DE102008038241A1 - Wärmetauschersystem für Rankine-Prozesse - Google Patents

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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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Abstract

Wärmetauschergruppe zur Kühlung des Abdampfes einer Turbine bei der Produktion von elektrischer Energie, die aus einem so genannten Regenerator (12) für die Vorkühlung des Abdampfes und die Vorwärmung des Kondensates sowie einem Kondensator (13) zur Verflüssigung des Dampfes mittels Kühlmittel besteht, die Wärmetauscher (12) und (13) sich in einer gemeinsamen zylindrischen Hülle (1) zur Umgebung befinden, beide (12) und (13) radial mit einem Teil oder insgesamt über dem gleichen Abschnitt der Behälterachse (10) liegen und die Eintrittsöffnung des Dampfes (2) sich zwischen den beiden Enden des zylindrischen Behälters (1) befindet.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Wärmetauschersystem, welches in Anlagen zur Stromerzeugung den entspannten Abdampf nach einer Turbine abkühlt und kondensiert. Gegenstand der Erfindung ist die Verbindung, der Aufbau und die Anordnung der beiden zur Abkühlung und zur Kondensation notwendigen funktionellen Einheiten „Regenerator” und „Kondensator”.
  • Anwendung
  • Zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrisch wird in so genannten Rankine-Prozessen ein flüssiges Arbeitsmedium verdampft, über einer Turbine, entspannt und danach kondensiert. Anschließend wird das Kondensat über eine Pumpe (Speisepumpe) wieder der Verdampfung zugeführt. Bei den meisten Arbeitsmedien ist der entspannte Dampf nach der Turbine noch nicht auf die Kondensationstemperatur abgekühlt. Die in dieser Überhitzung enthaltene Wärme kann zur Vorwärmung des flüssigen Arbeitsmediums aus dem Kondensator (Kondensat) nach der Speisepumpe verwendet werden. Der hierzu eingesetzte Wärmetauscher wird hier als Regenerator bezeichnet.
  • Regenerator und Kondensator sind auf der Dampfseite nach der Turbine hintereinander geschaltet (Reihenschaltung). Der entspannte Dampf aus der Turbine wird erst durch den Regenerator geleitet, hier bis nahe der Kondensationstemperatur gekühlt und danach im Kondensator verflüssigt. Der durch die Wärmetauscher verursachte Druckverlust sowie die Effizienz des Regenerators sind entscheidend für die Effizienz des gesamten Systems. Insbesondere in kleinen, kompakten Anlagen bestimmt der Aufbau, die Anordnung und Verbindung der beiden Wärmetauscher die Kosten der Gesamtanlage.
  • Stand der Technik
  • In der Patentschrift „ EP 1 426 565 A1 ” wird ein System beschrieben, in dem Kondensator und Regenerator in einer gemeinsamen Hülle angeordnet sind. Die Hülle hat die Form eines Zylinders. Der Dampf wird dem System über einen axial ausgerichteten Stutzen am Kopf oder Ende dieses Zylinders zugeführt. Der Regenerator befindet sich als Einheit über oder unter dem Kondensator.
  • Der Dampf strömt parallel zur Behälterachse ein. Er wird um 90° umgelenkt, zum Eintritt des Regenerators geleitet und nach dessen gerader Durchströmung in den Kondensator geführt. Das anfallende Kondensat wird aus dem Behälter geleitet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung beschreibt ein System aus Regenerator und Kondensator, welches wesentlich kompakter aufgebaut ist, als der bekannte Stand der Technik. Das Bauvolumen und das Gewicht des Wärmetauschersystems und somit die Kosten werden gesenkt.
  • Gleichzeitig wird trotz des kompakteren Aufbaus die Effizienz der Wärmeübertragung erhöht und die Druckverluste gesenkt. Somit erhöhen sich die Effizienz und damit der Nutzen der gesamten Anlage.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • In den beigefügten schematischen Zeichnungen illustrieren die Erfindung, deren Vorteile, die Unterscheidung vom Stand der Technik und Varianten der Ausführung.
  • 1) zeigt den bekannten Stand der Technik als Widergabe des in dem Patent EP 1 426 565 A1 /6 dargestellten Systemquerschnitts.
  • 2) dient anhand eines gleichartigen Querschnitts durch eine Variante des in der Erfindung beschrieben Systems Vorteile und Abgrenzung zum Stand der Technik auf.
  • 36) verdeutlichen anhand unterschiedlicher Darstellungsmethoden die Funktion einer Variante der Erfindung.
  • 710) zeigen Querschnitte verschiedener Variationen der Erfindung.
  • 11) illustriert in einem Längsschnitt detaillierte den inneren Aufbau des neuen Wärmetauschersystems.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die zwei Wärmetauschereinheiten Regenerator (12) und Kondensator (13) befinden sich in einer gemeinsamen zylindrischen Hülle (1). Der entspannte Abdampf einer Turbine wird über einen Stutzen (2) im rechten Winkel zu einer Parallelen der Behälterachse (10) in die Hülle (1) geleitet. Er wird in einem vorgesehenen Raum (11) gleichmäßig zur Behälterachse (10) verteilt und in durch so genannten Regenerator geleitet. Danach strömt er in den Kondensator und wird verflüssigt. Das Kondensat wird an geeigneter Stelle aus dem Behälter geführt. Zur Strömungsführung und Isolation sind Regenerator und Kondensator von einer Hülle umgeben (14, 18).
  • Wie im in 1) gezeichneten Stand der Technik, befinden sich Regenerator (12) und Kondensator (13) in einer gemeinsamen Hülle (1). Im Gegensatz zu 1 wird in der Erfindung 2) der Regenerator (12) so aufgebaut, dass der durchströmende Dampf eine gekrümmte Bahn (20) um den parallel zur gleichen Achse liegenden Kondensator (13) beschreibt. Die Dampfzufuhr (2) befindet sich im Gegensatz zu 1) zweckmäßig an der radialen Seite des gemeinsamen zylindrischen Behälters (1).
  • In 2) einer Variante der Erfindung wurden die gleichen Größen wie in 1), dem Stand der Technik, für die in der gemeinsamen Hülle (1) liegenden Wärmetauscher (12) und (13) gewählt. Aus der Gegenüberstellung von 1) und 2) geht die erhebliche Raumeinsparung hervor. Auch wird deutlich, dass die Strömungsführung stark verbessert ist.
  • In den bekannten Anordnungen von Regenerator und Kondensator wird der in der gemeinsamen Hülle des Kondensators (13) und des Regenerators (12) vorhandene Bauraum nicht optimal genutzt. Weiterhin entstehen Druckverluste durch mehrmalige Änderungen des Querschnittes und der Richtung auf dem Weg des Dampfes zum Kondensator.
  • In der Erfindung ist das System aus Regenerator und Kondensator so aufgebaut, dass der Bauraum bestmöglich genutzt wird und gleichzeitig geringere Druckverluste als im bekannten Stand der Technik entstehen. Um dies zu erreichen, wird der Regenerator (12) um die Längsachse des Kondensators gekrümmt. Der Dampf kann unter maximalen Radius von Dampfeintritt (20) durch den Regenerator (12) in den Kondensator (13) strömen. Zur Verteilung des Dampfes nach dem Eintritt in den Behälter (1) entlang der Behälterachse (10) genügt der Raum (11).
  • In 3) wird die Ansicht einer Variante 1 des neuen Wärmetauschersystems von außen dargestellt. Der Stutzen um 90° gedreht zur Achse (10) der Systemhülle (1) zur Dampfzufuhr (2) ist erkennbar.
  • In 4) ist der prinzipielle Innenaufbau und in 5) der Querschnitt der Variante 1 dargestellt. Der Dampfstrom (20a) verteilt sich nach dem Eintritt in den Behälter im Raum (11), bevor er um die Rohre (12) des Registers des Regenerators strömt (20b) und danach in den Kondensator fließt. Hierzu ist ein Teil der Hülle des Kondensators (14) geöffnet und ermöglicht so den Eintritt des Dampfstromes (20c). In Variante 1 wird das Kondensat in der Kondensatorhülle (14) gesammelt und fließt durch einen Stutzen (7) aus dem Behälter (1). Das Kondensat fließt (21) in den Rohren des Registers des Regenerators (12) vom Eintrittstutzen (8) entgegen der Richtung des Dampfstromes (20), hier im Kreuz-Gegenstrom, zum Austrittsstutzen. In 6) werden der Querschnitt aus 5) abstrahiert und nur noch die Querschnittsflächen der funktionellen Einheiten dargestellt. Anschlüsse zur zusätzlichen Kondensat- und Inertgasabführung sind nicht dargestellt.
  • Das beschriebene Prinzip der Erfindung lässt sich jetzt, je nach Anforderung modifizieren. Dies wird von 7) bis 10) verdeutlicht. In Variante 1, 6), liegt der Dampfeintritt parallel zur Tangente der Behälterachse. Der Kondensator ist im oberen Teil des Behälters angeordnet. Hierdurch kann das Kondensat bei horizontal ausgerichteten Behälter auf einem hohen Niveau austreten. In kompakten Anlagen steigt somit der Vordruck der nach geschalteten Speisepumpe. Jedoch müssen zusätzliche Maßnahmen zur Abführung des im Behältermantel anfallenden Kondensates im Stillstand und beim Anfahren der Anlage ergriffen werden. Kennzeichnend für diese Variante ist der Dampfeintritt unterhalb des Kondensators.
  • In Variante 2, 7), wird der Dampf oberhalb des Kondensators zum Regenerator geführt und strömt den Kondensator seitlich bzw. von unten an. Das aus dem Kondensator fließende Kondensat wird aus dem Mantel abgeleitet. Damit sinkt die Höhe des Vordruckes der nach geschalteten Speisepumpe. Es sind aber keine zusätzlichen Maßnahmen für den Anfahrbetrieb notwendig.
  • In Variante 3 in 8) ist der Regenerator symmetrisch um das Kondensatorbündel angeordnet. Sie entspricht der Variante 1, allerdings ist der Aufbau des Registers einfacher, da rotationssymmetrisch. Auch liegt das Kondensatorbündel im Zentrum.
  • Variante 4 in 9) entspricht der Variante 2 jedoch mit rotationssymmetrischem Register.
  • Variante 5 in 10) unterscheidet sich von den vorhergehenden Varianten dadurch, dass der Dampf- und Flüssigkeitsstrom durch das Register (12) den Kondensator (13) beidseitig umströmt und auf der gegenüber liegenden Seite in den Kondensator tritt. Hierdurch kann der Querschnitt des Gesamtsystems vermindert werden.
  • In 11) wird durch einen Schnitt längs zur Behälterachse (10) der Variante 5 in 10) der Aufbau des Systems noch etwas detaillierter dargestellt. Man kann den Dampfeintritt in den Kondensator (17) erkennen. Ebenso ist die Befestigung (15) und Strömungsführung durch das Register dargestellt. In dieser Variante ist das Register noch von einem zusätzlichen Mantel (18) zur Außenhülle (1) und zur Kondensatorhülle (14) umgeben. Hierdurch werden thermische Spannungen in der Hülle reduziert und der Kondensatorraum (13) nicht unnötig aufgeheizt. Der zusätzliche Aufwand ist jedoch nur bei großen Systemen angebracht.
  • 1) Stand der Technik nach Patent EP 1 426 565 A1
  • 2) Querschnitt einer Variante der Erfindung zur Abgrenzung zum Stand der Technik nach 1)
  • 3) Außenansicht Wärmetauschersystem Variante 1
  • 4) Stoffstrom 3D im Wärmetauschersystem Variante 1
  • 5) Querschnitt Wärmetauschersystem Variante 1
  • 6) Querschnitt der funktionelle Einheiten im System Variante 1
  • 7) Querschnitt der funktionelle Einheiten im System Variante 2
  • 8) Querschnitt der funktionelle Einheiten im System Variante 3
  • 9) Querschnitt der funktionelle Einheiten im System Variante 4
  • 10) Querschnitt der funktionelle Einheiten im System Variante 5
  • 11) Längsschnitt des Wärmetauschersystems der Variante 5
  • 1
    Außenhülle
    2
    Dampfeintrittsstutzen
    3
    Einschubstutzen für Rohrbündel Kondensator
    4
    Abdeckplatte Rohrbündel Kondensator
    5
    Stutzen Kühlwasseraustritt Kondensator
    6
    Stutzen Kühlwassereintritt Kondensator
    7
    Stutzen Kondensataustritt Kondensator
    8
    Stutzen Kondensateintritt Rekuperator
    9
    Stutzen Kondensataustritt Rekuperator
    10
    Mittelachse Wärmetauschersystem
    11
    Verteilungsraum für Dampf
    12
    Register Rekuperator (Rippenrohre)
    13
    Rohrbündel Kondensator (U-Rohre)
    14
    Hülle Kondensator
    15
    Seitliche Befestigung für Rekuperatorrohre
    16
    Abstützung für Rekuperatorrohre
    17
    Dampfeintritt in Kondensator
    18
    Leitbleche Rekuperator
    19
    Umlenkung bzw. Rohrverbindung der Rekuperatorrohre
    20
    Dampffluss a) Durch Eintrittstutzen b) Durch Register Rekuperator c) In Kondensator
    20
    Kondensatfluss im Register Rekuperator
    21
    Kühlwasserdurchfluss im Rohrbündel Kondensator
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1426565 A1 [0004, 0009, 0001]

Claims (3)

  1. Wärmetauschergruppe zur Kühlung des Abdampfes einer Turbine bei der Produktion von elektrischer Energie, die aus einem so genannten Regenerator (12) für die Vorkühlung des Abdampfes und die Vorwärmung des Kondensates sowie einem Kondensator (13) zur Verflüssigung des Dampfes mittels Kühlmittel besteht, die Wärmetauscher (12) und (13) sich in einer gemeinsamen zylindrischen Hülle (1) zur Umgebung befinden, beide (12) und (13) radial mit einem Teil oder insgesamt über dem gleichen Abschnitt der Behälterachse (10) liegen und die Eintrittsöffnung des Dampfes (2) sich zwischen den beiden Enden des zylindrischen Behälters (1) befindet.
  2. Wärmetauschergruppe nach Anspruch 1), in welcher der so genannte Regenerator (12) so gebaut ist, dass der durchströmende Dampf (20) während des Wärmeaustausches einen um die Längsachse (10) des Behälters (1) gekrümmten Weg strömt, bevor er in den Kondensator eintritt.
  3. Wärmetauschergruppe nach Anspruch 1), in welcher der so genannte Regenerator (12) aus zwei Teilen besteht, so dass der in den Behälter strömende Dampf (20) sich radial zur Behälterachse (10) aufteilt, den Kondensator (13) umströmt und in diesen auf der gegenüber liegenden Seite einströmt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013150018A2 (en) 2012-04-03 2013-10-10 Equitherm S.À R.L. Device for power generation according to a rankine cycle

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EP1426565A1 (de) 2002-11-11 2004-06-09 Turboden S.r.l. Integrierter thermische Wärmetauschergruppe für eine Dampfturbine mit organischem Fluid

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