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Dampfkraftanlage mit Uberhitzer und Kompressor-Kondensation,
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mit Jollstndiger Rückführung der Abwärme und vollständiger Umwandlung
der Primärwärme in technische (mechanische) Arbeit Vorliegende Erfindung betrifft
eine Dampfkraftanlage mit überhitzer und geschlossenem Kreisprozeß. Der aus der
Expansionsmaschine ausströmende, druckentspannte und gesättigte (abgearbeitete)
Dampf wird mittels eines Maschinenverdichters (Kompressors) im Sättigungspunkt,
also bei konstantem niederem Druck (PO = Konstant P0<P), zur Kondensation gebracht
und das Kondensat - und mit ihm die Abwärme (= Kondensationswärme) -mittels einer
Speisepumpe in den Kreisprozeß der Dampfkraftanlafe zurlickge ftthrt.
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Da hierbei die im Kondensat enthaltene Kondensationswärme nicht, wie
bisher, mittels eines Wärmetauschers (Kondensators) an die Umwelt (Wasser, Ldft)
abgegeben werden muß, also im Kreislauf verbleibt, ist eine vollständige Nutzung
der zugefuhrten Wärme aus der Primärenergle quelle (oberem Wärmebehälter) in technische
(mechanische) Arbeit möglich.
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Je nachdem, Uber welches Temperaturniveau die Primärenergiequelle
bei ihrer Nutzung verfügt, muß ein entsprechend angepaßter Arbeitsstoff für den
Dampkreisprozeß gewählt werden. Stehen als Primärenergiequelle hochwertige Energieträger,
beispielsweise fossile oder nukleare Kraftstoffe, zur Verfuegung, so muß ein entsprechend
hochsiedender Arbeitsstoff, z. X, Wasser, verwendet werden. Steht jedoch als Primärenergiequelle
lediglich eine niederwertige Wärmequelle, z. B. Umweltwärme (Luft-, Wasser- oder
Erdbodenwärme, das ist gespeicherte Sonnenwärme bei relativ niecerer Temperatur)
zur VerfUgung, so muß ein entsprechend niedersiedender Arbeitsstoff, z. B. Ammoniak
oder Äthan, verwendet werden.
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Es muß an dieser Stelle darauf hingewiesen-werden, daß die erfindung
gemäße Dampfkraftanlage bei Betrieb mit Umweltwärme, d. h. bei Verwendung von in
sich ausgeglichener Wärme, oder Wärme "ohne Temperaturdifferenzen, nicht dem zweiten
Hauptsatz-der Wärmelehre (rntropiesatz) widerspricht,
da man die
Siedetemperatur des Kaltdampfes bei Betriebsdrucs ausreicher@ weit unterhalb die
der Umwelttemperatur verlegen und somit einen Wärmestrom in Richtung fallender Temperatur
erhält. Damit ist der Wärmeübergang zur Aufnahme von Umweltwärme in den Dampfkreisprozeß
sicherstellt, Dies ist natürlich nur möglich bei einer Dampfkraftanlage mit einem
von der Umwelt (Temperatur und Druck) unabhängigen "unteren Wärmebehälter" bezw.
mit einem in den Kreislauf Vollständig integrierten unteren Wärme behälter.
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Bei den bisherigen Dampfkraftanlagen, die ihre Abwärme noch mittels
eines Wärmetauschers bezwe Kondensators an die Umwelt abgeben, ist grundsätzlich
@ auch bei Verwendung eines Waltdampfes al Arbeitssto@ -eine Abführung der Kondensationswärme
an die Umwelt nicht möglich, rZa die Abwärme auf niedrigerem Temperaturniveau steht
als die der Umweltwärme und ein Übergang auf diese nicht "von selbst möglich ist.
daraus wurde die "Unmöglichkeit eines sogenannten Perpetuum mobiles zweiter Art"
hergeleitet, dem die Aufgabe zugedacht war, in sich ausgeglichene Wärme, also Wärme
ohne Temperaturdifferenzen, in technische (mechanische) Arbeit Uberzuftihron.
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Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichsten Vorteile sind: a)
Streckung der noch (begrenzt) vorhandenen fossilen und nuklearen Kraftstoffe um
etwa das Doppelte (wegen der vollständigen Rückführung der Kondensationswärme können
jetzt etwa 80 % - statt bisher etwa 40 % - der Primärwärme genutzt, d. h. in technische
bezw. elektrische Arbeit überführt werden !), b) Bau von Wärmekraftwerken unabhangig
von irgendwelchen Kühlsystemen (KUhlttrmen, Flußläufen, Seen usw.), da keine Wärme
an die Umwelt abgegeben werden muß, c) Schaffung einer neuen,regenerativen Energiequelle
aus Umweltwärme bei relativ hohem Nutzwärmegefälle (dT H 100°C) und Uberall leichter
Zugänglichkeit (Wasser, Luft und Erdboden),
d) Erzeugung von Eluktritität
und Wasserstoff im großen Maßstab mit der nach c) bereitgestellten technischen Arbeit
durch sogenannte ?Umweltwä.rme-Kraftwerke?? oder "Natur-Kraftwerke", und damit vollständige
lösbarkeit des heutigen Energieproblems.
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Da man mit Wasserstoffgas (über Elektrolyse nach d) erzeugbar !) hocheffektive
)u. völlig schadstoffreie Motoren betreiben kann (das Verbrennungsprodukt ist reines
Wasser I) ist gleichzeitig auch eine umweltfreundliche Energieversorgung auf dem
Verkehrssektor möglich. Da genügend Elektrizität und Wasserstoff aus Umweltwärme-Kraftwerken
(nach d) gewonnen werden kann, ließe sich auch das Problem der Wärmeversorgung für
Industrie und Haushalt ebenso vollständig wie umweltfreundlich lösen.
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Ein Ausfllhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und ist im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das Schaltbild der Dampfkraftanlage,
Abb. 2 das zu Abb. 1 gehörende T,s-Diagramm (Temperatur-Entropie-Diagr.j der Dampfkraftanlage,
geeignet fUr hoch- und niedersiedRnde Arbeitsstoffe.
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Abbildung 1 zeigt das Schaltbild der Dampfkraftanlage, wie sie bei
Verwendung von Strömungsmaschinen - neben der Verwendungsmöglichkeit von Kolbenmaschinen
- aufgebaut ist. (Bei Verwendung eines hoch- oder niedersiedenden Arbeitsstoffs
ändert sich hinsichtlich der Grundausstattung der benötigten Bauelemente nichts.
Der verwendete Arbeitsstoff hat jedoch Einfluß auf die BauausfUhrung, wie z. B.
deren Dimensionierung, Werkstoffauswahl und Wärmeisolierung.) Wie aus Abb. 1 zu
ersehen ist, besteht die Dampfkraftanlage mit "Kompressor-Kondensation" grundsätzlich
aus folgenden Komponenten: Dem Verdampfer a, Uberhitzer b, Gasvorratsbehälter c,
Uberdruckventil oder Bereitschaftsventil d, Steuerorgan e, Expansionsmaschine f,
Kompressionnmaschine g und Spcisepumpe h +) Das sind Motoren mit hoher Leittungsdichte.
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Die Wirkuntsselse sei, zusammen mit dem T,s-Diagramm (Abb. 2), im
folgenden näher beschrieben: Um die Dampfkraftanlage Uber das Steuerorgan e in Betrieb
setzen zu können, muß zunächst dem Verdampfer a Flüssigkeitswärme (qf) und Verdampfungswärme
(qr) sowie dem Uberhitzer b Uberhitzungswarme (qü) vor der Primärwärmequelle (oberer
Wsrmebehälter) zugefUhrt werden. Sobald Ile notwendige Gasmenge erzeugt und der
Betriebsdruck P und die Betrn temperatur T. im Gasvorratsbehälter c erreicht ist,
wird die Gasentnahme Uber das Überdruckventil d zunächst freigegeben (Betriebsbereitschaft).
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Uber das Steuerorgan e kann danach die eigentliche Inbetriebnahme
er Dampfkraftänlage erfolgen.
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Beim Offned des Steuerorgans e gelangt das Arbeitsgas in die Turbine
f, in der es sich vom Zustand TU,P (Punkt I) adiabat (oder-zuvor im Gleichdruck,
insbesonders anwendbar bei Kolbenmaschinen) in den Zustand To,@o (Punkt II) entspannt,
wobei gleichzeitig die technische Arbeit t an der Turbinenwelle abgegeben wird.
Diese Arbeit ist äquivalent der Nutzwärme in der Fläche 1-I-II-5-4.
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Der aus der Turbine ausströmende, entspannte und gesättigte Dampf
vom Zustand II gelangt in den Verdichter g und wird dort bis zum Sättigungspunkt
(schnittpunkt der Adiabaten mit der oberen Grenzkurve, Abb. 2) verdichtet, wobei
der Druck und die Temperatur entsprechend steigen.
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Sobald der Sättigungsdruck erreicht ist, beginnt die Kondensation
im Verdichter, und das Volumen verkleinert sich ohne Steigen des Druckes (P0= Konstant)
so lange, bis aller Dampf (im Punkt 5) verflüssigt (kondensiert) ist. Das so erhaltene
Kondensat wird mit der Speisepumpe h in den Verdampfer zur Uckge pumpt und dabei
auf den Betriebsdruck P und die Temperatur T6 angehoben. Der Kreisprozeß ist damit
beendet.
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Die mit dem Kondensat in den Verdampfer zurUckgeführte Wärme, die
sich aus den Wärmeanteilen der Fldssigkeltswärme, Verdampfungswärme und Uberhitzungswätme
zueammensetzt und in der Fläche II-5-a-b enthalten ist, geht also nicht, wie bei
den bisherigen Anlagen, an die Umwelt verloren sondern verbleibt - als Teil der
Flüssigkeitswärme - im Kreisprozeßr Da hierzu technische (mechanische) Arbeit (Lk
= Lkl + Lk2) aufgewendet: wird und dieser Arbeitsbetrag der gewonnenen Arbeit L
entnommen wird, ist die nach außen abgebbare "effektive" Nutzarbeit um diesen Betrag
kleiner (L - Lk = Leff) Der dem Arbeitsbetrag Lk äquivalente Wärmebetra
S
|Lk| geht auf das Kondensat ueber und zeigt sich in entsprechend erhöhter Flüssigkeitswärme
(T6, Abb. 2). Der W-armebetrag in den beiden Flächenanteilen II-5^a-b und 5-6-4
braucht somit nur einmalig, und zwar bei der Inbetribbsetsung der Dampfkraftanlage,
von der Prirnärwarme quelle entnommen werden. Ist die Anlage in Betrieb genommen,
so muß nur der vdn der Turbine nach außerhalb der Anlage abgefUhrte Arbeitsbetrag
Leff dem Kreisprozeß in Form von Squivalenter Wärme 1Leffl aus ler Primärwärmequelle
laufend ersetzt werden. Da sonst keine Wärme - außer unvermeidlichen Verlusten -
aus dem Kreisprozeß verloren geht und nur technische Arbeit der Anlage entnommen
wird, folgt - gemäß dem 1. HS der Wärmelehre - , daß die dem Kreisprozeß zugefAhrte
und dem oberen Wärmebehälter" (PrimSrwärmequelle) entnommene Wärme vollständig (theoretisch
zu 100 % X) in 'effektive" technische Arbeit überführt wird.
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Die Dampfkraftmaschine arbeitet nur optimal, wenn die Expansion genau
im Sättigungspunkt (Schnittpunkt der Adiabaten mit der oberen Grenzkurve) beendet
wird und auch in diesem Punkt die Kompressor-Kondensation einsetzt. Wird z.B., wie
in Abb. 2 angedeutet ist, der Expansionsendpunkt tief in dae Sttigungsgebiet hinein
verlegt (Punkt II') so wird zwar die NutztrmeflHche um den Flächenanteil II-5-5'-II'
(und damit die Nutzarbeit) zunächst größer werden als bei Beendigung der Expansion
exakt im Sättigungspunkt. Bei der nun nachfolgenden Verdichtung wird jedoch der
zuvor hinzugewonnene Arbeitsbetrag in der Fläche II-5-5'-II' durch Komptessorarbeit
wieder verbraucht, also nur unnötige "innere Umlaufarbeit" oder "Scheinarbeit" geleistet,
die die Maschinen nur unnötig beanspruchen.
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Wird der Expansionsendpunkt dagegen in das Jberhitzungsgebiet bez.
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Gasgebiet hinein verlegt, so kann man mit der nachfolgenden Kompressor-Kondensation
den Sättigungspunkt nicht (auch bei noch so hohe Druck !) erreichen, d. h. die aufgewendete
Arbeit durch Kompression wäre ebensogroß Wie die zuvor gewonnene Arbeit durch Expansion.
In diesem Falle (BeendigUng der Expansion oberhalb der oberen Grenzkurve) gelten
die Gasgesetze (p.v = R*T; p.v /-T = Konstant) und ein Betrieb in diesem Gebiet
allein wäre nicht möglich. Dies gilt auch bei einer (versuchten) Betriebsweise im
Sättigungsgebiet allein (innerhalb der beiden arenzkurven).
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+) Wegen des benötigten, relativ kleinen Kompressionsdrucks von etwa
0,1 bis 1 bar, eignen sich als Verdichtermaschinen insbesonders sogenannte IISpiralt-Verdichter-
Um
eine optimale Betriebsweise zu ermöglichen, ist ferner darauf zu achten, daß im
Kreisprozeß keine andersartigen Gase enthalten sind als das des tatsächlichen Arbeitsstoffs.
Bei Gemischen mit andersartigen Gasen, beispielsweise mit Luft, kann der Sättigungspunkt
weder be der Expansion noch bei der Kompression exakt im Sättigungspunkt des tatsächlich
verwendeten Arbeitsstoffs erreicht werden. Die Folge wäre eine unter Umständen vollkommen
uneffektive und damit unwirtschaftl.che Betriebsweise.
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Wie aus Abb. 1 und 2 unmittelbar abgelesen werden kann, ergibt sich
die nach außen abfUhrbare effektive technische (mechanische) Arbeit als Differenzarbeit
der aus dem Kraftmaschinenprozeß gewonnenen Arbeit L und der aus den beiden Arbeitsmaschinen-Prozessen
aufgewendeten Arbeit Lk, zu L - Lk = Leff (Gl. 1) Die insgesamt aufgewendete Arbeit
Lk setzt sich dabei zusammen aus der Verdichtungsarbeit Lk1 bei der Kompressor-Kondensation
und der Speisepumpenarbeit Lk2, die zur Rückführung des Kondensats in den Verdampfer
aufgewendet werden muß. Es ist also Lkl + = Lk (Gl. 1.1) Da bei der erfindungsgemäßen
Dampfkraftanlage die Abwärme vollständig in den Dampfkreisprozeß zuruckgeftihrt
wird, einschließlich der dazu notwendigen technischen Arbeit in Form äquivalenter
Wärme, folgt, daß die aus det Primärwärmequelle zu entnehmende Wärme um diesen Betrag
kleiner wird. Die aus der Primärwärmequelle bezogene Wärme wird also im Grenzfaile
(bei verluetloser WärmerEckfUhrung) vollständig, d. h.
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zu 100 %, in technische 'EffektiV"-Arbeit (Leff) nach außen abgegeben.
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Der theoretische thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine
ist allgemein definiert zu Nutzwärme (oder Nutzarbeit) #th = - (Gl. 2) Wärmezufuhr
Bis
zur Inbetriebnahme, d. h. bis die gesamte Betriebswärme (Flüssigkeitstärme + Verdampfungswärme
+ Uberhitzungswärme) in den Kreisprozeß aufgenommen ist, gilt der theoretische thermische
Wirkungsgrad für die vorliegende Wärmekraftmasohine ebenso, wie für die bisherigen
Warmekraftmaschinen. Es ergibt sich somit, gemäß dem T,s-Diagramm nach Abb. 2 und
bei Verwendung von Wärme flächen, der theoretische thermische Wirkungsgrad bis zur
Inbetriebnahme, zu Fläche 1-I-II-5-4 nt = < 1 (31. 3) (Anfang) Fläche 1-I-II-b-a-5-4
Nach der Inbetriebsetzung ergibt sich jedoch ftir vorliegende Wafrmekraftanlage
mit Kompressor-Kondensation, da nur die nach außen abgegebene technische Effektiv-Arbeit
in Form äquivalenter Wärme aus der Primärwärmequelle ersetzt werden muß, der theoretische
thermische Wirsungsgrad der Wärmekraftanlage (Turbine + Kompressor + Speisepumpe)
allgemein zu effektive Nutzwärme (oder Effektivarbeit) nth = (Gl.4) (Betrieb) Wärmezufuhr
aus der Primärwärmequelle Gemäß dem, nach Gleichung 4, definierten sogenannten Anlage-Wirkungsgrad
(Turbine + Kompressor + Speisepumpe) ergibt sich bei Verwendung von Wärme flächen
der theoretische thermische Wirkungsgrad während der Betrieb zeit zu Fläche (1-I-II-5-4)
- Fläche (5-6-4) n (Betrieb) Fläche (1-I-II-5-4) - Fläche (5-6-4) = L - Lk = Leff
= 1 (Gl. 5) ILl - |Lk| tLeff| Die ftlr die Kompressor-Kondensation und die Speisepumpe
benötigte Arbeit Lk wirkt sich - da sie im Kreisprozeß verbleibt und ständig in
ihm umluft, also abwechselnd in Form von technischer Arbeit und Wärme auftritt -
lediglich auf einen um diesen Betrag verminde-ten Leistungsumsatz der Wärmekraftanlage
aus. Dieser verminderte Leistungsumsatz um den Betrag|Lklhat jedoch keinen Einfluß
auf den thermischen Wirkungsgrad der Anlage, wie aus Gleichung 5 zu entnehmen ist.