DE3609314C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das auch für den Niedertemperaturbereich einsetzbar ist und die Koppelung mit einem Verdichtungsprozeß ermöglicht, wobei die daraus resultierende Prozeßwärme in den Wärmekraftprozeß rückführbar ist.

Ein derartiges Verfahren ist gemäß der US-PS 38 30 064 bekannt.

Dabei ist es allerdings nötig die Anlage in einem stationären Betriebszustand zu betreiben, da die Geometrie der Druckerhöhungseinheit nur einen eng eingegrenzten Durchsatzbereich zuläßt, der auch eine sehr hohe Druckdifferenz zwischen Dampferzeuger und Kondensator voraussetzt. Im Anwendungsfall der Verwertung von natürlichen Energiequellen (z. B. Sonnenenergie) bzw. im Anwendungsfall von Abwärmenutzungssystemen werden Verfahren gefordert, die dem jeweils vorhandenen Energieniveau der Energiequelle angepaßt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmekraftprozeß zu entwickeln, der auch für den Niedertemperaturbereich einsetzbar ist, die Möglichkeit zur Koppelung mit einem Verdichtungsprozeß bietet, wobei die daraus resultierende Prozeßwärme in den Wärmekraftprozeß rückführbar ist. Das in der Verdichtungsanlage erzeugte, verdichtete Gas soll speicherbar, und im Anwendungsfall eines Schiffsantriebes direkt als Medium einsetzbar sein, das Vortriebsleistung erzeugt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein vom Siedeverhalten und Druckverhältnis den gegebenen oder zu erzeugenden Temperaturniveaus angepaßtes Arbeitsmedium aus einem Kondensatsammelbehälter (Fig. 1/1) mit Hilfe eines im weiteren Durchlauf erzeugten Dampfdruckes in eine ein- oder mehrstufige Verdampfereinheit (Fig. 1/2) geleitet wird. Die Verdampfereinheit kann durch eine oder mehrere Rückstromsicherungen vor dem Zurückströmen des Arbeitsmediums gesichert werden, ansonsten muß eine exakte strömungsdynamische Anpassung der Anlage an die Druckverhältnisse erfolgen. Das nach oder bei Durchlaufen der Wärmetauschereinheit erzeugte höhere Druckniveau wird über eine Rückstromsicherung, durch die ein Teilvolumenstrom geleitet wird, dem Kondensatsammelbehälter (Fig. 1/1) aufgeprägt. Der verbleibende Dampfvolumenstrom wird unter Abgabe von Arbeit ein- oder mehrstufig entspannt (Fig. 1/3), wobei je nach Anwendung eine ein- oder mehrstufige Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums erfolgen kann. Die Einbringung des Arbeitsmediums in den Kondensator (Fig. 1/4) erfolgt von unten in den Kondensatraum oder von oben in den Dampfraum, wobei die Einbringung in den Kondensatraum bessere Wärmeübergangsbedingungen schafft und damit zur Erhöhung der spezifischen Leistung führt. Der als Voraussetzung zur Einbringung des Kondensats in die Verdampfereinheit (Fig. 1/2) unter Dampfdruck erforderliche Zustand des Kondensats in einem kondensatorseitig geschlossenen Druckbehälter wird durch folgende Vorgehensweise erreicht:
Der mit der erforderlichen Volumenspeicherkapazität ausgestattete Kondensator wird wechselweise mit zwei oder mehreren Kondensatsammelbehältern (Fig. 1/1a, 1b) so verbunden, daß ein Austausch des Kondensatvolumens in Richtung des Kondensatsammelbehälters ermöglicht wird. Der für den Volumenaustausch erforderliche Differenzdruck wird entweder über eine geodätische Höhendifferenz, eine Pumpe oder ein durch Kühlung erzeugtes Druckgefälle (z. B. Einspritzen von unterkühltem Kondensat) erreicht. Nach Erreichen des Sollfüllstandes wird die Verbindung zwischen dem Kondensatsammelbehälter und dem Kondensator unterbrochen und der nächste Kondensatsammelbehälter mit dem Kondensator verbunden. Die Kondensatsammelbehälter sollten nach Möglichkeit mit jeweils zwei Leitungen mit dem Kondensator verbunden werden, um einen schnelleren Austausch des verbleibenden Dampfvolumens in den Kondensatorraum zu ermöglichen. Um Prozeßverluste bei der Dampfdruckbeaufschlagung des mit dem kondensierten Arbeitsmedium gefüllten Kondensatsammelbehälters durch Kondensation des Dampfes auf der Kondensatspiegelfläche zu vermeiden, ist der Einsatz eines isolierenden, einen Teil des Flüssigkeitsspiegels bedeckenden Schwimmkörpers denkbar.

Die aus diesem Verfahren resultierenden Regelaufgaben können über elektrische, hydraulische oder pneumatische Meßwertgeber oder Stellglieder gelöst werden, wobei auch der Einsatz einfacher mechanischer Elemente denkbar und für den dezentralen Einsatz praktikabel erscheint. Die für den Betrieb von pneumatischen Armaturen erforderliche Hilfsenergie kann über den Sekundärarbeitsmediumstrom abgezweigt werden.

Die unter Fig. 1/3 zusammengefaßte Arbeitsabgabe des Arbeitsmediums durch eine Entspannungseinheit kann durch Erzeugung von mechanischer, elektrischer, etc. Energie über eine Kraftmaschine (Turbine, Kolbenmaschine etc.) erfolgen und/oder kann zur Ankoppelung eines zweiten, parallel verlaufenden Verdichtungsprozesses verwendet werden.

Die Ankoppelung des Verdichtungsprozesses wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein (falls erforderlich) vorverdichtetes Gas (im folgenden als Luft bezeichnet) in einen mit mehreren Kammern ausgestatteten Ausgleichsbehälter geleitet wird, in dem sich als druckübertragendes Medium eine reaktionsträge, gut wärmeleitende Flüssigkeit (im folgenden als Öl bezeichnet) befindet. Nun wird in die zweite Kammer des Ausgleichsbehälters, die mit der ersten Kammer über das Ölbad so verbunden ist, daß kein Gasaustausch zwischen den beiden Kammern möglich ist, das Arbeitsmedium des Wärmekraftprozesses (im folgenden Ammoniak genannt) über eine Rückströmsicherung eingebracht, so daß ein Druckausgleich zwischen Ammoniak und Luft stattfinden kann. Die bei der Luftverdichtung erzeugte Wärme wird über die Kammerwände bzw. über zusätzliche Wärmetauscherflächen und/oder anders geartete Vorrichtungen zum Wärmeaustausch an das Ammoniak übertragen und führt bei Vorhandensein eines Temperaturgefälles Luft-Ammoniak zur weiteren Drucksteigerung des Ammoniaks, die wiederum an die Luft übertragen wird. Nach Erreichen des erforderlichen Solldruckes bzw. nach Einstellung eines Gleichgewichts zwischen Ammoniak und Luft, kann die verdichtete Luft an einen Speicherbehälter oder eine Versorgungsleitung abgegeben werden. Das Ammoniak wird, falls praktikabel, über eine Druckentspannungseinheit zur Energieerzeugung, die z. B. mechanische Energie zur Vorverdichtung der Luft liefern kann, in die Kondensationskammer geleitet.

Die Funktionsweise des Ausgleichsbehälters zur Verdichtung des Sekundärarbeitsmediums wird in Fig. 2 bis 4 dargestellt.

Fig. 2: Aus Leitung A strömt vorverdichtete Luft in Kammer I des Ausgleichsbehälters und schiebt das in Kammer II des Ausgleichsbehälters im entspannten Zustand verbleibende Ammoniak in den Kondensator oder bewirkt eine Vorverdichtung (je nach Ausführung). Die Luft durchströmt dabei das Öl und gibt einen Teil der Enthalpiedifferenz an das Öl ab.

Fig. 3: Nun strömt Ammoniak über Leitung C in Kammer II des Ausgleichsbehälters unter Wärmeaufnahme, bis sich ein Druckausgleich mit dem Zuströmleitungsdruck einstellt.

Fig. 4: Die nun verdichtete Luft gibt Wärme an das Ammoniak ab, was zu einer weiteren Nachverdichtung führt, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Nun kann die Druckluft über Leitung D abgegeben werden. Das in Kammer II des Ausgleichsbehälters verbleibende Ammoniak kann über Leitung B abgegeben werden, um in einer weiteren Druckentspannungseinheit Arbeit zu leisten (z. B. Vorverdichtung der nächsten Luftbeladung mittels doppelt wirkender Kolbenpumpe und/oder eines Rotationsverdichters).

Bei der Auslegung des Ausgleichsbehälters ist das aus dem Wärmeumsatz bestimmbare Volumenstromverhältnis an das Kammervolumenverhältnis anzupassen.

Die erzeugte Druckluft kann nun beliebigen Anwendungsbereichen zugeführt werden, wobei im Anwendungsbereich "Antrieb von Wasserfahrzeugen" erfindungsgemäß eine Vortriebseinheit mit Druckluft betrieben wird. Die "Zweiphasen- Vortriebsdüse" (Fig. 5) befindet sich unter der Wasseroberfläche und wird in einem Strömungskanal von Wasser durchströmt. Die Luft wird im flüssigen Zustand in den Strömungskanal geleitet. Die durch den Entspannungsprozeß unterkühlte Luft bildet nun mit dem Wasser eine Zweiphasenströmung aus, wobei der Wasserstrom beschleunigt wird (Schlupfreduzierung - Aufnahme der kinetischen Energie der Luft durch das Wasser, Expansion und Wasservolumenverdrängung, Nachexpansion durch Erwärmung der Luft in der Zweiphasenströmung).

Das Öffnungsverhältnis der Düse, die Form und die Länge der Nachexpansionsstrecke und das Luft/Wasserverhältnis müssen den hydrodynamischen und thermischen Einsatzbedingungen angepaßt werden (Vermeidung von Ringströmung), wobei eine Regelung des Wasserdurchsatzes über einen konusförmigen Verdrängerkörper denkbar wäre.

Das Beispiel einer ausgeführten Anlage (Fig. 6) zeigt ein Anwendungsbeispiel anhand eines Abwärmenutzungssystems in einem Wasserfahrzeug mit einem vorhandenen Schiffsantriebssystem mit Dieselmotor und Schiffsschraube. Unter Annahme eines mechanischen Wirkungsgrades der Kraftmaschine von ca. 35% werden 65% der zugeführten Energie an die Umgebung abgegeben. Wird angenommen, daß 90% dieser Energie dem Abwärmenutzungssystem zugeführt werden kann (Kühlwasser, Abgaskühlung, Ölkühlung), so stehen 58,5% der durch Kraftstoff zugeführten Energie zur Verfügung. Die Wärmeströme werden in einem Sekundärkreislauf (Fig. 6/5) zusammengefaßt und über eine in zwei Stufen unterteilte Verdampfereinheit (Fig. 6/2a, 2b) dem Ammoniak zugeführt. Das im Gegenstrom durchlaufende Ammoniak wird verdampft und in eine Vorkammer (Fig. 6/6) eingebracht. Von hier wird der Dampfvolumenstrom zur Förderung des Kondensats aus einem der Kondensatsammelbehälter (Fig. 6/1a, 1b) über eine Rückschlagsicherung abgezweigt. Der Hauptvolumenstrom des Ammoniakdampfes wird nun in die Kammer II des Ausgleichsbehälters (Fig. 6/5) geleitet und verdichtet die zuvor in Kammer I eingeleitete, vorverdichtete Luft auf den in der Vorkammer vorhandenen Druck. Durch die Aufnahme der durch die Luftverdichtung erzeugten Wärmemenge findet eine Nachverdichtung statt, bis der luftseitige Solldruck erreicht wird und die Luftmenge in einen Zwischenspeicher (Fig. 6/12) eingebracht wird. Das im Ausgleichsbehälter verbleibende Ammoniakvolumen wird über eine Steuereinheit (Fig. 6/7) in Kammer I des zweifach doppelt wirkenden Kolbenverdichters gefahren, wobei die vom Ammoniak geleistete Expansionsarbeit zur Vorverdichtung des Luftstromes in Kammer II verwendet wird. Das expandierte Ammoniak wird über eine Rückschlagsicherung in den Kondensator (Fig. 6/4) unterhalb des Kondensatfüllstandes eingebracht und mittels eines Kühlkreislaufes (Fig. 6/11) kondensiert. Der Kühlkreislauf (Fig. 6/11) hat die Aufgabe, die Verdampfungswärme und die verbleibende Restwärme des Ammoniaks an die Umgebung abzuführen. Nun kann das Kondensat wechselweise in den Kondensatsammelbehälter (Fig. 6/1a oder 1b) abfließen, der nach Erreichen des Sollfüllstandes kondensatorseitig geschlossen wird.

Der von der Vorkammer (Fig. 6/6) aufgeprägte Dampfdruck kann aufgeprägt werden und das Kondensat über einen weiteren Kondensatsammelbehälter (Fig. 6/1c) in die Verdampfereinheit fördern. Die im Zwischenspeicher (Fig. 6/12) gelagerte Luft wird kontinuierlich bzw. im Bedarfsfall plötzlich abgebaut und bewirkt beim Einbringen in den Strömungskanal der Zweiphasen-Düse (Fig. 6/9) durch Abgabe der kinetischen Energie und Nachexpansion der Luft im Wasserstrom Vortriebsarbeit, die als Vortriebskraft auf den Düsenkörper wirkt. Der Luftdurchsatz, der über den Verdrängungskörper (Fig. 6/9a) an den Wasserstrom abgegeben wird, wird durch ein Drosselventil (Fig. 6/10) geregelt. Der Wasserdurchsatz wird durch Verschieben des Verdrängungskörpers (Fig. 6/9a) in der Düseneintrittsverengung in der Strömungsebene, abhängig vom jeweiligen Betriebszustand, geregelt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sie zu einer Steigerung der Antriebsleistung von bis zu 50% führen, wobei eine Leistungsreserve für den Bedarfsfall (Bremsdüse) zur Verfügung steht. Die im Schaltbild (Fig. 6) beschriebene Anlage zur Abwärmenutzung in einem Wasserfahrzeug führt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Antriebseinheit und somit zu einer Leistungssteigerung, nicht aber zu einer Reduzierung des technischen Aufwandes. Wird die Anlage als Hauptantriebseinheit vorgesehen, d. h. die durch Verbrennung erzeugte Wärme wird der Wärmetauschereinheit direkt zugeführt, so ist ein erheblich geringerer technischer Aufwand für die Anlage die Folge.

Die drei Hauptkomponenten der beschriebenen Anlage sind auch unabhängig voneinander einsetzbar:

Der Hauptkreislauf z. B. als

• - Abwärmenutzungssystem von Kraftwerken und Kraftmaschinen
• - Kleinkraftwerk zur dezentralen Erzeugung von Gebrauchsenergie aus relativ kleinen Temperaturniveaudifferenzen, wie z. B.
  • a) Temperatur Sonnenkollektor - Umgebungstemperatur
  • b) Wassertemperaturschichtungen
  • c) Umgebungstemperatur Tag - Umgebungstemperatur Nacht

Der Sekundärarbeitsmedium-Verdichtungsprozeß z. B. als

• - Vereinfachtes Druckluftversorgungssystem
• - Anwendung zur Erzeugung von tiefen Temperaturen.

Die Zweiphasen-Düse z. B. als Vortriebsdüse unter Anwendung von handelsüblichen Verdichtungseinheiten zur Drucklufterzeugung als

• a) Hauptvortriebseinheit
• b) Zusatzvortriebseinheit für Spitzenlast
• c) Verzögerungseinheit zum schnellen Abbremsen des Fahrzeugs.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage, wobei ein nach Durchlaufen einer Verdampfereinheit ein in einen ersten und zweiten Teilvolumenstrom aufgeteiltes Arbeitsmedium über eine Druckentspannungseinheit mechanische Energie abgibt, anschließend in einem Kondensator verflüssigt und über eine nachgeschaltete Druckerhöhungseinheit, die die zur Druckerhöhung erforderliche Energie aus einem Teilvolumenstrom des Arbeitsmediums bezieht, erneut der Verdampfereinheit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der zweite Teilvolumenstrom des gasförmigen Arbeitsmediums von der Verdampfereinheit (2) zu einem der mehreren Kondensatsammelbehältern (1a; 1b) infolge des in der Verdampfereinheit (2) erzeugten Dampfdrucks geleitet wird;
• b) daß der Kondensator (4) mit einem oder mehreren der Kondensatsammelbehälter so verbunden ist, daß nach Erreichen des Sollfüllstandes die Verbindung des einen Kondensatsammelbehälters (1a) unterbrochen, und die Verbindung des anderen Kondensatsammelbehälters (1b) mit dem Kondensator (4) hergestellt wird;
• c) das im jeweiligen Kondensatsammelbehälter sich befindliche flüssige Arbeitsmedium aufgrund einer Druckdifferenz des zugeführten gasförmigen Arbeitsmediums zwischen Kondensatsammelbehälter und Verdampfereinheit (2), in die Verdampfereinheit (2) gedrückt wird;
• d) nach Entleeren eines Kondensatsammelbehälters (1a; 1b) das dort jeweils verbleibende gasförmige Arbeitsmedium in den Kondensator (4) gefördert wird.

2. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage, wobei ein Arbeitsmedium nach Durchlaufen einer Verdampfereinheit über eine Druckentspannungseinheit mechanische Energie abgibt, anschließend in einem Kondensator verflüssigt, und über eine nachgeschaltete Druckerhöhungseinheit erneut der Verdampfungseinheit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das nach Durchlaufen der Verdampfereinheit erzeugte Druckniveau des Arbeitsmediums (Primärarbeitsmedium) ganz oder teilweise genutzt wird, um ein weiteres Arbeitsmedium (Sekundärarbeitsmedium) mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften in einem angekoppelten Prozeß zu verdichten, wobei der Druck über ein drittes Arbeitsmedium direkt übertragen wird, aber keine direkte Berührung zwischen Primär- und Sekundärarbeitsmedium stattfindet;
• b) das im Verlauf des angekoppelten Verdichtungsprozesses im Sekundärarbeitsmedium ein Temperaturniveau erzeugt wird, das über dem des am Verdichtungsprozeß beteiligten Primärarbeitsmediums liegt;
• c) das im Verlauf des angekoppelten Verdichtungsprozesses erzeugte Temperaturgefälle zwischen Sekundärarbeitsmedium und Primärarbeitsmedium ganz oder teilweise genutzt wird, um Wärme vom Sekundärarbeitsmedium an das Primärarbeitsmedium zu übertragen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärarbeitsmedium nach Verlassen der zur Verdichtung des Sekundärarbeitsmediums vorgesehenen Anlageneinheit eine Nachentspannung in einer Kraftmaschine erleidet und/oder die Nachentspannung in einer weiteren Anlageneinheit erfolgt, deren Aufgabe die Vorverdichtung des Sekundärarbeitsmediums ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverdichtung mittels einer zweifach doppeltwirkenden Kolbenverdichtereinheit realisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärarbeitsmedium nach erfolgter Entspannung zu Kühlzwecken verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärarbeitsmedium in einer nachfolgenden Prozeßstufe verflüssigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Druckniveaus des Primärarbeitsmediums wie folgt durchgeführt wird:
eine durch eine Sperrflüssigkeit verbundene, in zwei oder mehr Kammern unterteilte Druckbehältereinheit wird wechselseitig über verschiedene Kammern mit dem Sekundär- und Primärarbeitsmedium gefüllt. Nach erfolgtem Druckausgleich und/oder erfolgtem Wärmeaustausch findet ein Ladungswechsel statt, der in weiterer Folge eine Neubeladung der Druckbehältereinheit mit Sekundär- und Primärarbeitsmedium erlaubt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verflüssigte Arbeitsmedium in eine Düse geleitet wird, in der das Arbeitsmedium eine Aggregatzustandsänderung erleidet.