Kombinierte Anlage zur Kraft- und Wärmeerzeugung. Es ist bekannt, dass die Verbindung von Kraft- und' Wärmeerzeugung in Anlagen (Dampf- oder Gasturbinenanlagen) eine ther mische Wirkungsgradsteigerung zur Folge hat, die dieser Art von Anlagen besondere Bedeutung ei-teilt. Denn während bei der rei nen Krafterzeugung, z.
B. im Kühlwasser strom, ein grösserer Teil der atdgewandten Wärme, die in Gestalt von Brennstoff (Kohle oder Gas oder Öl) zugeführt werden muss, fortgeleitet wird, ohne zur Arbeitsleistung mehr herangezogen werden zu können, wird in kombinierten Kraft-Wärmeerzeugungsanlagen der Abdampf oder das Abgas der Turbinen. zu dieser Wärmelieferung benützt.
Wenn die ser Abdampfstrom bei höherem Druck benö tigt. wird, entsteht zwar bei der Dampfanlage ein kleineres, in der Turbine verwertbares Ge fälle, es werden also weniger kW je kg durch strömende Dampfmenge erzeugt, aber der Wärmeinhalt des Abdampfstromes wird bis auf eine durch die Umgebungsverhältnisse be stimmte Temperatur ausgenützt.
Diese bekannte Tatsache drüekt sich darin aus, dass der Wärmeverbraueh je kWh bei der Abwärmeanla.ge, die also als Gegen- druekanlage aLLsgeführt ist, etwa 950 bis, 1100 keal(h beträgt, wogegen dieser Wärme verbrauch bei der reinen Krafterzeugungsan- lage je nach dem thermischen Wirkungsgrad etwa 2000 bis 4000 kcal/h. betragen wird.
Es ist weiter bekannt, dureh eine Kupp lung einer solchen Gegendruckanlage mit einer Wärmepumpe eine noch bessere Ausnüt- zung der Brennstoffenergie zu erreichen. Die zum Antrieb der Wärmepumpe notwendige Antriebsleistung wird von der Gegendruck- anlage selbst aufgebracht, wobei die durch die Wärmepumpe gewonnene Wärmeleistung entsprechend deren Leistiuigszahl noch hinzu kommt.
Bekanntlich versteht man unter letz terer eine Verhältniszahl, die angibt, um wie viel mal mehr Wärmeeinheiten je eingeführter kWh, im Wärmemass susgedriickt, erzielt. wer den, als einer kWh im Wärmemass (860 kcal[h) entsprechen. Beträgt z. B. die Leistungszahl e der Wärmepumpe 3, dann werden 3 X 860 = 2580 kcalih gewonnen, wenn die Antriebslei stung 1 kW ist.
Alle diese Anlagen haben aber den Nach teil, dass das untere Temperaturniveau der Wärmepumpe nicht ausgenützt ist. Dasselbe gilt auch für die Anlagen, die eine Gas- oder Heissluftturbine als Wärmekr aftmaschine be sitzen. Auch ein Dieselmotor ist. als Antriebs maschine denkbar.
Die Erfindung bezweckt nun, diesem Nachteil abzuhelfen, und betrifft eine kombi nierte Anlage zur Kraft- und Wärmeerzeu- gLmg mit einer Wärmekraftmaschine, einer W ärmepumpe und einem Stromerzeuger, bei der die Abwärme der Wärmekraftmaschine an einen Wärmeträger abgegeben wird, der durch die Heizwärme der Wärmepumpe eine wei tere Wärmezufuhr enthält. Bei Anlagen mit niedrigem Temperaturniveau der Abwärme, wie z.
B. bei Dampfanlagen, wird durch die Heizwärme der Wärmepumpe eine weitere Aufw'a\rmung erzielt. werden, während z. $. bei Anlagen mit höherem Temperaturniveau der Abwärme durch die Heizwärme der Wärme- plumpe eine Vorwärmung des Wärmeträgers erfolgt.
In allen Fällen wird das tiefere Tem peraturniveau der Wärmepumpe zur Kühlung von Medien benützt, die entweder mit. der An lage in direktem Zusammenhang stehen (Kon- densatkühlung bei Dampfanlage, Generator- luftkühhing oder Lagerkühlung) oder nicht im Zusammenhang mit der Anlage stehen (z. B. bei chemisch-technologischen Prozessen zur Kühlung der dort verwendeten Mittel).
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von schematischen Ausführungsbeispielen be schrieben.
Fig.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Dampfanlage. Es bezeichnet 1 den Kes sel, der den Dampf für die Turbine 2 liefert, 4 den Stromerzeuger, 3 die Wärmepumpe, die entweder direkt angekuppelt ist oder, wie dies Fig. la zeigt, durch einen Motor angetrie ben wird. Im Sinne der Erfindung ist nun der Reizteil 7 der Wärmepumpe 3 so ein geschaltet, dass die Heizwärme den im Kon densator 5 bereits vorgewärmten Warmwasser strom nunmehr weiter erwärmt, worauf er dann zur Wärmeabgabe zu den Verbrauchern 9 geleitet wird.
Im Kühlteil 6 der Wärme pumpe 3 wird die Luft. des Generators 4 ab gekühlt und gestattet so eine günstigere Ans- legung des Generators, oder aber es kann auch der Kühlteil 6 zur Kühlung des Kühlwassers für den Kondensator oder der aus dem Kon- densator abgesaugten Luft benützt werden. Dieser Fall ist in Fig.1a dargestellt., worin 5 den Kondensator mit eingebauter Kühl fläche 6 für die Absaugliüt bezeichnet.
In gleicher Weise kann z. B. bei Vorhandensein von zu warmem Kühlwasser für die Lageröl- kühlumg dieses mit dem Kühlteil 6 unterkühlt werden, was kleinere Ölkühler ergibt. In man chen Fällen kann man alle oder einen Teil der vorerwähnten Kühlungen kombinieren.
Stets wird durch Schaltung des die Ab wärme der Wärmekraftanlage aufnehmenden Kondensators je nach den gewünschten Druck- oder Temperaturverhältnissen,vor oder nach dein Heizteil der \Värmepiimpe gegenüber dem Gegendruckbetrieb eine Ersparnis an Brennstoff sich einstellen.
Schliesslich ist. in Fig.2 ein Beispiel mit einer offenen Gasturbinenanlage als Wä.rme- hraftmasehine gezeigt. In diesem Fall erhält die Brennkammer 1 die notwendige Brennluft und die zur Herabsetzung der Verbrennungs temperatur notwendige Kühlluft in bekannter Weise durch einen von der Gasturbine 2 an getriebenen Verdiehter 3 geliefert. Ein Teil der Abgaswärme wird nach Expansion der Treibgase in der Turbine 2 in einem Austau- seher 5 an die Verdichterluft abgegeben.
Die 'Restwärme der Abgase wärmt einen bereits im Heizteil 7 der Wärmepumpe 4 vorgewärm ten Wärmeträger, z. B. Warmwasser, in einem Abgasvorwärmer 11 auf die gewünschte End- temperatur vor, mit welcher das Warmwasser zum Verbraucher 9 geleitet wird, wo die Ab gabe der Wärme erfolgt. Hier ist der Kühlteil 6 der Wärmepumpe 4 so eingeschaltet, dass die Ansaugluift des Verdichters unterkühlt wird, um so kleinere Abmessungen des V er dichters 3, unter Umständen durch Fortfall der sonst notwendigen Zwischenkühler, zu er reichen.
Eventuell kann auch nur ein Teil der Ansaugluft unterkühlt werden. Mit 8 ist in allen Figuren das bei der Wärmepiunpe vor zusehende Reduzierventil bezeichnet.. An Stelle der obengenannten Kühlungen können auch mittels des Kühlteils der -#Värmepiunpe Me dien, die entweder mit der Anlage im Zusam menhang stehen oder auch nicht mit der An lage im Zusammenhang stehen, gekühltwerden.
In Fig.2a ist. ein Beispiel mit einer ge schlossenen Gasturbinenanlage dargestellt. ES bezeichnet 1 den Lufterhitzer, wobei an Stelle von Luft in bekannter Weise auch ein belie biges Gas genommen werden kann, das durch den Verdichter 3 auf höheren Druck zwecks Verkleinerung der Abmessungen von Turbine. Verdichter und Heizflächen gebracht wird.
Das Treibmittel beschreibt den bekannten ge schlossenen Arbeitspr ozess, nimmt wieder in 5 einen Teil der Abwärme des in der Turbine 2 expandierten Treibmittels auf und gibt die Restwärme in einem Vorw ärmer 11 an einen Wärmeträger, z. 13. Warmwasser, ab, der durch den Heizteil 7 der Wärmepumpe 4 be reits vorgewärmt wurde.
Der Kühlteil 6 der Wärmepumpe -1 ist so eingeschaltet, dass er das Kühlwasser des Endkühlers 12 unter kühlt, wodurch kleinere Abmessungen gewon nen werden. In Fig. 2 und 2u bezeichnet 10 den Stromerzeuger, wozu noch ein nicht weiter angegebener Anrvurfmotor in bekannter Weise hinzukommt. Im Verbraucher 9 wird wieder der Wärmeträger, z. B. Warmwasser oder auch Luft oder Gas, seine Wärme abgeben.
Im allgemeinen wird der Heizteil der Wärmepumpe vor dem Abwärmeaustauseher der Wärmekraftinaschine gesetzt werden, wie dies in Fig. 2 und 2a dargestellt ist. Bei Dampfanlagen und Anlagen, die eine hohe IIeizwärmetemperatur benötigen, kann es auch vorteilhaft sein, den Heizteil 7 der Wärme pumpe nach dem Austauscher der Wärme kraftmasehine zu schalten, wie dies die Fig.1 und la zeigen.
Auch bei den in Fig. 2 und 2a dargestellten Schaltungen mit Gasturbinen anlage kann der Kühlteil zur Kühlung des Lageröls oder zur Kühlung des Generators Verwendung finden, wobei auch eine Kombi nation erfolgen kann.
Die Regelung der Vorlauftemperatur des Wärmeträgers kann entweder durch Regelung des Druckes im Wärmepumpenkreislauf erfol gen oder durch Zu- oder Abschaltung von Heizflächen des vom Wärmeträger durch strömten Abwärmeaustausehers.
Die Wärmepumpe kann entweder direkt oder über ein Getriebe mit der Wärmekraft inasehine verbunden sein oder abkuppelbar angeordnet. werden. Im letzteren Fall ist. ein ebenfalls abkuppelbarer Motor vorgesehen, der im Fall der Abkupplung der Wärmepumpe von der Wärmekraftmaschine mit der Wärme pumpe verbunden wird und so eine selb ständige Anlage bildet. Dies wird dann not wendig, wenn geringere Aufwärmungen des Wärmeträgers notwendig werden.
Combined system for power and heat generation. It is known that the combination of power and heat generation in systems (steam or gas turbine systems) results in an increase in thermal efficiency, which ei-shares particular importance for this type of system. Because while in the pure power generation, z.
B. in the cooling water stream, a larger part of the atdgewandte heat, which has to be supplied in the form of fuel (coal or gas or oil), is passed on without being able to be used for work, the exhaust steam or in combined heat and power plants the exhaust gas from the turbines. used for this heat supply.
If this exhaust steam flow is needed at higher pressure. the steam system creates a smaller gradient that can be used in the turbine, i.e. fewer kW per kg are generated by the amount of steam flowing, but the heat content of the exhaust steam stream is used up to a temperature determined by the ambient conditions.
This well-known fact is expressed in the fact that the heat consumption per kWh in the waste heat system, which is therefore operated as a counter-pressure system, is around 950 to .1100 keal (h, whereas this heat consumption in the pure power generation system depends on the thermal efficiency will be about 2000 to 4000 kcal / h.
It is also known to achieve even better utilization of the fuel energy by coupling such a counter-pressure system with a heat pump. The drive power required to drive the heat pump is provided by the counter-pressure system itself, with the heat output obtained by the heat pump being added according to its power factor.
As is well known, the latter is understood to be a ratio which indicates how many times more heat units are achieved per kWh introduced, expressed in terms of heat. who correspond to one kWh in heat measure (860 kcal [h). Is z. B. the coefficient of performance e of the heat pump 3, then 3 X 860 = 2580 kcalih obtained if the Antriebslei stung is 1 kW.
However, all these systems have the disadvantage that the lower temperature level of the heat pump is not used. The same applies to the systems that have a gas or hot air turbine as a thermal power machine. Also a diesel engine is. conceivable as a drive machine.
The invention now aims to remedy this disadvantage and relates to a combined system for power and heat generation with a heat engine, a heat pump and a power generator, in which the waste heat from the heat engine is given off to a heat transfer medium that is generated by the heat from the heat Heat pump contains a further heat supply. In systems with a low temperature level of waste heat, such as
B. in steam systems, a further Aufw'a \ rmung is achieved by the heating of the heat pump. while z. $. In systems with a higher temperature level of the waste heat, the heat from the heat pump preheats the heat transfer medium.
In all cases, the lower tem perature level of the heat pump is used to cool media that either with. are directly related to the system (condensate cooling in steam systems, generator air cooling or storage cooling) or not related to the system (e.g. in chemical-technological processes for cooling the agents used there).
In the following the invention will be described with reference to schematic embodiments.
Fig. 1 shows an embodiment with a steam system. It denotes 1 the Kes sel, which supplies the steam for the turbine 2, 4 the generator, 3 the heat pump, which is either directly coupled or, as shown in FIG. According to the invention, the stimulus part 7 of the heat pump 3 is now switched on so that the heating heat now further heats the hot water stream already preheated in the condenser 5, whereupon it is then passed to the consumers 9 to give off heat.
In the cooling part 6 of the heat pump 3, the air is. of the generator 4 and thus allows a more favorable application of the generator, or the cooling part 6 can also be used to cool the cooling water for the condenser or the air sucked out of the condenser. This case is shown in Fig.1a., Wherein 5 denotes the condenser with built-in cooling surface 6 for the Absaugliüt.
In the same way, for. B. in the presence of too warm cooling water for the Lageröl- Kühlumg this can be subcooled with the cooling part 6, which results in smaller oil coolers. In some cases, all or some of the aforementioned cooling can be combined.
Always by switching the condenser absorbing the heat from the thermal power plant, depending on the desired pressure or temperature conditions, before or after the heating part of the \ Värmepiimpe compared to the counterpressure operation, a saving in fuel will be achieved.
Finally is. in Fig.2 an example with an open gas turbine system as a thermal power machine is shown. In this case, the combustion chamber 1 receives the necessary combustion air and the cooling air necessary to reduce the combustion temperature is supplied in a known manner by a compressor 3 driven by the gas turbine 2. After expansion of the propellant gases in the turbine 2, part of the exhaust gas heat is given off to the compressor air in an exchanger 5.
The 'residual heat of the exhaust gases warms an already preheated in the heating part 7 of the heat pump 4 th heat carrier, z. B. hot water, in an exhaust gas preheater 11 to the desired final temperature, with which the hot water is directed to the consumer 9, where the output of the heat takes place. Here the cooling part 6 of the heat pump 4 is switched on in such a way that the intake air of the compressor is subcooled in order to achieve smaller dimensions of the compressor 3, possibly by eliminating the otherwise necessary intercooler.
It is possible that only part of the intake air can be subcooled. With 8 in all figures the reducing valve that can be seen in front of the Wärmepiunpe is designated .. Instead of the above-mentioned cooling, the cooling part of the - # Värmepiunpe media that are either related to the system or not related to the system can be used Related to being cooled.
In Fig.2a is. an example is shown with a closed gas turbine system. ES denotes 1 the air heater, and instead of air, in a known manner, any gas can be taken which is fed through the compressor 3 to a higher pressure for the purpose of reducing the dimensions of the turbine. Compressor and heating surfaces is brought.
The propellant describes the well-known ge closed Arbeitspr ozess, takes again in 5 part of the waste heat of the propellant expanded in the turbine 2 and the residual heat in a prewarmers 11 to a heat transfer medium, for. 13. Hot water, from which has already been preheated by the heating part 7 of the heat pump 4.
The cooling part 6 of the heat pump -1 is switched on so that it cools the cooling water of the end cooler 12, whereby smaller dimensions are won. In Fig. 2 and 2u, 10 denotes the power generator, to which a call motor, not further specified, is added in a known manner. In the consumer 9, the heat transfer medium such. B. hot water or air or gas, give off its heat.
In general, the heating part of the heat pump will be placed in front of the waste heat exchanger of the heat engine, as shown in FIGS. 2 and 2a. In steam systems and systems that require a high heating temperature, it can also be advantageous to switch the heating part 7 of the heat pump to the heat exchanger after the heat exchanger, as shown in FIGS. 1 and la.
Also in the circuits shown in Fig. 2 and 2a with gas turbine system, the cooling part can be used to cool the bearing oil or to cool the generator, and a combination can also be made.
The control of the flow temperature of the heat carrier can either be done by regulating the pressure in the heat pump circuit or by connecting or disconnecting heating surfaces of the waste heat exchanger flowing through the heat carrier.
The heat pump can either be connected to the thermal power directly or via a gear unit or can be disconnected. will. In the latter case it is. a motor which can also be decoupled is provided, which is connected to the heat pump in the event of the heat pump being disconnected from the heat engine and thus forms an independent system. This is then necessary if the heat transfer medium needs to be heated up less.