DE2215868A1

DE2215868A1 - Verfahren zum Betreiben einer vor zugsweise nach dem Clausius Rankine Pro zeß betriebenen Kraft Erzeuger Anlage

Info

Publication number: DE2215868A1
Application number: DE19722215868
Authority: DE
Inventors: D T Morgan
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1971-04-01
Filing date: 1972-03-30
Publication date: 1972-10-26
Also published as: IT969314B; SE375582B; JPS5128271B1; FR2136120A1; CA945383A; GB1328932A

Description

Patentanwälte Olpl.-lnrj. Γ3. r- . >~ τ Z sen.

Dipi-inr. ι--. ;.-\.;j..:^HT

Dr.-Ing. Ii. L.. L. «' Z Jr.
β München 22, Steinsdorfstr. ΊΟ

65-18.561P 30. 3. 1972

Thermo Electron Corporation, Waltham (Mass.)

V. St. A.

Verfahren zum Betreiben einer vorzugsweise
nach dem Clausius-Rankine-Prozeß betriebenen
Kraft-Erzeuger-AnIage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraft-Erzeuger-Anlage.

Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer derartigen Anlage zu vergrößern und den auf Korrosion durch das Arbeitsfluid verursachten Verschleiß der Einzelaggregate zu verringern.

Das Verfahren zum Betreiben einer Kraft-Erzeuger-Anlage gemäß der Erfindung ist durch die Verfahrensstufen gekennzeichnet s

65-Ο3Ο 348)-Sd-r (7)

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-Z-

a) Verdampfen eines Gemisches aus Trifluoräthanol und Wasser in einem Verdampfer,

b) Einleiten des Dampfgemisches in eine Expansions-Maschine ,

c) Entspannen des Gemisches in der Expansionsmaschine und Umsetzen der Dampfenergie in mechanische Arbeit,

d) Abziehen des Gemisches aus der Expansions-Maschine,

e) Kondensieren des abgezogenen Gemisches,

f) Einleiten des Kondensates in den Verdampfer.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer nach dem Clausius-Rankine-Prozeß betriebenen Krafterzeugungsanlage;

Fig. 2 ein Temperatur-Entropie-Diagramm eines für den Clausius-Rankine-Prozeß bevorzugten Arbeitsfluids mit den für diesen Prozeß typischen Kennwerten;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Änderung des Gefrierpunktes des Trifluoräthanol-Wasser-Gemisches in Abhängigkeit vom Wassergehalt;

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Fig. 4 eine graphische Darstellung des Wirkungsgrades des Clausius-Rankine-Prozesses bei verschiedenen Trifluoräthanol- und Wassergemischen;

Fig, 5 eine graphische Darstellung des Wirkungsgrades beim Clausius-Rankine-Prozeß für verschiedene Arbeitsfluide bei unterschiedlichen Kesseldrükken.

In Fig. 1 ist eine geschlossene Krafterzeugungsanlage nach dem Clausius-Rankine-Prozeß und in Fig. 2 ein Temperatur-Entropie-Diagramm für ein Trifluoräthanol-Wasser-Arbeitsfluid dargestellt, wobei die umrandeten Zahlen in Fig. 1 den Zustandspunkten in Fig. 2 entsprechen.

Ein Dampferzeuger oder Kessel 12 erwärmt das ihm durch eine Pumpe 10 zugeführte Arbeitsfluid bis auf einen im wesentlichen konstanten Druck. Dies geschieht im T-S-Diagramm der Fig. 2 zwischen den Punkten 7 und 1. Das verdampfte Arbeitsfluid gelangt danach zum Expander 14, der den Dampf durch Absenken der Temperatur und des Druckes expandiert und seine Energie in mechanische Arbeit umsetzt, was in Fig. 2 durch die Linie zwischen den Punkten 1 und 2 gekennzeichnet ist. Der Dampf kann zum Expander 14 durch ein zweckmäßiges Drosselelement 16 gefördert werden, durch das sein Zufluß zum Expander gesteuert wird. Das Arbeitsfluid durchströmt danach einen Abscheider 18 zum Entfernen von zugemischtem Schmiermittel und daran anschließend zum Regenerator 20. Das Arbeitsfluid tritt an der Dampfseite 22 des Regenerators 20 ein und gibt einen Teil seiner Rest-Wärmeenergie an das Arbeitsfluid ab, welches durch die

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Fltissigkeitsseite 2k des Regenerators zum Kessel strömt. Es handelt sich dabei um einen im wesentlichen unter konstantem Druck ablaufenden Prozeß, der thermodynamisch durch die Linie zwischen den beiden Punkten 2 und 3 im T-s-Diagrarani dargestellt ist. Vom Regenerator 20 strömt das Arbeitsfluid zum Kondensator 26, in dem es, wie im T-s-Diagramm zwischen den Punkten 3 und 5 gezeigt, vollständig kondensiert, wobei die durch den Punkt k gekennzeichnete Zustandsänderung im Kondensator 26 erfolgt.

Aus diesem Kondensator 26 wird das verflüssigte Arbeitsfluid von der Pumpe 10 durch die Flüssigkeitsseite 2k des Regenerators 20 und danach zum Kessel 12 gedrückt. Das Arbeitsfluid wird während seines Durchlaufes durch den Regenerator durch den vom Expander Ik in die Dampfseite des Regenerators einströmenden Abdampf erwärmt. Die weitere Aufheizung und vollständige Verdampfung erfolgt im Dampferzeuger. Im T-s-Diagramm ist die Pumpstufe durch die Linie zwischen den Punkten 5 und 6, die Regenerationsstufe durch die Linie zwischen den Punkten 7 und 1 gekennzeichnet. Das System kann mit Naßdampf ebenso wie mit überhitztem Dampf arbeiten, wobei sich bessere Ergebnisse bei Verwendung von überhitztem Dampf erreichen lassen.

In einem bevorzugten System wird das erfindungsgemäße Arbeitsfluid in Verbindung mit einem hin- und hergehenden Kolben und einem Zylinder-Expander verwendet. In dieser Anlage können mit dem Arbeitsfluid mischbare oder unmischbare Schmiermittel verwendet werden, wobei die mit dem Arbeitsfluid nicht mischbaren Schmiermittel zu konsistent günstigeren Ergebnissen führten. Je nach den Anforderungen der einzelnen Anlagen können die im Expander verwendeten

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Schmiermittel schwerer oder leichter als das Arbeitsfluid sein. Alle Schmiermittel sollten eine gute thermische Stabilität und Schmiereigenschaften aufweisen und auch bei höchsten Kesseltemperaturen mit dem Arbeitsfluid verträglich sein. Eine Gruppe zweckmäßiger Schmiermittel, die leichter als das Arbeitsfluid gemäß der Erfindung sind, sind aus Erdöl hochraffinierte Kohlenwasserstoff-Schmiermittelo Ein solches Schmiermittel ist "Suniso 3 GS", das von der Sun Oil Company hergestellt wird. Andere sind "Humble Therm 500" und "Teresso 43" der Humble Oil Company. "Monsanto OS-124" der Monsanto Company ist ein zweckmäßiges synthetisches Schmiermittel, das leichter als das Arbeitsfluid ist.

Von den gegenüber dem Arbeitsfluid schwereren Schmiermitteln sind insbesondere synthetische fluorhaltige Schmiermittel geeignet, wie z. B. "Krytox" der E. I₀ du Pont de Nemours & Co.

Das Expansions-Maschinen-Schmiermittel ist im Expansions-Maschinensystem enthalten. Das Schmiermittel und das Arbeitsfluid sind nicht vollständig gegeneinander isoliert, so daß etwas Schmiermittel in den Arbeitsfluidstrom eintreten kann. Das Schmiermittel wird teilweise im Abscheider 22 aus dem Arbeitsfluid entfernt und durch die Leitung 19 zur Expansions-Maschine zurückgeführt.

Das bevorzugte Arbeitsfluid besteht aus einem Gemisch aus Trifluoräthanol (CF CH_OH) und Wasser. Dieses Arbeitsfluid erfüllt alle Anforderungen für eine praktikable, kostengünstige Clausius-Rankine-Anlage bei Verwendung von positiven Verdrängungsexpandern, entweder umlaufenden oder

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hin- und hergehenden, sowie von Turbinenexpandern. Mischungen aus Trifluoräthanol und Wasser zeichnen sich durch ihre geringe Giftigkeit aus. Sie sind nicht entflammbar und unterstützen somit nicht die Verbrennung; sie sind in allen Dampfkonzentrationen mit Luft nicht explosiv. Darüber hinaus sind sie bei Spitzen-Kessel temperatüren mit einer großen Anzahl von Schmiermitteln verträglich und erlauben daher ein vollständig abgedichtetes, gut geschmiertes und sehr betriebssicheres System.

Aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften von Trifluorathanolmxschungen mit Wasser lassen sich mit den Arbeitsfluiden gemäß der Erfindung hohe Wirkungsgrade bereits bei niedrigen Spitzentemperaturen im Kreisprozeß erreichen. Trifluoräthanol-Arbeitsfluide haben eine gute thermische Stabilität oberhalb von ca. 600 F, und zwar alleine oder auch als Mischungen mit Wasser und zweckmäßigen Kohlenwasserstoff- oder fluorhaltigen Schmiermitteln. Geeignete Schmiermittel sind solche, die mit Trifluoräthanol und Wasser verträglich und bei Temperaturen von mindestens 550 ⁰F thermisch stabil sind. Die Schmiermittel dürfen also mit Trifluoräthanol nicht reagieren oder in signifikanter Weise abgebaut werden, wenn sie über eine gewisse Zeitspanne Temperaturen von 550 F ausgesetzt sind. Die folgende Tabelle zeigt Versuchsbedingungen, wobei die bezeichneten Proben hohen Temperaturen ausgesetzt waren und jeweils eine gute thermische Stabilität während des Testes aufwiesen, so daß die guten Eigenschaften der Proben am Ende der Versuche erhalten blieben.

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	Tabelle 1	mit Luft	Temp. °F	Versuchs dauer. Tage
Gemische		mit C-Stahl	500	^^fc ^^i ^^fc »^ ■■» φ ·■ %^W ^fl^ ^m^* 9
TFE*		Krytox 143AB** Aluminium	550	60
TFE mit Luft		AB und C-Stahl	550	60
TFE und Wasser		Krytox 143AB,	550	63
TFE und Wasser	TFE, Suniso 3GS***, und C-Stahl	550	63
TFE und Wasser		550	kk
TFE und Wasser, C-Stahl und	550	61
TFE, Krytox 1^3	600	15
TFE und Wasser, und C-Stahl	550	61

TFE und Wasser, Suniso 3GS

und C-Stahl 600 .5

TFE, Krytox 1^3B, und nichtrostender Stahl 580 8,5

TFE, Krytox 143AB, Gußeisen 580 8,5

TFE, Krytox 1^3AG, Kupfer 400 8,5

* Trifluoräthanol (CF ₂

** ein fluorhaltiges Öl, hergestellt von der Petroleum
Chemicals Division der E. I. duPpnt de Nemours & Co., Wilmington, Delaware

*** ein Kohlenwasserstofföl, hergestellt von der Sun Oil Company, Philadelphia, Pa.

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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der aus einer Mischung aus Wasser und Trifluoräthanol bestehenden Arbeitsfluide gegenüber Arbeitsfluiden aus reinem Trifluoräthanol besteht darin, daß sie bedeutend weniger korrosiv gegen Metalle sind. Wenn beispielsweise Trifluoräthanol-Arbeitsfluid mit einer geringen Menge von Wasser versetzt ist, kann das Fluid in einer Krafterzeugungsanlage verwendet werden, in der relativ kostengünstige Materialien, wie Stahl oder Gußeisen, eingesetzt sind, ohne daß auch nach längeren Zeitspannen merkbare Korrosionen auftreten. Arbeitsfluide mit einem Wasseranteil von 15 Mol-# (3,08 Gew.-^ haben nur äußerst geringe Korrosionsneigungen. Wird dagegen reines Trifluoräthanol in Gegenwart derartiger Materialien eingesetzt, können schon nach kurzer Zeit auf Korrosion zurückzuführende ernste Betriebsstörungen eintreten, durch die das gesamte System unbrauchbar wird. Der Betrieb des Systems wird stark beeinträchtigt durch Ansammlung von Korrosionsprodukten im Arbeitsfluid und an den Filtern des Systems. Die Korrosion wird durch ein Dunkelwerden des Arbeitsf luides angezeigt, welches auf einer Ansammlung von Korrosionsprodukten zurückzuführen ist.

Die korrosiven Angriffe der Materialien im System werden verringert, wenn die Anlage unter luftfreien Bedingungen betrieben wird. Es ist daher vorteilhaft in einem geschlossenen System zu arbeiten, das zur Verhinderung von Luftzustrom abgedichtet ist. Die aus Trifluoräthanol und Wasser gemischten Arbeitsfluide gemäß der Erfindung zeigen keine nachteiligen Wirkungen in Gegenwart von Luft, jedoch zeigen sich bei Luftzutritt bei den meisten der Schmiermitteln nachteilige Wirkungen.

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Obwohl reines Trifluoräthanol als Arbeitefluid unter verschiedenen Bedingungen verwendet werden kann, ergeben die bevorzugten Gemische aus Trifluoräthanol und Wasser ein überlegenes, allgemein verwendbares Arbeitsfluid. Die thermodynamischen Eigenschaften des Trifluoräthanol-Arbeitsfluides verbessern sich durch Zusetzen von Wasser. Die Wirkung von Zugabe von Wasser zu Trifluoräthanol auf die kritischen Temperaturen und Drücke gehen aus der Tabelle 2 hervor«,

Tabelle 2 Kritische Temperaturen und Drücke von TFE-Wasser-Gemisehen

Wasser Gew.-^ Wasser krit. Temp. (°F) krit. Druck

	0	44o	(psi)
0	3,08	465	715
15	10*, 32	512	930
39	14,70	535	1200
49		i46o

Die Beziehungen sind in Fig. 4 dargestellt, in welcher die Wirkungsgrade für verschiedene Mischungen von Trifluoräthanol und Wasser graphisch dargestellt sind. Die Kurven»

punkte wurden bei 600 ⁰F unter dem für das jeweilig untersuchte Arbeitsfluid optimalen Druck ermittelt. Der Graphik kann entnommen werden, daß Arbeitsfluide mit oin©m Wasser-

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gehalt von weniger als 50 Mol-$ (ca. 14,7 Gew.-^) bevorzugt werden. Arbeitsfluide mit einem Wassergehalt von 3 bis kO Mol-% sind besonders günstig, wobei die besten Ergebnisse mit Trifluoräthanol-Arbeitsfluiden erzielt werden, die einen Wassergehalt von 7 bis 30 Mol-$ besitzen. Höchstwirkungsgrade ergeben sich für Arbeitsfluide mit ca. 50 Mol-$ Wasser (3»08 Gew.-^). In den oben angegebenen Bereichen kann jedoch der genaue prozentuale Anteil von Wasser entsprechend den thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsfluides zur Anpassung an die jeweilige Situation bestimmt werden.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung des Wirkungsgrades bei 550 °F in Abhängigkeit vom Druck dreier Arbeitsfluide aus Trifluoräthanol und Wassermischungen und eine aus reinem Trifluoräthanol, wie sie im Clausius-Rankine-Kreisprozeß verwendet werden. Für den in einem derartigen System herrschenden Druckbereich erweist sich Trifluoräthanol mit 15 Mol-$ Wasser als ein Arbeitsfluid mit dem bes'ten Wirkungsgrad. Trifluoräthanol-Arbeitsfluide mit 39 bis k9 Mol-$ Wasser ergeben gute, annähernd identische Wirkungsgrade, die jedoch nicht so vorteilhaft wie die Kreisprozeßwirkungsgrade bei Verwendung eines Arbeitsfluides mit 15 Mol-# Wasser sind. Das vollkommen aus Trifluoräthanol bestehende Arbeitsfluid arbeitet über einen weiten Druckbereich nur mit ungenügendem Wirkungsgrad. Die Kurve zeigt einen relativ geringen Wirkungsgrad bei niedrigen Betriebsdrücken. Kesseldrücke von 550 bis 800 psi haben sich als zweckmäßig erwiesen, wobei beste Ergebnisse bei Drücken von ca. 700 psi erzielt werden konnten. Da Trifluoräthanol ohne Wasser einen kritischen Druck von 715 psi hat, führt die Verwendung dieses Materials als Arbeitsfluid in seinem re-

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lativ wirksamen Bereich zur Notwendigkeit seines Einsatzes in unmittelbarer Nähe des kritischen Druckes. Dies ist keine praktikable Betriebsbedingung wegen der möglichen Schwierigkeiten bei Versuchen zum Betreiben des Dampferzeugers unter Drücken, die nahe am kritischen Druck lagen. Kurzzeitige DruckSchwankungen könnten auch bei normalem Betrieb des Systems bis über und unter den kritischen Druck auftreten, woraus sich erhebliche Steuerungsschwierigkeiten ergäben.

Wenn der Wasseranteil im Arbeitsfluid 50 Mol-$ wesentlich übersteigt, beginnt das System im Expander mit Naßdampf zu arbeiten, wenn nicht eine hohe Stufe von Überhitzung vorgesehen wird. Mit der Vergrößerung des Wasseranteils über den bevorzugten Bereich hinaus sind auch Verringerungen des Betriebswirkungsgrades und Verluste verschiedener vorteilhafter thermodynamischer Eigenschaften zu verzeichnen. Wird dagegen der Wasseranteil bis auf einen Wert reduziert, bei welchem das Arbeitsfluid an reines Trifluoräthanol angenähert wird, ergeben sich Minderungen des Betriebs-Wirkungsgrades sowie unerwünschte Änderungen der thermodynamisehen Eigenschaften. Falls sich die Zusammensetzung des Arbeitsfluides der von reinem Trifluoräthanol nähert, wird das Arbeitsfluid, wie oben ausgeführt, in erheblichem Maße korrosiv.

Der prozentuale Anteil an Wasser im Trifluoräthanol regelt den Gefrierpunkt des Gemisches. Fig. 3 zeigt das Verhältnis zwischen dem Gefrierpunkt des Gemisches und ihres Wassergehaltes. Der Gefrierpunkt sinkt scharf von -k5 C für reines Trifluoräthanol bis auf ca. -6k ⁰C für eine 15 $ Wasser enthaltende Mischung. Eine Vergrößerung des

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Wassergehaltes über 15 Mol-$ führt zu einem Anstieg des Gefrierpunktes der Mischung bis auf O C für reines Wasser.

Es wurde ferner ermittelt, daß mit Arbeitsfluiden aus einer Mischung von Trifluoräthanol und weniger als 50 Mol-$ Wasser mehr Leistung pro kg Arbeitsfluid als bei reinem Trifluoräthanol-Arbeitsfluid erreicht werden kann. Ein vorteilhaftes Ergebnis dieser Charakteristik ergibt sich in einer möglichen Reduktion der Größen verschiedener Einzel-Aggregate. Beispielsweise werden bei Trifluoräthanol-Wasser-Arbeitsfluiden Verkleinerungen des Expanders, der Pumpe und des Regenerators möglich.

Die Erfindung ist anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen des Erfindungsgegenstandes im Rahmen der folgenden Ansprüche möglich sind.

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Claims

Patentansprüche

M.J Verfahren zum Betreiben einer Kraft-Erzeuger-Anlage, gekennzeichnet durch die Verfahrensstufen

a) Verdampfen eines Gemisches aus Trifluoräthanol und Wasser in einem Verdampfer (12),

b) Einleiten des Dampfgemisches in eine Expansions-Maschine

c) Entspannen des Gemisches in der Expansions-Maschine und Umsetzen der Dampfenergie in mechanische Arbeit,

d) Abziehen des Gemisches aus der Expansions-Maschine,

e) Kondensieren des abgezogenen Gemisches,

f) Einleiten des Kondensates in den Verdampfer (12).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeits-Fluid-Gemisch weniger als 50 Mol-$ Wasser enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeits-Fluid-Gemisch mehr als 3 Mol-$ Wasser enthält.

h. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekenn-

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net, daß das Arbeits-Fluid-Gemisch 15 Mol-# Wasser enthält.

5o Verfahren zum Betreiben einer nach dem Clausius-Rankine-Prozeß betriebenen Kraft-Erzeuger-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Verdampfer erzeugte Dampf aus Trifluoräthanol und Wasser vor dem Eintritt in die Expansionsmaschine mittels eines Kontrollorganes gesteuert wird und die Expansionsmaschine mit einem mit dem Trifluoräthanol-Wasser-Gemisch nicht mischbaren
Kohlenwasserstoff-Schmiermittel geschmiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid zusammen mit einem relativ geringen Anteil von Kohlenwasserstoff-Schmiermittel zu einem Regenerator geführt wird, daß in diesem ein Teil der noch im Arbeitsfluid enthaltenden Energie an das flüssige Trifluoräthanol- und Wasser-Gemisch vor dessen
Eintritt in den Verdampfer abgegeben und danach das abgezogene Trifluoräthanol-Wasser-Gemisch kondensiert und daß anschließend in die Maschine zurückgeführte Kohlenwasserstoff-Schmiermittel abgeschieden wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trifluoräthanol-Wasser-Arbeitsfluid vor der Kondensationestufe vom Schmiermittel getrennt wird.

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