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Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des Wirkungs-
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grades von Turbinenprozessen Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Verfahren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und Vorrichtungen zur Durchführung
des Verfahrens. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist es so, daß die Primärwärme
bei einem Turbinenprozeß häufig mit sehr hoher Temperatur anfällt, (z.B. in Brennräumen
oder bei Empfängern für konzentriertes Sonnenlicht), daß jedoch aus Materialgründen
diese hohe Temperatur nicht direkt genutzt werden kann, da es keine beweglichen
mechanischen Bauteile für so hohe Temperaturen und Langzeiteinsatz gibt. Die auf
hoher Temperatur anfallende Wärmemenge muß daher unter Verlust der gesamten Exergie
auf ein technisch nutzbares Niveau abgekühlt werden, bevor ein Wärme-Kraft-Prozeß
nachgeschaltet werden kann. Dies führt zu Wirkungsgradverlusten der Prozesse und
dementsprechend zu einer schlechten Ausnutzung der eigentlich verfügbaren Exergie.
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Nach dem Stand der Technik, ist z.B. aus dem "Brockhaus der Naturwissenschaften
und der Technik",7. Auflage, F.A. Brockhaus, Wiesbaden 1972, Seite 380, 381 eine
Absorptionskältemaschine bekannt, welche in Umkehrung der Funktion auch als Wärmepumpe
aufzufassen ist. Diese Wärmepumpe nach dem Absorptionsprinzip wird von einem Absorptionskreislauf
betrieben, der aufgrund einer Temperaturdifferenz eine Druckdifferenz aufrecht erhält
und somit als Kompressor arbeitet. Bisher wurden solche
Absorptionskältemaschinen
im Niedertemperaturbereich auch als Wärmepumpen betrieben, jedoch sind Anwendungen
für besonders hohe Temperaturen nicht bekannt.
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Aus der US-PS 2 399 394 ist außerdem ein Wellen-Energietauscher bekannt,
welcher als Wärmetransformator zwischen zwei Gasen betrieben werden kann. Einen
solchen Wellen-Energietauscher kann man als "exergieerhaltenden Kompressor" bezeichnen,
da er einen Enthalpieaustausch zwischen zwei Gasen ermöglicht. Ein solcher Wellen-Energietauscher
kann so betrieben werden, daß er im Ergebnis ein heißes Gas auf ein mittleres Temperaturniveau
abkühlt und dessen Exergie dabei dazu verwendet, ein anderes Gas von einem niedrigen
Temperaturniveau auf ein mittleres anzuheben. Diese Verwendungsweise wurde jedoch
bisher nicht in Betracht gezogen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad von Turbinenprozessen
oder ähnlichem zu erhöhen, bei denen die Primärwärme auf einem technisch nicht nutzbaren
hohen Temperaturniveau eingekoppelt wird. Dabei geht die vorliegende Erfindung von
der Erkenntnis aus, daß,entgegen der bisher allgemein üblichen Praxis, es möglich
ist, einen Teil der in der auf hohem Temperaturniveau befindlichen Wärmemenge gespeicherten
Exergie auszunutzen, um zusätzlich ein Medium von niedriger Temperatur auf ein technisch
nutzbares Temperaturniveau anzuheben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Hauptanspruch
vorgeschlagen. Dazu soll ein "exergieerhaltender Kompressor" in dem Kreislauf betrieben
werden, welcher die Temperaturdifferenz zwischen Primärtemperatur und technisch
nutzbarer Temperatur ausnutzt,
um zusätzlich ein Medium von einer
niedrigeren Temperatur auf technisch nutzbare Temperatur anzuheben. Statt bloßer
Abkühlung, bei der die gesamte Exergie verloren geht, kann bei Verwendung eines
exergieerhaltenden Kompressors" ein Teil der Exergie genutzt werden. In den Ansprüchen
2 und 8 werden verschiedene prinzipielle Ausführungsmöglichkeiten von exergieerhaltenden
Kompressoren" beschrieben. Entsprechend dem Anspruch 2 besteht eine Möglichkeit
der exergieerhaltenden Kompression in der an sich bekannten Anwendung eines thermischen
Kompressors nach dem Prinzip eines Absorptionsprozesses. In diesem Falle wird der
thermische Kompressor zum Antrieb einer Wärmepumpe benutzt,und seine beiden Temperaturniveaus
befinden sich erheblich höher als bei den bekannten Anwendungen. Ansonsten ist die
Funktionsweise aber analog der nach dem Stand der Technik bekannten. Die Primärwärme
wird einem Austreiber zugeführt, in welchem ein gasförmiges erstes Medium durch
Energiezufuhr aus einem flüssigen oder festen, zweiten Medium, in dem es gelöst
oder gebunden war, ausgetrieben wird.
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Das ausgetriebene erste Medium wird in einem Kondensator auf einem
technisch nutzbaren Temperaturniveau kondensiert, das kondensierte erste Medium
wird nach dem Prinzip einer Wärmepumpe nach Durchlaufen eines Rekuperativwärmetauschers
in einem Drosselventil oder einer Pumpe entspannt und nimmt anschließend in einem
Verdampfer Energie auf niedrigem Temperaturniveau auf, worauf im Rekuperativwärmetauscher
die vorher entzogene Wärme wieder zugeführt wird. Anschließend wird das erste Medium
zu einem Absorber geführt, in dem es wieder in dem zweiten flüssigen oder festen
Medium gelöst bzw. gebunden wird. Die Temperatur im Absorber ist ebenfalls auf einem
technisch nutzbaren Niveau, so daß die dort anfallende Absorptionswärme genutzt
werden kann. Die "reiche"Lösung beider Medien wird
von einer Pumpe
wieder zum Austreiber geführt, während die "arme" Lösung über ein Drosselventil
und gegebenenfalls über ein Rekuperativ-Wärmetauscher-System in den Absorber fließt.
Bei festem Medium erfolgt der Transport über ein Schleusensystem. Die im Kondensator
und im Absorber anfallende t'iärrne wird in anschließenden Wärme-Kraft-Prozessen
genutzt.
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Das vorgeschlagene System hat den Vorteil, daß der Absorptionsprozeß
die Temperaturdifferenz zwischen Austreiber und Absorber zumindest teilweise zur
Umwandlung in Kompressionsenergie ausnutzt. Zumindest dieser Anteil der Exergie
kann in dem angeschlossenen Wärmepumpenprozeß genutzt werden und erhöht somit den
Wirkungsgrad.
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Im Anspruch 3 wird in besonderer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
als Zufuhr für die Wärmepumpe einen Teil der Abwärme aus den Wärme-Kraft-Prozessen
zu nutzen, was ebenfalls eine günstige Ausnutzung der Möglichkeit zur Erhöhung des
Wirkungsgrades ist.
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Im vierten Anspruch werden Stoffpaare für den Hochtemperatur-Sorptionsprozeß
vorgeschlagen, nämlich Wasser und hygroskopische Medien, wie z.B. Salze und Hydroxide.
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Alternativ dazu sieht der Anspruch 5 andere geeignete Stoffpaare,
nämlich C02 bzw. SO2 und Metalloxide vor, bei deren Bindung dann Karbonate bzw.
Sulfate oder Sulfite entstehen.
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In den Ansprüchen 6,7 und 8 werden Vorrichtuncren zur Durchführunc:
des Verfahrens vorgeschlagen, welche im folgenden anhand der Zeichnung noch näher
erläutert werden.
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In den Ansprüchen 9 und 10 werden ein alternatives Ver-
fahren
und eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen.
In diesem Falle wird der "exergieerhaltende Kompressor" nicht durch einen Sorptionskreislauf
sondern durch einen Wellen-Energietauscher verwirklicht. Solche Wellen-Energietauscher
sind als Wärmetransformatoren für verschiedene Anwendungsfälle bekannt (z.B. Croes,
N.: "The Principle of the Pressure-Wave-M:ichine as Used for Charging Diesel Engines",
Proc. of the 11. International Symposium on Shock Tubes and Waves, Seattle, Washington,
July 11-14, 1977). In diesem Falle wird besonders vorgeschlagen, daß der Wellen-Energietauscher
gerade so betrieben wird, daß die Endtemperatur und der Enddruck des treibenden
und des zu treibenden Gases gleich sind, so daß die beiden Ausgänge verbunden werden
können. Außerdem wird der Wellen-Energietauscher mit einem auf hoher Temperatur
befindlichen treibenden Gas betrieben und nutzt die Temperaturdifferenz zwischen
der Anfangstemperatur und der technisch verwertbaren Temperatur dazu, Gas von niedrigerer
Temperatur ebenfalls auf das technisch verwertbare Niveau anzuheben. Die entsprechende
Vorrichtung nach Anspruch 10 wird ebenfalls anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
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Der technische Hintergrund der Erfindung und die erfindungswesentlichen
Teile werden in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Sorptionskreislauf, Fig. 2 ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Wellen-Energietauscher und Fig. 3 ebenfalls
ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Wellen-Energietauscher.
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In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführung mit einem Sorptionskreislauf
dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel ähnelt i..l im Prinzip einer Absorptions-Kältemaschine,
jedoch mit einer anderen Auslegung, die dem neuen erfindungsgemäßen Verwendungszweck
angepaßt ist. In einem Aus treiber 1 wird auf einer hohen Temperatur T1 die Wärmemenge
Q1 eingekoppelt. Dadurch wird dus einem flüssigen Medium, in welchem ein gasförmiges
Medium gebunden bzw. gelöst war, das gasförmige Medium ausgetrieben.
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Es gelangt in einen Kondensator 2, wo es seine Wärme auf einem technisch
ausnutzbaren Temperaturniveau T2 abgibt uiid dabei auf die Temperatur T4 abgekühlt
wird. Die Temperatur T4 ist größer oder gleich der Temperatur T3 des 3 dem Kondensator
zugeführten Kühlmittels.Anschließend wird die im Kondensator entstandene Flüssigkeit
in einem Drosselventil 5 entspannt, wodurch sie sich weiter auf die Temperatur T5
abkühlt. Diese TemperaturT5kann niedriger als die Umgebungstemperatur 5 liegen.
Dadurch kann in einem Verdampfer 6 über Wärmeaustauschflächen 7 Wärme aus der Umgebung
auf der Temperatur T3 zugeführt werden. Hier kann selbstverständlich auch billig
verfügbare Niedertemperaturwärme eingekoppelt werden. Die Temperatur des Mediums
erhöht sich dadurch auf die Temperatur T6, welche kleiner oder gleich T3 ist.
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Durch ein System von Rekuperativwärmetauschern 4, 8 durch welche der
Flüssigkeit vor dem Drosselventil 5 Wärme entzogen wird, die hinter dem Verdampfer
6 wieder eingeko~opel wird, kann die Ausbeute bei der Wärmeeinkopplung im Verdampfer
6 erhöht werden. Anschließend gelangt das Gas mit einer Temperatur T7, die bei Verwendung
von Rekuperativwärmetauschern kleiner oder gleich T4 ist, in einen Absorber 9. In
diesem Absorber 9 wird das Gas wieder in dem flüssigen Medium des Sorptionskreises
gelöst bzw. gebunden, wobei die freiwerdende Wärme über Wärmeaustauschflächen 10
abgeführt wird. Der Absorber befindet sich auf
einem technisch
nutzbaren Temperaturniveau T2. Die "reiche" Lösung wird von einer Pumpe 11 wieder
in den Austreiber befördert, während gleichzeitig die "arme" Lösung vom Austreiber
1 über ein Drosselventil 13 in den Absorber 9 gelangt. Sofern technisch möglich,
kann auch in diesem Kreislauf ein Rekuperativ-Wärmetauscher-System 12, 14 hinter
der Pumpe 11 bzw. vor dem Drosselventil 13 vorgesehen werden. Bei dieser Anordnung
wirkt der Sorptionskreislauf wie ein Kompressor, welcher von der Temperaturdifferenz
zwischen T1 und T2 angetrieben wird. Die im Absorber 9 auf der Temperatur T2 ausgekoppelte
Wärme kann in einem nachgeschalteten Wärme-Kraft-Prozeß 16, 18, 19 verwendet werden.
Ebenso kann die im Kondensator 2 ausgekoppelte Wärme auf der Temperatur T'2 in einem
nachgeschalteten Kraft-Wärme-Kopplungsprozeß 15, 18, 19 genutzt werden, beispielsweise
zum Antrieb eines Generators 17. Dort fällt eine entsprechende Abwärmemenge Q2 an,
von der ein kleiner Teil z.B. auch genutzt werden kann, um am Verdampfer 6 als zusätzliche
Wärme Q3 eingekoppelt zu werden. Im Prinzip kann je nach den technischen Möglichkeiten
auch der Wärmeinhalt des ausgetriebenen Gases, dessen Exergie sonst teilweise verlorengehen
würde, rekuperiert werden. Mit einem (gestrichelt angedeuteten) Wärmetauscher 20,
in dem das Gas isobar abgekühlt wird, könnte Wärme entzogen und (wie ebenfalls gestrichelt
angedeutet) zur Vorwärmung der "armen" Lösung mitbenutzt werden.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Wellen-Energietauscher
22. In einem Heizer 21 wird eine Wärmemenge Q1 einem Gas zugeführt, das von einem
mittleren Temperaturniveau T5 auf das hohe Temperaturniveau T1 aufgeheizt wird.
Dieses auf T1 erhitzte Gas wird dem Wellen-Energietauscher 22 zugeführt. Der Wellen-Energietauscher
wirkt als Wärmetransformator, so daß die Temperatur
des treibenden
Gases von T1 auf T2 erniedrigt wird, während gleichzeitig ein getriebenes Gas, welches
dem Wellen-Energietauscher auf der anderen Seite zugeführt wird, von der niedrigen
Temperatur T3 ebenfalls auf die Temperatur T2 angehoben wird. Die gesamte nunmehr
auf der Temperatur T2 befindliche Gasmenge wird durch einen Wärmetauscher 23 geführt,
in welchem die Wärme ausgekoppelt und einem nachgeschalteten Wärme-Kraft-Prozeß
24, 25, 26 zugeführt wird.
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Hinter dem Wärmetauscher 23 wird der Gasstrom, der jetzt die Temperatur
T4 hat, aufgeteilt, wobei etwa ein Drittel des Stromes über einen Kompressor 27
unter Erhöhung seiner Temperatur auf T5 zurück zum Heizer 21 geführt wird, während
die anderen zwei Drittel unter Auskopplung von Kraft, beispielsweise in einer Turbine
28, expandiert werden. Dadurch erniedrigt sich die Temperatur soweit, daß in einem
Wärmetauscher 30 Umgebungswärme oder Niedertemperaturwärme auf der Temperatur T3
zugeführt werden kann. Anschließend wird dieser Zweig des Kreislaufs zu dem Niedertemperatureingang
des Wellen-Energieaustauschers 22 geführt. Die Turbine 28 kann einen Generator 29
antreiben und/oder zum Antrieb des Kompressors 27 dienen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
ist es wieder möglich, einen Teil der Abwärme Q2 aus dem Wärme-Kraft-Prozeß 24,
25, 26 als Wärmemenge Q3 dem Wärmetauscher 30 wieder zuzuführen.
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In Fig. 3 ist ein weiteres, besonders einfaches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. In einem Heizer 31 wird eine Wärmemenge Q1 einem Gas
zugeführt, dessen Temperatur sich von T6 auf den hohen Wert T1 erhöht. Dies auf
T1 erhitzte Gas wird einem Wellen-Energietauscher 32 zugeführt.
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Dieser wirkt als Wärmetransformator, so daß die Temperatur des treibenden
Gases von T1 auf T2 erniedrigt wird, während gleichzeitig ein getriebenes Gas, welches
dem Wellenenergietauscher 32 auf der anderen Seite zugeführt wird von der
niedrigen
Temperatur T3 ebenfalls auf die Temperatur T2 angehoben wird. Die gesamte sich nunmehr
auf der Temperatur T2 befindliche Gasmenge wird in zwei etwa gleich grosse Teilströme
geteilt. Ein Teilstrom wird einer Turbine 33 zugeführt, wo das Gas sich unter Abkühlung
auf T4 entspannt.
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Anschließend wird ihm durch den Wärmetauscher 35 die Wärmemenge Q2
entzogen. Dabei kühlt das Gas sich von T4 auf T5 ab. Es wird dann durch den Verdichter
38 komprimiert und dabei auf den im Heizer 31 herrschenden Druck gebracht, an dessen
Eintritt es die Temperatur T6 aufweist. Der andere Teilstrom gelangt mit der Temperatur
T2 in die Turbine 36, wobei das Gas sich auf die Temperatur T3 abkühlt, mit der
es dann wieder dem Wellen-Energietauscher 32 zugeleitet wird.
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Der Vorteil der Erfindung soll anhand von Fig. 1 noch mit einem Zahlenbeispiel
erläutert werden.
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Es seien: Die Temperatur T1 im Austreiber 1800 K die Temperatur T2
im Absorber 800 K die niedrige Temperatur T3 etwa 300 K.
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Von der im Austreiber zugeführten Wärmemenge Q1 werde 1/2 für die
Desorption und 1/2 zur Aufwärmung der Medien verwendet.
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Könnte die ganze Temperaturdifferenz zwischen 1800 K und 300 K genutzt
werden, so wäre der theoretische Wirkungsgrad 1800 - 300 = 0,833, d.h. es könnte
maximal 0,833x Q1 in mechanische Energie umgewandelt werden.
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Könnte - wie bisher allgemein - nur die Differenz zwischen 800 K und
300 K genutzt werden, so wäre der theoretische Wirkungsgrad 7 800 - 300 = 0,625,
d.h. es könnte maximal 0,625 x Q1 in mechanische Energie umgewandelt werden.
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Im vorgeschlagenen System geschieht nun folgendes: 1/2 Q1 geht in
die Temperaturerhöhung der Medien und kann nur nach Abkühlung auf 800 K genutzt
werden. Für diese Hälfte ergibt sich der theoretische Wirkungsgrad # 800 - 300 =
0,625.
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Auf diesem Wege werden daher maximal 0,312XQ1 in mechanische Energie
umgewandelt.
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Der andere Teil von Q1 kann jedoch besser genutzt werden: Diesen Teil
wandelt der Sorptionskreis mit einem theoretischen Wirkungsgrad von n 1800 - 800
= 0,555 in Kompressions-Energie um. Dadurch entstehen maximal 0,277xQ1 an mechanischer
Energie.
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Diese mechanische Energie wird nach dem Prinzip der Absorptionswärmepumpe
zum Anheben eines Mediums von T3 = 300 K auf T2 = 800 K benutzt. Der Wirkungsgrad
dieses Vorgangs ist 8O--300 = 1,6.
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I Es ergibt sich daher eine Wärmemenge von 0,444xQ1, die im Absorber
auf 800 K vorliegt. Dazu kommt noch die nicht umgewandelte Verlustwärme aus dem
Sorptionskreis von 0,222 X Q1 ebenfalls auf 800 K. Insgesamt liegt damit im Absorber
eine Wärmemenge von O,666XQ1 auf 800 K vor. Dies kann wieder mit r) 8CO - 300 =
0,625 ausgenutzt werden, d.h.
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es kann dort noch maximal O,416xQ1 in mechanische Energie umgewandelt
werden. Für diese Hälfte von Q1 wird somit tatsächlich X 1800 - 300 erreicht.
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Insgesamt entstehen in dem Prozeß maximal 0,416SQ1 + 0,312xQ1 = 0,728xQ1
an mechanischer Energie, d.h. der theoretische Wirkungsgrad ist # ges. 0,728.
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Dieser Wert kann sich je nach Aufteilung von Q1 in Temperaturerhöhung
der Medien und Desorption verschieben; er liegt jedoch immer zwischen 1800 - 300
und X 800 - 300.
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