AT508086B1 - Vorrichtung zur energieumwandlung nach dem orc-prinzip, orc-anlage mit einer derartigen vorrichtung und verfahren zur inbetriebnahme und/oder zum betreiben einer derartigen vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem ORC-Prinzip mit wenigstens einem Verdampferkreislauf (10), wenigstens einer Vorwärmeinheit (20) und einem Arbeitsmittelkreislauf (50), der ein organisches Arbeitsmittel umfasst, wobei der Verdampferkreislauf (10) und die Vorwärmeinheit (20) den Arbeitsmittelkreislauf (50) mit einer Wärmequelle (1) verbinden und der Verdampferkreislauf (10) wenigstens einen Heizwärmetauscher (11), der der Wärmequelle (1) zugeordnet ist, und wenigstens einen Dampferzeuger (15) umfasst, der dem Arbeitsmittelkreislauf (50) zugeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorwärmeinheit (20) einen Hauptstromkreislauf (30) und einen Nebenstromkreislauf (40) umfasst, wobei der Hauptstromkreislauf (30) einen Hauptstromerhitzer (31), der der Wärmequelle (1) zugeordnet ist, und einen Hauptstromvorwärmer (35) aufweist, der dem Dampferzeuger (15) im Arbeitsmittelkreislauf (50) vorgeordnet ist, und der Nebenstromkreislauf (40) wenigstens einen Nebenstromvorwärmer (45) umfasst, der dem Hauptstromvorwärmer (35) im Arbeitsmittelkreislauf (50) vorgeordnet ist.

Description

österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem ORC-Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine ORC-Anlage mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Inbetriebnahme und/oder zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung.

[0002] Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus DE 100 52 414 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen Vorrichtung ist zwischen einem Arbeitsmittelkreislauf und einer Wärmequelle ein Thermoölkreislauf vorgesehen, der einen Kesselwärmetauscher mit einer Verdampfer-Vorwärmer-Einheit im Arbeitsmittelkreislauf verbindet. Die im Heizkessel erzeugte Wärmeenergie wird somit über den Thermoölkreislauf an das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf übertragen. Der aus der Verdampfer-Vorwärmer-Einheit austretende, abgekühlte Thermoölstrom wird nach einer Umwälzpumpe im Thermoölkreislauf abgezweigt und einem zusätzlichen Vorwärmer im Arbeitsmittelkreislauf zugeleitet, der im Arbeitsmittelkreislauf der Verdampfer-/Vorwärmer-Einheit vorgeordnet ist. Der zur zusätzlichen Vorwärmung eingesetzte Teilstrom wird einem Abgaswärmetauscher zugeleitet, darin durch die Abgaswärme erwärmt und anschließend dem Thermoölkreislauf vor der Umwälzpumpe wieder zugeführt.

[0003] Die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, dass die Vorwärmung des Arbeitsmittels im zusätzlichen Vorwärmer mit dem gleichen Thermoöl-massenstrom erfolgt, wie die Verdampfung des Arbeitsmittels. Dieser Massenstrom ist im Allgemeinen durch drei thermodynamische Punkte festgelegt, die durch die obere Stabilitätsgrenze des Thermoöls, dem Pinch Point am Beginn der Verdampfung des Arbeitsmittels und dem Pinch Point zur Wärmequelle, insbesondere zum erhitzten Abgas, bestimmt sind, wobei die Wärmequelle die maximale Wärmeaufnahme des Thermoöls vorgibt. Von besonderer Bedeutung ist der Pinch Point zur Wärmequelle, da dieser den Grad der Brennstoffausnutzung festlegt. Als Pinch Point wird in diesem Zusammenhang der thermodynamische Punkt beschrieben, bei dem die Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung von einem ersten Medium auf ein zweites Medium minimal ist. Da die obere Stabilitätsgrenze des Thermoöls begrenzt ist, ist auch die Ausnutzung des Brennstoffs bzw. der Wärmeenergie der Wärmequelle begrenzt.

[0004] Aus dem Stand der Technik ist ferner eine alternative Vorrichtung bekannt, bei der der Abgaswärmetauscher mit dem zusätzlichen Vorwärmer durch einen separaten Thermoölkreislauf verbunden ist. Damit wird zwar erreicht, dass die bei der oben genannten Variante auftretende Problematik des Pinch Point bei der Wärmeübertragung einen geringeren Stellenwert einnimmt. Gleichzeitig ergibt sich bei der Variante mit separatem Thermokreislauf der Nachteil, dass die Abgastemperatur nach dem Abgaswärmetauscher relativ hoch ist, so dass die Ausnutzung der verfügbaren Wärmeenergie insgesamt reduziert ist. Darüber hinaus werden durch zwei getrennte Thermoöl-kreise die Aufwendungen für periphere Bauteile, beispielsweise Auffanggefäße oder Sicherheitseinrichtungen, erhöht, so dass die Betriebskosten der Vorrichtung vergleichsweise hoch sind.

[0005] Weitere Energieerzeugungsanlagen, die nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle betrieben werden, sind aus den Druckschriften DE 20 2007 012 871 U1, DE 100 08 125 A1, und US 6,101,813 A bekannt.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem ORC-Prinzip anzugeben, die einen verbesserten Wirkungsgrad und geringe Betriebskosten aufweist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine ORC-Anlage und ein Verfahren zur Inbetriebnahme und/oder zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung anzugeben.

[0007] Diese Aufgabe wird im Hinbtick auf die Vorrichtung durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf die ORC-Anlage durch den Gegenstand des Patentanspruchs 21 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Patentanspruchs 22 gelöst.

[0008] Der Erfindung liegt demnach der Gedanke zugrunde, eine Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem ORC-Prinzip mit wenigstens einem Verdampferkreislauf, wenigstens einer 1 /21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15

Vorwärmeinheit und einem Arbeitsmittelkreislauf, der ein organisches Arbeitsmittel umfasst, anzugeben, wobei der Verdampferkreislauf und die Vorwärmeinheit den Arbeitsmittelkreislauf mit einer Wärmequelle verbinden und der Verdampferkreislauf wenigstens einen Heizwärmetauscher, der der Wärmequelle zugeordnet ist, und wenigstens einen Dampferzeuger umfasst, der dem Arbeitsmittelkreislauf zugeordnet ist. Dabei umfasst die Vorwärmeinheit einen Hauptsstromkreislauf und einen Nebenstromkreislauf, wobei der Hauptstromkreislauf einen Hauptstromerhitzer, der der Wärmequelle zugeordnet ist, und einen Hauptstromvorwärmer aufweist, der dem Dampferzeuger im Arbeitsmittelkreislauf vorgeordnet ist. Der Nebenstromkreislauf umfasst wenigstens einen Nebenstromvorwärmer, der dem Hauptstromvorwärmer im Arbeitsmittelkreislauf vorgeordnet ist.

[0009] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind also wenigstens drei Heizmittelkreisläufe vorgesehen, die die Wärmequelle mit dem Arbeitsmittelkreislauf verbinden. Auf diese Weise kann der Pinch Point in den Wärmetauschern bzw. Erhitzern, die der Wärmequelle zugeordnet sind, jeweils optimal eingestellt werden, so dass eine verbesserte Brennstoffausnutzung erreicht wird. Falls als Wärmequelle zumindest teilweise eine Abgas- bzw. Rauchgasleitung vorgesehen ist, wird dadurch ferner erreicht, dass die Rauchgastemperatur auf ein gewünschtes, niedriges Temperaturniveau abgesenkt wird. Insbesondere ist es möglich, durch den Heizwärmetauscher einen relativ hohen Heizmittelmassenstrom zu führen, so dass das Heizmittel viel Wärme bei einer geringen Grädigkeit übertragen kann. Dies erlaubt es, Arbeitsmittel mit einer hohen Verdampfungsenthalpie einzusetzen, wodurch der Kreisprozess einen höheren Wirkungsgrad erreicht. Eine Optimierung durch geeignete Einstellung der Massenströme kann in den nachgeordneten Wärmetauschern der Vonwärmeinheit ebenfalls durchgeführt werden, so dass die Energieeffizienz bzw. der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung insgesamt erhöht ist.

[0010] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass wahlweise das Wärmequellenmedium, insbesondere Rauchgas, tiefer abkühlbar oder die für die Wärmeübertragung maßgebliche Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellenmedium und Heizmittel vergrößerbar ist, wodurch die Wärmetauscherfläche reduziert werden kann. Insbesondere für die Regelung und Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf diese Weise ein weiterer Freiheitsgrad zur Optimierung bereitgestellt.

[0011] Ferner ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, in der Vorwärmeinheit, insbesondere im Hauptstromkreislauf und/oder im Nebenstromkreislauf, ähnliche Volumenströme einzustellen wie im Arbeitsmittelkreislauf, wodurch die Auslegung der Wärmetauscherkomponenten vereinfacht wird. Dadurch können beispielsweise kostengünstige Plattenwärmetauscher verwendet und die Betriebskosten der Vorrichtung insgesamt gesenkt werden.

[0012] Durch die unterschiedlichen Heizmittelkreisläufe, die die Wärmequelle mit dem Arbeitsmittelkreislauf verbinden, wird außerdem erreicht, dass der Wärmeeintrag in das organische Arbeitsmittel regelbar ist. Ein Überhitzen und eine daraus resultierende thermische Zerstörung des Arbeitsmittels wird vermieden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet somit eine Schutzfunktion für thermisch sensible Arbeitsmittel bzw. ORC-Fluide.

[0013] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dem Hauptstromvorwärmer im Hauptstromkreislauf in Strömungsrichtung eine Nebenstromabzweigung nachgeordnet, die den Hauptstromkreislauf mit dem Nebenstromkreislauf fluidverbindet derart, dass die Massenströme im Verdampferkreislauf, im Hauptstromkreislauf und im Nebenstromkreislauf jeweils unabhängig regelbar sind. Durch die Verschaltung des Hauptstromkreislaufs mit dem Nebenstromkreislauf wird der Aufwand an zusätzlichen Komponenten, beispielsweise Sicherheitskomponenten, reduziert, so dass sich die Herstellungs- und Betriebskosten verringern. Die Verschaltung bzw. die Nebenstromabzweigung ist dabei derart angepasst, dass in dem Hauptstromkreislauf und in dem Nebenstromkreislauf jeweils unterschiedliche Massenströme einstellbar sind, wodurch der Pinch Point in den Wärmetauschern der Vorwärmeinheit optimal einstellbar ist. Dabei können die Massenströme derart angepasst sein, dass der Wärmeübergang von der Wärmequelle zum Heizmittel bzw. Vorwärmmittel und/oder 2/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15 vom Heizmittel zum Arbeitsmittel optimal eingestellt ist.

[0014] Vorzugsweise weist der Nebenstromkreislauf einen Nebenstromerhitzer auf, der der Wärmequelle zugeordnet ist. Durch den Nebenstromerhitzer wird die Wärmeenergie aus der Wärmequelle bzw. die Restwärme der Wärmequelle zur Vorwärmung des Arbeitsmittels weiter genutzt, so dass durch den Nebenstromerhitzer die Energieeffizienz und der Wirkungsgrad der Vorrichtung zusätzlich gesteigert werden.

[0015] Der Nebenstromkreislauf kann einen Nebenstromvorlauf aufweisen, der die Nebenstromabzweigung mit dem Nebenstromvorwärmer verbindet. Das aus dem Hauptstromvorwärmer austretende Heizmittel wird also zumindest teilweise dem Nebenstromvorwärmer zugeführt, so dass die Restwärmeenergie des Heiz- bzw. Vorwärmmittels nach Durchtritt durch den Hauptstromvorwärmer zusätzlich zur Erwärmung des Arbeitsmittels genutzt wird. Energieverluste in der Vorwärmeinheit werden auf diese Weise weiter reduziert.

[0016] Der Nebenstromkreislauf kann ferner einen Nebenstromrücklauf aufweisen, der den Nebenstromerhitzer mit einem Zulauf des Hauptstromerhitzers verbindet. Durch die Vorschaltung des Nebenstromerhitzers vor den Hauptstromerhitzer und die daraus resultierende Vorwärmung des Heizmittels wird erreicht, dass die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellenmedium und Heizmittel im Hauptstromerhitzer verringert und die Effizienz des Wärmeübergangs somit erhöht wird.

[0017] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorwärmeinheit mit dem Verdampferkreislauf fluidverbunden derart, dass die Vorwärmeinheit einen Zweigkreislauf des Verdampferkreislaufs bildet, der dem Heizwärmetauscher in Strömungsrichtung vorgeordnet ist. Durch die Verschaltung der Vorwärmeinheit mit dem Verdampferkreislauf werden einerseits die Aufwendungen für Sicherheitseinrichtungen weiter reduziert und andererseits erreicht, dass die Restwärme des Heizmittels aus dem Verdampfer in den weiteren Vorwärmern, insbesondere dem Hauptstromvorwärmer und dem Nebenstromvorwärmer zur Erwärmung des Arbeitsmittels ganz oder teilweise nutzbar ist.

[0018] Zwischen dem Verdampferkreislauf und der Vorwärmeinheit und/oder zwischen dem Hauptstromkreislauf und dem Nebenstromkreislauf kann wenigstens ein Massenstromregelglied angeordnet sein, so dass die Massenströme in verschiedenen Kreisläufen im Betrieb kontinuierlich einstellbar bzw. justierbar sind.

[0019] Vorzugsweise umfasst das Massenstromregelglied eine regelbare, insbesondere drehzahlregelbare, Heizmittelpumpe und/oder ein regelbares Stellventil, insbesondere ein regelbares Dreiwegeventil. Derartige Massenstromregelglieder zeichnen sich durch eine einfache Handhabung und geringe Herstellungs- und Betriebskosten aus. Jeweils ein Massenstromregelglied kann im Nebenstromvorlauf und/oder im Nebenstromrücklauf des Nebenstromkreislaufs angeordnet sein. Vorzugsweise ist im Nebenstromvorlauf und/oder im Nebenstromrücklauf jeweils ein regelbares Stellventil angeordnet.

[0020] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Verdampferkreislauf einen zusätzlichen Bypassvorwärmer, der dem Dampferzeuger im Verdampferkreislauf in Strömungsrichtung nachgeordnet ist. Durch den zusätzlichen Bypassvorwärmer wird erreicht, dass die Restwärmeenergie des Heizmittels nach Durchtritt durch den Dampferzeuger an das Arbeitsmittel übertragen wird. Dabei kann der Bypassvorwärmer mit dem gleichen Massenstrom durchströmt werden wie der Dampferzeuger. Die nach Durchtritt durch den Dampferzeuger im Heizmittel vorhandene Restwärmeenergie kann auf diese Weise effizient zur Vorwärmung des Arbeitsmittels eingesetzt werden.

[0021] Der Bypassvorwärmer kann in einem Bypasskreislauf des Verdampferkreislaufs angeordnet sein. Auf diese Weise wird dem Bypassvorwärmer ein Teil des Massenstroms zugeführt, der durch den Dampferzeuger geleitet wird. Der Massenstrom im Bypasskreislauf kann dadurch an einen optimalen Pinch Point bzw. Wärmeübergang zwischen Heizmittel und Arbeitsmittel im Arbeitsmittelvorwärmer angepasst werden. Insbesondere können die Massenströme im Verdampferkreislauf und im Bypasskreislauf getrennt regelbar sein, so dass sowohl im Dampfer- 3/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15 zeuger, als auch im Bypassvorwärmer ein optimaler Wärmeübergang erreicht wird. Dazu sind zwischen dem Verdampferkreislauf und dem Bypasskreislauf vorzugsweise entsprechende Massenstromregelglieder angeordnet.

[0022] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Vorwärmeinheit wenigstens ein zusätzlicher Teilstromkreislauf zugeordnet, der den Nebenstromkreislauf mit wenigstens einem Teilstromerhitzer verbindet, der der Wärmequelle zugeordnet ist. Mit dem zusätzlichen Teilstromkreislauf kann die Energieeffizienz der Vorrichtung weiter gesteigert werden, da durch den Teilstromerhitzer weitere Restwärmeenergie der Wärmequelle nutzbar ist. Dadurch wird einerseits eine verbesserte Ausnutzung der verfügbaren Wärmeenergie und andererseits eine vorteilhafte Absenkung der Abgas- bzw. Rauchgastemperatur erreicht.

[0023] Vorzugsweise ist der Vorwärmeinheit und/oder einer Abgasleitung der Wärmequelle ein Luftvorwärmer zugeordnet, der die Vorwärmeinheit und/oder die Abgasleitung mit einer Zuluftleitung der Wärmequelle thermisch koppelt. Auf diese Weise wird der Wärmequelle energiereiche Zuluft zugeführt, wodurch die Effizienz des Verbrennungsvorgangs der Wärmequelle erhöht wird.

[0024] Im Hinblick auf den Arbeitsmittelkreislauf ist es vorteilhaft, wenn dieser wenigstens eine Speisepumpe, und/oder wenigstens einen Kondensator und/oder wenigstens ein Entspannungsmittel, insbesondere wenigstens eine Turbine, umfasst. Die aus der Wärmequelle entnommene thermische Energie kann auf diese Weise effizient in mechanische Energie umgewandelt werden.

[0025] Der Arbeitsmittelkreislauf weist vorzugsweise einen internen Rekuperator auf, der eine Kondensatorzuleitung mit einer Rekuperatorleitung thermisch koppelt. Durch den internen Rekuperator kann die Restwärmeenergie des Arbeitsmittels nach Entspannung im Entspannungsmittel zur Vorwärmung des kondensierten Arbeitsmittels genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Kreisprozesses im Arbeitsmittelkreislauf wird dadurch erhöht.

[0026] Ferner kann der Arbeitsmittelkreislauf eine Zweigleitung umfassen, die einen Arbeitsmittelteilstrom unter Umgehung des internen Rekuperators dem Nebenstromvorwärmer zuführt. Diese Aufteilung des Arbeitsmittelstroms ermöglicht es, dem Rekuperator und dem Nebenstromvorwärmer jeweils unterschiedliche Massenströme des kondensierten Arbeitsmittels zuzuführen, so dass der Wärmeübergang, insbesondere der Pinch Point, im Rekuperator und im Nebenstromvorwärmer optimal einstellbar ist. Insgesamt wird auf diese Weise der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter gesteigert.

[0027] Dem Arbeitsmittelkreislauf kann ein Luftkühler zugeordnet sein, der durch einen Zwischenkreislauf mit dem Kondensator verbunden ist. Die Wärmeenergie des Arbeitsmittels, die nicht zur Energieumwandlung im Entspannungsmitte! bzw. nicht zur Vonwärmung des kondensierten Arbeitsmittels im Rekuperator genutzt wird, kann dem Arbeitsmittel auf diese Weise effizient entzogen werden.

[0028] Es ist auch möglich, dass der Kondensator den Arbeitsmittelkreislauf mit einer Wärmeleitung bzw. einer Heizwasserleitung thermisch koppelt, so dass die Restwärmeenergie des Arbeitsmittels im Rahmen einer Kraft-Wärme-Kopplung weiter nutzbar ist.

[0029] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Entspannungsmittel, insbesondere die Turbine, wenigstens ein Getriebe. Vorzugsweise ist das Entspannungsmittel, insbesondere die Turbine, mit wenigstens einem Generator, insbesondere einem Asynchron- und Synchrongenerator, gekoppelt. Die durch die Vorrichtung in mechanische Energie umgewandelte thermische Energie der Wärmequelle kann auf diese Weise weiter in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei kann durch das Getriebe, das mit dem Entspannungsmittel, insbesondere der Turbine, gekoppelt ist, die Übertragung der mechanischen Energie in elektrische Energie eingestellt werden, so dass ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Es ist auch möglich, das Entspannungsmittel bzw. die Turbine direkt mit dem Generator verbunden ist. 4/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15 [0030] Ferner liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, ein Verfahren zur Inbetriebnahme und/oder zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung anzugeben, wobei vom Massenhauptstrom des Hauptstromkreislaufes an einer Nebenstromabzweigung ein Massenneben-strom abgezweigt und dem Nebenstromkreislauf zugeführt wird. Dabei wird der Massenneben-strom unabhängig vom Massenhauptstrom geregelt bzw. eingestellt. Die im Zusammenhang mit der Vorrichtung genannten Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.

[0031] Ein weiterer Gedanke der Erfindung beruht darauf, eine ORC-Anlage mit einer Vorrichtung zur Energieumwandlung anzugeben.

[0032] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen: [0033] Figuren 1 bis 7: jeweils ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und [0034] Figur 8: ein Temperatur-Enthalpiestrom-Diagramm einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.

[0035] Die Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip gemäß Figuren 1 bis 7 umfasst jeweils eine Wärmequelle 1 in Form einer Feuerung 2 und einer Abgas- bzw. Rauchgasleitung 5, die der Feuerung 2 nachgeordnet ist. Ferner ist ein Arbeitsmittelkreislauf 50 vorgesehen, der als Organic Rankine Kreisprozess (organic rankine cycle - ORC) betrieben wird. Dabei werden anstelle von Wasser organische Fluide als Arbeitsmittel verwendet, Derartige ORC-Fluide sind beispielsweise Kohlenwasserstoffe wie Alkane, Alkene, Aromaten, (teil-)halo-genierte Kohlenwasserstoffe oder Silikonöle.

[0036] Der in den Figuren 1 bis 7 dargestellte Arbeitsmittelkreislauf 50 umfasst im Allgemeinen eine Speisepumpe 51, ein der Speisepumpe 51 nachgeordnetes Entspannungsmittel, Insbesondere eine Turbine 53, und einen Kondensator 52, der zwischen der Turbine 53 und der Speisepumpe 51 angeordnet ist. Ferner ist ein interner Rekuperator 54 vorgesehen, der zwischen der Turbine 53 und dem Kondensator 52 angeordnet ist. Die Verwendung eines Rekuperators 54 ist nicht zwingend erforderlich, so dass der Kondensator 52 der Turbine 53 auch direkt nachgeordnet, d.h. mit der Turbine 53 direkt verbunden sein kann. Der Kondensator 52 kann als Luftkondensator ausgebildet sein.

[0037] Das Entspannungsmittel bzw. die Turbine 53 im Arbeitsmittelkreislauf 50 ist vorzugsweise mit einem Generator 55 mechanisch gekoppelt, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stromerzeugung einsetzbar ist. Zwischen der Turbine 53 und dem Generator 55 kann ein Getriebe vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass anstelle der Turbine 53 eine andere Kraftmaschine als Entspannungsmittel vorgesehen ist, beispielsweise ein Schrauben- oder Kolbenmotor.

[0038] Dem Kondensator 52 ist ferner ein Zwischenkreislauf 70 zugeordnet, der den Kondensator 52 mit einem Luftkühler 71 koppelt. Der Kondensator 52 verbindet den Zwischenkreislauf 70 thermisch mit dem Arbeitsmittelkreislauf 50, so dass Wärmeenergie aus dem Arbeitsmittelkreislauf 50 an den Zwischenkreislauf 70 übertragen wird. Insbesondere wird durch den Kondensator 52 das im Arbeitsmittelkreislauf 50 umlaufende Arbeitsmittel abgekühlt, wobei gleichzeitig das im Zwischenkreislauf 70 umlaufende Kühlmittel erwärmt wird. Im Luftkühler 71 wird dem Kühlmittel des Zwischenkreislaufs 70 Wärme entzogen, so dass vom Luftkühler 71 zum Kondensator 52 abgekühltes Kühlmittel strömt, das aus dem Arbeitsmittelkreislauf 50 Wärmeenergie aufnehmen kann. Das Kühlmittel im Zwischenkreislauf 70 kann beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch umfassen. Der Luftkühler 71 kann als Nasskühlturm ausgeführt sein.

[0039] Der Kondensator 52 ist im Arbeitsmittelkreislauf 50 der Speisepumpe 51 bzw. allgemein einem Verdichtungsmittel in Strömungsrichtung vorgeordnet. An einer der Speisepumpe 51 in Strömungsrichtung nachgeordneten Stelle ist im Arbeitsmittelkreislauf 50 eine Kondensataufteilung 554 vorgesehen, in der das aus dem Kondensator 52 strömende kondensierte Arbeitsmittel bzw. Kondensat aufgeteilt und einesteils dem Rekuperator 54 über eine Rekuperatorleitung 541 und anderenteils einem Nebenstromvorwärmer 45 einer Vorwärmeinheit 20 über eine 5/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15

Zweigleitung 550 zugeführt wird. Die Kondensataufteilung 554 umfasst ein Massenstromregelglied 80, vorzugsweise ein Dreiwegeventil 83. Andere Massenstromregelglieder 80, beispielsweise Stellventile 82 oder entsprechende regelbare Pumpen, sind ebenfalls verwendbar. Der In die Rekuperatorleitung 541 eingespeiste Arbeitsmittelteilstrom wird dem Rekuperator 54 zugeleitet, der den Arbeitsmittelteilstrom in der Rekuperatorleitung 541 mit dem Arbeitsmittelstrom in einer Kondensatorzuleitung 521 thermisch koppelt. Dabei verbindet die Kondensatorzuleitung 521 die Turbine 53 mit dem Kondensator 52 unter Einbeziehung des Rekuperators 54. Im Rekuperator 54 wird somit die Restwärmeenergie des entspannten Arbeitsmittels, das in der Turbine 53 Arbeit verrichtet hat, zumindest teilweise an das kondensierte Arbeitsmittel bzw. Kondensat, das im Kondensator 52 abgekühlt wurde, übertragen.

[0040] Der weitere Arbeitsmittelteilstrom, der an der Kondensataufteilung 554 in die Zweigleitung 550 gespeist wird, wird dem Nebenstromvorwärmer 45 zugeführt, in dem dem Arbeitsmittelteilstrom Wärmeenergie zugeführt wird, die ursprünglich der Wärmequelle 1 entstammt. Durch die Aufteilung des Arbeitsmittel- bzw. Kondensatstroms werden also dem Rekuperator 54 und dem Nebenstromvorwärmer 45 Massenteilströme des Arbeitsmittels zugeleitet, die derart regelbar sind, dass sowohl im Rekuperator 54, als auch im Nebenstromvorwärmer 45 optimale Bedingungen zum Wärmeübergang einstellbar sind. Somit wird die Energieeffizienz bei der Wärmeübertragung einerseits vom entspannten Arbeitsmittel zum Teilstrom des kondensierten Arbeitsmittels im Rekuperator 54 und andererseits von einem Heizmittel in einen Nebenstromkreislauf 40 zum Arbeitsmittelteilstrom im Nebenstromvorwärmer 45 erhöht.

[0041] Die Zweigleitung 550 mündet an einer Kopplung 535 gemeinsam mit der Rekuperatorleitung 541 in eine Vorwärmleitung 560. Somit bildet die Zweigleitung 550 im Wesentlichen einen Umgehungskreislauf, der einen Massenteilstrom des kondensierten Arbeitsmittels am Rekuperator 54 vorbeileitet. Es ist möglich, dass der Arbeitsmittelkreislauf 50 derart gestaltet ist, dass der vollständige Massenstrom des kondensierten Arbeitsmittels durch die Rekuperatorleitung 541 zum Rekuperator 54 geleitet wird. Das bedeutet, dass auf eine Kondensataufteilung 554 und eine damit gekoppelte Zweigleitung 550 verzichtet werden kann. Vorzugsweise wird in diesem Fall das kondensierte Arbeitsmittel nach Vorwärmung im Rekuperator 54 als rekuperier-tes Arbeitsmittel vollständig dem Nebenstromvorwärmer 45 zugeführt. Die Rekuperatorleitung 541 verbindet somit den Rekuperator 54 mit dem Nebenstromvorwärmer 45 derart, dass der Nebenstromvorwärmer 45 dem Rekuperator 54 nachgeordnet ist. Alternativ kann die Rekuperatorleitung 541 den Rekuperator 54 mit dem Nebenstromvorwärmer 45 derart koppeln, dass der Nebenstromvorwärmer 45 dem Rekuperator 54 vorgeordnet ist.

[0042] Zwischen dem Rekuperator 54 und der Turbine 53 sind in der Vorwärmleitung 560 ferner ein Hauptstromvorwärmer 35 und ein Dampferzeuger 15 angeordnet. Dabei ist der Dampferzeuger 15 dem Hauptstromvorwärmer 35 nachgeordnet und der Turbine 53 direkt vorgeordnet. Der Hauptstromvorwärmer 35 verbindet den Arbeitsmittelkreislauf 50, insbesondere die Vorwärmleitung 560, thermisch mit einem Hauptstromkreislauf 30 der Vorwärmeinheit 20. Der Dampferzeuger 15 bildet eine thermische Kopplung zwischen dem Arbeitsmittelkreislauf 50, insbesondere der Vonwärmleitung 560, und einem Verdampferkreislauf 10.

[0043] Die thermische Verbindung zwischen der Wärmequelle 1 und dem Arbeitsmittelkreislauf 50 erfolgt gemäß Figuren 1 bis 7 durch den Verdampferkreislauf 10, den Hauptstromkreislauf 30 und den Nebenstromkreislauf 40, wobei der Hauptstromkreislauf 30 und der Nebenstromkreislauf 40 gemeinsam die Vorwärmeinheit 20 bilden. Vorzugsweise umfasst die Wärmequelle 1 eine Feuerung 2 mit einer Abgas- bzw. Rauchgasleitung 5. Über die Rauchgasleitung 5 werden Verbrennungsabgase aus der Feuerung 2 abgeleitet.

[0044] Gemäß Figur 1 ist der Feuerung 2 in der Rauchgasleitung 5 in Strömungsrichtung des Rauchgases ein Heizwärmetauscher 11 direkt nachgeordnet, der den Verdampferkreislauf 10 mit der Rauchgasleitung 5 thermisch koppelt. Der Verdampferkreislauf 10 umfasst ein Heizmittel, vorzugsweise ein Thermoöl, das im Verdampferkreislauf 10 zwischen dem Heizwärmetauscher 11 und dem Dampferzeuger 15 zirkuliert und Wärmeenergie aus dem Rauchgas der Rauchgasleitung 5 an das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf 50 überträgt. Im Verdampfer- 6/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15 kreislauf 10 ist ferner ein Massenstromregel-glied 80, insbesondere eine drehzahlregelbare Heizmittelpumpe 81, angeordnet, mit der der Massenstrom des Heizmittels im Verdampferkreislauf 10 reguliert wird. Somit kann der Massenstrom im Verdampferkreislauf 10 an eine optimale Wärmeübertragung im Heizwärmetauscher 11 und im Dampferzeuger 15 eingestellt werden. Durch die regelbare Heizmittelpumpe 81 wird also erreicht, dass der Pinch Point der Wärmeübertragung optimiert wird.

[0045] In der Rauchgasleitung 5 ist ferner ein Hauptstromerhitzer 31 angeordnet, der dem Heizwärmetauscher 11 direkt nachgeordnet ist. Der Hauptstromerhitzer 31 verbindet die Rauchgasleitung 5 thermisch mit dem Hauptstromkreislauf 30, so dass Wärmeenergie aus dem Rauchgas an das Heizmittel im Hauptstromkreislauf 30 übertragen wird. Ferner umfasst der Hauptstromkreislauf 30 einen Hauptstromvorwärmer 35 und ein Massenstromregelglied 80, insbesondere eine drehzahlregelbare Heizmittelpumpe 81. In der Rauchgasleitung 5 ist dem Hauptstromerhitzer 31 ferner ein Nebenstromerhitzer 41 nachgeordnet, der die Rauchgasleitung 5 thermisch mit dem Nebenstromkreislauf 40 koppelt. Der Nebenstromkreislauf 40 umfasst analog zum Hauptstromkreislauf 30 den Nebenstromvorwärmer 45 und ein Massenstromregelglied 80, insbesondere eine drehzahlregelbare Heizmittelpumpe 81. Die Funktionsweise der einzelnen Komponenten des Hauptstromkreislaufs 30 und des Nebenstromkreislaufs 40 entspricht, insbesondere im Hinblick auf die Übertragung der Wärmeenergie von der Wärmequelle 1 zum Arbeitsmittelkreislauf 50, im Wesentlichen der Funktionsweise der Komponenten des Verdampferkreislaufs 10.

[0046] Durch die Massenstromregelglieder 80 im Verdampferkreislauf 10 und der Vorwärmeinheit 20, insbesondere dem Hauptstromkreislauf 30 und dem Nebenstromkreislauf 40, wird ermöglicht, dass die Massenströme in den einzelnen Kreisläufen unterschiedlich einstellbar sind. Damit kann der Wärmeübergang zwischen der Rauchgasleitung 5 und den einzelnen Kreisläufen bzw. zwischen den einzelnen Kreisläufen und dem Arbeitsmittelkreislauf 50 optimiert werden. Das bedeutet, dass insgesamt die Energieausnutzung der Wärmequelle 1 bzw. die Energieübertragung von der Wärmequelle 1 zum Arbeitsmittelkreislauf 50 verbessert und der Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht wird.

[0047] In den folgenden Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 2 bis 7 entsprechen der Aufbau der Wärmequelle 1 sowie der Aufbau des Arbeitsmittelkreislaufs 50 im Wesentlichen dem Aufbau gemäß Figur 1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird daher im Folgenden auf eine erneute, detaillierte Beschreibung der Wärmequelle 1 bzw. des Arbeitsmittelkreislaufs 50 verzichtet.

[0048] Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 durch den Aufbau der Vorwärmeinheit 20. Die Vorwärmeinheit 20 umfasst den Haüptstromkreislauf 30 und den Nebenstromkreislauf 40, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Hauptstromkreislauf 30 mit dem Nebenstromkreislauf 40 fluidverbunden ist. Insbesondere ist im Hauptstromkreislauf 30 in Strömungsrichtung nach dem Hauptstromvorwärmer 35 eine Nebenstromabzweigung 43 angeordnet, die einen Massenteilstrom des Heizmittels im Hauptstromkreislauf 30 einen Nebenstrom-vorlauf 43a des Nebenstromvorwärmers 45 zuführt. Die Nebenstromabzweigung 43 umfasst dabei ein Massenstromregelglied 80, insbesondere ein regelbares Dreiwegeventil 83, mit dem der Anteil des in den Nebenstromvorlauf 43a eingeleiteten Heizmittels einstellbar ist. Der aus dem Hauptstromkreislauf 30 abgezweigte Heizmittelteilstrom wird also über den Nebenstromvorlauf 43a durch den Nebenstromvorwärmer 45 und im weiteren Verlauf zum Nebenstromerhitzer 41 geleitet. Vom Nebenstromer-hitzer 41 gelangt der Heizmittelteilstrom über den Nebenstromrücklauf 43b zurück in den Hauptstromkreislauf 30. Dazu ist im Hauptstromkreislauf 30 zwischen der Nebenstromabzweigung 43 und dem Massenstromregelglied 80, insbesondere der Heizmittelpumpe 81, eine Nebenstromverknüpfung 44 angeordnet, die den Nebenstromrück-Iauf 43b mit dem Hauptstromkreislauf 30 verbindet. In der Nebenstromverknüpfung 44 wird der Massenteilstrom, der von der Nebenstromabzweigung 43 im Hauptstromkreislauf 30 in Richtung des Hauptstromerhitzers 31 strömt, und der Massenteilstrom, der den Nebenstromkreislauf 40 durchströmt, vereint und über die Heizmittelpumpe 81 einem Zulauf 36a des Hauptstromerhitzers 31 zugeführt. Der Zulauf 36a verbindet die Heizmittelpumpe 81 bzw. die Nebenstromverknüpfung 44 mit dem Hauptstromerhitzer 31. Das in der 7/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15

Nebenstromabzweigung 43 angeordnete Dreiwegeventil 83 ist vorzugsweise kontinuierlich regelbar, so dass die Massenströme im Hauptstromkreislauf 30 und im Nebenstromkreislauf 40 getrennt voneinander einstellbar sind. Auf diese Weise werden im Wesentlichen die gleichen Vorteile bezüglich der effizienten Energieübertragung erreicht wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Zusätzlich hat die Verschattung gemäß Figur 2 den Vorteil, dass durch die Kopplung des Hauptstromkreislaufes 30 mit dem Nebenstromkreislauf 40 zusätzliche Komponenten eingespart werden, die bei separaten Kreisläufen zweckmäßig sind. Beispielsweise kann durch die Verschaltung von Hauptstromkreislauf 30 mit Nebenstromkreislauf 40 eine Heizmittelpumpe 81 eingespart werden, da der Massenstrom im Nebenstromkreislauf 40 durch das regelbare Dreiwegeventil 83 einstellbar ist.

[0049] In Figur 3 ist eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2 gezeigt, in dem zusätzlich der Verdampferkreislauf 10 mit der Vorwärmeinheit 20 fluidgekop-pelt ist, wobei der Hauptstromkreislauf 30 und der Nebenstromkreislauf 40 der Vorwärmeinheit 20 miteinander fluidverbunden sind. Die Kopplung des Verdampferkreislaufs 10 mit der Vorwärmeinheit 20, insbesondere mit dem Hauptstromkreislauf 30, erfolgt im Wesentlichen analog zur Kopplung des Hauptstromkreislaufes 30 mit dem Nebenstromkreislauf 40. Insbesondere ist im Verdampferkreislauf 10 eine Hauptstromabzweigung 33 vorgesehen, die dem Dampferzeuger 15 direkt nachgeordnet ist. Die Hauptstromabzweigung 33 teilt den Heizmittelstrom im Hauptstromkreislauf 30 derart auf, dass ein Heizmittelteilstrom über einen Hauptstromvorlauf 33a dem Hauptstromvorwärmer 35 zugeführt wird. Der durch den Hauptstromvorwärmer 35 geführte Heizmittelteilstrom wird ferner in der Nebenstromabzweigung 43 weiter aufgeteilt und einerseits dem Nebenstromkreislauf 40, insbesondere dem Nebenstromvorwärmer 45, über den Neben-stromvorlauf 43a, und andererseits dem Zulauf 36a des Hauptstromerhitzers 31 zugeführt. Der Heizmittelteilstrom aus dem Hauptstromerhitzer 31 wird im weiteren Verlauf über den Hauptstromrücklauf 33b an der Hauptstromverknüpfung 34 in den Verdampferkreislauf 10 zurückgespeist. Die Hauptstromverknüpfung 34 ist dabei zwischen der Hauptstromabzweigung 33 und dem Heizwärmetauscher 11 angeordnet. In der Hauptstromverknüpfung 34 wird der Heizmittelteilstrom aus dem Hauptstromkreislauf 30 mit dem Heizmittelteilstrom aus dem Verdampferkreislauf 10, der in der Hauptstromabzweigung 33 abgezweigt wurde, zusammengeführt. Zwischen der Hauptstromverknüpfung 34 und dem Heizwärmetauscher 11 ist ein Massenstrom re-gelglied 80, insbesondere eine drehzahlregelbare Heizmittelpumpe 81 angeordnet. Eine weitere Heizmittelpumpe 81 ist im Hauptstromvorlauf 33a angeordnet. Die Heizmittelpumpen 81 geben die Strömungsrichtung des Heizmittels vor. Der Aufbau der Vorwärmeinheit 20 gemäß Figur 3 entspricht dem Aufbau der Vorwärmeinheit 20 gemäß Figur 2 einschließlich des Dreiwegeventils 83, das in der Nebenstromabzweigung 33 angeordnet ist.

[0050] In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei der Verdampferkreislauf 10 und die Vorwärmeinheit 20 getrennte Heizmittelkreisläufe bilden. Die Vorwärmeinheit 20 umfasst den Hauptstromkreislauf 30 und den Nebenstromkreislauf 40, die miteinander fluidgekoppelt sind. Dazu sind zwischen dem Hauptstromkreislauf 30 und dem Nebenstromkreislauf 40 der Nebenstromvorlauf 43a und der Nebenstromrücklauf 43b angeordnet. Im Nebenstromvorlauf 43a und im Ne-benstromrücklauf 43b ist jeweils ein Stellventil 82 angeordnet, das zur Regelung der Massenströme im Hauptstromkreislauf 30 und im Nebenstromkreislauf 40 angepasst ist. Die Stellventile 82 bilden somit Massenstromregelglieder 80. Der Nebenstromvorlauf 43a und der Nebenstromrücklauf 43b sind im Nebenstromkreislauf 40 durch eine Nebenstromzirkulation 43c verbunden. Die Nebenstromzirkulation 43c umfasst ein zusätzliches Massenstromregelglied 80, das als Stellventil 82 ausgebildet ist. Insbesondere in der Nebenstromzirkulation 43c kann ein anderes Massenstromregelglied 80, beispielsweise eine Heizmittelpumpe 81, vorgesehen sein. Bei der Vonwärmeinheit 20 gemäß Figur 4 bilden der Hauptstromkreislauf 30 und der Nebenstromkreislauf 40 also im Wesentlichen eigenständige Kreisläufe, die durch den Nebenstromvorlauf 43a und den Nebenstromrücklauf 43b gekoppelt sind. Das bedeutet, dass das Heizmittel in beiden Kreisläufen, also sowohl im Hauptstromkreislauf 30, als auch im Nebenstromkreislauf 40, zirkulieren kann, auch wenn die Stellventile 82 im Nebenstromvorlauf 43a und im Nebenstromrücklauf 43b vollständig geschlossen sind. Zusätzlich ist im Nebenstromkreislauf 40 ein weiteres Massenstromregelglied 80, insbesondere 8/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15 eine Heizmittelpumpe 81, angeordnet. Die Heizmittelpumpe 81 ist gemäß Figur 4 zwischen dem Nebenstromvorlauf 43a bzw. der Nebenstromzirkulation 43c und dem Nebenstromvorwärmer 45 angeordnet derart, dass das Heizmittel im Nebenstromkreislauf 40 in Richtung des Nebenstromvorwärmers 45 gefördert wird.

[0051] Im Hinblick auf die Verschaltung von Hauptstromkreislauf 30, Nebenstromkreislauf 40 und Verdampferkreislauf 10 entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3. Zusätzlich ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 im Verdampferkreislauf 10 ein Bypasskreislauf 90 vorgesehen, der dem Dampferzeuger 15 in Strömungsrichtung nachgeordnet ist. Der Bypasskreislauf 90 umfasst einen Bypassvorwärmer 95, der den Bypasskreislauf 90 thermisch mit dem Arbeitsmittelkreislauf 50, insbesondere der Vorwärmleitung 560, koppelt. Dazu ist der Bypassvorwärmer 95 im Arbeitsmittelkreislauf 50 dem Dampferzeuger 15 in Strömungsrichtung vorgeordnet, insbesondere direkt vorgeordnet. Das bedeutet, dass der Bypassvorwärmer 95 im Arbeitsmittelkreislauf 50 zwischen dem Hauptstromvorwärmer 35 und dem Dampferzeuger 15 angeordnet ist. Der Bypasskreislauf 90 umfasst ferner einen Bypassvorlauf 93a, der den Dampferzeuger 15 im Verdampferkreislauf 10 mit dem Bypassvorwärmer 95 koppelt, so dass das Heizmittel des Verdampferkreislaufs 10 nach Durchtritt durch den Dampferzeuger 15 dem Bypassvorwärmer 95 zugeführt wird. Nach Durchlaufen des Bypassvorwärmers 95 strömt das Heizmittel über einen Bypassrücklauf 93b zurück in den Verdampferkreislauf 10. Zwischen dem Bypassvorlauf 93a und dem Bypassrücklauf 93b ist ferner eine Bypass-zirkulation 93c angeordnet, durch die ein Heizmittelteilstrom unter Umgehung des Bypassvorwärmers 95 vom Bypassvorlauf 93a zum Bypassrücklauf 93b strömt. Zwischen dem Bypassrücklauf 93b und der Bypasszirkulation 93c ist ferner ein Massen-stromre-gelglied 80, insbesondere ein Dreiwegeventil 83 angeordnet. Das Dreiwegeventil 83 ist einstellbar, so dass der Massenstrom im Bypasskreislauf 90 unabhängig vom Massenstrom im Verdampferkreislauf 10 regelbar bzw. justierbar ist. Es ist möglich, dass anstelle eines Dreiwegeventils 83 im Bypassvorlauf 93a, im Bypassrücklauf 93b und/oder in der Bypasszirkulation 93c ein regelbares Stellventil 82, eine regelbare Heizmittelpumpe 81 und/oder ein anderes Massenstromregelglied 80 angeordnet ist.

[0052] In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, das im Wesentlichen auf dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 basiert, wobei zwischen dem Verdampferkreislauf 10 und dem Hauptstromkreislauf 30 zusätzliche Massenstromregelglieder 80 und eine Hauptstromzirkulation 33c vorgesehen sind. Die Hauptstromzirkulation 33c ist analog zur Nebenstromzirkulation 43c gemäß Figur 4 zwischen dem Haupt-stromvorlauf 33a und dem Hauptstromrücklauf 33b angeordnet. Im Hauptstromvorlauf 33a ist ferner zwischen der Hauptstromabzweigung 33 und der Hauptstromzirkulation 33c ein regelbares Stellventil 82 angeordnet. Zwischen der Hauptstromzirkulation 33c und dem Hauptstromvorwärmer 35 umfasst der Hauptstromvorlauf 33a eine Heizmittelpumpe 81. Das Massenstromregelglied 80, insbesondere das Stellventil 82, im Hauptstromrücklauf 33b ist zwischen der Hauptstromzirkulation 33c und der Hauptstrom Verknüpfung 34 angeordnet. Ein weiteres Stellventil 82 ist in der Hauptstromzirkulation 33c angeordnet. Insbesondere in der Hauptstromzirkulation 33c kann auch ein anderes Massenstromregelglied 80, beispielsweise eine zusätzliche Heizmittelpumpe 81, angeordnet sein. Durch die Hauptstromzirkulation 33c wird ermöglicht, dass dem Hauptstromvorwärmer 35 Heizmittel mit einer höheren Temperatur zugeführt werden kann. Insbesondere kann die Temperatur des Heizmittels im Hauptstromvorlauf 33a zwischen der Hauptstromzirkulation 33c und dem Hauptstromvorwärmer 35 höher sein als vor der Hauptstromzirkulation 33c. Konkret kann also durch die Hauptstromzirkulation 33c die Temperatur des aus dem Dampferzeuger 15 austretenden Heizmittels vor der Zufuhr zum Hauptstromvorwärmer 35, d.h. die Hauptstromvorwärmer-Vorlauftemperatur, erhöht werden. Dasselbe gilt im Wesentlichen analog für die Funktionsweise der zuvor beschriebenen Nebenstromzirkulation 43c. Mit anderen Worten kann die erzielbare Vorwärmer-Vorlauftemperatur höher sein als die Rücklauftemperatur, die aus dem Dampferzeuger 15 kommt.

[0053] Eine weitere Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 5 ist in Figur 7 dargestellt. Dabei entspricht der Aufbau des Verdampferkreislaufs 10, des Hauptstromkreislaufs 9/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15 30 und des Nebenstromkreislaufs 40 dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5. Zusätzlich weist die Vorwärmeinheit 20 gemäß Figur 7 einen Teilstromkreislauf 60 auf, der mit dem Nebenstromkreislauf 40 fluidverbunden ist. Der Teilstromkreislauf 60 umfasst einen Teilstromerhitzer 61 und einen Luftvorwärmer 65. Der Teilstromerhitzer 61 verbindet den Teilstromkreislauf 60 thermisch mit der Rauchgasleitung 5 der Wärmequelle 1, wobei die Wärmequelle 1 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 eine Zuluftleitung 6 umfasst, die den Luftvorwärmer 65 mit der Feuerung 2 verbindet. Der Luftvorwärmer 65 bildet dabei eine thermische Kopplung zwischen der Zuluftleitung 6 und dem Teilstromkreislauf 60 und ist im Teilstromkreislauf 60 dem Teilstromerhitzer 61 in Strömungsrichtung vorgeordnet. Dadurch wird die Zuluft, die der Feuerung 2 zur Sicherstellung des Verbrennungsvorgangs zugeführt wird, vorgewärmt, so dass die Effizienz des Verbrennungsvorgangs erhöht wird. Der Luftvorwärmer 65 kann auch in der Rauchgasleitung 5 angeordnet sein.

[0054] Zur Verbindung des Teilstromkreislaufs 60 mit dem Nebenstromkreislauf 40 ist eine Teilstromabzweigung 63 vorgesehen, die analog zur Nebenstromabzweigung 43 im Nebenstromkreislauf 40 dem Nebenstromvorwämer 45 nachgeordnet ist. Die Teilstromabzweigung 63 umfasst ein Dreiwegeventil 83, das zur Regelung der Massenströme im Nebenstromkreislauf 40 und im Teilstromkreislauf 60 angepasst ist. Die Teilstromabzweigung 63 teilt den Heizmittelstrom aus dem Nebenstromvorwämer 45 in zwei Heizmittelteilströme auf, wobei einer der Teilströme über einen Teilstromvorlauf 63a dem Luftvorwärmer 65 zugeführt wird. Der andere Heizmittelteilstrom wird über den Nebenstromkreislauf 40 dem Nebenstromerhitzer 41 zugeführt.

[0055] Der im Teilstromkreislauf 60 strömende Heizmittelteilstrom durchläuft nach dem Luftvorwärmer 45 den Teilstromerhitzer 61 und nimmt Wärmeenergie aus dem Rauchgas in der Rauchgasleitung 5 auf. Der erwärmte Heizmittelteilstrom strömt im weiteren Verlauf vom Teilstromerhitzer 61 über einen Teilstromrücklauf 63b zur einer Teilstromverknüpfung 64, die analog zur Nebenstromverknüpfung 44 zwischen der Teilstromabzweigung 63 und dem Nebenstromerhitzer 41 im Nebenstromkreislauf 40 angeordnet ist.

[0056] Insgesamt umfasst die Vorwärmeinheit 20 aus Figur 7 also drei Vorwärmkreisläufe, nämlich den Hauptstromkreislauf 30, den Nebenstromkreislauf 40 und den Teilstromkreislauf 60, die miteinander fluidgekoppelt sind. Durch entsprechende Massenstrom-regelglieder 80, insbesondere Dreiwegeventile 83, sind die drei Vorwärmkreisläufe der Vorwärmeinheit 20 hydraulisch entkoppelbar, so dass die Massenströme im Hauptstromkreislauf 30, im Nebenstromkreislauf 40 und im Teilstromkreislauf 60 getrennt einstellbar bzw. regelbar sind. Vorzugsweise ist dazu eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, die mit den Massenstromregelgliedern 80 signalverbunden ist derart, dass die Massenströme in den einzelnen Kreisläufen, insbesondere im Verdampferkreislauf 10, im Hauptstromkreislauf 30, im Nebenstromkreislauf 40, im Teilstromkreislauf 60 und/oder im Arbeitsmittelkreislauf 50, kontinuierlich, insbesondere im laufenden Betrieb, einstellbar bzw. justierbar sind. Auf diese Weise können die Wärmeübergänge bzw. Pinch Points in den einzelnen Wärmetauschern, Erhitzern, Vorwärmern oder dergleichen optimal eingestellt werden, so dass eine besonders effiziente Umwandlung von thermischer Energie in mechanische und/oder elektrische Energie erreicht wird.

[0057] In Figur 8 ist ein Temperatur-Enthalpiestrom-Diagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Diagramm zeigt das Verhältnis von Temperatur und Enthalpiestrom der einzelnen Wärmeträgermedien, insbesondere des Rauchgases der Wärmequelle 1, des Heizmittels bzw. Thermoöls der Vorwärmeinheit 20 bzw. des Verdampferkreislaufs 10 und des Arbeitsmittels im Arbeitsmittelkreislauf 50. Das Diagramm zeigt deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Schaltung des Verdampferkreislaufs 10 mit der Vorwärmeinheit 20 bzw. innerhalb der Vorwärmeinheit 20 günstigere Pinch Points bzw. Temperaturdifferenzen erreicht werden. Insbesondere geht aus dem Diagramm deutlich hervor, dass die Wärmeenergie des Rauchgases mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besser genutzt und somit einerseits der Wirkungsgrad des Kreisprozesses erhöht und andererseits die Rauchgastemperatur insgesamt abgesenkt wird. 10/21

Claims (23)

1. österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15 [0058] Die Verschaltung der einzelnen Heizmittel- bzw. Thermoölkreisläufe, insbesondere des Hauptstromkreislaufes 30 mit dem Nebenstromkreislauf 40, ist besonders dazu geeignet, Heizmittel bzw. Heizfluide mit einer hohen Verdampfungsenthalpie einzusetzen. Die thermodynamischen Vorteile eines Heizfluids mit einer hohen Verdampfungsenthalpie bewirken eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Vorrichtung. Als besonders geeignete Fluide sind Isopropylbenzol (Cumol), Isopropyltoluol (Cymol) und Dimethylbenzol (Xylol) zu nennen. Bei einer Temperatur von etwa 260^ bis 280°C, insbesondere bei 270°C, beträgt die Verdampfungsenthalpie des Isopropylbenzols etwa zwischen 210 kJ/kg und 230 KJ/kg, insbesondere zwischen 215 kJ/kg und 225 kJ/kg. Das Isopropyltoluol weist in demselben Temperaturbereich eine Verdampfungsenthalpie auf, die zwischen 220 kJ/kg und 250 kJ/kg, insbesondere zwischen 235 kJ/kg und 245 kJ/kg, insbesondere zwischen 230 kJ/kg und 240 kJ/kg, beträgt. Die Verdampfungsenthalpie des Dimethylbenzols beträgt in dem Temperaturbereich von etwa 260°C bis 280O, insbesondere bei 270O, ungefähr zwischen 230 kJ/kg und 260 kJ/kg, insbesondere zwischen 235 kJ/kg und 255 kJ/kg, insbesondere zwischen 230 kJ/kg und 250 kJ/kg. Das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf 50 kann Kombinationen bzw. Mischungen der genannten Fluide umfassen. Die Begriffe Isopropyltoluol und Dimethylbenzol stehen auch für die jeweiligen Isomere. [0059] Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. eine ORC-Anlage mit einer derartigen Vorrichtung kann die folgenden alternativen oder zusätzlichen Merkmale aufweisen: [0060] Beispielsweise ist es auch möglich, dass das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf 50 zumindest teilweise direkt durch Rauchgasvorwärmer mit dem Rauchgas in der Rauchgasleitung 5 thermisch gekoppelt ist. Die Rauchgasleitung 5 kann also nach Durchtritt durch den Heizwärmetauscher 11, den Hauptstromerhitzer 31 und den Ne-benstromerhitzer 41 einem zusätzlichen Rauchgasvorwärmer zugeführt werden, der im Arbeitsmittelkreislauf 50 direkt angeordnet ist. Die Rauchgasleitung 5 kann auch vor oder zwischen dem Heizwärmetauscher 11, dem Hauptstromerhitzer 31 und/oderdem Nebenstromerhitzer 41 dem Rauchgasvorwärmer zugeführt werden. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass nur ein Teil des Rauchgases durch eine Abzweigung in der Rauchgasleitung 5 dem Rauchgasvorwärmer zugeführt wird. [0061] Die Vorrichtung ist vorzugsweise mit üblichen Mess-, Steuer-, Regelungs- und/oder Sicherheitsvorrichtungen versehen. Ferner können in den einzelnen Kreisläufen, insbesondere im Verdampferkreislauf 10, im Hauptstromkreislauf 30, im Nebenstromkreislauf 40, im Teilstromkreislauf 60, im Arbeitsmittelkreislauf 50 und/oder im Zwischenkreislauf 70, bzw. in der Rauchgasleitung 5 und/oder der Zuluftleitung 6 Drosselventile vorgesehen sein. Die Drosselventile können mechanisch betätigbar oder mit der Steuereinrichtung verbunden sein, so dass die Drosselventile mit den Massenstromregelgliedern 80 eine gemeinsame Regelung und Steuerung der Vorrichtung ermöglichen. Die Vorrichtung bzw. eine ORC-Anlage mit einer derartigen Vorrichtung kann in Kesselstahl oder Edelstahl ausgeführt sein. Die Rauchgasleitung 5 bzw. Abgasstrecke kann mit einem Saugzuggebläse und/oder einer Rezirkulation ausgestattet sein. [0062] Im Allgemeinen aus der Verbrennungs- und Heiztechnik bzw. dem Dampfturbinenbau bekannte Verfahren und/oder zusätzliche Komponenten, beispielsweise Einrichtungen zur Rücklaufkopplung, insbesondere eine Rücklaufbeimischung bzw. ein Bypass zur teilweisen Umgehung eines Wärmetauschers, sind auch bei der hier dargestellten Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem ORC-Prinzip einsetzbar. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem ORC-Prinzip mit wenigstens einem Verdampferkreislauf (10), wenigstens einer Vorwärmeinheit (20) und einem Arbeitsmittelkreislauf (50), der ein organisches Arbeitsmittel umfasst, wo- bei der Verdampferkreislauf (10) und die Vorwärmeinheit (20) den Arbeitsmittelkreislauf (50) mit einer Wärmequelle (1) verbinden und der Verdampferkreislauf (10) wenigstens einen Heizwärmetauscher (11), der der Wärmequelle (1) zugeordnet ist, und wenigstens einen Dampferzeuger (15) umfasst, der dem Arbeitsmittelkreislauf (50) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die 11 /21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15 Vorwärmeinheit (20) einen Hauptstromkreislauf (30) und einen Neben-stromkreislauf (40) umfasst, wobei der Hauptstromkreislauf (30) einen Hauptstromerhitzer (31), der der Wärmequelle (1) zugeordnet ist, und einen Hauptstromvorwärmer (35) aufweist, der dem Dampferzeuger (15) im Arbeitsmittelkreislauf (50) vorgeordnet ist, und der Nebenstromkreislauf (40) wenigstens einen Nebenstromvorwärmer (45) umfasst, der dem Hauptstromvorwärmer (35) im Arbeitsmittelkreislauf (50) vorgeordnet ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hauptstromvorwärmer (35) im Hauptstromkreislauf (30) in Strömungsrichtung eine Nebenstromabzweigung (43) nachgeordnet ist, die den Hauptstromkreislauf (30) mit dem Nebenstromkreislauf (40) fluidverbindet derart, die Massenströme im Verdampferkreislauf (10), im Hauptstromkreislauf (30) und im Nebenstromkreislauf (40) jeweils unabhängig regelbar sind.
3. 3. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstromkreislauf (40) einen Nebenstromerhitzer (41) umfasst, der der Wärmequelle (1) zugeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstromkreislauf (40) einen Nebenstromvorlauf (43a) aufweist, der die Nebenstromabzweigung (43) mit dem Nebenstromvorwärmer (45) verbindet.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstromkreislauf (30) einen Nebenstromrücklauf (43b) aufweist, der den Nebenstromerhitzer (41) mit einem Zulauf (36a) des Hauptstromerhitzers (31) verbindet.
6. 6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmeinheit (20) mit dem Verdampferkreislauf (10) fluidverbunden ist derart, dass die Vorwärmeinheit (20) einen Zweigkreislauf des Verdampferkreislaufs (10) bildet, der dem Heizwärmetauscher (11) in Strömungsrichtung vorgeordnet ist.
7. 7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdampferkreislauf (10) und der Vorwärmeinheit (20) und/oder zwischen dem Hauptstromkreislauf (30) und dem Nebenstromkreislauf (40) wenigstens ein Massenstromregelglied (80) angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenstromregelglied (80) eine regelbare, insbesondere drehzahlregelbare, Heizmittelpumpe (81) und/oder ein regelbares Stellventil (82), insbesondere ein Dreiwegeventil (83), umfasst.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenstromvorlauf (43a) und/oder im Nebenstromrücklauf (43b) jeweils ein Massenstromregelglied (80), insbesondere jeweils ein regelbares Stellventil (82), angeordnet ist.
10. 10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferkreislauf (10) einen zusätzlichen Bypassvorwärmer (95) umfasst, der dem Dampferzeuger (15) im Verdampferkreislauf (10) in Strömungsrichtung nachgeordnet ist.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassvorwärmer (95) in einem Bypasskreislauf (90) des Verdampferkreislaufs (10) angeordnet ist.
12. 12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmeinheit (20) wenigstens ein zusätzlicher Teilstromkreislauf (60) zugeordnet ist, der den Nebenstromkreislauf (40) mit wenigstens einem Teilstromerhitzer (61) verbindet, der der Wärmequelle (1) zugeordnet ist.
13. 13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmeinheit (20) und/oder einer Abgasleitung des Wärmequelle (1) ein Luftvorwärmer (65) zugeordnet ist, der die Vorwärmeinheit (20) und/oder die Abgasleitung mit einer Zuluftleitung (6) der Wärmequelle (1) thermisch koppelt. 12/21 österreichisches Patentamt AT508 086B1 2012-06-15
14. 14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (50) wenigstens eine Speisepumpe (51) und/oder wenigstens einen Kondensator (52) und/oder wenigstens ein Entspannungsmittel, insbesondere wenigstens eine Turbine (53), umfasst.
15. 15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (50) wenigstens einen internen Rekuperator (54) aufweist, der eine Kondensatorzuleitung (521) mit einer Rekuperatorleitung (541) thermisch koppelt.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (50) eine Zweigleitung (550) umfasst, die einen Arbeitsmittelteilstrom unter Umgehung des internen Rekuperators (54) dem Nebenstromvorwärmer (45) zuführt.
17. 17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arbeitsmittelkreislauf (50) ein Luftkühler (71) zugeordnet ist, der durch einen Zwischenkreislauf (70) mit dem Kondensator (52) verbunden ist.
18. 18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsmittel, insbesondere die Turbine (53), wenigstens ein Getriebe umfasst.
19. 19. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsmittel, insbesondere die Turbine (53), mit wenigstens einem Generator (55), insbesondere einem Asynchron- oder Synchrongenerator gekoppelt ist.
20. 20. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (50) ein Arbeitsmittel aufweist, das zumindest teilweise Isopropylbenzol und/oder wenigstens ein Isomer des Isopropyltoluols und/oder wenigstens ein Isomer des Dimethylbenzols umfasst.
21. 21. ORC-Anlage mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
22. 22. Verfahren zur Inbetriebnahme einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 20, wobei vom Massenhauptstrom des Hauptstromkreislaufs (30) an einer Nebenstromabzweigung (43) ein Massennebenstrom abgezweigt und dem Nebenstromkreislauf (40) zugeführt wird, wobei der Massennebenstrom unabhängig vom Massenhauptstrom geregelt oder eingestellt wird.
23. 23. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 20, wobei vom Massenhauptstrom des Hauptstromkreislaufs (30) an einer Nebenstromabzweigung (43) ein Massennebenstrom abgezweigt und dem Nebenstromkreislauf (40) zugeführt wird, wobei der Massennebenstrom unabhängig vom Massenhauptstrom geregelt oder eingestellt wird. Hierzu 8 Blatt Zeichnungen 13/21