SE531038C2 - Skruvrotormaskin, energiomvandlingssystem och förfarande för energiomvandling - Google Patents

Description

53% 038 2 För lägre effektnivåer har därför använts en skruvexpander i stället för en turbin, varvid skruvexpandem norrnalt är försedd med oljeinsprutning, dvs. olja sprutas in i expanderns arbetsrum för att kyla, täta och smörja.

En oljeinsprutad skruvexpander uppvisar utmärkt verkningsgrad,- men har några nackdelar.

En nackdel är att oljan måste avskiljas nedströms expansionen. Detta in- nebär att trycket på arbetsmediet då är lågt och volymflödet därmed högt. Efter- som oljeavskiljning är beroende av låg strömningshastighet blir oljeavskiljaren där- med opraktiskt stor och orimligt dyr.

En annan nackdel är att de typer av oljeavskiljare som finns på marknaden inte kan avskilja 100 % av alla olja. Det innebär att en viss mängd olja passerar avskiljaren och hamnar i värrneväxlama där den allvarligt nedsätter verkningsgra- den.

Som altemativ tiil oljeinsprutad skruvexpander skulle man teoretiskt kunna överväga att använda den teknik som används i oljefria skruvkompressorer för luft med intema axeltätningar mellan arbetskammare och lager. Emellertid är det prak- tiskt omöjligt att få dessa tätningar helt täta, varför man då väljer att släppa ut läckageluften i atmosfären. Detta kan dock inte tillåtas i en stängd ORC-process.

Dessutom är de inre läckagen extra svåra att hantera vid stillestånd i ett trycksatt system där kondensatíon uppträder mot kalla ytor. Följden skulle då bli en succes- siv uppblandning av olja och arbetsmedium, avtagande viskositet och dänned till- förlitlighetsproblem. Ändamålet med föreliggande uppfinningar mot denna bakgrund att möj- liggöra energiomvandling medelst en ORC-process vid förhållandevis låga effekt- nivåer med förbättrad prestanda, ökad tillförlitlighet och med undanröjande av de nackdelar som är förknippade med hittills känd teknik inom området. 20 53% G38 Redggörelse för uggfinningen Det uppställda ändamålet har ur uppfinningens första aspekt emåtts ge- nom att en skruvrotormaskin av det inledningsvis angivna slaget uppvisar de spe- ciella särdragen att lagerkammaren förutom att kommunicera med arbetsrummet även kommunicerar med en oljetillförselledning och en dräneringsledning, vilken dräneringsledning är förbunden med ett tryck som är lägre än det lägsta trycket i maskinens arbetsrum när det är öppet mot utloppet.

Med en sådan skruvmotormaskin utfonnad som en expander åstadkom- mes oljefri expansion samtidigt som lagren blir tillförlitligt oljesmorda. Därmed möj- liggörs att utnyttja densamma som drivande enhet-i en ORC-process, varvid upp- nås kostnadseffektivitet även vid lägre effekter än vid de där turbiner är ett prak- tiskt möjligt alternativ.

Sålunda behövs ingen oljeavskiljare i huvudgasflödet.

De fördelar som vinnes med en skruvrotormaskin enligt uppfinningen är speciellt värdefulla då den utnyttjas i en ORC-process. Dess fördelar är naturligtvis av intresse även då maskinen används som expanderi andra sammanhang där liknande betingelser kan uppträda. Detsamma gäller även då maskinen arbetar som kompressor.

Enligt en föredragen utföringsform av den uppfunna skruvrotorrnaskinen är en oljeavskiljare är anordnad i dräneringsledningen för avskiljning av olja från ge- nom dräneringsledningen strömmande medium. Därigenom elimineras risken för olja i ORC-kretsens värmeväxiare helt och hållet.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsfonn är oljeavskiljaren via en olje- pump ansluten till oljetillförselledningen. 20 531 038 4 Därmed säkerställas på ett enkelt sätt att lagersmörjningen åstadkommas med en sluten oljekrets, vilket eliminerar behovet av kontinuerlig tillförsel av olja, och någon spillolja behövs ej tas om hand.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn är oljeavskiljaren via en led- ning för arbetsmedium ansluten till en evakueringspump.

Därmed uppnås att säkerställa nödvändig tryckdifferens på ett enkelt sätt.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är oljeavskiljaren genom en förbindelseledning för arbetsmedium ansluten till en med skruvrotorexpanderns ut- loppsöppning förbunden ledning.

Detta är en utföringsforrn som är speciellt fördelaktig att använda då ma- skinen utnyttjas som expander. Då trycket i nämnda ledning är lägre än nämnda tryck i arbetskammaren p.g.a. de strypförluster som uppträder i utloppet erhålles med denna utföringsform automatiskt att det angivna tryckförhållandet uppnås. Yt- terligare en fördel är att det genom lagerkammaren strömmande arbetsmediet återförs till arbetsmediets huvudflöde. detta är speciellt värdefullt då expandern in- går i en ORC-process eftersom det då är angeläget att undvika utsläpp till omgiv- ningen av arbetsmedium. Man eliminerar även behovet av att tillföra ytterligare ar- betsmedium.

Det uppställda ändamålet har ur uppfinningens andra aspekt emátts ge- nom att ett energiomvandlingssystem av det inledningsvis angivna slaget uppvisar det speciella särdraget att expandera är en skruvrotorexpander enligt föreliggande uppfinning.

Med det uppfunna energiomvandlingssystemet tillgodogöra de fördelar som den uppfunna skruvrotonnaskinen uppvisar i ett sammanhang där dessa för- delar är speciellt betydelsefulla. 20 BBQ 03% 5 Därmed möjliggörs kostnadseffektiv och tekniskt ändamålsenlig tillämp- ning av en ORC-process även vid relativt måttliga effektnivåer.

Enligt en föredragen utföríngsform av det uppfunna energiomvandlingssy- stemet är dräneringsledningen från lagerkammaren ansluten till systemets krets mellan expandern och pumpen. Därvid sker anslutningen lämpligast mellan ex- pandern och kondensorn.

Enligt uppfinningens tredje aspekt uppnås det uppställda ändamålet ge- nom att ett förfarande av det inledningsvis angivna slaget innefattar de speciella åtgärdema att såsom expander använda en skruvrotorexpander med minst två skruvrotorer, vars åtminstone ena rotor är lagrad i minst ett oljesmort lager, att bringa arbetsmedium att läcka ut till nämnda lager och att leda bort olja- arbetsmedie-blandning från lagret.

Genom det uppfunna förfarandet ernås fördelar av motsvarande slag som emàs med det uppfunna energiomvandlingssystemet och som redogjorts för ovan.

Enligt en föredragen utföringsform av det uppfunna förfarandet avskiljs olja från nämnda blandning.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform är arbetsmediet en kol-, flu- or- eller kvävebaserad förening.

Genom att således tillämpa förfarandet för det slag av arbetsmedier som normalt kommer ifråga vid en ORC-process utnyttjas fördelama hos det uppfunna förfarandet i ett sammanhang där dessa fördelar är speciellt betydelsefulla.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform tillförs det arbetsmedium som passerat oljeavskiljaren till ledningskretsen mellan expandem och pumpen.

Därigenom vinnes liknande fördelar som de som angivits ovan för motsva- rande utföringsforrn av det uppfunna energiomvandlingssystemet. 20 53'i G38 6 Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande beskrivning av ett fördelaktigt utföringsexempel av densamma under hänvisning till medföljande rit- ningsfigurer.

Kort beskrivning av figurema Figur 1 ar ett schema illustrerande ett energiomvandlingssystem enligt uppfinningen.

Figur 2 är en längdsektion genom en skruvexpander enligt uppfinningen.

Beskrivning av utföringsexemgel l fig. 1 illustreras ett energíomvandlingssystem enligt uppfinningen. Sy- stemet tillämpar en ORC- process med lämpligt arbetsmedium som t.ex. Rl34a, ammoniak, någon kolväteförening eller koldioxid. Arbetsmedium tillförs vid ett fór- sta tryck via ledningen 5 till inloppet hos en skruvexpander 1, i vilken arbetsmediet expanderar till ett lägre tryck, och lämnar expandem 1 genom utloppsledningen 6.

Utloppsledningen 6 leder lågtrycksarbetsmediet till en kondensor 2 så att arbetsmediet lämnar denna i vätskefas genom ledningen 7. Med en pump 3 höjs det vätskeformiga arbetsmediets tryck och leds genom ledning 8 till en förângare 4, där arbetsmediet förångas och leds åter till expandems 1 inloppsledningö vid nämnda första tryck.

Expandern driver en maskin 9, som endera kan vara en generator eller en maskin som direkt utnyttjar den mekaniska energin.

Arbetsmediet strömmar således genom en sluten krets och undergàr fas- förändringar genom bortförsel respektive tillförsel av värme. Systemet kan anvan- 20 25 53% G33 7 das för generering av kyla, värmeförädling, energiomvandling av värme till meka- nisk energi och/eller elgenerering.

Systemet är väl lämpat för att utnyttja lågvärdig värme som t.ex. från sol- energi och sopförbränning. Tillförd värme är typiskt vid en temperatur lägre än 140°C, och med lämpligt valt arbetsmedium kan värmekällor med en temperatur ned till so - 4o°c utnyttjas.

Vad som hittills beskrivits ovan är förut känt och är något som utnyttjas idag.

Expandern 1 beskrivs närmare med hänvisning till fig. 2 där denna är ut- formad på ett speciellt sätt i enlighet med uppfinningen.

Expandern 1 innefattar två skruvrotorer 102 av vilka endast den ena är syniiggjord i figuren. Den ena av rotorerna är av hanrotortypen och den andra av honrotortypen, och omsluts av ett hus 101 som avgränsar ett arbetsrum 115 som har formen av två varandra skärande cylindrar. Mellan rotorema 102 och huset 101 bildas V-formade arbetskamrar som då rotorema roterar vandrar från expan- dems inlopp 114 i riktning mot dess utlopp 113. Det närmare funktionssättet hos en skruvrotorexpander torde vara allmänt känt och fordrar i detta sammanhang därför ej någon mer utförlig beskrivning.

Den i figuren synliga skruvrotom 102 har en utgående axel 103 förbunden med den ifig. 1 illustrerade drivna enheten 9. Vid sin andra ände är skruvrotom ut- formad med en axeltapp 104 lagrad iett lager 106. Detta är anordnat i en lager- kammare 105. Genom en trång spalt 107 kommunicerar lagerkammaren med ex- panderns 1 arbetsrum.

Till lagerkammaren 105 är ansluten en oljekrets med en tillförselledning 111, en dräneringsledning 108, en oljeavskiljare 109 och en oljepump 110. Oljeav- skiljaren är genom en ledning 112 för arbetsmedium förbunden med expandems 1 utloppsledning 6. 20 531 038 8 Vid drift tillförs gasformigt arbetsmedium av relativt sett högt tryck till ex- pandems lnloppsöppning 114, expanderas i expandern* 1 och lämnar denna ge- nom expanderns utlopp 113 vid ett lägre tryck ut genom utloppsledningen 6.

Olja tillförs till lagerkammaren med hjälp av oljepumpen 110 genom tillför- selledningen 111. Oljan dräneras sedan från lagerkammaren 105 via dränerings- ledningen 108 och oljeavskiljaren 109 för att återcirkuleras.

Tryckförhållandena är sådana att trycket i lagerkammaren är lägre än den del av expandems arbetsrum som exponeras mot spalten 107 mellan expandems ändgavel 116 och lagerkammaren 105. Därmed finns ingen risk att olja från smörj- kretsen läcker ut från lagerkammaren 105 via spalten 107 till expanderns arbets- rum 115. I stället sker ett läckflöde av arbetsmedium från expandems arbetsrum 115 via spalten 107 till lagerkammaren 105 där arbetsmediet uppblandas i oljan.

Det är således arbetsmediebemängd olja som strömmar genom dräne- ringsledningen 108 till oljeavskiljaren 109. I denna separeras olja och arbetsmedi- um och det senare leds från denna via ledningen 112 till expandems utloppsled- ning, där trycket är lägre än i expandems mot spalten 107 exponerade arbetsrum.

Oljeavskiljaren behöver således dimensioneras endast för separering av den förhållandevis begränsade mängd arbetsmedium som läcker ut genom spal- ten 107 och den begränsade mängd olja som cirkulerar i smörjkretsen för lagret.

Detta blir av en helt annan storleksordning än vid en oljeinsprutad expander där det är fråga om en mycket större mängd olja och där allt arbetsmedium bebiandas med oljan.

Det torde förstås att en motsvarande lagerkammare kan vara anordnad även vid expandems utgående axel 103, liksom vid den andra rotoms axeltappar.

Claims (11)

20 30 531 C838 PATENTKRAV

1. Skruvrotormaskin, företrädesvis en expander, vilken maskin innefattar två skruvrotorer (102) och ett hus (101) med en inloppsöppning (114) och en utlopps- öppning (1 13), vilket hus (101) bildar ett arbetsrum (115) i vilket skruvrotorema (102) är roterbart anordnade i ingrepp med varandra, varvid åtminstone den ena rotom (102) är försedd med minst en axeltapp (104) lagrad i lager (106), vilket la- ger är oljesmort och anordnat i en lagerkammare (105), vilken lagerkammare (105) via en spalttätning (107) kommunicerar med arbetsrummet (115), känne- tecknad av att lagerkammaren (105) därutöver kommunicerar med en oijetillför- selledning (111) och en dräneringsledning (108), vilken dräneringsledning (108) är förbunden med ett tryck som är lägre än det lägsta trycket i arbetsrummet (115) när det är öppet mot utloppsöppningen (113).

2. Skruvrotormaskin (1) enligt patentkrav 1, kännetecknad av att en oljeav- skiljare (109) är anordnad i dräneringsledningen (108) för avskíljning av olja från genom dräneringsledningen (108) strömmande medium.

3. Skruvrotormaskin (1) enligt patentkrav 2, kännetecknad av att oljeavskíl- jaren (109) via en oljepump (110) är ansluten till oljetillförselledningen (111).

4. Skruvrotormaskin (1) enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknad av att ol- jeavskiljaren (109) genom en ledning för arbetsmedium är ansluten till en evakue- ringspump.

5. Skruvrotormaskin (1) enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknad av att ol- jeavskiljaren (109) genom en förbindelseledning (112) för arbetsmedium är anslu- ten till en med skruvrotorexpanderns utloppsport (113) förbunden iedning (6).

6. Energiomvandlingssystem innefattande en expander (1), en Kondensor (2), en pump (3) och en förångare (4)anordnade i serie i en sluten lednlngskrets (5, 6, 7, 8) och en av expandern driven maskin (9), kännetecknat av att expan- dem (1) är en skruvrotorexpander (1) enligt något av patentkraven 1 - 5. 20 2531 033 10

7. System enligt patentkrav 6 då detta beror av krav 5 kännetecknat av att nämnda förbindelseledning (112) är ansluten till nämnda krets (5, 6, 7, 8) mellan expandern (1) och pumpen (3).

8. Förfarande för energiomvandling, vid vilket ett arbetsmedium bringas att genomgå en sluten ledningskrets innefattande en expander, en kondensor, en pump och en förångare, varvid expandem driver en maskin, kännetecknat av att expandem âr en skruvrotorexpander, med minst två skruvrotorer vars åtminstone ena rotor är lagrad i minst ett oljesmort lager, varvid arbetsmedium bringas att läcka ut till nämnda lager och att olje-arbetsmedieblandning bortleds från lagret.

9. Förfarande enligt patentkrav 8 kännetecknat av att olja avskiljs från nämnda blandning.

10. Förfarande för energiomvandling enligt patentkrav 9 kännetecknat av att arbetsmediet är en kol-, fluor- eller kvävebaserad förening.

11. Förfarande för energiomvandling enligt patentkrav 8 eller 9 kännetecknat av att det arbetsmedium som passerat oljeavskiljaren tillförs ledningskretsen mel- lan expandem och pumpen.