CZ34240U1 - Energetický systém s organickým Rankinovým cyklem ORC pro mikrokogeneraci - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Energetický systém s organickým Rankinovým cyklem ORC pro mikrokogeneraci

Oblast techniky

Zařízení svým zaměřením spadá do oblasti energetiky. Jedná se o strojní zařízení pro přeměnu odpadního tepla na elektrickou energii s využitím turbogenerátoru v tepelném oběhu se specifikou pracovní tekutinou.

Dosavadní stav techniky

Současný stav techniky označuje pojmem mikrokogenerace kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v zařízeních do 50 kW elektrického výkonu. Mikrokogenerační jednotky využívají různé technologie, z nichž nej používanější jsou na bázi malých spalovacích motorů.

Kromě jednotek s vnitřním spalováním (vedle motorů do této kategorie patří i spalovací turbíny), existují také řešení s vnějším spalováním (Stirlingův motor, ORC - Organický Rankinův cyklus, parní stroj), a dále systémy založené na přímé chemické konverzi (palivové články).

Výhodou technologie ORC je schopnost využít nízkopotenciální zdroje tepla různého původu (solární, geotermální, spalování biomasy, odpadní teplo z výrobních procesů aj.). Energetické parametry ORC jednotek jsou do značné míry závislé na použitém expanzním stroji. V oblasti mikrokogenerace se uplatňují zejména objemové expanzní stroje (pístový, šroubový, scroll, lamelový aj.). Turbíny mohou být, v porovnání s výše zmíněnými typy, termodynamicky účinnější, avšak z důvodu vysoké měrné investiční náročnosti nenacházejí prozatím širší uplatnění. Z tohoto důvodu je rozvoj ORC mikrokogeneračních systémů stále ve velmi rané fázi jejího uplatnění na trhu.

Turbíny standardního typu se v případě aplikace v ORC technologii potýkají s problémy souvisejícími s vyvedením hřídele ze skříně, protože s ohledem na environmentální bezpečnost a nežádoucí ekonomické ztráty je nutná instalace komplikované a nákladné ucpávky rotující části. Obvyklé uspořádání turbíny zahrnuje také mazací systém v závislosti na způsobu uložení rotoru. Pro uvažované výkony mikrokogenerace (do 50 kW el. výkonu) je tato standardní koncepce jak z hlediska technického, tak i měrných nákladů zcela nevyhovující.

Podstata technického řešení

Technické řešení se týká nově koncipovaného uspořádání expanzního stroje se zaměřením na využití jak v oblasti mikrokogenerace, tak i pro další využití jako je chlazení, sušení a všude tam, kde lze využít mechanickou práci turbíny. Přičemž výkon expanzního stroje nemusí být nutně omezen pouze na kategorii mikrokogenerace (tzn. do 50 kWe).

Zařízení, dle níže popsané konstrukce, představuje expanzní stroj založeny na s výhodou jednostupňové expanzní turbíně s uložením rotoru na ložiscích bez potřeby mazání (není implementován mazací systém) a vyvedením výkonu přes specificky konstruovanou magnetickou spojku s permanentními magnety.

Magnetická spojka zajišťuje přenos kroutícího momentu, a tedy vyvedení vnitřního výkonu turbíny bezkontaktně na hnanou část stroje např. převodovku, případně přímo na spotřebič nebo nositele energie. Pracuje v širokém rozsahu otáček, což dovoluje zvolit optimální geometrii průtočných částí turbíny. Magnetická spojka svou specifickou konstrukcí tlumí případné vibrace rotorové soustavy a zároveň umožňuje instalaci vhodné přepážky pro oddělení pracovního a vnějšího prostoru s rozdílnými tlaky. Tato konstrukce eliminuje únik pracovního media do okolního

- 1 CZ 34240 U1 prostředí, aniž by bylo třeba těsnit rotující části stroje. Rovněž eliminuje montážní nepřesnosti mezi hnací a hnanou částí stroje, jako jsou odchylky v radiálním i axiálním směru a také případné úhlové výchylky rotorů.

Detailní konstrukci turbíny lze dále zjednodušit využitím magnetické síly od spojky působící v ose rotoru proti směru axiální síly od tlaku pracovního média na zadní stranu oběžného kola. Optimalizací návrhu je možné vynechat instalaci obvyklých labyrintových ucpávek nutných ke snížení axiální síly na oběžné kolo. V případě použití se příznivý vliv tohoto efektu rovněž promítá i např. na životnost ložisek s kosoúhlým stykem.

Ložiskový prostor je díky vhodnému tvaru disku oběžného kola mazán parami maziva, které mohou být v komponentech okruhu stopově přítomny a jsou unášeny pracovním mediem a posléze odstředěny do ložiskového prostoru, kde kondenzují. To zabezpečuje dostatečné mazání, a proto není nutný vlastní mazací systém. Výhodou užití těchto konstrukčních zjednodušení je snížení celkové ceny zařízení.

Výše popsané uspořádání stroje se specifickým přenosem kroutícího momentu bez pevné mechanické vazby mezi hnací a hnanou částí a tlakovou přepážkou eliminující únik pracovního media, je koncepčně jednoduché a výrobně méně nákladné. Jeho užitím lze bezpečně zvládnout případné mezní stavy zatížení při překročení maximálního kroutícího momentu, aniž by došlo k poškození stroje. Další výhodou je absence mazacího systému a zmiňované zjednodušení konstrukce klíčových průtočných částí turbíny. Soustrojí může být provozováno v relativně širokém rozsahu teplot a tlaků pracovního média současně při zachování optimální termodynamické účinnosti turbíny. Výhodou tohoto jednoduchého řešení je vysoká míra provozní a environmentální bezpečnosti a spolehlivosti.

Objasnění výkresů

Obr. 1 znázorňuje základní blokové schéma soustavy tepelný zdroj - jednotka ORC, jakožto energetický systém pro výrobu elektřiny, tepla, chladu a technologického vzduchu.

Obr. 2 znázorňuje schéma vnitřního uspořádání základní jednotky ORC a její napojení na soustavu spotřebičů elektřiny, tepla, chladu a technologického vzduchu.

Obr. 3 znázorňuje schéma vnitřního uspořádání jednotky ORC s termoelektrickým generátorem a její napojení na soustavu spotřebičů elektřiny, tepla, chladu a technologického vzduchu.

Obr. 4 znázorňuje schéma základního konstrukčního uspořádání turbosoustrojí jednotky ORC s využitím přenosu mechanického výkonu turbíny pomocí magnetické spojky v konfiguraci pro pohon elektrického generátoru.

Obr. 5 znázorňuje schéma základního konstrukčního uspořádání turbosoustrojí jednotky ORC s využitím přenosu mechanického výkonu turbíny pomocí magnetické spojky v konfiguraci kombinovaný kompandér pro dodávku technologického vzduchu.

Obr. 6 znázorňuje schéma základního konstrukčního uspořádání turbosoustrojí jednotky ORC s využitím přenosu mechanického výkonu turbíny pomocí magnetické spojky v konfiguraci pro integrovanou jednotku ORC - kompresorové chlazení (ORC-KCH) s využitím kompandéru pro výrobu chladu a elektřiny.

Obr. 7 znázorňuje schéma základního konstrukčního uspořádání turbosoustrojí jednotky ORC s využitím přenosu mechanického výkonu turbíny pomocí magnetické spojky v konfiguraci pro integrovanou jednotku ORC - kompresorové chlazení (ORC-KCH) s využitím kombinovaného kompandéru pro výrobu chladu a elektřiny.

-2 CZ 34240 U1

Obr. 8 znázorňuje schéma základního uspořádání integrované jednotky ORC - KCH s jedním společným kondenzátorem a pracovním mediem v obou okruzích.

Obr. 9 znázorňuje schéma základního uspořádání integrované jednotky ORC - KCH, kde každý z okruhů má rozdílné pracovní medium a samostatný kondenzátor.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Tento příklad se zaobírá pouze výrobou elektřiny. Podle základního blokového schématu na obr. 1, mikrokogenerační systém 1 pro výrobu alternativně elektřiny, tepla, technologického vzduchu a chladu sestává z tepelného zdroje 2, který prostřednictvím výměníku předává teplo do uzavřeného okruhu 3 ORC, který generuje mechanickou práci pro pohon spotřebiče ze soustavy 4 spotřebičů. Dle schématu na obr. 2 uzavřený okruh 3 ORC obsahuje oběžné čerpadlo 31, které stlačuje a dodává kapalné pracovní medium do rekuperátoru 32, kde je předehříváno plynným pracovním mediem vystupujícím z turbíny 52 (obr. 4) turbosoustrojí 5. Předehřáté pracovní médium je z rekuperátoru 32 dopravováno vysokotlakou větví uzavřeného okruhu 3 ORC do výpamíku 33, kde je vyvíjena přehřátá pára pracovního média přestupem tepla z tepelného zdroje 2. Pára pracovního media dále vstupuje do turbíny 52 obsažené v turbosoustrojí 5, kde expanduje a koná mechanickou práci. Pára pracovního média dále proudí nízkotlakou větví uzavřeného okruhu 3 ORC, přes rekuperátor 32, do kondenzátoru 35, kde je pracovní medium při konstantním tlaku zkapalněno ochlazením spotřebičem 101 kondenzačního tepla v okruhu 7 chlazení, a je dále transportováno do zásobníku 36, kde je opět nasáto oběžným čerpadlem 31. V tomto příkladu je uplatněna konfigurace turbosoustrojí 5 dle obr. 4, kde je turbína 52 využita pro ostrovní provoz, kde prostřednictvím magnetické spojky 54 s dělicí přepážkou 55 pohání generátor 57 přes s výhodou implementovanou převodovku 56. Vyrobená elektrická energie je vyvedena hlavním elektrickým vedením 6 do soustavy 9 spotřebičů elektřiny.

Příklad 2

Tento příklad se rovněž zabývá výrobou elektřiny a od příkladu 1 se liší tím, že je zde implementován termoelektrický generátor 34, od kterého je elektřina vedlejším elektrickým vedením 13 vyvedena do soustavy 9 spotřebičů elektřiny.

Příklad 3

V tomto příkladu dochází pouze k výrobě stlačeného vzduchu s aplikací kombinovaného kompandéru 591. Je zde uplatněna konfigurace turbosoustrojí 5 dle obr. 5 jako zdroje horkého stlačeného vzduchu. Toto turbosoustrojí 5 sestává ze skříně 51, ve které se nachází kombinovaný kompandér 591. složený z turbíny 52 letmo uložené v ložiscích 53 rotoru a turbokompresoru 58 poháněného prostřednictvím magnetické spojky 54 s její dělící přepážkou 55 oddělující pracovní prostory turbíny 52 a turbokompresoru 58, který přes sací trakt 12 kondenzátoru 35 nasává vzduch předehřátý kondenzačním teplem, stlačuje ho a tím také zahřívá, přičemž výhodně odvádí kondenzační teplo z uzavřeného okruhu 3 ORC. Horký vzduch je veden vzduchovodem 8 ke spotřebiči 111 horkého stlačeného vzduchu.

Příklad 4

V tomto příkladném provedení dochází pouze k výrobě chladu s využitím dvou nezávislých okruhů (ORC a KCH), které mají s výhodou vlastní odlišné pracovní médium, a kombinovaného kompandéru 591 dle příkladu 3 a obr. 5. Mikrokogenerační systém ]_ dle schématu na obr. 9 se skládá z integrované jednotky 311 s ne znázorněným uzavřeným okruhem 3 ORC a okruhem

-3 CZ 34240 U1 kompresorového chlazení (KCH), v němž je pracovní médium z výpamíku 331 okruhu KCH dopravováno turbokompresorem 58 (obsaženém v turbosoustrojí 5) do kondenzátoru 351 okruhu KCH, dále do zásobníku 361 pracovního média okruhu KCH a přes expanzní ventil 37 opětovně do výpamíku 331 okruhu KCH. Tepelná energie z kondenzátem 351 okmhu KCH je prostřednictvím okruhu 71 nositelů kondenzačního tepla a chladu okmhu KCH odváděna do spotřebiče 102 kondenzačního tepla okmhu KCH.

Příklad 5

V tomto příkladu je modelována situace, kdy je systém zaměřen na výrobu chladu a elektřiny s využitím dvou propojených okmhů (ORC a KCH) s aplikací (jednoduchého) kompandém 59. Mikrokogenerační systém 1 s integrovanou jednotkou 311 dle příkladu 4 s tím rozdílem, že s výhodou využívá jednoho společného kondenzátem 35 a jednoho dmhu pracovního média společného pro uzavřený okmh 3 ORC a okruh kompresorového chlazení (KCH), jak je znázorněno na obr. 8. V tomto příkladu se uplatňuje turbosoustrojí 5 jako zdroj chladu a elektrické energie v konfiguraci na obr. 6, kde kompandér 59. složený z turbíny 52 a turbokompresom 58, uložený v ložiskách 53 retem přes magnetickou spojku 54 s dělící přepážkou 55 a převodovku 56 pohání generátor 57.

Prostřednictvím turbíny 52 je poháněn turbokompresor 58. který je zapojen v okmhu KCH a který nasává páry pracovního media přes výpamík 331 okruhu KCH odebírající teplo z ochlazovaného prostém 21. Pára pracovního média dále proudí do kondenzátem 351 okmhu KCH, kde je zkapalněna ochlazením spotřebičem 102 kondenzačního tepla okmhu KCH v okmhu 71 nositelů kondenzačního tepla a chladu okmhu KCH. Zkapalněné pracovní médium je dále transportováno do zásobníku 361 pracovního média okmhu KCH a přes expanzní ventil 37 opět do výpamíku 331 pracovního média okmhu KCH.

Příklad 6

Tento příklad popisuje výrobu chladu a elektřiny s využitím dvou propojených okmhů (ORC a KCH) s aplikací kombinovaného kompandém 591. Příklad 6 se od příkladu 5 liší tím, že je uplatněna konfigurace turbosoustrojí 5 dle obr. 7, kde kombinovaný kompandér 591. složený z turbokompresom 58. magnetické spojky 54 s dělicí přepážkou 55 a turbíny 52. je uložený v ložiskách 53 rotom, a přes další magnetickou spojku 54 s dělící přepážkou 55, která se nachází mimo prostor kombinovaného kompandém 591, je přes převodovku 56 spojen s generátorem 57, jenž se nacházejí mimo skříň 51.

Průmyslová využitelnost

Kromě mikrokogenerace, tedy společné výroby elektřiny a tepla, lze technické řešení využít i pouze k výrobě elektřiny, a to jak v ostrovním systému, tak s dodávkou do veřejné distribuční sítě. Dále se nabízí využitelnost technického řešení při výrobě chladu a také k pohonu točivých strojů menších výkonů (kompresory, čerpadla aj.).

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Energetický systém s organickým Rankinovým cyklem ORC pro mikrokogeneraci, vyznačující se tím, že sestává z tepelného zdroje (2) pro předání tepla do uzavřeného okruhu (3) ORC nebo do integrované jednotky (311), jejíž součástí je uzavřený okruh (3) ORC a okruh kompresorového chlazení, napojených na soustavu (4) spotřebičů.
2. 2. Energetický systém s ORC pro mikrokogeneraci podle nároku 1, vyznačující se tím, že vysokotlaká větev uzavřeného okruhu (3) ORC obsahuje oběžné čerpadlo (31) napojené na rekuperátor (32), který je přes výpamík (33) propojen s turbínou (52) turbosoustrojí (5), a dále uzavřený okruh (3) ORC obsahuje nízkotlakou větev s rekuperátorem (32) a kondenzátorem (35), který je propojen se spotřebičem (101) kondenzačního tepla v okruhu chlazení (7) ústícího opět do kondenzátoru (35), který je dále napojen na zásobník (36) napojený na oběžné čerpadlo (31), přičemž turbosoustrojí (5) je se soustavou (9) spotřebičů elektřiny propojeno hlavním elektrickým vedením (6).
3. 3. Energetický systém s ORC pro mikrokogeneraci podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že rekuperátor (32) je vybaven termoelektrickým generátorem, který je prostřednictvím vedlejšího elektrického vedení (13) propojen se soustavou (9) spotřebičů elektřiny.
4. 4. Energetický systém s ORC pro mikrokogeneraci podle nároku 2, vyznačující se tím, že turbosoustrojí (5) sestává z části umístěné ve skříni (51), což je turbína (52) uložená v ložiscích (53) rotoru, která je spolu s magnetickou spojkou (54) vybavenou dělicí přepážkou (55) propojena s částí mimo skříň (51), tedy s generátorem (57) a implementovanou převodovkou (56), přičemž toto propojení turbíny (52) a generátoru (57) je realizováno magnetickou spojkou (54).
5. 5. Energetický systém s ORC pro mikrokogeneraci podle nároku 4, vyznačující se tím, že mezi pracovním prostorem hnací části a pracovním prostorem hnané části turbosoustrojí (5) se nachází uvnitř magnetické spojky (54) dělicí přepážka (55) z magneticky inertního materiálu, přičemž tlaky v obou pracovních prostorech jsou různé.
6. 6. Energetický systém pro mikrokogeneraci podle nároků 1, 2 a 4, vyznačující se tím, že ve skříni (51) turbosoustrojí (5) se nachází kombinovaný kompandér (591), složený z turbíny (52) letmo uložené v ložiskách (53) rotoru, která je propojena prostřednictvím magnetické spojky (54) vybavené dělicí přepážkou (55) s turbokompresorem (58), přičemž přívod vzduchu do turbokompresoru (58) je realizován kondenzátorem (35).
7. 7. Energetický sytém s ORC pro mikrokogeneraci podle nároku 1, vyznačující se tím, že okruh kompresorového chlazení sestává z výpamíku (331) okruhu kompresorového chlazení propojeného s turbokompresorem (58), který je součástí turbosoustrojí (5) napojeného na kondenzátor (351) okruhu kompresorového chlazení, který je propojen se zásobníkem (361) pracovního média okruhu kompresorového chlazení a přes expanzní ventil (37) je opětovně propojen s výpamíkem (331) okruhu kompresorového chlazení, přičemž kondenzátor (351) okruhu kompresorového chlazení je prostřednictvím okruhu (71) nositelů kondenzačního tepla a chladu okruhu kompresorového chlazení propojen se spotřebičem (102) kondenzačního tepla okruhu kompresorového chlazení.
8. 8. Energetický sytém s ORC pro mikrokogeneraci podle nároků 1, 2, 7 vyznačující se tím, že uzavřený okruh (3) ORC a okruh kompresorového chlazení mají společný kondenzátor (35) a ve skříni (51) turbosoustrojí (5) se nachází kombinovaný kompandér (591), složený z turbokompresoru (58), magnetické spojky (54) s dělicí přepážkou (55) a turbíny (52), který je uložen v ložiscích (53) rotoru a který je přes další magnetickou spojku (54) s dělicí přepážkou (55), která se nachází mimo prostor kombinovaného kompandéru (591), ale ve skříni (51) turbosoustrojí (5), spojen přes převodovku (56) s generátorem (57) umístěnými mimo skříň turbosoustrojí (5).