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Fernwärmeanlage Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fernwärmeanlage
nach dem 1. Anspruch. Diese Anlage dient zur Erzeugung von Fernwärme bei weitgehender
Ausnutzung der in einem ärmekraftprozeß bei gegebener Temperaturdifferenz gewinnbaren
Exergie und ist besonders interessant für kleinere Wärmekraftanlagen von ca. 300
bis 1000 MWth ohne oder mit geringer Stromabgabe an das öffentliche Stromverb rauchernetz.
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In der Zeitschrift Fernwärme-International 1974 wird auf Seite 53
wörtlich gesagt: "In einer Zeit, in der die Preise f-ür fossile Brennstoffe ungewöhnlich
stark steigen und man sich den Grenzen der Belastbarkeit der Umwelt nähert, wendet
sich das Interesse der Wärmepumpe zu, die es erlaubt, daß zwei- bis sechsfache der
eingesetzten Energiemenge in Form von Wärme zu gewinnen. Der Verfasser zeigt, daß
die Wärmepumpe für den Betrieb einer konventionellen Fernheizung wegen des niedrigen
Temperaturniveaus und der geringen Temperaturspreizung nicht in Betracht kommt.
Ihr Anwendungsbereich beschränkt sich derzeit auf klimatisierte Gebäude und die
Beheizung von Freibädern. Fernwärmeversorgungen, die aus Heizkraftwerken gespeist
werden, sind der Wärmepumpe wirtschaftlich überlegen und reduzieren den Brennstoffverbrauch
ganz erheblich."
In der Zeitschrift Brennstoff-Wärme-Kraft 1975
wird auf den Seiten 219 bis 224 der Dampfkraftprozeß und der Wärmepumpenprozeß miteinander
verglichen, wobei insbesondere die Gegendruckturbine und die Kupplung Kondensationsturbinel
Wärmepumpe gegenüber gestellt werden. Anhand von Gleichungen und Diagrammen wird
gezeigt, welche Möglichkeiten der Abwärmenutzung im Laufe eines Jahres bestehen
und unter welchen Voraussetzungen die Wärmepumpe sinnvoll eingesetzt werden kann.
Auf Seite 224 steht wörtlich: "Es (das Bild 8) bestätigt, daß die Gegendruckturbine,
besonders bei den höheren Heizwassertemperaturen der Kondensationsturbine-Wärmepumpe-Kupplung
thermodynamisch weit überlegen ist." Sowie: "Die Ergebnisse dieser Untersuchung,
die Abdampfwärme von Kondensationsturbinen für Heizzwecke auszunutzen, sind für
die Kondensationsturbine-Wärmepumpe-Kupplung eindeutig negativ." In dem VDI-Bericht
Nr. 222: "Integrierte Energieversorgung" wird auf Seite 87 gesagt: "Es wird in der
Öffentlichkeit die Frage diskutiert, ob man die Abwärme der Kernkraftwerke nicht
dadurch nutzen könne, daß man das aufgewärmte Kühlwasser in die Ballungsgebiete
leitet und dort das Temperaturniveau mittels Wärmepumpen anhebt." Auf Seite 88 kommt
der Verfasser zu dem Schluß: "Stellt man die Werte zusammen, so sieht man, daß die
Fernheizung mit Kühlwasser und elektrisch angetriebener Wärmepumpe der normalen
Fernheizung bei kalorischer Betrachtung eindeutig unterlegen ist." Sowie: "Die vorangegangenen
Oberlegungen haben die Vorteile der Mehrzweckkraftwerke aufgezeigt. Sie erlauben
in der Form des Heizkraftwerkes, erhebliche Energiemengen einzusparen und ermöglichen
in der Form des Prozeßkraftwerkes, konventionelle Brennstoffe durch Kernenergie
zu ersetzen. Das Heizkraftwerk in Form des Kernkraftwerkes
bietet
neben der Energieeinsparung auch die Möglichkeit der Substitution konventioneller
Brennstoffe - insbesondere von Mineralöl - und trägt damit zu einer generellen Umweltentlastung
auch auf der sogenannten Wärmemüllseite bei." Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist eine Fernwärmeanlage mit einer gegenüber den bekannten Fernwärmeanlagen im Jahresdurchschnitt
erhöhten Gesamtwirtschaftlichkeit durch Kombination eines Dampfkraftwerks und eines
Wärmepumpenkreislaufs.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Fernwärmeanlage nach dem 1. Anspruch
vorgeschlagen. Wenn man für Heizzwecke nicht nur die Abwärme eines Kraftwerkes sondern
auch die in der Umgebung verfügbare Wärme auf dem Wege über einen Wärmepumpenkreislauf
verwertetlkann man erheblich mehr Wärme abgeben, als dem im Kraftwerk verbrauchten
Brennstoff entspricht, d.h. kostbare Primärenergie wird eingespart und eine Belastung
der Umgebung durch nicht nutzbare Abwärme von geringer Temperatur wird vermieden.
Der von einem fossilbeheizten Dampfkessel oder auch von einem kleineren Kernkraftwerk
produzierte Dampf treibt über eine Dampfturbine direkt den Verdichter des Wärmepumpenkreislaufs
an, der aus der Umgebung Wärme von geringem Temperaturniveau entnimmt und auf einem
höheren Temperaturniveau an das Heizmedium abgibt. Der Abdampf der Turbine wird
direkt zur weiteren Beheizung des vom Wärmepumpenkreislaufs bereits vorgewärmten
Heizmediums benutzt.
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Auf diese Weise werden die üblichen Obertragungsverluste vom Generator
zum Motor eines elektrischen Verdichterantriebes vermieden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei auch ein Generator
zur Stromerzeugung vorhanden ist, wird vorgeschlagen, daß mindestens zwei voneinander
trennbare Dampfturbinen vorhanden sind, von denen die eine mit dem Verdichter des
Wärmepumpenkreislaufs kuppelbar ist, während
die andere mit dem
Generator kuppelbar ist. Bei geringerem Wärmeverbrauch, beispielsweise im Sommer,
kann man durch Stromabgabe nach außen die Auslastung des Kraftwerks im Jahresdurchschnitt
verbessern. Die beiden Dampfturbinen können in üblicher Weise als Hochdruck- bzw.
Niederdruckturbine hintereinander geschaltet sein. Bei voller Heizleistung im Winter
wird beispielsweise die mit dem Generator gekuppelte Niederdruckturbine stillgelegt,
während die Hochdruckturbine den Verdichter des Wärmepumpenkreislaufes antreibt
und ihr Abdampf direkt zur Aufheizung des Heizmediums im Fernwärmeverbrauchernetz
benutzt wird. Bei geringer Heizleistung im Sommer wird der Abdampf der Hochdruckturbine
nicht zur Aufheizung des Heizmediums benutzt, sondern in die dann mit der Hochdruckturbine
gekuppelte Niederdruckturbine geleitet und damit zur Stromerzeugung im Generator
verwendet. Der aus der Niederdruckturbine austretende Abdampf wird zusammen mit
der aus der Umgebung entnommenen-Wärme zu Wäre vom Wärmepumpenkreislauf auf ein
höheres Temperaturniveau angehoben und an das Heizmedium abgegeben.
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Da im Sommer sowohl die Umgebungstemperaturen höher liegen als auch
der Wärmebedarf für Heizzwecke geringer ist, erscheint in diesem Fall die vom Wärmepumpenkreislauf
an das Heizmedium abgegebene Wärmemenge ausreichend. Wenn die Art der Wärmeverbraucher
und die klimatischen Bedingungen es zulassen, kann man den Wärmepumpenkreislauf
im Sommer ganz stillsetzen und dementsprechend den Verdichter von der Hochdruckturbine
abkuppeln. In diesem Fall dient die Anlage im Sommer nur zur Stromerzeugung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß ein
elektromotorischer Antrieb für den Verdichter des Wärmepumpenkreislaufes vorhanden
ist. Mit diesem zunächst unwirtschaftlich erscheinenden elektrischen Antrieb des
Verdichters mit Fremdenergie kann zumindestens im Sommer bei Störungen oder Reparaturen
das Wärmekraftwerk stillgelegt
werden und dennoch eine indestwärmemenge,
die aus der Umgebung entnommen wird, an das Verbrauchernetz abgegeben werden. Ein
weiterer Vorteil ergibt sich bei kurzzeitig erhöhtem Wärmebedarf im Verbrauchernetz.
Wenn man mit Hilfe von zusätzlicher elektrischer Fremdenergie dem Verdichter mehr
Leistung zuführt, als die Dampfturbine maximal aufbringen kann, so kann man damit
zumindestens kurzzeitig die Wärmeabgabe an das Verbrauchernetz steigern.
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Dabei wird angenommen, daß die Spitzenlast beim Wärmeverbrauch zu
einer anderen Zeit auftritt, als die Spitzenlast beim Stromverbrauch. Beispielsweise
ist im Winter zu erwarten, daß zahlreiche automatisch gesteuerte Heizungsanlagen
bereits anfangen zu heizen, während ein Großteil der Bevölkerung noch schläft. Die
Spitzenlast beim Stromverbrauch tritt aber erst auf, wenn in Büros und Fabriken
die Arbeit beginnt. Im Ganzen betrachtet wird durch den zusätzlichen elektrischen
Antrieb des Verdichters die Verfügbarkeit der Anlage verbessert, allerdings werden
auch die Investitionskosten erhöht.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
der Generator umschaltbar als elektromotorischer Antrieb für den Verdichter des
Wärmepumpenkreislaufs gestaltet ist. Diese von elektrischen Pumpspeicherwerken her
bekannte Schaltung hat im vorliegenden Fall besondere Vorteile: Weil die Betriebszeit
als elektrischer Antrieb im Jahres~durchschnitt betrachtet gering ist, kann man
einen eventuellen geringeren Wirkungsgrad des Antriebes in Kauf nehmen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei zwischen Dampfturbine
und Dampferzeuger ein von der Umgebung her kühlbarer Dampfkondensator geschaltet
ist, wird vorgeschlagen, daß dieser Dampfkondensator und der Verdampfer des Wärmepumpenkreislaufs
eine bauliche Einheit bilden. Unabhängig von der Frage, ob der Wärmeaustausch mit
der Umgebung mittels Kühlwasser
oder mittels Luft erfolgt, sind
in beiden Fällen mit Rücksicht auf die geringen Temperaturdifferenzen und mit Rücksicht
auf möglichst niedrige Pumpen- bzw.
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Gebläseleistungen große Querschnitte erforderlich.
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Außerdem ist es in beiden Fällen wirtschaftlich, nur einen Kanal und
nur eine Pumpe bzw. nur ein Gebläse vorzusehen.
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Die Vorteile der beschriebenen Fernwärmeanlage sind folgende: 1. Die
relativ geringe Temperaturdifferenz zwischem dem kalten und dem warmen Ende im Wärmepumpenkreislauf
ergibt eine relativ hohe Leistungsziffer für die Wärmepumpe und damit eine hohe
Primärenergie-Einsparung.
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2. Da die Dampfturbine als Krafterzeuger und der Verdichter als Kraftverbraucher
mechanisch direkt gekuppelt sind, entstehen keine Verluste bei Energieumwandlung
und -transport.
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3. Dieses Heizsystem hat einen sehr geringen Exergieverlust.
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Die Figur zeigt in stark schematisierter Form ein mögliches Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Die dick ausgezogenen Linien zeigen den Dampfkreislauf im Heizbetrieb.
Der im Dampferzeuger 1 erhitzte Dampf wird in der Hochdruckturbine 5 entspannt,
gibt seine Wärme in dem Wärmetauscher 10 an das Heizmedium eines nicht näher beschriebenen
Wärmeverbrauchers ab, kondensiert und wird von der Pumpe 19 wieder in den Dampferzeuger
1 gedrückt. Die Hochdruckturbine 5 treibt über eine lösbare Kupplung 6 den Verdichter
7 eines Wärmepumpenkreislaufes an, dessen Heizmedium in dem Wärmetauscher 11 ebenfalls
seine Wärme an das erwähnte Heizmedium eines Wärmeverbrauchers abgibt. Anschließend
wird das Heizmedium des Wärmepumpenkreislaufes in dem Expansionsventil 12 entspannt,
wobei
es sich abkühlt und in dem Wärmetauscher 13 wieder erwärmt,
der aus der Umgebung Wärme entnimmt. Durch Schließen der Armaturen 15 und 16, sowie
durch Öffnen der Armatur 14 wird der Dampfkondensator 17 vom Kühlwasserstrom getrennt,
so daß der ganze Kühlwasserstrom nur durch den Verdampfer 13 fließt. In diesem Fall
sind die Armaturen 9 und 20 geschlossen und die Kupplung 4 geöffnet. Bei reiner
Stromerzeugung dagegen, beispielsweise im Sommer, werden die Armaturen 8 und 18
geschlossen und die Armaturen 9 und 20 geöffnet, so daß der im Dampferzeuger 1 erhitzte
Dampf über die Hochdruckturbine 5 zur Niederdruckturbine 3 strömt, von dort durch
den Kondensator 17 und über die Speisewasserpumpe 19 zum Dampferzeuger 1 zurück.
Die Kupplung 6 ist geöffnet während die Kupplung 4 geschlossen ist, so daß Hochdruckturbine
5 und Niederdruckturbine 3 gemeinsam den Generator 2 antreiben können, der elektrischen
Strom nach außen abgibt.
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Bei geringem Heizbedarf wird die Kupplung 4 geöffnet, die Kupplung
6 geschlossen und die Armaturen 8, 9, 18 und 20 geöffnet, so daß der Verdichter
7 von der Hochdruckturbine 5 und der Generator 2 von der Niederdruckturbine 3 angetrieben
werden Bei kurzzeitig erhöhtem Heizbedarf werden die Kupplungen 4 und 6, sowie die
Armaturen 9 und 20 geschlossen und der Generator 2 als Elektromotor mit Fremdenergie
betrieben. Die Niederdruckturbine 3 läuft unter Vakuum leer mit, so daß der als
Motor geschaltete Generator 2 und die Hochdruckturbine 5 gemeinsam dem Verdichter
7 eine erhöhte Leistung zuführen.