DE102012016812A1

DE102012016812A1 - Ölschmiersystem für ORC Expansionsmaschinen mit druckgasbetriebener Membranpumpe

Info

Publication number: DE102012016812A1
Application number: DE201210016812
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Die Expansionsmaschinen (1) kleiner wie auch großer ORC Prozesse benötigen, für ihren Betrieb, eine ausreichende Ölschmierung an den Lagerstellen sowie einen Ölnebel im Druckgas (11). Um diese Schmierung sicherzustellen ist ein Schmiersystem nötig, das aus einer Druckgas-betriebenen Membran-Pumpe (5) mit Druckstufe besteht sowie aus einer, durch Drucköl-Schmierung geschmierten, Expansionsmaschine (1). Dabei besteht das Druckgas aus Arbeitsmittel des ORC Prozesses. Weiterhin ist ein Ölabscheider (7) zur Ölabscheidung aus dem Rückgas vorhanden, sowie ein Vorratsbehälter für abgeschiedenes Öl (8). Es ist ein Öldosiersystem zur Erzeugung eines Ölnebels im Druckgas (6) vorhanden. Die Ölpumpe (5) pumpt, durch Druckgas betrieben, Öl aus einem Vorratsbehälter (8) in die Lagerstellen einer ORC Expansionsmaschine sowie in eine Ölnebel-Erzeugende Vorrichtung (6). Das, mit Öl versetzte, Arbeitsmittel des ORC Prozess wird der Expansionsmaschine (1) zugeführt und schmiert die bewegten Teile. Nach Austritt aus der Expansionsmaschine wird das Öl im Rückgas (10), durch einen Ölabscheider (7), abgeschieden und in einem Vorratsbehälter (8) bevorratet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung beschreibt ein Schmiersystem für ORC Motoren. Dabei ist ein ORC Prozess ein thermodynamischer Kreisprozess, dessen Expansionsmaschine durch ein Öldruck-Schmiersystem, an den Lagerstellen und durch einen Ölnebel im Druckgas, geschmiert wird. Die Art der Ölpumpe und das Ölabscheidungs-System wird beschrieben.
Stand der Technik
Derzeit ist es unüblich ORC Maschinen im einstelligen Kilowatt-Bereich zu betreiben. Dies ist auf einen schlechten Wirkungsgrad kleiner Expansionsmaschinen zurückzuführen und den fehlenden technischen Möglichkeiten, eine Eigenverbrauchsarme und preisgünstige Anlage, mit allen technischen Notwendigkeiten, herzustellen. Die Erfindung beschreibt einen Lösungsweg für diese Probleme.
Technische Beschreibung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Ölschmiersystem für Expansionsmotore von ORC Prozessen.
Als ORC Anlage/ORC Prozess/ORC Kreislauf wird dabei eine technische Vorrichtung bezeichnet, die als Energieerzeugungsanlage auf Grund eines thermodynamischen Kreisprozesses (Carnot-Kreisprozess) ausgeführt ist. Dabei arbeitet die Energieerzeugungsanlage nach einem Kreisprozess, der als Ericsson-Kreisprozess, Clausius-Rankine-Kreisprozess, Joule-Kreisprozess, Kalina-Kreisprozess, Stirling-Kreisprozess, Organic-Rankine-Cycle oder rechtsdrehender Kreisprozess bekannt ist.
Bei kleinen ORC Anlagen im Kilo-Watt Bereich oder aber ebenso in anderen Leistungsklassen, sind Expansionsmaschinen (1) verbaut, die ähnlich wie jede andere Maschine, Lagerstellen für Wellen und Bewegte Teile besitzen. Diese bewegten Teile werden im Regelfall, durch einen Schmierstoff, geschmiert um Material-Reibung und Material-Verschleiß zu verringern. Im Falle von ORC Expansionsmotoren wird als Schmierstoff ein Öl verwendet.
Weiterhin besteht die Expansionsmaschine aus bewegten Teilen, die eine Expansion des Arbeitsmittels des ORC Prozesses ermöglichen. Dabei sind zum Beispiel bei einer Schraubenexpansionsmaschine, zwei rotierende Wellen verbaut, zwischen denen ein geringfügiger Abstand besteht. Dieser Abstand kann durch einen geringen Anteil von Schmieröl im Druckgas geschlossen werden. Somit reduziert sich der Verlustanteil des Druckgases, die Energieausbeute des Druckgases steigt und somit steigt der Gesamtwirkungsgrad der Expansionsmaschine. Bei Kolben/Drehkolben Expansions-Motoren und Expansions-Motoren mit Berührungslosen Expansionsbauteilen, ist ebenfalls ein Schmieröl im Druckgas erforderlich um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Bei Expansions-Motoren mit Kontaktflächen zwischen den Expansionsbauteilen, wie Scroll- oder Flügelzellen-Motoren, muss ebenfalls ein Schmieröl in das Druckgas eingebracht werden um Verschleiß zu reduzieren. Dabei ist jedoch eine andere Ölbeschaffenheit erforderlich.
Wenn man nun all die Vorteile einer Ölschmierung betrachtet, dann besteht die Frage wie dies geschehen soll. Dabei sollte der Energieeintrag in die Ölpumpe (5) nicht höher sein als die Energiemenge, die durch ein eingesetztes Ölschmiersystem gewonnen wurde. Weiterhin sollte sich der Materialaufwand, für Pumpe und deren Steuerung, gering halten.
Ein idealer Pumpentyp für diesen Einsatzzweck ist eine Membran Pumpe, die durch Druckgas (9) angetrieben wird und durch eine Vorrichtung zur Druckerhöhung, einen Schmieröldruck erzeugen kann, der höher ist als der Arbeitsdruck des antreibenden Druckgases ( ).
Diese Art von Pumpe ist im Regelfall durch zwei Membranen (17) gekennzeichnet, die durch eine Verbindungsstange (19) aneinander gekoppelt sind. Diese Verbindungsstange ist so ausgelegt das sie als Ventilschieber (20) arbeitet, der die Druckgasmengen (9) jeweils einer Membran zuführt und die Abgasmenge der zweiten Membran in einen Rücklauf (13) entlässt. Als Druckgas wird dabei stets das Arbeitsmittel des ORC Prozesses verwendet bzw. bezeichnet. Durch Verwendung eines Pumpenkolbens (18), der im Durchmesser kleiner ist als die Arbeitsmembran, entsteht eine Druckerhöhung und Fördermengenreduzierung des gepumpten Schmieröles. Dabei kann der Schmieröldruck, durch Bestimmung des Flächenverhältnisses zwischen Antriebsmembran und Pumpenkolben, bestimmt werden.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Art von Pumpe ist die selbstständige Regelung des Schmieröldrucks, denn der wird durch die Flächen-Verhältnisse von Antriebs-Membran (17) und Pumpenkolben (18) bestimmt. Weiterhin pumpt die Pumpe auch nur die Menge an Schmieröl, die benötigt wird. Dadurch sinkt der Verbrauch an Druckgas (9), der für den Antrieb der Pumpe benötigt wird, auf einen minimalen Wert und somit orientiert sich der Energieverbrauch der Schmierölpumpe eigenständig am Minimalverbrauch.
Ein weiteres Einsatzgebiet dieser Art von Pumpen ist die Rückförderpumpe (2) für Arbeitsmittel von ORC Prozessen. Dabei stehen ähnliche Bedingungen wie bei dem Schmiersystem zur Verfügung und die Energieeffizienz sollte ebenfalls hoch sein.
Das durch die Ölpumpe geförderte Schmieröl gelangt nun, durch eine Öldruckleitung (15), teilweise in die Lagerstellen des ORC Motors und zum anderen Teil in eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ölnebels (6) im Druckgas. Diese Vorrichtung besteht entweder aus einer einfachen Düse im Druckgaskanal, oder einer Vorrichtung, die nach dem Venturi-Prinzip arbeitet und aus Vorratsbehälter und Düse und weiteren Bauteilen besteht.
Das entstandene Druckgas mit Ölnebel (11) wird nun der Expansionsmaschine zugeführt, in der das Druckgas arbeitet, und aus der es, in Form von Rückgas, wieder austritt. Gleich nach Austritt aus der Expansionsmaschine, noch im Maschinengehäuse der Expansionsmaschine (22), kann das Rückgas einen Ölabscheider (7) durchströmen um das Schmieröl abzuscheiden. Das zurückgewonnene Schmieröl wird wiederverwendet. Dieser Ölabscheider kann sich außerhalb des Maschinengehäuses der Expansionsmaschine befinden, als eigenständiges Bauteil ausgeführt, oder als Teil des Ölvorratsbehälters, mit den entsprechenden Versorgungsleitungen (10/12) ausgeführt sein. Die Arbeitsweisen der Ölabscheider können dabei sein: Filterabscheidung, Gasstromberuhigung, Tropfen-Abscheidung durch Gasstromumlenkung oder nach dem Prinzip einer elektrostatischen Abscheidung arbeiten.
Das zurückgewonnene Schmieröl des Ölabscheider wird nun in einen Ölvorratsbehälter (8) gesammelt und anschließend, durch eine Ölsaugleitung (14), der Ölförderpumpe (5) zugeführt. Dabei kann der Ölvorratsbehälter als Bestandteil des Maschinengehäuses der ORC Expansionsmaschine ausgeführt sein, als Teil des Ölabscheiders oder als eigenständiges Bauteil ausgeführt sein.
Das Rückgas (12), das den Ölabscheider in Richtung Verflüssiger (4) verlässt, ist wieder Ölfrei
Bezugszeichenliste

1: Expansionsmaschine/Expansions-Motor
2: Rückförderpumpe
3: Verdampfer
4: Verflüssiger/Kondensator
5: Ölpumpe
6: Ölnebel-erzeugende Vorrichtung für Druckgas
7: Ölabscheider
8: Ölvorratsbehälter
9: Druckgasleitung
10: Rückgasleitung (mit Öl versetzt)
11: Druckgasleitung (mit Öl versetzt)
12: Rückgasleitung
13: Rückgasleitung der Ölpumpe
14: Ölsaugleitung der Ölpumpe
15: Öldruckleitung
16: Generator
17: Antriebsmembran der Ölpumpe
18: Pumpenkolben
19: Verbindungsstange
20: Ventil zur Steuerung des Druckgases innerhalb der Pumpe
21: Pumpen Gehäuse
22: Maschinengehäuse des ORC Expansions-Motors

Claims

Ölschmiersystem für ORC Motoren ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Druckgas(9)-betriebene Membran-Pumpe (5) mit wenigstens einer Druckstufe, die Drucköl, zur Schmierung der Lagerstellen wenigstens einer Expansionsmaschine, und zur Erzeugung wenigstens eines Ölnebels im Druckgas (11), zur Verfügung stellt. Das Öl wird vor der Expansionsmaschine (1) in wenigstens eine Druckgasleitung (9/11), durch wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ölnebels (6), eingespeist und nach der Expansionsmaschine, durch wenigstens einen Ölabscheider (7), abgeschieden. Anschließend wird das Öl in wenigstens einen Vorratsbehälter (8) gesammelt und steht erneut zur Schmierung zur Verfügung. Wenigstens eine Ölpumpe (5) wird durch Druckgas angetrieben und beinhaltet wenigstens eine Druckstufe, die höheren Öldruck, als der Druck des Antriebsgases, entstehen lässt.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens eine Ölpumpe verbaut ist, die mit wenigstens einer Druckstufe ausgestattet ist.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens eine Ölpumpe verbaut ist, die wenigstens ein, durch Druckgas betriebenes, Antriebsorgan aufweist sowie wenigstens ein Rückstellorgan beinhaltet.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens eine Expansionsmaschine verbaut ist, die als Schraubenexpansionsmaschine, Scrollexpansionsmaschine, Turbine, Kolbenexpansionsmaschine, Flügelzellen-Motoren oder einer Abwandlung daraus, ausgeführt ist.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens ein Ölabscheider verbaut ist, der nach dem Prinzip der Filterabscheidung arbeitet, der nach dem Prinzip der Gasstromberuhigung arbeitet, der nach dem Prinzip der Tropfen-Abscheidung durch Gasstromumlenkung arbeitet oder nach dem Prinzip einer elektrostatischen Abscheidung arbeitet.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens ein Ölabscheider (7) verbaut ist, der als Teil wenigstens eines Expansionsmaschinen-Gehäuses (22), als eigenständiges Bauteil oder als Teil wenigstens eines Ölvorratsbehälters (8) ausgeführt ist.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens ein Ölvorratsbehälter (8) verbaut ist, der als Teil wenigstens eines Expansionsmaschinen-Gehäuses (22), als eigenständiges Bauteil oder als Teil wenigstens eines Ölabscheiders (7) ausgeführt ist.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens eine Expansionsmaschine verbaut ist, deren Lagerstellen durch Druckölschmierung geschmiert werden.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens eine Ölnebel-Erzeugende Vorrichtung (6) verbaut ist, die als Einspritzdüse oder als Venturi Injektor ausgeführt ist.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigsten eine ORC Expansionsmaschine mit wenigstens einem Ölversorgungssystem ausgestattet ist.
Die Erfindung ist durch wenigstens einen Anspruch gekennzeichnet dadurch, das wenigstens eine Rückförderpumpe (2) des ORC Prozesses verbaut ist, die dem selben Baumuster entspricht wie die Ölpumpe.