DE102006035263B3 - Verfahren zur Nutzung der Abwärme bei Betrieb einer Turbine mit einem dampfförmigen Medium - Google Patents

Verfahren zur Nutzung der Abwärme bei Betrieb einer Turbine mit einem dampfförmigen Medium Download PDF

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme bei Betrieb einer Turbine (2) mit einem dampfförmigen Medium, wobei der Turbine (2) eine erste Vorrichtung (3) zur Abkühlung des dampfförmigen Mediums durch ein Kühlmedium nachgeschaltet ist, wobei das Kühlmedium durch eine weitere Vorrichtung (4) auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, wobei durch einen Wärmetauscher (5) durch das Kühlmedium das der Turbine (2) zugeführte Medium erwärmt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme bei Betrieb einer Turbine mit einem dampfförmigen Medium.
  • Die Art des Mediums zum Betrieb einer derartigen Dampfturbine hängt im Wesentlichen davon ab, welche Temperatur für die Verdampfung des Mediums zur Verfügung steht. Im Bereich der erneuerbaren Energien verwendet man, da die Temperaturen, die zur Verdampfung des der Turbine zugeführten Mediums nicht allzu hoch sind, im Wesentlichen sogenannte Kältemittel, z. B. Ammoniak. Zur Überführung dieses Kältemittels in einen dampfförmigen Zustand wird Wärme benötigt. Im Bereich der erneuerbaren Energien stehen Wärmequellen zur Verdampfung des Kältemittels in einem Verdampfer in den vielfältigsten Varianten zur Verfügung. So ist z. B. bekannt, im Wege der Solarthermik oder durch Brennstoffzellen eine entsprechende Wärmequelle zur Verfügung zu stellen. Schlussendlich entsteht allerdings auch entsprechende Energie beim Betrieb von sogenannten Biogasanlagen.
  • Wesentlich ist ausschließlich, dass ein entsprechender Wärmeträger zur Verfügung steht, mit Hilfe dessen durch einen Verdampfer das Kältemittel, das einer Turbine zugeführt wird, in den entsprechenden dampfförmigen Aggregatzustand bei vorgegebener Temperatur und Druck überführt werden kann.
  • Bei Austritt des Kältemediums aus der Turbine ist erforderlich, dass das Kältemedium heruntergekühlt wird, und zwar insbesondere so weit heruntergekühlt wird, dass das Medium in den Flüssigzustand übergeht. Dies deshalb, weil zwischen dem Eingang der Turbine und dem Ausgang der Turbine eine energetische Potentialdifferenz vorhanden sein muss. Der Wirkungsgrad der Turbine ist im Wesentlichen abhängig von der Höhe der energetischen Potentialdifferenz. Insofern sollte die Temperaturdifferenz möglichst hoch sein. Vorzugsweise wird daher das Medium, das die Turbine verlässt, so weit heruntergekühlt, dass es flüssig ist.
  • Zur Abkühlung des aus der Turbine austretenden dampfförmigen Mediums ist insbesondere ein Kondensator vorgesehen. Hierzu ist aus Schmidt, E., Stephan, K., Mayinger, F.: Technische Thermodynamik bekannt, bei Dampfkraftanlagen dem Wasserdampfprozess einen zweiten Prozess nachzuschalten. Hierbei wird der Wasserdampf nur bis zu Drücken von 15 bis 20 bar entspannt, führt ihm dann einen Wärmetauscher zu, wo er dann sein Kondensationsenhalpie an ein Kältemittel abgibt und verdampft.
  • Nach dem Stand der Technik ist es nun so, dass nach Abkühlen des Mediums zum Betrieb der Turbine eine erhebliche Menge an Flüssigkeit, meistens Wasser, erhöhter Temperatur zur Verfügung steht, wobei dieses Wasser in irgendeiner Weise wieder abgekühlt werden muss, um es entweder zur weiteren Kühlung zu verwenden oder aber weil es in dem hocherwärmten Zustand der Umwelt beispielsweise in einen Bach oder in einen Flusslauf nicht zurückgeführt werden kann. Das heißt, dass die Energie, die zur Kühlung des zum Betrieb der Turbine notwendigen Mediums bereitgestellt werden muss, nutzlos an die Umgebung abgegeben wird.
  • Aus der DE 2 000 125 A1 ist in diesem Zusammenhang bekannt, einer Kondensationsturbine einen Wärmetauscher nachzuschalten, der die bei diesem Betrieb anfallende Wärme einer Wiederverwertung als Heizmedium zuführt. Hierdurch soll eine Erwärmung des Wasser von Flüssen, das zur Kühlung herangezogen wird, vermieden werden.
  • Zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Kühlmedium nach Verlassen des Kondensators, in dem das Kühlmedium, das das zum Betrieb der Turbine erforderliche dampfförmige Medium herunterkühlt, durch eine weitere Vorrichtung auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, wobei durch einen Wärmetauscher durch das Kühlmedium das der Turbine wiederum zugeführte Medium erwärmt wird.
  • Hierbei ist die weitere Vorrichtung vorzugsweise als Wärmepumpe ausgebildet, kann aber auch ein Verdampfer sein. Nach einer Variante kann vorgesehen sein, dass durch die weitere Vorrichtung, die sich insbesondere als Wärmepumpe darstellt, das Kühlmedium ein derartiges Temperaturniveau erhält, dass das der Turbine zugeführte Medium durch einen entsprechenden Wärmetauscher in den dampfförmigen Zustand überführt werden kann. Allerdings ist dann, wenn die beispielsweise durch die Wärmepumpe bereitgestellte Energie des Kühlmediums nicht ausreichend ist, um eine solche Verdampfung des der Turbine zugeführten Mediums zu erreichen, eine weitere Stufe vorgesehen ist, in der schlussendlich durch einen weiteren Wärmetauscher in Form eines Verdampfers das der Turbine zugeführte Medium verdampft wird.
  • Wie bereits an anderer Stelle erläutert, wird für den oben beschriebenen thermodynamischen Prozess insbesondere ein Kältemittel verwandt, das einen relativ niedrigen Dampfpunkt hat, wie z. B. Ammoniak. Insofern sind bereits niedrige Temperaturen von Abwasser in der Lage, ein solches Kältemittel bei zum Betrieb der Turbine vorgegebenem Druck in den dampfförmigen Zustand zu überführen.
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
  • Mit 1 ist ein Verdampfer bezeichnet, dem als Wärmequelle z. B. warmes Wasser zugeführt wird, mit welchem ein Kältemittel in den dampfförmigen Zustand überführt wird. Dieses dampfförmige Kältemittel wird dann der mit 2 bezeichneten Turbine zugeführt, von wo aus dieses Kältemittel in einen Kondensator 3 strömt. Der als Kondensator ausgebildete Wärmetauscher 3 sorgt für eine Verflüssigung des Kältemittels, wobei die Verflüssigung des Kältemittels beispielsweise durch Wasser geringer Temperatur erfolgt, das dem Wärmetauscher zugeführt wird. Durch die Verflüssigung des Kältemittels erwärmt sich das als Kühlmedium dem Kondensator zugeführte Wasser, wobei dieses Wasser dann einer Wärmepumpe 4 zugeführt wird, wonach das hierbei erwärmte Wasser wiederum einem Wärmetauscher 5 zugeführt wird, der das Kältemittel aus dem Kondensator 3 auf ein höheres Temperaturniveau überführt. Ist die Temperaturerhöhung des Kältemittels in dem Wärmetauscher 5 derart, dass das Kältemittel nach Verlassen des Wärmetauschers 5 flüssig ist, dann ist vorgesehen, das Kältemittel in den Verdampfer 1 zu überführen, von wo aus es dann in den dampfförmigen Zustand überführt wird. Ist das Temperaturniveau des Kühlmediums nach der Wärmepumpe hingegen derart, dass das Kältemittel im Wärmetauscher 5 in den dampfförmigen Zustand überführt werden kann, der Wärmetauscher 5 somit als Verdampfer ausgebildet ist, dann kann vom Grundsatz her der Verdampfer 1 entfallen, da dann das Medium unmittelbar der Turbine 2 zugeführt werden kann.
  • Insbesondere dann, wenn als Wärmequelle genügend warmes Wasser, auch geringerer Temperatur als das, was dem Verdampfer 1 zugeführt wird zur Verfügung steht, besteht die Möglichkeit, dem Kreislauf einen weiteren Wärmetauscher 6 hinzuzufügen, um nämlich das Wasser nach Verlassen des Kondensators 3 und vor Eintritt in die Wärmepumpe 4 auf ein höheres Temperaturniveau zu überführen.
  • Hieraus wird deutlich, dass durch den Einsatz einer Wärmepumpe die Restwärme, die bei der Abkühlung des aus der Turbine austretenden Kältemittels entsteht, benutzt werden kann, um das Kältemittel vor der Zuführung in die Turbine auf ein höheres energetisches Potential zu überführen, so dass auch schlussendlich die Abwärme, die bei der Verflüssigung oder Abkühlung des Kältemittels entsteht, nutzbar gemacht wird.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Nutzung der Abwärme bei Betrieb einer Turbine (2) mit einem dampfförmigen Medium, wobei der Turbine (2) eine erste Vorrichtung (3) zur Abkühlung des dampfförmigen Mediums durch ein Kühlmedium nachgeschaltet ist, wobei das Kühlmedium durch eine weitere Vorrichtung (4) auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, wobei durch einen Wärmetauscher (5) durch das Kühlmedium das der Turbine (2) zugeführte Medium erwärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung (4) eine Wärmepumpe oder Kältemaschine ist.
  3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung (3) zur Abkühlung des dampfförmigen Mediums ein Kondensator ist.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der weiteren Vorrichtung (4) zugeführte Kühlmedium vor Zuführung der weiteren Vorrichtung in einem Wärmetauscher (6) durch eine Wärmequelle erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Wärmetauscher (5) austretende, der Turbine zuzuführende Medium durch einen weiteren Wärmetauscher (1) verdampft wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Turbine (2) zugeführte Medium ein Kältemittel ist.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) als Verdampfer ausgebildet ist.
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