PL228395B1 - Sposób zwiekszenia sprawnosci obiegu cieplnego siłowni na parametry nadkrytyczne, zwłaszcza dla tzw. „suchych” czynników roboczych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki. Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększenia sprawności obiegu cieplnego siłowni przeznaczonej do pracy z różnymi czynnikami, a szczególnie z tzw. „suchymi” czynnikami roboczymi o nadkrytycznych parametrach początkowych.

Stan techniki. Idea wykorzystania czynników organicznych w różnego typu siłowniach cieplnych znana jest od wielu lat. Z reguły realizacja takiego obiegu sprowadza się do prostego układu, pokazanego na rys. 1, złożonego z wytwornicy pary (górne źródło ciepła), urządzenia ekspandującego (turbiny), skraplacza (dolnego źródła ciepła) i pompy obiegowej. Dla tzw. „czynników suchych” (dla których na wykresie temperatura-entropia krzywa nasycenia dla pary spełnia relację dT/ds>0) często stosuje się dodatkowo tzw. regenerator, w którym ciepło przegrzania pary po opuszczeniu urządzenia ekspandującego wykorzystywane jest do podgrzewania cieczy czynnika przed wlotem do wytwornicy pary, co pokazano na rys. 2. W przypadku podkrytycznych parametrów czynnika roboczego para na wyjściu z wytwornicy jest z reguły parą suchą nasyconą lub lekko przegrzaną, W obiegach na nad-krytyczne parametry czynnika pompa podnosi ciśnienie do wartości nadkrytycznych. W tym przypadku proces wytworzenia pary świeżej odbywa się dzięki ciepłu przekazanemu z zewnętrznych źródeł w wytwornicy pary, z dodatkowym wykorzystaniem ciepła z regeneratora. Jako czynniki robocze używa się najczęściej różnych czynników organicznych i dlatego przyjęło się używać dla tego typu obiegów nazwę ORC - organiczne obiegi Rankine’a (ang. Organic Rankine Cycle). Tego typu układy znajdują zastosowanie szczególnie w takich przypadkach, w których dysponuje się górnym źródłem ciepła o stosunkowo niewysokich temperaturach, np. ciepłem odpadowym różnych procesów technologicznych, energetycznych, itp. Z tego powodu sprawności termodynamiczne takich układów są stosunkowo niewysokie.

Wykaz oznaczeń na rys. 1 oraz rys. 2: 1 ekspander (np. turbina), II generator elektryczny, III skraplacz, IV pompa obiegowa, V wytwornica pary roboczej, VI regenerator.

Charakterystyczne punkty obiegu na rys. 1: 0 czynnik roboczy przed ekspanderem (np. przed turbiną), 2 czynnik roboczy za ekspanderem (np. za turbiną), 3 czynnik roboczy w fazie ciekłej za skraplaczem, 4 czynnik roboczy w fazie ciekłej za pompą, 5 czynnik roboczy za regeneratorem (strumień pobierający ciepło).

Charakterystyczne punkty obiegu na rys. 2: 0 czynnik roboczy przed ekspanderem (np. przed turbiną), 2 czynnik roboczy za ekspanderem (np. za turbiną), 3 czynnik roboczy w fazie gazowej za regeneratorem (strumień przekazujący ciepło), 4 czynnik roboczy w fazie ciekłej za skraplaczem, 5 czynnik roboczy w fazie ciekłej za pompą, 6 czynnik roboczy za regeneratorem (strumień pobierający ciepło).

Istota wynalazku. Sposób według wynalazku polega na tym, że obieg siłowni składa się z: regeneratora oraz wymiennika wysokotemperaturowego, które razem pełnią funkcję wytwornicy pary o parametrach nadkrytycznych, urządzenia ekspandującego (np. turbiny), skraplacza i pompy zasilającej, a istota układu według wynalazku polega na tym, że ciepło przegrzania czynnika wypływającego z ekspandera wykorzystuje się w regeneratorze do podgrzewania czynnika za pompą do wysokiej temperatury (limitowanej temperaturą czynnika wypływającego z ekspandera), a następnie para jest dalej podgrzewana dzięki ciepłu ze źródeł zewnętrznych w wymienniku wysokotemperaturowym, a proces sprężania czynnika odbywa się w pompie do ciśnienia nadkrytycznego dla danego czynnika roboczego.

Istota wynalazku polega na tym, że ciepło dostarczane jest do obiegu w zakresie wysokich temperatur (w wymienniku wysokotemperaturowym), oddawanie ciepła z obiegu odbywa się w skraplaczu przy niskiej temperaturze, przy czym przyrost ciśnienia czynnika roboczego odbywa się w pompie, co wymaga stosunkowo niedużej pracy sprężania. W stosunku do stosowanych wcześniej obiegów rozszerzono funkcję regeneratora, który pełni rolę wytwornicy pary o wysokich parametrach, a nie tylko funkcję podgrzewacza, jak w stosowanych do tej pory rozwiązaniach. Podniesiono także wartości temperatury początkowej i ciśnienia początkowego wyraźnie powyżej obecnie stosowanego zakresu. To umożliwiło wykorzystanie ciepła przegrzania czynnika, który przepracował uprzednio w ekspanderze, szczególnie dla tzw. czynników suchych.

Dzięki tym zabiegom układ według wynalazku odznacza się znacznie wyższą sprawnością od stosowanych obecnie odpowiednich obiegów turbinowych. Istota wynalazku według alternatywnych rozwiązań polega na tym, że w rozwiązaniach wariantowych można: - zastosować dodatkowe elementy, np. podnoszące sprawność obiegu, jak dodatkowe przegrzewy pary, sprężarki, zaczepy regeneracyjne, upusty itp., - tworzyć obiegi kombinowane z innymi obiegami (także innych typów), - tworzyć układy kogeneracyjne i poligeneracyjne.

Zaletami rozwiązania według wynalazku są: - wykorzystanie możliwie maksymalnie ciepła przegrzania czynnika wypływającego z ekspandera do podgrzania i wytwarzania pary czynnika roboczego za pompą powoduje zmniejszenie ciepła odprowadzanego z obiegu i zmniejszenie dolnej temperatury obiegu oraz zmniejszenie ciepła doprowadzonego do obiegu i zwiększenie górnej temperatury obiegu, co wyraźnie zwiększa sprawność obiegu, - przyrost ciśnienia czynnika roboczego odbywa się całkowicie w pompie (w fazie cieczy), co wpływa na zmniejszenie pracy sprężania obiegu, - obieg według wynalazku ma wyższą sprawność cieplną od stosowanych obecnie rozwiązań siłowni ORC dla tych samych zakresów temperatur.

Objaśnienie figur na rysunku. Przedmiot wynalazku pokazano na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ siłowni cieplnej, a odpowiadającą mu interpretację w układzie temperatura-entropia dla przykładowych parametrów projektowych przedstawiono na fig. 2 dla siloksanu MM, na fig. 3 dla n-butanu, i na fig. 4 dla czynnika R245fa, jako czynników roboczych.

Przykład wykonania wynalazku. Przykładowe rozwiązanie pokazano na fig. 1. Układ składa się z ekspandera (I) (np. turbiny) napędzającego generator elektryczny (II), skraplacza (III), pompy obiegowej (IV), podgrzewacza wysokotemperaturowego (V), regeneratora (VI).

Charakterystyczne punkty obiegu: 0 czynnik roboczy za wymiennikiem wysokotemperaturowym, (przed ekspanderem, np. przed turbiną), 2 czynnik roboczy za ekspanderem (np. za turbiną), 3 czynnik roboczy za wytwornicą pary (strumień przekazujący ciepło), 4 czynnik roboczy w fazie ciekłej za skraplaczem, 5 czynnik roboczy w fazie ciekłej za pompą, 6 czynnik roboczy przed wymiennikiem wysokotemperaturowym.

Pompa zasilająca (obiegowa) (IV) zwiększa ciśnienie cieczy roboczej do wartości nadkrytycznej (od punktu (4) do punktu (5)) i podaje ją do regeneratora (VI), gdzie kosztem ciepła (od punktu (2) do punktu (3)) odbieranego od przegrzanej pary czynnika roboczego, (który już przepracował w ekspanderze) następuje proces podgrzewania czynnika roboczego o ciśnieniu nadkrytycznym (od punktu (5) do punktu (6)). Para z wytwornicy (VI) kierowana jest do wymiennika wysokotemperaturowego (V), gdzie zwiększa się jej temperatura kosztem ciepła przekazanego od czynnika grzewczego (np. spalin) (od punktu (6) do punktu (0)). Po wyjściu z wymiennika wysokotemperaturowego (V) czynnik dopływa do ekspandera (1) (np. turbiny), gdzie ekspanduje (od punktu (0) do punktu (2)) i oddaje przy tym moc do napędu generatora elektrycznego (II). Następnie czynnik roboczy dopływa do regeneratora (VI), w którym oddaje swoje ciepło (od punktu (2) do punktu (3)) do podgrzewania czynnika roboczego (od punktu (5) do punktu (6)). Z regeneratora (VI) czynnik wpływa do skraplacza (III) i wykrapla się (od punktu (3) do punktu (4)), a powstałe skropliny dopływają do pompy (IV) i cykl się powtarza.

Przykładowy obieg z siloksanem MM, jako czynnikiem roboczym przedstawiony na fig. 2, przykładowy obieg z butanem pokazany na fig. 3 i przykładowy obieg z R245fa pokazany na fig. 4 udowadniają fizyczną możliwość realizacji poszczególnych przemian i procesów termodynamicznych.

Rozwiązania alternatywne przedstawione na fig. 5, fig. 6 i fig. 7 stanowią przykłady rozbudowanych wersji obiegu przedstawionego na fig. 1. Zostały one wyposażone w wymiennik pełniący funkcję przegrzewu wtórnego. Dzięki temu wzrasta sprawność obiegu. - W alternatywnym rozwiązaniu według wynalazku układ przedstawiony na fig. 5 składa się z ekspandera, rozdzielonego na część wysokoprężną (la) i część niskoprężną (Ib), napędzającego generator elektryczny (II), regeneratora (VI), skraplacza (III), pompy obiegowej (IV), podgrzewacza wysokotemperaturowego (Va) oraz dodatkowego wysokotemperaturowego wymiennika ciepła (Vb) pełniącego rolę przegrzewu wtórnego. - W alternatywnym rozwiązaniu według wynalazku układ przedstawiony na fig. 6 składa się z ekspandera, rozdzielonego na część wysokoprężną (Ia) i część niskoprężną (Ib), napędzającego generator elektryczny (II), regeneratora (VI), skraplacza (III), pompy obiegowej (IV), podgrzewacza wysokotemperaturowego (V), który pełni jednocześnie funkcję przegrzewacza wtórnego. - W alternatywnym rozwiązaniu według wynalazku układ przedstawiony na fig. 7 składa się z ekspandera, rozdzielonego na część (Ia) i (Ib), napędzającego generator elektryczny (II), regeneratora (VI), skraplacza (III), pompy obiegowej (IV), podgrzewacza wysokotemperaturowego (Va), dodatkowego wysokotemperaturowego wymiennika ciepła (Vb) pełniącego rolę przegrzewu wtórnego oraz sprężarki (VII), która zwiększa ciśnienie czynnika przed wymiennikiem (Vb) i ekspanderem (lb).

Wykaz oznaczeń na rysunku I ekspander (np. turbina), la część wysokoprężna ekspandera (turbina wysokoprężna),

Ib część niskoprężna ekspandera (turbina niskoprężna), II generator elektryczny, III skraplacz, IV pompa obiegowa, V regenerator/wytwornica pary roboczej,

Va regenerator/wytwornica pary roboczej w siłowni, z tzw. przegrzewem międzystopniowym,

Vb podgrzewacz wysokotemperaturowy, pełniący funkcję przegrzewacza międzystopniowego.

Charakterystyczne punkty obiegu: 0 czynnik roboczy przed ekspanderem (np. przed turbiną), 1 czynnik roboczy za ekspanderem wysokoprężnym (np. za turbiną wysokoprężną), 1a czynnik roboczy przed ekspanderem niskoprężnym (np. przed turbiną niskoprężną), 2 czynnik roboczy za ekspanderem (np. za turbiną), 3 czynnik roboczy w fazie gazowej za wytwornicą pary (strumień przekazujący ciepło), 4 czynnik roboczy w fazie ciekłej za skraplaczem, 5 czynnik roboczy w fazie ciekłej za pompą, 6 czynnik roboczy za wytwornicą pary, 8 czynnik grzewczy (np. spaliny) na wlocie do wymiennika wysokotemperaturowego, 8a czynnik grzewczy (np. spaliny) na wlocie do wymiennika wysokotemperaturowego pełniącego funkcję przegrzewu wtórnego, 9 czynnik grzewczy (np. spaliny) na wylocie z wymiennika wysokotemperaturowego, 9a czynnik grzewczy (np. spaliny) na wylocie z wymiennika wysokotemperaturowego pełniącego funkcję przegrzewu wtórnego.

Claims (2)

1. Zastrzeżenie patentowe
2. 1. Sposób zwiększenia sprawności obiegu cieplnego siłowni na parametry nadkrytyczne, zwłaszcza dla tzw. „suchych” czynników roboczych, znamienny tym, że pompa zasilająca (IV) zwiększa ciśnienie cieczy roboczej do wartości nadkrytycznej i podaje ją do regeneratora (VI), gdzie kosztem ciepła odbieranego od przegrzanej pary czynnika roboczego, który już przepracował w ekspanderze, następuje proces podgrzewania czynnika roboczego o ciśnieniu nadkrytycznym, a następnie para z regeneratora (VI) kierowana jest do wymiennika wysokotemperaturowego (V), gdzie zwiększa się jej temperatura kosztem ciepła przekazanego od czynnika grzewczego np. spalin, a po wyjściu z wymiennika wysokotemperaturowego (V) czynnik dopływa do ekspandera (I) np. turbiny, gdzie ekspanduje i oddaje przy tym moc do napędu generatora elektrycznego (II), a następnie czynnik roboczy dopływa do regeneratora (VI), w którym oddaje swoje ciepło do podgrzewania czynnika roboczego, a następnie z regeneratora (VI) czynnik wpływa do skraplacza (III) i wykrapla się, a powstałe skropliny dopływają do pompy (IV) i cykl się powtarza.