DE102009036167A1

DE102009036167A1 - Wärmekraftmaschinensystem und Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE102009036167A1
Application number: DE102009036167A
Authority: DE
Inventors: Lars Amsbeck; Reiner Dr. Buck
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: DE102009036167B4

Abstract

Wärmekraftmaschinensystem, umfassend mindestens eine Wärmekraftmaschine, welche mit einem Arbeitsfluid betrieben ist, und eine Wärmeträgermedium-Einrichtung mit einem ersten Direktkontaktwärmeübertrager, an welchem Wärmeträgermedium Arbeitsfluid erhitzt und welcher der mindestens einen Wärmekraftmaschine vorgeschaltet ist, und mit einem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager, an welchem Arbeitsfluid Wärmeträgermedium erhitzt und welcher der mindestens einen Wärmekraftmaschine nachgeschaltet ist, und mit einer Heizeinrichtung zur Erhitzung des Wärmeträgermediums über eine externe Energiequelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmekraftmaschinensystem, umfassend mindestens eine Wärmekraftmaschine, welche mit einem Arbeitsfluid betrieben ist.
In dem Artikel "Investigation Into the Use of Ceramic-Honeycomb Rotarg Regenerators for Solar Brayton Cycles" von D. G. Wilson und T. Baker, Proceedings of GT2007 ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea and Air, May 14–17, 2007, Montreal, Canada, GT2007-27216 ist ein rotatorischer Generator beschrieben.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine mittels eines Arbeitsfluids, bei dem der Wärmekraftmaschine erhitztes Arbeitsfluid zugeführt wird und entspanntes Arbeitsfluid abgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmekraftmaschinensystem der eingangs genannten Art und bei einem Verfahren der eingangs genannten Art einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Wärmekraftmaschinensystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Wärmeträgermedium-Einrichtung mit einem ersten Direktkontaktwärmeübertrager, an welchem Wärmeträgermedium Arbeitsfluid erhitzt und welcher der mindestens einen Wärmekraftmaschine vorgeschaltet ist, mit einem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager, an welchem Arbeitsfluid Wärmeträgermedium erhitzt und welcher der mindestens einen Wärmekraftmaschine nachgeschaltet ist und mit einer Heizeinrichtung zur Erhitzung des Wärmeträgermediums über eine externe Energiequelle, vorgesehen ist.
Über die Wärmeträgermedium-Einrichtung ist eine thermische Kopplung des Arbeitsfluids der Wärmekraftmaschine an das gleiche Wärmeträgermedium sowohl für die Wärmezufuhr (extern und intern) als auch für die Wärmeabfuhr (sowohl extern als auch intern) vorgesehen. Die Erwärmung und Abkühlung des Arbeitsfluids der mindestens einen Wärmekraftmaschine erfolgt dadurch nur an einem System, nämlich der Wärmeträgermedium-Einrichtung anstatt an mehreren Systemen. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen.
Insbesondere lässt sich vorgewärmtes Wärmeträgermedium an der Heizeinrichtung erhitzen, um eine Wirkungsgraderhöhung zu erreichen.
An den Direktkontaktwärmeübertragern lässt sich eine effiziente Wärmeübertragung zwischen Arbeitsfluid und Wärmeträgermedium erreichen. Insbesondere lassen sich Druckverluste und Grädigkeiten gering halten. Es lassen sich die Gesamtkosten durch Systemvereinfachung und die Verwendbarkeit billigerer Komponenten senken.
Insbesondere ist das Arbeitsmedium für die mindestens eine Wärmekraftmaschine ausschließlich über den ersten Direktkontaktwärmeübertrager beheizt, d. h. über die Heizeinrichtung durch die externe Energiequelle aufgeheiztes Wärmeträgermedium heizt an dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager das Arbeitsfluid auf eine Arbeitstemperatur für die Wärmekraftmaschine.
Eine Wärmeabgabe von abgearbeitetem Arbeitsmedium an das Wärmeträgermedium erfolgt vorzugsweise ausschließlich an dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager. Dadurch lässt sich der Wärmeaustausch auf ein System, nämlich die Wärmeträgermedium-Einrichtung, begrenzen.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Wärmeträgermedium-Einrichtung einen Kreislauf für Wärmeträgermedium umfasst. Das Wärmeträgermedium wird transportiert. Dementsprechend ist das Wärmeträgermedium ein transportierbares Fluid. Dadurch lässt sich der Wärmeaustausch zwischen Wärmeträgermedium und Arbeitsfluid auf einfache Weise durchführen.
Insbesondere sind dabei der erste Direktkontaktwärmeübertrager und der zweite Direktkontaktwärmeübertrager an dem Kreislauf angeordnet, wobei bezogen auf eine Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium der zweite Direktkontaktwärmeübertrager dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager nachgeschaltet ist. Dadurch lässt sich Wärmeträgermedium, welches nach Durchlaufen des ersten Direktkontaktwärmeübertragers aufgrund Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid abgekühlt ist, mittels abgearbeitetem Arbeitsfluid an dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager wieder vorwärmen.
Günstig ist es, wenn das Wärmeträgermedium über Festkörperpartikel gebildet ist oder eine Flüssigkeit ist. Die Festkörperpartikel, welche beispielsweise Keramikpartikel sind, sind förderbar. Es lässt sich eine Direktwärmeübertragung zu dem Arbeitsfluid realisieren, wobei keine Wände oder dergleichen vorgesehen werden müssen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeträgermedium-Einrichtung eine Druckerhöhungseinrichtung umfasst, durch welche Wärmeträgermedium auf einen Druck entsprechend dem Druck des Arbeitsfluids bei Zuführung zu der mindestens einen Wärmekraftmaschine bringbar ist. Dadurch lässt sich eine Wärmeübertragung in einem Direktkontaktwärmeübertrager erreichen. Die Wärmekraftmaschine lässt sich mit Arbeitsfluid auf einem optimierten Arbeitspunkt sowohl bezüglich Temperatur als auch Druck betreiben.
Insbesondere ist die Druckerhöhungseinrichtung bezogen auf eine Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager vorgeschaltet. Dadurch lassen sich optimierte Arbeitsbedingungen für den Betrieb der Wärmekraftmaschine erreichen.
Es ist auch günstig, wenn die Wärmeträgermedium-Einrichtung eine Druckerniedrigungseinrichtung umfasst, durch welche Wärmeträgermedium auf einen Druck entsprechend dem Druck des Arbeitsfluids bei Abführung von der mindestens einen Wärmekraftmaschine bringbar ist. An der Wärmekraftmaschine wird Arbeitsfluid entspannt. Das Druckniveau im Arbeitsfluid, welches von der Wärmekraftmaschine abgeführt ist, ist niedriger als das Druckniveau von Arbeitsfluid, welches der Wärmekraftmaschine zugeführt ist. Um eine optimierte Wärmeübertragung zur Vorwärmung des Wärmeträgermediums am zweiten Direktkontaktwärmeübertrager zu erreichen, ist eine Anpassung des Druckniveaus des Wärmeträgermediums an das Druckniveau des Arbeitsfluids notwendig.
Es ist dann günstig, wenn die Druckerniedrigungseinrichtung dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager bezogen auf eine Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium nachgeschaltet ist und dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager vorgeschaltet ist. Dadurch lässt sich eine optimierte Wärmeübertragung von Arbeitsfluid auf Wärmeträgermedium erreichen.
Bei einer Ausführungsform weist die Wärmeträgermedium-Einrichtung mindestens einen Speicher auf. Dadurch lässt sich thermische Energie insbesondere Pufferspeichern. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Heizeinrichtung eine solare Heizeinrichtung ist. Dadurch lässt sich eine von Schwankungen in den thermischen Einstrahlungsbedingungen insbesondere aufgrund der Sonnenbewegung (Tag und Nacht) unabhängige Stromerzeugung realisieren.
Beispielsweise umfasst die Wärmeträgermedium-Einrichtung mindestens einen Niedertemperaturspeicher, welcher bezogen auf die Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums der Heizeinrichtung vorgeschaltet ist und/oder umfasst mindestens einen Hochtemperaturspeicher, welcher der Heizeinrichtung nachgeschaltet ist. Es lässt sich dann thermische Energie auf dem entsprechenden Temperaturniveau zwischenspeichern.
Bei einer Ausführungsform ist die Heizeinrichtung eine solare Heizeinrichtung. Sie ist beispielsweise durch einen solaren Receiver gebildet, in dem eine Aufheizung mittels konzentrierter Solarstrahlung erfolgt.
Die mindestens eine Wärmekraftmaschine ist insbesondere eine Turbine wie eine Gasturbine oder eine Dampfturbine.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn ein Kreislauf für Arbeitsmedium vorgesehen ist. Dadurch lässt sich das Wärmekraftmaschinensystem auf optimierte Weise betreiben.
Insbesondere steht der Kreislauf für Arbeitsmedium über den ersten Direktkontaktwärmeübertrager und den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager mit der Wärmeträgermedium-Einrichtung in thermischem Kontakt. Arbeitsmedium im Kreislauf nimmt thermische Energie an dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager aus dem Wärmeträgermedium auf und gibt thermische Energie an dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager an das Wärmeträgermedium ab.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kreislauf für Arbeitsmedium bezüglich der kontrollierten Abführung und Zuführung von Wärme ausschließlich mit der Wärmeträgermedium-Einrichtung in thermischem Kontakt steht. Dadurch lässt sich die Erhitzung und Abkühlung des Wärmeträgermediums über ein einziges System, nämlich der Wärmeträgermedium-Einrichtung, durchführen.
Es ist günstig, wenn an dem Kreislauf für Arbeitsmedium ein Verdichter angeordnet ist. Dadurch lässt sich das Arbeitsmedium auf einen Druck-Arbeitspunkt für die Wärmekraftmaschine bringen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Druckerhöhungseinrichtung und/oder eine Druckerniedrigungseinrichtung als Schleusenstation ausgebildet sind mit mindestens einer Aufnahmekammervorrichtung mit mindestens einem Aufnahmeraum für Wärmeträgermedium und einer Druckeinstellungseinrichtung zur Einstellung des Drucks. Es lässt sich dadurch insbesondere im Batchbetrieb eine Druckeinstellung zur optimierten Wärmeübertragung mit dem Arbeitsfluid erreichen. Es lassen sich bei entsprechender Ausbildung Verschleißprobleme an hochtemperaturbelasteten Dichtungen zumindest verringern. Weiterhin lassen sich Leckagen bei der Druckangleichung von Wärmeträgermedium und Arbeitsfluid zumindest verringern.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass eine Druckänderung und Wärmeübertragung beispielsweise in dem gleichen Druckbehälter durchgeführt wird. Es erfolgt dann in dem Druckbehälter die Druckänderung am Wärmeträgermedium und, wie erwähnt, die Wärmeübertragung.
Insbesondere weist die mindestens eine Aufnahmekammervorrichtung thermisch isolierte Wände für den mindestens einen Aufnahmeraum auf. Es ist dadurch möglich, eine Schleusentür von dem Aufnahmeraum zu trennen. Dadurch lässt sich die Schleusentür auf einem niedrigeren Temperaturniveau als ein Aufnahmeraum halten und Dichtungen für eine Schleusentür lassen sich in einem ”kälteren” Bereich der Aufnahmekammervorrichtung anordnen. Günstigerweise wird beim Transport durch die Schleusenstüren eine thermische Isolierung verwendet bzw. in die Schleusentür eingebracht, um die Dichtungen der entsprechenden Schleuse von den hohen Temperaturen des Wärmeträgermediums zu schützen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Druckeinstellungseinrichtung mindestens zwei getrennte Druckreservoirs. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Druckeinstellung erreichen und die Leckage verringern.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn in der mindestens einen Aufnahmekammervorrichtung mindestens ein Behälter angeordnet ist, in welchem der mindestens eine Aufnahmeraum gebildet ist. Dadurch lässt sich eine Schleusentür der Aufnahmekammervorrichtung von dem Behälter trennen. Dadurch wiederum lassen sich Dichtungen für eine Schleusentür von dem Behälter trennen und in einem kälteren Bereich der Aufnahmekammervorrichtung anordnen.
Es ist dann günstig, wenn die mindestens eine Aufnahmekammervorrichtung mindestens eine Schleusentür aufweist, welche von dem mindestens einen Behälter getrennt ist. Dadurch lassen sich Verschleißprobleme für Dichtungen der Schleusentür zumindest verringern. Weiterhin lässt sich die Einsatztemperatur der Dichtung verringern.
Insbesondere steht der mindestens eine Aufnahmeraum in Wirkverbindung mit einem Druckbeaufschlagungsraum, welcher in Wirkverbindung mit der Druckeinstellungseinrichtung steht. Der Druckbeaufschlagungsraum umgibt beispielsweise einen Behälter, in welchem der Aufnahmeraum gebildet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Druckeinstellung (Druckerhöhung oder Druckerniedrigung) realisieren.
Insbesondere zur Verringerung oder Vermeidung von Leckagen ist es vorteilhaft, wenn die Druckerhöhungseinrichtung und/oder eine Druckerniedrigungseinrichtung mehrstufig ausgebildet und/oder betrieben sind mit mindestens einem Zwischendruckniveau zwischen einem Eingangsdruck und einem Ausgangsdruck. Bei Druckänderungen des Wärmeträgermediums können durch Hohlräume, die mit Arbeitsfluid gefüllt sind, Leckagen entstehen. Ein gestufter Druckaustausch soll die Leckagen verringern. Ein solcher gestufter Druckaustausch ist beispielsweise dadurch möglich, dass eine Mehrzahl von Schleusenstationen vorgesehen ist, welche nacheinander durchlaufen werden, wobei mindestens ein Zwischendruckniveau durchlaufen wird. Es ist auch möglich, innerhalb einer Schleusenstation ein Zwischendruckniveau bereitzustellen, bevor ein endgültiges Druckniveau erreicht wird.
Beispielsweise wird bei einem gestuften Druckaustausch der Schleusenraum einer Schleusenstation nacheinander mit einer Reihe Zwischenbehälter verbunden. Beim Verbinden der Schleusenstation und eines Zwischenbehälters stellt sich in beiden der gleiche Druck ein, womit ein Massenstrom verbunden ist. Dieser Massenstrom reduziert schließlich die Leckagemenge beim Verbinden der Schleuse mit der Umgebung.
Insbesondere ist ein Batchbetrieb für eine Kreisführung von Wärmeträgermedium vorgesehen. In einer Schleusenstation lässt sich ein Druckausgleich für ein Paket von Wärmeträgermediumpartikeln durchführen.
Bei einer Ausführungsform ist eine Abzweigungseinrichtung für einen Teilstrom an Wärmeträgermedium vorgesehen, welche dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager zugeordnet ist, so dass der zweite Direktkontaktwärmeübertrager mit einem Teilstrom an Wärmeträgermedium durchströmbar ist. Durch die Abzweigungseinrichtung ist es möglich, den Massenstrom an Wärmeträgermedium einzustellen, welcher durch den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager vorgewärmt wird. Dadurch ist es beispielsweise in Verbindung mit einer solaren Heizeinrichtung möglich, beispielsweise schwankende Einstrahlungsbedingungen zu berücksichtigen und dadurch den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Erhitzung des Arbeitsfluids über ein Wärmeträgermedium erfolgt, Abwärme von abgearbeitetem Arbeitsfluids an das gleiche Wärmeträgermedium abgegeben wird und das Wärmeträgermedium über eine externe Energiequelle erhitzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschinensystem erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschinensystem erläutert.
Bei einer Ausführungsform wird das Wärmeträgermedium solar erhitzt.
Insbesondere erfolgen die Erhitzung des Arbeitsfluids und die Abkühlung des Arbeitsfluids an dem gleichen System und dabei an dem gleichen Wärmeträgermedium. Dadurch lässt sich insbesondere aufgrund optimierter Wärmeübertragung ein hoher Wirkungsgrad erreichen.
Günstig ist es, wenn das Arbeitsfluid durch Wärmeträgermedium über einen ersten Direktkontaktwärmeübertrager erhitzt wird. Es ergibt sich dadurch eine optimierte Wärmeübertragung von dem Wärmeträgermedium auf das Arbeitsfluid.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das Arbeitsfluid Wärmeträgermedium über einen zweiten Direktkontaktwärmeübertrager erhitzt. Dadurch ergibt sich eine optimierte Vorwärmung von Wärmeträgermedium über abgearbeitetes Arbeitsfluid.
Günstig ist es, wenn das Wärmeträgermedium in einem Kreislauf geführt wird. Dadurch lässt sich ein Wärmekraftmaschinenprozess auf optimierte Weise durchführen.
Es ist günstig, wenn ein erster Direktkontaktwärmeübertrager zur Erhitzung von Arbeitsfluid über Wärmeträgermedium und ein zweiter Direktkontaktwärmeübertrager zur Erhitzung von Wärmeträgermedium durch Arbeitsfluid in dem Kreislauf von Wärmeträgermedium durchströmt werden. Dadurch ergibt sich ein optimierter Wärmeaustausch.
Insbesondere wird Wärmeträgermedium in einem Batchbetrieb im Kreislauf geführt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Druckerhöhung bzw. Druckerniedrigung von Wärmeträgermedium zur Anpassung an das Druckniveau von Arbeitsfluid erreichen.
Insbesondere wird Wärmeträgermedium in dem Kreislauf vor Wärmekontakt mit dem Arbeitsfluid auf ein Druckniveau des Arbeitsfluids gebracht. Dadurch ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad bei optimierter Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid bzw. von dem Arbeitsfluid auf Wärmeträgermedium.
Günstig ist es, wenn das Bringen auf das Druckniveau des Arbeitsfluids in mehreren Stufen erfolgt. Dadurch lassen sich Leckagen zumindest verringern. Das Bringen auf das Druckniveau des Arbeitsfluids in mehreren Stufen kann dabei durch das Vorsehen mehrerer Schleusenstationen, welche hintereinander angeordnet sind, erfolgen. Entsprechend erfolgt ein mehrfaches Einschleusen und Ausschleusen. Alternativ oder zusätzlich kann das Bringen auf das Druckniveau des Arbeitsfluids in mehreren Stufen innerhalb einer Schleusenstation erfolgen, indem mehrere Druckniveaus innerhalb der Schleusenstationen vorgesehen sind, welche nacheinander durchfahren werden.
Insbesondere erfolgt ein Druckausgleich in mindestens einer Aufnahmekammervorrichtung. Diese lässt sich während des Druckausgleichs von dem restlichen Kreislauf abkoppeln.
Das Wärmeträgermedium ist insbesondere durch Festkörperpartikel gebildet. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein direkter Wärmekontakt zu der Direktkontaktwärmeübertragung zwischen Arbeitsfluid und Wärmeträgermedium erreichen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschinensystems;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Druckerniedrigungseinrichtung bzw. einer Druckerhöhungseinrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschinensystems;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Druckerhöhungseinrichtung oder einer Druckerniedrigungseinrichtung in Teildarstellung vor dem Öffnen; und
5 die Druckerniedrigungseinrichtung oder Druckerhöhungseinrichtung der 4 in einem Zustand, in dem Wärmeträgermedium einkoppelbar oder auskoppelbar ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschinensystems, welches in 1 in Blockschaltbilddarstellung gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Wärmekraftmaschine 12. Diese wird mit Arbeitsfluid betrieben. Die Wärmekraftmaschine 12 ist insbesondere eine Turbine. Im Beispielsfall einer Gasturbine ist das Arbeitsfluid beispielsweise Luft. Bei einem anderen Beispiel ist die Wärmekraftmaschine 12 eine Dampfturbine. In diesem Fall ist das Arbeitsfluid Dampf und insbesondere Wasserdampf. Vorzugsweise wird dann der Dampfturbine überhitzter Dampf zugeführt.
Die Wärmekraftmaschine 12 ist an einem Kreislauf 14 für Arbeitsfluid angeordnet. Dieser Kreislauf 14 umfasst einen Zuführungsteil 16 zur Zuführung von erhitztem Arbeitsfluid zu der Wärmekraftmaschine 12 und einen Abführungsteil 18 zur Abführung von abgearbeitetem Arbeitsfluid von der Wärmekraftmaschine 12. Im Zuführungsteil steht das Arbeitsfluid unter einem Druck p₂ ^* und im Abführungsteil 18 unter einem Druck p₁ ^*. An der Wärmekraftmaschine 12 wird das Arbeitsfluid entspannt, so dass p₂ ^* größer ist als p₁ ^*.
An dem Zuführungsteil 16 ist ein Verdichter 20 angeordnet, welcher das Arbeitsfluid auf den notwendigen Druck p₂ ^* bringt. Der Verdichter 20 wird beispielsweise direkt über die Wärmekraftmaschine 12 angetrieben.
Der Wärmekraftmaschine 12 ist beispielsweise ein Generator 22 zur Erzeugung von elektrischem Strom zugeordnet.
Der Kreislauf 14 ist geschlossen. Abgearbeitetes Arbeitsfluid wird dem Verdichter 20 zugeführt. Der geschlossene Kreislauf ist in 1 durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 24 angedeutet.
Das Wärmekraftmaschinensystem 10 weist eine Wärmeträgermedium-Einrichtung 26 auf, an welche das Arbeitsfluid in dem Kreislauf 14 thermisch angekoppelt ist. Die Wärmeaufnahme von Arbeitsfluid in dem Zuführungsteil 16 erfolgt allein aus Wärmeträgermedium der Wärmeträgermedium-Einrichtung 26. Ferner erfolgt eine Vorwärmung von Wärmeträgermedium in der Wärmeträgermedium-Einrichtung 26 durch abgearbeitetes Arbeitsfluid. Die Wärmeaufnahme und die kontrollierte Wärmeabgabe des Arbeitsfluids erfolgt ausschließlich über die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26. (Nicht vermeidbare Wärmeverluste am Arbeitsfluid durch Leitungsströmung sind dabei außer Acht gelassen.)
Die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26 umfasst dazu eine Heizeinrichtung 28, an welcher Wärmeträgermedium über eine externe Energiequelle aufheizbar ist. Bei der Heizeinrichtung 28 kann es sich beispielsweise um eine Heizeinrichtung handeln, welche durch fossile Brennstoffe beheizt ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Heizeinrichtung 28 so ausgebildet, dass Wärmeträgermedium solar aufgeheizt wird; in diesem Fall ist die externe Energiequelle die Sonne.
Das Wärmeträgermedium ist beispielsweise durch Festkörperpartikel wie Keramikpartikel gebildet. Diese Partikel sind förderbar. Dazu umfasst die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26 einen Kreislauf 30 für Wärmeträgermedium.
In dem Kreislauf 30 ist ein erster Direktkontaktwärmeübertrager 32 angeordnet, welcher an den Kreislauf 14 für Arbeitsfluid gekoppelt ist. Der erste Direktkontaktwärmeübertrager 32 ist in dem Kreislauf 30 von Wärmeträgermedium durchströmbar und ist in dem Kreislauf 14, und zwar in dem Zuführungsteil 16 des Kreislaufs 14, von Arbeitsfluid durchströmbar. Es lässt sich dadurch das Arbeitsfluid über das Wärmeträgermedium der Wärmeträgermedium-Einrichtung 26 aufheizen.
Ferner ist an dem Kreislauf 30 ein zweiter Direktkontaktwärmeübertrager 34 angeordnet, welcher in thermischem Kontakt mit dem Abführungsteil 18 des Kreislaufs 14 steht.
Der zweite Direktkontaktwärmeübertrager 34 ist im Kreislauf 14 von abgearbeitetem Arbeitsfluid durchströmt. Er ist ferner im Kreislauf 30 von Wärmeträgermedium durchströmt, welches zuvor den ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 durchströmt hat. Dadurch lässt sich über Arbeitsfluid das Wärmeträgermedium in dem Kreislauf 30 aufheizen, d. h. der zweite Direktkontaktwärmeübertrager 34 bildet einen Vorwärmer für Wärmeträgermedium der Wärmeträgermedium-Einrichtung 26.
Bezogen auf die Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium in dem Kreislauf 30 ist der erste Direktkontaktwärmeübertrager 32 der Heizeinrichtung 28 nachgeschaltet. Der zweite Direktkontaktwärmeübertrager 32 ist der Heizeinrichtung 28 vorgeschaltet.
Ein Ausgang der Heizeinrichtung 28 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem (Wärmeträgermedium-)Eingang des ersten Direktkontaktwärmeübertragers 32. Ein (Wärmeträgermedium-)Ausgang des ersten Direktkontaktwärmeübertragers 32 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem ersten (Wärmeträgermedium-)Eingang des zweiten Direktkontaktwärmeübertragers 34. Ein (Wärmeträgermedium-)Ausgang des zweiten Direktkontaktwärmeübertragers 34 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem Eingang der Heizeinrichtung 28.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26 ein oder mehrere Speicher für Wärmeträgermedium umfasst. Beispielsweise ist ein Niedertemperaturspeicher 36 vorgesehen, welcher an dem Kreislauf 30 zwischen dem (Wärmeträgermedium-)Ausgang des zweiten Direktkontaktwärmeübertragers 34 und dem Eingang der Heizeinrichtung 28 angeordnet ist. Es kann alternativ oder zusätzlich ein Hochtemperaturspeicher 38 vorgesehen sein, welcher zwischen dem Ausgang der Heizeinrichtung 28 und dem (Wärmeträgermedium-)Eingang des ersten Direktkontaktwärmeübertragers 32 angeordnet ist.
Arbeitsfluid wird der Wärmekraftmaschine 12 auf einen Druck p₂ ^* zugeführt. Das Wärmeträgermedium, welches in dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 Arbeitsfluid erhitzt, welches dann direkt der Wärmekraftmaschine 12 zugeführt wird, muss dann unter einem Druck p₂ stehen, welcher mindestens näherungsweise dem Druck p₂ ^* entspricht.
Abgearbeitetes Arbeitsfluid wird von der Wärmekraftmaschine 12 nach Entspannung unter dem Druck p₁ ^* abgeführt. Damit in dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 Wärme von dem Arbeitsfluid auf das Wärmeträgermedium auf optimierte Weise übertragen werden kann, sollte das Wärmeträgermedium bei Eintritt in den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 auf einem Druck p₁ stehen, welcher mindestens näherungsweise dem Druck p₁ ^* des Arbeitsfluids entspricht.
Die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26 weist dazu eine Druckerhöhungseinrichtung 40 auf, welche bezogen auf eine Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums in dem Kreislauf 30 dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 vorgeschaltet ist. In der Druckerhöhungseinrichtung 40 lässt sich der Druck des Wärmeträgermediums von p₁ auf p₂ erhöhen.
Weiterhin umfasst die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26 eine Druckerniedrigungseinrichtung 42. Diese ist in dem Kreislauf 30 zwischen dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 und dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 angeordnet. An ihr lässt sich der Druck des Wärmeträgermediums von p₂ auf p₁ erniedrigen, so dass in den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 Wärmeträgermedium auf einem Druckniveau (p₁) einkoppelbar ist, welches mindestens näherungsweise auf dem Niveau des Arbeitsfluids in dem Abführungsteil 18 des Kreislaufs 14 liegt.
Die Druckerhöhungseinrichtung 40 und die Druckerniedrigungseinrichtung 42 sind beim Ausführungsbeispiel jeweils als Schleusenstation ausgebildet, in welche eine bestimmte Menge an Wärmeträgermedium eingeschleust wird, dieses Wärmeträgermedium von dem Kreislauf 30 abgekoppelt wird und einstufig oder mehrstufig (siehe unten) die Druckerhöhung bzw. Druckerniedrigung durchgeführt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schleusenstation 44 (2), welche die Druckerhöhungseinrichtung 40 bzw. Druckerniedrigungseinrichtung 42 oder einen Teil davon bildet, eine Aufnahmekammervorrichtung 46. Die Aufnahmekammervorrichtung weist einen Innenraum 48 auf. Zur Zugänglichkeit in den Innenraum 48 weist die Aufnahmekammervorrichtung 46 (mindestens) eine Schleusentür 50a auf. In 2 ist die Schleusentür 50a in geschlossener Stellung und in durchbrochenen Linien in einer Zwischenstellung beim Öffnen gezeigt. Durch die Schleusentür 50a kann Wärmeträgermedium in den Innenraum 48 eingekoppelt werden bzw. von diesem ausgekoppelt werden.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass nur eine Schleusentür vorgesehen ist, wobei Wärmeträgermedium an einer Öffnung 52, welche durch die Schleusentür 50a verschließbar ist, einkoppelbar und auskoppelbar ist. Es ist dann an der entsprechenden Schleusentür 50a ein bidirektionaler Austausch von Wärmeträgermedium möglich.
Es kann auch vorgesehen sein, wie in 2 gezeigt, dass eine weitere Schleusentür 50b vorhanden ist, welche beispielsweise zur Auskopplung dient. In diesem Fall ist an den Schleusentüren 50a, 50b eine unidirektionale Auskopplung von Wärmeträgermedium möglich.
In dem Innenraum 48 der Aufnahmekammervorrichtung 46 ist (mindestens) ein Behälter 54 angeordnet, welcher einen Aufnahmeraum 56 für Wärmeträgermedium hat. Der Behälter 54 ist dabei durch einen Druckbeaufschlagungsraum 58 umgeben.
Der Behälter 54 weist thermisch isolierte Wände 60 auf, welche den Aufnahmeraum 56 begrenzen. Der Druckbeaufschlagungsraum 58 steht in fluidwirksamer Verbindung mit dem Aufnahmeraum 56, zumindest wenn der Aufnahmeraum 56 gegenüber der Öffnung 52 bzw. einer der Schleusentür 50b zugeordneten Öffnung offen ist. Dazu ist an der Wand 60 (mindestens) eine Öffnung 62 in den Innenraum 48 angeordnet. Durch diese Öffnung 62 hindurch kann Wärmeträgermedium in den Aufnahmeraum 56 eingeführt werden und aus diesem herausgeführt werden.
Die Öffnung 62 ist dabei vorzugsweise verschließbar.
Die Öffnung 62 und der Behälter 54 als Ganzes sind beabstandet zu den Schleusentüren 50a, 50b. Dadurch ist der Aufwand für Dichtungen der Schleusentüren 50a, 50b zu der Aufnahmekammervorrichtung 46 verringert.
Der Druckbeaufschlagungsraum 48 steht in fluidwirksamem Kontakt mit einer Druckeinstellungseinrichtung 64, durch welche sich der Druck einstellen lässt.
Die Druckeinstellungseinrichtung 64 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von Druckreservoirs 66a, 66b, 66c eines bestimmten Druckniveaus. Die Druckreservoirs 66a usw. lassen sich wahlweise fluidwirksam an den Druckbeaufschlagungsraum 58 ankoppeln und dadurch erfolgt eine Druckeinstellung.
Eine Druckerhöhung oder Druckerniedrigung funktioniert dabei wie folgt:
Die gewisse Menge an Wärmeträgermedium wird aus dem Kreislauf 30 in den Aufnahmeraum 56 eingekoppelt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist bei der Einkopplung die Schleusentür 50b verschlossen und die Schleusentür 50a offen. Durch die Öffnung 52 hindurch lässt sich Wärmeträgermedium beispielsweise des Druckniveaus p₁ in den Aufnahmeraum 56 einführen. Nachdem die bestimmte Menge an Wärmeträgermedium im Aufnahmeraum 56 ist, wird die Schleusentür 50a geschlossen. Das Druckreservoir beispielsweise des Druckniveaus p₂ wird in fluidwirksame Verbindung mit dem Druckbeaufschlagungsraum 58 gesetzt. Dadurch wird das Wärmeträgermedium in dem Aufnahmeraum 56 auf das Druckniveau p₂ gebracht.
Danach wird die Schleusentür 50b geöffnet und dieses Wärmeträgermedium auf dem Druckniveau p₂ wird dann dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 zugeführt.
Auf ähnliche Weise wird vorgegangen, wenn an der Druckerniedrigungseinrichtung 42 eine Druckerniedrigung von dem Druck p₂ auf den Druck p₁ durchgeführt werden soll. In diesem Fall wird das Druckreservoir 66a mit dem Druckniveau p₁ in Wirkverbindung mit dem Druckbeaufschlagungsraum 58 gesetzt.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Druckerhöhung auf einen Enddruck für die Arbeitsfluidbeaufschlagung und/oder die Druckerniedrigung für den Enddruck für die Arbeitsfluidbeaufschlagung mehrstufig erfolgt mit mindestens einem Zwischendruckniveau, welches zwischen dem Anfangsdruckniveau und dem Enddruckniveau liegt. In den Direktkontaktwärmeübertragern 32 und 34 können Hohlräume im Wärmeträgermedium mit Arbeitsfluid gefüllt sein. Dadurch können bei Druckänderungen des Wärmeträgermediums Leckagen entstehen. Ein mehrstufiger Druckaustausch (sowohl bei der Druckerhöhung als auch bei der Druckerniedrigung) kann die Leckagen verringern. Beispielsweise ist es dazu vorgesehen, dass ausgehend von dem Druckniveau p₁ zunächst eine Druckbeaufschlagung des Wärmeträgermediums in dem Aufnahmeraum 56 auf einem Druckniveau p₃ (mit p₁ kleiner p₃ kleiner p₂) erfolgt und dann ausgehend von dem Druckniveau p₃ eine Druckerhöhung auf den Druck p₂ erfolgt. Diese mehrstufige Druckerhöhung erfolgt dabei bei geschlossenen Schleusentüren 50a, 50b.
Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Druckerhöhungseinrichtung 40 und/oder die Druckerniedrigungseinrichtung 42 eine Mehrzahl von Schleusenstationen 68a, 68b bzw. 70a, 70b umfasst (siehe 3). Die Schleusenstationen 68a, 68b der Druckerhöhungseinrichtung 40 sind dabei seriell hintereinander angeordnet. Entsprechend sind die Schleusenstationen 70a, 70b der Druckerniedrigungseinrichtung 42 seriell hintereinander angeordnet.
Es ist dadurch beispielsweise möglich, eine bestimmte Menge an Wärmeträgermedium, welche in die Schleusenstation 68a eingeschleust ist, von dem Druckniveau p₁ auf das Druckniveau p₃ (p₃ kleiner p₂) zu bringen. Dieses Wärmeträgermedium wird dann ausgeschleust. Ausgehend von dem Druckniveau p₃ wird es in die Schleusenstation 68b eingeschleust und von dort auf das Druckniveau p₂ gebracht.
Entsprechend funktioniert die Druckerniedrigungseinrichtung 42 mit den Schleusenstationen 70a und 70b.
Die Druckerhöhungseinrichtung 40 und/oder die Druckerniedrigungseinrichtung 42 können dabei auch mehr als zwei Schleusenstationen umfassen.
Innerhalb einer Schleusenstation wiederum kann die Druckerhöhung mehrstufig sein mit einem Druckzwischenschritt.
Die Mehrstufigkeit der Druckerhöhung kann über die Druckerniedrigung innerhalb einer Schleusenstation und/oder über das Vorsehen mehrerer seriell hintereinander angeordneter Schleusenstationen erfolgen
Bei der Schleusenstation 44 ist als Schleusentür 50a bzw. als Schleusentür 50b, wenn eine solche vorgesehen ist, eine Klapptür vorhanden, welche schwenkbar ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Schleusenstation, welche in einer Teildarstellung in den 4 und 5 schematisch gezeigt und dort mit 72 bezeichnet ist, ist als Schleusentür 74 ein Schieber 76 vorgesehen. Dieser ist im Bereich einer Öffnung 78 in einen Innenraum 80 einer entsprechenden Aufnahmekammervorrichtung positioniert. Je nach Stellung des Schiebers 76 bezogen auf eine Verschiebungsrichtung 82 ist die Öffnung 78 offen oder geschlossen.
Wenn die Öffnung 78 offen ist, dann lässt sich ein Rohr 84, über welches Wärmeträgermedium einkoppelbar (oder auskoppelbar) ist, in den Innenraum 80 einführen. Dadurch wiederum lässt sich in einen entsprechenden Aufnahmeraum Wärmeträgermedium einkoppeln bzw. aus diesem auskoppeln.
Es kann dabei zusätzlich noch vorgesehen sein, dass die Aufnahmekammervorrichtung der Schleusenstation 72 Wände 86 mit einer thermischen Isolierung 88 aufweist. Im Bereich der Öffnung 78 kann eine Klappe 90 an der thermischen Isolierung 88 vorgesehen sein. Die Klappe 90 ist beispielsweise federbeaufschlagt, um diese an der Öffnung 78 zu schließen. Wenn ein Rohr 84 (5) eingeführt wird, dann wird die Klappe geöffnet und der Zugang zu dem Innenraum 80 freigegeben.
In dem Innenraum 80 ist ein Behälter entsprechend dem Behälter 54 angeordnet. Die Schleusenstation 72 funktioniert ansonsten wie die Schleusenstation 44.
Das Wärmekraftmaschinensystem 10 funktioniert wie folgt:
Arbeitsfluid wird an dem Verdichter 20 auf einen Druck p₂ ^* (Druckarbeitspunkt) gebracht und der Wärmekraftmaschine 12 zugeführt. An dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 wird das Arbeitsfluid auf seine Arbeitspunkttemperatur aufgeheizt. An der Wärmekraftmaschine 12 erfolgt eine Entspannung. Es wird dabei thermische Energie in mechanische Energie gewandelt. Diese wiederum wird durch den Verdichter 20 genutzt und durch den Stromgenerator 22 zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt.
Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird auf einem niedrigeren Druckniveau p₁ ^* dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 zugeführt. Dort erfolgt eine Vorwärmung des Wärmeträgermediums (mit entsprechender weiterer Abkühlung des Arbeitsfluids). Von dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 wird das Arbeitsfluid wieder zu dem Verdichter 20 geführt.
Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluids und die Wärmeabgabe des Arbeitsfluids erfolgt an ein einziges System, nämlich die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26. In diesem strömt Wärmeträgermedium. Dies ist insbesondere durch Festkörperpartikel gebildet, wie beispielsweise durch oxidkeramische Partikel. Diese oxidkeramischen Partikel können dabei eine Größe im Bereich 200 μm bis 2 mm oder 5 mm aufweisen.
An dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 erfolgt eine Vorheizung dieses Wärmeträgermediums. An der Heizeinrichtung 28 erfolgt eine Erhitzung durch eine externe Energiequelle wie beispielsweise die Sonne. An dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 erfolgt eine Erhitzung des Arbeitsfluids durch das Wärmeträgermedium auf die Arbeitspunkttemperatur des Arbeitsfluids.
Um das Wärmeträgermedium auf den Arbeitspunktdruck des Arbeitsfluids bei der Wärmeaufnahme des Arbeitsfluids aus dem Wärmeträgermedium an dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 zu bringen, ist die Druckerhöhungseinrichtung 40 vorgesehen. Es erfolgt dabei insbesondere eine Druckerhöhung im Batchbetrieb, d. h. Pakete von Wärmeträgermediumpartikeln werden zeitlich nacheinander durch die entsprechende Schleusenstation 44 oder Schleusenstationen 68a, 68b durchgeschleust mit der entsprechenden Druckerhöhung. Wie oben erwähnt, kann die Druckerhöhung mehrstufig erfolgen.
Das Wärmeträgermedium muss nach Durchlaufen des ersten Direktkontaktwärmeübertragers 32 wieder auf das untere Druckniveau des Arbeitsfluids für den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 gebracht werden. Dazu ist die Druckerniedrigungseinrichtung 42 vorgesehen, bei der wiederum im Batchbetrieb Pakete von Wärmeträgermediumpartikeln auf das niedrigere Druckniveau p₁ gebracht werden. Diese Druckerniedrigung kann dabei, wie oben beschrieben, einstufig oder mehrstufig erfolgen.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass an dem Kreislauf 30 dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 zugeordnet eine Abzweigungseinrichtung 92 angeordnet ist. Durch diese ist ein Teilstrom 94 an Wärmeträgermedium abzweigbar, welcher den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 nicht durchströmt und dementsprechend auch keine Vorwärmung erfährt. Dieser Teilstrom 94 lässt sich wiederum über eine Sammelstelle 96 mit demjenigen Teilstrom, welcher den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 durchströmt hat, mischen. Durch die Vorwärmung nur eines Teilmassenstroms des Wärmeträgermediums kann beispielsweise in Verbindung mit einem Solarreceiver der Gesamtwirkungsgrad des Wärmekraftmaschinensystems 10 verbessert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird das gleiche Wärmeträgermedium sowohl für die externe Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr als auch für die interne Wärmeübertragung verwendet; sowohl die Erhitzung des Arbeitsfluids der Wärmekraftmaschine 12 als auch die Abkühlung erfolgt über das gleiche System, nämlich die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26. Das Gesamtsystem ist dadurch einfacher aufgebaut, da für die Wärmeübertragung nur noch ein System, nämlich die Wärmeträgermedium-Einrichtung 26, vorgesehen ist.
Durch die Vorwärmung des Wärmeträgermediums an dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 ergibt sich ein verbesserter Wirkungsgrad.
Die Wärmeübertragung zwischen Wärmeträgermedium und Arbeitsfluid lässt sich auf effiziente Weise durchführen, da große Flächen bereitstellbar sind. Dadurch lassen sich die Temperaturdifferenzen zwischen den Stoffströmen und die Druckverluste gering halten. Trennwände, welche bei großen Wärmeübertragerflächen beispielsweise hohe Kosten verursachen können oder bei geringen Wärmeübertragerflächen geringe Effizienzen, sind vermieden. Dadurch wiederum sind hohe Grädigkeiten und hohe Druckverluste vermieden.
Durch Verwendung von Schleusenstationen 44 lassen sich Verschleißprobleme an hochtemperaturbelasteten Dichtungen vermeiden. Die Schleusentüren 50a, 50b, 74 können insbesondere im Bereich von Dichtungen auf niedrigeren Temperaturen gehalten werden als im Vergleich mit den Temperaturen beispielsweise in einem Aufnahmeraum 56.
Leckagen, die bei der Angleichung des Drucks im Wärmeträgermedium an die unterschiedlichen Drücke des Arbeitsfluids auftreten können, lassen sich zumindest verringern, indem ein mehrstufiger Druckausgleich über eine Mehrzahl von Schleusenstationen und/oder eine mehrstufige Druckbeaufschlagung innerhalb einer Schleusenstation 44 bzw. 68a usw. durchgeführt wird.
Bei einem typischen Ausführungsbeispiel, bei dem die Wärmekraftmaschine 12 eine Gasturbine ist, wird Arbeitsfluid an dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager 32 auf ein Temperaturniveau in der Größenordnung von 950°C erhitzt. Abgearbeitetes Arbeitsfluid hat ein typisches Temperaturniveau von 650°C. Wenn dieses Arbeitsfluid den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager 34 durchströmt, hat es anfänglich ein Temperaturniveau in der Größenordnung von 640°C und wird dabei auf ca. 200°C abgekühlt. Entsprechend wird dem Verdichter 20 Arbeitsfluid auf einem Temperaturniveau von ca. 200°C durchgeführt. An der Heizeinrichtung 28 wird vorgewärmtes Wärmeträgermedium auf ein Temperaturniveau von ca. 950°C aufgeheizt.
Bei einem Beispiel einer Gasturbine ist das Arbeitsfluid insbesondere Luft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Artikel ”Investigation Into the Use of Ceramic-Honeycomb Rotarg Regenerators for Solar Brayton Cycles” von D. G. Wilson und T. Baker, Proceedings of GT2007 ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea and Air, May 14–17, 2007, Montreal, Canada, GT2007-27216 [0002]

Claims

Wärmekraftmaschinensystem, umfassend mindestens eine Wärmekraftmaschine (12), welche mit einem Arbeitsfluid betrieben ist, und eine Wärmeträgermedium-Einrichtung (26) mit einem ersten Direktkontaktwärmeübertrager (32), an welchem Wärmeträgermedium Arbeitsfluid erhitzt und welcher der mindestens einen Wärmekraftmaschine (12) vorgeschaltet ist, mit einem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager (34), an welchem Arbeitsfluid Wärmeträgermedium erhitzt und welcher der mindestens einen Wärmekraftmaschine (12) nachgeschaltet ist, und mit einer Heizeinrichtung (28) zur Erhitzung des Wärmeträgermediums über eine externe Energiequelle.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium für die mindestens eine Wärmekraftmaschine (12) ausschließlich über den ersten Direktkontaktwärmeübertrager (32) beheizt ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeabgabe von abgearbeitetem Arbeitsmedium an das Wärmeträgermedium ausschließlich an dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager (34) erfolgt.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgermedium-Einrichtung (26) einen Kreislauf (30) für Wärmeträgermedium umfasst.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Direktkontaktwärmeübertrager (32) und der zweite Direktkontaktwärmeübertrager (34) an dem Kreislauf (30) angeordnet sind, wobei bezogen auf eine Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium der zweite Direktkontaktwärmeübertrager (34) ein dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager (32) nachgeschaltet ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium über Festkörperpartikel gebildet ist oder eine Flüssigkeit ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgermedium-Einrichtung (26) eine Druckerhöhungseinrichtung (40) umfasst, durch welche Wärmeträgermedium auf einen Druck (p₂) entsprechend dem Druck (p₂ ^*) des Arbeitsfluids bei Zuführung zu der mindestens einen Wärmekraftmaschine (12) bringbar ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungseinrichtung (40) bezogen auf eine Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager (32) vorgeschaltet ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgermedium-Einrichtung (26) eine Druckerniedrigungseinrichtung (42) umfasst, durch welche Wärmeträgermedium auf einen Druck (p₁) entsprechend dem Druck (₁ ^*) des Arbeitsfluids bei Abführung von der mindestens einen Wärmekraftmaschine (12) bringbar ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerniedrigungseinrichtung (42) dem ersten Direktkontaktwärmeübertrager (32) bezogen auf eine Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium nachgeschaltet ist und dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager (34) vorgeschaltet ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgermedium-Einrichtung (26) mindestens einen Speicher (36; 38) aufweist.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgermedium-Einrichtung (26) mindestens einen Niedertemperaturspeicher (36), welcher bezogen auf eine Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums der Heizeinrichtung (28) vorgeschaltet ist, und/oder mindestens einen Hochtemperaturspeicher (38), welcher der Heizeinrichtung (28) nachgeschaltet ist, umfasst.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (28) eine solare Heizeinrichtung ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmekraftmaschine (12) eine Turbine ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kreislauf (14) für Arbeitsmedium.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (14) für Arbeitsmedium über den ersten Direktkontaktwärmeübertrager (32) und den zweiten Direktkontaktwärmeübertrager (34) mit der Wärmeträgermedium-Einrichtung (26) in thermischem Kontakt steht.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf für Arbeitsmedium bezüglich der kontrollierten Abführung und Zuführung von Wärme ausschließlich mit der Wärmeträgermedium-Einrichtung (26) in thermischem Kontakt steht.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kreislauf (14) für Arbeitsmedium ein Verdichter (20) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungseinrichtung (40) und/oder eine Druckerniedrigungseinrichtung (42) als Schleusenstation (44; 68a, 68b; 70a, 70b; 72) ausgebildet sind mit mindestens einer Aufnahmekammervorrichtung (46) mit mindestens einem Aufnahmeraum (56) für Wärmeträgermedium und einer Druckeinstellungseinrichtung (64) zur Einstellung des Drucks.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufnahmekammervorrichtung (46) thermisch isolierte Wände (60) für den mindestens einen Aufnahmeraum (56) aufweist.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinstellungseinrichtung (64) mindestens zwei getrennte Druckreservoirs (66a, 66b, 66c) umfasst.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Aufnahmekammervorrichtung (46) mindestens ein Behälter (54) angeordnet ist, in welchem der mindestens eine Aufnahmeraum (56) gebildet ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufnahmekammervorrichtung (46) mindestens eine Schleusentür (50a, 50b; 74) aufweist, welche von dem mindestens einen Behälter (54) getrennt ist.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aufnahmeraum (56) in Wirkverbindung mit einem Druckbeaufschlagungsraum (58) steht, welcher in Wirkverbindung mit der Druckeinstellungseinrichtung (64) steht.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungseinrichtung (40) und/oder eine Druckerniedrigungseinrichtung (42) mehrstufig ausgebildet und/oder betrieben sind mit mindestens einem Zwischendruckniveau zwischen einem Eingangsdruck und einem Ausgangsdruck.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 25, gekennzeichnet durch einen Batchbetrieb für eine Kreisführung von Wärmeträgermedium.
Wärmekraftmaschinensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abzweigungseinrichtung (92) für einen Teilstrom an Wärmeträgermedium, welche dem zweiten Direktkontaktwärmeübertrager (34) zugeordnet ist, so dass der zweite Direktkontaktwärmeübertrager (34) mit einem Teilstrom an Wärmeträgermedium durchströmbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine mittels eines Arbeitsfluids, bei dem der Wärmekraftmaschine erhitztes Arbeitsfluid zugeführt wird und entspanntes Arbeitsfluid abgeführt wird, wobei die Erhitzung des Arbeitsfluids über ein Wärmeträgermedium erfolgt, Abwärme von abgearbeitetem Arbeitsfluid an das gleiche Wärmeträgermedium abgegeben wird und das Wärmeträgermedium über eine externe Energiequelle erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium solar erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Arbeitsfluids und die Abkühlung des Arbeitsfluids an dem gleichen System erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsfluid durch Wärmeträgermedium über einen ersten Direktkontaktwärmeübertrager erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsfluid Wärmeträgermedium über einen zweiten Direktkontaktwärmeübertrager erhitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium in einem Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Direktkontaktwärmeübertrager zur Erhitzung von Arbeitsfluid über Wärmeträgermedium und ein zweiter Direktkontaktwärmeübertrager zur Erhitzung von Wärmeträgermedium durch Arbeitsfluid in dem Kreislauf von Wärmeträgermedium durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium in einem Batchbetrieb im Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium in dem Kreislauf vor Wärmekontakt mit dem Arbeitsfluid auf ein Druckniveau des Arbeitsfluids gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Bringen auf das Druckniveau des Arbeitsfluids in mehreren Stufen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckausgleich in mindestens einer Aufnahmekammervorrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium durch Festkörperpartikel gebildet wird.