Gebiet der Erfindung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung,
die ein Arbeitsmedium mit einem Schmierstoffzusatz und eine Expansionsmaschine zur
Umwandlung von Enthalpie im Arbeitsmedium in mechanische Energie umfasst.
Stand der Technik
[0002] Der Betrieb von Expansionsmaschinen, wie z.B. Dampfturbinen und beispielsweise mit
Hilfe des Organic Rankine Cycle (ORC)-Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie
durch den Einsatz organischer Medien, beispielsweise organischer Medien mit niedriger
Verdampfungstemperatur, die bei gleichen Temperaturen verglichen mit Wasser als Arbeitsmedium
im allgemeinen höhere Verdampfungsdrücke aufweisen, ist im Stand der Technik bekannt.
ORC-Anlagen stellen eine Realisierung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses dar, in
dem beispielsweise prinzipiell über adiabatische und isobare Zustandsänderungen eines
Arbeitsmediums elektrische Energie gewonnen wird. Über Verdampfung, Expansion und
anschließende Kondensation des Arbeitsmediums wird hierbei mechanische Energie gewonnen
und in elektrische Energie gewandelt. Prinzipiell wird das Arbeitsmedium durch eine
Speisepumpe auf Betriebsdruck gebracht, und es wird ihm in einem Verdampfer Energie
in Form von Wärme, die durch eine Verbrennung, einen Abwärmestrom oder eine sonstige
Wärmequelle zur Verfügung gestellt wird, zugeführt. Vom Verdampfer aus strömt das
Arbeitsmedium über ein Druckrohr zu einer Expansionsmaschine, in der es auf einen
niedrigeren Druck entspannt wird. Im Anschluss strömt der entspannte Arbeitsmediumsdampf
durch einen Kondensator, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen dem dampfförmigen
Arbeitsmedium und einem Kühlmedium stattfindet, wonach das auskondensierte Arbeitsmedium
durch die Speisepumpe wieder mit Druck beaufschlagt wird und zu dem Verdampfer in
einem Kreisprozess zurückgeführt wird.
[0003] Eine besondere Klasse von Expansionsmaschinen stellen volumetrisch arbeitende Expansionsmaschinen
dar, die auch als Verdrängungsexpansionsmaschinen bezeichnet werden, eine oder mehrere
Arbeitskammer/n umfassen und während einer Volumenzunahme dieser Arbeitskammer/n während
der Entspannung des Arbeitsmediums Arbeit verrichten. Diese Expansionsmaschinen sind
beispielsweise in Form von Kolbenexpansionsmaschinen, Schraubenexpansionsmaschinen
oder Scrollexpandern realisiert. Derartige volumetrisch arbeitende Expansionsmaschinen
werden insbesondere in ORC-Systemen kleiner Leistungsklasse (z.B. 1 bis 500 kW elektrische
Leistung) eingesetzt. Im Gegensatz zu Turbinen erfordern volumetrisch arbeitende Expansionsmaschinen
jedoch eine Schmierung durch ein Schmiermittel insbesondere des Kolbens bzw. der sich
aufeinander abwälzenden Profile (Flanken) des Expansionsraums sowie der Wälzlager
und der gleitenden Wände der Arbeitskammer. Es bedarf also eine Schmierung der Lagerstellen
und der sich berührenden Flanken.
[0004] Aus dem in dem Dokument
GB 2427002 offenbarten Stand der Technik ist ein Verfahren zur Schmierung der Lager der Expansionsmaschine
bekannt, bei dem Arbeitsmedium mit einem Schmiermittelzusatz nach der Druckerhöhung
durch die Speisepumpe abgezweigt und den Lagern zugeführt wird.
[0005] Bei der gemäß internem Stand der Technik verwendeten Expansionsmaschine wird die
Schmierung der hochdruckseitigen und der niederdruckseitigen Lager über jeweils eine
Schmierstoffzuführung bewerkstelligt. Der Schmierstoff wird an die Lagerstellen geleitet,
passiert das Lager und verlässt über eine Verbindung zur Niederdruckseite das Lager
und tritt in den Abdampfpfad ein. Dort mischt sich das flüssige Öl mit dem Abdampf
und wird zum Kondensator transportiert. Beide Lagerstellen liegen in etwa auf gleichem
Druckniveau, da die beiden Lagerstellen über ein Bohrung / Leitung miteinander verbunden
sind. Das Druckniveau an den Lagerstellen ist in der Größenordnung des Drucks am Auslass
der Expansionsmaschine.
[0006] Bei Abzweigung des schmiermittelhaltigen Arbeitsmediums nach Druckerhöhung durch
die Speisepumpe auf Betriebsdruck ist dabei jedoch Folgendes nachteilig. Für die Zuführung
der Schmierstoff-Arbeitsmedium-Lösung muss der Druck etwas über dem Druckniveau der
Lagerstellen liegen. Ein zu großer Druck könnte zu geänderten und unerwünschten Strömungsverhältnissen
in den Lagern führen. Weiterhin könnte auch eine zu große Menge Fluid in Richtung
der Lager strömen. Aus diesem Grund werden Drosseln eingesetzt, um das Druckniveau
zu begrenzen. Eine Druckerhöhung über das notwendige Maß hinaus und eine darauf folgende
Drosselung ist energetisch ungünstig. Zudem muss eine weitere Komponente (nämlich
eine Drossel) verbaut werden.
[0007] Es besteht somit ein Bedarf dafür, ein Verfahren zur Schmierung von Expansionsmaschinen
bereitzustellen, in dem die oben genannten Probleme ausgeräumt oder zumindest gemildert
werden. Dies liegt der vorliegenden Erfindung als Aufgabe zugrunde.
Beschreibung der Erfindung
[0008] Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung
mit einem Arbeitsmedium mit einem Schmierstoffzusatz; einer Expansionsmaschine zur
Umwandlung von Enthalpie im Arbeitsmedium in mechanische Energie; einer mehrstufigen
Druckerhöhungseinrichtung (beispielsweise eine Speisepumpe) zum stufenweisen Druckbeaufschlagen
des Arbeitsmediums; einem Mittel zum Abzweigen eines Teils des Arbeitsmediums zwischen
zwei Stufen der mehrstufigen Druckerhöhungseinrichtung; und einem Mittel zum Zuführen
des abgezweigten Teils des Arbeitsmediums an eine oder mehrere Lagerstellen der Expansionsmaschine.
Das Anzapfen der mehrstufigen Druckerhöhungseinrichtung zum Abzweigen eines Teils
des Arbeitsmediums hat den Vorteil, dass das Arbeitsmedium mit dem Schmierstoff direkt
aus der mehrstufigen Druckerhöhungseinrichtung auf geeignetem Druckniveau abgezweigt
wird. Auf diese Weise kann dann auf ansonsten erforderliche Mittel zur Drosselung
des Drucks vor dem Zuführen zu den Lagern verzichtet werden. Die thermodynamische
Größe der Enthalpie des Arbeitsmediums umfasst dabei wie üblich die innere, thermische
Energie und die zu verrichtende Volumenarbeit ("Druckenergie").
[0009] Gemäß einer Weiterbildung der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung kann die
mehrstufige Druckerhöhungseinrichtung eine mehrstufige Pumpe, insbesondere eine mehrstufige
Kreiselpumpe, oder mehrere unmittelbar aufeinander folgende Pumpen umfassen. Dabei
können im Falle von mehreren Pumpen, im Speziellen im Fall von zwei Pumpen, diese
auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien beruhen, beispielsweise als Kolbenpumpe,
Kreiselpumpe, Schneckenpumpen, etc. ausgebildet sein. Andererseits können die Druckerhöhungsstufen
auch das gleiche Funktionsprinzip aufweisen und sind dann bevorzugt in einem Gehäuse
("eine Pumpe") untergebracht.
[0010] Eine Weiterbildung der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung besteht darin, dass
das Mittel zum Abzweigen eines Teils des Arbeitsmediums eine Abzweigung, insbesondere
eine Bohrung, zwischen zwei Stufen der mehrstufigen Pumpe oder eine Abzweigung zwischen
zwei Pumpen umfassen kann. Dies stellt eine einfache praktische Realisierung der Mittel
zum Abzweigen dar.
[0011] Gemäß einer anderen Weiterbildung der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung kann
das Mittel zum Zuführen des abgezweigten Teils des Arbeitsmediums an eine oder mehrere
Lagerstellen der Expansionsmaschine eine oder mehrere Rohrleitungen umfassen.
[0012] Gemäß einer Weiterbildung der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung kann im Falle
einer mehrstufigen Pumpe mit zwei oder mehreren Laufrädern, das Mittel zum Abzweigen
eines Teils des Arbeitsmediums in Förderrichtung der Pumpe zwischen zwei direkt benachbarten
Laufrädern angeordnet sein. In dieser Weiterbildung kann die stufenweise Druckerhöhung
des Arbeitsmediums mittels der Laufräder ausgenutzt werden und ein Teil des Arbeitsmediums
(Mischung aus einem Arbeitsmittel und dem Schmiermittel) an geeigneter Stelle abgezweigt
werden.
[0013] Gemäß einer anderen Weiterbildung der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung kann
sie weiterhin Mittel zum Abführen des Arbeitsmediums mit dem Schmierstoffzusatz von
der oder den Lagerstellen umfassen, wobei das Mittel zum Abführen des Arbeitsmediums
insbesondere in Fluidverbindung mit einem Auslass der Expansionsmaschine sein kann.
Dies hat den Vorteil, dass das Arbeitsmedium mitsamt dem Schmierstoff wieder abgeführt
und dem Kreisprozess wieder zugeführt werden kann.
[0014] Die Kreisprozessvorrichtung kann eine Organic-Rankine-Cycle-Vorrichtung sein und/oder
die Expansionsmaschine kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus einer Kolbenexpansionsmaschine,
Schraubenexpansionsmaschine, einem Scrollexpander, einer Flügelzellenmaschine und
einem Rootexpander besteht.
[0015] Gemäß einer anderen Weiterbildung der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung kann
das Arbeitsmedium in Form eines organischen Arbeitsmediums bereitgestellt werden,
wobei das Arbeitsmedium insbesondere ein fluoriertes Arbeitsmedium, wie beispielsweise
fluorierte Kohlenwasserstoffe, fluorierte Kohlenstoffe, Fluorether oder Fluorketone,
umfassen oder daraus bestehen kann und/oder der Schmierstoff insbesondere ein Kältemittelöl
umfassen oder daraus bestehen kann, und/oder wobei der Schmierstoffanteil des Arbeitmediums
zwischen 0,1% und 10% Massenanteil betragen kann.
[0016] Die erfindungsgemäße thermodynamische Kreisprozessvorrichtung oder eine deren Weiterbildungen
können Teil eines Dampfkraftwerks sein.
[0017] Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Schmierung
einer Expansionsmaschine in einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, wobei
die Kreisprozessvorrichtung die Expansionsmaschine, eine mehrstufige Druckerhöhungseinrichtung
und ein Arbeitsmedium mit einem Schmierstoffzusatz umfasst, und wobei das Verfahren
die Schritte umfasst: stufenweises Druckbeaufschlagen des Arbeitsmediums mit der mehrstufigen
Druckerhöhungseinrichtung; Abzweigen eines Teils des Arbeitsmediums zwischen zwei
Stufen der mehrstufigen Druckerhöhungseinrichtung; und Zuführen des abgezweigten Teils
des Arbeitsmediums an wenigstens eine oder mehrere Lagerstellen der Expansionsmaschine
zum Schmieren der Lagerstellen. Die Vorteile entsprechen jenen die im Zusammenhang
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannt wurden.
[0018] Zudem entsprechen die Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und deren
Vorteile jenen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannt wurden.
[0019] Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich,
dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen.
Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen
Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
Zeichnungen
[0020] Figur 1 veranschaulicht beispielhaft ein Schmiersystem für eine Expansionsmaschine
gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen
[0021] Gemäß der Erfindung wird das Arbeitsmedium direkt aus der mehrstufigen Speisepumpe
auf geeignetem Druckniveau abgezweigt werden. Die erfindungsgemäße Lösung vereinigt
die Funktion einer Kondensatpumpe und der Speisepumpe vorteilhaft in einem Gehäuse
und ermöglicht die Entnahme von Flüssigkeit an passender Stelle, wobei diese Stelle
(Anzahl von bereits durchlaufenen Stufen) das Druckniveau der entnommenen Flüssigkeit
bestimmt. Bei Einsatz von mehrstufigen Speisepumpen kann eine spezielle Eigenschaft
dieser Pumpen genutzt werden. Die Druckerhöhung bei den mehrstufigen Pumpen findet
durch ein Aneinanderreihen von mehreren Laufrädern statt, so dass pro Stufe eine Druckerhöhung
von z.B. 1 bar stattfindet. Die Laufräder werden auf einer Welle in ein Gehäuse eingebaut
und besitzen jeweils den gleichen Durchmesser. In Richtung der Welle ist eine Druckerhöhung
in Stufen zu beobachten. Durch eine Anzapfung an passender Stelle kann nun Flüssigkeit,
im vorliegenden Fall Schmierstoff-Arbeitsmedium-Lösung, auf dem Druckniveau entnommen
werden, welches bereits das passende Druckniveau besitzt. Es muss also keine weitere
Druckerhöhung dieses Fluids vorgenommen werden.
[0022] Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung.
[0023] Wie es in Figur 1 gezeigt ist, umfasst die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung
gemäß einem Beispiel für die vorliegende Erfindung eine mehrstufige Speisepumpe 1
mit mehreren Laufrädern. Die mehrstufige Speisepumpe 1 wird mit flüssiger Arbeitsmedium-Schmierstoff-Lösung
versorgt, wobei diese Lösung am Einlass 2 in die Pumpe eintritt. Der für die Schmierung
der Lagerstellen 9 der Expansionsmaschine 5 notwendige Massenstrom wird direkt an
geeigneter Stelle 3 mit einem dort herrschenden Druckniveau zwischen zwei benachbarten
Laufrädern abgezweigt und den Lagerstellen 9 zur Verfügung gestellt. Die Lagerstellen
9 werden über die Schmierstoffzuführung 4 versorgt, wobei der Schmierstoff die Lagerstellen
passiert und über eine Abführleitung/-vorrichtung 6 abgeführt wird. Die Abführleitung/-vorrichtung
6 steht in Verbindung mit dem Auslass der Expansionsmaschine 5 welcher wiederum in
Verbindung mit dem Kondensator 7 steht.
[0024] Es ist zu bemerken, dass sowohl die Schmierstoffzuführung 4 als auch die Schmierstoffabführleitung
6 in die Expansionsmaschinen 5 integriert sein können und nicht als eigene Leitung
ausgeführt werden müssen, sondern Teil des Gehäuses oder der Rotoren sein können.
Der Abdampf und der Schmierstoff gelangen zum Kondensator 7, von welchem die verflüssigte
Arbeitsmedium-Schmierstoff-Lösung mittel Speisepumpe wie beschrieben zu den Lagerstellen
9 sowie zum Verdampfer 8 geleitet wird. Im Verdampfer 8 verdampft das Arbeitsmedium,
der Schmierstoff bleibt jedoch flüssig und dient zur Schmierung und Dichtung der Flanken
der Expansionsmaschine 5.
1. Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, umfassend:
ein Arbeitsmedium mit einem Schmierstoffzusatz;
eine Expansionsmaschine zur Umwandlung von Enthalpie im Arbeitsmedium in mechanische
Energie;
eine mehrstufige Druckerhöhungseinrichtung zum stufenweisen Druckbeaufschlagen des
Arbeitsmediums;
Mittel zum Abzweigen eines Teils des Arbeitsmediums zwischen zwei Stufen der mehrstufigen
Druckerhöhungseinrichtung; und
Mittel zum Zuführen des abgezweigten Teils des Arbeitsmediums an eine oder mehrere
Lagerstellen der Expansionsmaschine.
2. Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehrstufige Druckerhöhungseinrichtung
eine mehrstufige Pumpe, insbesondere eine mehrstufige Kreiselpumpe, oder mehrere unmittelbar
aufeinander folgende Pumpen umfasst.
3. Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Mittel zum Abzweigen
eines Teils des Arbeitsmediums eine Abzweigung, insbesondere eine Bohrung, zwischen
zwei Stufen der mehrstufigen Pumpe oder eine Abzweigung zwischen zwei Pumpen umfasst.
4. Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das
Mittel zum Zuführen des abgezweigten Teils des Arbeitsmediums an eine oder mehrere
Lagerstellen der Expansionsmaschine eine oder mehrere Rohrleitungen umfasst.
5. Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im
Falle einer mehrstufigen Pumpe mit zwei oder mehreren Laufrädern das Mittel zum Abzweigen
eines Teils des Arbeitsmediums in Förderrichtung der Pumpe zwischen zwei direkt benachbarten
Laufrädern angeordnet ist.
6. Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin
umfassend:
Mittel zum Abführen des Arbeitsmediums mit dem Schmierstoffzusatz von der oder den
Lagerstellen, wobei das Mittel zum Abführen des Arbeitsmediums insbesondere in Fluidverbindung
mit einem Auslass der Expansionsmaschine ist.
7. Kreisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, in der die Kreisprozessvorrichtung
eine Organic-Rankine-Cycle-Vorrichtung ist und/oder in der die Expansionsmaschine
aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer Kolbenexpansionsmaschine, Schraubenexpansionsmaschine,
einem Scrollexpander, einer Flügelzellenmaschine und einem Rootexpander besteht.
8. Kreisprozessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Arbeitsmedium
in Form eines organischen Arbeitsmediums bereitgestellt wird, wobei das Arbeitsmedium
insbesondere ein fluoriertes Arbeitsmedium umfasst oder daraus besteht und/oder der
Schmierstoff insbesondere ein Kältemittelöl umfasst oder daraus besteht, wobei der
Schmierstoffanteil des Arbeitmediums zwischen 0,1% und 10% Massenanteil beträgt.
9. Dampfkraftwerk, das die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
10. Verfahren zur Schmierung einer Expansionsmaschine in einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung,
wobei die Kreisprozessvorrichtung die Expansionsmaschine, eine mehrstufige Druckerhöhungseinrichtung
und ein Arbeitsmedium mit einem Schmierstoffzusatz umfasst, und wobei das Verfahren
die Schritte umfasst:
stufenweises Druckbeaufschlagen des Arbeitsmediums mit der mehrstufigen Druckerhöhungseinrichtung;
Abzweigen eines Teils des Arbeitsmediums zwischen zwei Stufen der mehrstufigen Druckerhöhungseinrichtung;
und
Zuführen des abgezweigten Teils des Arbeitsmediums an wenigstens eine oder mehrere
Lagerstellen der Expansionsmaschine zum Schmieren der Lagerstellen;
wobei die mehrstufige Druckerhöhungseinrichtung bevorzugt eine mehrstufige Pumpe,
insbesondere eine mehrstufige Kreiselpumpe, oder mehrere unmittelbar aufeinander folgende
Pumpen umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Abzweigen eines Teils des Arbeitsmediums über
eine Abzweigung, insbesondere eine Bohrung, zwischen den zwei Stufen der mehrstufigen
Pumpe oder über eine Abzweigung zwischen zwei Pumpen erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Zuführen des abgezweigten Teils des
Arbeitsmediums an eine oder mehrere Lagerstellen der Expansionsmaschine über eine
oder mehrere Rohrleitungen erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei im Falle einer mehrstufigen Pumpe
mit zwei oder mehreren Laufräder das Abzweigen eines Teils des Arbeitsmediums in Förderrichtung
der Speisepumpe zwischen zwei direkt benachbarten Laufrädern erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit dem weiteren Schritt:
Abführen des Arbeitsmediums mit dem Schmierstoffzusatz von der oder den Lagerstellen,
wobei das Abführen des Arbeitsmediums insbesondere in Fluidverbindung mit einem Auslass
der Expansionsmaschine erfolgt.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Arbeitsmedium in Form eines
organischen Arbeitsmediums bereitgestellt wird, wobei das Arbeitsmedium insbesondere
ein fluoriertes Arbeitsmedium umfasst oder daraus besteht und/oder der Schmierstoff
insbesondere ein Kältemittelöl umfasst oder daraus besteht, wobei der Schmierstoffanteil
des Arbeitmediums zwischen 0,1% und 10% Massenanteil beträgt.