WO2024068688A1 - Wärmekraftmaschine und verfahren zum betreiben einer wärmekraftmaschine - Google Patents

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WO2024068688A1
WO2024068688A1 PCT/EP2023/076634 EP2023076634W WO2024068688A1 WO 2024068688 A1 WO2024068688 A1 WO 2024068688A1 EP 2023076634 W EP2023076634 W EP 2023076634W WO 2024068688 A1 WO2024068688 A1 WO 2024068688A1
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WO
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working medium
gaseous
heat
compressor
heat exchanger
Prior art date
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PCT/EP2023/076634
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French (fr)
Inventor
Gerhard Schlegl
Johannes Hartz
Steffen GAU
Salman Azmat CHAUDHRY
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Man Energy Solutions Se
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K19/00—Regenerating or otherwise treating steam exhausted from steam engine plant
    • F01K19/10—Cooling exhaust steam other than by condenser; Rendering exhaust steam invisible

Definitions

  • the invention relates to a heat engine and a method for operating a heat engine.
  • Heat engines are used to convert thermal energy into electrical energy.
  • Heat engines known from practice use a conventional, open gas turbine process to convert thermal energy into electrical energy. In such an open gas turbine process, heat is generated by combustion of a fuel in a combustion chamber, which is used in the heat engine to generate electrical energy.
  • Such heat engines known from practice can only be used with sufficiently high efficiency to generate electrical energy if combustion temperatures and thus drive temperatures of more than 1000 ° C are available through the combustion of fuel.
  • the object of the invention is to create such a heat engine and a method for operating such a heat engine.
  • the heat engine according to the invention is a heat engine that operates in a closed Joule process and is used to generate electrical energy from thermal energy.
  • the heat engine according to the invention has at least the following components: A compressor that is designed to compress gaseous working medium from an inlet pressure of the compressor to an outlet pressure of the compressor with evaporation of liquid contained in the gaseous working medium.
  • a first heat exchanger that is designed to couple heat from an external heat source into the gaseous, compressed working medium.
  • An expander that is designed to expand the gaseous working medium downstream of the first heat exchanger.
  • a second heat exchanger that is designed to cool the gaseous, expanded working medium.
  • a recuperator system which is set up to preheat the gaseous working medium downstream of the compressor and upstream of the expander, on the one hand, and to recover residual heat from the gaseous, expanded working medium for preheating downstream of the expander and upstream of the second heat exchanger, on the other hand.
  • a humidification system which is set up to introduce liquid into the gaseous working medium upstream of the compressor 11, and thus downstream of the second heat exchanger.
  • a generator coupled to the expander and driven by the expander for generating electrical energy.
  • the heat engine operates in a closed Joule process or Joule cycle and works without the combustion of fuels.
  • the external heat source is in particular a thermal heat storage device.
  • the humidification system which introduces liquid into the gaseous working medium downstream of the second heat exchanger and upstream of the compressor or in the area of the compressor, in particular in such a way that at the outlet of the compressor a vapor portion of the evaporated liquid makes up between 3% and 15%, in particular between 3% and 10%, of the total mass of the gas at the outlet of the compressor.
  • the recuperator system comprises a gas-gas heat exchanger which is designed to guide the gaseous working medium upstream of the first heat exchanger and downstream of the expander.
  • the recuperator system has a first gas-liquid heat exchanger, which is designed to conduct the gaseous working medium upstream of the first heat exchanger, and a second gas-liquid heat exchanger, which is designed to conduct the gaseous working medium downstream of the expander, wherein the first gas-liquid heat exchanger and the second gas-liquid heat exchanger are coupled via lines carrying a liquid heat transfer medium.
  • the heat engine according to the invention has a condensate separator which is designed to separate condensate accumulating in the region of the second heat exchanger from the gaseous working medium and to guide it in the direction of a condensate collecting tank, wherein the humidification system introduces the condensate collected in the condensate collecting tank as a liquid into the gaseous working medium.
  • a condensate separator which is designed to separate condensate accumulating in the region of the second heat exchanger from the gaseous working medium and to guide it in the direction of a condensate collecting tank, wherein the humidification system introduces the condensate collected in the condensate collecting tank as a liquid into the gaseous working medium.
  • the humidification system introduces the condensate collected in the condensate collecting tank as a liquid into the gaseous working medium.
  • Fig. 1 a block diagram of a first heat engine according to the invention
  • Fig. 2 is a block diagram of a second heat engine according to the invention.
  • Fig. 3 is a log-p-h diagram to further illustrate the invention.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of a heat engine 10 according to the invention, which operates in a closed Joule process and serves to generate electrical energy from thermal energy.
  • the heat engine 10 has a compressor 11.
  • the compressor 11 is designed to compress gaseous working medium, preferably air, starting from an inlet pressure to an outlet pressure of the compressor 11 with evaporation of liquid contained in the gaseous working medium, in particular the evaporation of water.
  • the heat engine 10 according to the invention further comprises a first heat exchanger 12.
  • the first heat exchanger 12 is designed to couple heat from an external heat source 28 (not shown) into the gaseous, compressed working medium downstream of the compressor 11.
  • the external heat source 28 is in particular a thermal heat storage device.
  • the external heat source 28 and the heat engine 10 operate without the combustion of fuels.
  • the external heat source 28 can be designed as a liquid heat storage device, e.g. liquid salt, or a solid heat storage device made of concrete, volcanic rock, fill, etc.
  • the external heat source 28 can also be designed as a latent heat storage device, with a storage material such as a salt, metal or the like.
  • the heat from the storage system can be supplied to the first heat exchanger 12 via a heat transfer medium (liquid salt, thermal oil, air, pressurized water, etc.).
  • the heat engine 10 further comprises an expander 13.
  • the expander 13 is designed to expand the gaseous working medium downstream of the first heat exchanger 12 and thereby convert thermal energy into mechanical energy.
  • the expander 13 is coupled on the one hand to the compressor 11 and on the other hand to a generator 14.
  • the mechanical energy obtained during the expansion of the gaseous working medium in the expander 13 is therefore used on the one hand to drive the compressor 11 and on the other hand to drive the generator 14, the generator 14 being used to generate the electrical energy.
  • the heat engine 10 according to the invention also has a second heat exchanger 15.
  • the second heat exchanger 15 is set up to cool the gaseous, expanded working medium downstream of the expander 13.
  • the heat engine 10 according to the invention comprises a recuperator system 16.
  • the recuperator system 16 is, on the one hand, set up to preheat the compressed, gaseous working medium downstream of the compressor 11 and upstream of the first heat exchanger 12 and the expander 13.
  • the recuperator system 16 is set up to recover residual heat from the gaseous, expanded working medium for preheating downstream of the expander 13 and upstream of the second heat exchanger 15.
  • the heat engine 10 has a humidification system 17.
  • the humidification system 17 is designed to introduce liquid, in particular water, into the gaseous working medium, in particular into the air, upstream of the compressor.
  • Fig. 1 shows a humidification nozzle 18, via which liquid, in particular water, can be injected or injected into the gaseous, expanded working medium upstream of the compressor 11.
  • This liquid is removed from a condensate collection container 20 via a pump 19 of the humidification system 17.
  • Condensate which occurs in the area of the second heat exchanger 15 and can be separated from the relaxed, gaseous working medium in the area of the second heat exchanger 15 via a condensate separator 21, can be fed into the condensate collecting container 20.
  • Air is preferably used as the gaseous working medium, and water is preferably used as the liquid.
  • water is preferably used as the liquid.
  • supersaturated, moist air is sucked in and compressed via the compressor 11, whereby the liquid, namely the water, is evaporated during compression, whereby the evaporation enthalpy of the water particles ensures a cooling effect of the air compression.
  • the compressed air is preheated in the area of the recuperator system 16, whereby the recuperator system 16 also serves to recover residual heat downstream of the expander 13.
  • thermal energy is supplied to the external heat source 28 in the area of the first heat exchanger 12, in particular heat from a high-temperature heat storage.
  • This external heat from the external heat source 28 is used as drive heat and thus thermal drive energy.
  • the gaseous working medium Downstream of this first heat exchanger 12, the gaseous working medium is expanded and thermal energy is converted into mechanical energy in the area of the expander 13, with the expander 13 driving the compressor 11 on the one hand and the generator 14 on the other hand to generate electrical energy. Downstream of the expander 13, the recovery of residual heat from the expanded working medium takes place in the area of the recuperator system 16, with this heat recovery being used to preheat the air in the area of the recuperator system 16.
  • the second heat exchanger 15 cools the relaxed working medium back. The more this cooling takes place in the area of the second heat exchanger 15, the higher the efficiency of the closed Joule circuit. This cooling causes the dew point to fall below and condensate to precipitate.
  • the condensate that precipitates in the area of the second heat exchanger 15 can be separated with the condensate separator 21 and guided towards the condensate collection tank 20 in order to then reintroduce the condensate into the gaseous working medium to be compressed via the humidification system 17, specifically in Fig. 1 with the help of the humidification nozzle 18 upstream of the compressor 11.
  • the heat engine 10 according to the invention therefore operates in a completely closed Joule cycle.
  • the heat engine 10 uses the recuperator system 16 and the humidification system 17.
  • it is possible to introduce a relatively high amount of water into the gaseous working medium in particular in a range between 3% by mass and 15% by mass, in particular in a range between 3% by mass and 10% by mass, based on the total gas mass or air mass at the outlet of the compressor 11.
  • drive temperatures in the area of the first heat exchanger 12, which are below 1000 ° C, in particular in a range from 300 ° C to 600 ° C efficiencies can be achieved that have so far only been achieved in fired gas turbines with drive temperatures of more than 1000 ° C can be provided.
  • the injected liquid namely the water introduced into the working medium, remains in the closed process and does not need to be replenished except to compensate for leakage.
  • the separation of condensate can be dispensed with, provided that the condensate can remain in the circulating air flow and condense in the flow of air and evaporate directly again.
  • the humidification system 17 would only be required to start up the heat engine 10.
  • Fig. 3 illustrates the closed Joule process of the heat engine 10 according to the invention in a log ph diagram in which the pressure p is plotted logarithmically over the specific enthalpy h.
  • State A in Fig. 3 corresponds to the state of the working medium to be compressed immediately upstream of the compressor 11.
  • states A and B the compression of the working medium takes place in the area of the compressor 11 with evaporation of the liquid.
  • preheating takes place in the area of the recuperator system 16.
  • states C and D heat and thus thermal drive energy of the external heat source 28 is supplied in the area of the second heat exchanger 12.
  • states D and E the gaseous working medium is expanded in the area of the expander 16.
  • states E and F the residual heat is recovered in the area of the recuperator system 16.
  • states F and A the recooling takes place in the area of the second heat exchanger 15.
  • the recuperator system 16 comprises a single gas/gas heat exchanger or air/air heat exchanger, which is designed to guide the gaseous working medium upstream of the first heat exchanger 12 and downstream of the expander 13.
  • FIG. 2 shows a modification of the heat engine 10 according to the invention, in which the recuperator system 16 comprises two gas-liquid heat exchangers 16a, 16b.
  • the first gas-liquid heat exchanger 16a of the recuperator system 16 of FIG. 2 is set up to convey the gaseous working medium downstream of the compressor 11 and upstream of the first heat exchanger 12.
  • the second gas-liquid heat exchanger 16b is set up to pass the gaseous working medium expanded in the expander 13 via it, i.e. downstream of the expander 13 and upstream of the second heat exchanger 15.
  • the two gas-liquid heat exchangers 16a, 16b of the recuperator system 16 of Fig. 2 are coupled via lines 22 through which a heat transfer medium flows.
  • the heat transfer medium can be pressurized water, thermal oil or the like.
  • the pressure of the heat transfer medium in the recuperator system 16 can be regulated, in particular kept constant, via a pressure control unit 24, for example To compensate for leakage losses of the heat transfer medium and to prevent evaporation of the heat transfer medium.
  • the compressor 11 is designed as a reciprocating piston compressor, with Fig. 2 schematically showing a piston 25 of a cylinder of such a reciprocating piston compressor. Since such a reciprocating piston compressor is insensitive to droplet erosion compared to turbo compressors, in the embodiment of Fig. 2 the liquid can be introduced into the working medium to be compressed directly in the area of the reciprocating piston compressor 11 and in larger quantities or with larger droplets via the humidification system 17. In Fig. 2 the liquid can be introduced directly into the cylinder during the compression process of the working medium.
  • FIG. 1 and 2 also show a pressure control system 26, which is set up to adjust the pressure of the gaseous working medium in the closed Joule cycle and to maintain it at a set level. In this way, leakage losses of the working medium can be compensated. To regulate the performance, the pressure of the working medium can also be varied via the pressure control system 26. 2, an oil filter 27 is also shown downstream of the reciprocating compressor 11 and upstream of the heat exchanger 16a of the recuperator system 16 in order to filter out oil that can get into the gaseous working medium via leakage losses from the cylinders in the area of the reciprocating compressor 11 .

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Abstract

Wärmekraftmaschine (10), die in geschlossenen Joule-Prozess arbeitet, zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie, mit einem Verdichter (11), der eingerichtet ist, um gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters (11) auf einen Ausgangsdruck des Verdichters (11) unter Verdampfung von in dem gasförmigen Arbeitsmedium enthaltener Flüssigkeit zu verdichten, mit einem ersten Wärmetauscher (12), der eingerichtet ist, um in das gasförmige, verdichtete Arbeitsmedium Wärme einer externen Wärmequelle (28) einzukoppeln, mit einem Expander (13), der eingerichtet ist, um stromabwärts des ersten Wärmetauschers (12) das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen, mit einem zweiten Wärmetauscher (15), der eingerichtet ist, um das gasförmige, entspannte Arbeitsmedium zu kühlen, mit einem Rekuperator-System (16), das eingerichtet ist, um einerseits stromabwärts des Verdichters (11) und stromaufwärts des Expanders (13) das gasförmige Arbeitsmedium vorzuwärmen, und um anderseits stromabwärts des Expanders (13) und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers (15) Restwärme aus dem gasförmigen, entspannten Arbeitsmedium für die Vorwärmung zurückzugewinnen, mit einem BefeuchtungsSystem (17), das eingerichtet ist, um stromaufwärts des Verdichters (11) Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einzubringen, und mit einem mit dem Expander (13) gekoppelten und vom Expander angetriebenen Generator (14) zur Erzeugung der elektrischen Energie.

Description

MAN Energy Solutions SE
Wärmekraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine.
Wärmekraftmaschinen dienen der Wandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Aus der Praxis bekannte Wärmekraftmaschinen nutzen dabei einen herkömmlichen, offenen Gasturbinenprozess, um thermische Energie in elektrische Energie zu wandeln. In einem solchen offenen Gasturbinenprozess wird durch Verbrennung eines Kraftstoffs in einer Brennkammer Wärme erzeugt, die in der Wärmekraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird. Solche aus der Praxis bekannten Wärmekraftmaschinen sind nur dann mit hinreichend hohem Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie einsetzbar, wenn über die Verbrennung von Kraftstoff Verbrennungstemperaturen und damit Antriebstemperaturen von mehr als 1000 °C zur Verfügung stehen.
Es besteht Bedarf an einer Wärmekraftmaschine, mit welcher auch dann, wenn Antriebstemperaturen von unter 1000 °C, insbesondere im Bereich von 300 °C bis 600 °C, zur Verfügung stehen, mit hohem Wirkungsgrad thermische Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Wärmekraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmekraftmaschine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine ist eine in einem geschlossenen Joule-Prozess arbeitende Wärmekraftmaschine und dient der Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine weist zumindest folgende Baugruppen auf: Einen Verdichter, der eingerichtet ist, um gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters auf einen Ausgangsdruck des Verdichters unter Verdampfung von in dem gasförmigen Arbeitsmedium enthaltener Flüssigkeit zu verdichten. Einen ersten Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um in das gasförmige, verdichtete Arbeitsmedium Wärme einer externen Wärmequelle einzukoppeln. Einen Expander, der eingerichtet ist, um stromabwärts des ersten Wärmetauschers das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen. Einen zweiten Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um das gasförmige, entspannte Arbeitsmedium zu kühlen. Ein Rekuperator- System, das eingerichtet ist, um einerseits stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des Expanders das gasförmiges Arbeitsmedium vorzuwärmen, und um anderseits stromabwärts des Expanders und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers Restwärme aus dem gasförmigen, entspannten Arbeitsmedium für die Vorwärmung zurückzugewinnen. Ein Befeuchtungs-System, das eingerichtet ist, um stromaufwärts des Verdichters 11 , und damit stromabwärts des zweiten Wärmetauschers, Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einzubringen. Einen mit dem Expander gekoppelten und vom Expander angetriebenen Generator zur Erzeugung der elektrischen Energie.
Die Wärmekraftmaschine arbeitet in einem geschlossen Joule-Prozess bzw. Joule-Kreislauf und arbeitet ohne die Verbrennung von Kraftstoffen. Bei der externen Wärmequelle handelt es sich insbesondere um einen Temperaturwärmespeicher. Durch die Kombination der in einem geschlossenen Joule-Prozess arbeitenden Wärmekraftmaschine mit dem Rekuperator-System ist es möglich, Wärme stromabwärts des Expanders zurückzugewinnen. Trotz geringer Antriebstemperaturen von weniger als 1000 °C, insbesondere in einem Bereich von 300 °C bis 600 °C, können hohe Wirkungsgrade erzielt werden, wie sie bei in einem offenen Joule-Prozess arbeitenden Wärmekraftmaschinen mit der Verbrennung von Kraftstoffen und Antriebstemperaturen von über 1000 °C üblich sind. Dies wird insbesondere auch durch das Befeuchtungs-System ermöglicht, welches stromabwärts des zweiten Wärmetauschers und stromaufwärts des Verdichters bzw. im Bereich des Verdichters Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einbringt, und zwar insbesondere derart, dass am Austritt des Verdichters ein Dampfanteil der verdampften Flüssigkeit zwischen 3 % und 15 %, insbesondere zwischen 3 % und 10 %, der Gesamtmasse des Gases am Austritt des Verdichters ausmacht.
Nach einer ersten Variante der Erfindung weist das Rekuperator-System einen Gas-Gas-Wärmetauscher auf, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromaufwärts des ersten Wärmetauschers und stromabwärts des Expanders zu führen.
Nach einer zweiten Variante der Erfindung weist das Rekuperator-System einen ersten Gas-Flüssig-Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromaufwärts des ersten Wärmetauschers zu führen, und einen zweiten Gas-Flüssig-Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromabwärts des Expanders zu führen, auf, wobei der erste Gas-Flüssig-Wärmetauscher und der zweite Gas-Flüssig- Wärmetauscher über ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium führende Leitungen gekoppelt sind.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine einen Kondensat-Abscheider auf, der eingerichtet ist, um im Bereich des zweiten Wärmetauschers anfallendes Kondensat aus dem gasförmigen Arbeitsmedium abzuscheiden und in Richtung auf einen Kondensat-Sammelbehälter zu führen, wobei das Befeuchtungs-System das im Kondensat-Sammelbehälter gesammelte Kondensat als Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einbringt. Hierdurch ist es möglich, anfallendes Kondensat abzuscheiden, zu sammeln und wieder für die Befeuchtung über das Befeuchtungs-System zu nutzen. Feuchtigkeit kann auch im gasförmigen Arbeitsmedium verbleiben, wodurch sich dann die Menge der über das Befeuchtungs-System in das gasförmige Arbeitsmedium einzubringenden Flüssigkeit reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 9 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 : ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine,
Fig. 3 ein log-p-h Diagramm zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 10, die in einem geschlossenen Joule-Prozess arbeitet und der Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie dient.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 verfügt über einen Verdichter 11 . Der Verdichter 11 ist eingerichtet, um gasförmiges Arbeitsmedium, vorzugsweise Luft, ausgehend von einem Eingangsdruck auf einen Ausgangsdruck des Verdichters 11 unter Verdampfung von in dem gasförmigen Arbeitsmedium enthaltener Flüssigkeit, insbesondere der Verdampfung von Wasser, zu verdichten. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 verfügt weiterhin über einen ersten Wärmetauscher 12. Der erste Wärmetauscher 12 ist eingerichtet, um stromabwärts des Verdichters 11 in das gasförmige, verdichtete Arbeitsmedium Wärme einer nicht gezeigten, externen Wärmequelle 28 einzukoppeln.
Bei der externen Wärmequelle 28 handelt es sich insbesondere um einen Temperaturwärmespeicher. Die externe Wärmequelle 28 sowie die Wärmekraftmaschine 10 arbeitet ohne die Verbrennung von Kraftstoffen. Die externe Wärmequelle 28 kann als Flüssigwärmespeicher z.B. Flüssigsalz oder Feststoffwärmespeicher aus Beton, Vulkangestein, Schüttung etc. ausgeführt sein. Die externe Wärmequelle 28 kann auch als Latent-Wärmespeicher ausgeführt sein, mit einem Speichermaterial wie zum Beispiel einem Salz, Metall oder dergleichen. Die Wärme aus dem Speichersystem kann über ein Wärmeträgermedium (Flüssigsalz, Thermoöl, Luft, Druckwasser etc.) dem ersten Wärmetauscher 12 zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 verfügt weiterhin über einen Expander 13. Der Expander 13 ist eingerichtet, um stromabwärts des ersten Wärmetauschers 12 das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen und hierbei thermische Energie in mechanische Energie zu wandeln.
Der Expander 13 ist in Fig. 1 einerseits mit dem Verdichter 11 und andererseits mit einem Generator 14 gekoppelt. Die bei der Entspannung des gasförmigen Arbeitsmediums im Expander 13 gewonnene, mechanische Energie wird demnach einerseits zum Antreiben des Verdichters 11 und andererseits zum Antreiben des Generators 14 genutzt, wobei der Generator 14 der Erzeugung der elektrischen Energie dient.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 verfügt ferner über einen zweiten Wärmetauscher 15. Der zweite Wärmetauscher 15 ist eingerichtet, um stromabwärts des Expanders 13 das gasförmige, entspannte Arbeitsmedium zu kühlen. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 ein Rekuperator- System 16. Das Rekuperator-System 16 ist einerseits eingerichtet, um stromabwärts des Verdichters 11 und stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 12 und des Expanders 13 das verdichtete, gasförmige Arbeitsmedium vorzuwärmen. Andererseits ist das Rekuperator-System 16 eingerichtet, um stromabwärts des Expanders 13 und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 15 Restwärme aus dem gasförmigen, entspannten Arbeitsmedium für die Vorwärmung zurückzugewinnen.
Ferner verfügt die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 über ein Befeuchtungs-System 17. Das Befeuchtungs-System 17 ist eingerichtet, um stromaufwärts des Verdichters Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in das gasförmige Arbeitsmedium, insbesondere in die Luft, einzubringen.
Fig. 1 zeigt eine Befeuchtungs-Düse 18, über die stromaufwärts des Verdichters 11 in das gasförmige, entspannte Arbeitsmedium Flüssigkeit, insbesondere Wasser, eingedüst bzw. eingespritzt werden kann. Diese Flüssigkeit wird über eine Pumpe 19 des Befeuchtungs-Systems 17 aus einem Kondensat-Sammelbehälter 20 entnommen. In dem Kondensat-Sammelbehälter 20 ist Kondensat, welches im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15 anfällt und im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15 über einen Kondensat-Abscheider 21 aus dem entspannten, gasförmigen Arbeitsmedium abgeschieden werden kann, zuführbar.
Als gasförmiges Arbeitsmedium dient vorzugsweise Luft, als Flüssigkeit dient vorzugsweise Wasser. In diesem Fall wird demnach über den Verdichter 11 übersättigte, feuchte Luft angesaugt und verdichtet, wobei bei der Verdichtung die Flüssigkeit, nämlich das Wasser, verdampft wird, wodurch Verdampfungs-Enthalpie der Wasserpartikel für einen Kühleffekt der Luftverdichtung sorgt. Anschließend an die Verdichtung der Luft im Verdichter 11 unter Verdampfung des Wassers wird die verdichtete Luft im Bereich des Rekuperator-Systems 16 vorgewärmt, wobei das Rekuperator-System 16 ebenfalls der Rückgewinnung von Restwärme stromabwärts des Expanders 13 dient.
Im Anschluss an die Vorwärmung des gasförmigen, verdichteten Arbeitsmediums im Bereich des Rekuperator-Systems 16 erfolgt im Bereich des ersten Wärmetauschers 12 das Zuführen thermischer Energie der externen Wärmequelle 28, insbesondere eine Wärmezufuhr aus einem Hochtemperatur-Wärmespeicher. Diese externe Wärme der externen Wärmequelle 28 wird als Antriebswärme und damit thermische Antriebsenergie genutzt.
Stromabwärts dieses ersten Wärmetauschers 12 erfolgt im Bereich des Expanders 13 die Entspannung des gasförmigen Arbeitsmediums und die Wandlung thermischer Energie in mechanische Energie, wobei der Expander 13 einerseits den Verdichter 11 und andererseits den Generator 14 zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt. Stromabwärts des Expanders 13 erfolgt im Bereich des Rekuperator-Systems 16 die Rückgewinnung von Restwärme des entspannten Arbeitsmediums, wobei diese Wärmerückgewinnung zur Luftvorwärmung im Bereich des Rekuperator-Systems 16 genutzt wird.
Der zweite Wärmetauscher 15 kühlt das entspannte Arbeitsmedium zurück. Je stärker diese Rückkühlung im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15 erfolgt, desto höher liegt der Wirkungsgrad des geschlossenen Joule-Kreislaufs. Durch diese Rückkühlung wird der Taupunkt unterschritten und es fällt Kondensat aus. Das Kondensat, welches im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15 ausfällt, kann mit dem Kondensat-Abscheider 21 abgeschieden und in Richtung auf den Kondensat-Sammelbehälter 20 geführt werden, um anschließend das Kondensat über das Befeuchtungs-System 17 wieder in das gasförmige, zu verdichtende Arbeitsmedium einzubringen, und zwar in Fig. 1 mithilfe der Befeuchtungs-Düse 18 stromaufwärts des Verdichters 11 . Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 arbeitet demnach in einem vollständig geschlossenen Joule-Kreisprozess.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 10 nutzt das Rekuperator-System 16 sowie das Befeuchtungs-System 17. In Kombination dieser Merkmale ist es möglich, eine relativ hohe Wassermenge in das gasförmige Arbeitsmedium einzubringen, insbesondere in einem Bereich zwischen 3 Masse-% und 15 Masse-%, insbesondere in einem Bereich zwischen 3 Masse-% und 10 Masse-%, bezogen auf die Gesamtgasmasse bzw. Luftmasse am Austritt des Verdichters 11 . Hierdurch können bei Antriebstemperaturen im Bereich des ersten Wärmetauschers 12, die unterhalb von 1000 °C liegen, insbesondere in einem Bereich von 300 °C bis 600 °C, Wirkungsgrade erzielt werden, wie sie bislang nur bei befeuerten Gasturbinen mit Antriebstemperaturen von mehr als 1000 °C bereitgestellt werden können. Die eingedüste Flüssigkeit, nämlich das in das Arbeitsmedium eingebrachte Wasser, bleibt im geschlossenen Prozess erhalten und muss bis auf den Ausgleich von Leckage nicht nachgespeist werden. Unter Umständen kann auf die Abscheidung von Kondensat verzichtet werden, sofern das Kondensat im zirkulierenden Luftstrom verbleiben und in der Strömung der Luft kondensieren und direkt wieder verdampfen kann. In diesem Fall wäre dann lediglich zum Anfahren der Wärmekraftmaschine 10 das Befeuchtungs-System 17 erforderlich.
Fig. 3 verdeutlicht den geschlossenen Joule-Prozess der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 10 in einem log p-h-Diagramm, in welchem über der spezifischen Enthalpie h der Druck p logarithmisch aufgetragen ist. Der Zustand A der Fig. 3 entspricht dem Zustand des zu verdichtenden Arbeitsmediums unmittelbar stromaufwärts des Verdichters 11 . Zwischen den Zuständen A und B erfolgt die Verdichtung des Arbeitsmediums im Bereich des Verdichters 11 unter Verdampfung der Flüssigkeit. Zwischen den Zuständen B und C erfolgt die Vorwärmung im Bereich des Rekuperator-Systems 16. Zwischen den Zuständen C und D erfolgt die Zufuhr von Wärme und damit thermischer Antriebsenergie der externen Wärmequelle 28 im Bereich des zweiten Wärmetauschers 12. Zwischen den Zuständen D und E erfolgt die Entspannung des gasförmigen Arbeitsmediums im Bereich des Expanders 16. Zwischen den Zuständen E und F erfolgt die Rückgewinnung der Restwärme im Bereich des Rekuperator-Systems 16. Zwischen den Zuständen F und A erfolgt die Rückkühlung im Bereich des zweiten Wärmetauschers 15.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 umfasst das Rekuperator-System 16 einen einzigen Gas/Gas-Wärmetauscher bzw. Luft/Luft-Wärmetauscher, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 12 und stromabwärts des Expanders 13 zu führen.
Demgegenüber zeigt Fig. 2 eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 10, bei welcher das Rekuperator-System 16 zwei Gas-Flüssig- Wärmetauscher 16a, 16b umfasst. Der erste Gas-Flüssig-Wärmetauscher 16a des Rekuperator-Systems 16 der Fig. 2 ist eingerichtet, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromabwärts des Verdichters 11 und stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 12 zu führen. Der zweite Gas-Flüssig-Wärmetauscher 16b ist eingerichtet, um über denselben das gasförmige, im Expander 13 entspannte Arbeitsmedium zu führen, also stromabwärts des Expanders 13 und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 15.
Die beiden Gas-Flüssig-Wärmetauscher 16a, 16b des Rekuperator-Systems 16 der Fig. 2 sind über Leitungen 22 gekoppelt, über welche ein Wärmeübertragungsmedium fließt. Bei dem Wärmeübertragungsmedium kann es sich um unter Druck stehendes Wasser, Thermoöl oder dergleichen handeln.
Das Rekuperator-System 16 der Fig. 2 mit den beiden Gas/Flüssig- Wärmetauschern 16a, 16b und den Leitungen 22 bildet ein geschlossenes Zwischenkreissystem, wobei eine Pumpe 23 der Förderung des Wärmeübertragungsmediums durch das Rekuperator-System 16 dient. Über eine Druck- Regeleinheit 24 kann der Druck des Wärmeübertragungsmediums im Rekuperator-System 16 geregelt, insbesondere konstant gehalten werden, um zum Beispiel Leckageverluste des Wärmeübertragungsmediums zu kompensieren und eine Verdampfung des Wärmeträgermediums zu verhindern..
Ein weiterer Unterschied zwischen der Wärmekraftmaschine 10 der Fig. 1 und der Wärmekraftmaschine 10 der Fig. 2 besteht darin, dass im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Verdichter 11 als Hubkolbenverdichter ausgeführt ist, wobei Fig. 2 einen Kolben 25 eines Zylinders eines solchen Hubkolbenverdichters schematisch zeigt. Da ein solcher Hubkolbenverdichter gegenüber Turboverdichtern unempfindlich gegenüber Tröpfchen-Erosion ist, kann im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 über das Befeuchtungs-System 17 die Flüssigkeit unmittelbar im Bereich des Hubkolbenverdichters 11 und in größerer Menge, bzw. mit größeren Tröpfchen in das zu verdichtende Arbeitsmedium eingebracht werden. In Fig. 2 kann die Flüssigkeit direkt in den Zylinder während des Verdichtungsprozesses des Arbeitsmediums eingebracht werden. Hierdurch wird ein Erosionsrisiko deutlich reduziert, da die Flüssigkeitströpfchen keine weiteren Strömungswege zurücklegen müssen und nicht auf Bauteile mit hoher Impulsenergie auftreffen können. Bei einem Hubkolbenverdichter können zur Eindüsung der Flüssigkeit, insbesondere des Wassers, konventionelle Einspritzsysteme von Verbrennungsmotoren genutzt werden, die aus der Kraftstoffeinspritzung bekannt sind. Dabei erfolgt die Zerstäubung des Wassers unter einem hohen Druck vorzugsweise über entsprechend umfunktionierte Kraftstoffpumpen, und zwar vorzugsweise im Bereich des unteren Totpunkts in dem jeweiligen Zylinder des Hubkolbenverdichters 11 .
Fig. 1 und 2 zeigen weiterhin ein Druckregelsystem 26, welches eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Arbeitsmediums im geschlossenen Joule- Kreisprozess einzustellen und auf einem eingestellten Niveau zu halten. So können Leckageverluste des Arbeitsmediums kompensiert werden. Zur Leistungsregelung kann auch der Druck des Arbeitsmediums über das Druckregelsystem 26 variiert werden. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist weiterhin stromabwärts des Hubkolbenverdichters 11 und stromaufwärts des Wärmetauschers 16a des Rekuperator- Systems 16 ein Ölfilter 27 gezeigt, um Öl, welches über Leckageverluste der Zylinder im Bereich des Hubkolbenverdichters 11 in das gasförmige Arbeitsmedium gelangen kann, aus demselben herauszufiltern.
Bezugszeichenliste
Wärmekraftmaschine
Verdichter
Wärmetauscher
Expander
Generator
Wärmetauscher
Rekuperator-System a Wärmetauscher b Wärmetauscher Befeuchtungs-System Befeuchtungs-Düse Pumpe
Kondensat-Sammelbehälter
Kondensat-Abscheider
Leitung
Pumpe
Druckregelsystem
Kolben
Druckregelsystem Ölfilter externe Wärmequelle

Claims

Ansprüche Wärmekraftmaschine (10), nämlich in einem geschlossenen Joule-Prozess arbeitende Wärmekraftmaschine, zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie, mit einem Verdichter (11 ), der eingerichtet ist, um gasförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters (11 ) auf einen Ausgangsdruck des Verdichters (11 ) unter Verdampfung von in dem gasförmigen Arbeitsmedium enthaltener Flüssigkeit zu verdichten, mit einem ersten Wärmetauscher (12), der eingerichtet ist, um in das gasförmige, verdichtete Arbeitsmedium Wärme einer externen Wärmequelle (28) einzukoppeln, mit einem Expander (13), der eingerichtet ist, um stromabwärts des ersten Wärmetauschers (12) das gasförmige Arbeitsmedium zu entspannen, mit einem zweiten Wärmetauscher (15), der eingerichtet ist, um das gasförmige, entspannte Arbeitsmedium zu kühlen, mit einem Rekuperator-System (16), das eingerichtet ist, um einerseits stromabwärts des Verdichters (11 ) und stromaufwärts des Expanders (13) das gasförmige Arbeitsmedium vorzuwärmen, und um anderseits stromabwärts des Expanders (13) und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers (15) Restwärme aus dem gasförmigen, entspannten Arbeitsmedium für die Vorwärmung zurückzugewinnen, mit einem Befeuchtungs-System (17), das eingerichtet ist, um stromaufwärts des Verdichters (11 ) Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einzubringen, mit einem mit dem Expander (13) gekoppelten und vom Expander (13) angetriebenen Generator (14) zur Erzeugung der elektrischen Energie. Wärmekraftmaschine (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (13) auch mit dem Verdichter (11 ) zum Antreiben desselben gekoppelt ist. Wärmekraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Kondensat-Abscheider (21 ), der eingerichtet ist, um im Bereich des zweiten Wärmetauschers (15) anfallendes Kondensat aus dem gasförmigen Arbeitsmedium abzuscheiden und in Richtung auf einen Kondensat- Sammelbehälter (20) zu führen, wobei das Befeuchtungs-System (17) das im Kondensat-Sammelbehälter (20) gesammelte Kondensat als Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium einbringt. Wärmekraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperator-System (16) einen Gas-Gas- Wärmetauscher umfasst, der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium sowohl stromaufwärts des ersten Wärmetauschers (12) als auch stromabwärts des Expanders (13) zu führen. Wärmekraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperator-System (16) einen ersten Gas- Flüssig-Wärmetauscher (16a), der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromaufwärts des ersten Wärmetauschers (12) zu führen, und einen zweiten Gas-Flüssig-Wärmetauscher (16b), der eingerichtet ist, um über denselben das gasförmige Arbeitsmedium stromabwärts des Expanders (13) zu führen, aufweist, wobei der erste Gas-Flüssig- Wärmetauscher (16a) und der zweite Gas-Flüssig-Wärmetauscher (16b) über Leitungen (22), die ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium führen, gekoppelt sind. Wärmekraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungs-System (17) die Flüssigkeit stromaufwärts des Verdichters (11) in das gasförmige Arbeitsmedium einbringt. Wärmekraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11 ) ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder ist. Wärmekraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der das Befeuchtungs-System (17) die Flüssigkeit im Bereich des Verdichters (11 ) in das gasförmige Arbeitsmedium einbringt. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine (10), nämlich einer in einem geschlossenen Joule-Prozess arbeitenden Wärmekraftmaschine, zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie, insbesondere einer Wärmekraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit folgenden Schritten:
Verdichten eines gasförmigen Arbeitsmediums unter Verdampfung von in dem gasförmigen Arbeitsmedium enthaltener Flüssigkeit,
Einkoppeln von Wärme einer externen Wärmequelle in das gasförmige, verdichtete Arbeitsmedium,
Entspannen des gasförmigen Arbeitsmediums zum Antreiben eines Generators zur Erzeugung elektrischer Energie
Kühlen des gasförmigen, entspannten Arbeitsmediums, nach dem Verdichten und vor dem Einkoppeln der Wärme der externen Wärmequelle Vorwärmen des gasförmigen, verdichteten Arbeitsmediums, nach dem Entspannen und vor dem Kühlen des Arbeitsmediums Rückgewinnen von Restwärme aus dem gasförmigen, entspannten Arbeitsmedium, nach dem Kühlen des gasförmigen, entspannten Arbeitsmediums Einbringen von Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in das gasförmige Arbeitsmedium derart eingebracht wird, dass am Austritt des Verdichters (11 ) ein Dampfanteil verdampfter Flüssigkeit an der Gas- Masse am Austritt des Verdichters (11) zwischen 3% und 15%, vorzugsweise zwischen 3% und 10%, beträgt.
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