DE2904232A1

DE2904232A1 - Verfahren und anlage zur verbesserung des wirkungsgrades von kraftwerken

Info

Publication number: DE2904232A1
Application number: DE19792904232
Authority: DE
Inventors: Hans Michael Dipl Ing Woerwag
Original assignee: Woerwag hans Michael dipl-Ing
Current assignee: Woerwag hans Michael dipl-Ing
Priority date: 1979-02-05
Filing date: 1979-02-05
Publication date: 1980-12-18

Description

Verfahren und Anlage zur Verbesserung des Wirkungsgrades
von Kraftwerken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Kraftwerken, bei denen ein Arbeitsprozess zwischen einem oberen und einem unteren Temperaturniveau stattfindet, mit einem unter Energiezufuhr auf das obere Temperaturniveau erhitzten Arbeitsmittel, welches unter Leistung mechanischer Arbeit entspannt und auf das zweite Temperaturniveau abgekühlt wird.
Ublicherweise arbeiten Kraftwerke mit Wasser und Dampf als Arbeitsmittel. Sie enthalten einen Dampferzeuger, eine von dem Dampf des Dampferzeugers beaufschlagte Kraftmaschine, einen Kondensator, in welchem der aus der Kraftmaschine austretende Dampf durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel kondensiert wird, und eine Kondensatpumpe, welche das Kondensat wieder dem Dampferzeuger zuführt.
Bei üblichen Kraftwerken wird als Kühlmittel für den Kondensator beispielsweise Flußwasser verwandt. Dieses Flußwasser wird bei der Kondensation des Dampfes erwärmt, und das erwärmte Flußwasser wird in den Fluß zurückgeleitet.
Die Temperatur des Kühlmittels im Kondensator hat einen wesentlichen Einfluß auf den Wirkungsgrad des Kraftwerks. Bei anderen Kraftwerken erfolgt die Kondensation des Dampfes mittels eines Kühlturms, wobei die Wärme an die Luft abgegeben wird.
Die Temperaturen von Flußwasser oder Luft sind in heißen Zonen relativ hoch, was den Wirkungsgrad von Kraftwerken in diesen Gebieten beeinträchtigt.
Bei der Verwendung von Kühlwasser aus Flüssen oder Seen ergeben sich Einschränkungen hinsichtlich des Standortes des Kraftwerks. Durch die Einleitung des erwärmten Kühlwassers wieder in die Flüsse oder Seen werden diese in unerwünschter Weise bis an oder über die biologisch zulässige Grenze erwärmt. Das kann insbesondere eintreten, wenn an einem Fluß mehrere Kraftwerke errichtet werden. Durch diese aus ökologischen Gründen unerwünschte Erwärmung von Flüssen oder Seen oder die ebenso unerwünschte Klimaveränderung durch Kühltürme geht außerdem ein großer Teil, nämlich etwa ein Drittel, der dem Kraftwerk durch den Brennstoff zugeführten Wärme verloren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftwerk so auszubilden, daß es unabhängig oder weitgehend unabhängig von äußeren Kühlmitteln wird, wodurch es wesentlich umweltfreundlicher wird, ferner den Betrieb in wasserarmen und heißen Gegenden zu ermöglichen und den Wirkungsgrad des Kraftwerks zu erhöhen.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Arbeitsprozess ein Kälteprozess durchgeführt wird, bei welchem (a) die Leistung zum Betrieb des Kälteprozesses von dem Arbeitsprozess geliefert wird, (b) die Kälteleistung des Kälteprozesses zur Senkung des zweiten Temperaturniveaus dem entspannten Arbeitsmittel entzogen wird und (c) die Wärmeleistung des Kälteprozesses als Teil der besagten Energiezufuhr dem zu erhitzenden Arbeitsmittel zugeführt wird.
Nach der Erfindung wird somit an den Arbeitsmittelkreis (im Normalfall Wasser oder Wasserdampf) ein Kältemittelkreislauf in entgegengesetzter Richtung angekoppelt. Das geschieht bei einem üblichen Kraftwerk in der Weise, daß der Verdampfer des Kältemittelkreislaufs in Form eines Wärmetauschers zugleich den Kondensator des Arbeitsmittelkreislauf bildet. Der Verflüssiger des Kältemittelkreislaufs ist dabei ebenfalls als Wärmetauscher ausgebildet und erwärmt das Speisewasser des Dampferzeugers. Es sind dabei keine äußeren Kühlmittel erforderlich. Da die Temperatur des Kältemittel im Kondensator unabhängig von der Außentemperatur sehr stark gesenkt werden kann, ergibt sich ein günstiger Wirkungsgrad der Kraftmaschine. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads wird dadurch erreicht, daß der Kältekreislauf als Wärmepumpe wirkt und die sonst mit dem Kühlwasser verlorengehende Abwärme wieder zum Vorwärmen des Speisewassers ausgenutzt werden kann.
Anlagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt ein Schema eines nach der Erfindung ausgebildeten Kraftwerks.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Kraftwerks mit einem mehrstufigen Kältemittelkreislauf.
Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung.
Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei welcher der Kältemitttelkreislauf nach dem Absorberprinzip arbeitet.
Mit 10 ist ein Dampferzeuger, z.B. ein Kessel bezeichnet, dem vom Brennstoff eine Wärmemenge B zugeführt wird. Der Dampferzeuger gibt Dampf auf eine Kraftmaschine 12 in Form einer Turbine. Der aus der Kraftmaschine 12 austretende Dampf gelangt in einen Kondensator 14, wo er durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel kondensiert wird. Das Kondensat wird durch eine Kondensatpumpe 16 wieder dem Dampferzeuger 10 zugeführt. Das wäre der normale Arbeitsmittelkreislauf.
Nach der Erfindung ist ein Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines Kälteprozesses vorgesehen. Dieser enthält einen mit der Kraftmaschine 12 in Antriebsverbindung stehenden Verdichter 18 für ein verdampftes Kältemittel. Im Arbeitsmittelkreislauf ist zwischen Kondensatpumpe 16 und Dampferzeuger 10 ein Wärmetauscher 20 angeordnet. Dieser Wärmetauscher ist von dem verdichteten und erhitzten Kältemittel durchflossen, wie durch die Rohrschlange 22 angedeutet ist. Das verdichtete und erhitzte Kältemittel wird dadurch abgekühlt und auf diese Weise verflüssigt. Durch diesen Abkühlvorgang wird wiederum das dem Dampferzeuger 10 zugeführten Kondensator vorgewärmt.
Das abgekühlte und verflüssigte Kältemittel wird über Entspannungsmittel, die in Fig. 1 von einer Drossel 24 gebildet sind, unter weiterer Abkühlung gedrosselt entspannt und als Kühlmittel dem Kondensator 14 zugeführt, wie durch die Rohrschlange 26 angedeutet ist. In dem Kondensator 14 wird das Kältemittel unter Kondensation des Dampfes im Arbeitsmittelkreislauf verdampft und dem Verdichter 18 zugeführt. Mit der Kraftmaschine 12 und dem Verdichter 18 ist ein Generator 28 gekuppelt. Dieser liefert die elektrische Ausgangsleistung des Kraftwerks.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.
Der Arbeitsmittelkreislauf enthält bei der Ausführungsform nach Fig. 2 außer dem ersten Wärmetauscher 20 einen zweiten Wärmetauscher 30 als Vorwärmer zwischen Kondensatpumpe 16 und (nicht dargestelltem) Dampferzeuger. Mit der Kraftmaschine ist außer dem ersten Verdichter 18 ein zweiter Verdichter 32 gekuppelt. Beide Verdichter 18 und 32 saugen parallel das im Kondensator 14 verdampfte Kältemittel an und verdichten es. Das von dem ersten Verdichter 18 verdichtete und erhitzte Kältemittel wird in einem ersten Kältemittelkreislauf, der dem Kältemittelkreislauf von Fig. 1 entspricht, auf den ersten Wärmetauscher 20 und über Entspannungsmittel 24 auf den Kondensator 14 geschaltet. Das von dem zweiten Verdichter 32 verdichtete und erhitzte Kältemittel wird in einem zweiten Kältemittelkreislauf auf den zweiten Wärmetauscher 30 geschaltet, wie durch die Rohrschlange 34 angedeutet ist, und über Entspannungsmittel in Form einer Drossel 36 auf den ersten Kältemittelkreislauf stromauf von dem ersten Wärmetauscher 20 gegeben.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann statt der Drossel 24 oder 36 jeweils ein Expansionsmotor 38 vorgesehen sein, welcher gleichzeitig mit der Kondensatpumpe 16 gekuppelt ist und deren Antriebsmotor 40 unterstützt.
Es ist auch möglich, nicht die gesamte Kondensationswärme im Kondensator 14 über den Kältemittelkreislauf abzuführen sondern zusätzlich eine Kühlung z.B. durch Flußwasser vorzusehen.
Andererseits kann der Kältemittelkreislauf benutzt werden, um nicht nur Wärme aus dem Kondensator 14 abzuführen sondern gleichzeitig auch das Rauchgas zu kühlen und die über das Rauchgas abgegebenen Wärmemengen zurückzugewinnen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4, ist der Arbeitsmittelkreis so ausgebildet in Fig. 1. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie dort.
Der Kältemittelkreis enthält einen Austreiber 42 in Wärmeaustausch mit von dem Arbeitsmittelstrom vor der Turbine 12 abgezweigten und erhitztem Arbeitsmittel (Dampf) zum Austreiben des Kältemittels aus einer Lösung. Das erhitzte Arbeitsmittel wird z.B. über Leitung 44, eine Rohrschlange 46 und Leitung 46 geleitet.
Es ist in dem Kältemittelkreis weiterhin ein als Verflüssiger wirkender, von dem ausgetriebenen und erhitzten Kältemittel über Rohr schlange 22 sowie von dem zu erhitzenden Arbeitsmittel durchflossenen erster Wärmetauscher 20 (ähnlich Wärmetauscher 20 in Fig. 1 vorgesehen, der wieder eine Vorwärmung des zu erhitzenden Arbeitsmittels, d.h. des Kondensats, durch das Kältemittel unter Abkühlung und Verflüssigung des letzteren bewirkt. Anschließend wird das Kältemittel über Enspannungsmittel 24 unter weiterer Abkühlung gedros selt entspannt. Das so entspannte Kältemittel gelangt in einem als Verdampfer wirkenden zweiten Wärmetauscher, der von dem Kondensator 14 des Arbeitsmittelkreises gebildet ist, in Wärmeaustausch mit dem durch die Turbine 12 entspannten Arbeitsmittel. Unter Verdampfung des Kältemittels wird dabei dem Arbeitsmittel Wärme entzogen. Der Kältemittelkreislauf enthält weiterhin einen mit der Rohr schlange 26 des Kondensators 14 in Verbindung stehenden Absorber 44, welchem über eine Drossel 46 das Lösungsmittel vom Austreiber 42 nach dem Austreiben zugeführt wird. Hierdurch löst sich das verdampfte Kältemittel wieder in dem Lösungsmittel. Die so erhaltene Lösung wird dann durch geeignete Mittel, z.B. eine Pumpe 48 wieder zum Austreiber 42 gefördert.
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Claims

Patentansprüche Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Kraftwerken, bei denen ein Arbeitsprozess zwischen einem oberen und einem unteren Temperaturniveau stattfindet, mit einem unter Energiezufuhr auf das obere Temperaturniveau erhitzten Arbeitsmittel, welches unter Leistung mechanischer Arbeit entspannt und auf das zweite Temperaturniveau abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Arbeitsprozess ein Kälteprozess durchgeführt wird, bei welchem (a) die Leistung zum Betrieb des Kälteprozesses von dem Arbeitsprozess geliefert wird, (b) die Kälteleistung des Kälteprozesses zur Senkung des zweiten Temperaturniveaus dem entspannten Arbeitsmittel entzogen wird und (c) die Wärmeleistung des Kälteprozesses als Teil der besagten Energiezufuhr dem zu erhitztenden Arbeitsmittel zugeführt wird.
2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Kälteprozesses ein nach dem Kompressorprinzip arbeitender Kältemittelkreislauf vorgesehen ist, der folgende Bauteile enthält: (a) einen von dem Arbeitsmittelkreis betriebenen Verdichter (18) für ein verdampftes Kältemittel, (b) einen von dem verdichteten und erhitzten Kältemittel sowie dem zu erhitzenden Arbeitsmittel durchflossenen ersten Wärmetauscher (20), der eine Vorwärmung des zu erhitzenden Arbeitsmittels durch das erhitzte Kältemittel unter Abkühlung und Verflüssigung des letzteren bewirkt, (c) Entspannungsmittel (24), über welche das Kältemittel unter weiterer Abkühlung gedrosselt entspannt wird, und (d) einen zweiten Wärmetauscher (14), in welchem das so entspannte Kältemittel in Wärmeaustausch mit dem entspannten Arbeitsmittel steht und unter Verdampfung des Kältemittels dem Arbeitsmittel Wärme entzogen wird.
3. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (18) ein mechanischer Verdichter ist, welcher mit einer im Arbeitsmittelkreis angeordneten Kraftmaschine in Antriebsverbindung steht.
4. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter ein Strahlenverdichter ist, der mit erhitztem Arbeitsmittel betrieben wird.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher der Arbeitsmittelkreis in einem geschlossenen Kreislauf einen Dampferzeuger, eine von dem Dampf des Dampferzeugers beaufschlagte Kraftmaschine, einen Kondensator, in welchem der aus der Kraftmaschine austretende Dampf durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel kondensiert wird, und eine Kondensatpumpe enthält, welche das Kondensat wieder dem Dampferzeuger zugeführt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmetauscher im Arbeitsmittelkreis zwischen Kondensatorpumpe (16) und Dampferzeuger (10) angeordnet ist und daß der zweite Wärmetauscher von dem Kondensator (14) des Arbeitsmittelkreises gebildet ist.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmittel von einem Expansionsmotor (38) gebildet sind, welcher mit der Kondensatpumpe (16) gekuppelt ist.
7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmittelkreis zwei oder mehr Wärmetauscher (30,30) als Vorwärmer zwischen Kondensatpumpe (16) und Dampferzeuger (10) enthält, daß mit der Kraftmaschine zwei oder mehr Verdichter (18,32) gekuppelt sind, die parallel das im Kondensator verdampfte Kältemittel ansaugen und verdichten, daß das von dem ersten Verdichter (18) verdichtete und erhitzte Kältemittel in einem ersten Kältemittelkreislauf auf den ersten der genannten Wärmetauscher (20) und über Entspannungsmittel (24) auf den Kondensator geschaltet ist und daß das von dem zweiten Verdichter (32) verdichtete und erhitzte Kältemittel in einem zweiten Kältemittelkreislauf auf den zweiten der genannten Wärmetauscher (30) und über Entspannungsmittel (36) auf den ersten Kältemittelkreislauf stromauf von dem ersten Wärmetauscher (20) geschaltet ist.
8. Anlage zur Durchführung des. Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Kälteprozesses ein nach dem Absorberprinzip arbeitender Kältemittelkreislauf vorgesehen ist, der folgende Bauteile enthält: (a) einen Austreiber in Wärmeaustausch mit erhitztem Arbeitsmittel zum Austreiben des Kältemittels aus einer Lösung, (b) einen als Verflüssiger wirkenden, von dem ausgetriebenen und erhitzten Kältemittel sowie dem zu erhitzenden Arbeitsmittel durchflossenen ersten Wärmetauscher, der eine Vorwärmung des zu erhitzenden Arbeitsmittels durch das Kältemittel unter Abkühlung und Verflüssigung des letzteren bewirkt, (c) Entspannungsmittel, über welche das Kältemittel unter weiterer Abkühlung gedrosselt entspannt wird, (d) einen als Verdampfer wirkender zweiter Wärmeaustauscher, in welchem das so entspannte Kältemittel in Wärmeaustausch mit dem entspannten Arbeitsmittel steht und unter Verdampfung des Kältemittels dem Arbeitsmittel Wärme entzogen wird, (e) einen mit dem Verdampfer in Verbindung stehenden Absorber, welchem das Lösungsmittel nach dem Austreiben des Kältemittels zugeführt wird, so daß sich das verdampfte Kältemittel in dem Lösungsmittel wieder löst, und (f) Mittel zum Fördern der so erhaltenen Lösung zu dem Austreiber.