WO2004032308A1 - Cooling method - Google Patents
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Definitions
- indirect cooling is associated with an additional temperature difference on the air cooler.
- the air cooler is usually supplied with cooling water from a closed cooling circuit, which in turn is recooled indirectly with cooling tower water via a heat exchanger.
- Two temperature differences add up, which can lead to inadequate cooling of the electrical machine, especially in warmer areas or with high specific outputs. This leads to an accelerated aging of the insulation materials and ultimately to a shortened service life of the electrical machine.
- the heat exchangers are designed with the smallest possible temperature difference of 2 to 5 Kelvin, which leads to a large surface area and expensive equipment.
- the disadvantage of this method is the energy consumption for generating the artificial refrigeration in the form of electrical drive energy for a compression refrigeration system, or in the form of heat, for example for an adsorption refrigeration system.
- chillers require additional space, are subject to constant wear and tear as compression chillers, have to be serviced regularly, mostly contain non-environmentally friendly refrigerants, reduce the availability of the main process. It is particularly negative that the amount of heat to be dissipated from the chiller, which is much larger than the previous one, since it is made up of the cooling capacity and the drive energy to be used, must also be dissipated via the conventional cooling circuit, which is subject to an expansion for this purpose.
- the invention specified in claim 1 is based on the problem of cooling machines with internal heat development, for example electrical machines, with as little effort as possible, preferably independently of the outside air temperature.
- This goal is achieved by a possibly multi-stage cooling of the cooling medium circulated in the machine to be cooled, first, if necessary according to the heat balance, with a conventional cooling circuit to an economic level, and then with a cooling source that may be present anyway, and / or if necessary after the heat balance, additionally with an artificial cooling system.
- the advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that the energy and equipment costs are kept as low as possible, an artificial cooling system, if necessary, is as small as possible, and if necessary the normal operation of the main process can be maintained with the conventional cooling circuit , and the amount of heat dissipated from the machine to be cooled and any existing artificial refrigeration system is returned to the overall process, so that there is no reduction in the efficiency of the overall system due to the more intensive cooling, but rather an increase.
- An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 2.
- the development according to claim 2 makes it possible to use the fuel stream, for example, taken from a pipeline with an almost constant low soil temperature, as the most effective cooling source.
- the embodiment according to claim 3 makes it possible to use the fresh water, which is already present in a process, which is taken from a line, for example, at floor temperature and is used as make-up water for a cooling or steaming process, or as injection water in a gas turbine process or otherwise. There is usually a proportionality between the need for cold and the amount of cold.
- the advantage of the embodiment according to claim 4 is that the drive energy and / or the working medium for artificial refrigeration systems are taken from the actual main process with as little loss as possible and, if necessary, are also fed back into it. This eliminates the need for additional equipment, prime movers and new working media, and simplifies operation and maintenance.
- the embodiment according to claim 5 leads to a reduction in the required cooling capacity and to an increase in the efficiency of the overall process.
- the development according to claim 6 makes it possible to control the temperature level in the machine to be cooled in proportion to the internal pressure of the gaseous cooling medium, that is, to be able to work with suitable temperature levels for cold sources.
- the configuration according to claim 7 ensures that media involved in the heat exchange, for example high-pressure fuel gas and a cooling medium, do not mix with one another in the event of a leak in the heat exchanger, so that it is also prevented without an intermediate circuit that dangerous situations arise in the machine to be cooled .
- An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below.
- 1 shows the closed cooling system of an electrical machine 1. This consists of fans 2 and a combined recooler 3, 4 for the circulated heated cooling air 5.
- the recooler consists of two parts, a precooler 3 and an aftercooler 4.
- the precooler 3 is connected to a conventional cooling circuit, essentially consisting of a circulation pump 6 and an intercooler 7.
- the aftercooler 4 is connected to an additional cooling circuit, consisting of a circulation pump 8 and a gas preheater 9, the latter being of a safety design.
- the electrical machine 1 is cooled as follows. At an outside temperature of 33 ° C, the cooling air 5 is circulated by fans 2 through the machine 1, absorbing the heat released inside and heating up from about 30 to 65 ° C. Then the cooling air 5 in the combined recooler 3, 4 is cooled again in two stages. In the pre-cooler 3 there is a recooling to approx. 40 to 38 ° C with a conventional cooling circuit, through which a cooling medium with a temperature of 35 ° C is conveyed by means of a circulation pump 6 and its heat in an intermediate cooler 7 to an open one, not shown here Emits cooling circuit. The cooling air 5 is then cooled to 30 ° C. in the aftercooler 4.
- an intermediate cooling circuit with a cooling medium at 10 ° C. which uses the fuel gas of the drive machine of the electric generator 1 at a temperature of 2 ° C. in a gas preheater 9 as a cold source. So that the heat exchanger 9 does not leak, the high-pressure fuel gas does not penetrate into the cooling circuit, leakage gases are carried over into the electric generator 1 and ultimately the intermediate cooling circuit, which is designed for a lower pressure, ruptures, the gas preheater 9 becomes a double pipe - Safety heat exchanger implemented.
- the cooling air is thus cooled 3 K below the outside air temperature without an artificial cold source.
- Preheating the fuel gas from 2 to 27 ° C using waste heat from the process leads to fuel savings and an equivalent increase in efficiency of the gas turbine.
- the preheating of the fuel gas with waste heat from the process replaces the heat usually used for this purpose from a separate boiler heated with fuel gas.
- the drive energy required for the second circulation pump 8 is incomparably smaller than that for a compression refrigeration system with the same cooling capacity. Cooling the cooling air 5 below 30 ° C would be possible if the fuel gas had a temperature lower than 2 ° C. This can be achieved using the Joule-Thomson effect if the fuel gas is throttled isenthalpically in front of the gas preheater 9.
- an artificial cooling system could also cool the post-cooling circuit.
- Usual compression, absorption or adsorption refrigeration systems can be supplied with drive energy from the process.
- mechanical energy could be used directly as a compressor drive without the detour via electrical energy.
- the thermal energy for an absorption or adsorption process can also be taken directly from the main process.
- a steam jet cooling process would be almost wear-free, the motive steam of which, for example, can be removed from the waste heat boiler of a gas turbine process and the condensate can be fed back to the main process.
- the cooling air 5 itself can also be used as the cooling medium, which can dissipate the heat via process stages such as compression, throttling / expansion, similarly as described for the fuel gas.
- a cooling process allows this to be done at the required temperature level.
- a refrigerator works as a ⁇ heat pump.
- Possible heat sinks in a power plant are, for example, the fuel gas or the condensate fed back into the boiler.
- liquids as well as the gaseous or liquid fuel itself can of course also serve as the cooling medium and refrigerant.
- the internal cooling system can also be designed to be open, but this would have the known disadvantages.
- a heat exchanger such as the gas preheater 9 could also be included in the internal cooling circuit of the machine 1 to be cooled, so that a temperature difference due to / and an intermediate cooling circuit would be eliminated.
- a safety heat exchanger 9 would guarantee that the fuel would not enter the machine 1 even if the heat exchanger 9 leaked.
- the cooling would also be possible by means of cooling channels built into the parts of the machine 1 to be cooled, without additional cooling medium 5, by means of the cooling or cooling media of conventional cooling circuits, cold sources which are present anyway, and, if the heat balance is required, circulating additional artificial cooling systems.
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Abstract
Description
Verfahren zur KühlungCooling process
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).It is known to cool machines with internal heat generation, for example electrical machines with fresh air. However, the inside of the electrical machine is constantly exposed to dust and moisture from the fresh air drawn in, which can lead to contamination and cooling problems (source 1). For this reason, efforts are being made to cool larger electrical machines, for example electrical generators in a closed system, with air (magazine <Turbomachinery International-, vol. 40, No. 7 1999, pp. 32-34). The cooling medium air is preferably circulated through the machine with a fan located on the shaft of the generator, where it heats up, in order then to be recooled to the required temperature in a cooler. In order to improve the cooling especially at high specific outputs and to reduce the energy expenditure for the circulation of the cooling medium by low internal friction, it is also known to use hydrogen as a gaseous cooling medium under pressure (source 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.In contrast to fresh air cooling, indirect cooling is associated with an additional temperature difference on the air cooler. In addition, the air cooler is usually supplied with cooling water from a closed cooling circuit, which in turn is recooled indirectly with cooling tower water via a heat exchanger. Two temperature differences add up, which can lead to inadequate cooling of the electrical machine, especially in warmer areas or with high specific outputs. This leads to an accelerated aging of the insulation materials and ultimately to a shortened service life of the electrical machine. In order to minimize these effects, the heat exchangers are designed with the smallest possible temperature difference of 2 to 5 Kelvin, which leads to a large surface area and expensive equipment.
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.For example, if it is a gas or gas and steam turbine power plant, up to now there was a decrease in gas turbine power with rising outside temperatures, so that at the same time a smaller amount of heat had to be dissipated from the electric generator. However, there are now technical possibilities to accelerate the gas turbine output, particularly in the warmer season, so that, contrary to the earlier inverse dependence on the outside air temperature and gas turbine output, a higher amount of heat must also be removed from the generator in the warmer season. The easiest way to achieve this is to reduce the temperature level of the cooling air in the electrical machine, but this is often required at a level that is below. the prevailing outside temperature. This is no longer possible with conventional cooling based on the principles listed above. An obvious solution would be to recool the electrical machine with an artificial cooling system. The disadvantage of this method is the energy consumption for generating the artificial refrigeration in the form of electrical drive energy for a compression refrigeration system, or in the form of heat, for example for an adsorption refrigeration system. In addition, chillers require additional space, are subject to constant wear and tear as compression chillers, have to be serviced regularly, mostly contain non-environmentally friendly refrigerants, reduce the availability of the main process. It is particularly negative that the amount of heat to be dissipated from the chiller, which is much larger than the previous one, since it is made up of the cooling capacity and the drive energy to be used, must also be dissipated via the conventional cooling circuit, which is subject to an expansion for this purpose.
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.The invention specified in claim 1 is based on the problem of cooling machines with internal heat development, for example electrical machines, with as little effort as possible, preferably independently of the outside air temperature.
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.This goal is achieved by a possibly multi-stage cooling of the cooling medium circulated in the machine to be cooled, first, if necessary according to the heat balance, with a conventional cooling circuit to an economic level, and then with a cooling source that may be present anyway, and / or if necessary after the heat balance, additionally with an artificial cooling system.
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.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that the energy and equipment costs are kept as low as possible, an artificial cooling system, if necessary, is as small as possible, and if necessary the normal operation of the main process can be maintained with the conventional cooling circuit , and the amount of heat dissipated from the machine to be cooled and any existing artificial refrigeration system is returned to the overall process, so that there is no reduction in the efficiency of the overall system due to the more intensive cooling, but rather an increase. An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 2. The development according to claim 2 makes it possible to use the fuel stream, for example, taken from a pipeline with an almost constant low soil temperature, as the most effective cooling source.
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.The embodiment according to claim 3 makes it possible to use the fresh water, which is already present in a process, which is taken from a line, for example, at floor temperature and is used as make-up water for a cooling or steaming process, or as injection water in a gas turbine process or otherwise. There is usually a proportionality between the need for cold and the amount of cold.
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.The advantage of the embodiment according to claim 4 is that the drive energy and / or the working medium for artificial refrigeration systems are taken from the actual main process with as little loss as possible and, if necessary, are also fed back into it. This eliminates the need for additional equipment, prime movers and new working media, and simplifies operation and maintenance.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 führt zur Reduzierung der erforderlichen Rückkühlleistung und zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses.The embodiment according to claim 5 leads to a reduction in the required cooling capacity and to an increase in the efficiency of the overall process.
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.The development according to claim 6 makes it possible to control the temperature level in the machine to be cooled in proportion to the internal pressure of the gaseous cooling medium, that is, to be able to work with suitable temperature levels for cold sources.
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.The configuration according to claim 7 ensures that media involved in the heat exchange, for example high-pressure fuel gas and a cooling medium, do not mix with one another in the event of a leak in the heat exchanger, so that it is also prevented without an intermediate circuit that dangerous situations arise in the machine to be cooled , An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below. 1 shows the closed cooling system of an electrical machine 1. This consists of fans 2 and a combined recooler 3, 4 for the circulated heated cooling air 5. The recooler consists of two parts, a precooler 3 and an aftercooler 4. The precooler 3 is connected to a conventional cooling circuit, essentially consisting of a circulation pump 6 and an intercooler 7. The aftercooler 4 is connected to an additional cooling circuit, consisting of a circulation pump 8 and a gas preheater 9, the latter being of a safety design.
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.The electrical machine 1 is cooled as follows. At an outside temperature of 33 ° C, the cooling air 5 is circulated by fans 2 through the machine 1, absorbing the heat released inside and heating up from about 30 to 65 ° C. Then the cooling air 5 in the combined recooler 3, 4 is cooled again in two stages. In the pre-cooler 3 there is a recooling to approx. 40 to 38 ° C with a conventional cooling circuit, through which a cooling medium with a temperature of 35 ° C is conveyed by means of a circulation pump 6 and its heat in an intermediate cooler 7 to an open one, not shown here Emits cooling circuit. The cooling air 5 is then cooled to 30 ° C. in the aftercooler 4. For this purpose, an intermediate cooling circuit with a cooling medium at 10 ° C., which uses the fuel gas of the drive machine of the electric generator 1 at a temperature of 2 ° C. in a gas preheater 9 as a cold source. So that the heat exchanger 9 does not leak, the high-pressure fuel gas does not penetrate into the cooling circuit, leakage gases are carried over into the electric generator 1 and ultimately the intermediate cooling circuit, which is designed for a lower pressure, ruptures, the gas preheater 9 becomes a double pipe - Safety heat exchanger implemented.
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.The cooling air is thus cooled 3 K below the outside air temperature without an artificial cold source. Preheating the fuel gas from 2 to 27 ° C using waste heat from the process leads to fuel savings and an equivalent increase in efficiency of the gas turbine. The preheating of the fuel gas with waste heat from the process replaces the heat usually used for this purpose from a separate boiler heated with fuel gas. The drive energy required for the second circulation pump 8 is incomparably smaller than that for a compression refrigeration system with the same cooling capacity. Cooling the cooling air 5 below 30 ° C would be possible if the fuel gas had a temperature lower than 2 ° C. This can be achieved using the Joule-Thomson effect if the fuel gas is throttled isenthalpically in front of the gas preheater 9. An even higher cooling is achieved with a polytropic expansion of the natural gas in a turbine. The mechanical energy released in the process can be used to drive a generator 1. If the available pressure drop is not sufficient, the natural gas can be artificially expanded under the combustion pressure of the gas turbine and then compressed again to the combustion pressure with the drive energy of the expansion turbine and possibly additional drive energy in a compressor located on a shaft. If the freezing point is undershot, an antifreeze must serve as the cooling medium in the after-cooling circuit. If the cooling is too deep, the expansion can take place in several stages with intermediate heating of the fuel gas. With this method, the heat balance can possibly be fully absorbed, ie all the heat released in the electrical machine 1 can be supplied to the fuel gas. The corresponding increase in efficiency would be particularly high, a pre-cooling system could be omitted.
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.For example in power plants fresh water is sometimes consumed in considerable quantities. The blowdown and evaporation water is replaced in steam and cooling processes. Spray water can be used in gas turbine processes. This is taken from a pipe laid in the ground or from other clean sources and has almost floor temperature, which only fluctuates by approx. This provides a better cooling option than with cooling water cooled in the ambient air, which has not been used before. The waste heat transferred to the fresh water benefits the main process and increases its efficiency.
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.Instead of or in addition to the gas preheater 9, an artificial cooling system could also cool the post-cooling circuit. Usual compression, absorption or adsorption refrigeration systems can be supplied with drive energy from the process. For example, mechanical energy could be used directly as a compressor drive without the detour via electrical energy. The thermal energy for an absorption or adsorption process can also be taken directly from the main process. Like the latter, a steam jet cooling process would be almost wear-free, the motive steam of which, for example, can be removed from the waste heat boiler of a gas turbine process and the condensate can be fed back to the main process.
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.The cooling air 5 itself can also be used as the cooling medium, which can dissipate the heat via process stages such as compression, throttling / expansion, similarly as described for the fuel gas.
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.It is particularly useful to return the heat released from the cold generating systems to the main process. A cooling process allows this to be done at the required temperature level. In such an application, a refrigerator works as a <heat pump. Possible heat sinks in a power plant are, for example, the fuel gas or the condensate fed back into the boiler.
Es sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass das vorgeschlagene Verfahren für jede beliebige im Inneren Wärme freisetzende Maschine oder Anlage angewendet werden kann.For the sake of completeness, it should be pointed out that the proposed method can be used for any machine or system which releases heat inside.
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.In addition to gases, liquids as well as the gaseous or liquid fuel itself can of course also serve as the cooling medium and refrigerant. The internal cooling system can also be designed to be open, but this would have the known disadvantages.
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. Furthermore, a heat exchanger such as the gas preheater 9 could also be included in the internal cooling circuit of the machine 1 to be cooled, so that a temperature difference due to / and an intermediate cooling circuit would be eliminated. A safety heat exchanger 9 would guarantee that the fuel would not enter the machine 1 even if the heat exchanger 9 leaked. Ultimately, the cooling would also be possible by means of cooling channels built into the parts of the machine 1 to be cooled, without additional cooling medium 5, by means of the cooling or cooling media of conventional cooling circuits, cold sources which are present anyway, and, if the heat balance is required, circulating additional artificial cooling systems.
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