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Dokumentenidentifikation DE19545312C2 12.10.2000
Titel Binäres Wärmekraftwerk mit zwei geschlossenen Kreisläufen zur Steigerung des Wirkungsgrades
Anmelder Falkinger, Walter, Ing., Linz, AT
Erfinder Falkinger, Walter, Ing., Linz, AT
Vertreter Graf Lambsdorff, M., Dipl.-Phys.Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 81673 München
DE-Anmeldedatum 09.11.1995
DE-Aktenzeichen 19545312
Offenlegungstag 15.05.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2000
IPC-Hauptklasse F01K 25/08

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein binäres Wärmekraftwerk mit zwei geschlossenen Kreisläufen und auf ein in diesem Kraftwerk genutztes Verfahren zur Wirkungsgradsteigerung durch den (partiellen) Ersatz des Arbeitsmediums Wasserdampf durch Dampf aus organischen Medien, wie Kohlenwasserstoffen, wodurch eine Nutzung der Kondensationswärme des Wasserabdampfes aus der Turbine ermöglicht wird.

Bei bestehenden kalorischen Kraftwerken mit Dampfturbinen mit dem Arbeitsmedium Wasserdampf fällt die Kondensationswärme des Wasserdampfes, welche am Prozeß wieder abgeführt werden muß, als Verlustleistung am Gesamtprozeß an (Ausnahme bei der Nutzung zur Fernwärmeauskoppelung). Im wesentlichen kann nur das Enthalpiegefälle h" des gasförmigen Dampfes zur Erzeugung von Nutzleistung herangezogen werden.

In der DE 34 20 293 A1 wird ein binäres Rankine-Cyclus-Kraftwerk mit einem verbesserten organischen Arbeitsfluid bzw. -flüssigkeit beschrieben. Bei diesem werden in einem ersten geschlossenen Kreislauf als Arbeitsfluid bzw. -flüssigkeit Verbindungen verwendet, die ausgewählt werden aus der Gruppe der bizyklischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten bizyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der heterobizyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten heterobizyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der bizyklischen Verbindungen, in denen ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht aromatisch ist, und ihren Mischungen. In dem zweiten geschlossenen Kreislauf wird als zweite Arbeitsflüssigkeit ein aliphatischer Kohlenwasserstoff verwendet. In einem Wärmeaustauscher, der in beiden Kreisläufen enthalten ist, wird die Wärmeenergie der ersten Arbeitsflüssigkeit mindestens teilweise an die zweite Arbeitsflüssigkeit zum Zwecke von deren Verdampfung abgegeben.

In der DE 22 63 966 werden Antriebsmaschinen oder Kraftmaschinen beschrieben, in denen Wärmeenergie durch Ausdehnung und Kondensation von erhitztem Druckdampf in Kraft umgewandelt wird. Als Arbeitsmedium werden bestimmte Kohlenstoffverbindungen vorgeschlagen.

Schließlich ist aus der DE 24 19 688 A1 ein Dampfturbinenprozeß mit organischen Medien bekannt, bei welchem jeder Turbinenstufe Naßdampf mit solchem Flüssigkeitsgehalt zugeführt wird, daß er nach seiner Entspannung zumindest annähernd Sattdampfzustand erreicht. Als weitere Maßnahme ist daraus bekannt, das organische Arbeitsmedium als Abzapfdampf aus der Turbine zur Vorwärmung von Speisewasser zu benutzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Arbeitsprozeß zu beschreiben, bei welchem ein Großteil der zumeist in Flüssen oder Kühltürmen abgeführten Kondensationswärme des aus der Turbine austretenden Wasserdampfes in einem Prozeß zur Erzeugung von Nutzleistung verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Zur Verbesserung des Nutzwirkungsgrades von kalorischen Kraftwerken wird gewissermaßen anstatt des bisherigen Arbeitsmediums Wasserdampf, welcher eine sehr hohe Verdampfungsenthalpie aufweist, Dampf aus Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Äthern und teilhalogenierten Kohlenwasserstoffen eingesetzt, welche insgesamt ein (wesentlich) besseres Verhältnis von Nutzenthalpie zu Verdampfungsenthalpie aufweisen.

Durch Nutzung des Abdampfes aus der (Wasserdampf-)Turbine durch Entnahme oder Kondensation ist eine Dampferzeugung dieser Medien in Kombination mit bestehenden Dampfturbinen in einer Stufe oder mehreren Stufen möglich. Der Massenstrom aus diesen Medien ist durch die geringe Verdampfungsenthalpie um ein Vielfaches höher gegenüber der (Wasser-)Dampfturbine. Die Nutzung erfolgt in einer nachgeschalteten, auf das zweite Arbeitsmedium abgestimmten Dampfturbine.

Neben der Ausrüstung neuer Anlagen mit diesen Medien ist die Adaptierungsmöglichkeit bestehender (Wasser-)Dampfkraftwerke von besonderer Bedeutung. Zusätzlich zu den Gas- und Dampfturbinenprozessen mit diesen Medien lassen sich Kombinationsprozesse mit Hubkolbenmotoren (Nutzung von Abgas + Kühlwasserwärme) verwirklichen.

Die vorliegende Erfindung löst somit die Aufgabe dadurch, daß mit dem Wasserdampf der ersten Turbine sowohl in Kondensation als auch in Entnahmestufen (stufenförmig ähnlich der Speisewasservorwärmung), je nach Siedepunkt des Mediums, der Kondensationswärmeübergang zur Dampferzeugung für dieses Medium (kleine Verdampfungsenthalpie zu Nutzenthalpie) erfolgt (Siedepunkt unter 100°C - Übergang der Verdampfungsenthalpie des Mediums im Kondensationsbereich der Dampfturbine mit weiterer Energiezufuhr durch Anzapfung oder Entnahme für die Erwärmung über 100°C).

Diese Voraussetzung erfüllen eine Vielzahl von Medien (z. B. Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Äther, teilhalogenierte CH), welchen allen gemeinsam ist, daß sie eine wesentlich kleinere Verdampfungsenthalpie als Wasser haben und das Enthalpiegefälle im dampfförmigen Zustand in allen Fällen den Nutzleistungsverlust an der (Wasser-)Dampfturbine durch die Auskoppelung wegen der mehrfachen Dampfmassenproduktion mit Nutzenthalpiegefälle mehrfach wettgemacht wird.

Da jedoch beim Wasserdampf im wesentlichen die Gesamtenthalpie zur Verdampfung des Mediums mit wesentlich geringerer Verdampfungsenthalpie, jedoch (anteilsmäßig) sehr hohem Nutzenthalpiegefälle im dampfförmigen Zustand, zur Verfügung steht, kann ein wesentlich größerer Massenstrom dieses Mediums verdampft und zur Nutzleistungsabgabe herangezogen werden. Selbstverständlich sind durch die dem Wasserdampf gegenüber geänderten Parameter hinsichtlich Druck, Dichte, spezifisches Volumen, usw. für das entsprechende Medium bei der Dampfturbinenauslegung und -gestaltung zu berücksichtigen.

Selbstverständlich können diese Prozeßmedien auch in einem neu zu errichtenden kalorischen Kraftwerk eingesetzt werden, sowie bei Ersatz der (Wasser-)Dampfturbine bei der Neuanschaffung in Abstimmung auf diese Prozeßmedien. Des weiteren läßt sich dieser Prozeß auch im Zuge eines Gas- und Dampfturbinenprozesses einsetzen.

Bewertungstabelle von Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und Ethern hinsichtlich Verhältnis von Nutzenthalpie h" im gasförmigen Zustand zu Verdampfungsenthalpie h v (r') zum Einsatz in Dampfkraftprozessen im Vergleich zu Wasserdampf.







Im konkreten Fall bedeutet dies, daß beinahe sämtliche angeführten Medien besonders im Temperaturbereich bis ca. 250°C wesentlich bessere Nutzleistungsausnutzung durch den geringen Verdampfungswärmeanteil aufweisen, da diese aus dem Prozeß wieder abgeführt werden muß. Die gesamte Verdampfungswärme bzw. Gesamtenthalpiegefälle bis zur Flüssigphase des Wasserdampfes kann durch Entnahme an geeigneter Stelle der Niederdruckstufe zur Verdampfung o. a. Medien genutzt werden. Es kann ein um ein mehrfaches höherer Massenstrom dieser Medien genutzt verdampft werden, mit dem entsprechenden Nutzleistungsgefälle - und Ausnutzung.

Berechnungen Dampfturbinenleistung am Beispiel n-Pentan, n-Buanol, und n-Octan sowie Ethylether

Entnahme - Kondensationsturbine FHKW - Linz Mitte

P = 27.300 KWDampf:

T = 525°C

Q = 100 t/h

p = 89,3 barKühlwasserauslegungstemperatur: 12°C



h" bei Dampfdaten 1 t. Dubbel durch interpolieren: 3450 KJ/kg

h" bei Verdampfungswärme bei 12°C: 2473 KJ/kg

Anm.: Verdampfungswärme muß aus dem Prozeß abgeführt werden, h' der Flüssigkeit bleibt erhalten.



P = Q × (Diff h")/3,6 = 100 × (3450 - 2473)/3,6 = 100 × 977/3,6 = 27.138 KW Leistungsgewinn durch Nachschalten einer Dampfturbine (Medium n-Pentan) Siedetemperatur: 36°C Auslegungstemperatur: 167°C h' = 319,8 KJ/kg h' = 686,2 KJ/kg h" = 678,0 KJ/kg h" = 876,9 KJ/kg

  • 1. Leistungsverlust der H2O Turbine bei Auskoppelung der gesamten Wärme bei 160° C (Tabellen Wert für 167°C nicht vorhanden)



    h" (160°) = 2756 KJ/kg h" (12°) = 2524 KJ/kg

    P = (2756 - 2524) × 100/3,6 = 232 × 100/3,6 = 6444 KW

  • 2. Gesamtenthalpienutzung des H2O Dampfes von 160°C bis auf 36°C, d. h. nur Flüssigphasenenthalpie von 150,74 KJ/kg verbleibt im Kondensat



    h = 2756 - 150 = 2606 KJ/kg stehen zur Verdampfung von n-Pentan in einer Stufe zur Verfügung

  • 3. Pentandampf bei 167°C h" = 876 KJ/kg, sowie bei 36°C flüssig h' = 319,8 KJ/kg verbleiben im Prozeß, d. h. gesamt zuzuführende bei 167°C Wärmemenge = 876 - 319,8 = 556 KJ/kg
  • 4. Massenverhältnis von H2O Dampf: Pentandampf = 2606 : 556 = 4,69 × mem Pentan kann verdampft werden mit gegebener Menge H2O Dampf
  • 5. Nutzenthalpiegefälle von Pentandampf von 167°C auf 36°C



    876 - 678 = 198 KJ/kg × 4,69 = 928 KJ/kg

    P = 928 × 100/3,6 = 25.795 KW

    P gesamt zusätzlich = 25.795 - 6.444 = 19.351 KW
II. n-Butanol Siedepunkt: 117°C; h" = 591 KJ/kg; h' = 0.

Auslegungspunkt: 257°C; h" = 1015 KJ/kg; h' = 700 KJ/kg.
  • 1. Leistungsverlust an H2O Turbine



    h" (260°) 2796 KJ/kg h" (12°) = 2473 KJ/kg

    h' (117°) = 482 KJ/kg.

    P = (2796 - 2473) × 100/3,6 = 323 × 100/3,6 = 8.972 KW

  • 2. Gesamtenthalpienutzung H2O Dampf bei 260°C



    h" = 2796 - 482 = 2314 KJ/kg für Verdampfung von n-Butanol
  • 3. Gesamtenthapie n-Butanol (257° - 117°) = 1015 - 591 = 424 KJ/kg

    Wärmemenge zuzuführen = 1015 KJ/kg
  • 4. Massenverhältnis: 2314 : 1015 = 2,28
  • 5. Nutzenthalpie 2,28 × 424 = 966 KJ/kg



    P = 966 × 100/3,6 = 26.851 KW

    Gesamtnutz P zusätzlich = 26.851 - 8.972 = 17.879 KW
Anm.: Durch stufenweise Erwärmung ist eine reduzierte Leistungsverminderung der H2O Turbine gegeben, sowie wäre Fernwärmenutzung im Bereich von 110°C möglich. III. n-Octan Siedepunkt: 125°C; h" = 814; h' = 514 KJ/kg.

Auslegungspunkt: 282°C; h" = 1109; h' = 990 KJ/kg.
  • 1. Leistungsverlust H2O Turbine



    h" (280°) = 2780 KJ/kg h' (125°) = 503

    h" (12°) = 2473 KJ/kg

    P = (2780 - 2473) × 100/3,6 = 8.527 KW

  • 2. Gesamtenthalpienutzung H2O Dampf



    2780 - 503 = 2277 KJ/kg
  • 3. Gesamtenthalpie n-Octan (282° - 125°) 1109 - 514 = 595 KJ/kg = zuzuführende Wärmemenge
  • 4. Massenverhältnis 2277 : 595 = 3,92
  • 5. Nutzenthalpie (1109 - 814) = 295 × 3,92 = 1128 KJ/kg



    P = 1128 × 100/3,6 = 31.359 KW

    Zusätzl. Nutzl P = 31.359 - 8.527 = 22.832 KW
Zusätzliche Fernwärmenutzung möglich, sowie Einsparungen durch stufenweise Erwärmung IV. Ethylether Siedepunkt: 34,75°C; h" = 349 KJ/kg; h' = 0.

Auslegungspunkt: 170°C; h" = 532 KJ/kg; h' = 367,1 KJ/kg.
  • 1. Leistungsverlust an H2O Turbine



    h" (170°) = 2767 KJ/kg h' (34°C) = 142 KJ/kg

    h" (12°) = 2473 KJ/kg

    P = (2767 - 2473) × 100/3,6 = 8.166 KW

  • 2. Gesamtenthalpie H2O Dampf bei 170°C auf 34°C



    2767 - 142 = 2625 KJ/kg
  • 3. Gesamtenthalpie Ethylether (170° auf 34°) 532 - 0 = 532 KJ/kg
  • 4. Massenverhältnis 2625 : 532 = 4,93
  • 5. Nutzenthalpie



    (532 - 349,9) = 182,1 KJ/kg × 4,93 = 897,8 KJ/kg

    P = 897,8 × 100/3,6 = 24.937 KW

    Gesamtnutz P zusätzlich = 24.937 - 8.166 = 16.771 KW

Die bisher ca. 1 Dutzend eingesehen und überschlägig berechneten Medien ergaben alle eine Prozeßverbesserung (Nutzenthalpiegefälle zu Verdampfungsenthalpie) von ca. 50 bis 80% gegenüber wasserdampfgeführten Prozessen. In der Figur bezeichnen 1 Wärmetauscher (H2O)

2 H2O-Dampfkessel

3 Niederdruck-Turbine (H2O-Dampf)

4 Generator

5a-5d Wärmetauscher

6 Pumpe

7 Gasturbine

8 Generator

9 Turbine (Kohlenwasserstoff-, Alkohol- oder Etherdampf)

10 Generator

11 Wärmetauscher

12 Pumpe



DAMPF WASSER

KONDENSAT WASSER

DAMPF KOHLENWASSERSTOFF

KONDENSAT CH

HEISSWASSERKREIS

FERNWÄRME bzw. Kühlwasser

RAUCHGAS


Anspruch[de]
  1. 1. Wärmekraftwerk zur Gewinnung von Nutzenergie aus Wärmeenergie, enthaltend
    1. - einen ersten geschlossenen Kreislauf, in welchen als erstes Arbeitsmedium Wasser zirkuliert und im wesentlichen enthalten sind:
    2. - ein Dampfkessel (2), welchem die Wärmeenergie zugeführt wird,
    3. - eine dem Dampfkessel (2) nachgeordnete erste Turbine (3), in welcher der erzeugte Wasserdampf in Bewegungsenergie umgesetzt wird,
    4. - mindestens ein Wärmetauscher (5a-d), welchem der Abdampf der ersten Turbine (3) zugeführt und in welchem dem Abdampf mindestens ein Teil seiner Wärmeenergie entzogen wird,
    5. - einen zweiten geschlossenen Kreislauf, in welchem als zweites Arbeitsmedium ein Kohlenwasserstoff, ein Alkohol, ein Äther oder ein teilhalogenierter Kohlenwasserstoff zirkuliert, und in welchem im wesentlichen enthalten sind:
    6. - der mindestens eine Wärmetauscher (5a-d), in welchem dem zweiten Arbeitsmedium Energie zum Zwecke der Verdampfung zugeführt wird, und
    7. - eine dem Wärmetauscher (5a-d) nachgeordnete zweite Turbine (9) oder ein Hubkolbenmotor, wie ein OTTO- Motor oder ein DIESEL-Motor, in welchen der erzeugte Dampf des zweiten Arbeitsmediums in Bewegungsenergie umgesetzt wird.
  2. 2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - die Wärmeabgabe an das zweite Arbeitsmedium mehrstufig erfolgt, indem
    2. - eine vorgegebene Anzahl von Wärmetauschern (5a-d) mit einer entsprechenden Anzahl von Entnahmeöffnungen der ersten Turbine (3) verbunden ist, und indem
    3. - ein erster, von dem zu verdampfenden zweiten Arbeitsmedium durchströmter Wärmetauscher (5a) mit einer nahe dem ausgangsseitigen Ende der ersten Turbine (3) gelegenen Entnahmeöffnung verbunden ist, und die nachfolgenden Wärmetauscher (5b-d) mit sukzessive dem eingangsseitigen Ende der ersten Turbine (3) näher gelegenen Entnahmeöffnungen verbunden sind.
  3. 3. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - das zweite Arbeitsmedium wahlweise aus den folgenden Stoffen gebildet ist: Methanol, Ethanol, Ter-Butanol, n-Butanol, Propanol, Isopropylalkohol, Aceton, Methylacetat, Ethylacetat, Ethylether, Methyltertiärbutylether, 1,2-Butadien, Toluol, n-Pentan, n-Hexan, n-Heptan, n-Octan, Cyclopentan, Cyclohexan.
  4. 4. Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - in dem zweiten Kreislauf ein weiterer, der Turbine (9) nachgeordneter Wärmetauscher (11) enthalten ist, durch welchen die Wärmeenergie des zweiten Arbeitsmediums mindestens teilweise in ein Fernwärmenetz auskoppelbar ist.
  5. 5. Verfahren zur Gewinnung von Nutzenergie aus Wärmeenergie, bei welchem,
    1. - in einem ersten geschlossenen Kreislauf, in welchem als erstes Arbeitsmedium Wasser zirkuliert,
    2. - in einem Dampfkessel (2) Wärmeenergie zugeführt wird,
    3. - in einer dem Dampfkessel (2) nachgeordneten ersten Turbine (3) der erzeugte Wasserdampf in Bewegungsenergie umgesetzt wird, und
    4. - in mindestens einem Wärmetauscher (5a-d), welchem der Abdampf der ersten Turbine (3) zugeführt wird, dem Abdampf mindestens ein Teil seiner Wärmeenergie entzogen wird,
    5. - in einem zweiten geschlossenen Kreislauf als zweites Arbeitsmedium ein Kohlenwasserstoff, ein Alkohol, ein Äther oder ein teilhalogenierter Kohlenwasserstoff zirkuliert,
    6. - dem zweiten Arbeitsmedium in dem mindestens einen Wärmetauscher (5a-d) Energie zum Zwecke der Verdampfung zugeführt wird, und
    7. - in einer dem Wärmetauscher (5a-d) nachgeordneten zweiten Turbine (9) oder einem Hubkolbenmotor, wie einem OTTO-Motor oder einem DIESEL-Motor, der erzeugte Dampf des zweiten Arbeitsmediums in Bewegungsenergie umgesetzt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - die Wärmeabgabe an das zweite Arbeitsmedium mehrstufig erfolgt, indem
    2. - der Abdampf der ersten Turbine (3) einer vorgegebenen Anzahl von Wärmetauschern (5a-d) über eine entsprechende Anzahl von Entnahmeöffnungen der ersten Turbine (3) zugeführt wird, und indem
    3. - einem ersten, von dem zu verdampfenden zweiten Arbeitsmedium durchströmten Wärmetauscher (5a) der Abdampf aus einer nahe dem ausgangsseitigen Ende der ersten Turbine (3) gelegenen Entnahmeöffnung zugeführt wird, und den nachfolgenden Wärmetauschern (5b-d) der Abdampf aus den sukzessive dem eingangsseitigen Ende der ersten Turbine (3) näher gelegenen Entnahmeöffnungen zugeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - das zweite Arbeitsmedium aus Methanol, Ethanol, Ter- Butanol, n-Butanol, Propanol, Isopropylalkohol, Aceton, Methylacetat, Ethylacetat, Ethylether, Methyltertiärbutylether, 1,2-Butadien, Toluol, n-Pentan, n-Hexan, n-Heptan, n-Octan, Cyclopentan, Cyclohexan gebildet ist.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - die Wärmeenergie des zweiten Arbeitsmediums mindestens teilweise durch einen weiteren, der Turbine (9) nachgeordneten Wärmetauscher (11) des zweiten Kreislaufs in ein Fernwärmenetz ausgekoppelt wird.






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