DK178133B1

DK178133B1 - Stor turboladet dieselmotor med energigenvindingsindretning

Info

Publication number: DK178133B1
Application number: DK200801354A
Authority: DK
Inventors: Niels Kjemtrup
Original assignee: Man Diesel & Turbo Deutschland
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2015-06-15
Also published as: WO2007115579A2; DK200801354A; JP2009532614A; KR101238728B1; CN101415908A; WO2007115579A3; KR20080113402A; JP4709923B2; CN101415908B

Abstract

Stor turboladet dieselmotor, der er forsynet med udstødningsgaskedler og en kraftturbine til genvinding af energi i udstødningsgasserne. En af kedlerne kan være en integral del af udstødningsgasmodtagerne. En del af udstødningsgasstrømmen inden turboladerens turbine set i strømmens retning forgrenes til kraftturbinen. Motoren indeholder en forvarmningskedel ved lavtrykssiden af turboladerens turbine, mens der er placeret en overhedningskedel ved højtrykssiden af turboladerens turbine. Motoren kan drives med i høj grad befugtet skylleluft for i den forbindelse at øge mængden af energi i udstødningsgasserne, der kan genvindes. Motoren kan også drives som en varmepumpe, idet udstødningsgassen, der forlader motoren, har en temperatur, der er lavere end omgivelsestemperaturen.

Description

STOR TURBOLADET DIESELMOTOR MED ENERGIGENVINDINGSINDRETNING

OPFINDELSENS OMRÅDE

Den foreliggende opfindelse angår en stor turboladet dieselmotor med en eller flere kedler, der opvarmes med udstødningsgas, og særligt en stor turboladet dieselmotor, der er forsynet med en kraftturbine, der drives med udstødningsgas, der forgrenes inden turboladerens turbine set i strømmens retning.

OPFINDELSENS BAGGRUND

EP 0 434 419 præsenterer en stor turboladet totaktsdieselmotor, i hvilken varmeenergi fra udstødningsgassen genvindes ved en kombination af en kedel på lavtrykssiden af turboladeren og en kedel på højtrykssiden af turboladeren. Ved lavere motorbelastninger reduceres genvindingen af varmeenergien fra udstødningsgasserne, inden disse ledes til turboladeren, ved at lede en del af udstødningsgassen direkte ind i turboladeren, idet den første kedel set i strømmens retning omgås. Når der placeres en kedel mellem udstødningsgasmodtageren og turbinen i turboladeren, bliver den samlede konstruktion imidlertid forholdsvis voluminøs og kompliceret. Desuden forringer den øgede længde af strømningsvejen mellem udstødningsventilerne og turboladeren turboladerens reaktion i forbindelse med accelerationer. Desuden genvinder denne motor kun varme, mens der ikke er truffet nogen forholdsregler til at omdanne den genvundne energi til en mere anvendelig form for energi såsom rotationskraft eller elektricitet.

PRÆSENTATION AF OPFINDELSEN

På denne baggrund er formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en turboladet dieselmotor af den indledningsvist nævnte art, der er mere kompakt og mindre kompliceret at konstruere. Dette formål opnås ifølge krav 1 ved at tilvejebringe en turboladet dieselmotor af den nævnte art, der indeholder en flerhed af cylindre, der hver især er forbundet med en udstødningsgasmodtager via hver deres manifoldrør, et første udstødningsgasrør set i strømmens retning til at lede udstødningsgasserne fra udstødningsgasmodtageren til indløbet på turbinen i turboladeren, et andet udstødningsgasrør set i strømmens retning til at lede udstødningsgasserne fra udløbet på turbinen i turboladeren ud i atmosfæren, en eller flere kedler, der opvarmes med udstødningsgas, eller varmevekslere til genvinding af varmeenergi fra udstødningsgasserne, idet i det mindste en af disse kedler eller varmevekslere er placeret inden for den nævnte udstødningsgasmodtager.

Ved at placere en af kedlerne fysisk inden i udstødningsgasmodtageren er der på effektiv vis en komponent mindre i systemet, der kræver plads i det snævre område øverst på en stor turboladet dieselmotor. Denne foranstaltning skaber således mere plads omkring motoren, og den reducerer desuden omfanget af rørledningssystemet. Desuden gives der afkald på et hus til kedlen, da huset til udstødningsgasmodtageren nu opfylder to funktioner: Tilvejebringelse af et hulrum til modtagelse og samling af udstødningsgasserne fra de enkelte cylindre og tilvejebringelse af et hulrum til anbringelse af en kedel. En yderligere fordel består i, at trykfaldet gennem kedlen har mulighed for at blive tre gange større end i de traditionelle konstruktioner uden en reduktion af motorydelsen. Et øget trykfald muliggør igen en øget gashastighed, der muliggør en betydelig reduktion af varmeveksleroverfladen (når alle andre parametre er ens) , hvilket således resulterer i en meget mindre kedel.

Den store turboladede dieselmotor kan desuden indeholde en forvarmnings-/fordampningskedel på lavtrykssiden af turboladeren. I dette tilfælde anvendes kedlen, der er placeret inden i udstødningsgasmodtageren, til at overhede damp, der produceres af kedlen på lavtrykssiden af turboladeren. I den forbindelse forbedres kvaliteten af dampen, særligt når den overhedede damp skal anvendes i en dampturbine.

Den store turboladede dieselmotor kan desuden indeholde en dampturbine, der drives med damp, der produceres af kedlen eller kedlerne. I den forbindelse omdannes energien, der skal genvindes fra udstødningsgasserne, til en mere anvendelig kraftform for energi. Kraftturbinen kan drive en elektrisk generator, der tjener til at omdanne rotationskraften til elektricitet.

Udstødningsgasmodtageren kan indeholde en flerhed af kedler eller adskillige trin inden for en enkelt kedel. Energien i udstødningsgassen kan således overføres mere effektivt til dampen.

Flerheden af kedler kan udgøre et system, som producerer overhedet damp med flere damptrin, og som indeholder forvarmnings-/fordampningskedler og overhednings-/fordampningskedler.

Yderligere formål, kendetegn, fordele og egenskaber ved den ladede forbrændingmotor ifølge opfindelsen fremgår af den detaljerede beskrivelse.

KORT BESKRIVELSE AF OPFINDELSEN

I den følgende detaljerede del af den foreliggende beskrivelse forklares opfindelsen mere detaljeret med henvisning til de eksemplariske udførelsesformer, der vises på tegningerne, på hvilke: figur 1 viser en delvis afbildning set fra siden af en stor turboladet dieselmotor ifølge en første udførelsesform for opfindelsen, figur 2 viser et længdetværsnit gennem motoren på figur 1, figur 3 skematisk viser en stor turboladet dieselmotor med foranstaltninger til genvinding af varmeenergi ifølge en anden udførelsesform for opfindelsen, figur 3a er et diagram, der viser driftsparametrene for motoren fra figur 3, figur 4 skematisk viser en stor turboladet dieselmotor med foranstaltninger til genvinding af varmeenergi ifølge en tredje udførelsesform for opfindelsen, figur 4a er et diagram, der viser driftsparametrene for motoren fra figur 4, figur 5 skematisk viser en stor turboladet dieselmotor med foranstaltninger til genvinding af varmeenergi ifølge en tredje udførelsesform for opfindelsen, figur 5a er et diagram, der viser driftsparametrene for motoren fra figur 5, figur 6 viser en anden udførelsesform for opfindelsen, i hvilken motoren drives som en varmepumpe, figur 7 viser en yderligere udførelsesform for opfindelsen, som ikke gør brug af en turbolader, men som i stedet er forsynet med en turbine og en blæser, der er forbundet elektrisk med hinanden, og figur 8 viser en anden udførelsesform for opfindelsen, der gør brug af recirkulation af udstødningsgas.

DETALJERET BESKRIVELSE AF FORETRUKNE UDFØRELSESFORMER

I den følgende detaljerede beskrivelse beskrives den store turboladede dieselmotor ifølge opfindelsen i form af en stor totaktsdieselmotor ved hjælp af de foretrukne udføreisesformer.

Konstruktionen og driften af store turboladede dieselmotorer såsom store totaktsdieselmotor af krydshovedtypen er velkendte i sig selv og bør ikke kræve yderligere forklaring i den foreliggende sammenhæng. Yderligere detaljer, der angår driften af lade- og udstødningsgassystemerne, er angivet nedenfor.

Figur 1 viser en første udførelsesform for et øverste område af en stor totaktsdieselmotor 1 ifølge opfindelsen. Denne motor er forsynet med en flerhed af cylindre, der er anbragt ved siden af hinanden i en række. Hver cylinder er forsynet med en udstødningsventil (ikke vist), der er forbundet med dens cylinderdæksel. Udstødningskanalerne kan åbnes og lukkes ved hjælp af udstødningsventilen. Manifoldrør forbinder de pågældende udstødningskanaler med en udstødningsgasmodtager 3. Udstødningsgasmodtageren 3 er placeret parallelt med rækken af cylindre. Manifoldrørene 40 munder ud i udstødningsgasmodtageren 3, og en udstødningsledning leder fra udstødningsgasmodtageren til turbinen i en turbolader. I motorer med et meget stort antal cylindre (for eksempel 10 eller flere cylindre) kan udstødningsgasmodtageren deles i længderetningen i to eller flere dele (ikke vist).

Udstødningsgasmodtageren 3 har i denne udførelsesform et cylindrisk hus 42, der, som vist på figur 2, ved sine ender er forsynet med aftagelige dæksler 44. Det cylindriske hus 42 indeholder en varmeveksler 23, som udstødningsgasserne kan strømme igennem for at producere overhedet damp. Varmeveksleren 23 virker således som en kedel. Det cylindriske hus 42 indeholder desuden en samleledning 46, som manifoldrørene 40 slipper udstødningsgasserne ud i.

Det cylindriske hus 42 til udstødningsgasmodtageren er, således som det er vist på figur 2, delt i to varmevekslerdele 50a og 50b og samleledningsdele 46a og 46b, der er sidestillet med et centralt udløbskammer 52, som udstødningsgasserne forlader via en udstødningsledning. Følgelig er konstruktionen af udstødningsgasmodtageren 3 symmetrisk i forhold til dens centrale radiale plan.

Begge afsnit 50a, 50b af varmevekslerarrangementet består af adskillige varmevekslingselementer, som følger efter hinanden, som er velkendte i sig selv, og som er adskilt af afstandsstykker 49. Hvert afsnit 50a, 50b indeholder to varmevekslingselementer 57a, 58a, 57b, 58b, der hver især indeholder et stort antal af rør, der forløber i gasstrømmens retning, der angives ved en pil, der er indtegnet som en fuldt optrukken linje, parallelt med længdeaksen af det cylindriske hus. Strømningsretningerne i de respektive varmevekslerdele 50a og 50b ligger over for hinanden og peger mod hinanden.

Tværsnitskonturen af de excentrisk placerede varmevekslerelementer 57a, 58a, 57b, 58b har form af et ringsegment, der støder op til den indvendige omkreds af det cylindriske hus 42. Ringsegmenterne kan deles op i undersegmenter for at gøre monteringen lettere (ikke vist).

Det cylindriske hus 42 til udstødningsgasmodtageren 3 er forsynet med en skillevæg 63, der adskiler varmevekslerelementerne fra resten af tværsnittet af det indre af udstødningsgasmodtageren 3 og i den forbindelse opdeler tværsnittet af det indre af udstødningsgasmodtageren i en kanal til optagelse af varmevekslerelementerne og en kanal til at samle og føre udstødningsgasserne mod kanalen med varmevekslerelementerne 57a, 58a, 57b, 58b.

I den sidstnævnte kanal (som manifoldrørene 40 munder ud i) ledes udstødningsgassen i retning af pilen, der er vist med stiplede linjer.

Varmeelementerne kan trækkes tilbage i kanalen til optagelse af varmeelementerne. De langsgående udvendige varmeelementer er adskilt fra de indvendige varmeelementer ved hjælp af afstandsstykker 49. Den samlede enhed holdes på plads ved hjælp af låseplader 66.

Samlekanalerne 46a, 46b har en tragtformet tværsnitsform, der åbner i en radialt udadgående retning. Manifoldrørene 40 er placeret således, at de blæser udstødningsgasserne ind i de respektive samlekanaler 46a, 46b.

Samlekanalerne 46a, 46b er adskilt fra det centrale udløbskammer 52 ved hjælp af sidevægge 69, der er forbundet med frontale ender på samlekanalerne. Samlekanalerne 46a, 46b er åbne ved deres modsatte ender med en vis afstand til de aftagelige dæksler 44. I den forbindelse er der udformet modstrømningskamre 71a, 71b i området ved enderne af udstødningsgasmodtagerens hus 42. Modstrømningskamrene 71a, 71b forbinder samlekanalerne 46a, 46b med kanalerne, i hvilke varmevekslerafsnittene optages. Således er der udformet strømningsbaner på begge sider af udløbskammeret 52, der forbinder optagelseskanalerne 46a, 46b via kanalerne, der indeholder varmevekslerelementerne, med udløbskammeret. Udstødningsgasserne, der forlader manifoldrørene 40 i de respektive samlekanaler 46a, 46b, strømmer, således som det er vist på figur 2 med pilene, der er indtegnet med stiplede linjer, hen til modstrømningskamrene 71a, 71b og fra disse, således som det er vist med pilene, der er indtegnet med fuldt optrukne linjer, gennem de respektive varmevekslerelementer 57a, 58a, 57b, 58b mod udløbskammeret 52.

Således tjener huset 42 til udstødningsgasmodtageren 3 til at indeholde både et optagelseshulrum til udstødningsgas og en kedel til genvinding af varmeenergi fra udstødningsgasserne. Ved at integrere kedlen inden i udstødningsgasmodtageren kan pladsen, der behøves til en udstødningskedel, spares, og der kan gives afkald på huset til en udstødningsgaskedel.

Figur 3 viser en anden udførelsesform for en stor turboladet totaktsdieselmotor af krydshovedtypen 1 med dens indsugnings- og udstødningssystemer. Motoren 1 indeholder en ladeluftmodtager 2 og en udstødningsgasmodtager 3. Udstødningsgasmodtageren 3 kan være af den type, der er beskrevet i den første udførelsesform, men dette er ikke nødvendigvis tilfældet. Motoren er forsynet med udstødningsventiler (en eller flere for hver cylinder), der ikke er vist. Motoren 1 kan f.eks. anvendes som hovedmotor i et søgående fartøj eller som en stationær motor til drift af en generator i et kraftværk. Den samlede nytteeffekt ved motoren kan for eksempel variere fra 5.000 til 110.000 kW, men opfindelsen kan også anvendes i firtaktsdieselmotorer med en effekt på for eksempel 1.000 kW.

Ladeluften strømmer fra ladeluftmodtageren 2 til skylleluftåbningerne (ikke vist) på de pågældende cylindre. Når udstødningsventilen 4 åbnes, strømmer udstødningsgassen gennem manifoldrør og ind i udstødningsmodtageren 3 og derfra videre gennem en første udstødningsledning 5 til en turbine 6 i en turbolader, fra hvilken udstødningsgassen strømmer afsted gennem en anden udstødningsledning 7. Ved hjælp af en aksel 8 driver turbinen 6 en kompressor 9, der forsynes via en luftindsugning 10. Kompressoren 9 tilfører ladeluft under tryk til en ladeluftledning 11, der fører hen til ladeluftmodtageren 2.

Indsugningsluften i ledningen 11 passerer gennem en mellemkøler 12 til afkøling af skylleluften - der forlader kompressoren 9 ved en temperatur på omtrent 200 °C - til en temperatur på omtrent 36 °C.

Den afkølede skylleluft føres via en hjælpeblæser 16, der drives af en elektrisk motor 17, der sætter skylleluftstrømmen under tryk (ofte kun under forhold med lav eller delvis belastning) og hen til skylleluftmodtageren 2. Ved større belastninger er mængden af skylleluft, der leveres af turboladerens kompressor 9 tilstrækkelig til at drive motoren, og hjælpeblæseren 16 stoppes. I denne tilstand omgås hjælpeblæseren 16 via ledningen 15.

En første kedel 23, fortrinsvis i form af en varmeveksler f.eks. af rør- eller finnetypen, anbringes i den første udstødningsledning 5, dvs. inden turbinen 6 set i strømmens retning, og anvender varmeenergi i udstødningsgasserne til at producere damp. Udstødningsgasserne har, når de ankommer til udstødningsgasmodtageren 3, en temperatur på omkring 455 °C, og temperaturen ved indgangen til den første kedel 23 er kun ubetydeligt lavere. Den første kedel 23 kan være en integral del af udstødningsgasmodtageren 3, således som det er vist og forklaret med henvisning til den første udførelsesform ovenfor.

Efter kedlen 23 set i strømmens retning forgrenes udstødningsledningen, idet den største del af udstødningsgasserne fortsætter via udstødningsledningen 5 mod turbinen 6, og en mindre del af udstødningsgasserne strømmer via en ledning 30 mod en kraftturbine 31. Den yderligere kraftturbine 31 driver en elektrisk generator 32 .

En overskydende energi i udstødningsgasstrømmen omdannes således til elektrisk energi, dvs. energi med en høj eksergi. Mængden af udstødningsgas, der forgrenes til kraftturbinen 31, kan reguleres via en variabel strømreguator (ikke vist) i ledningen 30. Udstødningsgasserne, der forlader kraftturbinen 31, ledes hen til en anden udstødningsledning 7 og føres der tilbage til udstødningsgassens hovedstrøm.

Den anden udstødningsledning 7 leder udstødningsgasserne hen til indløbet på en anden kedel 20, der indeholder en varmeveksler, f.eks. af rør- eller finnetypen. En tredje udstødningsledning 21 leder ladeluft fra udløbet på den anden kedel 20 ud i atmosfæren. Inden udstødningsgasserne når ud i atmosfæren, kan de renses i en SCR-reaktor (ikke vist) for at reducere f.eks. NOx-niveauer og passere gennem en lyddæmper (ikke vist) for at reducere støjforureningen.

Den anden kedel 20 anvender varmen i udstødningsgasstrømmen til at producere damp under tryk. På dette stade er udstødningsgassens temperatur lavere, end når den forlader cylindrene, typisk ligger temperaturen ved udløbet på turboladerens turbine 6 i området mellem 250 og 300 °C.

En ledning 22 leder dampen, der produceres i den anden kedel 20, hen til indløbet på den første kedel 23. Den første kedel opvarmes med udstødningsgasser, der har en temperatur på omtrent 450 °C, og er således et meget effektivt medium til at fordampe/overhede vandet/dampen, der ledes ind i den første kedel 23.

Den overhedede damp ledes via ledningen 34 hen til en dampturbine 37, der omdanner energien i dampen til roterende mekanisk kraft. Dampturbinen 37 driver en elektrisk generator 35 til produktion af elektrisk energi, der kan anvendes ombord på et søgående fartøj, f.eks. til at drive køleudstyr, eller tilføjes til elektriciteten, der produceres i et stationært kraftværk. Selvom det ikke er vist i denne eller nogen af de andre udførelsesformer, forstås det, at kedlerne og dampturbinen er en del af et dampkredsløb, der indbefatter en kondensator, en køler og andre komponenter, der er velkendte inden for dampkraftområdet.

Et eksempel på driftsparametrene i den anden udførelsesform med en MAN B&W® 12K98ME motor er angivet i tabel 1 nedenfor. Dette er en motor med 12 cylindre med en cylinderboring på 98 cm. Det skal bemærkes, at turboladerens kompressor plus en mulig hjælpeblæser kræver en krafteffekt på omtrent 25000 kW. Denne kraft udtrækkes fra udstødningsgassen og/eller leveres af hjælpeblæserne.

Det er muligt baseret på energiligninger at definere en optimal værdi med hensyn til kraftudtrækningen fra det samlede system. Dette afhænger til syvende og sidst af forhold såsom arten af kedlen, arten af dampturbinen og betingelserne for brugen af den store totaktsdieselmotor. På søgående fartøjer fokuseres der hovedsageligt på tilvejebringelsen af rotationskraft, mens en anvendelse i et stationært kraftværk fokuserer i lige høj grad på varmeproduktion (til opvarmning af kvarterer) og produktion af elektricitet.

Systemet kan drives ved forskellige driftsteder med en variabel mængde af kraft, der udtages fra udstødningsgassen ved hjælp af den første kedel 23 og kraftturbinen 31.

Kraften, der udtrækkes i den første kedel 23 inden turboladerens turbine 6 set i strømmens retning, reducerer den kraft, der står til rådighed for turboladerens turbine 6 og kraftturbinen 31, mens kraften, der udtrækkes i den anden kedel 20, ikke har nogen indflydelse på kraften i turboladeren og kraftturbinen.

I eksemplet i tabel 1 udtrækkes der en mængde af energi på 10.000 kW i den første kedel 23 til tilførsel til dampturbinen 37 (denne mængde er valgt vilkårligt for dette eksempel, og der kan også vælges andre mængder, således som det er vist på figur 3A).

Figur 3A er et diagram, der viser udregningsresultaterne for forskellige værdier for mængden af kraft, der udtrækkes ved den første kedel 23. Diagrammet viser kraften ved de enkelte komponenter som en procentdel af motorakselkraften for at illustrere det forhold, at opfindelsen kan anvendes ved forskellige motorstørrelser. I diagrammet ses det, at kraften, der kan udtrækkes fra kraftturbinen, reduceres, når kraften, der udtrækkes i den første kedel 23 inden turboladerens turbine 6 set i strømmens retning, øges. Det optimale driftspunkt kan bestemmes i overensstemmelse med typen af kraften, der er påkrævet (varme- eller rotationskraft/elektricitet).

Hvis der både er påkrævet varme- og rotationskraft såsom i stationære kraftværker, der både leverer elektricitet og varme, ligger det optimale driftspunkt snarest tættere på den maksimale kraftudtrækning via den første kedel 23. Dette driftspunkt kræver, at hjælpeblæseren 16 drives selv under forhold med fuld belastning.

På et søgående fartøj er den påkrævede energi drivkraft, dvs. rotationskraft til at drive skibsskruen (ikke vist). Mængden af varmeenergi, der behøves i fartøjet, er typisk forholdsvis lav, mens mængden af elektricitet, der behøves, er forskellig alt efter arten af fartøjet. På massegodsskibe er mængden af elektricitet, der behøves, forholdsvis lav.

Containerskibe med fragt, der skal køles, eller fragtskibe, der fragter flydende naturgas, behøver en betydelig mængde af elektrisk energi. I disse situationer er det set ud fra et overordnet energieffektivitetssynspunkt fordelagtigt at arbejde med 5.000 til 10.000 kW, der udtrækkes fra den første kedel.

Figur 4 viser en tredje udførelsesform for opfindelsen. Denne udførelsesform svarer i det væsentlige til den anden udførelsesform, bortset fra at skylleluftkøleren 12a er af en anden type. Skylleluftkøleren er en vasker, som store mængder vand sprøjtes ind i og fordampes i. Det indsprøjtede vand er fortrinsvis forholdsvist varmt, f.eks. ved opvarmning af havvand (når motoren installeres i et søgående fartøj) eller flodvand (når motoren installeres i et stationært kraftværk i nærheden af en flod) med spildvarme fra (vand-) kølingssystemet (ikke vist) i motoren 1. Vaskeren 12a drives med det mål, at luft, der forlader vaskerens udløb, har en temperatur på omtrent 70 °C og en relativ fugtghed på i det væsentlige 100%. Den absolutte fugtighed af skylleluften er omtrent fem gange højere end ved skylleluften, der forlader mellemkøleren 12 i den anden udførelsesform. Følgelig er mængden af energi, der er indeholdt i skylleluften og desuden i udstødningsgasserne, øget i væsentlig grad. Således står der mere energi til disposition til udtrækning fra udstødningsgasserne ved hjælp af kedlerne 20, 23 og kraftturbinen 31.

Et eksempel på driftsparametrene i en tredje udførelsesform med en MAN B&W® 12K98ME motor er vist i tabel 1.

For at kunne frembringe dette skylleluftforhold behøver turboladerens kompressor og den mulige hjælpeblæser en krafttilførsel på omtrent 25.000 kW, og desuden skal der tilvejebringes en vandindsprøjtning på omtrent 7,5 kg/s, der fordamper i kompressorens udgangsluft.

Denne krafttilførsel (25.000 kW) skal udtrækkes fra udstødningsgassen og/eller tilføres ved hjælp af hjælpeblæsere.

I dette eksempel udtrækkes der 10.000 kW i den første kedel 23 til levering til dampturbinen 37 (denne mængde er valgt vilkårligt for dette eksempel, og der kan også vælges andre mængder, således som det er vist på figur 4A).

Figur 4A er et diagram, der viser udregningsresultaterne for forskellige værdier for mængden af energi, der udtrækkes inden i den første kedel. Diagrammet viser kraften ved de forskellige komponenter som en procentdel af motorakselkraften for at illustrere det forhold, at opfindelsen kan anvendes ved forskellige motorstørrelser. I diagrammet ses det, at kraften, der kan udtrækkes fra kraftturbinen 31, reduceres, når kraften, der udtrækkes i den første kedel 23 inden turboladerens turbine 6 set i strømmens retning, øges. I det foreliggende eksempel kan der udtrækkes mere end 25.000 kW i den første kedel 23, uden at det er nødvendigt at tilføre kraft til hjælpeblæseren 16. I motoren ifølge den anden udførelsesform kan der kun udtrækkes omkring 14.000 kW i den første kedel, uden at det er nødvendigt at tilføre kraft til hjælpeblæseren 16. Da brændstofeffektiviteten i selve motoren kun forringes meget lidt som følge af den fugtige og varme skylleluft, er den samlede brændstofeffektivitet ved motoren 1 i kombination med udstødningsgasenergigenvindingssystemet ifølge den foreliggende opfindelse betydeligt mere effektivt end ved en traditionel motor med et udstødningsgasenergigenvindingssystem (f.eks. den anden udførelsesform). Det ideale driftspunkt for motoren ifølge den tredje udførelsesform svarer til driftspunkterne for motoren ifølge den anden udførelsesform.

I en variation af den tredje udførelsesform drives motoren med en meget lav udstødningsgastemperatur ved udløbet.

Disse temperaturer kan udgøre helt ned til -40 °C, hvilket betyder, at vandet i udstødningsgassen gennemgår to faseforandringer: Fra damp til væske og fra væske til faststof, f.eks. indeholder udstødningsgassen, der forlader motoren, sne eller en lignende form for is. På denne måde virker motoren som en varmepumpe, hvilket er særligt interessant for anvendelser, ved hvilke der både behøves mekanisk energi og varme såsom ved et kombineret varme- og elektricitetsværk, der benyttes til at levere elektricitet og opvarmning af kvarterer. Denne driftstilstand opnås ved at udtrække en meget stor mængde energi ved den første kedel 23, i eksemplet i tabel 1 udtrækkes der 72.000 kW. Desuden reduceres det effektive område af turbinen 6 med omtrent en tredjedel sammenlignet med det ovenfor beskrevne eksempel/udførelsesform, hvilket medfører en udstødningsgastemperatur på -25 °C. Som en konsekvens af det reducerede effektive turbineområde reduceres den mængde af energi, der står til rådighed for kompressoren 9, i betydeligt omfang (temperaturfaldet af udstødningsgassen gennem turbinen (som følge af gasekspansion) øges, når det effektive turbineområde reduceres) . På denne måde øges kapaciteten og energiforbruget i hjælpeblæseren. I denne udførelsesform er hjælpeblæseren 16 virksom ved alle belastningsforhold, f.eks. også ved fuld belastning, da kraften, der produceres af turbinen 6, ikke engang ved fuld motorbelastning er tilstrækkelig for kompressoren 9 til at producere al den nødvendige skylleluft.

Når motoren kører på svær brændselsolie eller dieselolie, konstrueres komponenterne i udstødningsdelen efter dugpunktet set i strømmens retning med korrosionsresistente materialer, således at de kan modstå de sure aflejriner, der er et resultat af svovlindholdet i disse brændstoffer (kondensatet indeholder svovlsyre).

Når motoren drives med naturgas eller et andet brændstof, der i det væsentlige er svovlfrit, er sådanne foranstaltninger ikke påkrævet.

Et eksempel på driftsparametrene for denne variant af den tredje udførelsesform med en MAN B&W® 12K98ME motor er vist i tabel 1 i spalten "3 cold".

I denne variant af den tredje udførelsesform er der ingen anden kedel ved lavtrykssiden på grund af de lave temperaturer af udstødningsgassen efter turboladerens turbine. Således indeholder systemet kun den første kedel 23 ved turbinens højtryksside.

I en anden variant af denne udførelsesform (ikke vist) er motoren forsynet med en anden turbine til drift med højere udstødningsgastemperaturer ved både turbinens høj- og lavtryksside (f.eks. mellem 50 og 200 °C ved lavtrykssiden og mellem 150 og 350 °C ved højtrykssiden), når kravet til varme er mindre og der sættes højere fokus på rotationkraft, f.eks. i forbindelse med drift om sommeren af et kombineret kraft- og varmeværk. Systemet kan enten skifte til en anden turbine med et større effektivt turbineområde end ved turbinen, der anvendes til at opnå udstødningsgastemperaturer under omgivelsestemperaturen, eller den anden turbine kan også have et forholdsvist lille effektivt turbineområde, og de to turbiner, der hver især har et lille effektivt område, anvendes parallelt og modtager hver især en del af udstødningsgasstrømmen. Under drift med højere udstødningsgastemperaturer leverer turbinen med det større effektive turbineområde eller de to turbiner med et lille effektivt turbineområde i paralleldrift en tilstrækkelig mængde kraft til kompressoren, således at hjælpeblæseren kun behøver at være aktiv under forhold med lav belastning. Kraften, der udtrækkes ved kedlen 23, sænkes tilsvarende for at opnå, at temperaturen af udstødningsgasserne, der forlader kedlen 23, opfylder den ønskede temperatur af udstødningsgassen ved turbinen 6's lavtryksside. Alternativt kan der anvendes en enkelt turbine med en variabel effektiv turbine (ikke vist) i stedet for to turbiner for at opnå den påkrævede fleksibilitet i det effektive turbineområde. Således er denne anden variant i stand til at arbejde i en modus, der fokuserer på varmeproduktion og en meget høj samlet energieffektivitet, mens den anden side fokuserer på produktion af rotationskraft, og systemet er i denne modus optimeret til at have en maksimal effektivitet af mængden af rotationskraft, der kan udtrækkes fra brændstoffet.

Figur 5 viser en fjerde udførelsesform for opfindelsen. Denne udførelsesform svarer i det væsentlige til den anden udførelsesform, bortset fra at den første kedel 23 er placeret i udstødningsgasstrømmen, der forgrenes fra udstødningsgasledningen 5. Følgelig passerer kun den forgrenede del af udstødningsgasserne gennem den første kedel 23. En ledning 30 leder udstødningsgasserne fra udløbet på den første kedel 23 og hen til kraftturbinen 31. Fordelen ved denne udførelsesform ligger i, at udstødningsgasserne kan strømme fra udstødningsgasmodtageren 3 direkte hen til turboladerens turbine 6, hvilket betyder, at motoren har en bedre reaktion i forbindelse med accelerationer. Udløbet på kraftturbinen 31 er enten forbundet med indløbet på den anden kedel 20 eller den sidste del af udstødningsledningen 21 som vist ved den stiplede linje. Valget af forbindelsen afhænger af udløbstemperaturen ved kraftturbinen 31. Hvis udløbstemperaturen ved kraftturbinen 31 er betydeligt lavere end ved turboladerens turbine 6, forbindes udløbet på kraftturbinen med den sidste del af udstødningsledningen 21.

Et eksempel på driftsparametrene for den fjerde udførelsesform med en MAN B&W® 12K98ME motor er vist i tabel 1 i spalte "4".

I dette eksempel forgrenes 20% af udstødningsgasserne mod kraftturbinen, den mulige kraftturbines kraftudtag (POPT) eller hjælpeblæserens krafttilførsel.

Det er muligt at bestemme en optimal værdi med hensyn til kraftudtrækningen fra det samlede system. Dette afhænger til syvende og sidst af omstændigheder såsom arten af kedlen, arten af dampturbinen og brugsbetingelserne for den store totaktsdieselmotor På søgående fartøjer sættes der hovedsageligt fokus på tilvejebringelsen af rotationskraft, mens der ved en anvendelse i et stationært kraftværk fokuseres i lige høj grad på varmeproduktion (opvarmning af kvarterer) og produktion af elektricitet.

Kraften, der står til rådighed i udstødningsgasstrømmen (160 kg/s) ved 455 °C og 3,35 bar (abs.), kan udnyttes i fire indretninger.

1) Den første kedel 23 inden turboladerens turbine 6 set i strømmens retning; 2) kraftturbinen 31; 3) den anden kedel 20 efter turboladerens turbine 6 set i strømmens retning; og 4) turboladerens turbine 6.

Systemet kan drives ved forskellige driftspunkter med en variabel mængde af kraft, der udtages fra udstødningsgassen ved den første kedel 23 og kraftturbinen 31.

Kraften, der udtrækkes i den første kedel 23 inden turboladerens turbine 6 set i strømmens retning, reducerer den kraft, der står til rådighed for turboladerens turbine 6 og kraftturbinen 31, mens kraften, der udtrækkes i den anden kedel 20 ikke har nogen indflydelse på kraften i turboladeren og kraftturbinen.

Resultaterne for andre mængder af energi, der udtrækkes fra den første kedel 23, vises i diagrammet på figur 5A.

I en variant af den fjerde udførelsesform (ikke vist) erstattes køleenheden 12 af en køle- og befugtningsenhed 12a, der tilføjer en betydelig mængde vand (damp) til ladeluften. Ladeluften afkøles ved denne udførelsesform ikke til en så lav temperatur som i udførelsesformerne uden befugtning af ladeluften. Driftsparametrene for denne udførelsesform er vist i tabel 1 i spalten „4 humid".

Figur 6 viser en femte udførelsesform for opfindelsen. Denne udførelsesform svarer i det væsentlige til den anden udførelsesform, bortset fra at den anden kedel 20 ikke er tilvejebragt. Desuden drives motoren med en meget lav udstødningsgastemperatur ved udløbet. Disse temperaturer kan udgøre helt ned til -40 °C, hvilket betyder, at vandet i udstødningsgassen gennemgår to faseforandringer: Fra damp til væske og fra væske til faststof, f.eks. indeholder gassen, der forlader motoren, sne eller en lignende form for is. På denne måde virker motoren som en varmepumpe, hvilket er særligt interessant i forbindelse med anvendelser, ved hvilke der både behøves mekanisk energi og varme såsom i et kombineret varme- og elektricitetsværk, der anvendes til levering af elektricitet og opvarmning af kvarterer.

Den lave temperatur af udstødningsgassen opnås ved at udtrække en stor mængde energi ved kedlen 23, således at temperaturen af udstødningsgasserne, der forlader kedlen 23, er forholdsvis lav. Den efterfølgende ekspansion af udstødningsgassen i turboladeren medfører et yderligere fald af udstødningsgassens temperatur. Dette temperaturfald er ikke begrænset til omgivelsestemperaturen men kan falde til betydeligt under omgivelsestemperaturen. På denne måde omdannes forbrændingsmotoren til en såkaldt varmepumpe, i hvilken lavtemperaturvarmeenergi udtrækkes fra omgivelserne for at producere højtemperaturvarme.

Når motoren kører på svær brændselsolie eller dieselolie, konstrueres komponenterne i udstødningsdelen efter dugpunktet set i strømmens retning med korrosionsresistente materialer, således at de kan modstå de sure aflejringer, der er et resultat af svovlindholdet i disse brændstoffer (kondensatet indeholder SO3 - svovlsyre).

Når motoren drives med naturgas (LNG), LPG, DME, alkohol eller et andet brændstof, der i det væsentlige er svovlfrit, er sådanne foranstaltninger ikke påkrævet.

I den femte udførelsesform er der ingen kedel på lavtrykssiden på grund af de lave temperaturer af udstødningsgassen efter turboladerens turbine. Således indeholder systemet kun den første kedel 23 ved turbinens høj tryksside.

Et eksempel på driftsparametrene for den femte udførelsesform, hvor der anvendes en MAN B&W® 12K98ME motor, er vist i tabel 1 i spalten "5&6".

Kraften, der står til rådighed i udstødningsgasstrømmen (160 kg/s ved 455 °C og 3,30 bar (abs.), udnyttes i tre indretninger.

1) Den første kedel 23 inden turboladerens turbine 6 set i strømmens retning; 2) kraftturbinen 31; og 3) turboladerens turbine 6

Kraften, der udtrækkes i den første kedel 23 inden turboladerens turbine 6 set i strømmens retning, reducerer den kraft, der står til rådighed for turboladerens turbine 6 og kraftturbinen 31.

I en variant af den femte udførelsesform (ikke vist) er motoren ligesom beskrevet ovenfor i forbindelse med den tredje udførelsesform forsynet med to turbiner for også at gøre det muligt at drive motoren med højere udstødningsgastemperaturer med fokus på effektiviteten af mængden af rotationskraften, der udtrækkes fra brændstoffet i forhold til den samlede brændstofenergi (udregnet i forhold til den kombinerede varme og kraft, der produceres af motoren) .

Figur 7 viser en sjette udførelsesform for opfindelsen. Denne udførelsesform svarer til udførelsesformen på figur 6, bortset fra at turboladeren 8 er udeladt. En elektrisk drevet blæser 16' (der ikke længere kan betegnes som „hjælpeblæser") sætter skylleluften under tryk. På udstødningsgassiden overtager en udvidet kraftturbine 31' funktionen af turboladerens turbine og leverer elektricitet via den elektriske generator 32' til den elektriske drivmotor 17', der føder blæseren 16'. Overskydende elektrisk energi, der frembringes af den udvidede generator 32', kan anvendes til andre formål. Håndteringen af den elektriske energi, der frembringes af generatoren 32', kan foretages af en styreenhed (ikke vist), der arbejder i overensstemmelse med et fødestyreprogram, eller under direkte instruktioner fra en levende operatør. Fraværet af en fast forbindelse mellem turbinen og kompressoren muliggør en mere fleksibel drift af denne motor, da kraften, der genereres ved hjælp af kraftturbinen, kan fordeles mere fleksibelt end ved en fast akselforbindelse mellem turbinen og kompressoren. Et akkumulatorsystem (ikke vist) såsom et elektrisk batteri kan anvendes til at kompensere for udsving i mængden af energi, der kræves til blæseren 16', hvorved motorens reaktion i forbindelse med accelerationer forbedres, da den afgivne blæsereffekt kan øges samtidig med en forøgelse af mængden af indsprøjtet brændstof, uden at det er nødvendigt at vente på turbinens reaktion på den øgede udstødningsgasstrøm.

Motoren ifølge den sjette udførelsesform kan drives fleksibelt over et område af kraftværdier, der kan udtrækkes inde fra kedlen 23. I en „vinter"-indstilling eller driftstilstand, hvor der behøves store mængder af varme til opvarmning af kvarterer, drives motoren således som en varmepumpe med udstødningsgastemperaturer ved udløbet på et godt stykke under 0°C, og en „sommer"-indstilling eller driftstilstand, hvor motoren ikke drives som en varmepumpe og udstødningsgastemperaturer inden for et område på mellem 50 og 200 °C. Til sommerindstillingen anvendes der en anden turbine (ikke vist) i kombination med kraftturbinen 31' eller i stedet for kraftturbinen 31', således at det samlede effektive turbineområde er forøget. Alternativt kan der anvendes en enkelt turbine med en variabel effektiv turbine. Skiftet af driftstilstanden bestemmes også af mængden af energi, der udtrækkes ved kedlen 23. Jo større mængden af energien, der udtrækkes ved kedlen 23, er, jo lavere bliver temperaturen af udstødningsgassen, der forlader turbinen.

I "vinter"-indstillingen svarer de forskellige temperaturer og tryk til eksemplet, der er tilvejebragt for den femte udførelsesform, jf. tabel 1.

I en variation af den sjette udførelsesform (ikke vist) driver turbinen 31' en hydraulikpumpe, og blæseren 16 drives af en hydraulikmotor (i stedet for en elektrisk generator henholdsvis motor). Hydraulikpumpen og motoren kan være positive fortrængningsindretninger eventuelt med en variabel slaglængde til opnåelse af fleksibilitet. Hydraulikpumpen og motoren er forbundet med hinanden via ledninger og ventiler, der styres af styreenheden 27, således at den hydrauliske energi, der leveres af pumpen, anvendes til at forsyne hydraulikmotoren.

En anden variation af den sjette udførelsesform (ikke vist) drives med udstødningsgas på 180 °C og en anden kedel på lavtrykssiden af kraftturbinen 31' for at maksimere effektiviteten af "sommer"-indstillingen. I dette tilfælde svarer motorparametrene til motorparametrene i den tredje udførelsesform (jf. tabel 1) i spalten "3 cold".

Motoren kan ikke blot drives ved de to ekstremer, der er nævnt ovenfor, i virkeligheden kan motoren drives med udstødningsgastemperaturer, der forlader turbinen, ved en hvilken som helst ønsket mellemliggende temperatur ved at justere mængden af energien, der udtrækkes ved kedlen 23, og vælge det passende effektive turbineområde svarende hertil. Til dette formål kan motoren også indeholde to turbiner med forskellige effektive turbineområder, en turbine med et lille effektivt turbineområde og en turbine med et større effektivt turbineområde. I denne variant kan motoren alene drives med turbinen med det lille effektive turbineområde ved meget lave udstødningsgastemperaturer ved lavtrykssiden af denne (vinterindstilling i et kombineret varme- og kraftværk), alene med turbinen med det større effektive turbineområde til mellemtemperaturer af udstødningsgassen ved lavtrykssiden af denne (forårs-/efterårsindstilling i et kombineret varme- og kraftværk) og med begge turbiner parallelt til høje udstødningsgastemperaturer ved lavtrykssiden af turbinerne (sommerindstilling i et kombineret varme- og kraftværk).

Figur 8 viser en syvende udførelsesform for opfindelsen. Denne udførelsesform svarer til den fjerde udførelsesform. Imidlertid er luftstrømmen til turboladeren 8 og udstødningsgasstrømmen fra turboladeren/kraftturbinen i den syvende udførelsesform reduceret med 20%, idet 20% af udstødningsgassen recirkuleres via den første kedel 23, recirkulationsledningen 19, en blæser 18 og en vasker 18a, tilbage til skyllesystemet ved ledningen 11 inden mellemkøleren 12 set i strømmens retning. Udløbet på kraftturbinen 31 er enten forbundet med indløbet på den anden kedel 20 eller den sidste del af udstødningsledningen 21 som vist ved den stiplede linje. Valget af forbindelsen afhænger af udløbstemperaturen ved kraftturbinen 31. Hvis udløbstemperaturen ved kraftturbinen 31 er betydeligt lavere end udløbstemperaturen ved turboladerens turbine 6, forbindes udløbet ved kraftturbinen med den sidste del af udstødningsledningen 21.

Et eksempel på driftsparametrene for denne udførelsesform, der anvender den samme motor som i de foregående udførelsesformer, er vist i tabel 1, spalte "7".

For at kunne producere denne luftmængde på 128 kg/s med et skyllelufttryk på 3, 6 bar kræver turboladerens kompressor en krafttilførsel på omtrent 20.000 kW.

Kraften skal udtrækkes fra udstødningsgassen ved turboladerens turbine. Udstødningsgassen indeholder 22.400 kW. Turboladerens turbine behøver kun at have 20000/22400 x 100% = 89% af udstødningsgasstrømmen for at kunne producere de nødvendige 20.000 kW. Den resterende strøm på 11% kan anvendes i kraftturbinen 31. Desuden udgør udstødningsgassens recirkulationsstrøm 20% af den samlede udstødningsgasstrøm, og al energien i strømlinjen kan anvendes i den første kedel 23.

Indløbstemperaturen ved den anden kedel 20 er variabel og afhænger af kraften, der udtrækkes i kedlen 1, og bør ikke være lavere end omtrent 300 °C, da temperaturer, der er lavere end 300 °C, resulterer i udløbstemperaturer, der er lavere end 180 °C (hvis der anvendes naturgas eller et andet svovlfrit brændstof, kan temperaturerne vælges lavere med kondensation og mulig frysning af udstødningsgassen for at maksimere den samlede energieffektivitet).

Kraftturbinen 31's kraft afhænger kun af kraftturbinens indløbstemperatur eller af, hvor meget kraft der faktisk udtrækkes i den første kedel 23's kraftturbineindløbsstreng.

Desuden er kedlens indløbstemperatur nu en blanding af turboladerens udløbstemperatur og kraftturbinens udløbstemperatur.

Denne udførelsesform er særlig fordelagtig, idet den opnår lave ΝΟχ-værdier for udstødningsgassen.

TABEL 1

Udførelsesformerne, der er beskrevet ovenfor, er blevet vist med et totrins dampsystem. Systemet kan imidlertid også udføres som et system med et enkelt trin eller som et system med flere end to trin.

Udførelsesformen, hvor kedlen er placeret inden i udstødningsgasmodtageren som vist med henvisning til figurerne 1 og 2, kan kombineres med de andre udførelsesformer, der er vist på figurerne 3, 3a, 4, 4a, 5-8 .

Eksemplerne ovenfor vedrører alle en motor, der kører på sin maksimale kontinuerlige motorydelse (MCR). Det skal bemærkes, at disse motorer kan køre under forskellige belastninger, hvilket kan resultere i andre værdier for temperaturerne og trykkene i indsugnings- og udstødningssystemerne.

Selvom udførelsesformerne og eksemplerne ovenfor er baseret på en specifik model af en stor totaktsdieselmotor, kan der med fordel anvendes andre størrelser og typer af forbrændingsmotorer i forbindelse med opfindelserne, der er beskrevet her.

Temperaturerne af udstødningsgasserne, der forlader cylindrene i en stor totaktsdieselmotor, ligger typisk mellem 400 og 500 °C. Trykket i udstødningsgasserne, der forlader cylindrene på en sådan motor, er normalt højere end 2 bar og ligger typisk mellem 3 og 4 bar.

Konceptet med at ekspandere udstødningsgassen via turbinen til temperaturer, der er lavere end omgivelsestemperaturen, kan specifikt anvendes til totakts- og firtaktsforbrændingsmotorer.

Udtrykket "indeholder", som det anvendes i kravene, udelukker ikke andre elementer eller trin. Udtrykket "en" eller "et", som det anvendes i kravene, udelukker ikke flertal.

Henvisningsbetegnelser, som de anvendes i kravene, skal ikke omfattes som en begrænsning af opfindelsens ramme.

Omend den foreliggende opfindelse er blevet beskrevet i detaljer med det formål at belyse den, skal det forstås, at sådanne detaljer kun tjener dette formål, og at der kan udføres variationer i den af fagfolk, uden at der afviges fra opfindelsens ramme.

Claims

1. Stor turboladet dieselmotor, der indeholder: en flerhed af cylindre, der hver især er forbundet med en udstødningsgasmodtager via hver deres manifoldrør, en første udstødningsgasledning set i strømmens retning til at lede udstødningsgasserne fra udstødningsgasmodtageren til indløbet på turboladerens turbine, en anden udstødningsgasledning set i strømmens retning til at lede udstødningsgasserne fra udløbet på turboladerens turbine ud i atmosfæren, en eller flere kedler, der opvarmes med udstødningsgas, eller varmevekslere til genvinding af varmeenergi fra udstødningsgasserne, kendetegnet ved, at i det mindste en af kedlerne eller varmevekslerne er placeret inden i udstødningsgasmodtageren.

2. Motor ifølge krav 1, som desuden indeholder en forvarmningskedel på lavtrykssiden af turboladeren, og ved hvilken kedlen, der er placeret inden i udstødningsgasmodtageren, anvendes til at overhede damp, der produceres af kedlen ved lavtrykssiden af turboladeren.

3. Motor ifølge krav 1 eller 2, som desuden indeholder en dampturbine, der drives med damp, der produceres af kedlen eller kedlerne.

4. Motor ifølge krav 3, ved hvilken kraftturbinen driver en elektrisk generator.

5. Motor ifølge et af kravene 1 til 4, ved hvilken udstødningsgasmodtageren indeholder en flerhed af kedler.

6. Motor ifølge krav 5, ved hvilken denne flerhed af kedler danner et system, som producerer overhedet damp med flere damptrin, og som indeholder forvarmnings- og overhedningskedler.

7. Motor ifølge krav 1, ved hvilken udstødningsgasmodtageren på tværs er inddelt i en udstødningsgassamlekanal og en varmevekslingskanal.

8. Motor ifølge krav 7, ved hvilken varmevekslingskanalen har et i det væsentlige ringformet tværsnit, i hvilket i det væsentlige ringsegmentformede kedelafsnit optages.