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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einem Fluid mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung zum Kondensieren des Fluids, mit wenigstens einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Fluids, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen des Fluids und mit wenigstens einer Pumpeinrichtung zum Pumpen des Fluids. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmekraftmaschine.
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Eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art wird genutzt, um aus thermischer Energie (Wärme) elektrischen Strom zu erzeugen. In Kraftwerken (z. B. Kohle- oder Nuklearkraftwerken) kann für die zum Betrieb einer Dampfturbine benötigte Wärme bei hohen Temperaturen (>300°C) bereitgestellt werden. Bei derart hohen Prozesstemperaturen kann Wasser als Fluid in Wärmekraftmaschinen eingesetzt werden. Sind jedoch nur niedrige Temperaturen vorhanden, wie z. B. bei industrieller Abwärme oder Geothermie, so kann Wasser als Fluid aus thermodynamischer Sicht nicht mehr effizient genutzt werden, weshalb andere Fluide besser geeignet sind. Mit anderen Worten müssen dann andere Fluide als Wasser eingesetzt werden.
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In diesen Wärmekraftmaschinen werden derzeit Fluide eingesetzt, die aus Aspekten des Umweltschutzes bedenklich sind, da sie ozonabbauend oder stark erderwärmend sind. So weisen diese Fluide oft ein Ozonabbaupotential (ODP) auf, welches größer als 0 ist, oder ein Erderwärmungspotential (GWP) mit einem Wert größer als 10. Des Weiteren sind einige der gängigen Fluide brennbar, mitunter gesundheitsgefährdend oder toxisch. Derzeit sind keine kommerziellen Anlagen bekannt, deren Fluide diese vier genannten Eigenschaften gleichzeitig in positiver Weise aufweisen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmekraftmaschine zu schaffen, bei welchem Fluide eingesetzt werden können, die umweltfreundlich und sicherheitstechnisch unbedenklich sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine umfasst ein Fluid, welches ein Fluorketon oder eine Mischung wenigstens zweier Fluorketone ist.
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Durch den Einsatz von Fluorketonen bzw. einer Mischung aus Fluorketonen in der Wärmekraftmaschine ergibt sich ein niedrigerer apparativer Aufwand für die Wärmekraftmaschine, als bei der Verwendung von herkömmlichen Fluiden. Da das Druckniveau in der Wärmekraftmaschine beim Einsatz von Fluorketonen, bzw. der Mischung aus mehreren Fluorketonen geringer ist, als bei aus dem Stand der Technik bekannten Fluiden, so kann die Wärmekraftmaschine dementsprechend für geringere Drücke ausgelegt werden, wodurch mit Druck beaufschlagte Komponenten filigraner ausgeführt werden können. Mit anderen Worten ist ein geringerer Materialaufwand zum Betreiben der Wärmekraftmaschine erforderlich, wenn Fluorketone, oder deren Mischung als Fluid eingesetzt werden. Da Fluorketone des Weiteren weder brennbar noch gesundheitsschädlich oder toxisch sind, entsteht beim Austreten der Fluorketone keine Gefahr der Entflammung oder der Entstehung giftiger Dämpfe. Dementsprechend können Sicherheitsvorkehrungen, welche bei konventionellen Fluiden als Betriebsmittel der Wärmekraftmaschine erforderlich wären, also z. B. Maßnahmen zur Brandbekämpfung, mit geringerem Aufwand umgesetzt werden. So muss beispielsweise im Falle eines Brandes des die Wärmekraftmaschine beinhaltenden Gebäudes nicht damit gerechnet werden, dass vom Fluid die Gefahr ausgeht, den Brand zu intensivieren, sofern es sich um Fluorketone oder deren Mischung handelt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung arbeitet die Wärmekraftmaschine nach dem thermodynamischen Vergleichsprozess nach Rankine.
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Wird beim Betrieb von Wärmekraftmaschinen ein anderes Fluid als Wasser verwendet, so wird der thermodynamische Vergleichsprozess Rankine auch als Organic Rankine Cycle (ORC) bezeichnet. Durch den Betrieb von Wärmekraftmaschinen im Organic Rankine Cycle können auch geringe Wärmemengen, wie sie z. B. bei industrieller Abwärme oder Geothermie anfallen, besonders effizient z.B. in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden. Da die Abwärme durch die ORC-Technologie nutzbar gemacht wird, trägt die ORC-Technologie zur Einsparung an CO2-Emissionen, Energiekosten und fossiler Energieträger bei. Mit anderen Worten wird zumindest ein großer Teil der ansonsten ungenutzten Abwärme nicht mehr an die Umgebung abgeführt, sondern in eine andere Energieform umgewandelt, welche wiederum nutzbar ist.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn mittels eines Wärmeübertragers dem Fluid nach dessen Expansion und vor dessen Kondensation eine Wärmemenge entnehmbar ist und mittels welchem dem Fluid nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampfung die Wärmemenge zumindest teilweise zuführbar ist.
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Ein Wärmeübertrager überträgt definitionsgemäß Wärme von einem Stoffstrom höherer auf einen Stoffstrom niedrigerer Temperatur. Befindet sich auf der einen Seite der wärmeübertragenden Fläche des Wärmeübertragers, das nach dessen Expansion und vor dessen Kondensation warme Fluid und auf der anderen Seite der wärmeübertragenden Fläche das nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampfung im Vergleich dazu kalte Fluid, so kann durch den dadurch bedingten Wärmeaustausch das Fluid vor dessen Verdampfung besonders einfach in einen Zustand höherer Temperatur versetzt werden. Besonders effektiv erfolgt die Wärmeübertragung dann, wenn das Fluid in Strömungsrichtung kurz nach dessen Expansion in einer Expansionseinrichtung, also z. B. einer Turbine in den Wärmeübertrager einströmt und einen Teil seiner Wärme an das kältere Fluid auf der anderen Seite des Wärmeübertragers abführt. Ist die andere Seite des Wärmeübertragers so angeordnet, dass die Wärme an das kältere Fluid in Strömungsrichtung kurz vor dem Fluideintritt in die Verdampfungseinrichtung erfolgt, so sind die Wärmeverluste besonders gering. Mit anderen Worten wird also ein Teil der anfallenden Prozesswärme mittels weniger Komponenten und somit auf besonders platz- und gewichtssparende Art und Weise dem Fluid vor dessen Verdampfung zugeführt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Wärmemenge dem Fluid insbesondere nach dessen Durchlaufen der Pumpeinrichtung und vor dessen Verdampfung zumindest teilweise zuführbar.
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Dadurch, dass dem Fluid in dessen Strömungsrichtung nach der Pumpeinrichtung Wärme zugeführt wird, kann die Pumpeinrichtung besonders ausfallsicher betrieben werden. Tritt durch die Wärmezufuhr zwischen der Pumpeinrichtung und der Verdampfungseinrichtung ein zumindest teilweiser Phasenwechsel von der flüssigen Phase in eine Gasphase des Fluids auf, so erfolgt keine Beschädigungen an der Pumpeinrichtung infolge von Kavitationserscheinungen, da die Wärmezufuhr in Strömungsrichtung hinter der Pumpeinrichtung erfolgt. Somit kann das Auftreten von Kavitationserscheinungen in der Pumpeinrichtung besonders wirksam unterbunden werden. Erfolgt die Wärmeübertragung an das Fluid zudem kurz vor dessen Eintritt in die Verdampfungseinrichtung, so weist das Fluid bereits vor dem Eintritt in den Verdampfer infolge der Wärmezufuhr eine besonders hohe Temperatur auf. Mit anderen Worten sind also die thermischen Verluste bei der Wärmeübertragung an das Fluid besonders gering.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Wärmeübertrager als Regenerator ausgeführt ist.
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Gibt das überhitzte Fluid in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung in einem Regenerator Wärme an das Fluid in dessen Strömungsrichtung nach der Pumpeinrichtung ab, so kann der Gesamtwirkungsgrad der Wärmekraftmaschine besonders effizient erhöht werden. Ein Regenerator ist auch als Wärmespeicher bekannt und besitzt üblicherweise eine besonders hohe Wärmekapazität. Mit anderen Worten kann in einem Regenerator Wärme besonders effektiv gespeichert werden und über einen besonders langen Zeitraum an ein kälteres Medium abgegeben werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wärmekraftmaschine zur Nutzung der Abwärme thermodynamischer Prozesse, insbesondere zur Nutzung der Abwärme von industriellen oder geothermischen Prozessen einsetzbar.
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Die Nutzung von Abwärme, wie sie bei industriellen Anlagen anfällt, durch eine Wärmekraftmaschine erhöht den Gesamtwirkungsgrad der industriellen Anlage besonders effizient. Mit anderen Worten werden die Wärmeverluste an die Umgebung erheblich verringert, da die Abwärme zumindest in wesentlichen Teilen durch die Wärmekraftmaschine in eine andere Energieform, z. B. elektrische Energie umgewandelt wird.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Fluid oder die Mischung ein Ozonabbaupotential von 0 hat.
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Wird in der Wärmekraftmaschine ein Fluid mit einem Ozonabbaupotential von 0 eingesetzt, so hat ein unerwünschtes Austreten des Fluids keinerlei Auswirkungen auf die Ozonschicht. Mit anderen Worten trägt ein Austreten des Fluids der Wärmekraftmaschine nicht zum Abbau der Ozonschicht bei.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat das Fluid ein Erderwärmungspotential kleiner als 10.
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Je kleiner das Erderwärmungspotential des eingesetzten Fluids ist, desto geringer ist dessen Einfluss auf den Treibhauseffekt und damit auf die Klimaerwärmung. Unter diesem Aspekt ist der Einsatz so genannter Fluorketone oder deren Mischungen als Fluid besonders empfehlenswert. Solche Fluorketone werden üblicherweise als Isolationsgas und Feuerbekämpfungsmittel eingesetzt und weisen mit einem Wert kleiner als zehn ein besonders geringes Erderwärmungspotential auf. Somit können solche Betriebsstoffe für Wärmekraftmaschinen innerhalb der gesetzlichen Rahmenbedingungen besonders zukunftssicher eingesetzt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine mit einem Fluid wird dieses Fluid mittels wenigstens einer Kondensationseinrichtung kondensiert, mittels wenigstens einer Expansionseinrichtung expandiert, mittels wenigstens einer Verdampfungseinrichtung verdampft und mittels wenigstens einer Pumpeinrichtung gepumpt. Als das Fluid wird ein Fluorketon oder die Mischung wenigstens zweier Fluorketone verwendet.
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Die für die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, deren nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Figur.
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Dabei zeigt die einzige Figur schematisch die Ausführung einer Wärmekraftmaschine mit einem Fluorketon oder einer Mischung aus verschiedenen Fluorketonen als Fluid.
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In der Figur (1) ist schematisch ein Kreisprozess einer Wärmekraftmaschine 1 dargestellt. Das Fluid wird in einer Strömungsrichtung 7 mittels einer Pumpe 5 durch die Wärmekraftmaschine 1 gefördert. Gemäß der mittels eines Pfeils verdeutlichten Strömungsrichtung 7 wird das Fluid also entsprechend der Bildebene im Uhrzeigersinn durch die Wärmekraftmaschine gefördert. Als Fluid kann beispielsweise eines der Fluorketone Novec 524 (C5F10O), Novec 649 (C6F12O) oder Novec 774 (C7F14O) oder deren Mischung eingesetzt werden. Das Fluid wird durch die Pumpe 5 in Strömungsrichtung 7 durch einen Wärmetauscher, welcher als ein Regenerator 6 ausgeführt ist gefördert. Nach dem Durchtritt des Fluids durch den Regenerator 6 tritt das Fluid in eine Verdampfungseinrichtung, welche als ein Verdampfer 4 ausgeführt ist, ein und wird dort verdampft. In Strömungsrichtung 7 nach dem Verdampfer 4 tritt das verdampfte Fluid in eine Expansionseinrichtung ein, welche als Expansionseinheit 3 ausgeführt ist. Bei der Expansionseinheit 3 handelt es sich um eine Turbine, mittels welcher thermische Energie in mechanische Energie gewandelt wird, wobei die mechanische Energie beispielsweise durch Antreiben eines Generators zumindest in wesentlichen Teilen in elektrische Energie umgesetzt wird. Nach dessen Expansion tritt das Fluid entsprechend der Strömungsrichtung 7 in den Regenerator 6 ein und gibt dort zumindest einen Teil seiner Wärme an den Regenerator 6 ab. Infolgedessen wird das abgekühlte Fluid entsprechend der Strömungsrichtung 7 einer Kondensationseinrichtung, welche als Kondensator 2 ausgeführt ist zugeführt und kondensiert. Nach dessen Kondensation wird das Fluid entsprechend der Strömungsrichtung 7 wiederum der Pumpe 5 zugeführt, wodurch der Kreislauf der Wärmekraftmaschine 1 geschlossen ist. Die Wärmekraftmaschine 1 arbeitet nach dem Organic Rankine Cycle (ORC).
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Durch den Regenerator 6 wird zumindest ein Teil der Wärme des Fluids nach dessen Austritt aus der Expansionseinheit 3 entnommen und dem Fluid vor dessen Eintritt in den Verdampfer 4 zugeführt.
