DE3327838A1 - Dampfkraftmaschinen-kreisprozess zur vollstaendigen umwandlung von waerme in mechanische arbeit, insbesondere fuer waermekraftwerke (fossil- und kernkraftwerke) - Google Patents

Description

• Damfkraftmaschinen-Kreisprozeß zur vollständigen Umwandlung
• von Wärme in mechanische Arbeit, insbesondere fUr Wärmekraftwerke (Fossil- und Kernkraftwerke).
• Vorliegende Erfindung betrifft einen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß zur vollständigen Umwandlung von Wärme (Differenzwärme) in mechanische Arbeit, insbesondere für Wärmekraftwerke (Heißdampf- oder Kaltdampfkraftwerke mit fossiler/nuklearer Kesselbeheizung oder Beheizung des Verdampfers mit geothermischer oder Umgebungswärme).
• Gemäß dem angewendeten Kondensat ions prinzip der Dampfkraftmaschine wird die kinetische Energie eines bei relativ niederem Druck (P - 6 bar) aus der Expansionsmaschine, z. B. aus einer Dampfturbine, ausströmenden Abdampfstrahls dazu benutzt, um mittels einer "Dampfstrahlkältemaschlne (z. B. einer Wasserdampfstrahlkältemaschine) mit EigenkUhlungl'1) oder eine "Kälteanlage mit Vorkühlung" 2) eine möglichst hohe Kondensationsrate 3) des Abdampfes bei möglichst niederer Temperatur 4) zu erreichen. Ein hierbei nicht kondensierbarer Restdampfanteil wird 1) Der Verdampfer ist in das Kondensatorgefäß eingebaut und bewirkt eine, wenigstens teilweise Kondensation ohne Freadkühlung, z. B. ohne Kühlwasser, Damit sich der Arbeitsstoff bei Drosselung (Joule-Thomson-Effekt) abkühlt, muß seine Temperatur unter seiner "Inversionstemperatur" liegen.
• 2) Die verwendete "Kälteanlage mit Vorkühlung" arbeitet im Prinzip wie eine Gasverflüssigungsanlage nach Kapitza. Siehe z. B.»Abb. XV/29, S. 355, "Technische Thermodynamik", 1. Teil, von F. BOSNJAKOVIC, 6.
• Aufl., 1971.
• 3) Das hierbei abgeschiedene Kondensat übernimmt die Funktion des sog.
• "unteren Wärmebehälters der Umgebung" (Ablade-Wärmebehälter) fUr die nun nachfolgende "Restdampf-Kondensation".
• 4) Aufgrund der Drosselung und der dabei erzielten Abkühlung (über den sogenannten "Joule-Thomson-E ffekt") arbeitet sich die Anlage "selbsterregen" zu tieferen Temperaturen durch, was zu einer, mindestens teilweisen Kondensation des in etwa Sattdampfform vorliegenden Arbeitsstoffs führt. Zur Herbeiführung der Abkühlung wird hierbei die kinetische Energ: des Dampfstrahls benutzt, die ihrerseits ihre Entstehung der Wärme des druckgespannten Dampfes verdankt. Demnach wird zur Erzeugung von Kälte letzten Endes Wärme verbraucht, was zu einer Kondensation des gasförmigen Arbeitsstoffs führt. (Siehe auch 'rGasverflssigungsanlagen".) mittels einer im gleichen Kreisprozeß liegenden Wärmepumpe vollends zur Kondensation gebracht, indem die Kondensationswärme auf das von der "Dampfstrahlkältemaschine mit Eigenkühlung" oder der "Kälteanlage mit Vorkühlung" stammende, in der Temperatur niedriger liegende Konden sat übertragen wird, befor es in den Kessel bezn. Verdampfer (bei Kaltdampfkraftanlagen) zurückgepumpt wird. Die Kondensationssärme wird hier also in Form von Flüssigkeitswärme auf den künstlich erzeugten sogenannten 'IAblade-Wärmebehälter'' übertragen und danach bei kleinem Volumen und damit auch bei relativ kleinen Arbeitsaufwand wieder in de Kessel bezw. Verdampfer zurückgepumpt (allgemein angewendetes Arbeitsprinzip für Dampfkraft-Kreisprozesse).
• Die abgeschiedene Kondensatmenge des Abdampfanteils (Grundanteil = Ablade-Wärmebehälter) soll gegenüber dem Kondensat des mittels der Wärmepumpe kondensierten Restdampfes möglichst groß sein, damit die Kondensationswärme des Restdampfes auf den kondensierten Abdampfanteil (Grundanteil) bei möglichst kleiner Temperaturdifferenz und damit bei relativ kleinem Arbeitsaufwand (Kompressorarbeit der Wärmepunpe) übertragen werden kann.
• Die aus beiden Arbeitsprozessen resultierende Differenzarbeit (Expansionsarbeit Wexp minus Kompressionsarbeit W ) kann nutzbringend exp. Kompr.
• nach außen abgeführt werden. Die erhaltene Differenzarbeit ist der dem 1) Kreisprozeß zugeführten Differenzwärme 1) äquivalente Folglich ergibt sich - gemäß dem 1. Hauptsatz des Energiegesetzes 2) - eine vollstän dige Umwandlung der auf den Kreisprozeß übertragenen Wärme in mechanische (oder technische) Arbeit. Bezeichnet man die von der Anlage nach außen abgeführte Differenzarbeit mit #Wab und die von außen vom Kreisprozeß aufgenommene Wärme mit zQzu (= qf + r + qü = Flüssigkeitswärme + Verdampfungswärme + Uberhitzungswärme), so läßt sich für den Wärmewirkungsgrad des IEreisprozessestl bei dieser Betriebsweise ansetzen: qth, Kreisprozeß 1) Da infolge Rauchgas- u. Kesselverluste (bei Heißdampfbetrieb) ein Teil der Primärenergie in Form von Wärme verloren geht, ist die von Kreisprozeß aufgenommene Wärme eine "Differenzatärme".
• 2) Energie kann weder neu entstehen noch vergehen; sie kann nur umgewandelt werden.
• Da die beiden Energiebeträge |#Qzu| und |#Wab| von gleicher Größe sind, ergibt sich bei jedem vorhandenen Temperaturgefälle einen Wärmewirkungsgrad von theoretisch 100 %. Er ist somit auch unabhängig vom jeweils vorhandenen "thermodynamischen Temperaturgefälle" sowie vom Jeweils genutzten Temperaturbereich 1) der Wärmequelle konstant: rtth,KreisprOzeß = 1 = konstant Somit ist der theoretisch erreichbare Wärmewirkungsgrad dieses Kreisprozesses größer als der von CARNOT: S h,Kreisprozeß > nCarnot Dies steht weder im Widerspruch zum 1. Hauptsatz (Energiegesetz) noch zum zum 2. Hauptsatz der Wärmelehre (Entropiesatz) 2). Die Dampfkraftmaschi ne mit dem angegebenen Kreisprozeß ist somit auch kein sogenanntes Perpetuum mobile, weder eines der 1. Art noch der 2. Art 1) Dies heißt, daß auch Wärme tm niederen Temperaturbereich, z. E. im Bereich der Umgebungstemperatur, wie Luft-, Wasser- oder Erdbodenwärme, genutzt werden kann. Dazu müssen entsprechende tiefsiedende Arbeitsstoffe (z. B. Ammoniak, Frigene R13, R13B1, R14, R23 oder Methan) im Kreisprozeß einer entsprechenden "Kaltdampfkraftmaschine" eingesetzt werden. Zwecks Aufnahme der Umgebungswärme muß dann die Siedetemperatur (bei Betriebsdruck !) unterhalb der Umgebungstemperatur liegen.
• 2) Da sowohl zur Aufnahme der Kreisprozeßwärme als auch Abgabe der Rest- oder Abwärme ein Temperaturgefälle gegeben ist, besteht kein Wider.
• spruch zum Entropiesatz, der für den gegebenen Anwendungsfall lautet: "Wärme kann nicht von selbst von einem kälteren zu einem wärmeren Körper sei es direkt noch indirekt übergehen" (Formulierung nach Clausius).
• 3) Weil man sich bisher einen Wärmekraft-Kreisprozeß mit einem höhere Wärmewirkungsgrad als den von CARNOT - mit rechteck- oder rautenförmige Wärmefläche, eingeschlossen von Je 2 Adiabaten u. Isothermen - nicht vo stellen konnte, nahm man an, daß ein solcher Kreisprozeß den Naturgeset Widersprechen müsse. Von dieser Annahme ließ man sich leiten u. hat in den letzten 150 Jahren viele sog. "Unmöglichkeiten " bezüglich einer mit einem solchen Kreisprozeß scheinbar arbeitsfähigen Maschine formuli Die Höhe des thermodynamischen Temperaturgefälles wirkt sich bein erfindungsgemäßen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß lediglich auf die Größe der Effektiv nutzbaren Wärme fläche und damit auf die Größe der gevinnbaren Differenzarbeit aus. Mit einem zunehmend kleineren zur Verfügung stehenden thermodynamischen Temperaturgefälle an der Dampfturbine, ist bei gleichbleibendem an der Wärmepumpe zu überwindendem Texpsraturgefäl1 somit auch ein entsprechend abnehmendes nutzbares Differenz-Wärmegefälle vorhanden und.damit auch eine entsprechend abnehmende mechanische Differenzarbeit zu erwarten. Um neben dem hohen Wärmewirkungsgrad von 100 jedoch auch noch eine möglichst große mechanische Differenzarbeit oder Differenzleistung zu erreichen, muß somit auch hier, wie bei den bisherigen Kreisprozessen, eine möglichst hohe Anfangstemperatur angestrebt werden.
• Der Vorteil dieses Kreisprozesses gegenüber dem bisher in Wärmekraftwerken gebräuchlichen "Clausius-Ranklne-Prozeß (Kondensationsprozeß)" besteht in der Einsparung von Primärenergie in der GröBenordaung der bisherigen Kondensationswärmeverluste, also etwa 50 % der Primärenergie, bei gleicher Kraftwerksausgangsleistung. Entsprechend diesem verminderten Verbrauch an Primärenergie reduziert sich zwang61äufig auch die bisherige Umweltbelastung infolge Schadstoffemission und Abwärme.
• Zur Erreichung der gleichen Kraftwerksausgangsleistung benötigt man fUr den vorgeschlagenen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß zwar einen - entsprechend der reduzierten Differenzarbeit - größeren Maschinenaufwand (Dampfturbinen, Kompressoren, Pumpen) von etwa 20...50 % 1 Dafür können aber die bei den bisherigen Anlagen benötigten KühltUrme entfall so daß die Investitionskosten etwa gleich bleiben. Etwa vorhandene Mehrkosten ließen sich infolge der enorm hohen Energieeinsparung (Kohle Kernbrennstoffe usw.) in relativ kurzer Betriebszeit amortisieren. Alle schon wegen der stark reduzierten Umweltbelastung durch Schadstoffe isi es von schwerwiegendem Vorteil, derartige Dampfkraftwerke zu bauen und vorhandene entsprechend umzurüsten.
• Abb. t-4 zeigen im Prinzip die entsprechenden Schaltbilder u. Diagra 1) Dies ergibt sich aus der Annahme, daß das mit der Wärmepumpe zu hebende Wärmegefälle 20...50 % von dem mit der Expansionsmaschine genutzten Wärmegefälle beträgt.

Claims (2)

1. PatentansprUche t Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß zur vollständigen Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit, dadurch gekennzeichnet, daß der zu kondensierende Abdampf vermöge der im Abdampfstrahl gespeicherten kinetischen Energie mittels des Joule-Thomson-Effektes zur teilweisen Kondensation gebracht ist und der nicht kondensierbare Restdampfanteil mittels eines zum Kreisprozeßende parallel betriebenen Wärmepumpe auf eine leber der Temperatur des bereits kondensierten Abdampfanteils angehoben und die Kondensationswärme (vom Restdampfanteil) auf das Kondensat des zuvor kondensierten Abdampfanteils übertragen ist.
2. 2. Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß zur vollständigen Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur teilweisen Kondensation des Abdampfes eine Dampfstrahlsältemschine mit Eigenkühlung (der Verdampfer ist in das Kondensatorgefäß eingebaut) oder eine Kälteanlage mit Vorkilhlung (gemäß dem Prinzip einer Gasverflüssigungsanlage mit niedrigem Betriebsdruck und großer Schluckfähigkeit, z. B. nach Kapitza) verwendet ist und die kondensierten Abdampf- und Restdampfanteile Jeweils separat in den Kessel bezw, Verdampfer (bei Kaltdampflzaftanlagen) mittels Speisepumpen zurUckgefUhrt sind.