DE102006005472A1

DE102006005472A1 - Verfahren zur Erzeugung mechanischer/elektrischer Energie mithilfe eines Sorptionskraftprozesses

Info

Publication number: DE102006005472A1
Application number: DE200610005472
Authority: DE
Inventors: Hans Foerster
Original assignee: Forster Hans Dr Ing
Current assignee: Forster Hans Dr Ing
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-09

Abstract

Das Verfahren ist vorteilhaft anwendbar für die Umwandlung von Wärmeströmen zwischen 100 und 250°C zur Erzeugung mechanischer/elektrischer Energie bei einer Nutzauskühlung der Wärmeträger bis unter 70°C. Als Arbeitsstoffpaar des Sorptionskraftprozesses ist die Verwendung eines gut sorptionsfähigen Arbeitsmittels in einem geeigneten Absorptionsmittel erforderlich, z. B. Ammoniak und Wasser. Das Verfahren ist hauptsächlich für mittlere und große Leistungen zu empfehlen. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sorptionskraftprozess mit hoher Auskühlung des Wärmeträgers 17, größtmöglichen Enthalpiegefälles bei der Entspannung der Arbeitsmitteldämpfe 12 und einfacher Entspannungsmaschine 15 zu gestalten. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die reiche Lösung 5 aus dem Absorber 1 auf einen Resorber 9 und einen Mitteldruckdesorber 7 aufgeteilt wird, im Resorber 9 eine verminderte Menge hoher Konzentration des Resorbates 4 erzeugt und in den Hochdruckdesorber 3 eingespeist wird, während die arme Lösung 2 des Hochdruckdesorbers 3 und die arme Lösung 11 des Mitteldruckdesorbers 7 in den Absorber 1 zurückgeführt werden. Der Arbeitsmitteldampf 12 wird in einem Dampfkonzentrierer 13 von Anteilen des Lösungsmittels befreit, in einem Überhitzer 14 überhitzt und in einer Entspannungsmaschine 15 ohne Entnahme vollständig auf Absorberdruck zurückentspannt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie aus Abwärmen mithilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses für ein Zweistoffgemisch aus einem absorbierbaren dampfförmigen Arbeitsmittel und einem flüssigen Absorptionsmittel. Solche Kreisprozesse werden in der Literatur auch Sorptionskraftprozesse (SKP) genannt. Anwendbar ist der erfindungsgemäße Kreisprozess zur Umwandlung von Abwärmen in elektrische Energie mit großer Auskühlung des Wärmeträgers z. B. bei geothermischen Kraftwerken, zur Nutzung der Abgaswärme und der Motorwärme bei Blockheizkraftwerken, als solarthermisches Kraftwerk, zur Optimierung des kalten Endes thermischer Kraftwerke und zur Nutzung von anderen industriellen Wärmen.
Bekannt sind Kreisprozesse für die Umwandlung von Abwärmen in elektrische Energie als Clausius-Rankine-Prozesse mit organischem Arbeitsmittel, sog. ORC-Prozesse (organic Rankine cycle). Der Nachteil dieser Verfahren ist die unzureichende Nutzung des Energieangebotes. Das bedeutet, dass Wärmeträger nicht wirtschaftlich ausgekühlt werden. Das ist immer ein Nachteil, besonders aber bei geothermisch gewonnenen Wärmen.
Hoffnungen werden gegenwärtig in einen Prozess gesetzt, der unter dem Namen Kalina-Prozess¹⁾ bekannt geworden ist. Die Kompliziertheit des Prozesses hat aber bisher keine wirtschaftliche Realisierung ermöglicht. Außerdem treten bei der Entspannung Dampfgemische auf. Seit Bošnjakovič²⁾³⁾ ist bekannt, dass die Entspannung von Gemischen verschiedener Dämpfe energetische Nachteile zur Folge hat.

Bekannt sind ferner Sorptionskraftprozesse nach der Patentschrift DD 161075 vom 08.04.1980. Bei diesen werden Zweistoffgemische absorbierbarer Dämpfe und ein flüssiges Absorptionsmittel verwendet. Der Kondensator der Einstoffprozesse wird ersetzt durch einen Absorber, der Dampferzeuger durch einen Desorber. Durch den zusätzlichen Parameter „Konzentration" ergibt sich eine neue Vielfalt für die Prozessgestaltung.

Sorptionskraftprozesse haben den Vorteil, dass die arbeitsleistende Entspannung weit unter dem Grenzwert der Kondensationstemperatur bei Umwelttemperatur erfolgen kann, weil die Verflüssigung durch Absorption erfolgt (nicht durch Kondensation). Es wurde seinerzeit erkannt, dass ein großes Konzentrationsintervall bei der Desorption auch eine große Auskühlung des verfügbaren Wärmeträgers sichert. Dieses große Konzentrationsintervall wurde durch mehrstufige Absorption und mehrstufige Entnahme von Ammoniak aus der Turbine ermöglicht⁴⁾⁵⁾. Dementsprechend sind Entnahmeturbinen erforderlich. Als Nachteil erwies sich aber, dass die kursierende Lösungsmenge den größten Teil des Arbeitsmittels aus der Turbine als Entnahmedampf abzieht und nur eine geringe Menge des Arbeitsmittels bis zum vorgesehenen Entspannungsende in der Turbine verbleibt. Damit geht der Hauptvorteil solcher Sorptionskraftprozesse mit Entnahme verloren. Außerdem sind die Kosten einer Entnahmeturbine mit mehreren zugeordneten Absorptionsstufen relativ groß.

Gesucht wird ein Verfahrensweg, Sorptionskraftprozesse ohne Entnahmeturbine bzw. ohne Entspannungsmaschine mit Entnahme zu gestalten, bei denen ein extrem großes Konzentrationsintervall zwischen Absorption und Desorption bei optimierten Lösungsmengen in den verschiedenen Prozessstufen realisierbar ist und eine größtmögliche Nutzauskühlung des Wärmeträgers bis unter 70°C erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe verfahrenstechnisch dadurch gelöst, dass dem Absorber 1 eine große Lösungsmenge geringer Konzentration als arme Lösung 2 und 11 und dem Hochdruckdesorber 3 eine kleine Lösungsmenge hoher Konzentration als Resorbat 4 zugeführt wird, indem die reiche Lösung 5 nach dem Absorber 1 in zwei Teilströme aufgeteilt und der eine Teilstrom 6 in einem Mitteldruckdesorber 7 desorbiert wird, der andere Teilstrom 8 in einem Mitteldruckresorber 9 die desorbierten Dämpfe 10 resorbiert, wobei die arme Lösung 11 des Mitteldruckdesorbers 7 zusätzlich zur armen Lösung 2 des Hochdruckdesorbers 3 zum Absorber 1 zurückgeführt und das Resorbat 4 des Resorbers 9 auf diese Weise mengenreduziert aber mit hoher Konzentration zum Hochdruckdesorber 3 transportiert wird.

Die Arbeitsmitteldämpfe 12 aus dem Hochdruckdesorber 3 werden in einem im Prinzip bekannten Dampfkonzentrierer 13 auf hohe Reinheit gebracht, in einem Überhitzer 14 überhitzt und in einer Entspannungsmaschine bzw. Entspannungsturbine 15 in einem Schritt auf Absorberdruck entspannt und als Entspannungsdampf 16 im Absorber 1 wieder verflüssigt. Der Wärmeträger 17 wird in drei Schritten ausgekühlt, wobei zuerst Wärme im Überhitzer 14, danach im Hochdruckdesorber 3 und schließlich im Mitteldruckdesorber 7 zugeführt wird. Die Abwärme des Prozesses wird im Absorber 1 und Resorber 9 an Kühlwasser 18 abgegeben, ggf. auch im Dampfkonzentrierer 13, sofern dieser nicht regenerativ durch kalte Lösung gekühlt wird.

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung erläutert.
1 zeigt das vereinfachte Verfahrensschema des beschriebenen Sorptionskraftprozesses mit Lösungspumpen und Wärmeübertragern, wobei diese im Text nicht gesondert gewürdigt werden.
Beschreibung des Verfahrens nach 1

Im gekühlten Absorber 1 wird Entspannungsdampf 16 mithilfe armer Lösungen 2, 11 durch Absorption verflüssigt. Der Arbeitsmitteldampf 12 und der Entspannungsdampf 16 repräsentieren das Kreisprozessarbeitsmittel, die armen Lösungen 2, 11 das Absorptionsmittel. Durch Absorption entsteht im Absorber 1 eine reiche Lösung 5, die auf 2 Teilströme 6 und 8 aufgeteilt wird. Der Teilstrom 6 wird regenerativ vorgewärmt und durch Wärmezufuhr aus der Restwärme des Wärmeträgers 17 im Mitteldruckdesorber 7 desorbiert, wobei die desorbierten Dämpfe 10 in den Resorber 9 eingeleitet werden und die verbleibende arme Lösung 11 nach Wärmeabgabe in den Absorber 1 zurückgeführt wird. Der Teilstrom 8 wird als Absorptionsmittel des Resorbers 9 verwendet. Die desorbierten Dämpfe 10 werden durch den Teilstrom 8 der reichen Lösung 5 resorbiert und ein Resorbat 4 hoher Konzentration des Arbeitsmittels gewonnen. Der mengenmäßig kleinere Resorbatstrom wird nach regenerativer Vorwärmung in den Hochdruckdesorber 3 eingespeist. Durch Beheizung mit Wärmeträger 17 werden die Arbeitsmitteldämpfe 12 freigesetzt, im Dampfkonzentrierer 13 von Lösungsmittelresten befreit, im Überhitzer 14 überhitzt und in der Entspannungsmaschine 15 (Turbine) wieder entspannt, so dass der Kreisprozess geschlossen ist. Die für das Verständnis unwesentlichen Komponenten wie Pumpen und Wärmeübertrager wurden in 1 dargestellt, bedürfen aber keiner gesonderten Erwähnung. Übliche Prozessparameter

Druck im Hochdruckdesorber 3	16 bis 40 bar
max. Überhitzungstemperatur	≤ 250°C
max. Desorptionsendtemperatur	≤ 160 bis 180°C
empfohlener Druck des Arbeitsmittels	~ 2 bar
nach der Entspannungsmaschine 15
Druck im Mitteldruckdesorber	4 bis 7 bar
Auskühlung des Wärmeträgers	≤ 70°C
nach dem Mitteldruckdesorber

Die vorgeschlagenen Parameter berücksichtigen die Vermeidung möglicher Korrosion bei hohen Desorptionstemperaturen, die Vermeidung eines thermischen Langzeitzerfalls von Ammoniak-Molekülen und die Vermeidung einer Aufnitrierung und damit Versprödung der Baustähle im Überhitzer. Je nach dem Temperaturniveau der verfügbaren Wärmeträger muss die Überhitzung und der Desorptionsdruck angepasst werden, um bei der Entspannung auf 2 bar (abs) eine Temperatur von 10 bis 20°C zu erreichen. Der vorgeschlagene Sorptionskraftprozess wird vorzugsweise mit Überhitzer für die Arbeitsmitteldämpfe bei hohem Druck ausgeführt, um ein maximales Enthalpiegefälle bei der Entspannung zu erzielen.

1: Absorber
2: arme Lösung des Hochdruckdesorbers
3: Hochdruckdesorber
4: Resorbat
5: reiche Lösung
6: Teilstrom der reichen Lösung zum Mitteldruckdesorber
7: Mitteldruckdesorber
8: Teilstrom der reichen Lösung zum Resorber
9: Resorber
10: desorbierte Dämpfe des Mitteldruckdesorbers
11: arme Lösung des Mitteldruckdesorbers
12: Arbeitsmitteldämpfe aus dem Hochdruckdesorber
13: Dampfkonzentrierer
14: Überhitzer
15: Entspannungsmaschine
16: Entspannungsdampf des Arbeitsmittels
17: Wärmeträger

Claims

Verfahren zur Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie aus Abwärmen mithilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses für ein Zweistoffgemisch, bestehend aus einem absorbierbaren dampfförmigen Arbeitsmittel und einem flüssigen Absorptionsmittel (Sorptionskreisprozess) mit den Hauptkomponenten des Prozesses Entspannungsmaschine 15, Absorber 1, Hochdruckdesorber 3, Dampfkonzentrierer 13 und Überhitzer 14 dadurch gekennzeichnet, dass dem Absorber 1 eine große Lösungsmenge geringer Konzentration als arme Lösung 2 und 11 und dem Hochdruckdesorber 3 eine kleine Lösungsmenge hoher Konzentration als Resorbat 4 zugeführt wird, in dem die reiche Lösung 5 nach dem Absorber 1 in zwei Teilströme aufgeteilt und der eine Teilstrom 6 in einem Mitteldruckdesorber 7 desorbiert wird, der andere Teilstrom 8 in einem Mitteldruckresorber 9 die desorbierten Dämpfe 10 resorbiert, wobei die arme Lösung 11 des Mitteldruckdesorbers 7 zusätzlich zur armen Lösung 2 des Hochdruckdesorbers 3 zum Absorber 1 zurückgeführt und das Resorbat 4 des Mitteldruckresorbers 9 auf diese Weise mengenreduziert – aber mit hoher Konzentration – zum Hochdruckdesorber 4 transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmitteldampf 12 nach dem Überhitzer 14 in der Entspannungsmaschine 15 in einem Schritt ohne Entnahme von Arbeitsmittel auf Absorberdruck entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger in der Reihenfolge Überhitzer 14 – Hochdruckdesorber 3 – Mitteldruckdesorber 7 oder – vereinfacht – in der Folge Hochdruckdesorber 3 – Mitteldruckdesorber 7 durchströmt wird, wenn im letztgenannten Fall die Überhitzung von einem zweiten Wärmeträger abgedeckt wird, wobei nach Wärmeabgabe im Mitteldruckdesorber 7 eine Auskühlung des Wärmeträgers bis unter 70°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Dampfkonzentrierer 13 das Verfahren und die Einrichtung nach DE 10219263 A1 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmeträger unterschiedlicher Temperatur in jeweils angepasster Reihen- oder Paralle- schaltung als Ausgangsenergie eingesetzt werden.