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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Rankine-Cyclus-Kraftwerk, das mit einer
verbesserten organischen Arbeitsflüssigkeit bzw.
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-fluid betrieben wird.
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Rankine-Cyclus-Kraftwerke, die mit einer organischen Arbeitsflüssigkeit
bzw. -fluid betrieben werden, sind bereits bekannt. Ein solches Kraftwerk umfaßt
einen Dampfkessel (Boiler) zum Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit, eine Turbine,
die anspricht auf die durch den Dampfkessel (Boiler) gebildete verdampfte Arbeitsflüssigkeit,
zum Expandieren des Dampfes und zum Leisten von Arbeit, einen Generator, der mit
der Turbine gekoppelt ist, um die dadurch geleistete Arbeit in elektrische Energie
umzuwandeln, und einen Kondensator zum Kondensieren der von der Turbine ausgestoßenen
expandierten verdampften Arbeitsflüssigkeit und zur Bildung eines Kondensats, das
entweder mittels einer Pumpe oder unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Dampfkessel
(Boiler) zurückgeführt wird. Ein Kraftwerk dieses Typs, nachstehend als "Kraftwerk
des hier beschriebenen Typs" bezeichnet, ist im Handel erhältlich über die Firma
Ormat Turbines Ltd. und in der Patentliteratur, beispielsweise in US-PS 3 040 528,
beschrieben.
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Kraftwerke des hier beschriebenen Typs sind derzeit in der ganzen
Welt in Gebrauch zur Erzeugung von elektrischer Energie beispielsweise für Telekommunikations-Relais-Stationen
und andere Installationen, für die Energie im Bereich von 300 bis 3000 W erforderlich
ist und die Zuverlässigkeit (Betriebssicherheit) kritisch ist. Die Zuverlässigkeit
(Betriebssicherheit) eines Kraftwerks des hier beschriebenen Typs wird verbessert
durch Verwendung eines luftgekühlten Kondensators, durch Befestigen der Turbine
und des Generators auf einer gemeinsamen Welle (Turbogenerator) und hermetisches
Einschließen dieser Komponenten in einem
Gehäuse, durch Ableiten
eines kleinen Teils des Kondensats aus dem Kondensator in die Lager des Turbogenerators,
um einen Langzeit-Betrieb ohne Verschleiß zu erzielen, und durch Kontrollieren bzw.
Steuern der Spannung des Generators durch Ein/Ausschalten der Treibstoffzufuhr zu
dem Dampfkessel (Boiler).
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Üblicherweise handelt es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. dem
Arbeitsfluid um einen fluorierten Kohlenwasserstoff, wie z.B. Freon, Trichlorbenzol
und dgl., und die Turbinen-Betriebsbedingungen für Trichlorbenzol betragen etwa
1600C und Atmosphärenunterdruck, während der luftgekühlte Kondensator bei 700C und
einem Druck viel weiter unterhalb Atmosphärendruck arbeitet. Unter diesen Temperatur-
und Druckbedingungen sind konventionelle Arbeitsflüssigkeiten bzw. -fluids zeitstabil
in Gegenwart von Kupfer, rostfreiem Stahl, Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt,
Aluminium und Messing oder Metallen, die bei der Konstruktion des Kraftwerks des
hier beschriebenen Typs verwendet werden. Außerdem weisen diese konventionellen
Arbeitsflüssigkeiten thermodynamische Eigenschaften auf, welche die Verwendung der
Arbeitsflüssigkeiten mit Vorteil in einem Rankine-Cyclus-Kraftwerk des hier beschriebenen
Typs erlauben.
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Um Kraftwerke des hier beschriebenen Typs um eine Größenordnung oder
mehr zu vergrößern, um minderwertige Energiequellen, wie z.B. Abwärme, geothermische
Wärme und Sonnenwärme, ausnutzen zu können, muß eine größere Turbine, die bei höheren
Drucken und Temperaturen arbeitet, verwendet werden, wenn die Größe der Turbine
in vernünftigen Dimensionen gehalten werden soll. Konventionelle Arbeitsflüssigkeiten,
wie z.B. fluorierte Kohlenwasserstoffe, haben sich als zeitinstabil in Gegenwart
der üblichen Metalle erwiesen, wie sie in Kraftwerken zu finden sind, wenn die Betriebstemperatur
in dem Bereich von 300 bis 4000C liegt.
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Wenn die Kapazität der Kraftwerke des hier beschriebenen Typs zunimmt,
steigen darüber hinaus auch die Lagerbela-
stungen auf der Turbine
und es ist nicht immer praktisch, sowohl die Turbine als auch den Generator in Form
einer einzigen Einheit zu konstruieren, die in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse
untergebracht ist, wie dies üblicherweise bei Kraftwerken mit kleiner Kapazität
der Fall ist.
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Infolgedessen sollte normalerweise ein Kraftwerk des hier beschriebenen
Typs mit einer Leistung von 750 kW oder mehr (ein solches wäre in der Lage, Energie
aus beispielsweise Abwärme oder geothermischer Wärme zu erzeugen) eine Einstufen-Turbine
aufweisen, die in ihrem eigenen Gehäuse befestigt ist, wobei der Rotor in Lagern
zapfengelagert ist, die in einem Gehäuse montiert sind, und ein getrennt in einem
Gehäuse untergebrachter Generator sollte an die Leistungsabgabe-Welle der Turbine
angekoppelt sein. Dabei sind wirksame Dichtungen erforderlich, insbesondere wenn
das Turbinengehäuse unter Vakuum steht, welches das Eindringen von Umgebungswasserdampf
in das Gehäuse erlauben würde. Bei vielen Typen von konventionellen Arbeitsflüssigkeiten
bzw. -fluids reagiert Wasserdampf chemisch mit der Arbeitsflüssigkeit bzw. -fluid
in dem angewendeten Temperaturbereich und es entstehen Bestandteile, die korrosiv
sind gegenüber den verschiedenen Metallen, die zum Aufbau des Kraftwerks verwendet
werden. Daraus resultieren erhöhte Wartungs- und Betriebskosten.
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Ein weiterer Nachteil vieler konventioneller Arbeitsflüssigkeiten
bzw. -fluids ist ihr relativ hoher Gefrierpunkt.
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So beträgt beispielsweise der Gefrierpunkt von handelsüblichem Trichlorbenzol
etwa iOOC, so daß das Kraftwerk an vielen Stellen der Welt nicht "kaltstarten" könnte.
Obgleich Möglichkeiten bekannt sind, Gemische von verschiedenen Arbeitsflüssigkeiten
zu verwenden, um den Gefrierpunkt der Kombination herabzudrücken, ist dieses Verfahren,
die Probleme zu lösen, die bei der Verwendung von Kraftwerken des hier beschriebenen
Typs in kalten Regionen auftreten, nicht immer zufriedenstellend.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue und verbesserte
organische Arbeitsflüssigkeit bzw. Arbeitsfluid zu finden, die (das) für ein Kraftwerk
des hier beschriebenen Typs geeignet ist, die stabiler ist und bessere Ergebnisse
liefert.
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Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. dem
Arbeitsfluid (nachstehend der Einfachheit halber stets als "Arbeitsflüssigkeit"
bezeichnet) um eine Verbindung, die ausgewählt wird aus der Gruppe der bicyclischen
aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe,
der heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten heterocyclischen
aromatischen Kohlenwasserstoffe, der bicyclischen oder heterobicyclischen Verbindungen,
bei denen ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht-aromatisch
ist, und ihren Mischungen.
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Die Verbindungen dieser Gruppe sind innerhalb des interessierenden
Temperaturbereiches an sich stabil und weisen gute thermodynamische Eigenschaften
auf. Das Molekulargewicht dieser Verbindungen ist geringer als das Molekulargewicht
vieler konventioneller Arbeitsflüssigkeiten und dies führt zu einer niedrigeren
Mach-Zahl am Turbinenausgang, wodurch der Wirkungsgrad (die Leistung) der Turbine
erhöht wird.
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Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft für Kraftwerke
des hier beschriebenen Typs, bei denen die Wärme zum Betrieb derselben aus dem Solarerhitzen
der Arbeitsflüssigkeit stammt. Die Arbeitsflüssigkeit zirkuliert in einem primären
Sonnenkolektor. Ein Teil derselben wird durch Entpsannen verdampft, wobei man einen
Hochdruck- und Hochtemperatur-Dampf für die Turbine des Kraftwerks im Bereich von
300 bis 4000C und 3 bis 6 Atmosphären erhält. Das durch den Kondensator gebildete
kühle Kondensat wird in einem sekundären Sonnenkollektor vorerwärmt, bevor es in
den Sumpf der Entspannungsverdampfungskammer zurückgeführt wird, aus der die Flüssigkeit
mittels einer Pumpe in den primären
Sonnenkollektor zurückgeführt
wird.
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Die zu dieser Gruppe gehörenden Flüssigkeiten sind bekanntlich unter
Strahlungsbedingungen innerhalb von Kernkraftwerken stabil und daher als Kühlflüssigkeiten
in Kernreaktoren geeignet, die bei Temperaturen unter 4000C arbeiten.
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Die gleichen Flüssigkeiten können in Kernkraftwerken als Kühlflüssigkeiten
und/oder Arbeitsflüssigkeiten für die Turbinen verwendet werden. Auf diese Weisebrauchenkeine
sehr teuren Wärmeaustauscher mehr verwendet zu werden.
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Der Vorteil besteht darin, daß das Kraftwerk dann bei einem verhältnismäßig
niedrigen Dampfdruck von etwa 3 bis 7 Atmosphären arbeitet. Bei konventionellen
Kernreaktoren kann der Betriebsdruck über 100 Atmosphären betragen.
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Erfindungsgemäß lassen sich somit die Herstellungs- und Investitionskosten
und die Kosten für Sicherheitseinrichtungen herabsetzen. Bei Kraftwerken, die oberhalb
1500C arbeiten, ist es normale Praxis, Wasser als Arbeitsflüssigkeit zu verwenden,
und der erzielte Druck kann 100 Atmosphären übersteigen. Außerdem ist bei Verwendung
von Wasser als Arbeitsflüssigkeit eine starke Überhitzung mittels Wärmeaustauschern
erforderlich. Niederdruck-Kernreaktoren, die mit organischen Flüssigkeiten gekühlt
werden, wurden früher betrieben, jedoch mit einer Flüssigkeit, die zum Antreiben
einer Turbine ungeeignet ist. Der Vorteil der erfindungsgemäß verwendeten Flüssigkeiten
besteht darin, daß sie als Arbeitsflüssigkeit bzw. Arbeitsfluid zum Betreiben eines
Kraftwerkes verwendet werden können, daß teure Hochdruckeinrichtungen vermieden
werden können, daß ein Dampfkessel (Boiler) und Uberhitzungs-Wärmeaustauscher und
die Notwendigkeit einer korrosiven Konditionierung vermieden werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein
binäres Rankine-Cyclus-Kraftwerk, bei dem der Kondensator der Hochtemperatur- und
Hochdruck-Turbine durch eine andere Arbeitsflüssigkeit gekühlt wird, die dadurch
verdampft wird und einer Niedertemperatur-Niederdruck-
Turbine
zugeführt wird. Bei der anderen Arbeitsflüssigkeit kann es sich um einen aliphatischen
Kohlenwasserstoff, wie z.B. eines der Heptane handeln, oder es kann Wasser sein.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Kraftwerks des hier beschriebenen Typs, in dem die
vorliegende Erfindung angewendet wird; Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Modifizierung
des Blockdiagramms gemäß Fig. 1; Fig. 3 einen Teil eines Temperatur-Entropie-Diagramms
für Tetralin, bei dem es sich um eine bicyclische Verbindung handelt, bei der ein
Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht-aromatisch ist; Fig.
4 eine Tabelle, in der die Enthalpie, der Druck und das Volumen von Tetralin in
den im Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellten verschiedenen Zuständen aufgezählt sind;
und Fig. 5 eine Tabelle, in der der Dampfdruck einiger der erfindungsgemäßen Verbindungen
mit demjenigen von Wasser verglichen wird.
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In der Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 eine erste Ausführungsform
eines Kraftwerks des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Typs. Das Kraftwerk 10
liegt in Form eines binären Rankine-Cyclus-Kraftwerks vor, das einen Hochdruckabschnitt
13 und einen Niederdruckabschnitt 48 umfaßt, in denen jeweils verschiedene Arbeitsflüssigkeiten
verwendet werden. Die Wärmequelle für dieses Kraftwerk besteht aus einem Paar Sonnenkollektoren,
von denen der primäre Sonnenkollektor durch die Bezugsziffer 12 und der sekundäre
Sonnen-
kollektor durch die Bezugsziffer 14 bezeichnet werden.
Die Kollektoren 12 und 14 sind konventioneller Natur und dienen dazu, die Fokus-Sonnenenergie
in einer Reihe von die Arbeitsflüssigkeit enthaltenden Rohren zu sammeln. Die durch
den Sonnenkollektor 12 erzeugte erhitzte Arbeitsflüssigkeit wird durch eine Rohrleitung
in die Entspannungsverdampfungskammer 16 geleitet über ein Steuerventil 40 und danach
über ein Drosselventil 18, das einen Druckabfall erzeugt, der bewirkt, daß die erhitzte
Arbeitsflüssigkeit innerhalb der Entspannungsverdampfungskammer 16 in Dampf übergeht.
Der Teil der Flüssigkeit, der nicht in Dampf überführt wird, sammelt sich am Boden
der Entspannungsverdampfungskammer 16 im Sumpf 20.
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Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit gelangt durch die Einlaßleitung
22 in die Düsen (nicht dargestellt) der Hochtemperaturturbine 24, in der eine Expansion
auftritt, die bewirkt, daß die Turbine durch Drehen der Welle 26 Arbeit leistet.
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Der an die Welle 26 angekoppelte Generator 28 wandelt die von der
Turbine 24 geleistete Arbeit in elektrische Energie um.
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Die aus der Turbine 24 ausgestoßene gekühlte und expandierte Arbeitsflüssigkeit
wird durch die Auslaßleitung 30 in den geschlossenen Gegenstrom-Wärmeerhitzer 32
transportiert. Eine zweite Arbeitsflüssigkeit wird ebenfalls dem Wärmeaustauscher
32 zugeführt zum Kühlen der verdampften ersten Arbeitsflüssigkeit. Als Folge davon
sammelt sich das Kondensat der ersten Arbeitsflüssigkeit in der Leitung 34 und wird
mittels der Pumpe 36 zum sekundären Sonnenkollektor 14 transportiert, in dem das
gekühlte Kondensat durch Sonnenenergie wieder auf eine Temperatur in der Nähe der
Temperatur der Flüssigkeit im Sumpf 20 der Entspannungsverdampfungskammer 16 erhitzt
wird, und das erhitzte Kondensat wird wieder in den Sumpf 20 zurückgeführt. Die
Pumpe 38 führt die Flüssigkeit in dem Sumpf 22 zurück in den primären Sonnenkollektor
12, so daß der Arbeitsflüssigkeits-Cyclus sich wiederholen kann.
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Das Ventil 40 in der den primären Sonnenkollektor 12 mit der Entspannungsverdampfungskammer
16 verbindenden Leitung ist normalerweise in einer Position, welche die Überführung
der heißen Arbeitsflüssigkeit in die Entspannungsverdampfungs kammer bewirkt und
das Ausfließen in die Leitung 42, die mit der Auslaß-Rohrverzweigung 30 der Turbine
24 in Verbindung steht, blockiert. In entsprechender Weise ist das Ventil 44 am
Auslaß in den sekundären Kollektor 14 normalerweise ebenfalls in einer Position,
die den Eintritt des erhitzen Kondensats in den Sumpf 20 erlaubt, anstatt durch
die Leitung 46 direkt der Input -Seite der Pumpe 38 zugeführt zu werden.
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Der Niedertemperatur-Niederdruck-Abschnitt 48 des Kraftwerks wird
gebildet durch eine Seite eines Wärmeaustauschers 32, innerhalb dessen die Niedertemperatur-Arbeitsflüssigkeit
zirkuliert, um die in dem Abschnitt 13 des binären Kraftwerks enthaltene Hochtemperatur-Arbeitsflüssigkeit
zu kondensieren. Der Wärmeaustauscher 32 wandelt somit die Arbeitsflüssigkeit im
Abschnitt 48 des Kraftwerks in einen Dampf um, der auf die Niedertemperatur-Turbine
50 aufgegeben wird, die vorzugsweise ebenfalls an die Welle 26 angekoppelt ist,
welche die Entnahme von Arbeit durch die Tubine 50 aus der zweiten Arbeitsflüssigkeit
für die Umwandlung in elektrische Energie durch den Generator 28 erlaubt.
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Die im Dampfzustand vorliegende gekühlte Arbeitsflüssigkeit wird durch
die Leitung 52 aus der Turbine 50 abgezogen und in den Kondensator 54 eingeführt,
in dem die abgezogene verdampfte Flüssigkeit kondensiert wird. Das durch den Kondensator
54 gebildete resultierende Kondensat wird über die Pumpe 56 dem Wärmeaustauscher
32 zugeführt zur Vervollständigung des Cyclus der Arbeitsflüssigkeit.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Arbeitsflüssigkeit
im Abschnitt 13 des Kraftwerks Tetralin, das eine bicyclische Verbindung ist, in
der ein Ring aromatisch ist und der andere Kondensatring nicht-aromatisch ist.
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Tetralin (das chemisch Tetrahydronaphthalin darstellt) hat einen Gefrierpunkt
von -350C und eignet sich für viele Kalt-Wetter-Anwendungs zwecke.
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Das in dem Sonnenkollektor 12 enthaltene flüssige Tetralin wird in
der Regel durch den Kollektor auf etwa 3020C erhitzt und auf einen Druck von etwa
5,8 bar gebracht. Die Entspannungsverdampfungskammer 16 weist in der Regel einen
Druck von etwa 5 bar auf, so daß eine Flüssigkeit im Sumpf von etwa 2970C entsteht.
Der in die Hochtemperatur-Turbine 24 eintretende Tetralindampf hat eine Temperatur
von etwa 2900C bei einem Druck von etwa 5 bar. Das verdampfte Tetralin expandiert
sich in der Turbine 24 und entspannt sich bis auf einen Druck in der Regel von etwa
0,2 bar. Die Kondensation des aus der Turbine 24 abgezogenen Tetralins erfolgt in
dem Wärmeaustauscher 32, in dem das Kondensat eine Temperatur von etwa 1500C und
einen Druck von etwa 0,2 bar hat. Die Pumpe 36 pumpt das Kondensat in den Kollektor
13, der das Kondensat auf eine Temperatur von etwa 2970C erhitzt und das erhitzte
Kondensat wieder in den Sumpf 20 zurückführt.
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Der Abschnitt 48 des binären Kraftwerks enthält n-Heptan als Arbeitsflüssigkeit.
Beim Betrieb des Wärmeaustauschers 32 verdampft das Heptan und es wird verdampftes
Heptan von etwa 1400C und einem Druck von 3 bar in den Einlaß der Niedertemperatur-Turbine
50 eingeführt, in der das Heptan sich expandiert bis auf einen Druck von etwa 0,12
bar und eine Temperatur von etwa 400C. Es ist ein luftgekühlter Kondensator als
Kondensator 32 vorgesehen und der Cyclus wiederholt sich. Wenn die Strömungsrate
des Tetralins in dem primären Cyclus 13 etwa 5 kg/s beträgt, beträgt die durch die
Turbinen 24 und 50 erzeugte Geantenergie etwa 735 kW. Die erforderliche Pumpenergie
ist so groß, daß die durch das Kraftwerk erzeugte Nettoenergie etwa 715 kW beträgt.
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Durch die Verwendung einer Entspannungsverdampfungskammer 16 bleibt
die gesamte Arbeitsflüssigkeit in dem Sonnenkollektor
12 in einem
flüssigen Zustand, so daß der Kollektor höchst wirkungsvoll arbeiten kann. Der Druckabfall
in der Kammer 16 als Folge des Drosselventils 18 beträgt nur etwa 0,5 bar, und diese
Anordnung ergibt eine wirksame Ausnutzung eines Sonnenkollektors.
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Die Ventile 40 und 44 funktionieren als Bypass-Ventile, die für den
Fall betätigt werden, daß der Sonnenenergie-Input in die Kollektoren 12 und 14 nicht
ausreicht, um den Abschnitt 13 des Kraftwerks in geeigneter Weise zu betreiben.
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Wenn die Umgebungsbedingungen dies erlauben, werden die Ventile 40
und 44 so betätigt, daß die Entspannungsverdampfungskammer 16 und die Turbine 24
umgangen werden. In einem solchen Falle wird die primäre Arbeitsflüssigkeit nacheinander
zirkuliert sowohl durch die Sonnenkollektoren 12 und 14 als auch in den Wärmeaustauscher
32, so daß der Niedertemperatur-Abschnitt 48 des Kraftwerks seinen Betrieb fortsetzen
kann.
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Die bevorzugte Arbeitsflüssigkeit für die Hochdruck-und Hochtemperatur-Stufe
13 des Kraftwerks ist Tetralin, dessen T-S-Diagramm in der Fig. 3 dargestellt ist.
Der Zustand A tritt am Input in den Sonnenkollektor 14 auf, hier beträgt die Entropie
des Tetralins etwa 1,76 KJ/KG/°K. In den Sonnenkollektoren 12 und 14 steigt die
Temperatur von etwa 1490C auf etwa 3000C an und der Zustand ändert sich und geht
in den Zustand B über. Durch die Expansion in der Entspannungsverdampfungskammer
16 tritt ein Ubergang von dem Zustand B in den Zustand C auf und durch die Expansion
durch die Turbine 24 entsteht ein Übergang von dem Zustand C in den Zustand D.
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Das T-S-Diagramm für Tetralin hat eine negative Neigung entlang der
Sättigungsdampflinie, so daß die Expansion der Arbeitsflüssigkeit in der Turbine
24 in dem überhitzten Bereich auftritt. Auf diese Weise sind die Turbinenschaufeln
keinen Tröpfchen von kondensierter Arbeitsflüssigkeit ausgesetzt. In der Fig. 4
sind die angegebenen physi-
kalischen Eigenschaften von Tetralin
in den in Fig. 3 gezeigten verschiedenen Zuständen zusammengefaßt.
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Ein Stabilitätstest mit Tetralin bei Temperaturen von mehr als 3000C
in Gegenwart von Metallen, wie sie üblicherweise in Kraftwerken auftreten, wie z.B.
Aluminium, Messing, Stahl und rostfreiem Stahl, sowie Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt,
hat gezeigt, daß die Arbeitsflüssigkeit bei dieser Temperatur keinen Einfluß auf
diese Metalle hat und daß sie keinen Einfluß auf die Arbeitsflüssigkeit haben. Eine
Zersetzung von Tetralin konnte bei diesen Temperaturen während des Tests nicht nachgewiesen
werden. Bei einer Temperatur von etwa 4000C war die Zersetzungsrate von Tetralin
gering.
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Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Arbeitsflüssigkeit um eine
Verbindung, die ausgewählt wird aus der Gruppe der bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe,
der substituierten bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der heterobicyclischen
aromatischen Kohlenwasserstoffe, der bicyclischen oder heterobicyclischen Verbindungen,
bei denen ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht-aromatisch
ist, und ihren Mischungen. Diese Gruppe wird nachstehend manchmal als "erfindungsgemäße
Arbeitsflüssigkeiten" bezeichnet. Ein Beispiel für einen geeigneten bicyclischen
Kohlenwasserstoff ist Naphthalin mit einem Gefrierpunkt von 80,50C und 1-Methyl-naphthalin
mit einem Gefrierpunkt von -220C sowie 2-Methyl-naphthalin mit einem Gefrierpunkt
von 350C. Ein Beispiel für einen substituierten heterocyclischen aromatischen Kohlenwasserstoff
ist Chinolin mit einem Gefrierpunkt von -5O0C und Benzothiophen.
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Tetralin ist eine bicyclische Verbindung, bei der ein Ring aromatisch
ist und der andere kondensierte Ring nicht-aromatisch ist.
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Erfindungsgemäß kann auch eine Mischung von Flüssigkeiten verwendet
werden, wobei die Gesamtmischung einen Gefrierpunkt hat, der niedriger ist als der
Gefrierpunkt der
Verbindung der Mischung mit dem höchsten Gefrierpunkt.
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Die Verbindungen der vorstehend angegebenen Gruppe weisen eine hohe
Stabilität in Gegenwart von Aluminium, Messing, Stahl, rostfreiem Stahl und Kohlenstoffstahl
minderer Qualität bis zu 400au auf. Ihr hoher Rankine-Cyclus-Wirkungsgrad bei einer
gegebenen Temperatur und ihr verhältnismäßig niedriger Schmelzpunkt erlauben ihre
Verwendung unter nahezu Umgebungsbedingungen, wenn der Kondensator luftgekühlt ist.
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Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden durch Zugabe von Verbindungen
mit einem niedrigen Molekulargewicht, wie z.B. Methanol, um die Mach-Zahl am Turbinenausgang
herabzusetzen. Durch Zugabe von etwa 0,6 Gew.-% Methanol zu Chinolin arbeitet der
Dampfkessel (Boiler) bei 2400C und die Mach-Zahl der Mischung wird von 3,6 auf 2,9
herabgesetzt, wenn die Kondensatortemperatur 500C beträgt.
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Die Zugabe von Methanol zu Chinolin setzt das durchschnittliche Molekulargewicht
herab, wodurch eine Verbesserung der Mach-Zahl erzielt wird. Die Zusammensetzung
des Dampfes beträgt etwa 20 Gew.-% Methanol und etwa 80 Gew.-% Chinolin.
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Der thermodynamische Wirkungsgrad des Cyclus kann durch Verwendung
von Mischungen verbessert werden. So hat beispielsweise beim Kombinieren von Chinolin,
das eine Flüssigkeit vom "trockenen" Typ ist, dessen Sättigungsdampflinie in dem
T-S-Diagramm eine negative Krümmung hat, mit Methanol, bei dem es sich um eine Flüssigkeit
vom nassen" Typ handelt mit einem ähnlichen T-S-Diagramm wie Wasser, die resultierende
Mischung ein T-S-Diagramm, in dem die Sättigungsdampflinie fast senkrecht zur Entropieachse
verläuft.
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Eine gesättigte Mischung von Methanol und Tetralin setzt den Schmelzpunkt
von etwa -350C auf weniger als -450C herab und ist für viele arktische Bedingungen
geeignet.
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Mischungen von erfindungsgemäßen Arbeitsflüssigkeiten erlauben die
Auswahl von noch tieferen Gefrierpunkten und
dazwischen liegenden
thermodynamischen Eigenschaften. So hat beispielsweise eine Mischung von 75 % Tetralin
und 25 % Methylnaphthalin einen Gefrierpunkt von -700C; Tetralin allein hat einen
Gefrierpunkt von -350C; und Methylnaphthalin allein hat einen Gefrierpunkt von -100C.
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Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß
die aus der oben angegebenen Gruppe ausgewählte Verbindung zusammen mit kontinuierlichen
Wärmequellen, wie z.B. Kernreaktoren und Abwärme in Form von Schornsteingasen oder
einer Abgasturbine und Dieselmotoren verwendet werden kann. Wenn die Wärmequelle
ein Kernreaktor ist, kann Naphthalin, das einen verhältnismäßig hohen Gefrierpunkt
hat, mit Vorteil verwendet werden, weil ein "Kaltstarten" nicht erforderlich ist.
Gesättigter Naphthalindampf von 3000C hat einen Druck von etwa 5 bar; und diese
Bedingungen eliminieren die Notwendigkeit der Verwendung einer speziellen Rohrleitung,
die gegen hohe Drucke beständig ist, sowie die Notwendigkeit der Herstellung von
schweren und kostspieligen Behältergebäuden, die in der Regel im Zusammenhang mit
Kernreaktor-Kraftwerken erforderlich sind.
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Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung erläutert
ein Niederdruck-Kernreaktor-Kraftwerk, in dem Naphthalin als Arbeitsflüssigkeit
verwendet wird.
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Das Kraftwerk 16 ist ein binäres Cyclus-Kraftwerk mit einem Hochdruckabschnitt
61 und einem Niederdruckabschnitt 70.
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Bei der Wärmequelle 62 in dem Hochdruckabschnitt 61 handelt es sich
um einen Kernreaktor, der Naphthalindampf bei der oben angegebenen Temperatur und
dem oben angegebenen Druck liefert. Verdampftes Naphthalin wird auf die Hochtemperatur-Turbine
64 aufgegeben und das Naphthalin expandiert in der Turbine, wobei es bewirkt, daß
letztere Arbeit leistet, die durch den Generator 66 in elektrische Energie umgewandelt
wird. Die aus der Turbine 64 ausgestoßenen Naphthalindämpfe werden in den Gegenstrom-Wärmeaustauscher
67 eingeführt, in dem der Naphthalindampf kondensiert.
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Das Kondensat wird mittels der Pumpe 68 auf die Wärmequelle
62
aufgegeben und der Cyclus wiederholt sich. Der Wärmeaustauscher wird in der Regel
bei etwa 1500C betrieben, wobei sein Dampfdruck etwa 0,16 bar beträgt. Es sind keine
Hochdruck-Leitungen für die Arbeitsflüssigkeit erforderlich und weil niedrige Drucke
auftreten, ist kein spezielles Gehäuse für die Kernreaktor-Wärmequelle erforderlich.
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Xn 4ß Wäaustauscr 67 wird eine andere Arbeitsflüssigkeit, wie z.B.
Wasser, in der Niederdruck-Schleife 70 des in Fig. 2 dargestellten Kraftwerks erhitzt.
Wenn es sich bei der Arbeitsflüssigkeit in dem Abschnitt 70 des Kraftwerks um Wasser
handelt, bildet der Wärmeaustauscher 66 Wasserdampf von etwa 400C und einem Druck
von etwa 3,6 bar. Dieser Wasserdampf wird auf die Niedertemperatur-Turbine 72 aufgegeben,
in welcher der Wasserdampf expandiert, so daß die Turbine Arbeit leistet, die durch
den Generator 66 auf die weiter oben angegebene Weise in elektrische Energie umgewandelt
wird. Der aus der Niedertemperatur-Turbine 72 ausgestoßene Wasserdampf hat einen
Druck von etwa 0,07 bar und der Kondensator 74 kondensiert diesen Wasserdampf zu
flüssigem Wasser.-In diesem Falle kann ein flüssigkeitsgekühlter Kondensator verwendet
werden und das Kondensat tritt mit etwa 400C aus dem Kondensator aus.
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Durch die Pumpe 76 wird das Kondensat in den Wärmeaustauscher 66 zurückgeführt
und der Cyclus wiederholt sich.
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Der Vorteil, der durch Verwendung der vorstehend angegebenen Verbindungen
in einem Kraftwerk erzielt wird, in dem die Wärmequelle ein Kernreaktor ist, kann
ganz einfach dargestellt werden durch Vergleich des Dampfdruckes verschiedener Flüssigkeiten
bei zwei geeigneten Betriebstemperaturen. Wie aus der Tabelle der Fig. 5 ersichtlich,
auf die nun Bezug genommen wird, ist der Dampfdruck von Wasser um ein Vielfaches
höher als der Dampfdruck sowohl von Tetralin als auch von Naphthalin als auch von
1-Methylnaphthalin. Diese Verbindungen sind daher in idealer Weise geeignet für
ein Kraftwerk, bei dem die Wärmequelle ein Kernreaktor ist.
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Die erfindungsgemäßen Arbeitsflüssigkeiten sind insbesondere geeignet
für Kraftwerke auf Basis von Kernreaktor-Wärmequellen, weil diese Flüssigkeiten
in einem Reaktor mehrere Funktionen erfüllen können. Außer daß sie die Arbeitsflüssigkeit
für das Kraftwerk darstellen, können die erfindungsgemäßen Arbeitsflüssigkeiten
auch als Reaktormoderator-flüssigkeit und -kühlflüssigkeit dienen. Dadurch wird
die Notwendigkeit der Verwendung von Wärmeaustauschern eliminiert und die Probleme,
die mit einer Leckage zusammenhängen, die bei Wärmeaustauschern von großer Bedeutung
ist, werden minimal gehalten.
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Die Vorteile und verbesserten Ergebnisse, die mit den erfindungsgemäßen
Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden, gehen aus der
vorstehenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
hervor. Es ist jedoch selbstverständlich, daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert
und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung
verlassen wird.
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Fig. 4 Physikalische Eigenschaften von Tetralin Zustand Enthalpie
Druck Dichte (KJ/kg/°K) (bar) (m3/kg) A 364 0,20 0,00122 B 696 5,15 0,00145 C 964
5,15 0,065 D 712 0,20 1,282 Viskosität bei -200C #4,3 cP Dampfdruck bei 3700C N15,5
bar Wärmeleitfähigkeit bei 37°C #0,11 BTU/h/Ft. °F bei 300°C #0,065 " Fig. 5 Flüssigkeit
Dampfdruck (bar) bei 300°C 3000C 3740C Wasser 85 220 Tetralin 5,8 16 Naphthalin
4,9 13,6 1-Methyl-naphthalin 3 9