Wärmekraftanlage Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmekraftanlage, insbesondere eine solche, bei welcher die Wärmezufuhr bei relativ niederer Tem peratur erfolgt, z. B. eine Atomkraftanlage, bei wel cher die durch den Brennstoff bedingten Temperatur beschränkungen eine erreichbare Maximaltempera tur von der Grössenordnung von 370 bis 43011C ergeben.
Wenn als Arbeitsmedium der Kraftanlage Wasser dampf verwendet wird, ergeben sich Schwierigkeiten aus der Tatsache, dass bei der Expansion die Nässe des Dampfes, verglichen mit Anlagen, bei welchen der Dampf auf den gewünschten Grad überhitzt werden kann, grösser ist.
Ferner ist zufolge der Zustandsänderung des Ar beitsmediums beim übergang von Wasser auf Dampf die maximale Ausnützung der von der Wärmequelle zur Verfügung gestellten Wärme nicht möglich und im allgemeinen sind grosse und komplizierte Wärme- austauscher zur Dampferzeugung erforderlich.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Wärmekraftanlage mit gegen über bekannten Anlagen besserer Ausnützung der zur Verfügung stehenden Wärme und besonders in der Schaffung einer Anlage, die sich zur Verwendung bei den genannten Temperaturbedingungen eignet, ohne dass die genannten Nachteile auftreten.
Erfindungsgemäss ist eine Wärmekraftanlage vor gesehen, in welcher ein Fluidum bei einem über kritischen Druck erwärmt und dann in Teilströme aufgeteilt wird, wobei einer der Teilströme ge drosselt wird, bevor er als Arbeitsfluidum in einer mechanischen Krafterzeugungseinrichtung verwendet wird, während ein anderer Teilstrom unter Umgehung der Drossel und der mechanischen Krafterzeugungs- einrichtung zum Erwärmen des gedrosselten Flui dums benützt wird.
Ferner kann. die Anlage so ausgebildet sein, dass das gedrosselte Fluidum nach seiner Verwendung als Arbeitsfluidum in der mechanischen Krafterzeugungs- einrichtung verflüssigt wird und anschliessend sein Druck über den kritischen Druck hinaus erhöht wird, bevor dieser Teilstrom mit dem um die Drossel herumgeführten Teilstrom zusammengeführt wird.
Ferner kann die Anlage so ausgebildet sein, dass, wenn zwei oder mehrere mechanische Krafterzeuger vorgesehen sind, um das Arbeitsfluidum zu expan dieren, der zum Erwärmen des gedrosselten Teil stromes verwendete Teilstrom auch .zum Zwischen erwärmen des gedrosselten Fluidumstromes auf dessen Weg zwischen den Krafterzeugern benützt wird.
Als Fluidum kann in der Wärmekraftanlage Wasser verwendet werden.
Die Wärmekraftanlage kann eine Atomkraft anlage sein, die einen Kernreaktor besitzt, wobei die in diesem erzeugte Wärme durch ein Kühlfluidum abgeführt wird;
diese Anlage kann einen ersten Wärmeaustauscher besitzen, in welchem das Kühl- fluidum an Wasser, dessen Druck höher ist als der kritische Druck, Wärme abgibt, ferner Mittel zum Aufteilen des den ersten Wärmeaustauscher ver lassenden Fluidums auf zwei Teilstromwege, wobei der erste Teilstromweg eine Drossel enthält und der gedrosselte Teilstrom einem zweiten Wärmeaus- tauscher zugeführt wird, in welchem überhitzter Dampf entsteht,
bevor er in einer oder mehreren Tur binen expandiert wird; ferner kann die Anlage einen Kondensator zum Kondensieren des die Turbine bzw. die Turbinen verlassenden Dampfes, sowie eine Pumpe aufweisen zum Wegführen des Kondensates aus dem Kondensator, wobei der zweite Teilstromweg durch den genannten zweiten Wärmeaustauscher führt, um das gedrosselte Fluidum zu erwärmen;
dabei werden die beiden Teilströme zwischen dem Turbinenauslass und dem Einlass des ersten Wärmeaustauschers zu sammengeführt und dann durch eine Pumpe wieder zum ersten Wärmeaustauscher zurückgeführt.
Im Schema der erfindungsgemässen Wärmekraft anlage ist in der beiliegenden Zeichnung beispiels weise dargestellt; es zeigt: Fig. 1 schematisch ein erstes Beispiel und Fig. 2 schematisch ein zweites Beispiel einer Wärmekraftanlage nach der Erfindung.
Fig.l zeigt eine Atomkraftanlage, die einen Reaktor 1, einen ersten Wärmeaustauscher 2, eine Drossel 3, einen zweiten Wärmeaustauscher 4, Tur binen 5 und 6, einen elektrischen Generator 7, einen Kondensator 8, eine Pumpe 9, einen Speiseerhitzer 10, einen Zwischen-Wärmeaustauscher 11 und Um wälzpumpen 12 und 13 besitzt.
Vom Kernreaktor abgegebene Wärme wird mittels eines Kühlgases abgeführt, das in einem geschlosse nen Strömungsweg zirkuliert, in welchem der Wärme- austausch--r 2 angeordnet ist. Im Wärmeaustauscher 2 wird Wärme vom Kühlgas an Wasser abgegeben, dessen Druck über dem kritischen Druck liegt. Das den Wärmeaustauscher 2 verlassende Fluidum wird in zwei Teilströme aufgeteilt.
Der eine Teilstrom strömt durch die Drossel 3, wo er expandiert und wenigstens zum Teil in Dampf übergeführt wird. Der andere Teilstrom gelangt in den Wärmeaustauscher 4 und erhitzt den in der Drossel 3 erzeugten Dampf, wodurch dieser überhitzt wird. Der überhitzte Dampf wird dann in den Turbinen 5 und 6, welche den elektrischen Generator 7 antreiben,, expandiert.
Nach erfolgter Expansion des Dampfes in den Turbinen wird der Dampf im Kondensator 8 kon densiert, aus welchem das Kondensat mittels der Pumpe entfernt wird; die Pumpe :erhöht dabei den Druck des Wassers über dessen kritischen Druck, bevor dieses Wasser den anderen Teilstrom bei 14 erreicht. Zwischen der Pumpe und der Vereinigungs stelle 14 der beiden Teilströme passiert das Wasser den Speisewassererhitzer 10.
Der die Drossel 3 um gehende Teilstrom kann nach dem Verlassen des Wärmeaustauschers 14 dadurch weiter gekühlt wer den, dass er im Wärmeaustauscher 11 zum Zwischen erhitzen des Dampfes zwischen den Turbinen 5 und 6 benützt wird. Die Umwälzpumpe 12 führt das Wasser wieder zurück zum Wärmeaustauscher 2. Die Pumpe 13 dient der Umwälzung des Kühlgases im Reaktor.
Während beim Beispiel nach Fig. 1 die erfor derliche Drucksenkung mittels einer einzigen Drossel erzielt wird, können zur Drucksenkung auch mehrere in Serie angeordnete Drosseln vorgesehen sein, oder ein Teil der Drucksenkung kann durch Verwendung von Drosseln und die restliche Drucksenkung kann im Wärmeaustauscher selbst erfolgen, in dem dieser mit Röhren -geringeren Durchmessers, als dies ohne Drucksenkung notwendig wäre, versehen wird. Ein Beispiel einer Wärmekraftanlage mit mehre ren Drosselstufen ist in Fig. 2 dargestellt.
Diese Kraft anlage, die im übrigen jener nach Fig. 1 entspricht, besitzt zwischen dem Wärmeaustauscher 2 und dem Wärmeaustauscher 4 drei Drosseln 3a,<I>3b</I> und<I>3c.</I> Die obere Röhrenlage des Wärmeaustauschers 4 ist mit<I>4a</I> bezeichnet. Diese Röhren<I>4a</I> besitzen zweck mässig einen kleineren Durchmesser als die unteren Röhren 4b, um den gewünschten Druckabfall auf dem Strömungsweg zur Turbine 6 zu erreichen. Die un teren Röhren 4b stehen mit der Umwälzpumpe 12 in Verbindung.
Es können auch mehr Erhitzer als dargestellt vorgesehen sein; werden mehr als zwei Turbinen verwendet, so kann zwischen je zwei Tur binen eine Zwischenerhitzung vorgesehen sein.
Den vorgesehenen Drücken ist im Strömungsweg keine Grenze gesetzt, wie dies in jenen Anlagen der Fall ist, in welchen zur Überhitzung des Dampfes bei der erreichbaren Temperatur der Druck niedrig ge halten werden muss. Somit können gegenüber diesen bekannten Anlagen die Volumen des in den Wärme- austauschern zur Verwendung gelangenden Fluidums und der Leitungen der Anlage klein gehalten sein.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Mass nahmen liegt darin, dass der Fluidumkreislauf an passungsfähig ist, indem durch Verändern der ge drosselten und der an der Drossel vorbeigeführten Fluidummengen die abgegebene Leistung auf Kosten des thermischen Wirkungsgrades vergrössert werden kann oder umgekehrt, so dass die Anlage verschie densten Wünschen gerecht werden kann.
In den beschriebenen Anlagen kann Dampf in eine Turbine innerhalb annehmbarer Grenzen be züglich Dampfnässe expandiert werden bei gleich zeitiger Vermeidung verschiedener Nachteile, wie sie bei bekannten Anlagen auftreten, die maximale, rela tiv niedrige Arbeitstemperaturen von etwa 350 bis 450 C besitzen; besonders können grosse Wärme- austauscher und Leitungen sowie ungenügende Aus- nützung der von der Wärmequelle gelieferten Wärme vermieden werden.
Thermal power plant The present invention is a thermal power plant, in particular one in which the heat is supplied at a relatively low Tem temperature, for. B. a nuclear power plant, in wel cher the temperature restrictions caused by the fuel result in an achievable maximum temperature of the order of 370 to 43011C.
If water vapor is used as the working medium of the power plant, difficulties arise from the fact that the moisture of the steam during expansion is greater than in plants in which the steam can be superheated to the desired degree.
Furthermore, as a result of the change in state of the working medium during the transition from water to steam, the maximum utilization of the heat made available by the heat source is not possible and, in general, large and complicated heat exchangers are required for steam generation.
The purpose of the present invention is to create a thermal power plant with better utilization of the available heat than known plants and, in particular, to create a plant which is suitable for use under the temperature conditions mentioned without the disadvantages mentioned occurring.
According to the invention, a thermal power plant is provided in which a fluid is heated at an above critical pressure and then divided into partial flows, one of the partial flows being throttled before it is used as a working fluid in a mechanical force generating device, while another partial flow bypassing the Throttle and the mechanical force generating device is used for heating the throttled Flui dums.
Furthermore can. the system be designed so that the throttled fluid is liquefied after its use as working fluid in the mechanical force generating device and then its pressure is increased above the critical pressure before this partial flow is merged with the partial flow passed around the throttle.
Furthermore, the system can be designed in such a way that, if two or more mechanical force generators are provided to expand the working fluid, the partial flow used to heat the throttled partial flow is also used for intermediate heating of the throttled fluid flow on its way between the force generators becomes.
Water can be used as fluid in the thermal power plant.
The thermal power plant can be a nuclear power plant which has a nuclear reactor, the heat generated in this being dissipated by a cooling fluid;
This system can have a first heat exchanger in which the cooling fluid gives off heat to water, the pressure of which is higher than the critical pressure, and means for dividing the fluid leaving the first heat exchanger into two partial flow paths, the first partial flow path being a throttle and the throttled partial flow is fed to a second heat exchanger, in which superheated steam is produced,
before it is expanded in one or more turbines; Furthermore, the system can have a condenser for condensing the steam leaving the turbine or turbines, and a pump for removing the condensate from the condenser, the second partial flow path leading through said second heat exchanger in order to heat the throttled fluid;
The two partial flows are brought together between the turbine outlet and the inlet of the first heat exchanger and then returned to the first heat exchanger by a pump.
In the scheme of the thermal power plant according to the invention is shown as an example in the accompanying drawing; It shows: FIG. 1 schematically a first example and FIG. 2 schematically a second example of a thermal power plant according to the invention.
Fig.l shows a nuclear power plant, which has a reactor 1, a first heat exchanger 2, a throttle 3, a second heat exchanger 4, turbines 5 and 6, an electric generator 7, a condenser 8, a pump 9, a feed heater 10, a Intermediate heat exchanger 11 and circulation pumps 12 and 13 in order.
Heat given off by the nuclear reactor is removed by means of a cooling gas that circulates in a closed flow path in which the heat exchange - r 2 is arranged. In the heat exchanger 2, heat is given off from the cooling gas to water, the pressure of which is above the critical pressure. The fluid leaving the heat exchanger 2 is divided into two partial flows.
One partial flow flows through the throttle 3, where it expands and is at least partially converted into steam. The other partial flow reaches the heat exchanger 4 and heats the steam generated in the throttle 3, whereby it is overheated. The superheated steam is then in the turbines 5 and 6, which drive the electric generator 7, expanded.
After expansion of the steam in the turbines, the steam is condensed in the condenser 8, from which the condensate is removed by means of the pump; the pump: increases the pressure of the water above its critical pressure before this water reaches the other partial flow at 14. The water passes through the feed water heater 10 between the pump and the union point 14 of the two partial flows.
The partial flow passing through the throttle 3 can be further cooled after leaving the heat exchanger 14 in that it is used in the heat exchanger 11 for intermediate heating of the steam between the turbines 5 and 6. The circulation pump 12 leads the water back to the heat exchanger 2. The pump 13 is used to circulate the cooling gas in the reactor.
While in the example of Fig. 1, the neces sary pressure reduction is achieved by means of a single throttle, several throttles arranged in series can be provided for pressure reduction, or part of the pressure reduction can be achieved by using throttles and the rest of the pressure reduction can take place in the heat exchanger itself, in which it is provided with tubes with a smaller diameter than would be necessary without lowering the pressure. An example of a thermal power plant with several ren throttle stages is shown in FIG.
This power plant, which otherwise corresponds to that of FIG. 1, has three throttles 3a, <I> 3b </I> and <I> 3c between the heat exchanger 2 and the heat exchanger 4. The upper tube layer of the heat exchanger 4 is labeled <I> 4a </I>. These tubes <I> 4a </I> advantageously have a smaller diameter than the lower tubes 4b in order to achieve the desired pressure drop on the flow path to the turbine 6. The lower tubes 4b are connected to the circulation pump 12.
More heaters than shown can also be provided; if more than two turbines are used, intermediate heating can be provided between every two turbines.
There is no limit to the intended pressures in the flow path, as is the case in those systems in which the pressure must be kept low in order to superheat the steam at the attainable temperature. Thus, in comparison with these known systems, the volume of the fluid used in the heat exchangers and the lines of the system can be kept small.
Another advantage of the measures described is that the fluid circulation is adaptable, in that the output power can be increased at the expense of thermal efficiency by changing the volume of fluid that is throttled and that passed the throttle, or vice versa, so that the system can be varied Can meet wishes.
In the systems described, steam can be expanded into a turbine within acceptable limits with regard to steam wetness while avoiding various disadvantages such as occur in known systems that have maximum, rela tively low working temperatures of about 350 to 450 C; In particular, large heat exchangers and lines as well as insufficient utilization of the heat supplied by the heat source can be avoided.