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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch
dargestellt und unter Bezugnahme auf diese nachfolgend näher beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Falls gewünscht, können mehr Vorwärmer, als dargestellt, verwendet
werden, und die Zwischenerhitzung kann zwischen jeder Turbine, fallsi mehr als zwei
benutzt werden, stattfinden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.