EP1270877B1 - Wärmetransformation mit Rückverdichtung - Google Patents

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EP1270877B1
EP1270877B1 EP02013142A EP02013142A EP1270877B1 EP 1270877 B1 EP1270877 B1 EP 1270877B1 EP 02013142 A EP02013142 A EP 02013142A EP 02013142 A EP02013142 A EP 02013142A EP 1270877 B1 EP1270877 B1 EP 1270877B1
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K19/02—Regenerating by compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating

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  • the invention has for its object in a corresponding Patent DE 199 16 684 working power plant in the exhaust steam Using energy better.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregats, z.B. eines Hilschrohres, bei dem ein Dampfstrom, insbesondere ein Sattdampfstrom, im Wirbelaggregat in einen erwärmten Teilstrom und in einen abgekühlten Teilstrom aufgeteilt wird und im abgekühlten Teilstrom eine Kondensation stattfindet, und das Kondensat nach Druckerhöhung durch eine Pumpe die Wärme des erwärmten Teilstromes aufnimmt und verdampft und der Dampf nach Arbeitsleistung in einer Arbeitsmaschine in die Wirbelströmung zurückgeführt wird entsprechend dem Patent DE 199 16 684.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem entsprechend der Patentschrift DE 199 16 684 arbeitenden Kraftwerk die im Abdampf befindliche Energie besser zu nutzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Restdampfmenge mittels eines Dampfverdichters verdichtet einem Wirbelaggregat (W) zugeführt wird, wobei die Restdampfmenge aus dem Warmstromanteil des letzten Wirbelaggregates und der Abdampf der letzten Arbeitsmaschine besteht.
In Abweichung von dem in der Patentschrift DE 199 16 684 beschriebenen Verfahren ist es nicht so sehr von Bedeutung, in einem einzigen Durchlauf durch das Transformations-System durch möglichst viele in Reihe geschalteter Trafostufen eine möglichst hohe Verringerung der im Kondensator niederzuschlagenden Abdampfmenge zu erreichen, da eine Rückverdichtung erfolgt.
So kann auch eine lohnende Mehrleistung der Turbine gegenüber dem Verdichter einen einstufigen Transformations-Prozeß wirtschaftlich vertretbar machen. Allerdings steigt mit der Abnahme der Leistungsdifferenz zwischen Verdichter und Turbine bei nur einer Trafostufe die Anzahl der erforderlichen Durchläufe.
Anstelle einer Dampfabgabe aus einer vorhandenen Anlage kann natürlich auch Dampf aus anderen Quellen bezogen bzw. über Dampfverdichter eingespeist werden. So kann aus einer thermischen Meerwasserentsalzungsanlage in der Dampfphase über Verdichtung eine Einspeisung erfolgen, wobei der Dampf nach Nutzung zur Energieerzeugung wieder als Kondensat abgegeben wird. Ähnlich kann bei solar, mittels Erdwärme oder sonstwie erzeugtem Heißwasser Dampf durch Ausdampfung gewonnen werden.
Bei der Optimierung des Transformations-Prozesses bringt eine Abweichung der erreichbaren Turbinenleistung weniger eine Änderung des Prozeß-Wirkungsgrades als vielmehr eine Erhöhung der Zahl der Durchläufe über die Rückverdichtung, dadurch einen Anstieg der erforderlichen Anlagenkapazität und der Kosten, da ja die vorstehend einzeln betrachteten Durchläufe in Wirklichkeit gemeinsam gleichzeitig ablaufen.
Wesentlich ist also, daß die erzielte Turbinenleistung möglichst hoch über der Verdichterleistung liegt, um die Anzahl der Durchläufe und damit die Kapazität der Komponenten zu begrenzen. Eine Leistungsgleichheit würde den Trafo-Prozeß verhindern. Eine Unterschreitung der Bandbreite der vertretbaren Leistungsdifferenz würde durch eine zu hohe Umlaufzahl die Anlage bis zur Unwirtschaftlichkeit verteuern.
So liegt auch die vereinfachte Einbeziehung von drei Kondensationsturbinen ohne Vakuumentwässerung und des Verdichters ohne Zwischenkühlung im Rahmen der Bandbreite einer Überschlagsrechnung.
Da bei Fremd-Dampfeinspeisung die Wärmezufuhr infolge der Verdichtung nur gering ist gegenüber der weit größeren Dampfenthalpie, so ist sie meist wirtschaftlich lohnend, denn nicht Exergie, sondern Energie ist maßgebend. So kann auch das Druckniveau des Transformations-Prozesses zwecks optimaler Abmessungen angehoben werden.
Bei den allgemeinen Rückverdichtungskreisläufen und den Projektuntersuchungen war die Effektivität vorwiegend bestimmt durch den Temperaturunterschied zwischen Expansion und Kompression. Bei der Rückverdichtung in Verbindung mit einem Wärmetransformator findet der Arbeitsprozeß jedoch überwiegend im Satt- und Naßdampfgebiet statt. Auch wird hier keine Wärme zugeführt, sondern die vorhandene latente Wärme des Arbeitsmediums umgesetzt, bis der Dampf weitgehend kondensiert ist.
Der Wirkungsgrad der Transformation ohne Rückverdichtung erhöht sich gleitend in Abhängigkeit von der Güte der Randbedingungen, wie Anzahl und Druckverlust der Trafostufen, Höhe, der Größe des Kaltstromanteils und dessen Temperaturdifferenz zum Warmstrom.
Diese Kriterien beeinflussen bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kraftwerk vorrangig die Kosten. Das Maß der Leistungsdifferenz zwischen Turbine und Verdichter ist dabei allein entscheidend für die Ausführbarkeit, da hiervon das Maß der Umläufe, also die Kapazität der Anlage und somit deren Kosten abhängen. Lassen diese eine Rückverdichtungsanlage wirtschaftlich erscheinen, dann rückt ein innerer Wirkungsgrad nahe an 100% in Reichweite.
Zur Frage der Ausführbarkeit folgendes: Beim Hilschrohr ist die Wärmetrennung mit Luft experimentell nachgewiesen. Es ist zu erwarten, daß auch mit Dampf und eingepaßtem Wirbelaggregat ein entsprechender Effekt eintritt. Schließlich zeigt die Natur, daß beim Tornado eine Kondensation erfolgt. Diese Wirkungsweise wäre technisch zu erfassen und nachzuahmen.
Die Abwärme eines Kraftwerkes kann dann statt in einem Kondensator und Kühlturm in ein neues Kraftwerk mit stufenweiser Transformation und Rückverdichtung eingeleitet werden und eine Leistung ohne zusätzlichen Brennstoffeinsatz erzeugen.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kraftwerkes.
In den Zeichnungen bedeuten
A =
Altanlage
N =
Neuanlage
G =
Generator
T =
Turbine
W =
Wirbelaggregat
P =
Pumpe
V =
Verdampfer
K =
Kompressor
m =
(kg/s ) relativ
1m =
100 % Zudampf
p =
(bar) Druck
pi =
Staudruck
t =
(°C) Temperatur
h =
(kJ/kg) Enthalpie
B =
Kondensatbehälter
Bei dem Kondensationskraftwerk nach Fig. 1 strömt Dampf aus einer Turbine T0 einer vorhandenen Altanlage A über eine Leitung 1 einem Wirbelaggregat W1 zu und wird in zwei Teilströme unterschiedlicher Temperatur aufgeteilt. Der kältere Teilstrom kondensiert, und das Kondensat wird über eine Leitung 2 einer Pumpe P1 zur Druckerhöhung zugeführt. Anschließend nimmt das Kondensat im Verdampfer V1 die vom Warmstrom aufgenommene und transportierte Kondensationswärme des Kaltstroms auf und verdampft. Der Dampf strömt über eine Leitung 5 der Turbine T1 zu. Nach Arbeitsleistung wird der Dampf über eine Leitung 7 in das Wirbelaggregat W2 der nächst niederen Stufe eingeführt.
Der im Verdampfer V1 bereits auf seine Eingangsenthalpie abgekühlte Warmstromanteil des Wirbelaggregats W1 wird über eine Leitung 8 dem Wirbelaggregat W2 zugeführt. Es können eine oder mehrere Wirbelaggregat-Stufen vorgesehen sein, in denen sich die Aufteilung in jeweils zwei Teilströme wiederholt.
In einer Berechnung eines Kraftwerkes mit Rückverdichtung gemäß Fig. 1 wurde in Fig. 2 das Verhältnis von Kalt- zu Warmstrom auf 2:1 gesetzt und zum Teil angenommene Ausgangsdaten bei den einzelnen Wärmetransformationsstufen eingetragen. Es wird ein in sich geschlossener Kreislauf dargestellt als Grundlage für eine Überschlagsrechnung an einem Beispiel.
Mit den eingesetzten Werten ergibt sich bei einer Zudampfmenge von 1m (1m = 1 kg/s - symbolisch für 100 %) eine innere Dampfturbinenleistung von insgesamt ca. 940 KWi bei drei Transformationsstufen mit den jeweils zugeordneten Teilturbinen. Dabei beträgt die Minderleistung der vorhandenen Entnahmeturbine T0 Δ N = 1m · (2545 - 2340) h · 0,98 = 200 KWi (h = kJ/kg) bei einer an das System abgegebenen Wärmemenge von Q = 1m (2545 - 163) h = 2382 KW th, d.h. der fiktive Teilwirkungsgrad für die Entnahmedampfmenge zu 1m würde unter Berücksichtigung der Kondensationswärme lediglich betragen η = 200 KWi : 2382 KWth = 0,084,
Demgegenüber zeigt das erfindungsgemäße Konzept gemäß Fig. 2 die gleiche Gesamtleistung von 940 KWi. Nach Abzug von 200 KWi Minderleistung verbleiben 740 KWi bzw. Ne = ca. 740 KWi 0,96 = 710 KWe.
Zur Kontrolle beträgt die umgesetzte Wärmemenge beim ersten Durchlauf gemäß Fig. 2
1. Durchlauf
Q ein = 1 m · 2545 h = 2545 KW th
Q aus = o,702 m · 2171 h = 1524 KW th
Q Kondensat = 0,298 m · 212 h = 63 KW th
Differenz = 958 KW th
   Ni = 940 KW i
   Nel = 910 KW e
Das erfindungsgemäße Konzept besteht nun darin, daß die dem Kondensator zuströmende Abdampfmenge von 0,702 m bei 0,07 bar durch Rückverdichtung bei vorheriger Entwässerung und nachfolgender Einspritzkühlung auf den ursprünglichen Eingangswert von 0,56 bar bei 2545 h wieder eingespeist wird. Dabei beträgt die hierfür erforderliche Verdichterleistung 280 KW.
Allerdings sinkt nun die verdichtete Zudampfmenge auf 0,71 m gegenüber ursprünglich 1,0 m. Nach diesem ersten Durchlauf beginnt ein sich mit der Rückverdichtung wiederholender Umlauf, wobei sich der jeweilige Massenstrom auf 71% des vorherigen Umlaufs verringert.
2. Umlauf - Bilanz
Q zu = 0,71 m · 2545 h = 1800 KW th
Q aus = 0,71 m (0,702 m · 2171 h - 63 h) = 1145 KW th
   Differenz Q = 655 KW th
zum Vergleich: N = 0,71 · 910 KW - 280 KW = 646-280 = 366KWe
Da die Wärmemenge in wiederholten Umläufen mit Rückverdichtung (280 KW) abgearbeitet wird, ergeben sich abhängig von der jeweiligen Umlaufzahl die folgenden Werte:
Umlauf 1 2 3 4 5 6 10
Ne des Umlaufs (KW) 710 366 260 184 131 93 24
Ne gesamt (KW) 710 1076 1336 1520 1651 1744 1914
Wirkungsgrad ( % ) 29,8 43,6 56,1 63,8 69,3 73,2 80,3
bezogen auf 2382 h /kJ/kg).
Nach dem zehnten Umlauf wird ein Wirkungsgrad von etwa 80% erreicht. Somit steht der durch die Dampfentnahme entstandenen Minderleistung von 200 KW eine Leistung im Trafosystem von nunmehr ca. 1900 KWe gegenüber. Die kursierende Umlaufdampfmenge erreicht hierbei fast den dreifachen Wert der Eintrittsdampfmenge, was eine entsprechend große Kapazität der Anlage erfordert.
Diese Überschlagsrechnung soll lediglich die Tendenz veranschaulichen. Die angenommenen Randbedingungen können sich je nach Versuchsergebnis noch ändern.
Die Wärmeübertragung bei der Transformation ist ein kontinuierlicher Prozeß, wobei die Kondensationswärme des Kaltstromes nicht auf die Warmstromenthalpie aufgestockt wird, sondern die Wärmeübertragung kontinuierlich gleitend erfolgt und zur Verdampfung dient. Nachstehend soll der Zusammenhang aufgezeigt werden, daß letztlich die erzeugte Turbinenleistung der Verdampfungswärme des abgeführten Kondensates entspricht. Am Turbinenaustritt ist die Dampfenthalpie infolge der Arbeitsleistung verringert, wodurch dieser Dampf nur eine geringere Menge an sekundärem Sattdampf erzeugen kann. Das überflüssige Kondensat, das ohne externe Wärmeabfuhr kondensiert, wird über die Entwässerung abgeführt.
Die erzeugte Leistung von ca. 940 KWi entspricht in der Größenordnung jener Wärmemenge, die bei der Kondensation der aus dem System abgegebenen Kondensatmenge frei wird, und zwar
  • 1. aus den Trafostufen mit Q Kond = 0,298 m · (2545-212) h = 695 KW th und
  • 2. aus der Entwässerung vor Verdichter: Q Kond = 0,117 · (2545-163) h = 278 KW th Σ Q Kond = 695 + 278 = 973 KW th.
    • Die innere Turbinenleistung beträgt 940 KWi. Der erste Umlauf nach Verdichtung hat bei 71 % der Zudampfmenge auch entsprechend 71 % der obigen Werte, wobei statt der Turbinenminderleistung von 200 KWi die Verdichterleistung (280 KW im zweiten Umlauf) abzuziehen ist.
    Da infolge der Erhöhung von Temperatur und Enthalpie des Sekundärdampfes (210°C, 2800 kJ/kg) gegenüber dem zuströmenden Primärdampf (84°C, 2545 h) die Wärme im Verdampfer V1 nicht zur Verdampfung der gesamten Kondensatmenge ausreicht, wird der Überschuß in den Kondensatsammelbehälter B abgeführt.
    Eine nicht kondensierte Restdampfmenge, die sich aus den beiden Abdampfmengen der letzten Transformationsstufe (Leitung 10) und der letzten Turbine T3 (Leitung 11) zusammensetzt, wird nach Entwässerung in einem Dampfkompressor K verdichtet und nach Wassereinspritzung zwecks Kühlung - zur rechnerischen Vereinfachung - wieder auf Zudampfzustand der Leitung 1 gebracht und dort bei Y dem Prozeß wieder eingegeben. Der Kondensator wird hierdurch entbehrlich.

    Claims (3)

    1. Verfahren zur Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregats, z.B. eines Hilschrohres, bei dem ein Dampfstrom, insbesondere ein Sattdampfstrom, im Wirbelaggregat in einen erwärmten Teilstrom und in einen abgekühlten Teilstrom aufgeteilt wird und im abgekühlten Teilstrom eine Kondensation stattfindet und das Kondensat nach Druckerhöhung durch eine Pumpe die Wärme des erwärmten Teilstromes aufnimmt und verdampft und der Dampf nach Arbeitsleistung in einer Arbeitsmaschine in die Wirbelströmung zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Restdampfmenge mittels eines Dampfverdichters (K) verdichtet einem Wirbelaggregat (W) zugeführt wird, wobei die Restdampfmenge aus dem Warmstromanteil des letzten Wirbelaggregates (W3) und der Abdampf der letzten Arbeitsmaschine (T3) besteht.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restdampfmenge auf den Ausgangswert verdichtet wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transformationsstufe eine Turbine (T1, T2, T3) zugeordnet ist.
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