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Wärmekraftanlage mit zusätzlichem Kältemittelkreislauf
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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage, bestehend aus einem
wärmeerzeugenden Teil mit mindestens einer Wärmequelle, einer nachgeschalteten Arbeitsmaschine
mit nachgeschaltetem Kondensator, Speisewasserpumpe, Vorwärmer und einem der Wärmequelle
vorgeschalteten Vorerhitzer.
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Derartige Wärmekraftanlagen dienen vorzugsweise der Stromerzeugung
oder der Erzeugung von Prozeßwärme bei chemischen Anlagen oder in sonstigen Betrieben,
in denen Wärme oder aus Wärme gewonnene Sekundärenergie verarbeitet wird.
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Es ist bekannt, daß bei dem Betrieb von Wärmekraftanlagen, unabhängig
von der Wärmequelle, d.h. ob Kohle, Erdgas oder Kernenergie, ein beachtlicher Teil
der erzeugten Wärme aus dem der Arbeitsmaschine nachgeschaltetz Kondensator über
einem Kühlmedium vorzugsweise Wasser in Flüssen oder in Rieselkühltürmen abgeführt
wird, wobei es zu einer Aufheizung des Flußwassers kommt, was eine derzeit ernstzunehmende
Umweltbelastung darstellt. Bei Kühlung über Kühltürme besteht die Gefahr einer Überfeuchtung
der Luft, was zu einer Nebelbildung führen kann.
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Diese kondensatorseitige Abfuhr von Wärme bei Wärmekraftanlagen ist
aus bekannten thermodynamischen Gründen unumgänglich. Damit ist jedoch immer ein
Energieverlust verbunden, weil thermodynamische Prozesse nur möglich sind, wenn
entsprechende Temperaturdifferenzen und entsprechende Druckdifferenzen vorliegen.
Da Wärmekraftanlagen nach wirtschaftlichen Gesichtspuiikten betrieben werden müssen,
kann aus wirtschaftlichen Gründen schon nicht ein zu großer Aufwand betrieben werden,
um den Wirkungsgrad zu steigern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftanlage aufzuzeigen,
bei welcher der thermodynamisch zulässige Teil der in dem Kondensator hinter der
Arbeitsmaschine abgegebenen Wärme noch zur Energiegewinnung z.B. zum Betrieb einer
weiteren nachgeschalteten Arbeitsmaschine verwendet wird.
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Ausgehend von der seit langem bekannten Arbeitsweise von Wärmepumpen
- die in zunehmendem Maß zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Wärmekreisläufen
z.B. bei Schwimmbädern verwendet wird - und der Erkenntnis, daß bei einem bekannten
Kältemittel bei gleicher Temperatur wie in einem Wasserkreislauf, ein höherer Druck
möglich ist als bei Wasser, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Kondensator
der der Arbeitsmaschine nachgeschaltet ist, wärmeaufnahmeseitig ein Kältemittelkreislauf
mit Pumpen, Wärmetauschern und zugehörigen Steuerelementen sowie Überhitzern und
mindestens einer weiteren, zusätzlichen Arbeitsmaschine mit Steuerelementen und
einem weiteren Kondensator zugeschaltet ist und daß diesem Kältemittelkondensator
wärmeaufnahmeseitig ein weiterer Kältemittelkreislauf mit einer Wärmepumpe zugeschaltet
ist. Mit dem erfindungsgemäß durch Kältemittelkreisläufe ergänzten Wärmekraftwerk
ist es möglich, die bisher als Abwärme an Wasser z.B. in Flüsse abgegebene Wärme
teilweise zu weiterer Arbeitsleistung zu verwenden. Neben dem zusätzlichen Energiegewinn
ergibt sich damit eine Verminderung der Umweltbelastung. Es hat sich gezeigt, daß
trotz des höheren apperativen Aufwandes und obwohl zum Betrieb der Wärmepumpe Energie
erforderlich ist - die jedoch dem System entnommen werden kann - trotzdem eine spürbare
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage erreichbar ist und daß auch aus
wirtschaftlichen Gesichtspunkten der höhere Aufwan Qerechtfertlgt ist, da auch unter
Berücksichtigung des teueren Kältemittels der Energiegewinn überwiegt. Dieses ergibt
sich daher, daß bei einem Kältemittel, d.h. einem bei niedriger Temperatur siedenden
Mediums, eine Drucksteigerung auch noch bei niedrigerer Temperatur möglich ist als
es bei Wasser möglich ist, so daß gegenüber Wasser als Kühlmittel ein höherer Druck
bei gleicher Temperatur erzielbar ist. Höherer Druck bedeutet aber wiederum höhere
Arbeitsleistung, so daß in dem die wärmeabführenden erfindungsgeiiäßen Kreislauf
eine weitere
Arbeitsmaschine angeordnet sein kann. Es hat sich als
zweckmäßig erwiesen, daß-dem Kondensator des Primärkreislaufes, der die Funktion
eines Kessels wahrnimmt, ein Teil des Kältemittels und zwar mehr als die Hälfte,
vorzugsweise 3/4 der Menge des Kältemittels in flüssiger Phase und der Rest in Sattdampfphase
von gleicher Temperatur und gleichem Druck geführt wird. Beide Komponenten, die
im Kondensator Wärme aufnehmen, werden ausschließlich Erhitzern zugeführt und dort
unter Druckanstieg insgesamt in Sattdampf umgewandelt, so daß ein größerer Wärmeinhalt
erzielt wird. Die Umwandlung in Sattdampf erfolgt dabei unter Wärmeaufnahme aus
dem Wärmepumpenkreislauf. Damit wird erreicht, daß ein höherer Teil der Wärmeenergie
in dem System verbleibt, so daß sowohl weniger Wärme umweltbelastend abgeführt wird,
sondern zur Arbeitsleistung herangezogen wird, als daß auch weniger Wärme dem System
insgesamt zugeführt werden muß.
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Die Anordnung der Erhitzer sowie der Überhitzer erfolgt nach den Merkmalen
des Anspruches 2, wobei durch diese Weiterführung, insbesondere der Parallelschaltung
jeweils mehrere Erhitzer und Überhitzer ein quasi-kontinuierlicher Betrieb möglich
ist.
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Hierzu dienen auch die gemäß den Merkmalen des Anspruches 4 angeordneten
Steuereinrichtungen, so daß die nachgeschalteten Arbeitsmaschinen quasi-kontinuierlich
betrieben werden können.
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Bei den Arbeitsmaschinen, vorzugsweise Turbinen, wird jede für einen
ganz bestimmten Betriebsdruck ausgelegt, so daß bei absinkendem Druck die jeweils
optimal für diesen Druck ausgelegte Arbeitsmaschine beaufschlagt wird, so daß der
Wärmepumpenkreislauf kontinuierlich betrieben und damit die Arbeitsleistung kontinuierlich
abgenommen werden kann.
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In den Zeichnungen sind Kreisläufe der erfindungsgemäß ergänzten Wärmekraftanlage
dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 einen Kreislauf mit geteiltem Kältemittelkreislauf
bei einem konventionellen Kraftwerk.
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Fig. 2 einen Kreislauf mit einfachem Kältemittelkreislauf bei einem
konventionellen Kraftwerk.
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Fig. 3+t Ein i-p Diagramm mit eingezeichnetem Prozeß.
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In Fig. 1 zeigt der Kreislauf A ein bekanntes Kraftwerk mit den erfindungsgemäßen
Kreisläufen B und C. Hierbei ist der Kondensator K1 nicht Luft und/oder flußwassergekühlt,
sondern hier durch ein Kältemittel RC318 des Kreislaufes B gekühlt.
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Der Teil des Kältemittels welcher aufgeheizt und verdampft wird, nimmt
einen Teil der Energie im Kondensator K1 ab.
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Der andere Teil des Kältemittels, das nur erhitzt wird, nimmt den
restlichen Teil der abgegebenen Energie des Dampfes von K1 ab.
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Der Vorwärmer V1 wird erfindungsgemäß von der Wärmepumpe beheizt und
zwar mit Kältemitteldampf F 113 des Kreislaufes C, das von der Speisepumpe SP1 geförderte
Wasser (Kondensat) wird hier aufgeheizt. Der Vorerhitzer V2 kann über den Kessel
und/ oder über eine Ansapfung der Turbine in herkömmlicher Weise betrieben werden.
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Der Kältemittelsattdampf aus dem Kondensator Kt wird über die Leitung
und die Absperrorgane ST 6.1 - 6.4 in die Erhitzer mit Überhitzer (W2.1 - W2.4 und
Ü. 2.1 - Ü. 2.4) eingeleitet. Mit der Speisepumpe SP3 wird zusätzlich erhitztes
Kältemittel eingespritst und zwar so viel, daß die Menge ausreicht um bei weiterer
Wärmezufuhr mindestens auf den gewünschten Druck von Sattdampf zu kommen. Die Einspritzung
geschieht über Absperrorgane (ST n - 6.8). Das Kältemittel hat beim Einspritzen
eine bestimmte Temperatur und wird verdampft und erhitzt. Der so erhaltene Kältemittelsattdampf
wird in den Überhitzern Ü. 2.1 - Ü. 2.4 überhitzt. Die dazu benötigte Energie kommt
von der Wärmepumpe (Kreislauf C) und wird über die Absperrorgane ST 7.1 - 7.4 an
die Überhitzer abgegeben.
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Der überhitzte Kältemitteldampf C318 des Kreislaufes B wird über die
Steuerorgane ST 8.1 - 8.16 den Strömungsmaschinen T 2.1 - T 2.4 oder Kombinationen
zugeführt. Diese sind verschiedenen Vordrucken zugeordnet. Die Umschaltung auf die
nächste Turbine erfolgt nunmehr bei erreichen des entsprechenden Drucks. Die Abtastung
und Steuerung erfolgt zweckmäßig über Prozeßrechner, die die Betriebsdaten auch
optimieren.
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Nach den Turbinen wird das Kältemittel RC 318 im Kondensator K2 kondensiert.
Das flüssige Kältemittel wird über die Speisepumpe SP2 auf den im Kondensator K1
herrschenden Druck angehoben, so daß nach Energieübernahme der Kreislauf erneut
erfolgen
kann. Im Kondensator K2 wird die Energie von der Wärmepumpe im Kreislauf C abgenommen
und das Kältemittel F 113 wird verdampft.
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Der Vorteil dieser Technologie ist darin begründet, daß die Energie,
welche aus den Kondensatoren üblicherweise an die Umgebung abgeführt wird, nicht
mehr an die Umgebung abgeführt wird, sondern zum einen Teil über die Wärmepumpe
und zum anderen Teil durch einfache Wärmeübertragung (z.B. bei K1) dem System zu
der nach den Gesetzen der Thermodynamik möglichen Menge zugeführt wird.
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Die Schaltung gemäß Fig. 2 zeigt, daß auch ein Betrieb ohne Aufteilung
des Kältemittels in ca. 3/4 in flüssige Phase und ca. 1/4 in Sattdampfphase möglich
ist. Hierbei sind jedoch höhere Pumpenenergien erforderlich.
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Anhand des Diagrammes gemäß Fig. 3 wird ein Zahlenbeispiel beschrieben.
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Die Speisepumpe Sp 2 im Kreislauf B drückt die Kältemittelflüssigkeit
C 318 entlang B 1 - B 2 von ca. 1,4 bar auf 6 bar.
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Dabei wird in K1, der die Funktion eines Kessels wahrnimmt, ein Teil
(ca. 3/4) der C 318-Flüssigkeit von OO C auf 450c erhitzt (entlang B 2 - B 2.1)
und der andere Teil (ca. 1/4) der C 318-FlUssigkeit von Oo C auf 450c erhitzt (entlang
B 2 - B 2.1) und danach gleich zu Sattdampf entlang B 2.1 - B 3, verdampft.
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Es liegt also jetzt an C 318 im K1 vor: ca. 3/4 als Flüssigkeit von
450 C und 6 bar, ca. 1/4 als Sattdampf von 4'0 C und 6 bar.
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Der Sattdampf wird jetzt über Sillorgane von einem Prozeßrechner geregelt
quasikontinuierlich, d.h. zeitlich so gestuft einer Vielzahl von Einzelapparaten
so zugeführt, daß der Vorgang in der Zuführungsleitung so aussieht, als wäre das
einem kontinuierlichen Betrieb ähnlich.
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Es wird also z.B. erst der Behälter (s. Figur 1) W 2.1 mit Sattdampf
gefüllt und dann das dazugehörige Stellorgan ST 6.1 geschlossen. Dann wird gleichzeitig
oder kurz danach mit der Speisepumpe SP 3, welche nur gebraucht wird, um die Reibung
in Leitung und Stellorgan zu überwinden, ebenfalls in den Behälter W 2.1 Kältemittelflüssigkeit
von 430 C und 6 bar eingespritzt
und jetzt das Stellorgan ST 6.2
angeschlossen.
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Jetzt ist das System abgeschlossen und hat im Behälter ca. 1/4 des
Füllgewichtes in Sattdampf von 45° C und 6 bar und ca. 3/4 des Füllgewichtes in
Flüssigkeit von 45° C und 6 bar.
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Dieser abgeschlossenen Füllung von Sattdampf über Flüssigkeit wird
jetzt auch quasikontinuierlich über das Stellorgan ST 5.1 die Energie der Wärmepumpe
zugeführt. Es passiert dann folgendes: Die ca. 3/4 des Fiillgewichtes C 318-Flüssigkeit
werden entlang B 2.1 - B 3 verdampft zu Sattdampf; zusammen mit den ca. 1/4 des
Füllgewichtes des vorhandenen Sattdampfes ergibt das 4/4 des Füllgewichtes von Sattdampf
vom Zustand 450 c, 6 bar, welcher bei weiterer Wärmezufuhr zu Sattdampf von 1000
C und 22 bar wird (entlang B 3 - B 3.1) Im Überhitzer Ü 2.1 wird der Kältemittelsattdampf
dann durch Öffnen dös Stellorgans ST 7.1 entlang B 3.1 - B 4 überhitzt. Der überhitzte
Kältemittelsattdampf wird dann auch gestuft an die Arbeitsmaschinen T 2.1 -T 2.4
gesteuert über die Stellorgane ST 8.1 - 8.16 abgegeben.
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Dabei ist die Zahl der Wärmetauscher mit Überhitzern so zu staffeln,
daß trotz Einzelapparatur mit einzeln gesehenem diskontinuierlichem Betrieb - durch
die Vielzahl der Apparate ein quasikontinuierlicher Betrieb entsteht. Dies wäre
z.B.
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möglich, wenn z.B. 20 Apparate W 2 mit Überhitzern parallel geschaltet
und entsprechende Turbinen angeschlossen würden, wobei z.B. die erste Turbine mit
21 bar im Mittel (22 - 20 bar), die zweite Turbine z.B. im Mittel mit 19 bar (20
- 18 bar)usw.
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beaufschlagt würden. Die Umsteuerung auf die einzelnen Turbinen würde
auch wieder z. B. druckabhängig über einen Prozeßrechner erfolgen, so läßt sich
trotz getaktetem Betrieb ein quasikontinuierlicher Betrieb in Einklang von Zeit
und Stoffströmen erzielten.
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