DEP0039293DA - Verfahren zum Betriebe von Dampfkraftmaschinen - Google Patents

Description

Bekanntlich wird ein Dampfkraftmaschinenprozess in folgender Weise durchgeführt: Zunächst wird Wasser mittels einer Speisepumpe auf einen bestimmten Druck p1 gefördert und unter diesem Druck bei der dazu gehörigen Sättigungstemperatur t1 in einem Dampfkessel verdampft. Anschließend wird der gebildete Dampf in einem nachgeschalteten Erhitzer auf eine Temperatur t überhitzt, deren Höhe durch die zulässige Materialbeanspruchung begrenzt ist. Der überhitzte Dampf tritt nunmehr in eine Dampfmaschine (Kolbenmaschine oder Turbine) ein und wird in dieser bis auf einen Druck p0 entspannt, wobei die Maschine eine entsprechende Arbeit nach außen abgibt. Aus der Dampfmaschine entweicht der Dampf entweder ins Freie oder in einen Kondensator, in dem er dann durch Wärmeentzug niedergeschlagen wird, so daß der Kreislauf damit geschlossen ist. Der Verlauf eines derartigen Prozesses läßt sich besonders gut anhand des Temperatur-Entropie-Diagramms (T-S-Diagramm) verfolgen und ist in Abbildung 1 dargestellt. Dabei wurde von Verlusten abgesehen und adiabatische Entspannung vorausgesetzt. In Abbildung 1 stellt der Kurvenzug 1 - 2 die Druckerhöhung des Speisewassers, 2 - 3 dessen Vorwärmung auf die Siedetemperatur, 3 - 4 die Verdampfung, 4 - 5 die Überhitzung dar. Die Senkrechte 5 - 6 entspricht der adiabatischen Entspannung und die Waagerechte 6 - 1 der Kondensation des Dampfes. Die geleistete Arbeit wird durch die Fläche 1-2-3-4-5-6, die zuzuführende Wärme durch die Fläche 2-3-4-5-7-8 und die abzuführende Kondensationswärme durch die Fläche 1-6-7-8 dargestellt.

Der Wirkungsgrad dieses üblichen Dampfmaschinenprozesses kann auf verschiedene Weise verbessert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Frischdampf in der Dampfmaschine nicht bis auf den Druck p(sub)0, sondern nur bis auf einen Zwischendruck p(sub)z entspannt und anschließend erneut überhitzt wird. Diese Zwischenüberhitzung kann mehrfach wiederholt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man der Dampfmaschine an einer oder mehreren Stellen Dampf entnimmt und durch dessen Kondensation das dem Kessel zugeführte Speisewasser vorwärmt.

Die Erfindung hat demgegenüber zum Ziel, die Wirtschaftlichkeit eines Dampfkraftmaschinenprozesses durch eine grundsätzliche Änderung des Prozeßverlaufes zu steigern. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Prozesses besteht darin, daß bei starker Überhitzung des Frischdampfes die Umsetzung der Dampfenergie in mechanische Arbeit auf den oberen Überhitzungsbereich beschränkt ist, und daß die Überhitzungswärme des Abdampfes zur Vorüberhitzung des Frischdampfes in einem Wärmeaustauscher ausgenutzt wird. Dabei empfiehlt es sich, die restliche Überhitzungswärme des Abdampfes zur Vorwärmung des flüssigen Arbeitsmittels auszunutzen. Sofern hierauf aus besonderen Gründen kein Wert gelegt wird, empfiehlt es sich unter Umständen, die restliche Überhitzungswärme des Abdampfes dadurch abzuführen, daß man Kondensat in den Abdampf einspritzt.

Der Verlauf des erfindungsgemäßen Prozesses läßt sich am besten im T-S-Diagramm gemäß Abb. 2 verfolgen. Dabei wurden, wie bei der Darstellung gemäß Abb. 1, die praktisch auftretenden Verluste vernachlässigt, wodurch aber die Grundlage und das Wesen der Erfindung keine Änderung erfahren.

Flüssigkeit vom Druck p(sub)0 und der Temperatur t(sub)0 (Punkt 1) wird mittels einer Speisepumpe auf den Verdampfungsdruck p(sub)1 gefördert (Punkt 2). Nunmehr wird die Flüssigkeit in einem Vorwärmer auf die dem Druck p(sub)1 zugehörige Verdampfungstemperatur t(sub)1 erwärmt (Punkt 3) und anschließend durch weitere Wärmezufuhr verdampft, so daß trocken gesättigter Dampf vom Druck p(sub)1 und von der Temperatur t(sub)1 (Punkt 4) entsteht. Dieser Dampf wird in einem Wärmeaustauscher bei konstantem Druck bis auf die Temperatur t(sub)3 vorüberhitzt (Punkt 5). Anschließend wird dem Dampf in einem Überhitzer noch eine weitere Wärmemenge zugeführt, wobei der Druck ebenfalls konstant bleibt, während die Temperatur auf den Wert t steigt. Damit hat der Dampf den Zustand erreicht (Punkt 6), mit dem er der Dampfmaschine zuströmt. Wird dem Dampf während der Entspannung in der Dampfmaschine keine Wärme zugeführt, so wird die Entspannung im T-S-Diagramm durch eine durch den Punkt 6 verlaufende Senkrechte bis zu deren Schnittpunkt mit der Linie des konstanten Druckes p(sub)0 dargestellt. Der Zustand des Dampfes nach seinem Austritt aus der

Dampfmaschine ist also durch Punkt 7 gegeben, wobei sich der Dampf wegen der Leistung von äußerer Arbeit bis auf die Temperatur t(sub)3 abgekühlt hat. Mit dieser Temperatur und dem Druck p(sub)0 wird der Dampf dem Wärmetauscher zugeleitet, in dem er im Gegenstrom zum Hochdruckdampf die in ihm enthaltene Wärme an den Hochdruckdampf abgibt und sich bis auf die Eintrittstemperatur des Hochdruckdampfes t(sub)1 abkühlt. Der Dampf verläßt den Wärmetauscher also in einem Zustand, der Punkt 8 entspricht. Nunmehr wird ihm noch soviel Wärme entzogen, daß er sich bis auf die dem Druck p(sub)0 zugehörige Sättigungstemperatur t(sub)0 abkühlt (Punkt 9). Schließlich wird in einem Kondensator die Kondensationswärme abgeführt, so daß der Ausgangspunkt (Punkt 1) wieder erreicht ist.

Die geleistete Arbeit wird durch die Fläche 1-2-3-4-5-6-7-8-9-1 dargestellt, die im übrigen gerade so groß ist wie die Fläche 5-6-10-11. Die zuzuführende Wärme setzt sich aus zwei Beträgen Q(sub)1 und Q(sub)2, zusammen. Der eine entspricht der Fläche 2-3-4-12-13 und wird bei dem niedrigen Temperaturniveau t(sub)1 benötigt. Der zweite entspricht der Fläche 5-6-10-11; er ist also gerade so groß wie die geleistete Arbeit und muß bei dem höheren Temperaturniveau aufgebracht werden. Die Wärmemenge Q(sub)1, die dem Prozeß bei der niedrigen Temperatur t(sub)1 zugeführt werden muß, ist im allgemeinen bedeutend größer als die Wärmemenge Q(sub)2. Da die Temperatur t(sub)1 sehr viel kleiner ist als die Temperatur t, kann für die Deckung der Wärmemenge Q(sub)1 mehr oder weniger minderwertige Abwärme herangezogen werden. Lediglich zur Deckung der Wärmemenge Q(sub)2 muß Brennstoff oder hochwertige

Abwärme aufgewandt werden. Dafür wird aber die aufgewandte hochwertige Wärme vollständig in Arbeit umgewandelt, wenn von Verlusten durch Wärmeleitung und Reibung abgesehen wird.

Für die Beheizung des Verdampfers können beispielsweise kondensierender Abdampf oder Flüssigkeiten, deren Temperatur höher als t(sub)1 ist, oder Abgase beliebiger Art herangezogen werden. Die Verdampfung kann auch auf die Weise erreicht werden, daß eine unter höherem Druck stehende Flüssigkeit um einen bestimmten Betrag bis mehr oder weniger nahe an die Siedetemperatur heran erwärmt und dann durch ein Drosselventil entspannt wird. Dabei bildet sich eine gewisse Dampfmenge; die Temperatur der Restflüssigkeit ist niedriger als vor dem Drosselvorgang, so daß die Flüssigkeit nach vorhergehender Verdichtung auf den Anfangsdruck erneut wärme aufnehmen kann. Auf diese Weise kann beispielsweise bei flüssigkeitsgekühlten Maschinen die gesamte Kühlwärme nutzbar gemacht werden. Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, daß für den Verdampfungsvorgang jede beliebige Wärmequelle, insbesondere auch minderwertige Abwärme, nutzbar gemacht werden kann.

Weiterhin ist es möglich, den Dampf einer bereits bestehenden Dampfkraftanlage an einer beliebigen Stelle, etwa nach Entspannung auf einen bestimmten Zwischendruck, zu entnehmen und mit diesem Dampf den erläuterten Prozeß durchzuführen.

Dank der Einschaltung eines Wärmeaustauschers in den Prozeß braucht ein Teil der zur Überhitzung des Dampfes notwendigen Wärme nicht von außen zugeführt zu werden, sondern kann der im Abdampf enthaltenen Abwärme entnommen werden. Diese Wärmemenge entspricht der Fläche 4-5-11-12 in Abb. 2. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich daraus, daß beim verlustbehafteten Prozeß die bei dem hohen Temperaturniveau t zuzuführende Wärmemenge Q(sub)2 im gleichen Umfang kleiner wird, wie die von der Dampfmaschine geleistete Arbeit wegen der bei der Entspannung auftretenden Verluste zurückgeht. Solange von Verlusten des Wärmeaustauschers - die im übrigen beliebig klein gehalten werden können - und von Wärmeabstrahlungsverlusten abgesehen wird, ist nämlich die Wärmemenge Q(sub)2 immer genau so groß wie die von der Dampfmaschine geleistete Arbeit. Dies ist unabhängig vom Wirkungsgrad der Dampfmaschine und von der Art der Entspannung, die adiabatisch, isotherm oder mit Zwischenüberhitzung erfolgen kann. Denkt man sich den Gesamtprozeß in zwei Teilprozesse zerlegt, von denen der eine als reiner Kondensationsprozeß arbeitet und die Arbeit AL(sub)1 erzeugt (Abb. 3), während der zweite Teilprozeß dem ersten aufgestockt ist und die Arbeit AL(sub)2 leistet, dann ergibt sich folgender Sachverhalt: Der thermische Wirkungsgrad des ersten Prozesses wird in bekannter Weise durch den Wirkungsgrad der Dampfmaschine beeinflußt. Der Wirkungsgraf des aufgestockten Prozesses ist dagegen vom Dampfmaschinenwirkungsgrad unabhängig und erreicht fast die Größe des

Wirkungsgrades eines Carnot-Prozesses zwischen den Temperaturen t und t(sub)0. Diese Tatsache bedeutet aber einen ganz grundlegenden Fortschritt.

Abb. 4 zeigt das Schaltschema einer Anlage im Sinne der Erfindung, wobei einmalige Zwischenüberhitzung angewandt und die restliche Überhitzungswärme des aus dem Wärmeaustauscher austretenden Abdampfes zur Vorwärmung des Speisewassers ausgenutzt wird. Das anfallende Kondensat wird durch die Speisepumpe 21 dem Vorwärmer 22 und anschließend dem Verdampfer 23 zugeführt. Der den Verdampfer verlassende gesättigte Dampf strömt durch den Wärmeaustauscher 24, den er bereits stark überhitzt verläßt, um im Überhitzer 25 auf die Höchsttemperatur überhitzt zu werden. Nunmehr gelangt der Dampf in die erste Stufe 26 der Dampfmaschine, kühlt sich bei der Entspannung um einen bestimmten Betrag ab und wird dann im Zwischenüberhitzer 27 nochmals überhitzt. In der zweiten Stufe 28 der Dampfmaschine wird er auf den Gegendruck entspannt und strömt dann durch den Wärmeaustauscher 24 und den Flüssigkeitsvorwärmer 22 in den Kondensator 29, in dem er niedergeschlagen wird.

Als Wärmeaustauscher 24 für die Vorüberhitzung kommen alle bekannten Bauarten in Betracht, die einen kontinuierlichen Wärmeaustausch zwischen dem verdichteten und dem entspannten Dampf ermöglichen, wie Rohrgegenströmer, Kreuzgegenströmer, Plattenwärmeaustauscher und ähnliche. Es ist jedoch zu beachten, daß solche Apparate sehr kostspielig sind, wenn ein möglichst vollständiger Wärmeaus- tausch erreicht werden soll. Wesentlich günstigere Verhältnisse bestehen dagegen, wenn entsprechend einer besonderen Empfehlung der Erfindung als Wärmeaustauscher kontinuierlich oder diskontinuierlich durchströmte Regeneratoren verwendet werden. Bei diesen wird die vom Abdampf abgegebene Wärme zunächst über eine wärmespeichernde Masse an den zu überhitzenden Frischdampf abgegeben. Die Speichermasse kann beispielsweise in zwei Apparaten untergebracht werden, die wechselweise von den beiden Dämpfen durchströmt werden. Sie kann aber auch nacheinander durch die beiden Apparate hindurchbewegt werden in solcher Weise, daß die in dem einen Apparat erwärmte Masse in den anderen überführt, hier wieder abgekühlt und erneut in den ersten Apparat zur Wärmeaufnahme zurückgeführt wird. Schließlich kann die Speichermasse ähnlich wie bei bekannten Wärmeaustauschern in Form einer drehbaren Scheibe oder auch in Form einer drehbaren Trommel angeordnet werden. Solche Regeneratoren zeichnen sich bei geringen Baukosten und sparstoffarmer Bauweise durch besonders gute Wärmeübertragungsverhältnisse und geringe Drosselverluste aus, wenn die Speichermasse entsprechend fein unterteilt und zweckdienlich angeordnet wird. Mit Hilfe dieser Apparateart kann daher unter Zugrundelegung gleiche Baukosten ein erheblich größerer Teil der im Abdampf enthaltenen Wärme auf den Frischdampf übertragen werden, als es mit Hilfe der übrigen Wärmeaustauscher möglich ist. Das erstrebte Ziel, den Bedarf an Frischwärme möglichst klein zu halten, wird also durch die Anwendung von Regeneratoren in besonders vorteilhafter Weise erreicht.

Für die abschließende Überhitzung des Dampfes eignen sich neben den üblichen Überhitzerbauarten ebenfalls Regeneratoren. Besonders günstige Wärmeübertragungsbedingungen ergeben sich, wenn die Wärme vermittels einer heißen Flüssigkeit, z.B. flüssigen Metalls, übertragen wird, das in den zu überhitzenden Dampf eingetropft oder eingesprüht wird.

Während der Entspannung kann der Dampf beliebig oft zwischenüberhitzt werden; es ist auch möglich, die Entspannung durch laufende Wärmezufuhr isotherm oder polytropisch verlaufen zu lassen. Auch diese Zwischenüberhitzung kann auf die in dem vorhergehenden Absatz beschriebene Weise durchgeführt werden. In all diesen Fällen bedingt die gegenüber der adiabatischen Entspannung steigende Temperatur des Abdampfes keinen Wärmeverlust; vielmehr wird die nun größer gewordene Abwärmemenge ebenfalls im Wärmeaustauscher auf den verdichteten Dampf übertragen und damit eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Verfahrens erreicht.

Als Arbeitsmittel für den Prozess kommen außer Wasser bzw. Wasserdampf alle verdampfbaren Flüssigkeiten in Betracht. Zweckmäßig wird man jeweils das für die vorliegenden Betriebsbedingungen günstigste Arbeitsmittel auswählen. Dabei werden mit besonderem Vorteil solche Flüssigkeiten verwendet, deren Dampfdrücke bei der Verdampfung nicht zu groß und bei der Kondensation nicht zu klein werden. Würden nämlich sehr hohe Drücke auftreten, so würde dadurch die höchstzulässige Frischdampftemperatur in unerwünschter Weise herabgesetzt werden. Im Falle sehr kleiner Kondensationsdrücke würden einerseits die durch Reibung verursachten Druckverluste unverhältnismäßig stark ansteigen, andererseits die für eine bestimmte Leistung in Umlauf zu haltenden Dampfvolumina und damit auch die Maschinen- und Apparateabmessungen sehr groß ausfallen. Mit Rücksicht hierauf werden sich neben Wasser solche Arbeitsmittel am besten für die Durchführung des Prozesses eignen, deren Dampfspannung mit wachsender Sättigungstemperatur möglichst langsam ansteigt. Besonders zweckmäßig werden Flüssigkeiten sein, deren Dampfspannungskurve bei logarithmischer Auftragung des Siededrucks als Ordinate und der zugehörigen Siedetemperatur als Abszisse flacher verläuft als diejenige von Wasser. Dazu gehören z.B. Ammoniak, Fluor-Chlor-Derivate der Kohlenwasserstoffe, Toluol und dergleichen.

Besonders günstige Betriebsbedingungen bestehen, wenn gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung mehrere Prozesse der beschriebenen Art, die gegebenenfalls verschiedenartige Flüssigkeiten als Arbeitsmittel benutzen, in Kaskade hintereinander geschaltet werden. Dabei dient die in dem vorgeschalteten Prozeß frei werdende Kondensationsmenge dazu, die Flüssigkeit in dem jeweil nachgeschalteten Prozeß zu verdampfen. Es kann zweckmäßig sein, die einzelnen Wärmetauscher abweichend von der bisherigen Erläuterung so anzuordnen, daß der Abdampf des ersten Prozesses zur Erwärmung des Frischdampfes des zweiten Prozesses, der Abdampf des zweiten Prozesses zur Erwärmung des Frischdampfes des dritten Prozesses usw. und schließlich der Abdampf des letzten Prozesses zur Erwärmung des Frischdampfes des ersten Prozesses dient. Die dann noch im Abdampf des letzten Pro- zesses verbleibende Wärmemenge kann dazu herangezogen werden, um die verschiedenen Flüssigkeiten von ihrer Kondensationstemperatur aus vorzuwärmen.

Es bestehen im Rahmen der Erfindung noch zahlreiche weitere Kombinationsmöglichkeiten. Insbesondere wird es möglich sein, bei dem erfindungsgemäßen Prozeß alle die Besonderheiten anzuwenden, die sich in Verbindung mit dem bekannten Dampfkraftmaschinenprozess als zweckmäßig erwiesen haben.

Im übrigen ist man bei dem erfindungsgemäßen Prozeß nicht gezwungen, mit Kondensation zu arbeiten; der Prozeß läßt sich vielmehr auch durchführen, wenn der Arbeitsdampf aus dem Wärmeaustauscher ins Freie auspuffen kann.

Claims (10)

1.) Verfahren zum Betriebe von Dampfkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß bei starker Überhitzung des Frischdampfes die Umsetzung der Dampfenergie in mechanische Arbeit auf den oberen Überhitzungsbereich beschränkt ist und daß die Überhitzungswärme des Abdampfes zur Vorüberhitzung des Frischdampfes des gleichen oder eines parallelen Prozesses ausgenutzt wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausnutzung der restlichen Überhitzungswärme des Abdampfes zur Vorwärmung des flüssigen Arbeitsmittels des gleichen und/oder eines oder mehrerer paralleler Prozesse.

3.) Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 2, gekennzeichnet durch die Durchführung der Verdampfung mittels Abwärme von niedrigem Temperaturniveau, z.B. mittels kondensierenden Abdampfes eines beliebigen, gegebenenfalls parallelen und gleichartigen Prozesses, heißer Flüssigkeiten oder Abgase beliebiger Art.

4.) Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 2, gekennzeichnet durch seine Durchführung mit durch Drosselung heisser Druckflüssigkeit, z.B. Kühlflüssigkeit, erzeugtem Dampf.

5.) Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 2, gekennzeichnet durch seine Durchführung mit Zwischendampf eines parallelen Prozesses.

6.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorüberhitzung des Dampfes in regenerativen Wärmeaustausch durchgeführt wird.

7.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die abschließende Überhitzung des Dampfes in regenerativen Wärmeaustausch durchgeführt wird.

8.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf durch Einspritzung einer heissen Flüssigkeit, zweckmäßig schmelzflüssigen Metalls, überhitzt wird.

9.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem überhitzten Dampf während der Entspannung stetig oder stufenweise Wärme zugeführt wird.

10.) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Wasser oder zweckmäßig von Flüssigkeiten, z.B. Ammoniak, Fluor-Chlor-Derivaten der Kohlenwasserstoffe, Toluol und dergleichen, deren Dampfspannungskurve bei logarithmischer Auftragung des Siededrucks als Ordinate flacher verläuft als diejenige von Wasser als Arbeitsmittel.