DE1126408B

DE1126408B - Thermal power plant

Info

Publication number: DE1126408B
Application number: DEP22551A
Authority: DE
Inventors: Myles Hutchinson; Waldemar Hryniszak
Original assignee: Clarke Chapman Group Ltd; CA Parsons and Co Ltd
Current assignee: Clarke Chapman Group Ltd; CA Parsons and Co Ltd
Priority date: 1958-04-09
Filing date: 1959-04-08
Publication date: 1962-03-29

Description

Wärmekraftanlage Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage mit einer Turbine, einem Kondensator, einer Pumpe zum Erzeugen des Betriebsdruckes in einem aus Fluorkohlenstoff oder einem Derivat bestehenden Betriebsfluidum, einem Hauptwärmeaustauscher zum Erzeugen der Betriebstemperatur im Betriebsfluidum und mit einem zweiten Wärmeaustauscher zum Kühlen des aus der Turbine austretenden Fluidums und zum Erwärmen des von der Pumpe zum Hauptwärmeaustauscher geförderten Fluidums, das sich beim Verlassen des Hauptwärmeaustauschers in einem superkritischen Zustand befindet, in der Turbine entspannt und in dem zwischen dem zweiten Wärmeaustauscher und der Pumpe liegenden Kondensator verflüssigt wird. Bei den bekannten Wärmekraftanlagen dieser Art fließt das Betriebsfluidum, nachdem es die Pumpe verlassen hat, nur durch den zweiten Wärmeaustauscher hindurch. Hier ergibt sich wegen der höheren spezifischen Wärme der Flüssigkeit gegenüber der des Gases eine ungenügende Erwärmung des Fluorkohlenstoffes.Thermal power plant The invention relates to a thermal power plant a turbine, a condenser, a pump to generate the operating pressure in an operating fluid consisting of fluorocarbon or a derivative, a Main heat exchanger for generating the operating temperature in the operating fluid and with a second heat exchanger for cooling the fluid emerging from the turbine and for heating the fluid conveyed by the pump to the main heat exchanger, which is in a supercritical state when leaving the main heat exchanger located, relaxed in the turbine and in the one between the second heat exchanger and the pump lying condenser is liquefied. In the known thermal power plants in this way the operating fluid only flows through after it has left the pump through the second heat exchanger. Here arises because of the higher specific Heat of the liquid compared to that of the gas means insufficient heating of the fluorocarbon.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Anlage derart abzuändern, daß ein verbesserter Gebrauch vom Wärmeinhalt der Arbeitsflüssigkeit gemacht wird. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß nach der Pumpe ein dritter Wärmeaustauscher angeordnet ist, durch den ein Teil des aus der Pumpe austretenden Fluidums hindurchfließt und zu dessen Erwärmung ein aus einer Turbinenstufe abgezapftes und zum Kondensator geführtes Betriebsfluidum dient. Durch diese Anordnung wird die ungenügende Erwärmung des durch den zweiten Wärmeaustauschers hindurchfließenden flüssigen Fluorkohlenstoffes vermieden. Der Kreisprozeß wird durch Unterteilung in zwei Ströme derart abgeändert, daß die Menge der durch den zweiten Wärmeaustauscher fließenden Flüssigkeit den gleichen Wärmewert hat wie der gasförmige Fluorkohlenstoff. Der andere Flüssigkeitsstrom wird durch aus einer der Turbinenstufen abgezapftes gasförmiges Fluidum auf die notwendige Temperatur gebracht. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Wirkungsgrad des Wärmeüberganges auf den verflüssigten Fluorkohlenstoff höher als bei der bekannten Anlage und damit auch der Wirkungsgrad der gesamten Anlage nach der Erfindung. Die Verminderung der Leistungsabgabe der Turbine wird durch die Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades mehr als ausgeglichen, insbesondere bei Anwendung von Zwischenüberhitzern.The invention is based on the object of the known system in such a way to change that an improved use of the heat content of the working fluid is made. The object is achieved according to the invention in that according to the A third heat exchanger is arranged through which a part of the pump from the Pump exiting fluid flows through it and to heat it from a Turbine stage tapped and led to the condenser operating fluid is used. By this arrangement becomes the insufficient heating of the by the second heat exchanger flowing through liquid fluorocarbon avoided. The circular process becomes modified by dividing into two streams in such a way that the amount of through the second heat exchanger flowing liquid has the same calorific value as the gaseous fluorocarbon. The other liquid flow is through from one of the Turbine stages tapped gaseous fluid brought to the required temperature. In the arrangement according to the invention, the efficiency of the heat transfer is on the liquefied fluorocarbon higher than in the known system and thus also the efficiency of the entire system according to the invention. The diminution of The power output of the turbine increases as the turbine efficiency increases as balanced, especially when using reheaters.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn, falls die Temperatur des Betriebsfluidums am Auslaß aus einem Wärmeaustauscher einen bestimmten Wert übersteigt, ein Teil des in den Wärmeaustauscher eintretenden Fluidums direkt mit einem anderen Teil des Fluidums mischbar ist, und zwar an einer Stelle zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Wärmeaustauschers, bis die Temperatur des Betriebsfluidums am Auslaß des Wärmeaustauschers wieder den vorerwähnten bestimmten Wert angenommen hat.It is particularly advantageous if, if the temperature of the operating fluid exceeds a certain value at the outlet from a heat exchanger, a part of the fluid entering the heat exchanger directly with another part of the fluid is miscible, at a point between the inlet and the Outlet the heat exchanger until the temperature of the operating fluid at the outlet of the heat exchanger has again assumed the aforementioned specific value.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Wärmekraftanlage gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig.l das Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine Umlaufanordnung für einen Wärmeaustauscher.In the drawing is an embodiment of a thermal power plant shown according to the invention. It shows Fig.l the embodiment in a schematic Depiction, Fig. 2 shows a circulation arrangement for a heat exchanger.

Die Wärmekraftanlage nach dem Ausführungsbeispiel hat eine Wärmequelle 1, einen primären oder Hauptwärmeaustauscher 2, eine Turbine 3, einen zweiten Wärmeaustauscher 5, einen Kondensator 6 und eine Pumpe 7.The thermal power plant according to the embodiment has a heat source 1, a primary or main heat exchanger 2, a turbine 3, a second heat exchanger 5, a condenser 6 and a pump 7.

Die Wärmequelle 1 wird durch ein geeignetes Fluidum, z. B. Kohlenoxyd, gekühlt. Wird angenommen, daß die Wärmequelle ein Kernreaktor ist, so liegt die obere Temperatur bei etwa 500° C. Das Kühlfluidum tritt in den primären Wärmeaustauscher 2 ein, wo es ein aus einem Fluorkohlenstoff bestehendes, vorher durch die Pumpe 7 verdichtetes Betriebsfluidum erhitzt. Dieses kommt dadurch in einen überkritischen Zustand, d. h., der Druck und die Temperatur des Fluidums liegen über den kritischen Punkten. Das aus Fluorkohlenstoff bestehende Betriebsfluidum wird dann in der Turbine 3 entspannt. Von dieser strömt es in einen zweiten Wärmeaustauscher 5, wo es gekühlt wird, ehe es in den Kondensator 6 eintritt, in welchem es mittels Kühlluft oder Kühlwasser verflüssigt wird. Der Druck des Betriebsfluidums wird dann in der Pumpe 7 auf einen Druck über dem kritischen Druck erhöht, worauf das Fluidum wiederum den zweiten Wärmeaustauscher 5 durchströmt, in welchem es Wärme aus dem die Turbine 3 verlassenden Fluidum aufnimmt.The heat source 1 is supplied by a suitable fluid, e.g. B. carbon dioxide, cooled. Assuming that the heat source is a nuclear reactor, the upper temperature is around 500 ° C. The cooling fluid enters the primary heat exchanger 2, where it heats an operating fluid consisting of a fluorocarbon and previously compressed by the pump 7. This comes into a supercritical state, ie the pressure and the temperature of the fluid are above the critical points. The operating fluid consisting of fluorocarbon is then expanded in the turbine 3. From this it flows into a second heat exchanger 5, where it is cooled before it enters the condenser 6, in which it is liquefied by means of cooling air or cooling water. The pressure of the operating fluid is then increased in the pump 7 to a pressure above the critical pressure, whereupon the fluid in turn flows through the second heat exchanger 5, in which it absorbs heat from the fluid leaving the turbine 3.

Die Eigenschaften der Fluorkohlenstoffe und ihrer Derivate sind derart, daß der Kreisprozeß im wesentlichen bei oder über den kritischen Bedingungen bei verhältnismäßig niedriger Temperatur und verhältnismäßig niedrigem Druck vor sich gehen kann. Beispielsweise hat der Fluorkohlenstoff (C2 F2 Cls) einen Siedepunkt von 47,6° C und kondensiert bereits bei Atmosphärendruck. Bei einer Turbineneinlaßtemperatur von etwa 343° C hat er einen absoluten Druck von 87,5 kg/cm2.The properties of fluorocarbons and their derivatives are such that the cycle process is essentially at or above the critical conditions relatively low temperature and relatively low pressure in front of you can go. For example, the fluorocarbon (C2 F2 Cls) has a boiling point of 47.6 ° C and condenses at atmospheric pressure. At a turbine inlet temperature of about 343 ° C it has an absolute pressure of 87.5 kg / cm2.

Die Verwendung des die Turbine 3 verlassenden Gases zur Erwärmung des die Pumpe 7 verlassenden verflüssigten Fluorkohlenstoffes führt wegen der hohen spezifischen Wärme der Flüssigkeit gegenüber derjenigen des Gases zu einer ungenügenden Erwärmung des verflüssigten Fluorkohlenstoffs.The use of the gas leaving the turbine 3 for heating of the liquefied fluorocarbon leaving the pump 7 leads because of the high specific heat of the liquid compared to that of the gas is insufficient Heating the liquefied fluorocarbon.

Der Kreisprozeß wird daher abgeändert und die Flüssigkeit in zwei Ströme unterteilt, so daß die Menge der durch den zweiten Wärmeaustauscher 5 fließenden Flüssigkeit den gleichen äquivalenten Wasserwert hat wie der gasförmige Fluorkohlenstoff. Der andere Flüssigkeitsstrom geht am Wärmeaustauscher 5 vorbei und wird auf die notwendige Temperatur gebracht, indem man ihn in einem dritten Wärmeaustauscher 5 a mit aus einer der Turbinenstufen abgezapftem Gas erhitzt. Bei dieser Anordnung ist der Wirkungsgrad des Wärmeüberganges auf den verflüssigten Fluorkohlenstoff erhöht und damit auch der Wirkungsgrad der ganzen Anlage. Die Leistungsabgabe der Turbine ist zwar vermindert. Dies wird aber bei Turbinen großer Leistung durch die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades wettgemacht, insbesondere bei Anwendung der Zwischenüberhitzung.The cycle is therefore modified and the liquid is divided into two streams so that the amount of liquid flowing through the second heat exchanger 5 has the same equivalent water value as the gaseous fluorocarbon. The other liquid flow passes the heat exchanger 5 and is brought to the necessary temperature by heating it in a third heat exchanger 5 a with gas drawn off from one of the turbine stages. With this arrangement, the efficiency of the heat transfer to the liquefied fluorocarbon is increased and thus also the efficiency of the entire system. The power output of the turbine is reduced. In the case of large-capacity turbines, however, this is offset by the increase in thermal efficiency, especially when reheating is used.

Gewisse Fluorkohlenstoffe sind für Wärmebeanspruchungen empfindlich. Es ist daher ratsam, eine Vorrichtung zu verwenden, welche übermäßig hohe Temperaturen, beispielsweise am Auslaß des Hauptwärmeaustauschers, verhindert. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt, bei welcher für diesen Zweck selbsttätig arbeitende Umlaufventile verwendet werden.Certain fluorocarbons are sensitive to thermal stress. It is therefore advisable to use a device that can handle excessively high temperatures, for example at the outlet of the main heat exchanger. Such an arrangement is shown in Fig. 2, in which automatically operating circulation valves for this purpose be used.

Unter normalen Verhältnissen tritt der Fluorkohlenstoff in einen Wärmeaustauscher aus einem Rohr 8 a durch den Einlaß 8 ein und durchströmt eine Reihe von Rohren 9 bei niedriger Temperatur. Bei Verlassen der Rohrreihe 9 durch den Auslaß 10 strömt der Fluorkohlenstoff durch einen Kanal 10 a zu dem Einlaß 11 einer Reihe von Rohren 12 hoher Temperatur und verläßt diese Reihe an dem Auslaß 13 auf seinem Wege über den Kanal 13 a zu einer Turbine. Falls die Temperatur am Auslaß der Hochtemperatur-Rohrreihe einen bestimmten Wert übersteigen sollte, tritt ein von einem Thermostat- gesteuertes Umlaufventil 14 in Tätigkeit, und ein Teil des Fluorkohlenstoffes, der an dem Einlaß 8 in den Wärmeaustauscher 9 eintritt, strömt nun unmittelbar zu dem Einlaß 11, bis die Temperatur am Auslaß des Wärmeaustauschers den vorher festgelegten Wert wieder erreicht hat.Under normal conditions, the fluorocarbon enters a heat exchanger from a tube 8 a through the inlet 8 and flows through a series of tubes 9 at low temperature. When leaving the row of tubes 9 through the outlet 10, the fluorocarbon flows through a channel 10 a to the inlet 11 of a row of tubes 12 of high temperature and leaves this row at the outlet 13 on its way via the channel 13 a to a turbine. If the temperature at the outlet of the high-temperature tube row should exceed a certain value, a thermostat-controlled circulation valve 14 comes into operation, and part of the fluorocarbon which enters the heat exchanger 9 at the inlet 8 now flows directly to the inlet 11, until the temperature at the outlet of the heat exchanger has reached the previously set value again.

Der Pfeil A in Fig. 2 zeigt die Richtung der Gasströmung über die Rohrreihen 9 und 12 an.The arrow A in Fig. 2 shows the direction of gas flow over the Rows of tubes 9 and 12 on.

Die Verwendung eines bei niedrigen Temperaturen arbeitenden Fluorkohlenstoffkreislaufs in Verbindung mit einem Kernreaktor eröffnet auch die Möglichkeit des Antriebes von Kühlgasumlaufvorrichtungen für den Reaktor mittels einer von dem Kühlgas beaufschlagten Turbine. In diesem Fall wird das den Reaktor verlassende Kühlgas in einer Turbine auf das erforderliche Maß entspannt und strömt dann zu dem Wärmeaustauscher. Hier gibt es die verbleibende Wärme an den Fluorkohlenstoff ab, bevor es zu einer von der Turbine angetriebenen Umlaufvorrichtung gelangt, von welcher aus es zu dem Reaktor zurückkehrt. In der Turbine findet ein Temperaturabfall statt, jedoch ist das wegen der niedrigen Temperaturen, bei welcher der Fluorkohlenstoff arbeiten kann, ohne Bedeutung.The use of a low temperature fluorocarbon cycle in connection with a nuclear reactor also opens up the possibility of propulsion of cooling gas circulation devices for the reactor by means of one acted upon by the cooling gas Turbine. In this case, the cooling gas leaving the reactor is in a turbine expanded to the required extent and then flows to the heat exchanger. here it gives off the remaining heat to the fluorocarbon before it becomes one of the turbine driven circulating device passes from which it goes to the reactor returns. There is a temperature drop in the turbine, but that's because of it the low temperatures at which the fluorocarbon can operate without Meaning.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Thermal power plant with a turbine, a condenser, a pump for generating the operating pressure in a fluorocarbon or a derivative operating fluid, a main heat exchanger for generating the operating temperature in the operating fluid and with a second heat exchanger for cooling the fluid emerging from the turbine and for heating that of the Pump to the main heat exchanger delivered fluid, which is when leaving the Main heat exchanger is in a supercritical state in the turbine relaxed and in the lying between the second heat exchanger and the pump Condenser is liquefied, characterized in that a third after the pump Heat exchanger is arranged through which part of the exiting from the pump Fluid flows through it and, for its heating, a tapped from a turbine stage and operating fluid conducted to the condenser is used.

2. Thermal power plant according to claim 1, characterized in that if the temperature of the operating fluid at the outlet from a heat exchanger exceeds a certain value, part of the fluid entering the heat exchanger is miscible directly with another part of the fluid, namely at one point between the inlet and the outlet of the heat exchanger until the temperature of the operating fluid at the outlet of the heat exchanger has again assumed the aforementioned specific value. Publications considered: German Auslegeschrift B 22 6261 a / 14 h (published on November 3, 1955), R 17 0811 a / 14 h (published on November 15, 1956); German patent application F 49081 a, / 14 h (published on December 17, 1953); Austrian Patent No. 171947; U.S. Patent No. 2,301,404.