CZ31742U1

CZ31742U1 - A device with a combination of the Organic Rankine Cycle and an absorption cycle for the production of electricity from waste heat

Info

Publication number: CZ31742U1
Application number: CZ2018-34774U
Authority: CZ
Inventors: Libor David
Original assignee: DOS - TRADING spol. s r.o.
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2018-04-30

Description

Technické řešeni se týká zařízeni, ve kterém je využita kombinace vysokoteplotního organického Rankinova cyklu (ORC) a nízkoteplotního cyklu (APC) pro výrobu elektrické energie. Jako zdroje tepla je využito vysokopotenciální odpadní teplo, nad 300 °C z průmyslových procesů. Kombinací těchto dvou cyklů lze velmi efektivně využít vysokou teplotu odpadních plynů, a zároveň nízkou teplotu z organického Rankinova cyklu (ORC), pro další generování elektrické energie.The technical solution relates to a device in which a combination of a high temperature organic Rankine cycle (ORC) and a low temperature cycle (APC) is used for power generation. High-potential waste heat above 300 ° C from industrial processes is used as heat source. By combining these two cycles, the high temperature of the waste gases, as well as the low temperature of the organic Rankine Cycle (ORC), can be used very efficiently for the next generation of electricity.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Organický Rankinův cyklus (ORC) se v současnosti využívá v zařízeních pro využití odpadního tepla vyšších výkonů okolo 1 000 kW tepelných a 100 kW elektrických. Existují zařízení, která jsou schopna pracovat i s nižšími výkony okolo 300 kW tepelných a 20 kW elektrických, ale ta dokážou využít pouze nízkoteplotní odpadní teplo, například horkou vodu do 140 °C.Organic Rankine Cycle (ORC) is currently used in high-power waste heat recovery plants of around 1,000 kW thermal and 100 kW electric. There are devices that are capable of operating at lower outputs of about 300 kW thermal and 20 kW electric, but they can only use low-temperature waste heat, such as hot water up to 140 ° C.

Absorpční cyklus se dnes využívá zejména jako cyklus pro výrobu chladu. Standardně je nasazován na lokality, kde je potřebný velmi vysoký výkon chlazení v řádu tisíců kW, jako jsou kongresové budovy, obchodní centra apod. V měřítku výkonu desítek kW se tento cyklus komerčně nevyskytuje. Kombinace organického Rankinova cyklu a absorpčního cyklu, s možností výroby elektrické energie v obou cyklech, se v současnosti na trhu nevyskytuje.The absorption cycle is today mainly used as a cycle for the production of cold. As a standard, it is used in locations where very high cooling capacity of thousands of kW is required, such as congress buildings, shopping centers, etc. This cycle does not occur commercially on the scale of tens of kW. The combination of the organic Rankine cycle and the absorption cycle, with the possibility of generating electricity in both cycles, is not currently on the market.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Uvedené nevýhody z větší části odstraňuje zařízeni s kombinací organického Rankinova cyklu a absorpčního cyklu pro výrobu elektrické energie z odpadního tepla, podle technického řešení, jehož podstatou je to, že se skládá ze dvou zařízení, a to z ORC zařízení pracujícího na principu organického Rankinova cyklu, a z APC zařízení pracujícího na principu absorpčního energetického cyklu, přičemž obě tato zařízení (ORC) a (APC) jsou vzájemně propojena pomocí vloženého vodního okruhu, který spojuje ORC kondenzátor s desorbérem.These disadvantages are largely eliminated by a device with a combination of organic Rankine cycle and absorption cycle for generating electric energy from waste heat, according to a technical solution which consists of two devices, namely ORC devices operating on the principle of organic Rankine cycle , and APC devices operating on the principle of absorption energy cycle, both devices (ORC) and (APC) being interconnected by means of an interposed water circuit that connects the ORC capacitor to the desorber.

Na vysvětlenou je třeba uvést, že zkratka APC znamená Absorption Power Cycle (absorpční energetický cyklus), který je schopen, produkovat elektrickou energii. Jak je uvedeno v předchozí části, zkratka ORC znamená organický Rankinův cyklus.It should be noted that APC stands for Absorption Power Cycle, which is capable of producing electricity. As mentioned in the previous section, the abbreviation ORC stands for Organic Rankine Cycle.

Podle výhodného řešení se ORC zařízení skládá z výpamíku, který je spojen s ORC expandérem, na který je napojen ORC kondenzátor, který je spojen s ORC čerpadlem, na které navazuje ORC výpamík, přičemž ORC expandér je pomocí hřídele ORC expandéru spojen s ORC generátorem a k ORC kondenzátoru je připojeno oběhové čerpadlo, které je spojeno s desorbérem, na který navazuje ORC kondenzátor.According to a preferred solution, the ORC device consists of an evaporator which is connected to an ORC expander, to which an ORC condenser is connected, which is connected to an ORC pump to which the ORC evaporator is connected, the ORC expander being connected to the ORC generator via an ORC expander shaft. The ORC condenser is connected to a circulation pump, which is connected to the desorber to which the ORC condenser is connected.

Podle dalšího výhodného řešení se APC zařízení skládá z desorbéru, který je spojen se separátorem, jenž je dále spojen s APC expandérem a rovněž paralelně spojen s rekuperačním výměníkem, kde APC expandér je pomocí hřídele APC generátoru spojen s APC generátorem, přičemž APC expandér je dále propojen na směšovač, na který navazuje absorbér a také paralelně redukční ventil, jenž je spojen s rekuperačním výměníkem, a dále je absorbér spojen s APC čerpadlem, které je propojeno s rekuperačním výměníkem, který je spojen s desorbérem.According to another preferred solution, the APC device comprises a desorber which is connected to a separator, which is further connected to the APC expander and also connected in parallel to a recuperation exchanger, wherein the APC expander is connected to the APC generator via the APC generator shaft. connected to a mixer to which the absorber is connected and also a parallel pressure reducing valve connected to the recuperation exchanger, and further to the absorber connected to an APC pump which is connected to the recuperation exchanger which is connected to the desorber.

- 1 CZ 31742 U1- 1 GB 31742 U1

Odpadní teplo vstupuje do ORC výpamíku, ve kterém dochází k ohřevu a následnému odparu pracovní látky ORC. Vzniklá pára proudí do ORC expandéru, ve kterém předává část své energie a poté do ORC kondenzátoru, kde je ochlazena na kondenzační teplotu. Kondenzát dále proudí do ORC čerpadla, ve kterém dojde k navýšení tlaku pracovní látky ORC.The waste heat enters the ORC of the evaporator, where the ORC working medium is heated and subsequently evaporated. The resulting steam flows to the ORC expander, where it transfers part of its energy and then to the ORC condenser where it is cooled to the condensation temperature. The condensate then flows into the ORC pump, where the pressure of the ORC working fluid is increased.

Kondenzační teplo z ORC kondenzátoru je předáno vodnímu okruhu, ve kterém je pomocí oběhového čerpadla dopraveno do desorbéru. V desorbéru dochází k odparu jedné ze složek pracovní látky APC, vzniklá pára proudí spolu s kapalnou složkou do separátoru, kde se proudy páry a kapaliny oddělí. Páry proudí do APC expandéru, ve kterém předávají část své energie, poté proudí do směšovače, v němž se spojují s kaplankou složkou oddělenou v separátoru. Směs páry a kapaliny proudí do absorbéru, kde je ochlazena. Pracovní látka APC dále proudí do ACP čerpadla, ve kterém dojde k navýšení tlaku pracovní látky APC. Dále jde pracovní látka ACP do rekuperačního výměníku, v němž je ohřátá pomocí kapaliny odloučené v separátoru, poté proudí do desorbéru, kde dochází k jejímu odparu. Kromě toho kapalná složka pracovní látky oddělená v separátoru proudí do rekuperačního výměníku, v němž je část jejího tepla využita k předehřevu pracovní látky proudící do desorbéru. Pracovní látka, která proudí z rekuperačního výměníku, má vyšší tlak než páry pracovní látky proudící z APC expandéru, proto je pomocí redukčního ventilu převedena na stejnou tlakovou hladinu. Oproti standardně využívanému chladícímu absorpčnímu zařízení je do cyklu APC místo běžně používaného redukčního ventilu zařazen APC expandér, schopný generovat práci, a dále rekuperační výměník, pro využití tepla kapaliny odloučené v separátoru.The condensation heat from the ORC condenser is transferred to the water circuit, where it is conveyed to the desorber via a circulation pump. In the desorber, one of the components of the working substance APC evaporates, the vapor flows together with the liquid component into the separator, where the steam and liquid streams are separated. The vapors flow to the APC expander where they transfer part of their energy, then flow to the mixer, where they combine with the chaplain a component separated in the separator. The mixture of steam and liquid flows into the absorber where it is cooled. The APC working fluid continues to flow to the ACP pump where the APC working fluid pressure is increased. Furthermore, the working substance ACP goes to a recuperation exchanger, in which it is heated by means of a liquid separated in a separator, then flows into the desorber, where it evaporates. In addition, the liquid component of the working medium separated in the separator flows into a recuperation exchanger in which part of its heat is used to preheat the working medium flowing into the desorber. The working medium flowing from the recuperation exchanger has a higher pressure than the working medium vapors flowing from the APC expander and is therefore converted to the same pressure level by means of a pressure reducing valve. In contrast to the standard refrigeration absorber, an APC expander capable of generating work, as well as a recuperation exchanger, to utilize the heat of the liquid separated in the separator, is included in the APC cycle instead of the conventional pressure reducing valve.

Objasnění výkresuClarification of the drawing

Technické řešeni je blíže objasněno podle přikladu provedení technického řešení výkresem s jedním obrázkem, kde je uvedeno schéma zařízení s kombinaci organického Rankinova cyklu (ORC) a absorpčního cyklu (APC) pro výrobu elektrické energie z odpadního tepla.The technical solution is explained in more detail in accordance with an example of the technical solution with a drawing with one figure, which shows a diagram of a device with a combination of organic Rankine cycle (ORC) and absorption cycle (APC) for producing electric energy from waste heat.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution implementation

Zařízení s kombinací organického Rankinova cyklu (ORC) a absorpčního cyklu (APC) pro výrobu elektrické energie z odpadního tepla se skládá ze dvou zařízení. První zařízení pracuje na principu organického Rankinova cyklu (ORC), druhé zařízení na principu absorpčního cyklu (APC). Pracovní látkou ORC je hexamethyldisiloxan, pracovní látkou APC je roztok bromidu lithného s vodou (LiBr). Obě zařízení jsou vzájemně propojena pomocí vloženého vodního okruhu, který spojuje ORC kondenzátor 3 s desorbérem 6.A device with a combination of Organic Rankine Cycle (ORC) and Absorption Cycle (APC) for generating electrical energy from waste heat consists of two devices. The first device works on the principle of organic Rankine cycle (ORC), the second device on the principle of absorption cycle (APC). The working substance ORC is hexamethyldisiloxane, the working substance APC is a solution of lithium bromide with water (LiBr). The two devices are interconnected by means of an interposed water circuit which connects the ORC capacitor 3 to the desorber 6.

První ORC zařízení se skládá z ORC výpamíku 1, který je spojen s ORC expandérem 2, na který je napojen ORC kondenzátor 3, který je spojen s ORC čerpadlem 4, na které navazuje ORC výpamík T ORC expandér 2 je pomocí hřídele ORC expandéru 14 spojen s ORC generátorem 15. K ORC kondenzátoru 3 je připojeno oběhové čerpadlo 5, které je spojeno s desorbérem 6, na který navazuje ORC kondenzátor 3.The first ORC device comprises an ORC exchanger 1, which is connected to an ORC expander 2, to which is connected an ORC condenser 3, which is connected to an ORC pump 4, to which the ORC exchanger T is connected. An ORC condenser 15 is connected to the ORC condenser 3, which is connected to a desorber 6, to which the ORC condenser 3 is connected.

Druhé APC zařízení se skládá z desorbéru 6, který je spojen se separátorem 7, jenž je dále spojen s APC expandérem 8 a rovněž paralelně spojen s rekuperačním výměníkem 12. APC expandér 8 je pomocí hřídele APC generátoru 16 spojen s APC generátorem 17. APC expandér 8 je dále propojen na směšovač 9, na který navazuje absorbér 10 a také paralelně redukční ventil 13, jenž je spojen s rekuperačním výměníkem 12. Absorbér 10 je spojen s APC čerpadlem 11, které je propojeno s rekuperačním výměníkem 12, jenž je spojen s desorbérem 6. ORC generátor 15 a APC generátor 17 jsou pomocně označeny písmenem G (jako generátor).The second APC device consists of a desorber 6, which is connected to a separator 7, which is further connected to the APC expander 8 and also connected in parallel to the recovery exchanger 12. The APC expander 8 is connected to the APC generator 17 via the APC generator shaft 16. APC expander 8 is further connected to the mixer 9, which is connected to the absorber 10 and also to the parallel reduction valve 13, which is connected to the recovery exchanger 12. The absorber 10 is connected to the APC pump 11, which is connected to the recovery exchanger 12 which is connected to the desorber 6. The ORC generator 15 and the APC generator 17 are designated by the letter G (as a generator).

-2CZ 31742 U1-2GB 31742 U1

Odpadní teplo o teplotě cca 450 °C a hmotnostním průtoku cca 1 kg/s vstupuje do ORC výpamíku 1, ve kterém dochází k ohřevu pracovní látky ORC na nominální teplotu cca 200 °C a absolutní tlak cca 0,9 MPa. Poté je pracovní látka odpařena a vzniklé páry proudí do ORC expandéru 2, kterému předávají část své energie. ORC expandér 2 roztáčí pomocí hřídele ORC expandéru 14 ORC generátor 15, který produkuje elektrický proud o výkonu cca 3 kW. Páry pracovní látky ORC poté proudí do ORC kondenzátoru 3, kde kondenzují při teplotě cca 100 °C. V ORC kondenzátoru 3 je teplo předáno vodnímu okruhu, v němž teplá voda proudí z ORC kondenzátoru 3 přes oběhové čerpadlo 5 do desorbéru 6. V desorbéru 6 dochází k dohřevu pracovní látky APC na mez sytosti při nominálním absolutním tlaku cca 0,06 bar a teplotě cca 80 °C, následně se z pracovní látky APC vypaří část vody. Směs páry a kapaliny proudí z desorbéru 6 do separátoru 7, kde se rozdělí na větev bohatého roztoku absorbentu v kapalné formě a na větev s čistou parou. Čistá pára proudí do APC expandéru 8. Expandér 8 roztáčí pomocí hřídele APC generátoru 16 APC generátor 17, který produkuje elektrický proud o výkonu cca 6 kW. Větev bohatého roztoku absorbentu v kapalné formě proudí ze separátoru 7 do rekuperačního výměníku 12 a přes redukční ventil 13 do směšovače 9. V redukčním ventilu 13 dochází ke snížení tlaku kapaliny na cca 0,01 bar absolutních. Čistá pára z APC expandéru 8 proudí do směšovače 9, v němž se spojuje s proudem bohatého roztoku absorbentu v kapalné formě. Směs dále proudí do absorbéru 10, kde je při absolutním tlaku cca 0,01 bar nejprve ochlazena na teplotu cca 25 °C. Ochlazená směs proudí z absorbéru 10 do APC čerpadla 11, ve kterém dojde ke zvýšení tlaku směsi na cca 0,06 bar absolutních. Z APC čerpadla 11 proudí směs dále do rekuperačního výměníku 12, v němž se ohřívá a dále proudí do desorbéru 6.Waste heat with a temperature of approx. 450 ° C and a mass flow rate of approx. 1 kg / s enters the ORC of the evaporator 1, in which the ORC working medium is heated to a nominal temperature of approx. 200 ° C and an absolute pressure of approx. Then the working medium is evaporated and the resulting vapors flow into the ORC expander 2, to which they pass part of their energy. The ORC expander 2 rotates the ORC generator 15 using the shaft of the ORC expander 14, which produces an electric current of about 3 kW. ORC working fluid vapor then flows into the ORC condenser 3 where it condenses at a temperature of about 100 ° C. In the ORC condenser 3, the heat is transferred to a water circuit in which hot water flows from the ORC condenser 3 through the circulation pump 5 to the desorber 6. In the desorber 6, the working substance APC is heated to saturation limit at a nominal absolute pressure of approx. 80 ° C, then some of the water evaporates from the APC working medium. The vapor / liquid mixture flows from the desorber 6 to the separator 7 where it is separated into a branch of a rich absorbent solution in liquid form and into a branch with clean steam. Pure steam flows into the APC expander 8. The expander 8 spins through the shaft of the APC generator 16 the APC generator 17, which produces an electric current of about 6 kW. The branch of the rich absorbent solution in liquid form flows from the separator 7 to the recuperation exchanger 12 and via the pressure reducer 13 to the mixer 9. In the pressure reducer 13, the liquid pressure is reduced to about 0.01 bar absolute. Pure steam from the APC expander 8 flows into the mixer 9 in which it combines with a stream of rich absorbent solution in liquid form. The mixture further flows into the absorber 10, where it is first cooled to about 25 ° C at an absolute pressure of about 0.01 bar. The cooled mixture flows from the absorber 10 to the APC pump 11, where the mixture pressure increases to about 0.06 bar absolute. From the APC pump 11, the mixture flows further to the recovery exchanger 12, where it is heated and further flows to the desorber 6.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Výše popsané zařízení lze využít pro vysokoteplotní odpadní teplo o nízkých tepelných výkonech okolo 100 kW. Zařízení bude dále možno využít i v menších provozech, jako jsou slévárny, tavící pece, malé kogenerační jednotky apod. Samotný APC cyklus by bylo možno využít i v nízkoteplotních aplikacích, kde se odpadní teplo pohybuje na úrovni cca 100 °C.The above-described equipment can be used for high-temperature waste heat with low heat outputs of about 100 kW. The equipment will also be used in smaller plants, such as foundries, melting furnaces, small cogeneration units, etc. The APC cycle itself could also be used in low-temperature applications, where the waste heat is around 100 ° C.

NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS

Claims

An apparatus with a combination of an organic Rankine cycle and an absorption cycle for producing electrical energy from waste heat, characterized in that it consists of two devices, namely an ORC device operating on an organic Rankine cycle basis and an APC device operating on an absorption cycle basis wherein the two ORC and APC devices are interconnected by means of an interposed water circuit that connects the ORC capacitor (3) to the desorber (6).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the ORC device comprises an outlet (1) connected to the ORC expander (2) to which the ORC capacitor (3) is connected, which is connected to the ORC pump (4). ) connected to the ORC exchanger (1), wherein the ORC expander (2) is connected to the ORC generator (15) by means of the ORC expander (14) and to the ORC capacitor (3) is connected a circulation pump (5) connected to a desorber (6) followed by an ORC capacitor (3).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the APC device comprises a desorber (6), which is connected to a separator (7), which is further connected to the APC expander (8) and also connected in parallel to a recovery exchanger (12). ), wherein the APC expander (8) is connected via an APC generator shaft (16) to the APC generator (17), wherein the APC expander (8) is further coupled to

The mixer (9) is connected to the absorber (10) and also the pressure reducer (13) connected in parallel to the heat exchanger (12) and the absorber (10) connected to the APC pump (11), which is connected to a recovery exchanger (12) which is connected to a desorber (6).