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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Dampfspeicherkraftwerk, bei dem ein Dampfspeicher sowie ein zusätzliches Wärmespeichermedium als Energiespeicher eingesetzt wird, um eine zeitversetze Bereitstellung von Dampf für eine Dampfturbine zu ermöglichen.
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HINTERGRUND
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Ein Dampfspeicherkraftwerk kommt üblicherweise zum Einsatz, wenn die Bereitstellung von Dampf zeitlich vom Bedarf an Dampf entkoppelt werden soll. Dies kann der Fall sein, wenn überschüssige Energie, jedoch kein Bedarf an Dampf vorhanden ist. Weiterhin kann dies notwendig sein, wenn die Bereitstellung von Dampf nicht zu jeder Zeit zuverlässig gewährleistet werden kann. In diesem Fall wird üblicherweise im Dampfspeicherkraftwerk ein Dampfspeicher eingesetzt.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die
EP 3025031 B1 bekannt, bei der nachfolgend einem Dampferzeuger eine Zufuhr von Dampf in einen Ruthsspeicher erfolgt. Besteht ein Bedarf an Dampf, ohne dass vom Dampferzeuger die notwendige Menge bereitgestellt werden kann, so wird der Dampf aus dem Ruthspeicher entnommen und einer Dampfturbine zugeführt.
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Bei einem sogenannten Ruthsspeicher ist ein Speicherbehälter größtenteils mit Siedewasser gefüllt. Der restliche Raum über dem Wasser ist mit Wasserdampf gleicher Temperatur gefüllt. Beladen wird der Ruthsspeicher durch Einleiten von Wasserdampf, wobei der Druck über dem Entnahmedruck zu Beginn der Entnahme von Dampf liegen muss. Dabei kondensiert der Dampf zu Siedewasser. Wird Dampf entnommen, setzt eine Nachverdampfung ein. Die erforderliche Wärme stammt aus dem Siedewasser. Druck und Temperatur sinken ab. Der Arbeitsbereich des Dampfspeichers wird durch die Anfangs- und Endparameter (Druck und Temperatur) sowie den Anfangsfüllgrad mit Siedewasser definiert.
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Durch die bekannten Ausführungen von Dampfspeicherkraftwerken mit Ruthsspeicher wird eine Flexibilisierung hinsichtlich der Dampferzeugung und dem Dampfverbrauch ermöglicht.
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Betreffend die Angabe von Drücken im Wasser-Dampf-Kreislauf in folgender Beschreibung wird grundsätzlich der absolute Druck angegeben, auch wenn nur von Druck (ohne das Attribut „absolut“) die Rede ist.
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Nachteilig ist es, dass mit dem Ruthsspeicher nur begrenzte Dampftemperaturen erzielbar sind und somit die Verwendung des Ruthsspeichers auf Anwendungsbereiche beschränkt bleibt, in denen entsprechend geringere Temperaturen hinreichend sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es, einen Wärmespeicher zu schaffen, mittels dem Dampf mit sehr hohen Temperaturen gespeichert und nachfolgend Dampf mit sehr hohen Temperaturen aus dem Wärmespeicher zurückgewonnen werden kann. Hierbei soll der Wirkungsgrad des Systems verbessert werden.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das gattungsgemäße Dampfspeicherkraftwerk weist zunächst einmal einen Wasser-Dampf-Kreislauf auf. In diesem Kreislauf befindet sich zumindest ein Wasserspeicher und ein Verdampfer mit einem nachfolgenden Dampfheizer sowie eine Dampfturbine und ein Kondensator.
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Der Verdampfer ermöglicht hierbei durch Zufuhr von Wärmeenergie eine Verdampfung des zugeführten Wassers. Im Dampfheizer erfolgt eine Überhitzung des Dampfes auf eine Temperatur, welche eine Verwendung des Dampfes in der Dampfturbine ermöglicht. Dabei ist gleichsam eine Zufuhr von Wärmeenergie erforderlich.
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In der Dampfturbine erfolgt eine Entspannung des Dampfes mit einhergehendem Temperaturabfall, wobei die Dampfturbine vorzugsweise zum Antrieb eines Generators verwendet wird. Im Kondensator erfolgt eine Abkühlung des Dampfes, sodass dieser in Form von Wasser zum Wasserspeicher geführt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr das Dampfspeicherkraftwerk um folgende Komponenten erweitert.
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Zunächst einmal wird im Wasser-Dampf-Kreislauf dem Verdampfer nachfolgend eine Dampfpumpe angeordnet. Diese kann hierbei vorzugsweise mit regenerativ erzeugter Energie angetrieben werden. Die Dampfpumpe ist hierbei entsprechend auszulegen, sodass am Ausgang der Dampfpumpe ein Druck von zumindest 15 bar erreicht wird. Dabei ist ein Druck von 50 bar hinreichend.
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Mit der Komprimierung des Dampfes auf einen höheren Druck geht unmittelbar eine Erhöhung der Dampftemperatur einher. Ziel ist es dabei, eine Dampftemperatur am Ausgang der Dampfpumpe zu erreichen, welche geeignet wäre zum Antrieb der Dampfturbine.
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Zur Speicherung der Wärmeenergie aus dem Dampf zur späteren Nutzung wird nachfolgend der Dampfpumpe ein Dampfkühler eingesetzt. Dabei ist vorgesehen, dass der Dampfkühler eine Übertragung der Wärmeenergie aus dem Dampf auf ein Wärmespeichermedium ermöglicht.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Anlage derart ausgelegt ist und der Prozess derart geführt wird, dass nachfolgend dem Dampfkühler der Druck und die Temperatur des Dampfes ungefähr dem Zustand des Sattdampfes entspricht.
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Nachfolgend dem Dampfkühler wird der Dampf einem Ruthsspeicher zugeführt. Die Ausführung und Funktionsweise eines Ruthsspeichers ist hinlänglich bekannt und bedarf insofern keiner weiteren Erläuterung. Zumindest ermöglicht der Ruthsspeicher eine zeitliche Verschiebung zwischen der Zufuhr und der Entnahme von Dampf.
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Der Ausgang des Ruthsspeichers wird nunmehr mit dem Dampfheizer verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass der Dampfheizer den Dampf wiederum auf eine höhere Temperatur aufheizt, welche bevorzugt nahe derjenigen Temperatur ist, welche am Ausgang der Dampfpumpe erreicht wurde. Dabei soll zugleich die mittels des Dampfkühlers abgeführte Wärmeenergie zurückgewonnen werden. Hierzu ist es erforderlich, dass der Dampfheizer eine Wärmeübertragung aus dem Wärmespeichermedium in den Dampf ermöglicht.
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Die nunmehr erzielte hohe Temperatur und dem damit einhergehenden erhöhten Druck ist die Verwendung des Dampfes in der nachfolgenden Dampfturbine möglich.
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Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Energiespeicherung im Wasser-Dampf-Kreislauf einerseits auf den Ruthsspeicher und andererseits auf das Wärmespeichermedium kann ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden und zudem bei der Rückgewinnung der gespeicherten Energie die notwendige Temperatur erreicht werden, welche zum Betrieb der Dampfturbine notwendig ist.
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Um einen zuverlässigen Strom im Wasser-Dampf-Kreislauf zu gewährleisten, wird in besonders vorteilhafter Weise zwischen dem Wasserspeicher und dem Verdampfer eine erste Wasserpumpe angeordnet. Somit wird eine Ausleitung des Wassers aus dem Wasserspeicher in dem Wasser-Dampf-Kreislauf vorteilhaft gewährleistet.
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Weiterhin kann alternativ oder bevorzugt ergänzend eine zweite Wasserpumpe zwischen dem Kondensator und dem Wasserspeicher vorgesehen sein. Hierdurch wird vorteilhaft eine Rückführung des Wassers aus dem Kondensator in dem Wasserspeicher gewährleistet.
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Zur erfindungsgemäßen Energiespeicherung im Wärmespeichermedium wird in besonders vorteilhafter Weise zwischen dem Dampfkühler und dem Dampfheizer eine Speichervorrichtung angeordnet, in der zumindest ein größerer Anteil des Wärmespeichermediums aufgenommen ist.
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Bevorzugt umfasst die Speichervorrichtung einen Warmspeicher und einen Heißspeicher eingesetzt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Wärmeenergie, welche im Dampfkühler dem Dampf entnommen und dem Wärmespeichermedium zugeführt wird im Heißspeicher gespeichert wird. Demgegenüber erfolgt die Speicherung der Restwärme im Wärmespeichermedium nachfolgend der Wärmeübertragung im Dampfheizer auf dem Dampf im Warmspeicher.
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Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn als Wärmespeichermedium eine Salzschmelze verwendet wird. Hierdurch wird ein Transfer des Wärmespeichermediums vom Dampfkühler in den Heißspeicher und eine Rückführung vom Dampfheizer in den Warmspeicher ermöglicht.
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Dabei wird bevorzugt ein vom Wärmespeichermedium durchströmter Speicherkreislauf eingesetzt. Der Speicherkreislauf umfasst dabei den Dampfkühler, den Heißspeicher, den Dampfheizer und den Warmspeicher.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Speicherkreislauf für den Zustand der Einspeicherung von Wärmeenergie und dem Zustand der Ausspeicherung von Wärmeenergie umschaltbar ist. So kann vorgesehen sein, dass zur Zufuhr von Wärmeenergie das Wärmespeichermedium in einem ersten Speicherkreislauf vom Dampfkühler den Heißspeicher und nachfolgend dem Warmspeicher durchströmt und hierbei den Dampfheizer im Bypass passiert. Zur Rückgewinnung der gespeicherten Wärmeenergie kann demgegenüber in einem zweiten Speicherkreislauf das Wärmespeichermedium vom Heißspeicher durch den Dampfheizer und nachfolgend dem Warmspeicher geführt werden, wobei der Dampfkühler durch einen Bypass im Kreislauf zum Heißspeicher umgangen wird.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, im Speicherkreislauf Pumpen oder weitere Einrichtungen vorzusehen.
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Durch diese besonders vorteilhafte Ausführung in der Kombination eines Ruthsspeichers mit der Verwendung einer Salzschmelze als Wärmespeichermedium mit getrennten Warmspeicher und Heißspeicher wird ein hoher Wirkungsgrad in der Energiespeicherung in einem Wasser-Dampf-Kreislauf erzielt.
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Zur Realisierung des Verdampfers und der Art der Energiezufuhr stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Einerseits kann vorgesehen sein, dass unmittelbar Abwärme aus externen Prozessen verwendet wird.
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Vorteilhaft ist es Wärme aus natürlichen Quellen unmittelbar zur Heizung im Verdampfer zu verwenden. Besonders vorteilhaft wird regenerativ gewonnene Wärmeenergie genutzt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Wärmeenergie von Solarkollektoren handeln. Auch ist es möglich (insbesondere in Abhängigkeit vom Standort) unmittelbar Sonnenenergie zur Aufheizung im Verdampfer zu verwenden.
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Eine weitere Möglichkeit ist eine elektrische Heizung im Verdampfer einzusetzen, insbesondere sofern überschüssig regenerativ gewonnener Strom verfügbar ist.
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Bevorzugt ist der Einsatz einer Wärmepumpe, so dass beispielsweise bei Vorhandensein von regenerativ erzeugtem Strom und einem gewissen Maß an nutzbarer Wärme ein besonders hoher Wirkungsgrad im Prozess der Verdampfung erzielt wird. Die Funktionsweise einer Wärmepumpe ist hinlänglich bekannt und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
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Die Notwendigkeit der Rückkühlung des Dampfes nachfolgend der Dampfturbine im Kondensator kann in besonders vorteilhafter Weise zur Energierückgewinnung in der Wärmepumpe genutzt werden. Hierzu wird ein Kühlwasserkreislauf vorgesehen, welcher den Kondensator und die Wärmepumpe umfassen. Hierbei ist anzumerken, dass ebenso verschiedene Schaltzustände (Flussrichtung, Bypass, usw.) im Kühlwasserkreislauf vorgesehen sein können, je nachdem ob eine Einspeicherung oder Rückgewinnung von Wärmeenergie erfolgt.
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Zumindest ist im Kühlwasserkreislauf in Verbindung mit dem Kondensator ein Kühlwasserspeicher erforderlich. Eine Kühlwasserpumpe gewährleistet im Kühlwasserkreislauf die Zirkulation wobei weiterhin ein Wasserkühler notwendig ist, welcher zugleich Teil der Wärmepumpe bildet.
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Alternativ oder in Ergänzung können ebenso die oben genannten Möglichkeiten der Wärmezufuhr zur Wärmepumpe genutzt werden, insbesondere wenn die externe Wärme nicht zur unmittelbaren Beheizung des Verdampfers ausreichend ist.
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Weiterhin ist es möglich, dem Verdampfer Wärmeenergie aus dem Warmspeicher zuzuführen. Dieses ist besonders vorteilhaft, wenn keine oder nur eine unzureichende externe Wärmequelle zur Heizung im Verdampfer zur Verfügung steht, jedoch hinreichend Energie zum Betrieb der Dampfpumpe bereitgestellt werden kann.
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Je nach Prozessführung mit der Temperatur und dem Druck des dem Ruthsspeicher zugeführten Dampfes und hierbei insbesondere bei einer Temperatur oberhalb des Sattdampfes ist es besonders vorteilhaft, wenn zum Ausgleich der Massenbilanz zwischen Ein- und Ausspeichern Wasser aus dem Wasserspeicher dem Ruthsspeicher zugeführt werden kann.
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Zur Kontrolle und Gewährleistung einer parallelen Wasserzufuhr vom Wasserspeicher in den Ruthsspeicher wird vorteilhaft in der Verbindung eine dritte Wasserpumpe angeordnet.
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Im Falle, dass andere Anlagen ebenfalls Dampf bereitstellen können bzw. Dampf verbrauche, kann vorteilhaft vorgesehen sein, eine externe Anlage mit dem Dampfspeicherkraftkwerk zu koppeln. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass dem Ruthsspeicher Dampf von der externen Anlage zugeführt wird oder Dampf aus dem Ruthsspeicher einer externen Anlage zur Verfügung gestellt wird.
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Weiterhin ist es möglich, Dampf auch an anderen Stellen im Wasser-Dampf-Kreislauf aus externen Quellen einzuleiten oder an eine externe Anlage auszuleiten.
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Die einzelnen Komponenten im Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampfspeicherkraftwerks werden vorteilhaft wie folgt miteinander gekoppelt:
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Eine vorteilhafte erste Leitung verbindet den Wasserspeicher mit der ersten Wasserpumpe.
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Eine vorteilhafte zweite Leitung verbindet die erste Wasserpumpe mit dem Verdampfer.
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Eine vorteilhafte dritte Leitung verbindet den Verdampfer mit der Dampfpumpe.
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Eine vorteilhafte vierte Leitung verbindet die Dampfpumpe mit dem Dampfkühler.
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Eine vorteilhafte fünfte Leitung verbindet den Dampfkühler mit dem Ruthsspeicher.
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Ein vorteilhafter Abzweig der ersten Leitung führt zur dritten Wasserpumpe oder eine weitere Leitung verbindet den Wasserspeicher mit der dritten Wasserpumpe.
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Eine vorteilhafte sechste Leitung verbindet den Ruthsspeicher mit dem Dampfheizer.
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Eine vorteilhafte siebte Leitung verbindet den Dampfheizer mit der Dampfturbine.
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Eine vorteilhafte achte Leitung verbindet die Dampfturbine mit dem Kondensator.
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Eine vorteilhafte neunte Leitung verbindet den Kondensator mit der zweiten Wasserpumpe.
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Eine vorteilhafte zehnte Leitung verbindet die zweite Wasserpumpe mit dem Wasserspeicher.
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Eine vorteilhafte elfte Leitung verbindet die dritte Wasserpumpe mit dem Ruthsspeicher.
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Das neuartige, erfindungsgemäße Dampfspeicherkraftwerk ermöglicht ein neues erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Dampfspeicherkraftwerks, wobei im Detail unterschiedliche Verfahrensführungen insbesondere hinsichtlich der einzustellenden Temperaturen und Drücke möglich sind.
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Ausgang für den Wasser-Dampf-Kreislauf ist der Wasserspeicher, wobei das darin gespeicherte Wasser üblicherweise eine Temperatur zwischen 10°C und 70°C aufweist.
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Das zum Verdampfer geförderte Wasser wird darin erhitzt und verdampft.
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Nachfolgend wird der Dampf durch die Dampfpumpe komprimiert und erhitzt. Hierbei sollte der Druck stromab der Dampfpumpe zumindest 15 bar betragen. Ein Druck oberhalb von 50 bar führt hingegen zu einem unverhältnismäßig hohen Installationsaufwand ohne entsprechenden Vorteil in der Effizienz. Dabei sollte die Temperatur am Ausgang der Dampfpumpe zumindest 400°C betragen. Eine Temperatur oberhalb von 800°C ist jedoch gleichsam zu vermeiden.
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Besonders vorteilhaft handelt es sich Ausgang der Dampfpumpe um einen überhitzten Dampf. D.h. die Temperatur des Dampfes liegt unter Berücksichtigung des erzielten Druckes deutlich oberhalb der Siedetemperatur.
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Im Anschluss wird der Dampf im Dampfkühler vorteilhaft auf eine Temperatur zwischen 150°C und 300°C abgekühlt. Die Temperatur kann dabei ungefähr der Siedetemperatur entsprechen.
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Zumindest wird der Dampf vom Dampfkühler kommend in den Ruthsspeicher geführt und dort als Siedewasser gespeichert.
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Zeitlich versetzt erfolgt eine Entnahme von Dampf aus dem Ruthsspeicher. In aller Regel handelt es sich in dem Fall um Sattdampf.
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Der Dampf wird vom Ruthsspeicher zum Dampfheizer geführt, in dem eine Aufheizung des Dampfes auf eine Temperatur zwischen 350°C und 700°C erfolgt. Hierzu ist eine Wärmeübertragung vom Wärmespeichermedium auf den Dampfheizer durchströmenden Dampf notwendig. Ziel ist es dabei mittels des Wärmespeichermediums annähernd die Temperatur zu erreichen, welche am Ausgang der Dampfpumpe bei der Einspeicherung der Wärmeenergie im Wärmespeichermedium vorlag.
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Mit abnehmender Menge gespeicherten Siedewassers im Ruthsspeicher vom Beginn der Ausspeicherung wird naheliegend der Dampfdruck fortlaufend abnehmen.
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Der erneut erhitzte Dampf kann nunmehr der Dampfturbine zugeführt werden. Wozu die Dampfturbine eingesetzt wird, ist zunächst unerheblich. Besonders bevorzugt wird die Dampfturbine zum Antrieb eines Generators verwendet.
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Im Abschluss des Kreislaufes wird der entspannte und abgekühlte Dampf von der Dampfturbine zum Kondensator geführt und darin weiter abgekühlt und zu Wasser kondensiert.
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Das Wasser kann abschließend vom Kondensator zurück in den Wasserspeicher geführt werden.
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Der Druck im Wasser-Dampf-Kreislauf sollte im Betrieb im Bereich von der Dampfturbine bis zur Dampfpumpe möglichst gering beziehungsweise ungefähr bei Normaldruck liegen. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Effizienz des Dampfspeicherkraftwerks ist ein möglichst geringer Druck in den zuvor genannten Leitungen. Dieses erhöht jedoch den Installationsaufwand entsprechend.
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Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn in der Verbindung von der zweiten Wasserpumpe am Ende des Wasser-Dampf-Kreislaufes vor dem Wasserspeicher bis zur Dampfpumpe der Druck zumindest 0,2 bar beträgt. Dieses betrifft die erste Leitung, die zweite Leitung, die dritte Leitung und die zehnte Leitung. Bevorzugt wird ein Druck von zumindest 0,4 bar. Demgegenüber sollte der Druck nicht mehr als 1,4 bar betragen. Bevorzugt beträgt der Druck in den Leitungen höchstens 1,2 bar.
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Der Druck in der vierten Leitung und der fünften Leitung in der Verbindung von der Dampfpumpe zum Ruthsspeicher liegt vorteilhaft zumindest bei 20 bar. Vorteilhaft ist es weiterhin den Druck auf maximal 40 bar zu begrenzen.
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Während des Betriebs der Dampfpumpe kann es zu Schwankungen des Drucks in der Verbindung von der Dampfpumpe zum Ruthsspeicher kommen. Dabei sollte der Unterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten, sich im Prozess einstellenden Druck maximal 5 bar betragen.
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Der Druck in der Verbindung vom Ruthsspeicher zur Dampfturbine wird regulär (funktionsbedingt) von einem höheren Druck zu Beginn einer Entnahme von Dampf bis zum Ende der Entnahme von Dampf aus dem Ruthsspeicher absinken. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass der Druck in der sechsten Leitung und in der siebten Leitung zumindest 5 bar beträgt. Bevorzugt wird ein Mindestdruck von 10 bar während des Betriebs der Dampfturbine.
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In der Verbindung von der Dampfturbine bis zur zweiten Wasserpumpe im Anschluss an den Kondensator sollte der Druck weniger als 1,2 bar betragen. Bevorzugt wird ein Druck von maximal 0,6 bar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Druck von maximal 0,3 bar realisiert wird.
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Ein hoher Wirkungsgrad im Speicherprozess wird erreicht, wenn der Dampf im Ausgang der Dampfpumpe eine möglichst große Überhitzung aufweist. Hierbei sollte die absolute Dampftemperatur in der Verbindung von der Dampfpumpe zum Dampfkühler zumindest der 1,5-fachen absoluten Siedetemperatur entsprechen. Besonders bevorzugt wird eine Verfahrensführung, bei der die absolute Dampftemperatur in dieser Verbindung zumindest die 2-fachen absolute Siedetemperatur beträgt.
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Bezüglich der Führung des Dampfes vom Dampfkühler zum Ruthsspeicher, d.h. in der fünften Leitung, können verschiedene Zustände vorgesehen sein. Es ist möglich, dass im Anschluss an den Dampfkühler Nassdampf vorliegt. Dabei sollte zumindest der Anteil Dampf im Massenstrom zumindest 90% betragen. Bevorzugt ist jedoch zu gewährleisten, dass der Anteil Dampf im Massenstrom zumindest 95% beträgt.
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Vorteilhafter ist es jedoch, wenn anstelle von Nassdampf Sattdampf vom Dampfkühler zum Ruthsspeicher geleitet wird.
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Besonders bevorzugt wird geringfügig überhitzter Dampf vom Dampfkühler zum Ruthsspeicher geleitet. Somit kann eine Führung von Anteilen von flüssigem Wasser weitgehend ausgeschlossen werden.
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In einer alternativen Verfahrensführung wird überhitzter Dampf zum Ruthsspeicher geführt. Dabei ist zugleich zu gewährleisten, dass zum Ausgleich der Temperatur im Ruthsspeicher Wasser aus dem Wasserspeicher und/oder einer externen Quelle bedarfsabhängig zugeführt wird.
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Auch kann vorgesehen sein, dass sich der Zustand des Dampfes, d.h. Nassdampf, Sattdampf oder überhitzter Dampf, in der Verbindung vom Dampfkühler zum Ruthsspeicher im Laufe des Prozesses ändert.
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Zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie wird Dampf aus dem Ruthsspeicher zum Dampfheizer, d.h. in der sechsten Leitung, geführt. Dabei kann es sich um Nassdampf handeln, wobei der Anteil Dampf im Massenstrom zumindest 90% betragen sollte.
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In aller Regel handelt es sich bei dem aus den Ruthsspeicher abgegebenen Dampf um Sattdampf, welcher in der sechsten Leitung zum Dampfheizer geführt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den nachfolgenden Figuren werden zwei beispielhafte Ausführungsformen für ein erfindungsgemäßes Dampfspeicherkraftwerk skizziert.
- 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Dampfspeicherkraftwerk 01 mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf sowie einen Kühlkreislauf, wobei vorgesehen ist, dass in den Ruthsspeicher 07 Sattdampf eingeleitet wird.
- 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Dampfspeicherkraftwerk 11 mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf sowie einen Kühlkreislauf, wobei vorgesehen ist, dass in den Ruthsspeicher 07 überhitzten Dampf eingeleitet wird.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der 1 wird schematisch der Aufbau eines beispielhaften Dampfspeicherkraftwerks 01 gemäß der Erfindung skizziert. Zu erkennen ist der Wasser-Dampf-Kreislauf angefangen vom Wasserspeicher 02 über eine erste Wasserpumpe 03 bis zur zweiten Wasserpumpe 12 zurück zum Wasserspeicher 02.
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Im Wasserspeicher 02 wird bestimmungsgemäß Wasser bei einer Temperatur zwischen 10 °C und 70 °C gespeichert. Im einfachsten Fall entspricht der Druck im Wasserspeicher 02 dem Umgebungsdruck und insofern ca. 1 bar. Ein höherer Wirkungsgrad kann erreicht werden, wenn eine Druckabsenkung möglich ist und insofern der Druck im Wasserspeicher 02 ca. 0,5 bar beträgt.
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Eine erste Leitung 21 führt vom Wasserspeicher 02 zur ersten Wasserpumpe 03. Der Druck und die Temperatur in der ersten Leitung 21 entsprechen ungefähr denjenigen im Wasserspeicher 02.
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Mitte der ersten Wasserpumpe 03 wird die Strömung vom Wasserspeicher 02 in den Wasser-Dampf-Kreislauf gewährleistet.
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Eine zweite Leitung 22 führt von der ersten Wasserpumpe 03 zum Verdampfer 04. Die Temperatur in der zweiten Leitung 22 entspricht im Wesentlichen derjenigen im Wasserspeicher 02. Entsprechend der Anordnung nachfolgend der ersten Wasserpumpe 03 liegt ein geringfügig erhöhter Druck gegenüber der ersten Leitung 21 vor.
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Im Verdampfer 04 erfolgte die Erhitzung und Verdampfung des Wassers zu Wasserdampf. Hierzu ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Verdampfer 04 Bestandteil einer Wärmepumpe 12 ist.
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Mit nahezu unverändert gleichem Druck, jedoch erhöhter Temperatur oberhalb des Siedepunktes wird der Dampf vom Verdampfer 04 durch eine dritte Leitung 23 zu einer Dampfpumpe 05 geleitet.
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Die Dampfpumpe 05 kann in unterschiedlicher Art ausgeführt sein, wobei zu gewährleisten ist, dass mit der Dampfpumpe 05 eine Komprimierung des Dampfes auf einen Druck von zumindest 15 bar möglich wird. Zugleich ist vorgesehen, dass mit der Dampfpumpe auch eine Temperaturerhöhung auf eine Temperatur oberhalb von 300 °C bewirkt wird, so dass ein deutlich überhitzter Dampf vorliegt.
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Der überhitzte Dampf wird anschließend von der Dampfpumpe 05 durch eine vierte Leitung 24 zu einem Dampfkühler 06 geführt.
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Im Dampfkühler 06 erfolgt eine Wärmeübertragung vom Dampf auf ein Wärmespeichermedium. Dabei ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass eine Temperaturabsenkung auf die Siedetemperatur erfolgt. Insofern verlässt den Dampfkühler 06 Sattdampf durch eine fünfte Leitung 25.
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Die fünfte Leitung 25 führt in den Ruthsspeicher 07, in dem der Sattdampf zu Siedewasser kondensiert und somit gespeichert werden kann. Hierbei ist der Druck in der fünften Leitung 25 geringfügig geringer als in der vierten Leitung 24 vor dem Dampfkühler 06.
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Gleichfalls kann vorgesehen sein, dass die Temperaturabsenkung des Dampfes im Dampfkühler 06 auf eine Temperatur knapp oberhalb der Siedetemperatur erfolgt und somit geringfügig überhitzter Dampf den Dampfkühler 06 auf dem Weg zum Ruthsspeicher 07 verläßt.
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Sowohl bei der nominellen Zuführung von Sattdampf als auch von geringfügig überhitztem Dampf in den Ruthsspeicher 07 kann es erforderlich sein zum Massenausgleich geringe Mengen an flüssigem Wasser zuzuführen.
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Im Falle eines Energiebedarfs kann nunmehr Dampf dem Ruthsspeicher 07 entnommen werden und durch eine sechste Leitung 26 zu einem Dampfheizer 08 geführt werden. Durch den Prozess der Entnahme von Dampf aus dem Ruthsspeicher 07 kommt es zu einem fortlaufenden Druckabfall in der sechsten Leitung 26. Zu Beginn der Entnahme von Dampf aus dem Ruthsspeicher 07 entspricht der Druck in der sechsten Leitung annähernd dem Druck in der fünften Leitung bei Einspeicherung in den Ruthsspeicher 07. Die Entnahme des Dampfes ist spätestens zu beenden, wenn der Druck auf 5 bar abgefallen ist.
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Im nachfolgenden Dampfheizer 08 erfolgt eine Rückübertragung der Wärmeenergie aus dem Wärmespeichermedium auf den durchströmenden Dampf. Dabei erfolgt eine Aufheizung, wobei es Ziel ist, annähernd die Temperatur des Dampfes vor dem Dampfkühler 06 zu erzielen.
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Der somit erneut aufgeheizte Dampf kann durch eine siebte Leitung 27 nunmehr der Dampfturbine 09 zugeführt werden, sodass die Dampfturbine 09 in Verrichtung einer mechanischen Arbeit beispielsweise einen Generator (nicht dargestellt) antreiben kann. Mit dem Durchströmen der Dampfturbine 09 kommt es zu einem Druckabfall sowie zugleich zu einer Temperaturabsenkung.
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Der kalte, entspannte Dampf wird nachfolgend durch eine achte Leitung 28 zu einem Kondensator 10 geführt, in dem eine Kondensation des Dampfes bewirkt wird.
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Den Abschluss des Wasser-Dampf-Kreislaufes bildet die Rückführung des kondensierten Wassers aus dem Kondensator 10 durch eine neunte Leitung 29 mittels einer zweiten Wasserpumpe 12 und einer zehnten Leitung 30 zurück in den Wasserspeicher 02.
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Das Wärmespeichermedium wird im Prozess der Einspeicherung von Wärmeenergie von einem Warmspeicher 13 durch den Dampfkühler 06 zu einem Heißspeicher 14 geführt. Entsprechend heizt sich der Heißspeicher 14 beim Einspeichern auf. Hierbei ist es sowohl möglich, dass das kühlere Wärmespeichermedium vom Heißspeicher 14 unmittelbar oder über den Dampfheizer 08 ohne Wärmeabgabe in den Warmspeicher 13 zur Realisierung des geschlossenen Kreislaufes geleitet wird.
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Im Prozess der Entnahme von Wärmeenergie wird das Wärmespeichermedium vom Heißspeicher 14 über den Dampfheizer 08 zum Warmspeicher 13 geführt. Gleichfalls ist es sowohl möglich, dass das heißere Wärmespeichermedium vom Warmspeicher 13 unmittelbar oder über den Dampfkühler 06 ohne Wärmeaufnahme in den Heißspeicher 14 zur Realisierung des geschlossenen Kreislaufes geleitet wird.
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Weiterhin vorhanden ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Kühlkreislauf, welcher beginnend von einem Kühlwasserspeicher 32 über eine Kühlwasserpumpe 33 zunächst zum Kondensator 10 führt.
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Im Kondensator erfolgt eine Aufheizung des Kühlwassers, welches im Anschluss zur Wärmepumpe 12 und hierbei zu einem Wasserkühler 34 geleitet wird. Der Wasserkühler 34 ist somit gleichfalls Bestandteil der Wärmepumpe 12 zur Übertragung von Wärmeenergie vom Kühlwasser mittels der Wärmepumpe 12 auf den den Verdampfer 04 durchströmenden Dampf.
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Das abgekühlte Kühlwasser wird im Anschluss vom Wasserkühler 34 zurück zum Kühlwasserspeicher 32 geführt.
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In der 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Dampfspeicherkraftwerk 11 schematisch skizziert. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der Ausführung des ersten Ausführungsbeispiel eines Dampfspeicherkraftwerks 01. Insofern wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel des Dampfspeicherkraftwerks 11 ist vorgesehen, dass von dem Dampfkühler 06 durch die fünfte Leitung 25 zum Ruthsspeicher 07 überhitzte Dampf geführt wird.
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Das Einleiten von überhitztem Dampf in den Ruthsspeicher 07 führt zu einer Massenungleichheit zwischen Ein- und Ausspeichern, wodurch dem Ruthsspeicher noch zusätzlich Wasser zugeführt werden muss. Daher ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass eine weitere Verbindung vom Wasserspeicher 02 zum Ruthsspeicher 07 vorhanden ist.
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Hierzu führt in diesem Ausführungsbeispiel ein Abzweig von der ersten Leitung 21 zu einer dritten Wasserpumpe 13. Eine elfte Leitung 35 führt von der dritten Wasserpumpe 13 zum Ruthsspeicher 07. Somit kann der notwendige Massenausgleich im Ruthsspeicher 07 gewährleistet werden.
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Im ersten Ausführungsbeispiel haben sich folgende Prozessparameter in einer ersten Variante als vorteilhaft erweisen:
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Im Wasser-Dampf-Kreislauf ist folgende Druckverteilung möglich:
- - ca. 1 bar im Wasserspeicher 02, in der ersten Leitung 21, in der zweiten Leitung 22, im Verdampfer 04, in der dritten Leitung 23 und in der zehnten Leitung 30;
- - ca. 30 bar in der vierten Leitung 24, im Dampfkühler 06 und in der fünften Leitung 25;
- - ca. 27 bar bis ca. 10 bar (abfallend bei der Entnahme) in der sechsten Leitung 26, im Dampfheizer 08 und in der siebten Leitung 27;
- - ca. 0,2 bar in der achten Leitung 28, im Kondensator 10 und in der neunten Leitung 29.
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Hierbei kann in erster Variante folgende Temperaturverteilung vorgesehen sein:
- - ca. 50°C im Wasserspeicher, in der ersten Leitung 21, in der zweiten Leitung 22, in der neunten Leitung 29 und in der zehnten Leitung 30;
- - ca. 100°C in der dritten Leitung 23;
- - ca. 600°C in der vierten Leitung 24;
- - ca. 230°C in der fünften Leitung 25;
- - ca. 230°C bis ca. 180°C in der sechsten Leitung 26;
- - ca. 580°C bis ca. 500°C in der siebten Leitung 27.
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Im ersten Ausführungsbeispiel ist es ebenso möglich, den Prozess in einer zweiten Variante mit höheren Drücken zu fahren:
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Im Wasser-Dampf-Kreislauf ist folgende Druckverteilung möglich:
- - ca. 1 bar im Wasserspeicher 02, in der ersten Leitung 21 und in der zehnten Leitung 30;
- - ca. 1,5 bar in der zweiten Leitung 22, im Verdampfer 04 und in der dritten Leitung 23;
- - ca. 40 bar in der vierten Leitung 24, im Dampfkühler 06 und in der fünften Leitung 25;
- - ca. 40 bar bis ca. 10 bar (abfallend bei der Entnahme) in der sechsten Leitung 26, im Dampfheizer 08 und in der siebten Leitung 27;
- - ca. 0,2 bar in der achten Leitung 28, im Kondensator 10 und in der neunten Leitung 29.
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Hierbei kann in zweiter Variante folgende Temperaturverteilung vorgesehen sein:
- - ca. 50°C im Wasserspeicher, in der ersten Leitung 21, in der zweiten Leitung 22, in der neunten Leitung 29 und in der zehnten Leitung 30;
- - ca. 110°C in der dritten Leitung 23;
- - ca. 600°C in der vierten Leitung 24;
- - ca. 240°C in der fünften Leitung 25;
- - ca. 240°C bis ca. 180°C in der sechsten Leitung 26;
- - ca. 580°C bis ca. 500°C in der siebten Leitung 27.
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Im ersten Ausführungsbeispiel ist es ebenso möglich, den Prozess mit geringeren Drücken in einer dritten Variante zu fahren:
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Im Wasser-Dampf-Kreislauf ist folgende Druckverteilung möglich:
- - ca. 0,5 bar im Wasserspeicher 02, in der ersten Leitung 21, in der zweiten Leitung 22, im Verdampfer 04, in der dritten Leitung 23 und in der zehnten Leitung 30;
- - ca. 20 bar in der vierten Leitung 24, im Dampfkühler 06 und in der fünften Leitung 25;
- - ca. 20 bar bis ca. 10 bar (abfallend bei der Entnahme) in der sechsten Leitung 26, im Dampfheizer 08 und in der siebten Leitung 27;
- - ca. 0,1 bar in der achten Leitung 28, im Kondensator 10 und in der neunten Leitung 29.
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Hierbei kann in zweiter Variante folgende Temperaturverteilung vorgesehen sein:
- - ca. 40°C im Wasserspeicher, in der ersten Leitung 21, in der zweiten Leitung 22, in der neunten Leitung 29 und in der zehnten Leitung 30;
- - ca. 80°C in der dritten Leitung 23;
- - ca. 600°C in der vierten Leitung 24;
- - ca. 210°C in der fünften Leitung 25;
- - ca. 210°C bis ca. 180°C in der sechsten Leitung 26;
- - ca. 600°C bis ca. 500°C in der siebten Leitung 27.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel haben sich folgende Prozessparameter in einer vierten Variante als vorteilhaft erweisen:
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Im Wasser-Dampf-Kreislauf ist folgende Druckverteilung möglich:
- - ca. 1 bar im Wasserspeicher 02, in der ersten Leitung 21, in der zweiten Leitung 22, im Verdampfer 04, in der dritten Leitung 23 und in der zehnten Leitung 30;
- - ca. 30 bar in der vierten Leitung 24, im Dampfkühler 06 und in der fünften Leitung 25;
- - ca. 27 bar bis ca. 10 bar (abfallend bei der Entnahme) in der sechsten Leitung 26, im Dampfheizer 08 und in der siebten Leitung 27;
- - ca. 0,2 bar in der achten Leitung 28, im Kondensator 10 und in der neunten Leitung 29.
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Hierbei kann in vierter Variante folgende Temperaturverteilung vorgesehen sein:
- - ca. 50°C im Wasserspeicher 02, in der ersten Leitung 21, in der zweiten Leitung 22, in der neunten Leitung 29, in der zehnten Leitung 30 und in der elften Leitung 35;
- - ca. 100°C in der dritten Leitung 23;
- - ca. 600°C in der vierten Leitung 24;
- - ca. 250°C in der fünften Leitung 25;
- - ca. 230°C bis ca. 180°C in der sechsten Leitung 26;
- - ca. 580°C bis ca. 500°C in der siebten Leitung 27.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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