DE3420293A1

DE3420293A1 - Rankine-cyclus-kraftwerk mit einem verbesserten organischen arbeitsfluid bzw. -fluessigkeit

Info

Publication number: DE3420293A1
Application number: DE19843420293
Authority: DE
Inventors: David Yavne Mahlab; Amnon Yogev
Original assignee: Ormat Turbines Ltd
Current assignee: Ormat Industries Ltd
Priority date: 1983-05-31
Filing date: 1984-05-30
Publication date: 1985-02-21
Anticipated expiration: 2004-05-31
Also published as: DE3420293C2; IL71962A0; CA1256707C; AU2890984A; CA1236699A; IL71962A

Abstract

In einem Rankine-Cyclus-Kraftwerk werden als Arbeitsfluid bzw. -flüssigkeit Verbindungen verwendet, die ausgewählt werden aus der Gruppe der bicyclischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der bicyclischen Verbindungen, in denen ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nichtaromatisch ist, und ihren Mischungen.

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Rankine-Cyclus-Kraftwerk, das mit einer verbesserten organischen Arbeitsflüssigkeit bzw.
-fluid betrieben wird.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Ein weiterer Nachteil vieler konventioneller Arbeitsflüssigkeiten bzw. -fluids ist ihr relativ hoher Gefrierpunkt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
Tetralin (das chemisch Tetrahydronaphthalin darstellt) hat einen Gefrierpunkt von -350C und eignet sich für viele Kalt-Wetter-Anwendungs zwecke.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Tetralin ist eine bicyclische Verbindung, bei der ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht-aromatisch ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung 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 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.
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.
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.
Durch die Pumpe 76 wird das Kondensat in den Wärmeaustauscher 66 zurückgeführt und der Cyclus wiederholt sich.
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.
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.
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.
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

Claims

Rankine-Cyclus-Kraftwerk mit einem verbesserten organischen Arbeitsfluid bzw. -flüssigkeit Patentansprüche W Rankine-Cyclus-Kraftwerk mit einem Dampfkessel (Boiler) zum Verdampfen einer organischen Flüssigkeit, einer Turbine, die auf die in dem Dampfkessel (Boiler) erzeugte verdampfte Arbeitsflüssigkeit anspricht unter Expandieren der verdampften Arbeitsflüssigkeit aus dem Dampfkessel (Boiler) und Leisten einer Arbeit, einem Kondensator zum Kondensieren der aus der Turbine ausgestoßenen, expandierten verdampften Arbeitsflüssigkeit unter Erzeugung eines Kondensats, das in den Dampfkessel (Boiler) zurückgeführt wird, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw.

-fluid handelt um eine Verbindung, die ausgewählt wird aus der Gruppe der bicyclischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der bicyclischen Verbindungen, in denen ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht-aromatisch ist, und ihren Mischungen.
2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. -fluid um eine Mischung von Verbindungen handelt, wobei die Mischung einen Gefrierpunkt aufweist, der niedriger ist als der Gefrierpunkt der Verbindung mit dem höchsten Gefrierpunkt.
3. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. -fluid um Chinolin handelt.
4. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. -fluid um Naphthalin handelt.
5. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. -fluid um Methylnaphthalin handelt.
6. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. -fluid um Tetralin handelt.
7. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Arbeitsflüssigkeit bzw. -fluid um eine Mischung von Tetralin und Methylnaphthalin handelt.
8. Mit Sonnenenergie betriebenes Rankine-Cyclus-Kraftwerk mit einem ersten Sonnenkollektor zum Erhitzen einer organischen Flüssigkeit; einer Entspannungsverdampfungskammer zum Uberführen der erhitzen Flüssigkeit in Dampf; einer Einrichtung zum Rückführen der Flüssigkeit in der ersten Entspannungsverdampfungskammer in den ersten Sonnenkollektor; eine erste Turbine zum Expandieren der verdampften Flüssigkeit und zum Leisten von Arbeit; sowie einem ersten Kondensator zum Kondensieren des von der Turbine ausgestoßenen Dampfes und zur Bildung eines Kondensats, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhitzen des Kondensats ein zweiter Sonnenkollektor (14) vorgesehen ist und daß eine Einrichtung zum Rückführen des erhitzen Kondensats in die Entspannungsverdampfungskammer (16) vorgesehen ist.
9. Kraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind eine zweite Flüssigkeit zum Kühlen des Kondensators durch Verdampfen derselben; eine zweite Turbine (50) zum Expandieren der verdampften zweiten Flüssigkeit und zum Leisten von Arbeit; ein zweiter Kondensator (54) zum Kondensieren des von der zweiten Turbine (50) ausgestoßenen Dampfes und zur Bildung eines Kondensats; und eine Einrichtung zum Zurückführen des durch den zweiten Kondensator (54) gebildeten Kondensats in den ersten Kondensator (32).
10. Kraftwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei organischen Flüssigkeiten verschieden sind und daß die erste Flüssigkeit ausgewählt wird aus der Gruppe der bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten 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.
11. Binäres Rankine-Cyclus-Kraftwerk mit einem ersten Wärmeaustauscher zum Verdampfen einer ersten organischen Arbeitsflüssigkeit; einer ersten Turbine zum Expandieren der verdampften Arbeitsflüssigkeit, die durch den ersten Wärmeaustauscher gebildet wird, und zum Leisten von Arbeit; einem zweiten Wärmeaustauscher für die Aufnahme einer zweiten organischen 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; eine Einrichtung zum Zurückführen des durch den zweiten Wärmeaustauscher gebildeten Kondensats in den ersten Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind eine zweite Turbine (50) zum Expandieren der verdampften Arbeitsflüssigkeit, die durch den zweiten Wärmeaustauscher (32) gebildet worden ist, und zum Leisten von Arbeit; einen Kondensator 154) zum Kondensieren der expandierten Dämpfe der zweiten Arbeitsflüssigkeit, die von der zweiten Turbine ausgestoßen werden, zur Bildung eines zweiten Arbeitsflüssigkeitskondensats; und eine Einrichtung zum Zurückführen des zweiten Arbeitsflüssigkeitskondensats in den zweiten Wärmeaustauscher.
12. Kraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Arbeitsflüssigkeit ausgewählt wird aus der Gruppe der bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der bicyclischen oder heterobicyclischen Verbindungen, in denen ein Ring aromatisch ist und der andere kondensierte Ring nicht-aromatisch ist, und ihren Mischungen.
13. Kraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmeaustauscher einen Sonnenkollektor zum Erhitzen der ersten Arbeitsflüssigkeit umfaßt.
14. Kraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der ersten Arbeitsflüssigkeit um Tetralin handelt.
15. Kraftwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zweiten Arbeitsflüssigkeit um einen aliphatischen Kohlenwasserstoff handelt.
16. Kraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zweiten Arbeitsflüssigkeit um Heptan handelt.
17. Kraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmeaustauscher in Form eines Kernreaktors vorliegt.
18. Kraftwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der ersten Arbeitsflüssigkeit um Naphthalin handelt.
19. Kraftwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zweiten Arbeitsflüssigkeit um einen aliphatischen Kohlenwasserstoff handelt.
20. Kraftwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zweiten Arbeitsflüssigkeit um Wasser handelt.
21. Rankine-Cyclus-Kraftwerk mit einer Kernreaktor-Wärmequelle zum Verdampfen einer Arbeitsflüssigkeit, die einer Turbine zugeführt wird, und einem Kondensator zum Kondensieren des von der Turbine ausgestoßenen Dampfes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeit vorgesehen ist, die als Moderator, Kühlmittel und Arbeitsflüssigkeit wirkt, wobei die Flüssigkeit ausgewählt wird aus der Gruppe der bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten bicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der heterobicyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, der substituierten 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.
22. Kraftwerk nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit,die als Moderator fungiert, deuteriert ist.