DE2455096B2

DE2455096B2 - Verfahren zur umwandlung von energie

Info

Publication number: DE2455096B2
Application number: DE19742455096
Authority: DE
Inventors: Gerhard DipL-Ing. Dr 8132 Tutzing; Pocrnja Anton DipL-Ing 8000 München Linde
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1974-11-21
Filing date: 1974-11-21
Publication date: 1978-02-16
Also published as: DE2455096A1; JPS5191413A; CH606798A5; BR7507670A; ZA757225B

Description

JO

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Energie, bei dem ein im Kreislauf geführtes Arbeitsmedium verdichtet, stark erwärmt und arbeitsleistend entspannt wird und bei dem das arbeitsleistend entspannte Arbeitsmedium auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt und daraufhin erneut verdichtet wird.

In dem in der GB-PS 12 46 164 beschriebenen Gasturbinenkraftwerk wird das Arbeitsmedium (CO2) nach seiner Verdichtung zunächst im Wärmetausch mit sich selbst nach erfolgter Entspannung vorgewärmt, dann unter Zuführung von Fremdwärme stark erhitzt und daraufhin in einer Turbine arbeitsleistend entspannt. Ein Teil der freigesetzten Arbeit wird zum Antrieb der Kreislaufkompressoren herangezogen, während der Rest in einem mit der Turbine gekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Nach seiner Entspannung wird das Arbeitsmedium erneut auf seinen Ausgangszustand, d. h. unter Umgebungstemperatur, abgekühlt und daraufhin wieder dem Kreislaufkorr.pressor zugeführt. Diese Abkühlung erfolgt in mehreren Stufen: In einer ersten Kühlstufe erfolgt die Vorwärmung des verdichteten Arbeitsmediums, in einer weiteren Kühlstufe wird Abwärme in einem Wasserkühler abgegeben, während die Endabkühlung unter Umgebungstemperatur durch Wärmeentzug im Verdampfer einer Kompressionskälteanlage erfolgt.

Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß über die Wasserkühlung Wärme an die Umgebung mehr oder weniger nutzlos oder gar schädlich abgegeben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Nachteile die effektive Leistung bzw. den Gesamtwirkungsgrad des bekannten Verfahrens zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das arbeitsleistend entspannte Arbeitsmedium nach seiner Kühlung im Wärmetausch mit dem austreibersei-

60 tigen und dann im Wärmetausch mit dem verdampferseitigen Teil eines Absorptionskältekreislaufs gekühlt wird.

Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Kühlung des Arbeitsmediums unter Umgebungstemperatur mit Hilfe eines Absorptionskreislaufs. !m Wärmetausch mit dem arbeitsleistend entspannten Arbeitsmedium wird der Austreiber beheizt, wodurch das Kältemittel aus dem Absorptionsmittel ausgetrieben wird. Die weitere Abkühlung des Arbeitsmedium^ auf die gewünschte tiefe Temperatur erfolgt dann im Wärmetausch mit dem verdampferseitigen Teil des Absorptionskreislaufs. Dabei verdampft das verflüssigte Kältemittel.

Durch die Verwendung eines Absorptionskältekreislaufs gelingt es somit, die nur schwer verwertbare Abwärme bei einem C-asturbinenkreislauf unmittelbar zur Erzeugung von Kälte zu verwerten, wobei mittels der erzeugten Kälte das Arbeitsmedium vor seiner Verdichtung gekühlt und somit die aufzubringende Verdichterleistung erheblich erniedrigt wird. Der Energiebedarf des Absorptionskältekreislaufs ist sehr gering, da in diesem nunmehr lediglich Pumparbeit zur Verdichtung des im Lösungsmittel gelösten Kältemittels auf den Kreislaufenddruck aufzubringen ist. Diese Pumparbeit ist jedoch vernachlässigbar klein. Insgesamt erniedrigt sich somit die aufzubringende Verdichterleistung im v/esentlichen direkt um den Betrag, der durch die Abkühlung des Arbeitsmediums vor seiner Verdichtung eingespart wird.

Hinzu kommen apparative Vorteile, da die Verdichtungsräume des Kreislaufkompressors aufgrund der geringeren zu verdichtenden Volumina kleiner ausgebildet werden können.

Die beiden an sich bekannten Verfahrensteile, nämlich der Absorptionskältekreislauf auf der einen und die Wärmekraftanlage auf der anderen Seite ergänzen sich somit zu einem einheitlichen technischen Gesamterfolg, der in einer Vergrößerung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Gesamtanlage zu erblicken ist.

Zur weiteren Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es zweckmäßig, das Arbeitsmedium nach seiner Abkühlung im Wärmetausch mit dem austreiberseitigen und vor seiner weiteren Abkühlung im Wärmetausch mit dem verdampferseitigen Teil des Absorptionskältekreislaufs einer weiteren Zwischenkühlung mittels Wasser zu unterziehen.

Mit Vorteil wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das Arbeitsmedium mehrstufig verdichtet und vor jeder Verdichtungsstufe im Anschluß an eine Kühlung mittels Wasser im Wärmetausch mit dem Kältemittel weiter gekühlt.

Hierbei hat es sich z. B. als zweckmäßig erwiesen, bei einem Verdichtungsverhältnis von drei in jeder Verdichtungsstufe das Arbeitsmedium vor jeder Ver,-dichtungsstufe auf eine Temperatur zwischen —5 und -H⁰C, vorzugsweise —8°C, abzukühlen. Bei dieser Temperatur ist die Differenz zwischen eingesparter Verdichtungsleistung, und der in einem einstufigen Absorptionskältekreislauf aufzubringenden Energie für die Kälteleistung, also die Energieersparnis, am größten. Durch die Abkühlung ergibt sich eine Erniedrigung der Verdichterleistung um etwa 10% gegenüber einer Verdichtung des Arbeitsmediums bei 2O⁰C. Die aufzubringende Energie für die Kälteleistung zur Kühlung des Arbeitsmediums beträgt dagegen nur etwa 4,8% der Verdichterleistung. Insgesamt ergibt sich

somit eine Einsparung an Verdichterleistung von etwa 5,2%.

Bei einem Verdichtungsverhältnis von 4 in jeder Verdichtungsstufe liegt die günstigste Temperatur des Arbeitsmediums vor jeder Verdichtungs>tufe zwischen — 12 und '— 18°C, vorzugsweise bei — 15°C. In diesem Falle ergibt sich eine Einsparung an Verdichterleistung um etwa 6,8%.

Bei einem Verdichtungsverhältnis von 5 bzw. 6 jeder Verdichtungsstufe liegen die günstigsten Abkühltemperaturen des Arbeitsmediums vor jeder Verdichtungsstufe zwischen -15 und — 21⁰C, vorzugsweise — 18°C, bzw. zwischen —17 und -23°C, vorzugsweise bei -20⁰C. Die Einsparung an Verdichterleistung beträgt hierbei etwa 7.6% bzw. 8,5%. Diese Zahlen, die die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens dokumentieren, sind in der folgenden Tabelle noch einmal zusammengestellt.

Verdichtungsverhältnis in jeder Verdichtungsstufe:
3 4 5 6

Günstige Abkühlternperatur in ⁰C des Arbeitsmediums vor jeder -8 — 15 — 18 -20

Verdichtungsstufe

Verdichterleistung in % der Verdichterleistung bei 20⁰C 90 88 87*2 86,3

Leistungsaufwand für einstufige Kältemaschine in % der Verdichter- 4,8 5,2 5,2 5,2

leistung

Gesamtersparnis an aufzubringender Leistung in % 5,2 6,8 7,6 8,5

Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen:

Gemäß der Figur werden 1,7 · 10⁶ NmVh Helium im Kreislaufkompressor 1 eines geschlossenen Gasturbinenkreislaufes auf einen Druck von etwa 28,5 ata verdichtet und in einem Vorwärmer 2 im Wärmetausch mit arbeitsleistend entspanntem Helium auf eine Temperatur von ca. 420⁰C angewärmt. Daraufhin wird das Helium im Wärmetauscher 3 durch Zufuhr von Fremdwärme auf ca. 750⁰C erhitzt und in einer Turbine 4 auf einen Druck von ca. 10,8 ata arbejjsleistend entspannt. Die hierbei freigesetzte Arbeit wird teilweise an einen Generator 5 zur Umwandlung in elektrische Energie und teilweise an den Kreislaufkompressor 1 abgegeben. Das am Ausgang der Turbine unter einer Temperatur von ca. 460°C anfallende Helium wird im Vorwärmer 2 auf etwa 147° C abgekühlt und nunmehr dem Austreiber 6 eines Absorptionskältekreislaufes zugeführt, der mit Ammoniak als Kälte- und Wasser als Lösungsmittel betrieben wird. In der Rohrschlange 7 des Austreibers 6 wird das Helium auf ca. 101⁰C weitergekühlt. Daraufhin wird das Helium zunächst im Wasserkühler 8 auf ca. 25°C und dann in " Ampfer 9 des Absorptionskältekreislaufes auf ca. .., C gekühlt und unter dieser Temperatur erneut der Saugseite des Kreislaufkompressors 1 zugeführt. Durch die Abkühlung des Heliums im Verdampfer 9 erniedrigt sich der Leistungsbedarf des Kompressors 1 um etwa 5% gegenüber der Leistung, die erforderlich wäre, um das Helium unter einer Eintrittstemperatur von 25°C zu verdichten. Da der Kreislaufkompressor 1 normalerweise rund 60% der Turbinenleistung verbraucht, bedeutet die Verringerung der Kompressorleistung um etwa 5% eine Erhöhung der effektiven Leistung des Gasturbinenkraftwerkes um ca. 7%.

Im Absorptionskältekreislauf wird aus dem Absorber 10 ein Flüssigkeitsgemisch aus Ammoniak und Wasser über eine Leitung 11 abgezogen, mittels einer Pumpe 12

auf den Kreislaufenddruck verdichtet, im Wärmetauscher 13 angewärmt und in den Austreiber 6 eingespeist. Durch Beheizung i-.iit in der Rohrschlange 7 strömendem warmem Helium wird im Austreiber 6 das Ammoniak aus dem Wasser ausgetrieben. Im Sumpf des Austreibers 6 fällt daher eine im wesentlichen nur noch aus Wasser bestehende Flüssigkeit an, die im Wärmetauscher 13 gekühlt, im Ventil 14 entspannt und in den Absorber 10 zurückgeführt wird.

Die im Kopf des Austreibers 6 unter dem Kreislaufenddruck anfallenden Ammoniakdämpfe werden im Wasserkühler 15 verflüssigt, im Wärmetauscher 16 unterkühlt, im Ventil 17 entspannt und daraufhin im Wärmetauscher 9 gegen abzukühlendes Helium verdampft. Anschließend werden sie im Wärmetauscher 16 angewärmt, erneut dem Absorber 10 zugeführt und von dem sich darin befindlichen ammoniakarmen Wasser absorbiert. Die hierbei anfallende Absorptionswärme wird über den Wasserkühler 18 abgeführt.

Durch die erfindungsgemäße Heizung des Austreibers 6 mit dem noch warmen arbeitsleistend entspannten Helium wird zum Betreiben des Absorptionskältekreislaufes fast keine zusätzliche Energie benötigt, da die Pumparbeit der Pumpe 12 relativ niedrig ist. Die in dem arbeitsleistend entspannten Helium noch enthaltene Wärme wird somit in einfacher Weise über den Absorptionskältekreislauf in Kälte umgewandelt und zur Kühlung des Heliums vor seiner erneuten Verdichtung herangezogen, wodurch die erforderliche Verdichtungsarbeit des Kreislaufkompressors insgesamt erheblich gesenkt wird.

Als Arbeitsmedium des Gasturbinenkraftwerkes können neben Helium auch Stickstoff oder Luft verwendet werden. Zur Erzeugung der Fremdwärme im Wärmetauscher 3 kann ein beliebiger Brennstoff verbrannt werden. Es kann aber auch die auf hohem Temperaturniveau anfallende Abwärme eines Kraftwerkes, insbesondere eines Kernkraftwerkes, als Fremdwärme herangezogen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Umwandlung vor. Energie, bei dem ein im Kreislauf geführtes Arbeitsmedium > verdichtet, stark erwärmt und arbeitsleistend entspannt wird und bei dem das arbeitsleistend entspannte Arbeitsmedium auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt und daraufhin erneut verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das arbeitsleistend entspannte Arbeitsmedium nach seiner Kühlung in Wärmetausch mit dem austreibsrseitigen und dann im Wärmetausch mit dem verdampferseitigen Teil eines Absorptionskältekreislaufs gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmetausch mit dem austreiberseitigen und dem Wärmetausch mit dem verdampferseitigen Teil des Absorptionskältekreislaufs eine Kühlung des Arbeitsmediums mittels Wasser vorgesehen ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium mehrstufig verdichtet und vor jeder Verdichtungsstufe nach erfolger Kühlung mittels Wasser im Wärmetausch mit dem Kältemittel weitergekühlt wird.