DE2904059A1

DE2904059A1 - Energieerzeugungsanlage

Info

Publication number: DE2904059A1
Application number: DE19792904059
Authority: DE
Inventors: Yasuaki Akatu; Kojiro Kaneko; Michio Kuroda; Shozo Nakamura; Ryoichiro Oshima; Seiichiro Sakaguchi; Shigehisa Sugita; Satoshi Tsukahara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-03
Filing date: 1979-02-02
Publication date: 1979-08-09
Also published as: JPS5744918B2; US4275563A; JPS54104064A; DE2904059C2

Description

HITACHI, LTD.

1-5-1, Marunouchi, Chiyoda-ku

Tokyo, Japan

Energi e erζ eugungsanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieerzeugungsanlage* die als Arbeitsfluid ein gasförmiges niedrigsiedendes Medium, das durch direkten Kontakt mit einem wärmeabgebenden Medium erzeugt wird, verwendet,.wobei insbesondere die Zirlnilationskraft des Arbeitsfluids erhöht wird.

Eine Energieerzeugungsanlage besteht hauptsächlich aus einem Verdampfer zum Erzeugen eines Arbeitsfluids, einer Turbine, die die Wärmeenergie des im Verdampfer erzeugten gasförmigen Arbeitsfluids in elektrische Energie umsetzt, und einem Verflüssiger für das Arbeitsfluid_f das in der Turbine Arbeit geleistet hat. Das Arbeitsfluid zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf,, der durch Verbinden der genannten Einheiten miteinander gebildet ist.

Seit einigen Jahren wird als Arbeitsfluid für Energieerzeugungsanlagen zur wirksamen nutzung natürlicher Rohstoffquellen häufig ein niedrigsiedendes Medium verwendet,, Z„ B„ wird als Arbeitsfluid ein niedrigsiedendes Medium wie Freon, Butan,

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Ammoniak u, dgl, verwendet; dieses wird durch Wärmetausch mit einem erwärmten, wärmeabgebenden Medium wie erwärmtem Esteröl, Turbinenöl, Alkylbenzolöl od, dgl. verdampft. Normalerweise haben diese niedrigsiedenden Medien jedoch nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Wärmewiderstand zum Zeitpunkt der Verdampfung. Wenn daher Wärme zu übertragen ist, müssen die Bereiche zur Wärmeleitung vergrößert werden. Dadurch werden die Wärmetauscher groß und sperrig, so daß die gesamte Anlage in bezug auf Wirtschaftlichkeit nachteilig beeinflußt wird. Es ist daher erforderlich, die Größe der Wärmetauscher zu vermindern.

Es wurde bereits vorgeschlagen, einen Direktkontakt-Wärmetauscher zum Erwärmen eines niedrigsiedenden Mediums, das als Arbeitsfluid dient, zu verwenden. Z. B. ist in der JA-Offenlegungsschrift Nr. 52-118146 von 1976 ein Wärmetauscher angegeben, in dem ein niedrigsiedendes Medium mit einem wärmeabgebenden Medium in direkten Kontakt gebracht wird. Nach der genannten Veröffentlichung wird entweder das niedrigsiedende oder das wärmeabgebende Medium in einen unteren Abschnitt des Wärmetauschers eingeführt, und die jeweils andere !Flüssigkeit wird in einen oberen Abschnitt des Wärmetauschers eingeführt, so daß die beiden Flüssigkeiten den Wärmetauscher im Gegenstrom durchströmen. Wenn jedoch die beiden Flüssigkeiten im Gegenstrom durch den Wärmetauscher strömen, kollidieren sie miteinander, so daß die Zirkulationskraft des wärmeabgebenden Mediums im Wärmetauscher und in dem den Wärmetauscher enthaltenden geschlossenen Kreislauf geschwächt wird. Infolgedessen kann der Wärmetauscher seine Wärmeübertragungsleistung nicht ausreichend steigern, und die Turbine kann somit ihren Arbeitswirkungsgrad ebenfalls nicht erhöhen. Um die Zirkulationskraft des wärmeabgebenden Mediums zu erhöhen, ist ferner im geschlossenen Kreislauf des wärmeabgebenden Mediums eine Pumpe angeordnet, die eine große Kapazität haben muß.

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Energieerzeugungsanlage mit einem Direktkontakt-Wärmetauscher_f der infolge einer erhöhten Zirkulationskraft des wärmeabgebenden Mediums im Wärmetauscher und in dem diesen enthaltenden geschlossenen Kreislauf eine verbesserte Wärmeübertragungs-Wirksamkeit hat.

Nach der Erfindung ist vorgesehen* daß das niedrigsiedende Medium und das wärmeabgebende Medium in einen unteren Abschnitt des Wärmetauschers eingeleitet werden, so daß beide Flüssigkeiten entgegengesetzt zur Schwerkraft strömen. Aufgrund dieser Ausbildung wird die Zirkulationskraft des wärmeabgebenden Mediums in dem Wärmetauscher im Zusammenhang mit dem Aufsteigen von Blasen des verdampften niedrigsiedenden Mediums erhöht, so daß der Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad verbessert wird.

Nach der Erfindung werden also ein niedrigsiedendes Medium wie Freon und ein wärmeabgebendes Medium wie erwärmtes Öl aus einem unteren Abschnitt in den Wärmetauscher eingespritzt, so daß beide Flüssigkeiten in direkten Kontakt miteinander gebracht werden, wodurch das gasförmige niedrigsiedende Medium verdampft. Das niedrigsiedende Medium verrichtet während seiner Zirkulation in einem geschlossenen Kreislauf, der eine Turbine und einen Verflüssiger enthält, Arbeit. Das wärmeabgebende Medium zirkuliert in einem eine Heizeinheit enthaltenden geschlossenen Kreislauf,

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die gesamte Energieerzeugungsanlage nach der Erfindung, insbesondere den Aufbau eines geschlossenen Kreislaufs mit Direktkontakt-Wärmetauscher, in dem das niedrigsiedende und das wärmeabgebende Medium in Direktkontakt gebracht werden; und

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Pig. 2 die Beziehungen zwischen der J¹IUidtemperatur und dem Auflösungsverhältnis, zur Verdeutlichung der Bedeutung einer Kühleinheit für das wärmeabgebende Medium.

Bei der Anlage nach Pig. 1 wird Preon als niedrigsiedendes Medium und ein Öl als wärmeabgebendes Medium verwendet. Die Energieerzeugungsanlage umfaßt einen geschlossenen Kreislauf I, in dem das Preon umläuft, und einen geschlossenen Kreislauf II, in dem das Öl umläuft. Der geschlossene Kreislauf I umfaßt hauptsächlich einen Direktkontakt-Wärmetauscher 10, eine Turbine 12, einen Verflüssiger 14, eine Pumpe 16, einen Schmierölkühler 18, einen Ölkühler 20 sowie Leitungen 22, 24, 26, 28, 30 und 32 zum Verbinden dieser Einheiten miteinander. Der geschlossene Kreislauf II umfaßt den Direktkontakt-Wärmetauscher 10, den Ölkühler 20, eine Pumpe 34, eine Öl-Heizeinheit 36 sowie Leitungen 38, 40, 42 und 44 zum Verbinden dieser Einheiten miteinander.

Im unteren Abschnitt des Wärmetauschers 10 sind Preoneinspritzdüsen 46 und Öleinspritzdüsen 48 angeordnet, die aufwärts gerichtet sind. Die Öleinspritzdüsen 48 sind unterhalb der Preoneinspritzdüsen 46 vorgesehen, Gasblasen des Preongases, die durch den direkten Kontakt der beiden Plüssigkeiten entstehen, werden im oberen Abschnitt des Wärmetauschers 10 gesammelt und durch die Leitung 22 in die Turbine 12 eingeleitet. Da die Öleinspritzdüsen 48 unterhalb der Preoneinspritzdüsen 46 angeordnet sind, wird die Wärme des Preons aufgrund der Vermischung beim Lösen des Preons von den Preoneinspritzdüsen 46 wirksam übertragen, und ferner wird verhindert, daß sich Preon am Boden des Wärmetauschers 10 ansammelt.

Die aus dem Wärmetauscher 10 zur Turbine 12 strömende Freonmenge ist mittels eines Absperrorgans 50 einstellbar. Das Preongas verrichtet die Arbeit in der Turbine 12. Die Turbine

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12 tind ein. Ton dieser getriebener Elektroenergieerzeuger 52 setzen die Wärmeenergie des ireongases in Elektroenergie um. Das aus der Turbine 12 austretende Freongas wird im Verflüssiger 14 verflüssigt. Das Terflüssigte Freon wird von der Pumpe 16 unter Druck sum Sehmierölkühler 18 gefördert» Das flüssige Freon, das das Schmieröl gekühlt hat, kühlt ferner das aus dem Wärmetauscher 10 zur Pumpe 34 strömende Öl, während es durch den Ölkühler 20 strömt., Das flüssige Freon wird aus dem Ölkühler 20 zu den Freoneinspritzdüsen 46 am unteren Abschnitt des Wärmetauschers 10 gefördert und läuft im geschlossenen Kreislauf I um.

Der größte Teil des Öls, dessen Wärme an das Freon im Direktkontakt-Wärmetauseher 10 abgegeben wurde, tritt aus dem Wärmetauscher 10 durch eine Bohrung aus, die gering tiefer als der Flüssigkeitsspiegel im Wärmetauscher 10 liegt, und strömt durch die Leitung 38 in den Ölkühler 20. Das aus den Öleinspritzdüsen 48 in den Wärmetauscher 10 gespritzte Öl wird mit der von den aufsteigenden Freonblasen im Wärmetauscher 10 erzeugten nach oben gerichteten Kraft beaufschlagte Diese nach oben gerichtete Kraft dient dazu, das Öl im Wärmetauscher 10 und im geschlossenen Kreislauf II umlaufen zu lassen.

Der Ölkühler 20 senkt die Temperatur des aus dem Wärmetauseher 10 kommenden Öls, so daß in der Pumpe 34 keine Kavitation entsteht» D. h,, das Hochtemperaturöl und das Kiedrigtemperaturfreon werden im Direktkontakt-Wärmetauscher 10 miteinander in Berührung gebracht. Daher enthält das aus dem Wärmetauscher austretende Öl unter diesen Bedingungen Ireon in einer Sättigung smenge. Wenn das Öl in die Pumpe 34 eingeleitet wird, verdampft das im Öl enthaltene Freon mit sinkendem Druck in der Pumpe 34» Ein Verfahren zum Beseitigen dieser Gefahr besteht im Kühlen des Öls. Im allgemeinen ändert sich die Auflösung eines liedrigtemperaturfluids in einem Hoehtemperaturfluid in Abhängigkeit von. der Temperatur (vgl» Pig, 2)* Das liedrig-

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temperaturfluid muß sieh bei einer Sättigungstemperatur T_Q auflösen; das Auflösungsverhältnis vermindert sich mit dem Anstieg der Temperatur über den Sättigungswert Tq. Bei einem von P. auf P^ fallenden Druck (P.> P^) verschiebt sich die Auflösungskurve in der Zeichnung nach links; das Auflösungsverhältnis wird kleiner, wenn die Temperatur gleichbleibt. Wenn z. B. der Druck des aus dem Wärmetauscher IO kommenden Öls P. und die Temperatur T^ sind, so enthält das Öl Freon bei einem Auflösungsverhältnis von D.. Wenn in diesem Pail der Druck von P. auf P-g vermindert wird und die Temperatur des Öls gleichbleibend gehalten wird, wird das Auflösungsverhältnis D.', so daß das Freon in einer Menge von (D. - D^¹) verdampfen kann. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist der Ölkühler 20 vorgesehen, um die Temperatur des in die Pumpe 34 strömenden Öls von T. auf T^ zu senken. In diesem Fall wird die Temperatur auf den Wert T-g gesenkt, wobei der Auflösungsgrad mit D. aufrechterhalten wird. Daher verdampft unter cea Druck P-g kein Freon, Das Auflösungsverhältnis von Frecn bei der Temperatur T-g und unter dem Druck P. ist D-η, während das praktisch nutzbare Auflösungsverhältnis D. ist. Es besteht also ein Spielraum von (Dg - ^D^)· ^Vie bereits erwähnt, dient der Ölkühler 20 dem Zweck, eine Kavitation in der Pumpe 34 zu vermindern und ferner Wärme rückzugewinnen, so daß Wärmeverluste kleingehalten werden. Bei dem erläuterten System ist der Ölkühler 20 aus den vorgenannten Gründen vorgesehen.

Das im Ölkühler 20 gekühlte Ol wird untur Druck van der Pumpe 34 zur Öl-Heizeinheit 36 gefördert. Aufgrund des voi'hüv erläuterten Aufbaus des Direktkontakt-Wiinue tausche rs '.O zirkuliert das Öl mit erhöhter Kraft im Wtinutftauticher \o utul ·.ti dtiui geschlossenen Kreislauf II. Infolgedessen wird der w scher-Wirkungsgrad des Wärmetauschei's 10 erhöht, und Pumpe 34 braucht nur geringe Kapazität au haben.

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BAD ORIGINAL

Das iron der Pumpe 34 geförderte Öl wird in der Heizeinheit 36 erwärmt, wiederum als wärmeabgebendes Medium in den Wärmetauscher 10 geleitet und durch, die Öleinspritzdüsen 48 in ihn gespritzt. Das aus der Leitung 42 in einen unteren Verteiler 54 der Heizeinheit 36 eintretende Öl wird in eine Vielzahl von Wärmeleitrohren 56 verteilt und in einem oberen Sammler 58 gesammelt. Die Wärmeleitrohre 56 verlaufen durch eine Leitung 60 und werden von einem diese durchströmenden Hochtemperaturf luid erwärmt. Das im oberen Sammler 58 gesammelte Hochtemperaturöl wird durch die Leitung 44 dem unteren Teil des Wärmetauschers 10 zugeführt und in diesen durch die 01-einspritzdüsen 48 gespritzt.

Der Sammler 58 der Heizeinheit 36 weist eine Leitung 62 auf, durch die das in dem Öl enthaltene und in der Heizeinheit 36 ausgeschiedene Freongas in den oberen Teil des Wärmetauschers 10 einleitbar ist. Im Mittenabschnitt der Leitung 62 ist ein Absperrorgan 64 angeordnet, das den Freongasdurehsatz in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen der Heizeinheit 36 und dem Wärmetauscher 10 einstellt.

Ein Teil des Öls, das im Wärmetauscher 10 Wärme auf das Preongas übertragen hat, wird dem Schmierölkühler 18 durch eine von der Leitung 38 abzweigende Leitung 66 zugeführt und erwärmt das im Verflüssiger 14 verflüssigte Preon, so daß das Öl selbst gekühlt wird. Das gekühlte Öl schmiert und kühlt die Lager 68, 70 und 72, in denen die Wellen der Turbine 12 und des Energieerzeugers 52 gelagert sind. Dann wird das Öl in den Ölkühler 20 rückgeführt, wo es sich mit dem Öl im geschlossenen Kreislauf II vermischt.

Bei der erläuterten Anlage, bei der das niedrigsiedende Medium und das wärmeabgebende Medium vom unteren Teil des Wärmetauschers, in dem die beiden Medien in direkten Kontakt miteinander gebracht werden, eingespritzt werden, ist es möglich, die

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Zirkulationskraft des wärmeabgebenden Mediums dadurch zu steigern, daß die Flüssigkeitsströmung genutzt wird, die sich durch den aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen den beiden Flüssigkeiten bewirkten Dichteunterschied ergibt; ferner wird die Flüssigkeitsströmung genutzt, die durch den Aufstieg von im Wärmetauscher auftretenden Blasen des niedrigsiedenden Mediums erzeugt wird. Infolgedessen ist es möglich, den Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad im Direktkontakt-Wärmetauscher unter Anwendung einer Pumpe mit verminderter Kapazität zu steigern.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

y Energieerzeugungsanlage, in der ein durch direkten Wärmetausch zwischen einem niedrigsiedenden und einem wärmeabgebenden Medium erzeugtes Arbeitsfluid in einem geschlossenen Kreislauf umläuft,

dadurch gekennzeichnet,

daß in einem unteren Abschnitt eines Direktkontakt-Wärmetauschers (10) Düsen (4.6) zum Einspritzen des niedrigsiedenden Mediums und Düsen (48) zum Einspritzen des wärmeabgebenden Mediums angeordnet sind, so daß die Zirkulationskraft des Arbeitsfluids gesteigert wird.

2. Energxeerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das niedrigsiedende und das wärmeabgebende Medium in Gegenrichtung zur Schwerkraft einspritzbar sind.

3. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Düsen (48) zum Einspritzen des wärmeabgebenden Mediums unterhalb der Düsen (46) zum Einspritzen des niedrig siedenden Mediums angeordnet sind.

680-(15Q27 H 5579)-Schö

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Energieerzeugungsanlage nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das wärmeabgebende Medium in einem geschlossenen Kreislauf (II) umläuft, der eine Heizeinheit (36) zum Erwärmen des Mediums enthält.

5. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

eine Leitung (62) zum Einführen des in der Heizeinheit (36) verdampften gasförmigen niedrigsiedenden Mediums in den geschlossenen Kreislauf (I), in dem das Arbeitsfluid umläuft.

6. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch. 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Leitung (62) einen oberen Sammler (58) der Heizeinheit (36) für das wärmeabgebende Medium mit einem oberen Abschnitt des Direktkontakt-Wärmetauschers (10) verbindet.

7. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß in einem mittleren Abschnitt der Leitung (62) ein Absperrorgan (64) zum Einstellen des Gasdurchsatzes in der Leitung (62) angeordnet ist.

8. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

einen Kühler (20) zum Kühlen des wärmeabgebenden Mediums, das aus dem Direktkontakt-Wärmetauscher (10) in die Heizeinheit (36) strömt, wobei die Rückführung des niedrigsiedenden Mediums zum Direktkontakt-Wärmetauscher (10) genutzt wird.

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