DE2523671A1 - METHOD AND DEVICE FOR INCREASING THE THERMAL EFFICIENCY OF POWER MACHINES - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR INCREASING THE THERMAL EFFICIENCY OF POWER MACHINES

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DE2523671A1 DE19752523671 DE2523671A DE2523671A1 DE 2523671 A1 DE2523671 A1 DE 2523671A1 DE 19752523671 DE19752523671 DE 19752523671 DE 2523671 A DE2523671 A DE 2523671A DE 2523671 A1 DE2523671 A1 DE 2523671A1
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Description

GUTEHOFFNUNGSHÜTTE STEnK-EtAD?]
AktiengesellschaftGUTEHOFFNUNGSHÜTTE STEnK - EtAD?]
Corporation

PA-Bo /Ri 4-2 Oberhausen, den 2 6. Mai 1975PA-Bo / Ri 4-2 Oberhausen, May 2, 1975

23402340

/ Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des ther / mischen Wirkungsgrades von Kraftmaschinen. / Method and device for increasing the thermal efficiency of prime movers.

3-egenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Kraftmaschinen mit einem ein Kreislaufmedium enthaltenden geschlossenen Prozess.Object of the invention is a method and an apparatus to increase the thermal efficiency of engines with a circulating medium containing closed process.

Es ist "bekannt, daß der thermische Wirkungsgrad von Kraftmaschinen mit einem ein Kreislaufmedium enthaltenen geschlossenen Prozess abhängt vom Verhältnis der maximalen zur minimalen Temperatur des Arbeitsprozesses und somit auch von jener Temperatur, auf die das Kreislaufmedium nach Aufnahme der Abwärme wieder heruntergekühlt werden kann, denn entsprechend wird die Verdichtereintrittstemperatur abgesenkt.It is "known that the thermal efficiency of Power machines with a circulating medium contained closed process depends on the ratio of the maximum to the minimum temperature of the work process and thus also of the temperature to which the circulating medium is cooled down again after absorbing the waste heat can be, because the compressor inlet temperature is lowered accordingly.

Das Herunterkühlen des Kreislaufmediums ist aber für sich allein betrachtet ein energetisch und damit wirtschaftlich sehr aufwendiger Vorgang. Es war daher die Aufgabe, dafür eine Optimierung zu schaffen, die bei minimalem Aufwand einen maximalen Wirkungsgrad erreicht .The cooling down of the circulating medium is for considered alone, an energetically and thus economically very expensive process. It was therefore the Task to create an optimization for this, which at Achieves maximum efficiency with minimal effort.

Es wurde nun gefunden, daß man ein Verfahren zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Kraftmaschinen -Ttfit eitlem ein Kreislaufmedium enthaltenden ge-It has now been found that there is a method for increasing the thermal efficiency of prime movers -Ttfit vainly containing a circulatory medium

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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

schlossenen Prozess schaffen kann, wenn das /Kreislaufmedium in einem oder mehreren Wärmeaus-can create a closed process if the / circulating medium is in one or more heat

j tauschern durch zu verdampfende flüssige Erdgase abgekühlt wird, wobei diese bis zum Siedepunkt erwärmt werden. j exchangers are cooled by liquid natural gases to be evaporated, whereby these are heated up to the boiling point.

Eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens besteht erfinjäungsgemäß darin, daß das Kreislaufmedium in einfachem oder mehrfachem Kreislauf mindestens einmal während der Verdichtung zwischengekühlt wird.According to the invention, there is a further development of this method in that the circulating medium in single or multiple circulation at least once during the compression is intercooled.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß, wenn für sauerstoffhaltige Kreislaufmedien ein Zwischenkreislauf mit höherem Druck als im Kreislaufgas im Vor- und Zwischenkühler eingesetzt wird. Dabei kann das Kreislaufmedium generell aus Luft, Helium, Neon, Argon oder Stickstoff bestehen.Furthermore, it is according to the invention if for oxygen-containing Circulation media an intermediate circuit with a higher pressure than in the circuit gas in the pre-cooler and intercooler is used. The circulating medium can generally consist of air, helium, neon, argon or nitrogen exist.

Somit ist Gegenstand der Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Kraftmaschinen mit einem ein Kreislaufmedium enthaltenden geschlossenen Prozess, gemäß der dem das Kreislaufmedium führenden Rohrsystem als Kühlelement ein oder mehrere Wärmetauscher eingegliedert sind, die gleichzeitig als Erhitzungselemente Teile einer Verdampfungseinrichtung für flüssige Erdgase sind oder daß dem PLohr_ system als Kühlelemente ein oder mehrere WärmetauscherThe invention therefore also relates to a device for carrying out a method for increasing the thermal efficiency of engines with a closed process containing a circulating medium, according to which one or more heat exchangers are incorporated as a cooling element into the pipe system carrying the circulating medium, which are simultaneously part of an evaporation device as heating elements for liquid natural gases or that the P L ohr_ system has one or more heat exchangers as cooling elements

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eingegliedert sind, die Teile von Zwischenkreisläufen sind, in denen weitere Wärmetauscher angeordnet sind, die gleichzeitig als Erhitzungselemente Teile einer Yerdampfungseinrichtung für flüssige Erdgase sind.are incorporated, which are parts of intermediate circuits in which further heat exchangers are arranged are, at the same time as heating elements parts of a vaporization device for liquid natural gases are.

Fun ist es "bekannt, das in Tankschiffen angelandete flüssige Erdgas (Liquid Natural Gas, LNG-) vor dem Einspeisen in "bestehende Pipelinenetze zu verdampfen. Es ist ferner üblich, dazu die Verdampfungswärme durch Meerwasser oder durch Flammrohrtauchverdampfer "bereitzustellen. Beide Verfahren haben den Nachteil, daß zusätzliche Energie zur Erzeugung der Verdampfungswärme benötigt wird. Dies erforderte hohe Energieerzeugungskosten. Fun it is known "that landed in tankers to vaporize liquid natural gas (LNG) before feeding it into "existing pipeline networks. It is also common to use the heat of evaporation for this purpose Sea water or by flame tube immersion evaporator ". Both methods have the disadvantage that additional energy is required to generate the heat of vaporization is needed. This required high energy generation costs.

Es ist auch bereits ein Verfahren zum Verdampfen und Überhitzen eines kryogenen Mediums durch DT-DS 2 224 bekannt, bei dem zum Wärmeaustausch die Abgase einer Gasturbine verwendet werden. Dies ist an sich bereits ein Fortschritt, doch bleibt hier der Kontaktvorteil 8uf den VergasungsVorgang des flüssigen Erdgases beschränkt. Die das Abgas liefernde Gasturbine ist in ihrer Nutzleistung durch diese Art des Wärmeaustauschers nicht gesteigert.It is also already a method for evaporating and superheating a cryogenic medium by DT-DS 2 224 known, in which the exhaust gases from a gas turbine are used for heat exchange. This in itself is already This is a step forward, but here the contact advantage remains limited to the gasification process of the liquid natural gas. The gas turbine delivering the exhaust gas is in its useful power thanks to this type of heat exchanger not increased.

Der technische Effekt der vorliegenden Erfindung liegt somit deutlich erkennbar zutage. Das verflüssigte Erdgas wird durch einen Energieaufwand vergast, ohne daßThe technical effect of the present invention is thus clearly evident. The liquefied natural gas is gassed by an expenditure of energy without

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dieser Energieaufwand kostenmäßig zu Buche schlägt. Anfallende Abwärme wird ausgenutzt. Dieses Abfangen der Abwärme ist also nicht nur Zweck an sich, sondern steigert hier im Sinne der Aufgabenstellung den Wirkungsgrad der thermischen Kraftmaschinen, in derem geschlossenen Prozess der oder die Wärmetauscher angeordnet sind, denn bekanntlich ist der Wirkungsgrad thermischer Kraftmaschinen vom Verhältnis der maximalen zur minimalen Temperatur des Arbeitsprozesses abhängig. Da das kontaktierende verflüssigte Erdgas eine Temperatur von etwa -1500C besitzt, kann man im machbaren Bereich geradezu von einer Optimierung des Arbeitsprozesses derart verquickter Kraftmaschinen sprechen. Man kommt dabei zu dem hohen thermischen Wirkungsgrad von etwa 70$. Das Kreislaufmedium muß dabei natürlich die leicht einhaltbaren Bedingungen erfüllen, im Tieftemperaturbereich noch gasförmig oder mindestens noch flüssig zu sein und im Hochtemperaturbereich nicht zu dissoziieren.this energy expenditure has an impact on costs. Any waste heat generated is used. This interception of the waste heat is not only the purpose in itself, but increases the efficiency of the thermal power machines in the context of the task, in whose closed process the heat exchanger (s) are arranged, because, as is well known, the efficiency of thermal power machines depends on the ratio of the maximum to the minimum temperature of the work process. Since the contacting liquefied natural gas has a temperature of about -150 0 C, one can actually speak of an optimization of the work process in such a way verquickter engine in the feasible region. This leads to a high thermal efficiency of around $ 70. The circulating medium must of course meet the easily achievable conditions of still being gaseous or at least still liquid in the low temperature range and not dissociating in the high temperature range.

Die Figuren zeigen den Anineldegegenstand schematisch, ohne ihn zu beschränken.The figures show the Anineldegument schematically, without restricting it.

Pig. I zeigt den Kreislauf einer thermischen Kraftmaschine über Wärmetauscher verknüpft mit dem Verdampfungstnechanismus für flüssige Erdgase.Pig. I shows the circuit of a thermal engine linked to the evaporation mechanism for liquids via heat exchangers Natural gases.

Fig. 2 und 3 zeigen, wie bei Kreislaufmedien, die Sauerstoff enthalten, ein Zwischenkreislauf mit höherem Druck als ein Kreislaufgas im Voj·- und Zwischenkühler eingesetzt ist. 6O9851/0U3 FIGS. 2 and 3 show how, in the case of circulating media which contain oxygen, an intermediate circuit with a higher pressure than a circulating gas is used in the Voj and intercooler. 6O9851 / 0U3

Es bedeutenIt mean

1 die Turbine,1 the turbine,

2 die das Kreislaufmedium führenden Verbindungsrohre ,2 the connecting pipes carrying the circulating medium ,

3, 4 und 6 Wärmetauscher im Kreislauf, 5 einen Niederdruckverdichter,3, 4 and 6 heat exchangers in the circuit, 5 a low pressure compressor,

7 einen Hochdruckverdichter,7 a high pressure compressor,

8 den Erhitzer im Kreislauf,8 the heater in the circuit,

9 den Generator,9 the generator,

10'die Welle, auf der Niederdruckverdichter 5, Hochdruckverdichter 7, Turbine 1 und Generator 9 sitzen,10 'the shaft on which the low-pressure compressor 5, high-pressure compressor 7, turbine 1 and generator 9 sitting,

die Zuleitung für die verflüssigte Gase, die sich in die Leitungen 12 und 13 für die Wärmetauscher 6 und 4 teilt, wobei sich die Teilströme in der Ableitung 14 wieder vereinigen,the feed line for the liquefied gases, which are in lines 12 and 13 for the heat exchanger 6 and 4 divides, with the partial flows merging again in the discharge line 14,

und 16 Zwischenkreisläufe,and 16 intermediate circuits,

und 18 Wärmetauscher in den Zwischenkreisläufen 15 und 16.and 18 heat exchangers in the intermediate circuits 15 and 16.

Aus den Figuren ist das erfindungsgemäße Prinzip erkennbar: Das Kreislaufmedium der thermischen Kraftmaschine gibt seine Abwärme in Wärmetauschern 4 und 6 ab, die von verflüssigten Erdgasen von einer Temperatur von etwa -150° durchströmt werden. Dadurch erfolgt im Wechsel einerseits die Verdampfung des Erdgases, ande-The principle according to the invention can be seen from the figures: The circulating medium of the thermal engine releases its waste heat in heat exchangers 4 and 6, that of liquefied natural gases at a temperature of flow through about -150 °. This alternates between the evaporation of the natural gas and the

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rerseits eine derartige Herunterkühlung des Kreislaufmediums, daß die erfindungsgemäß beabsichtigte Optimierung des Arbeitsprozesses eintritt.on the other hand, such a cooling down of the circulating medium, that the optimization of the work process intended according to the invention occurs.

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Claims (5)

GUTEHOi1MUNGSHUTTE STEHKRADE
AktiengesellschaftGUTEHOi 1 MUNGSHUTTE STEHKRADE
Corporation PA-Bo/Ri 42 Oberlieusen, den 2 6- Mai 1975PA-Bo / Ri 42 Oberlieusen, May 2-6, 1975 Patentansprüche;Claims; l)j Verfahren zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Kraftmaschinen mit einem ein Kreislaufmedium enthaltenden geschlossenen Prozess, dadurc h gekennzeichnet,daß das Kreislaufmedium in einem oder mehreren Wärmetauschern durch zu verdampfende flüssige Erdgase abgekühlt wird und diese dabei bis zum Siedepunkt erwärmt werden.l) j Procedure for increasing the thermal efficiency of prime movers with a circulating medium containing closed process, characterized in that the circulating medium in one or more heat exchangers is cooled by the liquid natural gases to be evaporated and this in the process up to the boiling point be heated. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Kreislaufmedium in einfachem oder mehrfachem Kreislauf mindestens einmal während der Verdichtung zwischengekühlt wird.2) Method according to claim 1, characterized in that the circulating medium cooled in a single or multiple cycle at least once during compression will. 3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß für sauerstoffhaltige Kreislaufmedien ein Zwischenkreislauf mit höherem Druck als im Kreislaufgas im Vor- und Zwischenkühler eingesetzt wird.3) Method according to claim 1 or 2, characterized in that for oxygen-containing Circulation media an intermediate circuit with a higher pressure than in the circuit gas in the pre-cooler and intercooler is used. 4) Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreislaufmedium aus Luft, Helium, Neon, Argon oder Stickstoff besteht.4) Method according to one or more of the above Claims, characterized in that the circulating medium consists of air, helium, Consists of neon, argon or nitrogen. 609851/0443 ^ 8 "609851/0443 ^ 8 " 5) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens . zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Kraftmaschinen mit einem ein Kreislaufmedium enthaltenen geschlossenen Prozess nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß dem das Kreislaufmedium führenden Rohrsystem (2) als Kühlelemente ein oder mehrere Wärmetauscher (4, 6) eingegliedert sind, die gleichzeitig als Erhitzungselemente Teile einer Verdampfungseinrichtung für flüssige Erdgase sind oder daß dem Rohrsystem (2) als Kühlelemente ein oder mehrere Wärmetauscher (4>6) eingegliedert sind, die Teile von Zwischenkreisläufen (15, 16) sind, in denen weitere Wärmetauscher (17, 18) angeordnet sind, die gleichzeitig als Erhitzungselemente Teile einer Ver-• dampfungseinrichtung für flüssige Erdgase sind.5) Device for carrying out the method. to increase the thermal efficiency of prime movers with a circulating medium contained closed process according to the preceding claims, thereby characterized in that the pipe system (2) carrying the circulating medium as cooling elements one or more heat exchangers (4, 6) are incorporated, which at the same time act as heating elements for parts of an evaporation device are liquid natural gases or that the pipe system (2) has one or more heat exchangers as cooling elements (4> 6) are incorporated, which are parts of intermediate circuits (15, 16) in which further heat exchangers (17, 18) are arranged, which at the same time as heating elements are parts of a • are vaporization device for liquid natural gases. 6098 5 1 /.(H 4 36098 5 1 /. (H 4 3 LeerseiteBlank page
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