EP1703201B1 - Verfahren zur Wärmeenergieübertragung - Google Patents

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EP1703201B1 EP05005089A EP05005089A EP1703201B1 EP 1703201 B1 EP1703201 B1 EP 1703201B1 EP 05005089 A EP05005089 A EP 05005089A EP 05005089 A EP05005089 A EP 05005089A EP 1703201 B1 EP1703201 B1 EP 1703201B1
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heat exchanger
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D1/00—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters
    • F22D1/003—Feed-water heater systems

Definitions

  • the invention relates to a method for heat energy transfer between a gaseous, warmer medium on the one hand and a liquid, colder medium on the other hand.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved method for heat energy transfer.
  • the invention proposes to provide a method for heat energy transfer between a gaseous, warmer medium on the one hand and a liquid, colder medium on the other hand according to the independent claim 1.
  • the quantitative ratio of liquid and gaseous medium is chosen as a function of the temperature difference between liquid and gaseous medium at the beginning of the thermal energy transfer.
  • the flow of the liquid medium can be divided, in which case only part of the liquid medium flow is passed through the plate heat exchanger.
  • the amount of the liquid medium in the partial flow can be determined, wherein it depends on the temperature difference between the liquid and gaseous medium at the beginning of the heat energy transfer.
  • the flow of the gaseous medium before reaching the plate heat exchanger in a main gas flow on the one hand and a side stream on the other hand is divided.
  • the main gas stream is passed through the plate heat exchanger for heat energy transfer whereas the side gas stream is routed around the plate heat exchanger.
  • the secondary gas flow is thus a bypass for the plate heat exchanger.
  • the purpose of the by-pass gas stream is to re-mix the main gas stream after passing through the plate heat exchanger with the secondary gas stream so that the acid dew point can be avoided.
  • the quantity ratio of the main gas flow and the secondary gas flow must be selected accordingly.
  • a mixer connected downstream of the plate heat exchanger in the flow direction is preferably used.
  • a hybrid heat exchanger is used as a plate heat exchanger, which has been found to be particularly suitable for achieving an optimized heat energy transfer between gaseous medium on the one hand and liquid medium on the other.
  • the liquid medium is guided for the purpose of generating electrical energy in a closed flow circuit I.
  • This flow circuit I is formed by a pipeline 10, in which the liquid medium, for example feed water, is circulated by means of pumps 4.
  • the liquid medium is fed into a boiler 1, where it is evaporated.
  • the resulting vapor is then passed through a turbine 2 for electrical power generation.
  • the expanded steam passes to a condenser 3, where the liquid medium condenses out.
  • the resulting condensate is fed back to the boiler 1 via a degasser 5.
  • the turbine 2 and the degasser 5 via a bypass 11 in fluid communication.
  • the exhaust gases leaving the boiler 1 are conducted as gaseous medium through the open flow circuit II to the chimney 8.
  • a suction gas 9 is introduced for this purpose.
  • the liquid medium leaving the condenser 3 is discharged via the feed 13 and the discharge 14 through a plate heat exchanger 6, which is preferably designed as a hybrid heat exchanger.
  • the feed 13 is connected to the pipeline 10 with the interposition of a freely adjustable valve 16.
  • the plate heat exchanger 6 the liquid medium is guided past a part of the gaseous medium leaving the boiler 1 as waste gas. This leads to a cooling of the gaseous medium, wherein the water contained therein condenses out. The heat energy released as a result of the condensation is transferred to the liquid medium, so that the liquid medium leaving the plate heat exchanger 6 is warmer than the liquid medium entering the plate heat exchanger 6.
  • the flow of the gaseous medium is divided into a main gas stream and a secondary gas stream.
  • the main gas stream is passed through the plate heat exchanger 6, whereas the secondary gas stream is bypassed around the plate heat exchanger 6 as a bypass 12.
  • a mixer 7 is provided behind the plate heat exchanger 6, in which the main gas flow leaving the plate heat exchanger 6 is mixed with the side gas flow passing past the plate heat exchanger 6. The ratio of the main gas stream and the secondary gas stream is chosen so that a drop below the acid dew point is avoided.
  • measuring points a-m are shown in the schematic illustration according to FIG. 1, the measured values being reproduced at these measuring points in the following table: measuring point temperature print enthalpy a 109 ° C 60 bar 461 kJ / kg b 300 ° C 60 bar 2,885 kJ / kg c 30 ° C 1.4 bar 126 kJ / kg d 30 ° C 2 bar 126 kJ / kg e 100 ° C 1.4 bar 418 kJ / kg f 79 ° C 1.4 bar 330 kJ / kg G 180 ° C 3 bar 2,824 kJ / kg H 109 ° C 1.4 bar 457 kJ / kg i 199 ° C 218.9 kJ / kg j 199 ° C 229 kJ / kg k 199 ° C 218.9 kJ / kg l 50 ° C 54 kJ / kg m 95 ° C

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeenergieübertragung zwischen einem gasförmigen, wärmeren Medium einerseits und einem flüssigen, kälteren Medium andererseits.
  • Verfahren der vorbekannten Art sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt, so daß es eines gesonderten, druckschriftlichen Nachweises an dieser Stelle nicht bedarf. Auch ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zur Wärmeenergieübertragung Plattenwärmetauscher einzusetzen. Plattenwärmetauscher als solche sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt, so zum Beispiel aus der EP 0 658 735 B1 , und aus der US 6 470 835 B1 .
  • Obgleich Verfahren zur Wärmeenergieübertragung aus dem Stand der Technik bekannt sind und sie sich im Praxiseinsatz bewährt haben, sind sie nicht frei von Nachteilen. Es besteht daher ein ständiges Bestreben, Verfahren der vorgenannten Art zu optimieren, insbesondere mit Blick auf ihren Wirkungsgrad.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Wärmeenergieübertragung anzugeben.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen ein Verfahren zur Wärmeenergieübertragung zwischen einem gasförmigen, wärmeren Medium einerseits und einem flüssigen, kälteren Medium andererseits gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 anzugeben.
  • Anders als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur ein einfacher Wärmeübergang zwischen dem gasförmigen Medium und dem flüssigen Medium erreicht, vielmehr ist vorgesehen, das gasförmige Medium so weit abzukühlen, daß das darin enthaltene Wasser auskondensiert. Die dabei frei werdende Energie wird mittels des Plattenwärmetauschers an das flüssige Medium übertragen, welches dadurch aufgeheizt wird. Der Wirkungsgrad dieses Verfahrens ist in vorteilhafter Weise sehr viel besser als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
  • Das Mengenverhältnis von flüssigem und gasförmigem Medium wird in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen flüssigem und gasförmigem Medium zu Beginn der Wärmeenergieübertragung gewählt. Zu diesem Zweck kann der Strom des flüssigen Mediums geteilt werden, wobei dann nur der eine Teil des flüssigen Mediumstroms durch den Plattenwärmetauscher geführt wird. In Abhängigkeit der Menge an flüssigem Medium kann die Menge des flüssigen Mediums im Teilstrom bestimmt werden, wobei es auf die Temperaturdifferenz zwischen flüssigem und gasförmigem Medium zu Beginn der Wärmeenergieübertragung ankommt. Diese Ausgestaltung macht es in vorteilhafter Weise möglich, auf das erfindungsgemäße Verfahren regulierend einzugreifen, so daß die Verfahrensdurchführung mit Blick auf eine optimierte Wärmeenergieübertragung verändert und wahlweise eingestellt werden kann.
  • Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Strom des gasförmigen Mediums vor Erreichen des Plattenwärmetauschers in einen Hauptgasstrom einerseits und einen Nebengasstrom andererseits unterteilt wird. Der Hauptgasstrom wird zwecks Wärmeenergieübertragung durch den Plattenwärmetauscher geführt, wohingegen der Nebengasstrom um den Plattenwärmetauscher herum geführt wird. Der Nebengasstrom stellt insofern einen Bypass für den Plattenwärmetauscher dar.
  • Sinn und Zweck des Nebengasstromes, das heißt des Bypasses ist es, den Hauptgasstrom nach einem Passieren des Plattenwärmetauschers mit dem Nebengasstrom wieder zu vermischen, so daß eine Unterschreitung des Säuretaupunktes vermieden werden kann. Zu diesem Zweck ist das Mengenverhältnis von Hauptgasstrom und Nebengasstrom entsprechend zu wählen. Zur Vermischung von Hauptgasstrom und Nebengasstrom wird vorzugsweise ein dem Plattenwärmetauscher in Strömungsrichtung nachgeschalteter Mischer eingesetzt.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß als Plattenwärmetauscher ein Hybridwärmetauscher eingesetzt wird, der sich als besonders geeignet für die Erzielung einer optimierten Wärmeenergieübertragung zwischen gasförmigem Medium einerseits und flüssigem Medium andererseits herausgestellt hat.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der einzigen Figur. Diese zeigt in schematischer Darstellung den Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Wie die Fig. erkennen läßt, wird das flüssige Medium zwecks elektrischer Energieerzeugung in einem geschlossenen Strömungskreislauf I geführt. Dieser Strömungskreislauf I ist durch eine Rohrleitung 10 gebildet, in der das flüssige Medium, beispielsweise Speisewasser, mittels Pumpen 4 umgewälzt wird.
  • Das flüssige Medium wird in einen Kessel 1 geführt, wo es verdampft wird. Der entstehende Dampf wird alsdann zur elektrischen Energieerzeugung durch eine Turbine 2 geführt. Nach Passieren der Turbine 2 gelangt der entspannte Dampf zu einem Kondensator 3, wo das flüssige Medium auskondensiert. Das dabei entstehende Kondensat wird über einen Entgaser 5 dem Kessel 1 wieder zugeführt. Dabei stehen, wie die Fig. deutlich erkennen läßt, die Turbine 2 und der Entgaser 5 über einen Bypass 11 in strömungstechnischer Verbindung.
  • Die Abgase, die den Kessel 1 verlassen, werden als gasförmiges Medium über den offenen Strömungskreislauf II zum Kamin 8 geführt. In die Rohrleitung 15 ist zu diesem Zweck ein Sauggasabzug 9 eingebracht.
  • Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teil des flüssigen Mediums, welches den Kondensator 3 verläßt, über die Zuführung 13 und die Abführung 14 durch einen Plattenwärmetauscher 6, der vorzugsweise als Hybridwärmetauscher ausgebildet ist, abgeführt. Zu diesem Zweck ist die Zuführung 13 unter Zwischenschaltung eines frei einstellbaren Ventils 16 an die Rohrleitung 10 angeschlossen. Im Plattenwärmetauscher 6 wird das flüssige Medium an einem Teil des als Abgas den Kessel 1 verlassenden gasförmigen Mediums vorbeigeführt. Hierdurch kommt es zu einer Abkühlung des gasförmigen Mediums, wobei das darin enthaltene Wasser auskondensiert. Die infolge der Kondensation frei werdende Wärmeenergie wird an das flüssige Medium übertragen, so daß das den Plattenwärmetauscher 6 verlassende flüssige Medium wärmer ist, als das in den Plattenwärmetauscher 6 eintretende flüssige Medium.
  • Vor Eintritt in den Plattenwärmetauscher 6 wird der Strom des gasförmigen Mediums in einen Hauptgasstrom und einen Nebengasstrom unterteilt. Der Hauptgasstrom wird durch den Plattenwärmetauscher 6 geführt, wohingegen der Nebengasstrom als Bypass 12 um den Plattenwärmetauscher 6 herumgeführt wird. In Strömungsrichtung ist hinter dem Plattenwärmetauscher 6 ein Mischer 7 vorgesehen, in dem der den Plattenwärmetauscher 6 verlassende Hauptgasstrom mit dem am Plattenwärmetauscher 6 vorbeigeführten Nebengasstrom vermischt wird. Dabei wird das Mengenverhältnis von Hauptgasstrom und Nebengasstrom so gewählt, daß eine Unterschreitung des Säuretaupunktes vermieden wird.
  • Wie die Fig. erkennen läßt, wird nicht der gesamte Strom des flüssigen Mediums durch den Plattenwärmetauscher 6 geführt. Über die Zuführung 13 und die Abführung 14 gelangt vielmehr nur ein Teil des flüssigen Mediums durch den Plattenwärmetauscher 6. Dabei wird das Mengenverhältnis von flüssigem Medium und gasförmigem Medium, welche durch den Plattenwärmetauscher 6 geführt werden, in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen flüssigem und gasförmigem Medium zu Beginn der Wärmeenergieübertragung gewählt. Auf diese Weise läßt sich die Verfahrensführung in Abhängigkeit der Medientemperaturen optimieren, so daß sichergestellt ist, daß stets ein hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Medienmengen und der herrschenden Temperaturunterschiede eine optimierte Wärmeenergieübertragung auf das flüssige Medium stattfindet.
  • Zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in die schematische Darstellung nach der Fig. Meßstellen a - m eingezeichnet, wobei die Meßwerte an diesen Meßstellen in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben sind:
    Meßstelle Temperatur Druck Entalpie
    a 109°C 60 bar 461 kJ/kg
    b 300°C 60 bar 2.885 kJ/kg
    c 30°C 1,4 bar 126 kJ/kg
    d 30°C 2 bar 126 kJ/kg
    e 100°C 1,4 bar 418 kJ/kg
    f 79°C 1,4 bar 330 kJ/kg
    g 180°C 3 bar 2.824 kJ/kg
    h 109°C 1,4 bar 457 kJ/kg
    i 199°C 218,9 kJ/kg
    j 199°C 229 kJ/kg
    k 199°C 218,9 kJ/kg
    l 50°C 54 kJ/kg
    m 95°C 102 kJ/kg
  • Mit den in der vorstehenden Tabelle beispielhaft angegebenen Werten wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Wärmerückgewinnung von 2.559 kW erreicht.
    • Bezugszeichenliste
    • I
    Strömungskreislauf flüssiges Medium
    II
    Strömungskreislauf gasförmiges Medium
    1
    Kessel
    2
    Turbine
    3
    Kondensator
    4
    Pumpe
    5
    Entgaser
    6
    Plattenwärmetauscher
    7
    Mischer
    8
    Kamin
    9
    Saugabzug
    10
    Rohr
    11
    Bypass
    12
    Bypass
    13
    Zuführung
    14
    Abführung
    15
    Leitung
    16
    Ventil
    a - m
    Meßstelle

Claims (6)

  1. Verfahren zur Wärmeenergieübertragung zwischen einem gasförmigen, wärmeren Medium einerseits und einem flüssigen, kälteren Medium andererseits, bei dem das flüssige und das gasförmige Medium mittels eines Plattenwärmetauschers (6) aneinander vorbeigeführt werden, wobei das gasförmige Medium abgekühlt und das darin enthaltene Wasser auskondensiert wird, wobei die infolge der Kondensation frei werdende Wärmeenergie an das flüssige Medium übertragen wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Strom des gasförmigen Mediums vor Erreichen des Plattenwärmetauschers (6) in einen Hauptstrom und einen Nebenstrom unterteilt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis von flüssigem und gasförmigem Medium in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen flüssigem und gasförmigem Medium zu Beginn der Wärmeenergieübertragung gewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenstrom des gasförmigen Mediums um den Plattenwärmetauscher (6) herum geführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrom des gasförmigen Mediums nach Passieren des Plattenwärmetauschers (6) mit dem am Plattenwärmetauscher (6) vorbeigeführten Nebengasstrom des gasförmigen Mediums vermischt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis von Hauptgasstrom und Nebengasstrom so gewählt wird, daß ein Unterschreiten des Säuretaupunktes vermieden wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Plattenwärmetauscher (6) ein Hybridwärmetauscher eingesetzt wird.
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