DE1096922B - Waermekraftanlage - Google Patents

Waermekraftanlage

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Publication number
DE1096922B
DE1096922B DEP19788A DEP0019788A DE1096922B DE 1096922 B DE1096922 B DE 1096922B DE P19788 A DEP19788 A DE P19788A DE P0019788 A DEP0019788 A DE P0019788A DE 1096922 B DE1096922 B DE 1096922B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heat exchanger
heat
steam
pressure
power plant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DEP19788A
Other languages
English (en)
Inventor
Waldemar Hryniszak
Donald Allen Jones
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CA Parsons and Co Ltd
Original Assignee
CA Parsons and Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by CA Parsons and Co Ltd filed Critical CA Parsons and Co Ltd
Publication of DE1096922B publication Critical patent/DE1096922B/de
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/26Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam
    • F01K3/262Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam by means of heat exchangers
    • F01K3/265Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam by means of heat exchangers using live steam for superheating or reheating

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

  • Wärmekraftanlage Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage, in der eine Arbeitsflüssigkeit in einem Wärmeaustauscher unter einem solchen Druck erhitzt wird, das sie flüssig bleibt und außerhalb ihres Erhitzungsbereichs durch Druckminderung infolge Drosselung so weit entspannt wird, daß sie in Dampfform übergeht, worauf das dampfförmige Arbeitsmittel den mechanische Energie erzeugenden Mitteln zugeleitet wird.
  • Falls das Arbeitsfluidum der Kraftanlage Dampf ist, entstehen, verglichen mit Anlagen, bei denen der Dampf bis auf die erforderliche Höhe überhitzt werden kann, Schwierigkeiten, infolge der über den normalen Expansionsbereich erhöhten Dampffeuchtigkeit.
  • Außerdem wird infolge des Zustandwechsels des Arbeitsfluidums, das sich vom flüssigen (Wasser) in den dampfförmigen Aggregatzustand (Dampf) umwandelt, die aus der Wärmequelle verfügbare Hitze nicht maximal ausgenutzt, und im allgemeinen sind große und kompliziert aufgebaute Wärmeaustauscher für die Dampferzeugung erforderlich.
  • Es ist ein Verfahren zum Überhitzen gespannter Dämpfe bekannt, bei dem ein Teil des gespannten Dampfs in Natron- oder Kalilauge derart eingeleitet wird, daß die Natronlauge unter dem Druck des gespannten Dampfs steht und der größere Teil durch von Natronlauge bespülte Heizrohre hindurchgeht. Der Überhitzungsvorgang wird hierbei .nur so lange aufrechterhalten, bis die Lauge verdünnt und wirkungslos ist. Durch Eindampfen der Natronlauge, indem man den überschüssigen Dampf und das kondensierte Wasser entweichen läßt, erhält,die Natronlauge wieder ihre ursprüngliche Wirksamkeit. Ein solches Verfahren, ist für ununterbrochenen. Betrieb nicht brauchbar und sehr unwirtschaftlich.
  • Weiterhin ist ein Zwangsdurchlaufkessel bekannt, bei dem das Arbeitsmittel bei kritischem oder überkritischem Druck durch Überhitzen aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht. Die OTbergangszone ist außerhalb des Strahlungsraums angeordnet und dadurch der Beheizung durch die Rauchgase entzogen. Sie wird in einem besonderen Wärmeaustauscher durch Dampf beheizt, der in einem der Übergangszone nachgeschalteten Strahlungsüberhitzer erhitzt wird, und der dann durch. einen zweiten Strahlungsüberhitzer und/oder einen Berührungsüberhitzer gleitet wird.
  • Bei einer anderen bekannten Dampfkraftanlage wird Wasser in einem Kessel verdampft und der Dampf vor der Turbine überhitzt. Das durch einen Vorwärmer hindurchgeführte Speisewasser wird zum Zwischenüberhitzeu des von einer Hochdruck- zu einer Niederdruckturbine fließenden Dampfs benützt. Das Wasser -wird hierbei vom Vorwärmerausgang zum Zwischenüberhitzer geleitet oder fließt von dem Kessel über den Zwischenüberhiizer zum Vorwärmer zurück, vor dem es mit einlaufendem Speisewasser vermischt wird. Durch diese Maßnahme wird das ausnutzbare Wärmegefälle in der der Hochdruckstufe nachgeordneten Niederdruckstufe erhöht. Die bekannte Anlage setzt die Verdampfung des Wassers in einem Kessel voraus.
  • Bei einer bekannten Anlage zur industriellen Verwertung der in einem Kernreaktor entstehenden Wärme wird durch einen vom Reaktor örtlich getrennten und. mit üblichen Brennstoffen betriebenen, Wärmeaustauscher das Arbeitsmittel eines thermodynamischen Kreisprozesses auf eine höhere wirtschaftliche Temperatur gebracht- Die dem beheizten Wärmeaustaus.cher zugeführte Wärme wird in einem zusätzlichen Wärmeaustauscher durch einen besonderen Wärmeträger auf das Arbeitsmittel des thermodynamischen Kreisprozesses übertragen. Der Erfindung liegt dies Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftanlage mit verbesserter Ausnützung der verfügbaren Wärme und insbesondere eine für den Gebrauch bei den dargelegten geeignete Anlage zu schaffen, bei der die vorstehend beschriebenen-Nachteile weitgehend vermieden sind.
  • Das erfinderische Neue besteht darin., daB das dampfförmige Arbeitsmittel vor seinem Eintritt in die mechanische Energie erzeugenden Mittel durch die im Wärmeaustauscher erhitzte, nicht gedrosselte Arbeitsflüssigkeit wieder Durch die eTfinderische:Anlage ist es möglich, bei einem vorbestimmten. Druck und einer Temperatur, die nicht ausreicht, um Verdampfung zu erzielen, eine erhitzte Arbeitsflüssigkeif@dadurch zu verdampfen, daß der Druck durch Drosselung.erniedrigt wird. Der bei der Druckerniedrigung eintretende Temperaturabfall der in Dampfform übergeführten Arbeitsflüssigkeit wird durch Erhitzen durch-nicht gedrosselte Arbeitsflüssigkeit wieder etwa auf die ursprüngliche Temperatur gebracht.
  • Die erfinderische Anlage weist den Vorteil auf, daß sowohl im ersten Wärmeaustauscher, der zur Erhitzung der Arbeitsflüssigkeit dient, alsi auch im zweiten Wärmeaustauscher, in dem .ein Teil der Arbeitsflüssigkeit zum Erhitzen des verdampften Teils der Arbeitsflüssigkeit dient, der Wärmeübergang zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas, stattfindet, so daß die besten Bedingungen für eitlen Wärmeübergang vorhanden sind.
  • In einer Wärmekraftanlage, in der eine Arbeitsflüssigkeit unter einem solchen Druck erhitzt wird, daß sie im Heizbereich flüssig bleibt, wird die Arbeits-. flüssigkeit in zwei Ström,#vegen weitergeleitet, von denen der eine direkt zur Kraft- oder Arbeitsmaschine führende eine Drossel enthält, während der andere, die Drossel und die Kraft-; oder Arbeitsmaschine umgehende Stromweg dazu dient. die Wärme des ihn durchströmenden, unter dem- Druck- des Erhitzungsbereichs stehenden Arbeitsmittels auf das den gedrosselten Stromweg durchströmende dampfförmige Arbeitsmittel zu übertragen.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird bei Verwendung einer Mehrzahl von mechanischen Krafterzeugern der den gedrosselten Strom erhitzende Flüssigkeitsstrom dazu verwendet, seine Wärme auf das gedrosselte, zwischen den mechanischen Krafterzeugern strömende Arbeitsmittel zur Überhitzung desselben zu übertragen.
  • Bei einer mit einem Kernreaktor versehenen bekannten-Dampfkraftanlage wird die vom Kernreaktor erzeugte Wärme durch ein Kühlfluidum aus dem Reaktor entfernt. Das Kühlfluidum gibt in einem Wärmeaustauscher seine Wärme an Wasser ab, aus dem im Wärmeaustauscher "Sattdampf erzeugt wird. Dieser Sattdampf wird in einem beheizten Wärmeaustauscher überhitzt, bevor er einer Turbine zugeführt wird. An der Turbine ist -ein Kondensator zum Niederschlagen des die Turbine verlassenden Abdampfs und eine Pumpe zum Entfernen des Kondensats aus dem Kondensator angeschlossen. Umwälzmittel dienen zur Rückführung des Kondensats in den Wärmeaustauscher.
  • Gegenüber diesem Bekannten besteht schließlich das erfinderische Neue darin,- daß ein erster Wärmeaus-Lauscher vorgesehen ist, in dem das Kühlfluidum seine Wärme an Wasser bei einem Druck oberhalb des kritischen abgibt, daß ferner- Mittel zur Aufteilung des den ersten Wärmeaustaüscher verlassenden Wassers in zwei Strömungswege vorgesehen sind, wobei der erste Strömungsweg eine Drossel enthält, durch die das Wasser in Dampf übergeführt wird, ehe er durch einen zweiten Wärmeaustauscher geht, in dem der Dampf, ehe er in einer Turbine oder Turbinen expandiert, überhitzt wird. Der zweite Strömungsweg, der durch den zweiten. Wärmeaustauscher geht, ist für die Überhitzung des durch Drosseln erzeugten Dampfs vorgesehen. Beide Strömungswege werden zwischen dem Auslaß; der Turbine und dem Einlaß des; ersten Wärmeaustauschers zusammengeführt und in den ersten Wärmeaustauscher durch Umwälzmittel zurückgeführt.
  • Durch die erfindungsgemäße Anlage ist eine sehr aufwendige und komplizierte Fremdbeheizung des zweiten Wärmeaustauschers überflüssig, -da durch einen Teil des' im ersten Wärmeaustauscher erhitzten Wassers der in einer Drossel erzeugte Dampf überhitzt wird, bevor er der Turbine zugeleitet wird. Der Dampf wird hierbei etwa auf die Temperatur gebracht, welche das Wasser im ersten Wärmeaustauscher annimmt. Die im Reaktor erzeugte Wärme wird voll ausgenützt, weil kein; Wechsel des Aggregatzustands der wärmeaustauschenden Fluida stattfindet. Der Aggregatzustand jedes wärmeaustauschenden Mittels bleibt also in jedem Wärmeaustauscher gleich.
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch dargestellt und unter Bezugnahme auf diese nachfolgend näher beschrieben.
  • Bei Ausführung der Erfindung in Form des in Fig.1 dargestellten Beispiels enthält eine Kernkraftanlage einen Reaktor 1, einen Wärmeaustauscher 2, eine Drossel 3, einen zweiten Wärmeaustauscher 4, Turbinen 5 und 6, einen elektrischen Generator 7, einen Kondensator 8, eine Pumpe 9, einen Vo.rwärmer 10 und einen Zwischenerhitzer 11 sowie Umwälzmittel 12 und 13, Die den Reaktor verlassende Wärme wird durch ein in einem geschlossenen Kreislauf fließendes Kühlgas entfernt. In diesem Kreislauf liegt der Wärmeaustauscher 2, in dem die Wärme an Wasser abgegeben wird, das einen Druck oberhalb des kritischen aufweist. Das den Wärmeaustauscher 2 verlassende Wasser wird' in zwei Ströme aufgeteilt. Ein Strom fließt durch die Drossel 3, wo er ausgedehnt und in Dampf übergeführt wird. Der andere Strom tritt in den Wärmeaustauscher 4 ein und erwärmt den durch die Drossel erzeugten Dampf, der auf diese Weise überhitzt wird. Der überhitzte Dampf wird dann in den Turbinen 5 und 6, die den elektrischen Generator 7 treiben, expandiert.
  • Nach der Expansion in den Turbinen, wird der Dampf im Kondensatoar 8 kondensiert, aus dem das Kondensat durch eine Pumpe entfernt wird, die den Druck des Wassers auf einen oberhalb des kritischen Werts bringt, ehe es: in den Wasserrest im anderen Strom bei 14 wieder eingeleitet wird. Zwischen der Pumpe und dem Punkt 14 kann es durch einen Vorwärmet 10 laufen. Der die Drossel umgehende Wasserstrom kann nach Verlassen des Wärmeaustauschers 4 dadurch weiter gekühlt werden, daß man ihn dazu benutzt, im Zwischenerhitzer 11 den von einer zur nächsten Turbine gehenden Strom wieder zu erhitzen. Eine Umwälzpumpe 12 o:d. dgl. bringt die Flüssigkeit wieder zurück zum Wärmeaustauscher2. Eine ähnliche Pumpe 13 od. dgl. hält den Flüssigkeitsumlauf durch den Reaktor aufrecht.
  • Während bei dem dargestellten Beispiel das notwendige Druckgefälle mit einer Drossel erzielt wird, kann dieses auch durch die Anbringung mehrerer Drosseln in Serie erzielt werden, oder ein Teil des Druckgefälles kann durch die Verwendung von Drosseln. und durch den Wärmeaustauscher selbst erzielt werden, z. B. dadurch, daß dieser Rohre eines geringeren Durchmessers als in den übrigen Leitungen verwendet, aufweist.
  • Eine Ausführungsform mit mehreren Drosselstufen ist in Fig.2 der Zeichnung dargestellt, in der drei Drosseln 3 a, 3 b und 3 c in Reihe auf dem Wege vom Wärmeaustauscher 2 zum Wärmeaustauscher 4 dargestellt sind. Der obere Röhrenansatz, mit 4 a gekennzeichnet, kann einen verringerte Durchmesser aufweisen, um die Erzielung des gewünschten Druckgefälles auf dem Weg zur Turbine 6 zu unterstützen, und die unteren Rohre 4 b, die zur Umwälzpumpe 12 gehen weisen den normalen Durchmesser auf.
  • Falls gewünscht, können mehr Vorwärmer, als dargestellt, verwendet werden, und die Zwischenerhitzung kann zwischen jeder Turbine, fallsi mehr als zwei benutzt werden, stattfinden.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, daß die volle Ausnutzung der erzeugten Hitze infolge der Tatsache erzielt werden kann, daß kein Wechsef des Aggregatzustands der in Wärmeaustauschbeziehung stehenden Fluida stattfindet.
  • Das in dem krafterzeugenden Teil der Anlage benutzte Fluidum läuft als Flüssigkeit um, so, daß die zur Umwälzung erforderliche Kraft herabgesetzt ist, und da in jedem Wärmeaustauscher der Wärmeaustausch zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit vonstatten geht, ist der Wärmeübergang verbessert gegenüber solchen Wärmeaustauschern, bei denen der Wärmeübergang zwischen einem Gas und einem Fluidum stattfindet, das zunächst als Flüssigkeit eingeleitet wird und dann in den gasförmigen Zustand übergeht.
  • Das dampfförmige Arbeitsmittel wird vor dem Eintritt in die mechanische Energie erzeugenden Mittel mit ungedrosselter Arbeitsflüssigkeit im Wärmeaustauscher4 nochmals erhitzt. Auf diese Weise findet der Wärmeübergang im Hauptwärmeaustauscher 2 zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas statt. Nach dem Drosseln der Flüssigkeit, welche den Wärmeaustauscher 2 verlassen hat, wird der dadurch, erzeugte Dampf nochmals und ebenfalls durch eine Flüssigkeit erhitzt, und zwar durch die ungedrosselte Arbeitsflüssigkeit, die im Wärmeaustauscher 2 erhitzt worden ist, so daß nochmals die besten Bedingungen für einen Wärmeübergang vorhanden sind.
  • Die Wärmeaustauscher können infolge der vorstehend erwähnten besseren Wärmeübertragung von geringerer Größe und von vereinfachter Konstruktion sein, indem sie z. B. nur eine Abteilung brauchen.
  • Den, im Umlauf verwendeten Druckhöhen ist keine Grenze gesetzt im Gegensatz zu solchen Zyklen, bei denen zur Überhitzung des Dampfs bei den zur Verfügung stehenden Temperaturen; die Drücke klein gehalten werden müssen. Demzufolge können die in den Wärmeaustauschern und Leitungen der Anlage behandelten Fluida-Volumen wesentlich reduziert werden.
  • Ein anderer Vorteil ist, daß der Zyklus flexibel ist, d. h. daß durch Veränderung der gedrosselten und der die Drossel umgehenden Mengen die Leistungsabgabe und -damit der Wirkungsgrad erhöht werden kann bzw. umgekehrt, wie es die jeweiligen Umstände erfordern.
  • Für jette gegebene Ausgangsleistung wird ein höherer thermischer Wirkungsgrad gegenüber normalen Anlagen erzielt, infolge der Verringerung irreversibler thermodynamischer Prozesse, d. h. infolge der Vermeidung jeder Aggregatzustandsänderung in den Wärmeaustauschern.
  • Die Erfindung erlaubt die Expansion von Dampf in einer Turbine auf einen Wert innerhalb brauchbarer Feuchtigkeitsgrenzen, und sie vermeidet dennoch die Nachteile der bisher vorgeschlagenen Anlagen, die bei Maximaltemperaturen arbeiten, die relativ gering und in der Größenordnung von etwa 350 bis 450° C liegen. Durch sie werden vor allem größere Wärmeaustauscher und Leitungen und die ungenügende Ausnutzung der durch die Wärmequelle erzeugten Hitze vermieden.

Claims (4)

  1. PATENTANSPROCHE: 1. Wärmekraftanlage, in der eine Arbeitsflüssigkeit in einem Wärmeaustauscher unter einem solchen Druck erhitzt wird, daß sie flüssig bleibt und außerhalb ihres Erhitzungsbereiches durch Druckminderung infolge Drosselung so weit entspannt wird, daß sie in Dampfform übergeht, worauf das dampf förmigeArbeitsmittel den mechanische Energie erzeugenden Mitteln zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das dampfförmige Arbeitsmittel vor seinem Eintritt in die mechanische Energie erzeugenden Mittel durch die im Wärmeaustauscher (2) erhitzte, nicht gedrosselte Arbeitsflüssigkeit wieder aufgeheizt wird.
  2. 2. Wärmekraftanlage, in der eine Arbeitsflüssigkeit unter einem solchen Druck erhitzt wird, daß sie im Heizbereich flüssig bleibt, im übrigen insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit in zwei Stromwegen weitergeleitet wird, von denen der eine direkt zur Kraft- oder Arbeitsmaschine (5, 6) führende eine Drossel (3) enthält, während der andere, die Drossel und die Kraft- oder Arbeitsmaschine umgehende Stromweg dazu dient, die Wärme des ihn durchströmenden, unter dem Druck des Erhitzungsbereiches stehenden Arbeitsmittels auf das den gedrosselten Stromweg durchströmende dampfförmige Arbeitsmittel zu übertragen.
  3. 3. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer :Mehrzahl von mechanischen Krafterzeugern der den gedrosselten Strom erhitzende Flüssigkeitsstrom dazu verwendet wird, seine Wärme auf das gedrosselte, zwischen den mechanischen Krafterzeugern strömende Arbeitsmittel zur Überhitzung desselben zu übertragen.
  4. 4. Mit einem Kernreaktor versehene Dampfkraftanlage, bei der die vom Kernreaktor erzeugte Wärme durch ein Kühlfluidum aus dem Reaktor entfernt wird, das in einem Wärmeaustauscher seine Wärme an Wasser abgibt, aus dem Dampf zum Antrieb einer mit überhitztem Dampf gespeisten Turbine gewonnen wird, mit einem Kondensator zum Niederschlagen des die Turbine verlassenden Abdampfes, einer Pumpe zur Entfernung des Kondensats aus dem Kondensator und Umwälzmitteln zur Rückführung des Kondensats in den Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wärmeaustauscher (2) vorgesehen ist, in dem das Kühlfluidum seine Wärme an Wasser bei einem Druck oberhalb des kritischen abgibt, daß ferner Mittel zur Aufteilung des den ersten Wärmeaustauscher verlassenden Wassers in zwei Strömungswege vorgesehen sind, wobei der erste Strömungsweg eine Drossel (3) enthält, durch die das Wasser in Dampf übergeführt wird, ehe er durch einen zweiten Wärmeaustauscher (4) geht, in dem der Dampf, ehe er in einer Turbine oder Turbinen (5, 6) expandiert, überhitzt wird, wobei der zweite durch den zweiten Wärmeaustauscher gehende Strömungsweg dazu dient, den durch Drosseln erzeugten Dampf zu erhitzen, und beide Ströinungswege-zwischen dem Turbinenauslaß und dem Einlaß des ersten Wärmeaustauschers zusammengeführt und in den ersten Wärmeaustauscher durch Umwälzmittel (12) zurückgeführt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 422 106, 35 264; deutsche Auslegeschrift M 17754 I a/13 g (bekanntgemacht am 30.8.1956); britische Patentschrift Nr. 463 075; schweizerische Patentschrift Nr. 286 627.
DEP19788A 1956-12-07 1957-12-05 Waermekraftanlage Pending DE1096922B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3724212A (en) * 1969-11-26 1973-04-03 Wheeler Foster J Brown Boilers Power plants

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DE35264C (de) * M. honigmann in Grevenberg bei Aachen Verfahren zum Ueberhitzen gespannter Dämpfe
DE422106C (de) * 1924-05-14 1925-01-06 Siemens Schuckertwerke G M B H Dampfkraftanlage fuer hohen Druck
GB463075A (en) * 1935-09-24 1937-03-22 Harold Livsey An improved method of reheating steam from the low pressure stages of a turbine
CH286627A (de) * 1950-11-30 1952-10-31 Bbc Brown Boveri & Cie Anlage zur industriellen Verwertung der in einem Kernreaktor entstehenden Wärme.

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