PL230662B1 - Sposob zwiekszenia sprawnosci obiegu silowni cieplnej, zwlaszcza dla tzw. �suchych� czynnikow roboczych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki. Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększenia sprawności obiegu siłowni cieplnej przeznaczony do współpracy z różnymi czynnikami, a szczególnie z tzw. „suchymi” czynnikami roboczymi.

Stan techniki. Idea wykorzystania czynników organicznych w różnego typu siłowniach cieplnych znana jest od wielu lat. Z reguły realizacja takiego obiegu sprowadza się do prostego układu, pokazanego na rys. 1, złożonego z wytwornicy pary (górne źródło ciepła), urządzenia ekspandującego (turbiny), skraplacza (dolnego źródła ciepła) i pomy obiegowej. Dla tzw. „czynników suchych” (dla których na wykresie temperatura-entropia krzywa nasycenia dla pary spełnia relację dT/ds>0) często stosuje się dodatkowo tzw. regenerator, w którym ciepło przegrzania pary po opuszczeniu urządzenia ekspandującego wykorzystywane jest do podgrzewania cieczy czynnika przed wlotem do wytwornicy pary, co pokazano na rys. 2. Para na wyjściu z wytwornicy jest z reguły parą suchą nasyconą lub lekko przegrzaną, chociaż istnieją rozwiązania na nadkrytyczne parametry czynnika. Jako czynniki robocze używa się najczęściej różnych czynników organicznych i dlatego przyjęło się używać dla tego typu obiegów nazwę ORC - organiczne obiegi Rankine'a (ang. Organic Rankine Cycle). Tego typu układy znajdują zastosowanie szczególnie w takich przypadkach, w których dysponuje się górnym źródłem ciepła o stosunkowo niewysokich temperaturach, np. ciepłem odpadowym różnych procesów technologicznych, energetycznych, itp. Z tego powodu sprawności termodynamiczne takich układów są stosunkowo niewysokie.

Istota wynalazku. Sposób zwiększenia sprawności siłowni cieplnej według wynalazku polega na aranżacji obiegu, który charakteryzuje się tym, że pompa zasilająca (IV) zwiększa ciśnienie czynnika roboczego i podaje go do wytwornicy pary (VI), gdzie kosztem ciepła odbieranego od przegrzanej pary czynnika roboczego wypływającego z ekspandera i regeneratora następuje proces podgrzania cieczy roboczej, jej odparowanie i ewentualne przegrzanie powstałej pary, a powstała para z wytwornicy (VI) kierowana jest do sprężarki (VII), gdzie następuje dalszy wzrost ciśnienia czynnika roboczego, a po opuszczeniu sprężarki czynnik roboczy podgrzewany jest w regeneratorze (VIII) kosztem ciepła przekazanego od czynnika wypływającego z ekspandera (I), a następnie czynnik roboczy kierowany jest do wymiennika wysokotemperaturowego (V), gdzie zwiększa się jego temperatura kosztem ciepła przekazanego od czynnika grzewczego, a po wyjściu z wymiennika wysokotemperaturowego (V) czynnik dopływa do ekspandera (I), gdzie ekspanduje i oddaje przy tym moc do napędu generatora elektrycznego (II), a następnie czynnik dopływa do regeneratora (VIII), w którym oddaje swoje ciepło do podgrzewania par czynnika wypływającego z wytwornicy (VI), a kolejno czynnik wpływa do wytwornicy pary (VI) i oddaje swoje ciepło do wytworzenia pary świeżej, a następnie czynnik skrapla się w skraplaczu (III), a powstałe skropliny dopływają do pompy (IV), co zamyka obieg (fig. 1).

Istota wynalazku polega na tym, że sposób łączy w jednym obiegu zalety obiegu Rankine'a turbiny parowej i obiegu Braytona turbiny gazowej: ciepło dostarczane jest do obiegu w zakresie wysokich temperatur, jak dla obiegu turbiny gazowej, a oddawanie ciepła z obiegu odbywa się przy niskiej temperaturze, jak dla obiegu turbiny parowej, przy czym przyrost ciśnienia czynnika roboczego odbywa się a częściowo lub całkowicie w pompie (w ciekłej fazie czynnika roboczego), a tylko częściowo lub w ogóle w sprężarce (dla gazowej fazy czynnika roboczego), co wpływa na zmniejszenie sumarycznej pracy sprężania obiegu w porównaniu z typowym obiegiem turbiny gazowej. Dzięki tym zabiegom układ według wynalazku odznacza się znacznie wyższą sprawnością od stosowanych obecnie odpowiednich obiegów turbin parowych lub obiegów turbin gazowych.

Istota wynalazku według alternatywnych rozwiązań polega na tym, że w rozwiązaniach wariantowych można:

- nie stosować wybranych elementów obiegu, a zwłaszcza można realizować obiegi bez sprężarki lub bez regeneratora lub bez sprężarki i bez regeneratora,

- zastosować dodatkowe elementy, np. podnoszące sprawność obiegu,

- tworzyć obiegi kombinowane z innymi obiegami (także innych typów),

- tworzyć układy kogeneracyjne i poligeneracyjne.

Zaletami rozwiązania według wynalazku są:

- Wykorzystanie ciepła przegrzania czynnika wypływającego z ekspandera do podgrzania czynnika za sprężarką w regeneratorze oraz do wytwarzania pary czynnika roboczego (podgrzania cieczy, odparowania i ewentualnego przegrzania), co powoduje zmniejszenie ciepła

PL 230 662 B1 odprowadzanego z obiegu i zmniejszenie dolnej temperatury obiegu oraz zmniejszenie ciepła doprowadzonego do obiegu i zwiększenie górnej temperatury obiegu, co wyraźnie zwiększa sprawność obiegu.

- W szczególnym przypadku, gdy ciepło przegrzania pary za ekspanderem jest równe sumie ciepła wytwarzania pary w wytwornicy oraz ciepła podgrzania czynnika za sprężarką, to ciepłem odprowadzanym z obiegu jest tylko ciepło oddawane w skraplaczu (przy najniższej temperaturze w obiegu), a ciepłem doprowadzonym do obiegu jest tylko ciepło dostarczone w wymienniku wysokotemperaturowym (przy możliwie najwyższej temperaturze doprowadzania ciepła).

- Przyrost ciśnienia czynnika roboczego odbywa się częściowo lub całkowicie w pompie (w fazie cieczy), a tylko częściowo lub wcale w sprężarce (dla fazy gazowej), co wpływa na zmniejszenie pracy sprężania obiegu i wzrost jego sprawności.

- Sposób według wynalazku zapewnia wyższą sprawność cieplną od stosowanych obecnie rozwiązań siłowni ORC oraz obiegów turbin gazowych dla tych samych zakresów temperatur.

Objaśnienie figur na rysunku. Przedmiot wynalazku pokazano na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ siłowni cieplnej, a odpowiadającą mu interpretację w układzie temperatura-entropia dla przykładowych parametrów projektowych przedstawiono na fig. 2 dla n-butanu i na fig. 3 dla siloksanu MM jako czynników roboczych.

Przykład wykonania wynalazku. Przykładowe rozwiązanie pokazano na fig. 1. Układ składa się z ekspandera (I) (np. turbiny) napędzającego generator elektryczny (II), skraplacza (III), po mpy obiegowej (IV), podgrzewacza wysokotemperaturowego (V), wytwornicy pary (VI), sprężarki (VII) i regeneratora (VIII).

Charakterystyczne punkty obiegu:

- czynnik roboczy za wymiennikiem wysokotemperaturowym (przed ekspanderem, np. przed turbiną),

- czynnik roboczy za ekspanderem (np. za turbiną),

2a - czynnik roboczy przed parownikiem (strumień przekazujący ciepło),

- czynnik roboczy za wytwornicą pary (strumień przekazujący ciepło),

- czynnik roboczy w fazie ciekłej za skraplaczem,

- czynnik roboczy w fazie ciekłej za pompą,

- czynnik roboczy za wytwornicą pary (przed sprężarką),

- czynnik roboczy za sprężarką (przed regeneratorem),

7a - czynnik roboczy za regeneratorem (przed wymiennikiem wysokotemperaturowym),

- czynnik grzewczy (np. spaliny) na wlocie do wymiennika wysokotemperaturowego,

- czynnik grzewczy (np. spaliny) na wylocie z wymiennika wysokotemperaturowego.

Pompa zasilająca (obiegowa) (IV) zwiększa ciśnienie cieczy roboczej (od punktu 4 do punktu 5) i podaje ją do wytwornicy pary (VI), gdzie kosztem ciepła odbieranego od przegrzanej pary czynnika roboczego (od punktu 2a do punktu 3) następuje proces (od punktu 5 do punktu 6) podgrzania cieczy roboczej, jej odparowanie i ewentualne przegrzanie powstałej pary. Para z wytwornicy (VI) kierowana jest do sprężarki (VII), gdzie następuje dalszy wzrost ciśnienia czynnika roboczego w fazie gazowej (od punktu 6 do punktu 7). Ze sprężarki czynnik roboczy w fazie gazowej podgrzewany jest w regeneratorze (VIII) (od punktu 7 do punktu 7a) kosztem ciepła przekazanego (od punktu 2 do punktu 2a) od czynnika wypływającego z ekspandera (I). Następnie czynnik roboczy kierowany jest do wymiennika wysokotemperaturowego (V), gdzie zwiększa się jego temperatura kosztem ciepła przekazanego od czynnika grzewczego (np. spalin) (od punktu 8 do punktu 9). Po wyjściu z wymiennika wysokotemperaturowego (V) czynnik dopływa do ekspandera (I) (np. turbiny), gdzie ekspanduje (od punktu 0 do punktu 2) i oddaje przy tym moc do napędu generatora elektrycznego (II). Następnie czynnik roboczy dopływa do regeneratora (VIII), w którym oddaje swoje ciepło (od punktu 2 do punktu 2a) do podgrzewania pary czynnika wypływającego z wytwornicy (VII) (od punktu 7 do punktu 7a). Z regeneratora (VIII) czynnik wpływa do wytwornicy pary (VI) i oddaje swoje ciepło (od punktu 2a do punktu 3) do wytworzenia pary (od punktu 5 do punktu 6). Z wytwornicy pary (VI) czynnik wpływa do skraplacza (III) i wykrapla się (od punktu 3 do punktu 4), a powstałe skropliny dopływają do pompy (IV) i cały cykl się powtarza.

PL 230 662 B1

Przykładowy obieg z butanem jako czynnikiem roboczym przedstawiony na fig. 2 i przykładowy obieg z siloksanem MM pokazany na fig. 3 udowadniają fizyczną możliwość realizacji poszczególnych przemian i procesów termodynamicznych.

Wykaz oznaczeń na rysunku

I - ekspander (np. turbina),

II - generator elektryczny,

III - skraplacz,

IV -pompa obiegowa,

V - podgrzewacz wysokotemperaturowy,

VI -wytwornica pary,

VII - sprężarka,

VIII - regenerator.

Charakterystyczne punkty obiegu:

- czynnik roboczy w fazie gazowej za wymiennikiem wysokotemperaturowym (przed ekspanderem, np. przed turbiną),

- czynnik roboczy w fazie gazowej za ekspanderem (np. za turbiną),

2a - czynnik roboczy w fazie gazowej przed parownikiem (strumień przekazujący ciepło),

- czynnik roboczy w fazie gazowej za wytwornicą pary (strumień przekazujący ciepło),

- czynnik roboczy w fazie ciekłej za skraplaczem,

- czynnik roboczy w fazie ciekłej za pompą,

- czynnik roboczy za wytwornicą pary (przed sprężarką),

- czynnik roboczy w fazie gazowej za sprężarką (przed regeneratorem),

7a - czynnik roboczy w fazie gazowej za regeneratorem (przed wymiennikiem wysokotemperaturowym),

- czynnik grzewczy (np. spaliny) na wlocie do wymiennika wysokotemperaturowego,

- czynnik grzewczy (np. spaliny) na wylocie z wymiennika wysokotemperaturowego.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób zwiększenia sprawności obiegu siłowni cieplnej, zwłaszcza dla tzw. „suchych” czynników roboczych, znamienny tym, że pompa zasilająca (IV) zwiększa ciśnienie czynnika roboczego i podaje go do wytwornicy pary (VI), gdzie kosztem ciepła odbieranego od przegrzanej pary czynnika roboczego wypływającego z ekspandera i regeneratora następuje proces podgrzania cieczy roboczej, jej odparowanie i ewentualne przegrzanie powstałej pary, a powstała para z wytwornicy (VI) kierowana jest do sprężarki (VII), gdzie następuje dalszy wzrost ciśnienia czynnika roboczego, a po opuszczeniu sprężarki czynnik roboczy podgrzewany jest w regeneratorze (VIII) kosztem ciepła przekazanego od czynnika wypływającego z ekspandera (I), a następnie czynnik roboczy kierowany jest do wymiennika wysokotemperaturowego (V), gdzie zwiększa się jego temperatura kosztem ciepła przekazanego od czynnika grzewczego, a po wyjściu z wymiennika wysokotemperaturowego (V) czynnik dopływa do ekspandera (I), gdzie ekspanduje i oddaje przy tym moc do napędu generatora elektrycznego (II), a następnie czynnik dopływa do regeneratora (VIII), w którym oddaje swoje ciepło do podgrzewania par czynnika wypływającego z wytwornicy (VI), a kolejno czynnik wpływa do wytwornicy pary (VI) i oddaje swoje ciepło do wytworzenia pary świeżej, a następnie czynnik skrapla się w skraplaczu (III), a powstałe skropliny dopływają do pompy (IV), co zamyka obieg.