УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

2420-166262RU/022
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ОПИСАНИЕ
Полезная модель относится к устройству по пункту 1 формулы полезной модели для осуществления термодинамического циклического процесса.
Тепловые электростанции используют термодинамические циклические процессы для преобразования тепла в механическую или, соответственно, электрическую энергию. Обычные тепловые электростанции вырабатывают тепло посредством сжигания топлива, прежде всего ископаемых энергоносителей угля, нефти и газа. При этом циклические процессы эксплуатируют, например, на основе классического циклического процесса Ранкина с водой в качестве рабочей среды. Ее высокая температура кипения делает воду, конечно, прежде всего при использовании источников тепла с температурами между 100° до 200°С, например, геотермических жидкостей или отходящего тепла из процессов сжигания, непривлекательной вследствие недостаточной рентабельности.
Для источников тепла с такой низкой температурой в последние годы были разработаны самые различные технологии, которые позволяют преобразовывать их тепло с хорошим коэффициентом полезного действия в механическую или, соответственно, электрическую энергию. Наряду с циклическим процессом Ранкина с органической рабочей средой (organic rankine cycle, ORC) прежде всего так называемый циклический процесс Калины отличается по сравнению с классическим циклическим процессом Ранкина значительно лучшими коэффициентами полезного действия. На основе циклического процесса Калины были разработаны разнообразные циклы для самых различных применений. Эти циклы применяют в качестве рабочей среды вместо воды двухкомпонентную смесь, (например, аммиака и воды), причем чтобы повысить коэффициент полезного действия цикла по сравнению с циклом Ранкина используют неизотермический процесс кипения и конденсации смеси.
Для температур источника тепла от 100° до 140°С предпочтительно используют цикл Калины 34 KCS (Kalina Cycle System 34), который применяется, например, на геотермальной электростанции Хусавик/Исландия (см. также ЕР 1 070 830 А1). В этом цикле (см. также Фиг.3) жидкую рабочую среду закачивают в первый теплообменник, где она нагревается за счет частичной конденсации расширенного потока рабочей среды. Возникший за счет этого нагретый поток рабочей среды затем после охлаждения жидкой фазы частично испаренного потока рабочей среды нагревают дальше во втором теплообменнике и после этого частично испаряют в третьем теплообменнике с применением тепла, которое передают от внешнего источника тепла, (например, геотермической жидкости), (например, до содержания жидкости 14-18%). После этого от частично испаренного потока рабочей среды в сепараторе отделяют жидкую фазу от парообразной фазы.
Парообразную фазу расширяют в турбине и используют ее энергию для выработки электроэнергии. Жидкую фазу направляют через второй теплообменник и используют для последующего нагрева нагретого потока рабочей среды. В смесителе жидкую фазу и расширенную парообразную фазу сводят вместе и образуют уже упомянутый расширенный поток рабочей среды. Расширенный поток рабочей среды после этого частично конденсируют в первом теплообменнике и затем полностью конденсируют в конденсаторе так, что получается упомянутый в вводной части жидкий поток рабочей среды и цикл замыкается.
Исходя из этого известного циклического процесса, задачей настоящей полезной модели является указание устройства для осуществления термодинамического циклического процесса, которое при одинаковых внешнем источнике тепла и температуре охлаждающей воды и в основном при остающихся одинаковыми расходах на установку позволяет иметь одинаковые или даже более высокие выходы механической и/или электрической энергии, причем, устройство отличается меньшей сложностью.
Решение направленной на устройство задачи удается согласно полезной модели за счет устройства согласно пункту 1 формулы полезной модели. Предпочтительные формы выполнения устройства являются, соответственно, предметом зависимых пунктов 2-7 формулы полезной модели.
Согласно полезной модели за счет частичной конденсации расширенного потока рабочей среды нагруженный давлением жидкий поток рабочей среды не только нагревается, но даже частично испаряется. Это является возможным за счет того, что по сравнению с упомянутым во вводной части циклом Калины KCS 34 отказываются от второго теплообменника и тем самым от передачи тепла от жидкой фазы частично испаренного потока рабочей среды для дальнейшего нагрева или, соответственно, частичного испарения нагретого потока рабочей среды. За счет этого от жидкой фазы отбирается меньше тепла, которое зато применяется затем для лучшего нагрева и частичного испарения нагруженного давлением, жидкого потока рабочей среды путем частичной конденсации расширенного потока рабочей среды.
За счет соответствующего согласования тепловых поверхностей остающихся теплообменников и других параметров цикла является возможным не только поддерживать одинаковыми по сравнению с известным циклом выходы механической и/или электрической энергии, но даже еще повышать их. Расходы на повышенную при необходимости потребность в поверхностях нагрева в остающихся теплообменниках могут быть при этом в основном компенсированы за счет исключения второго теплообменника и упрощенной за счет этого прокладки трубопроводов так, что расходы на установку остаются в принципе одинаковыми.
За счет отказа от упомянутого во вводной части второго теплообменника или, соответственно, отказа от передачи тепла от жидкой фазы к первому частично испаренному потоку рабочей среды соответствующее полезной модели отличается меньшей по сравнению с уровнем техники сложностью.
Частичному испарению нагруженного давлением, жидкого потока рабочей среды путем частичной конденсации расширенного потока рабочей среды можно способствовать за счет того, что давление парообразной фазы составляет меньше, чем 24 бара, и тем самым является значительно меньшим, чем обычные 33 бара в известных до сих пор циклах. При этом можно снизить общий уровень давления в цикле, за счет чего опять-таки может быть уменьшена температура кипения рабочей среды.
Если давление парообразной фазы перед входом в турбину в три раза выше, чем давление расширенной парообразной фазы, то к тому же является возможным применять обычные одноступенчатые расширительные турбины. Подобные расширительные турбины имеют коэффициенты полезного действия до 88% и тем самым значительно более высокие коэффициенты полезного действия, чем применяемые до сих пор в подобных циклах, рассчитанные на максимальное давление, например, 33 бара многоступенчатые расширительные турбины с коэффициентами полезного действия около 75%. Возможно сопровождающая понижение уровня давления или, соответственно, более низкое соотношение давлений на расширительной турбине потеря коэффициента полезного действия в цикле тем самым более чем компенсируется за счет лучшего коэффициента полезного действия турбины и большей возможной производительности рабочей среды, которая позволяет отбирать от термальной воды сравнительно больше энергии.
При применении обычной одноступенчатой расширительной турбины отпадают, кроме того, расходы на вторую ступень турбины или добавочные расходы на специальное конструирование турбины для высоких разностей давлений.
Согласно форме выполнения полезной модели в качестве рабочей среды применяют многокомпонентную смесь. В случае многокомпонентной смеси предпочтительно речь идет о двухкомпонентной смеси, в частности, аммиачно-водяной смеси. Вследствие неизотермического испарения и конденсации такой смеси может быть достигнут особенно высокий коэффициент полезного действия цикла.
Особенно благоприятное для окружающей среды получение энергии является возможным за счет применения геотермальной жидкости, в частности, термальной воды из геотермального источника в качестве источника тепла. В качестве источника тепла можно, однако, применять также отходящие газы (дымовые газы) газо- и/или паротурбинных установок или тепло, полученное в промышленных производственных процессах, (например, при производстве стали).
Высокий коэффициент полезного действия цикла может быть достигнут при этом за счет того, что источник тепла имеет температуру от 100°С до 200°С, в частности, от 100°С до 140°С.
Полезная модель согласно независимому пункту формулы, а также другие предпочтительные формы выполнения полезной модели согласно признакам зависимых пунктов формулы полезной модели в последующем поясняются более подробно на Фигурах на основе примеров выполнения. При этом показывают:
Фиг.1 - схему соответствующего полезной модели устройства, для осуществления термодинамического циклического процесса в упрощенном, схематическом представлении,
Фиг.2 - расчет цикла для устройства согласно Фиг.1,
Фиг.3 - схему известного из уровня техники устройства для осуществления термодинамического циклического процесса в упрощенном, схематическом представлении,
Фиг.4 - расчет цикла для устройства согласно Фиг.3.
Показанное на Фиг.1 устройство 1 для осуществления термодинамического циклического процесса содержит (рекуперативный) теплообменник НЕ4, который на первичной стороне обтекается горячей термальной водой 20 не показанного более подробно геотермального источника и на вторичной стороне соединен, во-первых, с теплообменником НЕ2 и, во-вторых, с сепаратором 4. Сепаратор 4 служит для отделения парообразной фазы от жидкой фазы частично испаренной рабочей среды. Выход сепаратора 4 на стороне пара соединен с турбиной 2. Турбина 2 на стороне выхода связана со смесителем 5, который еще соединен с выходом жидкости сепаратора 4. На стороне выхода смеситель 5 соединен со вторичной стороной (рекуперативного) теплообменника НЕ2, которая в свою очередь соединена с первичной стороной конденсатора НЕ1, обтекаемого на вторичной стороне охлаждающей водой. Конденсатор НЕ1 на своем выходе на первичной стороне соединен, при необходимости, через сборник конденсата, через насос 3 с первичной стороной теплообменника НЕ2. Первичная сторона теплообменника НЕ2 связана опять-таки с вторичной стороной уже упомянутого теплообменника НЕ4.
В качестве рабочей среды в устройстве 1 используют двухкомпонентную смесь из воды и аммиака, которая имеет тем самым неизотермическое испарение и конденсацию. Рабочая среда присутствует после конденсатора НЕ1 в жидком состоянии в виде жидкого потока 13 рабочей среды. С помощью насоса 3 весь жидкий поток 13 рабочей среды накачивают до повышенного давления и создают жидкий поток 14 рабочей среды.
Нагруженный давлением, жидкий поток 14 рабочей среды подводят к первичной стороне теплообменника НЕ2 и за счет частичной конденсации направляемого на вторичной стороне через теплообменник НЕ2 расширенного потока 12 рабочей среды нагревают и частично испаряют так, что на первичной стороне после теплообменника НЕ2 имеет место первый частично испаренный поток 15 рабочей среды и на вторичной стороне - частично конденсированный, расширенный поток 12а рабочей среды. Доля пара в первом частично испаренном потоке 15 рабочей среды составляет, например, 15%. Первый частично испаренный поток 15 рабочей среды подводят без дальнейшего нагрева к вторичной стороне теплообменника НЕ4.
На первичной стороне теплообменник НЕ4 обтекается горячей термальной водой 20. В теплообменнике НЕ4 первый частично испаренный поток 15 рабочей среды снова испаряют за счет охлаждения термальной воды 20 и получают второй частично испаренный поток 18 рабочей среды. Второй частично испаренный поток 18 рабочей среды подводят к сепаратору 4, в котором парообразная фаза 10 отделяется от жидкой фазы 19 второго частично испаренного потока 18 рабочей среды. Парообразная фаза 10 после этого расширяется в турбине 2 и ее энергия превращается в подлежащую использованию форму, например, через не представленный генератор в ток и создает расширенную парообразную фазу 11.
В смесителе 5 расширенную парообразную фазу 11 и отделенную в сепараторе 4 жидкую фазу 19 снова сводят вместе и образуют расширенный поток 12 рабочей среды.
Нацеленная передача тепла от жидкой фазы 19 к первому частично испаренному потоку 15 рабочей среды, например, посредством специально предусмотренного для этого теплообменника при этом не предусмотрена. Частично испаренный поток 15 рабочей среды, тем самым, перед дальнейшим испарением в теплообменнике НЕ4 имеет в основном такую же температуру, как и после своего получения посредством частичной конденсации расширенного потока 12 рабочей среды. Под "в основном такую же температуру" понимают при этом, что разница температур составляет только несколько градусов Кельвина и вызвана, например, легким охлаждением покидающего теплообменник НЕ2 первого частично испаренного потока рабочей среды вследствие потерь тепла в соединительных трубах к теплообменнику НЕ4.
Расширенный поток 12 рабочей среды частично конденсируют в теплообменнике НЕ2 и получают частично конденсированный расширенный поток 12а рабочей среды. Частично сконденсированный, расширенный поток 12 рабочей среды после этого конденсируют в конденсаторе НЕ1 с помощью (притекающего) потока 25 охлаждающей воды и получают жидкий поток 13 рабочей среды. Переданное за счет конденсации расширенного потока 12а рабочей среды на поток 25 охлаждающей воды тепло отводят с помощью выходящего потока 26 охлаждающей воды.
Фиг.2 показывает расчет цикла для устройства для осуществления термодинамического циклического процесса, которое в основном соответствует представленному на Фиг.1 устройству 1 и дополнительно было дополнено только еще несколькими вентилями 27. В качестве исходных условий для вычислений были приняты концентрация аммиака в воде 95% (при жидкой полностью сконденсированной рабочей среде) и поток термальной воды 20 с температурой 120°С и массовым потоком 141,8 кг/с. Температура потока 25 охлаждающей воды составляет 9,4°С. Как видно из Фиг.1 и 2, изменения концентрации аммиака для повышения коэффициента полезного действия, за исключением различных концентраций аммиака, имеющихся за счет разделения парообразной от жидкой фазы после передачи тепла от внешнего источника тепла, в обеих фазах не предусмотрено.
Таблица 1 показывает результат расчета цикла для некоторых выбранных потоков цикла, причем мощности теплообменников выбраны согласно Таблицы 2.
Таблица 1
Поток
Температура (°С)
Энтальпия (кДж/кг)
Массовый поток (кг/с)
Давление (бар)
10
106,7
1507,8
27,59
22,3
11
56,51
1355,9
27,59
7,158
13
13,13
24,8
27,6
6,9
15
53,52
221,4
27,6
23,26
20
119,9
-1997,8
141,8
20
22
57,45
-2250,6
141,8
19,61
Таблица 2
Теплообменник
Мощность (кВт)
НЕ 1 (Конденсатор)
31,0
НЕ 2
5,3
НЕ 4
34,5
Сумма
70,8
Температура первого частично испаренного потока 15 рабочей среды перед входом в теплообменник НЕ 4 составляет 53,52°С и является, тем самым, такой же температурой, как и после выхода из теплообменника НЕ2. Получаемая при этих условиях с помощью турбины 2 электрическая мощность составляет 4033 КВт.
Давление парообразной фазы 10 перед входом в турбину 2 составляет 22,3 бар и давление расширенной, парообразной фазы 11 после выхода из турбины 2 составляет 7,158 бар. За счет выбранного входного давления 22,3 бар и соотношения давлений 3,1 между давлением парообразной фазы до и после турбины 2 в качестве турбины 2 можно применять обычную одноступенчатую турбину с высоким коэффициентом полезного действия, что связано с соответствующими преимуществами в расходах и коэффициенте полезного действия.
Фиг.3 показывает в противоположность этому схему известного в уровне техники как KCS 34 (Kalina Cycle System 34) устройства 30 для осуществления термодинамического циклического процесса. Для лучшего сравнения известного устройства 30 с представленным на Фиг.1 соответствующим полезной модели устройством, соответствующие друг другу компоненты и потоки снабжены одинаковыми ссылочными позициями. Устройство 30 отличается от показанного на Фиг.1, соответствующего полезной модели устройства дополнительным теплообменником НЕ3, включенным на первичной стороне между теплообменником НЕ2 и теплообменником НЕ4 и на вторичной стороне между сепаратором 4 и смесителем 5. С помощью теплообменника НЕ2 за счет частичной конденсации расширенного потока 12 рабочей среды нагревают нагруженный давлением, жидкий поток 14 рабочей среды и создают нагретый (жидкий) поток 15 рабочей среды. Нагретый поток 15 рабочей среды после этого снова нагревают посредством теплообменника НЕ3 за счет охлаждения жидкой фазы 19 и тем самым получают далее нагретый поток 15а рабочей среды.
Фиг.4 показывает расчет цикла для известного из уровня техники устройства, которое в основном соответствует представленному на Фиг.3 устройству 30 и дополнено только еще дополнительно несколькими вентилями 27. В качестве исходных условий для вычислений были приняты концентрация аммиака в воде 89,2% и, как в случае расчета цикла с Фиг.2, поток термальной воды 20 с температурой 120°С, а также массовым потоком 141,8 кг/с. Температура потока охлаждающей воды 25 составляет 9,4°С.
Таблица 3 показывает для некоторых выбранных потоков цикла результат расчета цикла, причем мощности теплообменников выбраны согласно Таблице 4.
Таблица 3
Поток
Температура (°С)
Энтальпия (кДж/кг)
Массовый поток (кг/с)
Давление (бар)
10
115
1487,2
20,71
32,41
11
43,23
1294,5
20,71
6,775
13
13,16
-18,52
24,3
6,5
15
39
105,4
24,3
34,4
15а
48,67
153,5
24,3
33,72
20
119,9
-1997,8
141,8
20
22
70,46
-2196,3
141,8
19,61
Таблица 4
Теплообменник
Мощность (кВт)
НЕ 1 (Конденсатор)
24,1
НЕ 2
2,7
НЕ 3
1,2
НЕ 4
28,1
Сумма
55,1
Создаваемая при этом электрическая мощность составляет только 3818 кВт. Достигаемая электрическая мощность тем самым в случае соответствующего полезной модели цикла согласно Фиг. 1 и 2 является на 5,6% выше, чем в случае циклического процесса, известного из уровня.
Нагретый поток 15 рабочей среды, который покидает теплообменник НЕ2 с температурой 39°С, нагревают в теплообменнике НЕ3 за счет охлаждения жидкой фазы 19 далее до температуры 48,87°С и подводят к теплообменнику НЕ4 в качестве потока 15 рабочей среды.
В то время, как в известном случае температура отведенной термальной воды 22 еще составляет 70,46°С, в случае соответствующего полезной модели циклического процесса согласно Фиг.2 отведенная термальная вода 22 имеет только еще температуру 57,45°С. В случае соответствующего полезной модели циклического процесса от термальной воды может быть таким образом отобрано сравнительно больше энергии.
Вследствие давления парообразной фазы 10 на входе турбины 2 величиной 32,41 бар и соотношения давлений 4,8 между давлением парообразной фазы на входе турбины 2 и давлением расширенной парообразной фазы 11 на выходе турбины в случае цикла с Фиг.4 не может применяться никакая обычная одноступенчатая турбина. Тогда должны применяться или две включенные друг за другом обычные одноступенчатые турбины, или должна применяться одна единственная турбина, специально подходящая для высоких давлений и соотношений давлений больше, чем 4, что по сравнению с единственной, обычной турбиной в обоих случаях связано с более высокими расходами и с потерями коэффициента полезного действия.
Вследствие повышенной теплообменной мощности также повышенная потребность в поверхностях нагрева 28,5% имеет следствием повышенную потребность в капиталовложениях. Эти повышенные расходы могут, однако, по большей части компенсироваться за счет упрощенной прокладки трубопроводов и за счет отпадения теплообменника НЕ3 так, что расходы на установку в целом остаются в основном одинаковыми.
Полезная модель была описана выше с помощью предпочтительных примеров осуществления, однако, не может рассматриваться как ограниченная этими примерами осуществления. Более того, существует возможность множества вариаций и модификаций полезной модели или, соответственно, этих примеров осуществления. Например, в схему могут быть включены - как также произведено в примере схемы согласно Фиг.2 - дополнительные вентили.