DE102004041108B3

DE102004041108B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Ausführen eines verbesserten ORC-Prozesses

Info

Publication number: DE102004041108B3
Application number: DE200410041108
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Eiermann
Original assignee: ADORATEC GmbH
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-08-25
Also published as: DE102004041108C5

Abstract

Eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium (1) nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie mit mindestens einem Verdichtungsmittel für das Kondensat (2), mindestens einem Rekuperator/inneren Wärmeübertrager (4) für die Wärmeübertragung zwischen entspanntem Dampf und verdichtetem Kondensat, mindestens einem Verdampfer (5) für das verdichtete Kondensat und mindestens einem Entspannungsmittel für den Dampf (7), ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren der genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad des thermischen Kreisprozesses erhöht wird und dass die Investitions- und Betriebskosten gesenkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichtungsmittels für das Kondensat (2) der Kondensatstrom aufteilbar ist und ein Teil des Kondensatstroms abzweigbar und dem Verdampfer (5) unter Umgehung des Rekuperators/inneren Wärmeübertragers (4) zuführbar ist. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie mit mindestens einem Verdichtungsmittel für das Kondensat, mindestens einem Rekuperator/inneren Wärmeübertrager für die Wärmeübertragung zwischen entspanntem Dampf und verdichtetem Kondensat, mindestens einem Verdampfer für das verdichtete Kondensat und mindestens einem Entspannungsmittel für den Dampf.
Der Clausius-Rankine-Prozess ist ein thermischer Kreisprozess, der bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt ist und in großtechnischem Ausmaß zur Gewinnung von elektrischer Energie eingesetzt wird. Das Arbeitsmedium ist hierbei im Allgemeinen entionisiertes Wasser. Das flüssige Wasser wird üblicherweise von einer Speisewasserpumpe verdichtet und in den Verdampfer gefördert. Der Verdampfer kann hierbei in der Brennkammer eines konventionellen Kohlekraftwerks positioniert sein oder vom Primärkreislauf eines Nuklearreaktors gespeist werden, oder dergleichen. Nach der Verdampfung und der fakultativen Überhitzung des Wasserdampfs erfolgt üblicherweise die Entspannung in einer Turbine, welche normalerweise in Wirkverbindung mit einem Stromgenerator gebracht ist. Nach der Entspannung in der Turbine schließt sich die Kondensation des Arbeitsmediums im Kondensator an. Die anfallende Kondensationswärme kann, wie früher vermehrt üblich, über einen Kühlturm an die Umgebung abgeführt werden. In jüngster Zeit wird vermehrt der Versuch unternommen, die anfallende Kondensationswärme als so genannte Fernwärme weiterzuleiten und somit einer weiteren sinnvollen Nutzung zuzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, die anfallende Kondensationswärme als Verdampfungswärme für einen zweiten, nachgeschalteten Rankine-Prozess zu nutzen.
In konventionellen Dampfkraftwerken zur Stromerzeugung wird im Allgemeinen weiterhin entionisiertes Wasser als Arbeitsmedium verwendet. Durch den vergleichsweise hohen Dampfdruck des Wassers, die hohen erreichten Temperaturen nach Verdampfung und Überhitzung sowie den starken Druckabfall in der nachgeschalteten Turbine ergeben sich hier besondere apparative Anforderungen, denen nur durch die großtechnische Umsetzung des beschriebenen Prozesses, verbunden mit hohen Investitionskosten und hohem Wartungs- bzw. Bedienauf wand entsprochen werden kann. Eine zweite Besonderheit des Arbeitsmediums Wasser liegt darin, dass es nach der Entspannung und Kondensation üblicherweise bei einem Dampfdruck von ca. 30 mbar vorliegt, so dass dieser Teil der Anlage vakuumdicht ausgestaltet sein muss, was erneut einen besonders hohen Investitionsaufwand sowie eine besonders sorgfältige Fertigung der benötigten Anlagenteile notwendig macht.
In den letzten Jahrzehnten ist vermehrt eine Nachfrage nach kleineren bzw. mittelgroßen thermischen Kraftwerken entstanden, um auch zur Verbrennung fossiler Brennstoffe alternative Wärmequellen in mechanische und/oder elektrische Energie umzuwandeln.
Diese alternativen Energiequellen umfassen beispielsweise die Verbrennung von Biogas oder Bioabfall, die Abwärme bzw. Prozesswärme aus Industrie- oder Energieumwandlungsprozessen, Wärme bzw. Dampf aus geothermischen Quellen sowie Wärme aus Solarenergie oder anderen Quellen. Im Sinne einer dezentralen Nutzung dieser Energiequellen zur Stromerzeugung sowie als Wärmelieferanten hat es sich seit längerer Zeit bewährt, einen thermischen Kreisprozess nach Clausius-Rankine mit einem organischen Arbeitsmedium anstelle von Wasser durchzuführen (Organic Rankine Cycle, ORC). Als Arbeitsmedium werden beispielsweise Stoffe wie Pentan, Oktan, Toluol oder Silikonöl eingesetzt. Das Arbeitsmedium wird üblicherweise indirekt durch einen im Kessel bzw. in der Wärmequelle erhitzten Thermoöl-Kreislauf aufgeheizt und verdampft. Im Weiteren läuft der ORC-Prozess so ab, wie oben für das konventionelle Dampfkraftwerk beschrieben wurde.
Die direkte Aufnahme der im nachgeschalteten Prozess zu verwertenden Wärme durch den Thermoölkreislauf hat den Vorteil, dass hierbei ein nahezu druckloser Betrieb des Kessels bzw. der Vorrichtung zur Aufnahme des zu verwertenden Wärmestroms möglich ist. Der ORC-Prozess insgesamt hat den Vorteil, dass die im Prozess erreichten Druck- bzw. Temperaturwerte üblicherweise deutlich unter denen liegen, die im klassischen Dampfkraftwerkprozess nach Clausius-Rankine erreicht werden. Hierdurch sinkt der apparative Aufwand ebenso wie die Bedien- bzw. Überwachungsintensität des Prozesses und das Investitionsvolumen insgesamt.
Neben den niedrigeren Spitzenwerten von Druck und Temperatur ist besonders erwähnenswert, dass das organische Arbeitsmedium nach der Kondensation üblicherweise einen deutlich höheren Dampfdruck als Wasser aufweist, wodurch an die Vakuumdichtigkeit des diesbezüglichen Anlagenteils keine derart hohen Anforderungen gestellt werden müssen.
Des Weiteren weisen die geeigneten und in derartigen ORC-Prozessen verwendeten Arbeitsmedien üblicherweise einen deutlich niedrigeren Gefrierpunkt als Wasser auf. Dadurch wird vermieden, dass das Arbeitsmedium bei der Benutzung von Umgebungsluft als Aufnahmemedium für die anfallende Kondensationswärme bei besonders ungünstigen Witterungsbedingungen einfriert, was einen sofortigen Ausfall bzw. eine schwere Beschädigung der Anlage zur Folge hätte. Dieser Vorteil kommt beispielsweise beim Betrieb von ORC-Anlagen zum Gewinn von Strom und Wärme aus der Verbrennung von Holzabfällen in weit abgelegenen, nördlichen Gebieten zum Tragen.
Die hier in Rede stehenden, zum Einsatz als Arbeitsmedien in ORC-Prozessen geeigneten organischen Medien weisen üblicherweise eine für sinkende Temperaturen zu kleineren Werten der Entropie geneigte Taulinie im T-s-Diagramm auf. Dies bedeutet, dass bei einer (angenähert) isentropen bzw. realistischerweise mit einem leichten Zugewinn an Entropie verbundenen Expansion des Arbeitsmediumdampfs eine weitere Überhitzung des Dampfs stattfindet. Soll das Medium nach der Expansion kondensiert werden, muss zuerst Wärme isobar abgeführt werden, bis die Taulinie erreicht ist. Soll jedoch möglichst viel der im Dampf zur Verfügung stehenden Energie in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden, wäre dies mit einem sinkenden elektrischen Wirkungsgrad verbunden, wertvolle Energie würde weitgehend nutzlos abgeführt werden. Aus diesem Grund wird in den Anlagen gemäß Stand der Technik zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads und somit zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Prozesses die Wärme des überhitzten, aus der Turbine austretenden Dampfs in einem Rekuperator/inneren Wärmeübertrager genutzt. Dadurch muss insgesamt weniger Primärenergie von Außen zugeführt werden, um eine bestimmte Menge des organischen Arbeitsmediums zu erhitzen und zu verdampfen. Folglich ist in den ORC-Anlagen gemäß Stand der Technik der Rekuperator/innere Wärmeübertrager so ausgebildet, dass der Strom des abgekühlten, verdichteten Kondensats im Gegenstrom zum entspannten Dampf aus der Turbine geführt wird, um den Kondensatstrom vorzuheizen und die bei der Entspannung zunehmende Überhitzung des Arbeitsmedium-Dampfs weiter zu nutzen.

Aus der DE 199 07 512 A1 ist eine Vorrichtung zur Energieumwandlung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine mindestens zweistufige kaskadierte Anordnung, die jeweils aus einem Verdampfer, einer Turbine und einem Fluid-Kondensator besteht, wobei der Kondensator der ersten Stufe Abwärme auf den Kreislauf der zweiten Stufe führt. Dabei ist in jeder Stufe ein Fluid-Regenerator vorgesehen, wobei das Fluid des Hochtemperaturkreislaufs einen niedrigen und das Fluid des Niedrigtemperaturkreislaufes einen hohen Dampfdruck aufweist, so dass in Verbindung mit der Kaskadierung große Temperaturdifferenzen zwischen Kaskadenein- und -ausgang im Sinne einer Erhöhung des Wirkungsgrads erreichbar sind.

Die DE 297 10 003 U1 offenbart ein bedarfsgerechtes, kompaktes Verstromungsgerät mit modifiziertem Kraftmaschineneinsatz im ORC-Prozess. Dabei ist vorgesehen, dass das Verstromungsgerät über einen Dampfmaschinenprozess betrieben wird, der im Wärmeträgerkreislauf sowohl Wasser als auch organische Medien verwendet, und dass mit dem gemeinsamen Wärmeträgerkreislauf auch dann Strom erzeugt werden kann, wenn keine Primärenergie mehr zugeführt wird, und zwar durch Einbindung eines latenten Wärmespeichers in den Wärmeträgerkreislauf. Des Weiteren ist vorgesehen, dass als Kraftmaschine ein mit Dampf beaufschlagbarer Spiral- oder Rotationsentspanner verwendet wird.

Die heutzutage verwendeten Anlagen gemäß Stand der Technik sind jedoch in zweierlei Hinsicht nachteilig.

Einerseits erfordert die Erwärmung verdichteter Medien aufgrund der stärkeren zwischenmolekularen Kräfte einen höheren Energieaufwand, als dies bei unverdichteten (entspannten) Gasen der gleichen Substanz bei gleicher Temperatur der Fall ist. Mit anderen Worten wird beobachtet, dass die spezifische Wärmekapazität des Kondensats größer ist als diejenige des entspannten Dampfs. In der Praxis bedeutet dies, dass bei heutigen Rekuperator-Verschaltungen die Temperaturdifferenz auf der „heißen" Seite größer ist als auf der „kalten" Seite. Das verdichtete, im Rekuperator vorzuheizende Kondensat heizt sich im Gegenstrom zum entspannten Dampf weniger schnell auf als der entspannte Dampf sich abkühlt. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Stoffströmen wird demnach über die Länge des Kondensators (in Richtung des Kondensatstroms betrachtet) immer größer. Die Austrittstemperatur des Kondensats aus dem Rekuperator wird durch die zur Verfügung stehende Wärmemenge und nicht durch das verfügbare Temperaturgefälle limitiert. Das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle kann nicht voll ausgeschöpft werden.

Andererseits erfolgt bei den Anlagen gemäß Stand der Technik durch das Vorheizen des verdichteten Kondensats eine Begrenzung der zuführbaren Primärenergie. Je höher das kondensierte Arbeitsmedium bereits im Rekuperator erhitzt wird, desto weniger kann das Heizmedium und somit auch der Primärenergiestrom abgekühlt werden, entsprechend geringerer ist der Betrag an Primärenergie, der zugeführt werden kann. Der Primärenergiestrom kann im günstigsten Fall nur bis zur Rekuperatoraustrittstemperatur des Kondensats zuzüglich des für die Wärmeübertragung erforderlichen Temperaturgefälles abgekühlt werden. Der restliche Anteil des Primärenergiestroms kann nur noch als thermische Energie unter Umgehung des ORC- Prozesses genutzt werden und steht somit für die Erzeugung von Antriebsenergie nicht zur Verfügung.

Die Verringerung der einzutragenden Primärenergie in den Anlagen gemäß Stand der Technik führt zu einer weiteren Begrenzung der Leistungsfähigkeit sowie des Wirkungsgrads in den heutzutage verwendeten Vorrichtungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad des thermischen Kreisprozesses erhöht wird, und dass die Investitions- und Betriebskosten gesenkt werden.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich einer Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichtungsmittels für das Kondensat der Kondensatstrom aufteilbar ist und ein Teil des Kondensatstroms abzweigbar und dem Verdampfer unter Umgehung des Rekuperators/inneren Wärmeübertragers zuführbar ist.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass durch eine Verringerung des den Rekuperator durchströmenden Kondensatstroms den unterschiedlichen spezifischen Wärmekapazitäten der den Rekuperator durchströmenden Stoffströme Rechnung getragen werden kann. Mit anderen Worten wird der Massenstrom des Stoffstroms mit der höheren Wärmekapazität verringert, so dass sich die Werte des Produkts aus Massenstrom und Wärmekapazität für beide Stoffströme angleichen. Dadurch gleichen sich für beide Stoffströme auch die über den Rekuperator erfahrenen Temperaturänderungen, nämlich ΔT, an. Das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle kann folglich voll ausgeschöpft werden.

Des Weiteren ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass der abgezweigte, nicht durch den Rekuperator geführte – „kalte" – Kondensatstrom entweder direkt durch das Heizmedium, also indirekt durch den Primärenergiestrom, oder direkt durch den Primärenergiestrom oder durch eine weitere zusätzliche Energiequelle erhitzt und ggf. verdampft werden kann. Dadurch kann der Primärenergieträger bzw. die weitere Energiequelle ggf. bis zur Kondensattemperatur zuzüglich der für den Wärmetransport erforderlichen Temperaturdifferenz abgekühlt werden. Der dem ORC-Pro zess zur Verfügung stehende Primärenergieanteil und somit auch der Gesamtwirkungsgrad steigen erheblich an.

Das Erhitzen und Verdampfen des abgezweigten Kondensatstroms kann entweder direkt im Verdampfer oder – wie im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform detailliert beschrieben wird – in einem zusätzlichen Wärmeübertrager geschehen, der von dem den Verdampfer verlassenden Heizmedium-Strom gespeist werden kann.

Mit anderen Worten wird der abgezweigte Kondensatstrom in erfindungsgemäßer Weise dem idealerweise bereits weitgehend abgekühlten Primärenergiestrom direkt zum Wärmeaustausch zugeführt und kann daher mehr Primärenergie aufnehmen, da der abgezweigte Kondensatstrom nicht im Rekuperator vorerhitzt wurde. Durch diese Maßnahme steigt der Betrag der aufgenommenen Primärenergie an und die Anlage wird insgesamt leistungsfähiger, gleichzeitig wird der Wirkungsgrad des Prozesses weiter verbessert.

Folglich ist eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) angegeben, bei der eine Erhöhung des Wirkungsgrads des thermischen Kreisprozesses sowie eine Senkung der Investitions- bzw. Betriebskosten realisiert ist.

Der Anteil des abgezweigten Kondensatstroms könnte im Hinblick auf einen maximalen Wert der erzeugten mechanischen Energie wählbar sein. Dazu würde man den abgezweigten Kondensatstrom so groß wählen, dass eine möglichst hohe Aufnahme von Primärenergie gegeben ist, ohne gleichzeitig mehr Überhitzung des entspannten Dampfs an das Kühlmedium abzugegeben.

Der Anteil des abgezweigten Kondensatstroms könnte im Hinblick auf eine gleichzeitige Optimierung des thermischen und des mechanischen Wirkungsgrads des Kreisprozesses wählbar sein. Dazu würde man den abgeführten Kondensatstrom besonders groß wählen, so dass eine besonders hohe Aufnahme von Primärenergie ermöglicht wird und dabei gleichzeitig die überschüssige Überhitzung des entspannten Dampfs an das Kühlmedium abgegeben wird.

Das Arbeitsmedium könnte aus einem organischen Fluid, insbesondere aus einer Kohlenwasserstoffverbindung (z.B. einem Alkan, Naphthen oder Aromat), einem synthetischen Öl, einer teil- oder vollchlorierten oder -fluorierten Kohlen- bzw. Kohlenwasserstoffverbindung, einem Silikonöl oder aus einem Gemisch solcher Stoffe untereinander oder mit Wasser bestehen. Die Wahl des Arbeitsmediums kann hierbei nach dem Gesichtspunkt der ökologischen Unbedenklichkeit, der Wirtschaftlichkeit oder der raschen Verfügbarkeit erfolgen. Entscheidend bei der Wahl des Arbeitsmittels sind ferner die physikalischen, die thermodynamischen, die chemischen und thermochemischen Eigenschaften des Arbeitsmediums.

Der Verdampfer könnte durch ein Heizmedium, insbesondere durch Thermoöl beheizbar sein. Diese Art einer indirekten Beheizung bzw. eines indirekten Betriebs des Verdampfers ist im Allgemeinen sicherer und konstanter zu bewerkstelligen als eine direkte Beheizung des Verdampfers mit dem zur Verfügung stehenden Primärenergiestrom. Alternativ könnte der Verdampfer jedoch auch durch einen Primärenergiestrom betrieben werden, wie z.B. bei Wärmeträgersystemen, die in der Dampfphase arbeiten. Als Heizmedium kann anstelle von Thermoöl jeder andere geeignete Wärmeträger dienen.

Das Heizmedium könnte mittels eines Wärmestroms aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, aus der Verbrennung von Biogas oder Bioabfall, aus Industrie- oder Energieumwandlungsprozessen, aus geothermischen Quellen, aus Solarenergie oder anderen Quellen erhitzbar sein.

In ganz besonders bevorzugter Weise könnte der Volumenstrom des Heizmediums durch den Verdampfer in einem Kurzkreislauf vergrößerbar sein und eine Sekundärpumpe vorgesehen sein, durch die der Volumenstrom durch den Verdampfer vergrößerbar ist.

Das bei maximaler Arbeitstemperatur zuströmende Heizmedium kann so mit einem wählbaren Teilstrom des Rücklaufes aus dem Verdampfer gemischt werden. Die maximal zulässige Temperatur des ORC-Mediums begrenzt dann die Temperatur des Heizmediums nicht mehr direkt. Dadurch kann die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Heizmediums deutlich vergrößert werden und so der Volumenstrom im Heizmedium-Kreislauf erheblich gesenkt werden. Gleichzeitig kann der Volumenstrom in dem Kurzkreislauf erheblich erhöht werden. Dadurch ist bei gleicher Eintrittstemperatur eine Erhöhung der Verdampfungstemperatur möglich, ohne dass die thermische Belastung des ORC-Mediums erhöht wird.

Es werden üblicherweise ORC-Arbeitsmedien eingesetzt, deren Temperaturbeständigkeit deutlich geringer ausgeprägt ist als diejenige verfügbarer Heizmedien, wie z.B. von synthetischen Wärmeträgerölen. Dadurch ist die Temperatur im Verdampfer entsprechend begrenzt. Andererseits ist für die Verdampfung der ORC-Arbeitsmedien ein erheblicher Anteil der zur Verfügung stehenden Wärmeleistung erforderlich. Die Verdampfung soll idealerweise bei möglichst hohen Temperaturen erfolgen, um einen entsprechend hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Durch die Erhöhung der Verdampfungstemperatur erhöht sich auch das in der Antriebsmaschine nutzbare Enthalpiegefälle. Demnach muss üblicherweise wegen des begrenzten Temperaturunterschieds zwischen Heizmedium und Arbeitsmedium der Massenstrom des Heizmediums im gesamten System stark erhöht werden, was wegen der erheblichen Druckverluste im gesamten System zu einem erhöhten Stromverbrauch der Wärmeträgerpumpen und dadurch zu einer Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrads des Gesamtprozesses führt.

Soll der Massenstrom des Heizmediums zur Vermeidung dieser Druckverluste verringert werden, muss der Temperaturunterschied zwischen Heizmedium und Arbeitsmedium im Verdampfer wieder erhöht werden. Dabei ist zu beachten, dass die Zersetzungsrate stark von der höchsten Temperatur, der eine Substanz ausgesetzt ist, abhängt. Nach Arrhenius steigt die Zersetzungsgeschwindigkeit exponentiell mit der Temperatur an. Sie verdoppelt sich etwa alle 10K. D.h., dass bei einer Erhöhung der Temperaturbelastung des ORC-Arbeitsmediums um 20K das Arbeitsmedium mindestens viermal häufiger ersetzt werden muss.

Durch die Vermischung mit kälterem Heizmedium, das aus dem Verdampfer austritt, wird die Temperatur des Heizmediums am Verdampfereintritt gesenkt und dadurch begrenzt, ohne dass es erforderlich wäre, die Temperatur im gesamten Heizmedium-Kreislauf zu begrenzen. Der Strombedarf der Sekundärpumpe ist wegen des vergleichsweise geringen Druckverlusts in dem Teilsystem relativ gering, so dass der Stromverbrauch insgesamt sinkt. Die Leistung der Sekundärpumpe kann hierbei so regelbar sein, dass die Eintrittstemperatur in den Verdampfer möglichst konstant bleibt.

Der Anteil des mittels der Sekundärpumpe rückgeführten Heizmediums am gesamten in den Verdampfer eintretenden Heizmedium-Strom könnte einstellbar sein. Durch die Einstellung des Anteils zwischen rückgeführtem Heizmedium und „frischem" Heizmedium kann die Vorlauftemperatur des Heizmedium-Kreislaufs nun alleine nach den technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten des Systems gewählt werden. Bei einigen der heute bereits in Verbindung mit ORC-Technik häufig zum Einsatz kommenden Wärmeträgern kann der Primärvolumenstrom zumindest etwa halbiert werden. Durch einen entsprechend hohen Sekundärvolumenstrom kann außerdem die Verdampfungstemperatur des ORC-Arbeitsmediums gesteigert werden, ohne dass eine höhere Temperaturbelastung auftritt. Dies führt gleichzeitig zu einer Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads des ORC-Prozesses. Durch die Erhöhung der Verdampfungstemperatur steigt gleichzeitig auch der Dampfdruck an. Dadurch können beispielsweise bei Turbinen – die in den meisten Fällen als Entspannungsmittel eingesetzt werden – bei gleicher Konstruktion der Dampfdurchsatz erhöht werden. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn eine Leistungserhöhung in der beschriebenen Art und Weise auch für bereits ausgeführte Anlagen durch Nachrüstung erfolgen soll.

Zwischen dem Verdichtungsmittel für das Kondensat und dem Verdampfer könnte ein zusätzlicher Wärmeübertrager in Parallelschaltung zum Rekuperator/inneren Wärmeübertrager betreibbar sein. Dieser zusätzliche Wärmeübertrager ist demnach von dem Rekuperator abgekoppelt und kann unabhängig von diesem betrieben werden. Zum Betrieb dieses zusätzlichen Wärmeübertragers können auch andere Energiequellen dienen.

Der zusätzliche Wärmeübertrager könnte durch den Gesamt- bzw. einen Teilstrom des im Hauptkreislauf zirkulierenden Heizmediums betreibbar sein. Hierdurch wird in ganz besonders vorteilhafter Weise eine weitere Abkühlung des Heizmediums und dadurch ein erhöhter Wärmeeintrag in den ORC-Prozess erreicht. Im Falle einer vorhandenen Sekundärpumpe könnte der gesamte Strom des Heizmediums im Hauptkreislauf durch den zusätzlichen Wärmeübertrager geleitet werden. Wird – wie weiter oben beschrieben – am Ein- bzw. Austritt des Verdampfers auf der Seite des Heizmediums keine Sekundärpumpe betrieben, so könnte ein Teilstrom durch den zusätzlichen Wärmeübertrager geleitet werden. Dieser Teilstrom könnte regelbar sein, so dass eine möglichst hohe Aufnahme an Primärenergie erfolgt, oder eine bestimmte Temperatur, z.B. zur Vermeidung der Taupunktunterschreitung, nicht unterschritten wird.

Zwischen das Verdichtungsmittel für das Kondensat und den Verdampfer und/oder zwischen den Rekuperator/inneren Wärmeübertrager und den Verdampfer könnte ein Vorerhitzer geschaltet sein. Der Vorerhitzer dient zum Verringern der im Verdampfer zu übertragenden Wärme. Er kann aus der Abwärme anderer Prozesse, aus Primärenergie zur Abdeckung von Spitzenlasten oder aus anderen Energiequellen betrieben werden.

Zwischen den Verdampfer und das Entspannungsmittel für den Dampf könnte ein Nacherhitzer geschaltet sein. Eine weitere Überhitzung des Dampfs kann zu einem vergrößerten Enthalpiegefälle bei der nachfolgenden Entspannung führen. Idealerweise kann der Nacherhitzer aus zur Verfügung stehender Abwärme oder ähnlichem betrieben werden.

Das Entspannungsmittel für den Dampf könnte mindestens eine Turbine aufweisen, in der die Energie des Dampfs zumindest teilweise in mechanische Energie umwandelbar ist. Idealerweise ist die Turbine je nach Druckbereich der Entspannung bzw. je nach der chemischen Zusammensetzung des Arbeitsmittels und damit verbundener evtl. auftretender Korrosivität spezifiziert.

Die in der Turbine anfallende mechanische Energie könnte durch den Einsatz von mindestens einem nachgeschalteten Generator zumindest teilweise in elektrische Energie umwandelbar sein. Hierbei kann ein handelsüblicher Generator zum Einsatz kommen.

Der Kondensator könnte durch ein Kühlmedium, insbesondere Wasser, durchströmbar sein. Wasser ist hierbei ein traditionell besonders bevorzugtes Kühlmedium, nämlich wegen seiner Ungiftigkeit und der unproblematischen Verfügbarkeit. Die Anlage kann wahlweise auch so spezifiziert werden, dass das Kühlmedium, insbesondere Wasser, beim Kühlvorgang verdampft und dadurch eine besonders hohe Wärmeaufnahme bietet.

Die im Kondensator anfallende Kondensationswärme könnte zumindest zu einem Teil als Brauchwärme verfügbar sein. Eine weitere Nutzung der Kondensationswärme ist im Sinne eines erhöhten thermischen Wirkungsgrads des Gesamtprozesses wünschenswert. Zur Abdeckung von Spitzenlasten bzw. zur Vermeidung von weiterem apparativen Aufwand kann alternativ jedoch auch ein herkömmlicher Kühlturm zum Abführen der Kondensationswärme vorgesehen werden.

Das Verdichtungsmittel für das Kondensat könnte eine Speisepumpe aufweisen. Hierbei kann auf handelsübliche Pumpen zurückgegriffen werden.

Die Speisepumpe könnte durch das Entspannungsmittel für den Dampf über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe antreibbar sein. Diese Anordnung führt zu einer weiteren Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads des Gesamtprozesses. Des Weiteren muss für die Speisepumpe kein zusätzlicher Motor und keine zusätzliche Antriebseinheit angeschafft werden. Die Investitionskosten sinken dadurch erheblich.

Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 gelöst.

Um Wiederholungen zu vermeiden, sei hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Ausführungen bzgl. der Vorrichtung verwiesen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 ein schematisches Diagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC), wobei eine spezielle Ausführungsform der Vorrichtung verwendet wird.
2 eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens aus 1, wobei zusätzlich eine Sekundärpumpe im Heizmedium-Kreislauf verwendet wird.
1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der ein organisches Arbeitsmedium 1 als Kondensat in einem Verdichtungsmittel für das Kondensat 2, dass in dieser Ausführungsform als Speisepumpe ausgebildet ist, verdichtet und gefördert wird. Die Speisepumpe wird hier von einem eigenen Motor 3 angetrieben. Wie voranstehend erläutert, kann der Antrieb des Verdichtungsmittels für das Kondensat alternativ über die aus der Entspannung des Dampfs gewonnene mechanische Energie erfolgen.
Zunächst soll nun im Folgenden der in den heutzutage verwendeten Vorrichtungen gemäß Stand der Technik vollzogene weitere Weg des Arbeitsmediums betrachtet werden. Demgemäß durchströmt das verdichtete Kondensat den Rekuperator/inneren Wärmeübertrager 4 und wird dort vorgeheizt. Anschließend strömt das vorgeheizte Kondensat in den Verdampfer 5, wo es ggf. bis zur Siedetemperatur weitererhitzt wird, verdampft und ggf. überhitzt wird. Der Dampf des Arbeitsmediums 1 tritt schließlich in das Entspannungsmittel für den Dampf 7 ein, dass in dieser Ausführungsform als Turbine ausgebildet ist. Der Dampf wird in der Turbine entspannt, wodurch mechanische Energie frei wird. In der hier gezeigten Ausführungsform wird die mechanische Energie zumindest teilweise durch einen mit der Turbine verschalteten Generator 8 in elektrische Energie umgewandelt.
Der entspannte, jedoch üblicherweise überhitzte Dampf tritt danach in den Rekuperator/inneren Wärmeübertrager 4 ein und heizt den Strom des verdichteten Kondensats im Gegenstrom vor.
Anschließend tritt der nur noch wenig überhitzte Dampf in den Kondensator 9 ein, wo er kondensiert wird. Zu diesem Zweck durchströmt ein Kühlmedium 10 den Kondensator und nimmt die Kondensationswärme des Arbeitsmediums 1 auf.
Erfindungsgemäß ist nun eine Abzweigung 11 vorgesehen, durch die der Strom des verdichteten, aus dem Verdichtungsmittel für das Kondensat 2 austretenden Kondensats aufteilbar ist. Ein Teilstrom strömt in den Rekuperator 4, während der andere Teilstrom erfindungsgemäß dem zusätzlichen Wärmeübertrager 12 zugeleitet wird, in dem der abgezweigte Kondensatstrom – idealerweise mit zur Verfügung stehender Primärenergie niedrigeren Temperaturniveaus – vorgeheizt werden kann.
Hierzu wird in besonders vorteilhafter Weise der aus dem Verdampfer 5 austretende Strom des Heizmediums 6 verwendet, um nämlich den abgezweigten Kondensatstrom vorzuheizen und den Betrag der in den Prozess eingetragenen Primärenergie durch die weitere Abkühlung des Heizmediums zu erhöhen. Alternativ kann der zusätzliche Wärmeübertrager 12 über einen separaten Kreislauf des Heizmediums, direkt durch die Primärenergiequelle oder auch durch andere verfügbare Energiequellen betrieben werden.
2 zeigt eine ganz besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der in 1 gezeigten Vorrichtung sowie des in 1 gezeigten Verfahrens. Hierzu ist im Kreislauf des Heizmediums 6 nach dem Austritt aus dem Verdampfer 5 eine Abzweigung 13 für das Heizmedium 6 vorgesehen, durch die der Strom des Heizmediums aufteilbar ist. Ein Teil des Stroms kann nun zur Primärenergiequelle zurückgeführt werden oder vorher noch zum Betrieb des zusätzlichen Wärmeübertragers 12 genutzt werden.
Der andere Teil des Heizmedium-Stroms wird durch eine Sekundärpumpe 14 zum Eintritt des Heizmediums 6 in den Verdampfer 5 zurückgefördert. Der Anteil des zurückgeförderten Heizmediums 6 am gesamten, in den Verdampfer 5 eintretenden Heizmedium-Strom kann hierbei beliebig groß sein. Durch die Sekundärpumpe wird in einem Teilkreislauf ein besonders großer Massenstrom des Heizmediums erreicht und gleichzeitig die Eintrittstemperatur des Heizmediums 6 in den Verdampfer 5 abgesenkt. Dadurch wird das organische Arbeitsmedium 1 thermisch geschont und gleichzeitig die durch den im gesamten Heizmedium-Kreislauf auftretenden Druckverlust ansonsten erforderliche hohe Pumpleistung minimiert.
Es soll betont werden, dass die Sekundärpumpe 14 unabhängig von der Größe des durch die Abzweigung 11 abgezweigten Kondensatstroms in für den Gesamtprozess vorteilhafter Weise betreibbar ist.
Abschließend sei hervorgehoben, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele die beanspruchte Lehre erörtern, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium (1) nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie mit mindestens einem Verdichtungsmittel für das Kondensat (2), mindestens einem Rekuperator/inneren Wärmeübertrager (4) für die Wärmeübertragung zwischen entspanntem Dampf und verdichtetem Kondensat, mindestens einem Verdampfer (5) für das verdichtete Kondensat und mindestens einem Entspannungsmittel für den Dampf (7), dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichtungsmittels für das Kondensat (2) der Kondensatstrom aufteilbar ist und ein Teil des Kondensatstroms abzweigbar und dem Verdampfer (5) unter Umgehung des Rekuperators/inneren Wärmeübertragers (4) zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des abgezweigten Kondensatstroms im Hinblick auf einen maximalen Wert der erzeugten mechanischen Energie wählbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des abgezweigten Kondensatstroms im Hinblick auf eine gleichzeitige Optimierung des thermischen und des mechanischen Wirkungsgrads des Prozesses wählbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (1) aus einem Alkan, einem Naphthen, einem Aromat, einem synthetischen Öl, einer teil- oder vollchlorierten oder -flourierten Kohlen- bzw. Kohlenwasserstoffverbindung, einem Silikonöl oder aus einem Gemisch solcher Stoffe untereinander oder mit Wasser besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) durch ein Heizmedium (6), insbesondere Thermoöl, beheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium (6) mittels eines Wärmestroms aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, aus der Verbrennung von Biogas oder Bioabfall, aus Industrie- oder Energieumwandlungsprozessen, aus geothermischen Quellen, aus Solarenergie oder anderen Quellen erhitzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Heizmediums (6) durch den Verdampfer (5) in einem Kurzkreislauf vergrößerbar ist und eine Sekundärpumpe (14) vorgesehen ist, durch die der Volumenstrom durch den Verdampfer (5) vergrößerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sekundärpumpe (14) der Anteil des rückgeführten Heizmediums (6) am gesamten in den Verdampfer (5) eintretenden Heizmedium-Strom einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichtungsmittel für das Kondensat (2) und dem Verdampfer (5) ein zusätzlicher Wärmeübertrager (12) in Parallelschaltung zum Rekuperator/inneren Wärmeübertrager (4) betreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, durch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wärmeübertrager (12) durch den Gesamt- bzw. einen Teilstrom des im Hauptkreislauf zirkulierenden Heizmediums (6) betreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Verdichtungsmittel für das Kondensat (2) und den Verdampfer (5) und/oder zwischen den Rekuperator/inneren Wärmeübertrager (4) und den Verdampfer (5) ein Vorerhitzer geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verdampfer (5) und das Entspannungsmittel für den Dampf (7) ein Nacherhitzer geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsmittel für den Dampf (7) mindestens eine Turbine aufweist, in der die Energie des Dampfs zumindest teilweise in mechanische Energie umwandelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Turbine anfallende mechanische Energie durch den Einsatz von mindestens einem nachgeschalteten Generator (8) zumindest teilweise in elektrische Energie umwandelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (9) durch ein Kühlmedium (10), insbesondere Wasser, durchströmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kondensator (9) anfallende Kondensationswärme zumindest zu einem Teil als Brauchwärme verfügbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsmittel für das Kondensat (2) eine Speisepumpe aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepumpe durch das Entspannungsmittel für den Dampf (7) über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe antreibbar ist.
Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium (1) nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei mindestens ein Verdichtungsmittel für das Kondensat (2), mindestens ein Rekuperator/innerer Wärmeübertrager (4) für die Wärmeübertragung zwischen entspanntem Dampf und verdichtetem Kondensat, mindestens ein Verdampfer (5) für das verdichtete Kondensat und mindestens ein Entspannungsmittel für den Dampf (7) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichtungsmittels für das Kondensat (2) der Kondensatstrom aufgeteilt wird und ein Teil des Kondensatstroms abgezweigt und dem Verdampfer (5) unter Umgehung des Rekuperators/inneren Wärmeübertragers (4) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des abgezweigten Kondensatstroms im Hinblick auf einen maximalen Wert der erzeugten mechanischen Energie gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des abgezweigten Kondensatstroms im Hinblick auf eine gleichzeitige Optimierung des thermischen und des mechanischen Wirkungsgrads des Prozesses gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium (1) ein Alkan, ein Naphthen, ein Aromat, ein synthetisches Öl, eine teil- oder vollchlorierte oder -flourierte Kohlen- bzw. Kohlenwasserstoffverbindung, ein Silikonöl oder ein Gemisch solcher Stoffe untereinander oder mit Wasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) durch ein Heizmedium (6), insbesondere Thermoöl, beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium (6) mittels eines Wärmestroms aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, aus der Verbrennung von Biogas oder Bioabfall, aus Industrie- oder Energieumwandlungsprozessen, aus geothermischen Quellen, aus Solarenergie oder anderen Quellen erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Heizmediums (6) durch den Verdampfer (5) in einem Kurzkreislauf vergrößert wird und eine Sekundärpumpe (14) vorgesehen ist, durch die der Volumenstrom durch den Verdampfer (5) vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sekundärpumpe (14) der Anteil des rückgeführten Heizmediums (6) am gesamten in den Verdampfer (5) eintretenden Heizmedium-Strom eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher, zwischen das Verdichtungsmittel für das Kondensat (2) und den Verdampfer (5) und parallel zum Rekuperator/inneren Wärmeübertrager (4) geschalteter Wärmeübertrager (12) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wärmeübertrager (12) durch den Gesamt- bzw. einen Teilstrom das im Hauptkreislauf zirkulierenden Heizmediums (6) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen das Verdichtungsmittel für das Kondensat (2) und den Verdampfer (5) und/oder zwischen den Rekuperator/inneren Wärmeübertrager (4) und den Verdampfer (5) geschalteter Vorerhitzer verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen den Verdampfer (5) und das Entspannungsmittel für den Dampf (7) geschalteter Nacherhitzer verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Entspannungsmittel für den Dampf (7) mindestens eine Turbine verwendet wird, in der die Energie des Dampfs zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Turbine anfallende mechanische Energie durch den Einsatz von mindestens einem nachgeschalteten Generator (8) zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (9) durch ein Kühlmedium (10), insbesondere Wasser, durchströmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kondensator (9) anfallende Kondensationswärme zumindest zu einem Teil als Brauchwärme genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichtungsmittel für das Kondensat (2) eine Speisepumpe verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepumpe durch das Entspannungsmittel für den Dampf (7) über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe angetrieben wird.