PL249488B1 - Sposób pracy binarnej siłowni ORC i układ binarnej siłowni ORC - Google Patents

Abstract

Sposób pracy binarnej siłowni ORC, polega na tym, że nośnikiem ciepła, który oddał energię w obiegu górnym podgrzewa się wstępnie do temperatury nasycenia i częściowo odparowuje się czynnik roboczy obiegu dolnego, który następnie całkowicie odparowuje się ogrzewając go ciepłem skraplającego się czynnika obiegowego z górnego obiegu. Układ binarnej siłowni ORC zasilany z dowolnego źródła ciepła składający się z dwóch obiegów z niskowrzącym czynnikiem organicznym, a każdy z obiegów wyposażony jest w wymiennik ciepła turbogenerator i pompę, przy czym oba obiegi mają wspólny wymiennik ciepła, charakteryzuje się tym, że wymiennik ciepła (2) połączony jest z podgrzewaczem (3), który połączony jest ze źródłem ciepła (1), zaś źródło ciepła (1) połączone jest z górnym obiegiem, który stanowi wymiennik ciepła (2) połączony z górną turbiną (4) i górnym generatorem (5) połączonym z wymiennikiem ciepła typu parowacz/skraplacz (6) połączonym z górną pompą (7), która połączona jest z wymiennikiem ciepła (2), a dolny obieg stanowi wymiennik ciepła typu parowacz/skraplacz (6) połączony z dolną turbiną (8) i dolnym generatorem (9), który połączony jest ze skraplaczem (10) połączonym z dolną pompą (11) połączoną z podgrzewaczem (3), który połączony jest z wymiennikiem ciepła typu parowacz/skraplacz (6).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pracy binarnej (dwuobiegowej) siłowni ORC i układ binarnej siłowni ORC, która może być zasilana z dowolnego źródła ciepła. Układ binarnej siłowni ORC składa się z dwóch obiegów Clausiusa-Rankine’a z niskowrzącymi czynnikami obiegowymi.

Powszechnie znane są siłownie organiczne ORC z niskowrzącymi czynnikami obiegowymi oraz siłownie binarne z organicznym czynnikiem roboczym o dwóch obiegach - dolnym i górnym, jak również siłownie wieloobiegowe i hybrydowe.

Z opisu patentowego PL212830 B znany jest sposób zwiększania mocy siłowni ORC z czynnikiem organicznym, którego istota polega na zastosowaniu zawracania strumienia nośnika ciepła z przewodu wylotowego bezpośrednio za parowaczem do przewodu dolotowego przed parowaczem, co skutkuje zwiększeniem wartości strumienia masowego czynnika roboczego krążącego w obiegu siłowni ORC. Z opisu patentowego PL210568 B1 (pt. Siłownia parowa z wieloźródłowym zasilaniem) znany jest sposób zwiększenia efektywności pracy siłowni i wykorzystania niskotemperaturowych źródeł energii polegający na zastosowaniu układu składającego się z trzech obiegów Claususa-Rankine’a, przy czym w obiegu pierwszym czynnikiem obiegowym jest woda, a w obiegach drugim i trzecim czynnikami obiegowymi są substancje organiczne. Z opisu patentowego PL218166 B1 znana jest organiczna siłownia parowa zasilana z wielu źródeł, której cechą charakterystyczną jest to, że obieg czynnika roboczego zawiera połączone ze sobą równolegle, co najmniej dwa układy podgrzewacz-parowacz z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą nośnika energii. Układy podgrzewacz-parowacz połączone są z jednym, wspólnym turbogeneratorem i skraplaczem. Z opisu patentowego PL229566 znany jest układ dwuobiegowej siłowni ORC zasilany z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła. Układ ten charakteryzuje się tym, że ma dwa obiegi Clausiusa-Rankine’a. Pierwszy to obieg na parę nasyconą suchą a drugi na parę przegrzaną. Obieg drugi, czyli na parę przegrzaną, jest w tym układzie rozszerzeniem obiegu pierwszego. W układzie tym pierwsze źródło ciepła połączone jest z przegrzewaczem, parowaczem i podgrzewaczem. Drugie źródło ciepła połączone jest z parowaczem i podgrzewaczem.

Sposób pracy binarnej siłowni ORC, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że nośnikiem ciepła, który oddał energię w obiegu górnym podgrzewa się wstępnie do temperatury nasycenia i częściowo odparowuje się czynnik roboczy obiegu dolnego, który następnie całkowicie odparowuje się, ogrzewając go ciepłem skraplającego się czynnika obiegowego z górnego obiegu. Istota polega na tym, że nośnik ciepła ze źródła po opuszczeniu wymiennika ciepła obiegu górnego kierowany jest do podgrzewacza z obiegu dolnego, w którym nie tylko podgrzewa, ale także częściowo odparowuje czynnik roboczy obiegu dolnego. To częściowe odparowanie sprawia, że można zwiększyć strumień czynnika obiegowego w obiegu dolnym, co przekłada się na wzrost mocy układu i lepsze wykorzystanie energii ze źródła ciepła. Po wstępnym podgrzaniu w wymienniku ciepła czynnik roboczy obiegu dolnego jest już częściowo odparowany (jego stopień suchości jest większy od 0, x>0). Proces wygląda tak, że temperatura czynnika roboczego w trakcie przemiany w wymienniku ciepła wzrasta od temperatury skraplania do temperatury nasycenia (i tu mamy do czynienia ze zmianą temperatury). Po osiągnięciu temperatury nasycenia czynnika roboczy obiegu dolnego zaczyna odparowywać, ale jego temperatura się już nie zmienia (dzięki doprowadzeniu ciepła nastąpiła częściowe odparowanie).

Układ binarnej siłowni ORC, według wynalazku, zasilany z dowolnego źródła ciepła składający się z dwóch obiegów z nisko wrzącym czynnikiem organicznym, a każdy z obiegów wyposażony jest w wymiennik ciepła turbozespół i pompę, przy czym oba obiegi mają wspólny wymiennik ciepła, charakteryzuje się tym, że wymiennik ciepła połączony jest z podgrzewaczem, który połączony jest ze źródłem ciepła co stanowi obieg dla nośnika ciepła po oddaniu przez niego ciepła w górnym obiegu siłowni. Źródło ciepła połączone jest z górnym obiegiem, który stanowi wymiennik ciepła połączony z górnym turbozespołem. Górny turbozespół połączony jest z wymiennikiem ciepła typu parowacz/skraplacz połączonym z górną pompą. Górna pompa połączona jest z wymiennikiem ciepła. Ze źródła ciepła dostarczana jest energia cieplna, za pośrednictwem nośnika ciepła do obiegu górnego (do wymiennika ciepła). Dolny obieg stanowi wymiennik ciepła typu parowacz/skraplacz połączony z dolnym turbozespołem. Dolny turbozespół połączony jest ze skraplaczem połączonym z dolną pompą. Dolna pompa połączoną jest z podgrzewaczem, który połączony jest z wymiennikiem ciepła typu parowacz/skraplacz.

Sposób zasilania binarnej siłowni ORC z odpowiednią konfiguracją wymienników w obiegu dolnym polega na zastosowaniu w dolnym obiegu siłowni binarnej podgrzewacza, w którym możliwe będzie przeprowadzenie procesu podgrzewania czynnika roboczego obiegu dolnego do temperatury nasycenia oraz częściowe jego odparowanie przy wykorzystaniu nośnika ciepła opuszczającego obieg górny.

Taki zabieg powoduje zwiększanie efektywności wykorzystania ciepła doprowadzonego oraz zwiększenie strumienia czynnika roboczego w obiegu dolnym co bezpośrednio przekłada się na wzrost mocy całego układu. Sposób zasilania podgrzewacza obiegu dolnego zapewnia wzrost mocy układu, a tym samym zwiększa efektywność wykorzystania energii doprowadzanej do układu siłowni binarnej.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony w poniższym przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ siłowni binarnej dwuobiegowej, fig. 2 przedstawia rozkład temperatur nośnika ciepła i czynników obiegowych w klasycznej siłowni binarnej, fig. 3 przedstawia rozkład temperatur nośnika ciepła i czynników obiegowych w siłowni binarnej według wynalazku, której sposób pracy polega na przeprowadzeniu procesu podgrzewania i częściowego odparowania czynnika obiegowego obiegu dolnego w wymienniku ciepła- skutkuje to wzrostem strumienia masowego czynnika obiegowego obiegu dolnego, co bezpośrednio przekłada się na wzrost mocy całego układu. W tabeli przedstawiono parametry termiczne i kaloryczne w charakterystycznych punktach obiegu analizowanych siłowni wskazanych w przykładzie.

Przykład

Układ binarnej siłowni ORC zasilany ze źródła ciepła 1 składający się z dwóch obiegów z niskowrzącym czynnikiem organicznym. Wymiennik ciepła 2 połączony jest z podgrzewaczem 3, który połączony jest ze źródłem ciepła 1. Źródło ciepła 1 połączone jest z górnym obiegiem, który stanowi wymiennik ciepła 2 połączony z górną turbiną 4 i górnym generatorem 5. Górny generator 5 połączony jest z wymiennikiem ciepła typu parowacz/skraplacz 6 połączonym z górną pompą 7. Górna pompa 7 połączona jest z wymiennikiem ciepła 2. Dolny obieg stanowi wymiennik ciepła typu parowacz/skraplacz 6 połączony z dolną turbiną 8 i dolnym generatorem 9. Dolny generator 9 połączony jest ze skraplaczem 10 połączonym z dolną pompą 11. Dolna pompa 11 połączona jest z podgrzewaczem 3, który połączony jest z wymiennikiem ciepła typu parowacz/ skraplacz 6. Wymiennika ciepła typu skraplacz/parowacz 6, który jest elementem łączącym obieg górny z obiegiem dolnym

Nośnik ciepła ze źródła ciepła 1 doprowadza się w pierwszej kolejności do wymiennika ciepła 2 obiegu górnego. Górna pompa 7 przetłacza czynnik obiegowy z wymiennika typu skraplacz/parowacz 6. Parę po rozprężeniu w górnej turbinie 4 kieruje się do wymiennika ciepła typu skraplacz/parowacz 6. Ciepło wydzielające się w trakcie skraplająca pary czynnika roboczego w obiegu górnym wykorzystuje się do odparowania i przegrzania czynnika roboczego w obiegu dolnym. Skraplaczem 10 odprowadza się ciepło do otoczenia. Dolną pompą 11 przetłacza się czynnik roboczy obiegu dolnego do podgrzewacza 3.

Czynnik obiegowy z górnego obiegu, który oddał energię w obiegu górnym, podgrzewa się wstępnie do temperatury nasycenia i częściowo odparowuje się czynnik roboczy obiegu dolnego, który następnie całkowicie odparowuje się, ogrzewając go ciepłem skraplającego się nośnika ciepła z górnego obiegu. Stosuje się czynnik obiegowy z górnego obiegu, którego temperatura po podgrzaniu wstępnym czynnika roboczego jest większa niż temperatura czynnika roboczego przed podgrzaniem wstępnym. W układzie nośnik ciepła ze źródła ciepła 1 kieruje się w pierwszej kolejności do obiegu górnego przez wymiennik ciepła 2, a następnie do podgrzewacza 3 obiegu dolnego. Następnie nośnik ciepła z podgrzewacza 11 obiegu dolnego kieruje się ponownie do źródła ciepła 1.

Zastosowanie w obiegu dolnym odpowiednio dobranego podgrzewacza 3 pozwala na podgrzanie czynnika roboczego obiegu dolnego do temperatury nasycenia i częściowe jego odparowanie. Taki zabieg powoduje zwiększenia strumienia czynnika roboczego w obiegu dolnym, co bezpośrednio wynika z równania bilansu energii wymiennika typu skraplacz/parowacz 6. Zwiększenie to musi być jednak skorelowane z jednoczesną analizą równania bilansu dla podgrzewacza 3. Wynika to z konieczności zachowania odpowiednich różnic temperatur pomiędzy czynnikami w podgrzewaczu 3. Dokładnie chodzi o to, ażeby temperatura nośnika ciepła na wypływie z podgrzewacza 3 była wyższa od temperatury czynnika roboczego doprowadzanego do podgrzewacza 3 z dolnej pompy 11. Procedura ta wymaga przeprowadzenia obliczeń iteracyjnych. Obliczenia przeprowadzono przy założeniu, że strumień masowy wody doprowadzanej ze źródła ciepła 1 do siłowni binarnej lub siłowni jednobiegowej (w celach porównawczych i w siłowni nośnik ciepła ze źródła kieruje się przez wymiennik na turbogenerator, a którego czynnik kieruje się na skraplacz, a następnie przetłacza pompą na wymiennik z którego kieruje się nośnik z powrotem do źródła ciepła) wynosi 1 kg/s. Temperatura wody doprowadzanej ze źródła ciepła 1 do siłowni binarnej wynosi tw1 = 120°C.

Temperatura pary przegrzanej dla czynnika roboczego w obiegu górnym wynosi t1 = 110°C (taką samą wartość temperatury przyjęto dla siłowni jednoobiegowej), a temperatura skraplania dla siłowni jednoobiegowej i obiegu dolnego siłowni binarnej tm = 30°C, a obiegu górnego t3= 68°C.

PL 249488 Β1

W tabeli 1 przedstawiono wyniki obliczeń dotyczące mocy siłowni referencyjnej (jednoobiegowej) oraz siłowni według wynalazku, w której w obiegu dolnym zastosowano czynnik R218. Temperatura czynnika na końcu procesu odparowania w obiegu górnym wynosiła te = 93°C, natomiast temperatura przegrzewu w obiegu dolnym ti = 68°C.

Tabela

Siłownia jednoobiegowa - czynnik R413a, t| °C], h | kJ/kg]
I	2s	3	4s	5	6
t[°C]	hłkJ/kg]	t[°C]	hłkJ/kg]	t[°C]	h [kJ/kg]	t[°C]	hfkJ/kgl	t[°C]	h [kJ/kg]	t[°C]	h| kJ/kg |
110,0	447,9	45.5	418,6	30,0	242,1	31,8	244,5	92,5	356,7	93,0	402,4
Binarna obieg górny - czynnik R413a, tfCJ, h LkJ/kgJ
1	2s	3	4s	5	6
t[°Cl	hfkj/kgl	tr°ci	hfkj/kgl	t[°ci	hfkj/kgl	tf°Cl	hfkj/kgl	tpC]	hfkj/kgl	t[°Cl	h| kJ/kg |
110,0	447,9	83,9	416,4	68,0	302,5	70,1	304,1	92,5	356,7	93,0	402,4
Binarna obieg dolny - czynnik R218, h[k.T/kgl
1	lis	111	lVs	V	VI
tl°cj	hLkJ/kgJ	t[°CJ	hLkJ/kgJ	tl°Gj	hjkJ/kgJ	t[°CJ	hLkJ/kgJ	tl°CJ	hLkJ/kgJ	t[°CJ	h[kJ/kgJ
68,0	320,7	36,3	306,5	30,0	233,8	31,3	234,9	66,0	283,4	66,0	316,0

Moc siłowni jednobiegowej (dla tych samych zakresów temperaturowych co dla siłowni binarnej) wynosi 21,8 kW.

Bazując na klasycznym podejściu obliczono, że w przypadku siłowni binarnej przy uwzględnieniu podgrzania czynnika w podgrzewaczu 11 tylko do temperatury nasycenia sumaryczna moc obu obiegów siłowni binarnej wynosi 27,1 kW.

Po uwzględnieniu modyfikacji polegającej na dostosowaniu podgrzewacza 3 (zmiana powierzchni wymiany ciepła) można w nim poza podgrzaniem czynnika obiegowego obiegu dolnego także częściowo go odparować. Dla analizowanego przypadku stopień suchości pary mokrej czynnika obiegowego na wypływie z podgrzewacza 3 wynosił około x = 0,2. Po uwzględnieniu tego faktu sumaryczna moc obu obiegów siłowni binarnej wzrosła do 31,4 kW. Daje to ponad 15% wzrost mocy w stosunku do stosunku do siłowni binarnej, w której czynnik podgrzewamy w podgrzewaczu 3 do temperatury nasycenia.

Claims (2)

1. Sposób pracy binarnej siłowni ORC, znamienny tym, że nośnikiem ciepła, który oddał energię w obiegu górnym podgrzewa się wstępnie do temperatury nasycenia i częściowo odparowuje się czynnik roboczy obiegu dolnego, który następnie całkowicie odparowuje się ogrzewając go ciepłem skraplającego się czynnika obiegowego z górnego obiegu.

2. Układ binarnej siłowni ORC zasilany z dowolnego źródła ciepła składający się z dwóch obiegów z niskowrzącym czynnikiem organicznym, a każdy z obiegów wyposażony jest w wymiennik ciepła, turbozespół i pompę, przy czym oba obiegi mają wspólny wymiennik ciepła, znamienny tym, że wymiennik ciepła (2) połączony jest z podgrzewaczem (3), który połączony jest ze źródłem ciepła (1), zaś źródło ciepła (1) połączone jest z górnym obiegiem, który stanowi wymiennik ciepła (2) połączony z górnym turbozespołem (4, 5) połączonym z wymiennikiem ciepła typu parowacz/ skraplacz (6) połączonym z górną pompą (7), która połączona jest z wymiennikiem ciepła (2), a dolny obieg stanowi wymiennik ciepła typu parowacz/skraplacz (6) połączony z dolnym turbozespołem (8, 9), który połączony jest ze skraplaczem (10) połączonym z dolną pompą (11) połączoną z podgrzewaczem (3), który połączony jest z wymiennikiem ciepła typu parowacz/ skraplacz (6).