WO2004032308A1 - Verfahren zur kühlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur intensiveren Kühlung von im Inneren Wärme freisetzenden Maschinen (1), wobei die Kühlung, sofern nach der Wärmebilanz erforderlich,soweit wirtschaftlich vertretbar mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf, und in einer zweiten oder ggf. weiteren Kühlstufe mit ohnehin vorhandenen Kältequellen, und sofern nach der Wärmebilanz weiter erforderlich, zusätzlich mit künstlicher Kälte erzeugenden Anlagen erfolgt, wobei die Reihenfolge der einzelnen Kühlstufen abhängig ist vom jeweiligen Temperaturniveau der herkömmlichen, vorhandenen und künstlichen Kühl- und Kältequellen.

Description

Verfahren zur Kühlung

Es ist bekannt, Maschinen mit interner Wärmeentwicklung, zum Beispiel elektrische Maschinen mit Frischluft zu kühlen. Dabei wird allerdings das Innere der elektrischen Maschine ständig mit Staub und Feuchtigkeit aus der angesaugten Frischluft beaufschlagt, was zu Verschmutzungen und Kühlproblemen führen kann (Quelle 1 ). Deshalb ist man bemüht, größere elektrische Maschinen, zum Beispiel Elektrogeneratoren im geschlossenen System mit Luft zu kühlen (Zeitschrift <Turbomachinery International-, Jg. 40, Nr. 7 1999, S. 32-34). Das Kühlmedium Luft wird bevorzugt mit einem auf der Welle des Generators sitzenden Ventilator durch die Maschine umgewälzt, wo es sich erwärmt, um anschließend in einem Kühler auf die erforderliche Temperatur rückgekühlt zu werden. Um insbesondere bei hohen spezifischen Leistungen die Kühlung zu verbessern und den energetischen Aufwand für die Umwälzung des Kühlmediums durch niedrige interne Reibung zu verringern, ist es ferner bekannt, als gasförmiges Kühlmedium Wasserstoff unter Druck zu benutzen (Quelle 3).

Die indirekte Kühlung ist gegenüber der Frischluftkühlung allerdings mit einer zusätzlichen Temperaturdifferenz am Lüftkühler verbunden. Außerdem wird meist der Luftkühler mit Kühlwasser aus einem geschlossenen Kühlkreislauf beaufschlagt, der wiederum indirekt über einen Wärmeübertrager mit Kühlturmwasser rückgekühlt wird. So addieren sich zwei Temperaturdifferenzen, die insbesondere in wärmeren Gegenden oder bei hohen spezifischen Leistungen zu einer ungenügenden Kühlung der elektrischen Maschine führen können. Dies führt zu einer beschleunigten Alterung der Isolationsmaterialien und letztendlich zu einer verkürzten Lebensdauer der elektrischen Maschine. Um diese Effekte zu minimieren, werden die Wärmeübertrager mit einer möglichst kleinen Temperaturdifferenz von 2 bis 5 Kelvin ausgelegt, was zu einer großen Oberfläche und teueren Apparaten führt.

Wenn es sich zum Beispiel um ein Gas- oder Gas- und Dampfturbinenkraftwerk handelt, so war bisher mit steigenden Außentemperaturen ein Rückgang der Gasturbinenieistung verbunden, so dass gleichzeitig eine geringere Wärmemenge aus dem Elektrogenerator abzuführen war. Nun gibt es aber technische Möglichkeiten, die Gasturbinenleistung insbesondere in der wärmeren Jahreszeit zu forcieren, so dass entgegen der früheren umgekehrten Abhängigkeit von Außenlufttemperatur und Gasturbinenieistung auch in der wärmeren Jahreszeit eine höhere Wärmemenge aus dem Generator abzuführen ist. Dies kann am einfachsten erreicht werden durch eine Reduzierung des Temperaturniveaus der Kühlluft in der elektrischen Maschine, was allerdings oft auf einem Niveau erforderlich ist, welches unter . der herrschenden Aussentemperatur liegt. Dies ist mit einer herkömmlichen Kühlung nach den oben angeführten Prinzipien nicht mehr möglich. Eine naheliegende Lösung wäre die Rückkühlung der elektrischen Maschine mit einer künstliche Kälte erzeugenden Anlage. Nachteil dieses Verfahrens ist der Energieverbrauch zur Erzeugung der Kunstkälte in Form von elektrischer Antriebsenergie für eine Kompressionskälteanlage, oder in Form von Wärme, zum Beispiel für eine Adsorptionskälteanlage. Ausserdem erfordern Kältemaschinen zusätzlichen Stellplatz, unteriiegen als Kompressionskältemaschinen einem ständigen Verschleiß, sind regelmäßig zu warten, enthalten meist nicht umweltneutrale Kältemittel, reduzieren die Verfügbarkeit des Hauptprozesses. Besonders negativ ist, dass die aus der Kältemaschine abzuführende Wärmemenge, die wesentlich größer ist, als die bisherige, da sie sich aus der Kälteleistung und der aufzuwendenden Antriebsenergie zusammensetzt, ebenfalls über den herkömmlichen Kühlkreislauf abgeführt werden muss, der zu diesem Zweck einer Erweiterung unterliegt.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Maschinen mit interner Wärmeentwicklung, zum Beispiel elektrische Maschinen mit möglichst geringem Aufwand intensiver zu kühlen, bevorzugt unabhängig von der Ausseπlufttemperatur.

Dieses Ziel wird erreicht durch eine ggf. mehrstufige Kühlung des in der zu kühlenden Maschine umgewälzten Kühlmediums, zunächst, sofern nach der Wärmebilanz erforderlich, mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf bis auf ein wirtschaftliches Niveau, und danach mit einer ggf. ohnehin vorhandenen Kältequelle, und/oder wenn nach der Wärmebilanz weiter erforderlich, zusätzlich mit einer künstliche Kälte erzeugenden Anlage.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der energetische wie der apparative Aufwand möglichst gering gehalten werden, eine künstliche Kälte erzeugende Anlage, sofern erforderlich, möglichst klein ausfällt, ggf. mit dem herkömmlichen Kühlkreislauf der normale Betrieb des Hauptprozesses aufrecht erhalten werden kann, und die aus der zu kühlenden Maschine und einer ggf. vorhandenen künstliche Kälte erzeugenden Anlage abgeführte Wärmemenge möglichst dem Gesamtprozess wieder zugeführt wird, so dass es nicht zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage durch die intensivere Kühlung kommt, sondern eher zu einer Steigerung. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, den zum Beispiel aus einer Pipeline mit nahezu konstanter niedriger Erdbodentemperatur entnommenen Brennstoffstrom als möglichst effektive Kältequelle zu nutzen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht es, die in einem Prozess ohnehin vorhandene Kältequelle Frischwasser zu verwenden, die zum Beispiel mit Bodentemperatur einer Leitung entnommen wird und als Nachspeisewasser für einen Kühl- oder Dampfprozess, oder als Einspritzwasser in einem Gasturbinenprozess oder anderweitig genutzt wird. Meist besteht Proportionalität zwischen Kältebedarf und Kälteanfall.

Der Vorteil der Ausgestaltung nach Anspruch 4 besteht darin, dass die Antriebsenergie und/oder das Arbeitsmedium für künstliche Kälte erzeugende Anlagen dem eigentlichen Hauptprozess möglichst verlustarm entnommen und ggf. diesem auch wieder zugeführt wird. Damit entfallen ggf. zusätzliche Apparate, Antriebsmaschinen und neue Arbeitsmedien, der Betrieb und die Wartung werden vereinfacht.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 führt zur Reduzierung der erforderlichen Rückkühlleistung und zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses.

Die Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht es, das Temperaturniveau in der zu kühlenden Maschine proportional zum Innendruck des gasförmigen Kühlmediums zu führen, also mit Kältequellen passenden Temperaturniveaus arbeiten zu können.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 7 wird gewährleistet, dass am Wärmeaustausch beteiligte Medien, zum Beispiel Hochdruckbrenngas und ein Kühlmedium, sich bei einer eventuellen Undichtheit am Wärmeübertrager nicht miteinander vermischen, es also auch ohne Zwischenkreislauf verhindert wird, das gefährliche Situationen in der zu kühlenden Maschine entstehen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 das geschlossene Kühlsystem einer elektrischen Maschine 1. Dieses besteht aus Lüftern 2 und einem kombinierten Rückkühler 3, 4 für die umgewälzte erwärmte Kühlluft 5. Der Rückkühler besteht aus zwei Teilen, einem Vorkühler 3 und einem Nachkühler 4. Der Vorkühler 3 ist verbunden mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf, im wesentlichen bestehend aus einer Umwälzpumpe 6 und einem Zwischenkühler 7. Der Nachkühler 4 ist verbunden mit einem zusätzlichen Kühlkreislauf, bestehend aus einer Umwälzpumpe 8 und einem Gasvorwärmer 9, letzterer ausgeführt in Sicherheitsbauform.

Die Kühlung der elektrischen Maschine 1 erfolgt folgendermaßen. Bei einer Aussen- temperatur von 33 °C wird die Kühlluft 5 von Lüftern 2 durch die Maschine 1 umgewälzt, wobei sie die im Inneren freigesetzte Wärme aufnimmt und sich von etwa 30 auf 65 °C erwärmt. Anschließend wird die Kühlluft 5 in dem kombinierten Rückkühler 3, 4 in zwei Stufen wieder abgekühlt. Im Vorkühler 3 erfolgt eine Rückkühlung auf ca. 40 bis 38 °C mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf, durch das ein Kühlmedium mit einer Temperatur von 35 °C mittels einer Umwälzpume 6 gefördert wird und seine Wärme in einem Zwischenkühler 7 an einen hier nicht näher dargestellten offenen Kühlkreislauf abgibt. Im Nachkühler 4 wird die Kühlluft 5 dann auf 30 °C gekühlt. Dazu dient ein Zwischenkühlkreislauf mit einem 10 °C kalten Kühlmedium, der als Kältequeile das Brenngas der Antriebsmaschine des Elektrogenerators 1 mit einer Temperatur von 2 °C in einem Gasvorwärmer 9 nutzt. Damit es bei einer ev. Undichtheit des Wärmeübertragers 9 nicht zu einem Eindringen des Hochdruckbrenngases in den Kühlkreislauf, zu einer Verschleppung von Leckgasen bis in den Elektrogenerator 1 und letztendlich zu einem Bersten des auf einen niedrigeren Druck ausgelegten Zwischenkühlkreislaufes kommt, wird der Gasvorwärmer 9 als Doppelrohr- Sicherheitswärmeübertrager ausgeführt.

Die Kühlluft wird somit ohne künstliche Kältequelle um 3 K unter die Aussenlufttemperatur gekühlt. Die Vorwärmung des Brenngases von 2 auf 27 °C mittels Abwärme aus dem Prozess führt zu einer Brennstoffeinsparung und einer äquivalenten Wirkungsgradsteigerung der Gasturbine. Die Vorwärmung des Brenngases mit Abwärme aus dem Prozess ersetzt die üblicherweise für diesen Zweck genutzte Wärme aus einem gesonderten mit Brenngas beheizten Kessel. Die für die zweite Umwälzpumpe 8 erforderliche Antriebsenergie ist ungleich kleiner, als die für eine Kompressionskälteanlage mit gleicher Kühlleistung. Eine Kühlung der Kühlluft 5 unter 30 °C wäre möglich, wenn das Brenngas eine niedrigere Temperatur als 2 °C hätte. Dies kann unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes erreicht werden, wenn, das Brenngas vor dem Gasvorwärmer 9 speziell isenthalp gedrosselt wird. Eine noch höhere Abkühlung wird bei einer polytropen Entspannung des Erdgases in einer Turbine erreicht. Die dabei freiwerdende mechanische Energie kann zum Antrieb eines/des Generators 1 genutzt werden. Sollte das verfügbare Druckgefälle nicht ausreichen, so kann das Erdgas künstlich unter den Verbrennungsdruck der Gasturbine entspannt und anschließend mit der Antriebsenergie der Entspannungsturbine und ggf. zusätzlicher Antriebsenergie in einem auf einer Welle sitzenden Verdichter wieder auf den Verbrennungs- druck verdichtet werden. Bei Unterschreitung des Gefrierpunktes muss als Kühlmedium im Nachkühlkreislauf ein Frostschutzmittel dienen. Bei zu tiefer Abkühlung kann die Entspannung mehrstufig mit Zwischenerwärmungen des Brenngases erfolgen. Mit diesem Verfahren kann ggf. die Wärmebilanz vollständig aufgehen, d. h. sämtliche in der elektrischen Maschine 1 freiwerdende Wärme kann dem Brenngas zugeführt werden. Die entsprechende Wirkungsgradsteigerung wäre besonders hoch, ein Vorkühlsystem könnte entfallen.

Zum Beispiel in Kraftwerken wird zum Teil in erheblichen Mengen Frischwasser verbraucht. So wird in Dampf- und Kühlprozessen das Abschlämm- und Verdunstungswasser ersetzt. In Gasturbinenprozessen kann Einsprühwasser zum Einsatz kommen. Dieses wird einer im Erdboden verlegten Leitung oder anderen sauberen Quellen entnommen und hat nahezu Bodentemperatur, die über das Jahr nur um ca. 20 K schwankt. Damit besteht eine bessere Kühlmöglichkeit, als mit an der Umgebungsluft gekühltem Kühlwasser, die bisher nicht genutzt wurde. Die dem Frischwasser übergebene Abwärme kommt dem Hauptprozess zugute und erhöht dessen Wirkungsgrad.

Anstelle des Gasvorwärmers 9 oder zusätzlich dazu könnte auch eine künstliche Kälte erzeugende Anlage den Nachkühlkreislauf kühlen. Übliche Kompressions-, Absorptions- oder Adsorptionskälteanlagen können mit Antriebsenergie aus dem Prozess versorgt werden. Zum Beispiel könnte ohne den Umweg über elektrische Energie direkt mechanische Energie als Verdichterantrieb genutzt weden. Die Wärmeenergie für einen Absorptions- oder Adsorptionsprozess kann ebenfalls direkt dem Hauptprozess entnommen werden. Ebenfalls wie die letzteren nahezu verschleißfrei wäre ein Dampfstrahlkälteprozess, dessen Treibdampf zum Beispiel aus dem Abhitzekessel eines Gasturbinenprozesses entnommen und dessen Kondensat dem Hauptprozess wieder zugeführt werden kann.

Als Kältemedium kann auch die Kühlluft 5 selbst genutzt werden, die über Verfahrensstufen wie Verdichtung, Drosselung/Entspannung, ähnlich wie für das Brenngas beschrieben, die Wärme abführen kann.

Besonders sinnvoll ist es, die aus Kälte erzeugenden Anlagen freigesetzte Wärme dem Hauptprozess wieder zuzuführen. Dabei erlaubt ein Kälteprozess, dies auf dem erforderlichen Temperaturniveau zu tun. In einer solchen Anwendung arbeitet eine Kältemaschine als < Wärmepumpe-. Mögliche Wärmesenken in einem Kraftwerk sind zum Beispiel das Brenngas oder das dem Kessel wieder zugeführte Kondensat.

Es sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass das vorgeschlagene Verfahren für jede beliebige im Inneren Wärme freisetzende Maschine oder Anlage angewendet werden kann.

Als Kühlmedium und Kältemittel können selbstverständlich neben Gasen auch Flüssigkeiten, auch der gasförmige oder flüssige Brennstoff selbst dienen. Das interne Kühlsystem kann auch offen ausgeführt werden, was allerdings mit den bekannten Nachteilen behaftet wäre.

Weiterhin könnte ein Wärmeübertrager wie der Gasvorwärmer 9 auch in den internen Kühlkreislauf der zu kühlenden Maschine 1 einbezogen werden, so dass eine Temperaturdifferenz durch/und ein Zwischenkühlkreisiauf entfallen würden. Ein Sicherheitswärmeübertrager 9 würde die Gewähr geben, dass der Brennstoff selbst bei einer Undichtheit des Wärmeübertragers 9 nicht in die Maschine 1 eintreten würde. Letztendlich wäre die Kühlung auch mittels in die zu kühlenden Teile der Maschine 1 eingebauter Kühlkanäle ohne zusätzliches Kühlmedium 5 möglich, durch die Kühl- oder Kältemedien herkömmlicher Kühlkreisläufe, ohnehin vorhandener Kaltequellen, und sofern nach der Wärmebilanz weiter erforderlich, zusätzlicher künstliche Kälte erzeugender Anlagen zirkulieren.

Claims

Patentansprüche .

1. Verfahren zur Kühlung von im Inneren Wärme freisetzenden Maschinen (1 ), bestehend aus einem geschlossenen Kühlkreislauf mit einem internen Kühlmedium (5), sowie einem externen Rückkühlkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung, sofern nach der Wärmebilanz erforderlich, soweit wirtschaftlich vertretbar mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf, und in einer zweiten oder ggf. weiteren Kühlstufen mit ohnehin vorhandenen Kältequellen, und sofern nach der Wärmebilanz weiter erforderlich, zusätzlich mit künstliche Kälte erzeugenden Anlagen erfolgt, wobei die Reihenfolge der einzelnen Kühlstufen abhängig ist vom jeweiligen Temperaturniveau der vorhandenen und künstlichen Kältequellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als ohnehin vorhandene Kältequelle, zum Beispiel in einem Gasturbinenkraftwerk, der Brennstoff mit Erdbodentemperatur oder mit durch Entspannung oder Drosselung darüberhinaus künstlich gesenkter Temperatur dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ohnehin vorhandene Kältequelle, zum Beispiel in einem Gasturbinen-, Dampfturbinen- oder Kombikraftwerk, das dem Prozess zugeführte Frischwasser mit Erdbodentemperatur dient.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als künstliche Kälte erzeugende Anlagen Kompressionskälteanlagen, Absorptions- oder Adsorptionskälteanlagen oder Dampfstrahlanlagen dienen, deren Antriebsenergie und/oder Arbeitsmedium aus dem eigentlichen Prozeß möglichst verlustarm entnommen und ggf. diesem auch wieder zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus künstliche Kälte erzeugenden Anlagen abzuführende Wärmemenge dem eigentlichen Prozess, zum Beispiel dem Kondensat in einem Dampfturbinenkraftwerk oder dem Brennstoff in einem Gasturbinenkraftwerk auf einem erforderlichen Temperaturniveau wieder zugeführt wird.

6. Verranren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der zu kühlenden Maschine befindliches gasförmiges Kühlmedium (5) unter einem für den Kühlprozess günstigen Druck gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme zwischen aus Sicherheits- oder anderen Gründen nicht mischbaren Medien mit Sicherheitswärmeübertragern (9) übertragen wird.