Dampf vs. Verdampfung – der wesentliche Unterschied
Bei den bekannten Wärmekraftprozessen (Dampfkraftprozess, ORC-Prozess, Stirling-Prozess, Kalina-Prozess, …), durchläuft das Arbeitsmedium (Gas, Dampf) die Wärmekraftmaschine ohne Änderung des Aggregatzustands.
Dagegen basiert die Umwandlung der Wärmeenergie im TLC-Prozess auf einer Dampfbildung durch Entspannungsverdampfung des heißen Arbeitsmittels in der Wärmekraftmaschine. Dabei kommt es zu einem zeitlichen und räumlichen Nebeneinander von Dampf und Flüssigkeit in sich verändernden Anteilen.
Zur Einordnung:
Bei Turbinen und Motoren für den Dampfkraft- bzw. ORC-Prozess wird ein maximaler Anteil von 5-10% Flüssigkeit im Dampf toleriert. Bei höheren Anteilen besteht die Gefahr einer Oberflächenbeschädigung durch Tropfenerosion.
Da im TLC-Prozess das Arbeitsmittel zu Beginn der Entspannungsverdampfung zu 100% flüssig ist, besteht zusätzlich die Gefahr einer Oberflächenbeschädigung durch Kavitation.
Die Entspannungsverdampfung im Detail
Im TLC-Prozess steht das warme, vollständig flüssige Arbeitsmittel zu Beginn der Entspannungsverdampfung unter einem hohen Druck, der ein Sieden und damit Verdampfung verhindert.
Erst eine Verringerung dieses Druckes auf Werte unterhalb des aktuellen Siededrucks startet den Vorgang der Entspannungsverdampfung.
Durch den abnehmenden Druck
– unterschreitet das warme, flüssige Arbeitsmittel seine Siedegrenze
– das Arbeitsmittel beginnt zu sieden und es bildet sich Dampf
– der neu entstehende Dampf vergrößert das Volumen (unter dem aktuellem Druck)
– damit verringert sich die Temperatur des flüssig verbleibenden Teils des Arbeitsmittels durch Entzug von Verdampfungswärme
Bereits existierender Dampf dehnt sich (unter Abkühlung) durch den abnehmenden Druck weiter aus und vergrößert zusätzlich das Volumen.
Dieser Kreislauf, beginnend mit einer Verringerung des aktuellen Drucks, Dampfbildung und Volumenvergrößerung wiederholt sich kontinuierlich und endet erst beim Erreichen der minimalen Temperatur, der Kondensationstemperatur, die durch die Temperatur der äußeren Wärmesenke bestimmt wird.
Die erzielte Volumenvergrößerung, unter dem jeweils aktuellen, abnehmenden Druck, entspricht dabei der umgewandelten Wärmeenergie, die von der Wärmekraftmaschine aufgenommen und in eine mechanische Bewegung (z.B. eine Rotation) umgesetzt werden muss.
Siedeverzug
Ein wenig beachtetes Details der Entspannungsverdampfung ist der sogenannte Siedeverzug, eine geringe zeitliche Verzögerung zwischen der Verringerung des Druckes und dem Siedebeginn.
Diese zeitliche Verzögerung hat zur Folge, dass es zwischen der theoretischen und der realen p-V-Kennlinie zu einer Verschiebung kommt (siehe Abbildung), die zu prozessbedingten Verlusten führt.
Ein kaum beachteter Parameter: Zeit
Bei den bekannten Wärmekraftprozessen (ORC, Stirling, Kalina), wo es nur einen Druckabbau des dampf- bzw. gasförmigen Arbeitsmediums gibt, ist die für den Druckabbau benötigte Zeit ein untergeordneter Parameter der Strömungsgeschwindigkeit.
Anders beim TLC-Prozess.
Durch den Siedeverzug wird die Entspannungsverdampfung, also die fortlaufende Bildung neuer Dampfblasen bei kontinuierlich abnehmendem Druck, zu einem Vorgang mit zeitlicher Komponente.
Eine schnelle Druckverringerung oder eine Druckverringerung in zu großen Sprüngen führt zu höheren Umwandlungsverlusten und damit einer Verschlechterung des thermodynamischen Wirkungsgrads der Wärmekraftmaschine (siehe Abbildung).
D.h. für die Umwandlung der aufgenommenen Wärmeenergie in mechanische Energie ist der zeitliche Verlauf der Entspannungsverdampfung ein wichtiger Parameter.
Nur so ist ein Maximum an umgewandelter Wärmeenergie durch die Entspannungsverdampfung möglich.
Für einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad wird eine langsame, gleichmäßige Druckveringerung angestrebt.
Die perfekte TLC-Wärmekraftmaschine – ein Alleskönner
Aus technischer Sicht muss eine TLC-Wärmekraftmaschine gleichzeitig:
– kontinuierlich den Arbeitsdruck verringern um die fortlaufende Entspannungsverdampfung des warmen Arbeitsmittels zu initiieren
– langsam den Arbeitsdruck verringern um einen möglichst hohen thermodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen
– kontinuierlich das Volumen des Arbeitsraumes vergrößern für den neu entstehenden Arbeitsmitteldampf beziehungsweise das Ausdehnen des bereits vorhandenen Arbeitsmitteldampfes
– die durch die Volumenvergrößerung geleistete Ausdehnungsarbeit in mechanische Energie (= Bewegung) umwandeln
Dieser Kreislauf erfolgt bei
– gleichzeitigem Nebeneinander von flüssigem und dampfförmigem Arbeitsmittel
– beginnend mit 100% Flüssigkeit zu Beginn der Entspannungsverdampfung
– hohen abzubauenden Druckdifferenzen von bis zu 40 bar
– großen Volumenvergrößerungen bis zum 300-fachen des ursprünglichen flüssigen Volumens
Zusammenfassung
Der TLC-Prozess stellt hohe Anforderungen an eine geeignete Wärmekraftmaschine.
Neben prozessbedingten Parametern wie der kontinuierlichen und langsamen Verringerung des Arbeitsdruckes, dem Nebeneinander von Flüssigkeit und Dampf sowie dem großen volumetrischen Entspannungsverhältnis kommen technische Herausforderungen wie die Vermeidung von Tropfenerosion und Kavitation.
Eine Analyse der vorgenannten Anforderungen und Probleme führte zu der Erkenntnis, dass für eine Energiegewinnung nach dem TLC-Prozess neuartige Wärmekraftmaschinen erforderlich sind, die, ähnlich wie Maschinen für den Stirling-Prozess, auf die spezifischen Anforderungen einer Entspannungsverdampfung abgestimmt sind.