-
Verfahren zum Betrieb von Kraftmaschinen unter Verwendung von Butan
oder anderen schweren Kohlenwasserstoff en und Kraftmaschinenanlage Den Gegenstand
der Erfindung bildet die Verwendung von schweren Kohlenwasserstoffgasen und anderen
ähnliche Eigenschaften aufweisenden Dämpfen in thermischen Anlagen mit dem Zweck,
einerseits sich dem idealen Kreisprozeß mehr zu nähern, als es bei Wasserdampf möglich
ist, und dadurch einen höheren thermischen Wirkungsgrad zu erhalten, anderseits
die Abmessungen der Maschinen derart zu verringern, daß die Gestehungskosten einer
derartigen Anlage erheblich geringer sind als bisher.
-
Das hier besonders in Betracht kommende Gas, das in theoretischer
Hinsicht gemäß seines Verhaltens den an dasselbe zu stellenden Anforderungen gut
entspricht, ist das Butan. Seine chemische Formel ist C4Hlo. Bei einem Druck von
76o mm Quecksilbersäule ist das Butan von ungefähr +o° C ab gasförmig. Die kritische
Temperatur ist i5i°C bei 37,5Atm. abs. Die obigen Werte gelten für chemisch reines
Butan. Bei dem im Handel vorkommenden Butan liegt der Siedepunkt bei Atmosphärendruck
bei ungefähr -5° C, seine kritische Temperatur ist ungefähr i4o° C bei einem Druck
von etwa q.o Atm. abs.
-
Bei den verschiedenen Temperaturen sind seine Dichten ganz erheblich
größer als bei Wasserdampf, infolgedessen dieser bedeutend größere Durchgangsquerschnitte
erfordert als Butan. Macht sein Verhalten das Butan in wärmetheoretischer Hinsicht
in erster Linie erfindungsgemäß geeignet zum Energieträger in thermischen Anlagen,
so besitzt dasselbe fernerhin Eigenschaften, die es auch in praktischer Hinsicht
empfehlen; es ist da hauptsächlich seine chemische Beständigkeit, sein Vorkommen
im Handel in chemisch gleichbleibender Zusammensetzung, seine Eigenschaft, als technische
Baustoffe in Frage kommende Metalle nicht anzugreifen, und insbesondere sein häufiges
Vorkommen in genügender Menge und der dementsprechend niedrige Preis zu erwähnen.
-
Wenn auch das Butan als der zur Zeit geeignetste Energieträger im
Sinne der vorliegenden Erfindung angesehen wird, so ist dieselbe doch nicht darauf
beschränkt, sondern umfaßt alle Gase und Dämpfe, deren Eigenschaften denen des Butans
ähnlich sind.
-
Es ist schon vorgeschlagen, Butan für Kraftmaschinenanlagen zu verwenden,
allerdings nur zur Ausnutzung von Wärmequellen, deren Temperatur ioo° C nicht übersteigt.
Hierbei erfolgt die Verdampfung der Flüssigkeit in einem besonderen Verdampfer unter
Druck, die Entspannung des gesättigten Dampfes in- einer Arbeit leistenden Dampfmaschine,
die Verflüssigung des aus der Dampfmaschine entweichenden Abdampfes in einem Kondensator
und schließlich die Wiedereinspeisung des verflüssigten Betriebsstoffes in den Verdampfer.
Nach
der Erfindung gelangt das Treibmittel unter mindestens kritischem Druck und einer
die kritische übersteigenden Temperatur in den Kreislauf. Die adiabatische Entspannung
von Butandampf von kritischem Druck und Temperaturen von auch nur wenigen Graden
über der kritischen liegenden Temperaturen führt stets zur Überhitzung des entspannten
Dampfes. Die überhitzungswärme ist theoretisch ganz, praktisch bis auf einen ganz
kleinen Bruchteil rückgewinnbär. Unter Voraussetzung dieser Rückgewinnung läßt sich
das reduzierte T-s-Diagramm zeichnen (vgl. Abb. a). Ebenso lassen sich die theoretisch
möglichen Wirkungsgrade ohne weiteres errechnen. Nimmt man eine gleichbleibende
Kondensatortemperatur an (Kondensationsdruck gleichbleibend) und zeichnet ein Wirkungsgraddiagramm
(Wirkungsgrade als Ordinate, Temperaturen als Abszisse), wobei der Dampf bis zur
kritischen Temperatur als gesättigt angenommen sei und hierauf der Anfangsdruck
gleich dem kritischen Druck bleiben möge, so weist die Wirkungsgradkurve einen sogenannten
singulären Punkt auf, und zwar entsprechend einem niedrigen Wirkungsgrad im kritischen
Punkt selbst (also bei Dampf von genau kritischem Druck und kritischer Temperatur).
Läßt man dann den Druck gleichbleibend (gleich dem kritischen Druck) und überhitzt
auch nur um i° C, so steigt die Wirkungsgradkurve in die Höhe und dann stetig weiter,
wem auch weniger als die Carnotsch@e Wirkungsgradkurve (vgl. Abb.3). Geht man auf
hohe Überhitzungstemperaturen bei kritischem oder höher als kritischem Druck, so
sind thermische Gesamtwirkungsgrade (effektive Wirkungsgrade) bis zu 4o'/" und darüber
bereits bei weniger als Soo° C Überhitzungstemperatur möglich.
-
Im nachstehenden wird als Beispiel eine Kraftmaschinenanlage beschrieben,
in welcher als Energieträger das Butan verwendet wird, und zwar ist, um die Anwendung
des Erfindungsgegenstandes in möglichst vielgestaltiger Form zu zeigen, dem Beispiel
eine Zweistoffkraftanlage mit Zwischendampfentnahme zugrunde gelegt. Der Butankreislauf
kommt hierbei im Niederdruckteil der Zweistoffmaschine zur Anwendung. Dabei wird
Hauptwert darauf gelegt, daß der Niederdruckteil des Turbinensatzes durch Verwendung
von Butandampf sehr viel kleinere Schaufellängen besitzen wird als ein entsprechender
Wasserdampfniederdruckteil. Diese Anordnung hat sinngemäß insbesondere Bedeutung
für Anlagen mit Zwischendampfentnahme, aber auch für den Umbau von Großturbinensätzen
bei bestehender Kesselanlage. In der Zeichnung (Abt. i) ist eine solche Anlage planmäßig
dargestellt.
-
In einem Dampfkessel i wird Wasserdampf vom Druck P1 erzeugt und im
Überhitzer 2 auf die Temperatur t1° überhitzt. Dieser Wasserdampf wird im Hochdruckteil
einer Dampfturbine mit Zwischendampf entnahme 3"
unter Abgabe von mechanischer
Leistung auf die Spannung P2 entspannt. Ein Teil dieses Dampfes von der Spannung
P2 kann durch die Leitung 4. zwecks unmittelbarer Verwendung für Gebrauchszwecke,
z. B. zur Heizung, abgeführt werden. Der übrigbleibende Teil wird durch die Leitung
5 dem Kondensator 6 als Wärmeaustauschvorrichtung zugeführt. Die von dem Wasserdampf
hier abgegebene Wärme dient zur Verdampfung des Butans. Das, Kondensat des Wasserdampfes
wird durch die Pumpe 7 dem Dampfkessel i durch die Leitung 8 wieder zugeführt. Fehlt
die Dampfentnahme, so vollführt demnach das Wasser einen vollständigen und, von
geringen Undichtigkeitsverlusten abgesehen, verlustlosen Kreislauf.
-
Der in dem Kondensator 6 erzeugte Butandarripf wird durch die vorgesehene
Überhitzvorrichtung überhitzt. Der Druck entspricht dem Wasserdampfdruck P2; seine
Temperatur hat einen kleinen, zur Wärmeübertragung nötigen Abfall erlitten. Der
Butandampf wird durch die Leitung gi dem auf derselben Welle wie der Hochdruckteil
3a sitzenden Niederdruckteil 3b zugeführt, in welcher er bis auf die im Butankondensator
io herrschende Spannung entspannt und dann kondensiert -wird. Das Kondensat wird
von der Pumpe 11 durch die Leitung 12 dem Wärmeaustauscher 13 und von .hier dem
Wasserdampfkondensator 6 zugeführt.
-
Der Wärmeaustauscher 13 ist ein Vorwärmer des flüssigen Butans. Die
Erwärmung erfolgt durch Wärmwasser von dem hinter dem Kessel i angeordneten Wärmeaufnehmer
1q. aus durch die Leitungen 16 vermittels der Pumpe 15.
-
Nimrrit man für die oben beschriebene Anlage beispielsweise an, daß
in der Hochdruckstufe der Turbine 311 die Spannung des zugeführten Wasserdampfes
von P1 = 4.o Atm. auf P2 = 5 Atm. fällt, so wird mit diesem' Wasserdampf von der
5 Atm. Druck entsprechenden Temperatur von ungefähr 151 ° C ein Butandampf von etwas
mehr als 14o° C mit dem entsprechenden Druck von 4o Atrn. erzeugt. Es sind dies
die kritische Temperatur (plus etwa i bis 2° C) und der kritische Druck des Butandampfes.
Die Entspannung desselben erfolgt in dem Niederdruckteil der Turbine 3b, deren Abmessungen
infolge der erheblich größeren Dichte des Butandampfes gegenüber Wasserdampf nicht
größer sind als
diejenige des Wasserdampfhochdruckteiles. Es zeigt
also die Butanturbine im Vergleich zu den Niederdruckteil einer Wasserdampfturbine
erheblich geringere Abmessungen, demnach eine vereinfachte Bauart und bedeutend
geringeres Gewicht. Da das thermodynamische Verhalten des Butandampfes bei einer
Entspannung von beispielsweise 4o Atm. auf 2,9 Atm. (insbesondere unter Berücksichtigung
der Rückgewinnung der Überhitzungswärme am Ende der Entspannung) sieh mehr derjenigen
eines idealen Gases nähert als Wasserdampf, so nähert sich der vom Butandampf durchlaufene
Kreisprozeß sehr stark dem idealen Kreisprozeß, was gegenüber den bekannten Wasserdampfkraftanlagen
eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades zur Folge hat.
-
Bei einer Temperatur von 2o° C im Innern des Kondensators io beträgt
der Druck des Butandampfes noch ungefähr 2,9 Atm.; der Kondensator arbeitet also
unter Überdruck und bedarf folglich keiner Luftpumpe.
-
Der Wärmeaustauscher 6 kann so ausgebildet werden, daß sowohl die
Temperatur als auch der Druck bis über die kritischen Werte hinaus gesteigert werden
können, um so das nutzbare Temperaturgefälle zu erhöhen und einen Höchstwert des
thermischen Wirkungsgrades zu erzielen.
-
Die Anwendung des für den Niederdruckteil einer Zweistoffmaschine
geschilderten Kreislaufs kann selbstverständlich auch in Einstoffanlagen erfolgen.
Bei solchen Anlagen und entsprechend hoher Überhitzung sind Wirkungsgrade bis praktisch
über 40 % zu erwarten.
-
Aus dem Vorstehenden geht weiter hervor, daß zur Ausbeutung von Wärmequellen
mit verhältnismäßig niedriger Temperatur und Druck, deren Verwertung durch Wasserdampfkraftanlagen
infolge der sich ergebenden allzu großen Maschinenabmessungen praktisch teuer wäre,
mit. großem Vorteil Butankraftanlagen Verwendung finden, die nicht nur erträgliche
Maschinenabmessungen ergeben, sondern auch einen hohen thermischen Wirkungsgrad
aufweisen, selbstverständlich unter Anwendung der Rückgewinnung der Überhitzungswärme
am Ende der Entspannung.
-
Wie aus dem T-s-Diagramm (Abb. 2) hervorgeht, führt die adiabatische
Entspannung von gesättigtem Butandampf auch von geringer Temperatur stets zu einer
Überhitzung des Dampfes. Diese Rückgewinnung ist theoretisch eine ioo °/Qige. Im
genannten Diagramm kommt diese .Rückgewinnung unter Verwendung des reduzierten Diagramms
dadurch zur Geltung, daß der Ast des flüssigen Zustandes statt wie ursprünglich
sehr schräg, weniger schräg ansteigt. Die im reduzierten T-s-Diagramm die gewonnene
Arbeit kennzeichnende Fläche schmiegt sich näher an das Carnotsche Rechteck an und
weicht flächenmäßig weniger von demselben ab. Der zwischen den angenommenen Temperaturgrenzen
mögliche Wirkungsgrad ist besser als derjenige ohne Wärmerückgewinnung und ist auch
besser als unter Verwendung von Wasserdampf zwischen den gleichen Temperaturen,
außerdem arbeitet die Maschine thermodynamisch günstiger wegen völliger Beseitigung
der Dampffeuchtigkeit im Niederdruckteil.
-
Ausbeutungsfähige Wärmequellen sind äußerst zahlreich. Erfindungsgemäß
wird beispielsweise das `warme Wasser heißer Quellen einem Wärmeumformer zugeführt,
in welchem Butan verdampft wird, welcher Butandampf sodann in Turbinen, Kolbenmaschinen
u. a. mechanische Arbeit leistet und auf dem Weg durch eine Wärmerückgewinnungsanlage
und einen Oberflächenkondensator wieder zum Ausgangspunkt zurückgeführt wird. Die
Maschinen einer Wasserdampfkraftanlage würden in einem solchen Falle infolge der
geringen Druckunterschiede derartig große Abmessungen erhalten müssen, daß sie praktisch
unausführbar wären.
-
Bei Salinen werden die Dampfschwaden, die von den offenen Verdampfungsgefäßen
aufsteigen, zur Verdampfung von Butan verwendet, das in Kraftmaschinen die thermische
Energie in mechanische Arbeit umsetzt.