CZ2015503A3

CZ2015503A3 - An accumulation system of waste heat generated in industrial processes for the production of electrical energy

Info

Publication number: CZ2015503A3
Application number: CZ2015-503A
Authority: CZ
Inventors: Tadeáš Ochodek; Jan Koloničný; Jiří Horák; David Kupka
Original assignee: Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-03-08
Also published as: CZ306558B6

Abstract

Systém akumulace tepla, zahrnuje zdroj (1) odpadního tepla, jenž je připojen přes tepelný výměník (2) na komín (3) a okruh (21) pro výrobu elektrické energie, který zahrnuje parní oběh (12) propojující generátor (9) páry s napájecí nádrží (11), kondenzátorem (15) a bezlopatkovou turbínou (13) napojenou na elektrický generátor (14). Kondenzátor (15) je přes okruh (16) chlazení kondenzátu propojen se vzduchovým kondenzátorem (17). Systém dále zahrnuje akumulační okruh (19), jehož součástí je tepelný výměník (2) propojený přes ohřívací okruh (5) s akumulačním výměníkem (6), který je naplněn teplonosným médiem (20). Teplonosné médium (20) je směs bi- a triarylových éterů, jehož měrná tepelná kapacita při 300 .degree.C je 2,53 kJ.kg.sup.-1.n..K.sup.-1.n., tepelná vodivost je 0,094 W.m.sup.-1.n..K.sup.-1.n.a dynamická viskozita 0,029 mPas.sup.-1.n..The heat storage system includes a waste heat source (1) that is connected via a heat exchanger (2) to a chimney (3) and a power generation circuit (21) that includes a steam circuit (12) interconnecting the steam generator (9) with a feed tank (11), a condenser (15) and a bladeless turbine (13) connected to the electric generator (14). The capacitor (15) is connected to the air condenser (17) via the condensate cooling circuit (16). The system further comprises an accumulation circuit (19) comprising a heat exchanger (2) interconnected via a heating circuit (5) with a storage exchanger (6) which is filled with a heat transfer medium (20). The heat transfer medium (20) is a mixture of bi- and triaryl ethers whose specific heat capacity at 300 degC is 2.53 kJ · kg.sup.-1.n..K.sup.-1.n., Thermal the conductivity is 0.094 Wmsup.-1.n..K.sup.-1.in dynamic viscosity 0.029 mPas.sup.-1.n ..

Description

SYSTÉM AKUMULACE ODPADNÍHO TEPLA VZNIKAJÍCÍHO PŘI PRŮMYSLOVÝCH PROCESECH PRO VÝROBU ELEKTRICKÉ ENERGIEWASTE HEATING SYSTEM FOR INDUSTRIAL PROCESSES FOR ELECTRICITY PRODUCTION

Oblast techniky:Technology:

Vynález se týká systému akumulace odpadního tepla, včetně špičkové výroby elektrické energie, přičemž tepelná energie je akumulována do uzavřeného olejového okruhu, kterým je ohřívána vodní pára a mechanická práce je získávána expanzí vodní páry na rotoru bezlopatkové turbíny.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a waste heat storage system, including peak power generation, wherein heat energy is accumulated in a closed oil circuit to heat water vapor and mechanical work is obtained by expanding water vapor on a bladeless rotor turbine.

Dosavadní stav technikyBackground Art

Odpadní teplo vznikající například při průmyslových procesech je pro výrobu elektrické energie využitelné v omezené míře. Limitující je často nízká teplota odpadního média a nestabilní produkce zdroje tepla. Klasický Rankinův oběh je možné nahradit organickým Rankinovým oběhem (ORC), který se vyznačuje použitím pracovní látky v podobě silikonového oleje. Jelikož olej je za srovnatelného tlaku schopen odpařování při podstatně nižší teplotě než voda, umožňuje toto řešení částečně eliminovat potíže vyplývající z nízké kvality zdroje odpadního tepla v souvislosti s potřebnou velikostí teploty pro realizaci periodické fázové přeměny v rámci pracovního cyklu. Problémy spojené s nestabilní produkcí odpadního tepla jsou řešeny systémem akumulace. V současnosti se však jedná o akumulaci nízkopotenciálního tepla, které je vhodné pro přímé využití například pro ohřev užitkové vody, nikoliv pro přípravu procesní páry s požadovanými parametry umožňujícími účelnou expanzi na turbíně. V patentové přihlášce % US 4266404 je popsán způsob a zařízení pro úsporu ztrátové energie přenosem ztrátového tepla ze spalovacího motoru, sběrače sluneční energie, nebo jakéhokoliv jiného zdroje odpadní tepelné energie o teplotě 20C^C a výše. Vynález se týká převádění odpadního tepla na užitečnou energii, a zejména na využití odpadního tepla ze spalovacího motoru k výkonu práce, jako je například klimatizace automobilu nebo provozování čerpadla nebo další mechanická zařízení. V principu je ztrátové teplo odváděno nosnou kapalinou do výměníku tepla. Výhodné provedení vynálezu obsahuje motor pracující na Rankin-Stirlingova cyklu. Patentované řešení se od předkládaného vynálezu liší v použití pracovní látky Rankinova oběhu a způsobu transformace tepelné energie na mechanickou práci. V tomto systému není uvažováno s výrobou elektrické energie.Waste heat generated, for example, in industrial processes is limited in use to generate electricity. Often limiting is the low temperature of the waste medium and the unstable production of the heat source. The classic Rankine circuit can be replaced by an organic Rankine circuit (ORC), which is characterized by the use of a working substance in the form of silicone oil. Since the oil is capable of vaporization at a substantially lower temperature than water at comparable pressure, this solution allows to partially eliminate the difficulties resulting from the poor quality of the waste heat source in connection with the required temperature for realizing the periodic phase conversion within the working cycle. The problems associated with unstable waste heat production are solved by an accumulation system. However, at present, it is the accumulation of low-potential heat, which is suitable for direct use, for example, for the heating of service water, not for the preparation of process steam with the required parameters allowing efficient expansion on the turbine. US Patent Application No. 4266404 discloses a method and apparatus for saving lossy energy by transferring heat loss from an internal combustion engine, solar energy collector, or any other source of waste heat energy at 20 ° C and above. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to the transfer of waste heat to useful energy, and in particular to the use of waste heat from an internal combustion engine to perform work such as automobile air conditioning or pump operation or other mechanical devices. In principle, the heat loss is carried away by the carrier fluid to the heat exchanger. A preferred embodiment of the invention comprises a motor operating on a Rankin-Stirling cycle. The patented solution differs from the present invention in the use of the Rankin circulation substance and the method of transforming thermal energy into mechanical work. Power generation is not considered in this system.

Vynález popisovaný v evropské přihlášce vynálezu $ EP2211028 se týká postupu recyklace odpadního tepla pro zdroje odpadního tepla poměrně nízké kvality, doposud nevyužitelného hlavně z ekonomických důvodů a zároveň pro nedostatek vhodných zařízení pro instalaci vynálezu. Uzavřený Rankinův cyklus pracuje s plynem nebo kapalinou zahřátou ze zbytkového tepla, které má teplotu nižší než 35C^C. Odpadní teplo vstupuje do výměníku tepla z výparníku prostřednictvím mezilehlého vodního okruhu pro přenášení odpadního tepla do pracovní tekutiny. Patentované řešení se od předkládaného vynálezu liší v použití pouze jedné pracovní látky, kterou je silikonový olej. Olej je nutné po uplynutí určitého počtu pracovních cyklů obměňovat, což zvyšuje provozní náklady technologie. Tato koncepce neobsahuje akumulační systém, který by eliminoval nerovnoměrnou dodávku odpadního tepla.The invention described in European patent application EP2211028 relates to a process for recycling waste heat for waste heat sources of relatively low quality, not yet usable mainly for economic reasons and at the same time for lack of suitable devices for installing the invention. A closed Rankine cycle works with gas or liquid heated from residual heat that is below 35 ° C. Waste heat enters the heat exchanger from the evaporator via an intermediate water circuit to transfer waste heat to the working fluid. The patented solution differs from the present invention in the use of only one working substance, which is a silicone oil. The oil needs to be changed after a certain number of operating cycles, which increases the operating costs of the technology. This concept does not include an accumulation system that eliminates the uneven supply of waste heat.

Vynález popisovaný v přihlášce EP2762691 se týká zařízení v kogeneračním uspořádání, které pracuje zejména na ORC. Zařízení obsahuje turbínu spojenou s výparníkem. Pracovní médium z výparníku se dodává v mlžném stavu, a výměník tepla je také spojen s turbínou. Tepelný výměník je propojen s jednotkou pro zužitkování tepelné energie, takže tepelná energie z pracovního média se přenese do pracovní kapaliny, která proudí jednotkou pro zužitkování tepelné energie. Pro pohon cyklu, a pro zvýšení tlaku pracovního média v kapalném stavu, se obvykle používá dopravní čerpadlo pro zajištění proudění pracovního média mezi funkčními jednotkami a pro natlakování pracovního média mezi kondenzátorem a výparníkem. Pracovní médium se převádí na tepelnou energii ve výparníku. V turbíně je pracovní tekutina ve stavu páry a adiabaticky se přemění na mechanickou práci. Turbína je přístroj, který mění vnitřní energii mlžného pracovního média do rotační energie, a nakonec na mechanickou práci. Patentované řešení používá k vykonání práce na turbíně termo-olej, nikoliv vodní páru. Systém nemá ošetřeny výkyvy dodávek odpadního tepla formou akumulace tepelné energie. V německé přihlášce vynálezu )L DE102012009459 je popsáno zařízení pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii prostřednictvím procesu Rankinova cyklu. V zařízení je používán oxid uhličitý v kritickém bodu, jako pracovní tekutina, při tlaku max. asi 73,8 barů a teplotě 3l]°C. Zařízení se skládá z cirkulačního potrubí pro vedení pracovní tekutiny, výparníku pro odpařování pracovní kapaliny, zahřívané ze ztrátového tepla. Dále se skládá z přístroje pro generování mechanické energie z expanzí páry pracovní tekutiny, kondenzátoru pro kondenzaci par expandované pracovní tekutiny a pro odstranění odpadní tepelné energie. Čerpadlo slouží pro natlakování kondenzované pracovní tekutiny. V přihlášce vynálezu CN 102817657 A je řešena technologie topného potrubí, která je založena na ORC a také systém využívající energii výfukových plynů o nízké teplotě pro generování elektrické energie. Systém využívá jako podsystém ORC, a dále podsystém pro akumulaci a regeneraci tepla a podsystém pro uchovávání pracovní kapaliny. Celý systém zahrnuje z kondenzátoru, čerpadla, regenerátoru, tepelné trubice s výparní, horkou a kondenzační části, předehřívače pracovního media pro ORC a turbo expandéru. Pracovním médiem v celém systému je organická látka. Systém je složitější, protože je vyžadována vícenásobná fázová přeměna. Z toho důvodu je potřeba do cyklu zahrnout větší počet trubkových kondenzátorů, čímž se zvyšuje požadavek na velikost teplosměnné plochy. V rezervoáru je uchováváno médium o nižších teplotách, než má admisní pára což znamená, že před expanzí musí být opětovně ohřívána odběrem ze zdroje odpadního tepla. V přihlášce CN 202001231 U je řešeno zařízení, využívající sluneční energii pro generování tepelné energie prostřednictvím ORC. Zařízení zahrnuje parabolickou drážku kondenzačního pole, kondenzační pole pro kondenzaci tepla, pracovní medium pro vedení tepla, tepelný výměník, atomizér, tlakové čerpadlo, přetlakový ventil, zásobník tepla, medium pro akumulaci tepla, střední - nízkoteplotní napájecí jednotku pro ORC, prostor pro odpařování organického media, výparoměr, kondenzátor, chladící jednotku, regulační ventil, doplňující kotel a hydraulickou turbínu. Zařízení pro generování tepelné energie přijímá rozprašovanou vodní páru a organické médium, etylenglykol, nebo vodivý olej jako teplonosné pracovní medium, které je přes potrubí dopravováno do napájecí jednotky ORC. Tímto způsobem je do napájecí jednotky ORC dodávaná tepelná energie z tepelného zásobníku. Sluneční energii je tak možné využít k shromažďování tepla.The invention described in the application EP2762691 relates to a device in a cogeneration arrangement which operates in particular on an ORC. The apparatus includes a turbine connected to the evaporator. The working medium from the evaporator is supplied in a fog state, and the heat exchanger is also connected to the turbine. The heat exchanger is connected to a heat energy utilization unit so that heat energy from the working medium is transferred to a working fluid that flows through the heat energy utilization unit. To drive the cycle, and to increase the pressure of the working medium in the liquid state, a conveying pump is usually used to provide flow of the working medium between the functional units and to pressurize the working medium between the condenser and the evaporator. The working medium is converted to thermal energy in the evaporator. In the turbine, the working fluid is in the vapor state and is adiabatically converted to mechanical work. The turbine is a device that converts the internal energy of a fog working medium into a rotating energy, and finally a mechanical work. The patented solution uses thermo-oil, not water vapor, to perform work on the turbine. The system does not deal with fluctuations in the supply of waste heat through the accumulation of thermal energy. German Patent Application DE102012009459 discloses an apparatus for converting thermal energy into mechanical energy by means of a Rankin cycle process. The apparatus uses carbon dioxide at a critical point, such as a working fluid, at a pressure of max. 73.8 bar and a temperature of 3 l ° C. The device consists of a circulation line for conveying the working fluid, the evaporator for evaporating the working fluid, heated from the loss of heat. It further comprises an apparatus for generating mechanical energy from expanding the vapor of the working fluid, a condenser for condensing the vapor of the expanded working fluid, and for removing waste heat energy. The pump serves to pressurize the condensed working fluid. CN 102817657 A discloses an ORC-based heating pipe technology as well as a low-temperature exhaust gas system for generating electricity. The system uses ORC as a subsystem, as well as a heat storage and regeneration subsystem and a working fluid storage subsystem. The entire system includes a condenser, pump, regenerator, vapor, heat and condenser heat pipe, ORC and media expander. The working medium throughout the system is an organic substance. The system is more complex because multiple phase conversion is required. For this reason, a larger number of tube capacitors need to be included in the cycle, thereby increasing the heat transfer surface size requirement. Medium is stored in the reservoir at lower temperatures than admission steam, which means that it must be reheated by extraction from the waste heat source before expansion. CN 202001231 U addresses a device using solar energy to generate thermal energy through ORC. The device includes a condensation field parabolic groove, condensation field for heat condensation, working medium for heat conduction, heat exchanger, atomizer, pressure pump, pressure relief valve, heat storage medium, heat storage medium, medium - low temperature ORC feed unit, organic evaporation space media, evaporator, condenser, cooling unit, control valve, supplementary boiler and hydraulic turbine. The thermal energy generating device receives the atomized water vapor and the organic medium, ethylene glycol, or conductive oil as the heat transfer working medium that is conveyed through the pipeline to the ORC power unit. In this way, thermal energy from the heat storage container is supplied to the ORC power supply unit. Thus, solar energy can be used to collect heat.

Oběh vyžaduje doplňkový zdroj v podobě kotle na zvýšení parametrů páry chladivá. V primárním okruhu probíhá fázová přeměna. Dle spisu je do akumulační jednotky 7 přiváděna sytá pára přes vložený okruh s kondenzátorem, nebo přímo. Sekundární okruh je nízkoteplotní organický. V přihlášce CN 202970867 U je řešen systém recyklace odpadního výfukového tepla z vnitřního spalovacího motoru, spolu s tepelným akumulátorem. Odpadní teplo z vnitřního spalovacího motoru je přenášeno na organickou pracovní látku vORC prostřednictvím tepelně vodivé olejové smyčky, přičemž se organická pracovní látka vypařuje. Tepelný akumulátor, který je připojen k ORC v sérii, absorbuje, nebo uvolňuje teplo z organické pracovní látky. Expandér je použit pro převod změny entalpie v expanzním procesu k užitečnému pracovnímu výkonu. Tok organické pracovní látky je nastaven v závislosti na rychlosti otáčení a zatížení spalovacího motoru. Teplota zbytkového plynu na výstupu z výfukového potrubí se používá jako zpětná vazba pro realizaci vedení tepla toku olej ovládání v uzavřeném okruhu. Sekundární okruh pracuje s organickou látkou, která je do akumulátoru přiváděna v plynném skupenství. Akumulátor slouží spíše jako regenerátor k regulaci teploty páry chladivá při změně otáček a zatížení spalovacího motoru, než k průběžnému uchovávání tepelné energie pro její pozdější využití k výrobě elektřiny. Umístění akumulátoru je řešeno jinak, rovněž pracuje s látkou v jiném skupenství a je na něm závislá regulace výkonu expandéru. Organická pracovní látka je použita u ORC, což znamená, že dochází k její fázové přeměně. Teplo je do oběhu dodáváno syntetickým olejem. V navrhovaném řešení se jedná o klasický Rankinův oběh, do něhož je teplo převáděno z organické teplonosné látky. V přihlášce WO 2008/074637 je řešen systém pro konverzi odpadního tepla poměrně nízké kvality z turbodmychadla. Uzavřený Rankinův cyklus pracuje s plynem nebo kapalinou, které mají nižší teplotu než 35(j°C. Pracovní kapalina se odpařuje a směs se zahřívá na teplotu 60°C při tlaku nižším než 6 barů. Za těchto podmínek se směs přivádí do turbíny. Tok pracovní tekutiny je teda veden z výparníku ve formě páry do turbíny, kde roztáčí hřídel, což generuje elektrickou energii. Dále je pára vedena do kondenzátoru, pro kondenzaci výfukové páry z turbíny a čerpadlem je zkondenzovaná kapalina přemísťována zase do výparníku. Pracovní látkou je u tohoto řešení silikonový olej, který je nutné po uplynutí určitého počtu pracovních cyklů obměňovat, což zvyšuje provozní náklady technologie. Pracovní látka je dále umístěna pouze v rámci jednoho okruhu, kterým není zajištěna akumulace odpadního tepla. Navrhované řešení v předkládané přihlášce je inovativní v tom, že vložením akumulačního okruhu je možné eliminovat nerovnoměrnou dodávku odpadního tepla a přesunout těžiště výroby elektrické energie do období nekorespondujícího s dodávkou odpadního tepla. Tím je umožněno operativně reagovat na požadavek zvýšené spotřeby elektrické energie, kterou je možné krýt z vlastních zdrojů. Pracovní látkou mimo akumulační okruh je voda, což má vliv na nižší provozní náklady systému. V přihlášce DE 202010004882 U1 je řešen systém pro konverzi odpadního tepla poměrně nízké kvality z turbodmychadla. Jedná se o řešení totožné s řešením popsaným ve WO 2008/074637 A1. Jedná se o jednookruhový ORC, kde výpamík je ohříván přímo zdrojem odpadního tepla bez vloženého akumulačního okruhu, kterým je řešena disproporce mezi produkcí odpadního tepla a spotřebou elektrické energie. V přihlášce EP2441926 je popsán akumulační systém, který je určen pro velká zařízení typu parní elektrárny. Z toho důvodu je vybaven 3 úrovněmi akumulace dle teploty páry. Pára má však poměrně nízké parametry (do 12o£c), tudíž teplo z ní je těžko uplatnitelné pro výrobu vodní páry pro pohon turbíny. Proto se místo vody používají organické látky, které tvoří pracovní médium v Rankinova oběhu, nikoliv akumulační médium. V užitném vzoru ^ CZ 028034 U1 je řešeno uspořádání systému akumulace tepla, zahrnující zdroj odpadního tepla, jenž je připojen přes tepelný výměník na komín, který dále zahrnuje akumulační okruh a okruh pro výrobu elektrické energie, přičemž akumulační okruh zahrnuje zdroj odpadního tepla a tepelný výměník přes ohřívací okruh propojený s akumulačním výměníkem a okruh pro výrobu elektrické energie zahrnuje parní oběh propojující generátor páry s napájecí nádrží, kondenzátorem a bezlopatkovou turbínou napojenou na elektrický generátor, přičemž akumulační výměník je dále propojen přes vychlazovací okruhu s generátorem páry a kondenzátor je přes okruh chlazení kondenzátu propojen se vzduchovým kondenzátorem. Technické řešení využívá jako teplonosnou kapalinu v uzavřeném olejovém okruhu běžné organické olejové látky, které jsou náchylné k náhodnému nehomogennímu přehřátí a nevykazují vysokou chemickou a tepelnou stabilitu. Cílem vynálezu je využití odpadního tepla vznikajícího při průmyslových procesech pro výrobu elektrické energie a její následný odběr ve špičce. K tomuto účelu je navržen systému akumulace odpadního tepla využívající teplonosné medium, umožňující akumulaci a využití odpadního tepla i s poměrně nízkou kvalitou.Circulation requires an additional source in the form of a boiler to increase refrigerant vapor parameters. There is a phase conversion in the primary circuit. According to the specification, saturated steam is fed into the storage unit 7 via an intermediate circuit with a capacitor or directly. The secondary circuit is low temperature organic. CN 202970867 U describes a system for recycling waste exhaust heat from an internal combustion engine, together with a heat accumulator. The waste heat from the internal combustion engine is transferred to the organic working substance vORC by a thermally conductive oil loop, whereby the organic working substance evaporates. A thermal accumulator that is connected to the ORC in series absorbs or releases heat from the organic working substance. The expander is used to convert the enthalpy change in the expansion process to useful work performance. The flow of organic working substance is adjusted depending on the speed of rotation and the load of the internal combustion engine. The residual gas temperature at the outlet of the exhaust pipe is used as feedback to realize the heat conduction of the oil flow control in the closed circuit. The secondary circuit operates with an organic substance that is fed into the accumulator in a gaseous state. Rather, the accumulator serves as a regenerator to regulate the temperature of the refrigerant vapor when changing the speed and load of the internal combustion engine, rather than continuously storing thermal energy for later use to generate electricity. The location of the battery is different, it also works with the substance in another state and it depends on the regulation of the expander output. The organic working substance is used in ORC, which means that it undergoes phase transformation. Heat is supplied to the circulation by synthetic oil. The proposed solution is a classic Rankine circuit, into which heat is transferred from an organic heat carrier. WO 2008/074637 solves a system for converting relatively low quality waste heat from a turbocharger. The closed Rankine cycle works with gas or liquid below 35 (j ° C). The working fluid evaporates and the mixture is heated to 60 ° C at a pressure of less than 6 bar. Thus, the working fluid is fed from the vaporizer to the turbine where it spins the shaft, generating electrical energy, and then fed to the condenser to condense the exhaust vapor from the turbine and the condensed liquid is transferred back to the evaporator. a silicone oil solution that needs to be varied after a certain number of work cycles, which increases the operating cost of the technology, and the work substance is only housed within a single circuit that does not provide waste heat storage. insertion of accumulation circuit is possible to eliminate uneven supply of waste heat and shift the focus of electricity generation to a period not corresponding to the waste heat supply. This makes it possible to respond flexibly to the demand for increased electricity consumption, which can be covered from own resources. The working medium outside the storage circuit is water, which affects the lower operating costs of the system. DE 202010004882 U1 describes a system for converting relatively low quality waste heat from a turbocharger. This is a solution identical to that described in WO 2008/074637 A1. It is a single-circuit ORC, where the waste is heated directly by the waste heat source without an intermediate accumulation circuit, which solves the disproportion between waste heat production and electricity consumption. EP2441926 discloses an accumulation system which is intended for large steam power plants. For this reason, it is equipped with 3 levels of steam storage. However, the steam has relatively low parameters (up to 12 ° C), hence the heat from it is difficult to apply to the production of steam to drive the turbine. Therefore, instead of water, organic substances are used that form the working medium in Rankin's circulation, not the storage medium. In the utility model, a heat storage system is provided comprising a waste heat source which is connected via a heat exchanger to a chimney, which further comprises an accumulation circuit and a circuit for generating electricity, the accumulation circuit comprising a waste heat source and a heat exchanger via a heating circuit interconnected with the accumulator heat exchanger and the electric power circuit comprises a steam circuit interconnecting the steam generator with the feed tank, a condenser and a bladeless turbine connected to the electric generator, the accumulator exchanger being further connected via a cooling circuit with a steam generator and the condenser via a cooling circuit condensate is connected to the air condenser. The technical solution uses conventional organic oil substances as a heat transfer fluid in a closed oil circuit, which are susceptible to accidental inhomogeneous overheating and do not exhibit high chemical and thermal stability. The aim of the invention is to utilize waste heat generated in industrial processes for the production of electricity and its subsequent withdrawal at peak times. For this purpose, a waste heat storage system using a heat transfer medium is designed to allow the accumulation and use of waste heat even with relatively low quality.

Podstata vynálezu Cíle vynálezu je dosaženo systémem akumulace tepla, zahrnující zdroj odpadního tepla, jenž je připojen přes tepelný výměník na komín a okruh pro výrobu elektrické energie, který zahrnuje parní oběh propojující generátor páry s napájecí nádrží, kondenzátorem a bezlopatkovou turbínou napojenou na elektrický generátor, kde kondenzátor je přes okruh chlazení kondenzátu propojen se vzduchovým kondenzátorem, přičemž dále zahrnuje akumulační okruh, jehož součástí je tepelný výměník propojený přes ohřívací okruh s akumulačním výměníkem, který je naplněn teplonosným médiem jehož podstata spočívá v tom, že teplonosné médium je směs bi-a tri- arylových éterů jehož měrná tepelná kapacita při 30(^oC je 2,53 kJ.kg'1.K’1, tepelná vodivost je 0,094 W.m‘1.K‘1 a dynamická viskozita 0,029 mPas'1.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is achieved by a heat storage system comprising a waste heat source which is connected via a heat exchanger to a chimney and a power generation circuit comprising a steam circuit interconnecting a steam generator with a feed tank, a condenser and a bladeless turbine connected to the electric generator. wherein the condenser is connected to the air condenser via a condensate cooling circuit, further comprising an accumulation circuit comprising a heat exchanger interconnected via a heating circuit with an accumulator exchanger which is filled with a heat transfer medium the essence of which is that the heat transfer medium is a bi-a mixture of triaryl ether having a specific thermal capacity at 30 ° C is 2.53 kJ · k -1. K -1, thermal conductivity is 0.094 W m -1 · K -1 and dynamic viscosity 0.029 mPas -1.

Pro zajištění dostatečné tepelné kapacity teplosměnného média je výhodné, když je, že teplonosné médium je organického původu, což zaručuje vysokou tepelnou a chemickou stabilitu v kapalném stavu při relativně nízkých tlacích v řádu jednotek bar. Médium je tvořeno směsí bi- a triarylových éterů s vysokou odolností vůči náhodnému přehřátí. Rovněž čistota teplonosného média a obsah vlhkosti pod 150 ppm eliminuje riziko degradace média, zanášení a koroze teplosměnných ploch. Trvalá maximální provozní teplota činí 345£C, přičemž teplota vzplanutí je 43(^0.To ensure sufficient heat capacity of the heat exchange medium, it is preferred that the heat transfer medium is of organic origin, which guarantees high thermal and chemical stability in the liquid state at relatively low pressure in the order of bar units. The medium consists of a mixture of bi- and triaryl ethers with high resistance to accidental overheating. Also, the purity of the heat transfer medium and moisture content below 150 ppm eliminates the risk of media degradation, clogging and corrosion of heat transfer surfaces. The continuous maximum operating temperature is 345 ° C, with a flash point of 43 ° C.

Ve výhodném provedení systému akumulace tepla dle vynálezu mohou být ohřívací okruh a/nebo parní oběh a/nebo vychlazovací okruh a/nebo okruh chlazení kondenzátu opatřeny čerpadlem. V detailním provedení tedy systém zahrnuje zdroj odpadního tepla, jenž je připojen přes tepelný výměník na komín, přičemž tepelný výměník je dále zapojen do ohřívacího okruhu, v němž je uspořádáno první čerpadlo a ohřívací okruh je dále napojen na akumulační zásobník, jenž je napojen vychlazovací okruh, v němž je zařazeno druhé čerpadlo a vychlazovací okruh je připojen na generátor páry, který je zařazen v parním okruhu, ve kterém dále zařazeno první oběhové čerpadlo vody napojené mezi generátor páry a napájecí nádrž, která je dále napojena na kondenzátor, jenž je napojen okruh chlazení kondenzátu, v němž je zařazeno druhé oběhové čerpadlo vody, přičemž tento okruh je připojen na vzduchový kondenzátor a dále je na kondenzátor napojena bezlopatková turbína propojená s elektrickým generátorem.In a preferred embodiment of the heat storage system according to the invention, the heating circuit and / or the steam circulation and / or the cooling circuit and / or the condensate cooling circuit may be provided with a pump. Thus, in a detailed embodiment, the system comprises a waste heat source which is connected via a heat exchanger to a chimney, wherein the heat exchanger is further connected to a heating circuit in which the first pump is arranged and the heating circuit is further connected to an accumulation tank connected to the cooling circuit. including a second pump and a cooling circuit connected to a steam generator included in the steam circuit, further including a first water circulation pump connected between the steam generator and a feed tank which is further connected to a condenser connected to the circuit cooling the condensate in which the second water circulation pump is connected, the circuit being connected to an air condenser, and a bladeless turbine connected to the electric generator is connected to the condenser.

Uspořádání systému akumulace tepla může být ve výhodném provedení také modifikováno tak, že ohřívací okruh a vychlazovací okruh jsou tvořeny souvislým oběhovým potrubím spojujícím tepelný výměník s generátorem páry a vedoucím přes akumulační výměník.The arrangement of the heat storage system can also advantageously be modified so that the heating circuit and the cooling circuit are formed by a continuous circulation pipe connecting the heat exchanger to the steam generator and passing through the storage exchanger.

Systém uzavřeného okruhu s teplonosným organickým médiem slouží k akumulaci tepelné energie, která je uvolňována v době špičkových odběrů elektrické energie.A closed circuit system with a heat transfer organic medium is used to accumulate the thermal energy that is released during peak electricity consumption.

Podstatou vynálezu je využití odpadního tepla vznikajícího při průmyslových procesech pro výrobu elektrické energie. Uvedené řešení se od současného stavu techniky liší tím, že energetickým zdrojem v procesu výroby elektrické energie v rámci Rankinova kondenzačního oběhu není spalovací zařízení na fosilní paliva, nýbrž vyvíječ páry, do něhož je organickou teplonosnou kapalinou přiváděna tepelná energie získaná akumulací odpadního tepla z odpadních plynů vznikajících v průmyslových zařízeních. Zařazení akumulačního okruhu se zásobníkem do systému umožňuje eliminovat vliv nerovnoměrných dodávek odpadního tepla a provozovateli zařízení dává ekonomickou výhodu spočívající v možnosti výroby elektrické energie v době odběrových špiček a krytí spotřeby vlastní výrobou.It is an object of the present invention to utilize waste heat generated by industrial processes for generating electricity. The solution differs from the state of the art in that the fossil fuel combustion plant is not the energy source in the Rankin condensation process, but the steam generator, into which the thermal energy is supplied by the accumulation of waste heat from the waste gases. industrial installations. The inclusion of an accumulation circuit with a reservoir in the system makes it possible to eliminate the effect of uneven supply of waste heat and gives the facility operator an economic advantage consisting in the possibility of producing electricity at the time of peak consumption and covering its own production.

Porovnáním ze známým stavem techniky lze konstatovat, že v primárním (akumulačním) okruhu neprobíhá fázová přeměna. Teplonosná látka je organická a nemění skupenství. V sekundárním (pracovním) okruhu je pracovní látkou voda/pára. Jedná se tedy o řešení, které představuje efektivní koncepci výroby elektrické energie s vysokým stupněm flexibility, kde jímání odpadního tepla je doprovázeno pouze změnou teploty pracovní látky, nikoliv změnou skupenství. To umožňuje realizovat akumulační okruh v jednoduchém uspořádání s nepřímým ohřevem pracovní látky až do teplot 40C^C. Pracovní látka v podobě pára/voda v sekundárním okruhu je volena z toho důvodu, aby bylo možné využít potenciál nízkotlakého turbogenerátoru s bezlopatkovou turbínou speciální konstrukce, která je schopna pracovat v oblasti mokré páry při parametrech 1,5 MPa a 20(^C za současného zachování přijatelné účinnosti transformace. Dalšími výhodami jsou rychlost náběhu ze studeného stavu na maximální výkon a vysoká odolnost vůči velkým a rychlým změnám v teplotě a tlaku admisní páry. Jedná se tak o systém, který je jednoduchý, investičně nenáročný, provozně spolehlivý a s výrazným potenciálem využití odpadního tepla z širokého rozsahu zdrojů v rozmezí malých až středních tepelných výkonů.By comparison with the known state of the art it can be stated that there is no phase transformation in the primary (accumulation) circuit. The heat carrier is organic and does not change state. The secondary (working) circuit is water / steam. It is therefore a solution that represents an efficient concept of electricity generation with a high degree of flexibility, where the collection of waste heat is accompanied only by a change in the temperature of the working substance, not by a change of state. This makes it possible to realize an accumulation circuit in a simple arrangement with indirect heating of the working substance up to 40 ° C. The vapor / water working medium in the secondary circuit is chosen in order to exploit the potential of a low pressure turbine generator with a bladeless turbine of a special design that is capable of operating in the wet vapor range at 1.5 MPa and 20 (^ C with simultaneous Other benefits include a cold start speed to maximum power and high resistance to high and rapid temperature and pressure changes in admission steam, a system that is simple, low-cost, operationally reliable, and has a significant potential for use. waste heat from a wide range of sources in the range of small to medium heat outputs.

Nabíjení akumulačního okruhu je s výhodou možné realizovat v tepelném výměníku proudem ohřátých plynů s teplotou nižší než 25cjjc. Vybíjení akumulačního okruhu se děje v době vysoké poptávky po elektrické energie, a to převáděním tepelné energie z organického média v tepelném výměníku do vody. Přivedeným teplem se voda odpařuje a jako pára je vedena na bezlopatkovou turbínu, ve které expanduje. Oběžné kolo turbíny je přes hřídel spojeno s elektrickým generátorem, který zajišťuje transformaci mechanické energie na elektrickou.The charging of the accumulation circuit is advantageously possible in a heat exchanger with a flow of heated gases with a temperature below 25 cc. Discharging the accumulation circuit occurs at a time of high electricity demand by converting thermal energy from the organic medium in the heat exchanger to water. By the applied heat, the water evaporates and, as a vapor, is led to the bladeless turbine in which it expands. The turbine impeller is connected to the electric generator through the shaft to transform the mechanical energy into electrical power.

Toto řešení systému umožňuje stabilizovat pracovní proces eliminací vlivů nerovnoměrného výkonu zdroje odpadního tepla při současném zachování jednoduchého konceptu založeného na klasickém parním Rankinovu oběhu. Výhodou pak je možnost uplatnění konstrukčně jednodušších typů parní turbíny bez lopatkového oběžného kola.This system solution makes it possible to stabilize the work process by eliminating the effects of uneven performance of the waste heat source while maintaining a simple concept based on the classic Rankine steam cycle. The advantage is the possibility of using structurally simpler types of steam turbine without the impeller.

Objasnění výkresuDrawing clarification

Vynález je schematicky znázorněn na výkrese, kde obr. 1 znázorňuje blokové schéma systému akumulace odpadního tepla, obr. 2 znázorňuje blokové schéma systému akumulace odpadního tepla, kde akumulační okruh vznikne vzájemným propojením ohřívacího a vychlazovacího okruhu. Příklady uskutečnění vynálezuBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a waste heat storage system, FIG. 2 is a block diagram of a waste heat storage system wherein a storage circuit is formed by interconnecting a heating and cooling circuit. Examples of carrying out the invention

Vynález řeší systém akumulace odpadního tepla vznikajícího při průmyslových procesech určeného pro výrobu elektrické energie. Systém akumulace tepla tvoří akumulační okruh 19, který zahrnuje zdroj 1 odpadního tepla, tepelný výměník 2, ohřívací okruh 5, akumulační výměník 6 a vychlazovací okruh 7, a okruh 21 pro výrobu elektrické energie, který zahrnuje parní oběh 12, generátor 9 páry, napájecí nádrž 11. kondenzátor 15* okruh 16 chlazení kondenzátu, vzduchový kondenzátor 17 a bezlopatkovou turbínu 13 a elektrický generátor 14. V akumulačním okruhu 19 proudí teplonosná kapalina 20, například olej, která neprochází fázovou přeměnou a okruhem pro výrobu elektřiny 21. V okruhu 21 pro výrobu elektrické energie je využívána akumulovaná tepelná energie z teplonosné kapaliny 20, která je v generátoru 9 páry přeměňována na páru.The present invention provides a system for accumulating waste heat generated by industrial processes for power generation. The heat storage system comprises an accumulation circuit 19 which includes a waste heat source 1, a heat exchanger 2, a heating circuit 5, an accumulator exchanger 6 and a cooling circuit 7, and a circuit 21 for generating electricity, which includes a steam circuit 12, a steam generator 9, a power supply circuit. a tank 11. a condenser 15 * a condensate cooling circuit 16, an air condenser 17 and a bladeless turbine 13 and an electric generator 14. In the accumulation circuit 19, a heat transfer fluid 20 flows, for example, an oil that does not undergo phase transformation and a circuit for producing electricity 21. In circuit 21 for The electric energy generation utilizes the accumulated thermal energy from the heat transfer fluid 20, which is converted into steam in the steam generator 9.

Detailní uspořádání systému akumulace odpadního tepla vznikajícího při průmyslových procesech je znázorněno na obr. 1. Systém v tomto provedení zahrnuje zdroj 1 odpadního tepla, jenž je připojen přes tepelný výměník 2 na komín 3. Tepelný výměník 2 je dále zapojen do ohřívacího okruhu 5, v němž je uspořádáno první čerpadlo 4, například oběhové čerpadlo oleje, přičemž ohřívací okruh 5 je napojen na akumulační zásobník 6. Akumulační zásobník 6 je dále napojen na vychlazovací okruh 7, v němž je zařazeno druhé čerpadlo 8, například oběhové čerpadlo oleje. Vychlazovací okruh 7 je připojen na generátor 9 páry, který je zařazen v parním okruhu 12. ve kterém je dále zařazeno první oběhové čerpadlo 10 vody napojené mezi generátor 9 páry a napájecí nádrž H, která je dále napojena na kondenzátor 15. Na kondenzátor 15 je napojen okruh 16 chlazení kondenzátu, v němž je zařazeno druhé oběhové čerpadlo 18 vody, přičemž tento okruh 16 je připojen na vzduchový kondenzátor 17. A dále je na kondenzátor 15 napojena bezlopatková turbína 13, která je propojena s elektrickým generátorem 14. Příkladná varianta provedení systému je znázorněna na obr. 1. Odpadní teplo procesních plynů je předáváno tepelným výměníkem 2, který proveden jako trubkový, do ohřívacího okruhu 5, ve kterém je zařazeno první čerpadlo 4, a kterým je ohřívána teplonosná náplň 20, v tomto případě olejová náplň akumulačního zásobníku 6. Tato fáze představuje nabíjení systému. V době odběrové špičky elektrické energie je vychlazovacím okruhem 7, ve kterém je zařazeno druhé čerpadlo 8, odebírána akumulovaná tepelná energie určená k výrobě páry v generátoru 9 páry, který představuje integrální prvek akumulačního a parního okruhu 12. Vyrobená pára je využita k výrobě elektrické energie na soustrojí turbogenerátoru, které je tvořeno bezlopatkovou turbínou 13 elektrickým generátorem T4.A detailed arrangement of the waste heat accumulation system resulting from industrial processes is shown in FIG. 1. The system in this embodiment comprises a waste heat source 1 which is connected via a heat exchanger 2 to the chimney 3. The heat exchanger 2 is further connected to the heating circuit 5, in wherein the first pump 4 is arranged, for example an oil circulation pump, the heating circuit 5 being connected to the storage tank 6. The storage tank 6 is further connected to a cooling circuit 7 in which a second pump 8, for example an oil circulation pump, is included. The cooling circuit 7 is connected to a steam generator 9, which is included in the steam circuit 12, in which a first water circulation pump 10 connected between the steam generator 9 and the feed tank 11, which is further connected to the capacitor 15, is connected. a condensate cooling circuit 16 is connected in which a second water circulation pump 18 is connected, the circuit 16 being connected to the air condenser 17. And a bladeless turbine 13 is connected to the condenser 15, which is connected to the electric generator 14. 1. The waste heat of the process gases is passed through the heat exchanger 2, which is made tubular, to the heating circuit 5, in which the first pump 4 is included, and by which the heat transfer cartridge 20 is heated, in this case the oil charge of the storage tank. 6. This phase represents charging the system. At the time of the power peak, the accumulated heat energy for steam generation in the steam generator 9 is taken by the cooling circuit 7, in which the second pump 8 is included, which is an integral element of the accumulation and steam circuit 12. The steam produced is used to generate electricity. on a turbo-generator set consisting of a bladeless turbine 13 by an electrical generator T4.

Další příkladná varianta provedení systému je podobná, jak varianta znázorněná na obr. 1, jediným rozdílem je rozdílná konstrukce tepelného výměníku 2. V tomto provedení systému je odpadní teplo kapalin předáváno tepelným výměníkem 2, který je proveden jako deskový, do ohřívacího okruhu 5, ve kterém je zařazeno čerpadlo 4, a kterým je ohříváno teplonosné médium 20, například olejová náplň akumulačního zásobníku 6. Tato fáze představuje nabíjení systému. V době odběrové špičky elektrické energie je vychlazovacím okruhem 7, ve kterém je zařazeno oběhové čerpadlo 8, odebírána akumulovaná tepelná energie k výrobě páry v generátoru 9 páry, který představuje integrální prvek akumulačního a parního okruhu 12. Vyrobená pára je . využita k výrobě elektrické energie na soustrojí turbogenerátoru, které je tvořeno bezlopatkovou turbínou 13 a elektrickým generátorem 14.Another exemplary embodiment of the system is similar to that shown in FIG. 1, the only difference being the different design of the heat exchanger 2. In this embodiment of the system, the waste heat of the liquids is transferred to the heating circuit 5 by a heat exchanger 2, which includes the pump 4 and which heat transfer medium 20, for example the oil charge of the storage tank 6, is heated. This phase represents the charging of the system. At the time of the power peak, the accumulated heat energy is taken by the cooling circuit 7, in which the circulation pump 8 is included, to produce steam in the steam generator 9, which is an integral element of the accumulation and steam circuit 12. The steam produced is. It is used to generate electricity on a turbo-generator set consisting of a bladeless turbine 13 and an electric generator 14.

Poslední z příkladných provedení systému je znázorněno na obr. 2. Tento obrázek znázorňuje akumulační okruh 19, který zahrnuje zdroj 1 odpadního tepla, jenž je připojen přes tepelný výměník 2 na komín 3. Tepelný výměník 2 je dále propojen oběhovým potrubím 22 s teplonosným médiem 20, v němž je zařazeno druhé čerpadlo 8, například oběhové čerpadlo oleje. Toto potrubí 22 prochází přes akumulační zásobník 6, který je naplněn teplonosným médiem 20 a je připojeno na generátor 9 páry. Teplo odpadních plynů nebo kapaliny je tepelným výměníkem 2 převáděno do oběhového potrubí 22, které vznikne vzájemným propojením ohřívacího 5 a vychlazovacího okruhu 7. Vybíjení akumulačního okruhu 19 se děje prostřednictvím parního generátoru 9, kde ohřevem napájecí vody vzniká pára o tlaku 1,5 MPa a teplotě 200°C. Tato expanduje na turbíně 13, která je spojena s elektrickým generátorem 14.The last of the exemplary embodiments of the system is shown in Figure 2. This figure shows an accumulation circuit 19 which includes a waste heat source 1 which is connected via a heat exchanger 2 to a chimney 3. The heat exchanger 2 is further connected by a circulation line 22 to a heat transfer medium 20 in which a second pump 8, for example an oil circulation pump, is included. This conduit 22 passes through an accumulation reservoir 6 which is filled with a heat transfer fluid 20 and connected to a steam generator 9. The heat of the waste gases or liquid is transferred by the heat exchanger 2 to the circulation line 22, which is formed by the interconnection of the heating circuit 5 and the cooling circuit 7. The discharge circuit 19 is discharged by means of a steam generator 9, where heating of the feed water produces steam of 1.5 MPa and temperature of 200 ° C. This expands on the turbine 13 which is connected to the electric generator 14.

Průmyslová využitelnostIndustrial usability

Systém akumulace odpadního tepla lze využít při všech procesech, při nichž vzniká proud odpadních plynu či kapalin s teplotou alespoň 25o|c. Může být využit pro vychlazení spalin stacionárních spalovacích motorů nebo jiných tepelných zařízení, odpadních plynů z chemických procesů, v zemědělských bioplynových stanicích nebo hutních provozech.The waste heat accumulation system can be used in all processes that generate a waste gas or liquid stream with a temperature of at least 25 ° C. It can be used to cool down combustion gases of stationary internal combustion engines or other thermal equipment, waste gases from chemical processes, agricultural biogas plants or metallurgical plants.

Seznam vztahových značek 1 zdroj odpadního tepla 2 tepelný výměník 3 komín 4 první čerpadlo 5 ohřívací okruh 6 akumulační zásobník 7 vychlazovací okruh 8 druhé čerpadlo 9 generátor páry 10 oběhové čerpadlo vody 11 napájecí nádrž 12 parní okruh 13 bezlopatková turbína 14 elektrický generátor 15 kondenzátor 16 okruh chlazení kondenzátu 17 vzduchový kondenzátor 18 oběhové čerpadlo chladicí vody 19 akumulační okruh 20 teplonosná kapalina 21 okruh výroby elektrické energie 22 oběhové porubíList of reference numerals 1 waste heat source 2 heat exchanger 3 chimney 4 first pump 5 heating circuit 6 accumulation tank 7 cooling circuit 8 second pump 9 steam generator 10 water circulation pump 11 feed tank 12 steam circuit 13 bladeless turbine 14 electric generator 15 condenser 16 circuit condensate cooling 17 air condenser 18 cooling water circulation pump 19 accumulation circuit 20 heat transfer fluid 21 electric energy production circuit 22 circulating coils

Claims

PATENT CLAIMS

A heat storage system comprising a waste heat source (1) connected through a heat exchanger (2) to a chimney (3) and a power generation circuit (21) comprising a steam circuit (12) interconnecting a generator (9) steam with a feed tank (11), a condenser (15) and a bladeless turbine (13) connected to an electric generator (14), wherein the condenser (15) is connected to the air condenser (17) via a condensate cooling circuit (16), an accumulation circuit (19) comprising a heat exchanger (2) connected via a heating circuit (5) to an accumulator exchanger (6) filled with a heat transfer medium (20) characterized in that the heat transfer medium (20) is a bi-mixture and triaryl ethers whose specific heat capacity at 30 ° C is 2.53 kJ · k · 1 · K · 1, the thermal conductivity is 0.094 W · m · 1 · K · 1 and the dynamic viscosity is 0.029 mPas -1.

Heat storage system according to Claim 1, characterized in that the heating circuit (5) and the cooling circuit (7) are formed by a continuous circulation line (22) connecting the heat exchanger (2) to the steam generator (9) and passing through the storage exchanger (6).

Heat storage system according to Claim 1 or 2, characterized in that the heating circuit (5) and / or the steam circuit (12) and / or the cooling circuit (7) and / or the condensate cooling circuit (16) are provided pump.