DE112011100603T5 - Exhaust heat recovery system, energy supply system and exhaust heat recovery process - Google Patents
Exhaust heat recovery system, energy supply system and exhaust heat recovery process Download PDFInfo
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Abstract
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, den Wirkungsgrad der nutzbaren Energierückgewinnung im Vergleich mit einem Abgaswärmerückgewinnungsverfahren durch die Erzeugung von Wasserdampf zu erhöhen. Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Ausgestaltung mit einen Wärmeleitungspfad (1), der die Abgaswärme leitet, und einem Dampferzeuger (2) des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt bereit, der einen Dampf (R2) des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt mittels Wärmetausches zwischen der Abgaswärme, die durch den Wärmeleitungspfad (1) geleitet wird, und dem Wärmemedium (R1) mit hohem Siedepunkt, das einer höhere Verdampfungstemperatur als Wasser (R3) aufweist, erzeugt.The object of the present invention is to increase the efficiency of useful energy recovery as compared with an exhaust heat recovery process by the generation of water vapor. To achieve this object, the present invention provides an embodiment having a heat conduction path (1) that conducts the exhaust heat, and a high-boiling-point heat medium steam generator (2) that receives a high-boiling-point heat medium vapor (R2) through heat exchange between the exhaust heat passed through the heat conduction path (1) and the high boiling point heat medium (R1) having a higher evaporation temperature than water (R3).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgaswärmerückgewinnungssystem, ein Energieversorgungssystem und ein Abgaswärmerückgewinnungsverfahren.The present invention relates to an exhaust heat recovery system, a power supply system, and an exhaust heat recovery method.
Die Priorität der
Stand der TechnikState of the art
Wie hinsichtlich einer Vielzahl an Systemen, welche Kraft-Wärme-Kopplungssysteme, Energieerzeugungssysteme, wie z. B. Wärmekraftanlagen, als auch Dampferzeugungsvorrichtungen, wie z. B. Heizkessel, bekannt ist, wird die Energiewirkungsgrad der Vorrichtung verbessert, indem die Wärme des Verbrennungsabgases zurück gewonnen wird (Abgaswärmerückgewinnung). Das nachstehend erwähnte Patentdokument 1 offenbart ein Beispiel einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (Kraft-Wärme-Kopplungssystem), bei dem Abgaswärmerückgewinnungsheizkessel verwendet werden. Das nachstehend erwähnte Patentdokument 2 offenbart ein Beispiel eines Wärmerückgewinnungsheizkessels mit vertikaler natürlicher Zirkulation der Ausgestaltung mit mehrfachen Drücken. Das nachstehend erwähnte Patentdokument 3 offenbart ein Beispiel eines Kombikraftwerkes, das Wärmerückgewinnungsheizkessel kombiniert. Das nachstehend erwähnte Patentdokument 4 offenbart ein Beispiel eines Wärmerückgewinnungsheizkessels mit mehrfachen Drücken.As with a variety of systems, such as combined heat and power systems, power generation systems such. B. thermal power plants, as well as steam generating devices, such. As boilers, the energy efficiency of the device is improved by the heat of the combustion exhaust gas is recovered (exhaust heat recovery). The below-mentioned Patent Document 1 discloses an example of a combined heat and power (CHP) apparatus using exhaust heat recovery boilers. The below-mentioned
Kraft-Wärme-Kopplungs-Systeme sind als Energieerzeugungssysteme bekannt, die thermische Energie gewinnen, welche für das Heizen/Kühlen, die Warmwasserversorgung und dergleichen verwendet wird, indem die Abgaswärme verwendet wird, die bei der Energieerzeugung erzeugt wird. Bei solchen Kraft-Wärme-Kopplungssystemen wird die Wärmerückgewinnung gewöhnlich durchgeführt, indem Wasserdampf mittels der Wärmerückgewinnungsheizkessel, wie sie in dem Patentdokument 1 beschrieben sind, erzeugt wird.Combined heat and power systems are known as power generation systems that derive thermal energy used for heating / cooling, hot water supply, and the like by utilizing the exhaust heat generated in power generation. In such combined heat and power systems, the heat recovery is usually performed by generating water vapor by means of the heat recovery boilers as described in Patent Document 1.
Weiterhin offenbart das Patentdokument 5 eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung, welche Abwärme (Abgaswärme) von einer Wärmequelle mit vergleichsweise geringer Temperatur im Bereich von 200°C zurückgewinnt, indem ein erstes Arbeitsmedium und ein zweites Arbeitsmedium mit unterschiedlichen Siedepunkten verwendet werden. Diese Wärmerückgewinnungsvorrichtung verwendet Wasser als das erste Arbeitsmedium und Freon oder einen Freonersatzstoff mit einem niedrigeren Siedepunkt als Wasser, insbesondere Fluorchlorkohlenwasserstoff, teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoff, teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoff, Ammoniak, Ammoniakwasser oder dergleichen als das zweite Arbeitsmedium, wodurch die Wirkungsgrad der Energieerzeugung erhöht wird, indem größere Mengen an Wärme von einer Wärmequelle mit vergleichsweise niedriger Temperatur zurückgewonnen werden.Further,
Liste der EntgegenhaltungenList of citations
PatentdokumentePatent documents
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Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift, erste Publikationsnummer
JP 2003-021302 JP 2000-346303 JP 2003-021302 JP 2000-346303 -
Patentdokument 3: Japanische Offenlegungsschrift, erste Publikationsnummer
JP 2002-021583 JP 2002-021583 -
Patentdokument 4: Japanische Patentschrift, Publikationsnummer
JP 2753169 JP 2753169 -
Patentdokument 5: Japanische Offenlegungsschrift, erste Publikationsnummer
JP 2008-267341 JP 2008-267341
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Technisches ProblemTechnical problem
Hinsichtlich des vorgehend erwähnten herkömmlichen Abgaswärmerückgewinnungsverfahrens mit der Erzeugung von Wasserdampf aus Wasser ist der Wirkungsgrad der Wiedergewinnung der verfügbaren Energie, die aus der Energie gewonnen werden kann, die in dem Abgas (Abgaswärme) steckt, nicht notwendigerweise ausreichend und weitere Verbesserungen in dem Wirkungsgrad der Energierückgewinnung werden erwartet. Insbesondere hinsichtlich der Wärmerückgewinnung von Abgaswärme hoher Temperatur, welche die Wassersiedetemperatur weit überschreitet, z. B. Abgas von 300°C bestehen Grenzen für die Verdampfungstemperatur während der Wasserverdampfung. Demzufolge ist die gegenwärtige Situation so, dass der zur Verfügung stehende Wirkungsgrad der Energierückgewinnung herkömmlicher Abgaswärmerückgewinnungsverfahren unzureichend ist, was den Verlust einer großen Menge an zur Verfügung stehender Energie herbeiführt. Die vorstehend erwähnte zur Verfügung stehende Energie ist ein thermodynamisches Konzept, das auch „Exergie” genannt wird und gewöhnlich als die Energie bekannt ist, welche aus einem System als mechanische Arbeit gewonnen wird. Die zur Verfügung stehende Energie in der vorliegenden Erfindung bedeutet Energie (ein Betrag an Arbeit), die als mechanische Arbeit (dynamische Kraft der Elektrizität oder dergleichen) aus der gesamten Energie, welche das Abgas aufweist, zurückgewonnen werden kann.With regard to the aforementioned conventional exhaust heat recovery method with the generation of water vapor from water, the efficiency of recovering the available energy that can be obtained from the energy contained in the exhaust gas (exhaust heat) is not necessarily sufficient and further improvements in the energy recovery efficiency are expected. In particular, with regard to the heat recovery of exhaust gas heat high temperature, which far exceeds the water boiling temperature, z. B. Exhaust gas of 300 ° C are limits for the evaporation temperature during the evaporation of water. As a result, the current situation is such that the available efficiency of energy recovery of conventional exhaust heat recovery processes is insufficient, causing the loss of a large amount of available energy. The above-mentioned available energy is a thermodynamic concept, also called "exergy", commonly known as the energy extracted from a system as a mechanical work. The available energy in the present Invention means energy (an amount of work) that can be recovered as mechanical work (dynamic force of electricity or the like) from the total energy having the exhaust gas.
Weiterhin ist das herkömmliche Abgaswärmerückgewinnungsverfahren, das Wasser (als erstes Arbeitsmedium) und eine zweite Arbeitsflüssigkeit mit einem niedrigerem Siedepunkt als Wasser verwendet, für eine Wärmerückgewinnung aus einer Wärmequelle mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur im Bereich von 200°C vorgesehen. Da die Temperatur des Dampfes, der durch Verdampfung der zweiten Arbeitsflüssigkeit erhalten wird, geringer als die Temperatur des Dampfes ist, der durch die Verdampfung der ersten Arbeitsflüssigkeit erhalten wird, ist die Rückgewinnung der zur Verfügung stehenden Energie aus Abgaswärme mit einer vergleichsweise hohen Temperatur nahezu unmöglich.Further, the conventional exhaust heat recovery method using water (as a first working medium) and a second working liquid having a lower boiling point than water is provided for heat recovery from a heat source having a comparatively low temperature in the range of 200 ° C. Since the temperature of the vapor obtained by evaporation of the second working liquid is lower than the temperature of the vapor obtained by the evaporation of the first working liquid, the recovery of the available energy from exhaust heat with a comparatively high temperature is almost impossible ,
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad der Rückgewinnung der zur Verfügung stehenden Energie über ein Abgaswärmerückgewinnungsverfahren, welches die zur Verfügung stehende Energie mittels Verdampfung von Wasser gewinnt, und ein Abgaswärmerückgewinnungsverfahren zu verbessern, welches die zur Verfügung stehende Energie mittels Verdampfung von Wasser und einer Flüssigkeit mit einem niedrigeren Siedepunkt als Wasser erhält.The object of the present invention is to improve the efficiency of recovery of the available energy via an exhaust heat recovery process, which gains the available energy by evaporation of water, and an exhaust heat recovery process, the available energy by means of evaporation of water and a liquid with a lower boiling point than water.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Energieversorgungssystem mit einem höheren Wirkungsgrad, einer höheren Energiesparrate und einer höheren CO2-Einsparrate als der Stand der Technik bereit zu stellen.Another object of the present invention is to provide a power system having a higher efficiency, a higher power saving rate, and a higher CO 2 savings than the prior art.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Um die vorstehenden Aufgaben zu lösen und als ein Mittel zur Lösung betreffend eines Abgaswärmerückgewinnungssystems, stellt die vorliegende Erfindung bereit: einen Wärmeleitungspfad, welcher Abgaswärme leitet, und einen Dampferzeuger eines Wärmemediums mit hohen Siedepunkt, welcher einen Dampf des Wärmemediums mit hohen Siedepunkt mittels eines Wärmetausches zwischen dem Wärmemedium mit hohen Siedepunkt, das eine höhere Verdampfungstemperatur als Wasser aufweist, und der Abgaswärme erzeugt, die durch den Wärmeleitungspfad geleitet wird.In order to achieve the above objects and as a means for solving an exhaust heat recovery system, the present invention provides: a heat conduction path which conducts exhaust heat, and a high-boiling-point heat medium steam generator which generates a high-boiling-point heat medium vapor by means of a heat exchange the high-boiling-point heat medium having a higher evaporation temperature than water and the exhaust gas heat passed through the heat conduction path.
Vorteilhafte Wirkungen der ErfindungAdvantageous Effects of the Invention
Nach der vorliegenden Erfindung wird, anstelle der Erzeugung von Wasserdampf durch die Verdampfung von Wasser oder zusätzlich zu der Erzeugung von Wasserdampf durch die Verdampfung von Wasser, ein Dampf eines Wärmemediums mit hohen Siedepunkt erzeugt, indem die Verdampfung eines Wärmemediums mit hohen Siedepunk, das eine höhere Verdampfungstemperatur als Wasser (das heißt einen niedrigeren Dampfdruck als Wasser) aufweist. Dies hat zur Folge, dass es möglich ist, den Wirkungsgrad der Rückgewinnung der zur Verfügung stehenden Energie über den der herkömmlichen Abgaswärmerückgewinnungsverfahren zu verbessern, welche Wasserdampf mittels Verdampfung von Wasser erzeugen.According to the present invention, instead of generating water vapor by the evaporation of water or in addition to the generation of water vapor by the evaporation of water, a vapor of a high-boiling-point heat medium is generated by evaporating a high boiling point heat medium having a higher boiling point Evaporation temperature than water (that is, a lower vapor pressure than water) has. As a result, it is possible to improve the efficiency of recovery of the available energy over that of the conventional exhaust heat recovery methods which generate water vapor by evaporation of water.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:Brief description of the drawings:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment
Zuerst wird ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die
Wie in der
Unter diesen entsprechenden Komponenten bilden das Abgasrohr
Unter den vorhergehenden Komponenten bilden die Versorgungspumpe
Bei dieser Art des Energieversorgungssystems P1 ist das Abgasrohr
Der Dampferzeuger
Hier ist das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt eine Flüssigkeit, welche eine höhere Verdampfungstemperatur als das Wasser R3 (d. h. diese hat einen niedrigeren Verdampfungsdruck als das Wasser R3) aufweist und welche eine chemisch stabile Verbindung im Wärmetausch mit dem Abgas G hoher Temperatur ist. Als Beispiele kann man Ethylenglykol (Summenformel: C2H6O2), Diethylenglykol (Summenformel: C2H10O3), Propylenglykol (Summenformel: C3H8O2), Triethylenglykol (Summenformel: C6H14O4), Propylenkarbonat (Summenformel: C4H5O3), Propylenethylenglykol (Summenformel: C3H8O2), Formanid (Summenformel: CH3NO) und so weiter nennen.Here, the high boiling point heat medium R1 is a liquid having a higher evaporation temperature than the water R3 (ie, having a lower evaporation pressure than the water R3) and which is a chemically stable compound in heat exchange with the exhaust gas G of high temperature. As examples, ethylene glycol (empirical formula: C 2 H 6 O 2 ), diethylene glycol (empirical formula: C 2 H 10 O 3 ), propylene glycol (empirical formula: C 3 H 8 O 2 ), triethylene glycol (empirical formula: C 6 H 14 O 4 ), Propylene carbonate (empirical formula: C 4 H 5 O 3 ), propylene-ethylene glycol (empirical formula: C 3 H 8 O 2 ), formanide (empirical formula: CH 3 NO) and so on.
Wie in der
Wie in der
Wie in der
Wie in der
Die Versorgungspumpe
Der Dampfverdichter
Der Flüssigkeitssammlungstank
Der Wasserdampfverdichter
Als nächstes wird der Betrieb des Energieversorgungssystems P1 des ersten Ausführungsbeispiels im Detail unter Bezug auf das charakteristische Diagramm der
Bei dem Energieversorgungssystem
Sich auf den Dampferzeuger
Da, wie in der
Wenn der Wärmetausch des Wassers R3 und des Wasserdampfes R4 mit dem Abgas G hoher Temperatur betrachtet wird, d. h. der Wärmetausch in dem Wasservorheizer
Der Bereich der ausgetauschten Wärmebetragspunkte A1 bis A2 in der gestrichelten Linie Ls entspricht dem Temperaturanstieg (dem Druckanstieg), welcher durch den Wasservorheizer
Der Wasserdampf R4, der von dem Wasserdampferzeuger
Wenn andererseits der Wärmetausch des Wärmemediums R1 mit hohem Siedepunkt und des Dampfes R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt mit dem Abgas G hoher Temperatur, das heißt, der Wärmetausch in dem Vorheizer
Der Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt, der von dem Dampferzeuger
Hier wird das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt, das dem Vorheizer
In dem Bereich der ausgetauschten Wärmebetragspunkte D bis B1 in der gestrichelten Linie Lk, wirkt die Wärme von dem Wärmetausch anfangs auf den Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt als Eigenwärme, mit dem Ergebnis, dass die Temperatur des Dampfes R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt schrittweise absinkt, wonach die Wärme auf den Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt als Umwandlungswärme wirkt, mit dem Ergebnis, dass der Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt in einer konstanten Quantität verdichtet wird, während die Temperatur auf einen konstanten Wert gehalten wird. Diese Veränderung in den Bedingungen des Dampfes R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt betrifft den Fall, bei dem das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt Ethylenglykol (Summenformel: C2H6O2) ist und verändert sich nach der Art des Wärmemediums R1 mit hohem Siedepunkt.In the region of the exchanged heat transfer points D to B1 in the broken line Lk, the heat from the heat exchange initially acts on the vapor R2 of the high-boiling-point heat medium as self-heat, with the result that the temperature of the high-boiling-point heat medium vapor R2 gradually increases decreases, after which the heat acts on the vapor R2 of the high-boiling-point heat medium as the heat of conversion, with the result that the vapor R2 of the high-boiling-point heat medium is condensed in a constant quantity while keeping the temperature at a constant value. This change in the conditions of the steam R2 of the high-boiling-point heat medium relates to the case where the high-boiling-point heat medium R1 is ethylene glycol (empirical formula: C 2 H 6 O 2 ) and changes in the manner of the high-boiling-point heat medium R1.
Bei der Abgaswärmerückgewinnungseinheit K1 des Energieversorgungssystems P1 wird insbesondere das Wasser R3 einer Bedingung Ys, welche dem ausgetauschten Wärmebetragspunkt A1 entspricht, der Wasserdampf R2 einer Bedingung Xs, der auf eine Temperatur, die dem ausgetauschten Wärmebetragspunkt C3 in der gestrichelten Linie Lk entspricht, mittels Wärmetausch mit dem Abgas G hoher Temperatur von einer im Vergleich niedriger Temperatur in dem Wasservorheizer
In der Abgaswärmerückgewinnungseinheit K1 wird insbesondere das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt einer Bedingung Yk, welche dem ausgetauschten Wärmebetragspunkt D entspricht, der Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt einer Bedingung Xk, welcher auf eine Temperatur, die dem ausgetauschten Wärmebetragspunkt C2 in der gestrichelten Linie Lk entspricht, mittels Wärmetausch mit dem Abgas G hoher Temperatur von im Vergleich hoher Temperatur in dem Vorheizer
Nach der Abgaswärmerückgewinnungseinheit K1 wird zusätzlich zu der Wärmerückgewinnung durch das Verdampfen des Wassers R3 mittels des Wärmetausches mit dem Abgas G hoher Temperatur, um es in Wasserdampf R4 umzuwandeln, auch eine Wärmerückgewinnung durchgeführt, indem das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt, das eine höhere Verdampfungstemperatur als das Wasser R3 (das heißt einen niedrigeren Verdampfungsdruck als das Wasser R3) aufweist, mittels Wärmetausch mit dem Abgas G hoher Temperatur eine Verdampfung durchführt, um es in den Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt umzuwandeln, wodurch eine Verbesserung in dem Wirkungsgrad der Rückgewinnung der zur Verfügung stehenden Energie im Vergleich zu den herkömmlichen Abgaswärmerückgewinnungsverfahren ermöglicht wird.After the exhaust heat recovery unit K1, in addition to the heat recovery by the evaporation of the water R3 by the heat exchange with the high-temperature exhaust gas G to convert it into steam R4, heat recovery is also performed by using the high boiling point heat medium R1 having a higher evaporation temperature than the water R3 (that is, a lower evaporation pressure than the water R3) evaporates by means of heat exchange with the high-temperature exhaust gas G to convert it to the vapor R2 of the high-boiling-point heat medium, thereby improving the recovery efficiency of the heat medium available energy compared to the conventional exhaust heat recovery method is made possible.
Insbesondere ist es möglich, einen Rankine-Prozess, welcher eine dynamische Kraft aus der Enthalpiedifferenz der Bedingung Xk (Gasphase) und der Bedingung VL (Gasphase oder gemischte Gasflüssigphase) gewinnt, indem das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt verwendet wird. Hinsichtlich eines Wärmemediums mit niedrigem Siedepunkt (herkömmliches Freon oder Freonersatz) mit einem niedrigeren Siedepunkt als das Wasser R3 ist die Gewinnung einer dynamischen Kraft durch einen Rankine-Prozess nicht möglich, da die Zone hoher Temperatur den kritischen Punkt überschreitet. Das heißt, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinheit K1 entsprechend der Verwendung eines Wärmemediums G mit hohem Siedepunkt eine effiziente Rückgewinnung der zur Verfügung stehenden Energie in der Zone hoher Temperatur ermöglicht, was mit einem Wärmemedium mit niedrigem Siedepunkt nicht möglich ist.In particular, it is possible to obtain a Rankine process which obtains a dynamic force from the enthalpy difference of the condition Xk (gas phase) and the condition VL (gas phase or mixed gas liquid phase) by using the heat medium R1 having a high boiling point. With respect to a low-boiling-point heat medium (conventional freon or freon substitute) having a lower boiling point than the water R3, the generation of a dynamic force by a Rankine process is not possible because the high-temperature zone exceeds the critical point. That is, the exhaust heat recovery unit K1 corresponding to the use of a high boiling point heat medium G enables efficient recovery of the available energy in the high temperature zone, which is not possible with a low boiling point heat medium.
Da außerdem nach der Abgaswärmerückgewinnungseinheit K1 der Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt mittels des Überhitzers
Zweites AusführungsbeispielSecond embodiment
Als nächstes wird ein zweites Aüsführungsbeispiel unter Bezug auf die
In der
Das Energieversorgungssystem P2 des zweiten Ausführungsbeispieles weist eine Abgaswärmerückgewinnungseinheit K2 und eine Stromerzeugungs-/Dampfausgabeeinheit W2 auf. Wie in der
Bei dem Energieversorgungssystem P2, wie es in der
Die Wärmetauschbedingungen der entsprechenden Wärmemedien (das heißt, des Abgases G hoher Temperatur, des Wärmemediums R1 mit hohem Siedepunkt, des Dampfes R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt, des Wassers R3 und des Wasserdampfes R4) in dem Wärmetauschbereich der Abgaswärmerückgewinnungseinheit K2 werden in der
Andererseits wird das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt einer Bedingung Yk1, welche einem ausgetauschten Wärmebetragspunkt B1 entspricht, der Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt einer Bedingung, welche einem ausgetauschten Wärmebetragspunkt C1 einer gestrichelten Linie Lk1 entspricht, mittels Wärmetausch mit dem Abgas G hoher Temperatur bei einer relativ hohen Temperatur in dem Vorheizer
Insbesondere das Energieversorgungssystem P2 ist ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem, welches elektrische Energie nach außen führt und welches auch thermische Energie mittels Wasserdampf nach außen führt. Nach der Abgaswärmerückgewinnungseinheit K2 des Energieversorgungssystems P2 wird, wie bei der Abgaswärmerückgewinnungseinheit K1 des ersten Ausführungsbeispiels, zusätzlich zu der Abgaswärmerückgewinnung, welche den Wasserdampf R4 aus dem Wasser R3 mittels Wärmetausch mit dem Abgas G hoher Temperatur erzeugt, zusätzlich auch eine Abgaswärmerückgewinnung durchgeführt, welche den Dampf R2 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt aus dem Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt, das eine höhere Verdampfungstemperatur als das Wasser R3 (das heißt einen niedrigen Verdampfungsdruck als das Wasser R3) aufweist, mittels Wärmetausch mit dem Abgas G hoher Temperatur erzeugt, wodurch eine Verbesserung in dem Wirkungsgrad der Rückgewinnung der zur Verfügung stehenden Energie im Vergleich zu den herkömmlichen Wärmerückgewinnungsverfahren ermöglicht wird.In particular, the energy supply system P2 is a combined heat and power system, which conducts electrical energy to the outside and which also thermal energy by means of water vapor leads to the outside. After the exhaust heat recovery unit K2 of the power supply system P2, as in the exhaust heat recovery unit K1 of the first embodiment, in addition to the exhaust heat recovery, which generates the water vapor R4 from the water R3 by means of heat exchange with the exhaust gas G high temperature, also an exhaust heat recovery is performed, which the steam R2 of the high-boiling-point heat medium of the high boiling point heating medium R1 having a higher evaporation temperature than the water R3 (that is, a low evaporation pressure than the water R3) is heat-exchanged with the high-temperature exhaust gas G, thereby improving the present invention Efficiency of the recovery of the available energy compared to the conventional heat recovery method is made possible.
Wenn hier die Gesamtwirkungsgrad für den Fall berechnet wird, bei dem Ethylenglykol (Summenformel: C2H6O2) als das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt verwendet wird, und für den Fall, bei dem Diethylenglykol (Summenformel: C2H10O3) als das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt verwendet wird, beträgt dieser 81,26% (= 30,56% (Stromerzeugungswirkungsgrad) + 50,70% (Wirkungsgrad der Abwärmerückgewinnung)) für den Fall des Ethylenglykols und 80,66% (= 33,15% (Stromerzeugungswirkungsgrad) + 47,56% (Wirkungsgrad der Abwärmerückgewinnung)) für den Fall des Diethylenglykols.Here, when the overall efficiency is calculated for the case where ethylene glycol (molecular formula: C 2 H 6 O 2 ) is used as the high-boiling-point heating medium R1, and for the case where diethylene glycol (empirical formula: C 2 H 10 O 3 ) is used as the high boiling point heat medium R1, it is 81.26% (= 30.56% (power generation efficiency) + 50.70% (waste heat recovery efficiency)) in the case of ethylene glycol and 80.66% (= 33 , 15% (power generation efficiency) + 47.56% (waste heat recovery efficiency)) in the case of diethylene glycol.
Wenn Ethylenglykol verwendet wird, ist insbesondere der Gesamtwirkungsgrad geringfügig höher als wenn Diethylenglykol verwendet wird, aber der Stromerzeugungswirkungsgrad ist höher wenn Diethylenglykol verwendet wird als wenn Ethylenglykol verwendet wird. Der Unterschied in dem Stromerzeugungswirkungsgrad ergibt sich aus dem Gasflüssigkeitsdruckunterschied der beiden Wärmemedien. In dem Fall, wo bei gleichen Temperaturbedingungen der Gasdruck der beiden Wärmemedien z. B. 1,5 MPa beträgt, beträgt der Flüssigkeitsdruck von Ethylenglykol 0,109 MPa, während der Flüssigkeitsdruck von Diethylenglykol 0,027 MPa beträgt. Weil Diethylenglykol einen geringeren Flüssigkeitsdruck als Ethylenglykol aufweist, hat Diethylenglykol einen höheren Gasflüssigkeitsdruckunterschied als Ethylenglykol. Dieser Unterschied in dem Gasflüssigkeitsdruckunterschied ist der Grund für den Stromerzeugungswirkungsgrad.In particular, when ethylene glycol is used, the overall efficiency is slightly higher than when diethylene glycol is used, but the power generation efficiency is higher when diethylene glycol is used than when ethylene glycol is used. The difference in the power generation efficiency results from the gas-liquid pressure difference of the two heat media. In the case where at the same temperature conditions, the gas pressure of the two heat media z. B. is 1.5 MPa, the liquid pressure of ethylene glycol is 0.109 MPa, while the liquid pressure of diethylene glycol is 0.027 MPa. Because diethylene glycol has a lower liquid pressure than ethylene glycol, diethylene glycol has a higher gas liquid pressure differential than ethylene glycol. This difference in the gas-liquid pressure difference is the cause of the power generation efficiency.
Weiterhin zeigt die
Das Energieversorgungssystem P2 ist ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem, welches elektrische Energie nach außen führt und welches auch thermische Energie mittels Wasserdampf nach außen führt. Das Energieversorgungssystem P2 unterscheidet sich von einer Energieversorgungsvorrichtung, welche die zur Verfügung stehende Energie, die von der Abgaswärmerückgewinnung aus dem Abgas erhalten wurde, nur in elektrische Energie wandelt, um diese nach außen zu führen, wie bei dem Energieversorgungssystem P1 des ersten Ausführungsbeispiels, oder von einer Energieversorgungsvorrichtung, welche die zur Verfügung stehende Energie, nur in thermische Energie wandelt, um diese nach außen zu führen, wie bei herkömmlichen Heizkesseln. Bei diesen Energieversorgungsvorrichtungen wird die zur Verfügung stehende Energie in eine einzelne Art von Energie, wie zum Beispiel elektrische Energie oder thermische Energie, umgewandelt und es ist nicht möglich, hohe Energiesparraten and CO2-Verringerungsraten wie bei dem Energieversorgungssystem P2 zu erreichen.The energy supply system P2 is a combined heat and power system, which leads electrical energy to the outside and which also leads thermal energy by means of water vapor to the outside. The power supply system P <b> 2 differs from a power supply device which converts only the available energy obtained from the exhaust gas heat recovery from the exhaust gas into electric energy to be discharged outside, as in the power supply system P <b> 1 of the first embodiment a power supply device, which converts the available energy, only into thermal energy, to lead them to the outside, as in conventional boilers. In these power supply devices, the available energy is converted into a single type of energy, such as electrical energy or thermal energy, and it is not possible to achieve high energy saving rates and CO 2 reduction rates as in the power supply system P2.
Drittes AusführungsbeispielThird embodiment
Als nächstes wird ein drittes Ausführungsbeispiel unter Bezug auf die
Wie in der
Insbesondere weist eine Abgaswärmerückgewinnungseinheit K3 in dem Energieversorgungssystem P3 das Abgasrohr
Der Entspannungsbehälter
Die Druckbeaufschlagungspumpe
Anstelle des Wasserdampferzeugers
Da der Druck des Wassers, welches von der externen Wärmelast gesammelt wird, niedriger als der Druck des gesättigten Wassers R5 ist, welches von dem Entspannungsbehälter
Aufgrund des Wärmetausches zwischen dem Wasser R3 und dem Abgas G hoher Temperatur in dem Bereich, der sich von den ausgetauschten Wärmebetragspunkten Aa bis B1 erstreckt, ist es möglich einen größeren Betrag der zur Verfügung stehenden Energie aus dem Abgas G hoher Temperatur zu erhalten, wie aus einem Vergleich mit der
Der vorliegende Erfindung ist nicht auf. die entsprechenden vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt und es sind z. B. folgende Veränderungen denkbar.
- (1) Bei den entsprechenden vorstehenden Ausführungsbeispiele wird die Wärme aus der Abgaswärme des Abgases G hoher Temperatur gewonnen, indem zwei Arten von Flüssigkeiten mit verschiedenen Dampfdrücken verwendet werden, d. h. zusätzlich zu dem Wasser R3 wird das Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt, welches einen niedrigeren Dampfdruck als Wasser aufweist, verwendet. Wahlweise ist es auch denkbar, die Wärmerückgewinnung aus der Abgaswärme des Abgases G hoher Temperatur mit nur dem Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt, oder drei oder mehr Arten von Flüssigkeiten mit verschiedenen Dampfdrücken durchzuführen.
- (1) In the respective foregoing embodiments, the heat is recovered from the exhaust gas heat of the exhaust gas G of high temperature by using two kinds of liquids having different vapor pressures, ie, in addition to the water R3, the high boiling point heat medium R1 becomes a lower vapor pressure as water. Alternatively, it is also conceivable to perform the heat recovery from the exhaust heat of the exhaust gas G of high temperature with only the heat medium R1 having a high boiling point, or three or more kinds of liquids having different vapor pressures.
Für z. B. den Fall, bei dem die Wärmerückgewinnung aus der Abgaswärme des Abgases G hoher Temperatur nur mit dem Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt durchgeführt wird, ist ein Wärmetausch mit einem geringeren Temperaturunterschied als bei der Verwendung von Wasser, obwohl es von der Temperatur des Abgases G hoher Temperatur abhängt, möglich, wodurch eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Rückgewinnung der zur Verfügung stehenden Energie im Vergleich mit dem herkömmlichen Fall, bei dem nur das Wasser R3 verwendet wird, ermöglicht wird. Zusätzlich zu dem Wärmemedium R1 mit hohem Siedepunkt und dem Wasser R3 ist es auch denkbar, die Wärmerückgewinnung aus der Abgaswärme des Abgases G hoher Temperatur mit der zusätzlichen Kombination eines Wärmemediums mit niedrigem Siedepunkt, das einen niedrigeren Siedepunkt als das Wasser R3 aufweist, durchzuführen.
- (2) Bei dem ersten und bei dem zweiten Ausführungsbeispiel werden der Vorheizer
4 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt und der Wasservorheizer5 als Bauteile verwendet, aber es ist auch denkbar,den Vorheizer 4 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt undden Wasservorheizer 5 als notwendig auszulassen, obwohl der Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung sinken wird. - (3) Jedes der entsprechenden vorstehenden Ausführungsbeispiele bezieht sich auf einen Fall, bei dem die Wärme aus der Abgaswärme des Abgases G hoher Temperatur zurückgewonnen wird, aber die Wärmequelle (Abgaswärme), die das Ziel der Wärmerückgewinnung ist, ist nicht auf ein Abgas G hoher Temperatur beschränkt. Zum Beispiel kann es auch eine Flüssigkeit oder ein Feststoff mit einer Temperatur sein, die 300°C übersteigt.
- (4) Jedes der entsprechenden vorstehenden Ausführungsbeispiele verwendet
den Dampfturbinenstromerzeuger 10 des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt undden Wasserdampfturbinenstromerzeuger 13 als Bauteile, um Strom zu erzeugen, welcher eine Art einer dynamischen Kraft ist. Wahlweise können verschiedene Moden einer dynamischen Kraft mittels Verbindung mit Kompressoren, Windturbinen, Pumpen, Propellern gewonnen und dergleichen als Antriebsvorrichtung gewonnen werden. - (5) Das dritte Ausführungsbeispiel ersetzt
den Wasserdampferzeuger 3 des zweiten Ausführungsbeispiels durchden Entspannungsbehälter 17 , aber es ist auch denkbarden Wasserdampferzeuger 3 des ersten Ausführungsbeispiels durchden Entspannungsbehälter 17 zu ersetzen. - (6) Bei dem dritten Ausführungsbeispiel
ist ein Entspannungsbehälter 17 vorgesehen, aber es ist auch möglich, eine Anzahl anEntspannungsbehältern 17 in einer Abstimmung vorzusehen, und das Wasser R3, welchesvon dem Wasservorheizer 5 ausgegeben wird, in Wasserdampf mittels der Anzahl der abgestimmten Entspannungsbehältern17 umzuwandeln.
- (2) In the first and second embodiments, the preheater becomes
4 the high boiling point heat medium and thewater pre-heater 5 used as components, but it is also possible to use thepreheater 4 the high boiling point heat medium and thewater pre-heater 5 as necessary to omit, although the efficiency of heat recovery will decrease. - (3) Each of the respective foregoing embodiments refers to a case where the heat is recovered from the exhaust heat of the high temperature exhaust gas G, but the heat source (exhaust heat) that is the target of the heat recovery is not high on exhaust gas G. Temperature limited. For example, it may also be a liquid or solid having a temperature exceeding 300 ° C.
- (4) Each of the respective foregoing embodiments uses the steam
turbine power generator 10 the high boiling point heat medium and the steamturbine power generator 13 as components to generate electricity, which is a kind of dynamic force. Optionally, various modes of dynamic power may be obtained by connection to compressors, wind turbines, pumps, propellers, and the like as a drive device. - (5) The third embodiment replaces the
steam generator 3 of the second embodiment by theexpansion tank 17 but it is also conceivable thesteam generator 3 of the first embodiment by theexpansion tank 17 to replace. - (6) In the third embodiment, there is a
flash tank 17 provided, but it is also possible a number ofrelaxation tanks 17 to provide in a vote, and the water R3, which from thewater pre-heater 5 in water vapor by means of the number oftuned expansion tanks 17 convert.
Gewerbliche AnwendbarkeitIndustrial Applicability
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Abgaswärmerückgewinnungssystem und ein Abgaswärmerückgewinnungsverfahren mit einem höheren Wirkungsgrad als bei einem Abgaswärmerückgewinnungsverfahren, bei dem die zur Verfügung stehende Energie durch Verdampfen von Wasser gewonnen wird, oder als bei einem Abgaswärmerückgewinnungsverfahren, bei dem die zur Verfügung stehende Energie durch Verdampfen von Wasser und einer Flüssigkeit mit einem niedrigeren Siedepunk als Wasser gewonnen wird, bereit zu stellen.According to the present invention, it is possible to provide an exhaust heat recovery system and an exhaust heat recovery method with a higher efficiency than in an exhaust heat recovery method in which the available energy is obtained by evaporating water or in an exhaust heat recovery method in which the available energy Evaporation of water and a liquid with a lower boiling point than water is obtained to provide.
Weiterhin ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich ein Energieversorgungssystem mit einem höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Systeme aufgrund des vorstehend beschriebenen höheren Wirkungsgrades der Rückgewinnung der zur Verfügung stehenden Energie bereit zu stellen.Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a power supply system with higher efficiency than conventional systems due to the above-described higher efficiency of recovery of the available energy.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Abgasrohr (Wärmeleitungspfad)Exhaust pipe (heat conduction path)
- 22
- Dampferzeuger des Wärmemediums mit hohem SiedepunktSteam generator of the heat medium with high boiling point
- 33
- WasserdampferzeugerSteam generator
- 44
- Vorheizer des Wärmemediums mit hohem SiedepunktPreheater of the high boiling point heat medium
- 55
- Wasservorheizerwater preheater
- 66
- Überhitzer des Dampfes des Wärmemediums mit hohem SiedepunktSuperheater of the steam of the high boiling point heat medium
- 77
- WasserdampfüberhitzerSteam superheater
- 88th
- Versorgungspumpe des Wärmemediums mit hohem SiedepunktSupply pump of the heat medium with high boiling point
- 99
- WasserzuführungspumpeWater supply pump
- 1010
- Dampfturbinenstromerzeuger des Wärmemediums mit hohem SiedepunktSteam turbine power generator of the high boiling point heat medium
- 1111
- Dampfverdichter des Wärmemediums mit hohem Siedepunkt (Wärmetauscher)Steam compressor of the high-boiling-point heat medium (heat exchanger)
- 1212
- FlüssigkeitssammlungstankLiquid collection tank
- 1313
- WasserdampfturbinenstromerzeugerSteam turbines power generators
- 1414
- WasserdampfverdichterWater vapor compressor
- 1515
- WassersammlungstankWater collection tank
- 1616
- KühlwasserzuführungsvorrichtungCooling water supply device
- 1717
- Entspannungsbehälterexpansion tank
- 1818
- Druckbeaufschlagungspumpepressurizing
- GG
- Abgas hoher TemperaturExhaust gas of high temperature
- R1R1
- Wärmemedium mit hohem SiedepunktHeat medium with high boiling point
- R2R2
- Dampf des Wärmemediums mit hohem SiedepunktSteam of the high boiling point heat medium
- R3R3
- Wasserwater
- R4R4
- WasserdampfSteam
- P1 bis P3P1 to P3
- EnergieversorgungssystemPower system
- K1 bis K3K1 to K3
- Abgaswärmerückgewinnungseinheit (Abgaswärmerückgewinnungssystem)Exhaust heat recovery unit (exhaust heat recovery system)
- W1W1
- Stromerzeugungseinheitpower generation unit
- W2, W3W2, W3
- Stromerzeugungs-/DampfausgabeeinheitPower generation / steam output unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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