NO338183B1 - Fremgangsmate ag anorndning for utnyttelse av spillvarme - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for utnyttelse av spillvarme fra en spillvarmekilde, særlig en forbrenningsmaskin, idet et kjølemiddel varmes opp og denne varmen utnyttes for drift av en turbin (11). Oppfinnelsen vedrører også en anordning for utnyttelse av spillvarmen, med en av et kjølemiddel kjølt spillvarmekilde (10, 20), en turbin (11) og en fordampningsinnretning (16) for kjølemidlet. For å øke virkningsgraden i en slik fremgangsmåte henholdsvis i en slik anordning, og for å redusere det bygningsmessige og vedlikeholdsmessige behov, er fremgangsmåten og anordningen kjennetegnet ved at kjølemidlet fordamper etter at det har forlatt spillvarmekilden (10, 20) henholdsvis at fordampningsinnretningen, sett i kjølemidlets strømningsretning, er anordnet etter spillvarmekilden (10, 20).

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for utnyttelse av spillvarme fra en spillvarmekilde, særlig fra en forbrenningsmaskin, idet et kjølemiddel varmes opp og denne varmen benyttes for drift av en turbin. Dessuten vedrører oppfinnelsen en anordning for gjennomføringen av en slik fremgangsmåte.

En slik anordning og en slik fremgangsmåte er kjent fra US 2003/0005696 Al. Kjølemidlet, konkret vann, varmes opp i en forbrenningsmotor fra 71°C til 79°C og fordampes gjennom dyser. Kjølemidlet føres inn i et fordampningskammer, hvor det hersker et undertrykk på 0,5 bar. Dampen blir ved hjelp av en pumpe suget ut fra dette fordampningskammeret og ettervarmet i en avgass-varmeveksler. Den på denne måten ettervarmede damp blir så ført inn i en første turbin, hvilken turbin driver pumpen, og blir deretter først ført til den egentlige arbeidsturbin.

Den tilveiebragte damp blir først etterkomprimert og ettervarmet. I fordampningskammeret 4 dannes det helt åpenbart våtdamp, da dampen vil befinne seg i dette fordampningskammeret sammen med det fra kondensatoren tilbakestrømmende kjølevann. Ved etterkomprimeringen av våtdampen ved hjelp av pumpen foreligger det derfor en fare for at dampen igjen kondenserer. Dessuten må det transporteres en damp, hvilket er forbundet med høye tap, da det ved damp i motsetning til en væske dreier seg om et komprimerbart medium. En stor andel av den ved fordampningen av kjølemidlet frigjorte ekspansjonsenergi går således tapt igjen under etterbehandlingen av dampen.

Fra WO 2004/044386 A2 er det kjent en fremgangsmåte hvor kjølemidlet fra eksempelvis en forbrenningsmaskin tilføres en varmeveksler/fordamper, hvor en annen væske varmes opp og fordampes. Denne fordampede væske tilføres en turbin og driver denne. Turbinen driver på sin side en generator. Som vanlig i sirkelprosesser blir dampen deretter kondensert og ved hjelp av en pumpe tilført varmeveksleren/fordamperen.

En ulempe ved denne fremgangsmåte er at den ekstra varmeveksler gir varmetap. Dessuten kan væsken henholdsvis dampen bare oppvarmes til en temperatur under kjølemidlets temperatur i fordamperen. Dette reduserer også virkningsgraden. Videre medfører et slikt andre system bygningsmessige og vedlikeholdsmessige tiltak.

Fra US 4841916 A er det kjent et fordampningsapparat omfattende en fordamper for omforming av en væske til damp, og en forvarmer for oppvarming av væsken før de mates til fordamperen, en pumpe for å mate væsken til forvarmeren og en annen pumpe for trykksetting av væske som passerer fra forvarmeren til fordamperen(e), hvor den førstnevnte holder væsken ved et trykk med hensyn til en temperatur noe høyere enn metningstemperatur ved forvarmerens utløp, og den sistnevnte brukes til å øke væsketrykket til et metningstrykk i forhold til en ønsket fordampingstemperatur. Strømningshastigheten for et varmemedium for forvarmeren styres slik at temperaturen er litt høyere enn en væske forvarmer uti øp stemperatur.

EP 0931978 Al vedrører en fremgangsmåte for å drifte en spillvarme dampgenerator i et kombinert gass-dampkraftverk med en gassturbinsyklus og en dampturbinsyklus

Med utgangspunkt i den kjente teknikk er det en hensikt med oppfinnelsen å videreutvikle en fremgangsmåte og en anordning av den innledningsvis nevnte type på en slik måte at virkningsgraden økes og det bygningsmessige og vedlikeholdsmessige tiltaksbehov reduseres.

Denne hensikt oppnås med oppfinnelsen, som er kjennetegnet ved at kjølemidlet tilføres turbinen umiddelbart etter fordampningen.

Ifølge oppfinnelsen blir således den tilveiebragte damp ifølge fremgangsmåten og med anordningen tilført turbinen direkte, dvs. uten videre behandling, for energiutnyttelse. Kjølemidlet blir først varmet opp i spillvarmekilden og fordampet idet det avspennes gjennom en dyse til et trykk under damptrykket, og/eller varmes opp med en ytterligere (spill-)varmekilde til en temperatur over kokepunktet. Kjølemidlet blir ved hjelp av spillvarmen fra eksempelvis en forbrenningsmaskin varmet opp til en temperatur som under det gitte systemtrykk i innretningen som avkjøles, eksempelvis forbrenningsmaskinen, ikke overskrider kokepunktet. Kjølemidlet forblir altså i flytende form og fordampes ikke. Først ved inngangen i turbinen blir kjølemidlet fordampet ved hjelp av en egnet fordampningsinnretning, hvoretter dampen benyttes for drift av turbinen. Oppfinnelsen bygger på den erkjennelse at man har eliminert en tapskilde, dvs. den ifølge teknikkens stand benyttede varmeveksler. Dette tiltak vil imidlertid i og for seg ikke være tilstrekkelig, fordi eksempelvis i en forbrenningsmaskin kjølemidlet ikke kan tillates å fordampe, fordi i så tilfelle varmeovergangen fra forbrenningsmaskinen til kjølemidlet vil bryte sammen og maskinen således ikke lenger kan kjøles effektivt, dvs. at den overopphetes. Kjølemidlet forlater forbrenningsmaskinen (som eksempel) i flytende tilstand og fordamper først etter at det har forlatt forbrenningsmaskinen. Dette gir en mulighet for direkte overføring av kjølemidlet i væskeform til umiddelbart foran turbinen, idet kjølemidlet først fordampes ved turbininnløpet. En slik transport vil være enkel fordi væsken lett lar seg transportere som et ikke-komprimerbart medium.

Som fordamper for kjølemidlet egner seg for det første en dyse, hvor kjølemidlet avspennes til et trykk som er tilstrekkelig til å tilveiebringe den for turbinen tilstrekkelige overhetede damp. For det annet kan det som fordamper benyttes en ytterligere varmekilde, som kan være en ytterligere spillvarmekilde med høyere temperatur. Som eksempel skal det her nevnes en avgass varmeveksler for kjøling av avgassen eller en ladeluftkjøler.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vedrørende fremgangsmåten og anordningen skal beskrives nærmere nedenfor under henvisning til tegningen hvor

Fig. 1 som et første utførelseseksempel viser en anordning med de inventive trekk, rent skjematisk, Fig. 2 viser et andre utførelseseksempel av en anordning med inventive trekk, rent skjematisk, Fig. 3 viser et tredje utførelseseksempel av en anordning med de inventive trekk, rent skjematisk, Fig. 4 viser et fjerde utførelseseksempel av en anordning med de inventive trekk, rent skjematisk, og Fig. 5 viser nok et utførelseseksempel av en anordning med de inventive trekk, rent skjematisk.

I fig. 1-4 er det vist en prosess i samsvar med den kjente Rankine-prosess. Den i fig. 1 skjematisk viste anordning innbefatter en spillvarmekilde, nemlig en forbrenningsmaskin 10, en turbin 11, som driver en generator 12, en kondensator 13, og en pumpe 14. I forbrenningsmaskinen blir et kjølemiddel for kjøling av forbrenningsmaskinen 10 varmet opp. Kjølemidlet står under et øket trykk på eksempelvis 4 bar og varmes opp til en temperatur på ca. 80°C. Trykk og temperatur er her mindre viktig. Det er mer viktig å sikre at kjølemidlet i forbrenningsmaskinen 10 under det gitte systemtrykk ikke oppvarmes til over kokepunktet, slik at kjølemidlet altså ikke fordamper. Under det nevnte trykk på 4 bar og temperaturen på 80°C kan det eksempelvis benyttes et kjølemiddel dodekafluor-2-metylpentan-3 (CF3CF2C(0)CF(CF3)2). Et slikt kjølemiddel medfører dessuten den fordel at det er ildfast.

Det på denne måten med spillvarmen fra forbrenningsmaskinen 10 oppvarmede kjølemiddel blir i flytende, altså ennå ikke gassformet tilstand, tilført kjølemiddelledningen 15. Umiddelbart før kjølemidlet går inn i turbinen 11 er det mellom kjølemiddelledningen 15 og turbinen 11 anordnet en dyse 16 hvor kjølemidlet avspennes til under damptrykket. Derved fordamper kjølemidlet og det blir i gassform tilført turbinens 11 arbeidsområde. I dysen 16 avspennes kjølemidlet i en slik grad at det dannes en for drift av turbinen 11 tilstrekkelig overhetet damp.

Etter turbinen 11 blir dampen, som nå kan foreligge som våtdamp, tilført en kondensator 13 gjennom en kjølemiddelledning 17 og blir kondensert der. Derfra går kjølemidlet gjennom en ledning 18 til pumpen 14, hvor kjølemidlet igjen komprimeres til det for innføringen i forbrenningsmaskinen 10 nødvendige systemtrykk. Fra pumpen 14 går kjølemidlet til forbrenningsmaskinen 10 gjennom en ledning 19.

Anordningen i fig. 2 er utformet analogt med anordningen i fig. 1 og adskiller seg bare med hensyn til spillvarmekilden. I utførelseseksemplet i fig. 2 blir det som spillvarmekilde benyttet en avgasskjøler for en forbrenningsmaskin. Som følge av den relativt kjølemiddeltemperaturen høyere avgasstemperatur på ca. 250°C kan man her oppnå en høyere kjølemiddeltemperatur, slik at det, avhengig av kjølemidlets kokepunkt, kan oppnås et høyere damptrykk og man derved også kan arbeide med et høyere systemtrykk i avgassvarmeveksleren 20.

Fig. 3 viser en variant med to varmekilder, nemlig en forbrenningsmaskin 10 og en avgassvarmeveksler 20. I forbrenningsmaskinen 10 blir kjølemidlet først varmet opp til 80°C og blir så i avgassvarmeveksleren 20 varmet opp til ca. 250°C. Kjølemidlet vil også her forlate avgassvarmeveksleren 20 i flytende form, altså ikke i gassform, og blir først i dysen 16 avspent for dannelse av overhetet damp.

Til forskjell fra forbrenningsmaskinen 10 er det i avgassvarmeveksleren 20 ikke ubetinget nødvendig å opprettholde en bestemt driftstemperatur, slik at man uten sikkerhetsrisiko henholdsvis risiko for driftssikkerheten vil kunne fordampe kjølemidlet allerede i avgassvarmeveksleren 20. En slik mulig utførelse er vist i fig. 4.1 dette utførelseseksemplet bortfaller dysen 16 og den overhetede damp tilveiebringes i avgassvarmeveksleren 20. Avgassvarmeveksleren er i dette tilfellet altså fordampnings innretningen. Mellom forbrenningsmaskinen 10 og avgassvarmeveksleren 20 er det anordnet en ytterligere pumpe 21 for øking av systemtrykket i avgassvarmeveksleren 20. Beregninger av denne variant ifølge fig. 4 har vist at virkningsgraden til store dieselaggregater kan økes fra ca. 5 %, altså fra ca. 40 % til 45 %.

Dersom man ikke anvender pumpen 21 vil virkningsgradgevinsten ikke være fullt så høy, til tross for det ekstra arbeidet som går med for pumpen 21 i fig. 4. Allikevel kan man selvfølgelig også ha en slik mulig variant.

Med utgangspunkt i utførelseseksemplet i fig. 4 vil det også være mulig å avspenne kjølemidlet først i en ekstra dyse 16, analogt med utførelseseksemplet i fig. 3, eller å tilveiebringe våtdamp henholdsvis overhetet damp i avgassvarmeveksleren 20, en overhetet damp som så i dysen 16 avspennes til overhetet damp henholdsvis enda kraftigere overhetet damp (fig. 5).

I tillegg eller alternativt kan det benyttes en ladeluftkjøler i fig. 2-4.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for utnyttelse av spillvarme fra en spillvarmekilde (10), særlig en forbrenningsmaskin, idet et kjølemiddel av spillvarmekilden (10) under et gitt trykk oppvarmes til en første temperatur under kjølemidlets kokepunkt ved dette trykket, deretter fordamping av kjølemidlet etter at det har forlatt spillvarmekilden ved oppvarming av kjølemidlet til en andre temperatur over kokepunktet og/eller ved ekspandering av kjølemidlet til under damptrykket, og tilføres en turbin (11),karakterisert vedat kjølemidlet tilføres turbinen (11) umiddelbart etter fordampingen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat kjølemidlet etter oppvarmingen i spillvarmekilden (10) tilføres i væskeform til turbinen (11) og først fordampes ved inngangen i turbinen (11).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat det ved fordampingen av kjølemidlet tilveiebringes overhetet damp.

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert vedat kjølemidlet i spillvarmekilden (10) oppvarmes under et trykk på 4 bar til en temperatur på minst 80°C, særlig opptil 250°C.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert vedat kjølemidlet i spillvarmekilden (10) oppvarmes til en temperatur på 80°C og i en ytterligere varmekilde (20) oppvarmes til en høyere temperatur, særlig 250°C, og eventuelt fordampes.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert vedat kjølemidlet etter at det har forlatt spillvarmekilden (10), komprimeres til et høyere trykk og med dette høyere trykk fordampes i den ytterligere varmekilde (20).

7. Anordning for utnyttelse av spillvarme med en med et kjølemiddel kjølt spillvarmekilde (10), hvor kjølemidlet med spillvarmekilden (10) under et gitt trykk oppvarmes til en første temperatur under kjølemidlets kokepunkt ved dette trykk, en fordampningsinnretning (16), hvor kjølemidlet fordamper ved oppvarming av kjølemidlet til en andre temperatur over kokepunktet og/eller ved ekspandering til under damptrykket, og en turbin (11), karakterisert vedat fordampningsinnretningen (16) sett i kjølemidlets strømningsretning befinner seg umiddelbart foran turbinen (11).

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert vedat fordampningsinnretningen (16) er anordnet umiddelbart ved turbinens (11) innløp.