DE102004050182A1

DE102004050182A1 - Verfahren zur Luftkonditionierung und Vorrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102004050182A1
Application number: DE102004050182A
Authority: DE
Inventors: Frank Triesch
Original assignee: Individual
Current assignee: Airtainer & Co Kg De GmbH
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: DE102004050182B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der ganzjährigen Luftkonditionierung in luftversorgten Prozessen, zum Beispiel Gasturbinen, Prozessluftverdichtern, luftgekühlten oder klimatisierten Gebäuden und Anlagen usw. DOLLAR A Dieses Ziel wird erreicht durch eine indirekte Vorwärmung und/oder Kühlung mit einem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager (2), sofern wirtschaftlich vertretbar und vom Hauptprozess gefordert, gekoppelt mit einer direkten adiabatischen Kühlung der Ansaugluft mit Wasser, realisiert mit einem dem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager (2) unmittelbar vorgelagerten Wasserübertrager (3).

Description

Es ist bekannt, die Ansaugluft von Gasturbinen im Winter vorzuwärmen, um so die Vereisung der Luftfilter und des Verdichterdiffusors zu verhindern. Dieses Anti-Icing geschieht bisher mit Nutzwärme direkt, zum Beispiel durch die Zumischung rezirkulierter Luft aus dem Verdichtungsprozess, oder indirekt durch die Vorwärmung mit berippten Wärmeübertragern und Wärmeträgern aus dem Gas- und Dampfturbinenprozess. In dem selben Prozess anfallende Abwärme zum Beispiel des Schmierölsystems wird hingegen über gesonderte Kühlsysteme ganzjährig an die Umwelt abgeführt.

Weiterhin ist bekannt, den Leistungsrückgang von Gasturbinen im Sommer durch die Kühlung der Ansaugluft zu reduzieren, direkt durch die Verdunstung von aufbereitetem Wasser durch die Versprühung mit hohem Druck in Düsen bzw. drucklos durch die Berieselung von großen Oberflächen – sogenannten Kühleinbauten, oder indirekt mit berippten Wärmeübertragern und Kälteträgern, meist aus mit Prozesswärme betriebenen Kältemaschinen.

Für Gasturbinen, die mit Erdgasverdampfungsanlagen verbunden sind ( US 38 67 811 ; DE 24 02 043 A1 ), oder als Antriebe von Pipelineverdichtern oder -Pumpen dienen ( DE 197 05 215 C1 ), wurden bereits Vorrichtungen zur Ansaugluftkonditionierung vorgeschlagen, die jedoch mit den in Verbindung stehenden Medien, flüssigem oder gasförmigem Erdgas oder Erdöl zu betreiben sind und damit nur in speziellen Anwendungsfällen von Gasturbinen zum Einsatz kommen können.

Ähnliche Aufgabenstellungen der praktisch ganzjährigen Luftkonditionierung bestehen aber auch an zumeist größeren Prozessluftverdichtern, an luftgekühlten oder klimatisierten Gebäuden und Anlagen usw.

Aus der Rückkühltechnik bekannt sind hybride Trockenkühlwerke mit der Befeuchtung der Kühlluft vor luftbeaufschlagten Wärmeübertragern bis hin zu deren vollständiger Benetzung im Kreuz- oder Gegenstrom zur Kühlluft. Die Befeuchtung der Kühlluft erfolgt direkt durch die Verdunstung von aufbereitetem Wasser durch die Versprühung mit hohem Druck in Düsen oder drucklos durch die Berieselung von Kühleinbauten. Bei Rückkühlwerken, die mit Wasserüberschuss arbeiten, wird das nicht verdunstete Wasser wieder aufgefangen und erneut zirkuliert. Es muß mit aufbereitetem Kühlwasser und Abschlämmung gearbeitet werden, um eine Verkalkung und häufige Wartung der Wärmeübertrager zu vermeiden. Bei der Zirkulation nimmt das Kühlwasser Schmutz aus der Umgebung auf, der sich im Kühleinbau bzw. der Kühlwassertasse absetzt und regelmäßig entfernt werden muss. Im Kreuz- oder Gegenstrom benetzte Wärmeübertrager oder Kühleinbauten stellen einen erhöhten Widerstand für die Kühlluft dar. Die aufgewärmte und mit Wasser gesättigte Luft wird nicht weiter genutzt.

Die bisherigen Prozesse der Luftkonditionierung sind energieintensiv, reduzieren den Wirkungsgrad und/oder die Leistung des Hauptprozesses und erfordern mehrere parallel installierte Systeme zur Vorwärmung und Kühlung.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Luft in luftversorgten Prozessen, zum Beispiel Gasturbinen, Prozessluftverdichtern, luftgekühlten oder klimatisierten Gebäuden und Anlagen usw. mit möglichst geringem Aufwand zu konditionieren.

Dieses Ziel wird erreicht durch eine indirekte Vorwärmung und/oder Kühlung mit einem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager, je nach Erfordernis gekoppelt mit einer vorgelagerten direkten adiabatischen Kühlung der Ansaugluft mit Wasser.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der apparative wie der energetische und stoffliche Aufwand für die Luftkonditionierung und parallele Kühl- und Heizprozesse möglichst gering gehalten werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, zur Luftvorwärmung die in einem Prozess ohnehin vorhandenen Wärmequellen zu verwenden, zum Beispiel aus der Kühlung von Schmieröl oder elektrischen Maschinen. Herkömmliche Rückkühler können damit gegebenenfalls vollständig entfallen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht es, zur Luftkühlung die in einem Prozess ohnehin vorhandenen Kältequellen, zum Beispiel Frischwasser, das als Nachspeisewasser für einen Kühl- oder Dampfprozess, oder als Einspritzwasser in einem Gasturbinenprozess oder anderweitig genutzt wird, oder den Brennstoffstrom, die zum Beispiel mit Bodentemperatur einer Leitung entnommen werden, als möglichst effektive Kältequellen zu nutzen.

Den Ausgestaltungen nach Anspruch 2 und 3 gemein ist, dass es durch die Vorwärmung oder Kühlung nicht zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage kommt, sondern eher zu einer Steigerung.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 führt durch die Kopplung von luftbeaufschlagtem Wasser- und Wärmeübertrager zur Reduzierung des apparativen, energetischen und stofflichen Aufwandes für die Luftkonditionierung und den Gesamtprozess.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt 1 den Ansaugtrakt 1 einer nicht näher dargestellten Gasturbine. Dieser besteht aus einem Zuluftkanal, in den ein berippter Wärmeübertrager 2 und ein vorgelagerter Wasserübertrager 3 integriert sind. Der Wärmeübertrager 2 ist angeschlossen an einen Abwärmekreislauf 4 und einen Kältekreislauf 5. Der Abwärmekreislauf 4 kühlt den Schmierölkühler 6 der Gasturbine. In den Kältekreislauf 5 eingebunden ist ein Brenngasvorwärmer 7, ausgeführt in Doppelrohr-Sicherheitsbauform. Der Wasserübertrager 3 besteht aus in Sammlern zusammengefassten porösen Rohren, zum Beispiel aus Kunststoff, Matall oder Keramik, gespeist mit Wasser 8 mittels einer Pumpe 9 zur Befeuchtung der Zuluft 10. Ventile 11 erlauben die Umschaltung zwischen dem Abwärme- 4 und dem Kältekreislauf 5 sowie deren Verbindung untereinander.
Die Konditionierung der Ansaugluft der Gasturbine erfolgt folgendermaßen. Bei einer Aussentemperatur unterhalb von etwa 5 °C und einer relativen Luftfeuchte von mehr als 85% erfolgt Anti-Icing-Betrieb zur Vermeidung der Vereisung der nicht näher dargestellten im Ansaugtrakt 1 nachgeordneten Luftfilter und des Ansaugdiffusors der Gasturbine. Mit der aus dem Schmierölkühler 6 stammenden Abwärme wird die Ansaugluft 10 mit dem Abwärmekreislauf 4, also ohne Aufwendung von Nutzwärme vorgewärmt und so die Luftfeuchte in für die Vereisung unkritische Bereiche reduziert. In den meisten Fällen kann über den Wärmeübertrager 2 die gesamte Schmierölwärme abgeführt werden und ein gesondertes Schmieröl-Kühlsystem ist nicht erforderlich. Gegebenenfalls ist es auch möglich bzw. erforderlich, der Zuluft weitere Abwärme wie zum Beispiel die eines von der Gasturbine angetriebenen Elektrogenerators oder Brenngasverdichters zuzuführen.
Um die Leistung der Gasturbine durch die ständige Aufwärmung der Zuluft 10 mittels Abwärme nicht zu reduzieren, kann bei positiven Aussentemperaturen über den Wasserübertrager 3 zusätzlich soviel Wasser 8 mit einer Pumpe 9 in den Ansaugtrakt 1 vor dem berippten Wärmeübertrager 2 eingebracht werden, dass danach noch keine Frostgefahr durch eine kritische Luftfeuchte bzw. -Temperatur provoziert wird. Erst wenn keine Frostgefahr mehr besteht, kann die Ansaugluft 10 nach dem Wärmeübertrager 2 bis auf Sättigung befeuchtet werden. Das bedeutet, dass die Ansaugluft 10 vor dem Wärmeübertrager 2 durchaus auch übersättigt werden kann. Die Verdunstung des überschüssigen Wassers erfolgt dann besonders vorteilhaft auf den Rippen des nachgeordneten Wärmeübertragers 2 und in Resten im anschließend gegebenenfalls noch untersättigten warmen Zuluftstrom 10. Die Verdunstung auf den Rippen des Wärmeübertragers 2 weiter verbessern können die Einbeziehung der porösen Rohre in die Berippung und/oder eine spezielle von Wärmerädern her bereits bekannte hygroskopische oder sorptive Beschichtung der Rippen.
Die Wärmezufuhr zur Ansaugluft 10 kann auch reduziert werden, indem die Abwärme des Schmierölkühlers 6 vom Abwärmekreislauf 4 in den Kältekreislauf 5 mit den Umschaltventilen 11 umgelekt und das Brenngas der Gasturbine vorgewärmt wird. Damit es bei einer ev. Undichtheit des Wärmeübertragers 7 nicht zu einem Eindringen von Hochdruckbrenngas, zu einer Verschleppung von Leckgasen im gesamten System und letztendlich zu einem Bersten des auf einen niedrigeren Druck ausgelegten Abwärme- 4 und Kältekreislaufes 5 kommt, wird der Gasvorwärmer 7 als Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertrager ausgeführt. Die Vorwärmung des Brenngases mittels Abwärme aus dem Prozess ersetzt die üblicherweise für diesen Zweck genutzte Wärme zum Beispiel aus einem gesonderten mit Brenngas beheizten Kessel und führt zu einer Brennstoffeinsparung und einer äquivalenten Wirkungsgradsteigerung des Gesamtprozesses.
Bei weiter steigender Aussenlufttemperatur kann der Abwärmekreislauf 4 gegebenenfalls mit den Umschaltventilen 11 auch teilweise oder vollständig stillgelegt und das Schmieröl über einen anderen ohnehin vorhandenen nicht näher dargestellten Kühlkreislauf gekühlt werden, nur ist dies wegen des doppelten apparativen Aufwandes nicht von Vorteil und nur dann erforderlich, wenn mehr Abwärme anfällt, als über die Zuluft 10 und die adiabatische Kühlung 3 sowie das Brenngas 7 sinnvoll abgeführt werden kann. Bei abgeschaltetem Abwärmekreislauf 4 bleiben entweder die adiabatische Kühlung 3 alleine oder der Kältekreislauf 5 ohne, oder – je nach Gasturbine – bei Nichterreichung einer vollständigen Sättigung nach dem Wärmeübertrager 2 und soweit wirtschaftlich, auch mit adiabatischer Vorkühlung 3 in Betrieb.
Eine besonders starke Kühlung der Zuluft 10 wird möglich, wenn das Brenngas unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes speziell vor dem Gasvorwärmer 7 auf den Verbrennungsdruck isenthalp gedrosselt wird. Eine noch höhere Abkühlung wird bei einer polytropen Entspannung des Erdgases in einer Turbine erreicht. Die dabei freiwerdende mechanische Energie kann zum Beispiel zum Antrieb eines Generators genutzt werden. Sollte das verfügbare Druckgefälle nicht ausreichen, so kann das Erdgas künstlich unter den Verbrennungsdruck der Gasturbine entspannt und anschließend mit der Antriebsenergie der Entspannungsturbine und ggf. zusätzlicher Antriebsenergie in einem auf einer Welle sitzenden Verdichter wieder auf den Verbrennungsdruck verdichtet werden. Bei Unterschreitung des Gefrierpunktes muss als Kühlmedium im Kältekreislauf 5 ein Frostschutzmittel-Wasser-Gemisch dienen. Bei zu tiefer Abkühlung kann die Entspannung mehrstufig mit Zwischenerwärmungen des Brenngases erfolgen. Mit diesem Verfahren kann ggf. die Wärmebilanz vollständig aufgehen, dass heißt sämtliche für die Gasvorwärmung 7 erforderliche Wärme könnte der Zuluft 10 bzw. dem Schmieröl 6 entzogen werden. Die entsprechende Wirkungsgradsteigerung des Gesamtprozesses wäre besonders hoch.
Zum Beispiel in Kraftwerken wird zum Teil in erheblichen Mengen Frischwasser verbraucht. So wird in Dampf- und Kühlprozessen das Abschlämm- und Verdunstungswasser ersetzt. In Gasturbinenprozessen kann Einspritzwasser zum Einsatz kommen. Dieses wird einer im Erdboden verlegten Leitung oder anderen sauberen Quellen entnommen und hat nahezu Bodentemperatur, die über das Jahr nur um ca. 20 K schwankt. Damit besteht eine sehr gute bisher nicht genutzte Kühlmöglichkeit. Die dem Frischwasser zugeführte Abwärme kommt dem Hauptprozess zugute und erhöht dessen Wirkungsgrad.
Anstelle des Gasvorwärmers 7 oder zusätzlich dazu könnte auch eine künstliche Kälte erzeugende Anlage den Kältekreislauf 5 kühlen. Übliche Kompressions-, Absorptions- oder Adsorptionskälteanlagen können mit Antriebsenergie aus dem Gas- und Dampfturbinenprozess versorgt werden. Zum Beispiel könnte ohne den Umweg über elektrische Energie direkt mechanische Energie als Verdichterantrieb genutzt weden. Die Wärmeenergie für einen Absorptions- oder Adsorptionsprozess kann ebenfalls direkt dem Hauptprozess entnommen werden.
Ebenfalls wie die letzteren nahezu verschleißfrei wäre ein Dampfstrahlkälteprozess, dessen Treibdampf dem Abhitzekessel der Gasturbine entnommen und dessen Kondensat dem Hauptprozess wieder zugeführt werden kann.
Besonders sinnvoll ist es, die aus einer Kälte erzeugenden Anlage freigesetzte Wärme dem Hauptprozess wieder zuzuführen. Dabei erlaubt ein Kälteprozess, dies auf dem erforderlichen hohen Temperaturniveau zu tun. In einer solchen Anwendung arbeitet eine Kältemaschine als „Wärmepumpe". Mögliche Wärmesenken in einem Kraftwerk sind zum Beispiel abermals das Brenngas oder das dem Kessel wieder zugeführte Kondensat.
Auch kann es bei praktisch jeder beliebigen Aussenlufttemperatur erforderlich sein, die Gasturbine mit Teillast zu betreiben. Dann ist es von besonderem energetischen Vorteil, diesen Teillastbetrieb über die Anhebung der Ansauglufttemperatur mit dem Abwärmekreislauf 4 herbeizuführen, ohne die Drosselung des Ansaugluftstromes durch die Betätigung der Verdichterleitschaufeln des Gasturbinenluftverdichters. Wegen des mehr oder weniger gleichmäßigen Anfalls der Abwärme 6 dienen als Stellgrößen für die Teillastfahrweise dann die Menge des an den Gasvorwärmer 7 abgeleiteten Wärmeträgerteilstromes und/oder die Menge des in den Zuluftstrom eingebrachten Wassers 8.
Es sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die vorgeschlagenen Verfahren und die für ihre Umsetzung empfohlene Vorrichtung für jeden beliebigen luftversorgten Prozess, neben Gasturbinen also zum Beispiel auch an Prozessluftverdichtern, luftgekühlten oder klimatisierten Gebäuden und Anlagen, also unter anderem auch an Rippenrohrkühlern mit geringem Aufwand, vollständig oder auch teilweise bzw. getrennt, also als Wasserübertrager 3 alleine oder als Wasserübertrager 3 mit nur an einen Wärmekreislauf 4 oder nur an einen Kältekreislauf 5 angeschlossenem Wärmeübertrager 2 zur Anwendung kommen kann. Als Wärmeträgermedium können neben Flüssigkeiten wie Wasser, rein oder mit Frostschutzmittel versetzt, selbstverständlich auch Kältemittel mit Phasenübergang dienen.
Weiterhin können die Wärmeübertrager wie der Schmierölkühler 6 und/oder der Gasvorwärmer 7 auch direkt in den Wärmeübertrager 2 im Ansaugtrakt 1 einbezogen werden, so dass ein Zwischenkreislauf und eine mit diesem verbundene Temperaturdifferenz entfallen würden. Eine Ausführung des Wärmeübertragers 2 aus 6 und/oder 7 in Doppelrohr-Sicherheitsbauform würde auch dann die Gewähr geben, dass weder das Schmieröl noch der Brennstoff bei einer Undichtheit des Wärmeübertragers 2 in den Ansaugtrakt 1 der Gasturbine eintreten würden. Die Umschaltventile 11 würden dann vorteilhafterweise in den Produktkreisläufen angeordnet sein.
Die Anzahl der porösen Rohre des Wasserübertragers 3 sollte etwa der Anzahl der Rohre des Wärmeübertragers 2 entsprechen, um einen hohen Sättigungsgrad und eine gleichmäßige Verteilung des Wassers 8 in der Ansaugluft 10 zu erreichen. Bei einer vergleichsweise hohen Permeabilität des verwendeten porösen Rohrmaterials des Wasserübertragers 3 sollte dieser wie in der 1 dargestellt möglichst horizontal angeordnet sein. Lässt sich diese Anordnung nicht realisieren, so ist der Wasserübertrager 3 mit den Rohren vertikal anzuordnen. Um bei großer Höhe über die gesamte Länge der porösen Rohre einen gleichmäßigen Wasseraustritt zu erzielen, der unabhängig von der Gravitationswirkung ist, muss in den Rohren das zu verdunstende Wasser mit einem solchen Umsatz zirkuliert werden, dass sich der Druckverlust und die Gravitationskraft etwa aufheben. Die zu verdunstende Wassermenge wird über den dann an allen Stellen gleich großen Innendruck in den porösen Rohren gesteuert, der mit der Pumpe 9 über das Zusatzwasser 8 oder ein anderes möglichst neutrales Medium, zum Beispiel Stickstoff in den Wasserübertrager 3 eingebracht wird. Die porösen Rohre des Wasserübertragers 3 geben gleichzeitig die Gewähr, dass gegebenenfalls im Wasser 8 mitgeführte Teilchen, die die Größe der Öffnungen der Rohrporosität überschreiten, nicht in den Ansaugtrakt 1 der Gasturbine gelangen. Durch eine regelmäßige Abschlämmung werden diese Bestandteile aus dem Wasserübertrager 3 entsorgt. Diese Feinfilterwirkung bietet kein anderes der bekannten Verfahren der Luftbefeuchtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sichert somit lange Wartungsintervalle der nachgeordneten Anlage.

1: Ansaugtrakt
2: Wärmeübertrager
3: Wasserübertrager
4: Abwärmekreislauf
5: Kältekreislauf
6: Schmierölkühler
7: Gasvorwärmer
8: Wasser
9: Pumpe
10: Zuluft
11: Umschaltventile

Claims

Verfahren zur Konditionierung von Luft (10) mit einem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager (2) mit angeschlossenem Wärme- und/oder Kältekreislauf (4, 5) sowie einer Luftbefeuchtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass bei niedriger Lufttemperatur eine erforderliche Luftvorwärmung mit dem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager (2) mit dem angeschlossenen Wärmekreislauf (4), mit bei steigender positiver Lufttemperatur gegebenenfalls durch adiabatische Befeuchtung vorgekühlter Luft erfolgt, dass bei weiter steigender Lufttemperatur eine erforderliche Luftkühlung mit dem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager (2), teilweise oder ganz ohne den angeschlossenen Wärmekreislauf (4), mit durch adiabatische Befeuchtung vorgekühlter Luft erfolgt, und dass bei hoher Lufttemperatur eine erforderliche Luftkühlung mit dem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager (2) mit angeschlossenem Kältekreislauf (5), gegebenenfalls mit durch adiabatische Befeuchtung vorgekühlter Luft erfolgt, wobei in allen Fällen der Anteil von Wärmekreislauf (4), Kältekreislauf (5) und/oder adiabatischer Befeuchtung (3) und die sich am Austritt ergebende Lufttemperatur und -Feuchte nach wirtschaftlichen Kriterien, zum Beispiel minimalen Kosten bei Investition und/oder Betrieb sowie gegebenenfalls speziellen technologischen Anforderungen des Hauptprozesses eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle im Hauptprozess ohnehin vorhandene Medien ausreichend hoher Temperatur, also Abwärme, zum Beispiel Kühlwasser, Schmieröl (6), Abluft oder Abgas dienen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältequelle im Hauptprozess ohnehin vorhandene Medien ausreichend niedriger Temperatur, zum Beispiel Frischwasser oder Brenngas (7) mit Erdbodentemperatur dienen.
Vorrichtung für die Luftkonditionierung gemäß einem der Verfahrensansprüche 1, 2 oder 3 mit einem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager (2) und einer Luftbefeuchtungseinrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass den meist berippten Rohren des Wärmeübertragers (2) Düsengitter, Kühleinbauten oder andere an sich bekannte Wasserverteiler unmittelbar vorgelagert sind, oder besser dass poröse Rohre (3), die in Sammlern am Ein- und gegebenenfalls auch am Austritt zusammengefasst sind, einen dem luftbeaufschlagten Wärmeübertrager (2) vorgelagerten Wasserübertrager (3) bilden.