DE2330216A1 - Verfahren zum pumpen von waerme - Google Patents

Description

II.-U. H Ö Π ίϊ E ' 6078 Neu Isenburg

Am Porsthaua Gravenbruch 17

VEBFAHREH ZUM PUMPEN VON ViBH

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum "Pumpen¹*, d.h. zum Transportieren, von Wärme von niederem auf höheres Niveau. Es ist in weiten Teperaturgrenzen, vor allem auch oberhalb der normalen Umgebungstemperatur, wirtschaftlich einsatzfähig und erweitert damit die großtechnisch anwendbare .Verfahrensskala in den Warmbereich»·

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Wärmeaufnahme bei niederer Temperatur Lösungskomponenten zur Mischung gelangen, die eine negative Lösungsenthalpie (d.h. negative "Lösungs-" bzw. "Verdünnungswärme¹¹) aufweisen und die Lösungen bei höherer Temperatur zwecke Wärmeabgabe wieder in die Komponenten zerlegt werden.

Die Transportmedien aufgenommener Wärme sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also Lösungen bzw.. Flüssigkeiten, im Gegensatz zu den zur Zeit doainierenden Verfahren, bei denen es Gase sind. Dadurch verfügt das erfindungsgemäße Verfahren über die physikalischtechnische Grundlage zur wirtschaftlichen Bewältigung aktueller Aufgaben, wie z.B. die zum Rücktransport von Kraftwerksabwärme auf Arbeitsniveau. - -

Als im Rahmen der Erfindung einsetzbare Lösungskomponenten eignen sich einerseits Salze und/oder andere Verbindungen, die sich in V/asser und/oder anderen Lösungsmitteln unter Wärmeentzug auflösen und andererseits solche konzentrierte Lösungen, die durch eine negative Verdiinnungswärme gekennzeichnet sind, sich also beim Verdünnen (bzw. sofern es sich ua Lösungen verschiedener Verbindungen

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entsprechender Eigenschaft handelt, beim Mischen) abkühlen.

Salze, anorganische und organische Verbindungen, -Lösungsmittel und -Lösungen, die den Forderungen genügen, sind aus der Literatur bekannt und können anforderungsspezifisch auch neu kombiniert werden, vor allem, soweit es sich um weniger gebräuchliche I-Iedien, wie etwa anorganische wasserähnliche Lösungsmittel, handelt. Einige der bekannten Lösungskombinationen erfahren seit langem in der naturwissenschaftlichen Expeximentaltechnik praktische Anwendung zur Herstellung von sogenannten "Kältemischungen¹¹ bzw. "Kältelösungen", und zwar vornehmlich Lösungen von verschiedenen Nitraten, (wie NH EO₅, N?NO ) Halogeniden (wie NH Cl, IiJ, CaCl₃ . 6 H₀O), Icetaten (wie NaCgH₃O₂ . 3 H₂O), Chromaten (wie (Kn^)₂Qr₂O₇) und/ oder Thiosulfaten (wie Ka₂S₀O₅ . 5 H₃O) - allein oder in Gemisch - in Wasser und/oder polaren organischen Lösungsmitteln, von festem C0_oin flüssigem S0_? und andere mehr. · -

Zur Trennung der Lösungskomponenten können alle Methoden Anwendung finden, die für solche Aufgaben üblich sind, für die Zerlegung salzhaltiger Lösungen, also beispielsweise die zur Entsalzung von Meerwasser geeigneten, wie die Trennung durch Phasenwechsel (Verdampfung, Kristallisation, Gashydratbildung, Fällung, Extraktion, Adsorption, Ionenaustausch, Phasenzerfall im kritischen Gebiet etc.), Temperatur- und Konzentrationsgradienten (Thermodiffusion, Membrandiffusion etc.) elektromagnetische Felder (Elektrodialyse, magnetische Wirkungen etc.) Massenbeschleunigung (Trenndüsen, Ultrazentrifugen etc.) oder andere Effekte.

Das der Erfindung entsprechende Wärmetransportsystem ist dem Verfahrensprinzip entsprechend einfach:

Es besteht, wie in Abbildung 1 beispielhaft und schematisch dargestellt, im wesentlichen aus der Mischkammer (1), der Trenneinrichtung (2) und den Wärmeaustauschern (3) und (4)» in denen der Wärmeaustausch zwischen den der Mischkammer zugeführten Lösungskomponenten und der sie verlassenden Lösung vorgenommen wird.

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Die sich unter Abkühlung miteinander vereinigenden LÖ3ungskomponenten werden der Mischkammer (i) getrennt durch die Leitungen (22) und (2j) mittels dor Punpen (5) und (6) zugeführt, z.B. die wässrige Aufschlämmung eines Salzes, wie Ammoniumnitrat oder Calziumchloridhydrat, durch Leitung (22) und Wasser als Lösungsmittel durch Leitung (23).

In der Mischkammer (i) bilden die vereinten Lösungskomponenten eine sogenannte "Kältelösung", die von einem Medium, da» den in der Mischkammer (i) angeordneten Wärmeaustauscher (11) durchströmt, Wärme aufnimmt.

Angewärmt, doch noch immer kalter als die Lösungskomponenten, verläßt die Lösung die Mischkammer (i) durch Leitung (21) und wird in den Wärmeaustauschern (3) und (4) im Gegenstrom zu den Lösungskomponenten (die sich dabei abkühlen) angewärmt.

In der Trenneinrichtung (2) wird.die warme Lösung in ihre Komponenten zerlegt und die hierbei gegebenenfalls frei werdende Kri3tallisa.tions- oder Konzentrationswärme durch den V/ärmeaustauscher (12) (der hier der Einfachheit halber nur in die Trenneinrichtung (2) eingezeichnet ist) abgeführt. Im übrigen kommt die von der Lösung aufgenommene Wärme im Zuge des zwischen Lösung und Lösungskomponenten erfolgenden Wärmeaustausches zur Abgabe. Ba nätnlich in der Regel die Summe der Wärmekapazitäten der Lösungskomponenten größer ist als die Wärmekapazität der Lösung, läßt sich im gesamten Bereich zwischen Lösungstemperatur und Trennteraperatur die von den Komponenten zum Anwärmen der Lösung nicht benötigte Wärme entnehmen»

Für den Wärmeaustausch zwischen Lösungskomponenten und Lösung ist eine Temperaturdifferenζ von 8-10 C zumeist ausreichend. Biese Temperaturdifferenz genügt auch bei den gängigsten Trennvorfahren, wie etwa der mehrstufigen Entspannungsverdampfung oder den Extraktionsverfahrenizur Trennung der Lösungen in ihre Komponenten. Sieht man von möglichen Sonderkonstruktionen ab, so muß die Kälteleistung dftr "Kältelösung" sowohl zur Kompensation dor Temperaturen ff c-rena als auch zur zusätzlichen Wärmeaufnahme ausreichen.

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Eine Lösung von 1OOO g' Ammoniumnitrat in 1 Litor Wasser nimmt bei 12 C beispielsweise 45 kcal Wäx'me auf. Davon können ca. 10 kcal für die Kompensation des zum Wärmeaustausch notwendigen Temperaturgefälles und ca» 35 kcal für den eigentlichen Wärmetransport zur Verfugung stehen.

Anwendungsbeispiel ,

Beim Wasserdampf-Kraftprozeß, durch den unter anderem die überwiegende Menge dor elektrischen Energie gewonnen wird, werden etwa 40$ der eingebrachten Wärme In Arbeit umgewandelt und etwa 60$^ an Kühlwasser oder Kühlluft abgeführt.

Durch Anwendung der Erfindung ist es möglich, in dem Prozeß anfallende Kondensationswärme des Niederdruckdampfes («Abwärme) auf die zur Erzeugung von Hochdruckdampf erforderlichen Temperaturen zu "pumpen".

Das dazu einsetzbare Wärmetransportsystem ist in Abbildung 2 beispielhaft und schematisch dargestellt. Es gleicht in seinen Grundzügen dem in Abbildung 1 wiedergegebenen, weshalb die Apparate und Rohrleitungen,denen die entsprechende Aufgabe wie dort zukommt, durch die gleiche Zahl gekennzeichnet sind.

Die bei ca. 100 C anfallende Kondensationswärme des Niederdruckdarapfes (HD) wird in der Mischkammer (i) durch den Wärmeaustauscher (11) auf eine Kältelösung (= Lösung) übertragen, die durch Auflösen von Kaliumiodid in Wasser entsteht. In der als Zyklon ausgebildeten Trenneinrichtung (2) wird die Lösung anschließend in ihre Komponenten, einen wässrigen Kaliumjodidschlamm und Wasser (bzw. Wasserdampf) zerlegt. In den Wärmeaustauschern (5) und (4) vollzieht sich, wie beschrieben, der Wärmeaustausch zwischen der(Leitung 21 durchfließenden) Lösung und ihren Komponenten (d.h. dem durch Leitung ?2

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"bewegten Kaliumjodid-Schlamm und dem durch Leitung 23 strömenden Wasser "bzw. dem im heißesten Abschnitt der Leitung 23 vorliegenden Wasserdampf).

Die Zerlegung der Lösung in Wasser (bzw. Wasserdampf) und wässrigen Kaliumjodid-Schlamm erfolgt durch Phasenzerfall im kritischen Gebiet der Lösung. Der Arbeitsdruck liegt aus wirtschaftlichen Gründen im gesamten System in der Nähe des kritischen Druckes der Lösung, d.h. bei etwa 235 ata. Die Lösungspumpe (7) (die hier beispielhaft statt der gemäß Abbildung 1 angeführten Pumpen (5) und (6) vorgesehen ist) fungiert deshalb lediglich als ujnwälzeinrichtung, d.h. zur Kreislaufführung der dem Wärmetränsport dienenden Lösung bzw. Lösungskomponenten.

Mittels der Wärmeaustauscher (3) und (4) wird die Temperaturspanne zwischen der Lösungstemperatur in Mischkammer (1) und der kritischen Temperatur der Lösung im Zyklon (2), d.h. zwischen etwa 100 und 43O C, überbrückt. Zur Herstellung des für den Wärmeaustausch notwendigen Temperaturgefälles sind der (z.B. ölbeheizte) Spitzenerhitzer (δ) und die (z.B. mit Kühlwasser beaufschlagten) Schlußkühler (9) und (1O) vorgesehen.

Die Wärme, die in der Mischkammer (i) bei etwa 100 C zur Kondensation von Niederdruckdampf mittels des. Wäroe'austaiisehers· (11) zur Aufnahme gelangt, wird zum Teil im Wärmeaustauscher bzw. Verdampfer (12) bei etwa 230 C an das Kondensat zur Entwicklung von Hochdruckdampf abgegeben, und zwar von einem Teilstrom dee Leitung (23) durchströmenden Wasserdampfes bzw. Wassers.

Das im Wärmeaustauscher (12) verdampfende Kondensat bringt die in

der Kondensatleitung (24) angeordnete Kondensafczpuape (13) von dem

in (11) herachenüen Kondensationsdruok (ca. 1.27 ata) auf den in (12) erforderlichen Vcrdanpfungsdruck (ca. 20 ata).

Zw Kondensation von 1./}2» kg Nif.'üox'ilruckd&iiipf bei ca. I05 C (in 11) und Uiodex'voi'dauijpfuns des Kundonsats unter Erzeugung von

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Hochdruckdampf bei ca. 2JiO C (in 12) sind in dem Wärmetransportsysten 100 kg Lösung (- 54»3 Liter bei 4 °C), bestehend aus 32,47 kg Wasser und 67.53 kg Kaliumiodid einmal im Kreislauf zu führen.

Die Lösung nimmt bei ihrer Bildung aus den Komponenten (H₉O und KJ) bei 100 C und ca. 235 ata Druck ca. 763.5 kcal V/ärme auf, die durch Kondensation der I.426 kg Niederdruckdampf (bei 105 C) eingegeben werden.

Darüberhinaus werden der Lösung im Spitzenerhitzer (ε) bei ca. 430 G 38I.5 kcal zugeführt, und zwar teils zur Unterstützung der Hochdruckdampferzeugung (in 12) und teils zur Herstellung des für den Wärmeaustausch notwendigen Temperaturgefälles.

Zur Anwärmung des Kondensats von IO5 C auf 230 C und dessen Verdampfung daselbst gibt das System 801.5 kcal ab. Die Restwärme, 343*5 kcal, wird an Kühlwasser abgeführt.

Von insgesamt 1145 kcal eingebrachter Wärme (763·5 kcal bei IO5 C, 38I.5 kcal bei 430 C) können dem System mithin 801.5 kcal (bei 23O C) Nutswärme entnommen werden, was einem thermischen Wirkungsgrad von 70/^ entspricht.

Die je kg Dampfkondensat durch das System zu fördernde Lösungsmenge liegt mit 38 Litern in der Größenordnung der im herkömmlichen Dampfkraftbetrieb aufzuwendenen Kühlwassermenge (ca. 36 Liter/kg Kon densat)o Die zur Kreislaufführung der Lösung erforderlichen Pumpe (7) ist (neben der auch bisher erfoüerlichen Kcndensatpumpe 13) der einzigste bewegte Apparat des Systems.

Der wesentliche Aufwand entfällt auf die Vorrichtungen für den Wärmeaustausch, vornehmlich den zwischen der Lösung und ihren Komponenten.

Wird, wie beispielhaft tocchricton, der l/är^causta-ucch auRHchlivi'l indirekt νυιγ;οΐίοη:;ιηη, nrp^e^uii dich für die- V/i',rir.e austauscher (3) vai (4) große Auntaufjchflachen, die vcgsn de? uanezu gleichen Druckes

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von Lösung und Lösungekomponenten jedoch sehr dünn und einfach (als Blechplatten, Blechspiralen etc.) ausgeführt werden können, zumal es möglich ist, auch die chemische Beschaffenheit der Lö-Bungnn auf die Anforderungen der Wäruieaustauschermaterialien abzustimmen.

Die Wärmeaustauscher (3) und (4) können auch ganz oder teilv/eise durch andere dem Wärmeaustausch dienende Vorrichtungen ersetzt werden, wie solche, in denen die Wärme durch Peststoffe, Druckgase und/oder thermisch .stabile Ililfsflüssigkeiten übertragen wird. Mit letzteren erfolgt der Wärmetransport z.B. durch Verdampfung und Kondensation oder (sofern sich die HilfsfBissigkeiten in der Lösung und deren Komponenten nicht nennenswert losen ) durch Gegenstromführung in turbulierten Kolonnen oder ähnlichen Kontakteinrichtungeri· Auch führen direkter Waeserdampfübertritt, Ionendiffusion durch Membranen und viele andere Methoden zur Wärmeübertragung.

I.

Das Kaliumjodid kann statt als Schlamm auch als Staub bzw. Pulver transportiert werden, z.B. mit Hilfe von Gasströinen (über entsprechende Abscheidungssyeteme wie Zyklone und dergleichen) und schließlich können, wie eingangs beschrieben, anstelle des Kaliumjodidf; Gemische desselben mit anderen Verbindungen oder andere Salze bzw. Substanzen treten, wie beispielsweise eutektische Gemisch'?, die im gesamten Förderbereich als Schmelzen vorliegen, ferner Hilfssubstanzen zugegen sein, die beispielsweise die Schlammeigenschaften verbessern u.a.m.

Dem Aufwand zur Integration des Wärmetransportsystems in ein Dampfkraftwerk stehen bedeutende Verteile gegenübor: So sinken der Brennstoffbedarf und der Kühlvusoorverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Werken gleicher Leistung erheblich. Verbunden damit eind Einsparungen für Anlagen, die sonst zur Nutzung oder Bereitstellung der Betriebsmittel erforderlich sind, wie· Brennstoffbunker, Heizanlagen, Reaktoren, KühlwaDseraufberei.tungnanlr.^on und dergleichen.

Schließlich win dort sich durch den Einsatz den Wiirmotran3portayotGins

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auch die Belastung der Umwelt durch schädliche Wirktmgen des Dampfkraftbetriebes, wie die thermische Belastung von Gewässern, die Verschmutzung der Atmosphäre durch Staub, Emnisionen u.a.m.

Bio Kombination verschiedener 'Varianten der Erfingung allein oder solcher mit herkömmlichen Wärmetransportsystemen ermöglicht die Übcjrbrückung erheblicher Temperaturspannen. Vie bei den bisher bekannten Systemen zum Pumpen von Wärme wird auch bei dem der Erfindung entsprechenden beim höheren Temperattirniveau sowohl die bei tieferer Temperatur aufgenommene Wärme als auch die dem Transportaufwand iiq^uivälonte freigesetzt. Da letztere relativ niedrig ist, kann das orfindungsgem-'iße Verfahren nicht nur zur Lösung kältetechnischer Aufgaben, wie etwa zur Kühlung von Bäumen, Gasen und Flüssigkeiten, sondern (wie in dem ausführlichen Beispiel dargelegt) auch zur Energiegewinnung aus industriellen Wärmequellen (wie Abdampf, heißen Synthesegasströmen) und natürlichen Wärmerecervoiren (wie Flüssen, Meeresströmungen und atmosphärischer Luft) herc.ngezogen werden.

D.h. die Erfindung läßt eich sowohl in vielfältiger ve rf ahx-ens technischer· Gestaltung als axich für die unterschiedlichsten Wärmetransportaufgaben zur Anwendung bringen.

Claims (2)

Patentansprüche-

1.) Verfahren zum Transportieren von Wärme von niederen auf höhere-ο Hiveau, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Wärmeaiif nähme bei niederer Temperatur Lösungskompononten zur Mischung gelangen, die eiiie negative Lösungsenthalpie (d.h. negative "Löimiign-" bzw. "Verdünnungswäi-me") aufweisen und die Lösungen zwecks Wärmeabgabe bzw. Wärmeabfuhr bei höherer Temper at iir wieder in die LöDungßkouiponenton zerlegt werden.

2 c Verf.'ilireij nach Anspruch 1, dadurch gehonm-c-ichm-t, 'laß als Lcr;anr;:;l:.oi._;n-;:ontr.n .'Je¹ :uo und/od-r aii'ierc Vcro:i iii'un^xji oiiij',:^- Ii;ü

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werden, die sich in Wasser und/oder anderen Lösungsmitteln unter Wärmeentzug auflösen und/oder solche konzentrierten Lösungen, die durch eine negative Verdünnungswärme gekennzeichnet sind, sich also beim Verdünnen (bsw. sofern es sich um Lösungen verschiedener Verbindungen entsprechender Eigenschaft handelt, beim Mischen) abkühlen.

Verfahren nach Ansprtich 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung der Lösungskomponenten vornehmlich Methoden Anwendung finden, die für solche Aufgaben üblich sind, für die Zerlegung salzhaltiger Lösungen also beispielsweise die zur Entsalzung von Meerwasser geeigneten, wie die Trennung durch Phasenwechsel (Verdampfung, Kristallisation, Gashydratbildung, Fällung, Extraktion, Adsorption, Ionenaustausch, Phasenzerfall im kritischen Gebiet etc.), Temperatur.- und Konzentrationsgradienten (Thermodiffusion, Membrandiffusion etc.) elektromagnetische Felder (Elektrodialyse, magnetische Wirkungen etc.) Massenbeschleunigung (Trenndüsen, Ultrazentrifugen etc.) oder andere Effekte.

Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme zwischen den Lösungskomponenten und den daraus ganz oder teilweise gebildeten Lösungen (z.B. in Wärmeaustauschern oder mit Hilfe wärmeübertragender Medien wie Gasen, Flüssigkeiten und/oder Feststoffe) ausgetauscht und/oder die Temperaturen der Partner durch (bzw. im Rahmen von) Konzentrationsänderungen gelöster Stoffe (z.B. durch direkten Dampfübertritt oder mit Hilfe von Membranen) gegenläufig verändert werden.

Verfahren nach Anspruch 1 bis 4> dadurch gekannzeichnet, daß die Lösungskoir.ponenten bei oder nahe bei dem kritischen Druck der Lösungen gemischt bzw. vereint w/erden und

die Trennung der entstandenen Lösung in ihre Komponenten durch Anheben der Temperatur von der Miselvungs- bzw. Wäri.ioaufnahi;ietemperatur auf (etwa) die kritische Ternpex'atur der Lörmni.en ,

d.h. in(bavf. nohe von) deren kritischen Gebiet, herbeigeführt wJ rd.

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