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Uberkritischer Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß Die Erfindung betrifft
einen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß, der im überkritischen Zustandsbereich (Po
# Pk < Pu To # Tk <Tu) des Arbeitsstoffs betrieben ist, insbesondere für stationäre
Heißdampf-und/oder Kaltdampfkraftanlagen (Dampfkraftwerke).
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(Es bedeuten: PO = oberer Druck, T0 = obere Temperatur, Pk = krit.
Druck Pu = unterer Druck, Tu = untere fl , Tk = krit. Temp.) Der ausschließlich
im überkritischen Zustandsbereich betriebene Dampfkraft-Kreisprozeß hat den Zweck,
die bei unterkritischem Dampfkraftbetrieb zwangsläufig auftretenden Abwärmeverluste,
die im großen Maßstab anfallen und meist ungenutzt abgeführt werden müssen, schon
mit ihrer Entstehung vollständig zu vermeiden, und damit Primärenergie im großen
Maßstab einzusparen. Dies gilt insbesondere für die mit Kohle-und Kernenergie betriebenen
Wärmekraftwerke, also für solche, die einen Heißdampf, z. B. Wasserdampf, als Arbeitsstoff
verwenden.
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Da der im überkritischen Zustandbereich betriebene Dampfkraftprozeß
auch bei Verwendung eines Kalt dampfes diese angestrebte Abwärmefreiheit besitzt,
ließen sich damit auch alle über der kritischen Temperatur des verwendeten Arbeitsstoffs
liegenden Wärmequellen nutzen, sofern man nur einen Arbeitsstoff wählt, dessen kritische
Temperatur angemessen weit unterhalb derjenigen der Wärmequelle (Arbeitsquelle)
liegt. Damit können auch grundsätzlich Wärmequellen genutzt werden deren Temperatur
im Bereich der Umwelttemperatur liegen, beispielsweise thermisch in sich ausgeglichene
Wasser- oder Luftwärmereservoirs.
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Zur Erfüllung dieser Erfordernisse sind bisher keine zufriedenstellende
Vorschläge bekannt geworden, um die bei Dampfkraft-Kreisprozessen anfallende Abwärme
nutzbringend zu beseitigen oder von vornherein vollständig zu vermeiden.
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Es sind neuerdings jedoch Dampfkraft-Kreisprozesse bekannt geworden,
die
ohne Abwärmeverluste an die Umwelt arbeiten können und im unterkritischen Druck-
und Temperaturbereich betrieben sind. Derartige Dampfkraft-Kreisprozesse nutzen
die Enthalpie einer zwischen dem überhitzten Gebiet und dem Sattdampfgebiet gelegenen
Wärmefläche, indem mittels Wärmepumpen die Kondensationswärme vom niedertemperierten
unteren Druckbereich in den hochtemperierten oberen Druckbereich übertragen wird.
Dabei ist jedoch ein relativ hohes Wärmegefälle (zwischen den Verdampfungs- und
Kondensations-lsothermen) zu überwinden und die Antriebsarbeit für die Wärme pumpe
sehr groß. Infolge der dabei noch entstehenden Wärmeverluste an der Wärme pumpe
bleibt die nutzbare Wärmefläche, die aus dem Uberhitzungsgebiet stammt, relativ
klein, so daß aus beiden Arbeitsprozessen auch nur eine relativ kleine Differenzarbeit
bei relativ kleiner Energiedichte und relativ großem Maschinenaufwand nutzbar ist.
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Um diese Nachteile zu beheben und den größt möglichen Arbeitsgewinn
eines abwärmefreien Dampfkraftprozesses zu erreichen, ist es notwendig, daß die
Verdampfungs- und Kondensations-Isothermen möglichst nahe oder besser noch auf gleichem
Temperaturniveau liegen. Außerdem wäre es von zusätzlichem Vorteil, wenn dabei weder
eine Verdampfung noch eine Kondensation stattfindet, da beide Isothermen doch auf
gleichem Temperaturniveau liegen müßten.
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Ein solcher Kreisprozeß der den Vorteil gleicher Verdampfungs- und
Eondensations-Isothermen, also auf gleichem Temperaturniveau sowohl die Verdampfung
als auch die Kondensation abläuft, bietet ein im ausschließlich überkritischen Zustandsbereich
betriebener sogenannter "überkrittischer Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß".
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Hierbei findet allerdings keine Verdampfung und Kondensation im bekanten
Sinne statt, sondern eine unmittelbare "Vergasung" aus der Flüssigphase und eine
unmittelbare ??Verflüssigung?1 aus der Gasphase.
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Hierzu ist aus der Theorie her, aus Fachbüchern, bekannt, daß bei
der Verdampfung von Flüssigkeiten (hoch- oder niedersiedenden) der Verdampfungswärmeanteil
(r) gegen den Flüssigkeits- und Uberhitzungswärmeanteil (qf + qü) umso kleiner wird,
je mehr man sich dem kritischen Druck und der kritischen Temperatur nähert, um schließlich
im krit.
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Punkt ganz zu verschwinden (rk = 0) ). Auch noch bei höheren Drucken
(P>Pk bei T = Zip Tk) wird keine Verdampfungswärme mehr benötigt und der Ubergang
aus dem Gebiet der Flüssigkeit in das des Gases erfolgt ganz allmählich.
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Andererseits ist bekannt, daß einem auf diese Weise entstandenem und
weiter überhitztem Gas (T)Tk) nur dieselben Wärmemengen durch Abkühlen wieder entzogen
werden müssen, bis eine vollständige Verflüssigung des Gases bei Erreichen der kritischen
Temperatur und im Bereich oberhalb des kritischen Drucks eintritt, die ihm zuvor
während des Uberganges von der Flüssigphase in die Gas phase und während der weiteren
Uberhitzung zugeführt wurden.
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Dieser, aus der Theorie her bekannte Vorgang der Gaserzeugung unmittelbar
aus der Flüssigphase, ohne die Zwischenphase der VerdamPfung, zeigt nun auch den
Weg der Umkehrung des Prozesses, um also wieder unmittelbar von der Gasphase in
die Flüssigphase zu gelangen, d. h. ohne die Zwischenphase der Kondensation begehen
zu müssen. Damit würden auch alle der Kondensation anhaftenden Nachteile vermieden
werden können.
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Dies wird, gemäß der Erfindung, dadurch erreicht, indem man den Kreisprozeß
ausschließlich im überkritischen Temperatur- und Druckbereich betreibt (d. h. die
Entspanntemperatur und der Entspanndruck am Ausgang der Gasturbine ist etwas größer
gehalten als die krit. Temperatur und der krit. Druck des verwendeten Arbeitsstoffs).
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Hierzu wird die als Arbeitsstoff verwendete Flüssigkeit (hoch- oder
niedersiedende) im überkritischen Zustandsbereich (PO Pk und To 5 Tk) über ein Uberdruckventil
am Ende eines Flüssigkeitsdurchlauferhitzers (bei leichter Druckabsenkung) aus der
Flüssigphase unmittelbar in die Gasphase überführt, das erhaltene Gas bei konstantem
oberen Druck (PO) in einem weiteren Durchlauferhitzer (Gasdurchlauf-1) Aus der folgenden
Zusammenstellung ist die Abnahme von r mit p für Wasserdampf zu ersehen:
| p/ bar 1 10 100 200 221,3 |
| t /°C 99,6 180 311 366 374,1 |
| r/ kJ/kg K 2256,0 2015 1318 589 0,0 |
erhitzer) auf die obere Arbeitstemperatur T0 (To>Tk) überhitzt
und schließlich in einer nachfolgenden (beliebigen) Expansionsmaschine - vorzugsweise
in einer Gasturbine - adiabatisch oder polytropisch expandiert 1) Der sich anschließende
Verflüssigungsprozeß wird nach außerhalb der Gasturbine verlegt 2), d. h. die noch
abzuführende Restwärme bis zur Erreichung der kritischen Temperatur wird entweder
mittels einer Expansionskammer (bei entsprechender Druck- und damit Temperaturabsenkung)
oder mittels einer Wärmepumpe bewerkstelligt, indem diese Rest- oder Abwärme dem
Gas bei konstantem unteren Druck (Pu ~ konstant) entzogen und nach der Verflüssigung
wieder bei hohem Druck (zwischen Speisepumpe und Durchlauferhitzer bezw. Kessel)
zugeführt wird. Da hierbei die Temperatur des verflüssigten Arbeitssoffs gleich
derjenigen ist, auf den die Restwärme wieder unmittelbar aufgebürdet wird, ist theoretisch
an der Wärmepumpe kein Temperaturgefälle zu überwinden, mit der diese Restwärme
übertragen werden muR. Praktisch ist hierzu jedoch ein Temperaturgefälle zu überwinden,
das mit der Wärmepumpe hergestellt werden muß und für die beiden Wärme übergänge
an den Wärmetauscherflächen (am Kondensator und Verdampfer der Wärmepumpe) benötigt
wird. Da die Leistungsziffer einer Wärmepumpe bei den in diesem Falle erforderlichen
niederen Temperaturdifferenzen sehr groß gemacht werden kann (bei z.B.dT = 10 OC
ist gemäß Ausführungsbeispiel nach Abb. 13 eine Leistungsziffer von E75 = T5/T5
- T7 = 198/198-188 = 19,8 möglich), bleibt die aus der Turbinenarbeit und der Kompressionsarbeit
der Wärmepumpe resultierende Differenzarbeit ebenfalls groß, d. h.
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der auf diese Weise betriebene überkritische Dampfkraftmaschinen-Kreis
prozeß arbeitet wirtschaftlich: erstens wegen der vollständigen Umwandlung der vom
Kreisprozeß aufgenommenen Wärme in mechanische Arbeit 1) Die Abkühlung des Arbeitsgases
bis nahe an die kritische Temperatur wird hier also zum größten Teil durch Auskopplung
mechanischer Arbeit mittels der Gasturbine erreicht.
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2) Dies ist notwendig, weil eine Verflüssigung des Gases innerhalb
der Turbine vermieden werden muß wegen des für die Turbinenschaufeln sehr nachteiligen
sog. "Tröpfchenschlages'r.
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und zweitens wegen des relativ geringen zusätzlichen Maschinenaufwandes
für die Wärmepumpe.
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Der vorgeschlagene "überkritische Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß
ähnelt dem bei Dampfkraftmaschinen-Prozessen her bekannten und bewährten 'tClausius-Rankine-Prozeß".
Er hat jedoch gegenüber diesem den großen Vorteil, daß grundsätzlich keine Wärme
(Kondensationswärme oder sonstige Abwärme) an die Umgebung abgeführt werden muß
und somit diejenige-Wärmemenge eingespart werden kann, die üblicherweise ungenutzt
an die Umwelt abgeführt wird. Dieser, in Form von Kondensationswärme abzuführende
Wärmebetrag beträgt bei den heutigen modernen Dampfkraftwerken etwa 47 % von der
gesamten Primärwärme oder (nach Abzug der Kessel- und Strahlungsverluste von 9 +
2 = 11 %) ca. 47/89 = 52,8 % von der dem Kreisprozeß zugeführten Wärme (Hierzu vergl.
man Bild 275, Winter, Techn. Wärmelehre).
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Mit der Einsparung der Kondensationswärme (von hier 47 %) ist im gleichen
Maßstab auch eine Reduzierung der Umweltverschmutzung durch Schadstoffe verbunden,
da man nunmehr zur Erzeugung der gleichen Kraftwerks-Ausgangsleistung (el. Leistung)
gemäß dem Beispiel, 47 % weniger Primärenergie (Kohle- oder Kernspaltstoffe) aufwenden
muß als bisher.
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Um die Qualität einer Wärmekraftanlage zu beurteilen, bei der die
Abwärme wieder in den Dampf-Kreisprozeß zurückgeführt werden kann, ist es zweckmäßig,
den Wärmewirkungsgrad auf den gesamten Kreisprozeß (nicht allein auf die Expansionsmaschine)
auszudehnen, d. h. alle die am Umwandlungsprozeß beteiligten Energiebeträge zu berücksichtigen.
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Es ist also für den vorgeschlagenen Kreisprozeß zweckmäßig, einen
Wärmewirkungsgrad für den ??Kreisprozeß?? zu definieren.
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Es ist somit der Quotient zu bilden aus der vom Kreisprozeß nach außen
abgeführten Arbeit zu der dem Kreisprozeß von außen zugeführten Wärme, also Wab
qtho Kreisprozeß Qz -Da beim überkritischen Dampfkraftprozeß wegen der vollständigen
Wärmerückführung die dem Kreisprozeß von außen zugeführte Wärme gleich der nach
außen abgeführten mechanischen Arbeit entspricht, ist gemäß dem
Energieerhaltungssatz,
der theoretische Wärmewirkungsgrad für die gesamte Wärmekraftanlage bei jedem vorhandenem
thermodynamischen Wärmegefälle an der Expansionsmaschine immer 100 %.
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Da die Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsstoff bei der Nutzung
von hochwertigen Energieträgern (Kohle, Cl) wegen des hohen kritischen Punktes des
Wassers (Tk = 374 OG, Pk = 221 bar) die Beanspruchung der Bauelemente (Maschinen,
Rohrleitungen usw.) sehr groß ist, ist es forteilhaft, für hochwertige Energieträger
einen Arbeitsstoff mit entsprechend tiefer liegendem kritischem Punkt zu verwenden,
z. B.
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Äthylen, Acetylen oder Äthan, deren krit. Temperaturen in der Nähe
des Temperaturniveaus der Umgebung liegen.
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Zur Nutzung von niederwertigen Energiequellen, beispielsweise von
Wasser- und/oder Luftwärme, müssen dagegen Arbeitsstoffe mit relativ niederen kritischen
Temperaturen, die rel. weit unterhalb dem Umgebungstemperaturniveau liegen, verwendet
werden. Das zur Aufnahme von Umweltwärme in den überkritischen 'sKaltdampfkraftmaschinen-Kreisprozeß"
benötigte Wärmegefälle wäre damit von vornherein gegeben und somit auch dem "zweiten
Hauptsatz der Wärmelre?1 e" entsprochen, da die Wärme nun von einem höheren zu einem
tieferen Temperaturniveau "von selbst, d. h. ohne Arbeitsaufwand, übergehen kann.
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Da man beim vorgeschlagenen ??überkritischen Dampfkraft-Kreisprozeß
auch bei Betrieb als "überkritischer Kaltdampfmaschinen-Kreisprozeß" keine Abwärme
an die Umwelt abgeben muß sondern nur mechanische Arbeit, kommt man auf der bisher
notwendigen Wärmeabfuhrseite ebenfalls mit dem zweiten Hauptsatz nicht in Schwierigkeiten,
denn auf mechanische Gebilde ist er nicht anwendbar ! Mechanische Arbeit läßt sich
eben 1) auch bei kalten Expansionsendtemperaturen an die Umwelt abführen 1) Da keine
Wärme abgeführt wird sondern nur mechanische Arbeit, und dies sowohl bei Speisung
mit hochtemperierter als auch mit niedertemperierter Wärme möglich ist, ist man
in beiden Betriebsfällen vollkommen unabhängig vom sogenannten "unteren Wärmebehälter
der Umgebung".
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Die Wärmekraftanlage kann somit aus einem einzigen oberen Wärmebehältertl
betrieben werden. Das bedeutet, daß die auf den Kreisprozeß übergegangene Wärme
sich vollständig in mechanische Arbeit umwandeln läßt. Dazu ist also in beiden Betriebsfällen
Bedingung, daß die kritische Temperatur unterhalb der Temperatur des "oberen Wärmebehälters??
bezw. der Arbeitsquelle verlegt ist.
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Ein zur Nutzung von Umweltwärme geeigneter Arbeitsstoff gibt es z.
B.
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in dem Kältemittel R14 (CF4), dessen krit. Punkt bei Tk = 45,5 °C,
Pk = 37,4 bar liegt. Sein Siedep. ist bei 760 Torr (=1,013 bar) bei t5 = -130 00.
Die Eigenschaften von CF4 = Tetrafluormethan sind: Farblos, geruchlos, ungiftig
und unbrennbar.
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Mit diesen angegebenen Kenndaten des Arbeitsstoffs R14 ließe sich
praktisch an der Kaltdampf-Gasturbine ein Differenz-Druckgefälle von z. B.P = 100
bar und ein thermodynamisches Wärmegefälle von rund #T = 30 °C nutzen (siehe Beispiel
Abb.15), wenn man das Arbeitsgas zuvor auf die obere Uberhitzungstemperatur To #
-10 °C, z.B. mit Wasserwärme um 4 °C, aufgeheizt hat (siehe Beispiele gemäß Abb.
13 bis Abb. 15).
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Damit ließen sich praktisch alle angemessen weit über dieser krit.
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Temperatur (Tk45,5 -45,5 °C) liegenden Wärmereservoirs nutzen bezw.
in mechanische Arbeit konvertieren, wie beispielsweise die Wasserwärme der Meere,
Seen und Flüsse. Auch in Gebieten mit kalten Lufttemperaturen (t<0°C) ließen
sich auch noch unterhalb der Eisdecke des Wassers noch genügend Energie bei +40C
gewinnen, insbes. wenn die Latentwärme (80 kcal/kg K) des Wassers noch mitgenutzt
wird Noch günstigere Betriebsverhältnisse für den überkrit. Kaltdampfkraftmaschinen-Kreisprozeß
erhielte man, wenn man als Arbeitsstoff Methan (CH4) verwenden würde, da die krit.
Temperatur hier noch tiefer liegt als beim Kältemittel R14. Dies würde auch eine
Nutzung von Luftwärme bei tieferen Temperaturen erlauben.
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Der krit. Punkt bei Methan liegt bei Tk = -82,2 OC, Pk = 46,3 bar,
der Siedepunkt (1,o13 bar) ist t5 = -161,7 00.
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Damit ließe sich an der Kaltdampf-Gasturbine ein Differenz-Druckgefälle
von z. B. 2 P = 150 bar und ein thermody. Temperaturgefälle (durch Entspannung)
von rund #T = 65 °C nutzen (Abb. 13 u. 14). Eine Nutzung von Luftwärme bis hinunter
auf etwa -40 °C wäre damit noch möglich 1) Die gewinnbare mech. Arbeit ergibt sich
bei 20°C Wassertemperatur bei einschl. Nutzung der Latentwärme aus 1 m3 zu: Wmech./
Qzu / kcal . nth. Kreisprozess 105 kcal . 1 m³ 860 kcal/kWh pr 860 kcal/kWh = 116,3
kWh/m3, oder ~100 kWh/m3 elektrische Arbeit.
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Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichsten Vorteile sind: a)
Bei Wärmekraftwerken (Fossil- und Kernkraftwerken) Einsparung von Primärenergie
in der Größenordnungder derzeitigen Kondensationswärmeverluste (ca. 47 % der Primärenergie)
und in der gleichen Größenordnung reduzierte Schadstoffabgabe bei gleicher Kraftwerksausgangsleistung;
b) Betrieb der Wärmekraftwerke unabhängig von irgendwelchen Kühlsystemen (z. B.
von Kühltürmen, Flußläufen, Seen usw.), da keine Wärme (Kondensations- oder Verdichtungswärme)
an die Umwelt abgegeben werden muß; c) Bereitstellung einer neuen, regenerativen
Energiequelle aus Umweltwärme, insbes. mit in sich ausgeglichener Wasser- oder Luftwärme,
durch Bau von überkritischen Kaltdampfkraftwerken bei völlig umweltfreundlicher
Betriebsweise; d) Erzeugung von Elektrizität und Wasserstoff mit der nach c) ausreichend
erzeugbaren mechanischen Arbeit bei kontinuierlicher - und damit wirtschaftlicher
- Auslastung der Kaltdampfkraftwerke, und damit vollständige Lösung des heutigen
Energieproblems ??ohne Umweltbelastung?? durch Bau von vielen überkritischen Kaltdampfkraftwerken.
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Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das Schaltbild des überkritischen
Dampfkraftmaschinen-Kreisprozesses bei vorwiegend adiabater Entspannung über eine
Gasturbine; Abb.1.1 eine Teilzeichnung zu Abb. 1 (Verwendung einer Expansionskammer
anstelle einer Wärmepumpe); Abb. 2 das zu Abb. 1 gehörende Temperatur-Entropie-Diagramm
(T,s-Diagr.); Abb.2.1 eine Teilzeichnung zu Abb. 2 (Angabe des Temperaturverlaufs
der Restwärme bei Verwendung einer Expansionskammer nach Abb.1.1); Abb. 3 das zu
Abb. 1 gehörende Druck-Volumen-Diagramm (P,v-Diagr.); Abb. 4 das zu Abb. 1 und 2
gehörende Energiefluß-Diagramm;
Abb. 5 desgl. wie Abb. 1, jedoch
mit vorwiegend isothermer Entspannung über eine Gasturbine (Anwendung insbes. bei
Nutzung von Niedertemperaturwärme und Verwendung eines Kaltdampfes als Arbeitsstoff;
Abb. 6 das zu Abb. 5 gehörende T,s-Diagramm; Abb. 7 das zu Abb. 5 gehörende P,v-Diagramm;
Abb. 8 das zu Abb. 5 gehörende Energiefluß-Diagramm; Abb. 9 desgl. wie Abb. 1, jedoch
mit Zwischenüberhitzung (mit Verwendung einer Hoch- und Niederdruck-Gasturbine);
Abb.10 das zu Abb. 9 gehörende T,s-Diagr.; Abb.11 das zu Abb. 9 gehörende P,v-Diagr.;
Abb.12 das zu Abb. 9 gehörende Energiefluß-Diagr.; Abb.13 desgl. wie Abb.10, jedoch
mit Angaben von Zustandswerten bei Verwendung des Kaltdampfes (Methan = CH4) als
Arbeitsstoff; Abb.14 desgl. wie Abb.11, jedoch mit Angaben von Zustandswerten bei
Verwendung des Kaltdampfes Methan (CH4) als Arbeitsstoff; Abb.15 desgl. wie Abb.3,
jedoch mit Angaben von Zustandswerten bei Verwendung des Kaltdampfes R14 (CF4);
Abb.16 Bauausführung (Schnittdarstellung) eines möglichen "Uberkrittischen Kaltdampfkraftwerkes"
bei Nutzung von Meer-, See-oder Flußwasser.
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Der überkritische Dampfkraft-Kreisprozeß nach Abb. 1, 1.1, 5 und
9 besteht aus folgenden, grundsätzlich benötigten Anlageteilen: a Wärmeaufnehmer
(Flüssigkeitsdurchlauferhitzer) für Einspeisung der Restwärme q2 mittels der Wärmepumpe
vom Niederdruck- in den Hochdruckteil des Kreisprozesses; b Wärmeaufnehmer (Flüssigkeitsdurchlauferhitzer)
zur Aufnahme der von außen zugeführten Flüssigkeitswärme qf; c Uberdruckventil zur
Einstellung des oberen kritischen Drucks P0'; d Wärmeaufnehmer (Gasdurchlauferhitzer)
zur Aufnahme der von außen zugeführten Uberhitzungswärme qü;
e
Expansionsmaschine (bei Ausführung nach Abb.9: Hochdruck-Gasturb.) f Zwischenüberhitzer
(Gasdurchlauferhitzer), nur bei Ausführung Abb.9; g Niederdruck-Gasturbine (nur
bei Ausführung Abb.9); h Verflüssiger (Verflüssigung durch Restwärmeentzug q1 bei
konstantem unteren Druck Pu. Bei Ausführung nach Abb.1.1 ist dies eine Expansionskammer
bei der die Temperaturabsenkung durch Druckabsenkung erzeugt wird. Der untere Druck
Pu muß dabei noch größer bleiben als der krit. Druck Pk, damit keine tVerdampfung'
des Arbeitsstoffs eintreten kann); h1 Abwärmeabgeber bei Ausführung Abb.5 (bei vorwiegend
isothermer Expansion); h2 Verflüssiger (für Restwärmeabgabe q1 bei Ausführung Abb.5);
i Speiseflüssigkeitspumpe (Rückspeisung der Flüssigkeit bei gleichzeitiger Herstellung
des oberen kritischen Drucks P '); 0 k Kompressor der Wärme pumpe 1 Kondensator
der Wärme pumpe m Regulierventil der Wärmepumpe und n Verdampfer der Wärmepumpe;
z Isolierbehälter (in Abb. 9 eingezeichnet, er dient gegen unbeabsichtigte Wärmeaufnahme
aus der Umgebung bei Kaltdampfbetrieb).
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Um die Wärmekraftanlage gemäß Abb.1,5 oder 9 in Betrieb zu setzen,
muß ihr zunächst der volle Energiebetrag in Form von mech. Arbeit und Wärme von
außen zugeführt werden, d. h. die Wärmekraftmaschine muß "angeworfein" werden.
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Nachdem die notwendigen Verflüssigungstemperaturen mittels der Wärmepumpe
(oder die durch Expansion erzeugte kritische Temperatur mittels der Expansionskammer
nach Abb.1.1) erreicht sind, ist die Anlage selbständig betriebsfähig. Die dabei
am Energiewandlungsprozeß im einzelnen beteiligten Arbeits- und Wärmebeträge sind
in den Energieflußbildern (Abb.4, 8 u. 12) eingetragen. Die einzelnen Energiebeträge
wurden aus den T,s- und P,v-Diagrammen (Abb.2, 3, 6, 7, 10, und 11) entnommen.
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Die Ausführungsbeispiele für mögliche überkritische Kaltdampfkraftprozesse
gemäß Abb. 13, 14 und 15 wurden mit der allgemeinen Gasgleichung (V1P1/Tl = V2P2/T2)
berechnet.
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Weitere Einzelheiten können aus den Zeichnungen und Diagrammen entnommen
werden und sind für einen Fachmann ausreichend verständlich, so daß sich eine weitere
Beschreibung erübrigt.
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Wie wir gesehen haben, läßt sich der im ausschließlich überkritischen
Zustand betriebene Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß aus nahezu allen, in der Natur
vorkommenden Wärmequellen speisen, sofern nur die krit.
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Temperaturen der Arbeitsstoffe so gewählt sind, daß sie angemessen
weit unterhalb der der Wärmequelle liegen. Es ist dabei gleichgültig, ob die Wärme
bei hoher oder niederer Temperatur zur Verfügung steht, d. h. ob sie von einer hochexergetischen
oder niederexergetischen Wärmequelle bereitgestellt wird. Sie kann also der Energie
der Umweltwärme bei niederer und thermisch ausgeglichener Temperatur ebenso entstammen,
wie der Energie aus fossilen oder nuklearen Kraftstoffen bei hoher Temperatur. Da
beim vorliegenden überkritischen Dampfkraftprozeß keine Wärme an die Umwelt abgeführt
werden muß, sondern nur mechanische Arbeit, benötigt er für seinen Betrieb auch
nur einen einzigen, sogenannten ??oberen Wärmebehälter??. Da die Energie nur in
Form von mech. Arbeit von der Anlage an die Umgebung abgeführt wird, ist der Entropiesatz
(2.HS) für den sogenannten "unteren Wärmebehälter der Umgebung? nicht anwendbar.
Der Entropiesatz gilt selbstverständlich nach wie vor für alle Wärmekraft-Kreisprozesse,
die ihre Abwärme an die Umgebung abgeben müssen.
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Für einen funktionsfähigen Betrieb des im ausschließlich überkritischen
Gebiet betriebenen Kreisprozeß lassen sich zusammenfassend drei wesentliche Bedingungen
herausstellen: 1. Die kritische Temperatur des Arbeitsstoffs muß angemessen weit
unterhalb der Temperatur der Wärmequelle (Arbeitsquelle) liegen; 2. Der Arbeitsstoff
muß nach beendetem Kreisprozeß ohne Wärmeabgabe an die Umgebung wieder in den Kreisprozeß
eingegeben werden; 3. Das Arbeitsgas muß nach beendeter Expansion vollständig verflüssigt
sein, d. h. sein kleinst mögliches Volumen einnehmen (damit es mit dem kleinst möglichen
Arbeitsaufwand wieder in den Kreisprozeß eingegeben werden kann).