt werden. Hierzu wird bei einem gesamten Kreislaufdurchsatz von z.B. 698 500 kg/h eine Menge von 462 100 kg/h Propan (G₁) bei einem Druck von 31 bar entnommen und in Wärmetausch mit Heizwasser gebracht, während die restliche Propanmenge G₂ (236 400 kg/h) auf Kondensationsdruck ρ =4,8 bar entspannt wird. In der Pumpe 7 wird dieser Teil wieder auf den überkritischen Arbeitsdruck gepumpt und zusammen mit der gegen Heizwasser ver*r flüssigten Menge G₁ zum Wärmetauscher 1 geführt. Je niedriger die Außentemperatur ist, desto mehr Heizwärme kann bei gleichbleibender Energieerzeugung geliefert werden. Das Volumen der bei sinkender Außentemperatur immer kleiner

35werdenden Menge G bleibt nahezu konstant. Im Heizwärme-

Form. 5729 7.78

130043/0557

tauscher 3 kann ein Heizwasserkreislauf z.B. von 55°C auf 75°C erwärmt werden. Die Kurven 14 und 15 geben den Wärmetausch zwischen dem unter dem Druck von P₁ = 31 bar stehenden Propan und dem Heizwasser wieder. Vom Heizwasser wird pro Zeiteinheit eine Q, = 34,17 MVi entsprechende Wärmemenge aufgenommen. Kurve 13 entspricht dem bei 4,8 bar kondensierenden Propan (Q = 23,87 MW). Die Daten des Kreislaufprozesses bei Sommer- und Winterbetrieb sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
10

Form. 5729 7.78

130043/0557

Tabelle

Fall 1

Fall 2

Fall 3

Fall 4

Wärmeabgabe/^, bei Abkühlung v. 150 - 25⁰C (MW)

van Kreislauf aufgencmnene Wärme/. Q₁ ^C3^H8

Kreislauf

(kg/h)

Entnahme für Heizwärme Durchsatz im Kondensator ges. Kreislaufdurchsatz

Kreislaufdrücke PZp₁/p

maximale Temperatur Heizwasser-Temperaturen Kondensations temperatur

co CD	Kreislauf
O	temperatu
co	ren (0C)
'0 5 5ry	Turbinenlei
	Energie-
	Eigenbedarf
	(MW)

Pumpenleistungen (γ = 0,85) L

Leistung des Lüfters

jAnw. ·= 10°' Zip = 10 mm WS L_y

Nutzleistung (netto L
HeizwärmemengeZ_t QL
Restwärme für BrauchwasserZ. Abwärme im Kondensator/.

. Q~

100	100	100	100
64	65,0	85,6	54,5
	462 100		698 500
698 500	236 400	698 500
698 500	698 500	698 500	698 500
8OZ-Z13,7	8OZ31Z4,8	80Z-Z4,8	80/31/-
140	140	140	140
	83-80-60		83-80-60
40	. 0	0	o ; '··'
10,56	9,70	18,19	5,36 V

3,17

2,74

3,17

2,52

0,61	0,18	0,54	2,84 CO 51,660
6,78	6,78 34,17	14,48	45,5 cn CO O
36 56,61	35 23,87	14,4 70,58

In der Tabelle sind außerdem die Daten für zwei weitere Betriebsarten angegeben. Im Fall 3 sind die Daten eines auf maximale Energieerzeugung ausgelegten Kreislaufprozesses im Winterbetrieb wiedergegeben. Im Fall 4 ist der Kreislaufprozeß im Winterbetrieb auf Bereitstellung einer maximalen Heiζwärmemenge ausgelegt.

Form. 5729 7.78

1300A3/0557

Leerseite

Claims (4)

10 Patentansprüche

1J Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie und/oder nutzbare Wärme mit einem geschlossenenen Kreislaufsystem, in dem ein Arbeitsmittel erhitzt, entspannt, verflüssigt und auf Druck gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein tiefer als Wasser siedendes Arbeitsmittel verwendet wird, das auf wenigstens 2 Druckniveaus entspannt wird, wobei der auf niedrigsten Druck entspannte Teilstrom des Arbeitsmittels im Wärmetausch mit Luft von Umgebungstemperatur und jeder andere Teilstrom gegen einen Wärmeträger verflüssigt, die Teilströme auf Druck gebracht und vereinigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme auf überkritischen Druck gebracht werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß der Wärmeträger durch die nicht auf das niedrigste Druckniveau entspannten Teilströme in der Reihenfolge steigenden Druckniveaus der Teilströme erhitzt wird.

Form. 5729 7.78

130043/0557

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge-, kennzeichnet, daß bei der Umwandlung niedertemperierter oder mitteltemperierter Wärme Paraffine mit einer Zahl
an Kohlenstoffatomen zwischen 3 und 6 oder halogenierte Kohlenwasserstoffe als Arbeitsmittel verwendet werden.

Form. 5729 7.7β

130043/0557