DE3034500A1

DE3034500A1 - Heat pump for steam power plant - uses separately regulated water and refrigerating medium cooling circuits for condenser

Info

Publication number: DE3034500A1
Application number: DE19803034500
Authority: DE
Inventors: Dietrich E. Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Singelmann
Original assignee: Singelmann dietrich E dipl-Ing
Current assignee: Singelmann dietrich E dipl-Ing
Priority date: 1979-09-26
Filing date: 1980-09-12
Publication date: 1982-04-22

Abstract

The heat pump circuit without a compressor used for steam power plant uses a double cooling system for the condenser. This uses a refrigerant medium for the main cooling and lesser circuit using cooling water circulating tubes. The capacity of the two systems is regulated so as to be capable of satisfying the complete cooling requirements. The two systems can be operated independently and in combination so that the load shared between them can be varied within wide limits. The flow of heat due to the temperature and pressure through the refrigerant vapouriser and condenser is controlled by regulating the circulating pump.

Description

Erste Zusatzpatenta^mejlduii^ JzüKFirst additional patent ^ mejlduii ^ JzüK

Kompressorlose Wärmepumpe (Amtliches Aktenzeichen: P 29 38 901.3Compressorless heat pump (official file number: P 29 38 901.3

(Eigenes Aktenzeichen SG 555 XI )(Own file number SG 555 XI)

Bezeichnung des Zusatzpatentes : Kompressorlose Wärmepumpe(insbesondere für den Einbau in ein Dampfkraftwerk) mit vergrösserter Regeifähigkeit . (Eigenes Aktenzeichen : SG 555 XII Name : Dietrich E. Singelmann.Designation of the additional patent: Compressorless heat pump (in particular for installation in a steam power plant) with increased regifiability. (Own file number: SG 555 XII Name: Dietrich E. Singelmann.

Wie aus der Hauptpatentanmeldung hervor geht , ist die Einsparung der gesamten Abwärme-energie aus dem Kondensator eines Dampfkraftwerkes durch eine kompressorlose Wärmepumpe deswegen nicht möglich , weil zur Zurückverflüssigung des benutzten Kältemittels zusätzlich Kühlflüssigkeit benötigt wird ; hierfür war nach der Hauptpatentanmeldung ein Teil des gerade kondensierten Betriebsdampfes benutzt worden , welch¹letzterer eben durch normale Kühlwasserrohre im Kondensator erzeugt wurde . Will man nunmehr 10090 der Abwärme aus einem Kraftwerkskondensator einsparen , so muß ein "i¹remdverbraucher"für die Wärme , die noch aus dem benutzten Kältemittel abzuführen ist , gefunden werden . Es stehen eine ganze Menge von solchen "ITremdverbrauchern" zur Wahl , etwa aus der Lebensmittelbranche Brotbäckereien , Trocknungsanlagen , Zuckerfabriken u.s.w·. oder chemische Betriebe und hier 'vor allen Dingen Brennstoffveredelungsanlagen . Aus dem Studium der Premdverbraucher zeichnen sich nun-sofort deren Eigenarten der Energieabnahme aus ihren Specialbedingungen ab : Es ergibt sich-eine Kurve der Wärmenachfrage über der Tagesund Nachtzeit bezw. weiteren Zeitperioden . Es ergeben sich ganze Paletten von verlangten Temperaturen und Drücken . Die Vielzahl der Möglichkeiten ist derart groß , daß man erst einmal nach praktischen Gesichtspunkten eine·geeignete Auswahl treffen muß : · .As can be seen from the main patent application, it is not possible to save the entire waste heat energy from the condenser of a steam power plant by using a compressorless heat pump, because additional cooling liquid is required to re-liquefy the refrigerant used; for this purpose according to the main patent application, a part of the condensed operating just steam had been used, which latter ¹ has just been produced by normal cooling water tubes in the condenser. If you want to save 10090 of the waste heat from a power plant condenser, you have to find an "i ¹ remd consumer" for the heat that still has to be removed from the refrigerant used. There is a large number of such "external consumers" to choose from, for example from the food industry, bread bakeries, drying plants, sugar factories, etc. or chemical companies and, above all, fuel refining plants. The study of the premd consumers now immediately shows their characteristics of the energy consumption from their special conditions. further time periods. There are whole ranges of required temperatures and pressures. The multitude of possibilities is so great that one must first make a suitable choice based on practical aspects: ·.

Für das Kraftwerk ist eine möglichst konstante Nachfrage nach Wärmelieferung wünschenswert .A constant demand for heat supply is desirable for the power plant.

Hier ist zunächst an ein mittelgroßes bezw. größeres Dampfkraftwerk gedacht , wo der Wärmeanfall bereits beträchtlich ist ; dieses sollte den entsprechenden Wärme-fremdverbraucher möglichst als Nachbarn haben .Here is first of all a medium-sized respectively. larger steam power plant thought where the heat build-up is already considerable; this should address the corresponding external heat consumer if possible as neighbors.

So wurde unter"wärmeverbrauchenden Brennstoffveredelungsanlagen Ausschau gehalten , die namentlich für deutsche Verhältnisse von Interesse sind . Unter den obwaltenden Gesichtspunkten erschien die Kohlevergasung nach dem verbesserten Lurgi-verfahrenSo was under "heat-consuming fuel processing plants Keeping an eye out that are of particular interest for German conditions. From the prevailing point of view appeared coal gasification using the improved Lurgi process

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

von "besonderem Interesse : Das System ist in Figur 1 wiedergegeben . Die-Funktion geht aus der Abbildung und ihren Erklärungen genügend deutlich hervor .of "special interest: the system is shown in FIG . The function is based on the figure and its explanations sufficiently clear.

Von Wichtigkeit ist zu erwähnen , daß der Druck , unter dem die • Kohlevergasung in Retorte 1 vor sich geht , gegenüber anderen Brennstoffveredelungsprozessen z.B. der Vergasung nach demIt is important to note that the pressure under which the coal gasification takes place in retort 1 is compared to others Fuel refining processes e.g. gasification after

Koppers - Totzek - Verfahren oder nach dem Winkler - Verfahren bedeutend erhöht ist undKoppers - Totzek process or according to the Winkler procedure is significantly increased and

zwischen 30 und 100 Atmosphären beträgt . Das erlaubt bedeutend verringerte Abmessungen der zu verwendenden Einzelaggregate . Ss bedingt aber auch einen höheren Wärmebedarf für den Dampf , der in Retorte 1 eingeführt wird .
Betrachtet man nun das Zusammenexistieren der beiden Partneris between 30 and 100 atmospheres. This allows significantly reduced dimensions of the individual units to be used. However, Ss also requires a higher heat requirement for the steam that is introduced into retort 1.
If one now looks at the coexistence of the two partners

• Dampfkraftwerk / Kohlevergasungsanlage , so wird man natürlich die Größe der beiden Betriebe zur Erreichung größter·Wirtschaftlichkeit auf einander abstimmen , so daß im normalen Betrieb die Vergasungsani age 1ΟΟ?ό der vom Kraftwerk gelieferten Wärmeenergie' verbraucht .• Steam power plant / coal gasification plant, that's how you become of course the size of the two farms to achieve the greatest · economic efficiency coordinate with each other, so that in normal operation the gasification system 1ΟΟ? ό of the thermal energy supplied by the power plant ' consumed .

Bei der Auslegung der Aggregate darf man nun nicht nur diesen 'Idealfall zu Grunde legen , sondern muß Notfälle einkalkulieren : Hierbei dürfte das Kraftwerk bis zu einem gewissen Grade den Vorrang haben , da seine Stromenergielieferung nicht durch einen Notfall im Vergasungsbetrieb in Frage gestellt werden darf .When designing the units, one must not only base this 'ideal case', but also take emergencies into account: Here, the power plant should have priority to a certain extent, since its electricity supply is not provided by a Emergency in the gasification plant may be questioned.

• Der böseste Notfall im Vergasungsbetrieb wäre der , der eine plötzliche Unterbrechung der gesamten Fremdverbraucher-dampflie-.• The worst emergency in the gasification plant would be the one sudden interruption of the entire third-party steam.

^ ferung erforderlich machte . Im gleichen Augenblick müßte der Kraftwerksbetrieb um die Aufrechterhaltung des Vakuums im Kraftwerkskondensator besorgt sein .^ tion made necessary. At the same moment he should Power plant operation be concerned about maintaining the vacuum in the power plant condenser.

Hieraus ergibt sich die Forderung zum mindesten bis zum Erhalt ausreichender Betriebserfahrungen,einen kombinierten Kraftwerks-(Wasserdampf)-kondensator vorzusehen , der einmal reichlich mit einem Kühlprozess mittels Verdampfung von Ammoniak oder einem Kältemittel ausgerüstet ist , zum anderen ' ^{an erei1} für den Notfall normalem Kühlwasser arbeiten kann , um ein noch erträgliches Vakuum im Kondensator aufrecht erhalten zu können . Die entsprechenden Systempläne werden in den Figuren 2 bis 4- vorgelegt : Figur 2 ist zunächst der Systemplan aus der Hauptanmel-This results in the requirement, at least, until obtaining sufficient operating experience, a combined power station (water vapor) capacitor provided, which is again equipped with an excess of a cooling process by means of evaporation of ammonia or a refrigerant, on the other ^{'at erei1} normal for the emergency cooling water can work in order to be able to maintain a tolerable vacuum in the condenser. The corresponding system plans are presented in Figures 2 to 4-: Figure 2 is initially the system plan from the main registration

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dung , wo er die^i^renaiunmer MO "tj?ägt . Das entsprechende System eignet sich also nur dafür , so weit als möglich die systemseigene Abwärme im Kühlwasser zu verwenden . So hat auch der Betriebswasserdampf - Kondensator bereits die Kondensationskombination Ammoniakverdampfung / Wasserkühlung eingebaut , die nun auch für die weiteren Systeme zunächst als nötig erscheint Die Figur 2 ist nun in Figur 3 und Figur 4- erweitert für den Fall , daß ein "Fremdverbraucher" mit Dampf beliefert wird , der seine eigenen Vorschriften über Dampftemperatur und -druck besitzt .dung, where he the ^ i ^ renaiunmer MO "tj? ägt. The corresponding The system is therefore only suitable for using the system's own waste heat in the cooling water as much as possible. So has the process water vapor condenser already incorporates the condensation combination ammonia evaporation / water cooling now also appears to be necessary for the other systems. FIG. 2 has now been expanded in FIG. 3 and FIG. 4- for the In the event that a "third-party consumer" is supplied with steam who has his own regulations on steam temperature and pressure owns.

In Figur 3 ist angenommen , daß der Fremdverbraucher im Verhältnis zum Dampfverbrauch des Kraftwerkes weniger e Dampfwärme verlangt ; so ist die die Wiederaufbereitung des Kraftwerksbetriebsdampfes im Absorber (neben einer kleinen Anwärmung im Flüssig ΕΓΗ-,-Kühler) beibehalten . Einzig und allein wird die im IiH,,-Kondensator anfallende Wärme dem Fremdverbraucher zur Verfügung gestellt . Aber auch hier erhebt sich natürlich sofort die Frage , durch welche Manipulationen man verschiedenen Wünschen des Fremdverbrauchers bezüglich Dampftemperatur und -druck entgegen kommen kann . Da der Dampfkreislauf für den Fremdverbraucher getrennt von der. übrigen Anlage ist und die Energie nur durch Wärmetauscher in das Betriebsmedium für den Fremdverbraucher gelangt , ist also schon durch Auslegung und Regelung der Fremdverbraucher-speisepumpe Druck und Liefermenge des Fremdverbrauchermediums (das übrigens nicht unbedingt Wasser bezw. Wasserdampf zu sein braucht) einstellbar und veränderlich je nach der Charakteristik der verwendeten Fremdverbraucher-speisepumpe . Je nach eingestelltem Druck und eingestellter Liefermenge des Fremdverbrauchermediums wird nun auch der FrerndverbraucherU/artfie-■bedarf vom HEU-kondensator sein . ■In Figure 3 it is assumed that the external consumer in proportion the steam consumption of the power plant less e Steam heat required; so is the reprocessing of the power plant operating steam in the absorber (in addition to a small Maintain heating in the liquid ΕΓΗ -, - cooler). The only thing that is generated is the heat generated in the IiH ,, condenser made available to the external consumer. But here too, of course, the question immediately arises as to which manipulations you can meet the various wishes of the external consumer with regard to steam temperature and pressure. Since the steam circuit for the external consumer is separate from the. the rest of the system and the energy only through heat exchanger in the operating medium for the external consumer arrives, so it is already through the design and control of the external consumer feed pump Pressure and delivery volume of the external consumer medium (which, by the way, does not necessarily have to be water or water vapor needs) adjustable and changeable depending on the characteristic the external consumer feed pump used. Depending on the set pressure and set delivery quantity of the External consumer medium is now also the external consumer / artfie ■ need be from the HEU capacitor. ■

Nach Figur 10 der Hauptanmeldung bezw. Figur 2 der vorliegenden Zusatzanmeldung wird zur Zirkulation der schwachen bezw. konzentrierten NH^-lösung eine bloße Umwälzpumpe verwandt . Das heißt , der mittlere Druck im NH, -verdampfer , -absorber , -ausdampfer und -kondensator liegt um 8 bis 10 Atmosphären (wenn der Kraftwerkswasserdampf bei 20⁰C kondensiert werden soll) .According to Figure 10 of the main application respectively. Figure 2 of the present additional application is BEZW for the circulation of the weak. concentrated NH ^ solution a mere circulation pump is used. That is, the average pressure in the NH, vaporizer, absorber, condenser and -ausdampfer is around 8 to 10 atmospheres (when the power plant steam to be condensed at 20 ⁰ C).

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Bei erh.oh.tem Wärmebedarf des Fremdverbrauchers läßt sich nun die Umwälzpumpe für die NH-,-lösungen durch eine Pumpe für erhöhten Druck und mit guter Regelcharakteristik ersetzen . Das bedeutet nach' dem NEU-diagramm Figur A- der Hauptanmeldung (Das Diagramm ist als Figur 5 in äer Zusatzanmeldung wiederholt) folgendes :If the external consumer has an increased heat demand, the the circulation pump for the NH -, - solutions by a pump for increased Replace pressure and with good control characteristics. That means according to the NEW diagram Figure A of the main application (The diagram is repeated as Figure 5 in the additional application) the following:

Bei nur teilweiser Hutzung des Kraftwerksabdampfverlustes bewegt man sich im Diagramm mehr oder weniger auf einer Horizontalen gleichen Druckes nach rechts bezw. nach links . Bei größerer Nutzung unter Einschaltung eines Fremdverbrauchers ist es möglich , den Druck des ÜTH^-verdampfers (im Kondensator), und -absorbers zu belassen - - - dann aber (durch Auswechselung der NH^-lösungsumwälzpumpe) den Druck des EfflU-ausdampfers und NH-z-kondensators zu erhöhen .With only partial use of the power plant exhaust steam loss one moves in the diagram more or less on a horizontal line of the same pressure to the right respectively. to the left . In the case of larger use with the involvement of an external consumer, it is possible to reduce the pressure of the ÜTH ^ evaporator (in the condenser), and -absorbers to leave - - - but then (by replacing the NH ^ solution circulation pump) the pressure of the EfflU evaporator and NH-z capacitor to increase.

Sofort springen die Betriebstemperaturen des Ausdampfers und Kondensators an und erlauben mehr Wärmeentnahme . . Bereits Wasser als ΝΗ,-lösungsmittel besitzt die-Tendenz der Temperatursteigerung bei Druckerhöhung und zwar desto stärker ■ je dünner die Lösung ist . Einige Salze als Lösungsmittel dürften diese Tendenz bereits im Exzess besitzen , sodaß auch selbst die Dampflieferung zum Betrieb des weiterentwickelten · Lurgiverfahrens mit 100 Atmosphären Retortendruck und einer entsprechenden Sattdampftemperatur von 510°C möglich ist .. Figur 4· zeigt schließlich noch die Anordnung , bei der der Fremdverbraucher praktisch die gesamte Wärmemenge beansprucht ," die durch die Einsparung der Kraftwerksabwasserwärme und die iTH^-verdampfung zur Verfügung steht .The operating temperatures of the evaporator and condenser jump immediately and allow more heat to be extracted. . Even water as a ΝΗ, -solvent has the tendency to Temperature increase with pressure increase and that the more ■ the thinner the solution is. Some salts are likely to act as solvents already have this tendency in excess, so that even the steam supply for the operation of the further developed · Lurgi procedure with 100 atmospheres retort pressure and one corresponding saturated steam temperature of 510 ° C is possible .. Finally, FIG. 4 shows the arrangement in which the External consumers used practically the entire amount of heat, "by saving the power plant wastewater heat and by iTH ^ evaporation is available.

Abschliessend sollte nun noch betont werden , daß in der vorliegenden Zusatzpatentanmeldung ein besonders schwieriger Fall "die Vermählung Dampfkraftwerk/Kohlevergasung" behandelt wurde. "Von nahem betrachtet" ist das Lurgi-verfahren eine Fortsetzung des Gaserzeugungsverfahrens , das man unter dem Namen "Wassergaserzeugung" kennt . Auch dieses liesse sich mit dem Kraftwerksprozess kuppeln .Finally, it should be emphasized that in the present Additional patent application a particularly difficult case "the marriage steam power plant / coal gasification" was dealt with. "Viewed from close up" the Lurgi process is a continuation of the gas generation process known under the name "Water gas generation" knows. This could also be coupled with the power plant process.

Aber schon die "Veredelung" der gewöhnlichen Braunkohle beaw; des Torfs durch bloßes Trocknen sollte einmal unter die Lupe genommen werden , um diese Brennstoffe "kraftwerkswürdiger" zu machen .But already the "refinement" of ordinary brown coal is beaw; of the peat by simply drying it should be examined carefully in order to make these fuels more "worthy of a power plant" do .

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Claims

Claims for additional patent application: Compressorless heat pump (especially for installation in a steam power plant) with increased control capability. (Own file number SG 555 XII)

'/ 1) Installation of a compressorless heat pump in a steam power ^ srerkskreislauf after. Patent application P 29 38 901.3 thereby indicates that the condenser is used to condense the operation- steam from the power plant uses a combination of two cooling systems, namely sufficient cooling by means of refrigeration • . medium evaporation and a tightly dimensioned cooling by means of ■. normal cooling water pipes. . ■

.2) Installation of a compressorless heat pump according to claim T thereby marked that the capacities of the two cooling systems. ' · in the power plant capacitor are designed so that each for itself. is able to meet all cooling needs.

3) installation of a compressorless heat pump according to claim 1 and 2, characterized in that the two cooling systems in the power plant condenser can be operated either individually or together, with the load sharing between can be regulated within wide limits.

4 ·) Installation of a compressorless heat pump. According to claim 1 thereby characterized in that the heat flow through the BEZW. the pressure and the temperature in the refrigerant evaporator and condenser by controlling the solution circulation pump BEZW '. their replacement ■ be regulated.