DE3304729A1

DE3304729A1 - Verfahren zum betreiben einer waermekraftmaschine mit einem gasfoermigen medium

Info

Publication number: DE3304729A1
Application number: DE19833304729
Authority: DE
Inventors: Jürgen 2804 Lilienthal Henkel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-02-11
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1984-08-16
Also published as: JPS59155554A

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine mit einem-gasförmigen Medium.
Dampfmaschinent Brennkraft-Kolbenmotoren, Gasturbinen und andere Wärmekraftmaschinen arbeiten nach dem Prinzip; daß einem Medium Wärme zugeführt und dieses Medium in der Wärmekraftmaschine auf eine niedrigere Temperatur entspannt wird. Das Temperaturgefälle entspricht der gewonnenen mechanischen Arbeit. Verbleibende Restwärme wird abgeführt. Diesen Maschinen ist somit gemeinsam, daß die Abwärme ein geringeres Temperaturniveau als die zugeführte Wärme hat und entweder gar nicht oder nur zu einem sehr kleinen Teil in den Prozeß zurückgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine mit einem gasförminen Medium zu schaffen, durch daß die Abwärme-Verluste minimiert, die in der Abwärme enthaltene Energie für den Betrieb der Wärmekraftmaschine ausgenutzt werden und deren Wirkungsgrad erhöht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß überhitztes Frischgas mit einem Volumen1, einem Druck P1 und einer Temperatur T1 zunächst in einem Wärmetauscher weitgehend isobar durch das im Gegenstrom geführte Abgas der Wärmekraftmaschine unter Vergrößerung seines Volumens auf einen Wert V2 auf eine Zwischentemperatur T2.
und dann durch Zufuhr äußerer Energie weiterhin weitgehend isobar auf eine Endtemperatur T3 unter Volumenvergrößerung auf einen Wert V3 nacherhitzt wird, daß das Gas darauf in die Wärmekraftmaschine eingeleitet und dort die durch die Volumenausdehnung gewonnene Arbeit in Einströmarbeit isobar umsetzt und anschließend auf einen überhitzten Abgas zustand V4, P4, T4 entspannt wird, daß diesem Abgas dann außerhalb der Wärmekraftmaschine und in den Wärmetauscher weitgehend isobar unter Verringerung seines Volumens auf einen Wert V5 im Gegenstrom zu dem Frischgas zunächst bis zum Erreichen einer Zwischentemperatur T5 und anschließend durch Nachkühlung-sowie weiterhin weitgehend isobar bis zu einem noch überhitzten Temperaturwert T6 sowie einem Volumen V6 Wärme entzogen wird und daß das Gas darauf in den Frischgaszustand V1, P1, T1 verdichtet und anschließend wieder in den Wä-rmetauscher geschoben wird.
Im Einzelfall kann es vorteilhaft sein, daß das Nachkühlen des Gases im Anschluß an seine Verdichtung und vor seiner im Gegenstrom stattfindenden Erhitzung vorgenommen wird.
Der Kerngedanke der erfindungsgemäßen Lösung liegt somit darin, daß die erwartete Arbeit zum größten Teil aus der Ausdehnung des Gases und nur zum geringsten Teil aus seiner Entspannung gewonnen wird und auf diese Weise die im Abgas enthaltene Energie optimal genutzt werden kann.Bei Verwendung eines Gleichstromverdichters und einer Gleichstrom-Wärmekraftmaschine kann das Volumen des Gases von V4 auf V5 ohne mechanische Arbeit verringert werden.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nachstehend unter Bezugnahme auf das beigefügte Molier h, p-Diagramm erläutert.
Der Kreisprozeß durchläuft das Diagramm im Uhrzeigersinn. Dabei ist von Bedeutung, daß das gasförmige Medium zu keiner Zeit einen Kondensationsbereich durchläuft, also jederzeit im überhitzten Bereich bleibt.
Des weiteren ist es von Bedeutung, daß die im einzelnen noch erläuterten Druckdifferenzen vergleichsweise klein und die ebenfalls angesprochenen Temperaturdifferenzen vergleichsweise groß sein sollten.
Die im folgenden angegebenen Zustandsgrößen des Gases an den verschiedenen Punkten des Diagramms beziehen sich auf ein Rechenbeispiel, bei dem als Arbeitsgas Wasserstoff zugrundegelegt wurde. Somit ergibt sich, daß die folgenden Zustandsgrößen hinsichtlich ihrer absoluten Werte nur als Beispiel zu werten sind.
Am Punkts des Diagramms liegt Frischgas in einem Zustand von V1 = 1872 dm3, P1-= 4,2 bar, T1 = 1910K vor.
Dieses Frischgas wird auf der Diagrammstrecke 1 - 2 in einem Gegenstrom-Wärmetauscher isobar in den Zustand V2 = 2754 dm3, P2 = 4,2 bar, T2 = 2810K überführt.
Hierauf folgt eine isobare Nacherhitzung entsprechend der Diagrammstrecke 2 - 3 auf einen Glaszustand V3 = 2806 dm3, P3 = 4,2 bar, T3 = 286,30K.
Mit diesem Zustand wird das Gas in die Wärmekraftmaschine geleitet und dort nach Leistung der isobaren Einströmarbeit annähernd isotherm oder adiabatisch auf den Zustand V4 = 3757 dem3, T4 = 3,1 bar, T4 = 2830K entspannt. Das die Wärmekraftmaschine mit diesem Zustand verlassende Abgas wird nun in den Gegenstrom-Wärmetauscher geleitet und gibt entsprechend der Diagrammstrecke 4 - 5 seine Wärme an das entgegengesetzt strömende Frischgas (Strecke 1 - 2) ab. Um diese Wärmeübertragung zu ermöglichen; muß das Abgas an jeder Stelle des Wärmetauschers eine höhere Temperatur haben als das Frischgas. Um dies zu erreichen, ist die bereits erwähnte Nacherhitzung entlang der Diagrammstrecke 2 - 3 vorgesehen.
Das Abgas verläßt den Wärmetauscher mit einem Zustand -V5 = 2562 dm3, P5 = 3,1 bar, T5 = 1930K. Im Hinblick auf die zur Wärmeübertragung erforderliche Temperaturdifferenz und die nachfolgend stattfindende Verdichtung des4~Gases sowie die dabei eintretende Temperaturerhöhung um 2,50K wird das Abgas vor Eintritt in den Verdichter zunächst noch auf einen Zustand V6 = 2503 dm3, P6 = 3,1 bar,. T6 = 188,5°K nachgekühlt. In einem Verdichter findet dann eine weitgehend adiabatische oder isotherme Verdichtung auf den Frischgaszustand V1, P1, T1 statt.
Schließlich ist zu erwähnen, daß sowohl das Nachkühlen als auch das Nacherhitzen des Gases nicht nur wie dargestellt vor dem Punkt 6 und vor dem Punkt 3 stattfinden kann, sondern daß beides entweder im Bereich-der Strecke 1 - 3 oder 4 - 6 einschiebbar ist.
- Leerseite -

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine mit einem gasförmigen Medium A n s p r ü c h e Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine mit einem gasförmigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß überhitztes Frischgas mit einem Volumen V1, einem Druck P1 und einer Temperatur T1 zunächst in einem Wärmetauscher weitgehend isobar durch das im Gegenstrom geführte Abgas der Wärmekraftmaschine unter Vergrößerung seines Volumens auf einen Wert V2 auf eine Zwischentemperatur T2 und dann durch Zufuhr äußerer Energie weiterhin weitgehend isobar auf eine Endtemperatur T3 unter Volumenvergrößerung auf einen Wert V3 nacherhitzt wird, daß das Gas darauf in die Wärmekraftmaschine eingeleitet und dort die durch die Volumenausdehnung gewonnene Arbeit in Einströmarbeit isobar umsetzt und anschließend auf einen überhitzten Abgaszustand V4, P4, T4 entspannt wird, daß diesem Abgas dann außerhalb der Wärmekraftmaschine und in den Wärmetauscher weitgehend isobar unter Verringerung seines Volumens auf einen Wert V5 im Gegenstrom zu dem Frischgas zunächst bis zum Erreichen einer Zwischentemperatur T5 und anschließend durch Nachkühlung sowie weiterhin weitgehend isobar bis zu einem noch überhitzten Temperaturwert T6 sowie einem Volumen V6 Wärme entzogen wird und daß das Gas darauf in den Frischgaszustand V1, Pl, T1 verdichtet und anschließend wieder in den Wärmetauscher geschoben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in der Wärmekraftmaschine im Anschluß an die isobare Einströmarbeit annähernd adiabatisch entspannt wird.
3. -Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in der Wärmekraftmaschine im Anschluß an die isobare Einströmarbeit annähernd isotherm entspannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zunächst annähernd adiabatische Verdichtung des Gases auf den Frischgaszustand und einen anschließenden möglichst isobaren Ausschub in den Wärmetauscher.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zunächst annähernd isotherme Verdichtung des Gases auf den Frischgaszustand und einen anschließenden möglichst isobaren Ausschub in den Wärmetauscher.
6,. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachkühlen des Gases im Anschluß an seine Verdichtung und vor seiner im Gegenstrom stattfindenden Erhitzung vorgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der verdichtenden und der Wärmekraftmaschine derart phasenverschoben synchron gekoppelt werden, daß mit Beginn der Ausschubarbeit des Verdichters die Einströmarbeit der Wärmekraftmaschine beginnt.