DE3216826A1

DE3216826A1 - Anordnung zur verbesserten energieausnutzung

Info

Publication number: DE3216826A1
Application number: DE3216826A
Authority: DE
Inventors: Günter 8802 Heilsbronn Körner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-05-05
Filing date: 1982-05-05
Publication date: 1983-11-10

Description

- Or-
-Z -

"Anordnung zur verbesserten Energieausnutzung¹¹

Im Zusammenhang mit dem Anstieg der für unseren Energieverbrauch aufzubringenden Kosten ¹UId dem Erkennen der Notwendigkeit, vorhandene Energiequellen optimaler als bisher zu verwerten, ergibt sich die Notwendigkeit, den Nutzeffekt energieumwandelnder und energieverbrauchender Anlagen zu steigern.

Dazu gehört auch die Erhöhung des Wirkungsgrades energieerzeugender dampfkraftbetriebener Anlagen, die sich die Erfindung zum Ziel gesetzt hat.

Dampfkraftmaschinen, welche die Energie des expandierenden Dampfes oder des infolge seiner Entspannung strömenden Dampfes in mechanische Energie umsetzen, erreichen wie andere Maschinen auch durch innere Verluste und aus anderen Gründen keine hundertprozentige Energieumsetzung. Deshalb liegt der Wirkungsgrad moderner Dampfkraftmaschinen im allgemeinen bei 80 - 85 %. Der angestrebten Erhöhung ihres Wirkungsgrades stehen verhältnismäßig hohe Kosten entgegen, die für noch höheren Arbeitsdrücken standhaltende Agggregate und für hinreichend temperaturbeständige Werkstoffe aufzuwenden wären.

JZ. IUUiU

Um die Wirtschaftlichkeit der zum Antrieb von Generatoren und verschiedenen Arbeitsmaschinen eingesetzten Dampfkraftanlagen auf andere Weise zu erhöhen, hat man schon bei Turbinenanlagen für industrielle Zwecke eine Verwendung des Dampfes für Prozeßabläufe oder Heizzwecke vorgesehen, also eine gekoppelte Kraft- und Wärmeversorgung. Bei im oberen Leistungsbereich arbeitenden Industrieturbinen ist durch die Kopplung der Gewinnung kinetischer Energie mit der Erzeugung von Fernwärme für Wohngebiete ihr Einsatz in öffentlichen Heizkraftwerken wirtschaftlich.

Die Erfindung geht einen anderen Weg der verbesserten Energieausnutzung, indem sie die durch den Abdampf bedingten Leistungsverluste durch einen mit Hilfe dieses Abdampfes erzeugten Energiegewinn kompensiert.

Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß eine Dampfkraftmaschine mit wenigstens einer Wärmepumpe derart verbunden ist, daß die Wärmepumpenanlage durch die Dampfkraftmaschine angetrieben und ihr Verdampfungssystem vom Abdampf der Dampfkraftmaschine gespeist wird.

Mit dieser Kopplung von Dampfkraftmaschine und Wärmepumpenanlage erreicht man eine höhere Energieausbeute durch Wiederverwendung des Abdampfes hinter der Turbine, so daß bei gleicher Energieausgangsleistung der Verbrauch an dem jeweiligen Ausgangsstoff zur Energieerzeugung, wie beispielsweise an in Kraftwerken eingesetzten fossilen Brennstoffen, beträchtlich gesenkt werden kann.

Die Anwendung dieses Prinzips erübrigt den bisher in Kraftwerksanlagen nötigen Einsatz von Kühltürraen und hat daneben noch den Vorteil, den Bedarf an Primärenergie im privaten und industriellen Bereich zu verringern.

BAD ORIGINAL

321682G

- Der Wirkungsgrad dampfkraftbetriebener Anlagen kann noch dadurch verbessert werden, wenn, wie erfindungsgemäß weiter vorgesehen, einer Dampfturbine eine Wärmepumpenanlage nachgeschaltet ist, deren Sekundärkreisausgang über einen Wärmetauscher mit dem Druckbehälter der Dampfturbine verbunden und der Antrieb der Wärmepumpenanlage mit der Kraftübertragungsverbindung zwischen der Turbine und des durch sie angetriebenen Aggregats mechanisch gekoppelt ist. Durch diese Wiedereinspeisung mit der Wärmepumpenanlage gewonnener Energie in den Dampfdruckbehälter wird eine weitere Erhöhung der Effektivität der Dampfkraftanlage erreicht.

Der Energiegewinn kann in einer erfindungsgemäßen Anlage durch mehrfache Anwendung des Wärmepumpenprinzips noch wesentlich gesteigert werden. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wärmepumpenanlage aus mehreren Wärmepumpenkreisen mit gemeinsamem mechanischem Antrieb besteht, wobei in den einzelnen Wärmepumpenkreisen unterschiedliche Kältemittel, vorzugsweise in der Weise Verwendung finden, daß die nächstfolgende Wärmepumpe mit einem Kältemittel höherer Temperaturfestigkeit als die jeweils vorhergehende Wärmepumpe betrieben wird.

Selbstverständlich liegt es auch im Sinne der Erfindung, den Wirkungsgrad der Anlage noch dadurch zu erhöhen, daß die Wärmepumpenanlage mit einer zusätzlichen Energiequelle verbunden, beispielsweise durch Solarzellen gespeist wird.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel· der Erfindung wird der Druckbehäiter der Dampfkraftmaschine in den Feuerungsraum einer Heizungsaniage eingebaut, so daß als Heben-

COPY

ι υυ

-Jr-

-G -

produkt bei der Verfeuerung fossiler und anderer Brennstoffe ein Dampfdruckbehälter beheizt wird, der eine mit einer Wärmepumpenanlage verbundene Dampfkraftmaschine betreibt. Auch bei derartigen Anlagen kann der Nutzeffekt durch eine Kombination des Systems mit Solarzellen noch gesteigert werden.

Schließlich liegt es auch noch im Sinne der Erfindung, den Druckbehälter einer Dampfkraftmaschine durch die bei industriellen Prozessen entstehende Abwärme zu beheizen und dadurch zu verhindern, daß diese Prozeßwärme nutzlos entweicht und die Umgebung der betreffenden Industrieanlage außerdem noch in unerwünschter Weise aufheizt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt
■ Fig. 1 das Prinzip der erfindungsgemäßen Kopplung einer Dampfkraftmaschine mit einer Wärmepumpenanlage, Fig. 2 die Anwendung dieses Prinzips in Verbindung mit einer Feuerungsanlage und

Fig. 3 dessen Kombination mit einer Abwärme erzeugenden Fertigungsanlage.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 strömt im Dampfdruckbehälter erzeugter Dampf zur Turbine 2, wo er auf deren Laufschaufeln auftreffend ein Drehmoment erzeugt, das die Welle 3 in Drehung versetzt und den gegebenenfalls über ein Getriebe mit ihr verbundenen Generator 4 antreibt. Gleichzeitig ist diese Turbinenwelle 3, wie die Schemaskizze zeigt, mit einer Wärmepumpenanlage verbunden, und zwar über die mechanischen Verbindungselemente 5, 6 und 7 mit im Ausführungsbeispiel drei aufeinanderfolgenden Wärmepumpen 8, 9 und 10.

BAD ORIGINAL COPY

Gleichzeitig wird der Abdampf der Turbine 2 dem Primärkreis 11 der ersten Wärmepumpe 8 zugeführt und mit diesem Abdampf der darin enthaltene Wärmeträger wie beispielsweise Frigen oder Ammoniak bei niedrigem Druck verdampft. Danach wird der Dampf in dem durch die Welle 5 angetriebenen Kompressor der Wärmepumpe 8 verdichtet, wobei durch die zugeführte mechanische Energie die Temperatur des Dampfes steigt. Nun wird der Dampf mit dem höheren Temperaturniveau dem Sekundärkreis 12 der Wärmepumpe 8 zugeführt und anschließend an den Primärkreis 13 der Wärmepumpe 9 weitergegeben, in der ein Kältemittel zirkuliert, das einer höheren Temperatur standhält, als das im Leitungskreis der Wärmepumpe 8 befindliche, aber schon bei geringerer Temperatur fest wird.

Das im Sekundärkreis 14 der Wärmepumpe 9 nun wiederum gegenüber deren Primärkreis 13 angehobene Temperaturniveau wird durch entsprechende Weiterleitung an den Primärkreis 15 der Wärmepumpe 10 abgegeben, in dem ein gegenüber den Kältemitteln in der vorhergehenden Wärmepurapenkreisen extrem hohen Temperaturen standhaltendes Kältemittel wie beispielsweise Natrium zirkuliert. In dieser letztfolgenden Wärmepumpe 10 erfolgt ihrem Prinzip entsprechend wiederum eine Temperaturanhebung und diese mit dem System aufeinanderfolgender Wärmepumpen erreichte Maximaltemperatur wird dem Sekundärkreis der Wärmepumpe 10 entnommen und dem Wärmetauscher 16 des Dampfdruckbehälters 1 zugeführt und dort als höhere Ausgangstemperatur zur Dampferzeugung genutzt.

Mit dem beschriebenen System zur Wärmetransformation, das aus der Kombination eines Dampfkraftantriebs mit mehreren aufeinanderfolgenden Wärmepumpen besteht, in denen unter-

COPY

-ν-

schiedliche Kältemittel enthalten sind, wird der Einsatz an Primärenergie und infolgedessen der dazu nötige Verbrauch an fossilen und anderen Brennstoffen gesenkt, gleichzeitig aber durch die Sekundärenergie-Ausgangsleistung durch Wiedereinführen von Abfallwärme und die Anhebung von deren Temperaturniveau eine wesentlich bessere Nutzung der Ausgangsenergie im privaten Bereich wie auch in industriellen Anlagen erzielt.

Mit der beschriebenen Weiterleitung und Wiederverwendung des Dampfes hinter der Turbine ergibt sich bei Kraftwerken noch ein zusätzlicher ökonomischer Vorteil dadurch, daß der bisher nötige Einsatz eines KUhlturmes in derartigen Anlagen entfällt.

Ergänzt man die vorstehend beschriebene Anlage noch durch zusätzliches Einspeisen nebenbei gewonnener Energie aus .Solarzellen, so ergibt sich daraus eine abermalige Erhöhung der Ausgangs-Energieleistung.

Das Anwendungsbeispiel nach Fig. 2 sieht die Kombination eines dampfkraftbetriebenen Wärmepumpensystems mit einer Haus-Zentralheizungsanlage vor, und zwar wird der Dampfdruckbehälter 17 in den Feuerungsraum 18 einer Heizungsanlage 19 eingebaut und die im Heizkessel erzeugte Verbrennungswärme zur Dampfgewinnung genutzt, einem Dampfkraftantrieb 20 zugeführt, der über eine mechanische Verbindung eine Wärmepumpenanlage 22 antreibt, deren Primärkreis 23 mit Abdampf gespeist, im Sekundärkreis 24 auf eine höhere Temperatur gebracht und gegebenenfalls nach dem in Fig. 1 beschriebenen System aufeinanderfolgender Wärmepumpen schrittweise auf ein höheres Temperaturniveau überführt wird, so daß auch hier durch Wiederverwendung von Abdampf

BAD ORIGINAL

und dessen Wärmetransformation Energie gewonnen und damit die Menge an benötigtem Ausgangsbrennstoff reduziert werden kann.

Fig. 3 zeigt schließlich ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prinzips anhand der Energie-Rückgewinnung im Zusammenhang mit der Verwertung der in verschiedenen Industriezweigen anfallenden Prozeßwärme, die bisher im wesentlichen ungenutzt in die Umgebung entwich und dort auch noch die negative Auswirkung hatte, die- Arbeitskräfte durch hohe Raumtemperaturen zu belasten.

Diese unter anderem in mit geschmolzenem Glas arbeitenden Anlagen und in Metallgießereien anfallende beträchtliche Abwärmemenge soll gemäß dem in Fig. 3 dargestellten AusfUhrungsbeispiel der Erfindung in der Weise genutzt werden, daß der Druckbehälter 25 einer Dampfkraftanlage 26 derart angeordnet - wird, daß er einen möglichst großen Anteil der Wärme aufnimmt, die beim Abkühlen des geschmolzenen Materials 27 frei wird. Dabei sorgt die Dampfkraftanlage 26 über das Verbindungselement 28 für den mechanischen Antrieb der Wärmepumpe 29, deren Primärkreis 30 Abdampf zugeführt und beispielsweise zur Beheizung von Räumen in anderen Gebäuden verwendet oder analog zu der in Fig. 1 beschriebenen Anordnung in mechanische Energie umwandelt wird.

In der schematischen Darstellung von Fig. 3 bezeichnet 31 den Sekundärkreis der Wärmepumpe 29, 32 den dampfkraftbetriebenen Generator und mit Ziffer 33 ist bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung der Dampfauslaß des Primärkreises der ersten Wärmepumpen des jeweiligen Systems gekennzeichnet.

O L ι υο ζ. υ

- fr -

Neben der dadurch erzielten Wiederverwendung von Abwärme
wird mit Hilfe der Wärmepumpe auch die Umgebungstemperatur der industriellen Anlage durch Absorber auf ein erträgliches Maß reduziert.

Die beschriebene Kombination aus Dampfkraftantrieb und
Wärmepumpensystem kann natürlich auch in anderen Wärme als Nebenprodukt erzeugenden Anlagen nutzbringend und energiesparend eingesetzt werden.

BAD ORIGINAL COPY

Leerseite

copy

Claims

Patentansprüche

/ 1.yAnordnung zur Erhöhung des Wirkungsgrades energieerzeugender dampfkraftbetriebener Anlagen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dampfkraftmaschine (2,20,26) mit wenigstens einer Wärmepumpe (8,9,10,22,29) derart verbunden ist, daß die Wärmepumpenanlage durch die Dampfkraftmaschine (2,20,26) angetrieben und ihr Verdampfungssystem vom Abdampf der Dampfkraftmaschine (2,20,26) gespeist wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer Dampfturbine eine Wärmepumpenanlage nachgeschaltet ist, deren Sekundärkreisausgang über einen Wärmetauscher

(16) mit dem Druckbehälter (1,17,25) der Dampfturbine (2,20,26) verbunden ist und daß der Antrieb der Wärmepumpenanlage (8,9,10,22,29) mit der Kraftübertragungsverbindung (3) zwischen der Turbine (2,20,26) und des durch sie angetriebenen Aggregats (4,32) mechanisch gekoppelt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpenanlage (8,9,10,22,29) aus mehreren Wärmepumpenkreisen (11,12,13,14,15,23,24,30,31) mit gemeinsamem mechanischem Antrieb besteht.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung unterschiedlicher Kältemittel in den einzelnen Wärmepumpenkreisen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die nächstfolgende Wärmepumpe mit einem Kältemittel höherer Temperaturfestigkeit als die jeweils vorhergehende Wärmepumpe betrieben wird.

vJ L·. I \J <-/ ι— v/
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet _t daß die Wärmepumpenanlage (8,9,10,22,29) mit einer zusätzlichen Energiequelle verbunden ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet _t daß der Dampfkraftmaschine (2,20,26) mehrere Wärmepumpen (8,9,10,22,29) nachgeschaltet sind, deren letzte mit ihrem Sekundärkreis über einen Wärmetauscher (16) mit dem Druckbehälter (1) der Dampfkraftmaschine verbunden ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (14) der Dampfkraftmaschine (20) in den Feuerungsraum (18) einer Heizungsanlage eingebaut ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpenanlage (8,9,10,22,29) zusätzlich durch Solarzellen gespeist wird.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (25) der Dampfkraftmaschine (26) durch die bei industriellen Prozessen entstehende Abwärme beheizt wird.

BAD ORIGINAL