Wärme- und Leistungserzeugungsanlage. Es ist bekannt, eine Feuerungsanlage mit einer Luftturbine zu kombinieren, und es ist auch bekannt, einem Verbraucher Wärme zu zuführen, welche durch eine Wärmepumpe aus einem tieferen Temperaturniveau, z. B. der Umgebungsduft oder von Wasserläufen oder Seen, auf das Verbraucherniveau herauf gepumpt wird.
Es wunde jedoch bis heute nicht erkannt, dass durch die Kombination einer Feuerung, einer Gasturbine und einer Wärmepumpe zusätzliche Leistungen erzeugt werden können, welche nicht durch zusätz lichen Brennstoffverbrauch geleistet werden müssen, sondern durch Wärme aus einem natürlichen Wärmebehälter, wie Umgebungs luft oder Wasserwärme aus Seen und Flüs sen.
In allen Fällen, in denen die Wärme von heissen Feuergasen mindestens teilweise bei genügend tiefen Temperaturen (z. B. unter 200 ) an einen äussern Wärmeverbraucher abgegeben wird, sei es unmittelbar oder mit telbar, z. B. über ein Dampfsystem als Zwischenträger, also z. B. bei Heiz-, Trock- nungs- und Kochanlagen, bei Gegendruck- und Anzapfdampfanlagen, welche mindestens teilweise Wärme zu den genannten Zwecken abgeben, in vielen Fällen auch bei che mischen Anlagen, kann nämlich ohne zusätz lichen Brennstoffverbrauch zusätzliche Lei- stumg geschaffen werden, welche energetisch durch tieftemperaturige Wärme aus natür lichen Behältern ersetzt wird, das heisst es kann die Kombination ,der Feuerung,
der Gas turbine und ,der Wärmepumpe als "Leistungs pumpe" bezeichnet werden, welche Leistung erzeugt und dafür mindestens ein entspre chendes. Äquivalent Wärme der Natur ent zieht. Selbstverständlich handelt es sich :da bei nicht um eine Verletzung des zweiten Hauptsatzes, sondern nur um eine bessere Verwendung der Wärme der Hochtempera- turberei.che der Feuergase, sowie um -deren Ersetzung durch;
aufgepumpte Umgebungs- wärme.
Die Erfindung besteht somit darin, dass bei einer Wärme- und Leistungserzeubo-ungs- anlage, die mindestens einen Teil ihrer Wärme an mindestens einen Wärmever braucher abgibt, eine Feuerungsanlage mit einem Gasturbinenaggregat und einem Wärme pumpenaggregat derart kombiniert ist, dass mindestens ein Teil des Temperaturgefälles der Feuergase zur Erzeugung von mecha nischer Leistung verwendet wird, und dass die Wärmepumpe Wärme aus einem tieferen Temperaturniveau mindestens auf das Tem peraturniveau eines Wärmeverbrauchers hebt. Das den Feuergasen entzogene Wärme gefälle kann entweder direkt in einer Gas turbine oder durch Abgabe der Wärme an ein anderes Arbeitsmittel, z.
B. an Luft. in einer Luftturbine, in Leistung umgewandelt werden. Das Wort "Gasturbine" ist hierbei in allgemeinem Sinne aufzufassen. Unter einer "Feuerungsanlage" ist ferner irgendeine Anlage zu verstehen, welche eine Feuerung enthält, also z. B. auch eine Dampfanlage etc.
Fig. 1 zeigt eine Feuerungsanlage ohne erfindungsgemässe Ergänzung, jedoch bei spielsweise mit einem Dampfsystem als Zwi schenträger zwischen Feuergasen und Ver- braueher, wobei eine Gegendruck-Dampf turbine noch einen Teil der dem Dampf mit geteilten Wärme in mechanische Arbeit um wandelt.
Fig. 2 und 3 zeigen Schaltungsbeispiele für die erfindungsgemässe Kombination der Feuerung (beispielsweise mit Dampfkreislauf als Zwischenträger), der Luftturbinenanlage und der Wärmepumpe. In beiden Fällen ist angenommen, dass die Feuergaswärme nicht direkt dem Wärmeverbraucher zugeführt wird, sondern überein Dampfsystem, welches in bekannter Weise in einer Gegendruck- Dampfturbine noch Leistung abgibt; die Feuergaswärme könnte auch direkt dem Ver braucher zugeführt werden, ohne Dampf Zwisehenträ.ger.
Fig.1 zeigt eine gewöhnliche Die Frischluft wird vom Ven tilator J mit :der Temperatur t" .der Feuerun@r zugeführt; auf dem Rost C verbrennt bei- spiel's-eise Kohle; der Zustand der Verbren- nunbgase unmittelbar nach der
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sei <SEP> mit <SEP> 61 <SEP> bezeichnet;
<SEP> die <SEP> Gase <SEP> durchströmen
<tb> den <SEP> Kessel <SEP> D. <SEP> den <SEP> sie <SEP> im <SEP> Zustand <SEP> 69 <SEP> ver lassen. <SEP> Sie <SEP> treten <SEP> im <SEP> Zustand <SEP> 70 <SEP> in <SEP> den <SEP> Über hitzet <SEP> E <SEP> und <SEP> verlassen <SEP> denselben <SEP> im <SEP> Zustand
<tb> <B>79.</B> <SEP> Im <SEP> Economiser <SEP> B <SEP> werden <SEP> die <SEP> Gase
<tb> schliesslich <SEP> noch <SEP> zur <SEP> Wasservorwärmung <SEP> her angezogen <SEP> (Zustandsänderung <SEP> 90 <SEP> = <SEP> 99), <SEP> und
<tb> entweichen <SEP> beispielsweise <SEP> im <SEP> Zustand <SEP> 99 <SEP> ins
<tb> Kamin.
<SEP> Das <SEP> Wasser <SEP> vom <SEP> Zustand <SEP> I <SEP> wird <SEP> im
<tb> Economiser <SEP> B <SEP> auf <SEP> den <SEP> Zustand <SEP> Il <SEP> vorge wärmt, <SEP> verdampft <SEP> im <SEP> 'Keesel <SEP> D <SEP> auf <SEP> den <SEP> Zu stand <SEP> III, <SEP> wird <SEP> im <SEP> Überhitzet <SEP> E <SEP> auf <SEP> den <SEP> Zu stand <SEP> IV <SEP> gebracht, <SEP> welcher <SEP> sieh <SEP> infolge <SEP> von
<tb> Verlusten <SEP> in <SEP> den <SEP> Leitungen <SEP> zwischen <SEP> E <SEP> und
<tb> der <SEP> Gegendruck-Dampfturbine <SEP> F <SEP> auf <SEP> V <SEP> ändern
<tb> möge. <SEP> In <SEP> diesem <SEP> Zustand <SEP> wird <SEP> F <SEP> beiauf schlagt, <SEP> wo <SEP> eine <SEP> Expansion <SEP> bis <SEP> auf <SEP> den <SEP> Zu stand <SEP> VI <SEP> erfoht.
<SEP> in <SEP> welchem <SEP> der <SEP> Dampf <SEP> dem
<tb> äussern <SEP> Wärmeverbraucher <SEP> <I>1l</I> <SEP> zugeführt
<tb> werde, <SEP> an <SEP> welchen <SEP> die <SEP> Wärme <SEP> entsprechend
<tb> der <SEP> Zuskindsänderung <SEP> von <SEP> VI <SEP> auf <SEP> I <SEP> abge geben <SEP> werde. <SEP> Die <SEP> Turbine <SEP> F <SEP> treibt <SEP> beispiels weise <SEP> den <SEP> Generator <SEP> G <SEP> an.
<tb> Fig. <SEP> 2 <SEP> stellt <SEP> ein <SEP> Beispiel <SEP> der <SEP> erfindungs g <SEP> emi <SEP> ässen <SEP> Anlage <SEP> dar, <SEP> und <SEP> zwar <SEP> eine <SEP> K#ombi nütion <SEP> von <SEP> Feuerung <SEP> mit <SEP> Dampf-Zwisehen sys@tem, <SEP> LLiftturbinenanlage <SEP> und <SEP> Wärme pumpe.
<SEP> Die <SEP> in <SEP> der <SEP> folgenden <SEP> Beschreibung
<tb> angegebenen <SEP> Zahlen <SEP> beziehen <SEP> sich <SEP> auf <SEP> die <SEP> Zii stände <SEP> an <SEP> den <SEP> mit <SEP> entsprechenden <SEP> Zahlen <SEP> be zeichneten <SEP> Punkten <SEP> des <SEP> Schemas. <SEP> Die <SEP> Teile
<tb> <I>Ii, <SEP> L,. <SEP> L_, <SEP> 11</I> <SEP> und <SEP> 1' <SEP> und <SEP> der <SEP> Leitungsweg <SEP> von
<tb> 0 <SEP> = <SEP> 59 <SEP> stellen <SEP> den <SEP> Luftturbinenanlageteil
<tb> dar. <SEP> Im <SEP> Kompressor <SEP> 1i <SEP> wird <SEP> die <SEP> Frischluft
<tb> (0) <SEP> auf <SEP> Druck <SEP> gebracht <SEP> <B>(</B>9).
<SEP> In <SEP> den <SEP> Aus tauschern <SEP> <I>L,</I> <SEP> (3() <SEP> = <SEP> 39) <SEP> und <SEP> <I>L.,</I> <SEP> (40 <SEP> = <SEP> 49)
<tb> wird <SEP> die <SEP> Driiekluft <SEP> auf <SEP> die <SEP> für <SEP> die <SEP> Turbine
<tb> 11 <SEP> nötige <SEP> Temperatur <SEP> (Zustand <SEP> 5t)) <SEP> gebracht;
<tb> in <SEP> der <SEP> Turbine <SEP> J1 <SEP> wird <SEP> Expansionsarbeit <SEP> ge leistet. <SEP> Die <SEP> Turbinenabluft <SEP> (51) <SEP> gibt <SEP> bei spielsweise <SEP> einen <SEP> Teil <SEP> ihrer <SEP> Wärme <SEP> in <SEP> L1 <SEP> an
<tb> die <SEP> Frischluft <SEP> ab <SEP> (a5 <SEP> =59). <SEP> Die <SEP> Abluft <SEP> von
<tb> L, <SEP> (59) <SEP> wird <SEP> beispielsweise <SEP> als <SEP> Brennhift <SEP> (60)
<tb> verwendet, <SEP> welche <SEP> den <SEP> auf <SEP> dem <SEP> Rost <SEP> C <SEP> lie aendün <SEP> Brennstoff <SEP> (beispielsweise <SEP> Kohle)
<tb> verbrennt.
<SEP> Die <SEP> Verbrennungsoase <SEP> (61) <SEP> geben
<tb> im <SEP> Verdampfer <SEP> D <SEP> (61 <SEP> <B>-*.69)</B> <SEP> und <SEP> im <SEP> tber lützer <SEP> E <SEP> <B>(-7(I</B>= <SEP> 79) <SEP> Wärme <SEP> an <SEP> dos <SEP> Dampf- system ab, durchströmen alsdann den Luft vorwärmer L2 (80 # 89), wo sie der Luft die für die Expansionsleistung in der Turbine M notwendige Wärme mitteilen, und geben einen Teil ihrer Restwärme im Economiser B (90 # 99) an das Dampfsystem ab, um als dann beispielsweise ins Kamin zu entweichen; sie können aber auch vorher noch Wärme an einen äussern Verbraucher abgeben.
Das Dampfsystem von Fig. 2 unterschei det sieh äusserlich nur wenig von demjenigen der Fig. 1, indem durch Wärmeaufnahme im Economiser B (I-II), Verdampfer D (II-III) und Überhitzer E (III-IV) Dampf erzeugt wird, der Dampf in der Gegendruckturbine F (V # VI) Arbeit lei stet, worauf er in H1, (VI-I) Wärme an den Verbraucher H abgibt.
Nehmen wird nun an, es werde auf dem Rost C im Falle der Fig. 2 gleichviel Kohle je Zeiteinheit verbrannt wie im Falle von Fig. 1, dann kann infolge der zusätzlichen Wärmeabgabe in L2 an das Luftsystem und Umwandlung derselben in M in mechanische Arbeit im Falle von Fig. 2 nicht gleichviel Dampf erzeugt werden wie im Fallo von Fig. 1, und es vermindert sich sowohl die Leistung der Turbine F als auch die vom Dampf in H1 an den Verbraucher abgegebene Wärme. Sofern nun dieser Min derbetrag an Wärme in H1 bei genügend tiefem Temperaturniveau Verwendung fand, kann er ersetzt werden durch die von einer Wärmepumpenanlage aus einem natürlichen Wärmespeicher auf die erforderliche Ver brauchertemperatur heraufgepumpte Wärme.
Die Wärmepumpenanlage ist in bekannter Weise beispielsweise dargestellt durch den Verdampfer P, den Dampfkompresser Q, den Kondensator R und die Expansionsmaschine S, sowie den Druckvernichtungsschieber T; die Expansionsmaschine S kann auch weg fallen.
Die Wärme, welche vom Wärmepumpen- arboitsmedium in P von aussen, beispielsweise von der Umgebungsluft oder vom Wasser eines Wasserbehälters, eines Flusses oder Sees, aufgenommen wird, sowie die Kom pressionswärme von Q, wird in R von den von f nach h strönenden Mittel, z. B.
Luft oder Wasser, aufgenommen, weiches sich in R vom Zustand f auf den Zustand g erwärmen und in H2 seine Wärme an den Verbraucher H abgeben möge, wobei es sich von g auf h abkühlen möge. Die Wärmepumpenanlage wird beispielsweise so gross gewählt, dass die Wärme H2 gerade den oben beschriebenen Wärmeausfall von H1 deckt.
Es wird nun bei gleichem Brennstoffver brauch der Anlage nach Fig. 2 wie derjenigen nach Fig. 1 und bei bleicher Gesamtnutz wärmeabgabe an den Verbraucher H die Überschussleistung der Turbine M über die Antriebsleistungen der Kompressoren K und Q grösser als die Leistungsreduktion der Tur bine F, so dass bei gleichem Brennstoffver brauch und gleicher Nutzwärme durch die beschriebene Anordnung zusätzliche Lei stung geschaffen wurde, welche ihr energe tisches Äquivalent in der bei P der Atmo sphäre bezw. dem Wasser entzogenen Wärme findet, so dass, von aussen gesehen, Leistung ohne Brennstoffzufuhr, sondern lediglich durch Entzug von Wärme, z. B. aus der Atmosphäre, beschaffen wurde.
Genau ge sehen wird aber natürlich die A@imosphären- wärme nur dazu verwendet, kostbare Hoch temperaturwärme zu ersetzen, welche dafür in L2 an die Druckluft abgegeben und in N in Leistung umgesetzt werden kann Die Kompressoren, K und Q der Lufttur binen- und der Wärmepumpenanlage werden in Fig. 2 direkt von M angetrieben; sie kön nen auch getrennt angetrieben werden; auch kann M in mehrere Teilturbinen aufgeteilt sein, welche einzeln den Generator N, den Kompressor K und den Kompressor Q antrei ben können. Sofern z.
B. der Kompressor K mit seiner Antriebsturbine auf einer eigenen Welle läuft, kanndie Tourenzahl von K un abhängig von der Generatortourenzahl N ge wählt und geregelt werden, was eine Last- rege@ung ,der Luftturbinenloistung .durch Tou renveränderung des Kompressoraggregates und damit gute Teillastverhältnisse ermög licht.
Fig. 3 zeigt ein anderes Schaltungsbeispiel: Dass Speisewasser wird in den Economi- sern B1, B2 und B3 erwärmt (I # I' # Ir, I"#II), der Dampf im Kessel D (II-III) erzeugt, im Überhitzer E (III-IV) über hitzt. in der Gegendruckturbine F (V - VI) entspannt. Seine Nutzwärme gibt der Dampf in HI, (VI- VII) an den Verbraucher H ab. Gegenüber Fig. 2 ist also im Dampfsystem lediglich die Aufteilung des Economisers B in mehrere Teile B1, B2, D3 abweichend.
Wiederum geben die Verbrennungsgase einen Teil ihrer Wärme bei hohen Tempera turen an das Luftsystem zwecks Umwand lung in Leistung ab; bei gleicher Wärme zufuhr auf dem Rost C wie in Fig. 1 kann daher wiederum weniger Dampf erzeugt wer den, so dass zunächst gegenüber der reinen Gegendruckdampfanlage in H1 vom Dampf weniger Wärme an den Verbraucher abgege ben werden kann und auch die Leistung von F etwas zurückgeht.
Der Kompressor K ist zum Unterschied von Fig. 2 als gekühlt vorausgesetzt; durch die Kühler U, welche beispielsweise an meh reren Stufen des Kompressors K vorgesehen sind, wird als Kühlmittel beispielsweise Wasser oder Luft geführt (beispielsweise Kühlstufen a-b und b-c), welche die im Kühler aufgenommene Wärme in 114 (d-c) ebenfalls an den Verbraucher abgeben kann.
Die in K von 0 auf 9 komprimierte Luft gelangt in Fig. 3 in die Luftvorwärmer L1 (30 # 39) und L2 (40 # 49), und von da zur Turbine M (50 - 59), welche beispielsweise den Generator N und den Kompressor K an treibt. Der Kompressor K kann aber aueh separaten Antrieb, z. B. durch Teilturbine von M, erhalten. Die Abluft der Turbine (59) wird nun in zwei Teilströme aufgeteilt. Der eine wird im Kessel, dem er im Zustand GO zugeführt wird, als Verbrennungsluft ge braucht, nachdem er vorher im Economiser B3 Wärme an das Frischwasser abgegeben hat. Es wird auf dem Rost C beispielsweise Kohle verbrannt; die Verbrennungsgase (G1) gelangen zum Teil über den Verdampfer D (61, 65, 69) und den Überhitzer E (70 - 79) zum Luftvorwärmer L2. Vor ihrem Eintritt in L2 werden z.
B. abgezweigte Heissgase über 651 der Mischungsstellc 80 zugeführt und mit den Überhitzergasen (79) gemischt: der Luftvorwärmer L2 wird dann beispiels weise von den, Mischgasen im Zustand 80 be aufschlagt. Die Gase können nach Durchströ men eines Teils von L2 nochmals mit rest lichen abgezweigten Heissgasen gemischt wer den; zu diesem Zwecke ist der Gasstrom in L2 bei 81 unterbrochen, und es werden die Gase mit den über 652 abgezweigten Heiss gasrest gemischt; die Mischgase beaufschla gen sodann im Zustand 82 den Restteil von L2 und verlassen denselben im Zustand 85, um von da in den Gasteil des Luftvorwärmers L1 zu gelangen, den sie im Zustand 89 ver lassen. Den Brenngasen kann auch Abluft der Turbine zugemischt werden, was z. B. durch die Leitung 60-G00-80 dargestellt ist.
Die Turbinenluft kann natürlich auch vor den Kühler b3 abgezweigt werden. Die Ab gase von L1 durchströmen noch den Teil- Economiser B2 (90 # 99), wo sie Wärne au das Speisewasser abgeben, um alsdann bei spielsweise ins Kamin zu entweichen; sie könn ten äber vorher auch nee Wärme an den Ver braucher abgeben. Die bei 59 von der Brenn- luft abgezweigte Luft strömt direkt zum Luftvorwärmer I1, den sie von 850 bis 890 durchströmt. Von L1 gelangt die Luft in den Teil-Economiser B1 (900 #:- 990), wo sie Wärme an das Speisewasser abgibt, und schlicsslieh wird die restliche Luftwärme in Il3 (997-999) an den Verbraucher Il abge geben.
In L, und im folgenden Strömungs weg werden die Gase (85# 89 #99) ge trennt von der Luft (850-890-990) ge führt, um die Abluft bis zii tieferen Tempe raturen ausnützen zu können als die Abgase.
Infolge der in .L, von -den Gasen an die Druckluft abgegebenen und in der Lufttur bine N in Leistung uingewaidclten \Värin;: kann bei der Anlage von Fig. 3 mit der ;
lei- chen, Brennstoffmenge wie bei der reinen Gegendruck-Dampfanlago wiederum nicht die gleiche Dampfmenge erzeugt und in 11, nicht die gleiche Wärmemenge an den Ver- braucher H abgegeben werden wie bei der Gegendruckanlage nach Fig. 1. Auch die in H3 und H4 an H abgegebene Wärme vermag das Manko nicht voll zu decken. Dieses Wärmemanko wird wiederum durch eine Wärmepumpenanlage gedeckt, welche Wärme eines tieftemperaturigen Niveaus mindestens auf dasjenige des Verbrauchers hebt.
P be deute wiederum den Verdampfer, Q den Dampfkompressor, R den Kondensator, S die Expansionsmaschine und T einen Druckver nichtungsschieber. Sofern die Wärmepumpe mit Verdampfung arbeitet, wird S gewöhn lich weggelassen und der Druck in T allein vernichtet.
Die in P dem tiefen Temperatur niveau (Umgebungsluft, Wasser von Seen oder Flüssen etc.) entzogene Wärme sowie die Kompressionswärme von Q werden in R an das flüssige oder gasförmige Mittel (vor zugsweise Wasser oder Luft) abgegeben, welches in P Wärme aufnimmt (Zustands änderung f, g) und dieselbe mindestens zum Teil in H2 an den Verbraucher H abgibt (g, h), und damit das Wärmemanko deckt, welches von der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit in der Turbine M heir- rührte.
Die Turbine M treibe beispielsweise einen Generator N, die Turbine Seinen Generator W, während der Stromerzeuger der Turbine F wiederum mit G bezeichnet sei. V stellt den Antriebsmotor des Wärmepumpenkom- pressors dar.
Wenn nun die gesamte Anlage (Fix. 3) so dimensioniert ist, dass sowohl gleich viel Brennstoff verbraucht als auch gleich viel besamte Nutzwärme in H1 # H2 # H3 - H4 an den Verbraucher H abgegeben wird wie bei der gewöhnlichen Gegendruck-Dampf anlage (Fix. 1), so gibt die beschriebene kom binierte Anlage (Fix. 3) total mehr Nutz Kilonvatt mechanische Leistung an die Gene ratoren N, G und eventuell W ab, als die äquivalente Gegendruckturbine F von Fig. 1 an ihren Generator G abgibt, obwohl in Fig. 3 die Turbine F weniger leistet als in Fig. 1 und obwohl auch die Leistungen von I und Q aufgebracht werden müssen.
Es ist daher insgesamt bei gleichem Brenn- gstoffverbrauch zusätzliche Leistung ge schaffen worden, welche energetisch ihr Äquivalent wiederum in der bei P dem nied rigen Temperaturniveau entzogenen Wärme findet.
Wenn bisher der Vergleich der Neukom bination mit der bekannten Gegendruck anlage stets auf Grund gleicher Brennstoff mengen gezogen wurde, so heisst dies natür lich nicht, dass die kombinierte Anlage stets nur für gleiche Brennstoffmenge vorgesehen sein soll wie eine allfällig vorher vorhandene Gegendruckanlage, welche vielleicht zur kom- binierten Anlage ausgebaut wurde, sondern es wunde dieser Vergleich nur der Anschau lichkeit wegen gewählt; die neue Anlage kann natürlich mit beliebigem Brennstoff verbrauch gebaut und betrieben werden.
An Stelle der Dampfwärmepumpenanlage, welche in Fig. 2 und 3 zunächst angenommen wurde, kann auch eine Luft- oder Gaswärme pumpenanlage treten, wobei alsdann Q bei spielsweise einen Rotationskompressor. P und P V@Tä.rmeaustauscher, S eine Luft- oder Gas turbine bedeuten. Im Falle von Luft kann P wegfallen; an seine Stelle tritt alsdann <B>di-</B> rekt die Atmosphäre.
Die Kompressoren K und Q können im Falle von gleichen Arbeits medien zusammengebaut werden, ebenfalls die Turbinen M und ,S (indem beispielsweise Q als eine Stufe oder Stufengruppe von K gebaut wird;).
An ,die Stelle von Luft kann im Kreislauf 0-60 auch ein anderes Gas treten; sofern es nicht brennbar ist, und,die Turbinenwärme der Verbrennungsluft .doch mitgeteilt wer den soll, muss. zwischen 5<B>9</B> und 60, ein zusätz licher Austauscher eingelegt werden.
Ferner kann der Erfindungsgaedanko auch durch andere Schaltungen verwirklicht wer den; es kann beispielsweise auch mit geschlos senem Kreislauf gefahren werden. Auch die Antriebs- und Kupplungsverhältnisse von Turbinen und Kompressoren können belie- hige sein. Auch können statt Kohle andere Brennstoffe, auch flüssige oder gasförmige, verwendet werden. Die Verbrennung kann auch vor Eintritt in die Turbine erfolgen, so dass an Stelle des Luftturbinensvstems ein Gasturbinensystem mit innerer Verbren nung tritt.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich die erfindungsgemässe Ergänzung von vorhande nen Feuerungsanlagen, z. B. Heizanlagen oder Gegendruckanlagen etc., durch die Luft turbinen- und Wärmepumpenteile, indem ge rade in solchen Fällen wirklich Leistung neu geschaffen werden kann, ohne den Brenn stoffverbrauch der Anlage zu erhöhen.
Da die gesamte oder ein Teil der neuge schaffenen Leistung zum Antrieb von Wärmepumpen verwendet werden kann, ist es auch möglich, statt Leistung Wärme zu erzeugen, ohne für die mehrerzeugte Wärme Brennstoff oder mechanische Leistung zu be nötigen, indem die gesamte Mehrwärme auf diese Weise der Atmosphäre oder einem andern Niedertemperaturniveau entzogen wird.
Da bei einer gewöhnlichen Wärme pumpe stets ein Bruchteil der Mehrwärme mechanisch aufgebracht werden muss, und da bei thermisch erzeugter mechanischer Lei stung diese nur einen Bruchteil der sie er zeugenden Wärme darstellt, kam als Wärme pumpenantrieb bis jetzt thermisch erzeugte Leistung nicht in Frage, Durch die Erfin dung ist dagegen die Wärmepumpe auch als Ergänzung von thermischen Kraftanlagen verwendbar.
Für das Fahren mit reduzierten Leistun gen oder mit reduzierter Nutzwärmeabgabe ergeben sich ebenfalls vorteilhafte Lösungen. Bei reduziertem Nutzwärmebedarf am Ver braucher kann z. B. zunächst die Wärmepum- penanlage abgeschaltet oder direkt auf Kälteerzeugung (Klimaanlagen) umgeschal tet werden. Durch Äbstellen der Wärme pumpenanlage (z. B. Abkuppeln des Ge bläses Q) tritt ein Überschuss der nach aussen abgegebenen Nutzleistung auf. Soll diese jedoch konstant bleiben, was speziell im Falle des Einwellenbetriebes (ohne eigenen An triebsmotor V für Q) gefordert werden kann, so muss gleichzeitig die Luftturbinenleistung von M vermindert werden.
Dies kann im all- gemeinen dureh Verringerung der Luftförder menge (durch Drosselung oder durch Sen kung der Drehzahl rles allfällig auf eigener Welle laufenden Kompressoraggregates oder durch parallele Umführung) von M erfolgen. Um die Dampfseite nicht zu beeinflussen, kann die Verbrennungsgasmenge, welche den Kessel und Uberhitzer durchströmt (Weg 61, 65, 69, 70, 79), konstant belassen und nur die abgezweigte Luftmenge (59 # 850 # 9#9), sowie, um die Temperaturen mindestens an genähert konstant zu halten, die abgezweigte Brenngasmenge (Weg 61, 650, 80 bezw. 61, 651, 92) vermindert werden.
Ist die gesamte abgezweigte Brenngas- sowie die gesamte ab gezweigte Luftmenge voll abgedrosselt, und soll die Luftturbinenleistung weiter gedros selt werden. ohne das Dampfsystem zu be einflussen, oder soll überhaupt die im ge samten geförderte Luftmenge bei der Lei stungsreduktion nicht wesentlich verändert werden, so kann die Luftturbine M durch einen Parallelweg mindestens teilweise um gangen werden, indem man den Schieber 0 öffnet. Umgekehrt kann mit Hilfe der be schriebenen Abzweigungen und ihrer Regu lierorgane (eingezeichnete Schieber und Klap pen) die Dampfseite bei konstanter Luft leistung oder bei konstanter Gesamtlast regu liert werden. Es ist also möglich, die Dampf seite, die Luftseite und die Wärmepumpen seite voneinander unabhängig oder in be stimmter vorgezeichneter Abhängigkeit zu regulieren.
Heat and power generation plant. It is known to combine a furnace with an air turbine, and it is also known to supply heat to a consumer, which is generated by a heat pump from a lower temperature level, e.g. B. the ambient scent or from watercourses or lakes, is pumped up to consumer level.
However, it has not yet been recognized that the combination of a furnace, a gas turbine and a heat pump can generate additional services that do not have to be provided through additional fuel consumption, but rather through heat from a natural heat container, such as ambient air or water heat Lakes and rivers.
In all cases in which the heat from hot fire gases is at least partially given off to an external heat consumer at sufficiently low temperatures (e.g. below 200), either directly or indirectly, e.g. B. via a steam system as an intermediate carrier, so z. B. with heating, drying and cooking systems, with counter pressure and bleeding steam systems, which at least partially give off heat for the purposes mentioned, in many cases also with chemical systems, namely additional power can be created without additional fuel consumption , which is energetically replaced by low-temperature heat from natural containers, i.e. the combination, the furnace,
the gas turbine and the heat pump are referred to as "power pump", which generates power and at least one corre sponding. Equivalent heat drawn from nature. It goes without saying that: since this is not a violation of the second law, but only a better use of the heat in the high-temperature area of the fire gases, as well as their replacement by;
inflated ambient heat.
The invention therefore consists in the fact that in a heat and power generation system that gives off at least part of its heat to at least one heat consumer, a combustion system with a gas turbine unit and a heat pump unit is combined in such a way that at least part of the temperature gradient the fire gases are used to generate mechanical power, and that the heat pump raises heat from a lower temperature level to at least the temperature level of a heat consumer. The heat extracted from the flue gases gradient can either directly in a gas turbine or by releasing the heat to another working medium, eg.
B. in air. in an air turbine, converted into power. The word "gas turbine" is to be understood in a general sense. A "combustion system" is also to be understood as any system which contains a combustion system, e.g. B. also a steam system etc.
Fig. 1 shows a furnace without the inventive addition, but for example with a steam system as an intermediate carrier between the combustion gases and the consumer, with a counter-pressure steam turbine still converting part of the steam with shared heat into mechanical work.
2 and 3 show circuit examples for the inventive combination of the furnace (for example with a steam circuit as an intermediate carrier), the air turbine system and the heat pump. In both cases it is assumed that the fire gas heat is not fed directly to the heat consumer, but rather via a steam system which, in a known manner, still delivers power in a counter-pressure steam turbine; The heat from the fire gas could also be fed directly to the consumer, without steam intermediaries.
The fresh air is supplied from the fan J at: the temperature t ". To the fire; on the grate C, for example, coal burns; the state of the combustion gases immediately after the
EMI0002.0022
let <SEP> be denoted by <SEP> 61 <SEP>;
<SEP> the <SEP> gases <SEP> flow through
<tb> the <SEP> boiler <SEP> D. <SEP> the <SEP> leave <SEP> in the <SEP> state <SEP> 69 <SEP>. <SEP> You <SEP> enter <SEP> in the <SEP> state <SEP> 70 <SEP> in <SEP> the <SEP> overheated <SEP> E <SEP> and <SEP> leave <SEP> the same < SEP> in the <SEP> state
<tb> <B> 79. </B> <SEP> In the <SEP> Economiser <SEP> B <SEP> <SEP> the <SEP> gases are used
<tb> finally <SEP> nor <SEP> for <SEP> water preheating <SEP> applied <SEP> (change of state <SEP> 90 <SEP> = <SEP> 99), <SEP> and
<tb> escape <SEP> e.g. <SEP> in the <SEP> state <SEP> 99 <SEP> ins
<tb> fireplace.
<SEP> The <SEP> water <SEP> from the <SEP> state <SEP> I <SEP> is <SEP> in
<tb> Economiser <SEP> B <SEP> on <SEP> the <SEP> state <SEP> Il <SEP> preheated, <SEP> evaporates <SEP> in <SEP> 'Keesel <SEP> D <SEP> on <SEP> the <SEP> status <SEP> III, <SEP> is <SEP> in <SEP> overheated <SEP> E <SEP> on <SEP> the <SEP> status <SEP> IV <SEP > brought, <SEP> which <SEP> see <SEP> as a result of <SEP> from
<tb> Losses <SEP> in <SEP> the <SEP> lines <SEP> between <SEP> E <SEP> and
Change <tb> of the <SEP> back pressure steam turbine <SEP> F <SEP> to <SEP> V <SEP>
<tb> may. <SEP> In <SEP> this <SEP> state <SEP> <SEP> F <SEP> is added, <SEP> where <SEP> a <SEP> expansion <SEP> to <SEP> on <SEP> <SEP> Status <SEP> VI <SEP> requested.
<SEP> in <SEP> which <SEP> the <SEP> steam <SEP> dem
<tb> external <SEP> heat consumer <SEP> <I> 1l </I> <SEP> supplied
<tb> will, <SEP> to <SEP> which <SEP> the <SEP> heat <SEP> accordingly
<tb> the <SEP> change of status <SEP> from <SEP> VI <SEP> to <SEP> I <SEP> will be given <SEP>. <SEP> The <SEP> turbine <SEP> F <SEP> drives <SEP>, e.g. <SEP> the <SEP> generator <SEP> G <SEP>.
<tb> Fig. <SEP> 2 <SEP> represents <SEP> a <SEP> example <SEP> of the <SEP> invention <SEP> emi <SEP> aces <SEP> system <SEP>, <SEP> and <SEP> although <SEP> a <SEP> combination <SEP> of <SEP> combustion <SEP> with <SEP> steam interim system, <SEP> lift turbine system <SEP> and <SEP> heat pump.
<SEP> The <SEP> in <SEP> of the <SEP> following <SEP> description
<tb> specified <SEP> numbers <SEP> refer <SEP> <SEP> refer to <SEP> the <SEP> Zii stand <SEP> at <SEP> the <SEP> with <SEP> corresponding <SEP> numbers < SEP> designated <SEP> points <SEP> of the <SEP> scheme. <SEP> The <SEP> parts
<tb> <I> Ii, <SEP> L ,. <SEP> L_, <SEP> 11 </I> <SEP> and <SEP> 1 '<SEP> and <SEP> the <SEP> path <SEP> from
<tb> 0 <SEP> = <SEP> 59 <SEP> set <SEP> the <SEP> air turbine system part
<tb>. <SEP> In the <SEP> compressor <SEP> 1i <SEP>, <SEP> becomes the <SEP> fresh air
<tb> (0) <SEP> brought to <SEP> pressure <SEP> <SEP> <B> (</B> 9).
<SEP> In <SEP> the <SEP> exchangers <SEP> <I> L, </I> <SEP> (3 () <SEP> = <SEP> 39) <SEP> and <SEP> <I > L., </I> <SEP> (40 <SEP> = <SEP> 49)
<tb> becomes <SEP> the <SEP> three gap <SEP> on <SEP> the <SEP> for <SEP> the <SEP> turbine
<tb> 11 <SEP> required <SEP> temperature <SEP> (status <SEP> 5t)) <SEP> brought;
<tb> in <SEP> of the <SEP> turbine <SEP> J1 <SEP> <SEP> expansion work <SEP> is performed. <SEP> The <SEP> turbine exhaust air <SEP> (51) <SEP> gives <SEP> for example <SEP> a <SEP> part <SEP> of its <SEP> heat <SEP> in <SEP> L1 <SEP> at
<tb> the <SEP> fresh air <SEP> from <SEP> (a5 <SEP> = 59). <SEP> The <SEP> exhaust air <SEP> from
<tb> L, <SEP> (59) <SEP> becomes <SEP> e.g. <SEP> as <SEP> Brennhift <SEP> (60)
<tb> used, <SEP> which <SEP> the <SEP> on <SEP> the <SEP> grate <SEP> C <SEP> aendün <SEP> fuel <SEP> (for example <SEP> coal)
<tb> burns.
<SEP> Enter the <SEP> combustion oasis <SEP> (61) <SEP>
<tb> in the <SEP> evaporator <SEP> D <SEP> (61 <SEP> <B> - *. 69) </B> <SEP> and <SEP> in the <SEP> tber lützer <SEP> E < SEP> <B> (-7 (I </B> = <SEP> 79) <SEP> heat <SEP> to <SEP> dos <SEP> steam system, then flow through the air preheater L2 (80 # 89 ), where they give the air the heat necessary for the expansion performance in turbine M, and give off part of their residual heat in economiser B (90 # 99) to the steam system in order to then escape into the chimney, for example; but they can also give off heat to an external consumer beforehand.
The steam system of Fig. 2 looks outwardly only slightly different from that of Fig. 1, in that steam is generated by heat absorption in economiser B (I-II), evaporator D (II-III) and superheater E (III-IV), the steam in the back pressure turbine F (V # VI) work lei steadily, whereupon it gives off heat to the consumer H in H1, (VI-I).
If we now assume that the same amount of coal per unit of time is burned on grate C in the case of FIG. 2 as in the case of FIG. 1, then as a result of the additional heat dissipation in L2 to the air system and conversion of the same in M into mechanical work In the case of FIG. 2, the same amount of steam is not generated as in the case of FIG. 1, and both the output of the turbine F and the heat given off by the steam in H1 to the consumer are reduced. If this minimum amount of heat was used in H1 at a sufficiently low temperature level, it can be replaced by the heat pumped up to the required consumer temperature from a heat pump system from a natural heat store.
The heat pump system is represented in a known manner, for example by the evaporator P, the steam compressor Q, the condenser R and the expansion machine S, as well as the pressure destruction slide T; the expansion machine S can also be omitted.
The heat that is absorbed by the heat pump arboitsmedium in P from the outside, for example from the ambient air or from the water of a water tank, a river or lake, as well as the compression heat from Q, is in R from the means flowing from f to h, z. B.
Air or water, taken in, which may heat up in R from state f to state g and in H2 release its heat to consumer H, whereby it may cool down from g to h. The heat pump system is selected, for example, so large that the heat H2 just covers the heat loss of H1 described above.
It is now with the same fuel consumption of the system according to Fig. 2 as that of Fig. 1 and with pale total useful heat output to the consumer H, the excess power of the turbine M over the drive powers of the compressors K and Q is greater than the power reduction of the turbine F, so that with the same fuel consumption and the same useful heat, additional performance was created by the arrangement described, which their energe table equivalent in the bezw at P the atmosphere. The heat extracted from the water takes place, so that, seen from the outside, performance without fuel supply, but only through extraction of heat, e.g. B. from the atmosphere.
On a more precise level, however, the a @ imospheric heat is only used to replace valuable high-temperature heat, which is released to the compressed air in L2 and converted into power in N The compressors, K and Q of the air turbines and the Heat pump systems are driven directly by M in FIG. 2; they can also be driven separately; M can also be divided into several turbine sections, which can drive the generator N, the compressor K and the compressor Q individually. If z.
If, for example, the compressor K runs with its drive turbine on its own shaft, the number of revolutions of K can be selected and regulated independently of the number of generator revolutions N, which results in load regulation, the air turbine output, by changing the revs of the compressor unit and thus good part-load conditions enables light.
3 shows another circuit example: The feed water is heated in the economisers B1, B2 and B3 (I # I '# Ir, I "#II), the steam in boiler D (II-III) is generated in the superheater E (III-IV) overheated, expanded in the back pressure turbine F (V-VI). The steam in HI, (VI-VII) gives off its useful heat to the consumer H. Compared to FIG of the economizer B into several parts B1, B2, D3 differing.
Again, the combustion gases give some of their heat at high temperatures to the air system for the purpose of converting it into power; With the same heat supply on grate C as in Fig. 1, less steam can be generated, so that initially less heat can be given off to the consumer than the pure counterpressure steam system in H1 and the output of F also decreases somewhat .
In contrast to FIG. 2, the compressor K is assumed to be cooled; Through the cooler U, which are provided, for example, at several stages of the compressor K, water or air, for example, is passed as coolant (for example cooling stages from and bc), which can also release the heat absorbed in the cooler in 114 (dc) to the consumer .
The air compressed in K from 0 to 9 arrives in Fig. 3 in the air preheaters L1 (30 # 39) and L2 (40 # 49), and from there to the turbine M (50-59), which, for example, the generator N and the Compressor K drives on. The compressor K can, however, also have a separate drive, e.g. B. by part turbine of M obtained. The exhaust air from the turbine (59) is now divided into two partial flows. One is used as combustion air in the boiler, to which it is fed in the GO state, after it has previously given off heat to the fresh water in the economiser B3. Coal, for example, is burned on the grate C; some of the combustion gases (G1) reach the air preheater L2 via the evaporator D (61, 65, 69) and the superheater E (70-79). Before entering L2 z.
B. diverted hot gases via 651 of the Mischungsstellc 80 and mixed with the superheater gases (79): the air preheater L2 is then, for example, from the mixed gases in state 80 be added. After flowing through part of L2, the gases can be mixed again with the rest of the branched off hot gases; for this purpose the gas flow in L2 is interrupted at 81, and the gases are mixed with the hot gas residue branched off via 652; the mixed gases then act on the remaining part of L2 in state 82 and leave the same in state 85 in order to get from there into the gas part of the air preheater L1, which they leave in state 89. Exhaust air from the turbine can also be admixed with the fuel gases, which z. B. is represented by line 60-G00-80.
The turbine air can of course also be branched off in front of the cooler b3. The exhaust gases from L1 still flow through the partial economizer B2 (90 # 99), where they give off heat to the feed water in order to then escape into the chimney, for example; You could also give off any heat to the consumer beforehand. The air branched off from the combustion air at 59 flows directly to the air preheater I1, through which it flows from 850 to 890. From L1 the air reaches the partial economiser B1 (900 #: - 990), where it gives off heat to the feed water, and finally the remaining air heat in Il3 (997-999) is given off to the consumer Il.
In L, and in the following flow path, the gases (85 # 89 # 99) are separated from the air (850-890-990) in order to be able to use the exhaust air to temperatures that are lower than the exhaust gases.
As a result of the gases given off by the gases to the compressed air in the air turbine N and in power in the air turbine N: in the system of FIG. 3 with the;
In the case of the pure counterpressure steam system, however, the same amount of steam is not generated and in 11, not the same amount of heat is given off to the consumer H as in the counterpressure system according to FIG. 1. Also in H3 and H4 H emitted heat cannot fully cover the deficiency. This heat deficit is in turn covered by a heat pump system, which raises heat from a low temperature level to at least that of the consumer.
P be in turn the evaporator, Q the vapor compressor, R the condenser, S the expansion machine and T a pressure relief valve. If the heat pump works with evaporation, S is usually omitted and the pressure in T alone is destroyed.
The heat extracted from the low temperature level in P (ambient air, water from lakes or rivers, etc.) and the heat of compression from Q are transferred in R to the liquid or gaseous medium (preferably water or air), which absorbs heat in P (state change f, g) and at least part of it in H2 to the consumer H (g, h), and thus covers the heat deficit that resulted from the conversion of heat into mechanical work in the turbine M.
The turbine M drives a generator N, for example, the turbine its generator W, while the power generator of the turbine F is again designated by G. V represents the drive motor of the heat pump compressor.
If the entire system (Fix. 3) is dimensioned in such a way that the same amount of fuel is consumed and the same amount of insulated useful heat in H1 # H2 # H3 - H4 is released to consumer H as in the normal counter-pressure steam system (Fix . 1), the combined system described (Fix. 3) gives totally more useful kilonvatt mechanical power to the generators N, G and possibly W than the equivalent back pressure turbine F of Fig. 1 gives off to its generator G, although In Fig. 3 the turbine F is performing less than in Fig. 1 and although the outputs of I and Q also have to be applied.
Overall, therefore, additional power has been created with the same fuel consumption, which in terms of energy is in turn found in the heat withdrawn at P from the low temperature level.
If the comparison of the Neukom combination with the known counterpressure system has always been based on the same fuel quantities, this does not mean, of course, that the combined system should always only be provided for the same amount of fuel as any previously existing counterpressure system, which may be used for combined system was expanded, but this comparison was chosen only for the sake of illustration; the new system can of course be built and operated with any fuel consumption.
Instead of the steam heat pump system, which was initially assumed in FIGS. 2 and 3, an air or gas heat pump system can also be used, in which case Q is a rotary compressor, for example. P and P V@Tä.rmeaustauscher, S mean an air or gas turbine. In the case of air, P can be omitted; its place is then <B> direct </B> the atmosphere.
The compressors K and Q can be assembled in the case of the same working media, likewise the turbines M and, S (in that, for example, Q is built as a stage or stage group of K;).
Another gas can take the place of air in circuit 0-60; as long as it is not flammable and the turbine heat of the combustion air is to be communicated. between 5 <B> 9 </B> and 60, an additional exchanger can be inserted.
Furthermore, the invention can also be realized by other circuits; it can also be operated with a closed circuit, for example. The drive and coupling ratios of turbines and compressors can also be arbitrary. Instead of coal, other fuels, including liquid or gaseous, can also be used. The combustion can also take place before entering the turbine, so that a gas turbine system with internal combustion occurs instead of the air turbine system.
Particularly advantageous is the addition according to the invention of existing firing systems such. B. heating systems or counter pressure systems, etc., through the air turbine and heat pump parts by ge just in such cases really power can be created without increasing the fuel consumption of the system.
Since all or part of the newly created power can be used to drive heat pumps, it is also possible to generate heat instead of power without needing fuel or mechanical power for the additional heat generated by using the entire additional heat in this way Atmosphere or another low temperature level is withdrawn.
Since with an ordinary heat pump a fraction of the additional heat always has to be applied mechanically, and since with thermally generated mechanical power this represents only a fraction of the heat it generates, the heat pump drive up to now could not be thermally generated power Invention, however, the heat pump can also be used as a supplement to thermal power plants.
There are also advantageous solutions for driving with reduced power or with reduced useful heat output. With reduced useful heat demand on the consumer, z. For example, the heat pump system can first be switched off or switched directly to refrigeration (air conditioning). When the heat pump system is switched off (e.g. uncoupling the fan Q), there is an excess of the useful power released to the outside. However, if this is to remain constant, which can be required especially in the case of single-shaft operation (without its own drive motor V for Q), the air turbine power of M must be reduced at the same time.
This can generally be done by reducing the air delivery rate (by throttling or lowering the speed of the compressor unit running on its own shaft or by bypassing it in parallel). In order not to influence the steam side, the amount of combustion gas that flows through the boiler and superheater (path 61, 65, 69, 70, 79) can be kept constant and only the amount of air branched off (59 # 850 # 9 # 9) and around to keep the temperatures at least approximately constant, the amount of fuel gas branched off (path 61, 650, 80 or 61, 651, 92) is reduced.
Is the total amount of fuel gas branched off and the total amount of air branched off fully throttled, and the air turbine output is to be further throttled. Without influencing the steam system, or even if the total amount of air conveyed is not significantly changed during the performance reduction, the air turbine M can be at least partially bypassed by a parallel path by opening slide 0. Conversely, with the help of the branches and their regulators (drawn slide and flaps) the steam side can be regulated with constant air output or with constant total load. It is therefore possible to regulate the steam side, the air side and the heat pump side independently of one another or in certain predetermined dependencies.