DE3420293C2 - Rankine-Cyclus-Kraftwerk mit einem verbesserten organischen Arbeitsfluid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk, das nach dem Rankine-Cyclus arbeitet nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Rankine-Cyclus-Kraftwerke sind bereits bekannt und beispielsweise in der US-PS 3 40 528 oder der US-PS 3 516 248 beschrieben.

Für den Betrieb der Kraftwerke werden organische Verbindungen als Arbeitsflüssigkeiten eingesetzt. Geeignete Arbeitsflüssigkeiten werden u. a. in den US- PSen 3,516,248 und 3,234,734 sowie in der DE-OS 33 23 108 oder in "Brennstoff-Wärme-Kraft" 33 (1981), S. 49 ff angegeben.

Kraftwerke dieser Art sind in der ganzen Welt in Gebrauch zur Erzeugung von elektrischer Ener­ gie 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 beschrie­ benen Typs wird verbessert durch Verwendung eines luftge­ kühlten 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 Genera­ tors durch Ein/Ausschalten der Treibstoffzufuhr zu dem Dampfkessel (Boiler).

Üblicherweise handelt es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. dem Arbeitsfluid um einen fluorierten Kohlenwasser­ stoff, wie z. B. Freon, Trichlorbenzol und dgl., und die Turbinen-Betriebsbedingungen für Trichlorbenzol betragen etwa 160°C und Atmosphärenunterdruck, während der luftge­ kühlte Kondensator bei 70°C und einem Druck viel weiter unterhalb Atmosphärendruck arbeitet. Unter diesen Tempera­ tur- und Druckbedingungen sind konventionelle Arbeits­ flüssigkeiten bzw. -fluids zeitstabil in Gegenwart von Kupfer, rostfreiem Stahl, Stahl mit niedrigem Kohlenstoff­ gehalt, 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.

Um Kraftwerke um eine Größen­ ordnung oder mehr zu vergrößern, um minderwertige Energie­ quellen, wie z. B. Abwärme, geothermische Wärme und Sonnen­ wärme, ausnutzen zu können, muß eine größere Turbine, die bei höheren Drucken und Temperaturen arbeitet, verwendet werden, wenn die Größe der Turbine in vernünftigen Dimen­ sionen gehalten werden soll. Konventionelle Arbeitsflüssig­ keiten, wie z. B. fluorierte Kohlenwasserstoffe, haben sich als zeitinstabil in Gegenwart der üblichen Metalle erwie­ sen, wie sie in Kraftwerken zu finden sind, wenn die Be­ triebstemperatur in dem Bereich von 300 bis 400°C liegt. 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 üblicher­ weise bei Kraftwerken mit kleiner Kapazität der Fall ist.

Infolgedessen sollte normalerweise ein Kraftwerk mit einer Leistung von 750 kW oder mehr (ein solches wäre in der Lage, Energie aus beispielsweise Abwärme oder geothermischer Wärme zu erzeugen) eine Ein­ stufen-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 Ein­ dringen von Umgebungswasserdampf in das Gehäuse erlauben würde. Bei vielen Typen von konventionellen Arbeitsflüssig­ keiten bzw. -fluids reagiert Wasserdampf chemisch mit der Arbeitsflüssigkeit bzw. -fluid in dem angewendeten Tempera­ turbereich und es entstehen Bestandteile, die korrosiv sind gegenüber den verschiedenen Metallen, die zum Aufbau des Kraftwerks verwendet werden. Daraus resultieren erhöhte Wartungs- und Betriebskosten.

Ein weiterer Nachteil vieler konventioneller Arbeitsflüs­ sigkeiten bzw. -fluids ist ihr relativ hoher Gefrierpunkt. So beträgt beispielsweise der Gefrierpunkt von handelsübli­ chem Trichlorbenzol etwa 10°C, so daß das Kraftwerk an vielen Stellen der Welt nicht "kaltstarten" könnte. Ob­ gleich Möglichkeiten bekannt sind, Gemische von verschie­ denen Arbeitsflüssigkeiten zu verwenden, um den Gefrier­ punkt der Kombination herabzudrücken, ist dieses Verfah­ ren, die Probleme zu lösen, die bei der Verwendung von Kraftwerken des hier beschriebenen Typs in kalten Regi­ onen auftreten, nicht immer zufriedenstellend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Arbeits­ weise der bekannten Rankine-Cyclus-Kraftwerke unter Einsatz geeigneter Arbeitsflüssigkeiten zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem der Dampfkessel derart betrieben wird, daß die organische Flüssigkeit im wesentlichen bei konstantem Druck und einer 400°C nicht überschreitenden Temperatur verdampft, nur verdampfte Arbeitsflüssigkeit auf die Turbine angewendet wird und als Arbeitsflüssigkeit Verbindungen ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus bicyclischen Kohlenwasserstoffen, substituierten bicyclischen Kohlenwasserstoffen, heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, substituierten heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, bicyclischen Verbindungen, in denen ein Ring aromatisch ist und der andere nicht kondensierte Ring nicht aromatisch ist, oder Mischungen davon verwendet werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-12. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftwerk gemäß Anspruch 13.

Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Arbeitsflüssigkeit um eine Verbin­ dung, die ausgewählt wird aus der Gruppe der bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten bicyc­ lischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der heterobicyc­ lischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten heterocyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der bi­ cyclischen oder heterobicyclischen Verbindungen, bei denen ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht-aromatisch ist, und ihren Mischungen.

Die Verbindungen dieser Gruppe sind innerhalb des interes­ sierenden 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.

Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft für Kraftwerke bei denen die Wärme zum Betrieb derselben aus dem Solarerhitzen der Arbeits­ flüssigkeit stammt. Die Arbeitsflüssigkeit zirkuliert in ei­ nem primären Sonnenkolektor. Ein Teil derselben wird durch Entspannen verdampft, wobei man einen Hochdruck- und Hoch­ temperatur-Dampf für die Turbine des Kraftwerks im Bereich von 300 bis 400°C 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.

Die zu dieser Gruppe gehörenden Flüssigkeiten sind bekannt­ lich unter Strahlungsbedingungen innerhalb von Kernkraft­ werken stabil und daher als Kühlflüssigkeiten in Kernreak­ toren geeignet, die bei Temperaturen unter 400°C arbeiten. Die gleichen Flüssigkeiten können in Kernkraftwerken als Kühlflüssigkeiten und/oder Arbeitsflüssigkeiten für die Turbinen verwendet werden. Auf diese Weise brauchen keine sehr teuren Wärmeaustauscher mehr verwendet zu werden. 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. Erfindungsgemäß lassen sich somit die Herstellungs- und Investitionskosten und die Kosten für Sicherheitseinrich­ tungen herabsetzen. Bei Kraftwerken, die oberhalb 150°C arbeiten, ist es normale Praxis, Wasser als Arbeitsflüs­ sigkeit 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-Kern­ reaktoren, die mit organischen Flüssigkeiten gekühlt wer­ den, wurden früher betrieben, jedoch mit einer Flüssigkeit, die zum Antreiben einer Turbine ungeeignet ist. Der Vor­ teil 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 Überhitzungs-Wärmeaustau­ scher und die Notwendigkeit einer korrosiven Konditionie­ rung vermieden werden können.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Er­ findung 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.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungs­ formen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Kraftwerks des hier be­ schriebenen Typs, in dem die vorliegende Erfindung angewendet wird;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Modifizierung des Blockdi­ agramms gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Teil eines Temperatur-Entropie-Diagramms für Tetralin, bei dem es sich um eine bicyclische Ver­ bindung 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 auf­ gezählt sind; und

Fig. 5 eine Tabelle, in der der Dampfdruck einiger der erfindungsgemäßen Verbindungen mit demjenigen von Wasser verglichen wird.

In der Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 eine erste Aus­ führungsform eines Kraftwerks des hier beschriebenen erfin­ dungsgemäßen Typs. Das Kraftwerk 10 liegt in Form eines binären Rankine-Cyclus-Kraftwerks vor, das einen Hochdruck­ abschnitt 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 Sonnen­ kollektor 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 Arbeits­ flüssigkeit enthaltenden Rohren zu sammeln. Die durch den Sonnenkollektor 12 erzeugte erhitzte Arbeitsflüssigkeit wird durch eine Rohrleitung in die Entspannungsverdampfungskam­ mer 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.

Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit gelangt durch die Einlaß­ leitung 22 in die Düsen (nicht dargestellt) der Hochtempera­ turturbine 24, in der eine Expansion auftritt, die bewirkt, daß die Turbine durch Drehen der Welle 26 Arbeit leistet. Der an die Welle 26 angekoppelte Generator 28 wandelt die von der Turbine 24 geleistete Arbeit in elektrische Energie um.

Die aus der Turbine 24 ausgestoßene gekühlte und expandier­ te Arbeitsflüssigkeit wird durch die Auslaßleitung 30 in den geschlossenen Gegenstrom-Wärmeerhitzer 32 transpor­ tiert. 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 Sonnenkollek­ tor 14 transportiert, in dem das gekühlte Kondensat durch Sonnenenergie wieder auf eine Temperatur in der Nähe der Temperatur der Flüssigkeit im Sumpf 20 der Entspannungsver­ dampfungskammer 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 Son­ nenkollektor 12, so daß der Arbeitsflüssigkeits-Cyclus sich wiederholen kann.

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 Verbin­ dung 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 erhitzten Kondensats in den Sumpf 20 erlaubt, anstatt durch die Lei­ tung 46 direkt der Input-Seite der Pumpe 38 zugeführt zu werden.

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 Kraft­ werks enthaltene Hochtemperatur-Arbeitsflüssigkeit zu kon­ densieren. Der Wärmeaustauscher 32 wandelt somit die Ar­ beitsflüssigkeit im Abschnitt 48 des Kraftwerks in einen Dampf um, der auf die Niedertemperatur-Turbine 50 aufgege­ ben wird, die vorzugsweise ebenfalls an die Welle 26 ange­ koppelt ist, welche die Entnahme von Arbeit durch die Turbi­ ne 50 aus der zweiten Arbeitsflüssigkeit für die Umwandlung 25 in elektrische Energie durch den Generator 28 erlaubt.

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 Vervoll­ ständigung des Cyclus der Arbeitsflüssigkeit.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Arbeits­ flüssigkeit im Abschnitt 13 des Kraftwerks Tetralin, das eine bicyclische Verbindung ist, in der ein Ring aromatisch ist und der andere Kondensatring nicht-aromatisch ist.

Tetralin (das chemisch Tetrahydronaphthalin darstellt) hat einen Gefrierpunkt von -35°C und eignet sich für viele Kalt­ wetter-Anwendungszwecke.

Das in dem Sonnenkollektor 12 enthaltene flüssige Tetralin wird in der Regel durch den Kollektor auf etwa 302°C er­ hitzt 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 297°C entsteht. Der in die Hochtemperatur-Turbine 24 eintretende Tetralindampf hat eine Temperatur von etwa 290°C 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 Kondensa­ tion des aus der Turbine 24 abgezogenen Tetralins erfolgt in dem Wärmeaustauscher 32, in dem das Kondensat eine Tempera­ tur von etwa 150°C 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 297°C erhitzt und das erhitzte Kondensat wieder in den Sumpf 20 zurückführt.

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 140°C 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 40°C. 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 Gesamtenergie etwa 735 kW. Die erforderliche Pumpenergie ist so groß, daß die durch das Kraftwerk erzeugte Nettoenergie etwa 715 kW beträgt.

Durch die Verwendung einer Entspannungsverdampfungskammer 16 bleibt die gesamte Arbeitsflüssigkeit in dem Sonnen­ kollektor 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.

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 Ab­ schnitt 13 des Kraftwerks in geeigneter Weise zu betreiben. Wenn die Umgebungsbedingungen dies erlauben, werden die Ven­ tile 40 und 44 so betätigt, daß die Entspannungsverdamp­ fungskammer 16 und die Turbine 24 umgangen werden. In einem solchen Falle wird die primäre Arbeitsflüssigkeit nachein­ ander zirkuliert sowohl durch die Sonnenkollektoren 12 und 14 als auch in den Wärmeaustauscher 32, so daß der Nieder­ temperatur-Abschnitt 48 des Kraftwerks seinen Betrieb fort­ setzen kann.

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 Zu­ stand 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 149°C auf etwa 300°C an und der Zustand ändert sich und geht in den Zustand B über. Durch die Expansion in der Entspannungsverdampfungskammer 16 tritt ein Übergang von dem Zustand B in den Zustand C auf und durch die Expan­ sion durch die Turbine 24 entsteht ein Übergang von dem Zustand C in den Zustand D.

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 Turbinenschau­ feln keinen Tröpfchen von kondensierter Arbeitsflüssig­ keit ausgesetzt. In der Fig. 4 sind die angegebenen physi­ kalischen Eigenschaften von Tetralin in den in Fig. 3 ge­ zeigten verschiedenen Zuständen zusammengefaßt.

Ein Stabilitätstest mit Tetralin bei Temperaturen von mehr als 300°C in Gegenwart von Metallen, wie sie üblicherweise in Kraftwerken auftreten, wie z. B. Aluminium, Messing, Stahl und rostfreiem Stahl, sowie Stahl mit niedrigem Koh­ lenstoffgehalt, hat gezeigt, daß die Arbeitsflüssigkeit bei dieser Temperatur keinen Einfluß auf diese Metalle hat und daß sie keinen Einfluß auf die Arbeitsflüssigkeit ha­ ben. Eine Zersetzung von Tetralin konnte bei diesen Tempe­ raturen während des Tests nicht nachgewiesen werden. Bei einer Temperatur von etwa 400°C war die Zersetzungsrate von Tetralin gering.

Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Arbeitsflüssigkeit um eine Verbindung, die ausgewählt wird aus der Gruppe der bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der sub­ stituierten 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 Grup­ pe wird nachstehend manchmal als "erfindungsgemäße Arbeits­ flüssigkeiten" bezeichnet. Ein Beispiel für einen geeigne­ ten bicyclischen Kohlenwasserstoff ist Naphthalin mit einem Gefrierpunkt von 80,5°C und 1-Methyl-naphthalin mit einem Gefrierpunkt von -22°C sowie 2-Methyl-naphthalin mit einem Gefrierpunkt von 35°C. Ein Beispiel für einen substituier­ ten heterocyclischen aromatischen Kohlenwasserstoff ist Chinolin mit einem Gefrierpunkt von -50°C und Benzothiophen. Tetralin ist eine bicyclische Verbindung, bei der ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht-aro­ matisch ist.

Erfindungsgemäß kann auch eine Mischung von Flüssigkeiten verwendet werden, wobei die Gesamtmischung einen Gefrier­ punkt hat, der niedriger ist als der Gefrierpunkt der Verbindung der Mischung mit dem höchsten Gefrierpunkt.

Die Verbindungen der vor stehend angegebenen Gruppe weisen eine hohe Stabilität in Gegenwart von Aluminium, Messing, Stahl, rostfreiem Stahl und Kohlenstoffstahl minderer Quali­ tät bis zu 400°C auf. Ihr hoher Rankine-Cyclus-Wirkungs­ grad bei einer gegebenen Temperatur und ihr verhältnismäßig niedriger Schmelzpunkt erlauben ihre Verwendung unter nahe­ zu Umgebungsbedingungen, wenn der Kondensator luftgekühlt ist.

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 240°C und die Mach-Zahl der Mischung wird von 3,6 auf 2,9 herabgesetzt, wenn die Kondensatortemperatur 50°C beträgt. Die Zugabe von Methanol zu Chinolin setzt das durchschnitt­ liche Molekulargewicht herab, wodurch eine Verbesserung der Mach-Zahl erzielt wird. Die Zusammensetzung des Dampfes be­ trägt etwa 20 Gew.-% Methanol und etwa 80 Gew.-% Chinolin.

Der thermodynamische Wirkungsgrad des Cyclus kann durch Verwendung von Mischungen verbessert werden. So hat bei­ spielsweise beim Kombinieren von Chinolin, das eine Flüssig­ keit 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 han­ delt mit einem ähnlichen T-S-Diagramm wie Wasser, die resul­ tierende Mischung ein T-S-Diagramm, in dem die Sättigungs­ dampflinie fast senkrecht zur Entropieachse verläuft.

Eine gesättigte Mischung von Methanol und Tetralin setzt den Schmelzpunkt von etwa -35°C auf weniger als -45°C herab und ist für viele arktische Bedingungen geeignet. Mischungen von erfindungsgemäßen Arbeitsflüssigkeiten er­ lauben 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 -70°C; Tetralin allein hat einen Gefrierpunkt von -35°C; und Methylnaphtha­ lin allein hat einen Gefrierpunkt von -10°C.

Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht da­ rin, daß die aus der oben angegebenen Gruppe ausgewählte Verbindung zusammen mit kontinuierlichen Wärmequellen, wie z. B. Kernreaktoren und Abwärme in Form von Schornsteinga­ sen oder einer Abgasturbine und Dieselmotoren verwendet wer­ den 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 300°C hat einen Druck von etwa 5 bar; und diese Bedin­ gungen 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.

Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfin­ dung erläutert ein Niederdruck-Kernreaktor-Kraftwerk, in dem Naphthalin als Arbeitsflüssigkeit verwendet wird. Das Kraftwerk 16 ist ein binäres Cyclus-Kraftwerk mit einem Hochdruckabschnitt 61 und einem Niederdruckabschnitt 70. 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 Hochtempera­ tur-Turbine 64 aufgegeben und das Naphthalin expandiert in der Turbine, wobei es bewirkt, daß letztere Arbeit lei­ stet, 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. Das Kondensat wird mittels der Pumpe 68 auf die Wärmequelle 62 aufgegeben und der Cyclus wiederholt sich. Der Wärmeaus­ tauscher wird in der Regel bei etwa 150°C betrieben, wobei sein Dampfdruck etwa 0,16 bar beträgt. Es sind keine Hoch­ druck-Leitungen für die Arbeitsflüssigkeit erforderlich und weil niedrige Drucke auftreten, ist kein speziel­ les Gehäuse für die Kernreaktor-Wärmequelle erforderlich.

In dem Wärmeaustauscher 67 wird eine andere Arbeitsflüssig­ keit, 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 40°C und einem Druck von etwa 3,6 bar. Dieser Wasserdampf wird auf die Niedertemperatur- Turbine 72 aufgegeben, in welcher der Wasserdampf expan­ diert, so daß die Turbine Arbeit leistet, die durch den Generator 66 auf die weiter oben angegebene Weise in elek­ trische Energie umgewandelt wird. Der aus der Niedertempe­ ratur-Turbine 72 ausgestoßene Wasserdampf hat einen Druck von etwa 0,07 bar und der Kondensator 74 kondensiert die­ sen Wasserdampf zu flüssigem Wasser. In diesem Falle kann ein flüssigkeitsgekühlter Kondensator verwendet werden und das Kondensat tritt mit etwa 40°C aus dem Kondensator aus. Durch die Pumpe 76 wird das Kondensat in den Wärmeaustau­ scher 66 zurückgeführt und der Cyclus wiederholt sich.

Der Vorteil, der durch Verwendung der vorstehend angegebe­ nen Verbindungen in einem Kraftwerk erzielt wird, in dem die Wärmequelle ein Kernreaktor ist, kann ganz einfach dar­ gestellt werden durch Vergleich des Dampfdruckes verschie­ dener Flüssigkeiten bei zwei geeigneten Betriebstempera­ turen. 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 Tetra­ lin als auch von Naphthalin als auch von 1-Methylnaphtha­ lin. Diese Verbindungen sind daher in idealer Weise geeig­ net für ein Kraftwerk, bei dem die Wärmequelle ein Kernre­ aktor ist.

Die erfindungsgemäßen Arbeitsflüssigkeiten sind insbeson­ dere geeignet für Kraftwerke auf Basis von Kernreaktor- Wärmequellen, weil diese Flüssigkeiten in einem Reaktor mehrere Funktionen erfüllen können. Außer daß sie die Ar­ beitsflüssigkeit für das Kraftwerk darstellen, können die erfindungsgemäßen Arbeitsflüssigkeiten auch als Reaktor­ moderatorflüssigkeit und -kühlflüssigkeit dienen. Dadurch wird die Notwendigkeit der Verwendung von Wärmeaustauschern eliminiert und die Probleme, die mit einer Leckage zusammen­ hängen, die bei Wärmeaustauschern von großer Bedeutung ist, werden minimal gehalten.

Die Vorteile und verbesserten Ergebnisse, die mit den er­ findungsgemäßen 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.

Claims (21)

1. Kraftwerk, das nach dem Rankine-Cyclus arbeitet, mit einem Dampfkessel zum Verdampfen einer organischen Arbeitsflüssigkeit, wel­ che auf eine Turbine angewendet wird, in welcher durch den Dampfkessel erzeugte verdampfte Arbeitsflüssigkeit expandiert und Arbeit produziert, einem Kondensator zum Kondensieren der aus der Turbine ausgestoßenen, expandierten verdampften Arbeitsflüssigkeit unter Er­ zeugung eines Kondensats und Mittel zur Rückführung des Kondensats in den Dampfkessel gekennzeichnet durch:

• a) Betreiben des Dampfkessels, derart, daß die orga­ nische Flüssigkeit im wesentlichen bei konstantem Druck und einer 400°C nicht überschreitenden Tempera­ tur verdampft;
• b) Anwenden nur verdampfter Arbeitsflüssigkeit auf die Turbine; und
• c) Verwenden einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus bicyclischen Kohlenwasserstoffen, substituierten bicyclischen aromatischen Kohlenwasser­ stoffen, heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasser­ stoffen, substituierten heterobicyclischen aromati­ schen Kohlenwasserstoffen, bicyclischen Verbindungen, in denen ein Ring aromatisch ist, und der andere kon­ densierte Ring nicht aromatisch, und deren Mischungen als Arbeitsflüssigkeit.

2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit Chinolin ist.

3. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit Naphthalin ist.

4. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit Methylnaphthalin ist.

5. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit Tetralin ist.

6. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit eine Mischung aus Tetralin und Methylnaphthalin ist.

7. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit eine Mischung aus Methanol und Chinolin ist.

8. Kraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Methanol zu Chinolin etwa 0,6 Gew.-% beträgt.

9. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit eine Mischung aus Methanol und Tetralin ist.

10. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit eine Mischung aus etwa 75% Tetralin und etwa 25% Methylnaphthalin ist.

11. Kraftwerk nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kernreak­ tor-Wärmequelle zum Verdampfen einer Arbeitsflüssig­ keit vorgesehen ist, und eine Flüssigkeit, die als Mo­ derator, Kühlmittel und Arbeitsflüssigkeit wirkt.

12. Kraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flüssigkeit, welche als Moderator wirkt, deuteriert ist.

13. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kraftwerk binär ist, mit einem ersten Wärmeaustauscher zum Verdampfen einer er­ sten organischen Arbeitsflüssigkeit, einer ersten Tur­ bine zum Expandieren der verdampften Arbeitsflüssig­ keit, die durch den ersten Wärmeaustauscher gebildet wird und zum Leisten von Arbeit; einem zweiten Wärme­ austauscher für die Aufnahme einer zweiten Arbeitsflüssigkeit in flüssiger Form zum Kondensieren der expandierten Dämpfe der ersten Arbeitsflüssigkeit, die von der ersten Turbine ausgestoßen werden, unter Bildung eines ersten Arbeitsflüssigkeitskondensats und zum Verdampfen der zweiten Arbeitsflüssigkeit, einer Einrichtung zum Zurückführen des durch den zweiten Wärmeaustauscher gebildeten Kondensats in den ersten Wärmeaustauscher wobei eine zweite Turbine zum Expan­ dieren der verdampften Arbeitsflüssigkeit, die durch den zweiten Wärmeaustauscher gebildet worden ist und zum Leisten von Arbeit vorgesehen ist, sowie ein Kon­ densator zum Kondensieren der expandierten Dämpfe der zweiten Arbeitsflüssigkeit, die von der zweiten Tur­ bine ausgestoßen werden, zur Bildung eines zweiten Ar­ beitsflüssigkeitskondensats und eine Einrichtung zum Zurückführen des zweiten Arbeitsflüssigkeitskondensats in den zweiten Wärmeaustauscher.

14. Kraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Wärmeaustauscher einen Solarkollek­ tor zum Heizen der ersten Arbeitsflüssigkeit beinhal­ tet.

15. Kraftwerk nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Arbeitsflüssigkeit Tetra­ lin ist.

16. Kraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Arbeitsflüssigkeit ein aliphati­ scher Kohlenwasserstoff ist.

17. Kraftwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Arbeitsflüssigkeit Heptan ist.

18. Kraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Wärmeaustauscher ein Kernreaktor ist.

19. Kraftwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Arbeitsflüssigkeit Naphthalin ist.

20. Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Arbeitsflüssigkeit ein aliphati­ scher Kohlenwasserstoff ist.

21. Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Arbeitsflüssigkeit Wasser ist.