BR112013017908B1

BR112013017908B1 - Método de lubrificação de uma máquina de expansão

Info

Publication number: BR112013017908B1
Application number: BR112013017908-2A
Authority: BR
Inventors: Andreas Schuster; Richard Aumann; Andreas Sichert
Original assignee: Orcan Energy Ag
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2021-03-23
Also published as: CA2823996A1; JP5744230B2; MX2013008315A; WO2012097964A3; IL227441A; CN103842625A; MX352414B; US20140050560A1; EP2476869A1; US9732616B2; IL227441A0; EP2476869B1; CN103842625B; WO2012097964A2; RU2013131824A; CA2823996C; KR20130103618A; BR112013017908A2; JP2014505826A; KR101508959B1

Abstract

método de lubrificação de uma máquina de expansão, dispositivo e estação de alimentação de vapor. a presente invenção provê um método para a lubrificação de uma máquina de expansão, cujo método compreende: o fornecimento de um meio de operação que contém um lubrificante por um vaporizador; separação de pelo menos uma parte do lubrificante do meio de operação que contém um lubrificante e é fornecido pelo vaporizador; e o fornecimento do meio de operação que é esvaziado pela separação de pelo menos uma parte do lubrificante para a máquina de expansão. além disso, é provido um dispositivo com um vaporizador que é configurado para vaporizar um meio de operação que contém um lubrificante e para fornecer uma máquina de expansão a ele, e com um dispositivo de separação de lubrificante que é configurado para a separação de pelo menos uma parte do lubrificante do meio de operação que contém o lubrificante e é fornecido pelo vaporizador à máquina de expansão.

Description

MÉTODO DE LUBRIFICAÇÃO DE UMA MÁQUINA DE EXPANSÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere às máquinas de expansão operáveis volumetricamente e, em particular, a um método de lubrificação delas.

TÉCNICA ANTERIOR

A operação das máquinas de expansão, tais como as turbinas a vapor, é conhecida na técnica anterior, por exemplo, com o auxílio do método de Ciclo Orgânico de Rankine (ORC) para a geração de energia elétrica, com o emprego de meios orgânicos, por exemplo, meios orgânicos com baixas temperaturas de vaporização que geralmente têm pressões de vaporização maiores nas mesmas temperaturas, em comparação com a água como meio de operação. As usinas de ORC constituem a realização do ciclo de Clausius Rankine no qual a energia elétrica é, por exemplo, obtida em princípio por mudanças adiabáticas e isobáricas do estado de um meio de operação. Por meio da vaporização, da expansão e da subsequente condensação do meio de operação, a energia mecânica é obtida aqui e convertida em energia elétrica. Em princípio, o meio de operação é trazido à pressão de operação por uma bomba de alimentação, e a energia na forma de calor provido por combustão ou por um fluxo de calor residual é fornecida a ele em um vaporizador. O meio de operação flui do vaporizador através de um cano de pressão para uma máquina de expansão, onde é expandido a uma pressão mais baixa. Posteriormente, o vapor do meio de operação expandido flui através de um condensador onde ocorre a troca de calor entre o meio de operação vaporoso e um meio de resfriamento, após o que o meio de operação condensado retorna ao vaporizador através de uma bomba de alimentação em um processo cíclico.

Uma classe em particular de máquinas de expansão é constituída por máquinas de expansão volumetricamente operáveis que são também referidas como máquinas de expansão e de deslocamento, e compreendem uma câmara de trabalho, e realizam o trabalho durante um aumento de volume dessa câmara de trabalho durante a expansão do meio de operação. Estas máquinas de expansão são realizadas, por exemplo, na forma de máquinas de expansão de pistão, máquinas de expansão de parafuso, ou expansores de deslocamento. Essas máquinas de expansão volumetricamente operáveis são empregadas em especial em usinas de ORC das classes de pequena potência (por exemplo, com uma potência elétrica de 1 a 500 kW) . Em contraste com as turbinas, as máquinas de expansão volumetricamente operáveis, no entanto, necessitam de lubrificação por um lubrificante em particular do pistão ou dos perfis da sala de expansão que rolam uns sobre os outros, e dos mancais de rolamento e das paredes deslizantes da câmara de trabalho. A utilização de um lubrificante também conduz vantajosamente a uma vedação da área de trabalho da máquina de expansão, pela qual menos vapor é perdido devido a um transbordamento na máquina de expansão, aumentando assim a eficiência.

A Figura 1 representa um diagrama esquemático de um sistema de lubrificação da técnica anterior. Um meio de operação é provido de um vaporizador 1 para uma máquina de expansão 2. Na máquina de expansão 2, o meio de operação vaporoso é expandido e, através de um gerador 3, a energia liberada é convertida em energia elétrica. Através de uma bomba de óleo rotativa 4, um lubrificante, por exemplo, um óleo lubrificante, é fornecido à máquina de expansão 2. O lubrificante sai da máquina de expansão 2 com o meio de operação expandido. O lubrificante está presente no meio de operação expandido na forma de uma névoa de óleo finamente distribuída, e é separado do meio de operação em um separador de óleo 5, de modo que o meio de operação é fornecido do separador de óleo 5 para um condensador 6 essencialmente livre de óleo. O meio de operação condensado é fornecido novamente ao vaporizador 1 através de uma bomba de alimentação 7. 0 óleo recuperado é fornecido novamente à máquina de expansão 2 através da bomba de óleo rotativa 4.

O sistema de lubrificação da técnica anterior, no entanto, envolve as seguintes desvantagens. Uma vez que o lubrificante (óleo lubrificante) é separado no lado de baixa pressão após ter passado pela máquina de expansão 2, é necessário prover a bomba de óleo rotativa 4 que, uma vez que o lubrificante é fornecido à máquina de expansão 2 no lado de alta pressão, deve ultrapassar o mesmo diferencial de pressão, uma vez que a bomba de alimentação 7 transporta o meio de operação, o que exige uma grande quantidade de equipamento e gera custos elevados correspondentes. Além disso, um separador de óleo relativamente grande 5 é necessário, uma vez que o vapor residual que sai da máquina de expansão 2 tem uma densidade mais baixa em comparação com o vapor vivo fornecido à máquina de expansão 2, por exemplo, uma densidade que é inferior em mais de uma dimensão. Além disso, a separação do óleo lubrificante do vapor residual do meio de operação é conseguida por meio de separadores de ciclone ou defletores, o que sempre envolve mudanças de direção significativas no fluxo de vapor residual que contém o lubrificante, pelo qual ocorrem as perdas de pressão em combinação com os volumes relativamente grandes do fluxo de vapor residual, o que leva a uma contrapressão que atua no aparelho de expansão 2 e, assim, a uma diminuição na eficiência dela.

Além disso, devido à massa relativamente grande ou à quantidade relativamente grande vapor residual, o separador de óleo relativamente grande 5 tem uma determinada inércia com efeitos desvantajosos quando a usina é iniciada ou durante as mudanças de cargas. Além disso, o lubrificante injetado por bocais no vapor vivo, designadamente em um estado líquido aproximadamente na temperatura do vapor residual reduz indesejavelmente a temperatura do vapor vivo e a entalpia do vapor vivo.

Assim, há uma procura por ele e, portanto, é um objeto da presente invenção a provisão de um método de lubrificação de máquinas de expansão operáveis volumetricamente no qual os problemas mencionados acima são eliminados ou pelo menos atenuados.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

O objeto mencionado acima é alcançado pelo método de lubrificação de uma máquina de expansão que compreende as etapas a seguir. Um meio de operação que contém um lubrificante é fornecido por um trocador de calor (vaporizador) . 0 meio de operação está parcial ou completamente presente no estado de vapor. Pelo menos uma parte do lubrificante é separada do meio de operação que contém um lubrificante e é fornecido pelo vaporizador. 0 meio de operação que é esvaziado pela separação de pelo menos uma parte do lubrificante é fornecido à máquina de expansão.

Em contraste com a técnica anterior, de acordo com a invenção, pelo menos uma parte do lubrificante é separada do meio de operação fornecido pelo vaporizador. Na técnica anterior, no entanto, esta separação é efetuada a partir do meio de operação que sai da máquina de expansão. A provisão de uma bomba de óleo rotativa pode ser eliminada no método de acordo com a invenção. Além disso, um dispositivo de separação de lubrificante utilizado para separar pelo menos uma parte do lubrificante do meio de operação fornecido pelo vaporizador pode ser feito para ser menor em comparação com a técnica anterior, porque o lubrificante é separado do vapor vivo em vez de ser do vapor residual. Além disso, a temperatura/entalpia do vapor vivo é, de acordo com a invenção, reduzida de forma não indesejável pela adição de um lubrificante relativamente frio.

De acordo com outra realização, o método de acordo com a invenção compreende o fornecimento de pelo menos uma parte separada do lubrificante à máquina de expansão. Enquanto uma porção do lubrificante remanescente no meio de operação fornecido à máquina de expansão é utilizada para a lubrificação de partes da câmara de trabalho da máquina de expansão volumetricamente operável que rola ou desliza na outra de acordo com esta outra realização, pelo menos uma parte do lubrificante separado é fornecida aos pontos de lubrificação da máquina de expansão.

O método de acordo com a invenção pode ser vantajosamente empregado à lubrificação de uma máquina de expansão volumetricamente operável de uma usina do Ciclo Orgânico de Rankine (ORC) . Assim, o meio de operação pode ser provido na forma de um meio de operação orgânico. Os hidrocarbonetos fluorados podem ser utilizados, por exemplo, como o meio de operação. Enquanto o meio de operação é tipicamente fornecido do vaporizador à máquina de expansão no estado vaporoso, de acordo com outra realização, o lubrificante está presente no meio de operação que contém um lubrificante e é fornecido pelo vaporizador em um estado líquido na forma de gotículas de óleo que são arrastadas com o vapor do meio de operação. As gotículas de óleo são então pelo menos parcialmente separadas do meio de operação por um dispositivo de separação de lubrificante, e coletadas antes que o dito meio de operação entre na máquina de expansão, de modo que possam ser fornecidas aos pontos de lubrificação da máquina de expansão. 0 lubrificante na forma de goticulas de óleo pode ser, por exemplo, éster sintético (consulte também a descrição detalhada abaixo).

Uma vez que o lubrificante passa pelo vaporizador com o meio de operação, ele tem, após ter sido separado do meio de operação essencialmente vaporoso, uma temperatura elevada, de modo que ela está sob uma pressão relativamente elevada quando se acumula no dispositivo de separação de lubrificante. Esta pressão elevada leva ao fato de ser capaz de fluir livremente e, em particular, sem precisar ser bombeado através de um dispositivo de bombeamento separado aos pontos de lubrificação da máquina de expansão, por exemplo, aos mancais que devem ser lubrificados.

Por outro lado, e como já foi mencionado, o lubrificante fornecido do dispositivo de separação de lubrificante nos pontos de lubrificação da máquina de expansão é relativamente quente. No entanto, uma vez que também pode ser utilizado vantajosamente para a remoção de calor dos pontos de lubrificação da máquina de expansão, o método de acordo com a invenção compreende, de acordo com um exemplo, o resfriamento do lubrificante separado antes que ele seja fornecido aos pontos de lubrificação da máquina de expansão.

Aqui, o calor do lubrificante (por exemplo, um óleo lubrificante) pode ser transferido diretamente a um meio de resfriamento (por exemplo, o ar) . 0 calor pode ser fornecido diretamente do cano no qual o lubrificante é fornecido aos pontos de lubrificação da máquina de expansão para o ar ambiente, ou a transferência de calor é melhorada, por exemplo, com o fornecimento de nervuras ao cano. Neste caso, o calor não está mais disponível para o processo.

Outra opção é a utilização do meio de operação frio para o resfriamento. Aqui, o lubrificante e o meio de operação podem fluir através de um trocador de calor. 0 calor então passa por cima do lubrificante para o meio de operação frio antes de ser fornecido ao vaporizador e, assim, está disponível novamente para o processo.

Assim, o resfriamento do lubrificante separado fornecido aos pontos de lubrificação da máquina de expansão pode ser pelo menos parcialmente conseguido por meio do meio de operação que contém o lubrificante e que é fornecido ao vaporizador. 0 meio de operação está presente em um estado líquido a montante do vaporizador, e compreende o lubrificante nele dissolvido. Nesta forma, ele está relativamente fresco em comparação com o estado a jusante do vaporizador. Assim, ele pode ser guiado, por exemplo, pelo menos parcialmente através de nervuras de resfriamento fornecidas em torno de um cano no qual o lubrificante separado flui para os pontos de lubrificação da máquina de expansão, e pode assim resfriar o lubrificante em sua trajetória de transporte para a máquina de expansão.

O objetivo mencionado acima também é alcançado através da provisão de um dispositivo que compreende

um vaporizador que é configurado para vaporizar um meio de operação que contém um lubrificante e para fornecer uma máquina de expansão a ele; e

um dispositivo de separação de lubrificante que é configurado para a separação de pelo menos uma parte do lubrificante do meio de operação que contém o lubrificante e é fornecido pelo vaporizador à máquina de expansão.

O dispositivo de separação de lubrificante, além disso, pode ser configurado para fornecer pelo menos uma parte do lubrificante separado da máquina de expansão aos pontos de lubrificação correspondentes, tais como os mancais da máquina de expansão que deve ser lubrificada.

De acordo com outra realização, o dispositivo de acordo com a invenção é um dispositivo de Ciclo Orgânico de Rankine no qual um meio de operação orgânico é empregado.

A máquina de expansão pode ser selecionada do grupo que consiste em uma máquina de expansão de pistão, uma máquina de expansão de parafuso, um expansor de deslocamento, uma máquina de ventoinha e um expansor de raizes.

O dispositivo de acordo com a invenção pode compreender, além disso, um encanamento no qual o lubrificante separado no dispositivo de separação de lubrificante é guiado aos pontos de lubrificação da máquina de expansão e as nervuras de resfriamento que rodeiam o encanamento.

Além disso, é provida uma usina de alimentação de vapor, por exemplo, uma usina de alimentação de vapor geotérmico ou uma usina de alimentação de vapor de combustão de biomassa, que compreende o dispositivo de acordo com um dos exemplos acima.

Outras características e realizações exemplares, bem como vantagens da presente invenção, serão ilustradas em mais detalhes a seguir com referência aos desenhos. Deve entender-se que as realizações não esgotam o campo da presente invenção. Além disso, será entendido que algumas ou todas as características descritas abaixo também podem ser combinadas umas às outras de uma maneira diferente.

A Figura 1 representa um sistema de lubrificação para uma máquina de expansão volumétrica de acordo com a técnica anterior.

A Figura 2 ilustra, a título de exemplo, um sistema de lubrificação para uma máquina de expansão volumétrica de acordo com a presente invenção.

Como é mostrado na Figura 2, um sistema de lubrificação para uma máquina de expansão volumétrica compreende, de acordo com um exemplo da presente invenção, um dispositivo de separação de lubrificante (a seguir, um separador de óleo a titulo de exemplo) 10 que é inserido entre um vaporizador 20 que fornece um meio de operação totalmente ou parcialmente vaporizado, e uma máquina de expansão 30 que é utilizada para a obtenção de energia elétrica em cooperação com um gerador 40. Enquanto na técnica anterior, como é descrito acima com referência à Figura 1, uma separação do lubrificante do fluxo de vapor residual é realizada de acordo com a invenção, pelo menos uma parte do lubrificante é separada do vapor vivo do meio de operação que é misturado com o lubrificante e fornecido à máquina de expansão 30. No separador de óleo 10, as placas de separação correspondentes podem ser providas de modo que, no meio da operação que alcança a máquina de expansão 30, uma quantidade suficiente de lubrificante (óleo lubrificante) ainda está presente, de modo que uma lubrificação confiável de partes da câmara de trabalho da máquina de expansão volumetricamente operável 30 que rolam ou deslizam umas nas outras pode ser obtida. Como uma alternativa, a separação do lubrificante no separador de óleo 10 pode ser efetuada essencialmente completamente, e uma quantidade adequada de lubrificante pode ser fornecida de novo ao vapor vivo do meio de operação antes que ele entre na máquina de expansão 30.

O óleo lubrificante separado é coletado no separador de óleo 10. Uma vez que ele tenha sido levado a uma temperatura elevada após ter passado pelo vaporizador com o meio de operação, ele está sob alta pressão no separador de óleo 10, de modo que pode fluir livremente através de um cano correspondente para a máquina de expansão 30 para lubrificar seus pontos de lubrificação correspondentes nele. Além dos mancais lubrificantes, também é possível remover o calor perdido dos mancais. Para este fim, pode ser vantajoso resfriar o óleo lubrificante antes ou durante o transporte até os pontos de lubrificação da máquina de expansão 30. Este resfriamento pode ser feito, por exemplo, com o auxílio de nervuras de resfriamento que são providas em torno do encanamento para os pontos de lubrificação da máquina de expansão 30. O resfriamento também pode ser feito por um acoplamento de calor no meio de operação retornado pela bomba de alimentação 50 que, depois da expansão na máquina de expansão 30, passa por um condensador 60 para condensação. O calor pode, alternativamente, passar diretamente do encanamento em que o lubrificante é fornecido aos pontos de lubrificação da máquina de expansão, para o ar ambiente. De acordo com outra alternativa, o lubrificante e o meio de operação podem fluir através de um trocador de calor. O calor então passa por cima do lubrificante para o meio de operação frio.

A título de exemplo, o lubrificante está presente no meio de operação em uma forma dissolvida quando é fornecido ao vaporizador 20 através da bomba de alimentação 50. Isto pode ser conseguido através de uma seleção adequada do meio de operação e do lubrificante. Por exemplo, o meio de operação pode ser provido na forma de um hidrocarboneto fluorado, por exemplo, R134a, R245fa, e o lubrificante na forma de um éster sintético, por exemplo, um óleo da série Reniso Triton SE / SEZ fornecido pela Fuchs, no qual se deve tomar cuidado para que nenhuma abertura de miscibilidade com uma fase de separação correspondente do meio de operação e o lubrificante ocorra na faixa de temperaturas de operação. O óleo lubrificante vontade terá, por exemplo, uma temperatura de ebulição que é claramente mais elevada do que a do meio de operação, de modo que está presente no estado líquido na forma de gotas no vapor de operação do meio de operação após ter passado pelo vaporizador 20.

Uma vez que, de acordo com o exemplo descrito, o óleo lubrificante separado no separador de óleo 10 está sob alta pressão, de modo que, causado pela pressão, pode fluir livremente para a máquina de expansão 30, não há necessidade de provisão de outro dispositivo de bomba para o lubrificante. Além disso, em comparação com a técnica anterior, um menor volume por hora flui através do separador de óleo 10, de modo que ele pode ter um projeto relativamente compacto, o que resulta em economia de espaço e de custos. Além disso, a perda de pressão a jusante da máquina de expansão 30 é reduzida e, assim, a queda de pressão através da máquina de expansão 30 pode ser aumentada em comparação com a configuração convencional com um separador de óleo 10 disposto a jusante da máquina de expansão 30, de modo que a eficiência da máquina de expansão 30 pode ser aumentada. Além disso, o lubrificante permanece diretamente no vapor vivo do meio de operação, ou é fornecido a ele em temperatura de vapor vivo, de modo que, em contraste com a técnica anterior, a utilização de um lubrificante não leva a uma redução na temperatura de vapor vivo e entalpia.

Além disso, a lubrificação inventiva de uma máquina de expansão volumetricamente operável melhora significativamente o comportamento de início de uma usina de ORC. Quando a usina de ORC é iniciada, um meio de operação frio é fornecido ao vaporizador 20 através da construção de uma pressão térmica por evaporação. O vapor é fornecido ao condensador 60 no curso da operação de início por meio de uma linha de desvio (não mostrada na Figura 2) . Do mesmo modo, um líquido lubrificante, por exemplo, um óleo lubrificante do separador de óleo 10, é fornecido ao condensador. O meio de operação liquefeito e o óleo lubrificante fluem para um recipiente de alimentação onde são fornecidos ao vaporizador 20 através da bomba de alimentação 50. O óleo lubrificante também pode ser fornecido diretamente ao recipiente de alimentação para a dissolução no meio de operação. Assim, em um modo de economia de tempo, toda a carga de lubrificante fornecida pode ser guiada através do vaporizador e trazida à temperatura de operação.

Claims

MÉTODO DE LUBRIFICAÇÃO DE UMA MÁQUINA DE EXPANSÃO (30), compreendendo
o fornecimento de um meio de operação que contém um lubrificante através de um vaporizador, estando o lubrificante presente no meio de operação fornecido pelo vaporizador (20) na forma de gotículas de óleo;
separação de uma parte do lubrificante do meio de operação que é fornecido pelo vaporizador (20); e
fornecimento do meio de operação que é esvaziado pela separação da parte do lubrificante para a máquina de expansão (30);
e caracterizado por
o meio de operação que é esvaziado pela separação da parte do lubrificante do lubrificante é fornecido à máquina de expansão (30) de modo que o lubrificante restante no meio de operação fornecido à máquina de expansão (30) seja usado para lubrificar partes da câmara de trabalho da máquina de expansão (30) que rola ou desliza uma sobre a outra.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda o fornecimento de pelo menos uma parte do lubrificante separado à máquina de expansão (30).
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo meio de operação ser provido na forma de um meio de operação orgânico.
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo lubrificante separado ser coletado em uma parte de um dispositivo de lubrificação sob pressão, e então flui devido à dita pressão, em particular sem ser bombeada desta parte aos pontos de lubrificação da máquina de expansão.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por compreender ainda o resfriamento do lubrificante separado antes que ele seja fornecido aos pontos de lubrificação da máquina de expansão (30).
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo resfriamento do lubrificante separado fornecido aos pontos de lubrificação da máquina de expansão (30) ser efetuado com a ajuda do meio de operação que contém o lubrificante e que é fornecido ao vaporizador (20).
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que o meio de operação é caracterizado por compreender um hidrocarboneto fluorado ou é constituído por ele, e o lubrificante compreende um éster sintético ou é constituído por ele.