DE4317947C1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung thermischer Energie eines Mediums in mechanische Arbeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung der einem Medium in­ newohnenden thermischen Energie in mechanische Arbeit durch eine Wärme­ kraftmaschine über einen Kreisprozeß, der zwischen einem hohen und einem niedri­ gen Temperaturniveau betrieben wird und bei dem die beim Abkühlen des Mediums freigesetzte thermische Energie zur Temperaturerhöhung des Mediums beim Erwär­ men übertragen wird, weiterhin auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens und auf die Verwendung von Regeneratoren bestimmter Abmessungen mit einer Wärmespeichermasse aus Schüttgut, beispielsweise wie sie aus der DE 42 36 619 bekannt sind.

Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird versucht, sich bei Wärme­ kraftmaschinen weitgehendst an den Carnot-Prozeß anzulehnen. Beim Carnot-Prozeß wird ein Medium adiabatisch komprimiert, anschließend in einem isothermen Prozeß Arbeit geleistet. Dann wird das Gas adiabatisch expandiert und anschließend in ei­ nem isothermen Prozeß komprimiert, bei welchem Energie in Form von Wärme auf niedrigem Niveau abgeführt wird. Derartige Wärmekraftmaschinen arbeiten zwischen einem hohen und einem niedrigen Temperaturniveau und sind geeignet, die thermi­ sche Energie eines Mediums in mechanische Energie umzusetzen, wobei der theoretische Wirkungsgrad nur durch die Temperaturdifferenz von hohem zu nied­ rigem Temperaturniveau begrenzt ist. Der Carnot-Prozeß hat weiter den Vorteil, daß er den höchst möglichen, nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erlaubten Wirkungsgrad liefert.

Technisch ist dieser Prozeß jedoch kaum zu verwirklichen, da bei hohen Temperaturdifferenzen, also hohen Wirkungsgraden, auch ein sehr hoher Druckun­ terschied bei der Kompression erzeugt werden muß. Deswegen wurde von J. Acke­ ret und C. Keller ein anderes Verfahren vorgeschlagen (AK-Verfahren), welches statt der adiabatischen Kompression und Expansion isobare Prozesse verwendet, also Pro­ zesse bei denen definitionsgemäß der Druck bei Temperaturänderung gleich bleibt. Bei der Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums muß aber in dem isobaren Teil des Kreislaufs eine große Energiemenge wieder zugeführt werden, die bei der isobaren Abkühlung wieder frei wird. Diese Energie wird beim AK-Prozeß durch Wärmetau­ scher übertragen.

Theoretisch sollte sich also bei einer Maschine, die nach dem AK-Prozeß arbeitet, ein ähnlich guter Wirkungsgrad einstellen wie bei dem Carnot-Prozeß, wenn die Wärme­ übertragung zwischen den isobaren Verläufen des Kreisprozesses vollständig erfolgt.

Dies stellt hohe Anforderungen an die Wärmetauscher. Als Wärmetauscher sind ein­ mal sogenannte Rekuperatoren bekannt. Dies sind Einrichtungen, die von zwei Fluiden durchströmt werden, von denen das eine Wärme an das andere abgibt, wo­ bei die Fluide durch eine feste Wand voneinander getrennt sind. Im Gegensatz dazu gibt es Regeneratoren, die ein als Wärmespeichermittel besonders gut geeignetes Material umfassen. Der Wärmetausch wird dadurch durchgeführt, daß die Strömun­ gen des wärmeabgebenden und des zu erwärmenden Fluids abwechselnd durch einen oder den anderen Regenerator geführt werden. Das Wärmespeichermaterial nimmt dabei die zu tauschende Energie auf bzw. gibt sie ab.

Bei Rekuperatoren hängt der Wärmetausch im wesentlichen davon ab, wie der Wär­ meübergang durch die genannte Wand stattfindet und welche Zeit aufgrund der Länge der Austauschflächen für einen Wärmetausch zur Verfügung steht. Bei sehr großen Flächen des Wärmetauschers muß allerdings auch mit einem entsprechend großen Wärmeverlust aufgrund der nach außen dringenden bzw. gelangenden Wärme gerechnet werden, so daß man ihn möglichst klein dimensionieren wird. Damit alle Teilbereiche des Fluids mit der austauschbaren Wand in Wechselwirkung kommen, muß der Querschnitt der Rohre entsprechend eng sein, was zu einem Druckabfall über den Wärmetauscher führt. Ein solcher Druckunterschied ist nachteilig, da da­ durch ein Teil der maximal möglichen Arbeit verloren geht. Selbst wenn der Wärme­ tauscher mit größeren Querschnitten für die Fluide ausgelegt wird, muß wegen der größeren Länge ebenfalls mit einem Druckabfall über den Wärmetauscher gerechnet werden. Ferner lassen sich Rekuperatoren nur für Temperaturen bis 600°C bauen, wodurch schon der thermodynamische maximal erreichbare Wirkungsgrad begrenzt ist.

Bei Rekuperatoren entstehen, wie dargestellt, Verluste durch schlechtere Isolierung und den Druckabfall über den Wärmetauscher. In der Praxis wird daher kaum der hohe Wirkungsgrad mit Hilfe von Wärmetauschern erreicht, wie er aus dem Carnot- Prozeß möglich sein sollte und wie er durch den zweiten Hauptsatz der Thermo­ dynamik bestimmt ist.

Bei Regeneratoren gibt es ähnliche Probleme, da dort die Wärmeübertragung eben­ falls wie bei den Rekuperatoren auf ein anderes Medium, aber hier das Wärmespei­ chermittel, übertragen werden muß. Es ergibt sich aber auch ein zusätzliches Pro­ blem, da das Fluid in dem Wärmespeichermittel kältere und wärmere Stellen erzeugt, zwischen denen eine Konvektion, insbesondere ein Rückstrom, stattfinden kann, der über die Länge des Regenerators einen Temperaturausgleich herbeiführt und den Wirkungsgrad für die Wärmeüberführung senkt. Theoretische Berechnungen bei Re­ generatoren haben bisher gezeigt, daß eine mit Regeneratoren statt Rekuperatoren ausgestattete Wärmekraftmaschine keinen Vorteil bezüglich des Wirkungsgrades bringt.

Eine Erhöhung des Wirkungsgrades stellt aber eine grundsätzliche technische Auf­ gabe dar, nämlich einerseits um die Energiekosten zu senken, andererseits wird aber gerade heutzutage deutlich, daß die einen schlechten Wirkungsgrad bedingende überschüssige Wärme auch negative Einflüsse auf die Umwelt hat.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und dazugehörige Vorrichtungen für einen einen Wärmeaustausch beinhaltenden Kreisprozeß zu schaffen, dessen Wir­ kungsgrad gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Medium ein erstes und ein zweites Wärmespeichermittel durchströmt, bei dem die beim Abkühlen des Mediums freiwerdende thermische Energie in dem ersten Wärmespeichermittel gespeichert wird, bei dem die Energieerhöhung des Mediums beim Erwärmen zumindest teilweise durch Energiezufuhr aus dem zweiten Wärme­ speichermittel erfolgt, bei dem die Strömungswege des Mediums durch das erste und zweite Wärmespeichermittel vertauscht werden, so daß nach einem geeigneten Zeitintervall das erste Wärmespeichermittel als zweites Wärmespeichermittel und das zweite Wärmespeichermittel als erstes Wärmespeichermittel wirkt und bei dem die Energiespeicherung in den Wärmespeichermitteln so erfolgt, daß nach Speichern von Energie in dem ersten Wärmespeichermittel eine räumliche Temperaturverteilung ent­ steht, deren Temperaturgradient im Bereich der höchsten Temperatur in Richtung auf Bereiche niedriger Temperatur zunimmt.

Dieses Verfahren entspricht also im wesentlichen dem im Stand der Technik geschil­ derten Verfahren mit Regeneratoren, allerdings mit der erfinderischen Maßgabe, daß im Wärmespeichermittel eine Temperaturverteilung entsteht, deren Temperaturgradi­ ent im Bereich der höchsten Temperatur in Richtung auf Bereiche niedriger Tempera­ tur zunimmt. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu dem üblichen gleichmäßigen Temperaturverlauf, wie er bei Wärmetauschern und Regeneratoren nach dem Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund des erfindungsgemäß verwendeten Wärme­ speichermaterials mit dem angegebenen Temperaturverlauf ist die Wärme besser als beim Stand der Technik im Bereich hoher Temperaturen lokalisiert, so daß weniger Wärme als Verlust abfließen kann. Dadurch sind auch höhere Temperaturdifferenzen zwischen dem hohen und dem niedrigen Temperaturniveau möglich, was den theore­ tisch erreichbaren Wirkungsgrad erhöht.

Regeneratoren mit der erwünschten Art von Wärmespeichermitteln sind aus der DE 42 36 619 bekannt. Wie im Ausführungsbeispiel gezeigt werden wird, gelingt es, thermische Wirkungsgrade bei einer Wärmekraftmaschine von 68% zu erhalten, bei Temperaturdifferenzen, die einen Carnot-Wirkungsgrad von ungefähr 75% ergeben. Der technisch erreichbare Wirkungsgrad liegt also in der Nähe einer Carnot-Ma­ schine, was vor allen Dingen darauf zurückzuführen ist, daß der Wärmeaustausch mit Regeneratoren erfindungsgemäß günstiger geführt werden kann als beim Stand der Technik.

Außerdem lassen Regeneratoren wesentlich höhere Temperaturen zu als Rekuperato­ ren, was auch den maximalen erreichbaren Wirkungsgrad erhöht.

Einleitend wurde auch bereits ausgeführt, daß ein Teil der theoretisch erzeugbaren mechanischen Arbeit durch diejenige Arbeit verlorengeht, die bei der Druckänderung im Wärmetauscher auftritt. Dieser Anteil ist bei der vorgeschlagenen Temperaturverteilung im Wärmespeichermittel unter anderem deshalb geringer als bei den üblichen Wärmetauschern, da aufgrund der Temperaturverteilung die Wärme­ menge besser lokalisiert ist und in dem kleineren Bereich, in welchem dem Medium die Wärmemenge zugeführt wird, ein wesentlich geringerer Druckabfall stattfindet.

Wie einleitend schon erwähnt, ist ein wesentlicher Faktor für die Wärmeverluste durch die Konvektion und vor allen Dingen durch die Rückströmung gegeben, die bei einem Wärmespeichermittel einen Temperaturausgleich von niedrigerer zu höherer Temperatur bewirken könnte und damit die als vorteilhaft erkannte Temperaturver­ teilung nachteilig beeinflussen würde.

Deshalb sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, eine Druckänderung des Mediums beim Fließen durch das Wärmespeichermittel vorzusehen, die eine Rückströmung verhindert.

Damit wird vor allem der Kamineffekt verhindert, der dadurch entsteht, daß Teil­ ströme des Mediums von wärmeren Orten zu kälteren Orten fließen. Die Druckände­ rung sollte aber nach dem vorher gesagten nicht zu groß sein, damit die mechani­ sche Arbeit durch Ausdehnung bzw. Zusammendrücken des Mediums beim Durch­ strömen des Regenerators keine wesentliche Reduktion des Wirkungsgrads verur­ sacht.

Wie vorstehend schon deutlich wurde, ist bei der Verwendung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens vor allen Dingen auf die Temperaturverteilung zu achten, die sich in dem Wärmespeichermittel einstellt. Eine vorzugsweise Weiterbildung sieht vor, daß das Wärmespeichermittel Schüttgut mit einer Korngröße kleiner als 15 mm ist. Eine derartig kleine Korngröße ermöglicht einmal eine Druckänderung des Mediums ent­ lang des Wärmespeichermittels, um die Konvektion zu verhindern, zum anderen sor­ gen sehr kleine Körner des Schüttgutes dafür, daß zur Aufnahme der Wärmemenge im Schüttgut eine sehr große Oberfläche zur Verfügung steht, weshalb die Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe schnell und wirkungsvoll erfolgt. Außerdem wird dadurch eine hohe Leistungsdichte erreicht. Das hat zur Folge, daß die den Wir­ kungsgrad verringernde Druckänderung des Mediums beim Aufheizen sehr gering ist, da diese nur in einem kleinen Raumbereich erfolgt, wodurch der Beitrag der vom Me­ dium beim Aufheizen verrichteten Arbeit dementsprechend klein gehalten werden kann.

Wie Generatoren mit besonders kleiner Korngröße für die Schüttung ausgeführt wer­ den können, ist beispielsweise in der DE-OS 42 38 652 beschrieben.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die zur Umwandlung in mechanische Arbeit benötigte thermische Energie in dem Kreisprozeß durch Ver­ brennung von Brennstoffen in dem ersten oder zweiten Wärmespeichermittel zuge­ führt wird.

Auch diese Maßnahme verringert die Verluste beim erfindungsgemäßen Verfahren. Im Stand der Technik sind nämlich üblicherweise Wärmetauscher und Erhitzer von­ einander getrennt, wodurch für das Medium Verluste beim Übertragen vom Wärmetauscher zum Erhitzer auftreten können. Außerdem muß bei der Ausführung nach dem Stand der Technik ein zusätzlicher Aufwand für die Wärmeisolierung ge­ trieben werden, da Erhitzer, Zuleitung und Wärmetauscher isoliert werden müssen. Dagegen ist es gemäß der Weiterbildung möglich, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der gleichzeitigen Heizung des Mediums im Wärmespeichermittel auch die entsprechenden Vorrichtungen wesentlich kompakter zu bauen, was den Auf­ wand für die Isolierung erniedrigt. Weiter werden Wärmeverluste des Brenners, wenn das Erwärmen innerhalb des Speichermediums geschieht, von dem Wärmespeicher­ mittel selbst aufgenommen und stehen dem weiteren Prozeß zur Verfügung.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Kreisprozeß für das Medium näherungsweise dem AK-Kreislauf nachgebildet und folgende Schritte durchgeführt:

• a) zumindest näherungsweise isotherme Kompression des Mediums auf niedrigem Temperaturniveau,
• b) nahezu isobare Erwärmung des Mediums auf das hohe Temperaturniveau unter Zufuhr von thermischer Energie aus dem zweiten Wärmespeichermittel,
• c) Gewinnung mechanischer Arbeit durch Druck und Temperaturänderung des Me­ diums,
• d) Abkühlung des Mediums, indem es durch das erste Wärmespeichermittel geleitet wird, das einen Teil der Energie des Mediums aufnimmt,

wobei nach einem geeigneten Zeitintervall die Strömungswege des Mediums durch die Wärmespeichermittel geändert werden, so daß das erste Wärmespeichermittel als zweites Wärmespeichermittel und das zweite Wärmespeichermittel als erstes Wär­ mespeichermittel wirkt.

Wie einleitend schon erwähnt, hat der AK-Prozeß einen großen theoretischen Wir­ kungsgrad, da er dem Carnot-Prozeß ähnlich nachgebildet ist, jedoch kann auf die im Carnot-Prozeß benötigten hohen Drücke verzichtet werden. Die besonderen Eigen­ schaften und Vorteile des AK-Verfahrens sind:

• 1) Lastregelung ist durch eine Druckpegeländerung bei konstanter Temperatur mög­ lich.
• 2) Der Wirkungsgrad ist über einen großen Lastbereich konstant.
• 3) Man braucht keine Regelorgarie im Bereich hoher Temperatur.
• 4) Es werden keine hohen Drücke benötigt.
• 5) Die Abmessungen von Maschinen und Apparaten sind klein und eine kompakte Bauweise einer Wärmekraftmaschine ist möglich.
• 6) Nahezu alle Brennstoffe sind verwendbar.
• 7) Es wird nur wenig Kühlwasser benötigt, bzw. es kann auch eine reine Luftkühlung verwendet werden.
• 8) Es sind große Einheitsleistungen möglich.
• 9) Als Medium können verschiedene Gase oder Flüssigkeiten verwendet werden.

Wie einleitend dargestellt, kann aber der AK-Kreislauf technisch nur näherungsweise verwirklicht werden, da im Wärmetauscher ein zumindest kleiner Druckverlust vor­ handen ist und dadurch Erwärmung und Abkühlung des Mediums nicht vollständig isobar verlaufen können. Weiter ist die Kompression des Mediums nur näherungs­ weise isotherm durchführbar. Zur Verwirklichung der technischen Annäherung an den AK-Prozeß wird gemäß einer Weiterbildung mittels einer Anzahl von hinterein­ ander geschalteter Kompressionsstufen komprimiert, wobei zwischen den Kompres­ sionsstufen auf eine Temperatur gekühlt wird, die nahe dem niedrigen Tem­ peraturniveau liegt.

Das Hintereinanderschalten mehrerer Stufen kann den isothermen Verlauf im AK-Pro­ zeß zwar nur annähern, jedoch erhöht diese Annäherung den Wirkungsgrad gegen­ über einer adiabatischen Kompression deutlich. Bei nur einer einzigen Stufe, bzw. ei­ ner rein adiabatischen Kompression, würde der Thompson-Prozeß dominieren, der insbesondere bei großen Drücken den thermischen Wirkungsgrad stark erniedrigt.

Bei Kraftwerken großer Leistung ist eine Kühlung mit Luft nicht angebracht. Man wird dort die Leistung im wesentlichen über Kühlwasser abführen, was allerdings den Nachteil großer Kühltürme und einen hohen Wasserbedarf nach sich zieht.

Deshalb sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, daß die Kühlung des Mediums zwi­ schen den Kompressionsstufen in einer Füllkörpersäule im Gegenstrom mit Wasser erfolgt.

Dadurch wird eine besonders effektive Kühlung erreicht.

Die Effektivität kann noch weiter erhöht werden, wenn die Ströme der spezifischen Wärme des Wassers und des Mediums gleich sind.

Dadurch erreicht man die Abkühlung mit einem Minimum an Wasser. Mit der Aus­ kopplung der Heizenergie durch Wasser wird die Ausnützung der übrigbleibenden thermischen Energie zur Heizung möglich. Bei Nichtbedarf von Heizenergie wird aber auch der Aufwand für die Rückkühlung im Kühlturm wesentlich geringer.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Anzahl der Kompressionsstufen grö­ ßer als zwei und vorzugsweise vier.

Nach dem oben gesagten ist es für die Nachbildung des AK-Prozesses besonders wichtig, die Druckerhöhung isotherm durchzuführen. Daraus folgt, daß die Anzahl der Kompressionsstufen sehr groß sein sollte. Bei wesentlich mehr als vier Kompressionsstufen wird der thermische Wirkungsgrad nur noch wenig gesteigert, es wächst jedoch der maschinelle Aufwand, so daß zu viele Stufen nicht mehr wirt­ schaftlich sind. Aufgrund von Berechnungen an Ausführungsbeispielen werden vier Kompressionsstufen bevorzugt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird auch der Schritt zur Ge­ winnung mechanischer Arbeit im wesentlichen isotherm und in mehreren Stufen ge­ führt, wobei in jeder Stufe Druck und Temperatur des Mediums verringert werden und die Temperatur des Mediums zwischen nachfolgenden Stufen zumindest annä­ hernd wieder auf das hohe Temperaturniveau erhöht wird.

Damit wird auch bei der Gewinnung mechanischer Arbeit der isotherme Verlauf des AK-Prozeß möglichst weit angenähert. Es ist zwar auch möglich, die mechanische Energie durch einen adiabatischen Prozeß zu gewinnen, der Wirkungsgrad wird im AK-Prozeß aber durch die isotherme Gewinnung mechanischer Arbeit erhöht. Außer­ dem können dann höhere Drücke ohne Wirkungsgradverlust verwendet werden, wo­ durch die spezifische Leistung des Mediums verbessert wird.

Der der Gewinnung mechanischer Arbeit dienende Teil des Kreisprozesses wird in verschiedenen Stufen geführt, in denen jeweils eine mechanische Teilarbeit gewon­ nen wird, wobei sich Temperatur und Druck in jeder Stufe absenken. Nachfolgend wird wieder auf das höhere Temperaturniveau geheizt, bevor das Medium in die nächste Stufe eingeleitet wird. Theoretische Berechnungen an einem Ausführungs­ beispiel haben gezeigt, daß man dadurch thermische Wirkungsgrade auf über 67% anheben kann, während reine adiabatische Prozesse für die Energiegewinnung in der Größenordnung von 60% liegen. Die Absenkung des Wirkungsgrades kann man um­ gehen, wenn die Druckerhöhung des Mediums im Kreislauf geringer gewählt wird, wobei aber die erreichbare spezifische Leistung des Mediums absinkt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren so durch­ geführt, daß der Strom der spezifischen Wärme in das erste Wärmespeichermittel gleich dem Strom der spezifischen Wärme aus dem zweiten Wärmespeichermittel ist. Mit dem Strom der spezifischen Wärme ist die Änderung des Wärmemengenstromes mit der Temperatur gemeint, der auch als Wasserwert bezeichnet wird. Aufgrund der in der Weiterbildung verwendeten ausgeglichenen Bilanz der Ströme spezifischer Wärme wird sichergestellt, daß ungefähr die gleichen Energien übertragen werden und die Zeitintervalle für die Umschaltung konstant bleiben.

Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung wird zur Erzeugung der gleichen Ströme spezifischer Wärme in das erste Wärmespeichermittel bzw. aus dem zweiten Wärmespeichermittel ein Teilstrom des Mediums abgezweigt, der einen Teil der spezifischen Wärme mit sich führt.

Durch diese Maßnahme wird die obengenannte Energiebilanz aufgrund der Wärme­ strömung aufrechterhalten. Die dadurch abgeführte Wärme ist nicht verloren, da sie beispielsweise für ein Fernwärmenetz verwendet werden kann. Andere Möglichkeiten den abgezweigten Wärmestrom zu verwenden, sind in den folgenden Weiterbildun­ gen verwirklicht.

Danach wird ein Teilstrom des Mediums abgezweigt, der teilweise zur Leistung me­ chanischer Arbeit verwendet wird.

Dabei kann es sich um einen Teilstrom handeln, wie er vorher erwähnt wurde, oder auch einen gesondert abgezweigten Teilstrom zum Ausgleich der Energiebilanz an ir­ gendeinem Ort der Wärmekraftmaschine. Dadurch, daß dieser Strom auch teilweise zur Erzeugung mechanischer Arbeit verwendet wird, kann der Wirkungsgrad der ge­ samten Maschine weiter erhöht werden, selbst wenn die mit dem Teilstrom gewon­ nene mechanische Arbeit mit geringerem Wirkungsgrad erzeugt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Teilstrom des Mediums abgezweigt, mit dem Brennstoff erwärmt wird.

Auch diese Maßnahme erhöht den Wirkungsgrad, da die Energie zur Erwärmung des Brennstoffes sonst aus der Energie des Brennstoffs abgezogen würde. Insbesondere wird dadurch eine Wirkungsgraderhöhung erreicht, daß der Teilstrom des Mediums nach Erzeugung mechanischer Energie mit schlechterem Wirkungsgrad, wie oben be­ schrieben, zur Brennstofferwärmung verwendet wird, da dann der schlechtere Wir­ kungsgrad teilweise durch Weiternutzung der Abwärme energetisch kompensiert werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird ein anderer Teilstrom abgezweigt, mit dem in einem Vergasungssystem Kohle vergast wird.

Dies sollte vor allem auf hohem Temperaturniveau erfolgen, z. B. in der Größenord­ nung von 1000°C. Dabei wir die zur Vergasung benötigte Luft möglichst hoch ( 1300°) vorgeheizt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird Braunkohle vergast und das Gas als Brennstoff verwendet.

Braunkohle ist besonders vorteilhaft, da in ihr üblicherweise selbst Sauerstoff gebun­ den ist, der bei der Vergasung frei wird. Dadurch wird das Gas heizwertreicher, gleichzeitig handelt es sich um einen technisch einfachen Prozeß.

Bei einer Vergasung von Kohle entstehen Abgase mit 60% brennbaren Bestandteilen, die in dem vorher beschriebenen AK-Prozeß vorteilhaft eingesetzt werden können.

Prinzipiell lassen sich bei einem AK-Prozeß verschiedenste Medien verwenden. Ge­ mäß einer bevorzugten Weiterbildung ist aber das in dem Kreisprozeß geführte Me­ dium Luft. Luft ist leicht verfügbar, es sind keine besonderen Sicherheitsanforderun­ gen nötig und sie besitzt auch eine genügend hohe Wärmekapazität, um genügend thermische Energie in dem Kreislauf mitzuführen. Außerdem ist die Erhitzung von Luft unproblematisch, da keine Wärmetauscheinrichtungen notwendig sind.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die mechanische Ener­ gie mittels einer Gasturbine gewonnen.

Bei einer Gasturbine ist es besonders einfach, die Energie in mehreren Stufen zu ge­ winnen, wobei die einzelnen Stufen dann an eine gemeinsame Rotorachse gekoppelt werden. Die mechanische Energie kann sowohl für die Erzeugung der Kompressorlei­ stung als auch zur Erzeugung elektrischen Stromes von der Rotorachse abgenommen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung liegt das hohe Temperaturniveau über einer Temperatur von 1000°C und insbesondere bei 1300°C.

Die gemäß dem Verfahren erreichbaren hohen Wirkungsgrade sind physikalisch durch den theoretischen Wirkungsgrad des Carnot-Prozeß bestimmt und begrenzt. Deshalb sind die technisch erreichbaren Wirkungsgrade nur dann erzielbar, wenn auch dieser Wirkungsgrad möglichst hoch gewählt wird. Bei 1000°C gegenüber Umgebungs­ temperatur von etwa 20°C erreicht man einen theoretischen Wirkungsgrad von 75%. Man könnte mit der Temperatur noch wesentlich höher gehen, jedoch wird dann die technische Realisierung schwierig. Für die weiter unten beschriebenen Aus­ führungsbeispiele werden 1300°C bevorzugt.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, wird die niedrige Temperatur unterhalb von 150°C und insbesondere unterhalb von 50°C gewählt. Auch diese Maßnahme sorgt für einen hohen theoretischen Wirkungsgrad. Bei der stufenweisen Kompression wird durch die Abkühlung zwischen den Stufen vorteil­ hafterweise bei niedrigen Temperaturen nur wenig Energie abgeführt, was sich eben­ falls günstig auf die Energiebilanz auswirkt. Dabei muß man sich aber vor Augen hal­ ten, daß die hohen Temperaturdifferenzen von 1000°C im hohen Temperaturniveau und unter 50°C im niedrigen Temperaturniveau nur durch eine effektive Kühlung bzw. Heizung sowie bei nur geringen Energieverlusten durchführbar ist, wie es einlei­ tend durch die erfindungsgemäß verwendeten Wärmespeichermittel mit lokalisiertem Temperaturverlauf beschrieben wurde.

Zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens wird folgende Vorrichtung vor­ geschlagen, umfassend

• - eine Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine,
• - einen mehrstufigen Kompressor mit Kühlern, in dem ein Medium, insbesondere Luft, näherungsweise isotherm komprimiert wird,
• - einen ersten und einen zweiten Regenerator zum Wärmetauschen,wobei das Me­ dium auf das niedrige Temperaturniveau durch Abgabe einer Teilenergie an das Wärmespeichermittel des ersten Regenerators gekühlt wird und wobei das Medium in dem zweiten Regenerator auf ein hohes Temperaturniveau gebracht wird, und zwar zumindest teilweise mit der im Wärmespeichermittel des ersten Regenerators gespei­ cherten thermischen Energie, wobei auch mit zusätzlichen Brennstoffen Energie zu­ geführt werden kann,
• - Umschaltmittel zur Vertauschung des Strömungswegs vom ersten Regenerator und dem zweiten Regenerator, so daß der erste Regenerator als zweiter Regenerator wirkt und umgekehrt.

Eine derartige Vorrichtung ermöglicht alle beim Verfahren dargestellten Vorteile und läßt sich auch für die Weiterbildungen ausrüsten.

Wie beim Verfahren schon erwähnt wurde, ist insbesondere bei Kraftwerken großer Leistung eine effektive Kühlung zweckmäßig. Zur Kühlung sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung vor, daß mindestens einer der Kühler eine Füllkörper­ säule enthält, in der das zu kühlende Medium mit Kühlwasser im Gegenstrom gekühlt wird.

Eine Füllkörpersäule ermöglicht neben der effektiven Kühlung auch einen kompakten Aufbau. Insbesondere dadurch, daß das Medium im Gegenstrom gekühlt wird, wird eine besonders hohe Kühlleistung erzielt, wobei die Wärmemenge vollständig im Kühlwasser aufgenommen werden kann.

Zur Verringerung der benötigten Kühlwassermenge ist gemäß einer bevorzugten Wei­ terbildung für das Kühlwasser ein Kreislauf mit einer Umwälzpumpe vorgesehen.

Wie beim Verfahren schon erwähnt wurde, ist es für einen minimalen Kühlwasserbe­ darf zweckmäßig, die Ströme der spezifischen Wärme für das Kühlwasser und das Medium gleich groß zu halten. Diese Bedingung hängt stark davon ab, mit welcher Geschwindigkeit das Kühlwasser im Kreislauf umläuft. Deshalb ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung zweckmäßig, daß die Umwälzpumpe mit einer Pumpge­ schwindigkeit betreibbar ist, bei der die Ströme der spezifischen Wärme für das Kühlwasser und das Medium gleich groß sind.

Da die Kühlung zwischen den Kompressorstufen erfolgt, kann das Kühlwasser nicht ohne weiteres, d. h. ohne adiabatische Expansion, bei der weitere Arbeit verloren ginge, weiterbehandelt, z. B. einem Kühlturm zum Kühlen zugeführt werden.

Deswegen sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß der Kreislauf einen Wärmetauscher enthält, über den dem Kreislauf thermische Energie entnehm­ bar ist. Durch den Wärmetauscher entsteht eine Auskopplung von Heizenergie, die es möglich macht, die abgeführte Wärme zum Heizen (beispielsweise zum Fernhei­ zen) weiter zu verwenden. Bei Nichtbedarf der Heizenergie wird der Aufwand für die Rückkühlung im Kühlturm wesentlich geringer.

Wie schon oben beschrieben wurde, sollte der mehrstufige Kompressor mindestens zwei Stufen haben, andererseits aber die Anzahl der Stufen nicht zu groß sein, damit der technische Aufwand gegenüber dem möglichen Wirkungsgradgewinn angemes­ sen ist. Aufgrund dessen hat gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens der mehrstufige Kompressor der Vorrichtung mehr als zwei Stufen und insbesondere vier Stufen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist eine Zusatzturbine vor­ gesehen, die mechanisch mit der ein- oder mehrstufigen Gasturbine gekoppelt ist und von einem Teilstrom des Mediums betrieben wird.

Wie vorstehend erklärt wurde, kann zur Aufrechterhaltung für die spezifischen Wär­ men der Strombilanz ein Teilstrom des Mediums abgezweigt werden. Dieser kann auch wieder eine ein- oder mehrstufige Gasturbine antreiben, so daß ein Teil der En­ ergie für die mechanische Arbeit zur Verfügung steht. LSt die Zusatzturbine nur ein­ stufig, arbeitet sie im wesentlichen adiabatisch und läuft mit einem nur geringen Wir­ kungsgrad, so daß eine hohe Abwärme des Teilstroms auftritt.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung eine Abzweigung für den Teilstroms des Mediums zwischen zweitem Re­ generator und Gasturbine vorgesehen. Dadurch befindet sich die Temperatur für die Zusatzturbine auf sehr hohem Temperaturniveau, so daß der Wirkungsgrad der Zu­ satzturbine annähernd so groß wird, wie ohne zusätzlicher Zufuhr thermischer Ener­ gie theoretisch möglich ist.

Gemäß einer anderen Weiterbildung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, bei dem der Teilstrom bei Verlassen der Zusatzturbine Brennstoff erwärmt.

Aufgrund dessen ist der Bedarf an zusätzlichem Brennstoff geringer, da kein Anteil des Heizwertes verlorengeht, um den Brennstoff erst auf eine höhere Temperatur zu bringen. Auch wird aufgrund dieser Maßnahme die Restwärme von der mit schlech­ terem Wirkungsgrad laufenden Zusatzturbine weiter verwendet, wodurch die En­ ergiebilanz innerhalb der Wärmekraftmaschine weiter verbessert wird.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist ein Wärmetau­ scher vorgesehen, in dem ein abgezweigter Teilstrom des Mediums den Brennstoff erwärmt. Aufgrund dieser Maßnahme ergibt sich entgegen der vorbeschriebenen Ab­ nahme eines Teilstromes hinter einer Zusatzturbine die Möglichkeit, an jeder Stelle einen Teil des Wärmestromes zur Erwärmung des Brennstoffs abzuzweigen, damit weniger zusätzlicher Brennstoff verwendet werden muß. Besonders vorteilhaft läßt sich diese Weiterbildung ausführen, wenn man den abgezweigten Teilstrom zur Er­ wärmung desjenigen Brennstoffs verwendet, mit dem die mechanische Arbeit quasi isotherm mit Hilfe des beschriebenen Stufenprozesses erzeugt wird, bei dem zwi­ schen zwei Stufen jeweils das Medium auf das höhere Temperaturniveau gebracht wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Abzweigung zwischen der ein- oder mehrstufigen Gasturbine und dem ersten Regenerator für den Teilstrom des Mediums zur Erwärmung des Brennstoffs vorgesehen.

Aufgrund dieser Maßnahme erfolgt die Abzweigung des Teilstroms des Mediums zur Brennstofferwärmung auf einem hohen Temperaturniveau, so daß die Brennstoffvorwärmung effektiv verläuft und für den quasiisothermen Stufenprozeß nur wenig Brennstoff verwendet werden muß. Durch die Abzweigung des Teilstro­ mes hinter der Gasturbine, wird auch keine Energie entnommen, die zur Leistung mechanischer Arbeit verwendet wird.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung zur Durchführung ei­ nes der obengenannten Verfahren gekennzeichnet durch:

• - Einen mehrstufigen Kompressor und Kühlern, in dem ein Medium, insbesondere Luft, näherungsweise isotherm komprimiert wird,
• - eine Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine,
• - einen ersten und einen zweiten Regenerator zum Wärmetauschen, wobei das Me­ dium in dem ersten Regenerator auf das niedrige Temperaturniveau durch Abgabe ei­ ner Teilenergie des Mediums an das Wärmespeichermittel des ersten Regenerators gekühlt wird, und wobei das Medium in dem zweiten Regenerator auf ein hohes Temperaturniveau aufgrund der in dem Wärmespeichermittel des ersten Reaktors gespeicherten Wärme gebracht wird,
• - eine Abzweigung für das Medium zwischen dem zweiten Regenerator und der Gasturbine, die einen Teilstrom des Mediums auf hohem Temperaturniveau abzweigt,
• - ein Vergasungssystem für Kohle, insbesondere Braunkohle, in das der Teilstrom des Mediums auf hohem Temperaturniveau eingeleitet wird,
• - Brenneinrichtungen, die das Medium mit Hilfe des durch die Vergasung entstehen­ den Gases aufheizen,
• - Umschaltmittel zur Vertauschung des Strömungswegs vom ersten Regenerator und dem zweiten Regenerator, so daß der erste Regenerator strömungs- und wärmeüber­ tragungsmäßig als zweiter Regenerator wirkt und umgekehrt,

wobei das Wärmespeichermittel im ersten und zweiten Regenerator geeignet ist, eine räumliche Temperaturverteilung aufrechtzuerhalten, deren Temperaturgradient nach Speicherung von Wärme im Bereich der höchsten Temperatur in Richtung auf klei­ nere Temperaturen zunimmt.

Mit einer derartigen Vorrichtung wird insbesondere das bei dem Verfahren angege­ bene Kohlevergasungssystem verwirklicht, es können somit alle beim Verfahren ge­ schilderten Vorteile erreicht werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist auch eine Zusatzturbine vorgesehen, in der das Gas aus dem Vergasungssystem expandiert wird, wobei die Zusatzturbine einen Beitrag zur Abgabe der mechanischen Arbeit leistet.

Eine ähnliche Zusatzturbine mit den entsprechenden Vorteilen bezüglich der Erhö­ hung des Wirkungsgrades ist schon oben dargestellt worden. Die genannten Vorteile lassen sich auch bei einer mit vergaster Kohle arbeitenden Vorrichtung ausnutzen. Lm Unterschied zu der in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Zusatzturbine dient sie aber zusätzlich zur Expansion des durch Vergasung gewonnenen Brenn­ stoffs.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das expandierte Gas aus der Zusatzturbine verbrannt und damit das Abgas aus der ein- oder mehrstu­ figen Gasturbine geheizt.

Diese Vorrichtung ist anders ausgestaltet als die vorhergehend beschriebene Vorrich­ tung ohne Braunkohlevergasung. Da das Gas selbst der Brennstoff ist, muß nicht vorgewärmt werden. Das Gas kann deshalb auch zur Heizung des Abgases aus der mehrstufigen Gasturbine benutzt werden. Die thermische Energie wird dann dem er­ sten Regenerator zugeführt, während bei den vorerwähnten Vorrichtungen im we­ sentlichen der zweite Regenerator beheizt wird. Eine derartige Anordnung erlaubt eine Führung des Prozesses bei der Vergasung mit weniger Verlusten, da das Abgas aus der Zusatzturbine selbst schon eine hohe Temperatur hat und eine Abkühlung im AK-Prozeß vor der Heizung unzweckmäßig wäre.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Vergasungssystem ein zir­ kulierender Wirbelschichtreaktor.

Ein derartiger Reaktor zeichnet sich dadurch aus, daß schon bei geringen Temperatu­ ren effektiv Kohle vergast werden kann.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat die Vorrichtung ein Filtersystem, welches das aus dem Vergasungssystem austretende Gas reinigt. Durch das Ausfiltern von Staubteilchen wird die Turbine geschont.

Bei einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung enthält das Filtersystem einen Elektrofilter. Derartige Filter sind vor allen Dingen für eine gute und wirkungsvolle Reinigung geeignet, haben aber den Nachteil, daß sie nur bei geringen Temperaturen, verglichen mit den im Verfahren verwendeten, arbeiten.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist deshalb ein Wärmetauscher vorgesehen, in dem das Gas aus dem Vergasungssystem für die Filterung gekühlt wird und nach der Filterung im Gegenstrom durch den Wärmetauscher rückgeführt wird, um die Temperatur wieder zu erhöhen.

Aufgrund dieser Maßnahme ist es möglich, Elektrofilter im niedrigen Tempe­ raturniveau zu betreiben, gleichzeitig aber auch das hohe Temperaturniveau mit nur geringen Verlusten zurückzugewinnen.

Die Temperatur wird für Elektrofilter abgesenkt, da die heute verfügbaren Elektrofilter nur bei geringen Temperaturen bis etwa 200°C betreibbar sind. Mit dem Wärmetau­ scher wird die Temperatur zum Betrieb eines Elektrofilters abgesenkt und bei der Rückführung des Gases vom Filter nimmt dieses die entzogene Energie wieder auf. Bei entsprechender Auslegung des Wärmetauschers können Verluste aufgrund dieses Prozesses gering gehalten werden.

Gemäß einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung liegt bei der Vorrichtung die Ver­ gasungstemperatur bei 1000°. Dabei sollte die Vergasungslufttemperatur minde­ stens 1300° betragen.

Wie bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung, soll auch bei der mit Braunkohle­ vergasung arbeitenden Vorrichtung eine möglichst effektive Kühlung zwischen den Stufen des mehrstufigen Kompressors erfolgen. Dementsprechend sind auch hier die folgenden vorteilhaften Weiterbildungen vorgesehen:

• 1) Daß mindestens einer der Kühler eine Füllkörpersäule enthält, in der das zu küh­ lende Medium mit Kühlwasser im Gegenstrom gekühlt wird;
• 2) daß für das Kühlwasser ein Kreislauf mit einer Umwälzpumpe vorgesehen ist;
• 3) daß die Umwälzpumpe mit einer Pumpgeschwindigkeit betreibbar ist, bei der die Ströme der spezifischen Wärmen für das Kühlwasser und das Medium einander gleich sind;
• 4) daß der Kreislauf einen Wärmetauscher enthält, über den dem Kreislauf thermi­ sche Energie entnehmbar ist.

Wie vorstehend schon beschrieben, wird mit Hilfe dieser Weiterbildungen erreicht, daß einerseits die Abkühlung auf Umgebungstemperatur mit einem Minimum an Was­ ser erfolgt und andererseits fast auf die Eintrittstemperatur des Gases erhitzt wird, so daß eine Auskopplung von Heizenergie möglich wird oder, bei Nichtbedarf, der Aufwand für die Rückkühlung im Kühlturm wesentlich verringert wird.

Schließlich betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines Regenerators mit einem Wärmespeichermittel aus Schüttgut zum Wärmetauschen bei der Umwandlung ther­ mischer Energie eines Mediums in mechanische Energie, bei dem der Anstieg des Druckverlustes während der Heizphase fünf Mal so groß ist, wie der Wert aus ρ·g·h, wobei ρ die Gasdichte bei einer Temperatur von 20°C, g die Erdbe­ schleunigung und h die Höhe des Regenerators ist. Ein derartiger Regenerator ist aus der Patentanmeldung DE 42 36 619.4 bekannt. Die Wahl des Druckverlustes in der Heizphase verhindert vor allem einen Wärmeausgleich aufgrund von Kamineffekten, so daß sich die beschriebene Temperaturverteilung einstellt, mit der das erfindungs­ gemäße Verfahren besonders günstig durchführbar ist.

Gemäß einer Weiterbildung wird bei dem genannten Regenerator Schüttgut mit einer Korngröße kleiner als 15 mm verwendet.

Aufgrund der geringen Korngröße ist die Wärmeübertragung in das Wärmespeicher­ mittel besonders effektiv und es kann eine hohe Leistungsdichte erzeugt werden.

Eine hohe Leistungsdichte gewährleistet, daß nur geringe Verluste entstehen, da mit der hohen Dichte auch das Oberflächen/Volumenverhältnis verbessert wird und somit die möglicherweise durch die Oberfläche abströmende Wärme vermindert ist.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich auch aus den nachfolgenden Ausfüh­ rungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild des Temperaturverlaufs in einem Reaktor gemäß der DE 42 36 619.4, wie er in den folgenden Ausführungsbeispielen verwendet wird;

Fig. 2 eine Gegenüberstellung des Carnot-Prozesses und des AK-Prozesses in zwei Schaubildern;

Fig. 3 ein Schaubild eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung gemäß dem er­ findungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3a bis 3d in Schaubildern dargestellte Ergebnisse von Berechnungen von ther­ mischem Wirkungsgrad, dimensionsloser spezifischer Leistung und Temperaturen für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3;

Fig. 4 ein Schaubild eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 4a bis 4d in Schaubildern dargestellte Ergebnisse von Berechnungen von ther­ mischem Wirkungsgrad, dimensionsloser spezifischer Leistung und Temperaturen für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4;

Fig. 5 ein Schaubild einer Vorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem Braunkohle vergast wird, und

Fig. 6 ein Schaubild eines Kühlers zur Verwendung in dem Verfahren bzw. in den Vorrichtungen gemäß Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 5.

Fig. 1 zeigt eine Temperaturverteilung′ wie sie bei einem Regenerator gemäß der Pa­ tentanmeldung DE 42 36 619.4 erreichbar ist. Diese Regeneratoren werden in den folgenden Ausführungsbeispielen für Wärmekraftmaschinen verwendet.

Diese Regeneratoren enthalten als Wärmespeichermittel ein Schüttgut, dessen Kör­ nung kleiner als 15 mm gewählt ist, wodurch eine hohe Leistungsdichte erreicht wird. Weiter wird durch diese Schüttung ein Druckanstieg erzielt, der wesentlich größer als der Druckunterschied ist, der zum Kamineffekt beiträgt, über den sich die Temperaturverteilung ausgleichen könnte, so daß eine Rückströmung verhindert wird.

Entsprechend wird in dem Diagramm von Fig. 1, in dem die Temperatur in °C ge­ genüber der Schichtdicke der Schüttung aufgetragen ist, eine sehr lokal begrenzte Temperaturverteilung gemessen.

In diesem Diagramm ist eine Kurve 1 eingezeichnet, die eine Temperaturverteilung bei herkömmlichen Regeneratoren und Wärmetauschern darstellt. Aufgrund des Wärmeausgleichs stellt sich ein gleichmäßiger Abfall von der höchsten Temperatur, hier 1200°C, zu der niedrigsten Temperatur bei etwa 950°C ein. Eine derartiger Temperaturverlauf ist auch bei Rekuperatoren zu erwarten, da dort ein Wärmeüber­ gang aufgrund von Wärmeleitung erfolgt, wobei die Wärmeleitung aber auch in Längsrichtung der wärmeaustauschenden Fluide wirkt, so daß entsprechend den sta­ tionären Lösungen der Wärmeleitungsgleichung immer eine im wesentlichen lineare Temperaturabhängigkeit, also mit einem konstanten Temperaturgradienten erreicht wird.

Bei Regeneratoren der genannten Patentanmeldung wird durch Einstellung von Druckunterschieden jedoch ein Temperaturausgleich über Konvektion vermieden, so daß sich eine andere Temperaturverteilung einstellt, die im wesentlichen auf die Wärmeaufnahme des Schüttgutes zurückzuführen ist.

Entsprechend zeigt die Kurve 2 in Fig. 1 eine Temperaturverteilung, wie sie am Ende einer Heizphase vorliegt. Die Kurve beginnt bei hohen Temperaturen (1200°C) mit dem gleichen Gradienten wie die Temperaturverteilung 1. Der Gradient wird aber mit fortschreitender Schichtdicke immer größer, so daß die Kurve 2 stark abknickt und bei 100°C statt bei über 950°C entsprechend der Temperaturverteilung der Kurve 1 endet.

Zusätzlich zu der Kurve 2 sind auch noch zwei Kurven 3 und 4 eingezeichnet, wobei Kurve 3 einen Temperaturverlauf während der Aufnahme von Wärme zeigt. Auch bei Kurve 3 ist zu erkennen, daß der Temperaturgradient in Richtung auf niedrige Tem­ peraturen stark zunimmt, so daß sich auch während des Heizens eine stark lokali­ sierte Temperaturverteilung ergibt. Dagegen zeigt die Kurve 4 eine Temperatur­ verteilung, wie sie ermittelt wurde, nachdem der Regenerator zum Kühlen benutzt wurde. Auch hier zeigt sich eine starke Abweichung von einem linearen Temperatur­ verlauf. Bei Kurve 4 nimmt jedoch der Temperaturgradient mit abfallender Tempera­ tur ab, so daß sich ein Kurvenverlauf ergibt, der unterhalb eines linearen, die End­ punkte verbindenden Temperaturverlaufs liegt, was darauf hindeutet, daß mehr Wärme dem Wärmespeichermittel entzogen werden kann, als bei einem Wärmespei­ chermittel nach dem Stand der Technik, bei dem die Temperaturverteilung im we­ sentlichen linear verläuft.

Aufgrund dieses Temperaturverlaufs kann dieses Wärmespeichermittel wesentlich effektiver Wärme aufnehmen und auch wieder abgeben, als dies bei Wärmespei­ chermitteln von Regeneratoren nach dem Stand der Technik bekannt ist.

Wie einleitend schon erwähnt wurde, stellt sich auch bei Rekuperatoren nur ein li­ nearer Temperaturverlauf ein, so daß der hier verwendete Regenerator auch den Rekuperatoren nach dem Stand der Technik überlegen ist.

Bei den hier verwendeten Regeneratoren wird ein Wärmeausgleich durch Rückstrom dadurch vermieden, daß der Druckverlust innerhalb des Regenerators entsprechend groß gewählt wird. Dieser Druckverlust führt natürlich auch innerhalb eines Regene­ rators zu einem Verlust an mechanischer Arbeit, der jedoch nur gering ist, da bei den hier verwendeten Regeneratoren nur durch den Druckverlust in einem sehr begrenz­ ten Raumbereich mechanische Arbeit verrichtet wird. Der beitragende Raumbereich wird durch den hohen Temperaturgradienten beschränkt. Trotzdem beträgt der Druckverlust weniger als 0,1% des Prozeßdrucks und kann für den Verlust an mechanischer Arbeit vernachlässigt werden.

Fig. 2 zeigt zur Veranschaulichung des in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen verwendeten Kreisprozesses das AK-Verfahren im Verhältnis zum Carnot-Kreispro­ zeß.

Auf der linken Seite von Fig. 2 ist der Carnot-Prozeß dargestellt, bei dem zur Gewin­ nung von mechanischer Arbeit aus thermischer Energie mit Hilfe eines Mediums bzw. Arbeitsmittels ein Kreisprozeß durchlaufen wird, der aus zwei isothermen Ab­ schnitten und zwei adiabatischen Abschnitten besteht. Dieser Prozeß verläuft zwi­ schen zwei Temperaturniveaus, einem hohen Temperaturniveau, das im angegebenen Beispiel bei ungefähr 970°K liegt und einem niedrigen Temperaturniveau, das im Bei­ spiel von Fig. 2 bei ungefähr 280°K liegt.

Der Carnot-Prozeß ermöglicht den nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik höchsten erreichbaren Wirkungsgrad, der durch die Temperaturdifferenz zwischen hohem Temperaturniveau und niedrigem Temperaturniveau geteilt durch die Tempe­ ratur des hohen Temperaturniveaus gegeben ist. Entsprechend würde ein Kreispro­ zeß gemäß der Fig. 2 einen theoretischen Wirkungsgrad von ungefähr 70%; ergeben bei höheren Temperaturdifferenzen, beispielsweise 1300°C, lassen sich theoretisch Wirkungsgrade über 80% erreichen.

Ein derartig hoher Wirkungsgrad kann aber technisch nicht verwirklicht werden, da der Carnot-Prozeß mit technischen Mitteln nur angenähert werden kann. Außerdem ist nachteilig, daß, wie im Beispiel von Fig. 2 zu sehen ist, sehr hohe Drücke ver­ wendet werden müssen und am Übergang C zwischen adiabatischer Kompression und isothermem Verlauf bei hohem Temperaturniveau ein Druck vorgegeben ist, der das 256fache des Minimaldrucks im Kreisprozeß beträgt.

Rechts neben dem Carnot-Prozeß ist der AK-Prozeß eingezeichnet, der mit wesent­ lich geringeren Druckdifferenzen auskommt. Auch dieser Prozeß besteht aus zwei isothermen Verläufen, wobei aber die Temperaturerhöhung vom niedrigen Niveau zum hohen Niveau isobar geführt wird. Bei den isobaren Prozessen wird aber Energie abgegeben oder aufgenommen, so daß im allgemeinen kein Wirkungsgrad wie beim Carnot-Prozeß erreicht werden könnte, es sei denn man führt die Wärme, die auf ei­ nem der isobaren Abschnitte frei wird, wieder dem Medium oder Arbeitsmittel auf der anderen Isobaren zu. Dies wird üblicherweise mit den genannten Wärmetau­ schern, Rekuperatoren und Regeneratoren durchgeführt.

Technisch wird vom AK-Prozeß abgewichen, da bei der Wärmeübertragung eine Druckänderung im Arbeitsmedium stattfindet, weshalb die beiden Prozesse, bei denen sich die Temperatur erhöht, nur näherungsweise isobar verlaufen. Eine weitere durch die Technik gegebene Abweichung vom idealen AK-Prozeß ist auf die isother­ men Teilprozesse des Kreisprozesses nach Fig. 2 zurückzuführen, da eine Kompres­ sion technisch im wesentlichen adiabatisch erfolgt, genauso wie auch eine Entspan­ nung über eine Gasturbine im wesentlichen ein adiabatischer Prozeß und kein iso­ thermer Prozeß ist. Deswegen behilft man sich technisch mit einer stufenweisen An­ näherung an den isothermen Prozeß, wobei in dem Bereich des niedrigen Tempera­ turniveaus stufenförmig adiabatisch komprimiert wird und zwischen den Stufen im­ mer in die Nähe des niedrigen Temperaturniveaus gekühlt wird. Entsprechend läßt sich auch die Erzeugung von mechanischer Energie mit Hilfe einer Gasturbine annä­ hernd isotherm durchführen, indem mehrere Stufen vorgesehen werden, jede Stufe mechanische Arbeit erzeugt und das Medium zwischen den Stufen wieder auf das hohe Temperaturniveau geheizt wird. Solche Kurven für eine technisch angenäherte isotherme Kompression bzw. Expansion sind als gestrichelte Dreiecke in dem rechten Teil von Fig. 2 eingetragen.

In Fig. 3 ist eine Wärmekraftmaschine schematisch dargestellt, die den technisch an­ genäherten AK-Prozeß der Fig. 2 benutzt. Über einen Einlaß 5 wird Luft zugeführt, die im gesamten Kreislauf als Medium oder Arbeitsmittel dient. Für die später darge­ stellten theoretischen Rechnungen wird dabei angenommen, daß es sich um Luft von 1 bar und 20°C handelt.

Die eingelassene Luft wird anschließend in einen vierstufigen Kompressor 6 eingelei­ tet, bei dem jede Stufe den Eingangsdruck verdoppelt, so daß an einem Auslaß 7 des vierstufigen Kompressors 6 ein Druck von 16 bar anliegt.

Zwischen den einzelnen Stufen sind Kühler 8, 9, 10 vorgesehen, die die aus jeder Stufe austretende Luft auf 35°C herunterkühlen. Die Austrittstemperatur nach der ersten Stufe ist dabei 95°C und die der folgenden Stufen 114°C. Mit Hilfe dieser Stufen wird, wie in Fig. 2 beschrieben, ein quasi isothermer Prozeß geführt, da die Temperaturen durch Kühlung in die Nähe der ursprünglichen Temperatur rückgeführt werden. Die Gesamtenergie, die der Luft innerhalb der Stufen zugeführt wird, ist 315 kJ pro kg Luft. Dabei wird durch die Kühler 8, 9, 10 eine Energie von 220 kJ pro kg Luft entnommen.

Neben der quasiisothermen Kompression benötigt der Kreislauf auf der rechten Seite von Fig. 2 auch Mittel zum Wärmetauschen. Diese werden in dem angegebenen Bei­ spiel von Fig. 3 durch zwei Regeneratoren, nämlich dem ersten Regenerator 11 und dem zweiten Regenerator 12, gebildet. Ferner enthält das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 auch eine vierstufige Gasturbine 13, bei der zwischen den Stufen Brenner 15, 16, 17 angeordnet sind, die das Gas wieder auf das hohe Temperaturniveau erhö­ hen.

Entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Kreisprozeß wird die Luft am Auslaß 7 des vierstufigen Kompressors 6, welche unter einem Druck von 16 bar bei 114°C steht, dem zweiten Regenerator 12 zugeführt und dadurch in diesem die Temperatur er­ höht. Der Regenerator gibt gespeicherte Energie ab, es wird in diesem Ausführungsbeispiel jedoch zusätzlich Energie zugeführt und zwar 1064 kJ pro kg Luft, so daß am Ausgang die Luft 1074°C heiß und weiterhin mit 16 bar Druck be­ aufschlagt ist. Die Energiezufuhr erfolgt durch Verbrennen von Brennstoffen im Re­ generator 12.

Bevor die Luft vom Regenerator 12 der ersten Stufe der vierstufigen Gasturbine 13 zugeführt wird, wird sie durch einen Brenner 14 auf 1300°C aufgeheizt.

Jede Stufe der vierstufigen Gasturbine 13 ist wieder für eine Druckverminderung um einen Faktor 2 ausgelegt, so daß am Ende der vierstufigen Gasturbine 13 an einem Auslaß 18 wieder ein Druck von 1 bar erreicht wird. Jede Stufe der Gasturbine 13 verringert neben dem Druck zur Erzeugung mechanischer Arbeit auch die Temperatur auf ungefähr 1090°C. Die Temperatur wird zur Annäherung an den isothermen Teil des Kreisprozesses gemäß Fig. 2 durch die Brenner 15, 16, 17 wieder auf 1300°C aufgeheizt.

Insgesamt erzeugt die vierstufige Gasturbine 13 damit eine Leistung von 985 kJ pro kg Luft. Die am Auslaß 18 aus der vierstufigen Gasturbine ausgelassene Luft wird dem ersten Regenerator 11 zugeführt, der die restliche Wärmeenergie in seinem Wär­ mespeichermittel aufnimmt, so daß am Auslaß 19 des Regenerators 11 eine Luft­ temperatur von 135°C vorliegt.

Es ist ersichtlich, daß sich die Auslaßtemperatur des Regenerators 11 stark von dem hohen Temperaturniveau unterscheidet, woraus schon deutlich wird, daß aufgrund der effektiven Kühlung des ersten Regenerators 11 die meiste noch übrige thermi­ sche Energie innerhalb des Systems bleibt und für eine weitere Beheizung zur Verfü­ gung steht. Aufgrund dessen wird bei den Ausführungsbeispielen ein hoher Wir­ kungsgrad erreicht.

Die Regeneratoren 12 und 11 werden nach einem bestimmten Zeitabschnitt strö­ mungsmäßig umgeschaltet, so daß die in einem Regenerator gespeicherte thermische Energie von dem einen isobaren Teil des Kreisprozesses gemäß Fig. 2 auf den ande­ ren isobaren Teil des Kreisprozesses übertragen wird. Dabei muß natürlich auch die Zuleitung für den Brennstoff umgeschaltet werden, da nun der Regenerator der im Kreislauf von Fig. 3 als zweiter Regenerator 12 dient, geheizt wird.

Damit gleich viel Energie in dem ersten Regenerator 11 gespeichert werden kann, wie dem zweiten Regenerator 12 entnommen wird, also zur Sicherstellung einer un­ gefähr gleichen Umschaltzeit, ist es wichtig, daß der Strom der spezifischen Wärme, d. h. der Wasserwert, in den ersten Regenerator 11 gleich dem Strom der spezifi­ schen Wärme bzw. dem Wasserwert aus dem zweiten Regenerator 12 ist. Um einen überschüssigen Strom der spezifischen Wärme nutzvoll einzusetzen, ist eine Abzwei­ gung 20 zwischen dem Auslaß des zweiten Regenerators 12 und erster Stufe der vierstufigen Gasturbine 13 vorgesehen. Über die Abzweigung 20 wird ein Teilstrom von 8,2% der im Kreislauf geführten Luft entnommen und einer Zusatzturbine 21 zugeführt. Da bei dieser die Expansion rein adiabatisch erfolgt, ist die Ausgangs­ temperatur sehr groß, nämlich 465°C und es wird nur eine Leistung von 57 kJ pro kg Luft erzeugt.

Die Abluft aus der Zusatzturbine 21 wird einem Wärmetauscher 22 zugeführt, mit dem der Brennstoff für die Brenner 14, 15, 16, 17 vorgewärmt wird. Die Brenner 14, 15, 16, 17 benötigen unter Berücksichtigung der Vorwärmung zum Aufrechter­ halten des Kreisprozesses eine Energie pro kg Luft von 0,0216 kg Erdgas bei einem Heizwert von 1.079 kJ pro kg Erdgas. Das Abgas aus der Zusatzturbine 21 wird aufgrund der Erwärmung des Brennstoffes auf eine Temperatur von 194°C gekühlt, so daß auch die Wärmeverluste, die aufgrund des geringen Wirkungsgrads der Zu­ satzturbine anfallen, praktisch vollständig ausgenutzt werden.

Die Kompressionsstufen des Kompressors 6, die Stufen der Turbine 13 und die Zu­ satzturbine 21 sind auf einer gemeinsamen Welle 23 montiert und erhalten ihre Lei­ stung von ihr bzw. geben Leistung an diese ab. Die Welle 23 treibt auch einen Stromgenerator 24 an. Damit steht für einen von der Welle 23 angetriebenen Gene­ rator 24 eine mechanische Leistung von 728 kJ pro kg Luft zur Verfügung.

Aufgrund der angegebenen Werte errechnet sich ein Wirkungsgrad von 67,43% bei den genannten Bedingungen. Dabei wurde ein Wirkungsgrad von 0,85 für die Kom­ pressionsstufe und 0,9 für die Gasturbine angenommen. Die errechnete dimenslose spezifische Leistung bezogen auf 1 kg Luft beträgt 2,48.

In Fig. 3a bis 3d sind verschiedene Kenngrößen für ein System gemäß Fig. 3 in Ab­ hängigkeit des nach Kompression der Luft erhaltenen Drucks, also des Maxi­ maldrucks, aufgetragen. Parameter der verschiedenen Kurven sind dabei die Anzahl N der Kompressionsstufen, bzw. Leistungsstufen der Gasturbine, wobei zur Vereinfa­ chung der Darstellung die Anzahl der Leistungsstufen der Gasturbine gleich der An­ zahl der Kompressionsstufen gehalten wurde.

In Fig. 3a ist der thermische Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Maximaldruck im System aufgetragen. Dieser Graph macht die Wirksamkeit mehrerer Stufen bei der Kompression bzw. der Leistungserzeugung deutlich. Bei nur einer Stufe N = 1, d. h. bei adiabatischen Prozessen für Kompression bzw. für die Erzeugung mechanischer Arbeit, ist ein starker Abfall des thermischen Wirkungsgrades mit dem Druck zu be­ obachten. Trotzdem ist der thermische Wirkungsgrad bei 4 bar 61%, also sehr hoch. Es ist aber nicht empfehlenswert mit N = 1 und 4 bar zu arbeiten, weil dann die di­ mensionslose spezifische Leistung gering ist, wie aus Fig. 3b hervorgeht.

Fig. 3a zeigt, daß mit Zuwachs der Anzahl der Stufen der Wirkungsgrad immer we­ niger mit dem Maximaldruck im System abnimmt und wesentlich höher liegt als bei N = 1. Man erkennt ferner, daß der Wirkungsgrad schon bei vier Stufen sehr hoch ist. Bei zusätzlichen Stufen erhöht sich der Wirkungsgrad kaum noch, so daß sich bei ei­ ner sehr großen Anzahl von Stufen der technische Aufwand nicht lohnt. Aufgrund dessen ist das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 auch mit vier Stufen ausgelegt wor­ den.

In Fig. 3b ist die dimensionslose spezifische Leistung aufgetragen, die angibt, wieviel Leistung von 1 kg Luft übertragen werden kann. Für mehr als zwei Stufen wächst die dimensionslose spezifische Leistung mit dem Maximaldruck an, so daß es günstig ist, bei hohen Drücken zu arbeiten. Auch hier wird wieder deutlich, daß man bei mehr als vier Stufen keinen wesentlichen Gewinn erhält, der durch den größeren erforderlichen technischen Aufwand gerechtfertigt wäre.

In Fig. 3c ist die Temperatur der Luft am Auslaß 19 angegeben. Diese Temperatur sollte möglichst gering sein, da sie direkt Einfluß auf den thermodynamisch erreich­ baren Wirkungsgrad hat. Aus Fig. 3c ist zu entnehmen, daß diese Temperatur bis ungefähr 100°C gesenkt werden kann. Die große Absenkung der Temperatur im Re­ generator 11 zeigt, daß nahezu die gesamte thermische Energie der Abwärme im Re­ generator 11 aufgenommen wird.

In Fig. 3d ist die Temperatur des Teilstroms der Luft gezeigt, die den Wärmetauscher 22 verläßt. Der Anteil der thermischen Energie, der durch die Luft nach Verlassen des Wärmetauschers 22 noch mitgeführt wird, beeinflußt den Wirkungsgrad nicht stark, da nur ein kleiner Teilstrom und damit nur ein geringer Energieanteil der Ge­ samtenergie über die Zusatzturbine geleitet wird. Aus der Fig. 3d ist aber insbeson­ dere entnehmbar, daß die Abluft bei vier Stufen und 16 bar Druck unter 200°C liegt, was darauf hinweist, daß die Energie des Teilstroms fast vollständig in das System zurückgeführt wird.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das sich von dem Ausfüh­ rungsbeispiel in Fig. 3 vor allem dadurch unterscheidet, daß anstelle einer mehrstufi­ gen Gasturbine 13 nunmehr eine nur einstufige Gasturbine 26 verwendet wird, der Prozeß zur Erzeugung mechanischer Arbeit also im wesentlichen adiabatisch verläuft. Bei dem Beispiel von Fig. 4 wird im Einlaß 5 wieder Luft von 20°C und 1 bar einge­ lassen, die genau wie im Beispiel von Fig. 3 durch stufenweises Komprimieren im Kompressor 6 und Kühlen zwischen den Stufen nahezu isotherm geführt wird. Hier wurde, aus Gründen die später noch deutlich werden, ein Maximaldruck von 8 bar gewählt, so daß die erste Stufe 1,7 bar, die zweite Stufe 2,9 bar und die dritte Stufe 4,8 bar erzeugt. Die Ausgangstemperaturen der einzelnen Stufen sind danach 76°C, 95°C und 91°C. Die Luft wird durch die Kühler 8, 9 und 10 jeweils auf 35°C her­ untergekühlt, bevor sie in die nächste Stufe eingelassen werden, wobei insgesamt eine Wärmemenge von 158 kJ pro kg Luft entnommen wird.

Am Ausgang 7 hat die Luft dann einen Druck von 8 bar und eine Temperatur von 92°C. Die Luft wird im Regenerator 12 unter Zufuhr einer Energiemenge von 697 kJ pro kg Luft auf 733°C aufgeheizt. Diese relativ geringe Temperatur wurde zur Opti­ mierung des Wirkungsgrades gewählt, weil der Regenerator in diesem Beispiel beim Aufheizen durch die Abwärme nach Erzeugen mechanischer Arbeit über einen adiabatischen Prozeß auf eine geringere maximale Temperatur von 753°C gebracht wird. Bevor die Luft einer Leistungsstufe zugeführt wird, muß sie deswegen nachge­ heizt werden. Dafür ist ein Brenner 25 vorgesehen, der die Temperatur der Luft auf 1300°C erhöht.

Die in diesem Beispiel als Leistungsstufe dienende einstufige Gasturbine 26 expan­ diert adiabatisch, so daß die Luft eine hohe Ausgangstemperatur von 753°C bei 1 bar hat. Die Luft wird im Regenerator 11 gekühlt und die Wärmeenergie im Wärme­ speichermittel des Regenerators 11 aufgenommen. Die gespeicherte Energie steht nach Umschalten der Regeneratoren 11 und 12 zur Erwärmung der Luft nach der Kompression in einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung.

Auch in diesem Beispiel wird ein Teilstrom zur Verbesserung der Strombilanz an einer Abzweigung 27 entnommen. Im angegebenen Beispiel beträgt dieser nur 0,055 kg/kg Luft, er reicht aber aus, den dem Brenner 25 über einen Wärmetauscher 22 zugeführten Brennstoff zu erwärmen.

Die mechanische Kompressionsarbeit im Kompressor 6 beträgt 230 kJ pro kg und bei der Kühlung über die Kühler 8, 9, 10 wird eine Wärmemenge von 158 kJ pro kg entnommen. Die Turbine 26 erzeugt bei der adiabatischen Expansion eine Leistung von 689 kJ pro kg Luft und es entweicht durch die erwärmte Abluft hinter dem er­ sten Regenerator 11 eine Wärmemenge von 92 kJ pro kg Luft und hinter dem Wärmetauscher 29 kJ pro kg Luft. Neben der Heizung des Regenerators wird auch noch ein wesentlicher Energieanteil von 740 kJ/kg Luft über den Brenner 25 zuge­ führt.

Beim Zusammenrechnen dieser Größen, die unter Voraussetzung eines Wirkungsgra­ des von 0,85 für die Kompressionsstufe und 0,9 für die Leistungsstufe gewonnen wurden, ergibt sich ein theoretischer Wirkungsgrad von 62%. Dieser ist wie im Bei­ spiel von Fig. 3 ebenfalls hoch. Es ist aber anzumerken, daß die dimensionslose spe­ zifische Leistung in diesem Fall nur 1,56 beträgt, d. h., die Leistung die pro kg Luft übertragen wird, beträgt nur etwa 3/5 der Leistung im Beispiel von Fig. 3.

Auch zum Beispiel von Fig. 4 sind entsprechende Graphen Fig. 4a bis Fig. 4d ange­ geben, die den thermischen Wirkungsgrad, die dimensionslose spezifische Leistung und die Temperaturen an den Auslässen in Abhängigkeit des Maximaldruckes und der Anzahl der Kompressionsstufen zeigen. Aus Fig. 4a ist zu ersehen, daß der Wir­ kungsgrad bei allen Stufenzahlen N für die Kompression stark mit dem maximalen Druck im System abfallen. Das ist der Grund dafür, daß für die Kompression ein niedrigerer Druck als im Beispiel von Fig. 3 gewählt wurde. Ein Druck von 8 bar scheint hier ein guter Kompromiß zu sein, da die dimensionslose spezifische Lei­ stung, die aus Fig. 4b hervorgeht, in der Größenordnung von 10 bar schon akzep­ table Werte annimmt.

Aus Fig. 4c ist die Temperatur der ausgelassenen Luft zu erkennen. Man sieht, daß die Temperaturen wesentlich höher als in dem Beispiel von Fig. 3 liegen und mit dem Druck stark anwachsen. Der mit der hohen Temperatur verbundene große Verlust durch die Abwärme ist die Ursache für den niedrigeren erreichbaren Wirkungsgrad.

Die Temperatur hinter dem Wärmetauscher 22 ist gleichfalls sehr hoch (Fig. 4d), was ebenfalls darauf hinweist, daß die Energie nicht effektiv in das System zurückgeführt werden kann.

Den gezeigten Diagrammen ist zu entnehmen, daß der Prozeß gemäß Fig. 4 we­ sentlich ungünstiger verläuft als der nach Fig. 3. Trotzdem ist der Wirkungsgrad im­ mer noch hoch, nämlich 62,01%. Der Vorteil dieses Systems ergibt sich daraus, daß für die Leistungsstufe ein geringerer Aufwand benötigt wird, indem nämlich nur eine einstufige Turbine 26, die im wesentlichen die mit 1300°C und 8 bar am Einlaß be­ aufschlagte Luft expandiert.

In Fig. 5 ist eine Wärmekraftmaschine gezeigt, die das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, jedoch mit Brennstoff aus Braunkohlevergasung arbeitet. Eine derartige Wärmekraftmaschine ist hier nur schematisch dargestellt, um das grundlegende Prin­ zip zu demonstrieren. Verbesserungen bezüglich des Wirkungsgrades durch Abzwei­ gungen für Zusatzturbinen oder Brennstoffheizung können aber auch hier durchge­ führt werden. Die dargestellte Wärmekraftmaschine weist wieder einen ersten Rege­ nerator 11 und einen zweiten Regenerator 12 auf, die nach vorgegebenen Zeit­ abschnitten umgeschaltet werden.

Auf der linken Seite der Fig. 5 wird Luft über einen Einlaß 5 in einen Kompressor 6 eingeleitet, mehrstufig komprimiert und entweicht als komprimierte Luft durch den Auslaß 7. Dieser führt die komprimierte Luft wieder in den zweiten Regenerator 12, der während eines vorherigen Zeitabschnittes auf etwa 1300°C aufgeheizt wurde, nun die komprimierte Luft durch Abgabe der aufgenommenen Wärmeenergie erwärmt und die Luft an seinem Auslaß wieder entläßt. Das gesamte System ist so ausgestal­ tet, daß die Temperatur der komprimierten Luft am Auslaß des zweiten Regenerators 12 etwa 1300°C entspricht. Die heiße komprimierte Luft wird, wie im ersten Bei­ spiel von Fig. 3 direkt in eine vierstufige Gasturbine 13 geführt, wo es zwischen den Stufen mit Brennern 14, 15, 16 und 17 jeweils wieder auf 1300°C gebracht wird, damit die mechanische Arbeit im wesentlichen innerhalb eines angenähert isotherm verlaufenden Expansionsprozesses geleistet wird. Das heiße Gas wird vom Ausgang der Gasturbine 13 in den ersten Regenerator 11 geleitet, wo es seine Wärme abgibt, so daß am Auslaß 19 kaltes Gas ausgelassen wird. Es zeigt sich hier schon ein wesentlicher Unterschied zwischen diesem Ausführungsbeispiel und den vorherge­ hend diskutierten Ausführungsbeispielen, da hier die Energie für die Wärme­ kraftmaschine über den Brenner 17 erzeugt und den ersten Regenerator 11 anstatt in dem zweiten Regenerator 12 zugeführt wird. Diese Alternative ist deswegen mit Hilfe des erfindungsgemäß verwendeten Wärmespeichermaterials möglich, da die Regeneratoren der eingangs beschriebenen Art die Wärme effektiv aufnehmen und einen Wärmetransport ohne Wärmeverlust ermöglichen.

Im Unterschied zu den vorherigen Beispielen ist am Auslaß des zweiten Regenerators 12 eine Abzweigung 28 vorgesehen, mit der die heiße komprimierte Luft einem Ver­ gasungssystem 29 zugeleitet wird. Das Vergasungssystem 29 im Ausfüh­ rungsbeispiel ist ein zirkulierender Wirbelschichtreaktor. In diesem wird aus Braun­ kohle und Dampf, die über Einlässe 30, 31 dem Vergasungssystem 29 zugeführt werden, mit Hilfe der über die Abzweigung 28 abgezweigten 1300°C heißen Luft im Auslaß 32 des Vergasungssystems 29 ungefähr 1000°C heißes Brenngas erzeugt. Dieses wird, bevor es der Wärmekraftmaschine für die Erzeugung von Wärmeenergie zur Umwandlung mechanischer Arbeit zugeführt wird, mit Hilfe eines Filters gerei­ nigt. Dazu dient ein Elektrofilter 33. Da 1000°C eine zu hohe Temperatur für mo­ mentan verfügbare Elektrofilter darstellt, ist auch ein Wärmetauscher 34 vorgesehen, in dem das heiße Gas bis auf 200°C zum Einlaß in den Elektrofilter 33 herunterge­ kühlt wird. Nach der Filterung nimmt es jedoch wieder Energie über den Wärmetau­ scher 34 auf. Danach wird das Gas einer Turbine 35 zugeführt, in der das Gas in mehreren Stufen expandiert wird, wobei es einen Teil der zu gewinnenden mechani­ schen Arbeit leistet. Das expandierte Gas wird schließlich den Brennern 14, 15, 16 und 17 zur Aufheizung der als Medium dienenden Luft zugeführt. Zwischen der vier­ stufigen Gasturbine 13 und dem letzten Brenner 17 ist eine Abzweigung 36 vor­ gesehen, mit der die Bilanz der Ströme spezifischer Wärme für die beiden Regenera­ toren 11 und 12 ausgeglichen werden kann, wobei das abgeführte heiße Abgas wie in den vorherigen Beispielen zur Verbesserung des Wirkungsgrades verwendet wer­ den kann oder einem Fernwärmenetz zugeführt wird.

Zur Vergasung in einem System der dargestellten Art eignet sich besonders Braun­ kohle. Die Vergasung wird hier besonders günstig mit heißer Luft (1300°C) durch­ geführt. Der Vorteil von Braunkohle liegt vor allem darin, daß in dieser Sauerstoff ge­ bunden ist. Durch Freisetzen dieses Sauerstoffs wird das austretende Gas heiz­ wertreicher. Man könnte als Nachteil ansehen, daß das über den Regenerator 12 er­ hitzte Gas durch das Vergasungssystem 29 wieder abgekühlt wird, dies wird jedoch durch die Erhöhung des Heizwerts kompensiert.

Einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine über Braunkohlevergasung Energie zuzuführen ist vor allem deswegen wirkungsvoll, da die dargestellten Verfahren nur wenig Brennstoff verbrauchen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel müßte zur Erreichung des höchstmöglichen Wirkungsgrades das Gas sogar noch verdünnt wer­ den.

In Fig. 6 ist ein Kühler 8 gezeigt, wie er zwischen den Kompressionsstufen des Kompressors zur Annäherung an eine isotherme Kompression benutzt werden kann. Vom Kompressor 6 geht ein Auslaß 37 am Ende einer Kompressionsstufe ab. Weiter ist im Kompressor ein Einlaß 38 für die nachfolgende Stufe vorgesehen. Zwischen Auslaß 37 und Einlaß 38 ist der Kühler 8 angeordnet, der die durch die Kompression erzeugte Temperaturerhöhung durch Kühlung wieder vermindert, ehe das Medium durch den Einlaß 38 wieder der nächsten Stufe im Kompressor 6 zugeführt wird.

Der Kühler 8 enthält eine Füllkörpersäule 39, durch die Kühlwasser im Gegenstrom zu dem Medium verläuft und dieses kühlt. Dabei erwärmt sich das Kühlwasser, das sich am Boden 40 des Kühlers 8 sammelt. Eine Umwälzpumpe 41 ist am Boden des Kühlers 8 angeordnet, die Kühlwasser in einem Kreislauf 42 pumpt. Der geringste Kühlwasserverbrauch ist dann gegeben, wenn die Ströme der spezifischen Wärme bei dem Kühlwasser und dem Medium gleich sind. Dann nimmt das Wasser nicht nur die gesamte Wärmemenge auf, sondern die Temperatur des Wassers wird auch so groß, daß sie gleich der Temperatur des Mediums im Einlaß 38 ist. Um diese Bedin­ gung zu erreichen, muß die Geschwindigkeit im Kreislauf der Transport­ geschwindigkeit der Wärme durch das Medium angepaßt werden. Sinnvollerweise wird dies durch die Einstellung der Pumpgeschwindigkeit der Umwälzpumpe 41 er­ reicht.

Die im Kühlwasser aufgenommene Wärme ist jedoch nicht direkt verwendbar und kann auch nicht direkt einem Kühlturm zugeführt werden, da der Druck des Kühl­ wassers von dem Druck des komprimierten Mediums im Auslaß 37 bzw. im Einlaß 38 bestimmt ist. Deswegen ist ein weiterer Wärmetauscher 43 vorgesehen, in dem das Kühlwasser im Gegenstrom gekühlt wird und die Wärmemenge in einem zusätz­ lichen Wasserkreislauf aufgenommen wird. Der zusätzliche Wasserkreislauf arbeitet unter Normaldruck, so daß nun die Wärme als Heizenergie ausgekoppelt ist bzw. im Kühlturm rückgekühlt werden kann.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen, daß man mit einem erfindungsgemä­ ßen Verfahren und den dazugehörigen Vorrichtungen in effektiver Weise Energie ge­ winnen kann. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen es sogar, ein Braunkohlekraftwerk mit hohem Wirkungsgrad, zusätzlichen Möglichkeiten für Fernwärmenetze und wenig schädlichen Abgasen zu errichten.

Claims (47)

1. Verfahren zur Umwandlung der einem Medium innewohnenden thermischen Ener­ gie eines Mediums in mechanische Arbeit durch eine Wärmekraftmaschine über einen Kreisprozeß, der zwischen einem hohen und einem niedrigen Temperaturniveau be­ trieben wird und bei dem die beim Abkühlen des Mediums freigesetzte thermische Energie zur Temperaturerhöhung des Mediums beim Erwärmen übertragen wird, da­ durch gekennzeichnet, daß das Medium ein erstes und ein zweites Wärmespei­ chermittel durchströmt,
daß die beim Abkühlen des Mediums freiwerdende thermische Energie in dem ersten Wärmespeichermittel gespeichert wird,
daß die Energieerhöhung des Mediums beim Erwärmen zumindest teilweise durch Energiezufuhr aus dem zweiten Wärmespeichermittel erfolgt,
daß die Strömungswege des Mediums durch das erste und das zweite Wärmespei­ chermittel vertauscht werden, so daß nach einem geeigneten Zeitintervall das erste Wärmespeichermittel als zweites Wärmespeichermittel und das zweite Wärmespei­ chermittel als erstes Wärmespeichermittel wirkt, und
daß die Energiespeicherung in den Wärmespeichermitteln so erfolgt, daß nach Spei­ chern von Energie in dem ersten Wärmespeichermittel eine räumliche Temperaturver­ teilung entsteht, deren Temperaturgradient im Bereich der höchsten Temperatur in Richtung auf Bereiche niedrigerer Temperatur zunimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckänderung des Mediums beim Fließen durch das Wärmespeichermittel vorgesehen ist, die eine Rückströmung verhindert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichermittel Schüttgut mit einer Korngröße kleiner als 15 mm ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die benötigte thermische Energie in dem Kreisprozeß durch Verbrennung eines Brennstoffes in dem ersten oder zweiten Wärmespeichermittel zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisprozeß für das Medium näherungsweise dem AK-Kreislauf nachgebildet ist und folgende Schritte durchgeführt werden:

• a) zumindest näherungsweise isotherme Kompression des Mediums auf niedrigem Temperaturniveau,
• b) nahezu isobare Erwärmung des Mediums auf das hohe Temperaturniveau unter Zufuhr von thermischer Energie aus dem zweiten Wärmespeichermittel,
• c) Gewinnung mechanischer Arbeit durch Druck- und Temperaturänderung des Medi­ ums,
• d) Abkühlung des Mediums, indem es durch das erste Wärmespeichermittel geleitet wird, das einen Teil der thermischen Energie des Mediums aufnimmt,

wobei nach einem geeigneten Zeitintervall die Strömungswege des Mediums durch die Wärmespeichermittel geändert werden, so daß das erste Wärmespeichermittel als zweites Wärmespeichermittel und das zweite Wärmespeichermittel als erstes Wärmespeichermittel wirkt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Anzahl hintereinander geschalteter Kompressionsstufen komprimiert wird, wobei zwischen den Kompressionsstufen auf eine Temperatur gekühlt wird, die nahe dem niedrigen Temperaturniveau liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des Medi­ ums zwischen den Kompressionsstufen in einer Füllkörpersäule im Gegenstrom mit Wasser erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme der spezifi­ schen Wärme des Wassers und des Mediums gleich sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kompressionsstufen größer als zwei, vorzugsweise vier ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Gewinnung mechanischer Arbeit im wesentlichen isotherm und in mehre­ ren Stufen verläuft, wobei in jeder Stufe Druck und Temperatur des Mediums ver­ ringert werden und die Temperatur des Mediums zwischen nachfolgenden Stufen zumindest annähernd wieder auf das hohe Temperaturniveau erhöht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der spezifischen Wärme in das erste Wärmespeichermittel gleich dem Strom der spezifischen Wärme aus dem zweiten Wärmespeichermittel ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der gleichen Ströme spezifische Wärme in das erste Wärmespeichermittel bzw. aus dem zweiten Wärmespeichermittel ein Teilstrom des Mediums abgezweigt wird, der einen Teil der spezifischen Wärme mit sich führt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des Mediums abgezweigt wird, der teilweise zur Leistung mechani­ scher Arbeit verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des Mediums abgezweigt wird, mit dem Brennstoff erwärmt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom abgezweigt wird, mit dem in einem Vergasungssystem Kohle vergast wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Braunkohle vergast wird und das Gas als Brennstoff verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Kreisprozeß geführte Medium Luft ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Arbeit mittels einer Gasturbine gewonnen wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das hohe Temperaturniveau über einer Temperatur von 1000°C und insbesondere bei 1300°C liegt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das niedrige Temperaturniveau unterhalb von 150°C und insbesondere unterhalb von 50°C liegt.

21. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach Anspruch 1 bis 20, ge­ kennzeichnet durch:

• - eine Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine (13, 26),
• - einen mehrstufigen Kompressor (6) mit Kühlern (8, 9, 10), in dem ein Medium, ins­ besondere Luft, näherungsweise isotherm komprimiert wird,
• - einen ersten (11) und einen zweiten Regenerator (12) zum Wärmetauschen, wobei das Medium auf das niedrige Temperaturniveau durch Abgabe einer Teilenergie an das Wärmespeichermittel des ersten Regenerators (11) gekühlt wird und wobei das Medium in dem zweiten Regenerator (12) auf ein hohes Temperaturniveau gebracht wird, und zwar zumindest teilweise mit der im Wärmespeichermittel des ersten Re­ generators (11) gespeicherten thermischen Energie, wobei auch mit zusätzlichen Brennstoffen Energie zugeführt werden kann, und
• - Umschaltmittel zur Vertauschung des Strömungswegs vom ersten Regenerator (11) und dem zweiten Regenerator (12), so daß der erste Regenerator (11) als zweiter Regenerator (12) wirkt und umgekehrt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Kühler (8, 9, 10) eine Füllkörpersäule (39) enthält, in der das Medium mit Kühl­ wasser im Gegenstrom gekühlt wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß für das Kühlwas­ ser ein Kreislauf (42) mit einer Umwälzpumpe (41) vorgesehen ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (41) mit einer Pumpgeschwindigkeit betreibbar ist, bei der die Ströme der spezifi­ schen Wärme für das Kühlwasser und das Medium gleich groß sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (42) einen Wärmetauscher (43) enthält, über den dem Kreislauf thermische Energie entnehmbar ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrstufige Kompressor (6) mehr als zwei Stufen und insbesondere vier Stufen aufweist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzturbine (21) vorgesehen ist, die mechanisch mit der ein- oder mehr­ stufigen Gasturbine (13) gekoppelt ist, und die von einem Teilstrom des Mediums betrieben ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abzweigung (20) für einen Teilstrom des Mediums zwischen zweitem Regenerator (12) und Gasturbine (13) vorgesehen ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (22) vorgesehen ist, in dem der Teilstrom nach Verlassen der Zusatzturbine (21) Brennstoff erwärmt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (22) vorgesehen ist, in dem ein abgezweigter Teilstrom des Medi­ ums Brennstoff vorwärmt.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abzweigung (27) zwischen der ein- oder mehrstufigen Gasturbine (13, 26) und dem ersten Rege­ nerator (11) für den Teilstrom des Mediums zur Erwärmung des Brennstoffs vorge­ sehen ist.

32. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach Anspruch 1 bis 20, gekennzeichnet durch:

• - einen mehrstufigen Kompressor (6) und Kühlern (8, 9, 10), in dem ein Medium, insbesondere Luft, näherungsweise isotherm komprimiert wird,
• - eine Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine (13, 26),
• - einen ersten (11) und zweiten Regenerator (12) zum Wärmetauschen, wobei das Medium in den ersten Regenerator (11) auf das niedrige Temperaturniveau durch Abgabe einer Teilenergie des Mediums an das Wärmespeichermittel des ersten Re­ generators gekühlt wird, und wobei das Medium in dem zweiten Regenerator (12) auf ein hohes Temperaturniveau aufgrund der in dem Wärmespeichermittel des er­ sten Regenerators (11) gespeicherten thermischen Energie gebracht wird,
• - eine Abzweigung (28) für das Medium zwischen dem zweiten Regenerator (12) und der Gasturbine (13), die einen Teilstrom des Mediums auf hohem Temperaturniveau abzweigt,
• - ein Vergasungssystem (29) für Kohle, insbesondere Braunkohle, in das der Teil­ strom des Mediums auf hohem Temperaturniveau eingeleitet wird,
• - Brenneinrichtungen (17), die das Medium mit Hilfe des durch die Vergasung ent­ stehenden Gases aufheizen,
• - Umschaltmittel zur Vertauschung des Strömungswegs vom ersten Regenerator (11) und dem zweiten Regenerator (12), so daß der erste Regenerator (11) strö­ mungs- und wärmeübertragungsmäßig als zweiter Regenerator (12) wirkt und umge­ kehrt,

wobei das Wärmespeichermittel im ersten und zweiten Regenertor (11, 12) ge­ eignet ist, eine räumliche Temperaturverteilung aufrechtzuerhalten, deren Tempera­ turgradient nach Speicherung von Wärme im Bereich der höchsten Temperatur in Richtung auf kleinere Temperaturen zunimmt.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatztur­ bine (35) vorgesehen ist, in der das Gas aus dem Vergasungssystem (29) expan­ diert wird, wobei die Zusatzturbine (35) einen Beitrag zur abgegebenen mechani­ schen Arbeit leistet.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenner (17) vorgesehen ist, der das expandierte Gas aus der Zusatzturbine (35) verbrennt und damit das Abgas aus der ein- oder mehrstufigen Gasturbine (13) heizt.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergasungssystem (29) ein zirkulierender Wirbelschichtreaktor ist.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35, gekennzeichnet durch ein Filtersystem (34), welches das aus dem Vergasungssystem (29) austretende Gas reinigt.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtersystem einen Elektrofilter (34) enthält.

38. Vorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, gekennzeichnet durch einen Wärmetau­ scher (34), in dem das Gas aus dem Vergasungssystem (29) für die Filterung gekühlt wird und nach der Filterung im Gegenstrom durch den Wärmetauscher rückgeführt wird, um die Temperatur wieder zu erhöhen.

39. Vorrichtung nach Anspruch 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ gasungstemperatur bei 1000°C liegt.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Kühler (8, 9, 10) eine Füllkörpersäule (39) enthält, in der das zu kühlende Medium mit Kühlwasser im Gegenstrom gekühlt wird.

41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß für das Kühlwas­ ser ein Kreislauf (42) mit einer Umwälzpumpe (41) vorgesehen ist.

42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (41) mit einer Pumpgeschwindigkeit betreibbar ist, bei der die Ströme der spezifi­ schen Wärmen für das Kühlwasser und das Medium einander gleich sind.

43. Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf einen Wärmetauscher (43) enthält, über den dem Kreislauf (42) thermische Energie entnehmbar ist.

44. Verwendung eines Regenerators (11, 12) mit einem Wärmespeichermittel aus Schüttgut zum Wärmetauschen in einem Kreisprozeß bei der Umwandlung thermi­ scher Energie eines Mediums in mechanische Energie, bei dem der Anstieg des Druckverlustes während der Heizphase fünfmal so groß ist wie der Wert aus ρ·g·H, wobei ρ die Gasdichte bei einer Temperatur von 20°C, g die Erdbeschleunigung und H die Höhe des Regenerators (11, 12) ist.

45. Verwendung eines Regenerators wie bei Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Schüttgutes kleiner als 15 mm ist.