NO335230B1 - Anordning og framgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering ved en varmekraftmaskin - Google Patents

Abstract

Anordning og fremgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering av en varmekraftsmaskin (1) som har et arbeidsfluidløp omfattende et høytrykksløp (44) og et lavtrykksløp (60), og hvor varmekraftsmaskinen (1) benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høytrykksløpet (44) er i væskefase, og hvor et fluiddreneringsløp (62) som valgbart er åpent eller lukket, er koplet til et parti (74) av høytrykksløpet (44) hvor arbeidsfluidet befinner seg hovedsakelig i væskefase.

Description

ANORDNING OG FRAMGANGSMÅTE FOR DRIFTS- OG SIKKERHETSREGULERING VED EN VARMEKRAFTMASKIN

Denne oppfinnelsen vedrører en anordning og fremgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering av en varmekraftmaskin. Nærmere bestemt dreier det seg om en anordning for drifts- og sikkerhetsregulering av en varmekraftmaskin som har et ar-beidsfluidløp omfattende et høytrykksløp og et lavtrykksløp, og hvor varmekraftmaskinen benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høy-trykksløpet er i væskefase. Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for drifts-og sikkerhetsregulering av en varmekraftmaskin.

Nedenfor beskrives en anordning for drifts- og sikkerhetsregulering ved en varmekraftmaskin. Det beskrives også en framgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering ved en varmekraftmaskin.

Varmekraftmaskiner finnes i mange utførelser og er basert på forskjellige grunnleg-gende prinsipper. Varmekraftmaskiner betegnes i mer alminnelighet også som motorer. De er felles betegnet ved at de omdanner varmeenergi til en form for mer høy-verdig energi, for eksempel mekanisk eller elektrisk, som har et bredere utnyttelses-spekter. Det største antall varmekraftmaskiner er basert på intern forbrenning ved høye temperaturer (for eksempel > 600 °C). I den senere tid er det blitt mer og mer aktuelt å benytte varme ved lavere temperaturer til å drive varmekraftmaskiner.

Det finnes en stor mengde varmeenergi tilgjengelig ved nettopp lavere temperaturer, og denne energien går ofte til spille, eller må fjernes aktivt fra ulike systemer, for eksempel fra industriprosesser eller fra kjølesystemet til forbrenningsmotorer. Å utnytte denne energien til for eksempel å produsere elektrisitet kan være svært gunstig, idet den som nevnt ofte forekommer som et rent spillvarmeprodukt, og kan derfor regnes som kostnadsfri. Det finnes også flere andre eksempler på varmeenergikilder som po-tensielt kan utnyttes på samme måte, foreksempel fra gass-, olje- og biomassefor-brenning, termiske solfangere, geotermiske kilder og avfallsforbrenning. Flere av disse varmekildene kan ha relativt lave temperaturer, også under normale forhold. I denne sammenheng har det blitt utviklet flere teknologier basert på bl.a. Stirling- og Ranki ne-sykluser, og som muliggjør utnyttelse av disse til å produsere høyverdig energi, som oftest i form av elektrisitet.

For spesielt lave temperaturer (for eksempel < 350 °C) benyttes det i dag gjerne motorer basert på såkalte ORC-sykluser, hvor betegnelsen ORC står for "Organic Rankine Cycle". Rankine-sykluser er basert på dampmaskinprosesser, hvor vann er arbeidsfluidet, mens ORCer baseres på alternative arbeidsfluider, typisk med lavere kokepunkt enn vann, hvor konsekvensen er en mer effektiv utnyttelse av varmeenergien. Disse teknologiene implementeres som oftest i lukkede kretser hvor arbeidsfluidet forblir i en intern og lukket arbeidsfluidkrets som i hovedsak omfatter to eller flere varmeveks-lere, en fluidpumpe for arbeidsfluid og en ekspansjonsanordning som ofte kan være en turbin eller en stempelmaskin. Andre ekspansjonsanordninger finnes også, som for eksempel ulike skrue-, vinge-, Wankel- og spiralanordninger. I slike lukkede motor-systemer kreves det for varmestrømmen, og dermed energistrømmen, minst en varmerseksjon, typisk i form av en forvarmer, en kjel og en overheter, og en kjølesek-sjon, som oftest bestående av en kondensator, men ytterligere komponenter kan også være til stede. Unntaksvis kan det være tilstrekkelig med en varmerseksjon, som også er og var tilfellet ved de fleste damplokomotiver, idet vannet (arbeidsfluidet) da gjerne evakueres til og dermed avkjøles indirekte i atmosfæren (dampeksos) etter å ha utført arbeid ved å ha ekspandert i arbeidssylinderne.

I lukkede kretsløp for Rankine-sykluser, herunder også ORCer, har en et arbeidsfluid-løp i form av en serie av fluidpassasjer og hovedkomponenter i henhold til arbeids-fluidkretsen beskrevet over. Fluidløpet består i hovedsak av et høytrykksløp som omfatter alle komponentene fra og med fluidpumpa og til og med en ekspander, og et lavtrykksløp som omfatter alle komponentene fra og med ekspanderen og til fluidpumpa, når arbeidsfluidets normale strømningsretning tas i betraktning. Det vil si at høytrykksløpet i hovedsak går fra fluidpumpa via et utløp i form av en trykkport, eventuelle tilbakeslagsventiler ved pumpas utgang, tilkoblede rør, videre gjennom varmerseksjonen som typisk består av kjelen samt en overheter, og så til ekspanderen gjennom en tilstrømnings-/injeksjonsventil. Likeledes går lavtrykksløpet da typisk fra ekspanderen, gjennom en eksosventil og eksospassasje(r), tilkoblede rør, og videre gjennom kjøleren som i det minste omfatter en kondensator, et arbeidsfluidreservoar, og så tilbake til pumpa gjennom et innløp i form av en sugeport. Grensesnittene som skiller høytrykksløpet fra lavtrykksløpet er da nettopp fluidpumpa og ekspanderen. Det kan også være flere tilkoblede komponenter til hvert av fluidløpene, eller fær-re for den saks skyld.

Spesielt for Rankine-motorer, heriblant også ORC-motorer, kan det ofte innebære en drifts- og sikkerhetsmessig risiko dersom energitransporten gjennom motoren skulle stoppe opp eller møte større motstand på ulike vis. I systemer basert på Rankine-motorer finner en alltid, direkte eller indirekte, en varmekilde og et varmesluk, samt en arbeidsmottaker som gjerne kan være en aksling eller en generator som er tilkob-let via en aksling. Dersom for eksempel ekspansjonsanordningen eller varmesluket under drift blir satt ut av funksjon, og da med den konsekvens at masse- og/eller energitransporten også kan stanse, vil det være en relativt akutt fare for at arbeidsfluidet som befinner seg i varmerseksjonen, vil kunne overhetes og/eller at det bygges opp et uakseptabelt høyt trykk i maskinen.

Dette er en problemstilling som gjelder for alle varmekraftmaskinsystemer hvor var-mekildetemperaturen kan være på, eller kan overstige, et nivå som igjen kan føre til nevnte feiltilstand i motorsystemet. Ved for høy temperatur vil enkelte arbeidsfluider lett kunne degenereres til en tilstand hvor de blir ubrukelige, eller i verste fall farlige for menneskers sikkerhet eller for driften av systemet, for eksempel ved at det utvik-les giftige eller korroderende nedbrytningsprodukter. På samme måte vil et overtrykk i systemet kunne skape farlige situasjoner som i verste fall kan føre til en eksplosjon. Det er gjennom tidene kjent for eksempel et stort antall alvorlige eksplosjoner ved dampkjeler. Tilsvarende risikomomenter finner en også ved andre varmer- og kjelety-per, som for eksempel for ulike ORC-systemer.

For å øke sikkerheten er det standard designpraksis å plassere en eller flere sikker-hetsventiler i systemet, hvor sikkerhetsventilen(e) er innrettet til å kunne redusere trykket og eventuelt temperaturen til arbeidsfluidet ved feil-/unntakstilstander. Det oppvarmede og fordampede arbeidsfluidet kan da evakueres direkte til kjøleren, eventuelt til arbeidsfluidreservoaret, uten at det behøver å strømme gjennom ekspanderen først, slik at temperaturen og trykket kan minskes når det kjøles ned av de kaldere omgivelsene der. Dersom kjøleren skulle være ute av funksjon, vil et slikt tiltak ikke være tilstrekkelig i lengden. Da må i så fall arbeidsfluidet kunne evakueres til en alternativ destinasjon, f.eks. til atmosfæren eller et annet åpent reservoar. Ved anvendelse av andre fluider enn vann vil dette heller ikke kunne være en tilfredsstillende løsning, idet flere alternative fluider oppviser egenskaper som gjør at de ikke må slippes ut i nærmiljøet, enten på grunn av menneskelig sikkerhet, miljøhensyn eller andre årsa-ker.

Fra US 2004/0237525 Al er det kjent en sammenstilling av gassekspansjonselemen-ter for et apparat for omgjøring av termisk energi til motorenergi, hvor sammenstil- lingen omfatter to lukkede trykktanker fylt med en gass eller en gassblanding, og hvor begge tankene har en øvre injeksjonsåpning for varmt og kaldt vann. Sammenstilling-en er forsynt med et kortslutningsrør mellom nevnte tanker, og kortslutningsrøret omfatter minst én styrbar ventil for utligning av trykket etter at gassen eller gassblan-dingen har utført sitt arbeid.

GB 2376507 A beskriver en motor hvor en arbeidsvæske fra en sump først varmes i en varmeveksler og så pumpes og injiseres i motorsylinderen gjennom en forstøver. Den forstøvede væsken overfører varme til arbeidsgassen i sylinderen og sørger for at denne ekspanderer og beveger stempelet. Væsken samles så på toppflaten av stempelet og dreneres til sumpen. Væsken kan så avkjøles i en varmeveksler og deretter pumpes inn i motorsylinderen gjennom en forstøver. Den avkjølte væsken kan dermed trekke ut varme fra arbeidsgassen og forårsake at den trekkes sammen slik at stempelet fortsetter sin bevegelse.

US 2009/0223223 Al beskriver en dampmaskin med flere hovedbeholdere og med parallellkoplede kommunikasjonsrør for respektiv forbindelse mellom en hjelpebehol-der og hovedbeholderne. I et første kommunikasjonsrør er det anordnet strupninger og en første fordeler. For å redusere oppstarttiden er det første kommunikasjonsrøret lukket ved oppstart for å hindre at en for stor mengde arbeidsfluid skal strømme fra hjelpebeholderen og tilbake til hovedbeholderne.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Et alternativ til å la den oppvarmede og fordampede andelen av arbeidsfluidet returne-res til kjøleren eller et åpent reservoar, er å sørge for at en kan drenere og evakuere arbeidsfluidet i fluidstrømsmessig forkant av kjeleseksjonen, slik at arbeidsfluidet da kan evakueres fra et punkt i høytrykksløpet hvor det enda ikke har gjennomgått for-dampning og i hovedsak derfor befinner seg i væskefase.

Dette har den store fordel at man da kan fjerne arbeidsfluidet på et punkt hvor det ennå ikke har blitt tilført noe særlig energi, noe som vil være en effektiv metode for å forhindre at energi i form av varme akkumuleres i arbeidsfluidløpet. Det man da vil stå igjen med i høytrykksløpet, er en liten mengde overhetet arbeidsfluid, hvor en andel av dette også vil kunne evakueres, men denne mindre mengden utgjør kun et lite energilager, og problemstillingen med overtrykk eller forhøyet temperatur vil da være løst. I tillegg vil det i ulike systemer kunne tillates at en liten mengde med arbeidsfluid kan varmes opp til den maksimale oppnåelige temperaturen i varmerseksjonen, så lenge mengden er liten nok. Overhetet arbeidsfluid har en vesentlig lavere tetthet enn det samme fluid i væskeform, og dermed vil restmengden kun utgjøre en minimal massefraksjon i forhold til den totale mengden arbeidsfluid i systemet.

I en normal Rankine-prosess vil arbeidsfluidet oppvarmes suksessivt når det strømmer gjennom varmerseksjonen, dvs. at den andelen arbeidsfluid som har strømmet lengst inn i en varmer, normalt vil ha mottatt mest varme og dermed oppnådd den høyeste temperaturen inntil det punktet hvor koking begynner, og da normalt ved konstant temperatur. Ved å plassere dreneringspunktet i et tidlig nok parti av høytrykksløpet, for eksempel like i forkant av varmeren, eller eventuelt i forkant av en rekuperator, dersom en slik er anbrakt i systemet, vil arbeidsfluidstrømmen kunne reverseres ved et eventuelt behov for evakuering. I tillegg til å forhindre ytterligere varmeoverføring til arbeidsfluidet i kjelen, betyr det også at man først får evakuert den kaldeste andelen av arbeidsfluidet som befinner seg i høytrykksløpet. Dermed vil arbeidsfluidet som evakueres ha minimum energi, noe som gir en stor fordel dersom man skal evakuere det tilbake til arbeidsfluidreservoaret, eventuelt via rekuperatoren eller kjøleren (kondensatoren). Dette vil være med på å begrense det endelige trykket, samt temperaturen, en oppnår i lavtrykksløpet etter at evakueringen er fullført.

I en ytterligere sammenheng vil en dreneringssløyfe lik den beskrevet over kunne være et meget nyttig redskap for å kunne stanse driften av motoren på en hurtig og effektiv måte. I mange Rankine-systemer må høytrykksløpet dreneres for arbeidsfluid når driften skal stanses, og dette krever i mange tilfeller at man må fortsette å for-dampe fluidet, samtidig som arbeidsfluidpumpa stanses, for så å evakuere arbeidsfluidet gjennom ekspanderen, eventuelt gjennom et omløp, men hvor arbeidsfluidet fremdeles vil være i fordampet tilstand idet det strømmer ut av høytrykksløpet. Ved å kunne drenere og evakuere arbeidsfluidet på et punkt hvor det fremdeles er i væskeform, vil en oppnå den fordel at man kan evakuere det vesentlig raskere, idet tetthe-ten er høyere, samt at energimengden er lav, og systemet kan dermed stanses relativt hurtig.

Ifølge et første aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en varmekraftmaskin som har et arbeidsfluidløp omfattende et høytrykksløp og et lavtrykksløp, og hvor varmekraftmaskinen benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høytrykksløpet er i væskefase, og hvor varmekraftmaskinen kjennetegnes ved at et fluiddreneringsløp som valgbart er åpent eller lukket, er koplet til et parti av høytrykk-sløpet hvor arbeidsfluidet befinner seg hovedsakelig i en væskefase.

Ved en slik utforming av varmekraftmaskinen overkommes i det minste en del av de uheldige forhold som er beskrevet under kjent teknikk. Utformingen tilrettelegger for ytterligere forbedringer slik det beskrives nedenfor.

Fluiddreneringsløpet kan være koplet til høytrykksløpet i et påkoplingspunkt som befinner seg nedstrøms en fluidpumpe.

Fluiddreneringsløpet kan i sitt nedstrømsparti være forbundet med lavtrykksløpet.

Ved å tilbakeføre arbeidsfluidet fra høytrykksløpet og til lavtrykksløpet unngås utslipp av arbeidsfluid til omgivelsene, noe som kan være både miljømessig og økonomisk fordelaktig.

Fluiddreneringsløpet kan være forsynt med en dreneringsventil, fortrinnsvis i form av en styrbar ventil. I noen tilfeller kan imidlertid dreneringsventilen være en overtrykks-ventil som er innrettet til å kunne åpne ved et forutbestemt arbeidsfluidtrykk.

Dreneringsventilen kan i aktivert tilstand, når den tilføres signal, være lukket for fluid-strømning og i uaktivert tilstand, når den ikke mottar signal, være åpen for fluid-strømning.

En slik "normalt åpen" fluidventil bidrar til økt sikkerhet ved at den, dersom signalet skulle falle bort, drenerer høytrykksløpet slik at ekspanderen stanser.

Ifølge et andre aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en framgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering ved en varmekraftmaskin som har et arbeidsfluidløp omfattende et høytrykksløp og et lavtrykksløp, og hvor varmekraftmaskinen benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høytrykksløpet er i væskefase, og hvor framgangsmåten omfatter følgende trinn: å forsyne varmekraftmaskinen med et fluiddreneringsløp som valgbart er åpent eller lukket, og som er koplet til et parti av høytrykksløpet hvor arbeidsfluidet befinner seg hovedsakelig i en væskefase;

å detektere en driftstilstand i varmekraftmaskinen som kan føre til at arbeidsfluid som befinner seg i høytrykksløpet til varmekraftmaskinen, kan nå et uønsket høyt trykk og/eller en uønsket høy temperatur, eller, å detektere at arbeidsfluid som befinner seg i høytrykksløpet, har nådd et uønsket høyt trykk og/eller en uønsket høy temperatur;

å åpne fluiddreneringsløpet; og

å la en mengde arbeidsfluid dreneres og dermed evakueres fra høytrykksløpet via fluiddreneringsløpet.

Framgangsmåten kan mer spesifikt omfatte å forsyne fluiddreneringsløpet med en dreneringsventil og å styre dreneringsventilen til åpen stilling når det er behov for å drenere fluid fra høytrykksløpet.

Framgangsmåten kan mer spesifikt omfatte:

å la en mengde arbeidsfluid dreneres fra høytrykksløpet, hvor strømningsret-ningen til den andelen av arbeidsfluidet som er under evakuering og som fremdeles befinner seg i høytrykksløpet, hovedsakelig er reversert i forhold til strømnings-retningen under normal drift.

Framgangsmåten kan videre omfatte å kople fluiddreneringsløpet til lavtrykksløpet og å la arbeidsfluid dreneres fra høytrykksløpet og til lavtrykksløpet.

Framgangsmåten kan mer spesifikt omfatte:

å la arbeidsfluid dreneres inn i lavtrykksløpet i et påkoplingspunkt som er anbrakt i ett av følgende posisjoner i lavtrykksløpet: oppstrøms en rekuperator;

oppstrøms en kondensator;

oppstrøms et arbeidsfluidreservoar; eller

på arbeidsfluidreservoaret og med fluidstrømsmessig forbindelse inn til dette.

Det presiseres at rekuperatoren ikke utgjør en nødvendig komponent, men anvendes ofte for å øke virkningsgraden i en varmekraftmaskin.

Framgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen gir markant økt sikkerhet ved en eventuell feiltilstand, og er innrettet til å kunne forhindre uheldige eller farlige situasjoner generelt. I tillegg er den et effektivt middel for å kunne stanse varmekraftmaskinen på en hurtig, men kontrollert måte.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform og fremgangsmåte som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et blokkskjema av et varmekraftmaskinsystem omfattende en varmekraftmaskin, en varmekilde, et varmesluk, en energiomsetter og en ekstern kontrollenhet, hvor grensesnitt mellom komponentene er vist; Fig. 2 viser et blokkskjema av et varmekraftmaskinsystem som vist i fig. 1, hvor

energi-, elektrisitets- og signalstrømmene er vist;

Fig. 3 viser skjematisk en varmekraftmaskin i henhold til oppfinnelsen med

tilhørende hovedkomponenter; og

Fig. 4 viser skjematisk varmekraftmaskinen i flg. 3, men hvor ekspanderen er

spesifisert til å være en stempelmaskin.

Pa tegningene angir henvisningstallet 1 en varmekraftmaskin som via et varmekilde-grensesnitt 2 er koplet til en varmekilde 4, via et varmeslukgrensesnitt 6 er koplet til et varmesluk 8, via et kraft-/elektrisitetsgrensesnitt 10 er koplet til en elektrisitets-kraftomsetter 12 og via et signalgrensesnitt 14 er koplet til en ekstern kontrollenhet 16.

En del av komponentene i fig. 3 og 4 er påført symbolet " Z". Dette betegner at det dreier seg om en eller annen form for varmeveksler.

I fig. 2 er varme som strømmer fra varmekilden 4 til varmekraftmaskinen 1 betegnet Qh. Restvarme som fjernes fra varmekraftmaskinen 1 og overføres til varmesluket 8, er betegnet Qc. Elektrisk kraft som overføres fra varmekraftmaskinen 1 og til elektrisi-tetskraftsomsetteren 12, er betegnet Pel. Måle- og styresignaler som utveksles mellom varmekraftmaskinen 1 og den eksterne kontrollenhet 16, er betegnet Sc.

Varmekraftmaskinen 1 inngår fortrinnsvis i et ORC-system, og omfatter en fluidpumpe 20 med et innløp 22 og et utløp 24. Fra utløpet 24 forløper en trykkpumpeledning 26 via en rekuperator 28 og videre til en varmer 30. Rekuperatoren 28 kan utgjøres av en i og for seg kjent, i hovedsak standard varmeveksler med to ikke viste, sedvanlige, motstående varmevekslersider som utgjøres av adskilte og varmekommuniserende interne fluidløp. Varmeren 30 omfatter typisk en fordamper 32 og en overheter 34. Varmeren 30 tilføres varme Qhfra varmekilden 4 via varmegrensesnittet 2.

En dampledning 36 er koplet mellom overheteren 34 og en ekspanders 38 innløp 40. Ekspanderen 38 kan utgjøres for eksempel av en turbin, en stempelmaskin eller lig-nende. Et utløp 42 fra ekspanderen 38 utgjør et eksosutløp. Komponentene mellom fluidpumpa 20 og ekspanderen 38 omfattende trykkpumpeledningen 26, rekuperatorens 28 høytrykkside, varmeren 30 og dampledningen 36 utgjør varmekraftmaskinens 1 høytrykksløp 44.

I dette utførelseseksempelet driver ekspanderen 38 via en aksling 46 en generator 48.

Elektrisk kraft Pel overføres via kraft/elektrisitetsgrensesnittet 10 til elektriskkraftom-setteren 12. En motorkontrollenhet 50 styrer blant annet ekspanderen 38 og generatoren 48. Nødvendige, i og for seg kjente givere og kontrolledninger er ikke vist.

En utløpsledning 52 forløper fra ekspanderens 38 utløp 42, via rekuperatoren 28, en kondensator 54 og til et arbeidsfluidreservoar 56. Kondensatoren 54 leverer restvarme Qctil varmesluket 8 via varmeslukgrensesnittet 6.

En sugeledning 58 forbinder arbeidsfluidreservoaret 56 med fluidpumpas 20 innløp 22. Komponentene mellom ekspanderen 38 og fluidpumpa 20 omfattende utløpsledningen 52, rekuperatorens 28 lavtrykkside, kondensatoren 54, arbeidsfluidreservoaret 56 og sugeledningen 58 utgjør varmekraftmaskinens 1 lavtrykksløp 60.

Et fluiddreneringsløp 62 som her er koplet til trykkpumpeledningen 26 mellom rekuperatoren 28 og varmeren 30, er via en dreneringsventil 64 koplet til utløpsledningen 52 mellom ekspanderen 38 og rekuperatoren 28. Fluiddreneringsløpet 62 er innrettet til ved behov å kunne kortslutte høytrykksløpet 44 med lavtrykksløpet 60. Dreneringsventilen 64 er av en aktivt regulerbar art, slik som en elektromagnetisk, mekanisk, pneumatisk eller hydraulisk aktivert av/på-ventil. Den kan alternativt for eksempel være en proporsjonalventil eller en servoventil.

Under normal drift suges arbeidsfluid ved hjelp av fluidpumpa 20 fra arbeidsfluidreservoaret 56 og pumpes deretter inn i høytrykksløpet 44 under relativt høyt trykk.

Arbeidsfluidet pumpes først gjennom rekuperatoren 28 hvor det forvarmes ved at det mottar restvarme fra eksosen som strømmer ut av ekspanderens 38 utløp 42 og som via utløpsledningen 52 ledes inn i rekuperatorens 28 lavtrykksside.

Etter først å ha passert gjennom rekuperatoren 28 strømmer arbeidsfluidet inn i varmeren 30, og i første trinn inn i fordamperen 32 hvor det varmes opp mot kokepunktet og dermed fordampes. Videre passerer arbeidsfluidet inn i overheteren 34 hvor temperaturen økes til over kokepunktet. Deretter ledes arbeidsfluidet inn i ekspanderen 38 hvor en del av den tilførte varmeenergien omdannes til mekanisk energi ved at arbeidsfluidet ekspanderes nær adiabatisk, isotermt, isobarisk eller polytropisk.

Den mekaniske energien omdannes igjen til elektrisk energi ved hjelp av generatoren 48. Den elektriske energien fra generatoren 48 overføres som elektrisk effekt Pel fra generatoren 48 via kraft/elektrisitetsgrensesnittet 10 og til elektrisitetskraftomsette-ren 12.

Etter endt ekspansjon i ekspanderen 38 ledes det ekspanderte arbeidsfluidet, som nå kan defineres som eksos, via utløpsledningen 52 til rekuperatorens 28 lavtrykksside hvor en del av restvarmen føres tilbake til arbeidsfluidet i høytrykksløpet 44 og gjen-vinnes.

Arbeidsfluidet ledes så inn i kondensatoren 54 hvor den siste andelen restvarme Qc som skal fjernes, strømmer via varmeslukgrensesnittet 6 og til varmesluket 8. Arbeidsfluidet kondenseres derved til væskefase før det ledes inn i arbeidsfluidreservoaret 56.

Ved fare for overtrykk og/eller overheting av arbeidsfluidet som måtte befinne seg i høytrykksløpet 44 under drift, eller ved en tilstand hvor det ellers er ønskelig å stoppe varmekraftmaskinen 1 på hurtigst mulig vis, kan motorkontrollenheten 50 ved hjelp av kjente reguleringsprinsipper styre dreneringsventilen 64 til åpen tilstand ved at et styresignal blir kommunisert via en styresignalleder 66 som er koplet til en drene-ringsventilaktuator 68, og som igjen sørger for at dreneringsventilen 64 inntar åpen stilling. Det oppstår derved en fluidstrømsmessig kortslutning mellom høytrykksløpet 44 og lavtrykksløpet 60.

For å kunne identifisere tilstander hvor det vil være ønskelig å stoppe varmekraftmaskinen 1 hurtig, er varmekraftmaskinen 1 forsynt med ulike kjente ikke viste sensorer, slik at nettopp disse tilstandene kan registreres og identifiseres av motorkontrollenheten 50, som igjen kan kommunisere nødvendige styresignaler, og da spesielt styresig-nalet som sørger for åpning av dreneringsventilen 64.

Når kortslutning så finner sted, vil arbeidsfluid dreneres ut av høytrykksløpet 44 i en posisjon hvor det normalt befinner seg hovedsakelig i væskefase, helt inntil hele væs-kefraksjonen er nær fullstendig evakuert. Dermed vil den største andelen av arbeidsfluidets masse innledningsvis dreneres i væskefase, og påfølgende evakuering vil da i hovedsak bestå av arbeidsfluid i gassform, enten som mettet eller overhetet gass, hvilket kun representerer en mindre massefraksjon i forhold til den totale masse av arbeidsfluid.

Dette vil resultere i at man får drenert og dermed evakuert arbeidsfluidet fra høy-trykkskløpet 44 i en tilstand som innebærer at en lavest mulig energimengde må fjernes fra høytrykksløpet 44.

I fig. 3 er fluiddreneringsløpet 62 vist tilkoplet høytrykksløpet 44 mellom rekuperatoren 28 og varmeren 30. Avhengig av driftsforholdene kan det være gunstig å kople fluiddreneringsløpet 62 til høytrykksløpet nærmere fluidpumpa 20, for eksempel ved et påkoplingspunkt 70 som befinner seg nedstrøms fluidpumpa 20. Likeledes kan det være ønskelig å kople fluiddreneringsledningen 62 til lavtrykksløpet i en posisjon nærmere fluidpumpa 20, for eksempel i et av påkoplingspunktene 72 som befinner seg oppstrøms fluidpumpa 20.

Så lenge det anvendes kondenserbart arbeidsfluid, kan det forutsettes at fluidet i høy-trykksløpet 44 befinner seg hovedsakelig i væskefase mellom fluidpumpa 20 og varmeren 30. Denne del av høytrykksløpet 44 utgjør således et parti 74 hvor arbeidsfluidet i hovedsak befinner seg i væskefase.

I en alternativ utførelsesform, se fig. 4, utgjøres ekspanderen 38 av en stempelmotor. I denne utførelsesform er ekspanderen 38 utformet med minst én styrt innløpsventil 76 og minst én styrt utløpsventil 78 som til sammen regulerer fluidstrømmen gjennom ekspanderen 38, ved at ventilene 76, 78 styrer fluidstrømmen gjennom det minst ene innløpet 36 og det minst ene utløpet 42.

Under normal drift sørger de styrte ventilene 76, 78 for at nevnte ventiler aldri er åp-ne samtidig. Derved vil det ikke oppstå direkte fluidkortsluttning over ekspanderen 38 dersom ekspanderen 38 skulle stanse, hvorved direkte kortslutning mellom høytrykk-løpet 44 og lavtrykksløpet 60 forhindres fra å finne sted gjennom ekspanderen 38. I mange tilfeller er innløpsventilen 76 og utløpsventilen 78 kontrollert av respektive ventilaktuatorer 80, og disse vil normalt være synkronisert slik at denne formen for kortslutning forhindres.

Claims (10)

1. Varmekraftmaskin (1) som har et arbeidsfluidløp omfattende et høytrykksløp (44) og et lavtrykksløp (60), og hvor varmekraftmaskinen (1) benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høytrykksløpet (44) er i væskefase,karakterisert vedat et fluiddreneringsløp (62) som valgbart er åpent eller lukket, er koplet til et parti (74) av høytrykk-sløpet (44) hvor arbeidsfluidet under normal drift befinner seg hovedsakelig i væskefase.

2. Varmekraftmaskin (1) i henhold til krav 1,karakterisertved at fluiddreneringsløpet (62) er koplet til høytrykksløpet (44) i et påkoplingspunkt (70) som befinner seg nedstrøms en fluidpumpe (20).

3. Varmekraftmaskin (1) i henhold til krav 1,karakterisertved at fluiddreneringsløpet (62) i sitt nedstrømsparti er forbundet med lavtrykksløpet (60).

4. Varmekraftmaskin (1) i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 4,karakterisert vedat fluiddreneringsløpet (62) er forsynt med en dreneringsventil (64).

5. Varmekraftmaskin (1) i henhold til krav 4,karakterisertved at dreneringsventilen (64) i aktivert tilstand er lukket for fluidstrøm-ning og i uaktivert tilstand er åpen for fluidstrømning.

6. Framgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering ved en varmekraftmaskin (1) som har et arbeidsfluidløp omfattende et høytrykksløp (44) og et lavtrykk-sløp (60), og hvor varmekraftmaskinen (1) benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høytrykksløpet (44) er i væskefase,karakterisert vedat framgangsmåten omfatter følgende trinn: å forsyne varmekraftmaskinen (1) med et fluiddreneringsløp (62) som valgbart er åpent eller lukket, og som er koplet til et parti (74) av høyt-rykksløpet (44) hvor arbeidsfluidet under normal drift befinner seg hovedsakelig i væskefase; å detektere en driftstilstand i varmekraftmaskinen (1) som kan føre til at arbeidsfluid som befinner seg i høytrykksløpet (44) til varmekraftmaskinen (1), kan nå et uønsket høyt trykk og/eller en uønsket høy temperatur, eller å detektere at arbeidsfluid som befinner seg i høytrykksløpet (44), har nådd et uønsket høyt trykk og/eller en uønsket høy temperatur, eller å detektere en driftstilstand hvor det ellers er ønskelig å stoppe driften av varmekraftmaskinen (1) på hurtigst mulig vis; å åpne fluiddreneringsløpet (62); og å la en mengde arbeidsfluid dreneres og dermed evakueres fra høyt-rykksløpet (44) via fluiddreneringsløpet (62).

7. Framgangsmåte i henhold til krav 6,karakterisert vedat framgangsmåten omfatter de ytterligere trinnene: å forsyne fluiddreneringsløpet (62) med en dreneringsventil (64) og å styre dreneringsventilen (64) til åpen stilling når det er behov for å drenere fluid fra høytrykksløpet (44).

8. Framgangsmåte i henhold til krav 6,karakterisert vedat framgangsmåten omfatter det ytterligere trinnet: å la en mengde arbeidsfluid dreneres fra høytrykksløpet (44), hvor strøm ningsretningen til den andelen av arbeidsfluidet som er under evakuering og som fremdeles befinner seg i høytrykksløpet (44), hovedsakelig er reversert i forhold til strømningsretningen under normal drift.

9. Framgangsmåte i henhold til krav 6 til 8,karakterisertved at framgangsmåten omfatter de ytterligere trinnene: å kople fluiddreneringsløpet (62) til lavtrykksløpet (60); og å la arbeidsfluid dreneres fra høytrykksløpet (44) og til lavtrykksløpet (60).

10. Framgangsmåte i henhold til krav 9,karakterisert vedat framgangsmåten omfatter det ytterligere trinnet: å la arbeidsfluid dreneres inn i lavtrykksløpet (60) i et påkoplingspunkt (72) som er anbrakt i en av følgende posisjoner i lavtrykksløpet (60): oppstrøms en rekuperator (28), oppstrøms en kondensator (54), oppstrøms et arbeidsfluidreservoar (56), eller på arbeidsfluidreservoaret (56) og med fluidstrømsmessig forbindelse inn til dette.