DE102004014101A1

DE102004014101A1 - Stromgewinnung an Heizungsanlagen mit Niederdruck-Brüdenentspannung

Info

Publication number: DE102004014101A1
Application number: DE200410014101
Authority: DE
Inventors: Michael Rannow; Erwin Dr. Oser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen an einer Heizungsanlage mit einem Niederdruckentspannungsmotor Strom gewonnen wird. DOLLAR A Dazu wird die Wärme aus einem beliebigen Heizprozess genutzt, ein Lösemittel als Treibdampf zum Verdampfen. Der Brüden wird anschließend in einem Niederdruck-Entspannungsaggregat entspannt, wobei eine mechanische Kraft erzeugt wird, die mit Hilfe eines angekoppelten Generators zur Stromgewinnung genutzt wird. DOLLAR A Der entspannte Treibdampf wird anschließend durch Wärmetausch mit dem Arbeitsmittel eines weiteren gleichartigen Kreisprozesses mit geringerem Siedepunkt in Form einer Kaskade oder mit dem Heizungskreislauf kondensiert und mit einer Pumpe in den Verdampfer zurückgefördert.

Description

Bei thermischen Kraft- und Arbeitsmaschinen wird Strom üblicherweise durch die Entspannung von Prozessdampf in Turbinen erzeugt. Hierzu wird Wasser in Hochdruckdampf überführt und anschließend über eine Turbine entspannt, wobei mechanische Energie zum Antrieb eines Generators gewonnen wird. Der entspannte Dampf wird anschließend in einem Kondensator niedergeschlagen. Nachteile der Stromgewinnung mit Prozessdampf liegen einerseits in den erforderlichen hohen Temperaturen und Drücken, die neben materialtechnischen Problemen auch hohe sicherheitstechnische Anforderungen unumgänglich machen, andererseits in der hohen Verdampfungs- bzw. Kondensationsenthalpie des Wassers. Verfahrensbedingt gehen bei der Kondensation von Prozessdampf große Wärmemengen verloren, die üblicherweise über Kühltürme abgefahren werden.
Um die Verluste aus der Verdampfungsenthalpie zu mindern, werden binäre Systeme eingesetzt, in denen mindestens eine Komponente eine geringere molare Verdampfungswärme aufweist, und in denen der Siedepunkt variiert werden kann.
Da auch hier weiterhin Turbinen verwendet werden verschieben sich die Kondensationsbedingungen in Temperaturbereiche, die eine weitere Nutzung der freiwerdenden Energie ausschließen.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch umgangen, dass zur Nutzung der Wärme aus Heizanlagen Niederdruck-Entspannungsmotoren entprechend Patentanmeldung AZ 10360379.4 verwendet werden.

In einer Heizungsanlage wird ein Medium als Wärmeträger auf die für Heizzwecke gewünschten Vorlauftemperaturen erwärmt. Dabei verbleibt das Heizmedium in der flüssigen Phase, beim Heizen gibt der warme Vorlauf in Heizkörpern oder ähnlichen Wärmeaustauschaggregaten die fühlbare Wärme an die Umgebung oder wärmeverbrauchende Prozesse ab, und das Medium fließt über den Rücklauf zurück zur Heizungsanlage zur erneuten Erwärmung. In Heizungsanlagen wird üblicherweise mit Temperaturniveaus gearbeitet, die für eine Herstellung von Prozessdampf ungeeignet sind.

Im privaten Bereich werden Heizungen üblicherweise mit Wasser als Heizmedium betrieben, im industriellen Bereich werden auch Wärmeträger mit höheren Siedepunkten verwendet. Beispiele hierfür findet man in der chemischen Industrie für die Beheizung von Reaktoren oder in der Galvanikindustrie für die Beheizung von Prozessbädern.

Im industriellen Bereich sind auch Warmwasserheizungen im Einsatz. Beispiele sind etwa Heizungsanlagen mit Biomasse-Verbrennungsanlagen oder Holz-Verbrennungsanlagen in der holzverarbeitenden Industrie. Diese Heizungsanlagen grenzen sich von den stromerzeugenden Anlagen mit Dampfturbinen oder -motoren vor allem hinsichtlich sicherheitstechnischer Anforderungen ab, die sich aus den Temperatur- und Druckverhältnissen bei der Erzeugung von Prozessdampf ergeben. In der Praxis verzichten viele Nutzer von Biomasse- oder Holz-Verbrennungsanlagen auf die Stromerzeugung, weil sie die höheren sicherheitstechnischen Anforderungen vermeiden wollen.

Die Erfindung zeigt nun Lösungen auf, mit denen auch an Heizungsanlagen mit Hilfe einer Niederdruck-Brüdenentspannung sinnvoll Strom gewonnen werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Prozess auch bei thermodynamisch günstigen höheren Temperaturniveaus keine Drücke auftreten, die relevante sicherheitstechnische Vorschriften betreffen; der Betreiber muss also keine zusätzlichen Auflagen einhalten. Außerdem ist das vorgeschlagene Verfahren besonders geeignet für die Nachrüstung von Anlagen, da die Stromgewinnung dem eigentlichen Heizsystem vorgeschaltet wird. Das Heizsystem selbst muss also von den technischen Einrichtungen zur Stromgewinnung nicht berührt werden.

In einer besonders günstigen Ausführungsform wird durch Wärmetausch aus einer Verbrennung eine unbrennbare Flüssigkeit, vorzugsweise ein Silikonöl mit ausgewählten thermodynamischen Daten, als Arbeitsmittel verdampft. Der Brüden wird anschließend über ein Niederdruck-Entspannungsaggregat, vorzugsweise ein Roots-/Wälzkolbengebläse, entspannt. Dabei tritt an der Welle des Aggregates eine mechanische Kraft auf, die mit Hilfe eines angekoppelten Generators zur Stromgewinnung genutzt wird.

Der entspannte Treibdampf wird abhängig vom Temperaturniveau gegen das Arbeitsmittel, also bspw. ein ähnliches Silikonöl mit niedrigerem Siedepunkt, eines weiteren gleichartigen Kreisprozesses oder schließlich gegen den Rücklauf des Heizungskreislaufes getauscht, wobei der Treibdampf kondensiert und so die bei der Verdampfung eingespeiste Enthalpie auf den Verbraucherkreislauf der Heizung übertragen wird. Das kondensierte Arbeitsmittel wird mit einer Pumpe zurück zum Verdampfer gefördert.

In einer alternativen Ausführungsform kann auch in einem Verdampfer durch Wärmetausch die fühlbare Wärme des Heizungsmediums, bspw. warmes Wasser, aus dem Heizungsvorlauf, zur Verdampfung eines Arbeitsmittels genutzt werden. Das Arbeitsmittel weist dabei einen niedrigeren Siedepunkt als die Vorlauftemperatur und eine geringere molare Verdampfungsenthalpie als Wasser auf, um möglichst viel Brüden zu erzeugen. Der entspannte Treibdampf wird in dieser Ausführungsform durch Wärmetausch mit dem Heizungsrücklauf kondensiert und das flüssige Arbeitsmittel mit einer Pumpe zurück in den Verdampfer gefördert.

Als Arbeitsmittel können neben den genannten Silikonölen auch organische oder anorganische Lösemittel sowie Gemische aus diesen Lösemitteln verwendet werden.

Die beigefügte 1 veranschaulicht die Ausführungsform mit einem Silikonöl als Arbeitsmittel:
In der Feuerungsanlage (1) wird im Wärmetausch mit der Heizenergie im Verdampfer (2) Silikonöl mit einem Siedpunkt von etwa 120° C bei einer Temperatur von 150° C und dem zugehörigen Druck von etwa 2 bar verdampft, also unterhalb des in den Sicherheitsvorschriften für Dampferzeuger genannten Druckes. Der unter 2 bar stehende Brüden wird über das Niederdruck-Entspannungsaggregat (3) entspannt. Dabei wird eine mechanische Kraft erzeugt, die den Generator (4) antreibt. Der auf etwa 0,5 bar entspannte Treibdampf, der dabei eine Temperatur von 100° C aufweist, wird im Kondensator (5) gegen das Heizungs medium kondensiert und mit der Pumpe (6) zurück in den Verdampfer (2) gefördert. Das Heizmedium gibt seine Wärme im Verbraucher (7) ab und gelangt zurück zum Kondensator (5), wo es im Wärmetausch gegen den Treibdampf wieder erwärmt wird.
In der 2 wird als alternative Ausführungsform die Beheizung des Verdampfers mit einem in der Verbrennungsanlage erwärmten Wärmeträger und die Kondensation des entspannten Treibdampfes gegen den Heizungskreislauf dargestellt. Diese technische Lösung erscheint besonders günstig im Hinblick auf die Nachrüstung bestehender Heizungsanlagen.
Das in der Verbrennungsanlage erhitzte Wärmeträgerfluid verdampft durch Wärmetausch im Verdampfer (2) das Arbeitsmittel des Kreislaufs, das über das Entspannungsaggregat (3) entspannt wird; dabei wird mit dem Generator (4) Strom gewonnen. Der entspannte Treibdampf wird im Kondensator (5) im Wärmetausch gegen den Heizungskreislauf kondensiert; der Rücklauf wird dabei auf Vorlauftemperatur erwärmt. Das kondensierte Arbeitsmittel wird mit der Pumpe (6) zurück in den Verdampfer (2) gefördert.

Claims

Verfahren zur Stromgewinnung an einer Heizungsanlage mit Niederdruck-Brüdenentspannung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium in einer Heizungsanlage durch Verbrennung eines Brennstoffs erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff fossile Energieträger, wie Erdgas oder Heizöl verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff biogene Brennstoffe, wie Holz, Holzspäne oder Hackschnitzel, Biodiesel, Biogas, Rapsöl u.ä. genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibdampf des Motors durch Wärmetausch in einem separaten Wärmetauscher im Brennraum der Heizung verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibdampf ein nicht brennbares Silikonöl verwendet wird, das nach Siedepunkt und thermodynamischen Eigenschaften ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das als Treibdampf verwendete Silikonöl einen Siedepunkt zwischen 110° C und 340° C, vorzugsweise zwischen 120° C und 280° C, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel des Entspannungsmotors durch Wärmetausch mit dem Heizungsvorlauf verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel ein organisches oder anorganisches Lösemittel ist oder ein Gemisch, vorzugsweise ein azeotropes Gemisch aus den genannten Lösemitteln ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Verdampfung des Arbeitsmittels erzeugte Brüden über ein volumetrisch förderndes, extern-verdichtendes Gebläse (3) entspannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Gebläse ein Wälzkolben/Rootsgebläse verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Gebläse ein Schraubenmotor verwendet wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel nach der Entspannung in einem Kondensator (5) kondensiert und mit einer Pumpe (6) zurück in den Verdampfer (2) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Brüdenentspannung an der Welle des Gebläses (3) eine mechanische Kraft gewonnen wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kraft mit einem Generator (4) zur Stromgewinnung genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 6 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Arbeitsmittels aus Silikonöl der Treibdampf im Kondensator gegen Silikonöl mit einem niedrigeren Siedepunkt, das als Arbeitsmittel eines weiteren gleichartigen energetischen Kreisprozesses dient, kondensiert wird, wobei dieses verdampft.
Verfahren nach Anspruch 6, 9 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel durch Wärmetausch mit dem Heizungsrücklauf kondensiert wird.