DE2847365C2 - Plant for generating electrical and thermal energy by means of an internal combustion engine - Google Patents
Plant for generating electrical and thermal energy by means of an internal combustion engineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie mittels einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a system for generating electrical and thermal energy by means of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Die kombinierte Erzeugung von Elektrizität und Wärme mittels einer Brennkraftmaschine in Heizkraftwerken ist bekannt und wird angewendet, um die eingesetzte Primärenergie besser auszunützen. Bekannt ist auch die kombinierte Erzeugung von Kälte und Wärme in Wärmepumpen und Kältemaschinen mittels einer einzigen Kraftmaschine. Außerdem ist die Aufbereitung von Wasser in sogenannten Brüdenkompressionsverfahren bekannt, bei dem der erforderliche Brüdenverdichter von einer Dampf-, Elektro- oder Verbrennungsmaschine angetrieben wird oder als Dampfstrahlverdichter ausgebildet ist.The combined generation of electricity and heat using an internal combustion engine in combined heat and power plants is well known and is used to make better use of the primary energy used. The combined generation of cold and heat in heat pumps and refrigeration machines using a single engine is also well known. The treatment of water in so-called vapor compression processes is also known, in which the required vapor compressor is driven by a steam, electric or combustion engine or is designed as a steam jet compressor.
Aufgrund der tages- und jahreszeitlichen Schwankungen im Verbrauch von thermischer und/oder elektrischer Energie ist eine wirtschaftliche Ausnutzung der bei der Erzeugung von thermischer Energie und/oder Elektrizität eingesetzte Primärenergie nicht immer möglich.Due to daily and seasonal fluctuations in the consumption of thermal and/or electrical energy, economic use of the primary energy used in the generation of thermal energy and/or electricity is not always possible.
Um einer wirtschaftlichen Ausnützung des Energieverbrauchs Rechnung zu tragen, ist gemäß DE-OS 18 08 966 eine Anlage zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie mittels einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, die dauernd in ihrem optimalen Leistungsbereich betrieben wird und bei der Abnahme des Bedarfs an elektrischer Energie den auftretenden Leistungsüberschuß zur Aufbereitung von Wasser nach dem Brüdenkompressionsverfahren verwendet. Die Brennkraftmaschine in Form einer Turbine treibt hierbei direkt den Verdichter einer Brüdenkompressionsanlage an, und es werden die heißen Abgase der Turbine zur Aufheizung einer mehrstufigen Verdampfungsanlage zur Aufbereitung von Reinwasser aus Salzwasser benutzt. Die Gesamtanordnung ist vergleichsweise kompliziert und geht aufgrund des komplizierten Aufbaus im Betrieb mit Energieverlusten einher, die den Wirkungsgrad der Anlage nachteilig beeinflussen.In order to take account of the economic use of energy consumption, DE-OS 18 08 966 discloses a system for generating electrical and thermal energy using an internal combustion engine of the type mentioned above, which is continuously operated in its optimal power range and, when the demand for electrical energy decreases, uses the excess power that occurs to treat water using the vapor compression process. The internal combustion engine in the form of a turbine directly drives the compressor of a vapor compression system, and the hot exhaust gases from the turbine are used to heat a multi-stage evaporation system for treating pure water from salt water. The overall arrangement is comparatively complicated and, due to the complicated structure, is accompanied by energy losses during operation, which have a negative impact on the efficiency of the system.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anlage zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie mittels einer dauernd im optimalen Leistungsbereich betriebenen Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, die einfach aufgebaut ist und bei der trotz Verbrauchsschwankungen eine sehr gute wirtschaftliche Ausnützung der eingesetzten Primärenergie möglich ist.The object of the invention is to create a system for generating electrical and thermal energy by means of an internal combustion engine of the type mentioned at the outset which is continuously operated in the optimum power range, which is of simple construction and in which, despite fluctuations in consumption, a very good economic utilization of the primary energy used is possible.
Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß der in der mehrstufigen Verdampfungsanlage erzeugte Reindampf einer Dampfturbine zugeführt wird, die direkt einen Brüdenkompressor einer weiteren Brüdenkompressionsanlage antreibt.The object underlying the invention is achieved in that the pure steam generated in the multi-stage evaporation plant is fed to a steam turbine which directly drives a vapor compressor of another vapor compression plant.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Rohwasser für die weitere Brüdenkompressionsanlage als Kühlmittel für den Kondensator der Dampfturbine dient.An advantageous development of the invention provides that the raw water for the further vapor compression system serves as a coolant for the condenser of the steam turbine.
Dadurch, daß die durch die mehrstufige Verdampfungsanlage mit Reindampf gespeiste Dampfturbine direkt an den Kompressor einer weiteren Brüdenkompressionsanlage angekoppelt ist, ergibt sich ein einfacher und kompakter Aufbau einer Gesamtanlage mit minimalen Energieverlusten. Besonderer Vorteil ist, daß durch die Erfindung zwei Brüdenkompressionsanlagen vorgesehen sind, die gegebenenfalls Rohwasser aus verschiedenen Quellen aufbereiten können. Jede Brüdenkompressionsanlage kann hierbei individuell auf die Gegebenheiten einer zugehörigen Quelle ausgerichtet werden. Die Gesamtanlage schafft hierbei eine Wasseraufbereitungseinrichtung großer Kapazität.The fact that the steam turbine fed with pure steam by the multi-stage evaporation system is directly coupled to the compressor of another vapor compression system results in a simple and compact design of the entire system with minimal energy losses. A particular advantage is that the invention provides two vapor compression systems that can treat raw water from different sources if necessary. Each vapor compression system can be individually tailored to the conditions of a corresponding source. The entire system creates a water treatment facility with a large capacity.
Als abwärmeerzeugende Brennkraftmaschine kommen Verbrennungsmotoren wie z. B. Dieselmotoren, Ottomotoren oder Gasturbinen in Frage. Bei Verwendung eines Verbrennungsmotors als abwärmeerzeugende Kraftmaschine kann die Energieausnutzung in Verbindung mit einer an den Verbrennungsmotor angekoppelten Abgasturbine erfolgen, die mit den Abgasen des Verbrennungsmotors betreibbar und deren Leistung bei der Wasseraufbereitung nach dem Brüdenkompressionsverfahren und/oder bei der Erzeugung von Wärme und/oder Kälte mittels einer Wärmepumpe bzw. Kältemaschine verwendbar ist.Combustion engines such as diesel engines, gasoline engines or gas turbines can be used as waste heat generating engines. When using a combustion engine as a waste heat generating engine, the energy can be utilized in conjunction with an exhaust gas turbine coupled to the combustion engine, which can be operated with the exhaust gases of the combustion engine and whose output can be used for water treatment using the vapor compression process and/or for generating heat and/or cold using a heat pump or refrigeration machine.
Anstelle einer Abgasturbine kann für den Verbrennungsmotor auch ein Abgasturbolader vorgesehen werden, der mit einem Wärmetauscher gekoppelt ist, in welchem in den Abgasen des Verbrennungsmotors enthaltende Wärme zur Verdampfung eines Mediums heranziehbar ist, das zum Betreiben einer weiteren, nach dem Brüdenkompressionsverfahren arbeitenden Wasseraufbereitungseinrichtung und/ oder zum Erzeugen thermischer und/oder mechanischer Energie verwendbar ist.Instead of an exhaust gas turbine, an exhaust gas turbocharger can also be provided for the internal combustion engine, which is coupled to a heat exchanger in which heat contained in the exhaust gases of the internal combustion engine can be used to evaporate a medium which can be used to operate a further water treatment device operating according to the vapor compression process and/or to generate thermal and/or mechanical energy.
Ein Teil der Abwärme des Verbrennungsmotors kann auch direkt für Heizzwecke genutzt werden.Part of the waste heat from the combustion engine can also be used directly for heating purposes.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung in Form eines Blockschaltbildes dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf diese Zeichnung näher erläutert.An embodiment is shown in the drawing in the form of a block diagram and is explained in more detail below with reference to this drawing.
Eine Brennkraftmaschine 1, die ein Ottomotor, ein Dieselmotor oder eine Gasturbine sein kann, treibt eine Wärmepumpe bzw. Kältemaschine 2 zur Erzeugung von Wärme W bzw. Kälte K und einen Generator 3 zur Erzeugung von Elektrizität E an. Außerdem ist die Brennkraftmaschine 1 mit einem nicht dargestellten Verdichter einer Brüdenkompressionsanlage 4 gekoppelt, die zur Gewinnung von reinem Wasser WS aus salzhaltigem Rohwasser RW dient.An internal combustion engine 1 , which can be a gasoline engine, a diesel engine or a gas turbine, drives a heat pump or refrigeration machine 2 for generating heat W or cold K and a generator 3 for generating electricity E. In addition, the internal combustion engine 1 is coupled to a compressor (not shown) of a vapor compression system 4 , which is used to obtain pure water WS from saline raw water RW .
Die Brennkraftmaschine 1 wird dauernd in ihrem optimalen Leistungsbereich betrieben. Der bei Abnahme des Bedarfs an Elektrizität und/oder Wärme bzw. Kälte auftretende Leistungsüberschuß der Brennkraftmaschine 1 wird immer dem Verdichter der Brüdenkompressionsanlage 4 zugeführt.The internal combustion engine 1 is constantly operated in its optimal power range. The excess power of the internal combustion engine 1 that occurs when the demand for electricity and/or heat or cold decreases is always fed to the compressor of the vapor compression system 4 .
Bei Betrieb der Brüdenkompressionsanlage 4 wird das salzhaltige Rohwasser RW in einem nicht dargestellten Siedekessel bis auf Siedetemperatur erhitzt, wobei Dampf entsteht, der von dem Verdichter angesaugt und adiabat verdichtet wird, so daß sich die Temperatur und der Druck des Dampfes erhöhen. Der erhitzte und verdichtete Dampf wird durch den Siedekessel geleitet, wobei ein Teil der in dem Dampf enthaltenen Wärme an das siedende Rohwasser RW übergeht und den Dampf kondensiert. Das Kondensat wird gesammelt und als Reinwasser WS abgeführt. Die beim Siedevorgang entstehende Sole S wird ebenfalls abgeführt und gegebenenfalls zur Vorwärmung des Rohwassers RW benutzt.When the vapor compression system 4 is in operation, the salty raw water RW is heated to boiling temperature in a boiler (not shown), producing steam that is sucked in by the compressor and compressed adiabatically, so that the temperature and pressure of the steam increase. The heated and compressed steam is passed through the boiler, whereby part of the heat contained in the steam is transferred to the boiling raw water RW and the steam condenses. The condensate is collected and discharged as pure water WS . The brine S produced during the boiling process is also discharged and, if necessary, used to preheat the raw water RW .
Bevor das Rohwasser RW in die Brüdenanlage 4 eintritt, wird es zur Vorwärmung durch einen Wärmetauscher 5 geleitet, in dem Wärme aus dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine 1 an das Rohwasser RW übergeht.Before the raw water RW enters the vapor system 4 , it is passed through a heat exchanger 5 for preheating, in which heat from the cooling water of the internal combustion engine 1 is transferred to the raw water RW .
Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbolader 6 ausgerüstet, der eine Turbine 7 und einen Kompressor 8 aufweist, der mit der Turbine 7 gekoppelt ist. Die Turbine 7 wird von den heißen Abgasen AG der Brennkraftmaschine 1 durchströmt, wobei sie angetrieben wird. Ihre Leistung gibt die Turbine 7 an den Kompressor 8 ab, der Luft L aus der Umgebung ansaugt und verdichtet. Die komprimierte Luft wird der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Die in den Abgasen AG der Brennkraftmaschine enthaltene Wärme wird zum Betreiben einer weiteren Brüdenkompressionsanlage 8 bzw. 11, 12, 13 in der nachstehend geschilderten Weise genutzt.The internal combustion engine 1 is equipped with an exhaust gas turbocharger 6 , which has a turbine 7 and a compressor 8 , which is coupled to the turbine 7. The hot exhaust gases AG of the internal combustion engine 1 flow through the turbine 7 , thereby driving it. The turbine 7 delivers its power to the compressor 8 , which sucks in air L from the environment and compresses it. The compressed air is fed to the internal combustion engine 1. The heat contained in the exhaust gases AG of the internal combustion engine is used to operate a further vapor compression system 8 or 11, 12, 13 in the manner described below.
Nach dem Verlassen der Turbine 7 des Abgasturboladers 6 werden die Abgase AG durch eine mehrstufige Verdampfungsanlage 16, 9 und hierin insbesondere durch einen ersten Wärmetauscher 9 geleitet, in welchem sie Wärme an ebenfalls durch den ersten Wärmetauscher 9 geleitetes Rohwasser RW abgeben, das dabei in Reindampf ND im Niederdruckbereich übergeführt wird. Bei der Dampferzeugung im ersten Wärmetauscher 9 entsteht Sole S, die abgeführt wird. Der Reindampf ND wird einer Dampfturbine 10 zugeführt, um diese anzutreiben.After leaving the turbine 7 of the exhaust gas turbocharger 6, the exhaust gases AG are passed through a multi-stage evaporation system 16, 9 and in particular through a first heat exchanger 9 , in which they give off heat to raw water RW , which is also passed through the first heat exchanger 9 , which is thereby converted into pure steam ND in the low-pressure range. When steam is generated in the first heat exchanger 9 , brine S is produced, which is discharged. The pure steam ND is fed to a steam turbine 10 in order to drive it.
Die Wellenleistung der Dampfturbine 10 wird einem Brüdenkompressor 11 der weiteren Brüdenkompressionsanlage 8 bzw. 11, 12, 13 zugeführt, in dem in einem Siedekessel aus Rohwasser RW erzeugter Dampf D adiabat verdichtet wird. Der adiabat komprimierte Dampf D wird durch ein im Siedekessel 12 angeordnetes Heizrohr 13 geleitet, in dem ihm Wärme von dem siedenden Rohwasser RW entzogen wird, so daß dieser kondensiert. Das Kondensat K wird durch einen weiteren Wärmetauscher 14 geleitet und steht anschließend als Reinwasser WS zur Verfügung. In dem Wärmetauscher 14 gibt das Kondensat K Wärme an das Rohwasser RW ab, das dabei vorgewärmt wird, bevor es in den Siedekessel 12 eintritt. In dem Siedekessel 12 entsteht wieder Sole S, die abgeführt wird.The shaft power of the steam turbine 10 is fed to a vapor compressor 11 of the further vapor compression system 8 or 11, 12, 13 , in which steam D generated from raw water RW in a boiling boiler is adiabatically compressed. The adiabatically compressed steam D is passed through a heating pipe 13 arranged in the boiling boiler 12 , in which heat is extracted from the boiling raw water RW , so that it condenses. The condensate K is passed through a further heat exchanger 14 and is then available as pure water WS . In the heat exchanger 14, the condensate K gives off heat to the raw water RW , which is preheated before it enters the boiling boiler 12. Brine S is again produced in the boiling boiler 12 , which is discharged.
Der Dampfturbine 10 ist ein Kondensator 15 nachgeschaltet, durch den der entspannte Reindampf ND geleitet wird, um zu kondensieren. Das Kondensat steht anschließend als Reinwasser WS zur Verfügung. Die Kondensationswärme wird vom Rohwasser RW aufgenommen, das den Kondensator 15 durchströmt und anschließend dem Siedekessel 12 der weiteren Brüdenkompressionsanlage 8 bzw. 11, 12, 13 zugeführt wird.The steam turbine 10 is followed by a condenser 15 through which the relaxed pure steam ND is passed in order to condense. The condensate is then available as pure water WS . The condensation heat is absorbed by the raw water RW , which flows through the condenser 15 and is then fed to the boiler 12 of the further vapor compression system 8 or 11, 12, 13 .
Nachdem die Abgase AG der Brennkraftmaschine 1 den ersten Wärmetauscher 9 der mehrstufigen Verdampfungsanlage 16, 9 durchströmt haben, werden sie durch den zweiten Wärmetauscher 16 geleitet, in dem sie die restliche Wärme an das Rohwasser RW abgeben, um es vorzuwärmen. Beim Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 16 kondensiert der in den Abgasen enthaltene Wasserdampf. Der kondensierte Wasserdampf K wird zusammen mit den restlichen Abgasen AG abgeführt.After the exhaust gases AG of the internal combustion engine 1 have flowed through the first heat exchanger 9 of the multi-stage evaporation system 16, 9 , they are passed through the second heat exchanger 16 , in which they give off the remaining heat to the raw water RW in order to preheat it. As they flow through the second heat exchanger 16 , the water vapor contained in the exhaust gases condenses. The condensed water vapor K is discharged together with the remaining exhaust gases AG .
Die Brennkraftmaschine 1 ist mit der Wärmepumpe bzw. Kältemaschine 2, dem Generator 3 und dem Brüdenverdichter der Brüdenkompressionsanlage 4 direkt, d. h. mechanisch oder hydromechanisch gekoppelt. Der durch den jeweiligen Verbrauch von Wärme bzw. Kälte und/oder Elektrizität festgelegte Überschuß an Antriebswellenleistung wird immer zur Wasseraufbereitung verwendet.The internal combustion engine 1 is directly, ie mechanically or hydromechanically coupled to the heat pump or refrigeration machine 2 , the generator 3 and the vapor compressor of the vapor compression system 4. The surplus drive shaft power determined by the respective consumption of heat or cold and/or electricity is always used for water treatment.
Statt des Abgaturboladers 6 kann auch eine Abgasturbine im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine 1 angeordnet sein, die wie die Turbine 7 des Abgasturboladers 6 auf derselben Welle oder über einen Wandler einen Niederdruckverdichter für Wasserdampf als Brüdenverdichter antreibt und die restliche Motorabwärme (gestrichelt dargestellt) kann dann entweder dem Verdampfer der ersten Brüdenkompressionsanlage 4 oder einem Verdampfer entsprechend dem ersten Wärmetauscher 9 zugeführt werden. Alternativ kann die Motorabwärme bei Bedarf auch direkt zur Beheizung von Räumen bzw. zur Erzeugung von Warmwasser abgeführt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Leistung einer Abgasturbine einem Mitteldruckverdichter für ein Kälte- bzw. Wärmepumpenmedium zuzuführen und die restliche Motorabwärme einem Verdampfer entsprechend dem ersten Wärmetauscher 9 oder einem Verbraucher zur Beheizung von Räumen bzw. zur Erzeugung von Warmwasser zu verabfolgen.Instead of the exhaust turbocharger 6, an exhaust turbine can also be arranged in the exhaust system of the internal combustion engine 1 , which, like the turbine 7 of the exhaust turbocharger 6 , drives a low-pressure compressor for water vapor as a vapor compressor on the same shaft or via a converter, and the remaining engine waste heat (shown in dashed lines) can then be fed either to the evaporator of the first vapor compression system 4 or to an evaporator corresponding to the first heat exchanger 9. Alternatively, the engine waste heat can also be dissipated directly to heat rooms or to generate hot water if required. It is also possible to feed the power of an exhaust turbine to a medium-pressure compressor for a cooling or heat pump medium and to feed the remaining engine waste heat to an evaporator corresponding to the first heat exchanger 9 or to a consumer for heating rooms or to generate hot water.
Anstatt das Rohwasser RW in einem offenen Kreislauf durch die mehrstufige Verdampfungsanlage 16, 9, die Dampfturbine 10 und den Kondensator 15 zu führen, kann das Rohwasser RW auch in einem geschlossenen Kreislauf durch diese Aggregate geleitet werden. Anstelle von Rohwasser kann auch Reinwasser verwendet werden. Erfolgt die Niederdruckdampferzeugung mit Reinwasser, so ist statt der Dampfturbine 10 auch ein Dampfstrahlverdichter als Brüden- oder Wärmepumpe einsetzbar. Die Abwärme kann bei Bedarf alternativ einem Verbraucher zugeführt werden.Instead of leading the raw water RW in an open circuit through the multi-stage evaporation system 16, 9 , the steam turbine 10 and the condenser 15 , the raw water RW can also be led through these units in a closed circuit. Instead of raw water, pure water can also be used. If the low-pressure steam is generated with pure water, a steam jet compressor can also be used as a vapor or heat pump instead of the steam turbine 10. The waste heat can alternatively be fed to a consumer if required.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| OB | Request for examination as to novelty | ||
| OC | Search report available | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NUERNBERG AG, 8000 |
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: F01K 17/04 |
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| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: M A N TECHNOLOGIE GMBH, 8000 MUENCHEN, DE |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
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Owner name: MAN TECHNOLOGIE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
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| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |