DE3321739A1 - Dampfkraftmaschinen-kreisprozess zur erhoehung des waermewirkungsgrades, insbesondere fuer dampfkraftwerke - Google Patents

Description

A. M. Genswein Diiren, im Mai 1983

in D ü r e η

Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß zur Erhöhung des Wärmewirkungsgrades, insbesondere für Dampfkraftwerk^

Die Erfindung betrifft einen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß mit teilweiser bis vollständiger Kondensation des Arbeitsstoffs durxij. Auskopplung mechanischer Arbeit und getrennter Rückführung des kondensierten und nicht kondensierten Abdampfanteils in den Kreisprozeß, zwecks Erhöhung des Wärmewirkungsgrades über den des CARNOT-Wirkungsgrades hinaus, insbesondere für Heiß- und Kaltdampfkraftanlagen (Wärmekraftwerke).

Zur Erhöhung des Wärmewirkungsgrades an Dampfkraftanlagen ist die mehrstufige regenerative Speisewasservorwärmung in Dampfkraftwerken bekannt ^J· Sie dient zur Angleichung des Wärmewirkungsgrades an den des CARNOT'sehen, der bekanntlich bei den bis heute angewendeten Dampfkraft-Kreisprozessen der größt mögliche darstellt. Dabei geht die Wirkungsgradverbesserung einher mit verminderter Leistungsabgabe der Wärmekraftanlage. Über den Wärmewirkungsgrad den des CARNOT'sehen hinaus ist nach heutiger Kenntnis kein Wärmekraftmaschinen-Kreisprozeß denkbar, da bei jedem Ausgangstemperaturniveau immer noch ein entsprechender Mindest-Abwärmebetrag an die Umgebung abgeführt werden muß. Dieser Abwärmebetrag, der in Form von Verdampfungswärme bei hoher Temperatur durch die Primärwärmequelle laufend neu erzeugt werden muß, geht ungenutzt verloren.

Mit dem vorgeschlagenen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß ist eine Wirkungsgradverbesserung über den des CARNOT-Wirkungsgrades hinaus bis auf theoretisch 100 % (η = 1) möglich, dadurch, daß der aus der eigentlichen Arbeits-Expansionsmaschine austretende, noch nicht vollständig

1) Siehe "7. Regenerative Speisewasservorwärmung", S.168-170, Abb.XI/21 Lehrbuch: Technische Thermodynamik, 1. Teil, von F. BOSNJAKOVIC, 6. Aufl., 1972.

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entspannte Dampf sinerseits ?ifc miners T ^iI des Abdampfes über eine Drosselstrecke und anderersei es lit dos rsstlichen Tail über eine weitere Expansionsmaschine (Dca-oiturbiri.a oder fCoibandampfaaschine) geführt ist« wobei der ^a Aus^anj der T-psnsiciassaschlne anfallende, durch Arbeitsabgabe weiter "b-skühite p.^szaasnpf die an der Drossel-.· strecke anfallende Kondensationsv/ärme in sich aufnimmt. Das nach der V'Drosselstrecke (^arn Drossel"/3nti.l) an lallende Kondensat wird dabei

unmittelbar in den Kessel (oder Verdampfer bei Kaltdampfanlagen) zu-■^gwckgepumpt, wobei es auf dem Wege zum Kessel bez^_D Verdampfer gleich-• -'a^eltig die Kondensation des abgeswsigten Dampfes für die regenerative

ärsung bewirkt durch Aufnahme der Kondensations-Der noch verbliebene Restdasipf wird nach Aufnahme der Konden-

'v/'sa'iionswärme (herrührend von der Drosselstrecke) ebenfalls in den ... ,γ//. .*»

·.·:',. .Kessel bezw» Verdampfer zurückgepuapr. Damit ist der Kreisprozeß ' ■ geschlossen.

·'.. .Die an der Drosselstrecke abgeschiedene Flüssigkeitsmenge (Kondensat) 'stellt dabei unmittelbar ein Maß dar für die Größe der in Arbeit umgesetzten Wärmemenge, die ihrerseits die Lsistung der Wärmekraftanlage .bestimmt. Um bei derartigen Dampilirait-Kreisprozsssen eine möglichst große Leistung bszv/. Arbeit3flücha z\i erhalten, 1st eine möglichst Mehrstufige Turbin8nkasica.de alt ^uaJipfmigen des Daapfss zwischen den einzelnen Expansionsmaschinen hex möglichst separater '', regenerativer Speisefliissigksits-RückfUhrusg vorsuaensn. Mit einer mehrstufigen

/Turbinenkaskade erreicht nan, d^ß dar am Ende der /Cankade austretende, nicht kondensierbare Restdaopfantail relativ klein und somit der Arbeitsaufwand zu seiner Rückführung ebenfalls klein bleibt. Somit Wird die aus beiden Arbeitsprozessen gawonnene Differenzarbeit (Expan- ^^onsarbeiten minus Koaprassionsarbeiten; relativ groß werden.

,Eine separate Speise flüssi^iceltsrückführung ist anzustreben, weil bei der erfindungs^eraälien Kondensationsdurchführung am Ende des Kreisprozesses ralativ ^«ni.g AUhlflüssi.skeit ::ur Verfügung steht.

Bei mehrstufiger regenerativ ar SpaiBetlussi^keitsvorTrärinung und separater Rückführung ist es aber dennoch möglich ma Ende einen relativ großen Künaö;if?ationoeffekt zu erreichen, da die jeweils vorgeschaltete S^;:ufe aia liondensationsisrärsie der nachfolgenden bei relativ hohem Temperaturge falls aufnehmen kann«

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Da beim vorgeschlagenen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß primärseitig nur soviel Wärme aufgenommen wird, wie in Form von mechanischer Differenzarbeit von der Anlage nach außen abgegeben wird, steigt der Wärmewirkungsgrad des Kreisprozesses bis auf theoretisch 100 %

(η _v . „ = 1 ) an. Infolge des Arbeitsaufwandes für die RUckv Kreisprozeß

führung des Kondensats und des Restdampfes tritt eine entsprechende Leistungsminderung der Wärmekraftanlage ein, die (zwecks Erreichung gleicher Ausgangsleistungen) durch entsprechenden Mehraufwand an Maschinen ausgeglichen werden muß. Die erzielte Energieeinsparung (etwa 50 % der Primärenergie ) und die dabei reduzierte Schadstoffabgabe (ebenfalls etwa 50 % gegenüber bisherigen Anlagen) rechtfertigen jedoch diesen Mehraufwand. Dem Mehraufwand an Maschinen steht aber auch ein verminderter Aufwand an Anlageteilen gegenüber (Wegfall des Kraftwerkskondensators und der Kühltürme), so daß die Gesamtkosten eines mit einem solchen Kreisprozeß ausgestatteten Wärmekraftwerks gegenüber einem derzeitigen bei gleicher Ausgangsleistung etwa gleich bleiben. Der eigentliche Vorteil bleibt jedoch bestehen und ist in der enorm hohen Energieeinsparung und in der im gleich hohen Maße verminderten Schadstoffabgabe begründet.

Da beim vorgeschlagenen Dampfkraft-Kreisprozeß die noch verbliebene Abwärme nach Verlassen der letzten Expansionsmaschine und nach Aufnahme der Rest-Kondensationswärme wieder unmittelbar in den Kreislauf eingegeben wird, kann sie ohne Berücksichtigung des tlmgebungszustandes (Temperatur und Druck) betrieben werden, d. h. sie benötigt den soge-

1) Um hier auch alle Rückpumparbeiten (für Kondensat und Dampf) übersichtlich zu erfassen (die zwar keine Wirkungsgradverminderung aber eine Leistungsminderung bewirken) ist hier der Wärmewirkungsgrad für den "Kreisprozeß" definiert, also nicht, wie üblich, für die Expansionsmaschine allein.

2) Bei den heute üblichen Dampfkraftwerken entstehen etwa k7 % Kondensationswärmeverluste. Siehe Seite 38Ο, Bild 2.75, "Energieflußdiagramm eines Dampfkraftwerkes", Lehrbuch: Winter, Technische Wärmelehre, 9. Auflage, 1975.

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genannten "unteren Wäriaebehälter", die "Umgebung", nicht mehr.

Die Umgebungstemperatur legt bekanntlich die unterste Expansionsendteniperatur beim bisher gebräuchlichen Kondensations- Dampfkraftprozeß (CLAUSIUS-RANGINE -Prozeß) und allen bis heute bekannten Wärmekraftmaschinenprozessen fest, über die hinaus nicht mehr weiter expandiert werden kann wegen des benötigten Temperaturgefalles gegenüber der Umgebung, ohne die die Kondensation des Abdampfes nicht möglich und somit der Dampfkraft-Kreisprozeß nicht durchführbar wäre.

Bei Verwendung von Wasser als Arbeitsstoff ist zwar wegen des relativ

hoch liegenden Siedepunktes (in der Kondensationskammer z. B.: T = ■a*. s

22,9 C bei P = 0,05 bar) diese unterste Expansionsgrenze mittels des bekannten Kondensations-Dampfkraftprozeß (CLAUSIFS-RANGINE-Prozeß) schon erreicht und der Abdampf nicht mehr weiter expandierbar und damit auch nicht mehr weiter ausnutzbar» Dies ändert sich aber, wenn man, statt Wasser, einen tiefer siedenden Arbeitsstoff verwendet.

Bei Verwendung von Kaltdämpfen als Arbeitsstoffe (z.B. Ammoniak, Frigene R13» R13B1, HI^, R23 oder Methan) mit einem angemessen weit unterhalb der Umgebungstemperatur liegendem Siedepunkt (bei Betriebsdruck I) ist es möglich Umgebungswärme (Wasser»_s Luft- oder Erdbodenwärme, auch geothermische Wärme) vom Kreisprozeß aufzunehmen und weit unter die Uaigebungstemperatur z-u expandieren und damit in mechanische Arbeit überzuführen„ Damit erhielte man eine neue regenerative Energiequelle von relativ hoher Energiedichte bei überall leichter Zugänglichkeit, dauernder Verfügbarkeit (Tag und Nacht, Sommer und Winter) und bei absolut umweltfreundlicher Betriebsweise.

Als ergiebigste Wärmequelle stände dabei die Wärme des Wassers (Meer-, See- oder Flußwasser) zur Verfügung, die auch in extrem kalten Jahresseiten (b.ei Lufttemperaturen <§TO°C) bei relativ hoher und konstanter Tamperatur ( bai if⁰C -*■ O⁰C + 80 kcal/kg Latentr/ärme bei O⁰C) im großen Maßstäbe genutzt werden könnte (Kaltdampfkraftwerke).

In Erweiterung der vorgeschlagenen Betriebsweise als "Kraftmaschine" ließe sie sich als sogenannte "Kraftmaschine-Wärmepumpe" oder "autarke Wärmepumpe" betreiben, wenn man den rückzufUhrenden Restdarapf

auf ein höheres Temperaturniveau komprimiert, als beim Betrieb als "Kraftmaschine" allein notwendig wäre. Eine solche Betriebsweise ist dann vorteilhaft und im großen Maßstabe anwendbar, wenn man die Kraftmaschine mit Umgebungswärme speist, z. B. mit Wasser- oder Luftwärme. Damit ließe sich die Wärmeversorgung für Industrie und Haushalt unabhängig von einer von außen zuzuführenden elektrischen oder unmittelbar mechanischen Antriebsarbeit bewerkstelligen (autarke Wärmeversorgung !), Die genannte Einrichtung ließe sich auch als "Kältemaschine" oder als "Raumkühlanlage" autark betreiben, wenn man den Verdampfer der Anlage in den zu kühlenden Baum und den Kondensator in den wärmeabzuladenden Raum (Umgebung) setzt.

Der angegebene Kreisprozeß widerspricht weder dem 1. Hauptsatz (Energiegesetz) noch dem 2. Hauptsatz (Entropiesatz) der Thermodynamik (oder der Wärmelehre). Die angegebenen Einrichtungen stellen somit auch kein sogenanntes Perpetuum mobile dar, weder eines der 1. Art noch eines der 2. Art.

Die Abbildungen 1, 2, 6, und 71 zeigen bekannte Ausgangsbeispiele (Stand der Technik), die übrigen sind,erfindungsgemäß, neu. Aus den beigefügten Schaltbildern, Temperatur-, Entropie- und Druck-, Volumen-Diagrammen (T,s- und P,v- Diagr.) kann in jedem einzelnen Falle die Betriebsweise eindeutig entnommen werden. Mit einigen Darstellungen ist auch gezeigt, wie man es nicht machen soll, um die optimalere Betriebsweise von der der weniger optimalen besser unterscheiden zu können. Das wesentliche Merkmal für die Brauchbarkeit eines Kreisprozesses ist die Große der mit ihm erreichbaren Nutzwärme- oder Nutzarbeitsfläche sowie der zu seiner Realisierung erforderliche Maschinen- und Anlageaufwand.

Hierzu 21 Blatt Zeichnungen, Abb. 1-73

© θ r s e i t e

Claims (1)

1. Patentansprüche

   /i .J Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß zur Erhöhung des Wärmewirkungsgrades über den des CARNOT-Wirkungsgrades hinaus, insbesondere für Heiß- und Kaltdampf-Wärmekraftwerke, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Expansionsmaschine (Dampfturbine oder Kolbendampfmaschine) austretende Abdampf einerseits mit einem Teil des Abdampfes über eine Drosselstrecke und andererseits mit dem restlichen Teil über eine weitere Expansionsmaschine geführt ist, wobei der am Ausgang dieser Expansionsmaschine anfallende, durch Arbeitsabgabe weiter abgekühlte Restdampf die an der Drosselstrecke anfallende Kondensationswärme aufnimmt, und daß das an der Drosselstrecke anfallende Kondensat mittels einer Speisepumpe und der anfallende Restdampf nach Aufnahme der Kondensationswärme aus der Drosselstrecke mittels eines geeigneten Kompressors wieder in den Kreisprozeß zurückgepumpt ist (z. B. nach Abb. 3, 8, 17, 26, 28).

   2. Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß zur Erhöhung des Wärmewirkungsgades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _, daß die Expansion des Arbeitsdampfes zwecks Erhöhung der Leistung vorzugsweise über mehrere, in Reihe geschaltete Expansionsmaschinen (vorzugsweise Dampfturbinen) mit Anzapfungen des Dampfes zwischen den einzelnen Expansionsmaschinen vorgenommen ist, wobei der jeweils abgezweigte Dampf durch regenerative SpeisflUssigkeitsvorwärmung der jeweils vorausgehenden Stufe vollständig zur Kondensation gebracht und jeweils separat in den Kessel bezw. Verdampfer zurückgepumpt ist (z. B. nach Abb. 11, 12f, 20, 34).

   3. Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehrere Expansionsmaschinen-Kaskaden in Reihe geschaltet sind, wobei jeweils die vorgeschaltete Kaskade die Zwischenüberhitzung für die nachfolgende übernimmt (Abb. 23, 3D.

   if. Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung der Restdampfwärme in den Kessel oder Verdampfer durch eine Wärmepumpe vorgenommen und diese mit demselben Arbeitsstoff durchlaufen ist mit dem auch der Kraftmaschinen-Kreisprozeß betrieben ist (Abb. 37, ZfO, 44, 54).

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   Patentansprüche (Fortsetzung)

   5. Dampfkraftmaschinen-Kreisproseß nach isinerr. der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Restdampfwarms ^ittels einer im Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß liegenden Wärmepumpe auf ein über der Betriebstemperatur der Dampfkraftmaschine liegendem Temperaturniveau angehoben und die Kompressionswärme nutzbringend nach außen abgegeben ist (Abb. Zf 6, 48, if 9, 50-53, 57-62) „

   6. Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch- gekennzeichnet, daß die Kondensation des.Abdampfes (statt der Drosselstrecke) mittels einer Dampfstrahlkältemaschine mit eingebautem Gegenströmer vorgenommen ist, wobei der Teil des über die nachgeschaltete Expansionsmaschine abgekühlten Abdampfes die Vorkühlung im Rekuperator (Doppelrohrapparat) der Dampfstrahlkältemaschine übernimmt (Abb. 63-70).

   7. Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß nach eines der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den einzelnen Expansions maschinen abgezweigten Dampfmengen und durch regenerative Speiseflüs- sigkeitsvorwärmung entstandenen kondensierten Flüssigkeitsanteile in eine gemeinsame Sammelleitung geführt, -mit dea. aa Ende der Kaskade anfallenden, durch Arbeitsabgabe weiter abgekühlten Kondensat gemischt und mittels einer einzigen Speisepumpe in cien Kessel zurückgeführt sind (Abb. 72, 73).

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