DE4035870A1

DE4035870A1 - Arbeitsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE4035870A1
Application number: DE4035870A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Priebe
Original assignee: PRIEBE KLAUS PETER
Current assignee: PRIEBE KLAUS PETER
Priority date: 1990-11-12
Filing date: 1990-11-12
Publication date: 1992-05-14

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vor richtung betreffen die Ausnutzung des Potentialgewinnes aufsteigender Dämpfe und deren Kondensation an einem zur Verdampfungsvorrichtung höher gelegenen Ort durch die Verdampfung leicht siedender Flüssigkeiten mit nie drigen Verdampfungsenthalpien bei der Nutzung vorhande ner Abwärmequellen, spezifisch ausgestalteter Solaran lagen oder der Nutzung geothermischer Wärmequellen.

Gemäß dem Stand der Technik ist kein Verfahren und keine Vorrichtung bekannt, die in dem Niedertemperatur bereich bis etwa 150°C die bewußte Ausnutzung des Po tentialgewinnes durch die Verdampfung leicht siedender Flüssigkeiten, deren Verflüssigung in einer vorgebenen Höhe und den Antrieb zum Beispiel einer Kaplanturbine durch das verflüssigte, in einem geschlossenen System zirkulierende Arbeitsmedium für die Energiegewinnung nutzt. Der Stand der Technik wird durch Kühltürme, Was serdampfschwaden und die Erwärmung von Fließgewässern ausreichend beschrieben.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lag die Aufgabe zugrunde, insbesondere die Abwärme von Wärmekraftwerken, die nur auf einem niedri gem Temperaturniveau bei etwa 40°C nach dem Kondensator oder etwa 120 bis 150°C nach der Dampfturbine in großen Dimensionen bis zu 2000 MW_therm an die Umwelt abgege ben werden, einer sinnvollen Nutzung zuzuführen.

Der thermodynamische Wirkungsgrad technischer, Carnot scher Kreisprozesse bei Wärmekraftwerken zur Stromer zeugung liegt heute im Regelfall bei etwa 35 bis 40%, d. h. auf die 1200 MW_elekt des Leichtwasserreaktors ent fallen über 2000 MW_therm Abwärme, die an die Umwelt abgeführt werden. Würde direkt nach dem Dampfturbinen satz des Kraftwerkes auf einem Temperaturniveau von 127°C die Abwärme auf das Arbeitsmedium mit dem Wärme tauscher 1 zur Verdampfung übertragen und der Wärmetau scher 2 kühlt das Arbeitsmedium auf etwa 27°C ab, so steht unter Beachtung der Wirkungsgradformel des Car notschen Kreisprozesses ein Wirkungsfaktor von (400- 300)/400 = 25% entsprechend etwa 500 MW der Gesamtab wärmeleistung zur Verfügung. Bei 95%iger Verfügbarkeit der Abwärmequelle p.a. steht diese Wärmequelle für den Verlust von 4.16×10⁹ kwh entsprechend 416 Mio DM pro Jahr. Die Nutzung dieses Abwärmepotentials würde also bei einem 10%igen Kapitaldienst und Einnahmen von 0.1 DM/Kwh Investitionen bis zu 3.5 Mrd DM und bei niedri gen Betriebskosten den Bau der erfindungsgemäßen Vor richtung rechtfertigen.

Die etwa 2000 MW_therm Abwärme nach dem Turbinensatz des Kraftwerkes erlauben theoretisch bei besonderen Bedingungen die Verdampfung von mehr als 10 to Tetrach lorkohlenstoff pro Sekunde und die anschließende Ver wertung über ein Fallrohr von beispielsweise 500 m Hö he. Damit ergibt sich ohne Verluste über die Kaplantur bine eine erreichbare elektrische Leistung von mehr als 46 MW. Die Verdampfungsenthalpie von Tetrachlorkohlen stoff verändert sich bei Unterdruck nur unwesentlich, gleichwohl kann durch die Auslegung der erfindungsgemä ßen Vorrichtung der Siedepunkt deutlich nach unten ver schoben werden, so daß eine Verdampfung des Arbeitsme diums bis 30°C und weniger sichergestellt ist.

Die Verdampfungsenthalpie kann durch den Prozeßablauf bei Überdruckbedingungen deutlich reduziert werden, so daß für unterschiedliche Arbeitsmedien Verdampfungsen thalpien kleiner als 15 cal/g erwartet werden können. Entsprechend der Auslegung der erfindungsgemäßen Vor richtung könnte bei Überdruck sogar Kohlendioxid als Arbeitsmedium eingesetzt werden, wenn im Wärmetauscher 2 eine Temperatur kleiner als 30°C durch entsprechende Kühlung erreicht wird. Verdampfungswerte um 50 to/s er scheinen bei der angenommenen Abwärmemenge erreichbar.

Das geschlossene System aus den Wärmetauschern 1 und 2 sowie dem Fall- und Steigrohr ist als ein Zwangskreislauf kommunizierender Röhren aufzufassen, in dem die Druckverhältnisse an den beiden Enden des Fallrohres wie folgt ermittelt werden können:

- In dem Wärmetauscher 1 wird entsprechend der Auslegung für das gewählte Arbeitsmedium, dem gegebenen Wärmefluß und dem Durchsatz des Arbeitsmediums der Druck P₁ eingestellt, dieser Druck wird beeinflußt von der Höhe der Dampfsäule in dem Steigrohr entsprechend dem Druck P_s;
- In dem Wärmetauscher 2 ergibt sich entsprechend der Höhe des Steigrohres der Druck P₂=P₁-P_s modifiziert um die Druckveränderung durch die Querschnittsveränderung zu P′₂;
- Da die Säule des verflüssigten Arbeitsmediums an dem unteren Ende entsprechend der Höhe des Fallrohres allein betrachtet den Druck P_s aufweist, ergibt sich als Druckdifferenz an der Kaplanturbine der angenäherte Wert von P_eff = P_s + P′₂- P₁.

Damit ergibt sich zwangsläufig die Notwendigkeit, den Zwangskreislauf durch geeignete Regelmechanismen und Regelvorrichtungen wie das Druckregelventil und die Querschnittsveränderung an der Turbine die Massenströme erfindungsgemäß auszusteuern und den Wärmetauscher 2 auf eine Wärmeabführungsleistung von Verdampfungsener gie minus potentiellem Energiegewinn zu optimieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vor richtung beruhen auf dem folgenden, in den wesentlichen Merkmalen beschriebenen Verfahren.

In dem Wärmetauscher 1 (1) des erfindungsgemäß ge schlossenen Systems (2) zur Zirkulation des ausgewähl ten Arbeitsmediums (3) wird eben dieses Arbeitsmedium unter Unter- oder Überdruck zur Verdampfung gebracht. Die zur Verdampfung notwendige Energie wird dem Dam pfkondensator (14) eines thermisch arbeitenden Kraft werkes oder geothermischen Quellen oder Solarenergie kollektoren (19) oder Solarenergiespeichern (20) mit entsprechenden, wärmedämmenden Trennschichten (21) ent nommen. Unter atmosphärischen Druckbedingungen findet damit im Übergang des Arbeitsmediums von dem flüssigen zum dampfförmigen Zustand eine Volumenausdehnung um et wa den Faktor 1500 statt. Diese Volumenausdehnung kann genutzt werden, um das im dampfförmigen Zustand vorlie gende Arbeitsmedium in einem Steigrohr (4) entgegen der Schwerkraft aufsteigen zu lassen. Auslegungsbedingt werden in dem Steigrohr berechenbar nach dem Stand der Technik erhebliche Dampfgeschwindigkeiten erreicht, die vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 2 (5) zum Antrieb einer Arbeitsturbine mit nachgeschalteten elektrischen Generator (15) genutzt werden können. In dem Wärmetau scher 2 mit entsprechender, auslegungsgemäßer Dimensio nierung wird das Arbeitsmedium wieder verflüssigt und tritt über den Sumpf (28) und das Schwimmerventil (13) in das Fallrohr (6) ein. In dem Fallrohr ergibt sich entsprechend der Höhe des Fallrohres, korrigiert um die Druckbedingungen in den Wärmetauschern 1 und 2, ein statisch-dynamischer Druck, der mit dem Massendurchsatz des Arbeitsmediums den möglichen Leistungswert der Ka planturbine mit nachgeschaltetem elektrischen Generator (7) mit gegebenenfalls verstellbaren Turbinenschaufeln (30) ergibt. Nach der Turbine am Ende des Steigrohres durchläuft das immer noch verflüssigte Arbeitsmedium ein Druckregelventil (8) zur Sicherstellung des prozeßbedingten Massendurchsatzes des Arbeitsmediums und tritt wieder in den Wärmetauscher 1 ein.

Die Prozeßsteuerung (9) hinsichtlich der Massenströme erfolgt in Abhängigkeit von den Meßdaten der Sensoren (12) und den anlagebedingten Parametern derart, daß die zugelassenen Massedurchsätze des Arbeitsmediums, über das Druckregelventil (8) oder die verstellbaren Turbi nenschaufeln (30) geregelt werden. Als Sicherheitsmaß nahme zur Vermeidung des Leerlaufens des Fallrohres wird erfindungsgemäß eine besondere Steuerleitung (29) zwischen dem Schwimmerventil (13) und dem Druckregel ventil (8) über die Prozeßsteuerung (9) vorgesehen. Zu sätzlich wird in Abhängigkeit von den Meßdaten der Sensoren (12) vorgesehen, daß die Masseströme in dem erfindungsgemäßen, geschlossenen Kreislauf über beson dere Speise-/Absaugpumpen (10) mit angeschlossenen Aus gleichsgefäßen (11) über die Prozeßsteuerung (9) gere gelt werden können.

Die Kühlung und erneute Verflüssigung des Arbeitsme diums erfolgt nach dem Durchlaufen der Arbeitsturbine mit angeschlossenem Generator (15) durch den Eintritt des Arbeitsmediums in den Wärmetauscher 2 (5), der nach dem Stand der Technik mit einer Querschnittsaufweitung und auslegungsgemäß genügend groß dimensionierten Wär metauscherflächen zur Abführung der Kondensationswärme des Arbeitsmediums ausgelegt ist. Da der Wärmetauscher 2 am oberen Ende des Steigrohres (4) angebracht werden muß, bietet sich die Ausbildung des Wärmetauschers 2 nach dem Prinzip des Trockentauschers und -kühlturmes (2) nur für den Fall an, daß Steig- und Fallrohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang eines Berghanges (32) angebracht werden können und der Trockenkühlturm unmittelbar auf dem Berg fundamentiert werden kann. Für den Fall des Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrich tung in relativ ebenen Topographien muß der Wärmetau scher 2 mit dem zugehörigen Kühlturm am oberen Ende des als Tragsäule ausgebildeten Steigrohres als Naßtauscher (23) oder als Hybridtauscher (26) mit Frischwasserbe rieselung (24) und Rückführung des Kühlwassers (25) zwecks Baugrößenverringerung zur Vermeidung unzulässi ger statischer und dynamischer, windbedingter Lasten ausgebildet werden. Erfindungsgemäß wird durch eine Si cherheitskühlung (31) für extrem ungünstige atmosphäri sche Bedingungen vorgesehen, die Abwärme oder die Nach wärme des als Wärmequelle genutzten Kraftwerkes abzu führen.

Für den Fall der Verlängerung des Steigrohres und des Steigrohres in die Erde hinein, wird vorgesehen, den Wärmetauscher 1 (1) in der Erde in einer Kaverne (18) und Steig- und Fallrohr in entsprechenden Bohrlöchern (17) unterzubringen. Diese Ausbildung der erfindungsge mäßen Vorrichtung setzt voraus, daß die Abwärme der Wärmequelle über einen gesonderten Kreislauf dem Wärme tauscher in der Kaverne über die Bohrlöcher (17) zuge führt wird. Das Steigrohr (4) und das Fallrohr (6) sind in jedem Anwendungsfall mit einer geeigneten Wärmedäm mung (27) zu versehen.

Für den Fall der Verunreinigung des Arbeitsmediums durch Leckagen oder Veränderung des Arbeitsmediums durch thermische, mechanische und chemische Prozesse wird ein Teilstrom des Arbeitsmediums über entsprechen de Abscheidevorrichtungen (33) geleitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind in den folgenden Zeichnungen darge stellt. Die Ziffern in den Zeichnungen kennzeichnen die folgenden, erfindungsgemäßen Merkmale:

(1) Wärmetauscher 1
(2) geschlossener Kreislauf des Arbeitsmediums
(3) Arbeitsmedium
(4) Steigrohr
(5) Wärmetauscher 2
(6) Fallrohr
(7) Kaplanturbine mit Generator
(8) Druckregelventil
(9) Prozeßsteuerung
(10) Speise- und Absaugpumpen
(11) Ausgleichsgefäße
(12) Temperatur-, Druck- und Windsensoren
(13) Schwimmerventil
(14) Dampfkondensator der Abwärmequelle
(15) Arbeitsturbine mit Kondensator
(16) Wärmeversorgungskreislauf Kaverne
(17) Bohrlöcher
(18) Kaverne
(19) Solarenergiekollektoren
(20) Solarenergiespeicher
(21) wärmedämmende Trennschicht Solarenergiespeicher
(22) Trockentauscher
(23) Naßtauscher
(24) Frischwasserberieselung
(25) Rückführung Kühlwasser
(26) Hybridtauscher
(27) Wärmedämmung Steig- und Fallrohr
(28) Sumpf des Wärmetauschers (5)
(29) Steuerleitung Schwimmerventil
(30) verstellbare Turbinenschaufeln
(31) Sicherheitskühlung
(32) Berghang
(33) Abscheidevorrichtungen
(34) Wärmetauscherröhren

Die Zeichnung 1 stellt das erfindungsgemäße Verfahren bei der Nutzung einer gegebenen Abwärmequelle, die Zeichnung 2 stellt das erfindungsgemäße Verfahren bei der Nutzung eines Solarenergiespeichers dar.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer und elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Wärmequelle durch einen Wärmetauscher 1 (1) entnommene thermische Energie in einem geschlossenen Kreislauf (2) zum Verdampfen eines, zwischen -100°C und 150°C mit vorzugsweise weniger als 60 cal/g leicht sie denden Arbeitsmediums (3) genutzt wird, der Dampf je nach Wahl des Arbeitsmediums mit Unter- oder Überdruck in dem geschlossenen System in dem Steigrohr (4) entge gen der Schwerkraft aufsteigt, in einem Wärmetauscher 2 (5) das Arbeitsmedium wieder zur Kondensation gebracht wird und das jetzt wieder flüssige Arbeitsmedium über ein Fallrohr (6) den unten befindlichem Turbinensatz, mit angeschlossenem Generator (7) oder vergleichbarer Vorrichtung zur Energieerzeugung, durchläuft und somit die potentielle Energie aus dem Höhenunterschied zwi schen den Wärmetauschern 1 und 2 zur Arbeitserzeugung nutzt und das Arbeitsmedium über ein Druckregelventil (8) wieder in den Wärmetauscher 1 eintritt.

2. Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Prozeßsteuerung (9) die Prozeßführung in Abhängigkeit von der jeweils mög lichen Kühlleistung des Wärmetauschers 2 durch die Druckregelung im geschlossenen Kreislauf des Arbeitsme diums zwischen den Wärmetauschern 1 und 2 erfolgt, die Druckregelung durch Speise- oder Absaugpumpen (10) mit angeschlossenen Ausgleichsgefäßen (11) in Abhängigkeit von der durch Sensoren (12) bestimmten Außentemperatur und Windgeschwindigkeiten und durch die geregelte Ein speisung des Arbeitsmediums vor dem Wärmetauscher 1 er folgt und der geschlossene Kreislauf des Arbeitsmediums zwischen den Wärmetauschern 2 und 1 vor dem Fallrohr mit einem Schwimmerventil (13) und vor dem Wärmetau scher 1 mit einem Druckregelventil entsprechend den Prozeßparametern geöffnet, teilweise geöffnet oder auch geschlossen werden kann, so daß ein Leerlaufen des Fallrohres vermieden werden kann.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Wärmequelle für den Wärmetauscher 1 die zumeist an das Medium Wasser gebundene Abwärme von Kohle-, Gas-, Öl- und Kernkraftwerken nach den Dampf kondensatoren (14) des Turbinenkreislaufes vor der Übergabe an die Umweltmedien Luft und Wasser eines Vor fluters genutzt wird.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Wärmequelle gemäß Anspruch 1 und 2 umgebaute Kondensatoren (14) herkömmlicher Wärmekraft werke zur Prozeßoptimierung genutzt werden und durch die Zuschaltung einer zusätzlichen Arbeitsturbine mit angeschlossenem Generator (15) im Gasstrom der erfin dungsgemäßen Vorrichtung in dem Steigrohr vor dem Wär metauscher 2 die mit dem höheren Temperaturniveau er zielte thermische und kinetische Energie des Arbeitsme diums zur zusätzlichen Energiegewinnung genutzt wird.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Wärmequelle für den Wärmetauscher 1 geothermische Wärmequellen genutzt werden und die ent sprechenden baulich-technisch notwendigen Anlagen der Vorrichtung über einen gesonderten Wärmekreislauf (16) gespeist werden oder am Grunde des oder der Bohrlöcher (17) in einer Kaverne (18) vorgesehen werden.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Wärmequelle vom Arbeitsmedium durch flossene Solarenergiekollektoren (19) oder vom Arbeits medium in als Wärmetauscher ausgebildeten Röhren (34) durchflossene Solarenergiespeicher (20) einschließlich entsprechend ausgestalteter Oberflächengewässer mit wärmespeichernden Trennschichten (21) genutzt werden oder das flüssige Arbeitsmedium der Solarenergiespei cher durch Umpumpen dem Wärmetauscher 1 zugeführt wird.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wärmetauscher 1 und 2 entsprechend den notwendigen Arbeitsdrücken unterhalb oder überhalb des atmosphärischen Druckes durch die Werkstoffauswahl höchste Wärmedurchgangswerte bei großer Wärmeaustausch fläche und geringer Masse aufweisen.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Wärmetauscher 2 als Trockentauscher (22) mit der Atmosphäre oder als Naßtauscher (23) mit Frischwasserberieselung (24) und Rückführung (25) des Wasserniederschlages oder als Hybridtauscher (26) aus geführt wird.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß sowohl das Steigrohr zwischen den Wärme tauschern 1 und 2 als auch das Fallrohr zwischen den Wärmetauschern 2 und 1 mit einer optimalen Wärmedämmung (27) versehen werden und die entsprechenden Wärmedämmschichten unter Unterdruck gesetzt werden.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Fallrohr am oberen Ende in dem ent sprechend ausgestalteten Sumpf (28) des Wärmetauschers 2 durch ein Schwimmerventil (13) unterhalb eines vorge gebenen Standes des verflüssigten Arbeitsmediums schließt und über eine Steuerleitung (29) das Druckre gelventil nach dem Turbinensatz ebenfalls zur Vermei dung des Leerlaufens des Fallrohres verschlossen wird.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß entsprechend der durch Sensoren (12) festgestellten Leistung des Wärmetauschers 2 die Druckregelung mit dem Turbinensatz durch verstellbare Turbinenschaufeln (30) derart erfolgt, daß eine Querschnittsverengung für das Arbeitsmedium eintritt und der Massendurchsatz der Leistung des Wärmetauschers 2 angepaßt wird.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abführung der Abwärmeleistung des vorgegebenen Wärmekraftwerkes durch die erfindungsgemä ße Vorrichtung und bei verminderter Leistung des Wärme tauschers 2 aufgrund spezifischer atmosphärischer oder sonstiger Bedingungen über einen gesonderten Kühlkreis lauf (31) sichergestellt wird oder die Abwärmeleistung des Wärmekraftwerkes der Leistung des Wärmetauschers 2 angepaßt wird.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß das Steigrohr und das Fallrohr als tra gende Elemente für einen aufgesetzten Trocken-, Naß- oder Hybridkühlturm ausgebildet werden.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß vorzugsweise topographische Lagen mit ge gebenen Höhenunterschieden von mindestens 200 m derart genutzt werden, daß der Wärmetauscher 1 im Tal und der Wärmetauscher 2 auf dem Berg angebracht werden und das Steig- und Fallrohr entlang des Berghanges (32) verlau fen.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Teil des Arbeitsmediums in der flüs sigen oder gasförmigen Phase geeignete Vorrichtungen (33) zur Abscheidung von Verunreinigungen durchläuft.