DE2345420A1

DE2345420A1 - Verfahren zum betreiben von kraftmaschinen, kaeltemaschinen oder dergleichen sowie arbeitsmittel zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2345420A1
Application number: DE19732345420
Authority: DE
Inventors: Heiko Dr Barnert; Rudolf Prof Dr Schulten
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1973-09-08
Filing date: 1973-09-08
Publication date: 1975-04-03

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Verfahren zum Betreiben von Kraftmaschinen, Kältemaschinen oder dergleichen sowie Arbeitsmittel zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben von Kraftmaschinen, Kältemaschinen oder dergleichen, wobei einem ganz oder zumJTeil im geschlossenen Kreislauf geführten Arbeitsmittel durch Verdichten des Arbeitsmittels und durch Wärmezufuhr Energie zugeführt und mindestens ein Teil dieser Energie umgewandelt wird sowie auf ein Arbeitsmittel zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Durchführung solcher Verfahren ist man bestrebt, die dabei erfolgende Energieumwandlung unter Inkaufnahme möglichst geringer Energieverluste vorzunehmen und die Aufwendungen für die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Einrichtungen möglichst gering zu halten.

Die ihrem konstruktiven Aufbau nach einfachste Einrichtung zur

Umwandlung der einem im Kreislauf geführten Arbeitsmittel zugeführten Energie in nutzbare Energie ist die Dampfturbine.Dabei wird ein Teil der im zust tarnenden Dampf enthaltenen Enthalpie beim Durchströmen der Dampfturbine in mechanische Arbeit umgewandelt. Dazu wird bei stetiger Dampfströmung die im Frischdampf. enthaltene Energie zunächst in Bewegungsenergie oder in kinetische Energie umgesetzt und sodann in mechanische Arbeit umgewandelt. Die umzuwandelnde Energie wird dem dabei als Arbeitsmittel ver-

5098U/04A2

wendeten Dampf durch Verdichten und durch Aufheizen zugeführt. Das Arbeitsmittel wird im flüssigen Zustand verdichtet. Dafür wird nur sehr wenig Arbeit benötigt. Der dadurch erzielte Arbeitsgewinn wirkt sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad von Dampfturbinenanlagen aus. Das hat dazu geführt, daß Wärmeenergie industriell nahezu ausschließlich in der Dampfturbine ausgenutzt wird. Nachteilig ist jedoch, daß Wärme höherer Temperatur nicht in gleicher Weise vorteilhaft ausnutzbar ist.

Zur Ausnutzung der in höhere Temperaturen aufweisenden strömenden Gasen enthaltenen Energie werden im allgemeinen Gasturbinen verwendet. Dabei wird die in den Gasen enthaltene Enthalpie in mechanische Drehenergie umgesetzt. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine ist um so höher, je höher die Temperatur der in die Turbinenschaufel eintretenden Gase ist. Die Höhe der Temperatur der strömenden Gase ist dabei nach oben dadurch begrenzt, daß die Pestigkeitswerte des Werkstoffs der Turbinenanlagen, insbesondere der Turbinenschaufeln, bei hohen Temperaturen nachteilig beeinflußt werden. Um den Wirkungsgrad trotz dieser oberen Begrenzung der Eintrittstemperatur weiter zu erhöhen, wird das Verfahren der Rekuperation angewendet. Wird dem Arbeitsmittel die Wärme von einem Kernreaktor zugeführt, so hat dies den weiteren Nachteil, daß am Eintritt des Arbeitsmittels in den Kernreaktor verhältnismäßig hohe Temperaturen eingestellt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bisher bekannten Verfahren zur Energieumwandlung unter Verwendung eines im Kreislauf geführten strömenden Mediums zu vermeiden und ein Verfahren zur Energieumwandlung durch dessen Anwendung sowie ein Arbeits-

5098U/0442

mittel, durch dessen Verwendung ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist, zu schaffen. Trotz des dadurch erzielten hohen Wirkungsgrades soll das Verfahren einfach und ohne aufwendige zusätzliche Einrichtungen gegenüber den bisher bekannten Verfahren durchführbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein vorbestimmter Teil des Arbeitsmittels bei der Energiezuführung aus dem flüssigen in den gasförmigen und nach der Energieabgabe aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird. Dabei ist es bei einer Kreislaufführung des Arbeitsmittels zum Betreiben einer Turbine, bei der der Turbine ein Kompressor und ein Wärmeübertrager vorgeschaltet und ein Kühler nachgeschaltet sind,besonders vorteilhaft, wenn die flüssige Komponente oder der für die Verflüssigung vorgesehene Teil des Arbeitsmittels in feiner Verteilung in den Kompressor eingespritzt und in dem Kühler bis zur Kondensation abgekühlt wird, worauf das Kondensat mittels einer Pumpe dem Kompressor wieder zugeführt wird. Die Vorteile dieser Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden besonders deutlich, wenn dabei als Wärmeübertrager ein Kernreaktor verwendet wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung liegt also ein Teil des Arbeitsmittels "am kalten Ende" der Kreislaufführung im flüssigen Zustand vor. Dieser Teil des Arbeitsmittels wird vor, während oder nach der Verdichtung des Arbeitsmittels dem Teil des Arbeitsmittels zugesetzt, der seinen Aggregatzustand nicht ändert. Ein Teil der Verdichtungswärme wird mithin in Verdunstungsenergie umgewandelt . Bei der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung durch-

5098U/0442

geführten Verdichtung steigt die Temperatur des Arbeitsmittels in sehr viel geringerem Maße an als bei polytroper Verdichtung. Der den Aggregatzustand nicht ändernde Teil des Arbeitsmittels und der nach der Verflüssigung dem Phasenwechsel unterworfene Teil des Arbeitsmittels werden also auf getrennten Wegen zum Verdichter geführt. Statt das den Aggregatzustand ändernde Arbeitsmittel oder den vorbestimmten Teil des dem Phasenwechsel unterworfenen Arbeitsmittels während der Verdichtung in den Verdichter einzuspritzen, kann es auch vorteilhaft sein, diesen Teil des Arbeitsmittels vor der Verdichtung oder zwischen zwei oder mehreren Verdichterstufen oder erst nach der Verdichtung im flüssigen Zustand in den Verdichter einzuspritzen. In diesem Fall ist es vielfach zweckmäßig, die beiden Teile des Arbeitsmittels in besonders dazu vorgesehenen Behältern zusammenzuführen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann entweder so durchgeführt werden, daß ein offener oder aber auch daß ein geschlossener Kreisprozeß gebildet wird. Es ist auch ohne weiteres so durchführbar, daß der Kreisprozeß für den den Aggregatzustand nicht ändernden Teil des Arbeitsmittels offen ist und daß der Teil des Arbeitsmittels, dessen Aggregatzustand während der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sich ändert, ganz oder zum Teil zurückgewonnen und wieder verwendet wird, so daß der Kreisproeeß für den Teil des Arbeitsmittels, der seinen Aggregatzustand ändert, ganz oder zum Teil geschlossen ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist im Bedarfsfall auch so durchführbar, daß der den Aggregatzustand ändernde Teil des Arbeitsmittels von dem den Aggregatzustand nicht ändernden Teil nicht abgetrennt wird.

509814/0442 __ _

Es ist ohne weiteres möglich, die Wärme des Arbeitsmittels nach seiner Entspannung zur Vorwärmung des den Aggregatzustand ändernden Teils des Arbeitsmittels vor der Zugabe zu dem Teil des Arbeitsmittels auszunutzen, der dem Phasenwechsel nicht unterworfen wird, falls sich dies als zweckmäßig oder als notwendig erweist. Dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend kann das Verfahren gemäß der Erfindung so durchgeführt werden, daß bei der Zusammenführung beider Teile des Arbeitsmittels sich für den im flüssigen Zustand geführten Anteil unterschiedliche Sättigungsgrade, insbesondere auch Übersättigung, einstellt oder daß sich, falls mehrere dem Phasenwechsel unterworfene Komponenten vorhanden sind, unterschiedliche Sättigungsgrade für die Komponenten einstellen. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann ferner auch so durchgeführt werden, daß sich nach Abschluß des Kompressionsvorganges unterschiedliche Sättigungsgrade, insbesondere solche mit Übersättigung, einstellen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sowohl unter Verwendung von Turbomaschinen wie auch von Kolbenmaschinen anwendbar.

Die Maßnahme, in einen Verdichter eine Flüssigkeit einzuspritzen, wird in der Technik mehrfach angewendet. Das geschieht beispielsweise durch Einspritzen von Wasser in die letzte Stufe des Verdichters zur Verbesserung des Schubs bei Plugtriebwerken während des Startes der Maschinen (vergl. z. B. W.H. DAY; CP. FENIMORE;. P.H. KYDD, 92 MW of Base Load Power from the Series 7000 Gas. Turbine with Waster Cooling and Steam Injection, General Electric Technical information, (July 197o), Series No.. 7o-C. 218)·. Dadurch wird jedoch keine Verbesserung des Wirkungsgrades, sondern sogar eine Verschlechterung erreicht.Das wird wegen der Absicht, den Schub zu verbessern, hingenommen. Es ist auch bekannt, bei

5098U/0U2

offenen Gasturbinenanlagen Wasser hinter dem Verdichter zuzugeben. Dadurch soll eine Verbesserung des Wirkungsgrades und der spezifischen Arbeit erzielt werden (vergl. N. GASPAROLICj J.Q. HELLEMANS, Gas Turbines with Heat Exchanger and Water Injection in the Compressed Air, Proc. Instn. Mech. Engrs., (197o~7D, VoI 185, 66/71» Seiten 935 bis 961). Diese Verbesserung des Wirkungsgrades wird dadurch erreicht, daß das zusätzlich eingegebene Wasser in einem innerhalb der Gasturbinenanlage angeordneten Rekuperator unter Zuführung von Wärme aus dem Abgas verdampft wird. Diese bekannte Maßnahme hat jedoch den Nachteil, daß die Anordnung von Rekuperatoren notwendig wird. Das führt zu einer Kostenerhöhung für die Erstellung der Anlage. Ein weiterer erheblicher Nachteil besteht darin, daß ins Gewicht fallende Verbesserungen nur dadurch möglich sind, daß verhältnismäßig große Rekuperatoren angeordnet werden. Davon unterscheidet sich die Maßnahme gemäß der Erfindung dadurch, daß die Umwandlung aus dem flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand mittels der Verdichtungswärme erfolgt. Daher ist für diese Maßnahme des Verfahrens gemäß der Erfindung die Anordnung von Rekuperatoren nicht erforderlich.

Es gehört auch zum bekannten Stand der Technik - wie dies gemäß der Erfindung geschieht - die durch die Verdunstung einer Flüssigkeit hervorgerufene Kühlung auszunutzen. So wird beispielsweise bei Kolbenverdichtern durch Ausnutzung der Verdunstungskühlung eine Erhöhung des Druckverhältnisses erreicht (vergl. LUEGER, Lexikon der Technik, Deutsche Verlagsanstalt 1965, Seite 25o). Bekannt ist auch, bei Turboverdichtern durch Einspritzen einer Flüssigkeit die Temperatur des Gasstromes abzusenken (vergl. LUEGER, Lexikon der Technik, Deutsche Verlagsanstalt 1965, Seiten 567 bis 568). Abweichend davon wird bei dem Verfahren gemäß der

509814/0442 _

Erfindung jedoch durch die Ausnutzung der Verdunstungskühlung Arbeit zur Verdichtung des gasförmigen Teils des bei dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten Arbeitsmittels gespart und darüberhinaus die Temperatur des Arbeitsmittels am Austritt des Verdichters abgesenkt.

Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erfolgende Verdampfung des seinen Aggregatzustand während der Durchführung des Verfahrens ändernden Teils des Arbeitsmittels während der Verdichtung des gasförmigen Teils des Arbeitsmittels hat die Wirkung, daß der Wirkungsgrad des Teilprozesses, den der seinen Aggregatzustand ändernde Teil des Arbeitsmittels durchläuft, hoch ist. Das wirkt sich günstig auf den gesamten Wirkungsgrad des Verfahrens gemäß der Erfindung aus. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß infolge der durch die Kondensation des seinen Aggregatzustand ändernden Teils des Arbeitsmittels der Wärmeübergang erheblich verbessert wird. Das beruht darauf, daß über den in hergebrachter Weise ablaufenden Wärmetransport hinaus Kondensationswärme in den kondensierenden Teil des Arbeitsmittels transportiert wird. Das hat die vorteilhafte Wirkung, daß infolge der Kondensation des seinen Aggregatzustand ändernden Teils des Arbeitsmittels in dem der Turbine nachgeschalteten Kühler die Wärmeübertragungsflächen des Kühlers sehr viel kleiner sein können als dies bei den bisher bekannten Anlagen der Fall war.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, ein Arbeitsmittel zu verwenden, das aus einem Gas besteht, von dem während der Kreislaufführung ein vorbestimmter Teil im Wechsel aus dem flüssigen in den gasförmigen

5098U/04A2

und aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird, wobei das Arbeitsmittel zweckmäßig H₃O ist. Stattdessen ist es vielfach auch vorteilhaft, daß das Arbeitsmittel aus dem Gemisch mindestens einer während der Kreislaufführung den Aggregatzustand nicht ändernden Komponente und mindestens einer während der Kreislaufführung im Wechsel aus dem flüssigen in den gasförmigen und aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand sich umwandelnden Komponente besteht. Ein zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sehr geeignetes Gemisch besteht aus Helium und/oder Argon sowie H₂O*

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, bei der das Arbeitsmittel im geschlossenen Kreislauf geführt und die darin enthaltene Enthalpie zum Antrieb einer Turbine benutzt wird. Dabei wird - wie aus der Zeichnung nicht hervorgeht - als Arbeitsmittel ein Gemisch von Helium und Argon sowie HgO verwendet. Das Arbeitsmittel tritt als mit Wasser gesättigtes Gas in den Kompressor 1 ein. Während der Verdichtung wird in den Kompressor 1 feinstufig Wasser eingespritzt. Das geschieht zweckmäßig in der Weise, daß die Sättigung im Mittel überschritten wird. Nach der Verdichtung strömt das nunmehr gasförmige Arbeitsmittel durch den Wärmeübertrager 2, beispielsweise der Wärmeaustauscher eines Kernreaktors. Dabei wird dem Arbeitsmittel Wärme zugeführt. Aus dem Wärmeübertrager 2 tritt das Arbeitsmittel in die Turbine 3 ein und leistet dabei Arbeit. Das geschieht in der Weise, daß dasWasser dabei nicht kondensiert. In dem der Turbine 3 nachgeschalteten Kühler ¹I wird sodann dem Arbeitsmittel Wärme /entzogen. Dabei kondensiert das Wasser aus. Der flüssige und der gasförmige Teil des Arbeitsmittels werden voneinander getrennt. Der gasförmige Strom wird zur Eingabe dem Kompressor zuge-

5098U/0442

leitet, der flüssige Strom wird in einer gesonderten Leitung mittels der Pumpe 5 ebenfalls zum Kompressor 1 geleitet und in diesen eingespritzt. Die Kreisläufe des aus den dem Phasenwechsel unterworfenen und im gasförmigen Zustand verbleibenden Anteilen des Arbeitsmittels sind somit geschlossen. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird - wie dies vielfach zweckmäßig ist - durch einen Rekuperativ-Wärmeübertrager 6 Wärme aus dem aus derTurbine 3 austretenden Gasstrom auf den aus dem Kompressor 1 austretenden Gasstrom übertragen. Erst im Anschluß daran tritt der Gasstrom in den Wärmeübertrager 2 ein. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird außerdem die Wärme des dem aus der Turbine 3 austretenden Arbeitsmittels mittels eines Rekuperativ·*· Wärme üb ertragers 7 verwendet, um das in den Kompressor 1 einzuspritzende Wasser vorzuwärmen.

5098U/0Ä42

- Io -

Claims

- Io -

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

[Iy Verfahren zum Betreiben vor Kraftmaschinen, Kältemaschinen oder dergleichen, wobei einem ganz oder zun* Teil im geschlossenen Kreislauf geführten Arbeitsmittel durch Verdichten des Arbeitsmittels und durch Wärmezufuhr Energie zugeführt und mindestens ein Teil dieser Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorbestimmter Teil des Arbeitsmittels bei der Energiezuführung aus dem flüssigen in den gasförmigen und nach der Energieabgabe aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Kreislaufführung des Arbeitsmittels zum Betreiben einer Turbine, bei der der Turbine ein Kompressor und ein Wärmeübertrager vorgeschaltet und ein Kühler nachgeschaltet sind, die flüssige Komponente oder der für die Verflüssigung vorgesehene Teil des Arbeitsmittels in feiner Verteilung in den Kompressor eingespritzt und in dem Kühler bis zur Kondensation abgekühlt wird, worauf das Kondensat mittels einer Pumpe dem Kompressor wieder zugeführt . wird.
3. Arbeitsmittel zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeich-

. net, daß das Arbeitsmittel aus einem Gas besteht, von dem während der Kreislaufführung ein vorbestimmter Teil im Wechsel aus dem

5098U/0442

- Ii -

- li -

flüssigen in den gasförmigen und aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird.
4. Arbeitsmittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß.das Arbeitsmittel H₃O. ist.
5. Arbeitsmittel zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel aus dem Gemisch mindestens einer während der Kreislaufführung den Aggregatzustand nicht ändernden Komponente und mindestens einer während der Kreislaufführung im Wechsel aus dem flüssigen in den gasförmigen und aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand sich umwandelnden Komponente besteht.
6. Arbeitsmittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Helium und/oder Argon oder dergleichen sowie H₃O besteht.

5098U/0A42

Leerseite