SE464717B - Saett att alstra mekanisk energi - Google Patents

Description

464 717 2 2 Expansion eller expansioner i en turbin med optimal termodynamiska förhållanden för att kunna använda enkla turbiner Lmed ett steg om möíligt) med hög inneboende verkningsgrad såväl vid konstruktionspunkten som vid dellast. Härför är det nödvändigt att arbeta med media med hög molekylvikt. med moderata maximitryck och med låga tryckförhållanden för att tillåta en höggradig reaktion och torr expansion. 3 Frånvaro av vakuum i anläggningen för att eliminera energiföriuster i detta sammanhang och för att kunna kondensera vid den minimitemperatur som kylmediet tillåter, eller ävenså med variabla kondenseringstemperaturer i enlighet med årstiden.

Det är tydligt att ett förlopp med de föregående egenskaperna icke kan erhållas genom att arbeta med ett enda medium. Genom utförda studier har man konkluderat att vid arbete med maximitemperaturer av storleksordningen 400'C (för att erhålla en hög absolut verkningsgrad) är den nödvändigt att använda åtminstone tre förlopp, vart och ett med ett enda medium, kaskad- kopplade för att erhålla redan nämnda syften. Vart och ett av dessa förlopp kommer att arbeta med ett särskilt medium, vars kokpunkt är anpassad till det temperaturområde som tilldelats det nämnda förloppet. Vatten kan icke vara ett av dessa media. eftersom. vid arbete som det mellanliggande förloppet. det kan uppfylla det första och det tredie av de redan nämnda villkoren men icke det andra på grund av sin låga molekylvikt.

Det är tydligt att denna lösning har olägenheten att erfordra en extra värmeväxlaryta för värmeåtervinning (särskilt på grund av att media med hög molekylvíkt och torr expansion kräver en avsevärd värmeåtervinning vid turbinutloppet) och erfordrar tre förlopp och tre turbiner, med därav föliande invecklad drift och påverkan på kostnaderna.

Den här föreslagna uppfinningen består i att utbyta de två förloppen med ett medium som skall arbeta inom hög- och mellantemperaturområdet mot ett enda förlopp, som arbetar med en blandning av två oblandbara media med märkbart olika kokpunkter, under bibehållande av ett förlopp med ett medium som arbetar inom lågtemperaturområdet. Skälet till att hålla det sistnämnda förloppet separat är omöiligenheten att få tag i kylmedium som lämpar sig för att användas inom lågtemperaturområdet och har hög molekylvikt och kan motstå temperaturer av storleksordningen 400'C. 464 717 I jämförelse med det beskrivna trefaldiga förloppet är detta binära förlopp mindre invecklat att genomföra, dvs det liknar ett vanligt förlopp med ett enda medium, eftersom det sekundära förloppet med ett kylmedium kan ske med en kompakt standardenhet som igangsättes. arbetar och stoppas automatiskt och oberoende i enlighet med den energi den mottar fràn det primära för- loppet.

Det primära förloppet arbetar med blandningen av icke blandbara media pa sadant sätt att vid det maximala arbetstrycket och temperaturen äng- blandningen är torr och mättad ifrága om komponenten med den högsta kok- punkten.

Arbete med en blandning av tva media erbiuder fördelen att, trots att de använda media maste uppvisa lämpliga kokpunkter för det temperaturomràde som vart och ett av dem täcker, dock villkoret att uppvisa hög molekylvikt icke behöver upfyllas separat av vart och ett av dem utan det är tillräckligt om det uppfylls av den blandning som expanderar i turbinen. Pa detta sätt kan vatten användas som mediet med den lägsta kokpunkten i blandningen. förutsatt att det andra mediet har en hög molekylvikt. Detta erbiuder fördelen att kunna använda packningar för vattenånga l turbinerna utan att arbetsmediet förorenas.

I jämförelse med de tvâ oberoende förloppen (dem som ersatts) i det nämnda tredle förloppet erbiuder förloppet med mediumblandningen en annnan fördel. som bestar 1 att minska de cirkulerande mediummassorna och, framför allt, att drastiskt minska den erforderliga värmeväxlingsytan, icke endast pà grund av att den har färre värmeväxlingar utan för att dessa till större delen sker genom kondenseringar och förángningar (eutektiska vid konstant temperatur och icke-eutektiska vid variabel temperatur) istället för med övehettad ånga.

Föreliggande uppfinning hänför sig således till ett sätt att alstra mekanisk energi under användning av ett binärt system med ett primärt och ett sekundärt kretslopp, varvid det primära kretsloppet arbetar med en blandning av vatten och en andra substans, som är i huvudsak oblandbar med vatten och har väsentligt lägre flyktighet än vatten, och utmärkas av att det primära kretsloppet innefattar: 464 717 4 a) torr expansion av en torr ángblandning fràn ett maximalt arbetstryck och en maximal arbetstemperatur till ett minimiarbetstryck för att frambringa en expanderad àngblandning: b) kylning av den expanderade ángblandningen och därefter kondensering vid variabla temperaturer av en del av substansen med den högre kokpunkten. varvid det vid kondensationen avgivna värmet átervinns genom det primära kretsloppet i steg (e); c) avskilining av den del av substansen med den högre kokpunkten som har kondenserats i steg (b) och pumpning av denna kondenserade del till en punkt med ekvivalent temperatur i steg d) total kondensering av en efter steg (c) áterstàende angblandningen i en värme växlare, som överför värme frán det primära till det sekundära kretsloppet, först vid variabla temperaturer till dess att den nar den eutektiska sammansättningen och därefter vid den eutektiska temperaturen motsvarande minimiarbetstrycket i det primära kretsloppet: e) återvinning av det i steg (bl avgivna värmet för uppvärmning av den i steg (d) kondenserade blandningen och för partiell förängning av denna: f) absorption av värme medelst den i steg (el erhållna tvàfasblandningen. varvid denna helt föràngas till dess att den när det primära kretsloppets maximala arbetstemperatur, för àterföring till steg (al.

Det föreslagna förloppets grundplan visas i figur 1. Härvid sker de opera- tioner som beskrivits ovan. Ovan refererar hänvisninarna aa; till ne: olika operationer betecknande (a) till te) i figur 1. I figur 1 anger hänvisningarna (a) till (i) föliande= ta) och (gl är turbiner, (b: och me: värmevâxlare, (c) en avskiljningsanordning, (i) en evaporator, och (fl en utrustning för tillförande av yttre värme.

Massförhállandet mellan de tva media i det primära förloppet vid turbinens inlopp är fixerat för ett givet maximitryck och temperatur. Beroende pá detta förhållande varierar förhållandet avsevärt mellan det värme som àtervinns i siälva förloppet och det värme som absorberas fràn en yttre vârmekälla. Pa detta sätt kan förloppet anpassas till värmekällans tem- peraturkurva.

Det praktiska utförandet av värmeàtervinningen och värmeabsorptionen frán den yttre värmekällan varierar i beroende av det massförhàllande som skall användas. 'l 464 717 i " t b s 'vn' v r'tn'n arna Figur 1 visar schematiskt förloppet enligt uppfinningen.

Figur 2 visar schematiskt uppfinningsförloppet vid användning av vatten och difenyloxid.

Figur 3 är ett diagram som visar t- H för det i figur 2 visade förloppet vid en maximitemperatur av 400°C. 'v ' a av e t s" sk' u f' ni G fa .

I det följande praktiska exemplet arbetar det primära förloppet med en blandning av vatten och difenyloxid och det sekundära förloppet med FREON R11.

Figur 2 visar ett utförande för återvinning av enerigi frán källor med en konstant eller variabel temperatur och med en minimitemperatur som är- iämförelsevis hög.

Förloppet inkluderar tvâ turbiner (T-I och T-II), yttre värmetill- förselutrustning, tva rekuperatorer (R-I och R-II), en angpanna. en R11- evaporator, en kondensor, en fasseparator och tre pumpar (P-I. P-II och P- III). I detta fall utför de tvà rekuperatorerna och àngpannan värmeàter- vinningen i det primära förloppet. Förfarandet arbetar pá föliande sätt: vätskeblandningen. difenyloxid och vatten (punkt 1), som kommer frän Rii- exaporatorn, pumpas (P-I) till maximiproxesstrycket och införes (punkt 2) i rekuperatorns (R-11) rör.

Den uppvärmda vätskeblandningen införes (punkt 3) därefter i angpannemanteln.

I denna föràngas vattnet tillsammans med en ringa del av difenyloxiden och det alstras en eutektisk blandning av ángor (punkt 4) vid den eutektiska temperaturen för processmaximitemperaturen. Den återstående difenyloxid- vätskan uttages från àngpannemantelns botten, där den samlats pá grund av sin större densitet, och sändes till difenyloxidkärlet (punkt 14). 464 717 6 Innan den går in i rekuperatorns (R-I) rör (punkt 5) blandas den eutektiska blandning av ångor som åstadkommits i ångpannan xpunkt 4) och blandas med den difenyloxidvätska som av P-II pumpats vid processmaximitrycket (punkt 18). Denna difenyloxidvätska har uppsamlats i kärlet vid skilda punkter g , (14, 15, 16 och 17) under förloppet, såsom kan ses i figur 2.

I rören i rekuperatorn R-I sker en icke-eutektisk förangning av difenyl- oxidvätskan. Denna förångning sker vid variabel temperatur och på sådant sätt att vid varje punkt av omvandlingen är temperaturen difenyloxidens mättningstemperatur vid partialtrycket av den icke-eutektiska blandning av difenvloxidånga och vattenånga som åtfölier difenvloxidvätskan genom rören.

Vid rörens utlopp 1 R-I rekuperatorn (punkt 6) finns det fortfarande en avsevärd mängd difenyloxidvätska tillsammans med en icke-eutektisk blandning av difenyloxidånga och vattenånga.

Detta flöde. som förefínns som två faser, går därefter till den yttre värmetillförselutrustningen, där. återigen vid variabel temperatur. difenyl- oxidvätskan förångas. Vid utloppet (punkt 7) har all difenyloxidvätska förångats och det erhålles en blandning av difenyloxidånga och vattenånga som är torr och mättad ifråga om difenyloxid. Vid en bestämd maximitemeratur bestämmer det maximala förloppstrycket proportionerna mellan difenyloxidånga och vattenånga i punkten 7, eftersom, då blandningen är mättad ifråga om difenyloxid, densammas patialtryck måste vara det som svarar mot mättning av difenyloxid vi den maximala förloppstemperaturen.

Den ångblandning som alstras i den yttre värmetillförselutrusningen går in i turbinen (T-I), där den expanderar till ett lämpligt tryck för det efterföliande värmeåtervinningssteget. Blandningen expanderar under över- hettning på grund av den stora tendens som den rikligast förekommande komponenten Den överhettade ångblandning som går ut från turbinen (punkt 8) går in till den varma sidan av de successiva värmeväxlarna i värmeåtervinnings- steget, vars kalla sida redan har beskrivits. Först går den till manteln i rekuperatorn R-I. där den kyls till dess att den når blandningens daggpunkt vid det rådande trycket. Från denna punkt böriar kondenseringen av difenvl- oxid vid variabel temperatur och detta av samma skäl som då det är fråga om förångningen däri. 464 717 Vid rekuperatorns R-I utlopp förefinns difenyloxidvätska som kondenserats och en kvarstående ångblandning som är mättad i avseende på difenyloxid.

Den kondenserade difenyloxidvätskan (punkt 15) avtappas in i kärlet för difenyloxidvätska. Angblandningen (punkt 9) går till rören i ångpannan.

I ångpannerören fortsätter difenyloxiden att konenseras vid variabla temperaturer. vid utloppert uppsamlar en fasseparator difenyloxidvätskan som leds in i kärlet för difenyloxidvätska (punkt 16). Den kvarstående ångblandningen (punkt 11), som är mättad i avseende på difenyloxid, går till manteln i R-II, där, återigen vid variabel temperatur, en del av difenyloxiden kondenseras för att uttagas vid utgången från rekuperatorns R-II utlopp (punkt 17) och ledes till kärlet för difenyloxidvätska. Den återstående ångblandningen (punkt 12), som är mättad ifråga om difenyloxid, går till evaporatorn för kylmediet R11.

I R11-evaporatorn kondenseras ångblandningen genom att först en del av difenyloxiden kondenseras till dess att ångblandningen når sin eutektiska sammansättning vid praktiskt taget samma temperatur som vid mättning ifråga om vatten vid det givna trycket. Därefter kondenseras difenyloxid och vatten samtidigt till dess att den blir den vätskeblandning som förefinns vid påböriandet av förloppet (punkt 1) enligt beskrivningen.

Under det sekundära förloppet förångas kylmediet i R11-evaporatorns mantelzon (punkt 21) och går till turbinen T-II för torr expansion, överhettning och till mättningstrycket för den fixerade kondenserings temperaturen (punkt 22). Detta tryck är lika med eller något högre än atmosfärtrycket. Därifrån går det till slutkondensorn (punkt 19) för att tempereras och kondenseras och pumpas slutligen genom P-III till evaporatorn vid maximitrycket för detta förlopp (punkt 20).

Claims (13)

°Q 464 717 Patentkrav

1. Sätt att alstra mekanisk energi under användning av ett binärt system med ett primärt och ett sekundärt kretslopp, varvid det primära kretsloppet arbetar med en blandning av vatten och en andra substans, som är i huvudsak oblandbar med vatten och har väsentligt lägre flyktighet än vatten, k ä n - n e t e c k n a t a v, att det primära kretsloppet innefattar: a) torr expansion av en torr ångblandning från ett maximalt arbetstryck och en maximal arbetstemperatur till ett minimiarbetstryck för att frambringa en expanderad ångblandning; b) kylning av den expanderade ängblandningen och därefter kondensering vid variabla temperaturer av en del av substansen med den högre kokpunkten, varvid det vid kondensationen avgivna värmet återvinns genom det primära kretsloppet i steg (e); c) avskilining av den del av substansen med den högre kokpunkten som har kondenserats i steg (b) och pumpning av denna kondenserade del till en punkt med ekvivalent temperatur i steg (e); d) total kondensering av den efter steg (o) återstående àngblandningen i en värmeväxlare, som överför värme frán det primära till det sekundära kretsloppet, först vid variabla temperaturer till dess att den när den eutektiska sammansättningen och därefter vid den eutektiska temperaturen motsvarande minimiarbetstrycket i det primära kretsloppet; e) återvinning av det i steg (b) avgivna värmet för uppvärmning av den i steg (d) kondenserade blandningen och för partiell föràngning av denna; f) absorption av värme medelst den i steg (e) erhållna tváfasblandningen, varvid denna helt förångas till dess att den när det primära kretsloppets maximala arbetstemperatur, för återföring till steg (a).

2. Sätt enl. krav 1, varvid värmeätervinningen i det primära kretsloppet består av tre understeg, k ä n n e t e c k n a t a v, att det medium, som arbetar i den kalla sidan, upphettas i det första understeget, som är det som har den lägsta temperaturen, den i vätskefas befintliga blandningen, i det andra understeget förángas all substans med den lägre kokpunkten i eutektisk blandning med en del av substansen med högre kokpunkt vid den eutektiska temperaturen, varvid substansen med lägre kokpunkt är vatten och i det tredje understeget förångas en del av den återstående substansen med den högre kokpunkten icke eutektiskt vid variabel temperatur. 7 464 717

3. Sätt enl. krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att de delar av substansen med den högre kokpunkten, som kondenserats vid den varma sidan av varje àtervinningsundersteg i det primära kretsloppet avskiljs och senare pumpas till en eller flera lämpliga punkter vid den kalla värmeàter- vinningssidan, som kan utgöras av inloppet, utloppet eller någon mellanlig- gande punkt mellan understeg.

4. Sätt enl. krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att föràngningen i det primära kretsloppets andra värmeàtervinningsundersteg sker i manteln i en värmeväxlare (av panntyp eller av annat slag), varvid överflödig substans med den högre kokpunkten avskiljs i bottendelen.

5. Sätt enl. krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att föràngningen i det andra understeget icke är eutektisk utan endast det vatten, som tidigare avskilts i vätskefas fràn den andra substansen, föràngas.

6. Sätt enl. krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att den icke eutektiska föràngningen av substansen med den högre kokpunkten i det primära kretslop- pets tredje understeg icke sker direkt i en värmevâxlare, utan medelst en blandning av substansen med den högre kokpunkten i en vätskeform, som f t har värmts i det nämnda tredje understeget, antingen med de eutektiska landning, som alstrats i det andra understeget eller med den mättade á ga, som alstrats i det andra understeget.

7. Sätt enl. krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att det tredje värme- àtervinningsundersteget i det primära kretsloppet har eliminerats.

8. Sätt enl. krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att föràngningen av vattnet eller den eutektiska föràngningen av blandningen i det andra understeget i det premära kretsloppet icke är fullständig, utan en del av densamma sker medelst en yttre värmekälla.

9. Sätt enl. krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att värmningen av vâtskeblandningen i det primära kretsloppets första understeg icke är fullständig, utan en del av den totala värmningen sker medelst en yttre värmekälla. _ in

10. Sätt enl. krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v, att det sekundära kretsloppet absorberar värme icke blott från det primära kretsloppet, utan även från en yttre värmekälla.

11. Sätt enl. krav 1, k å n n e t e c k n a t a v, att substansen med lägre flyktighet utgörs av en eutektísk blandning av difenyl och dífenyloxid, vilken beter sig praktiskt taget som en ren substans pà grund av deras fullständiga blandbarhet i vätskefas och närheten av deras mättningskurvor.

12. Sätt enl. krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v, att det sekundära kretsloppet arbetar med vatten.

13. Sätt enl. krav 12, k ä n n e t e c k n a t a v, att i stället för alstring av ren vattenånga i det sekundära kretsloppet den efter steg (c) återstående ángblandningen, som till större delen består av vattenånga, används för att direkt expandera och alstra arbete i en turbin eller liknande utrustning och den utgående blandnignen gär till den slutliga kondensorn.