DE3427219A1 - Supercritical steam engine cycle - Google Patents
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Abstract
Description
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). Supercritical Steam Engine Cycle The invention relates to a steam engine cycle that occurs in the supercritical state range (Po # Pk <Pu To # Tk <Tu) of the working substance is operated, especially for stationary Superheated steam and / or cold steam power plants (steam power plants).
(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.(The following mean: PO = upper pressure, T0 = upper temperature, Pk = crit. Pressure Pu = lower pressure, Tu = lower fl, Tk = critical temp.) The exclusively The steam power cycle process operated in the supercritical state range has the purpose of the waste heat losses that inevitably occur with subcritical steam power operation, which arise on a large scale and mostly have to be discharged unused, yes to avoid completely with their emergence, and thus primary energy on a large scale To save scale. This is especially true for those powered by coal and nuclear energy Thermal power plants, i.e. for those that use superheated steam, e.g. B. water vapor, as a working substance use.
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.Since the steam power process operated in the supercritical state range Even when using cold steam, it has the desired freedom from waste heat, This means that everything above the critical temperature of the working substance used can also be achieved Use lying heat sources, provided that one only chooses one working material, its critical one Temperature reasonably well below that of the heat source (work source) lies. This means that heat sources can also be used in principle, their temperature are in the range of the ambient temperature, for example thermally balanced Water or air heat reservoirs.
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.To date, there are no satisfactory ones to meet these requirements Proposals have become known about the waste heat generated in steam power cycle processes to be usefully eliminated or to be avoided completely from the start.
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.Recently, however, steam power cycle processes have become known, the can work on the environment without waste heat loss and in the subcritical pressure and temperature range are operated. Use such steam power cycle processes the enthalpy of one located between the superheated area and the saturated steam area Heating surface by using heat pumps to remove the condensation heat from the low-temperature lower pressure range is transferred to the high-temperature upper pressure range. However, there is a relatively high heat gradient (between the evaporation and Condensation isotherms) and the drive work for the heat pump very large. As a result of the resulting heat losses in the heat pump the usable heat surface, which comes from the overheating area, remains relative small, so that there is only a relatively small difference work from the two work processes can be used with a relatively low energy density and a relatively large amount of machinery.
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.To remedy these disadvantages and the greatest possible gain in work To achieve a heat-free steam power process, it is necessary that the Evaporation and condensation isotherms as close as possible, or better still on the same Temperature level. It would also be an additional benefit if neither an evaporation nor a condensation takes place, since both isotherms are on should be the same temperature level.
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".Such a cycle has the advantage of the same evaporation and Eondensation isotherms, i.e. both evaporation at the same temperature level as well as the condensation takes place, offers an exclusively supercritical state range operated so-called "supercritical steam engine cycle".
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.However, there is no evaporation or condensation in the edge Meaning instead, but an immediate "gasification" from the liquid phase and a immediate "liquefaction" 1 from the gas phase.
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.For this purpose, it is known from theory, from specialist books, that with the evaporation of liquids (high or low boiling points) the heat of evaporation (r) against the liquid and superheat share (qf + qü) becomes smaller, the closer one approaches the critical pressure and the critical temperature, to finally in the crit.
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.Point to disappear completely (rk = 0)). Even at higher pressures (P> Pk at T = Zip Tk) no more heat of evaporation is required and the transition from the area of the liquid to that of the gas takes place very gradually.
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.On the other hand, it is known that a and further superheated gas (T) Tk) only the same amount of heat is withdrawn again by cooling must be until a complete liquefaction of the gas when reaching the critical Temperature and in the range above the critical pressure occurs before it during the transition from the liquid phase to the gas phase and during the further Overheating.
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.This process of gas generation, known from theory, is immediate from the liquid phase, without the intermediate phase of evaporation, now also shows the Way of reversing the process, i.e. to return directly from the gas phase to to get the liquid phase, d. H. without committing the intermediate phase of condensation to have to. This would also avoid all of the disadvantages associated with condensation can be.
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).This is achieved, according to the invention, by using the cycle operates exclusively in the supercritical temperature and pressure range (i.e. the The expansion temperature and the expansion pressure at the outlet of the gas turbine are somewhat higher kept as the critical temperature and the critical pressure of the working substance used).
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:
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.the supercritical steam engine circuit operated in this way process works economically: firstly because of the complete conversion of the Cycle process absorbed heat in mechanical work 1) The cooling of the working gas up to close to the critical temperature is here for the most part by decoupling mechanical work achieved by means of the gas turbine.
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.2) This is necessary because there is a liquefaction of the gas within the turbine must be avoided because of the very disadvantageous for the turbine blades so-called "droplets" r.
und zweitens wegen des relativ geringen zusätzlichen Maschinenaufwandes für die Wärmepumpe.and secondly because of the relatively low additional outlay on machinery for the heat pump.
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).The proposed "supercritical steam engine cycle resembles the 'tClausius-Rankine process' known and proven in steam engine processes. However, it has the great advantage over this that basically no heat (Heat of condensation or other waste heat) must be dissipated to the environment and thus that amount of heat can be saved that is usually unused is discharged to the environment. This, to be dissipated in the form of condensation heat The amount of heat in today's modern steam power plants is around 47% of the total primary heat or (after deducting the boiler and radiation losses of 9 + 2 = 11%) approx. 47/89 = 52.8% of the heat supplied to the cycle (cf. man Fig. 275, Winter, Techn. Heat theory).
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.The saving in condensation heat (47% here) is the same Scale also linked to a reduction in pollution by pollutants, since one now has to generate the same power plant output power (el. power) according to the example, use 47% less primary energy (coal or nuclear fission materials) must than before.
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.To assess the quality of a thermal power plant where the Waste heat can be returned to the steam cycle, it is useful to the thermal efficiency on the entire cycle (not just on the expansion machine) to expand, d. H. to take into account all the amounts of energy involved in the conversion process.
Es ist also für den vorgeschlagenen Kreisprozeß zweckmäßig, einen Wärmewirkungsgrad für den ??Kreisprozeß?? zu definieren.It is therefore appropriate for the proposed cycle to have a Thermal efficiency for the ?? cyclic process ?? define.
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 %.The quotient is thus to be formed from that from the cycle to the outside dissipated work to the heat supplied from the outside of the cycle, i.e. Wab qtho cycle process Qz -Da in the supercritical steam power process because of the complete Heat recirculation the heat supplied from the outside to the cycle is the same as after corresponds to the mechanical work carried out externally, is in accordance with the Conservation of energy law, the theoretical thermal efficiency for the entire thermal power plant for each one thermodynamic heat gradient on the expansion machine always 100%.
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.Because the use of water vapor as a working substance when using of high-quality energy sources (coal, Cl) because of the high critical point of the Water (Tk = 374 OG, Pk = 221 bar) the stress on the components (machines, Pipelines etc.) is very large, it is advantageous for high-quality energy sources to use a substance with a correspondingly lower critical point, z. B.
Äthylen, Acetylen oder Äthan, deren krit. Temperaturen in der Nähe des Temperaturniveaus der Umgebung liegen.Ethylene, acetylene or ethane, their critical temperatures in the vicinity the temperature level of the environment.
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.To use low-quality energy sources, for example from Water and / or air heat, on the other hand, must have relatively low critical substances Temperatures, the rel. are far below the ambient temperature level will. The one to absorb environmental heat in the supercritical cold steam engine cycle " The required heat gradient would thus be given from the outset and thus also the "second" Corresponding to the main law of the heat reel? 1e ", since the heat now moves from a higher to a lower temperature level "of its own accord, i.e. without any effort.
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".Since the proposed supercritical steam power cycle no waste heat even when operated as a "supercritical cold steam engine cycle" Has to give up to the environment but only mechanical work, one comes to the point so far necessary heat dissipation side also with the second law not in trouble, because it is not applicable to mechanical structures! Mechanical work can be done just 1) dissipate to the environment even at cold end expansion temperatures 1) Since none Heat is dissipated but only mechanical work, and this both when feeding is possible with high-temperature as well as with low-temperature heat, you are in both operating cases completely independent of the so-called "lower heating container" the environment ".
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.The thermal power plant can thus from a single upper heat container operate. This means that the heat transferred to the cycle can be completely converted into mechanical work. This is also the case in both operating cases Condition that the critical temperature is below the temperature of the "upper heat tank ?? respectively the source of work is relocated.
Ein zur Nutzung von Umweltwärme geeigneter Arbeitsstoff gibt es z. B.A working material suitable for the use of environmental heat is available, for example. B.
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.in the refrigerant R14 (CF4), its critical point at Tk = 45.5 ° C, Pk = 37.4 bar. His Siedep. is at 760 Torr (= 1.013 bar) at t5 = -130 00. The properties of CF4 = tetrafluoromethane are: Colorless, odorless, non-toxic and incombustible.
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).With these specified characteristics of the substance R14, practically at the cold steam gas turbine a differential pressure drop of z. B.P = 100 bar and a thermodynamic heat gradient of around #T = 30 ° C (see example Fig.15), if the working gas is previously brought to the upper superheating temperature To # -10 ° C, e.g. with water heat by 4 ° C (see examples according to Fig. 13 to Fig. 15).
Damit ließen sich praktisch alle angemessen weit über dieser krit.This means that practically all of them can be reasonably well above this crit.
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.Temperature (Tk45.5 -45.5 ° C) use lying heat reservoirs resp. convert into mechanical work, such as the water heat of the seas, Lakes and rivers. Even in areas with cold air temperatures (t <0 ° C) there is still enough energy below the ice sheet of the water at + 40C win, especially if the latent heat (80 kcal / kg K) of the water is still used becomes even more favorable operating conditions for the supercritical. Cold steam engine cycle would be obtained if methane (CH4) were used as the working substance, since the crit. Temperature is even lower here than with refrigerant R14. This would be a too Allow use of air heat at lower temperatures.
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.The critical point for methane is Tk = -82.2 OC, Pk = 46.3 bar, the boiling point (1.013 bar) is t5 = -161.7 00.
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.This would allow a differential pressure gradient across the cold steam gas turbine from Z. B. 2 P = 150 bar and a thermody. Temperature gradient (due to relaxation) of around #T = 65 ° C (Fig. 13 and 14). A use of air heat right down at about -40 ° C would still be possible 1) The obtainable mech. Work arises at 20 ° C water temperature with incl. use of latent heat from 1 m3 to: Wmech./ Qzu / kcal. nth. Cycle 105 kcal. 1 m³ 860 kcal / kWh pr 860 kcal / kWh = 116.3 kWh / m3, or ~ 100 kWh / m3 electrical work.
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.The main advantages that can be achieved with the invention are: a) Saving of primary energy in thermal power plants (fossil and nuclear power plants) in the order of magnitude of the current condensation heat losses (approx. 47% of the primary energy) and pollutant emissions reduced by the same order of magnitude for the same power plant output power; b) Operation of the thermal power plants independently of any cooling systems (e.g. cooling towers, rivers, lakes etc.), since no heat (condensation or compression heat) must be released into the environment; c) Provision of a new, regenerative one Energy source from environmental heat, especially with balanced water or air heat, by building supercritical cold steam power plants with completely environmentally friendly Operating mode; d) Generation of electricity and hydrogen with that according to c) sufficient mechanical work that can be generated with continuous - and thus more economical - Utilization of the cold steam power plants, and thus a complete solution for today's Energy problem ?? without environmental pollution ?? through the construction of many supercritical cold steam power plants.
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.Three embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Fig. 1 shows the circuit diagram of the supercritical Steam engine cycle with predominantly adiabatic relaxation via a Gas turbine; Fig.1.1 a partial drawing for Fig. 1 (use of an expansion chamber instead of a heat pump); Fig. 2 the temperature-entropy diagram belonging to Fig. 1 (T, s diagram); Fig.2.1 a partial drawing for Fig. 2 (indication of the temperature profile the residual heat when using an expansion chamber according to Fig.1.1); Fig. 3 that too Fig. 1 corresponding pressure-volume diagram (P, v-Diagr.); Fig. 4 that of Figs. 1 and 2 corresponding energy flow diagram; Fig. 5 the same as Fig. 1, but with predominantly isothermal expansion via a gas turbine (application esp Use of low-temperature heat and use of cold steam as a working substance; Fig. 6 the T, s diagram belonging to Fig. 5; Fig. 7 the P, v diagram belonging to Fig. 5; FIG. 8 shows the energy flow diagram associated with FIG. 5; Fig. 9 the same as Fig. 1, but with reheating (with the use of a high and low pressure gas turbine); Fig.10 the T, s diagram belonging to Fig. 9; Fig.11 the P, v diagram belonging to Fig. 9; Fig.12 the energy flow diagram belonging to Fig. 9; Fig.13 the same as Fig.10, but with information on status values when using cold steam (methane = CH4) as Working substance; Fig.14 the same as Fig.11, but with information on condition values at Use of cold steam methane (CH4) as a working substance; Fig.15 the same as Fig.3, but with information on condition values when using cold steam R14 (CF4); Fig.16 Construction (sectional view) of a possible "supercritical cold steam power plant" when using sea, lake or river water.
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). The supercritical steam power cycle according to Fig. 1, 1.1, 5 and 9 consists of the following, fundamentally required system parts: a heat sensor (Instantaneous liquid heater) for feeding in the residual heat q2 by means of the heat pump from the low-pressure to the high-pressure part of the cycle; b heat absorber (instantaneous liquid heater) to absorb the liquid heat supplied from the outside qf; c pressure relief valve for Setting the upper critical pressure P0 '; d heat absorber (gas water heater) to absorb the externally supplied overheating qü; e Expansion machine (in the version according to Fig. 9: high pressure gas turbine) f reheater (Gas water heater), only with version Fig.9; g low-pressure gas turbine (only with version Fig.9); h Condenser (condensation through residual heat extraction q1 at constant lower pressure Pu. In the design according to Fig.1.1, this is an expansion chamber in which the temperature decrease is generated by lowering the pressure. The lower pressure Pu must remain greater than the critical pressure Pk so that no evaporation ' of the substance can occur); h1 Waste heat emitter in version Fig.5 (with predominantly isothermal expansion); h2 condenser (for residual heat dissipation q1 for version Fig.5); i Feed liquid pump (return of the liquid with simultaneous production the upper critical pressure P '); 0 k Compressor of the heat pump 1 condenser the heat pump m control valve of the heat pump and n evaporator of the heat pump; z Insulated container (shown in Fig. 9, it serves to prevent unintentional heat absorption from the environment with cold steam operation).
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.To put the thermal power plant into operation as shown in Fig. 1.5 or 9, must you first the full amount of energy in the form of mech. Work and warmth from fed externally, d. H. the heat engine must be "started up".
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.After the necessary condensing temperatures by means of the heat pump (or the critical temperature generated by expansion by means of the expansion chamber according to Fig.1.1) are reached, the system can operate independently. The one with it the individual labor and heat amounts involved in the energy conversion process entered in the energy flow diagram (Figs. 4, 8 and 12). The individual amounts of energy were taken from the T, s and P, v diagrams (Figures 2, 3, 6, 7, 10, and 11).
Die Ausführungsbeispiele für mögliche überkritische Kaltdampfkraftprozesse gemäß Abb. 13, 14 und 15 wurden mit der allgemeinen Gasgleichung (V1P1/Tl = V2P2/T2) berechnet.The exemplary embodiments for possible supercritical cold steam power processes according to Fig. 13, 14 and 15, the general gas equation (V1P1 / Tl = V2P2 / T2) calculated.
Weitere Einzelheiten können aus den Zeichnungen und Diagrammen entnommen werden und sind für einen Fachmann ausreichend verständlich, so daß sich eine weitere Beschreibung erübrigt.Further details can be found in the drawings and diagrams are and are sufficiently understandable for a person skilled in the art, so that a further Description unnecessary.
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.As we have seen, it can only be used in the supercritical State-operated steam engine cycle from almost all in nature feed occurring heat sources, provided that only the crit.
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.Temperatures of the working materials are chosen so that they are appropriate far below that of the heat source. It does not matter whether the warmth is available at high or low temperature, d. H. whether she is from a highly exergetic or low-exergetic heat source is provided. So you can use the energy also come from the ambient heat at low and thermally balanced temperatures, like energy from fossil or nuclear fuels at high temperatures. There In the present supercritical steam power process, no heat is dissipated to the environment has to be, but only mechanical work, it also needs for its operation only a single, so-called "upper heating container". Since the energy is only in Form of mech. Work carried away from the plant to the environment is the law of entropy (2.HS) for the so-called "lower heat container of the environment? Not applicable. The entropy law of course still applies to all thermal power cycle processes, which have to give off their waste heat to the environment.
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).For the functional operation of the im exclusively supercritical Area operated circular process can be summarized three essential conditions point out: 1. The critical temperature of the working material must be reasonably high lie below the temperature of the heat source (source of work); 2. The working substance must return to the cycle after the cycle has ended without releasing heat to the environment be entered; 3. The working gas must be completely liquefied after expansion is complete be, d. H. occupy its smallest possible volume (so that it is with the smallest possible Workload can be re-entered into the cycle process).
Claims (3)
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DE19843427219 DE3427219A1 (en) | 1984-07-24 | 1984-07-24 | Supercritical steam engine cycle |
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- 1984-07-24 DE DE19843427219 patent/DE3427219A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: GENSWEIN, ANNEMARIE, 6148 HEPPENHEIM, DE |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |