DE20209289U1

DE20209289U1 - Dampfkraftwerk mit Auskopplung und Rückführung der Verdampfungswärme

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Publication date: 2003-10-16
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Description

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Beschreibung Dampfkraftwerk mit Auskopplung und Rückführung der Verdampfungswärme

In den Gebrauchsmusteranmeldungen Nr. 229 03 699.5

Druckgesteuerter Verbrennungsmotor mit stufenloser Regelung von Drehmoment und Drehzahl, integrierter Abgaswäsche und Wärme- sowie Antriebsenergierückgewinnung (Abgasbetrieb )

und Nr. 299 03 700.2

Druckgesteuerter Verbrennungsmotor mit stutenloser Regelung von Drehmoment und Drehzahl, integrierter Abgas wäsche und Wärme- sowie Antriebsenergierückgewinnung (Druckluftbetrieb)

wird jeweils unter Figur 2 in den Zeichnungen die Antriebseinheit, ein Drehkolbenmotor, dargestellt.

In den vorgenannten Gebrauchsmusteranmeldungen arbeitet dieser Drehkolbenmotor jeweils im Druckbetrieb.

Dieser Motor kann auch im Sogbetrieb eingesetzt werden, da es hierfür viele Anwendungen gibt.

So entsteht in technischen Prozessen, z.B. Wärmekraftwerken abgangsseitig viel Wasserdampf, dessen Wärme bisher weitgehend-ungenutzt über diverse Wärmetauscher in Flüsse,-Meere oder die Luft abgeführt wird.

Diese Wärmetauschung führt zu einer Kondensation des Dampfes, welche insgesamt den Brennstoffhutzungsgrad dieser Kraftwerke jedoch nur ca. 6 - 8 % verbessert, d.h. die restliche Verdampfungswärme aus dem Prozess wird in die Umgebung abgeführt.

Der Drehkolbenmotor in der Betriebsart Sog kann äusserst vorteilhaft eingesetzt werden, um aus der Abwärme dieser teclinischen Prozesse, insbesondere dem Wasserdampf, nutzbare Energie zu gewinnen, z.B. Strom.

Hierzu sind die folgenden Voraussetzungen zu schaffen:

Eine Kondensationskammer für Wasserdampf wird eingerichtet. Diese Kammer ist so ausgestattet, dass der Druck in der Kammer niemals höher wird als der Umgebungsluftdruck. Dies wird dadurcherreichtfdäss^äuf der Decke der Kammer eine leichte Klappe angebracht ist, welche durch ihr Eigenwicht die Kammer verschliesst. Sobald der Druck in der Kammer grosser wird als der Umgebungsdruck, hebt sich die Klappe und lässt den überschüssigen Dampf entweichen.

In einem solchen Fall wird die Einspeisung des Wasserdampfes in diese Kammer durch einen Schieber geschlossen.

Erfindungsgemäss wird sodann vorteilhaft ausgenutzt, dass die Siedetemperatur einer Flüssigkeit vom jeweiligen Umgebungsdruck abhängt, und dass bei der Kondensation durch den Übergang

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vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand eine erhebliche Volumenverkleinerung erfolgt, welche bei konstantem Volumen einen entsprechenden Druckabfall erzeugt. Die Dampfdruckkurve des Wassers weist hierzu aus, dass schon bei einer geringen Unterschreitung der normalen Siedetemperatur des Wassers ( 100⁰C auf Meeresereshöhe ) ein erheblicher Druckabfall im Dampfdruck des Wassers stattfindet gegenüber dem Umgebungsdruck.

Wenn man nunmehr noch berücksichtigt, dass für die Volumenvergrösserung beim Übergang von Wasser ( Flüssigkeit) zu Wasserdampf ( Gas ) nur ca. 8 % der gesamten Verdampfungswärme benötigt werden und somit bei den bisher installierten Kondensationen mindestens ca. 92 % der Verdampfungswärme als Kondensationswärme ungenutzt an die Umgebung abgeführt werden, erscheint es sinnvoll, diese Abwärme zunächst beim Kondensationsprozess auszukoppeln und später dem Gesamtsystem als Verdampfungswärme wieder zuzuführen.

Erfindungsgemäss wird hierzu die Kondensation wie folgt konstruktiv ausgebildet: In der Kondensationskammer befinden sich mehrere Wärmetauscher, welche es ermöglichen, dass Kühlwasser unterschiedlicher Temperaturen in die Kondensationskammer eingeleitet wird. Das Kühlwasser der einzelnen Wärmetauscher nimmt jeweils Teile der Kondensationswärme auf und wird mit der entsprechend erhöhten Temperatur aus der Kondensationskammer geführt und in einem isolierten Behälter gespeichert.

Die Anzahl der Wärmetauscher und die jeweilige Eintritts- bzw. Austrittstemperatur des Kühlwassers orientieren sich hierbei an der Dampfdruckkurve des Wassers.

Beispiel: Je 100 mbar Druckabfall wird ein Wärmetauscher installiert. Bei bekanntem Abdampfvolumenstrom kann man hieraus die jeweilige Eintrittstemperaturdes Kühlwassers und dessen Volumenstrom bestimmen, sofern die Austrittstemperatur des Kühlwassers festliegt.

Die Austrittstemperatur des Kühlwassers sollte hierbei möglichst hoch liegen, da die Verdampfungswärme in den Prozess zurückgespeist werden soll.

Diese Rückführung geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass das Verfahren der Entspannungsverdampfung / Flash-Verdampfung angewendet wird.

Bevor Wasserdampf zu Umgebungsdruck in den Motor eingespeist wird, finden zunächst nacheinander Flash-Verdampfungen statt,

Aufgrund des im Motor noch bestehenden Unterdruckes, kommt es in den einzelnen isolierten Behältern, in welchen das jeweils erhitzte Kühlwasser aus der Kondensation gespeichert ist, zu explosionsartigen Verdampfungen, sobald diese Behälter zum Motor hin geöffnet werden. Hierbei kühlt sich das in den Behältern befindliche Wasser ab. Erfindungsgemäss erfolgt dieses Öffnen der einzelnen Behälter zum Motor inumgekehrter, . .. Reihenfolge wie bei Beschickung dieser Behälter mit dem jeweiligen Kühlwasser aus der Kondensation.

Zum Schluss erst wird erfindungsgemäss ein Anteil normaler Wasserdampf in den Motor eingespeist, um dort den Umgebungsdruck wieder herzustellen.

Die Kondensation und die Flash-Verdampfungen verlaufen hierbei erfindungsgemäss für jeweils 2 Kammern des Motors parallel, so dass ein kontinuierlicher Prozess möglich ist, wobei die Motordrehzahl prozessabhängig ist.

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Die Leistungserbringung des Systemes erfolgt somit über eine hohe Kraft bei geringer Geschwindigkeit.

An diesen Motor lassen sich Generatoren zur Stromerzeugung ebenso ankopplen wie z.B. Luftverdichter, über welche die Abstrahlungswärme des Kraftwerkes in den Prozess wieder eingekoppelt werden kann. Die heisse Druckluft dient dabei zunächst zur Wasserdampferzeugung. Die abgekühlte Druckluft kann ebenfalls Generatoren treiben.

Vereinfacht ausgedrückt ist der Ablauf wie folgt:

1) Kondensation mit Auskopplung der Verdampfungswärme

Die Dampfdruckkurve wird absteigend durchlaufen. In den Behältern sammelt sich jeweils erhitztes Kühlwasser eines bestimmten Dampfdruckes.

2) Rückführung der Verdampfungswärme über die Flash-Verdampfung

Während und nach der Kondensation herrscht in der entsprechenden Kammer des Motors ein erheblicher Unterdruck. Die einzelnen Behälter mit dem Kühlwasser werden nun in der Reihenfolge geöffnet, dass die Dampfdruckkurve aufsteigend durchlaufen wird.

Dieses geschilderte Verfahren lässt sich auch realisieren, wenn anstelle der Drehkolbennmotore Turbinen oder Windräder eingesetzt werden.

Die Windräder drehen sich hierbei in einem Turm, welcher über entsprechende äussere Öffnungen den Wasserdampf jeweils über die Windräder in den Turm saugt.

Der einzige Unterschied ist, dass die Kondensation nicht in einer Kammer stattfindet, sondern in mehreren Kammern hintereinander mit jeweils dazwischenliegenden Turbinen bzw. Windrädern. Dies ist deshalb notwendig, weil die Verdampfungswärme nach der Auskopplung in einen anderen Prozess wieder eingespeist werden muss.

Insofern erhöht sich hierbei auch die Anzahl der Turbinen bzw. Windräder mit der Anzahl der Kondensationskammern unterschiedlichen Druckes. Dies ermöglicht wiederum grosse Durchsatzmengen an Dampf.

Die Vorteilhaftigkeit der Erfindung zeigt sich neben der geschilderten Nutzung von prozessmässig anfallendem Abdampf insbesondere auch darin, dass dieses neue Dampfkraftwerk quasi überall einsetzbar ist, so z.B. auch in Wohnhäusern.

Hierbei wird der Wasserdampf vorzugsweise über die Nutzung regenerativer Energien erzeugt oder auch durch Verbrennung von fossilen Stoffen. Die Flash-Verdampfung kann erheblich kleiner ausfallen, da die Kondensationswärme bereits grösstenteils zum Beheizen des Hauses bzw. zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann.

Das folgende Ausführungsbeispiel eines Wohnhaus-Dampfkraftwerkes soll die erfindungsgemässe Neuerung nochmals erläutern:

Es zeigen :

Figur 1 : Das Wirkprinzip, Teil 1, mit dem Drehkolbenmotor, einem Generator und den Verbindungsleitungen

Figur 2 : Das Wirkprinzip, Teil 2, mit Kondensation, Flashverdampfung, integrierter Wasserdampferzeugung, Heizung- und Brauchwasserentnahme

Figur 3 : Den Drehkolbenmotor aus den genannten Anmeldungen

Figur 4 : Das Wirkprinzip bei der Verwendung von Turbinen oder Windrädern

In Figur 1 und Figur 3 sind der Drehkolbenmotor (1) mit dem angeschlossenen Generator (10) zu sehen sowie der Anschluss des Motors (31) an die Kondensation (11) über die Leitung (3). Weiterhin ist die Dampfeinspeisung (30) am Motor (1) zu erkennen, welche über die Leitung (2) aus den Flash-Verdampfungen (4,5,6) sowie über normalen Wasserdampf (26,7) erfolgt.

Die Figur 2 zeigt die Kondensation (11) mit den Wärmetauschern (12,13,14) und dem Kondensat (15).

Die Wärmetauscher ( 12,13,14) arbeiten in und aus den jeweiligen Kühlwasserbehältern (20,19,18), welche ausser dem Kühlwasser noch Dampf (27,28,29) enthalten. Der jeweilige Dampfteil ( 27,28,29) dieser Kühlwasserbehälter ( 20,19,18) steht in direkter Verbindung mit den Behältern der zugehörigen Flash-Verdampfung (6,5,4).

Weiterhin zu erkennen sind die Kaltwassereinspeisung (16) mit dem angeschlossenen Behälter (17) sowie die Entnahmen für Heisswasser (23,24,25) unterschiedlicher Temperatur und die Wasserdampferzeugung über den Siedewasserbereich (22) mit der Heizung (21) und dem Wasserdampf (26).

Die Leitung (8) wird benötigt, um das System in kaltem Zustand hochzufahren. Die Leitung (9) führt zu Speichern für Wasserdampf, wenn z.B. mit regenerativen Energien beheizt wird, welche nicht kontinuierlich anfallen.

Der Ablauf ist nunmehr wie folgt:

a) Über die Leitung (8) wird zunächst Wasserdampf (26) in die Kondensation (11) und in den

Motor abgangsseitig (31) eingespeist. Anschliessend beginnt die Kondensation. Gleichzeitig damit wird Wasserdampf zu Umgebungsdruck (26) über die Leitungen (7,2) in den Motors eingangsseitig eingespeist (30).
Das System beginnt zu arbeiten.

b) Die Flashverdampfungen (4,5,6) werden erst dann zugeschaltet, wenn in den Behältern (18,19,20) die entsprechenden Temperaturen erreicht sind. Der Wasserdampf (26) wird dann nur noch kurz vor der jeweiligen Ausleitung (31) in die Motor (30) eingespeist.

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c) Bei einem völligen Neustart des Systems muss ggf. eine Entlüftung durchgeführt werden.

Figur 4 zeigt den Ablauf dieses Verfahrens beim Einsatz von Turbinen (42) oder Windrädern, welche mechanische Arbeit aus der Umwandlung der kinetischen Energie des Dampfes erzeugen, am Beispiel von Turbinen (42).

Wasserdampf (41) wird jeweils durch den Sog, welcher in den Kondensationen (43) aufgebaut wird, durch die Turbinen (42) gezogen.

Die Kondensationen (43) werden über die Wärmetauscher (45) gekühlt, welche ihrerseits die Kondensationswärme über eine Flash-Verdampfung (44) wieder abgeben.

Da bereits geringe Druckunterschiede im Wasserdampf (41) hohe Geschwindigkeiten ergeben, kann insbesondere bei den hohen Temperaturen direkt unterhalb des Umgebungsdruckes zunächst mit kleinen Druckunterschieden operiert werden, welche dann mit sinkender Temperatur grosser werden können.

Claims

1. Dampfkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Gasauslass (31) eines Drehkolbenmotores (1) eine Leitung (3) zu einer Kondensationskammer (11) befindet und dass am Gaseinlass (30) des Motores (1) mehrere Dampfzuführungsleitungen (2, 4, 5, 6, 7) angeschlossen sind mit der Massgabe, dass über diese Leitungen (2, 4, 5, 6, 7) Dampf unterschiedlichen Druckes in den Motor (1) eingespeist werden kann.

2. Dampfkraftwerk nach Schutzanspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolbenmotor (1) einen Generator (10) antreibt und/oder einen Luftverdichter.

3. Dampfkraftwerk nach Schutzanspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Kondensationskammer (11) mehrere Wärmetauscher (12, 13, 14) befinden, die vorzugsweise untereinander angeordnet sind, wobei dann der Dampfeintritt (3) in die Kondensationskammer (11) von oben erfolgt.

4. Dampfkraftwerk nach Schutzanspruch 1), 2) und 3), dadurch gekennzeichnet, dass das in den Wärmetauschern (12, 13, 14) zirkulierende Kühlmittel aus hohen isolierten Behältern (18, 19, 20) entnommen und auch wieder dahin zurückgespeist wird.

5. Dampfkraftwerk nach Schutzanspruch 1), 3) und 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (18, 19, 20) direkt verbunden sind mit weiteren isolierten Behältern (4, 5, 6) mit der Massgabe, dass diese Behälter (4, 5, 6) ausschliesslich Dampf enthalten, welcher in den Behältern (18, 19, 20) erzeugt wurde.

6. Dampfkraftwerk nach einem oder mehreren der Schutzansprüche von 1) bis 5), dadurch gekennzeichnet, dass aus den Behältern (18, 19, 20) Heisswasser (23, 24, 25) entnommen werden kann.

7. Dampfkraftwerk nach einem oder mehreren der Schutzansprüche von 1) bis 6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizung (21) vorhanden ist, welche Siedewasser (22) in Wasserdampf (26) überführen kann, wobei dies in einem geschlossenen Behälter (32) erfolgt und dass an diesen Behälter (32) weitere Behälter zur Speichenrung von Wasserdampf (26) anschliessbar sind (9).

8. Dampfkraftwerk nach Schutzanspruch 1) und 7), dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitung (8) existiert, welche die Kondensationskammer (11) mit dem Behälter (32) dergestalt verbindet, dass Wasserdampf (26) direkt in die Kondensationskammer (11) eingeleitet werden kann.

9. Dampfkraftwerk nach Schutzanspruch 1) und 3), dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat (15) über eine Leitung (33) in den Kaltwasserbehälter (17) eingespeist werden kann.

10. Dampfkraftwerk nach einem oder mehreren der Schutzansprüche von 1) bis 9), dadurch gekennzeichnet, dass Pumpen und Ventile vorhanden sind zur Steuerung und Regulierung der Abläufe.

11. Dampfkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass Turbinen (42) oder auch Windräder in einem Turm mit jeweils daran angeschlossenen Generatoren und/oder Luftverdichtern dergestalt zunächst hintereinander und anschliessend jeweils parallel geschaltet sind, dass bei der Hintereinanderschaltung die jeweils nachfolgenden Turbinen (42) bzw. Windräder zwischen zwei Kondensationskammern (43) angeordnet sind und bei der Parallelschaltung jeweils zwischen einer Flash-Verdampfungs-Kammer (44) und einer Kondensationskammer (45) mit der Massgabe, dass die jeweilige Flash-Verdampfungs-Kammer über Wärmetauscher (45) an die jeweils zugehörige Kondensationskammer angeschlossen ist, wobei die Dampfeinspeisung (41) lediglich in die erste Turbine/Windrad (42) der Hintereinanderschaltung erfolgt.