EP2895707A2 - Arbeitsmittelgemisch für dampfkraftanlagen - Google Patents

Arbeitsmittelgemisch für dampfkraftanlagen

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EP2895707A2
EP2895707A2 EP13753881.5A EP13753881A EP2895707A2 EP 2895707 A2 EP2895707 A2 EP 2895707A2 EP 13753881 A EP13753881 A EP 13753881A EP 2895707 A2 EP2895707 A2 EP 2895707A2
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working medium
lubricant
working
working fluid
generating
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Michael Hoetger
Jörg COLLISI
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Definitions

  • the invention relates to the use of a working fluid in steam power plants with a steam generator for generating working medium vapor, a pump for generating an increased pressure in the working medium vapor, an expansion machine for generating mechanical and / or electrical work by expansion of the working fluid from an elevated pressure to a lower pressure level under work and a condenser for condensation of the working fluid, wherein the working fluid contains a lubricant.
  • thermal energy is transferable to a working medium.
  • the thermal energy contained in the working medium is converted into mechanical work.
  • the engine may be an expansion engine in which the working fluid is released under the power of work.
  • the steam generator is formed by a heat exchanger, through which a working medium for receiving heat can be conducted.
  • the working medium is in the form of a fluid.
  • the fluid for example, water or water vapor, is passed through one or more channels, which is flowed around by a hot gas stream.
  • the hot gas stream may be the hot flue gas of a burner in which fuel is exothermally burned, or the waste heat of an internal combustion engine.
  • At the Heat is transferred to the fluid around the fluid-flow channels, whereby it is vaporized and overheated. It has a high pressure and temperature level in the order of a few hundred ° C when leaving the steam generator.
  • the working fluid is expanded from the high first pressure level to a lower second pressure level under operating power.
  • the piston drives a shaft which, for example, drives a power generator or serves to move a vehicle.
  • the expanded fluid is cooled in a condenser and liquefied and recycled to the fluid circuit via a pump. The higher the pressure and temperature difference, the higher the efficiency of the system.
  • An expansion machine is to be understood here as any engine which operates in phase change with a gaseous or vaporous working medium. It should be distinguished from internal combustion engines, such as a two-stroke engine in which a fuel is burned inside the engine. As a working medium usually water vapor is used, which is released while giving off work. Combustion takes place outside the engine to vaporize the water. A downstream capacitor arrangement serves to liquefy the expanded working medium. Typical working medium temperatures are 550 ° C for the high-energy vapor state and 100 ° C for the condensing station temperature.
  • Such a steam cycle is known for example from DE 10226445 Cl or WO 2005/001248 AI. There, a cycle of the type mentioned is described. Feed water is used as the working medium. Water is easy to handle, inexpensive and has good thermodynamic properties. The water is evaporated in an evaporator. The steam is expanded in an expansion machine under work. After expansion, the vapor is condensed in a condenser and fed by means of a pump to a reservoir, from which it is again available for the circulation. The described work machine is used for example as an auxiliary unit in motor vehicles.
  • the object is achieved in that the working fluid contains acetone and lubricants.
  • Acetone is also referred to as propanone, 2-propanone, dimethyl ketone or propane-2-one. It is known as a degreaser, at dentists for tooth cleaning as a nail cleaner and thinner.
  • the invention is based on the surprising finding that the efficiency of a steam power plant is improved by the addition of acetone.
  • the polarity properties of acetone enhance the stability of the solution with the individual components and the lubricant.
  • the lubricant is more soluble.
  • the expansion machine is then lubricated better and has less friction losses. As a result, the efficiency can be improved.
  • the working medium preferably contains pentane or another agent which influences the boiling behavior.
  • Polyalphaolefins PAO, polyalkylene glycols PAG, silicone oils, esters or polyethylene glycols PEG and / or mixtures thereof are particularly suitable as lubricants. In this case, particularly good efficiencies are achieved when the lubricant is present in an amount between 2 and 20 mass%.
  • the above-described working medium mixture in the form of a stable emulsion or a solution is also well suited for the high-pressure and high-temperature range, as occurs in typical steam cycle processes.
  • Fig.l shows schematically a steam cycle
  • the steam cycle 10 of an expansion machine 10 is shown schematically.
  • the steam cycle process comprises an expansion machine 14 and a continuous steam generator 12.
  • the continuous steam generator 12 is charged with the hot flue gas of a burner.
  • the cycle further comprises a variable speed feedwater pump 16 and a condenser 18.
  • the continuous steam generator 12 is flowed through by working medium with some additives.
  • the working fluid is under an increased pressure, which is generated by a pump 16.
  • the working medium or working medium vapor is an amount of heat ⁇ zusell supplied from the flue gas.
  • the working medium steam is overheated, ie brought to a high temperature.
  • the inner energy increases.
  • the working medium vapor is released.
  • the pressure drops back to a lower pressure level.
  • the relaxed working medium vapor is then fed to a condenser 18, in which it is condensed, so that the working medium for the cycle continues to be available. In this case, the amount of heat c is free, which can be used for example for heat purposes.
  • the condensed working medium is supplied to the pump 16 again.
  • the working medium is pure acetone with a boiling point at 56 ° C with 15 mass% lubricant.
  • the working medium is a mixture of 65% by mass of pentane, 18% by mass of acetone, 5% by mass of water and 12% by mass of polyalphaolefin PAO. This mixture boils from a temperature of 32 ° C.
  • the working medium is a mixture of 50% by mass of acetone, 35% by mass of hexane and 15% lubricant. This mixture boils at 50 ° C. It is thermally stable up to a temperature of 400 ° C. It can therefore be worked at a large temperature difference between steam and condensate, whereby a high efficiency is achieved.

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Abstract

Eine Verwendung eines Arbeitsmittels in Dampfkraftanlagen mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Arbeitsmitteldampf, einer Pumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in dem Arbeitsmitteldampf, einer Expansionsmaschine zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Arbeit durch Expansion des Arbeitsmittels von einem erhöhten Druck auf ein niedrigeres Druckniveau unter Arbeitsleistung und einem Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmittels, wobei das Arbeitsmittel ein Schmiermittel enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Aceton und Schmiermittel enthält.

Description

Arbeitsmittelgemisch für Dampfkraftanlagen
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Arbeitsmittels in Dampfkraftanlagen mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Arbeitsmitteldampf, einer Pumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in dem Arbeitsmitteldampf, einer Expansionsmaschine zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Arbeit durch Expansion des Arbeitsmittels von einem erhöhten Druck auf ein niedrigeres Druckniveau unter Arbeitsleistung und einem Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmittels, wobei das Arbeitsmittel ein Schmiermittel enthält.
Bei einem Dampfkreisprozess mit einem Dampferzeuger ist thermische Energie auf ein Arbeitsmedium übertragbar. In einer Kraftmaschinewird die in dem Arbeitsmedium enthaltene thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt. Die Kraftmaschine kann eine Expansionsmaschine sein, in welcher das Arbeitsmedium unter Leistung von Arbeit entspannt wird.
Üblicherweise wird der Dampferzeuger von einem Wärmeübertrager gebildet, durch welchen ein Arbeitsmedium zur Aufnahme von Wärme leitbar ist. Das Arbeitsmedium liegt in Form eines Fluids vor. Das Fluid, beispielsweise Wasser oder Wasserdampf, wird durch einen oder mehrere Kanäle geleitet, der von einem Heißgasstrom umströmt ist. Der Heißgasstrom kann das heiße Rauchgas eines Brenners sein, bei dem Brennstoff exotherm verbrannt wird, oder die Abwärme eines Verbrennungsmotors. Beim Umströmen der fluiddurchstömten Kanäle wird Wärme auf das Fluid übertragen, wobei dieses verdampft und überhitzt wird. Es hat bei Verlassen des Dampferzeugers ein hohes Druck- und Temperaturniveau in der Größenordnung von einigen hundert °C. In der Expansionsmaschine, zum Beispiel einer Hub- oder Rotationskolbenmaschine, wird das Arbeitsmedium von dem hohen ersten Druckniveau auf ein niedrigeres zweites Druckniveau unter Arbeitsleistung expandiert. Dabei treibt der Kolben eine Welle an, welche beispielsweise einen Stromgenerator antreibt oder zum Bewegen eines Fahrzeugs dient. Das expandierte Fluid wird in einem Kondensator gekühlt und verflüssigt und dem Fluidkreislauf über eine Pumpe erneut zugeführt. Je höher die Druck- und Temperaturdifferenz, um so höher ist der Wirkungsgrad der Anlage.
Unter einer Expansionsmaschine soll hier jede Kraftmaschine verstanden werden, die mit einem gas- oder dampfförmigen Arbeitsmedium in Phasenwechsel arbeitet. Zu unterscheiden sind davon Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung, wie z.B. ein Zweitaktmotor, bei denen ein Brennstoff innerhalb der Kraftmaschine verbrannt wird. Als Arbeitsmedium wird gewöhnlich Wasserdampf verwendet, der unter Abgabe von Arbeit entspannt wird. Eine Verbrennung findet außerhalb der Kraftmaschine statt, um das Wasser zu verdampfen. Eine nachgeschaltete Kondensatoranordnung dient zur Verflüssigung des expandierten Arbeitsmediums. Typische Temperaturen des Arbeitsmediums liegen bei 550°C für den energiereichen Dampfzustand und 100°C als Kondenstationstemperatur.
Stand derTechnik
Ein solcher Dampfkreisprozess ist zum Beispiel aus der DE 10226445 Cl oder WO 2005/001248 AI bekannt. Dort wird ein Kreislauf der eingangs genannten Art beschrieben. Als Arbeitsmedium wird Speisewasser verwendet. Wasser ist problemlos handhabbar, kostengünstig und verfügt über gute thermodynamische Eigenschaften. Das Wasser wird in einem Verdampfer verdampft. Der Dampf wird in einer Expansionsmaschine unter Arbeitsleistung expandiert. Nach der Expansion wird der Dampf in einem Kondensator kondensiert und mittels einer Pumpe einem Reservoir zugeführt, aus welchem es für den Kreislauf erneut zur Verfügung steht. Die beschriebene Arbeitsmaschine wird zum Beispiel als Hilfsaggregat in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, Arbeitsmittel der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem der Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Arbeitsmittel Aceton und Schmiermittele enthält. Aceton wird auch als Propanon, 2-Propanon, Dimethylketon oder Propan- 2 - on bezeichnet. Es ist als Entfettungsmittel, bei Zahnärzten zur Zahnreinigung als Nagelreiniger und Verdünner bekannt. Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage durch die Zugabe von Aceton verbessert wird. Die Polaritätseigenschaften von Aceton verbessern die Stabilität der Lösung mit den einzelnen Komponenten und dem Schmiermittel. Das Schmiermittel ist besser löslich. Die Expansionsmaschine ist dann besser geschmiert und hat weniger Reibungsverluste. Dadurch kann der Wirkungsgrad verbessert werden. Zudem kann auf eine aufwendige, nachgeschaltete Trennvorrichtung zur Separation von Arbeitsmedium und Schmiermittel verzichtet werden
Vorzugsweise enthält das Arbeitsmittel Pentan oder ein anderes das Siedeverhalten beeinflussendes Mittel. Als Schmiermittel sind Polyalphaolefine PAO, Polyalkylenglykole PAG, Silikonöle, Esther oder Polyethylenglykole PEG und/oder deren Mischungen besonders gut geeignet. Dabei werden besonders gute Wirkungsgrade erreicht, wenn das Schmiermittel in einer Menge zwischen 2 und 20 Massen-% vorliegt.
Das vorstehend beschriebene Arbeitsmittelgemisch in Form einer stabilen Emulsion oder einer Lösung ist auch für den Hochdruck- und Hochtemperaturbereich gut geeignet, wie er bei typischen Dampfkreisprozessen auftritt.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.l zeigt schematisch einen Dampfkreisprozess
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig. l ist schematisch der Dampfkreisprozess 10 einer Expansionsmaschine 10 dargestellt. Der Dampfkreisprozess umfasst eine Expansionsmaschine 14 und einen Durchlaufdampferzeuger 12. Der Durchlaufdampferzeuger 12 ist mit dem heißen Rauchgas eines Brenners beaufschlagt. Der Kreisprozess umfasst weiterhin eine drehzahlregelbare Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18. Der Durchlauf dampferzeuger 12 ist von Arbeitsmedium mit einigen Zusätzen durchflössen. Das Arbeitsmedium steht dabei unter einem erhöhten Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Arbeitsmedium oder Arbeitsmediendampf wird eine Wärmemenge ΦΗ aus dem Rauchgas zugeführt. Dadurch wird der Arbeitsmediendampf überhitzt, d.h. auf eine hohe Temperatur gebracht. Die innere Energie steigt. In einer Expansionsmaschine 14 wird der Arbeitsmediendampf entspannt. Dabei sinkt der Druck wieder auf ein niedrigeres Druckniveau. Bei dieser Entspannung wird Arbeit frei. Der entspannte Arbeitsmediendampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Arbeitsmedium für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht. Dabei wird die Wärmemenge c frei, die zum Beispiel für Wärmezwecke genutzt werden kann. Das kondensierte Arbeitsmedium wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium reines Aceton mit einem Siedepunkt bei 56 °C mit 15 Massen-% Schmiermittel. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium ein Gemisch aus 65 Massen-% Pentan, 18 Massen-% Aceton, 5 Massen-% Wasser und 12 Massen-% Polyalphaolefin PAO. Diese Mischung siedet ab einer Temperatur von 32°C .
In einem weiteren, alternativen Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium ein Gemisch aus 50 Massen-% Aceton, 35 Massen-% Hexan und 15% Schmiermittel. Diese Mischung siedet bei 50°C. Sie ist bis zu einer Temperatur von 400°C thermisch stabil. Es kann also bei einer großen Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Kondensat gearbeitet werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
Verwendung eines Arbeitsmittels in Dampfkraftanlagen mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Arbeitsmitteldampf, einer Pumpe zur Erzeugung eines erhöhten Drucks in dem Arbeitsmitteldampf, einer Expansionsmaschine zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Arbeit durch Expansion des Arbeitsmittels von einem erhöhten Druck auf ein niedrigeres Druckniveau unter Arbeitsleistung und einem Kondensator zur Kondensation des Arbeitsmittels, wobei das Arbeitsmittel ein Schmiermittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Aceton und Schmiermittel enthält.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Pentan, Hexan, Alkohol, Wasser oder ein anderes das Siedeverhalten beeinflussendes Mittel enthält.
Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Polyalphaolefine, Polyalkylenglykole, Silikonöle, Esther oder Polyethylenglykole und/oder deren Mischungen als Schmiermittel enthält.
Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittel in einer Menge zwischen 2 Massen-% und 20 Massen-%, vorzugsweise zwischen 10 Massen-% und 20 Massen-% und höchst vorzugsweise zwischen 15 Massen-% und 20 Massen-% vorliegt.
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