DE7225314U - Erhitzer-Ekonomiser-Vorrichtung für eine Dampfkraftanlage mit organischem Arbeitsmittel - Google Patents

Description

572-19.004G-TpE (5) ^G 72 25 314.6 _{1 8i Jan 1973}

cJlrhitzer-Ekonomiser-'. orrichtung für eine Dampfkraftanlage mit organischem Arbeitsmittel χ

Dampfkraftanlagen mit organischem Arbeitsmittel sind bekannt. Organisches Arbeitsmittel im Rankine-Kreislauf zu verwenden, hat viele Vorteile. Erstens ergibt der positive Abfall der Sattdampflinie im Temperatur-Entropie-Diagramm trockene Entspannung, ohne Erosion der Turbine, und die Möglichkeit, die Turbine bei günstigsten Drehzahlen zu betreiben, ohne daß Läufer-Beanspruchungen Probleme aufwürfen. Ferner bieten organische Arbeitsmittel hinsichtlich des Schmelzpunktes, der Wärmebeständigkeit, des Betriebsdruck-Niveaus und des Preises einen großen Auswahlbereich, so daß für eine gegebene Dampfkraftanlage ein oder mehrere Arbeitsmittel besonders günstig sein können.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich für die Erzeugung mechanischer oder elektrischer Arbeit aus Wärme. In manchen Anwendungen ist Anfahren bei niedriger Temperatur erforderlich, so daß jedes Arbeitsmittel, welches bei der Anfahrtemperatur fest, schlammig oder auch nur

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zähflüssig ist, unerwünscht wäre. Wegen der Zersetzung organischer Flüssigkeiten bei hoher Temperatur und des dadurch bewirkten Anfalls unkondensierbaren Gases ist erwünscht, daß das organische Arbeitsmittel gute Wärmebeständigkeit habe.

Man hat schon zahlreiche organische Arbeitsmittel versucht und dabei gefunden, daß viele von ihnen Nachteile wie z. B. geringe Wärmebeständigkeit, verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt und verhältnismäßig niedrigen Abdampfdruck haben.

Die Erfindung sieht eine Erhitzer-Ekonomiser-Vorrichtung für eine Dampfkraftanlage mit Toluol als Arbeitsmittel vor. Toluol ist typisch für die organischen Flüssigkeiten insofern, als sein Dampf sich bei der Entspannung von hohem auf niedrigem Druck überhitzt. Dies ergibt einen ziemlich niedrigen adiabatischen Druck in der Kraftmaschine und eine verhältnismäßig geringe Geschwindigkeit der Turbinenschaufelenden, so daß eine einstufige Turbine bei bestem Wirkungsgrad und betriebssicher innerhalb der für die Beanspruchung des Turbinenläufers gesetzten Grenzen betrieben werden kann.

Die Hauptbestandteile der Anlage sind außer der erfindungsgemäßen Vorrichtung, d. h. einem überkritischen Erhitzer (das ist ein feuergas-beheizter Erhitzer für das flüssige Arbeitsmittel) mit einem damit zusammengebauten Ekonomiser (dies ist im folgenden ein rauchgas-beheizter Speiseflüssigkeits-Vorwärmer) eine einstufige Turbine,

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die einen Weehselstromerzeuger antreiben mag, ein Regene rator (dies bedeutet im folgenden einen abdampf "-beheizt en Speiseflüssigkeits-Vorwärmer), ein Kondensator und eine Speisepumpe. Ale Arbeitsmittel wird Toluol benutzt wegen seines Gefrierpunktes von -95⁰C, seiner gutenWärmebeständigkeit, seines verhältnismäßig hohen Anlagedruckniveaus, das gedrängte Wärmeübertragung ergibt, und weil es im Handel leicht erhältlich ist.

Der überkritische Anlage-Kreislauf ist so gewählt, daß der Kessel ein Flüssigkeits-Erhitzer wird, was hydrodynamische Instabilität unmöglich und sehr große Wärmeübergangszahlen ohne übergroße Rohrwandtemperaturen möglich macht und sehr kleine Flüssigkeitsmenge im Erhitzer, also geringe Arbeitsmittelzersetzung und geringen Energiestau ergibt. Gegenstand der Erfindung ist daher eine Erhitzer-Ekonomiser-Vorrichtung für eine Dampfkraftanlage mit organischem Arbeitsmittel, insbesondere Toluol, zu der außerdem eine Turbine, ein als Regenerator bezeichneter abdampf-beheizter Flüssigkeitsvorwärmer, ein Kondensator und eine Speisepumpe gehören, mit dem Kennzeichen, daß die Erhitzer-Ekonomiser-Vorrichtung Feuergas-Einlaßöffnungen, einen zentralen Feuerungsraum, einen diesen umgebenden ringförmigen Erhitzerteil und einen damit zusammengebauten, dieser umgebenden, ringförmigen Ekonomiserteil aufweist, wobei der Erhitzerteil einen ringförmig angeordneten ersten Satz von Erhitzerrohren enthält und der rauchgasbeheizbare Ekonomiserteil zur Vorwärmung von dem Erhitzerteil zuzuführender Speiseflüssigkeit einen Satz von Rohren aufweist, der die Erhitzerrohre umgibt.

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Die Verbrennungsgas« strömen also über die wärmeaufnehmenden Flächen des Erhitzers and erhitzen dabei im Erhitzer die vom Regenerator und vom Ekonomiser kommenden, sich mischenden Flüssigkeitsstrom» auf die Dampfaustrittstemperatur .

Die Verbrennungsgase verlassen den Erhitzer und strömen durch den sie umgebenden Ekonomiser, der die Oase weiter abkühlt und so den Abgasverlust verringert. Ungefähr 20 % der Speiseflüssigkeit wird in den Ekonomiser eingespeist, um dort vorgewärmt zu werden und die Temperatur des heißen Abgases zu verringern. Der Strom der in den Ekonomiser eingespeisten und darin vorgewärmten Flüssigkeit mischt sich mit der übrigen Speiseflüssigkeit, die etwa 80 % des die Anlage durchströmenden Arbeitsmittels beträgt, am Einlaß in den Erhitzer. Diese 80 % Speiseflüssigkeit strömen vom Speisepumpenauslaß durch den Dampf-Flüssigkeits-Regenerator, Infolge des verhältnismäßig hohen Abdampfdruckes der Anlage, den das als Arbeitsmittel benutzte Toluol ergibt, ist der Regenerator ganz klein, selbst trotz der Tatsache, daß 20 % der Speiseflüssigkeit den Regenerator umgehen, was vermehrte Wärmeaustauschfläche anstelle nicht verfügbarer Flüssigkeit erfordert. Da 20 % der Speiseflüssigkeit durch den Ekonomiser strömen, ist der Abgas.verlust bemerkenswert gering und der Wirkungsgrad der Anlage entsprechend hoch.

Vom Erhitzer-Auslaß strömt das heiße Arbeitsmittel hohen Druckes durch ein geeignetes Dampfmengen-Steuerventil in die einstufige Turbine, eine Gleichdruckturbine. In einer Elektro-Kraftanlage kann die Turbine mit dem Wechselstromerzeuger und ebenfalls mit einer Speisepumpe treibend entweder unmittelbar oder über ein Zahnradgetriebe verbunden sein. Der Turbinenabdampf strömt duroh die Dampf-

seite des Regenerators, wo er die zum Erhitzer strömende Speiseflüssigkeit vorwärmt. Vom Ausgang des Regenerators strömt der Dampf zum Kondensator, wo die Abwärme an das Kondensator-Kühlmittel abgegeben wird. In manchen Anwendungen kann diese Abwärme zum Heizen und/oder zum Antrieb einer Adsorptions-Kältemaschine benutzt werden.

Es ist ferner eine Vorrichtung zum Abscheiden der im Kondensator im Dampf vorhandenen nicht-kondensierbaren Gase vorgesehen. Diese Vorrichtung fördert die konzentrierten nicht-kondensierbaren Gase in einen gesonderten Behälter und verhindert, daß diese Gase sich im Kondensator ansammeln. Wenn man diese «Gase sich im Kondensator so ansammeln ließe, daß der Teildruck der nicht-kondensierbaren Gase 1 % des Gesamt-Kondensatordruckes erreichte, dann würde dadurch der Kondensations-Koeffizient sinken, der Kondensatordruck steigen und der Wirkungsgrad des Kreislaufes geringer werden. Aus dem Kondensator läuft das Kondensat in einen Sammelbrunnen ab. Eine Strahlpumpe saugt das Kondensat aus dem Brunnen ab und hebt seinen Druck auf den Eingangsdruck des Kreislaufes. Die Speisepumpe hat zwei Auslässe, nämlich einen, welcher einen Strom hohen Drucks zum Eingang der Anlage liefert, und einen, der eir,-.n Strom niedrigen Druckes zur Strahlpumpe liefert; hierdurch wird der Pumpleistungs-Bedarf der Anlage verringert. Der Hauptstrom fließt von der Speisepumpe zum Regenerator und zum Ekonomiser.

Für die Wahl von Toluol als Arbeitsmittel gibt es mehrexe Gründe. Toluol hat seinen Siedepunkt bei -95°C; daher ist es für Kaltstart besonders geeignet. Die Wärmebeständigkeit von Toluol ist größer als die der meisten organi-

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sehen Flüssigkeit. Toluol hat in einer luftgekühlten, nach dem Rankine-Kreislauf arbeitenden Kraftanlage hohen Abdampfdruck, nämlich 0,56 at bei 93 ⁰C Der hohe Abdampfdruck der mit Toluol betriebenen Kraftanlage ermöglicht eine kleine, schnell-laufende Turbine und einen kleinen und leichten Regenerator, selbst wenn 20 % der Speiseflüssigkeit um ihn herum zum Ekonomiser umgeleitet werden. Toluol hat selbst bei Temperaturen weit oberhalb seiner kritischen Temperatur Wärmebeständigkeits-Eigenschaften, welche die Verwendung eines überkritischen Verdampfers von gedrängter Bauart, großem Wärmedurchsatz und geringem Flüssigkeitsinhalt ermöglichen, wo unterkritische Verdampfer von geringem Flüssigkeitsinhalt (Zwangsdurchlauf-Kessel) hydrodynamischer Unstabilität ausgesetzt sind. Das Ergebnis ist geringster Raumbedarf, was für den Einbau wünschenswert ist, und größter Anlage-Wirkungsgrad dank der Anordnung des Ekonomisers, welchem Flüssigkeit unter Umgebung des Regenerators zugeführt wird, und dank der Fähigkeit, mit hoher Turbinen-Eingangstemperatur zu arbeiten, welche durch die gute Wärmebeständigkeit des Toluols gegeben ist, sowie dank dem sehr geringen Erhitzer-Flüssigkeitsinhalt als Ergebnis der überkritischen Verdampfung.

Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Schema einer Wärmekraft anlage und in Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Erhitzer-Ekonomiser-Vorrichtung für die in Fig. 1 dargestellte Anlage.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die Wärmekraftanlage 10 im wesentlichen aus einem mit einem Ekonomiser k2 zusammengebauten Erhitzer 12, welcher Toluoldampf in eine Tür-

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bine 14 liefert, deren Abdampf durch einen Regenerator 15 strömt, der den Abdampf kühlt und die zum Erhitzer-Ekonomiser 12 fließende Speiseflüssigkeit erwärmt. Der den Regenerator verlassende Abdampf wird im Kondensator 16 verflüssigt, und das Kondensat fließt in den Kondensat-Sammelbrunnen 18, während die nicht-kondensierbaren Gase im Abscheider 20 abgeschieden werden. Eine Strahlpumpe 22 saugt das Kondensat aus dem Brunnen 18 und fördert es zu einer Pumpe 25, welche Speiseflüssigkeit in die Anlage einspeist. Ein Anfahrbehälter 27 dient zum Füllen der Anlage beim Anfahren .

Die Strahlpumpe 22 hebt den Druck des Kondensats im Brunnen 18 auf einen Druck, welcher Kavitation in der Speisepumpe 25 verhindert; sie fördert das Kondensat in die Speisepumpe 25. Die Speisepumpe 25 kann eine Pumpe mit abgestuftem Kreisel sein, welche zwei im Radius voneinander verschiedene Diffuseren besitzt. Der innere Diffusor liefert durch die Leitung 30 Flüssigkeit für den Betrieb der Strahlpumpe 25, und der äußere Diffusor fördert durch die Leitung 31 und durch das Rückschlagventil 32 Flüssigkeit mit 50 at in den Hauptkreislauf der Anlage. Von dort strömen etwa 80 % der Speiseflüssigkeit durch die Leitung 35 in Kühlrohre 37 des (nicht gezeichneten) elektrischen Stromerzeugers, um dessen Ständer zu kühlen. Die Speiseflüssigkeit verläßt die Ständer-Kühleinrichtung 37 in einer typischen Anlage mit etwa 100 ⁰C, da sie dort die durchVerluste in der Maschine entstandene Wärme aufgenommen hat.

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Die Speiseflüssigkeit von 100 ⁰C strömt in den Regenerator 15. Dieser kann ein Rippenrohr-Wärmetauscher mit hin- und hergeführtem, mehrfachem Durchfluß in Gegenstrom-Anordnung sein. Da der Dampf verhältnismäßig dicht und die Durchflußmenge gering ist, erfordert der Wärmetauscher kleinen Querschnitt des Dampfstromweges und große Länge, damit der Wärmedurchgangskoeffizient vergrößert und gleichzeitig eine genügende Wärmeaustauschfläche erzielt wird. Die Rippen können aus gewelltem Nickelblech hergestellt sein, während die Trennplatten, die obere und die untere Wandplatte, die Seitenplatten und die Sammler sämtlich aus nichtrostendem Stahl bestehen, was eine Einheit geringen Raumbedarfes und niedrigen Gewichtes ergibt.

Die aus der Flüssigkeits-Seite des Regenerators 15 durch die Leitung 38 austretende Flüssigkeit hat in einer typischen Anlage etwa 253 °C; sie mischt sich vor dem Eintritt in denErhitzer 12 bei 40 mit dem vom Ekonomiser 42 kommenden Strom vorgewärmter Flüssigkeit.

In dem Ekonomiser 42 werden durch die Leitung 44 etwa 20 % der Speiseflüssigkeit der Gesamtanlage eingespeist. Die erfindungsgemäße, aus dem Erhitzer und dem Ekonomiser bestehende Vorrichtung ist genauer in Fig. 2 gezeigt j sie ist eine überkritische Zwangdurchlauf-Einheit von gedrängter Bauart. Hohe Strömungsgeschwindigkeit im Erhitzer sichert hohen Wärmedurchgang und verringert dadurch die heißen Stellen. Die Verdampfer-Ekonomiser-Vorrichtung 12 enthält Feuergas- Einlaßöffnungen 49, einen zentralen Feuerungsraum 52 von z. B. etwa I65O ⁰C, einen ringförmigen Erhitzerteil 55 und

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einen diesen umgebenden ringförmigen Ekonomiserteil 42. Xm

Erhitzerteil 55 ist auf der Feuergas-Seite eine Füllung 56 aus zusammengelöteten Kugeln angeordnet, welche eine große gasseitige Wärmeübergangs fläche ergibt. Die Erlhitzerrohre 60 sind mit einer Kugelfüllung 62 versehen, welche die Strömungsgeschwindigkeit und den Wärmeübergangskoeffizienten erhöht.

Der Ekonomiserteil 42 enthält Speiseflüssigkeits-Rohre 63, die mit einer Packung 65 aus zusammengeschweißten Kugeln versehen sind, durch welche die Feuergase hindurchströmen.

Im Betrieb einher typischen Anlage mit der erfindungsgemäßen Erhitzer-Ekonomiser-Vorrichtung senkt die durch die Ekonomiserrohre 63 strömende Speiseflüssigkeit die Rauchgastemperatur von den etwa 426 ⁰C, mit denen das Rauchgas aus dem Erhitzerteil 55 austritt, auf ungefähr· 205 ⁰C, wodurch der Kreislauf-Wirkungsgrad bedeutend erhöht wird. Der Druck, mit dem die Flüssigkeit aus dem Ekonomiserteil 42 austritt, ist gleich dem Druck an der Regenerator-Austrittsleitung 38, damit die passende Teilung der Ströme (d. h. etwa 80 % zu 20 %) aufrechterhalten wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der Strömungswiderstand des Ekoraomisers 42 mit demjenigen des Regenerators 15 übereinstimmt. Die Temperatur der aus dem Ekonomiser ausströmenden Flüssigkeit in die Leitung 68 ist etwa 254 ⁰C. Dieser Flüssigkeitsstrom vereinigt sich bei 40 mit dem aus der Regenerator-Leitung 38 kommenden Strom und fließt durch die Leitung 70 in die Erhitzerrohre 60. Der Dampf, der den überkritischen Erhitzerteil 55 verläßt, tritt aus dem Erhitzer durch die Leitung

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mit etwas über 370 ⁰C und mit mehr als 42 ata aus.

Der Hochdruckheißdampf in der Leitung 70 wird durch ein Ventil 75 gesteuert, das den Druck, mit dem der Dampf in die Turbine eintritt, etwas verringert, z. B. auf 40 ata. Das Ventil 75 wird drehzahlabhängig gesteuert, damit die Drehzahl der Turbine 14 konstant bleibt.

Es ist ein Absperrventil 78 vorgesehen, welches auf eine voreingestellte Temperatur im Erhitzer anspricht und sich öffnet und den Strom zur Turbine 14 freigibt.

Die Turbine 14 ist eine einstufige, axial durchströmte Überschall-Gleichdruck-Turbine mit Teilbeaufschlagung. Das organische Arbeitsmittel Toluol überhitzt sich bei Entspannung, so daß in der einzigen Stufe der Turbine hohe Druckverhältnisse verarbeitet, also hohe Wirkungsgrade erzielt werden können. Der zerstörende Effekt der Dampfnässe in den Turbinen-Düsen und -Schaufelkanälen, welche sonst die Schaufeln anfressen und die Strömungsführung verschlechtern würde, fehlt hier. Die Turbine 14 kann z. B. mit 120.000 U/min umlaufen.

Der Dampf verläßt die Turbine 14 mit 0,44 ata und 275 °C; er wird, wie gezeichnet, durch Leitung 80 in den Dampfraum des Generators 15 geführt. Der Dampf verläßt den Regenerator 15 durch die Leitung 82 mit 0,43 ata und 117 ⁰C Dieser Dampf tritt in den Kondensator 16 ein, worin er verflüssigt wird. Der Kondensator 16 ist ein Rippenrohr-Wärmetauscher; der Dampf wird innerhalb der Rohre verflüssigt, die Kühlluft fließt um die Rohre zwischen den Rippen. Ein

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(nicht gezeichnetes) Gebläse führt Umgebungeluft über die Rohre des Kondensators Ιδ. Die Zersetzung des Toluole bewirkt das Entstehen nicht-kondensierbarer Oase und hochsiedender Verbindungen. Der Abscheider 20 für die Abscheidung nicht-kondensierbarer Gase soll Abnahme dos Kondensator-Wärmedurchgangskoeffizienten und Zunahme des Turbinen-Abdampf druckes, welche die Turbinenleistung und den Arlage-Wirkungsgrad vermindern würden, verhindern.

Das Kondensat des Dampfes fließt durch die Leitung 85 in den Kondensat-Sammelbrunnen 18.

Der Anfahrbehälter 27 enthält ein (nicht gezeichnetes) federbelastetes, mit einer Verriegelungseinrichtung versehenes Ventil, das den Strom aus demAnlaßbehälter einleiten soll. Während des Anfahrens würden die (nicht gezeichnete) Luftzufuhr- und Brennstoffzufuhr-Einrichtung und ein (ebenfalls nicht gezeichneter) Zünder betätigt werden, um Heißluft in die Erhitzer-Ekonomiser-Einheit 12 zu führen. Sobald die Flamme hergestellt ist und das Metall des Erhitzers eine kritische Temperatur erreicht hat, löst eine hierfür vorgesehene Vorrichtung die am Anfahrbehälter 27 angebrachte Verriegelungseinrichtung und gibt die Feder frei, so daß sie Flüssigkeit hohen Druckes in die Hochdruckleitungen 31, 35 und IM einführen und diese füllen kann. Dies gibt ferner Strom zu den Lagern, wie in Fig. 1 gezeichnet, frei. Während das Metall des Erhitzers und die Arbeitsflüssigkeit auf ihre Solltemperatur kommen, wird die von der Pumpe 25 zur Pumpe 22 führende Leitung durch Entnahme einer kleinen Menge Hochdruckflüssigkeit gefüllt.

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Wenn die Erhitzertemperatur eine gewisse Höhe erreicht, wird das Absperrventil 78 geöffnet und der Strom zur Turbine freigegeben. Die Turbine wird dann in etwa 10 bis 15 Sekunden auf 120.000 O/min beschleunigt. Wenn die Turbine ihre volle Drehzahl nahezu erreicht hat, wird die Speisepumpe 25 höheren Druck als der Anfahrbehälter 27 liefern und das Rückschlagventil 32 sich öffnen und Flüssigkeitsstrom in die Anlage einlassen. Wenn die Turbine ihre volle Drehzahl ganz erreicht hat, wird das (nicht gezeichnete) Kondensator-Gebläse eingeschaltet, und Batterien, die mit dem Brenner verbunden sind, werden wieder aufgeladen. Wenn das Kondensat im Sammelbrunnen 18 eine seinem normalen Betriebspunkt nahe Temperatur erreicht, ist die Anlage bereit, volle Last aufzunehmen. Dies geschieht schnell, da die Anlage verhältnismäßig leicht ist und nur etwa 1,5 kg Arbeitsflüssigkeit (Toluol) enthält. Die Anfahrzeit läßt sich noch weiter verkürzen, wenn der mit der Turbine Ik gekuppelte elektrische Stromerzeuger in programmierter Weise belastet wird, um elektrische Energie in Erhitzer zu liefern, die um dtn Kondensat-Sammelbrunnen gewickelt sind.

Wenn die Anlage stillgesetzt ist, wird ein (nicht gezeichneter) batterie-gespeister Elektromotor eingeschaltet, um die Feder am Anlaßbehälter 27 in ihre Vor-Start-Stellung zu bringen. Auch kann eine Handkurbel vorgesehen werden, um die Feder des Anfahrbehälters zu spannen.

Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung hier in Zusammenhang mit der Lieferung von Dampf an eine Turbine zum Antrieb eines Stromerzeugers in einer elektrischen Kraftwerksanlage gezeigt und beschrieben ist, sollte es doch klar sein, daß die Verwendung der Erfindung nioht darauf beschränkt ist und die Erfindung z. B. auoh zur Speisung einer Turbine zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges benutzt werden kann.

Claims (3)

Ill· I I I I - 13 - Schutzansprüche

1. Erhitzer-Ekonomiser-Vorrlchtung für eine Dampfkraftanlage mit organischem Arbeitsmittel, insbesondere Toluol, zu der außerdem eine Turbine, ein als Regenerator bezeichneter, abdampf-beheizter Flüssigkeitsvorwärmer, ein Kondensator und eine Speisepumpe gehören, dadurch gekennzeichnet , daß die Erhitaer-Ekonomiser-Vorrichtung (12) Feuergas-Einlaßöffnungen (49), einen zentralen Feuerungsraum (52), einen diesen umgebenden ringförmigen Erhitzerteil (55) und einen damit zusammengebauten, diesen umgebenden, ringförmigen Ekonomiserteil (42) aufweist, wobei der Erhitzerteil (55) einen ringförmig angeordneten ersten Satz von Erhitzerrohren (60) enthält und der rauehgas-beheizbare Ekonomiserteil (42) zur Vorwärmung von dem Erhitzerteil (55) zuzuführender Speiseflüssigkeit einen Satz von Rohren (63) aufweist, der die Erhitzerrohre (60) umgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Erhitzerteil (55) auf der Feuergasseite eine Füllung (56) aus zusammengelöteten Kugeln und in den Erhitzerrohren (60) Kugelfüllungen (62) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ekonomiserteil (42) die Speiseflüssigkeitsrohre (63) von einer Packung (65) aus zusammengeschweißten Kugeln umgeben Bind.

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