Gebiet der Erfindung

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

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.

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.

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.

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.

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. 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

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"). 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.

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. 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.

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.

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.

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.

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. Die erfindungsgemäße thermodynamische Kreisprozessvorrichtung oder eine deren Weiterbildungen können Teil eines Dampfkraftwerks sein. 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.

Zudem entsprechen die Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und deren Vorteile jenen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannt wurden.

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

Figur 1 veranschaulicht beispielhaft ein Schmiersystem für eine Expansionsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Ausführungsformen

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. Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

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. 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.