DE19916684C2

DE19916684C2 - Verfahren zur Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregats

Info

Publication number: DE19916684C2
Application number: DE19916684A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schwieger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: US6516617B1; DE19916684A1; ES2203446T3; WO2000063534A1; DE50003109D1; EP1169551A1; EP1169551B1; ATE246309T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregats, 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.

Aus der DE-OS 43 43 088 ist ein Kondesations-Wirbelrohr bekannt, das zur Trocknung, Separation und Überhitzung gesättigter oder nasser Dämpfe dient. Dieses Wirbelrohr ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Sattdampf oder Naßdampf wird über eine Eintrittsdüse tangen tial an den Querschnitt eines Wirbelrohrabschnittes unter Bildung einer Drallströmung eingeführt, kondensiert dort teilweise und se pariert sich unter der Einwirkung der Schwerkraft in einen nach oben abfließenden Warmstrom, der aus überhitztem trockenem Dampf besteht, und einen nach unten durch ein sich verjüngendes trichterartiges Rohr abfließenden Kaltstrom, welcher aus Kondensat und Kaltdampf besteht;
b) der Kaltstrom wird durch ein Rippenkühlrohr geleitet, in einem darunter angeordneten Kondensatsammelbehälter gesammelt und über einen Kondensatableiter abgeleitet.

In dem Artikel "Woher nehmen Tornados ihre Energie?", Zeitschrift "Implosion", Heft 30, 1968, S. 11-20 werden die Zusammenhänge bei Wirbelstürmen in der Weise erläutert, daß bei Wirbelstürmen das strömende Medium mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit in immer engeren Win dungen um einen Sogtrichter kreist und sich dabei einrollt, wobei das Dampf-Luftgemisch gewissermaßen ausgewrungen wird, die Luftfeuchtigkeit kondensiert und als Regen niedergeht. Die freiwerdende Kondensationswär me wird dabei teilweise in kinetische und elektrische Energie umgesetzt und vom Kern nach außen gedrängt, wo sie z. B. als Wärmewelle dem Tornado vorauseilt. Diese Wärme kann benutzt werden, um das Kondensat nach Druckerhöhung auf einem höheren Temperaturniveau zu verdampfen, um Arbeitsgefälle zu gewinnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Abdampfverluste und damit Wirkungsgradeinbußen insbesondere bei Kondensationskraftwerken zu verringern und auch die Wärmenutzung bei der Fernwärmeerzeugung, bei Entsalzungsanlagen oder dergleichen zu verbessern.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregates wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Kondensat nach Druckerhöhung durch eine Pumpe die Wärme des erwärmten Teilstromes aufnimmt und verdampft und der Dampf nach Arbeitsleistung in einer Turbine in die Wirbelströmung zurückgeführt wird.

In dem Aufsatz "Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kältepro zeß" von Rudolf Hilsch in der Zeitschrift für Naturforschung 1946, S. 208- 214, ist der Bau und die Wirkungsweise eines mit Luft betriebenen Wirbel rohres beschrieben. Wird das Wirbelrohr mit Dampf, insbesondere Wasser dampf, beschickt, dann ist eine Kondensation des kalten Teilstromes zu erwarten, wobei die Druckerhöhung des Kondensates mittels Pumpe weitaus energiegünstiger ist als die Erhöhung des Luftdruckes beim Wirbelrohr mittels Verdichter. Auch kann nun das Druckgefälle durch Sattdampferzeu gung wirtschaftlich hergestellt werden. Dabei wird die Wärme des warmen Stromanteiles der Randzone auf das Kondensat der Kernströmung übertra gen, dessen Verdampfungstemperatur mittels des Sattdampfdruckes auf einem möglichst hohen Niveau eingestellt wird, um ein maximales Druckge fälle zu erhalten, das in einer Turbine auf den Eingangsdruck des Wirbel rohres abgearbeitet wird. Dort kann der Prozeß von neuem beginnen. Das Kondensat wird hierbei außen um die erwärmte Randzone des Wirbelrohres herumgeleitet, nimmt dessen Wärme auf und verdampft.

Andere Wirbelaggregate und sogenannte Einrollaggregate sind aus mehreren Schauberger-Patenten bekannt. Diese sind vorwiegend für gasförmige Medien oder Wasser bestimmt ohne Änderung des Aggregatzustandes des Mediums. Der Einsatz von Dampf, vorzugsweise Sattdampf, läßt eine weitaus größere Volumenänderung durch Kondensation und eine größere Wärmeumsetzung erwarten als bei der Verwendung von Druckluft. Es wird ein höherer Temperaturanstieg auftreten und es ist von Vorteil bezüglich der Höhe des erreichbaren Sattdampfdruckes auf der Sekundärseite.

Der Dampfeintritt erfolgt etwa tangential in ein Gefäß, das sich nach unten verjüngt und dessen Form einem Ei oder einem Trichter entspricht. Das Kondensat wird nach unten abgeleitet. Die Umlaufzahl, mit der der Dampfstrom - in spiralförmigen Wirbeln sich voranbewegend - die Längs achse des Einrollaggregates durchläuft, ist von größerem Einfluß. Um die optimale Wirkung der Trennung in eine Kernströmung mit Kondensation und in eine Außenströmung mit möglichst hohem Temperaturanstieg zu erzielen, ist es notwendig, die Auswirkung einer geringen Schrägstellung des tangen tialen Eintrittsrohres zu erproben, ebenso wie die Höhe der mit oder ohne Düse vorhandenen Eintrittsgeschwindigkeit.

Die Geräteabmessungen sind für größere Dampfmengen zu konzipieren. Durch Versuche kann ermittelt werde, ob im Grundeinsatz das Schauberger- Aggregat mit gleicher Strömungsrichtung für warmen und kalten Teilstrom oder das Wirbelrohrprinzip mit gegenläufiger Richtung der Austrittsströ mung von Kern- und Randzone den besseren Effekt zeigt.

Geht man von vorhandenen Kondensationskraftwerken aus, so ist aus diesen bevorzugt Naßdampf aus dem Vakuumgebiet, z. B. von 0,2 bar (ts ~ 60°C) bei etwa 0,07 bar (ts ~ 39°C) Kondensationsdruck einzusetzen. Dies ergibt ein Druckverhältnis von fast 3 für die Entspannung im Einrollaggregat. Damit wird eine maximale Vorschaltleistung der vorhandenen Turbine angestrebt, deren Leistung nur im Vakuumgebiet eingeschränkt wäre.

Je nach erreichbarem Sekundärdampfdruck von ca. 15 bar (ts ~ 198°C) oder höher, z. B. von 60 bar (ts ~ 275°C) ist der nachfolgende Turbinenprozeß zu gestalten. Würde der Sekundärdampf 20% der an ihn übertragenen trans formierten Kondensationswärme umsetzen, dann wären etwa 5 Durchläufe nötig, um diese hierbei übertragene Wärme vollständig in elektrische Energie umzusetzen.

Diese vereinfachte Darstellung berücksichtigt nicht, daß bei Aufteilung des Dampfstromes anteilmäßig nur der Weg des Kaltstromes erfaßt ist über Kondensat und Sekundärdampf. Jedoch ist beim Wirbelrohr das Verhältnis des kalten Stromes zum Gesamtstrom zu bedenken. Welche Aufteilung zur optimalen Temperaturerhöhung führt, ist experimentell zu ermitteln.

Die Wirbelrohr-Messungen zeigen am warmen Rohrende einen restlichen Überdruck, wogegen die Entspannung des Kaltluftanteiles auf Atmosphären druck erfolgt. Die verbleibende Temperatur des Warmstromes ist wesentlich davon abhängig, inwieweit dieser Warmstrom bei der Erzeugung des Sekundärdampfes abgekühlt wird. Die Durchleitung der Wärme erfolgt über den Warmstrom kontinuierlich.

Für den weiteren Weg des Warmstromanteiles wird ein einfaches Abarbeiten des mit dem Staudruck pi erhaltenen Druckgefälles wenig Nutzen bringen. Deshalb bietet sich eine Wiederholung des beschriebenen Prozesses im Wirbelaggregat an. Allerdings muß hierzu der Druck des ersten Durchlaufes von ca. 0,2 bar auf ca. 0,6 bar angehoben werden, damit für einen zweiten nachgeschalteten Durchlauf noch genügend Druckgefälle verbleibt, mit dem der von 0,6 bar auf 0,2 bar - zusätzlich Staudruck - entspannte Warmstrom anteil sich weiterhin auf 0,07 bar entspannen kann.

Wird in beiden Fällen ein Aufteilungsfaktor von je 0,5 angenommen, so verbleiben nach zweimaliger Aufteilung nach dem zweiten Durchlauf 25% als Warmstromanteil, bezogen auf den anfänglichen Eingangsdampfstrom. Diese 25% wären mit dem geringen Restgefälle des Staudruckes pi abzuar beiten und im Kondensator niederzuschlagen, wobei diese verringerte Dampfmenge einen tieferen Kondensatordruck erlaubt. Alternativ kann diese Abdampfmenge zu Heizzwecken eingesetzt werden, wobei das Restgefälle nochmals in einem Wirbelrohr zu einer mäßigen Temperaturerhöhung eingesetzt wird.

Es wird angestrebt, bei den jeweiligen Wirbelstufen den gleichen Sekundär dampfdruck von zum Beispiel 15 bis 60 bar zu erhalten, um diese Dampfströme zusammenzuführen und eventuell bei passender Druckstufe mit dem Eingangsdampfstrom zur Vereinfachung des Prozesses gemeinsam weiterführen zu können. Die Dampfströme der verschiedenen Druckstufen nach Wärmetransformation sind miteinander abzustimmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann als Wirbelaggregat ein im Gegenstrom arbeitendes oder ein Einrollaggregat mit gleicher Strömungs richtung der Rand- und Kernströmung eingesetzt werden.

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch für eine Fernwärmeerzeugung eingesetzt werden. Auch kann Dampf aus Abfallwärme, Solarwärme u. a. erzeugt werden, der dann mindestens teilweise auf eine höhere Temperatur stufe transformiert wird zur Umsetzung in Strom oder Wärme. Auch kann bei Billigstrom eine Wärmepumpe eingesetzt werden.

Für Abwasserreinigung oder Meerwasserentsalzung ist das erfindungsgemäße Verfahren geeignet, weil bei den verschiedenen Verdampfungsstufen das dort einzuspeisende reine Kondensat des Kaltstromanteils zur Nutzung abgeführt und durch zu reinigendes Wasser ersetzt werden kann, von dem dann eine Restmenge mit konzentrierten Verunreinigungen bzw. Salzwasser abzuschlämmen ist.

Zur Wassergewinnung in heißen, trockenen Gebieten bietet das Verfahren die Möglichkeit, je nach relativer Feuchtigkeit der nachts abgekühlten Luft durch Luftverdichtung mit anschließender Entspannung im Wirbelrohr den Kaltluftstrom bis unter den Taupunkt abzukühlen, damit Wasser auskondensiert. Ein Teil dieses Wassers kann dann tagsüber über Brennspiegel mittels Sonnenwärme verdampft werden, wobei der über eine Pumpe hergestellte Wasserdruck mit der erreichbaren Sattdampftemperatur abzustimmen ist. Die aus dem Sekundärdampf mittels Turbine gewonnene Energie wird dann auf einer Batterie gespeichert und zum nächtlichen Antrieb des Luftverdichters eingesetzt. Eventuell kann damit nachts auch der Warmluftstrom zur Erzeugung von Dampf und Strom eingesetzt werden.

Da der Carnot-Wirkungsgrad bei dem Verfahren nach der Erfindung - angesichts der Aufteilung des Prozesses in mehrere Einzelprozesse mit jeweils eigenem Frischdampf-Zustand nach Wärmetransformation - keine Begrenzung des Ver stromungswirkungsgrades mehr darstellt, kann auch mit Wärmequellen tieferen Temperaturniveaus wirtschaftlich Strom erzeugt werden. Bei neuen Kraftwerken kann der Zwang zu hohen Frischdampfparametern entfallen. Die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit kann zunehmen und die Leistungsgröße ist weniger abhängig von einer Kostendegression.

Zur Veranschaulichung des Wärmeübergangs im Wirbelrohr wird auf den Aufsatz von R. Hilsch (Z. Naturforschg. 1, 208-214) verwiesen.

Bei Betrieb mit Druckluft ist bei γ = 0,5 Kaltluftanteil am Gesamtstrom eine Temperaturspreizung um ca. 90°C (+60°C zu -30°C) meßbar. Der Kaltluftstrom kann durch Wärmeübertragung um 70°C auf +40°C aufgeheizt werden, wobei der Warmluftanteil von +60°C auf -10°C abkühlt. Aber selbst bei -30°C benötigt der Kaltstromanteil zuviel Verdichtungsenergie und erfährt dadurch eine zu hohe Aufheizung, was die erwähnte Wärmeübertragung und Nutzarbeit verhindert.

Diese Verhältnisse sind bei Beschickung des Wirbelrohres mit Dampf geändert, weil als Kaltstromanteil Kondensat anfällt, das nach Druckerhöhung durch den Warmstrom aufzuheizen ist. Wesentlich ist dabei, daß die sekundäre Sattdampftem peratur oberhalb der Sattdampftemperatur des primären Warmstromanteils liegt. Die Wärmeübertragung erfolgt durch die aufgeheizte primäre Heißdampfphase.

Die Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 zeigen Prinzipskizzen von nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kondensationskraftwerken, in denen unter schiedliche Betriebsparameter eingetragen sind.

In den Zeichnungen bedeuten
A = Altanlage
N = Neuanlage
G = Generator
T = Turbine
W = Wirbelaggregat
P = Pumpe
V = Verdampfer
m = [kg/s] relativ
1 m = 100% Zudampf
p = [bar] [kJ/kg] Druck
pi = Staudruck
t = [°C] Temperatur
h = [kJ/kg] Enthalpie

Bei dem Kondensationskraftwerk nach Fig. 1 strömt Dampf aus einer Turbine T₁ 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 P zur Druckerhöhung zugeführt. Anschließend nimmt das Kondensat im Verdamp fer V die Wärme des Warmstromes auf und verdampft. Der Dampf strömt über eine Leitung 5 einer Turbine T₂ zu. Nach Arbeitsleistung wird der Dampf über eine Leitung 7 in die Wirbelströmung zur Leitung 1 zurückgeführt. Der im Verdamp fer V bereits abgekühlte Warmstromanteil des Wirbelaggregates 1 wird über eine Leitung 8 der nächsten Transformationsstufe W₂ zugeführt. Es können eine oder mehrere weitere Wirbelaggregat-Stufen n vorgesehen sein, in denen sich die Aufteilung in zwei Teilströme wiederholt.

Die Kondensationsverluste können durch folgende Maßnahmen verringert werden:

1. Geringerer Druckverlust für die einzelnen Wirbelrohrstufen. Jede dieser Stufen kann aus einer Anzahl parallel geschalteter Wirbelrohre bestehen.
2. Die Erhöhung der Anzahl der Stufen auf 4 oder mehr. Bei n Stufen be trägt die Kondensationsdampfmenge G_K bei etwa 0,07 bar, d. h. der Warmstromanteil aus der letzten WR-Stufe, G_K = (1 - γ)ⁿ, bezogen auf die Umlaufdampfmenge der Neuanlage bei Dauerbetrieb.
3. Verringerung des Warmstromanteils (1 - γ) am Gesamtstrom, z. B. von 50% auf 33%.

Den Werten der Anlage gemäß Fig. 1 sind in Fig. 2 geänderte Werte gegenüberge stellt, wobei sich die Prozentsätze auf die Zudampfmenge aus der Altanlage A beziehen, die bei Nichtentnahme in den Kondensator strömen würde.

Als Eingangsdrücke (in bar) für die einzelnen in Reihe geschalteten Wirbelaggregat- Stufen W₁ bis W₃ sind angenommen:

Im letzten Fall mit p = 0,33 bar für W₁ ist ein Staudruck pi für den Wärmestrom anteil von etwa einem Drittel des bei Druckluft vorhandenen Druckverhältnisses im Wirbelrohr berücksichtigt, wobei das Druckverhältnis etwa 1 + (1-1/3) = 1,67 beträgt.

Für eine vierte Wirbelrohrstufe würde sich ein Eintrittsdruck von 1,67 × 0,33 = 0,55 bar ergeben. Der Warmstromanteil wird von 50% auf 33% gesenkt. Der Kondensationsstrom beträgt bei einem Warmstromanteil von 1-γ und n Wirbelstu fen,

G_K = (1-γ)ⁿ

Bei einem Gefälle der Sekundärdampfmenge von 20% der im Wärmetrafo übertra genen Wärmemenge würde sich die Umlaufdampfmenge und damit auch die Kondensationsdampfmenge G_K auf das 5-fache der Zudampfmenge von 1 m erhöhen.

Diese Beispiele zeigen die große Schwankungsbreite der Kondensationsdampfmenge (hier 125% bis 6%), die maßgeblichen Einfluß auf den Wirkungsgrad hat. Die gegenüber der Altanlage vermutlich höhere Abdampfenthalpie wird dabei wenig ins Gewicht fallen.

Im Wirbelaggregat kann die Rotationsgeschwindigkeit eine Sogkomponente erzeugen. Somit könnte eine solche Sogkraft unterstützend wirken und den Druck verlust im Wirbelaggregat mindern. Dadurch kann eine größere Anzahl von Wirbelaggregat-Stufen in Reihe geschaltet werden. Dies wird die im Kondensator niederzuschlagende Abdampfmenge verringern und damit die abzuführende restliche Verlustwärme senken.

Sollte mittels der Wirbelaggregate ein für ein Turbinen-Mitteldruckgehäuse passender Sattdampfdruck von ca. 60 bar bei Auslegung und entsprechend niedriger bei Teillast im Gleitdruckbetrieb annähernd zu realisieren sein, dann kann auch dieser Turbinenteil für eine Wiederverwendung einbezogen werden. Die Turbinenstufen der "Altanlage" hinter dem Entnahmedruck für die oberste Wirbelstufe W₁ von z. B. 0,6 bar sind bei Umstellung auf die Neuanlage zu entfernen.

Claims

1. Verfahren zur Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregats, 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, dadurch gekennzeichnet, daß 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelag gregat ein Wirbelrohr ist, bei dem die Erwärmung des Dampfstromes in der Randzone und die Abkühlung und Kondensation in der Kernzone des Wirbelrohres erfolgt und daß das Kondensat nach Druckerhöhung durch eine Pumpe zur Verdampfung das Wirbelrohr außen umströmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß schrittweise in mehreren Durchläufen die transformierte Kondensationswär me den Turbinen zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der warme Teilstrom des Wirbelaggregats einen Verdampfer (V) beheizt und das Kondensat nach Druckerhöhung durch eine Pumpe dem Verdampfer (V) zugeführt wird und dort verdampft.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wirbelaggregate (W₁, W₂, W₃) in Reihe hintereinander ange ordnet sind, von denen jedes einen Verdampfer (V) aufweist, wobei der verbleibende Warmstromanteil in der folgenden Stufe tieferen Druckes abermals in einem Wirbelaggregat aufgeteilt wird, der Kaltstromanteil als Kondensat nach Druckerhöhung wieder verdampft und der Warmstromanteil der letzten Wirbelrohrstufe als Abdampfmenge in einem Kondensator niedergeschlagen wird.