NL8001472A - Installatie voor warmteterugwinning bij verbrandingsmachine met compressor. - Google Patents

Description

\ N.0. 28.861

Installatie voor warmteterugwinning bij verbrandingsmachine met compressor.

De uitvinding heeft betrekking op een installatie voor warmteterugwinning, bestaande uit een verbrandingsmachine en een compressor voor de verbrandingslucht, waarbij een deel van de afvalwarmte in de verbrandingsgassen na hun 5 expansie in de machine, via terugwinmiddelen gebracht is in de verbrandingsluchtstroom.

Bij verbrandingsmachines, zoals een gasturbine met een compressor voor de verbrandingslucht, een verbrandingskamer en een expansieturbine voor de verbrandingsgassen, is het 10 bekend om het thermisch nuttig effect van de machine te verhogen door een deel van de afvalwarmte welke zich in de uitlaatgassen na de turbine bevindt, terug te voeren naar de verbrandingslucht. Het is gebruikelijk dat dit gebeurt met behulp van ^en regeneratieve of recuperatieve warmte-15 wisselaar, welke de warmte aan de luchtstroom toevoert na diens uittreden uit de compressor. Om redenen van afmetingen en prijs is op deze wijze slechts een deel van de afvalwarmte terug te voeren. Het is bij grotere gasturbine-installaties gebruikelijk om in plaats daarvan de uitlaat-20 gassen door een zogenaamde afgassenketel te voeren, doch ook deze kan om dezelfde redenen slechts een deel van de afvalwarmte op een bruikbaar temperatuumiveau terugwinnen in een afzonderlijk koelcircuit. In beide gevallen is de temperatuur na het uittreden uit de warmtewisselaar nog zo 25 hoog, dat er niet alleen een zekere hoeveelheid voelbare warmte verloren gaat; doch ook een hoeveelheid latente warmte in de vorm van nog niet gecondenseerde waterdamp. Wanneer de temperatuur van het koelmedium voldoende laag is dan kan hierin verbetering worden gebracht door het nascha-30 kelen van een volgende warmtewisselaar, waarin condensatie van de waterdamp optreedt, doch dit is praktisch beperkt tot het gebruik van een brandstof welke geen corrosieve verbrandingsprodukten veroorzaakt en daarenboven een volledige en met name roetvrije verbranding onder alle omstan-35 digheden moet waarborgen. In de praktijk komt hiervoor alleen (aard)gas in aanmerking. Met de beschreven systemen van warmteterugwinning is de temperatuur van de aan de 800 1 4 72 •· * * - 2 - verbrandingsruimte toegevoerde verbrandingslucht echter zo hoog, dat een betrekkelijk grote hoeveelheid stikstofoxyden (NOx) ontstaat, welke juist op grond van milieu-hygiënische redenen in de toekomst steeds verder verlaagd zou moeten 5 worden.

Een vermindering van het warmteverlies en een gedeeltelijke ondervanging van de milieu-hygiënische bezwaren wordt verkregen door een gedeelte van de uitlaatgassen te recirculeren en met de verbrandingslucht vermengd, toe te 10 voeren aan de inlaat van de compressor. Daarmee neemt echter het krachtopwekkingsvermogen van de installatie belangrijk af en het krachtopwekkingsrendement van de gasturbine eveneens, ten gevolge van de hogere inlaattemperatuur bij de compressor. Deze werkwijze wordt daarom in de praktijk 15 weinig of niet toegepast.

De uitvinding beoogt de mate van terugwinning van afvalwarmte uit de uitlaatgassen aanzienlijk te verbeteren, zonder dat dit in de voor bovenstaande werkwijze gebruikelijke mate tot een afname van het krachtopwekkingsvermogen 20 en rendement leidt. Daarbij is de uitvinding niet beperkt tot uitsluitend gasturbines, doch ook andere verbrandingsmachines kunnen hierbij toegepast worden, zoals bijvoorbeeld een reciprocerende gasmotor met inwendige verbranding.

Volgens de uitvinding wordt nu de in de aanhef omschre-25 ven installatie daardoor gekenmerkt, dat deze afvalwarmte gebracht wordt in de verbrandingsluchtstroom voor diens intrede in de compressor, dat er een koeler geplaatst is in de verbrandingsluchtstroom na het verlaten van de compressor en voor intrede in de verbrandingsmachine, en dat voor 30 de inlaat van de compressor water in de voorverwarmde en/of voor te verwarmen verbrandingsluchtstroom gebracht wordt, en dat in de koeler het lucht-watermengsel wordt afgekoeld, waarbij ten minste een deel van de waterdamp condenseert.

Tegen het algemene gebruik in wordt volgens de uitvin-35 ding een groter deel van de afvalwarmte toegevoerd aan de verbrandingsluchtstroom voor diens intrede in de compressor. Het inbrengen van afvalwarmte in de verbrandingsluchtstroom kan op de bovenbeschreven wijze plaatsvinden via een recir-culatiestroming van uitlaatgassen en/of met behulp van een 40 warmtewisselaar tussen de uitlaatgassen en de intredende 80 0 1 4 72 - 3 - verbrandingslucht. In deze verwarmde inlaatstroom wordt volgens de uitvinding zoveel water ingebracht en verdampt, dat de temperatuur van het lucht-dampmengsel daalt tot waarden overeenkomend met een verzadigingstoestand voor de 5 in de lucht aanwezige waterdamp, zodat het voor de compressor benodigde aandrijfvermogen wordt verminderd, ondanks de door inbreng van water enigszins verhoogde massastroom. In de koeler welke volgens de uitvinding in de verbrandings-luchtstroom geplaatst is na diens uittrede uit de compres-10 sor, condenseert een deel van de waterdamp uit het mengsel. Dank zij het feit dat het koelproces plaatsvindt bij verhoogde druk, kan condensatie van de waterdamp bij eveneens aanzienlijk hogere temperatuur plaatsvinden, zodat de uit de uitlaatgassen afkomstige afvalwarmte, getransporteerd in 15 latente vorm door de waterdamp, op een aanzienlijk hoger temperatuurniveau teruggewonnen wordt in het koelmedium dat de genoemde warmtewisselaar doorloopt. Het toegepaste proces is daardoor vergelijkbaar met dat van een warmtepomp, waarbij hier echter niet het milieu doch de uitlaatgassen 20 als warmtebron dienen. Op deze wijze kan bijna alle voelbare en latente warmte in de uitlaatgassen worden teruggewonnen zonder dat de temperatuur van het koelmedium hierbij een wezenlijk limiterende rol speelt. Dank zij de koeling van de verbrandingslucht zal het temperatuurniveau in de 25 verbrandingsruimte eveneens lager zijn, waardoor tevens een gewenste vermindering van de NOx-produotie bereikt wordt.

Hoe hoger de compressieverhouding van de compressor is, des te hoger kan ook het temperatuurniveau zijn waarop de afvalwarmte teruggewonnen wordt in het koelmedium.

30 Het is bekend, dat een luchtcompressor, in het bijzon der van roterend type, zeer gevoelig is voor vuilafzetting op de schoepen, waardoor het rendement aanzienlijk kan afnemen. In het algemeen dient de aangezogen omgevingslucht daarom reeds effectief gefilterd te worden; dit geldt temeer 35 voor een uitlaatgas-circulatiestroom welke eventueel verbrandingsresten zoals roet zou kunnen bevatten. Het inbrengen van water in de door de compressor aangezogen stroom kan daarbij tegelijkertijd als effectieve wasinrichting van deze stroom gebruikt worden. Een deel van het water ver-40 dampt en wordt meegenomen, een ander deel, met de uitgewas- 800 1 4 72 - 4 - sen verontreinigingen kan in een afzonderlijk watercircuit gefiltreerd, geneutraliseerd en gerecirculeerd worden, ten einde warmteverliezen aldaar te voorkomen* Eventuele corrosie in het condensatiegedeelte van de koeler kan tevens 5 verminderd worden.

Be verbrandingsmachine kan tesamen met de compressor een bekende gasturbine vormen, waarbij de verbranding in een afzonderlijke verbrandingskamer plaatsvindt en de expansie van de gecomprimeerde verbrandingsgassen in een tur-10 bine plaatsvindt. Deze turbine kan de compressor aandrijven en het meestal aanwezige vermogensoverschot van de turbine kan gebruikt worden voor aandrijving van bijvoorbeeld een generator of een warmtepomp of dergelijke. Gezien het feit, dat de installatie volgens de uitvinding op verrassend een-15 voudige wijze in staat is, een groot deel van de afvalwarmte in de uitlaatgassen op een relatief hoog temperatuurniveau terug te leveren, is de installatie bijzonder geëigend voor samenwerking met een warmtepomp, welke iets overeenkomstigs beoogt.

20 Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding kan de compressor uit twee trappen bestaan, waarbij de eerder besproken koeler tussen de eerste en de tweede trap kan zijn opgenomen. Dit kan al of niet worden gecombineerd met een soortgelijke tweede koeler na de tweede eompressortrap 25 en met recuperatie van warmte van de uitlaatgasstroom naar de verbrandingsluchtstroom na de tweede compressor.

Ten slotte kan opgemerkt worden, dat de expansie van de verbrandingsgassen ook in een meertrapsturbine kan plaatsvinden, waarbij de eerste turbinetrap de compressor 30 kan aandrijven, een tweede turbinetrap een tweede trap van de compressor en eventueel een derde turbinetrap het aangedreven werktuig, zoals de generator of warmtepomp. De derde turbinetrap kan in dit geval beschouwd worden als de vermo-gensturbine, waarvoor het overige deel van de installatie 35 als gasgenerator fungeert. De turbine kan aldus een een-assige, twee-assige of drie-assige zijn, zoals op zichzelf in het vak bekend is.

Volgens een ander kenmerk van de uitvinding kan de verbrandingsmachine ook een reciprocerende inwendige ver-40 brandingsmotor zijn, waarbij de verbranding en de expansie 800 1 4 72 - 5 - in dezelfde ruimte, in casu de cilinders, plaatsvindt. De compressor dient daarbij voor de drukvulling van de motor en is daarbij in bet circuit voor de verbrandingslucht volgens de uitvinding opgenomen. Daarbij is het mogelijk, de 5 compressor mechanisch door de motor aan te drijven, doch ook kan een deel van de expansie welke in de cilinders plaatsvindt, overgenomen worden door een zogenaamde uitlaatgasturbine, welke op zijn beurt de compressor zou kunnen aandrijven. In het laatste geval is de verbrandingsmachine 10 met compressor een bekende inwendige verbrandingsmotor met drukvulcompressor, aangedreven door een uitlaatgasturbine.

De motor zelf drijft dan het aangedreveh werktuig aan.

Het zal duidelijk zijn, dat de toegepaste compressor een axiale en/of radiale roterende machine kan zijn. Onder 15 omstandigheden is echter ook een reciprocerende compressor toepasbaar of ook elke andere bekende luchtcompressor, zoals een roots-compressor of schroefcompressor en dergelijke.

Aan de hand van de navolgende beschrijving van de bijbehorende figuren zal de uitvinding bij wijze van voorbeeld 20 nader worden toegelicht.

Fig. 1 toont een schema van een installatie volgens de uitvinding met toepassing van een eenvoudige enkeltraps gasturbine; fig. 2 toont een installatie volgens de uitvinding 25 onder toepassing van een gasturbine met tweetrapscompressie; fig. 3 toont een toepassing van de installatie volgens de uitvinding waarbij gebruik gemaakt wordt van een inwendige verbrandingsmotor met drukvulling via een door de uit-laatgassen aangedreven turbine.

30 In alle drie de figuren zijn overeenkomstige delen met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven. Zonder afzonderlijke vermelding hebben de verwijzingscijfers van 30 en hoger betrekking op zowel de delen waaruit een circuit is opgebouwd, zoals leidingen, afsluiters, enz. alsook op de door deze 35 circuits getransporteerde mediumstromen.

Met 1 is in zijn algemeenheid de verbrandingsmachine aangeduid, welke in de fig. 1 en 2 bestaat uit een afzonderlijke verbrandingskamer 2 en een expansieturbine 3. Bij de uitvoering volgens fig. 3 bestaat de verbrandingsmachine 40 uit een inwendige verbrandingsmotor, zoals bijvoorbeeld een 800 1 4 72 - 6 - gasmotor 2, 3a, waarin zowel de verbranding plaatsvindt als een deel van de expansie, terwijl het overige deel van de expansie plaatsvindt in een expansieturbine 3b. Met 4 is de compressor aangegeven, welke volgens fig. 2 bestaat uit een 5 eerste trap 4a en een tweede trap 4b. Schematisch is in alle figuren de mechanische verbinding aangegeven tussen de compressor 4, 4a, 4b en de aandrijvende turbine 3, 3b. Het in het algemeen aanwezige aangedreven werktuig 3» dat bijvoorbeeld een generator of een warmtepomp kan zijn, wordt 10 volgens de fig. 1 en 2 aangedreven door de expansieturbine 3 en volgens fig. 3 door de inwendige verbrandingsmotor 2, 3a. Om een systeem volgens de uitvinding in bedrijf te houden, wordt energie E toegevoerd aan de verbrandingslucht in de verbrandingsruimte 2 resp. 2, 3a. Deze energie kan toe-15 gevoerd worden in de vorm van een brandstof, zoals aardgas of vloeibare brandstof, doch het is ook denkbaar, de energie in de vorm van warmte toe te voeren door uitwendige verhitting van de ruimte 2, welke dan de vorm van een warmtewisselaar heeft (fig. 1 en 2). Hierbij zij opgemerkt dat 20 in het laatste geval in principe ook een gasturbine met gesloten kringloop toegepast zou kunnen worden, waarop het wezen van de uitvinding evenzeer toepasbaar is. Het medium in de kringloop behoeft dan geen lucht te zijn. De uitlaat-stroom 38 zou dan volledig via de leiding 14 teruggevoerd 25 worden naar de inlaatleiding 32.jTussen de compressor 4, 4a en de verbrandingsruimte 2 is een koeler 6 in het circuit 34, 35 voor de verbrandingslucht opgenomen. De luchtstroom wordt in de koeler 6 afgekoeld. Met 7 zijn in het algemeen de terugwinmiddelen voor het overbrengen van afvalwarmte 30 uit de verbrandingsgassen 37, 38 na hun expansie in de turbine 3 aangeduid. De teruggewonnen warmte wordt gebracht door de terugwinmiddelen 7 in de aangezogen verbrandingslucht 30, 31, waarin water 8, 8T wordt ingebracht. Het water 8, 8’ verdampt in de verwarmde aangezogen verbrandings-35 lucht 31, 32 en koelt deze af, het geheel aan lucht plus waterdamp 33 wordt in de compressor 4, 4a, 4b gecomprimeerd en de waterdamp in het gecomprimeerde mengsel 34 condenseert vervolgens op de koelerpijpen 9 in de koeler 6. Het condensaat loopt via de leiding 11 naar een condensaat-ver-40 zamelhouder 10.

800 1 4 72 - 7 -

Veelal zal een installatie volgens de uitvinding uitgevoerd zijn met een afgassenketel 12, welke een eerste afkoeling van de geëxpandeerde verbrandingsgassen 37 verzorgt.

De gassen hebben daarbij veelal een temperatuur van meerdere 5 honderden graden Celcius, zodat een effectieve warmteterug-winning in de afgassenketel 12 plaats kan vinden, bijvoorbeeld de vorming van stoom onder druk of een koelmedium-stroming 43 op zodanig hoog temperatuurniveau, dat een nuttig gebruik ervan te maken is.

10 Tevens kan via een bekende recuperator warmte direct uit de verbrandingsgassen 37, zoals deze de turbine verlaten, teruggevoerd worden naar de verbrandingsluchtstroom 35 v<5<5r de verbrandingskamer 2. Deze mogelijkheid van recuperatie is schematisch met de stippellijn 48 in fig. 1 en 2 15 aangeduid.

De terugwinmiddelen 7 kunnen uit een verdere warmtewisselaar 13 bestaan en/of uit een recirculatieleiding 14. Met behulp van een regelklep 15 kan de uitlaatgasstroom 37, 38 naar wens verdeeld worden over de terugwinmiddelen 13 en 20 14. Hierbij zij opgemerkt, dat nooit alle uitlaatgassen ge- recirculeerd kunnen worden via de leiding 14, omdat er dan spoedig zuurstofgebrek zou optreden in de stroom verbrandingslucht 35 voor de verbrandingsruimte. Recirculatie 14 zou echter achterwege kunnen blijven. In het algemeen wordt 25 de afgassenketel 12 zodanig gedimensioneerd, dat er geen condensatie van verbrandingsprodukten, zoals waterdamp, in deze ketel optreedt. Dit betekent dat de, de laatste warmtewisselaar 13 binnentredende uitlaatgassen 39 zowel voelbare als latente warmte in zich hebben, betrokken op de normale 30 omgevingscondities waarin de verbrandingsgassen 40 uiteindelijk afgevoerd worden. De warmtewisselaar 13 zal dan ook zodanig gedimensioneerd worden, dat een groot deel van de latente warmte teruggewonnen wordt en overgedragen wordt aan de aangezogen verbrandingslucht 30. Om zoveel mogelijk 35 van zowel de voelbare als van de latente warmte in de uitlaatgassen 39 aan de inlaatluchtstroom 30 over te dragen, zal de inbreng van water in de inlaatstroom 30 voor een deel v<5<5r of in de warmtewisselaar 13 plaats kunnen vinden (8').

ifO De verbrandingslucht 30 wordt in de laatste warmtewis- 800 1 4 72 - 8 - selaar 13 voorverwannd en vervolgens vermengd (33) met de recirculatiestroom 14 van uitlaatgassen en bereikt daardoor een ongewenst hoge temperatuur voor intrede in de compressor 4, 4a. De verbrandingsluchtstroom 33 bevat echter een aan-5 zienlijke hoeveelheid uit de uitlaatgassen teruggewonnen warmte, welke anders verloren zou zijn gegaan omdat het temperatuurniveau van de betrokken uitlaatgassenstroom 38, 39 te laag ligt voor praktisch alle directe toepassingen.

Het toegevoerde water 8, 8' transporteert deze warmte in 10 latente vorm verder.

De uitvoering volgens fig. 2 bevat een tweetrapscom-pressor 4a, 4b, samen aangedreven door dezelfde turbine 3. Tussen de beide trappen is de koeler 6 in de luchtstroom 41 geplaatst, die behalve het overdragen van voelbare en laten-15 te warmte aan het koelcircuit 44, 45 ook de functie heeft, de temperatuur voor intrede 42 in de tweede compressortrap 46 te verlagen, ten einde het hiervoor benodigde aandrijf-vermogen te verlagen en hiermee overeenkomend het krachtop-wekkingsvermogen en rendement te verhogen. Afhankelijk van 20 het primaire doel van de installatie, namelijk het leveren van mechanisch aandrijfvermogen met gelijktijdige terugwinning van afvalwarmte of het leveren van zoveel mogelijk warmte op bruikbaar temperatuurniveau met minimale toevoer van een brandstof, kunnen ook meerdere koelers 6 geplaatst 25 worden na de opeenvolgende compressortrappen, waarvan ten minste één met condensatie.

Er kan nog op gewezen worden, dat bij een kleine gasturbine van enige honderden Kilowatts mechanisch afgegeven vermogen, de drukverhouding van de compressor 4 in de 30 grootte-orde van 8 ligt en dat de intredetemperatuur van het waterdamp-luchtmengsel naar de compressor tussen 40°C en 50°C bedraagt. In de koeler 6 treedt onder die omstandigheden condensatie op bij een koelmiddeltemperatuur in het circuit 44, 45 van circa 65°C. Bij grotere installaties, 35 zoals die volgens fig. 2, met een drukverhouding van de compressor 4a in de grootte-orde van 4, is de intredetemperatuur naar deze compressor circa 50°C, zodat onder die omstandigheden condensatie optreedt bij een koelmediumtempe-ratuur in het circuit 44, 45 van circa 60°C. Voor het geval 40 de installatie uitgevoerd is volgens fig. 3, met een door 800 1 4 72 - 9 - een uitlaatgasturbine aangedreven drukvulgroep van een inwendige verbrandingsmotor, bedraagt de drukverhouding van de compressor 4 circa 1 op 2,5 met een intredetemperatuur naar de compressor van circa 60°C. Onder die omstandigheden 5 is de condensatietemperatuur van het koelcircuit 44-45 in de koeler 6 circa 65°C. Ter vergelijking diene dat de uit-laatgastemperatuur in de stroom 38 na de uittrede uit de afgasketel in het algemeen in de orde van grootte van 100°C è. 150°C ligt en dat condensatie van een belangrijk deel van 10 de waterdamp pas optreedt bij een koelwatertemperatuur beneden circa 45°C. Dank zij de uitvinding wordt aldus een terugwintemperatuur in een ander medium*dan de uitlaatgassen bereikt, dat minimaal ongeveer gelijk hieraan is, doch ook aanzienlijk hoger (60°-65°C) kan zijn, afhankelijk van de 15 toegepaste installatie.

Ten slotte kan er nog op gewezen worden, dat de warmteoverdracht in de koeler 6 belangrijk hoger is dan in een gebruikelijke tussen- of nakoeler, omdat in het vochtige milieu met de natte wanden van het koelerelement, de convec-20 tieve warmte-overdracht sterk verbeterd is ten opzichte van convectieve warmte-overdracht in een droog milieu tegen droge wanden.

ê 80 0 1 4 72

Claims (6)

1. Installatie voor warmteterugwinning, bestaande uit een verbrandingsmachine en een compressor voor de verbrandingslucht, waarbij een deel van de afvalwarmte in de verbrandingsgassen na hun expansie in de machine, via terug- 5 winmiddelen gebracht is in de verbrandingsluchtstroom, met het kenmerk, dat deze afvalwarmte gebracht wordt in de verbrandingsluchtstroom (30-33) voor diens intrede in de compressor (4, 40), dat er een koeler (6) geplaatst is in de verbrandingsluchtstroom (34) na het 10 verlaten van de compressor en voor intrede in de verbrandingsmachine (2, 3, 3a) en dat voor de inlaat (33) van de compressor water (8, 8’) in de voorverwarmde en/of voor te verwarmen verbrandingsluchtstroom (30, 32) gebracht wordt, en dat in de koeler (6) het lucht-watermengsel (34) wordt 15 afgekoeld, waarbij ten minste een deel van de waterdamp condenseert (10,11).

2. Installatie volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de terugwinmiddelen (7) voor het overbrengen van de afvalwarmte in de verbrandingsgassen (38) 20 naar de verbrandingsluchtstroom (33) bestaan uit een warmtewisselaar (13), voorzien van middelen voor het inbrengen van water in de inlaatluchtstroom in en/of v<5<5r deze warmtewisselaar.

3. Installatie volgens conclusie 1 of 2, met het 25 kenmerk, dat de terugwinmiddelen (7) bestaan uit een recirculatieleiding (14) tussen de uitlaatleiding (38) en de inlaatleiding (33) voor recirculatie van een deel van de verbrandingsgas s en.

4. Installatie volgens één of meer van de voorgaande 30 conclusies, met het kenmerk, dat de compressor (4, 4a, 4b) en de verbrandingsmachine (1) tesamen een gasturbine (2, 3, 4) vormen.

5. Inrichting volgens conclusie 4, waarbij de compressor ten minste twee trappen heeft, met het ken- 35 merk, dat na de eerste traps-compressor (4a) de koeler (6) is geplaatst, gevolgd door de volgende compressortrap(pen) (4b). 800 1 4 72 - 11 -

6. Installatie volgens conclusies 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de verbrandingsmachine (1) een reciprocerende inwendige verbrandingsmotor is (2, 3a) en de compressor (4) voor diens drukvulling dient. 80 0 1 4 72