DE102007009503A1 - Multi-stage ORC cycle with intermediate dehumidification - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die optimale Nutzung von zwei Wärmequellen mit unterschiedlicher Wärmemenge und -temperatur wie zum Beispiel bei der Motorabwärme und der Abgaswärme von Verbrennungskraftmaschinen durch ORC-Strömungs- und Kolbenmaschinen, derart, dass das dampfförmige ORC-Arbeitsfluid mit stark nach rechts geneigter Sattdampflinie im P-h-Diagramm in mindestens zwei Schritten entspannt wird und zwischen den mindestens zwei Schritten eine Enthitzung des ORC-Arbeitsfluides derart erfolgt, dass die Enthitzungswärme dem flüssigen ORC-Arbeitsfluid in einem Vorwärmer II in einem oberhalb der Motorabwärme liegenden Temperaturbereich zugeführt wird.The invention relates to the optimal use of two heat sources with different heat quantity and temperature, such as in the engine waste heat and the exhaust heat of internal combustion engines by ORC flow and piston machines, such that the vapor ORC working fluid with strongly inclined to the right saturated steam line in Ph Is relaxed in at least two steps and between the at least two steps, a desuperheating of the ORC working fluid is such that the heat of dewatering is supplied to the liquid ORC working fluid in a preheater II in a range above the engine heat temperature range.

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Nutzung von mindestens zwei Wärmequellen mit unterschiedlicher Wärmemenge und – temperatur für mindestens zweistufige Turbinen oder sonstige Entspannungsmaschine erlaubt die Enthitzung des Arbeitsfluides nach einem ersten Entspannungsschritt derart, dass die bei der Enthitzung zurückgewonnene Wärmeenergie dem Arbeitsfluid oberhalb der Temperatur der ersten Wärmequelle wieder zugeführt werden kann.The inventive method to use at least two heat sources with different ones heat and - temperature for at least two-stage turbines or other expansion machine allowed the desuperheating of the working fluid after a first relaxation step such that the heat energy recovered during desuperheating the working fluid above the temperature of the first heat source fed again can be.

Der Stand der Technik ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid eines Dampfkreislaufes durch die Speisepumpe auf den gewünschten Druck gebracht wird und sodann nacheinander einen oder mehrere Vorwärmer, den Verdampfer und Überhitzer durchströmt und der dabei entstehende Dampf in einem oder mehreren Schritten entspannt wird und bei dieser Entspannung durch Kolbenmotoren, Schraubenmotoren oder Turbinen mechanische und dann elektrische Arbeit erzeugt wird. Bei herkömmlichen Dampfturbinen ist der Kreislauf bei Verwendung mehrstufiger Turbinen und bei Verwendung des Arbeitsmediums Wasser häufig zwischen den Turbinenstufen eine Zwischenüberhitzung vorgesehen, um eine Entspannung in den Nassdampfbereich vor oder in der nächsten Turbinenstufe zu vermeiden.Of the The prior art is characterized in that the working fluid a steam cycle through the feed pump to the desired Pressure is placed and then successively one or more preheater, the Evaporator and superheater flows through and the resulting vapor in one or more steps is relaxed and in this relaxation by piston engines, screw motors or Turbines mechanical and then electrical work is generated. at usual Steam turbines is the cycle when using multistage turbines and when using the working fluid, water frequently between the turbine stages a reheat intended to provide a relaxation in the wet steam area before or in the next Turbine stage to avoid.

Bei der Nutzung der Wärme unterschiedlicher Wärmequellen wie zum Beispiel bei einer Verbrennungskraftmaschine stellt sich die Frage der optimalen Nutzung der unterschiedlichen Wärmemengen bei unterschiedlichen Temperaturen. So liegt die Abgaswärme häufig zwischen 450°C bis 550°C an während die Motorabwärme, die Ölkühlung und die Ladeluftkühlung bei 90°C bis 105°C anfällt. Diese Wärmen sind mit dem Blick auf einen Dampfprozess bisher nur so zu vereinen, dass im Regelfall entweder ein kleiner Massenstrom des Arbeitsfluides zur Verdampfung bei hoher Temperatur gebracht werden kann oder ein grösserer Dampfmassenstrom bei relativ niedrigen Temperaturen von 115 bis 130°C. In beiden bekannten Fällen wird die zur Verfügung stehende Wärmemenge nicht optimal ausgenutzt.at the use of heat different heat sources such as in an internal combustion engine arises the question of the optimal use of different amounts of heat at different temperatures. So the exhaust heat is often in between 450 ° C to 550 ° C on while the engine waste heat, the oil cooling and the charge air cooling at 90 ° C up to 105 ° C accrues. These warms are so far to be united with the view of a steam process that usually either a small mass flow of the working fluid can be brought to evaporation at high temperature or a greater Steam mass flow at relatively low temperatures of 115 to 130 ° C. In both known cases will the available standing heat not optimally utilized.

Es stehen eine Reihe von Arbeitsfluiden für ORC-Prozesse zur Verfügung. Es können Kältemittel, auch fluorierte Kältemittel, Kohlenwasserstoffe, Siliconöle oder Thermoöle eingesetzt werden. Erfindungsgemäß sind insbesondere die ORC-Fluide von Interesse, die im P-h-Diagramm eine stark nach rechts geneigte Sattdampflinie aufweisen und die jeweiligen Isentropen weniger stark nach rechts geneigt sind. Diese ORC-Fluide haben die Eigenschaft, das eine adiabate Entspannung des Arbeitsfluides immer im überhitzten Bereich stattfindet und der Abstand zur Sattdampflinie mit zunehmender Entspannung sich immer weiter von der Sattdampflinie entfernt. Diese ORC-Arbeitsfluide müssen vor der Kondensation immer enthitzt werden.It There are a number of working fluids available for ORC processes. It can Refrigerants, too fluorinated refrigerants, Hydrocarbons, silicone oils or thermal oils be used. In particular, according to the invention the ORC fluids of interest, which in the P-h diagram a strong after have right inclined Sattdampflinie and the respective isentropes less inclined to the right. These ORC fluids have the Property that always works adiabatic relaxation of the working fluid in the overheated area takes place and the distance to the saturated steam line with increasing relaxation getting further and further away from the saturated steam line. These ORC working fluids have to Always be de-hydrated before condensation.

Bei ORC-Kreisläufen ist bisher vorgesehen, das die auf Grund der spezifischen nach rechts gerichteten Neigung der Sattdampflinie und einer etwas weniger nach rechts gerichteten Neigung der Isentropen anfallende Enthitzungswärme des Arbeitsfluides zur Vorwärmung des Arbeitsfluides nach der Speisepumpe wieder zu nutzen (s. a. Zeichnung 1 mit der Enthalpiedifferenz zwischen h9 und h10). Diese Enthitzungswärme steht in einem Temperaturbereich an, der sich im Regelfall mit dem Temperaturbereich der Motorabwärme schneidet.In ORC circuits is provided so far, that the due to the specific rightward inclination of the saturated steam line and a slightly less rightward tendency of isentropics accumulating Enthitzungswärme the working fluid for preheating the working fluid after the feed pump to reuse (sa see drawing 1 with the Enthalpy difference between h 9 and h 10 ). This heat of decay is in a temperature range which usually intersects with the temperature range of the engine waste heat.

Es ist aber wünschenswert sowohl die nach der Entspannung anfallende Enthitzungswärme, die Motorabwärme und die Abgaswärme möglichst vollständig zu nutzen.It but it is desirable both the heat of disinfestation arising after the release, the engine heat and the exhaust heat preferably Completely to use.

Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass nach einem ersten Entspannungsschritt des dampfförmigen Arbeitsfluides dieses Arbeitsfluid bis vor die Sattdampflinie enthitzt wird und diese Enthitzungswärme dem noch flüssigen Arbeitsfluid oberhalb der Temperatur aus der Motorabwärme zugeführt wird und sich erst dann ein zweiter Entspannungsschritt anschließt.This succeeds according to the invention that after a first step of relaxing the vaporous working fluid this working fluid is desaturated until before the saturated vapor line and this heat of dehumidification still liquid Working fluid above the temperature from the engine waste heat is supplied and only then followed by a second relaxation step.

Als besonders geeignet für die erfindungsgemäße neue Kreislaufführung für einen ORC-Prozess erweisen sich folgende Arbeitsfluide: Kohlenwasserstoffe wie Toluol C7H8 Pentan C5H12 Isopentan bzw. 2-Methyl-Butan C5H12 Heptan C7H16 Hexan C6H14 Cyclohexan C6H12 Butan C4H10 Isobutan C4H10 Oktan C8H18 Nonan C9H20 Ethan C2H6 Fluorierter Kohlenstoff FC-72 bzw. N-Perfluorhexan C6F14 R218 C3F8 Fluorierte Kohlenwasserstoffe R365mfc C4H5F5 R245fa C3H3F5 SES36 aceotrophes Gemisch aus R365 und R227 R123 CHCl2CF3 HFE-7100 bzw. C5H3F9O Siloxane wie Hexamethyldisiloxan C6H18OSi2 Octamethyltrisiloxan C8H24OSi3 The following working fluids prove to be particularly suitable for the novel circulation control according to the invention for an ORC process: Hydrocarbons such as toluene C 7 H 8 pentane C 5 H 12 Isopentane or 2-methyl-butane C 5 H 12 heptane C 7 H 16 hexane C 6 H 14 cyclohexane C 6 H 12 butane C 4 H 10 isobutane C 4 H 10 octane C 8 H 18 nonane C 9 H 20 Ethan C 2 H 6 Fluorinated carbon FC-72 or N-perfluorohexane C 6 F 14 R218 C 3 F 8 Fluorinated hydrocarbons R365mfc C 4 H 5 F 5 R245fa C 3 H 3 F 5 SES36 aceotrophic mixture of R365 and R227 R123 CHCl 2 CF 3 HFE-7100 or C 5 H 3 F 9 O Siloxanes like hexamethyldisiloxane C 6 H 18 OSi 2 octamethyltrisiloxane C 8 H 24 OSi 3

Der erfindungsgemäße neue Arbeitskreislauf mit oben genannten ORC-Arbeitsfluiden verläuft gemäß Zeichnung 1 wie folgt: h0 nach h1 Druckerhöhung durch Speisepumpe h1 nach h2 Gegenstromvorwärmung 1 durch Enthitzung des Abdampfes h2 nach h3 Zuführung Motorabwärme h3 nach h4 Gegenstromvorwärmung 2 durch Enthitzung zwischen Stufen h4 nach h5 Gegenstromvorwärmung 3 durch Abgaswärme h5 nach h6 Verdampfung und Überhitzung durch Abgaswärme h6 nach h7 erste Entspannungstufe zur Arbeitsleistung h7 nach h8 Enthitzung zur Gegenstromvorwärmung 2 h8 nach h9 zweite Entspannungstufe zur Arbeitsleistung h9 nach h10 Enthitzung zur Gegenstromvorwärmung 1 h10 nach h11 Kondensation h11 nach h0 Unterkühlung The new working cycle according to the invention with the above-mentioned ORC working fluids proceeds according to drawing 1 as follows: h 0 to h 1 Pressure increase by feed pump h 1 to h 2 Gegenstromvorwärmung 1 by desuperheating the exhaust steam h 2 to h 3 Supply of engine waste heat h 3 to h 4 Gegenstromvorwärmung 2 by desuperheating between levels h 4 to h 5 Gegenstromvorwärmung 3 by exhaust heat h 5 to h 6 Evaporation and overheating due to exhaust heat h 6 to h 7 first relaxation stage to work performance h 7 to h 8 De-icing for countercurrent preheating 2 h 8 to h 9 second relaxation stage to work performance h 9 to h 10 De-icing for countercurrent preheating 1 h 10 to h 11 condensation h 11 to h 0 hypothermia

Der in der Zeichnung 1 beschriebene Kreisprozess ist in der Zeichnung 2 mit den wesentlichen Bauelemente dargestellt.Of the in the drawing 1 described circular process is in the drawing 2 shown with the essential components.

In der Zeichnung 3 ist ein erfindungsgemäß vergleichbarer Kreisprozess mit seinen wesentlichen Bauelementen dargestellt mit dem Unterschied, dass die Wärme des Schrittes h9 nach h18 nicht zur Vorwärmung 1 genutzt, sondern ausgekoppelt und einem anderen Wärmeprozess zum Beispiel für Heizung oder Trocknung zur Verfügung gestellt wird.In the drawing 3, a comparable circular process according to the invention is shown with its essential components with the difference that the heat of the step h 9 after h 18 not to preheat 1 but decoupled and made available to another heat process, for example for heating or drying.

In der Zeichnung 4 schließlich ist ein erfindungsgemäß vergleichbarer Kreisprozess dargestellt, der nach der Kondensation und Unterkühlung eine erste Niederdruckspeisepumpe mit einem nachfolgenden 3-Wegeventil (13) vorsieht, in dem das flüssige Arbeitsfluid in einem ersten Teilmassenstrom bei niedrigem Druck über die Wärmetauscher (4) und (3) dem Dampfmischventil (14) vor der zweiten Arbeitsstufe zufließt und der zweite Teilmassenstrom über die Hochdruckspeisepumpe (12) und die Wärmetauscher (2) und (1) der ersten Arbeitstufe zufließt, in dieser entspannt wird und im Gegenstrom über den Wärmetauscher (2) dem Dampfmischventil (14) vor der zweiten Arbeitsstufe zuströmt. Diese Ausführungsform hat erfindungsgemäß den besonderen Vorteil der Verringerung der Speisepumpenarbeit.In the drawing 4, finally, a comparable circular process according to the invention is shown, which after the condensation and subcooling a first low-pressure feed pump with a subsequent 3-way valve ( 13 ), in which the liquid working fluid in a first partial mass flow at low pressure via the heat exchangers ( 4 ) and ( 3 ) the steam mixing valve ( 14 ) flows in front of the second working stage and the second partial mass flow via the high-pressure feed pump ( 12 ) and the heat exchangers ( 2 ) and ( 1 ) flows into the first stage, is relaxed in this and in countercurrent through the heat exchanger ( 2 ) the steam mixing valve ( 14 ) flows in before the second work step. This embodiment according to the invention has the particular advantage of reducing the feed pump work.

11
Wärmetauscher Verdampfer-Überhitzerheat exchangers Evaporator-superheater
22
Wärmetauscher Zwischenenthitzer/Vorwärmer 3 Heat exchanger inter-thinner / preheater 3
33
Wärmetauscher Vorwärmer 2 Heat exchanger preheater 2
44
Vorwärmer 1 preheater 1
55
Kondensator-VerflüssigerCondenser condenser
66
Speisepumpefeed pump
77
Arbeitsstufe 1working level 1
88th
Arbeitsstufe 2working level 2
99
Generatorgenerator
1010
Generatorwellegenerator shaft
1111
NiederdruckspeisepumpeLow-pressure feed pump
1212
HochdruckspeisepumpeHigh-pressure feed pump
1313
TeilmassenstromregelventilMass flow control valve
1414
DampfmischventilSteam mixing valve
1515
Wärmetauscher Enthitzer/Wärmekreislaufheat exchangers Desuperheater / heat cycle

Claims (17)

Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse dadurch gekennzeichnet, dass das durch mindestens zwei Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur vorgewärmte und verdampfte dampfförmige ORC-Arbeitsfluid in mindestens zwei Arbeitstufen entspannt wird und zwischen zwei Arbeitsstufen mindestens einmal enthitzt wird und diese Enthitzungswärme zur Vorwärmung des ORC-Arbeitsfluides nach einer ersten Vorwärmung durch eine niedertemperaturige Wärmequelle und vor der Verdampfung durch eine höhertemperaturige Wärmequelle zugeführt wird.Process of ORC circulation for steam processes, characterized in that the at least two heat sources of different temperature preheated and vaporized vapor ORC working fluid is relaxed in at least two stages and is deintervened between two stages at least once and this Enthitzungswärme for preheating the ORC working fluid after a first preheating is supplied by a low-temperature heat source and before the evaporation by a higher-temperature heat source. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsfluid Kohlenwasserstoffe wie Toluol, Pentan, Iso-Pentan, Heptan, Hexan, Cyclohexan, Butan, Iso-Butan, Oktan, Nonan, oder Ethan verwendet werden.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1, characterized in that as ORC working fluid hydrocarbons such as toluene, pentane, iso-pentane, heptane, hexane, cyclohexane, butane, Iso-butane, octane, nonane, or ethane can be used. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das als ORC-Arbeitsfluid fluorierter Kohlenstoff wie N-Perfluorhexan oder R218 verwendet werden.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1, characterized in that the fluorinated as ORC working fluid Carbon, such as N-perfluorohexane or R218. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsfluid fluorierte Kohlenwasserstoffe wie R365mfc, R245fa, oder R123 verwendet werden.Method of ORC circulation for steam processes Claim 1 characterized in that as ORC working fluid fluorinated hydrocarbons such as R365mfc, R245fa, or R123. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsfluid azeotrophe Gemische wie SES36 als Gemisch aus R365mfc und R227 verwendet werden.Method of ORC circulation for steam processes Claim 1 characterized in that azeotropic mixtures as ORC working fluid as SES36 are used as a mixture of R365mfc and R227. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsfluid Siloxane wie Hexamethyldisiloxan oder Octamethyltrisiloxan verwendet werden.Method of ORC circulation for steam processes Claim 1 characterized in that as ORC working fluid siloxanes such as hexamethyldisiloxane or octamethyltrisiloxane. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur Motorabwärme bestehend aus Motorkühlung und/oder Ladeluftkühlung und/oder Ölkühlung und Abgaswärme genutzt werden.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 6, characterized in that different as heat sources Temperature of engine waste heat consisting of engine cooling and / or Intercooling and / or oil cooling and exhaust heat be used. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur industrielle Abwärmequellen wie Maschinenkühlung und Feuerungsabwärme und/oder Feuerungsabgase genutzt werden.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 7, characterized in that as heat sources different Temperature industrial waste heat sources like engine cooling and Feuerungsabwärme and / or Feuerungsabgase be used. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur Solarkollektoren wie Flachbettkollektoren oder Vakuumröhren einerseits und Vakuumröhren oder CPC-Vakuumröhren oder Parabolrinnenkollektoren andererseits genutzt werden.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 8, characterized in that as heat sources different Temperature solar collectors such as flat bed collectors or vacuum tubes on the one hand and vacuum tubes or CPC vacuum tubes or parabolic trough collectors, on the other hand. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Enthitzungswärme und/oder Kondensationswärme nach der Entspannung des ORC-Arbeitsfluides einem weiteren Wärmeverbraucher zugeführt wird.Method of ORC circulation for steam processes Claim 1 characterized in that the heat of dewatering and / or condensation heat after the relaxation of the ORC working fluid another heat consumer supplied becomes. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der ORC-Kreislauf mit einer Speisepumpe ausgeführt wird.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 10, characterized in that the ORC circuit with a Feed pump executed becomes. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der ORC-Kreislauf mit einer Niederdruckspeisepumpe und einer Hochdruckspeisepumpe ausgeführt wird.Method of ORC circulation for steam processes according to 1 to 11 characterized in that the ORC cycle with a low pressure feed pump and a high pressure feed pump. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der ORC-Kreislauf nach der Niederdruckspeisepumpe mit einem Teilmassenregelventil für die Beschickung des Niederdruckteiles und des Hochdruckteiles ausgeführt wird.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 12, characterized in that the ORC cycle after the Low pressure feed pump with a partial mass control valve for the feed the low pressure part and the high pressure part is executed. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der ORC-Kreislauf zwischen dem Niederdruckteil und nach der Zwischenenthitzung ein Dampfmischventil vor der nächsten Arbeitsstufe aufweist.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 13, characterized in that the ORC cycle between the low-pressure part and after the Zwischenenthitzung a steam mixing valve before the next Working stage has. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsmaschinen mindestens zweistufige Turbinen verwendet werden.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 14, characterized in that as ORC machines at least two-stage turbines are used. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsmaschinen mindestens zweistufige Schraubenmotoren verwendet werden.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 14, characterized in that as ORC machines at least two-stage screw motors are used. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsmaschinen mindestens zweistufige Kolbenmaschinen verwendet werden.Process of ORC recycling for steam processes according to claim 1 to 14, characterized in that as ORC machines at least two-stage reciprocating engines are used.
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