DE3500170C1

DE3500170C1 - Vorrichtung für die Rückgewinnung von Wärme

Info

Publication number: DE3500170C1
Application number: DE3500170A
Authority: DE
Inventors: Akira Horiguchi; Hiroyuki Osaka Sumitomo
Original assignee: Hisaka Works Ltd
Current assignee: Hisaka Works Ltd
Priority date: 1984-01-05
Filing date: 1985-01-04
Publication date: 1985-09-05
Also published as: SE456835B; FR2557921A1; FR2557921B1; SE8500022D0; US4608829A; SE8500022L

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Rückgewinnung von Abwärme aus größeren Anlagen unter Verwendung einer schraubenförmigen Expansionsvorrichtung für die Aufnahme von öl, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung für die Rückgewinnung von Wärme aus Abwassern oder dergleichen von größeren Anlagen mit Hilfe der Rankine-Kreislaufführung unter Nutzung geringer Temperaturunterschiede ist bekannt. Diese Vorrichtung umfaßt einen Verdampfer, in welchem als Wärmequelle zum Erwärmen und zur Umwandlung eines Arbeitsmediums in Dampf, beispielsweise Freon, heißes Abwasser oder dergleichen Anwendung findet; ferner eine Turbine, welche durch den Freondampf aus dem Verdampfer in Umlauf gesetzt wird, einen Kondensator zum Abkühlen und Kondensieren des von der Turbine abgegebenen Freondampfes, sowie eine Pumpe für die Kreislaufführung des Freons durch das System. Die Abtriebswelle der Turbine ist mit einer Arbeitsmaschine, zum Beispiel einem Generator, verbunden.

Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß das Arbeitsmedium sich aufgrund der niedrigen Temperatur des heißen Abwassers oder dergleichen, das als Wärmequelle dient, nicht genügend erwärmen läßt beziehungsweise kein ausreichend hoher Temperaturunterschied erzielbar ist, was zur Folge hat, daß die Energierückgewinnnung nicht optimal ist.

Um diesen Nachteil zu begegnen, könnte der Freondampf von dem Verdampfer in einen zusätzlichen Wär-Vorrichtung größer dimensioniert werden muß.

Diese Aufgabe wird bei einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das in die Expansionsvorrichtung einzuspeisende dampfförmige Arbeitsmedium und das erwärmte öl in dem Ansaugkanal der Expansionsvorrichtung in unmittelbare Berührung miteinander gebracht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Fließdiagramm einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 bis 4 einen schematischen Längsschnitt, einen schematischen Querschnitt und eine schematische perspektivische Ansicht der Expansionsvorrichtung für die Aufnahme von Öl;

F i g. 5 und 6 ein /'-//-Koordinatensystem eines Arbeitsmediums, wobei der Druck P der senkrechten Achse entlang und die Enthalpie //der horizontalen Achse entlang aufgetragen werden;

Fig.7 ein Fließdiagramm einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Nach F i g. 1 wird für die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme eine schraubenförmige Expansionsvorrichtung 11 für die Aufnahme von Öl verwendet, deren Abtriebswelle an eine Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Generator 12, gekoppelt ist. Ein der Expansionsvorrichtung 11 zuzuführendes Arbeitsmedium, beispielsweise Freon, wird mit Hilfe einer entsprechenden Pumpe 16 in einem System im Kreislauf geführt, das aus einem Verdampfer 13 zum Erwärmen und für die Überführung des Arbeitsmediums in Dampf unter Verwendung von heißen Abwassern oder dergleichen als Wärmequelle, einer ölabscheideeinrichtung 14 zum Abtrennen des Arbeitsmediums von dem öl nach Austritt aus der Expansionsvorrichtung 11 und einem Kondensator 15 zum Kondensieren des von der ölabscheideeinrichtung 14 kommenden dampfförmigen Arbeitsmediums durch Abkühlen mit Kühlwasser besteht.

Der Expansionsvorrichtung 11 wird darüber hinaus öl sowohl als Schmier- und Abdichtmittel zugeführt, als auch, um das dampfförmige Arbeitsmedium zu überhitzen. Dabei wird das öl mittels einer entsprechenden Pumpe 18 in einem System im Kreislauf geführt, wel-

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ches aus einer Heizeinrichtung 17 zum Erwärmen des Öls auf eine höhere Temperatur als die Temperatur des dampfförmigen Arbeitsmediums, der Expansionsvorrichtung 11 und einer ölabscheideeinrichtung 14 besteht. Darüber hinaus können die Heizeinrichtung 17 und der Verdampfer 13, wie dargestellt, eine gemeinsame Wärmequelle haben. Es kann jedoch auch eine getrennte Wärmequelle Verwendung finden.

Die in den F i g. 2 und 4 gezeigte Expansionsvorrichtung 11 umfaßt ein Gehäuse 21 mit einem Ansaugkanal 22 und einem Abzugskanal 23 für das Arbeitsmedium sowie zwei parallel zueinander und drehbar in dem Gehäuse angeordnete ineinandergreifende Rotoren 24 und 25. Die beiden Rotoren 24 und 25 kämmen miteinander zur Bildung eines zahnförmigen Zwischenraumes 26 zwischen diesen. Die Rotoren 24 und 25 sind so ausgebildet, daß mit der Bewegung des zahnförmigen Zwischenraumes 26 von der Ansaugkanalseite zur Abzugskanalseite dessen Volumen zunimmt. Die Rotoren 24 und 25 sind von dem Gehäuse 21 umgeben, und die Ansaug- beziehungsweise Abzugskanäle 22 und 23 öffnen sich in Richtung der Stirnseiten der Rotoren 24 und 25. An einer beliebigen Stelle in dem Ansaugkanal 22 ist eine Düse 19 (F i g. 1) zum Einspritzen von Öl in das Gehäuse 21 vorgesehen, das von der Heizeinrichtung 17 abgegeben wird und auf eine höhere Temperatur erhitzt worden ist als die Temperatur des dampfförmigen Arbeitsmediums. Dieses öl schmiert und dichtet die ineinandergreifenden Teile der Rotoren 24 und 25 wie vorstehend erwähnt ab. Gleichzeitig gelangt es in direkte Berührung mit dem dampfförmigen Arbeitsmedium, welches durch den Ansaugkanal 22 in das Gehäuse 21 eingespeist wird, um das dampfförmige Arbeitsmedium zu überhitzen.

Die Funktionsweise der vorstehend genannten Ausführungsform der Vorrichtung für die Rückgewinnung von Abwärme sei nachstehend im einzelnen beschrieben.

Das von dem Verdampfer 11 durch den Ansaugkanal 22 geleitete dampfförmige Arbeitsmedium strömt in den zahnförmigen Zwischenraum 26 zwischen den Rotoren 24 und 25, und weiter zu dem Abzugskanal 23, während es expandiert, wodurch die Rotoren 24 und 25 in Umlauf gesetzt werden. Diese Energie wird über die Abtriebswelle der Expansionsvorrichtung 11 auf die Arbeitsmaschine 12, beispielsweise einen Generator, übertragen.

Ferner wird das öl, das durch die Heizeinrichtung 17 auf eine höhere Temperatur erhitzt worden ist als die des dampfförmigen Arbeitsmediums, über die in dem Gehäuse 21 der Expansionsvorrichtung 11 vorgesehene Düse 19 eingespritzt. Dadurch gelangt das dampfförmige Arbeitsmedium in der Expansionsvorrichtung 11 mit dem heißeren öl in Berührung und wird durch dieses überhitzt.

Dieser Vorgang wird nun anhand des /"-//-Koordinatensystems nach F i g. 5 beschrieben. In dieser Figur beziehen sich a und a' auf den Zustand des Arbeitsmediums in dem Arbeitsmedium-Ansaugkanal der Expansionsvorrichtung 11 (beziehungsweise am Auslaß des Verdampfers 13); b und b' beziehen sich auf den Zustand des Arbeitsmediums in dem Arbeitsmedium-Abzugskanal der Expansionsvorrichtung 11 (bzw. am Einlaß des Kondensators 15); c bezieht sich auf den Zustand des Arbeitsmediums am Auslaß des Kondensators 15; und d bezieht sich auf den Zustand des Arbeitsmediums am Einlaß des Verdampfers 13.
Der thermodynamische Zyklus in dem Fall, in dem das dampfförmige Arbeitsmedium nicht überhitzt wird, ist

a—►£—»-C—*d,

und der Betrag der Energie-Rückgewinnung ist
JH=Ha-Hb.

Wird das Arbeitsmedium dagegen überhitzt, so ist der ίο thermodynamische Zyklus, d.h. der Wiedererwärmungskreislauf,

und der Betrag der Energie-Rückgewinnung ist
AH'= Ha'-Hb'.

Somit gilt die Beziehung
AHVAh > 1,0.

Beträgt also die Temperatur des dampfförmigen Arbeitsmediums am Einlaß der Expansionsvorrichtung 11 60⁰C und an dessen Auslaß 30⁰C, und wird das dampfförmige Arbeitsmedium durch Einspritzen von Öl um 20° überhitzt, so gilt

AHVAH= 1,1;

somit erhöht sich der Betrag der Energierückgewinnung um etwa 10%.

Die F i g. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der das dampfförmige Arbeitsmedium mehr- mais wiedererwärmt wird, d.h. in mehreren Stufen durch Einspritzen von öl, während es von dem Ansaugkanal 22 zu dem Abzugskanal 23 der Expansionsvorrichtung 11 strömt. Hierzu sind an bestimmten Stellen in dem Gehäuse 21 Düsen 19' (Fig. 7) vorgesehen, um das

dampfförmige Arbeitsmedium einer öleinspritzung in mehreren Stufen (nach den F i g. 6 und 7 in drei Stufen) auf seinem Weg von dem Ansaugkanal 22 zu dem Abzugskanal 23 der Expansionsvorrichtung 11 unterwerfen zu können. Erfolgt eine dreimalige Wiedererwär-

mung durch Einspritzen des Öls von der Heizeinrichtung 17 in das dampfförmige Arbeitsmedium in der Expansionsvorrichtung 11, so wird die durch das dampfförmige Arbeitsmedium bewirkte Expansionsleistung mit

ausgedrückt. Ferner verläuft der Gradient der isotropen Linien SI—S4 umso flacher, je mehr der Druck abnimmt. Somit läßt sich durch Einspritzen von öl in mehreren Stufen, nicht nur im Bereich des Ansaugkanals 22 der Expansionsvorrichtung 11 sondern auch an anderer Stelle auf dem Wege zu dem Abzugskanal 23, der Betrag der Energierückgewinnung steigern.

Das dampfförmige Arbeitsmedium und das öl werden über den Abzugskanal 23 der Expansionsvorrichtung 11 abgezogen und strömen in die ölabscheideeinrichtung 14. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird von dem öl in der ölabscheideeinrichtung 14 abgetrennt und strömt dann zu dem Kondensator 15. Das durch den Kondensator 15 kondensierte Arbeitsmedium wird mit Hilfe der Kreislaufführungspumpe 16 in

den Verdampfer 13 eingespeist. Das von dem Arbeitemedium durch die ölabscheideeinrichtung abgetrennte öl dagegen wird wieder über die Düse 19 oder die Düsen 19' mit Hilfe der Pumpe 18 für die Kreislaufführung des Öls in die Expansionsvorrichtung 11 eingespeist

Erfindungsgemäß wird, wie vorstehend beschrieben, das in der Verdampfungseinrichtung in Dampf umgewandelte Arbeitsmedium in die Expansionsvorrichtung eingespeist, während gleichzeitig das der Expansionsvorrichtung zuzuführende öl in diese nach Erhitzen auf eine Temperatur eingespeist wird, die höher ist als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums. Dadurch gelangt das dampfförmige Arbeitsmedium mit dem Öl in direkte Berührung und wird überhitzt.

Auf diese Weise läßt sich der Betrag der Energierückgewinnung gegenüber der bekannten Vorrichtung, bei welcher das dampfförmige Arbeitsmedium in die Turbine direkt eingespeist wird, steigern. Ferner ermöglicht die Überhitzung des dampfförmigen Arbeitsmediums mit Hilfe eines in die Expansionsvorrichtung einzuspeisenden Flüssigöls eine Erhöhung des Energie-Rückgewinnungsbetrages, ohne daß hierzu die Wärmerückgewinnungsvorrichtung unnötig groß ausgelegt sein muß, nachdem die Erwärmung des Öls durch eine Heizeinrichtung mit kleinen Abmessungen möglich ist. Ferner läßt sich dadurch, daß die Wiedererwärmung des dampfförmigen Arbeitsmediums mit Hilfe von öl erfolgt, welches bei hoher Temperatur in mehreren Stufen, und im Bereich des Abzugskanals der Expansionsvorrichtung, eingespritzt wird, der Wärmewirkungsgrad erhöhen. Somit wird eine Rückgewinnung von Energie aus Abwärme selbst bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen auf wirksame Weise möglich.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

35 OO Patentansprüche:

1. Wärmerückgewinnungsvorrichtung, mit einer schraubenförmigen Expansionsvorrichtung für die Aufnahme von Öl, deren Abtriebswelle mit einer Arbeitsmaschine verbunden ist, einem Abwärme als Wärmequelle zur Umwandlung eines Arbeitsmediums in Dampf verwendenden Verdampfer zur Erzeugung eines dampfförmigen, in die Expansionsvorrichtung einzuspeisenden Arbeitsmediums, einem Kondensator zur Kondensierung des von der Expansionsvorrichtung abgegebenen dampfförmigen Arbeitsmediums, einer Pumpe für die Kreislaufführung des Arbeitsmediums in einem System, welches den Kondensator, den Verdampfer, die Expansionsvorrichtung, die Pumpe für die Kreislaufführung von öl zu der Expansionsvorrichtung sowie eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des der Expanmetauscher eingespeist werden, wo er überhitzt und dann der Turbine zugeführt wird. Hierdurch wäre eine erhöhte Energierückgewinnung möglich. Dadurch jedoch, daß das Freon im Dampfzustand in den zusätzlichen Wärmetauscher geleitet wird, muß letzterer notwendigerweise, da er zum Überhitzen des Freondampfes verwendet wird, groß dimensioniert sein. Insofern ist zwischen dem Verdampfer und der Turbine für den Wärmetauscher ein großer Zwischenraum erforderlich,

ίο der — ein weiterer Nachteil — die Gesamtgröße der Anordnung noch erhöht.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme und arbeitet mit dem Prinzip der Verwendung einer Wärmequelle niedriger Temperatur, beispielsweise heißer Abwasser aus größeren Anlagen, um ein Arbeitsmedium in Dampf umzuwandeln, sowie mit der Rückgewinnung von Energie mit Hilfe dieses Arbeitsmediums.
Die Erfindung hat die Aufgabe, den Betrag der Ener-

sionsvorrichtung zuzuführenden Öls auf eine höhere 20 gie-Rückgewinnung durch Überhitzen des dampfförmi-Temperatur als die des dampfförmigen Arbeitsme- gen Arbeitsmediums zu steigern, ohne daß dabei die

diums umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Expansionsvorrichtung (11) einzuspeisende dampfförmige Arbeitsmedium und das erwärmte Öl in dem Ansaugkanal (22) der Expansionsvorrichtung in unmittelbare Berührung miteinander gebracht werden.

2. Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erwärmte Öl so eingespeist wird, daß das dampfförmige Arbeitsmedium und das öl in mehreren Stufen in unmittelbare Berührung miteinander gebracht werden, während das dampfförmige Arbeitsmedium von dem Ansaugkanal zu dem Abzugskanal der Expansionsvorrichtung strömt.