DE859696C

DE859696C - Verfahren zum Betrieb von Waermekraftanlagen, in welchen ein Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf beschreibt

Info

Publication number: DE859696C
Application number: DEA3113A
Authority: DE
Original assignee: Aktiengesellschaft fuer Technische Studien
Current assignee: Aktiengesellschaft fuer Technische Studien
Priority date: 1943-10-11
Filing date: 1944-09-29
Publication date: 1952-12-15
Also published as: US2453886A; FR910180A; GB583146A

Description

Verfahren zum Betrieb von Wärmekraftanlagen, in welchen ein Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf beschreibt Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Wärmekraftanlagen, in welchen ein Arbeitsmittel einen geschlossenen Irreislauf beschreibt, wobei das durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter Leistungsabgahe an mindestens einen Nutzleistungsempfänger in mindestens einer Turbine expandiert -und hierauf in mindestens :einem Turboverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird und der expandierte Teil des ArbeitsmittLlstromes an den verdichteten, noch nicht von außen erhitzten Teil des Arbeitsmitbelstromes in einem Wärm@eaustauscher Wärme abgibt.
In solchen Wärmekraftanlagen hat die als Arbeitsmittel zur Verwendung kommende Gasart in erster Näherung wirkungsgradmäßig keinen Einfluß, so daß sich vorerst :ein Ersatz der bisher vorzugsweise als Arbeitsmittel verwendeten Luft zwecks Wirkungsgradverbesserung nicht aufdrängen würde.
Der in erster Näherung, wie erwähnt, berechnete theoretische Wirkungsgrad von Anlagen der hier in Frage kommenden Art läßt sich jedoch praktisch nicht erreichen, da dies nur der Fall wäre, wenn die W.ärmeaustauschflächen unendlich groß bemessen werden könnten. Jede endliche Flächengröße setzt somit den Wirkungsgrad herab, wobei ,dieser um so kleiner ausfällt, je kleiner die Wärmeaustauschfläche gewählt wird. Die Gasnatur wirkt sich nun dahin aus, daß bei Wahleines günstigen Gases bei gegebenen Druck- und Temperaturverlusten im Austauscher eine gegebene Fläche viel mehr Wärme übertragen kann. Von diesem Gesichtspunkt aus betrachtet, ist somit die Gasnatur wirkungsgradmäßig nicht gleichgültig.
Nähere Untersuchungen zeigen, daß sich bei Verwendung leichter Gase (kleines Atom- bzw. Molekulargewicht), bei gleichem Wirkungsgrad und gleicher Leistung der Anlage, die Abmessungen der Wärmeaustauschfläche ganz wesentlich herabsetzen lassen. Anders ausgedrückt heißt das, daß bei Verwendung leichter Gase, bei gleicher Leistung der Anlage und gleichen Abmessungen der Wärmeaustauschflächen, der Wirkungsgrad wesentlich erhöht werden kann.
Bekanntlich hängt die spezifische Wärme eines Gases außer vom Atom- bzw. Molekulargewicht auch von der Atomzahl ab. Dadurch werden in Anlagen .der :eingangs erwähnten Art bei gegebenen Temperaturen die Druckverhältnisse im Verdichter und in der Turbine je nach Art des zur Verwendung kommenden Betriebsmittels geändert, und zwar so, daß sich für einatomige Gase ein kleineres Druckverhältnis ergibt. Dies ist insofern ein Vorteil, als sich für Verdichter und Turbine bei gleichem Molekulargewicht eine geringere Stufenzahl ergibt.
Man wird so dazu geführt, als Betriebsmittel für Anlagen der -eingangs erwähnten Art vor allem leichte, einatomige Gase zu wählen. Als solche kommen in Frage: Helium (4H.e) und unter Umständen Neon (2°Ne). Letzteres ist zwar wohl noch leichter als Luft, aber der Unterschied ist kaum groß ;genug, um den relativ teuren Ersatz zu rechtfertigen. Käme :es nur auf die Leichtigkeit des als Betriebsmittel zu verwendenden Gases an, so könnten allerdings auch Wasserstoff (H.) und auf Wasserstoffbasis beruhende Mischungen mit anderen Gasen in Frage kommen. Allein, Wasserstoff weist vom betrieblichen Standpunkt aus unerwünscht,- Eigenschaften auf; so ist es feuergefährlich, ferner kann es recht unangenehme Wirkungen auf heiße Wände ausüben.
Somit bleibt gestützt auf die bisherigen Erkenntnisse als in Betracht kommendes Arbeitsmittel praktisch nur das leichte einatomige Helium übrig. Reines Helium bedingt aber den großen Nachteil, daß hei gegebenem Temperaturverhältnis für den Verdichter und insbesondere für die Turbine relativ große Stufenzahlen notwendig sind. Man kann zeigen, daß die Stufenzahl, gleiche Umfangsgeschwindigkeit vorausgesetzt, bei Verwendung von Helium näherungsweise das 5,.lfach.e derjenigen betragen müß, die es bei Verwendung von Luft !erfordert. U m nun diesen Nachteil weitgehend zu vermindern, ohne daß der wesentliche Vorteil des geringen Molekulargewichtes geopfert werden muß, wird gemäß vorliegender Erfindung als Arbeitsmittel für Wärmekraftanlagen der in Betracht kommenden Art ein Gasgemisch mit Heliumbasis und mindestens einem anderen Gas verwendet, wobei das mittlere Molekulargewicht dieses Gasgemisches zwischen minimal 5 und maximal 15 liegt und dessen Schallgeschwindigkeit bei Normaltemperatur, also z. B. 3oo' K, einerseits nicht mehr als goo m/s beträgt, anderseits aber 5oo m/s nicht unterschreitet. Die Verwendung eines solchen Gasgemisches als Arbeitsmittel steht allerdings im Widerspruch zu bekannten Vorschlägen, wonach, in der Meinung in der Turbine und im Verdichter mit kleiner Stufenzahl auskommen zu können, als Betriebsmittel nicht leichte, sondern vielmehr schwere Edelgase verwendet lverden. Dabei wird aber einmal gänzlich übersehen, daß durch das hohe Atomgewicht der betreffenden Edelgase der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers, und damit auch der ganzen Wärmekraftanlage, bei gegebenen Abmessungen vermindert wird, und daß ferner ein hohes Atombziv. Molekulargewicht des Arbeitsmittels nur dann eine Verminderung der Stufenzahl ermöglicht, wenn die Schallgeschwindigkeit des betreffenden Mediums genügend hoch über der Umfangsgeschwindigkeit der Turbomaschinen liegt. Ist das nicht der Fall,, was beim Verdichter unvermeidlich ist, so ist dann bei verminderter Stufenzahl eine beträchtliche Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades in Kauf zunehmen. Somit ist @es durchaus nicht gleichgültig, wie Mol:ekulargewicht und Schallgeschwindigkeit des zur Verwendung kommenden Betriebsmittels liegen. Die Erfindung stützt sieh auf die Erkenntnis dieser Ursachenzusammenhänge -und zeitigt nun einesteils infolge des kleinen Molekulargewichtes der verwendeten Mischung den technischen Fortschritt, daß der Wirkungsgrad der Wärmekraftanlage bei denselben Abmessungen des Wärmeaustauschers besser wird, und andernteils läßt sich die Stufenzahl der Turbomaschinen unter voller Berücksichtigung der neueren Erfahrungen betreffend Einfluß der Machscheu Zahlen so klein als möglich halten.
Zu dem die Mischungsbasis bildenden Helium können beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Gase zugesetzt werden: Luft, Stickstoff, schwerere Edelgase, wie Argon, Kohlensäure. Für die Wähl eines oder mehrerer dieser Zusatzgase sind Gesichtspunkte wie Preis, Brennbarkeit, Giftigkeit u. dgl. ausschlaggebend. Der Zusatz atmosphärischer Luft bietet den Vorteil der Billigkeit; der Zusatz reinen Stickstoffes ergibt mit dem Helium eine feuererstickende Mischung, während ein Zusatz von Argon die Vorteile der Einatomigkeit und höherer Schallgeschwindigkeit bei gleichem Mol@ekulargewicht bietet.
Es kann vorkommen, daß das im geschlossenen Kreislauf einer Wärmekraftanlage der hier in Frage kommenden Art enthaltene Gasgemisch nicht den Bedingungen nach vorliegender Erfindung entspricht, beispielsweise weil beim Füllen des Kreislaufes Fehler unterlaufen sind, oder weil durch die Stopfbüchsen der Kreiselmaschinen der Anlage mehr Helium als .ein anderes Gas der Mischung @entwichen ist. Einem Fehlbetrag eines Gases in der Mischung läßt sich verhältnismäßig leicht abhelfen, indem dann einfach der fehlende Betrag des betreffenden Gases aus einem Vorratsbehälter in den Kreislauf überströmen belassen werden kann. Schwieriger gestaltet sich die Sache, wenn die Gasmischung .einen Stoff in zu großer Menge enthält, da dann ein Teil des zuvielenthaltenen Stoffes aus der Gasmischung wenn immer möglich entfernt werden sollte, um zu vermeiden, daß die ganze, verhältnismäßig teure Füllung ersetzt werden muß. Wird als Arbeitsmittel eine Mischung von Helium und Kohlensäure verwendet und enthält eine solche Mischung zu irgendeinem Zeitpunkt aus einem der obenenvähnben Gründe zuviiel Kohlensäure, so kann dann ein Teil der Arbeitsmittelmischung in einem Nebenkreislauf einer so tiefen Temperatur ausgesetzt werden, daß sich die Kohlensäure im flüssigen oder festen Zustand aus der Mischung ausscheidet. Die auf diese Weise ausgeschiedene Kohlensäure kann sofort oder intermittierend aus dem Nebenkreislauf und damit auch aus dein Hauptkreislauf der Anlageentfernt werden.
Der Nebenkreislauf wird selbstverständlich nur gerade so lange aufrechterhalten, bis die überschüssige Kohlensäuremenge aus der Arbeitsmittelmischungentfernt ist.
Der den Nebenkreislauf durchlaufende Teil des Arbeitsmittels wird zweckmäßig von dem vom übrigen Teil des Arbeitsmittels durchströmten Kreislauf an einer Stelle abgezweigt, die zwischen der Austrittsstelle aus dem Turboverdichter und dem Eintritt des wieder auf höheren Druck gebrachten Arbeitsmittelstromes in den Wärmeaustauscherliiegt. Zweckmäßig wird ferner der Nebenkreislauf an einer Stelle in den Arbeitsmittelstrom zurückgeführt, die vor der Stelle liegt, an welcher der wieder auf höheren Druck gebrachte Arbeitsmittelstrom in den Wärmeaustauscher tritt. In diesem Fall ist, um den Nebenkreislauf aufrechtzuerhalten, in denselben lein Gebläse einzubauen.
Zur Abkühlung des Nebenkreislaufes Mt sich Trockeneis, in einer Kälteanlage abgekühlte Sole verwenden, oder es kann auch der Verdampfer einer Kälteanlage in den Nebenkreislauf leingebaut werden.
Wärmekraftanlagen der in Betracht kommenden Art werden häufig zum Antrieb von Leistungsaufnehmern verwendet, die durch Gasse gekühlt werden. müssen, so z. B. von elektrischen Generatoren. Es ist wohl bekannt, ;daß sich in diesem Zusammenhang Vorteile erzielen lassen, wenn als Kühlgase leichte Gase, wie Wasserstoff und Helium, verwendet werden. In vorteilhafter Weise kann nun zur Kühlung des Leistungsaufnehmers gerade ein Gasgemisch von derselben Zusammensetzung, wie ges gemäß der Erfindung zum Betrieb der Wärmekraftanlage verwendet wird, benutzt werden. Mischungen von Helium mit Stickstoff oder mit Kohlensäure reignen sich wegen der Abwesenheit von Sauerstoff besonders gut zur Kühlung des Leistungsaufnehmers.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Betrieb von Wärmekraftanlagen, in welchen. ein Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf beschreibt, wobei das ,durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter Leistungsabgabe an mindestens einen Nutzleistungsempfäng:er in mindestens einer Turbine expandiert und hierauf in mindestens einem Turboverdichter weder auf höheren Druck gebracht wird und der expandierte Teil des Arbeitsmittelstromes an den verdichteten, noch nicht von außen .erhitzten Teil des Arbeitsmittelstrom:es in einem W.ärmeaustauscher Wärme abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsmittel ein Gasgemisch mit Heliumbasis und mindestens einem anderen Gas verwendet wird, wobei .das mittlere Molekulargewicht dieses Gasgemisches größer als 5, jedoch kleiner als 15 ist und dessen Schallgeschwindigkeit bei Normaltemperatur nicht mehr als goo m/s und nicht weniger als 5oo m/s beträgt.
2. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlagenach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, :daß als Betriebsmittel eine Mischung von Helium und mindestens einem der Gase Luft, Stickstoff, Argon, Kohlensäure verwendet wird.
3. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage nach Anspruch i, deren Leistungsempfänger zu kühlen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Leistungsempfängers ,ein Gemisch von derselben Zusammensetzung, wie @es zum Betrieb der Wärmekraftanlage dient" verwendet wird.
4. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage mach Anspruch i, in welcher ,als Arbeitsmittel leine Mischung von Helium und Kohlensäure zur Verwendung kommt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zu großen Kohlensäuregehalt in der Arbeitsmittelmischung ein Teil derselben in einem Nebenkreislauf einer so tiefen Temperatur ausgesetzt wird, daß sich die Kohlensäure im flüssigen oder festen Zustand aus der Mischung ausscheidet und die so ausgeschiedene Kohlensäure aus dem Nebenkreislauf entfernt wird.
5. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage nach den Ansprüchen i und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Nebenkreislauf durchlaufende Teil des Arbeitsmittels von dem vom übrigen Arbeitsmittelteil durchströmten Kreislauf an einer Stelle abgezweigt wird, die zwischen. der Austrittsstelle des Turboverdichters und dem Eintritt des wieder auf höheren Druck gebrachten Arbeitsmitt.elstronies in den Wärmeaustauscher liegt.
6. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage nach den Ansprüchen i, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der N.erenkreislauf vor dem Eintritt des wieder auf höheren Druck gebrachten Arbeitsmittelstromes in den Wärmeaustauscher in diesen Strom zurückgeführt wird.
7. Verfahren. zum Betrieb einer Wärmekraftanlage nach den Ansprüchen i und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkreislauf nur gerade so lange aufrechterhalten wird, bis die überschüssige Menge Kohlensäure aus der Arbeitsmittelmischung entfernt worden ist: