Verfahren zum Abführen der Abwärme vom Arbeitsmittel einer Wärmekraftanlage und Wärmekraftanlage zur Durchführung des Verfahrens
Im heutigen Kraftwerksbau ist der Trend zu einer Steigerung der Einheitsleistung unverkennbar. Zwangsläufig müssen auch entsprechend grössere Abwärmemengen abgegeben werden. Für solche thermische Kraftwerke werden daher flussnahe Standorte bevorzugt, wobei ein Teil des Flusswassers direkt als Kühlwasser herangezogen werden kann.
Bei grossen Kraftwerken tritt nun die Aufwärmung des gesamten Flusswassers bereits merklich in Erscheinung: Sie kann einige Grad betragen, so dass sich unhaltbare Zustände ergeben würden, wenn mehrere grosse Kraftwerke an demselben Fluss gebaut würden.
Auch von der Seite des Gewässerschutzes erheben sich Bedenken gegen zu stark aufgewärmte Flüsse, so dass bereits gewisse gesetzliche Vorschriften betr. maximal zulässiger Erwärmung bestehen.
Die Verwendung von Kühltürmen bietet zwar die Möglichkeit, grosse Wärmemengen an die Umgebung abzugeben, ohne erwärmtes Kühlwasser in die Gewässer ableiten zu müssen. Eine bekannte Art von Kühltürmen arbeitet mit Verdunstungskühlung, wobei das vom Arbeitsmittel aufgewärmte Kühlwasser durch teilweise Verdunstung rückgekühlt wird. Diesen Kühltürmen haf let aber der Nachteil an, dass das verdunstete Kühlwasser in der Atmosphäre Nebelschwaden bildet, was bei ungünstigen Witterungsverhältnissen z. B. zur Vereisung benachbarter Strassen führen kann. Von diesem Standpunkt aus gesehen sind die bekannten sogenannten Trockenkühltürme vorteilhafter: In ihnen wird kein Wasser verdunstet, sondern lediglich die Abwärme des Krraftwerkes konvektiv an die Luft abgegeben.
Die Luftströmung wird dank der Erwärmung durch den freien Auftrieb induziert. Bei Dampfkraftanlagen, bei denen die gesamte Abwärme bei verhältnismässig niedriger Temperatur anfällt, kann aber die Luft meist nur wenig erwärmt werden, z. B. 10 -15 . Der Zug in diesen Trockenkühltürmen ist dann relativ schwach, so dass sie verhältnismässig gross ausgelegt werden müssen.
Bei Gasturbinenanlagen mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels besteht dagegen diese Beschränkung nicht, da die Abwärme in einem verhältnismässig grossen Temperaturbereich anfällt, so dass die zur Kühlung benützte Luft viel stärker erwärmt werden könnte.
Man hat aber bisher von einer Luftkühlung deshalb abgesehen, weil sich mit der atmosphärischen Luft das Arbeitsmittel vor seiner Wiederverdichtung meist nicht soweit abkühlen lässt, dass im Vergleich zu einer Anlage mit Wasserkühlung keine Einbusse an Wirkungsgrad in Kauf genommen werden müsste.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zum Abführen der Abwärme vom Arbeitsmittel einer Wärmekraftanlage, insbesondere mit geschlossenem Gaskreislauf, bei welcher diese Abwärme in einem verhältnismässig grossen Temperaturbereich anfällt. Gemäss der Erfindung wird dabei die im oberen Teil dieses Temperaturbereiches anfallende Abwärme durch Wärmeübertragung über feste Wände an die Atmosphäre und die im unteren Teil dieses Temperaturbereiches anfallende Abwärme an in die Umgebung abzuleitendes Kühlwasser abgegeben.
Die Erfindung macht sich hierbei den Umstand zunutze, dass das Arbeitsmittel durch atmosphärische Luft wenn nicht ganz, so doch nahezu so tief abgekühlt werden kann, wie es zum Erreichen eines guten Wirkungsgrades der Anlage erwünscht ist. Wenn nun die restliche Kühlung durch Kühlwasser erfolgt, das nachher in die Gewässer abgeleitet wird, so macht die in die Gewässer gelangende Wärme nur einen Bruchteil der gesamten Abwärme aus. Durch die im oberen Teil des Temperaturbereiches abgegebene Wärme lässt sich dagegen die zur Kühlung verwendete atmosphärische Luft verhältnismässig stark aufwärmen. Im Trockenkühlturm entsteht dabei ein starker Zug. Die Luftgeschwindigkeit ist hoch und der Wärmeübergang ist gut, so dass sich mit mässigen Dimensionen des Kühlturms eine beträchtliche Wärme ableiten lässt.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ergibt sich somit der Vorteil, dass sich in einem Kraftwerk ohne Einbusse an Wirkungsgrad eine wesentlich höhere Leistung erzeugen lässt, ohne eine unzulässige Erwärmung der Gewässer zu erhalten, in die das erwärmte Kühlwasser abgeleitet wird.
In Fig. 1 der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, anhand welcher im folgenden auch das Verfahren erläutert wird. Fig. 2 zeigt ferner ein Beispiel für die konstruktive Ausbildung des Wärmeaustauschers für das Abführen der Abwärme vom Arbeitsmittel.
Die in Fig. 1 dargestellte Wärmekraftanlage arbeitet mit geschlossenem Gaskreislauf. In einem Kernreaktor 1 wird verdichtetes Helium auf hohe Temperatur gebracht. Das so erhitzte verdichtete Helium entspannt sodann in einer Turbine 2 auf tieferen Druck, gibt darauf so weit wie möglich in einem Wärmeaustauscher 3 Wärme an das verdichtete Helium ab, bevor das letztere in den Reaktor 1 gelangt, und durchströmt schliesslich zur Abgabe von Abwärme einen aus zwei Teilen 4' und 4" bestehende Wärmeaustauscher 4. Nach Abkühlung im Wärmeaustauscher 4 gelangt das entspannte Helium in die erste Stufe 5 eines aus zwei in Reihe geschalteten Stufen 5' und 5" bestehenden, von der Turbine 2 angetriebenen Verdichters 5.
Bevor das die erste Verdichterstufe 5' verlassende Helium in die zweite Verdichterstufe 5" gelangt, erfährt es eine Zwischenkühlung in einem aus zwei Teilen 6' und 6" bestehenden Wärmeaustauscher 6, in welchem es weitere Abwärme abgibt.
Nach Verlassen der Verdichterstufe 5" ist das Helium so weit verdichtet, dass es wieder mit dem ursprünglichen Druck durch den Wärmeaustauscher 3 und den Reaktor 1 strömt, wobei der Kreislauf sich schliesst.
Die Nutzleistung wird an einen elektrischen Stromerzeuger 7 abgegeben.
Das vom Wärmeaustauscher 3 kommende, entspannte Helium gelangt z. B. mit einer Temperatur von 1100 C in den Wärmeaustauscher 4 und soll darin beispielsweise auf 300 C abgekühlt werden. Die Abwärme fällt also, beispielsweise im Vergleich zu Dampfkraftanlagen, in einem verhältnismässig grossen Temperaturbereich an. Ähnliches gilt für die im Wärmeaustauscher 6 abzuführende Abwärme. Durch geeignete Wahl der Verdichtungsverhältnisse in den beiden Verdichterstufen 5' und 5" kann erreicht werden, dass die Wärmeaustauscher 4 und 6 im gleichen Temperaturbereich arbeiten, also auch im letzteren eine Abkühlung des teilverdichteten Heliums von 1100 C auf 30 C stattfindet.
Wie man erkennt, sind die beiden Teile 4', 4" bzw.
6', 6" der für das Abführen der Abwärme dienenden Wärmeaustauscher 4 bzw. 6 in Reihe geschaltet. Der erste der zwei nacheinander vom Arbeitsmittel durchflossenen Teile, nämlich der Teil 4' bzw. 6', dient für die Ableitung der im oberen Teil des Temperaturbereiches anfallenden Abwärme an die Atmosphäre. Zu diesem Zweck ist ein Kreislaufsystem für einen flüssigen Zwi schenwärmeträger vorgesehen. Als solcher wird beispielsweise von einer Pumpe 8 gefördertes Wasser in Parallelströmen durch die Wärmeaustauscherteile 4', 6' und dann durch einen weiteren Wärmeaustauscher, nämlich einen Trockenkühlturm 9 geführt und schliesslich im Kreislauf zur Pumpe 8 zurückgeleitet.
Eine Nachrechnung zeigt, dass z. B. bei einer Temperatur von 32 C des von der Pumpe 8 geförderten Wassers des Zwischenkreislaufs das mit einer Temperatur von 110 C in die Wärmeaustauscherteile 4' bzw. 6' eintretende Helium im Gegenstrom auf 420 C abgekühlt werden kann. Dabei würde sich das Wasser auf 100" C erwärmen und mit dieser Temperatur in den Trockenkühlturm 9 eintreten. Atmosphärische Luft mit einer Temperatur von 15 C könnte dann darin beispielsweise auf 830 C erwärmt werden. Bei so hoher Endtemperatur der Luft wird einerseits der Zug im Kühlturm 9 recht gross, d. h., es kann durch den thermischen Auftrieb ein verhältnismässig grosser Druckverlust beim Durchströmen der Kühlelemente überwunden werden.
Andererseits kann mit verhältnismässig wenig Luft viel Wärme abgeführt werden. Beide Faktoren tragen dazu bei, dass der Kühlturm 9, beispielsweise im Vergleich zu einem Trockenkühlturm einer Dampfkraftanlage mit Kondensation, sehr klein ausgeführt werden kann. Berechnungen haben gezeigt, dass z. B. bei einer 600 MWe-Anlage der beschriebenen Art der Kühlturm etwa gleich gross würde wie ein Trockenkühlturm einer Dampfkraftanlage von 100 bis 150 MWe. Im Kühlturm 9 können beispielsweise in bekannter Weise in einzelne Register zusammengefasste berippte Rohre als Kühlelemente verwendet werden.
Die restliche Abwärme, die von dem mit 420 C die Wärmeaustauscherteile 4' bzw. 6' verlassenden Arbeitsmittel Helium bis zum Erreichen der gewünschten Temperatur von 30 C für den Eintritt in die Verdichterstufen 5' bzw. 5" abzuführen ist, wird in den nachgeschalteten Wärmeaustauscherteilen 4" bzw. 6" von Kühlwasser aufgenommen, das beispielsweise mit einer Temperatur von 180 C erwärmt und mit dieser Temperatur in ein Gewässer, einen Fluss oder einen See, abgeleitet wird.
Man erkennt, dass beim beschriebenen Ausführungsbeispiel die im Temperaturbereich 1100C bis 420 C vom Arbeitsmittel der Wärmekraftanlage anfallende Wärme an die Atmosphäre abgegeben wird, und nur die im Bereich 42" C bis 30 C anfallende Wärme an ein Gewässer abzuführen ist. Die letztere Wärme beträgt daher weniger als ein Sechstel der gesamten Abwärme. Es ist offensichtlich, dass damit die Gefahr einer unzulässigen Erwärmung des Gewässers bedeutend vermindert wird.
Fig. 2 zeigt, wie durch Vereinigung der Wärmeaustauscherteile 4' und 4" in einem einzigen Apparat eine konstruktive Vereinfachung der Anlage erreicht werden kann. Die beiden Wärmeaustauscherteile befinden sich in einem zylindrischen Gehäuse 10. Das Helium strömt durch in Längsrichtung des Gehäuses 10 von einer Rohrplatte 11 zu einer Rohrplatte 12 verlaufende glatte Rohre 13. Eine näher der Rohrplatte 12 gelegene Zwischenplatte 14 unterteilt den Aussenraum der Rohre 13 in zwei den Wärmenustauscherteilen 4' und 4" entsprechende Abschnitte. Das als Zwischenwärmeträger dienende Wasser tritt durch einen Stutzen 15 in das Gehäuse 10 ein, durchströmt den auf der Aussenseite der Rohre 13 liegenden Raum im Kreuz-Gegenstrom zu dem in der Richtung von der Rohrplatte 11 zur Rohrplatte 12 strömenden Helium, und verlässt diesen Raum durch einen Stutzen 16.
Der wesentlich kürzere, zwischen der Zwischenplatte 14 und der Rohrplatte 12 liegende Teil 4" des Wärmeaustauschers ist für die Ableitung der Abwärme an das Gewässer z. B. an Flusswasser, bestimmt. Dieses tritt durch einen Stutzen 17 in den ausserhalb der Rohre 13 liegenden Raum und verlässt diesen durch einen Stutzen 18. Der aus den Teilen 6' und 6" bestehende Wärmeaustauscher 6 kann in gleicher Weise ausgebildet sein.
Approximative Auslegungsberechnungen haben gezeigt, dass bei dieser Bauart mit einem Gehäusedurch- messer von etwa 4 m und einer aktiven Rohrlänge von etwa 12 m ein Abführen der Abwärme einer 150 MWe Anlage möglich ist. Grösseren Leistungen könnte durch Aufteilen des Gasstromes und Parallelschalten zweier oder mehrerer Apparate dieser Art genügt werden.
Dadurch, dass der Verdichter 5 in der Weise ausgelegt ist, dass bei dem im Verdichterteil 5' teilverdichteten Arbeitsmittel die Abwärme im wesentlichen im gleichen Temperaturbereich anfällt wie beim entspannten Arbeitsmittel, ergibt sich der Vorteil, dass der die Wärmeaustauscherteile 4' und 6' verlassende Zwischenwärmeträger in einer für beide Teile gemeinsamen Leitung zum Kühlturm 9 geleitet und auf einem einzigen Strömungsweg durch diesen hindurch geführt werden kann.
Die Verwendung eines flüssigen Zwischenwärmeträgers für die Übertragung der Wärme vom Arbeitsmittel an die Luft ist nicht nur aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, sondern auch deshalb, weil der Leitungsaufwand für das Arbeitsmittel, die erforderliche Arbeitsmittelfüllung des Arbeitskreislaufs und der Druckverlust im Arbeitskreislauf im Vergleich zu einer direkten Führung des Arbeitsmittels in den Kühlraum geringer werden.
Die Erfindung wurde anhand einer Anlage mit einfacher Zwischenkühlung des Arbeitsmittels bei der Verdichtung erläutert. Sie lässt sich aber sinngemäss auch anwenden, wenn keine oder auch mehr als eine Zwischenkühlung des teilverdichteten Arbeitsmittels vorgesehen ist.
Die Erfindung ergibt besondere Vorteile in Anwendung auf Wärmekraftanlagen mit geschlossenem Gaskreislauf, ist aber nicht ausschliesslich für solche bestimmt. Bei offenen Gasturbinenanlagen geht zwar die im entspannten Abgas enthaltene Abwärme ohnehin an die Atmosphäre. Ist aber eine Zwischenkühlung des teilverdichteten Arbeitsmittels vorgesehen, bei der die Abwärme in einem verhältnismässig grossen Temperaturbereich anfällt, so kann sich auch hier die Anwendung des Verfahrens gemäss Erfindung vorteilhaft erweisen.
PATENTANSPROCKE
I. Verfahren zum Abführen der Abwärme vom Arbeitsmittel einer Wärmekraftanlage, insbesondere mit geschlossenem Gaskreislauf, bei welcher diese Abwärme in einem verhältnismässig grossen Temperaturbereich anfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die im oberen Teil dieses Temperaturbereiches anfallende Abwärme durch Wärmeübertragung über feste Wände an die Atmosphäre und die im unteren Teil dieses Temperaturbereiches anfallende Abwärme an in die Umgebung abzuleitendes Kühlwasser abgegeben wird.
II. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, mit mindestens einem Wärmeaustauscher zur Abgabe der Abwärme vom Arbeitsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (4) bzw. (6) zwei nacheinander vom Arbeitsmittel durchflossene Teile aufweist, von denen der erste (4' bzw. 6') für die Ableitung der an die Atmosphäre abzugebenden Wärme und der zweite (4" bzw. 6") für die Ableitung der Wärme an das Kühlwasser dient.
UNTERANSPRÜCHE
1. Anlage nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass für die Übertragung der im oberen Teil des Temperaturbereiches anfallenden Abwärme an die Atmosphäre ein Kreislaufsystem für einen flüssigen Zwischenwärmeträger vorgesehen ist, der die vom Arbeitsmittel aufgenommene Wärme in einem weiteren Wärmeaustauscher (9) an die Atmosphäre abgibt.
2. Anlage nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass beide Teile (4', 4") des vom Arbeitsmittel durchströmten Wärmeaustauschers (4) in einem gemeinsamen zylinderischen Gehäuse (10) angeordnet sind (Fig. 2).
3. Anlage nach den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Innern von in Längsrichtung des Gehäuses (10) verlaufenden Rohre (13) strömt und der Aussenraum dieser Rohre in zwei Bereiche (4', 4") unterteilt ist, wobei der arbeitsmitteleintrittseitige Teil (4') vom flüssigen Zwischenwärmeträger und der arbeitsmittelaustrittseitige Teil (4") vom Kühlwasser durchströmt ist (Fig. 2).
4. Wärmekrafanlage nach Patentanspruch II, mit einer Zwischenkühlung des Arbeitsmittels, gekennzeichnet durch die Auslegung der Verdichterstufen (5', 5") des Arbeitskreislaufs in der Weise, dass beim teilverdichteten Arbeitsmittel die Abwärme im wesentlichen im gleichen Temperaturbereich anfällt wie beim entspannten Arbeitsmittel.
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