DE3141890A1 - Steam power plant with superheater and recirculation of the exhaust steam, including the heat of compression, to the steam cycle - Google Patents

Abstract

Steam power plant with superheater and recirculation of the exhaust steam, including the heat of compression, to the steam cycle. The steam cycle proposed is operated between the unsaturated, superheated state and the saturated to dry saturated state of a superheated or cold steam and thus avoids continuous heating and vaporisation of the feed liquid via the boiler or vaporiser. It is thus possible to carry out compression and hence recirculation of the working medium by means of turbocompressors, spiral compressors or piston compressors virtually without problems. 100% utilisation of the primary heat transferred to the cycle into mechanical work is thus possible in theory, without contradicting the laws of entropy. If cold steams (Freons) are used as working media, it is also possible to use low-level heat sources (e.g. water, air or soil heat, with or without temperature differences relative to the surroundings) and hence to open up a new regenerative energy source with a relatively high energy density (about 20 ... 40% of present-day thermal power plants). In the case of multiple reheating, a high useful work ratio (expansion work/compression work) can be achieved both with high- and low-level heat sources.

Description

Dampfkraftanlage mit Uberhitzer und Rückführung des Abdampf Steam power plant with superheater and recirculation of exhaust steam

einschließlich der Verdichtungswärme in den Dampfkreisprozet Vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage (Kolbendampfmaschinen- oder Dampfturbinenanlage) mit Uberhitzer und Rückführung de Abdampfes einschließlich der Verdichtungswärme mittels Maschinenverdichter in den Dampfkreisprozeß. including the heat of compression in the steam cycle process The invention relates to a steam power plant (piston steam engine or steam turbine plant) with superheater and recirculation of exhaust steam including the heat of compression by means of machine compressors in the steam cycle process.

Derartige Dampfkraftanlagen sind besonders vorteilhaft zu verwenden Wärmekraftwerken (Fossll- und Kernkraftwerken), also dort wo Kraftst im großen Maßstab in mechanische bezw. elektrische Arbeit umgesetzt werden und derzeit etwa 70 % der zugeführten Kreisprozeßwärme als Abwärme verloren gehen. Mit der vorliegenden Dampfkraftanlage ist es möglich die dem Kreisprozeß von außen zugeführte Primärwärme theoret vollständig (zu 100 % !) zu nutzen, d. h. in mechanische Arbeit umzu setzen. Dies ist möglich weil der Arbeitsstoff bei der Expansion in Maschine in der Gasphase und bei der Komprimierung in der Dampfphase vorliegt und somit die Verdichtungswärme vom Arbeitsstoff selbst bei isothermer Zustandsänderung aufgenommen werden kann. Vorgenannter Kreisprozeß ist also ein sogenannter Gas-Dampf-Kreisprozeß.Such steam power plants are particularly advantageous to use Thermal power plants (Fossll and nuclear power plants), so wherever Kraftst on a large scale in mechanical resp. electrical work are implemented and currently about 70% of the supplied cycle heat are lost as waste heat. With the present steam power plant it is theoretically possible to completely remove the primary heat supplied to the cycle from the outside to use (100%!), d. H. to put into mechanical work. this is possible because the working substance is in the gas phase during expansion in the machine and in the There is compression in the vapor phase and thus the heat of compression from the working substance can be recorded even with an isothermal change in state. The aforementioned circular process is therefore a so-called gas-steam cycle.

Bei den bisher bekannten Wärmekraftmaschinen-Kreisprozesen mit einel Gas oder Dampf als Arbeitsstoff, muß dagegen die isotherme Verdichtung immer unter Abführung der Verdichtungswärme oder Kondensationswärme an ein außerhalb des Kreisprozeßes befindliches Kühlmedium vorgenommen werden, was zu den bekannten großen Abwärmeverlusten (bis ca. 70 %) führt.In the previously known heat engine cycle processes with a single Gas or steam as a working medium, on the other hand, must always be under isothermal compression Dissipation of the heat of compression or heat of condensation to an outside of the cycle located cooling medium are made, which leads to the known large waste heat losses (up to approx. 70%).

Da beim nun vorliegenden "Gas-Dampf-Kreisprozeß" die Verdichtungswärn im Arbeitsstoff verbleibt, braucht im Betriebszustand immer nur der i Form von mechanischer Arbeit abgeführte äquivalente Wärmebetrag als s märwärme dem Kreisprozeß von außen neu zugeführt zu werden.Since in the present "gas-steam cycle" the compression heat remains in the working material, only needs the i form of mechanical in the operating state Equivalent amount of heat dissipated from work as heat from outside the cycle to be re-fed.

Die bisher in Wärmekraftwerken betriebene Energieverschwendung hat se Ursache also nicht in der unvollständigen Konvertierbarkeit der Wärme in den Turbinen, sondern in der Abgabe der Verdichtungs- oder Kondensationswärme an ein außerhalb des Kreisprozeßes befindliches Aufnahme medium.The waste of energy previously operated in thermal power plants has The reason for this is not the incomplete convertibility of heat in the turbines, but in the release of the compression or condensation heat a recording medium located outside the cycle.

Neben der Anwendung von hochsiedenden Arbeitsstoffen (z. B. Wasser) in fossil- oder nuklearbeheizten Warmekraftwerken läßt sich der neuartige .as-Dampf-Kreisprozeß auch für niedersiedende Arbeitsstoffe (Kältemittel) anwenden und damit niedertemperierte Wärme (Umgebungswärme, wie Wasser, Luft- oder Erdbodenwärme) mittels sogenannten Kaltdampfkraftmaschinen nutzen. Da nach dem vorgeschlagenen Kreisprozeß die Abwärme nicht an eie Umgebung abgeführt werden muß, kann man den druckgespannten Kaltdampf bis weit unter die Umgebungstemperatur entspannen, d. h. man kann das bereits bei Umgebungstemperatur vorhandene Druckgefälle (und somit das damit durch Expansion erzeugte Temperaturgefälle) vollständig nutzen.In addition to the use of high-boiling substances (e.g. water) The novel .as steam cycle process can be used in fossil or nuclear-heated thermal power plants can also be used for low-boiling substances (refrigerants) and thus low-temperature ones Heat (ambient heat such as water, air or ground heat) by means of so-called Use cold steam engines. Because after the proposed cycle, the waste heat does not have to be discharged to eie environment, you can use the pressure-stressed cold steam relax well below the ambient temperature, d. H. you can already do that at Ambient temperature existing pressure gradient (and thus that due to expansion generated temperature gradients).

Die Temperatur und der Druck der Umgebung (Umgebungszustand) setzt also keine untere Grenze für den Expansions-Endpunkt, der bei den bisherigen "Wärmekraftanlagen mit Abwärmeabgabe" nicht -zumindest in der Temperatur- unterschritten werden kann ! Ursache: Entropiesatz bezw.The temperature and pressure of the environment (environmental state) sets so no lower limit for the expansion end point, which is the case with the previous "thermal power plants" with waste heat emission "- at least in terms of temperature - cannot be undershot ! Cause: Entropy rate resp.

zweiter Hauptsatz der Wärmelehre Der "große Lärm" von der "Unmöglichkeit eines sogenannten Perpetuum mobiles zweiter Art war umsonst, da man auch ohne dem Entropiesatz zu widersprechen, an das große Kapital "Energie" in Form von Umweltwärme herankommen kann, wie im folgenden noch näher gezeigt wird.second law of thermodynamics The "big noise" of the "impossibility a so-called perpetual motion machine of the second kind was free, since one could also do without the To contradict the law of entropy, to the great capital "energy" in the form of environmental heat can approach, as will be shown in more detail below.

Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichsten Vorteile sind: a) Streckung der noch (begrenzt) vorhandenen fossilen und nuklearen Kraftstoffe um etwa den Faktor 3, b) Bau von Wärmekraftwerken unabhängig von irgendwelchen Kühlsystemen (Kühltürmen, Flußläufen, Seen usw.), da keine Wärme (Verdichtungs-oder Kondensationswärme) an die Umwelt abgegeben werden muß, c) Bereitstellung einer neuen, regenerativen Energiequelle aus Umweltwärme bei relativ hohem Nutzwärmegefille (nT - 1000C) und überall leichter Zugänglichkeit (Wasser, Luft und Erdboden), d) Erzeugung von Elektrizität und Wassersto-f im großen Maßstab mit der nach c) bereitgestellten technischen Arbeit durch sogenannte "Umweltwärme-Kraftwerke" und damit vollständige lösbarkeit des heutigen Energieproblems.The main advantages that can be achieved with the invention are: a) Extension of the (limited) fossil and nuclear fuels that are still available about a factor of 3, b) construction of thermal power plants independent of any cooling systems (Cooling towers, rivers, lakes, etc.), since no heat (compression or condensation heat) must be released into the environment, c) provision of a new, regenerative one Energy source from environmental heat with a relatively high useful heat level (nT - 1000C) and easy accessibility everywhere (water, air and soil), d) Large-scale generation of electricity and hydrogen with that provided in c) technical work by so-called "environmental heat power plants" and thus complete solvability of today's energy problem.

Da man mit Wasserstoff-Gas (über Elektrolyse nach d) erzeugbar !) Verbrennungsmotoren mit hoher Leistungsdichte und völlig schadstofffrei betreiben kann (das Verbrennungsprodukt ist reines Wasser !) ist gleichzeitig auch eine umweltfreundliche Energieversorgung auf dem Verkehrssektor möglich. Da genügend Elektrizität und Wasserstoff aus den Umweltwürne-Kraftwerken (nach d) gewonnen werden kann, ließe sich auch dass Problem der Wärmeversorgung für Industrie und Haushalt ebenso vollständig wie umweltfreundlich lösen.Since one can generate with hydrogen gas (via electrolysis according to d)!) Operate internal combustion engines with high power density and completely free of pollutants can (the product of combustion is pure water!) is also environmentally friendly at the same time Energy supply possible in the transport sector. There is enough electricity and hydrogen can be obtained from the Umweltwürne power plants (according to d), it could also be that The problem of heat supply for industry and households is as complete as it is environmentally friendly to solve.

An Hand der Abbildungen 1-11 sei die Wirkungsweise der erfindungsgem Dampfkraftanlage näher beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das Prinzip des Gas-Dampf-Kreisprozeßes Abb. 2 das Temperatur-Entrople-Diagramm (T,s-Diagr.) des Kreisproze Abb. 3 das Druck-Volumen-Diagramm (P,v-Diagr.) des Kreisprozeßes Abb. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer Kolbendampfmaschine Abb. 5 ein Ausführungsbeispiel mit einem Turbinen-Verdichter-Satz Abb. 6 ein T,s-Diagramm zu einem weiteren Ausführungsbeispiel mit Zwischenüberhitzung Abb. 7 das P>v-Diagramm mit Zwischenüberhitzung zu Abb. 6 Abb. 8 das Schaltbild des Ausführungsbeispiels mit Zwischenüberhitz zu Abb. 6 und 7 Abb. 9 ein T,s-Diagramm mit Zwischenüberhitzung und realen Zustands angaben bei Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsstoff Abb.10 desgl. wie Abb. 9, jedoch Verwendung eines Kältemittels (R 23 = CHF3) als Arbeitsstoff Abb.11 desgl. wie Abb. 10, jedoch bei Verwendung des Kältemittels R 14 (=cm4) als Arbeitsstoff.On the basis of Figures 1-11, the mode of operation of the invention Steam power plant described in more detail. Fig. 1 shows the principle of the gas-steam cycle Fig. 2 the temperature-entrople diagram (T, s-Diagr.) Of the circular process Fig. 3 the pressure-volume diagram (P, v-Diagr.) Of the cycle Fig. 4 an embodiment with a piston steam engine Fig. 5 an embodiment with a turbine-compressor set Fig. 6 a T, s diagram for a further embodiment example with reheating Fig. 7 the P> v diagram with reheating to Fig. 6 Fig. 8 the circuit diagram of the embodiment with reheating to Fig. 6 and 7 Fig. 9 a T, s diagram with reheating and real status information when using water vapor as a working substance Fig.10 Same as Fig. 9, but using a refrigerant (R 23 = CHF3) as the working medium Fig.11 the same as Fig. 10, but when using the refrigerant R 14 (= cm4) as Working substance.

Die der Erfindung zugrundeliegende neue Erkenntnis für den Betrieb der l'Dampfkraftanlage mit vollständiger Primärwärmenutzung" sei zun im Prinzip an Hand des P,v-Diagrammes, Abb. 1, erläutert.The new knowledge on which the invention is based for operation the steam power plant with full primary heat utilization "is first in principle on the basis of the P, v diagram, Fig. 1, explained.

Um aus Warme in einem Arbeitsstoff inncrhalb eines Kreisprozesses mechanische Arbeit gewinnon zu können, muß de Druck-Volumen-Kennlinie bei der Expansion (Arbeitsabgabe) höher liegt-n als die Druck-Volumen-Kennlinie bei der Verdichtung (Arbeitsaufwani) des Arbeitsstoffs. Dies verdeutlicht im Prinzip Abb. 1. Der Linienzug aeFb bei der Arbeitsabgabe muß höher liegen als der Linienzug ba bei der Verdichtung des Arbeitsstoffs. Die zwischen beiden Linienzügen vorhandene Fläche stellt dabei die Differenzarbeit von beiden Arbeitsprozeßen dar und kann als Nutzarbeit (Weff) nach außen abgeführt werden.To get from heat in a working substance within a cycle In order to be able to gain mechanical work, the pressure-volume curve must be used during expansion (Workload) is higher than the pressure-volume curve during compression (Workload) of the work material. This is illustrated in principle in Fig. 1. The line aeFb at the work submission must be higher than the line ba at the compression of the working substance. The area between the two lines represents represents the difference work of both work processes and can be used as useful work (Weff) be discharged to the outside.

Der tiefer verlaufende Linienzug b a kann bei 'lerwendung eines Gases als Arbeitsstoff nur verwirklicht werden, wenn während der Komprd mierung gleichreitig die Verdichtungswärme nach außen abgeführt wird.The deeper running line b a can when using a gas can only be used as working material if they are equal during compression the heat of compression is dissipated to the outside.

Wenn dies nicht vorgenommen wird, würde theoretisch der Linienzug b +a auf dem Linienzug a-,b verlaufen und ein Arbeitsgewinn aus beiden Arbeitsprozeßen wäre nicht möglich. Dies zeigt sich dann darin, daß im P,v-Diagramm zwischen beiden Arbeitsabläufen keine (positive) Arbeitsfläche entsteht.If this is not done, the line would theoretically be b + a run on the line a-, b and a gain in work from both work processes would not be possible. This can then be seen in the fact that in the P, v diagram between the two Work processes no (positive) work surface is created.

Um nun aus dem Wärmeinhalt des Arbeitsstoffs in einem Kreisprozeß Arbeit gewinnen zu können, ohne daß gleichzeitig Kompressionswärme aus dem Arbeitsstoff nach außen abgeführt werden muß, wird, gemäß dem neuen Arbeitsprinzip, ein Arbeitsstoff verwendet der bei der Expansion (Arbeitsabgabe) im wesentlichen gasförmige Eigenschaften und bei der Verdichtung (Arbeitsaufwand) im wesentlichen dampfförmige Eigenschaften aufweist. Es kommt also ein Arbeitsstoff infrage, bei dem der Expansions-Endpunkt nach durchlaufenem thermodynamischen Temperaturgefälle angemessen weit vom Uberhitzungs in das Sättigungsgebiet fällt.To get now from the heat content of the working material in a circular process To be able to gain work without the simultaneous heat of compression from the working material must be discharged to the outside, becomes, according to the new working principle, a working substance uses essentially gaseous properties during expansion (workload) and essentially vaporous properties during compression (workload) having. So a working substance comes into question that has the expansion end point after the thermodynamic temperature gradient has passed, it is reasonably far from overheating falls in the saturation area.

in Arbeitsstoff mit diesen Eigenschaften Ljßt sich adiabatisch entspannen und anschließend isothermisch-adiabatisch verdichten. Dabei geht die Verdichtungsarbeit, die in Form von Wärme frei wird, im Bereich der Isotherme durch Aufnahme von Verdampfungswärme auf den Arbeitsstoff über und bleibt so in Form erhöhter Enthalpie dem Kreisprozeß erhalten, Ein solcher Kreisprozeß kann mit überhitztem Dampf (Heißdampf oder auch Kaltdampf) durchgeführt werden. Dazu muß der Arbeitsstoff der Höhe aes mit der Warmequelle (Arbeitsquelle) erzeugbaren oberen Temperaturniveau angepaßt werden, um eine Aufnahme von Wärme in den Kreisprozeß sicht stellen, und um darnit dem Entropiesatz zu entsprechen. Ein solcher überhitztem Dampf (Heiß- oder Kaltdampf) betriebenen Kreisprozeß ist an Hand eines T,s-Diagrammes in Abb. 2 dargstellt.In working material with these properties it can relax adiabatically and then compress isothermally-adiabatically. The compression work goes which is released in the form of heat, in the isothermal area by absorbing heat of evaporation on the working substance and remains in the form of increased enthalpy in the cycle Such a cycle process can be achieved with superheated steam (superheated steam or also Cold steam). For this purpose, the working material must have the same height as the heat source (Source of work) producible upper temperature level be adjusted, to represent an absorption of heat in the cycle process, and then to the entropy law correspond to. Such superheated steam (hot or cold steam) operated The cycle process is shown on the basis of a T, s diagram in Fig. 2.

Der Kreisprozeß nach Abb. 2 besteht aus folgenden Teilprozessen: Strecke 1 # 2 : isobare Wärmeaufnahme im Uberhitzungsgebiet Strecke 2 # 3 : adiabatische Expansion vom Uberhitzungs in das Sättigungsgebiet (bei Punkt 3' Uberschreitung der Taulinie x = 1, x = Dampfgehalt) unter Arbeitsabgal Strecke 3 # 4 : isotherme Verdichtung unter Arbeitsaufwand (Verklei nerung der Entropie um die Differenz s) - s4) Strecke 4->1 : adiabatische Verdichtung unter Arbeitsaufwand und damit Schließung des Kreisprozeßes.The cycle according to Fig. 2 consists of the following sub-processes: Route 1 # 2: isobaric heat absorption in the overheating area. Route 2 # 3: adiabatic Expansion from overheating into the saturation area (when point 3 'is exceeded the dew line x = 1, x = steam content) under the working range 3 # 4: isothermal Compression with effort (reduction of entropy by the difference s) - s4) Route 4-> 1: adiabatic compression with effort and thus Closing the cycle.

Damit der Kreisprozeß den Ausgangszustand 1 erreicht und ein optimal Betrieb möglich ist, muß die Adiabate 2->3 so tief in das Sättigun gebiet expandiert werden (Strecke 3' # 3), daß die Isotherme 3 # 4 b Beginn der adiabatischen Kompression gerade zu Ende geht, d. h. Punk senkrecht unter Punkt 1 fällt. Das ist dann der Fall, wenn die horiz talen Abstände 3 # 4 und 3 # 4' gleiche Längen haben bezw. wenn di ntropiedifferenzen S3 - S4 = s4,- s3 bis zur Taulinie (x = 1) vo gleicher Größe sind.So that the cycle reaches the initial state 1 and an optimal one Operation is possible, the adiabatic 2-> 3 must be expanded as deep into the saturation area be (distance 3 '# 3) that the isotherm 3 # 4 b beginning of adiabatic compression is just about to end, d. H. Point falls vertically under point 1. Then this is the one Case when the horizontal distances 3 # 4 and 3 # 4 'have the same lengths or. if di ntropy differences S3 - S4 = s4, - s3 up to the dew line (x = 1) of the same Size are.

Wie aus dem T,s-Diagramm der Abb. 2 zu entnehmen ist, gehört Punkt 3 einer anderen iquidistanzlinie (Linie gleichen Dampfgehalts x) an al z. E. die punkte 1, 5' u. 4t. Punkt 3 möge :. B. der äquidistanzlini x = 0,8 angehören, d. h. einen Dampfgehalt on 80 % und einen reucht.As can be seen from the T, s diagram in Fig. 2, point belongs 3 of another equidistance line (line of equal steam content x) at al z. E. the points 1, 5 'and 4t. Point 3 may:. B. belong to the equidistance line x = 0.8, d. H. a steam content of 80% and a smoke.

keitsanteil von e 7o (in Form von schwebendln, feinen Flüssigkeitströpfchen) aufweisen. Nun, wegen diesem Feuchtigkeitsanteil im Naßdampf ) ist es möglich, eine isotherme Kompression vom Punkt 3 bis Punkt 4 durchzuführen, ohne daß Verdichtungswärme nach außen abgeführt werden muß. Die Verdichtungswärme wird dazu verwendet, um die Verdam (durch Aufnahme von Verdampfungswärme !) der feinen Flüssigkeitströp: chen (bei konstanter Temperatur) herbeizuführen, so daß der Fruchtig keitsanteil bis auf Null fällt, d. h. der Dampfanteil im Punkt 1 wiec +) Naßdampf ist ein Gemisch aus trocken gesättlgtem Dampf und siedene Flüssigkeit, die meistens in Form winziger Tröpfchen im Dampf sch und so eine Art Nebel bildet.part of e 7o (in the form of floating, fine liquid droplets) exhibit. Well, because of this moisture content in the wet steam) it is possible to use a Carry out isothermal compression from point 3 to point 4 without heat of compression must be discharged to the outside. The heat of compression is used to reduce the Damage (by absorbing the heat of evaporation!) Of the fine liquid droplets bring about (at constant temperature), so that the fruit content up to falls to zero, d. H. the steam portion in point 1 as c +) wet steam is a mixture of dry saturated vapor and boiling liquid, mostly in the form of tiny ones Droplets in the steam create a kind of mist.

1q0 , d. h. x = 1 wird. Im Punkt 1 liegt also trocken gesättigter Dampf vor, der nun durch erneute isobare Wärmeaufnahme in den ungesättigten, überhitzten Zustand übergeht und somit die Eigenschaften eines nahezu idealen Gases erhält (es befolgt das Boyle-Mariottsche Gesetz: P . v = konstant).1q0, d. H. x becomes 1. In point 1 there is therefore more dry saturation Steam, which is now superheated by renewed isobaric heat absorption in the unsaturated State passes and thus receives the properties of an almost ideal gas (es follows Boyle-Mariott's law: P. v = constant).

Die Fläche 1-2-3-4-1 in Abb. 2 stellt die Nutzwärmefläche dar und ist der gewonnenen technischen (mechanischen) Arbeit bei der Expansion (vom Zustand 2 bis Zustand 3) äquivalent. Rechnet man mit der mittleren oberen Temperatur Tm, so ergibt sich eine rechteckige Nutzwärmefläche und damit den größt möglichen Wärmeumsatz in der (beliebigen) Expansionsmaschine. Dieser Kreisprozeß ist also dem CARNOT-Prozeß bezüglich der Etuschinenauslastung gleichwertig. Der angegebene Kreisprozeß hat jedoch gegenüber dem CARNOT-Prozeß, der mit einem Gas ) als Arbeitsstoff betrieben wird, den großen Vorteil, daß keine Abwärme (Verdichtungswärme) nach außen verloren geht und somit die restliche, vom Kreisprozeß von außen aufgenommene Primärwärme theoretisch zu 100 % in Form von technischer Arbeit von der Anlage nach außen abgeführt wird. Es wird also nur 'sExergie" von der Primärwärmequelle entnommen. Der Wärmewirkungsgrad ist dabei unabhangig von der Höhe der Arbeitstemperatur, dann dieser ist immer 100 %. Die Höhe der Arbeitstemperatur wirkt sich beim vorgeschlagenen Gas-Dampf-Kreisprozeß lediglich auf die pro Zeiteinheit umgesetzte ?rmemnge, also auf die Leistung der Wnrmekraftanlage aus. Bei hoher Sntspanntemperatur ist die Leistung also größer als bei niederer, der thermische Wirkungsgrad ist in jedem Falle aber 100 % In Abb. 3 ist der neue "Kreisprozeß ohne Abwärmeverluste" an Hand eines P,v-Diagrammes aufgezeichnet. Daraus ergibt sich die nach außeh abführbare effektive technische Arbeit Weff aus der Differenz der gewonnenen Expansionsarbeit W und der aufgewendeten Kompressorarbeit Wk, also Weff = W Wk (Gl. 1) +) Zum Beispiel mit Helium in direkter Schaltung (Einkreisanlage) bei Hochtemperaturreaktoren.The area 1-2-3-4-1 in Fig. 2 represents the useful heat area and is the technical (mechanical) work gained during expansion (from the state 2 to state 3) equivalent. If one calculates with the mean upper temperature Tm, this results in a rectangular useful heating surface and thus the greatest possible heat conversion in the (arbitrary) expansion machine. This circular process is therefore the CARNOT process Equivalent in terms of occupancy rates. The specified cycle has but compared to the CARNOT process, which operated with a gas) as the working substance is, the great advantage that no waste heat (heat of compression) is lost to the outside and thus the remaining primary heat absorbed from the outside by the cycle theoretically 100% in the form of technical work carried away from the system to the outside will. So only 'exergy' is taken from the primary heat source. The heat efficiency is independent of the working temperature, then this is always 100 %. The level of the working temperature has an effect on the proposed gas-steam cycle only on the amount of heat converted per unit of time, i.e. on the performance of the Wnrmekraftanlage off. The performance is therefore greater at a high clamping temperature than with lower, but the thermal efficiency is in any case 100% In Fig. 3 the new "cycle process without waste heat losses" is recorded on the basis of a P, v diagram. The effective technical work Weff, which can be carried out externally, results from this the difference between the work of expansion W gained and the work done by the compressor Wk, i.e. Weff = W Wk (Eq. 1) +) For example with helium in direct connection (single circuit system) in high temperature reactors.

++) Da man mit dem vorgeschlagenen Gas-Dampf-Kreisprozeß Wärmeenergie unabhängig von der Temperaturhöhe vollständig in technische Arbeit konvertieren kann, ist es speziell für Hochtemp.-Reakt. vorteilhaft, den Energiewandlungsprozeß zweikreisig durchzuführen: So z. B. den Primärkreis mit Helium zur Wärmeabfuhr und den Sekundärkreis mit dem GasDampfKreisprozeß zur Gewinnung mechanischer bezw. elektr. Arbeit0 Die dem Kreisprozeß insgesamt von außen zugeführte Primärwärme bezw Uberhitzungswärme qü (von 1->2) ist somit der von der Dampfkraftar lage nach außen abführbaren technischen Arbeit Weff äquivalent. c Wärmewirkungsgrad für die Anlage ergibt sich somit theoretisch zu Wab W - Wk = Weff = 1 (Gl. 2) th,Anlage qzu 9ü In Abb. 4 ist ein Ausführungsbeispiel in Form einer Kolbenmaschine u in Abb. 5 in Form eines Turbinensatzes (Turbine + Verdichter) gezeig mit der der Kreisprozeß nach Abb. 2 und 3 durchgeführt werden kann.++) Since one with the proposed gas-steam cycle process heat energy fully convert to engineering work regardless of the temperature level it is especially for high temp. react. beneficial to the energy conversion process to be carried out in two circles: B. the primary circuit with helium for heat dissipation and the secondary circuit with the gas / steam cycle to obtain mechanical respectively. electr. Work0 The total primary heat supplied to the cycle from outside or overheating qü (from 1-> 2) is therefore that of the steam power location externally transferable technical work equivalent to Weff. c thermal efficiency for the system thus results theoretically as Wab W - Wk = Weff = 1 (Eq. 2) th, system qzu 9ü Fig. 4 shows an embodiment in the form of a piston engine u in Fig. 5 in the form of a turbine set (turbine + compressor) shown with which the cycle according to Fig. 2 and 3 can be carried out.

Die während des Kreisprozeßes durchlaufenen Zustände (Punkte 1 bis 4 in Abb. 2 und 3 sind an entsprechender Stellte in den beiden Schaltbi (Abb. 4 und 5) eingetragen.The states passed through during the cycle (points 1 to 4 in Fig. 2 and 3 are at the corresponding position in the two switchgears (Fig. 4 and 5) entered.

Die Ausführungsbeispiele nach Abb. 4 und 5 sind aus folgenden Einze teilen aufgebaut: a = Dampferzeuger (nur zur Inbetriebnahhe und als Vorratsgefäß no v = Speiseventil (nur für Inbetriebnahme erforderlich) b = Uberhitzer EV = Einlaßventil (Steuerbar in Abhängigkeit der Kolbenstellung) EZ = Expansionszylinder KZ = Kompressionszylinder Expansion und Kompression finden hier einem Zylinder statt, können aber auch getrennt in 2 Zylindern vorgenommen we: RV = Rückschlagventil t = Turbine k = Kompression gilt für Abb. 5 Zur Inbetriebnahme und Stillsetzung der Dampfkraftanlage (Abb. 4 u.The embodiments according to Fig. 4 and 5 are made up of the following individual parts: a = steam generator (only for commissioning and as a storage vessel no v = feed valve (only required for commissioning) b = superheater EV = inlet valve (controllable depending on the piston position) EZ = Expansion cylinder KZ = compression cylinder Expansion and compression take place here in one cylinder, but can also be carried out separately in 2 cylinders we: RV = check valve t = turbine k = compression applies to Fig. 5 To start up and shut down the steam power plant (Fig. 4 u.

gehören selbstverständlich noch zusätzliche Hilfseinrichtungen, die c Fachmann bekannt sind und hier nicht besonders aufgezählt werden.Needless to say, there are additional auxiliary facilities that c are known to those skilled in the art and are not specifically listed here.

Die Abbildungen 6, 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Zwischenüberhitzung. Mit Zwischenüberhitzung erreicht man auch bei relativ niederen Arbeitstemperaturen einen relativ hohen nutzbare Wärmeinhalt (und damit eine gute Maschinenausnutzung), da die mittler obere Temperatur T m (T m = thermodynamische Mitteltemperatur der gesa ten Wärmeaufnahme) höher wird als bei einfacher Uberhitzung.Figures 6, 7 and 8 show another embodiment with reheating. With reheating one can also achieve at relatively low Working temperatures have a relatively high usable heat content (and thus a good Machine utilization), since the mean upper temperature T m (T m = thermodynamic Mean temperature of total heat absorption) becomes higher than with simple overheating.

Bei mehrfacher Zwischenüberhitzung spricht man von 'Carnotisieren", da die mittlere obere Temperatur T nahezu die Uberhitzungstemperatur m erreicht und damit eine nahezu aufigefUllte rechteckige Nutzwärmefläche entsteht.In the case of repeated reheating, one speaks of 'carnotizing', since the mean upper temperature T almost reaches the overheating temperature m and thus an almost filled, rectangular useful heating surface is created.

Um den Kreisprozeß mit Zwischenüberhitzung optimal durchführen zu können9 muß auch hier (wie bei Abb. 2) so tief in das Sättigungsgebiet (von 5' bis 5) expandiert werden, daß, gemäß dem T,s-Diagramm Abb. 6, die Entropiedifferenzen von Punkt 5 bis zur Erreichung der Taulinie (x = 1) gleiche Energieinhalte aufweisen. Es muß also sein: s5 - s6 = s6,- s5.In order to optimally carry out the cycle process with reheating Here too (as in Fig. 2), can9 must go so deep into the saturation area (from 5 'to 5) so that, according to the T-s diagram in Fig. 6, the entropy differences have the same energy content from point 5 until the dew line is reached (x = 1). So it has to be: s5 - s6 = s6, - s5.

Eiinsichtlich des erreichbaren Wärmewirkungsgrades für die gesamte Anlage geiten bei der Ausführung mit Zwischenüberhitzung im wesentlichen dieselben Gleichungen, wie beim Ausführungsbeispiel mit nur einfacher Obere hitzung. Auch hier wird die gesamte, auf den Kreisprozeß übertragene Primärwärme theoretisch zu 100 % in technische Arbeit überführt. Gemäß dem P,v-Diagramm, Abb. 7, ergibt sich die von der Anlage nach außen abführbare, effektive Arbeit zu Weff = W - Wk = (W1 + W2) k Wk (Gl. 3) und der theoretisch thermische Wirkungsgrad der Anlage zu Wab W1 + W2 - Wk Weff nth,Anlage = = = = 1 (Gl. 4) qzu qü12 + qü34 qü,ges.Regarding the achievable thermal efficiency for the whole The systems run essentially the same in the version with reheating Equations, as in the embodiment with only simple upper heating. Even here the entire primary heat transferred to the cycle is theoretically too 100% transferred to technical work. According to the P, v diagram, Fig. 7, results the effective work that can be carried out by the system to Weff = W - Wk = (W1 + W2) k Wk (Eq. 3) and the theoretical thermal efficiency of the system for Wab W1 + W2 - Wk Weff nth, Appendix = = = = 1 (Eq. 4) qzu qü12 + qü34 qü, ges.

Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 8 besteht im wesentlichen aus folgenden Einzelelementen: a = Dampferzeuger (nur zur Inbetriebnahme u. als Vorratsgefäß) v = Speiseventil (nur für Inbetriebnahme für Dampfeinlaß) b = Uberhitzer c = Zwischenüberhitzer t1 = Hochdruckturbine (HD-Turbine) t2 = Niederdruckturbine (ND-Turbine) k = Hochdruckkompressor (HD-Kompressor) Bei der Versorgung deL- Kreislaufs mit Arbeit,stoff bezw. mit gesätti Dampf vor Inbetriebnahme der Anlage (vom Dampferzeuger a über das Sp ventil v zu entnehmen) ist vor allem darauf zu achten, daß im Kreisl keine andersartigen Gase oder Dämpfe als das des eigentlichen Arbeit stoffs enthalten sein dürfen, wie z. B. Lufteinschlüsse. Diese würde den vorgenannten Gas-Dampf-Kreisprozeß (nach Abb. 5 und 8) unter Ums den wesentlich ändern und unwirtschaftliche Betriebsverhältnisse her führen.The embodiment according to Fig. 8 essentially consists of the following Individual elements: a = steam generator (only for commissioning and as a storage vessel) v = feed valve (only for commissioning for steam inlet) b = superheater c = reheater t1 = high pressure turbine (HP turbine) t2 = low pressure turbine (LP turbine) k = high pressure compressor (HD compressor) When supplying the cycle with work, material respectively with saturated steam before commissioning the system (from steam generator a via the Sp valve v to be taken) is above all to ensure that no contain gases or vapors other than that of the actual work material may be, such as B. Air inclusions. This would lead to the aforementioned gas-steam cycle (According to Fig. 5 and 8) under certain circumstances change significantly and inefficient operating conditions lead here.

Für die Inbetriebnahme der Wärmekraftanlage (Abb. 5 und 8) wird im Dampferzeuger a durch Zuführung von Vlüssigkeits- und Verdampfungswä: qf + qr zunächst trocken gesättigter Dampf vom Zustand 1 erzeugt u danach über das Speiccsventil v dem Uberhitzer b und c soviel Dampf z geführt, daß bei weiterer Aufheizung im Uberhitzer mit Überhitzungsw@ der Betriebsdruck P und der Zwischendruck Pz (bei Abb. 8) konst@ bleibt. Dies wird erreicht, indem der einströmende Dampf bei zunehmen Volumenzunahme im ttDurchlauf bis in den Zustand 2 und 4 erhitzt wird und die Dampfentnahme - bei vorausgehendem Anwurf - über die Expansion und Kompressionsmaschinen (t, t1, t2, k) aufrechterhalt wird.To commission the thermal power plant (Fig. 5 and 8), the Steam generator a by supplying liquid and evaporation water: qf + qr initially dry saturated steam from state 1 is then generated via the storage valve v the superheater b and c led so much steam z that with further heating in the Superheater with superheatingw @ the operating pressure P and the intermediate pressure Pz (at Fig. 8) const @ remains. This is achieved by increasing the incoming steam at Volume increase in the tt pass until it is heated to state 2 and 4 and the steam is removed - with prior start-up - via the expansion and compression machines (t, t1, t2, k) is maintained.

Mit den Abbildungen 9, 10 und 11 sind T,s-Diagramme mit konkreten Angaben von Zustandswerten gezeigt. So zeigt Abb. 9 einen Kreisprozef mit Zwischenüberhitzung und Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsstc Damit kann z. B. ein Nutz-Temperaturgefälle von etwa 530° - 100° = 4@ und ein Nutzdruck von rund 200 bar erreicht werden. Da die Uberhil ungstemperatur relativ hoch gewählt wurde, kommen nur Kraftstoffe mi hohem Heizwert infrage, wie z. B. fossile oder nukleare Kraftstoffe.With figures 9, 10 and 11 are T, s diagrams with concrete Details of condition values are shown. Fig. 9 shows a circular process with reheating and use of steam as Arbeitsstc. B. a useful temperature gradient of around 530 ° - 100 ° = 4 @ and a useful pressure of around 200 bar can be achieved. There If the overheating temperature was selected to be relatively high, only fuels come with high calorific value in question, such as B. fossil or nuclear fuels.

Abb. 10 zeigt einen Kreisprozeß mit (einfacher) Uberhitzung , bei dem Arbeitsstoff das Kältemittel R 23 (=CHF3) verwendet wurde. Es handel sich also um einen Kaltdampfkraftmaschinenprozeß bei dem niedertemper Wärme als ArDeitsquelle verwendet werden kann, wie z. B. Luftwärme. D die Überhitzungstemperatur entsprechend niedrig gewählt wurde (Tü = + ist ein selbständiger Wärmeübergang von der höher temperierten Luftwä (hier Tqü = 20°...60°C) möglich, ohne den Entropiesatz zu verletzen.Fig. 10 shows a cycle with (simple) overheating, at the refrigerant R 23 (= CHF3) was used for the working substance. So it is around a cold steam engine process with the low-temperature heat as a source of work can be used, such as B. Air heat. D the overheating temperature accordingly low was chosen (Tü = + is an independent heat transfer from the higher tempered air (here Tqü = 20 ° ... 60 ° C) possible without violating the entropy law.

Das mit diesem Arbeitsmittel etwa erreichbare Nutzgefälle ergibt sich zu #T = 90°C und #P = 17 bar (Ps = 20 bar = Sättigungsdruck bei T = T5 = -10°C).The useful gradient that can be achieved with this work equipment results to #T = 90 ° C and #P = 17 bar (Ps = 20 bar = saturation pressure at T = T5 = -10 ° C).

Abb. 11 zeigt ebenfalls einen Kaltdampf-Kraftmaschinenprozeß bei dem - gegner Abb. 10 - ein noch tiefer siedendes Kiltemittel verwendet wurde. Es ist das Kältemittel R 14 (=CF4) mit dem Siedepunkt (1,013 bar) t5 = -128,0 OC. Damit können Arbeitsquellen mit einem oberen Temperatur bereich von etwa 100 ...+300 genutzt werden, also Wasser- oder Luftwärmereservoirs. Das mit diesem Arbeitsstoff erreichbare Nutzgefälle ergibt sich zu etwa AT = 108 °C und #P = 30 bar (Ps = 35 bar = Sättigungsdruck bei T = T5 = -40 °C).Fig. 11 also shows a cold steam engine process in the - opponent Fig. 10 - an even lower boiling kilt compound was used. It is the refrigerant R 14 (= CF4) with a boiling point (1.013 bar) t5 = -128.0 OC. In order to sources of work with an upper temperature range of around 100 ... + 300 can be used , i.e. water or air heat reservoirs. That which can be achieved with this working material Usable gradient results in about AT = 108 ° C and #P = 30 bar (Ps = 35 bar = saturation pressure at T = T5 = -40 ° C).

Da bei allen diesen drei genannten Kreisprozeßen (Abb. 9, 10, 11) kein sogenannter "unterer Wärmebehälter" zur Aufnahme der Abwärme erfordert lich ist (der von der Umgebung Temp. u. Druck - abhängig ist), kann soweit wie möglich unterhalb die der Umwelttemperatur (u. den Umweltdruck) entspannt erden. Damit können bei entsprechender Wahl des Arbeitsstoffs praktisch alle in der Natur vorkommenden Wärmereservoirs (mit oder ohne Temperaturdifferenzen gegen die Umgebungstemperatur) genutzt werden.Since in all of these three mentioned circular processes (Fig. 9, 10, 11) no so-called "lower heat container" to absorb the waste heat requires Lich (which is dependent on the environment, temp. and pressure), as far as possible below which the ambient temperature (and the ambient pressure) can be relaxed. So can With the appropriate choice of the working material, practically all that occur in nature Heat reservoirs (with or without temperature differences compared to the ambient temperature) be used.

Für den Betrieb von Kaltdampfkraftanlagen bezw. Kaltdampfkraftwerken eignen sich insbesonders Wärmequellen mit hohem Energieinhalt bei möglichst konstanter oberer Arbeitstemperatur. Als ergiebigste Arbeitsquelle kommt also Wasser infrage, z. B. Meer-, See- oder Flußwasser.For the operation of cold steam power plants respectively. Cold steam power plants heat sources with a high energy content and as constant as possible are particularly suitable upper working temperature. The most productive source of work is water, z. B. sea, lake or river water.

Dabei kann auch die besonders hohe Latentwärme des Wassers (80 kcal/kg) bei konstanter oberer Temperatur (O °C) genutzt und damit eine besonders ergiebig Energiequelle erschlossen werden die sich auch in kalten Jahreszeiten - bei Verlegung des Verdampfers bezw. Uberhitzers in die elstreien tieferen Wasserschichten - nutzen läßt.The particularly high latent heat of the water (80 kcal / kg) used at a constant upper temperature (0 ° C) and therefore a particularly productive one Energy source that can be tapped even in cold seasons - when laying of the evaporator respectively. Superheater in the elstreien deeper water layers - use leaves.

Mit der vorgerannten Kaltdarnpfkraftmaschine kann man beispielsweise aus 1 m3 Wasser von 20 0C bis zur völligen Eisbildung, also einschließlich mit Nutzung der Latentwärme, eine mechanische Arbeit von theoretisch Qp/m³ # nth,Anlage 100 kcal.l # 1000 l/m³ # 1 Wmech. = = 860 kcal/kWh 860 kcal/kWh - = 116,3 kWh/m3 860 kcal/kWh gewinnen.With the pre-run Kaltdarnpfkraftmaschine you can, for example from 1 m3 of water from 20 ° C to complete ice formation, i.e. including with use the latent heat, a mechanical work of theoretically Qp / m³ # nth, Appendix 100 kcal.l # 1000 l / m³ # 1 Wmech. = = 860 kcal / kWh 860 kcal / kWh - = 116.3 kWh / m3 860 gain kcal / kWh.

Aus der vorgenannten technischen bezw. mechanischen Arbeit von 116,3 kWh pro m3 Wasser, können praktisch - über Generatoren - etwa 100 kWh elektrische Arbeit erzeugt werden. Hierzu liefert die Latent.From the aforementioned technical respectively. mechanical work of 116.3 kWh per m3 of water, can practically - via generators - about 100 kWh electrical Work to be generated. For this purpose, the Latent.

wärme des Wassers in diesem Falle allein 80 % dieser Energie bei konstanter Arbeitsquellen-Temperatur bei O 00.heat of the water in this case alone 80% of this energy at constant Working source temperature at O 00.

Damit können im großen Maßstab sogenannte Kaltdampfkraftwerke gebaut werden, die mit relativ hoher Energiedichte arbeiten. Da hierbei die thermodynamische Mitteltemperatur des Wärmegefälles bei der expansion aes'druckgspannten Kaltdampfes etwa Tm = 80 OC beträgt, können derartige Kaltdampfkraftwerke künftig etwa 20 ... 40 % der Energiedichte heutiger Wärmekraftwerke erreichen. Die benötigte Wärme kann hierzu aus dem immer leicht zugänglichen Meer-, See- oder Flußwasser bezogen werden.This means that so-called cold steam power plants can be built on a large scale that work with a relatively high energy density. Since here the thermodynamic Mean temperature of the heat gradient during the expansion of the pressure-tensioned cold steam is about Tm = 80 OC, such cold steam power plants can in the future be about 20 ... Reach 40% of the energy density of today's thermal power plants. The heat required can this can be obtained from the sea, lake or river water, which is always easily accessible.

Da die aus dem Wasser gewonnene mechanische bezw. elektrische Arbeit letzten Endes wieder nahezu vollständig in ihre ursprüngliche Energie form (Umweltwcirme) zurückfließt und ohnehin ständig Solarwärme auf di Erde eingestrahlt und nicht genutzt wird, besteht kein Zweifel an der Unerschöpflichkeit dieser regenerativen Energiequelle.Since the mechanical BEZW obtained from the water. Electrical work in the end almost completely back to its original form of energy (environmental protection) flows back and anyway solar heat is constantly radiated onto the earth and not used there is no doubt about the inexhaustibility of this regenerative energy source.

Das heutige Energieproblem kann damit für alle Zeiten vollständig und umweltfreundlich gelöst werden. Damit werden künftig nicht nur Kriege , die ihre Ursache in der Energienot haben, vermieden, sondern es werden damit erstmalig auch echte Uberlebenschancen für die ganze Menschheit geboten, da man mit ausreichend und überall leicht zugänglicher Energie fast alles erzeugen und herstellen kann.Today's energy problem can thus be complete for all times and be solved in an environmentally friendly way. This means that in the future there will not only be wars that have avoided their cause in the energy shortage, but instead become it for the first time also real chances of survival for the whole of humanity, since one with sufficient and can generate and manufacture almost anything with easily accessible energy anywhere.

Claims (3)

Patentansprtiche ß. Dampfkraftanlage mit Uberhitzer und RUckführung des Abdampfes einschließlich der Verdichtungsabwärme mittels Maschinenverdichter in den Dampfkreisprozeß, dadurch gekennzeichnet, daß eine hoch- oder niodersiedende Flüssigkeit durch Wärmezufuhr vom dampfförmigen gesättigten Zustand in den überhitzten ungesättigten bezw. gasförmigen Zustand übergeführt wird, daß das Gas bei hohem Druck einer (beliebigen) Expansionsmaschine zuströmt und in dieser bis in das Sättigungsgebiet adiabat expandiert und daß der aus der Expansionsmaschine ausströmende entspannte und gesattigte Dampf einer Kompressionsmaschine zugeleitet und in dieser zunächst Isotherm und anschließend Adiabat bis in seinen Anfangszustand (Punkt 1, Abb. 2) verdichtet und dem Uberhitzer - zur erneuten Überhitzung - zugeführt wird.Patent claims ß. Steam power plant with superheater and recirculation of the exhaust steam including the compression waste heat by means of machine compressors in the steam cycle, characterized in that a high or low boiling point Liquid through the supply of heat from the vaporous saturated state to the superheated unsaturated resp. gaseous state is transferred that the gas at high Pressure flows into (any) expansion machine and in this up to the saturation area adiabatically expands and that the flowing out of the expansion machine relaxed and saturated steam fed to a compression machine and in this first Isothermal and then adiabatic to its initial state (point 1, Fig. 2) compressed and fed to the superheater - for renewed superheating. 2. Dampfkraftanlage mit Uberhitzer und Rückführung des Abdampfes einschließlich der Verdichtungswärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Aufnahme der Verdichtungswärme dienende "untere Wärmebehälter" die "Zustandsform des nach der Expansion vorliegenden gesättigten Dampfes" darstellt, in den Kreisprozeß vollständig integriert ist und der rückgeführte Abwärmebetrag - zusammen mit der von der Primärvärmequelle entnommenen Wärme - dauernd am thermodynamischen Umwandlungsprozeß teilnimmt, so daß die von außen zugeführte Wärme aus der Primärwärmequelle vollständig in technische (mechanische) Arbeit überführt wird.2. Steam power plant with superheater and recirculation of exhaust steam including the heat of compression according to claim 1, characterized in that the for receiving the "lower heat container" used for the heat of compression is the "state of the after the expansion of the saturated steam present "represents, in the cycle process completely is integrated and the amount of waste heat returned - together with that from the primary heat source removed heat - continuously participates in the thermodynamic conversion process, so that the externally supplied heat from the primary heat source completely in technical (mechanical) work is transferred. 3. Dampfkraftanlage mit Uberhitzer und Rückführung des Abdampfes einschließlich der Verdichtungswärme nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenüberhitzung vorgenommen ist und daß die Dampfkraftanlage bei ein- oder mehrfacher Uberhitzung im Prinzip sowohl mit überhitztem Heißdampf als auch mit überhitztem Kaltdampf betreibbar ist und daß sie besonders wirtschaftlich mit Strömungsmaschinen von hoher Leistung arbeitet und wegen der großen Energieeinsparung besonders vorteilhaft als Kraftwerksantrieb in Wärmekraftwerken einsetzbar ist.3. Steam power plant with superheater and recirculation of exhaust steam including the compression heat according to claims 1 and 2, characterized in that intermediate superheating is made and that the steam power plant with one or more overheating in principle it can be operated with superheated steam as well as with superheated cold steam and that they are particularly economical with high-performance turbomachines works and because of the great energy savings it is particularly advantageous as a power plant drive can be used in thermal power plants.