WO2008052787A2 - Verfahren zum erzeugen von mischdampf - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for generating mixed steam.
  • Heat engines are usually operated with steam.
  • liquids are pressurized in a steam generator under high pressure and evaporated by supplying energy. This steam can then be converted into mechanical energy.
  • AT 155744 describes the production of mixed vapor from two or more polar and non-polar liquids which regroup in the liquid phase.
  • the mixed vapor is produced by one or more immediately consecutive expansions and compressions. completely or partially liquefied. Subsequently, the mixed steam is re-evaporated with heat and returned to the working process. The released work can be used to generate electrical energy.
  • WO 2005/054635 A2 discloses a method for generating mechanical energy in a cyclic process with a working medium which consists of two constituents of greatly differing boiling point.
  • the disadvantage here are the high Mischdampftempera- ren and working pressures in the steam generators and the supply and discharge lines. This results in special requirements for the materials used. In order to ensure the operational safety of such systems, they consist of high-quality special steels. They also require intensive and regular inspection by specialized personnel. All this is time consuming and associated with high costs.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing mixed steam, with which the amount of energy used, the operating temperature and the operating pressure can be reduced and the efficiency can be improved.
  • the device 10 shown in the single figure consists essentially of at least one mixing steam generator 11, which is provided with a low-pressure boiler 12.
  • the low-pressure boiler 12 has a first pressure chamber 13, in which a first polar fluid 14, for example water, and at least one nonpolar fluid 15, for example benzene, are present in liquid form.
  • This polar fluid 14 is preferably in a higher proportion than da ⁇ s non-polar fluid 15 in front.
  • the mixing steam generator 11 is a schematically illustrated heat exchanger 16, for example, any boiler system assigned. With this heat exchanger 16, the fluids 14 and 15 can be subjected to thermal energy and vaporized.
  • the mixing steam generator 11 is driven at a temperature in the range of 50 0 C to 75 0 C and a pressure in the range of 0.5 to 1.5 bar. In this case, a mixed vapor 17 of the polar fluid 14 and the non-polar fluid 15 is generated. The mixed steam 17 thus generated is collected in a steam pressure chamber 18 of the mixing steam generator 11.
  • the collected mixed steam 17 is then passed through a mixing steam outlet 19 via a pipeline 20 into a subsequent enrichment vessel 21.
  • the supply vessel 21 has a second pressure chamber 22, which is partially filled with a second polar fluid 23.
  • the second polar fluid 23 is chemically identical to the first polar fluid 14, it has only a higher temperature compared to the introduced mixed steam 17.
  • the second polar fluid 23 preferably has a temperature in the range of 70 0 C to 95 0 C, wherein in the enrichment vessel 21, a pressure in the range of 0.5 to 1.5 bar prevails.
  • the pressures in the pressure chambers 13 and 22 are identical. De "r mixed vapor 17 is passed into the second pressure chamber 22 by the liquid present second polar fluid 23rd
  • the mixed steam 17 When passing through the higher-temperature second polar fluid 23, the mixed steam 17 is enriched with polar fluid and collected as enriched, dry mixed steam 24 in a second vapor pressure space 25.
  • the thus enriched dry mixed steam 24 is passed through a mixed steam outlet 26 and a pipe 27 to a heat engine 28.
  • the one in the pipe line 27 adjacent enriched, dry mixed steam 24 is now introduced for compression via an inlet 29 into the working space 30 of a heat engine 28.
  • the enriched, dry mixed steam Due to the compression of the dry mixed steam 24 to a much higher temperature, preferably about 180 0 C, brought. After reaching this temperature, the enriched, dry mixed steam is 24 adiabatically relaxed to wet steam.
  • the relaxed wet steam passes through an outlet 31 into a return line 32 and is returned via a return check valve 33 and a return inlet 34 into the first pressure chamber 13.
  • the steam cycle can start again.

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Abstract

Verfahren zum Erzeugen von nieder temperierten Mischdämpfen. Die in den Mischdämpfen gespeicherte thermische Energie soll in einer Wärmekraftmaschine zum Betreiben eines elektrischen Generators in mechanische Energie umgewandelt werden.

Description

LESA Maschinen GmbH 26. Oktober 2007
Neue Straße 14 11-3334/07-Wo
14163 Berlin
Verfahren zum Erzeugen von Mischdampf
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Mischdampf .
Die im Folgenden beschriebenen physikalischen Prozesse beziehen sich auf Wärmekraftmaschinen, die mit Misch- dampf im Kreisprozess gefahren werden. Die dabei geltenden physikalischen Phänomene und Gesetzmäßigkeiten sind aus der Thermodynamik hinlänglich bekannt. Deren Grundlagen sollen hier nicht näher erläutert werden.
Wärmekraftmaschinen werden üblicherweise mit Dampf be- trieben. Zur Dampferzeugung werden Flüssigkeiten in einem Dampferzeuger unter hohem Druck beaufschlagt und durch Energiezufuhr verdampft. Dieser Dampf kann dann in mechanische Energie umgewandelt werden.
Es hat sich gezeigt, dass der Wirkungsgrad von Wärme- kraftmaschinen erhöht werden kann, indem man sie mit Mischdämpfen betreibt, in der AT 155744 wird die Erzeugung von Mischdampf aus zwei oder mehreren polaren und unpolaren Flüssigkeiten beschrieben, die sich in der Flüssigphase wieder entmischen.
Der Mischdampf wird durch ein oder mehrere unmittelbar aufeinander folgende Expansionen und Kompressionen un- ter Arbeitsabgabe vollkommen oder teilweise verflüssigt. Anschließend wird der Mischdampf unter Wärmezufuhr wieder verdampft und in den Arbeitsprozess zurückgeführt. Die dabei freiwerdende Arbeit kann zur Erzeu- gung von elektrischer Energie verwendet werden.
Auch sind Verfahren zur Erzeugung von Mischdämpfen und Wärmekraftmaschinen bekannt, mit denen Mischdämpfe in mechanische Energie umgewandelt werden können. In der Druckschrift DE 103 56 738 Al ist ein derartiges Ver- fahren zur Erzeugung von Mischdämpfen beschrieben worden.
Die Druckschrift US 4,729,226 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von mechanischer Energie unter zu Hilfe- nahme von Mischdämpfen.
In der Druckschrift US 4,448,025 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Abgaswärme zur Erwärmung des Arbeitsmediums verwendet wird.
Ferner ist in der Druckschrift WO 2005/054635 A2 ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie in einem Kreisprozess mit einem Arbeitsmedium, das aus zwei Bestandteilen von stark unterschiedlichem Siedepunkt besteht offenbart.
Nachteilig hierbei sind die hohen Mischdampftemperatu- ren und Arbeitsdrücke in den Dampferzeugern und den Zu- und Ableitungen. Daraus resultieren besondere Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Um die Betriebssicherheit derartiger Anlagen zu gewährleisten, bestehen sie aus hochwertigen SpezialStählen. Auch bedürfen sie einer intensiven und regelmäßigen Kontrolle durch Fachpersonal. Das alles ist zeitaufwendig und mit hohen Kosten verbunden.
Ferner bedarf das Erzeugen eines Mischdampfes, mit dem es möglich ist, eine Wärmekraftmaschine mit genügend großer Leistung zu fahren, einen erheblichen Energieeinsatz. Die benötigte Verdampfungsenergie wird zudem fast ausschließlich aus fossilen Energieträgern gewonnen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Mischdampf zu schaffen, mit dem die eingesetzte Energiemenge, die Betriebstemperatur und der Betriebsdruck verringert und der Wirkungsgrad verbessert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1, insbesondere durch die folgenden Verfahrensschritte :
• Erzeugen eines Mischdampfes aus einem unpolaren Fluid und einem polaren Fluid bei geringer Tempe- ratur,-
• Einleiten des Mischdampfes in ein nachfolgendes Anreicherungsgefäß und Anreichern mit polarem Fluid bei geringfügig höheren Temperaturen;
• Komprimieren des angereicherten Mischdampfes mit- tels einer Wärmekraftmaschine;
• adiabates Entspannen des Mischdampfes zu Nass- dampf, wobei das polare Fluid kondensiert und die dabei freiwerdende Wärme an das unpolare Fluid ab gegeben wird;
• Übertragen der beim adiabaten Entspannen des Mischdampfes freiwerdenden Arbeit auf die Wärmekraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie,-
• Rückführung des entspannten Nassdampfes an den ersten Druckraum. Durch diese Maßnahmen wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem es möglich ist, insbesondere erneuerbare Energien für das Betreiben von Wärmekraftmaschinen wirtschaftlich und kostengünstig bei gleichzeitiger Er- höhung des Wirkungsgrades einzusetzen. Damit kann beispielsweise Strom erzeugt werden, der Gewinn bringend in ein öffentliches Stromversorgungsnetz eingespeist werden kann. Eine Wärmekraftmaschine kann damit kostengünstig, energieeffizient, Ressourcen schonend und Ge- winn bringend betrieben werden.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der beiliegenden Zeichnung anhand einer zu seiner Durchführung geeigne- ten Vorrichtung schematisch dargestellt. Die beispielhafte Vorrichtung wird nachfolgend näher beschrieben.
Die in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung 10 besteht im Wesentlichen aus mindestens einem Mischdampferzeuger 11, der mit einem Niederdruckkessel 12 versehen ist. Der Niederdruckkessel 12 weist einen ersten Druckraum 13 auf, in dem ein erstes polares Fluid 14, beispielsweise Wasser, und mindestens ein unpolares Fluid 15, beispielsweise Benzol, in flüssiger Form vorliegen. Dabei liegt das polare Fluid 14 vorzugsweise in einem höheren Mengenanteil als da~s unpolare Fluid 15 vor.
Dem Mischdampferzeuger 11 ist ein schematisch dargestellter Wärmetauscher 16, beispielsweise eine beliebige Heizkesselanlage, zugeordnet. Mit diesem Wärmetau- scher 16 können die Fluide 14 und 15 mit Wärmeenergie beaufschlagt und verdampft werden.
Es ist vorgesehen, den Wärmetauscher 16 mit Solarenergie oder Erdwärme zu betreiben. Auch ist die Verwendung von nachwachsenden Energieträgern wie Holz, beispiels- weise in Form von Holzhackschnitzeln aus Forstrestsortimenten, vorgesehen. Ebenso ist jede andere Art von Biomasse denkbar, solange sie in geeigneter Qualität und Quantität vorliegt, um in Wärmeenergie umgewandelt werden zu können.
Der Mischdampferzeuger 11 wird auf einer Temperatur im Bereich von 500C bis 750C und einem Druck im Bereich von 0,5 bis 1,5 bar gefahren. Dabei wird ein Mischdampf 17 aus dem polaren Fluid 14 und dem unpolaren Fluid 15 erzeugt. Der so erzeugte Mischdampf 17 wird in einem Dampfdruckraum 18 des Mischdampferzeugers 11 gesammelt.
Der gesammelte Mischdampf 17 wird anschließend durch einen Mischdampfausgang 19 über eine Rohrleitung 20 in ein nachfolgendes Anreichungsgefäß 21 geleitet. Das An- reichungsgefäß 21 weist einen zweiten Druckraum 22 auf, der teilweise mit einem zweiten polaren Fluid 23 gefüllt ist. Das zweite polare Fluid 23 ist mit dem ersten polaren Fluid 14 chemisch identisch, es weist gegenüber dem eingeleiteten Mischdampf 17 lediglich eine höhere Temperatur auf .
Das zweite polare Fluid 23 weist vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von 700C bis 950C auf, wobei in dem Anreicherungsgefäß 21 ein Druck im Bereich von 0,5 bis 1,5 bar herrscht. Vorzugsweise sind die Drücke in den Druckräumen 13 und 22 identisch. De"r Mischdampf 17 wird in dem zweiten Druckraum 22 durch das flüssig vorliegenden zweite polare Fluid 23 geleitet.
Beim Durchleiten durch das höher temperierte zweite polare Fluid 23 wird der Mischdampf 17 mit polarem Fluid angereichert und als angereicherter, trockener Mischdampf 24 in einem zweiten Dampfdruckraum 25 gesammelt.
Der so angereicherte trockene Mischdampf 24 wird über einen Mischdampfausgang 26 und eine Rohrleitung 27 zu einer Wärmekraftmaschine 28 geleitet. Der in der Rohr- leitung 27 anliegende angereicherte, trockene Mischdampf 24 wird nun zur Verdichtung über einen Einlass 29 in den Arbeitsraum 30 einer Wärmekraftmaschine 28 eingeleitet .
Durch die Verdichtung wird der trockene Mischdampf 24 auf eine wesentlich höhere Temperatur, vorzugsweise ca. 180 0C, gebracht. Nach Erreichen dieser Temperatur wird der angereicherte, trockene Mischdampf 24 adiabat zu Nassdampf entspannt. Der entspannte Nassdampf gelangt durch einen Auslass 31 in eine Rücklaufleitung 32 und wird über ein Rücklaufsperrventil 33 und einen Rück- laufeinlass 34 in den ersten Druckraum 13 zurückgeführt. Hier kann der Dampfkreislauf von Neuem beginnen.
Bezugszeichen
10 Vorrichtung
11 Mischdampferzeuger
12 Niederdruckkessel
13 erster Druckraum
14 erstes polares Fluid
15 unpolares Fluid
16 Wärmetauscher
17 Mischdampf
18 erster Dampfdruckraum
19 Mischdampfausgang
20 Rohrleitung
21 Anreicherungsgefäß
22 zweiter Druckraum
23 zweites polares Fluid
24 angereicherter Mischdampf
25 zweiter Dampfdruckraum
26 Mischdampfausgang
27 Rohrleitung
28 Wärmekraftmaschine
29 Einlass
30 Arbeitsräum
31 Auslass
32 Rücklaufleitung
33 RücklaufSperrventil
34 Rücklaufeinlass

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Mischdampf zum Betreiben von Wärmekraftmaschinen nach folgenden Schritten:
• Erzeugen eines Mischdampfes aus einem unpolaren Fluid und einem polaren Fluid bei geringer Temperatur;
• Anreichern des Mischdampfes mit polaren Fluiden bei einer geringfügig höheren Temperaturen in einem nachfolgenden Anreicherungsgefäß;
• Komprimieren des angereicherten Mischdampfes mittels einer Wärmekraftmaschine;
• adiabates Entspannen des Mischdampfes zu Nass- dampf , wobei das polare Fluid kondensiert und die dabei freiwerdende Wärme an das unpolare Fluid ab gegeben wird;
• Übertragen der beim adiabaten Entspannen des Mischdampfes freiwerdenden Arbeit auf die Wärmekraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie;
• Rückführung des entspannten Nassdampfes an den ersten Druckraum .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischdampf in einem Anreicherungsgefäß mit polarem Fluid angereichert wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als polares Fluid Wasser und als unpolares Fluid Benzol verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischdampf aus solchen polaren und unpolaren Fluiden erzeugt wird, die bei Niedertemperatur verdampfen.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischdampf in ei- nem geschlossenen Mischdampfkreislauf erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstem- peratur für den Mischdampf durch Solarenergie, Erdwärme oder Verbrennung von Biomasse erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischdampf vorzugsweise eine Temperatur von 500C bis 750C um- fasst.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der angereicherte Mischdampf vorzugsweise eine Temperatur von 700C bis 95°C umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischdampf trocken angereichert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freiwerdende Arbeit an einen eine Drehbewegung erzeugenden Kurbeltrieb übertragen wird;
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Drehbewegung auf einen Drehstromgenerator zur Erzeugung elektrischer Energie übertragen wird.
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