AT510809A1 - DEVICE FOR WASTE USE - Google Patents

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AT510809A1
AT510809A1 AT18942010A AT18942010A AT510809A1 AT 510809 A1 AT510809 A1 AT 510809A1 AT 18942010 A AT18942010 A AT 18942010A AT 18942010 A AT18942010 A AT 18942010A AT 510809 A1 AT510809 A1 AT 510809A1
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Gs Gruber Schmidt
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, die mittels mit einem ORC-Fluid betriebenen ORC-Kreisläufen umgesetzt werden, wobei ein ORC-Kreislauf zumindest eine Arbeitsmittelpumpe, zumindest einen Wärmetauscher, zumindest eine Expansionsvorrichtung zum Antrieb eines Generators und zumindest eine Kondensationsvorrichtung aufweist, wobei zumindest ein erster ORC-Kreislauf (42) und zumindest ein zweiter ORC-Kreislauf (43) mit je zumindest einer Arbeitsmittelpumpe (32, 32'), je zumindest einem Vorwärm-Wärmetauscher (33, 33'), je zumindest einem Verdampfungswärmetauscher (34, 34') vorgesehen sind, wobei die ORC-Kreisläufe (42, 43) über zumindest eine gemeinsame Expansionsvorrichtung (36) miteinander gekoppelt sind und eine gemeinsame Kondensationsvorrichtung (38) aufweisen. Die Erfindung betrifft weiters einen Mischkondensator (18) zur Verwendung als Kondensationsvorrichtung in einer solchen Vorrichtung zur Abwärmenutzung.The invention relates to a device for waste heat recovery based on ORC thermal cycle processes, which are implemented by means of ORC-operated ORC circuits, wherein an ORC circuit at least one working fluid pump, at least one heat exchanger, at least one expansion device for driving a generator and at least one condensation device, at least one first ORC circuit (42) and at least one second ORC circuit (43) each having at least one working fluid pump (32, 32 '), at least one preheating heat exchanger (33, 33'). , at least one evaporative heat exchanger (34, 34 ') are provided, wherein the ORC circuits (42, 43) via at least one common expansion device (36) are coupled together and have a common condensation device (38). The invention further relates to a mixing condenser (18) for use as a condensation device in such a device for waste heat utilization.

Description

PI 1925PI 1925

Vorrichtung zur AbwärmenutzungDevice for waste heat utilization

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, die mittels mit einem ORC-Fluid betriebenen ORC-Kreisläufen umgesetzt werden, wobei ein ORC-Kreislauf zumindest eine Arbeitsmittelpumpe, zumindest einen Wärmetauscher, zumindest eine Expansionsvorrichtung zum Antrieb eines Generators und zumindest eine Kondensationsvorrichtung aufweist.The invention relates to a device for waste heat recovery based on ORC thermal cycle processes, which are implemented by means of ORC-operated ORC circuits, wherein an ORC circuit at least one working fluid pump, at least one heat exchanger, at least one expansion device for driving a generator and at least one condensation device.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Mischkondensationsvorrichtung zur Verwendung als Kondensationsvorrichtung in der oben genannten Vorrichtung zur Abwärmenutzung.The invention also relates to a mixed condensing apparatus for use as a condensing apparatus in the above-mentioned waste heat recovery apparatus.

Wie weiter unten noch genauer ausgeführt wird, kann es sich bei dem erwähnten ORC-Fluid um ein Medium verschiedener Aggregatzustände, beispielsweise flüssig oder gas- bzw. dampfförmig, handeln.As will be explained in more detail below, the mentioned ORC fluid may be a medium of various states of aggregation, for example liquid or gaseous or vaporous.

Die Nutzung der Abwärme thermodynamischer Prozessabläufe, beispielsweise Rest- oder Abwärme von Industrieanlagen oder der Verbrennungskraftmaschine eines Blockheizkraftwerks (BHKW), durch Abwärmenutzungsanlagen unter Anwendung von ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozessen ist allgemein bekannt, Der ORC-Prozess ist dabei im Wesentlichen ein Verfahren zum Betrieb von Expansionsvorrichtungen wie Gas- oder Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf, nämlich organischen bzw. synthetische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur.The use of the waste heat of thermodynamic processes, such as residual or waste heat of industrial plants or the internal combustion engine of a combined heat and power plant (CHP), by waste heat recovery systems using ORC (Organic Rankine Cycle) processes is well known, the ORC process is essentially a process for the operation of expansion devices such as gas or steam turbines with a working fluid other than water vapor, namely organic or synthetic liquids with a low evaporation temperature.

Unter Abwärme werden Wärmeströme verstanden, die aus anderen Prozessabläufen entstehen. Wärmeströme sind Fluide, die entweder statisch in Behältern vorhanden sind oder dynamisch mittels Strömungen bewegt werden. Wärmeströme haben dabei Temperaturen die höher sind als die Umgebungstemperaturen. Wärmeströme sind somit Fluide im flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand, die Wärme konvektiv, strahlend oder leitend zur Verfügung stellen.Waste heat refers to heat flows that originate from other process flows. Heat flows are fluids that are either static in containers or dynamically moved by currents. Heat flows have temperatures that are higher than the ambient temperatures. Heat flows are thus fluids in the liquid or gaseous state, which provide heat convective, radiant or conductive.

Die Nutzung dieser Wärmeströme erfolgt durch Übertragung der Wärme auf andere Fluide, die als Arbeitsfluid zur Erzeugung von mechanischer bzw. (in weiterer Folge) elektrischer Energie genutzt werden. Eine derartige Nutzung in Form des Wasser-Dampfkreislaufes ist allgemein bekannt.The use of these heat flows takes place by transferring the heat to other fluids, which are used as working fluid for generating mechanical or (subsequently) electrical energy. Such use in the form of the water-steam cycle is well known.

Im Laufe der folgenden Ausführungen werden die Begriffe Niedertemperatur (NT) und Hochtemperatur (HT) verwendet. Niedertemperatur bezeichnet dabei Temperaturen von 50°C bis 90°C. Hochtemperatur bezeichnet Temperaturen von 135°C bis 400°C und höher. Prozesse, bei denen die oben erwähnten Abwärmenutzungsanlagen zum Einsatz kommen, produzieren also Abwärme, die bis maximal 90°C als Niedertemperatur klassifiziert wdrd und bei Temperaturen von 135°C bis 400°C als Hochtemperatur bezeichnet wird.In the following remarks, the terms low temperature (NT) and high temperature (HT) are used. Low temperature refers to temperatures of 50 ° C to 90 ° C. High temperature refers to temperatures of 135 ° C to 400 ° C and higher. Processes using the abovementioned waste heat recovery systems therefore produce waste heat which is classified as low temperature up to a maximum of 90 ° C and as high temperature at temperatures of 135 ° C to 400 ° C.

Der Aufbau und die Funktion des dem ORC-Frozess zugrunde liegenden Wasser-Dampfkreislaufes sind hinlänglich und allgemein bekannt. Daher wird auf diese Technologie an dieser Stelle nicht weiter eingegangen. Im ORC wird als Arbeitsfluid (in weiterer Folge auch als ORC-Fluid bezeichnet) kein Wasser verwendet, sondern organische Fluide, wie z.B. 1, 1, 3, 3, 3 Pentafluoropropan (R245fa), Kohlendioxid (CO2, bzw. R744 - im weiteren Text werden diese Begriffe synonym für Kohlendioxid verwendet), Butan (R600) und Propan (R290). Die ORC-Fluide Kohlendioxid, Butan und Propan sind natürliche ORC-Fluide. Die Fluide R245fa und R227ea (1, 1, 1, 2, 2, 3, 3, 3 Heptafluoropropan) sind synthetische organische ORC-Fluide.The structure and function of the water-steam cycle underlying the ORC process are well known and well known. Therefore, this technology will not be discussed further here. In ORC, no water is used as the working fluid (hereinafter also referred to as ORC fluid), but organic fluids, such as e.g. 1, 1, 3, 3, 3 pentafluoropropane (R245fa), carbon dioxide (CO2, or R744 - in the following text these terms are used synonymously for carbon dioxide), butane (R600) and propane (R290). The ORC fluids carbon dioxide, butane and propane are natural ORC fluids. The fluids R245fa and R227ea (1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropane) are synthetic organic ORC fluids.

Butan hat erhebliche Nachteile, da seine Entflammbarkeit umfangreiche technische Maßnahmen notwendig macht. Nachteilig an Butan und Propan sind weiters die geringen Einsatztemperaturen, bzw. die Einsatzbereiche. Für Propan ist beispielsweise nur eine Niedertemperaturanwendung möglich. Butan kann zwar bis zu Temperaturen von 145°C verwendet werden, aber ein direkter Kontakt mit einem Abwärmeträger ist technisch zur schwer zu realisieren, da die Entflammbarkeit einen erheblichen Nachteil darstellt.Butane has significant disadvantages, as its flammability makes extensive technical measures necessary. Another disadvantage of butane and propane are the low operating temperatures, or the areas of use. For propane, for example, only a low temperature application is possible. Although butane can be used up to temperatures of 145 ° C, but a direct contact with a waste heat carrier is technically difficult to realize, since the flammability represents a significant disadvantage.

Das synthetische ORC-Fluid R245fa ist zwar bis zu einer Verdampfungstemperatur von 145°C einsetzbar, ist allerdings hochtoxisch und wreist ein sehr hohes Treibhauspotential auf. Außerdem sind höhere Verdampfungstemperaturen nur im transkritischen Bereich möglich, was technologisch schwer zu realisieren ist und daher für die Anwendung in der Energieerzeugung ausscheidet.Although the synthetic ORC fluid R245fa can be used up to an evaporation temperature of 145 ° C, it is highly toxic and has a very high global warming potential. In addition, higher evaporation temperatures are possible only in the trans-critical range, which is technologically difficult to implement and therefore excretes for use in power generation.

Das synthetische ORC-Fluid R227ea ist mit dem Verhalten und Einsatz von Propan vergleichbar. R227ea ist zwar nicht brenn- und entflammbar, kann aber so wie Propan nur im Niedertemperaturbereich eingesetzt werden. Des Weiteren ist es hoch toxisch und weist ein hohes Treibhauspotential auf.The synthetic ORC fluid R227ea is similar to the behavior and use of propane. Although R227ea is not flammable and flammable, it can only be used in the low-temperature range, just like propane. Furthermore, it is highly toxic and has a high global warming potential.

Die ORC-Fluide Propan und R227ea können also nur im Niedertemperaturbereich bis zu einer Verdampfungstemperatur von maximal 85°C eingesetzt wTerden. Eine Kombination von Niedertemperatur- und Hochtemperatur-ORC-Fluiden bedingt eine getrennte Kreislaufführung und damit Nachteile in der Prozessführung und Anlagetechnik. Die Mischung zweier solcher Fluide im Bereich der Expansionsvorrichtung ist nicht möglich. -3- PI 1925The ORC fluids Propane and R227ea can therefore only be used in the low-temperature range up to a maximum evaporation temperature of 85 ° C. A combination of low-temperature and high-temperature ORC fluids requires a separate circulation and thus disadvantages in the process control and equipment. The mixture of two such fluids in the expansion device is not possible. -3- PI 1925

Einerseits mangelt es also im Stand der Technik an ORC-Fluiden, die die volle Bandbreite der theoretisch zur Verfügung stehenden Wärmeströme ausnutzen können und gleichzeitig sicher im Betrieb sind.On the one hand, there is a lack of ORC fluids in the state of the art that can exploit the full range of theoretically available heat flows while being safe in operation.

Andererseits sind die (elektrischen) Wirkungsgrade bekannter ORC-Prozesse aufgrund der Anlehnung an den Wasser-Dampfkreislauf noch sehr schlecht. Es gibt daher zunehmend Versuche, Vorrichtungen zu entwickeln, mit denen sich dieser Wirkungsgrad steigern lässt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2008 013 545 Al eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen mittels ORC-Prozess, dessen Wirkungsgrad mit einem ergänzenden Schmiermittelkreislauf verbessert werden soll. Die WO 2010/106089 A2 beschreibt ein Verfahren zur Dampferzeugung, beispielsweise mit einem ORC-Dampferzeuger, dem zur Erhöhung des Wirkungsgrads ein thermischer Generator vorgeschaltet ist. Die DE 199 07 512 Al beschreibt eine Vorrichtung zur Energieumwandlung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, wobei der Wirkungsgrad durch eine mindestens zweistufige kaskadierte Anordnung von ORC-Kreisprozessen verbessert werden soll.On the other hand, the (electrical) efficiencies of known ORC processes are still very poor due to the similarity to the water-steam cycle. There are therefore increasingly attempts to develop devices with which this efficiency can be increased. For example, DE 10 2008 013 545 A1 describes a device for utilizing the waste heat from internal combustion engines by means of an ORC process, the efficiency of which is to be improved with a supplementary lubricant circuit. WO 2010/106089 A2 describes a method for steam generation, for example with an ORC steam generator, which is preceded by a thermal generator to increase the efficiency. DE 199 07 512 A1 describes a device for energy conversion on the basis of thermal ORC cycle processes, wherein the efficiency is to be improved by an at least two-stage cascaded arrangement of ORC cycle processes.

Allen diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie entweder aufwändige Vorrichtungen benötigen oder den Wirkungsgrad nicht ausreichend steigern können. Auf die Problematik geeigneter ORC-Fluide wird im Stand der Technik nicht näher eingegangen.All these solutions have in common that they either require expensive devices or can not increase the efficiency sufficiently. On the problem of suitable ORC fluids is not discussed in the prior art.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung zu schaffen, die einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht und einfach im Aufbau ist.It is therefore an object of the invention to provide a device for waste heat utilization, which allows a higher efficiency and is simple in construction.

Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Vorrichtung zur Abwärmenutzung (im Folgenden: Abwärmenutzungsanlage) erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein erster ORC-Kreislauf und zumindest ein zweiter ORC-Kreislauf mit je zumindest einer Arbeitsmittelpumpe, je zumindest einem Vorwärm-Wärmetauscher, je zumindest einem Verdampfungswärmetauscher vorgesehen sind, wobei die ORC-Kreisläufe über zumindest eine gemeinsame Expansionsvorrichtung miteinander gekoppelt sind und eine gemeinsame Kondensationsvorrichtung aufweisen.This object is achieved with an aforementioned device for waste heat recovery (hereinafter: waste heat recovery system) according to the invention that at least a first ORC cycle and at least a second ORC cycle, each with at least one working fluid pump, depending at least one preheating heat exchanger, at least one Evaporating heat exchangers are provided, wherein the ORC circuits are coupled to each other via at least one common expansion device and have a common condensation device.

Die Erfindung erlaubt die Kombination verschiedener ORC-Kreisläufe unterschiedlicher Druckstufen, unterschiedlicher Massenströme und damit auch die Nutzung von Wärmepotentialen mit unterschiedlichen Temperaturen und Wärmeströmen. Die Kopplung mittels gemeinsamer Expansionsvorrichtung erfolgt derart, dass die dampfförmigen ORC-Fluide aus den Kreisläufen an geeigneter Stelle bzw. zur geeigneten Zeit in die Expansionsvorrich- - 4 - P1I925 • φ « « *·*#· φ Φ φ · Φ φ * • φ « l · 4 * · * * · I I * * tung eingebracht werden, sodass eine optimale Umwandlung der Energie der ORC-Fluide erfolgt.The invention allows the combination of different ORC cycles of different pressure levels, different mass flows and thus the use of heat potentials with different temperatures and heat flows. The coupling by means of a common expansion device is carried out in such a way that the vaporous ORC fluids from the circuits at a suitable location or at the appropriate time into the expansion device -. be introduced so that an optimal conversion of the energy of the ORC fluids takes place.

In einer Variante der Erfindung sind im ersten ORC-Kreislauf und/oder im zweiten ORC-Kreislauf zwischen VerdampfungsWärmetauscher und Expansionsvorrichtung je zumindest ein Überhitzungswärmetauscher und/oder zumindest eine Abscheidevorrichtung vorgesehen. Dadurch wird sicher gestellt, dass nur überhitzter Dampf und keine flüssigen Anteile die Expansionsvorrichtung erreichen, Dies ist günstig, da flüssige Anteile die Expansionsvorrichtung (z.B. bei Verwendung von Linearkolbenexpandern) schädigen können.In a variant of the invention, at least one superheating heat exchanger and / or at least one separating device are provided in the first ORC cycle and / or in the second ORC cycle between the evaporative heat exchanger and the expansion device. This ensures that only superheated steam and no liquid portions reach the expansion device, which is beneficial because liquid fractions can damage the expansion device (e.g., when using linear piston expanders).

Im Prinzip lässt also die obige Variante je ORC-Kreislauf zumindest einen Überhitzungswärmetauscher oder eine Abscheidevorrichtung zu, die aber auch gemeinsam vorgesehen sein können. Dabei kann auch jeder ORC-Kreislauf unabhängig vom anderen Kreislauf mit einer oder beiden Komponenten ausgestattet sein.In principle, therefore, the above variant per ORC cycle allows at least one superheating heat exchanger or a separating device, which can also be provided together. Each ORC circuit can be equipped with one or both components independently of the other circuit.

Bei Vorsehen einer Abscheidevorrichtung, die dampfförmige und flüssige Komponenten voneinander trennt, können die flüssigen Anteile an einer anderen Stelle wieder in die Kreisläufe eingebracht werden, beispielsweise nach Entspannung des ORC-Fluids in der Expansionsvorrichtung bzw. an anderer Stelle, wo das ORC-Fluid überwiegend flüssig ist.With the provision of a separation device separating vaporous and liquid components, the liquid fractions may be reintroduced into the circuits at a different location, for example, after expansion of the ORC fluid in the expansion device or elsewhere, where the ORC fluid is predominant is liquid.

Die ORC-Kreisläufe können mit verschiedenen Wärmeströmen, nämlich Hoch- und Niedertemperaturwärmeströmen, betrieben werden. In einer Variante der Erfindung wird der erste ORC-Kreislauf mit einem Hochtemperatur-Wärmestrom betrieben und der zweite ORC-Krcislauf mit einem Niedertemperatur-Wärmestrom betrieben. Die Wärmeströme definieren die thermische Leistung die jeweils zur Verfügung steht und die für die Verstromung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit gekoppelten ORC-Kreisläufen genutzt werden kann. Als Bezugstemperatur ist immer die Umgebungstemperatur (25°C, bzw. 298,15°K) zu verstehen.The ORC circuits can be operated with different heat flows, namely high and low temperature heat flows. In a variant of the invention, the first ORC cycle is operated with a high-temperature heat flow and the second ORC cycle is operated with a low-temperature heat flow. The heat flows define the thermal power which is available in each case and which can be used for power generation by the device according to the invention with coupled ORC circuits. The reference temperature is always the ambient temperature (25 ° C or 298.15 ° K).

Dadurch lässt sich die Abwärmenutzungsanlage je nach vorliegender Abwärmesituation -bei den meisten Prozessen fällt Wärme unterschiedlicher Temperaturen und mit unterschiedlichen Wärmeströmen an; beispielhaft sei der Gasmotor eines Blockheizkraftwerks als Abwärmequelle genannt - optimieren und der Wirkungsgrad (insbesondere elektrisch) einer solchen Anlage im Vergleich zu bekannten Anlagen erheblich steigern. Weiters lässt sich eine solche Anlage konstruktiv sehr einfach realisieren.Thus, the waste heat recovery system can be depending on the present waste heat situation-in most processes falls heat of different temperatures and with different heat flows; By way of example, the gas engine of a combined heat and power plant can be called a waste heat source - and the efficiency (especially electrical) of such a plant can be increased considerably in comparison to known plants. Furthermore, such a system can be realized structurally very simple.

In einer Variante der Erfindung werden der Vorwärm-Wärmetauscher, der Verdampfungswärmetauscher, der Überhitzungswärmetauscher des zweiten OR-Kreislaufs und der Vor- Ρΐιατζ ·· · * ··**·· 1 liyAZ) · « * * · · * * • 4 ι » 4 4 1·· I I · 4 4 ♦ · -5- wärm-Wärmetauscher des ersten ORC-Kreislaufs mit einem Niedertemperatur-Wärmestrom betrieben und der Verdampfungs-Wärmetauscher und der Überhitzungs-Wärmetauscher des ersten ORC-Kreislaufs werden mit einem Hochtemperatur-Wärmestrom betrieben.In a variant of the invention, the preheating heat exchanger, the evaporating heat exchanger, the superheat heat exchanger of the second OR circuit and the Vor¬ αιατζ ··· * ·· ** ·· 1 liyAZ) · «* * · · * * • 4 ι »4 4 1 ·· II · 4 4 ♦ · 5 heat exchangers of the first ORC circuit are operated with a low-temperature heat flow and the evaporative heat exchanger and the overheating heat exchanger of the first ORC circuit are equipped with a high-temperature heat flow operated.

Durch die erfindungsgemäße Lösung kann eine optimale Ausnutzung verschiedener Wärmepotentiale erreicht werden. Damit kann mittels dieser Kombination einerseits eine anlagentechnisch optimierte Lösung gefunden werden. Die Kombination beider Kreisläufe ermöglicht es, auf unterschiedliche Wärmeströme und Temperaturniveaus mit entsprechender Flexibilität und hohem Wirkungsgrad reagieren zu können.By the solution according to the invention an optimal utilization of different heat potentials can be achieved. Thus, on the one hand, a system-technically optimized solution can be found by means of this combination. The combination of both circuits makes it possible to react to different heat flows and temperature levels with appropriate flexibility and high efficiency.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades der Vorrichtung ist zwischen Expansionsvorrichtung und Kondensationsvorrichtung zumindest ein Recuperator-Wärmetauscher zum Vorwärmen des den Arbeitsmittelpumpen des ersten und zweiten ORC-Kreislaufs zugeführten flüssigen ORC-Fluids vorgesehen. Das nach der Expansionsvorrichtung vorliegende entspannte gasförmige ORC-Fluid wird durch den Recuperator-Wärmetauscher geführt, durch den auch das aus der Kondensationsvorrichtung stammende flüssige ORC-Fluid verläuft, das erneut den ORC-Kreisläufen zugeführt wird. Im Recuperator wird also das flüssige ORC-Fluid durch das gas- bzw. dampfförmige ORC-Fluid vorgewärmt.To increase the efficiency of the device, at least one recuperator heat exchanger for preheating the ORC fluid supplied to the working medium pumps of the first and second ORC circuits is provided between the expansion device and the condensation device. The expanded gaseous ORC fluid present after the expansion device is passed through the recuperator heat exchanger, through which passes the liquid ORC fluid originating from the condensation device, which is supplied again to the ORC circuits. In the Recuperator so the liquid ORC fluid is preheated by the gas or vapor ORC fluid.

Das ORC-Fluid wird aus der Gruppe bestehend aus Kohlendioxid (R744), Butan (R600) und Propan (R290) ausgewählt. Von den genannten Fluiden wird Kohlendioxid oft als universelles ORC-Fluid bezeichnet, da es sowohl im Hochtemperatur- als auch im Niedertemperaturbereich einsetzbar ist.The ORC fluid is selected from the group consisting of carbon dioxide (R744), butane (R600) and propane (R290). Of the fluids mentioned, carbon dioxide is often referred to as a universal ORC fluid, since it can be used both in the high-temperature and in the low-temperature range.

Kohlendioxid ist besonders gut als ORC-Fluid verwendbar. Seine Vorteile sind so weitreichend, da die Anwendung weder im Tieftemperaturbereich noch im Hochtemperaturbereich beschränkt ist. Kohlendioxid ist für energetische Kreisläufe und Anwendungen in der Abwärmenutzung nahezu ohne Einschränkung nutz- und anwendbar.Carbon dioxide is particularly useful as an ORC fluid. Its advantages are so far-reaching, since the application is limited neither in the low-temperature range nor in the high-temperature range. Carbon dioxide is practically usable and usable for energy cycles and waste heat recovery applications.

Der realisierbare hohe Druckbereich ist vorteilhaft, da dadurch die Anlagen sehr klein und kompakt gehalten werden können und technisch einfach realisiert werden können.The realizable high pressure range is advantageous because it allows the systems to be kept very small and compact and can be technically easily implemented.

Ein weiterer großer Vorteil liegt darin, dass R744 weder toxisch noch entflamm- oder brennbar ist und daher bei Austritt im Zuge eines technischen Gebrechens keine Gefährdung für die Umwelt darstellt. Es geht weiters erst bei 2500°C aus dem dampfförmigen Zustand in den Plasmazustand über - Anwendungen des Plasmas werden allerdings von der erfindungsgemäßen Anlage nicht erfasst.Another big advantage is that R744 is neither toxic nor flammable or flammable and therefore does not present a hazard to the environment if it is released as a result of a technical problem. Furthermore, it only changes from the vapor state to the plasma state at 2500 ° C. Applications of the plasma, however, are not covered by the system according to the invention.

Ein weiterer großer Vorteil der Verwendung von R744 liegt darin, dass es keiner zusätzlichen Wärmeträger in Form von Warm-, Heißwasser oder Thermalöl bedarf. R744 kann stattdessen direkt mit einem Abwärmestrom in Kontakt gebracht werden.Another major advantage of using R744 is that it does not require any additional heat transfer medium in the form of hot water, hot water or thermal oil. Instead, R744 can be brought into direct contact with a waste heat stream.

Grundsätzlich können aber sowohl Kohlendioxid als auch Butan und Propan angewandt werden.In principle, however, both carbon dioxide and butane and propane can be used.

Vorteilhafterweise ist zumindest ein mit der Expansionsvorrichtung verbundener Generator vorgesehen, der die Energie aus der Expansionsvorrichtung verströmt. Ein entsprechender Frequenzumrichter transformiert die elektrische Energie auf die benötigte Frequenz.Advantageously, at least one generator connected to the expansion device is provided, which emits the energy from the expansion device. A suitable frequency converter transforms the electrical energy to the required frequency.

In einer weiteren Variante der Erfindung handelt es sich bei der Kondensationsvorrichtung um eine Mischkondensationsvorrichtung, umfassend zumindest einen Lagertank für ORC-Fluid und zumindest einen Expansionsbehälter, die mit einem Strahlverdichter verbunden sind, wobei aus Richtung der Expansionsvorrichtung kommendes ORC-Fluid dem Expansionsbehälter über eine Zuführleitung zugeführt wird und den Strahlverdichter durchströmendes ORC-Fluid zumindest teilweise den Arbeitsmittelpumpen über eine Abführleitung zugeführt wird. Im Wesentlichen werden in einer solchen Mischkondensationsvorrichtung flüssiges ORC-Fluid aus dem Lagertank und von der Expansionsvorrichtung kommendes gasförmiges ORC-Fluid dem Strahlverdichter zugeführt, wo es zu einer Mischkondensation und damit zu einem Kondensieren des gasförmigen ORC-Fluids kommt. Dabei ist vorteilhafterweise in dem Lagertank eine externe Kühlung angeordnet ist. Diese externe Kühlung kann beispielsweise als Kaltwassersatz ausgeführt sein.In a further variant of the invention, the condensation device is a mixed condensation device comprising at least one ORC fluid storage tank and at least one expansion tank connected to a jet compressor, ORC fluid coming from the direction of the expansion device being supplied to the expansion tank via a supply line is supplied and the jet compressor through-flowing ORC fluid is at least partially supplied to the working fluid pump via a discharge line. Essentially, in such a mixed condensation device, liquid ORC fluid from the storage tank and gaseous ORC fluid coming from the expansion device are fed to the jet compressor, where mixed condensation occurs and consequent condensation of the gaseous ORC fluid. In this case, an external cooling is advantageously arranged in the storage tank. This external cooling can be designed for example as a chiller.

Durch diese Kühlung wird das flüssige ORC-Fluid auf einer niedrigen Temperatur gehalten. Bei der Mischkondensation wird so insgesamt eine Abkühlung erreicht, da das kalte, flüssige ORC-Fluid die Kondensationswärme aufnimmt.This cooling keeps the liquid ORC fluid at a low temperature. In the mixed condensation so a total cooling is achieved because the cold, liquid ORC fluid absorbs the heat of condensation.

Das im Zuge dieser Mischkondensation auftretende kalte ORC-Fluid kann abgeführt und für verschiedene Kühlungsaufgaben in der Anlage (z.B. Kühlen der Lager der Expansionsvorrichtung) verwendet werden.The cold ORC fluid that occurs during this co-condensation can be removed and used for various cooling tasks in the plant (e.g., cooling the bearings of the expansion device).

Die Aufgabe der Erfindung wird weiters mit einer eingangs erwähnten Mischkondensationsvorrichtung zur Verwendung in einer Abwärmenutzungsanlage wie oben beschrieben gelöst, wobei die Mischkondensationsvorrichtung zumindest einen Lagertank für flüssige Medien, zumindest einen Expansionsbehälter und zumindest einen Strahlverdichter, bestehend aus einem Saugraum und einer Mischdüse, umfasst, wobei der Expansionsbehälter zumindest eine Zuführleitung für dampfförmige Medien und zumindest eine Ansaugleitung aufweist und die Ansaugleitung mit dem Saugraum des Strahlverdichters verbunden ist und wobei der Lagertank mit dem Strahlverdichter und dem Expansionsbehälter verbunden ist und flüssige Medien nach dem Strahlverdichter über zumindest eine Abführleitung abführ-bar sind.The object of the invention is further achieved with an initially mentioned mixed condensation device for use in a waste heat recovery system as described above, wherein the mixed condensation device comprises at least one storage tank for liquid media, at least one expansion tank and at least one jet compressor consisting of a suction chamber and a mixing nozzle, wherein the expansion tank has at least one supply line for vaporous media and at least one suction line and the suction line is connected to the suction chamber of the jet compressor and wherein the storage tank is connected to the jet compressor and the expansion tank and liquid media after the jet compressor via at least one discharge line are laxative-bar.

In einer Variante der Erfindung weist der Strahl Verdichter einen Diffusor auf, der in Flussrichtung der Medien nach der Mischdüse angeordnet ist. Der Diffusor dient dazu, den Druck des aus der Mischdüse resultierenden flüssigen ORC-Fluids zu erhöhen.In a variant of the invention, the jet compressor on a diffuser, which is arranged in the flow direction of the media after the mixing nozzle. The diffuser serves to increase the pressure of the resulting from the mixing nozzle liquid ORC fluid.

In einer weiteren Variante der Erfindung ist weiters zumindest eine Lagerleitung vorgesehen, über die der Ausgang des Strahlverdichters mit dem Lagertank verbunden ist. Damit kann der Lager tank wieder befüllt werden.In a further variant of the invention, at least one bearing line is furthermore provided, via which the outlet of the jet compressor is connected to the storage tank. Thus, the storage tank can be refilled.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. In dieser zeigt schematisch:In the following the invention will be explained in more detail with reference to a non-limiting embodiment, which is illustrated in the drawing. In this shows schematically:

Fig. 1 eine Abwärmenutzungsanlage laut ORC gemäß dem Stand der Technik;Fig. 1 shows a waste heat recovery system according to ORC according to the prior art;

Fig. 2 eine Variante der Abwärmenutzungsanlage aus Fig. 1 nach dem Stand der Technik,2 shows a variant of the waste heat recovery system of FIG. 1 according to the prior art,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanlage, undFig. 3 shows a waste heat recovery system according to the invention, and

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Misch-Kondensationsvorrichtung.4 shows a mixed condensation device according to the invention.

In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Flussrichtungen in Leitungen sind mit Pfeilen gekennzeichnet.In the figures, identical or corresponding areas, components, component groups or method steps are identified by the same reference numerals. The flow directions in lines are marked with arrows.

Fig. 1 zeigt eine Abwärmenutzungsanlage 1 gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein ORC mit folgenden Komponenten: Arbeitsmittelpumpe 2 zur Verdichtung des im ORC zirkulierenden ORC-Fluides, Vorwärm-Wärmetauscher 3, Verdampfungs-Wärmetauscher 4, Überhitzungswärmetauscher 5, Expansionsvorrichtung 6 mit Generator 7 und Kondensationsvorrichtung 8. Bei der Expansionsvorrichtung 6 handelt es sich beispielweise um eine Gasturbine, die eine Hochdruck(HD)-Stufe 61 und eine Niederdruck(ND)-Stufe 62 aufweist.Fig. 1 shows a waste heat recovery system 1 according to the prior art. Shown is an ORC with the following components: Work fluid pump 2 for compressing the ORC fluid circulating in ORC, preheat heat exchanger 3, evaporative heat exchanger 4, superheat exchanger 5, expansion device 6 with generator 7 and condensation device 8. The expansion device 6 is, for example a gas turbine having a high pressure (HD) stage 61 and a low pressure (ND) stage 62.

Die Funktionsweise des dargestellten ORC ist prinzipiell bekannt: Die Arbeitsmittelpumpe 2 verdichtet das ORC-Fluid auf den zur zu erzielenden Verdampfungstemperatur gehörigen Verdampfungsdruck. Nach der Pumpe wird das ORC-Fluid in einem Vorwärm-Wärmetauscher 3 vorgewärmt. Dabei können Nieder- oder Hochtemperaturwärmeströme zum Einsatz kommen. Danach wird das ORC-Fluid durch einen Verdampfungs-Wärmetauscher 4 geführt, wo es verdampft wird. Als Wärmequelle dient die Prozesswärme bzw. Abwärme von vorgeschalteten Maschinen wie z.B. Verbrennungskraftmaschinen in Blockheizkraftwerken. Um sicherzugehen, dass das flüssige ORC'Fluid vollständig verdampft ist, wird danach noch ein Überhitzungs-Wärmetauscher 5 verwendet.The mode of operation of the illustrated ORC is known in principle: the working medium pump 2 compresses the ORC fluid to the vaporization pressure associated with the evaporation temperature to be achieved. After the pump, the ORC fluid is preheated in a preheat heat exchanger 3. Low or high temperature heat flows can be used here. Thereafter, the ORC fluid is passed through an evaporative heat exchanger 4 where it is vaporized. The heat source is the process heat or waste heat from upstream machines such as. Internal combustion engines in combined heat and power plants. To ensure that the liquid ORC fluid is completely vaporized, an overheat heat exchanger 5 is then used.

Anstelle eines Überhitzungs-Wärmetauschers 5 kann auch eine Abscheidevorrichtung wie eine Abscheideflasche 9 (im Folgenden wird immer nur der Begriff Abscheidcflasche verwendet - natürlich kann die Abscheidung auch durch andere Lösungen erfolgen) verwendet werden (strichliert dargestellt), um vor der Expansionsvorrichtung 6 bei unvollständiger Verdampfung das flüssige ORC-Fluid von dem dampfförmigen ORC-Fluid zu trennen. Das dabei anfallende flüssige ORC-Fluid wird über eine Entspannungsarmatur 10 dem flüssigen ORC-Fluid vor der Arbeitsmittelpumpe 2 zugeführt.Instead of an overheating heat exchanger 5, a separating device such as a separating bottle 9 (hereinafter always only the term Abscheidcflasche used - of course, the deposition can also be done by other solutions) can be used (shown in phantom), in front of the expansion device 6 in incomplete evaporation to separate the liquid ORC fluid from the vaporous ORC fluid. The resulting liquid ORC fluid is fed via a flash valve 10 to the liquid ORC fluid before the working fluid pump 2.

Abscheideflaschen 9 sind insbesondere für jene ORC-Fluide notwendig, deren maximale Verdampfungstemperatur unterhalb der Temperatur des kritischen Punkts liegt. In solchen Fällen empfiehlt es sich, den Überhitzungs Wärmetauscher 5 durch eine Abscheideflasche 9 zu ersetzen und den Sattdampf der Expansionsvorrichtung 6 zuzuleiten, während der flüssige Anteil des ORC-Fluids abgeleitet und wieder dem Kreislauf (bevorzugt vor der Arbeitsmittelpumpe 2) zugeführt werden kann. Die Abscheideflasche 9 trennt also dampfförmiges von flüssigem ORC-Fluid. Ihre Verwendung ist also insbesondere dann notwendig, wenn der transkritische Verdampfungsprozess in den vorgelagerten Wärmetauschern nicht vollständig abgeschlossen ist.Separator bottles 9 are particularly necessary for those ORC fluids whose maximum evaporation temperature is below the critical point temperature. In such cases, it is advisable to replace the overheating heat exchanger 5 by a separating bottle 9 and to feed the saturated steam of the expansion device 6, while the liquid portion of the ORC fluid derived and again the circuit (preferably before the working fluid pump 2) can be supplied. The separation bottle 9 thus separates vaporous from liquid ORC fluid. Their use is therefore particularly necessary if the trans-critical evaporation process in the upstream heat exchangers is not completely completed.

Die Abscheidung des flüssigen Fluids in der Abscheideflasche 9 ermöglicht den Schutz der Expansionsvorrichtung 6 vor Flüssigkeitsschlägen. Solche Flüssigkeitsschläge sind insbesondere bei Kolbenmaschinen unerwünscht, da sie den Expansionsprozess beeinträchtigen und die Maschine schädigen.The deposition of the liquid fluid in the separation bottle 9 allows the protection of the expansion device 6 from liquid hammer. Such liquid shocks are undesirable particularly in piston engines, as they affect the expansion process and damage the machine.

Nach der Verdampfung wird das ORC-Fluid der ExpansionsVorrichtung 6 zugeführt. Die Expansionsvorrichtung 6 kann bei Bedarf über eine Umgehungsarmatur 11 überbrückt werden (beispielsweise, wenn die Expansionsvorrichtung 6 nicht betriebsbereit ist, bzw. beim An- oder Abfahren der Vorrichtung) und das gasförmige ORC-Fluid wird direkt der Kondensationsvorrichtung 8 zugeführt. In der Kondensationsvorrichtung 8 gibt das ORC-Fluid die Kondensationswärme an einen Kühlkreislauf ab. Die Kondensationswärme kann dann beispielsweise einem Fernwärmenetz zugeführt werden,After evaporation, the ORC fluid is supplied to the expansion device 6. The expansion device 6 can be bypassed if necessary via a bypass fitting 11 (for example, when the expansion device 6 is not ready, or when starting or stopping the device) and the gaseous ORC fluid is fed directly to the condensation device 8. In the condensation device 8, the ORC fluid releases the heat of condensation to a cooling circuit. The heat of condensation can then be supplied, for example, to a district heating network,

Die Kondensationsvorrichtung 8 umfasst einen Kondensator 12, der mit einem eigenen Kühlkreislauf verbunden ist, bestehend aus einer Kühlkreislaufumwälzpumpe 13 und einem -9- PI 1925 • Rückkühlwärmctauscher 14, Der Rückkühlwärmetauscher 14 saugt Umgebungsluft an und lässt sie über die Wärmetauscheroberfläche strömen.The condensation device 8 comprises a condenser 12, which is connected to its own cooling circuit, consisting of a cooling circuit circulation pump 13 and a return heat exchanger 14, the recooling heat exchanger 14 sucks in ambient air and allows it to flow over the heat exchanger surface.

In der Kondensations Vorrichtung 8 kann alternativ auch der Kondensator 12 direkt durch den Rückkühlwärmetauscher 14 ersetzt werden. Der Rückkühlwärmetauscher 14 saugt dann die Luft an und die Kondensation des ORC-Fluids findet im Rückkühlwärmetauscher 14 statt. Diese Variante ist in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien dargestellt. Kondensator 12 und Kühlkreislaufumwälzpumpe 13 bleiben in dieser Variante ausgespart.Alternatively, in the condensation device 8, the condenser 12 can also be replaced directly by the re-cooling heat exchanger 14. The recooling heat exchanger 14 then sucks in the air and the condensation of the ORC fluid takes place in the recooling heat exchanger 14. This variant is shown in Fig. 1 with dash-dotted lines. Capacitor 12 and cooling circulation pump 13 remain recessed in this variant.

Das in der Kondensationsvorrichtung 8 verflüssigte ORC-Fluid wird wiederum der Arbeitsmittelpumpe 2 zugeführt und durchläuft erneut den ORC.The liquefied in the condensation device 8 ORC fluid is in turn supplied to the working fluid pump 2 and again passes through the ORC.

Wenn die Expansionsvorrichtung 6 einsatzbereit ist, wird die Umgehungsarmatur 11 geschlossen und ein der Expansionsvorrichtung 6 vorgelagertes Schnellschlussventil 15 (es können auch, wie in der Figur dargestellt, zwei Ventile vorgesehen sein) geöffnet. Das in Dampfform vorliegende ORC-Fluid wird dann über die Hochdruck(HD)-Stufe 61 und die Niederdruck(ND)-Stufe 62 der Expansionsvorrichtung 6 entspannt und treibt dabei einen Generator 7 an, der direkt an die Expansionsvorrichtung 6 gekoppelt ist. Die so gewonnene elektrische Leistung wird mit einem Frequenzumrichter 16 in bekannter Weise auf die Netzfrequenz umgewandelt.When the expansion device 6 is ready for use, the bypass fitting 11 is closed and a fast closing valve 15 upstream of the expansion device 6 (two valves can also be provided, as shown in the figure). The vaporized ORC fluid is then expanded via the high pressure (HD) stage 61 and low pressure (ND) stage 62 of the expansion device 6, thereby driving a generator 7 coupled directly to the expansion device 6. The electrical power thus obtained is converted by a frequency converter 16 in a known manner to the mains frequency.

Fig. 2 zeigt eine Variante des in Fig. 1 dargcstellten ORC in Form einer Kreislaufschaltung, bei der zusätzlich ein Recuperator-Wärmetauscher 17 verwendet wird. Der Recuperator-Wärmetauscher 17 hat die Aufgabe, die vorhandene Wärme des in der Expansionsvorrichtung 6 entspannten, aber noch dampfförmigen ORC-Fluids an das mit der Arbeitsmittelpumpe 2 verdichtete flüssige ORC-Fluid zu übertragen. Damit ermöglicht der Recuperator-Wärmespeicher 17 die Nutzung der nach dem Entspannungsprozess anfallenden Wärme auf der Kreislaufscite nach Verdichtung durch die Arbeitsmittelpumpe 2.FIG. 2 shows a variant of the ORC shown in FIG. 1 in the form of a circulation circuit in which a recuperator heat exchanger 17 is additionally used. The purpose of the recuperator heat exchanger 17 is to transfer the existing heat of the expanded in the expansion device 6, but still vaporous ORC fluid to the compressed with the working fluid pump 2 liquid ORC fluid. Thus, the recuperator heat storage 17 allows the use of the resulting heat after the relaxation process on the Kreislaufscite after compression by the working fluid pump. 2

Ein solcher Recuperator-Wärmetauscher 17 ist von Vorteil, um den elektrischen Wirkungsgrad der Vorrichtung zu steigern. Das gilt insbesondere bei der Verwendung von CO2 als ORC-Fluid.Such a recuperator heat exchanger 17 is advantageous in order to increase the electrical efficiency of the device. This is especially true when using CO2 as ORC fluid.

Nach dem Recuperator-Wärmetauscher 17 wird das so erwärmte ORC-Fluid wieder einem Vorwärm-Wärmetauscher 3 zugeführt. In der Regel ist dieser Vorwärm-Wärmetauscher 3 ein Wärmetauscher, der Wärmeströme mit sehr geringer Exergie nützt. Wärmeströme geringer Exergie stehen in den meisten Abwärmenutzungsanlagen in sehr großer Menge zur -10- P] 1925After the recuperator heat exchanger 17, the thus heated ORC fluid is fed back to a preheat heat exchanger 3. In general, this preheat heat exchanger 3 is a heat exchanger that uses heat flows with very little exergy. Heat flows of low exergy are available in most waste heat recovery systems in very large quantities to -10- P] 1925

Verfügung. Schwieriger ist die Versorgung mit Wärmeströmen hoher Exergie - diese stehen nur in geringen Mengen zur Verfügung.Available. More difficult is the supply of heat flows of high exergy - these are available only in small quantities.

Verdampfungs- 4 und Überhitzungs-Wärmetauscher 5 sind daher von dem Vorwärm-Wärmetauscher 3 entkoppelt. Wie schon in der in Fig. 1 dargestellten Variante kann auch hier eine Abscheideflasche 9 (strichlierte Linien) verwendet werden, wenn kein Überhitzungs-Wärmetauscher 5 zur Anwendung kommt. Das flüssige ORC-Fluid kann wieder über eine Entspannungsarmatur 10 entspannt und dem Kreislauf über den Recuperator-Wärmetauscher 17 zugeführt werden, während der dampfförmige Teil des ORC-Fluids als Sattdampf der Expansionsvorrichtung 6 zugeführt wird.Evaporation 4 and superheat heat exchangers 5 are therefore decoupled from the preheat heat exchanger 3. As in the variant illustrated in FIG. 1, a separating bottle 9 (dashed lines) can also be used here if no superheated heat exchanger 5 is used. The liquid ORC fluid can be relieved again via an expansion valve 10 and fed to the circuit via the recuperator heat exchanger 17, while the vaporous part of the ORC fluid is fed to the expansion device 6 as saturated steam.

Das gasförmige ORC-Fluid kann nach der Überhitzung im Überhitzungswärmetauscher 5 (bzw. nach der Abscheideflasche 9) wieder über eine Umgehungsarmatur 11 an der Expansionsvorrichtung 6 vorbei direkt zur Kondensationsvorrichtung 8 geführt werden oder über das Schnellschlussventil 15 der HD- 61 und ND-Stufe 62 der Expansionsvorrichtung 6 zugeführt werden.After the overheating in the superheating heat exchanger 5 (or after the separating bottle 9), the gaseous ORC fluid can again be passed via a bypass fitting 11 past the expansion device 6 directly to the condensation device 8 or via the quick-closing valve 15 of the HD 61 and LP stage 62 the expansion device 6 are supplied.

Die ExpansionsVorrichtung 6 ist wieder direkt an einen Generator 7 (synchron oder asynchron) gekoppelt und erzeugt über einen Frequenzumrichter 16 in bekannter Weise elektrische Leistung mit entsprechender Netzfrequenz.The expansion device 6 is again directly coupled to a generator 7 (synchronous or asynchronous) and generates via a frequency converter 16 in a known manner electrical power with appropriate network frequency.

Nach dem Entspannen erfolgt die Verflüssigung in der Kondensationsvorrichtung 8. Diese Vorrichtung besteht wieder aus einer Umwälzpumpe 13, einem Rückkühlwärmetauscher 14 mit Zwangskonvektion und einem Kondensator 12, in dem das gasförmige entspannte ORC-Fluid kondensiert wird. Luft wird angesaugt und über die Oberfläche des Rückkühlwärme-tauschers 14 geblasen. Alternativ kann so wie in Fig. 1 statt dem Kondensator 12 auch direkt der Rückkühlwärmetauscher 14 als Kondensator verwendet werden.After decompression, the liquefaction takes place in the condensation device 8. This device again consists of a circulating pump 13, a forced-circulation heat exchanger 14 with forced convection and a condenser 12, in which the gaseous expanded ORC fluid is condensed. Air is drawn in and blown over the surface of the recooling heat exchanger 14. Alternatively, as in FIG. 1, instead of the condenser 12, the recooling heat exchanger 14 can also be used directly as a condenser.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Kreisläufe gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Die Kreisprozesse sind den Eigenschaften von Wasser (bzw. dem Wasser-Dampfprozess) nachempfunden und ungeeignet für andere ORC-Fluids wie beispielsweise CO2 (R744, bzw. Kohlendioxid). Bei Verwendung von R744 für solche Kreisläufe werden nur Wirkungsgrade von etwa 10 Prozent elektrisch erreicht.However, the circuits according to the prior art illustrated in FIGS. 1 and 2 have considerable disadvantages. The cycle processes are modeled on the properties of water (or the water-steam process) and are unsuitable for other ORC fluids such as CO2 (R744, or carbon dioxide). When using R744 for such circuits, only efficiencies of about 10 percent are achieved electrically.

Ursache dafür sind insbesondere das kleine Zweiphasengebiet im Zustandsdiagramm und die niedrige kritische Temperatur von CO2 im Vergleich zu Wasser. Im Gegensatz zu Wasser ist CO2 bei Raumtemperatur von 25°C nur dann flüssig, wenn es unter einem Druck von mindestens 64 bar gehalten wird. Bei Umgebungsdruck von etwa 101325 Pa (=1,01 bar) und -11- einer Umgebungstemperatur von 25°C (=298,15°K) ist CO2 dampfförmig. Weiters unterscheidet sich CO2 von Wasser durch die geringen Dichten (Volumina) bei höheren Drücken und geringe Dichteänderungen (Volumensänderungen) bei Expansionsverläufen im dampfförmigen Zustand. Diese Eigenschaften sind aber besonders bei Expansionsvorrichtung und weiteren Komponenten von ORCs wie Armaturen und Wärmetauschern von Bedeutung.This is due in particular to the small two-phase region in the state diagram and the low critical temperature of CO2 compared to water. In contrast to water, CO2 is only liquid at room temperature of 25 ° C if it is kept under a pressure of at least 64 bar. At ambient pressure of about 101325 Pa (= 1.01 bar) and -11- an ambient temperature of 25 ° C (= 298.15 ° K), CO2 is vaporous. Furthermore, CO2 differs from water due to the low densities (volumes) at higher pressures and low density changes (volume changes) in expansion processes in the vapor state. However, these properties are particularly important in the expansion device and other components of ORCs such as valves and heat exchangers.

Fig. 3 zeigt nun eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanlage 31 als Kombination zweier ORC-Kreisläufe, nämlich eines ersten Kreislaufs, der als Hochtemperatur-Kreislauf (HT-ORC-Kreislauf) 42 geführt wird, und eines zweiten Kreislaufs, der als Niedertemperatur-Kreislauf (NT-ORC-Kreislauf) 43 geführt wird. Durch diese Kombination lassen sich unterschiedliche Wärmepotentiale mit hoher Flexibilität und sehr hohem Wirkungsgrad nutzen.3 shows a waste heat utilization system 31 according to the invention as a combination of two ORC circuits, namely a first circuit, which is guided as a high-temperature circuit (HT-ORC circuit) 42, and a second circuit, which is a low-temperature circuit (NTC). ORC cycle) 43 is guided. This combination makes it possible to use different heat potentials with high flexibility and very high efficiency.

In den meisten Abwärmeprozessen fallen unterschiedliche Wärmepotentiale an. Die Temperaturen und der Wärmestrom eines Wärmepotentials legen den maximal erreichbaren Massenstrom des ORC-Fluids im jeweiligen Kreislauf fest. Durch die Temperatur des anfallenden Wärmestroms wird beispielsweise die maximale Verdampfungstemperatur des ORC-Fluids im HT-ORC-Kreislauf festgelegt.In most waste heat processes different heat potentials occur. The temperatures and the heat flow of a heat potential determine the maximum achievable mass flow of the ORC fluid in the respective circuit. By the temperature of the resulting heat flow, for example, the maximum evaporation temperature of the ORC fluid is set in the HT-ORC cycle.

Die beiden Kreisläufe können grundsätzlich getrennt oder gemeinsam betrieben werden. Im Ausführungsbeispiel in Fig. 3 sind die beiden ORC-Kreisläufe über eine Expansionsvorrichtung 36 miteinander gekoppelt. Die Expansionsvorrichtung 36 umfasst eine Hoch-druck(HD)-Stufe 361 für das dampfförmige ORC-Fluid des HT-ORC-Kreislaufes 42 und eine Niederdruck(ND)-Stufe 362 für den NT-ORC-Kreislauf 43. Der HT-ORC-Kreislauf 42 ist in Fig. 3 mit strichlierten Linien dargestellt, während der NT-ORC-Kreislauf 43 mit punktierten Linien dargestellt ist.The two circuits can basically be operated separately or together. In the exemplary embodiment in FIG. 3, the two ORC circuits are coupled to one another via an expansion device 36. The expansion device 36 comprises a high-pressure (HD) stage 361 for the vaporous ORC fluid of the HT-ORC circuit 42 and a low-pressure (ND) stage 362 for the NT-ORC circuit 43. The HT-ORC Circuit 42 is shown in Fig. 3 with dashed lines, while the NT-ORC circuit 43 is shown in dotted lines.

Der HT-ORC-Kreislauf 42 umfasst neben einer HT-Arbeitsmittelpumpe 32 einen HT-Vorwärm-Wärmetauscher 33, einen HT-Verdampfungs-Wärmetauscher 34 und einen HT-Überhitzungswärmetauscher 35. Die HT-Arbeitsmittelpumpe 32 bringt das ORC-Fluid auf den für den HT-ORC-Kreislauf benötigten höheren Verdampfungsdruck. Da Verdampfungsdruck und Verdampfungstemperatur im Zweiphasengebiet des ORC-Fluids thermodynamisch gekoppelt sind, resultiert aus einem höheren Verdampfungsdruck eine höhere Verdampfungstemperatur. Das entspricht dem höheren Temperatumiveau des zugeführten Hochtemperatur(HT)-WärmestromsQ-HT.The HT-ORC cycle 42 comprises, in addition to an HT working fluid pump 32, an HT preheating heat exchanger 33, a HT evaporating heat exchanger 34 and an HT superheating heat exchanger 35. The HT working fluid pump 32 brings the ORC fluid to the for HT-ORC cycle needed higher evaporation pressure. Since vaporization pressure and vaporization temperature are thermodynamically coupled in the two-phase region of the ORC fluid, a higher vaporization pressure results in a higher vaporization temperature. This corresponds to the higher temperature level of the supplied high-temperature (HT) heat flow Q-HT.

Der NT-ORC-Kreislauf 43 umfasst eine NT-Arbeitsmittelpumpe 32' (die ein für den NT-ORC-Kreislauf 43 geeignetes niedrigeres Druckniveau erzeugt, wodurch auch die Verdamp- - 12- ## «·· «·*· 94« «· «· PI1925 fungstemperatur geringer ist), einen NT-Vorwärm-Wärmetauscher 33', einen NT-Verdampfungs-Wärmetauscher 34' und einen NT-Überhitzungswärmetauscher 35'.The NT-ORC circuit 43 includes an NT work fluid pump 32 '(which produces a lower pressure level suitable for the NT-ORC circuit 43, which also reduces the evaporation rate.) 12- ## «··« · * · 94 «« Is lower, an NT preheat heat exchanger 33 ', an NT evaporative heat exchanger 34' and an NT superheat heat exchanger 35 '.

Anstatt der oder zusätzlich zu den Überhitzungswärmetauschern 35, 35' können entsprechende Abscheideflaschen 39, 39' vorgesehen sein, aus denen über entsprechende Entspannungsarmaturen 310, 310' das flüssig gebliebene ORC-Fluid abgelassen und dem Kreislauf wieder zugeführt werden kann.Instead of or in addition to the superheat heat exchangers 35, 35 'can be provided corresponding Abscheideflaschen 39, 39', from which via appropriate expansion fittings 310, 310 ', the liquid remaining ORC fluid can be drained and recycled to the circuit.

Abscheideflaschen 39, 39' sind insbesondere beim Anfahren und Herunterfahren der Anlage von Vorteil und allgemein in Situationen, bei denen in den Verdampfungs-Wärmetauschern 34, 34' keine vollständige Verdampfung erreicht wird und ein Mehrphasengemisch anfällt, in dem flüssiges und gasförmiges ORC-Fluid enthalten sind.Separator bottles 39, 39 'are particularly advantageous during startup and shutdown of the plant and generally in situations where complete evaporation is not achieved in the evaporative heat exchangers 34, 34' and a multiphase mixture is obtained containing liquid and gaseous ORC fluid are.

Der Sattdampf wird im nachfolgendem Überhitzungs-Wärmetauscher 35, 35' auf eine Temperatur gebracht die höher ist als die Verdampfungstemperatur des jeweiligen ORC-Fluids. Diese Bauform hat den Vorteil auch bei sehr hohen Verdampfungsdrücken einsetzbar zu sein.The saturated steam is brought in the subsequent superheat heat exchanger 35, 35 'to a temperature which is higher than the evaporation temperature of the respective ORC fluid. This design has the advantage to be used even at very high evaporation pressures.

Bei Verwendung eines Zwangsumlaufverdampfers (in den Figuren nicht dargestellt), bei dem der Überhitzungs-Wärmetauscher der Abscheideflasche nachgeordnet ist, wird aus der Abscheideflasche eine Dampftrommel, aus der der Sattdampf entnommen und dann überhitzt wird. Der Zwangsumlaufverdampfer ist ein Trommelverdampfer, in dem das flüssige vorgewärmte ORC-Fluid verdampft wird; dabei wird die Wärme über eine Rohrbündelschlange zugeführt. Am oberen Ende des Trommelverdampfers wird dann der Sattdampf entnommen und dem Überhitzungs-Wärmetauscher zugeführt. Der Nachteil eines solchen Trommelverdampfer ist, dass der Verdampfungsdruck auf geringere Drücke limitiert ist.When using a forced circulation evaporator (not shown in the figures), in which the superheat heat exchanger is arranged downstream of the separating bottle, the separating bottle becomes a steam drum, from which the saturated steam is removed and then overheated. The forced circulation evaporator is a drum evaporator in which the liquid preheated ORC fluid is evaporated; The heat is supplied via a tube bundle coil. At the upper end of the drum evaporator then the saturated steam is removed and fed to the superheat heat exchanger. The disadvantage of such a drum evaporator is that the evaporation pressure is limited to lower pressures.

Da Niedertemperatur(NZ)-Wärmeströme Q-NT bei Anwendungen des erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanlage zumeist in größeren Mengen vorhanden sind, wird dieser Wärmestrom auf den H l -Vorwärm-Wärmetauscher 33, den NT-Vorwärm-Wärmetauscher 33', den NT-Verdampfungs-Wärmetauscher 34' und den NT-Überhitzungswärmetauscher 35' aufgeteilt.Since low-temperature (NZ) heat flows Q-NT are usually present in larger quantities in applications of the waste heat recovery system according to the invention, this heat flow to the H l preheat heat exchanger 33, the NT preheat heat exchanger 33 ', the NT evaporative heat exchanger 34 'and the NT superheat heat exchanger 35' divided.

Ein Teil des Niedertemperatur(NT)-Wärmestroms Q-NT wird also im HT-Vorwärm-Wärmetauscher 33 verwendet, um das ORC-Fluid für den HT-ORC-Kreislauf 42 vorzuwärmen. Damit lässt sich der Wirkungsgrad der Anlage steigern. Der Rest der Niedertempera-tur(NT)-Wärme Q-NT wird für den NT-ORC-Kreislauf 43 verwendet, um bei einem niedrigeren Druck ORC-Fluid zu verdampfen. -13-Part of the low temperature (NT) heat flow Q-NT is thus used in the HT preheat heat exchanger 33 to preheat the ORC fluid for the HT-ORC cycle 42. This can increase the efficiency of the system. The remainder of the low temperature (NT) heat Q-NT is used for the NT-ORC cycle 43 to vaporize ORC fluid at a lower pressure. -13-

Der HT- 42 und der NT-ORC-Kreislauf 43 können unter Verwendung einer HT- 311 bzw. NT-Umgehungsarmatur 311' entspannt werden, wobei die Expansionsvorrichtung 36 überbrückt wird. Damit wird also ein Betrieb der Kreisläufe ohne Expansionsvorrichtung 36 ermöglicht, um nach dem Abschalten und vor dem Anfahren das dampfförmige ORC-Fluid an der Expansionsvorrichtung 36 vorbeizuführen. Dabei wird also im Wesentlichen nur in der Kondensationsvorrichtung 38 Wärme an die Umgebung (z.B. an ein Femwärmenetzes) abgegeben und keine elektrische Energie erzeugt.The HT-42 and the NT-ORC circuit 43 can be relaxed using a HT-311 or NT bypass fitting 311 ', with the expansion device 36 being bridged. Thus, an operation of the circuits without expansion device 36 is made possible to pass after the shutdown and before starting the vaporous ORC fluid to the expansion device 36. In this case, heat is essentially released into the environment (for example, to a heating network) only in the condensation device 38 and no electrical energy is generated.

Wenn die Expansionsvorrichtung 36 verwendet werden soll, tritt das dampfförmige ORC-Fluid aus dem HT-ORC-Kreislauf 42 über das HT-Schnellschlussventil 315 in die HD-Stufe 361 der Expansionsvorrichtung 36 ein. Das Fluid aus dem NT-ORC-Kreislauf 43 tritt über das NT-Schnellschlussventil 315' in die ND-Stufe 362 der Expansionsvorrichtung 36 ein. Die HD-Stufe 361 der Expansionsvorrichtung 36 ist also dem HT-ORC-Kreislauf 42 zugeordnet, während die ND-Stufe 362 der Expansionsvorrichtung 36 dem NT-ORC-Kreislauf 43 zugeordnet ist.When the expansion device 36 is to be used, the vapor ORC fluid from the HT-ORC circuit 42 enters the HP stage 361 of the expansion device 36 via the HT quick-acting valve 315. The fluid from the NT-ORC circuit 43 enters the LP stage 362 of the expansion device 36 via the NT quick-acting valve 315 '. The HD stage 361 of the expansion device 36 is thus associated with the HT-ORC circuit 42, while the ND stage 362 of the expansion device 36 is associated with the NT-ORC circuit 43.

Die Expansionsvorrichtung 36 ist direkt mit einem Generator 37 gekoppelt, die resultierende elektrische Leistung wird mit dem Frequenzumrichtcr 316 auf die Netzfrequenz transformiert.The expansion device 36 is coupled directly to a generator 37, the resulting electrical power is transformed with the Frequenzumrichtcr 316 to the mains frequency.

Das entspannte (aber noch immer gas- bzw. dampfförmige) ORC-Fluid aus HT- und NT-ORC-Kreislauf 43 wird nach der Expansionsvorrichtung zusammengeführt und in einem Recuperator-Wärmetauscher 317 wärmetechnisch dahingehend genützt, dass es das den Kreisläufen nach der Kondensationsvorrichtung 38 neu zugeführte (flüssige) ORC-Fluid vorwärmt.The expanded (but still gaseous or vaporous) ORC fluid from HT and NT-ORC cycle 43 is combined after the expansion device and used in a recuperator heat exchanger 317 thermally in such a way that it the circuits after the condensation device 38th newly supplied (liquid) ORC fluid preheats.

Danach folgt in der Kondensationsvorrichtung 38 die Kondensation des gasförmigen ORC-Fluids mittels klassischer Kontaktkondensation (mittels Rückkühlkondensator bzw. -Wärmetauscher 314; siehe dazu auch die Erläuterungen zu Fig. 1). Durch die gemeinsame Kondensationsvorrichtung 38 für Top- und NT-ORC-Kreislauf 43 expandieren also beide Kreisläufe auf ein gemeinsames Kondensatordruckniveau, das von der Kondensationsvorrichtung 38 (Misch- oder Kontaktkondensation) festgelegt wird.This is followed in the condensation device 38 by the condensation of the gaseous ORC fluid by means of classical contact condensation (by means of recooling condenser or heat exchanger 314, see also the explanations regarding FIG. By virtue of the common condensation device 38 for top and NT ORC circuit 43, both circuits therefore expand to a common condenser pressure level which is determined by the condensation device 38 (mixed or contact condensation).

Das kondensierte flüssige ORC-Fluid wird dann über den Recuperator-Wärmetauscher 317 geführt und mittels der HT- 32 und NT-Arbeitsmittelpumpe 32' verdichtet und dem jeweiligen ORC-Kreislauf zugeführt. -14-The condensed liquid ORC fluid is then passed over the recuperator heat exchanger 317 and compressed by the HT-32 and NT working fluid pump 32 'and supplied to the respective ORC circuit. -14-

Die Kondensationsvorrichtung 38 ist beispielsweise als Kombination aus elektrisch betriebenen Ventilatoren mit einem Wärmetauscher technisch realisierbar. Nachteilig daran ist, dass ein Großteil der im ORC-Prozess eingesetzten Verdampfungswärme im Rahmen der Kondensation als Kondensationswärme an die Umgebung abgegeben werden muss, um das ORC-Fluid zu verflüssigen. Allerdings ist es aber möglich, diese Wärme zu nutzen, z.B. durch Anbindung eines Fernwärmenetzes. Daher ist diese Lösung der Kontaktkondensation bei großen Kondensationsanlagen durchaus realisierbar.The condensation device 38 is technically feasible, for example, as a combination of electrically operated fans with a heat exchanger. The disadvantage of this is that a large part of the heat of vaporization used in the ORC process must be released as condensation heat to the environment in the context of condensation in order to liquefy the ORC fluid. However, it is possible to use this heat, e.g. by connecting a district heating network. Therefore, this solution of contact condensation in large condensation plants is quite feasible.

Das zu kondensierende, dampfförmige ORC-Fluid wird in einen Kondensator 312 geleitet, der von einem separaten Kühlkreislauf mit einer Kühlkreislaufumwälzpumpe 313 und einem Rückkühlwärmetauscher 314 beschickt wird. Die Kühlkreislaufumwälzpumpe 313 saugt Luft an und lässt sie über die Kondensatoroberfläche 312 strömen, wodurch das ORC-Fluid kondensiert wird. Die Kondensationswärme wird dann über den Rückkühlwärmetauscher 314 abgegeben.The vaporous ORC fluid to be condensed is passed into a condenser 312, which is fed by a separate cooling circuit with a cooling circuit circulation pump 313 and a recooling heat exchanger 314. The refrigeration cycle circulation pump 313 sucks air and allows it to flow across the condenser surface 312, thereby condensing the ORC fluid. The heat of condensation is then released via the recooling heat exchanger 314.

Alternativ können Kondensator 312 und Kühlkreislaufumwälzpumpe 313 weggelassen werden und die Kondensation des ORC-Fluids findet direkt im Rückkühlwärmetauscher 314 statt (diese Variante ist in Fig. 3 mit strichpunktierten Linien dargestellt).Alternatively, condenser 312 and cooling circulation pump 313 may be omitted and the condensation of the ORC fluid takes place directly in the recooling heat exchanger 314 (this variant is shown in phantom in FIG. 3).

Die Kontaktkondensation lässt sich zwar einfach realisieren, hat aber nur geringe Wirkungsgrade und ist stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Daher kann cs zu Schwankungen der Leistungseffizienz und des Wirkungsgrades kommen.Although the contact condensation can be realized easily, but has only low efficiencies and is highly dependent on the ambient temperature. Therefore, cs may experience variations in power efficiency and efficiency.

Die Kondensationsvorrichtung 38 ist in Fig. 3 von einem punktiert gezeichneten Rechteck umgeben. Anstatt der Vorrichtung in dem Rechteck kann auch das Verfahren der Mischkondensation verwendet werden. Die entsprechende Mischkondensationsvorrichtung (siehe dazu Fig. 4 und die zugehörigen Erläuterungen) ersetzt dann die in dem Rechteck angeordneten Komponenten. Diese Mischkondensation kann besonders bei kleineren ORC-Leistungen und Anlagen günstig verwendet werden.The condensation device 38 is surrounded in Fig. 3 by a dotted drawn rectangle. Instead of the device in the rectangle, the method of mixed condensation can also be used. The corresponding mixed condensation device (see FIG. 4 and the associated explanations) then replaces the components arranged in the rectangle. This mixed condensation can be used favorably, especially for smaller ORC capacities and plants.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Mischkondensation, die natürlich auch in ORCs gemäß dem Stand der Technik (Fig, 1 und 2) eingesetzt werden kann. Zur Erklärung der Funktion wird die Verwendung von Kohlendioxid als ORC-Fluid angenommen. Grundsätzlich sind mit entsprechenden Adaptierungen auch andere ORC-Fluids verwendbar.4 shows the mixed condensation according to the invention, which of course can also be used in ORCs according to the prior art (FIGS. 1 and 2). To explain the function, the use of carbon dioxide as ORC fluid is assumed. In principle, other ORC fluids can also be used with corresponding adaptations.

Bei der Mischkondensation wird das zu kondensierende ORC-Fluid mit flüssigem ORC-Fluid gemischt und kondensiert. Die Kondensationswärme wird auf das ORC-Fluid übertragen und steht somit den ORC-Kreisläufen teilweise oder ganz zur Nutzung zur Verfügung. P11925 P11925 • * « I • · * » $ Φ ·· • Μ · *· ··In the mixed condensation, the ORC fluid to be condensed is mixed with liquid ORC fluid and condensed. The heat of condensation is transferred to the ORC fluid and is thus available to ORC circuits partially or completely for use. P11925 P11925 • * «I • · *» $ Φ ·· • Μ · * · ··

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Das Verfahren nützt den physikalischen Effekt der Erwärmung des flüssigen Kontaktfluids aus. Durch die Kondensation wird die Kondensationswärme auf das flüssige ORC-Fluid übertragen.The process utilizes the physical effect of heating the liquid contact fluid. The condensation transfers the heat of condensation to the liquid ORC fluid.

Der Mischkondensator 18 in Fig. 4 umfasst einen Lagertank 19, in dem flüssiges ORC-Fluid gelagert wird. Je nach benötigter Temperatur ist eine externe Kühlung 20 vorzusehen. Eine solche externe Kühlung 20 ist insbesondere dann notwendig, wenn die Temperatur, bei der das ORC-Fluid flüssig ist und die also im Lagertank 19 vorliegen muss, um das ORC-Fluid flüssig zu halten, niedriger ist als die herrschende Umgebungstemperatur. In einem solchen Fall nehmen nämlich Tank und ORC-Fluid trotz Isolation Wärme von der Umgebung auf und das ORC-Fluid kann ausdampfen.The mixing condenser 18 in Fig. 4 comprises a storage tank 19 in which liquid ORC fluid is stored. Depending on the required temperature an external cooling 20 is provided. Such an external cooling 20 is particularly necessary if the temperature at which the ORC fluid is liquid and which must therefore be present in the storage tank 19 in order to keep the ORC fluid liquid is lower than the prevailing ambient temperature. In such a case, tank and ORC fluid absorb heat from the environment despite isolation and the ORC fluid can evaporate.

Bei Kohlendioxid als ORC-Fluid ist beispielsweise eine Temperatur von 10°C anzustreben. Als externe Kühlung 20 kann beispielsweise ein Kaltwassersatz gemäß allgemeinem Fachwissen verwendet werden. Der Kaltwassersatz kann in bekannter Weise über das Erdreich oder aus dem Grundwasser gekühlt werden, oder mit einer Kombination aus einem Kälte-und Wasserkreislauf.When carbon dioxide as ORC fluid, for example, a temperature of 10 ° C is desirable. As external cooling 20, for example, a chiller can be used in accordance with general expertise. The chiller can be cooled in a known manner via the soil or from the groundwater, or with a combination of a cooling and water cycle.

Das Kohlendioxid wird bei einem Druck von etwa 64 bar gelagert. Das Volumen des flüssigen Kohlendioxids ist ein Speichervolumen und Ausgangspunkt für die Umsetzung der Mischkondensation.The carbon dioxide is stored at a pressure of about 64 bar. The volume of liquid carbon dioxide is a storage volume and starting point for the implementation of the mixed condensation.

Eine Mischkondensatorpumpe 21 saugt das flüssige ORC-Fluid an und verdichtet es auf 70 bar. Über die Expansionsbehälterarmatur 22 wird das flüssige ORC-Fluid in den Expansionsbehälter 23 auf einen niedrigeren Druck expandiert bzw. entspannt. Dabei verdampft ein Teil des ORC-Fluids, der andere Teil bleibt flüssig und kühlt durch Entzug der Verdampfungswärme ab. Der Flüssigkeit wird so viel Wärme entzogen wie der verdampfte Anteil zum Verdampfen benötigt {Verdampfungsenthalpie). Im Expansionsbehälter 23 sammeln sich also flüssiges kaltes ORC-Fluid und dampfförmiges ORC-Fluid. Dem Expansionsbehälter 23 kann weiters dampfförmiges ORC-Fluid nach Entspannung in der Expansionsvorrichtung 36 bzw. Durchlaufen des Recuperator-Wärmetauschers 317 (siehe Fig. 3) zugeführt werden.A mixed condenser pump 21 draws in the liquid ORC fluid and compresses it to 70 bar. Via the expansion tank fitting 22, the liquid ORC fluid is expanded or expanded into the expansion tank 23 to a lower pressure. One part of the ORC fluid evaporates, the other part remains liquid and cools by removing the heat of vaporization. The liquid is extracted as much heat as the vaporized portion needed for evaporation {enthalpy of vaporization). In the expansion tank 23, therefore, liquid cold ORC fluid and vaporous ORC fluid collect. The expansion vessel 23 may further be supplied with vaporous ORC fluid after expansion in the expansion device 36 or through the recuperator heat exchanger 317 (see FIG. 3).

Um ein Ansteigen des Dampfdrucks im Expansionsbehälter 23 zu verhindern wird dampfförmiges ORC-Fluid durch eine Ansaugleitung 24 abgesaugt und einem Strahlverdichter 25 zugeführt, der als Flüssigkeitsstrahlpumpe fungiert. Der Strahlverdichter 25 umfasst einen Saugraum 26, eine Mischdüse 27 und einen Diffusor 29. Neben dem dampfförmigen ORC-In order to prevent an increase in the vapor pressure in the expansion tank 23 vaporous ORC fluid is sucked through a suction line 24 and fed to a jet compressor 25, which acts as a liquid jet pump. The jet compressor 25 comprises a suction chamber 26, a mixing nozzle 27 and a diffuser 29. In addition to the vaporous ORC

Fluid aus dem Expansionsbehälter 23 wird dem Strahlverdichter 25 über die Strahlverdichterarmatur 28 flüssiges ORC-Fluid aus dem Lagertank 19 zugeführt.Fluid from the expansion tank 23 is supplied to the jet compressor 25 via the jet compressor fitting 28 liquid ORC fluid from the storage tank 19.

Durch Einleiten von flüssigem ORC-Fluid in den Strahlverdichter 25 wird das dampfförmige ORC-Fluid in den Saugraum 26 angesaugt (physikalischer Effekt der Schleppwirkung) und weiter in die Mischdüse 27 geleitet. Dort kommt es zu einer Durchmischung des flüssigen und des dampfförmigen ORC-Fluids und es findet Mischkondensation statt.By introducing liquid ORC fluid into the jet compressor 25, the vaporous ORC fluid is sucked into the suction chamber 26 (physical effect of the dragging action) and passed further into the mixing nozzle 27. There it comes to a thorough mixing of the liquid and the vaporous ORC fluid and there is a mixed condensation.

Damit es in der Mischdüse 27 zu keinem Ausdampfen des flüssigen ORC-Fluids kommt ist der umlaufende Massenstrom (und besonders der Anteil an flüssigem, kalten ORC-Fluid) maximal hoch, so dass die im Kondensat der Mischkondensation erreichte Temperatur noch immer kleiner ist als die zum lokalen Druck im Strahlverdichter 25 gehörige Dampftemperatur des Kondensats.So that there is no evaporation of the liquid ORC fluid in the mixing nozzle 27, the circulating mass flow (and in particular the proportion of liquid, cold ORC fluid) is maximally high, so that the temperature reached in the condensate of the mixed condensation is still lower than that to the local pressure in the jet compressor 25 associated steam temperature of the condensate.

Die zu kondensierende Dampfmenge und die Vorlauftemperatur des flüssigen ORC-Fluids vor dem Strahlverdichter 25 legen den umlaufenden flüssigen Fluidstrom fest, ln der Auslegung beträgt das Verhältnis bevorzugt 1:3, also rund 25 Prozent des gasförmigen ORC-Fluids können mit flüssigem ORC-Fluid verflüssigt (kondensiert) werden. Der umlaufende Massenstrom muss also rund 3-fach größer sein als der anfallende ORC-Fluid-Dampfmassenstrom.The amount of vapor to be condensed and the flow temperature of the liquid ORC fluid in front of the jet compressor 25 determine the circulating liquid fluid flow. In the design, the ratio is preferably 1: 3, ie about 25 percent of the gaseous ORC fluid can be liquefied with liquid ORC fluid (condensed). The circulating mass flow must therefore be about 3 times greater than the accumulating ORC fluid steam mass flow.

Anschließend an die Mischdüse 27 ist zur Verdichtung ein Diffusor 29 angeordnet, der die Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt und den Gas- bzw, Flüssigkeitsdruck erhöht. Dabei wird ein Druck erreicht der höher ist als der Druck im Lagertank 19.Subsequent to the mixing nozzle 27, a diffuser 29 is arranged for compression, which slows down the flow velocity and increases the gas or liquid pressure. In this case, a pressure is reached which is higher than the pressure in the storage tank 19th

Das so verflüssigte ORC-Fluid wird zum Teil über eine Lagerleitung 30 in den Lagertank 19 rückgeführt. Dazu muss der durch den Diffusor 29 erreichte Druck höher sein als der Druck im Lagertank 19, sodass nach Überwindung der Druckverluste und der geodätischen Höhe das ORC-Fluid in den Lagertank 19 verbracht werden kann. Der Rest des ORC-Fluids wird wieder dem ORC (bzw. HT- 42 und NT-ORC-Kreislauf 43) zugeführt.The liquefied ORC fluid is partly recycled via a bearing line 30 into the storage tank 19. For this purpose, the pressure achieved by the diffuser 29 must be higher than the pressure in the storage tank 19, so that after overcoming the pressure losses and the geodetic height, the ORC fluid can be brought into the storage tank 19. The rest of the ORC fluid is returned to the ORC (or HT-42 and NT-ORC circuit 43).

Das im Expansionsbehälter 23 befindliche flüssige ORC-Fluid kann zu Kühlzwecken verwendet werden, beispielsweise zur Kühlung von Gasturbincnlagern, Brennkammerwänden und ähnlichem. Dafür sind eine Kühl-Pumpc 40 zur Verdichtung auf Lagertankdruck und ein Kühlungs-Wärmetauscher 41 zur Kühlung dargestellt. Wenn keine Kühlung benötigt wird, kann das unterkühlte flüssige ORC-Fluid in den Lagertank 19 verbracht werden. Durch diese Rückführung kann die Ankühlung des Fluids im Lagertank 19 teilweise oder -17- fast ganz eingespart werden. Die darüber hinaus noch benötigte Abkühlung ist sehr gering und trägt so zu einem sehr hohen Wirkungsgrad der Anlage bei.The liquid in the expansion tank 23 ORC fluid can be used for cooling purposes, for example, for cooling Gasurbincnlagern, combustion chamber walls and the like. For a cooling pump 40 are shown for compression on storage tank pressure and a cooling heat exchanger 41 for cooling. If no cooling is needed, the supercooled liquid ORC fluid can be brought into the storage tank 19. As a result of this recycling, the cooling of the fluid in the storage tank 19 can be partially or completely saved. The cooling still required is very low and thus contributes to a very high efficiency of the system.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanlage mit verschiedenen bekannten Expansionsvorrichtungen 36 betrieben werden, die die thermische Energie der ORC-Kreisläufe in mechanische Energie umwandeln. Dem Fachmann ist eine Reihe von Expansionsvorrichtungen bekannt, auf die daher nicht weiter eingegangen wird.In principle, the waste heat recovery system according to the invention can be operated with various known expansion devices 36, which convert the thermal energy of the ORC circuits into mechanical energy. The person skilled in a number of expansion devices is known, which will therefore not be discussed further.

Je nach Größe der umlaufenden Massenströme können verschiedene ExpansionsVorrichtungen vorteilhaft sein. Beispielsweise ist bei sehr kleinen Massenströmen (kleiner als 2kg/sec) die Verwendung einer Axialturbine technologisch nicht möglich; stattdessen kann ein Kolbenexpander verwendet werden. Bei den Expansionsvorrichtungen kann der Wirkungsgrad durch Kühlung mit kaltem ORC-Fluid aus niedrigen Prozessdrücken gesteigert werden.Depending on the size of the circulating mass flows, various expansion devices may be advantageous. For example, with very small mass flows (less than 2 kg / sec), the use of an axial turbine is not technologically possible; instead, a piston expander can be used. In the expansion devices, the efficiency can be increased by cooling with cold ORC fluid from low process pressures.

Die Bauweise der Turbine richtet sich nach den Druckstufen der einzelnen ORC-Kreisläufe, die miteinander gekoppelt werden sollen. Bei Vorliegen von zwei unterschiedlichen Druckstufen (HT- 42 und NT-ORC-Kreislauf 43) werden die beiden ORC-Kreisläufe über die Niederdruckstufe (NT-ORC-Kreislauf 43) gekoppelt. Der Kondensationsdruck für die Turbine, abgeleitet aus beiden ORC-Kreisläufen, ist derselbe und durch die erfindungsgemäße Mischkondensation festgelegt.The design of the turbine depends on the pressure levels of the individual ORC circuits, which are to be coupled together. In the presence of two different pressure levels (HT-42 and NT-ORC cycle 43), the two ORC circuits are coupled via the low-pressure stage (NT-ORC circuit 43). The condensation pressure for the turbine, derived from both ORC circuits, is the same and determined by the inventive mixed condensation.

Die Erfindung umfasst damit die Kombination von ORC-Kreisläufen 42, 43 unterschiedlicher Druckstufen und unterschiedlicher Massenströme zur Nutzung von Wärmepotentialen mit unterschiedlichen Temperaturen und Wärmeströmen unter Verwendung angepasster Expansionsvorrichtungen. Dabei wird in einer Variante eine angepasste Mischkondensation mit einem entsprechenden Mischkondensator verwendet.The invention thus comprises the combination of ORC circuits 42, 43 of different pressure levels and different mass flows for the utilization of heat potentials with different temperatures and heat flows using adapted expansion devices. In one variant, a suitable mixed condensation with a corresponding mixing condenser is used.

Wien, den [} & NOV. 2010 • · P11925 ί * * * • · » · • · I I · · · · t -18-Vienna, the [} & November 2010 • P11925 • * * * • • • • • I I · · · · t -18-

BEZUGSZEICHENLISTE 1,31 Ab wä rmenutzungsanla ge 2 Arbeitsmittelpumpe 3 Vorwärm-Wärmetauscher 4 Verdampfungs-W ärmetauscher 5 Überhitzungswärmetauscher 6, 36 Exp a nsionsv orrichtung 7,37 Generator 8, 38 Kondesationsvorrichtung 9, 39, 39' Abscheideflasche 10, 310, 310' Entsp annungsar ma tur 11 U mgehungsarmatur 12, 312 Kondensator 13, 313 Kühlkreisumwälzpumpe 14,314 Rückkühlwärmetauscher 15 Schnellschlussventil 16, 316 F r equenzumrichter 17,317 Recuperator-Wärmetauscher 18 Mischkondensa tor 19 Lagertank 20 externe Kühlung 21 Mischkondensatorpumpe 22 Expansionsbehälterarmatur 23 Expansionsbehälter 24 Ansaugleitung 25 Strahlverdichter 26 Saugraum 27 Mischdüse -19- PI 1925 • « · 28 Strahlverdichtungsarmatur 29 Diffusor 30 Lagcrleitung 32 HT -Arbeitsmittelpumpe 32' NT -Arbeitsmittelpumpe 33 HT - Vorwärm -W är metauscher 33’ NT-Vorwärm-Wärmetauscher 34 HT -V er dampf ungs-W ärmetauscher 34’ NT-V erd ampfungs-W ärmetauscher 35 HT-Überhitzungs Wärmetauscher 35’ NT-Überhitzungswärmetauscher 40 Kühl-Pumpe 41 Kühlungs-W ärmetauscher 61, 361 Hochdruck(HD)-Stufe 62, 362 Niederdruck(ND)-Stufe 311 HT-Umgehungsarmatur 311' NT-U mgehu ngsarmatur 315 HT-Schnellschlu ssventil 315' NT-Schnellschlussventil 42 HT-ORC-Kreislauf 43 NT-ORC-Kreislauf 44 Zuführleitung 45 AbführleitungREFERENCE LIST 1.31 From heat utilization system 2 Working medium pump 3 Preheating heat exchanger 4 Evaporating heat exchanger 5 Superheating heat exchanger 6, 36 Expander 7.37 Generator 8, 38 Condenser 9, 39, 39 'Separating bottle 10, 310, 310' Maturation valve 12, 312 Capacitor 13, 313 Cooling circulating pump 14,314 Recooling heat exchanger 15 Quick-action valve 16, 316 Frequency converter 17,317 Recuperator heat exchanger 18 Mixing condensor 19 Storage tank 20 External cooling 21 Mixing condenser pump 22 Expansion vessel fitting 23 Expansion vessel 24 Suction line 25 Jet compressor 26 Suction chamber 27 Mixing nozzle -19- PI 1925 • «· 28 Blast Packing Valve 29 Diffuser 30 Lagcrleitung 32 HT-Working Fluid Pump 32 'NT- Working Pump 33 HT - Preheating -Wär exchanger 33' NT-Preheating-Heat Exchanger 34 HT -V er vaporization heat exchanger 34 ' NT Underground Heat Exchanger 3 5 HT overheating heat exchanger 35 'NT superheating heat exchanger 40 Cooling pump 41 Cooling heat exchanger 61, 361 High pressure (HP) stage 62, 362 Low pressure (LP) stage 311 HT bypass fitting 311' NT / C mixing valve 315 HT High-speed shut-off valve 315 'NT quick-acting valve 42 HT ORC circuit 43 NT ORC circuit 44 Supply line 45 Drain line

Claims (14)

Ansprüche 1. Vorrichtung zur Abwärmenutzung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, die mittels mit einem ORC-Fluid betriebenen ORC-Kreisläufen umgesetzt werden, wobei ein ORC-Kreislauf - zumindest eine Arbeitsmittelpumpe, - zumindest einen Wärmetauscher, - zumindest eine Expansionsvorrichtung zum Antrieb eines Generators und - zumindest eine Kondensationsvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster ORC-Kreislauf (42) und zumindest ein zweiter ORC-Kreislauf (43) mit je zumindest einer Arbeitsmittelpumpe (32, 32'), je zumindest einem Vorwärm-Wärmetauscher (33, 33') und je zumindest einem Verdampfungswärmetauscher (34, 34')vorgesehen sind, wobei die ORC-Kreisläufe (42, 43) über zumindest eine gemeinsame Expansionsvorrichtung (36) miteinander gekoppelt sind und eine gemeinsame Kondensationsvorrichtung (38) aufweisen.Claims 1. Apparatus for utilizing waste heat on the basis of thermal ORC cycles, which are implemented by means of ORC-operated ORC circuits, wherein an ORC circuit - at least one working fluid pump, - at least one heat exchanger, - at least one expansion device for driving a generator and - at least one condensation device, characterized in that at least one first ORC circuit (42) and at least one second ORC circuit (43), each with at least one working fluid pump (32, 32 '), each at least one preheating heat exchanger (33, 33 ') and in each case at least one evaporating heat exchanger (34, 34') are provided, wherein the ORC circuits (42, 43) via at least one common expansion device (36) are coupled together and have a common condensation device (38). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten ORC-Kreislauf (42) und/oder im zweiten ORC-Kreislauf (43) zwischen Verdampfungswärmetauscher (34, 34') und Expansionsvorrichtung (36) je zumindest ein Überhitzungswärmetauscher (35, 35') und/oder zumindest eine Abscheidevorrichtung (39., 39') vorgesehen sind.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the first ORC circuit (42) and / or in the second ORC circuit (43) between the evaporating heat exchanger (34, 34 ') and expansion device (36) depending at least one superheat heat exchanger (35, 35 ') and / or at least one separating device (39, 39') are provided. 3. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ORC-Kreisläufe (42, 43) mit verschiedenen Abwärmeströmen (Q-HT, Q-NT) betrieben werden.3. A device for waste heat recovery according to claim 1 or 2, characterized in that the ORC circuits (42, 43) with different waste heat streams (Q-HT, Q-NT) are operated. 4. Vorrichtung zur AbwäTmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste ORC-Kreislauf (42) mit einem Hochtemperatur-Wärmestrom (Q-HT) betrieben wird und der zweite ORC-Kreislauf (43) mit einem Niedertemperatur-Wärmestrom (Q-NT) betrieben wird.4. Device for wastewater utilization according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first ORC circuit (42) is operated with a high-temperature heat flow (Q-HT) and the second ORC circuit (43) with a low-temperature Heat flow (Q-NT) is operated. 5. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm-Wärmetauscher (33), der Verdampfungswärmetauscher (34’), der Überhitzungswärmetauscher (35 ) des zweiten OR-Kreislaufs (43) und der Vorwärm-Wärmetauscher (33) -21- PI1925 des ersten ORC-Kreislaufs (42) mit einem Niedertemperatur-Wärmestrom (Q-NT) betrieben werden und der Verdampfungs-Wärmetauscher (34) und der Überhitzungs-Wärmetauscher (35) des ersten ORC-Kreislaufs (42) mit einem Hochtemperatur-Wärmestrom (Q-HAT) betrieben werden.5. Waste heat recovery device according to claim 2, characterized in that the preheating heat exchanger (33), the evaporation heat exchanger (34 '), the superheat heat exchanger (35) of the second OR circuit (43) and the preheating heat exchanger (33) - 21- PI1925 of the first ORC circuit (42) are operated with a low-temperature heat flow (Q-NT) and the evaporation heat exchanger (34) and the superheat heat exchanger (35) of the first ORC circuit (42) having a high temperature Heat flow (Q-HAT) are operated. 6. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Expansionsvorrichtung (36) und Kondensationsvorrichtung (38) zumindest ein Recuperator-Wärmetauscher (317) zum Vorwärmen des den Arbeitsmittelpumpen (21, 21') des ersten (42) und zweiten ORC-Kreislaufs (43) zugeführten flüssigen ORC-Fluids vorgesehen ist.6. A device for waste heat recovery according to one of claims 1 to 5, characterized in that between the expansion device (36) and condensation device (38) at least one Recuperator heat exchanger (317) for preheating the working fluid pumps (21, 21 ') of the first (42 ) and second ORC circuit (43) supplied to liquid ORC fluid. 7. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das ORC-Fluid aus der Gruppe bestehend aus Kohlendioxid (R744), Butan (R600) und Propan (R290) ausgewählt wird.7. A waste heat recovery device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the ORC fluid is selected from the group consisting of carbon dioxide (R744), butane (R600) and propane (R290). 8. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mit der Expansionsvorrichtung (36) verbundener Generator (37) vorgesehen ist.8. A device for waste heat recovery according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one with the expansion device (36) connected generator (37) is provided. 9. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kondensationsvorrichtung (38) um eine Mischkondensationsvorrichtung (18) handelt, umfassend zumindest einen Lagertank (19) für ORC-Fluid und zumindest einen Expansionsbehälter (23), die mit einem Strahlverdichter (25) verbunden sind, wobei aus Richtung der Expansionsvorrichtung (36) kommendes ORC-Fluid dem Expansionsbehälter (36) über eine Zuführleitung (44) zugeführt wird und den Strahlverdichter (25) durchströmendes ORC-Fluid zumindest teilweise den Arbeitsmittelpumpen (32, 32') über eine Abführleitung (45) zugeführt wird.9. Waste heat recovery device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the condensation device (38) is a mixed condensation device (18), comprising at least one storage tank (19) for ORC fluid and at least one expansion tank (23 ), which are connected to a jet compressor (25), wherein from the direction of the expansion device (36) coming ORC fluid is supplied to the expansion tank (36) via a feed line (44) and the jet compressor (25) flowing through ORC fluid at least partially Working medium pumps (32, 32 ') via a discharge line (45) is supplied. 10. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lagertank (19) eine externe Kühlung (20) angeordnet ist.10. A device for waste heat recovery according to claim 9, characterized in that in the storage tank (19) an external cooling (20) is arranged. 11. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kühlung (20) als Kaltwassersatz ausgeführt ist.11. A device for waste heat recovery according to claim 10, characterized in that the external cooling (20) is designed as a chiller. 12. Mischkondensationsvorrichtung (18) zur Anwendung in einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend zumindest einen Lagertank (19) für flüssige Medien, -22- zumindest einen Expansionsbehälter (23) und zumindest einen Strahlv er dichter (25), bestehend aus einem Saugraum (26) und einer Mischdüse (27), wobei der Expansionsbehälter (23) zumindest eine Zuführleitung (44) für dampfförmige Medien und zumindest eine Ansaugleitung (24) aufweist und die Ansaugleitung mit dem Saugraum (26) des Strahlverdichters (25) verbunden ist und wobei der Lagertank (19) mit dem Strahlverdichter (25) und dem Expansionsbehälter (23) verbunden ist und flüssige Medien nach dem Strahlverdichter (25) über zumindest eine Abführleitung (45) abführbar sind.12. mixed condensing device (18) for use in a device for waste heat recovery according to one of claims 1 to 11, comprising at least one storage tank (19) for liquid media, at least one expansion tank (23) and at least one Strahlv he poet (25). consisting of a suction chamber (26) and a mixing nozzle (27), the expansion tank (23) having at least one feed line (44) for vaporous media and at least one suction line (24) and the suction line with the suction chamber (26) of the jet compressor ( 25) is connected and wherein the storage tank (19) with the jet compressor (25) and the expansion tank (23) is connected and liquid media after the jet compressor (25) via at least one discharge line (45) can be discharged. 13. Mischkondensator (18) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlverdichter (25) einen Diffusor (29) aufweist, der in Flussrichtung der Medien nach der Mischdüse (27) angeordnet ist.13. mixing condenser (18) according to claim 12, characterized in that the jet compressor (25) has a diffuser (29), which is arranged in the flow direction of the media after the mixing nozzle (27). 14. Mischkondensator (18) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass weiters zumindest eine Lagerleitung (30) vorgesehen ist, über die der Ausgang des Strahlverdichters mit dem Lager tank (19) verbunden ist. Wien, den T\ 0t Nov. MV!14. mixing condenser (18) according to claim 12 or 13, characterized in that further comprises at least one bearing line (30) is provided, via which the output of the jet compressor with the storage tank (19) is connected. Vienna, the T \ 0t Nov. MV!
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