DE102008038351A1

DE102008038351A1 - Kraftwerk mit Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102008038351A1
Application number: DE200810038351
Authority: DE
Inventors: Siegfried Kohne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: DE102008038351B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftwerk, mit einem Kessel zur Verdampfung eines flüssigen Mediums und mit einem dem Kessel nachgeschalteten, allgemein als Motor bezeichneten, dampfgetriebenen Aggregat, wie einer Turbine, einem Dampfmotor oder einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, und mit einem Wärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie aus dem den Motor verlassenden Medium auf das zum Kessel strömende Medium und mit einer Speisepumpe, welche das flüssige Medium durch den Wärmetauscher und zum Kessel fördert, wobei eine von einem Wärmeträger durchströmte Wärmepumpenanordnung vorgesehen ist, wobei das von dem Motor zur Speisepumpe strömende Medium Wärme an den Wärmeträger abgibt und mit einer Temperatur von höchstens 50°C in die Speisepumpe einströmt und wobei zwischen Speisepumpe und Kessel der Wärmeträger Wärme an das Medium zurückgibt.

Description

Die Erfindung betrifft den Betrieb eines Kraftwerks.
Aus der Praxis ist es bekannt, ein flüssiges Medium – üblicherweise Wasser – in einem Kessel zu erhitzen, den Wasserdampf zum Antrieb eines elektrischen Generators zu verwenden, den entspannten Dampf anschließend herunterzukühlen und das heruntergekühlte Wasser anschließend mittels einer so genannten Speisepumpe wieder zum Kessel zu fördern, in dem es erneut erhitzt und verdampft wird. Der Generator ist dabei mittels einer Dampfturbine angetrieben. Statt ausschließlich elektrische Energie mittels eines Generators zu erzeugen kann es vorgesehen sein, die Dampfturbine als Antrieb einer Maschine zu verwenden oder ein anderes Aggregat als eine Dampfturbine von dem Dampf antreiben zu lassen, beispielsweise einen Dampfmotor. Nachfolgend wird daher verallgemeinernd von einem Motor gesprochen, was stellvertretend für die verschiedenartigen vom Dampf angetriebenen Aggregate steht.
Für den Betrieb der Speisepumpe sind vorgegebene Temperaturen des Wassers einzuhalten. Beispielsweise ist es aus der Praxis bekannt, dass das Wasser eine Temperatur von etwa 40 bis 50° Celsius nicht überschreiten soll, wenn es in die Speisepumpe eintritt.
Um den entspannten Dampf einerseits herunterzukühlen und andererseits das kühle Wasser, bevor es in den Kessel eintritt, vorzuwärmen, also um den Wärmeinhalt des zunächst erzeugten Dampfes stromabwärts vom Motor möglichst beizubehalten und Energieverluste zu vermeiden, ist es bekannt, den ent spannten Dampf durch einen Wärmetauscher zu führen, so dass innerhalb dieses Wärmetauschers der entspannte Dampf Wärmeenergie an das vergleichsweise kühle Wasser abgeben kann, bevor dieses in den Kessel gelangt.
Dennoch ist es aus der Praxis bekannt, dass die Kühlwirkung allein durch den Wärmetauscher nicht ausreicht, um den entspannten Dampf auf die pumpentaugliche Temperatur herunterzukühlen. Aus diesem Grunde verfügen die Kraftwerke über große Kühltürme, in denen durch Verdunstung der überschüssige Wärmeinhalt dem zur Speisepumpe strömenden Wasser entzogen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Kraftwerk dahingehend zu verbessern, dass das Medium innerhalb des Kraftwerks mit möglichst geringen thermischen Verlusten geführt werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein dementsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 4 gelöst.
Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, dass aus dem Motor zur Speisepumpe zurückströmende Medium mittels einer Wärmepumpe abzukühlen. Auf diese Weise kann die Temperatur des Mediums so weit abgesenkt werden, dass eine zusätzliche, Verlust behaftete Verdunstungskühlung erheblich reduziert werden kann oder sogar vollständig überflüssig wird. Weiterhin kann in an sich bekannter Weise durch Reihenschaltung zweier Wärmetauscher im Rahmen dieser Wärmepumpe eine Erhöhung der von der Wärmepumpe erzielbaren Temperatur des in der Wärmepumpe verwendeten Wärmeträgers ermöglicht werden, wie dies beispielsweise aus der DE 10 2006 054 046 B3 bekannt ist. Es können also Temperaturen von ca. 80°C im Rahmen der Vorwärmung erzielt werden.
Während es an sich bekannt ist, Wärmepumpen zum Betrieb von Heizungen zu verwenden, wird vorschlagsgemäß die Wärmepumpe im Rahmen eines Kraftwerks verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der rein schematischen Darstellung nachfolgend näher erläutert, wobei die nachfolgend erwähnten technischen Rahmenbedingungen, beispielsweise Temperatur- und Druckwerte, keinesfalls einen beschränkenden, sondern vielmehr lediglich einen beispielhaft illustrativen Charakter haben.
In der Zeichnung sind einige, für den vorliegenden Vorschlag relevante, Komponenten eines Kraftwerks rein beispielhaft und in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Am unteren Bildrand ist eine Speisepumpe mit 1 angedeutet. Diese pumpt ein flüssiges Medium zu einem Kessel 2, wo das Medium erhitzt wird. Beispielsweise kann insbesondere Wasser als ein solches Medium verwendet werden, wobei den rein beispielhaften Temperatur- und Druckangaben die Verwendung von Wasser als Medium zugrunde liegt. Der im Kessel 2 erzeugte Wasserdampf dient zum Antrieb eines Motors 3, der als Turbine bzw. Dampfmotor ausgestaltet sein kann und beispielsweise einen Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms antreiben kann. Der entspannte Dampf gelangt aus dem Motor 3 wieder zurück zur Speisepumpe 1.
Das Medium wird zwischen der Speisepumpe 1 und dem Kessel 2 als „kaltes” Medium bezeichnet, welches in diesem Abschnitt seines Kreislaufs zunehmens erwärmt wird, während das Medium zwischen dem Kessel 2 und der Speisepumpe 1 als „heißes” Medium bezeichnet wird, welches in diesem Abschnitt seines Kreislaufs zunehmens abgekühlt wird.
Die Speisepumpe 1 arbeitet vorzugsweise mit Wasser einer Temperatur von nicht mehr als 40 oder 50° Celsius. Dieses Wasser verlässt unter einem Druck von etwa 25 bar die Speisepumpe 1. Im Kessel wird das Wasser zu Wasserdampf mit einem Druck von 25 bar und einer Temperatur von 250° Celsius erhitzt. Der entspannte Wasserdampf hinter dem Motor 3 weist eine Temperatur von 110° Celsius und einen Druck von 0,5 bar auf.
Um die Temperatur des Mediums stromabwärts vom Motor 3 auf die für die Speisepumpe 1 erforderliche Temperatur abzusenken, ist zunächst ein Wärmetauscher 4 vorgesehen, der einerseits dem vom Motor 3 zurückströmenden Medium Wärme entzieht und andererseits das in den Kessel 2 einströmende Medium von 110°C auf eine Temperatur von etwa 95°C bringt. Während das „kalte” Medium, zum Kessel 2 fließend, sich also erwärmt hat, weist das „heiße”, aus dem Motor 3 und durch den Wärmetauscher 4 geströmte Medium stromabwärts vom Wärmetauscher 4 daher immer noch eine für die Speisepumpe 1 unzulässig hohe Temperatur auf, nämlich etwa 95°C.
Vorschlagsgemäß ist eine Wärmepumpenanordnung 6 vorgesehen, um den Wärmetransport vom „heißen” zum „kalten” Medium unter Umgehung der Speisepumpe 1 zu ermöglichen. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel ist die Wärmepumpenanordnung 6 zusätzlich zu dem Wärmetauscher 4 vorgesehen. Die Wärmepumpenanordnung 6 entspricht im wesentlichen der aus der DE 10 2006 054 046 B3 bekannten Anlage mit zwei in Reihe hintereinandergeschalteten Wärmetauschern und zwei Warmwasserkreisläufen.
In Strömungsrichtung zwischen dem Wärmetauscher 4 und der Speisepumpe 1 ist ein Kondensator 5 vorgesehen, welcher dem Erdboden bei der Anlage nach DE 10 2006 054 046 B3 entspricht. Ähnlich wie sich nach der DE 10 2006 054 046 B3 die Wendeln von Erdwärmekollektoren in das Erdreich erstrecken, wird das Wärmeträgermedium vorschlagsgemäß durch Leitungsabschnitte geführt, die eine Übertragung der Wärme von dem „heißen” Medium des Kraftwerks auf das Wärmeträgermedium der Wärmepumpenanordnung 6 ermöglichen. Beispielsweise kann als Kondensator 5 ein Behälter vorgesehen sein, in dem das zur Speisepumpe 1 zurückströmende „heiße” Medium vorliegt, und in welchen Rohrleitungen, Plattenwärmetauscher oder dergleichen ragen, die von dem Wärmeträgermedium durchströmt sind.
Die Wärmepumpenanordnung 6 umfasst weiterhin einen so genannten Vorwärmen 7, welcher dem Warmwasserspeicher der Anlage nach DE 10 2006 054 046 B3 entspricht. Der Vorwärmer 7 kann als Behälter ausgestaltet sein, in welchem sich die beiden Wärmetauscher der Wärmepumpenanordnung 6 befinden oder an den sie zumindest angeschlossen sind. Während der Kondensator 5 dazu dient, das „heiße” Medium auf die gewünschte Eintrittstemperatur der Speisepumpe 1 herunterzukühlen, wird das aus der Speisepumpe 1 austretende „kalte” Medium mittels des Vorwärmers 7 auf eine Temperatur von etwa 80° Celsius vorgewähnt, so dass es anschließend mittels des Wärmetauschers 4 beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 95° Celsius weiter erwärmt werden kann, bevor es in den Kessel 2 eintritt.
Während die Wärmepumpenanordnung 6 nach DE 10 2006 054 046 B3 zur Verwendung in einer Heizungsanlage vorgesehen ist, werden der dort vorgesehene Warmwasserspeicher und der dort vorgesehene Erdboden bei einem vorschlagsgemäßen Kraftwerk durch den Vorwärmer 7 und den Kondensator 5 ersetzt, durch welche jeweils vergleichsweise große Mengen an Medium pro Zeiteinheit strömen. Um eine ausreichend intensive Wärmeübertragung zur Wärmepumpenanordnung 6 zu ermöglichen, können der Vorwärmer 7 und der Kondensator 5 vorteilhaft vergleichsweise groß dimensioniert sein, um auf diese Weise eine ausreichend lange Verweilzeit des Mediums in dem je weiligen Behälter und damit die gewünscht intensive Wärmeübertragung zwischen dem Medium und dem Wärmeträgermedium zu ermöglichen.
Dementsprechend kann ein vorschlagsgemäß ausgestaltetes Kraftwerk insbesondere vorteilhaft als vergleichsweise kleines Kraftwerk ausgeführt sein, mit einem dementsprechend geringen Fluidstrom des Mediums. Beispielsweise kann ein vorschlagsgemäß ausgestaltetes Kraftwerk dazu dienen, einzelne Gebäude oder Anwesen mit elektrischer Energie zu versorgen oder sie nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung mit elektrischer und Heiz-Energie zu versorgen.
Falls die Temperatur des „heißen” Mediums stromabwärts vom Kondensator 5 immer noch unzulässig hoch sein sollte, kann dem Medium zusätzlich Wärme entzogen werden, indem dieses teilweise verdunstet und der entsprechende Anteil durch kühles Frischwasser ersetzt wird. Eine dementsprechende Verdunstungsleitung ist mit 8 angedeutet: Durch diese Verdunstungsleitung wird Wasser stromabwärts vom Wärmetauscher 4 zu einem Verdunstungskühler geführt. Bei einem vorschlagsgemäß optimierten Betrieb des Kraftwerks kann der Anteil des über die Verdunstungsleitung abgeführten Mediums stark reduziert und möglichst bis auf Null reduziert werden, so dass ein ökologisch und ökonomisch besonders vorteilhafter Betrieb des Kraftwerks ermöglicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006054046 B3 [0008, 0015, 0016, 0016, 0017, 0018]

Claims

Kraftwerk, mit einem Kessel zur Verdampfung eines flüssigen Mediums, und mit einem dem Kessel nachgeschalteten, allgemein als Motor bezeichneten, dampfgetriebenen Aggregat, wie einer Turbine, einem Dampfmotor oder einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, und mit einem Wärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie aus dem den Motor verlassenden Medium auf das zum Kessel strömende Medium, und mit einer Speisepumpe, welche das flüssige Medium durch den Wärmetauscher und zum Kessel fördert, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einem Wärmeträger durchströmte Wärmepumpenanordnung (6) vorgesehen ist, wobei das von dem Motor (3) zur Speisepumpe (1) strömende Medium Wärme an den Wärmeträger abgibt und mit einer Temperatur von höchstens 50°C in die Speisepumpe (1) einströmt, und wobei zwischen Speisepumpe (1) und Kessel (2) der Wärmeträger Wärme an das Medium zurückgibt.
Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenanordnung (6) zwei in Reihe hintereinander geschaltete Wärmetauscher aufweist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Wärmetauscher (4) vorgesehen ist, der einerseits von dem Medium durchströmt ist, welches von dem Motor (3) zu der Wärmepumpenanordnung (6) strömt, und der andererseits von dem Medium durchströmt ist, welches von der Wärmepumpenanordnung (6) zu dem Kessel (2) strömt.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks, wobei ein Flüssiges Medium mittel einer Speisepumpe zu einem Kessel gefördert wird, in dem Kessel erhitzt wird und als Dampf einen Motor antreibt, und wobei das aus dem Motor gelangende Medium auf eine für den Betrieb der Speisepumpe erforderlichen Temperatur abgekühlt und stromabwärts von der Speisepumpe vor Eintritt in den Kessel vorgewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium mittels einer Wärmepumpenanordnung (6) vor der Speisepumpe (1) abgekühlt und hinter der Speisepumpe (1) vorgewärmt wird.
Verwendung einer Wärmepumpenanordnung (6) zum Betreiben eines einen Motor (3) antreibenden Kraftwerks, nämlich um ein zum Betrieb des Motors (3) verwendetes Medium stromabwärts von dem Motor (3) abzukühlen, bevor es eine Speisepumpe (1) erreicht, und um das von der Speisepumpe (1) geförderte flüssige Medium stromaufwärts vor einem Kessel (2) vorzuwärmen, in welchem es auf die für den Antrieb des Motors (3) erforderliche Temperatur erhitzt wird.