DE102012017314A1

DE102012017314A1 - System zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen

Info

Publication number: DE102012017314A1
Application number: DE201210017314
Authority: DE
Inventors: Richard BÜSSOW; Kolja Metz
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: DE102012017314B4

Abstract

System zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen zur Verdichtung eines Prozessgases, bestehend aus einer Zwischenkühlung innerhalb der Verdichteranordnung und einer damit gekoppelten Absorptionskältemaschine, wobei die Zwischenkühlung (12) mindestens aus einem, zwischen zwei Verdichterstufen angeordneten, Zwischenkühler besteht und diesem ein Mittel zur Kühlung zugeordnet ist, das sich über Wärmetauscherflächen des Zwischenkühlers erwärmt und gleichzeitig das zu verdichtende Prozessgas der Verdichteranordnung kühlt, wobei die Absorptionskältemaschine einen geschlossener Kreislauf, bestehend im Wesentlichen aus einem Austreiber, Kondensator, Verdampfer und Absorber, bildet, der ein Kältemittel sowie Lösungsmittel für deren Prozess enthält, wobei das im Zwischenkühler erwärmte Mittel zur Kühlung die Absorptionskältemaschine derart in Gang bringt, dass dem Austreiber über Wärmetauscherflächen Wärmeenergie (Q21) durch das Mittel zur Kühlung zugeführt wird und dadurch die Trennung von Kältemittel und Lösungsmittel für den weiteren Prozess der Absorptionskältemaschine erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel der Absorptionskältemaschine und das dem Zwischenkühler zugeordnete Mittel zur Kühlung in unterschiedlichen Kreisläufen zirkuliert, und wobei das Kältemittel in der Absorptionskältemaschine über Wärmetauscherflächen des Verdampfers derart Wärmeenergie (Q23) durch das Mittel zur Kühlung aufnimmt, dass das Kältemittel für den weiteren Prozess der Absorptionskältemaschine erdampft und sich gleichzeitig die Temperatur des dem Zwischenkühler zugeordneten Mittels zur Kühlung verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei einem Verdichtungsprozess kann durch die Zwischenkühlung des verdichteten Prozessgases die erforderliche Antriebsleistung des Verdichters erheblich reduziert werden. Nicht selten wird dabei die abzuführende Zwischenkühlerwärme noch immer ungenutzt in die Atmosphäre geleitet; demgegenüber sind im Stand der Technik aber auch andere Systeme bekannt.
Aus der EP 0 597 305 B2 ist eine kombinierte Gas- und Dampf-Kraftanlage mit einem zweistufigen Verdichter zur Verdichtung der der Brennkammer der Gasturbine zugeführten Verbrennungsluft bekannt. Zwischen den beiden Verdichterstufen ist ein Zwischenkühler angeordnet, dessen Wärmeaustauschflächen in den Wasser-Dampf-Kreislauf des der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessels eingebunden sind. Dem Zwischenkühler wird Speisewasser zugeführt, dessen Druck zuvor durch eine Druckerhöhungspumpe erhöht wurde. Das in dem Zwischenkühler erhitzte Speisewasser wird einer Dampftrommel zugeführt, in der es teilweise ausdampft. Der so entstehende Dampf wird in den Überhitzer und das Wasser wird in den Mischvorwärmer eingeleitet. Das Prinzip der Wärmeauskopplung erfolgt damit durch Nachverdampfung des umgewälzten Kühlwassers in der Trommel. Auf diese Weise wird die Höhe der Wärmeauskopplung durch den jeweiligen Dampfdruck in der Trommel stark beeinflusst.
Die aus der EP 0 597 305 B2 bekannte Kombianlage mit einer Ausnutzung der Verdichterabwärme benötigt außer der ohnehin vorhandenen Speisewasserpumpe eine zusätzliche Druckerhöhungspumpe für den Kühlkreislauf. Die Ausnutzung der Verdichterabwärme erfolgt an dem der Anlage eigenen Medium, nämlich der verdichteten Verbrennungsluft. Es wird lediglich die Verdichterwärme ausgenutzt, die in dem Zwischenkühler anfällt.
Die US 4,342,201 zeigt eine Vorrichtung, bei der zwischen je zwei Verdichtern ein Zwischenkühler und nach dem letzten Verdichter ein Nachkühler angeordnet ist.
Aus der DE-OS 32 24 577 ist ebenfalls eine Vorrichtung bekannt, bei der zwischen zwei Verdichtern ein Zwischenkühler und nach dem letzten Verdichter ein Nachkühler angeordnet ist.
Die DE 101 55 508 A1 und die GB 2 307 277 A zeigen nur einen Verdichter. Eine Überhitzung von Dampf für eine Dampfturbine findet durch die Abgase einer Gasturbine statt.
Die US 2004/0035117 A1 zeigt zwei von einer Gasturbine angetriebene Verdichter, denen je ein Kühler nachgeschaltet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen Verdichtersystem den Wirkungsgrad zu verbessern.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen System erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erreicht wird die Wirkungsgradsteigerung des Verdichtersystems durch die Verringerung der Eintrittstemperatur des Mediums zur Kühlung vor dem jeweiligen Zwischenkühler, wobei die zur Kühlung des Kühlmediums notwendige Energie aus der Abwärme des Verdichtersystems selbst stammt.
In einem mehrstufigen Verdichter mit Zwischenkühlung wird die in den Zwischenkühlern dem Prozessgas entzogene Wärme oftmals nicht genutzt. Ein Grund für die bisher schlechte Verwertbarkeit der Abwärme ist das verhältnismäßig niedrigere Temperaturniveau, so dass deren Verwertbarkeit auf wenige Folgeprozesse beschränkt bleibt. Im Gegensatz zu den bekannten Beispielen wird bei dem erfindungsgemäßen System die dem Prozessgas im Zwischenkühler entzogene Wärme genutzt, um eine Absorptionskältemaschine derart zu betreiben, dass mit dieser die Eintrittstemperatur des Mittels zur Kühlung verringert und damit der Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses gesteigert wird.
Der Wärmetransport zur Absorptionskältemaschine und deren Rückkühlung sowie die Kältenutzung erfolgen vollständig mit einem zusätzlichen Mittel zur Kühlung. Somit müssen nur die vom Prozessgas durchströmten Zwischenkühler auf den entsprechenden Druck des Verdichtungsprozesses ausgelegt werden; demgegenüber kann die Absorptionskältemaschine auf den wesentlich niedrigeren Druck des Mittels zur Kühlung ausgelegt werden. Da der Volumenstrom des Mittels zur Kühlung deutlich kleiner als der Prozessgasvolumenstrom des Verdichterprozesses ist und die zulässigen Druckverluste im Bereich des Mittels zur Kühlung deutlich größer als im Prozessgasbereich sind, können die Baugrößen der Apparate wesentlich kleiner ausgeführt werden. Druckverluste im Prozessgasstrom sind schädlich für den Wirkungsgrad des Verdichtungsprozess, den es zu steigern gilt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
1: Schematisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nach 1 wird die grundsätzliche erfindungsgemäße Anordnung des Systems zur Steigerung des Wirkungsgrades von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen (10.1, 10.2) dargestellt.
Das System zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen (10.1, 10.2) zur Verdichtung eines Prozessgases (11) besteht aus einer Zwischenkühlung (12) innerhalb der Verdichteranordnung (10.1, 10.2) und einer damit gekoppelten Absorptionskältemaschine (21–33). Die Zwischenkühlung (12) besteht aus mindestens einem Zwischenkühler (12), der zwischen zwei Verdichterstufen (10.1, 10.2) angeordnet ist. Dem Zwischenkühler ist ein Mittel zur Kühlung (13) zugeordnet, das sich über Wärmetauscherflächen (14) des Zwischenkühlers (12) erwärmt und gleichzeitig das zu verdichtende Prozessgas (11) der Verdichteranordnung (10.1, 10.2) kühlt.
Die Absorptionskältemaschine (21–33) bildet dabei einen geschlossenen Kreislauf und besteht im Wesentlichen aus einem Austreiber (21), einem Kondensator (22), einem Verdampfer (23) und einem Absorber (24); zudem enthält die Kältemaschine (21–33) als Prozessmedien ein Kältemittel (25) sowie ein Lösungsmittel (26).
Das im Zwischenkühler (12) erwärmte Mittel zur Kühlung (13) bringt die Absorptionskältemaschine (21–33) derart in Gang, dass dem Austreiber (21) über die Wärmetauscherflächen (27) Wärmeenergie (Q21) durch das Mittel zur Kühlung (13) zugeführt wird und dadurch die Trennung von Kältemittel (25) und Lösungsmittel (26) für den weiteren Prozess der Absorptionskältemaschine (21–33) derart erfolgt, dass das Kältemittel (25) der Absorptionskältemaschine (21–33) und das dem Zwischenkühler (12) zugeordnete Mittel zur Kühlung (13) in unterschiedlichen Kreisläufen zirkuliert.
Des Weiteren nimmt das Kältemittel (25) in der Absorptionskältemaschine (21–33) über Wärmetauscherflächen (28) des Verdampfers (23) derart Wärmeenergie (Q23) durch das Mittel zur Kühlung (13) auf, dass das Kältemittel (25) für den weiteren Prozess der Absorptionskältemaschine (21–33) verdampft und sich gleichzeitig die Temperatur des dem Zwischenkühler (12) zugeordneten Mittels zur Kühlung (13) verringert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Wärmetauscherflächen (14) für die Verdichteranordnung (10.1, 10.2) der Zwischenkühlung (12) für das höhere Druck- und/oder Volumenstromniveau des Prozessgases (11) ausgelegt, demgegenüber sind die Wärmetauscherflächen (27–30) für die Absorptionskältemaschine (21–33) für das niedrigere Druck- und/oder Volumenstromniveau des dem Zwischenkühler (12) zugeordneten Mittels zur Kühlung (13) ausgelegt. Die im Kondensator (22) und im Absorber (24) der Absorptionskältemaschine ablaufenden Prozesse werden in einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes über Wärmetauscherflächen (29, 30) durch das Mittel zur Kühlung (13) in Gang gebracht.
Wesentlich für das erfindungsgemäße System zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen ist demnach, dass die Prozessgasaustrittstemperatur aus dem Zwischenkühler von der Eintrittstemperatur des Mittels zur Kühlung bestimmt wird. Eine Verringerung der Eintrittstemperatur des Mittels zur Kühlung und damit der Prozessgastemperatur führt zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrads der Verdichteranordnung. Die zur Kühlung notwendige Energie entstammt aus der Abwärme des Verdichtungsprozess, die sonst ungenutzt bliebe. Für den effizienten Betrieb einer Absorptionskältemaschine sind die Austrittstemperaturen des Verdichters ausreichend.
Bezugszeichenliste

10.1, 10.2: Verdichteranordnung
11: Prozessgas
12: Zwischenkühlung
13: Mittel zur Kühlung
14: Wärmetauscherflächen
21–33: Absorptionskältemaschine
21: Austreiber
22: Kondensator
23: Verdampfer
24: Absorber
25: Kältemittel
26: Lösungsmittel
27: Wärmetauscherflächen des Austreibers
28: Wärmetauscherflächen der Verdampfers
29: Wärmetauscherflächen des Kondensators
30: Wärmetauscherflächen des Absorbers
31: Regelventil für Kältemittel
32: Regelventil für Lösungsmittel
33: Pumpe für Lösungsmittel
Q21: Wärmeenergie für den Verdampfer
Q23: Wärmeenergie für den Austreiber

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 0597305 B2 [0003, 0004]
US 4342201 [0005]
DE 3224577 A [0006]
DE 10155508 A1 [0007]
GB 2307277 A [0007]
US 2004/0035117 A1 [0008]

Claims

System zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen (10.1, 10.2) zur Verdichtung eines Prozessgases (11), bestehend aus einer Zwischenkühlung (12) innerhalb der Verdichteranordnung (10.1, 10.2) und einer damit gekoppelten Absorptionskältemaschine (21–33), wobei die Zwischenkühlung (12) mindestens aus einem, zwischen zwei Verdichterstufen (10.1, 10.2) angeordneten, Zwischenkühler (12) besteht und diesem ein Mittel zur Kühlung (13) zugeordnet ist, das sich über Wärmetauscherflächen (14) des Zwischenkühlers (12) erwärmt und gleichzeitig das zu verdichtende Prozessgas (11) der Verdichteranordnung (10.1, 10.2) kühlt, wobei die Absorptionskältemaschine (21–33) einen geschlossener Kreislauf, bestehend im Wesentlichen aus einem Austreiber (21), Kondensator (22), Verdampfer (23) und Absorber (24), bildet, der ein Kältemittel (25) sowie Lösungsmittel (26) für deren Prozess enthält, wobei das im Zwischenkühler (12) erwärmte Mittel zur Kühlung (13) die Absorptionskältemaschine (21–33) derart in Gang bringt, dass dem Austreiber (21) über Wärmetauscherflächen (27) Wärmeenergie (Q21) durch das Mittel zur Kühlung (13) zugeführt wird und dadurch die Trennung von Kältemittel (25) und Lösungsmittel (26) für den weiteren Prozess der Absorptionskältemaschine (21–33) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (25) der Absorptionskältemaschine (21–33) und das dem Zwischenkühler (12) zugeordnete Mittel zur Kühlung (13) in unterschiedlichen Kreisläufen zirkuliert, und wobei das Kältemittel (25) in der Absorptionskältemaschine (21–33) über Wärmetauscherflächen (28) des Verdampfers (23) derart Wärmeenergie (Q23) durch das Mittel zur Kühlung (13) aufnimmt, dass das Kältemittel (25) für den weiteren Prozess der Absorptionskältemaschine (21–33) verdampft und sich gleichzeitig die Temperatur des dem Zwischenkühler (12) zugeordneten Mittels zur Kühlung (13) verringert.
System zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen (10.1, 10.2) zur Verdichtung eines Prozessgases (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen (14) für die Verdichteranordnung (10.1, 10.2) der Zwischenkühlung (12) für das höhere Druck- und/oder Volumenstromniveau des Prozessgases (11) ausgelegt sind und die Wärmetauscherflächen (27–30) für die Absorptionskältemaschine (21–33) für das niedrigere Druck- und/oder Volumenstromniveau des dem Zwischenkühler (12) zugeordneten Mittels zur Kühlung (13) ausgelegt sind.
System zur Wirkungsgradsteigerung von zwei- oder mehrstufigen Verdichteranordnungen (10.1, 10.2) zur Verdichtung eines Prozessgases (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kondensator (22) und im Absorber (24) der Absorptionskältemaschine ablaufenden Prozesse über Wärmetauscherflächen (29, 30) durch das Mittel zur Kühlung (13) in Gang gebracht werden.