DE102007062085A1 - Method and device for generating electricity from heat - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC-Verfahren, in welchem Niedertemperaturwärme zur Verstromung genutzt wird, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6. Um hierbei zu erreichen, dass eine Wärmenutzung bei Stromerzeugungsverfahren bei der Niedertemperatur weiter optimiert wird, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass direkt in der Rückführungsleitung des Verdampfermediums ein Zusatzwärmetauscher (Z-WT) vorgesehen ist, in welchen Niedertemperatur-Fremdwärme von außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes eingespeist wird und das zum Verdampfer rücklaufende Medium damit vorwärmt.The invention relates to a method and a device for generating electricity from heat, in particular in Rankine cycles and ORC process, in which low-temperature heat is used for power generation, in order to achieve that a heat use in power generation process in the Low temperature is further optimized, the invention proposes that directly in the return line of the evaporator medium, an additional heat exchanger (Z-WT) is provided, in which low-temperature external heat is fed from outside the evaporator-condenser circuit and preheats the medium returning to the evaporator thus.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC-Verfahren, in welchem Niedertemperaturwärme zur Verstromung genutzt wird, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.The The invention relates to a method and a device for generating electricity out of heat, especially in Rankine cycle and ORC process, in which low-temperature heat for power generation is used, according to the preamble of the claims 1 and 6.
In bekannten Rankine-Kreisprozessen wie das ORC-Verfahren (Organic-Rankine-Cycle) wird in einer Verdampferstufe ein Medium verdampft. Dieser Dampf wird einer Turbine zugeleitet, die damit betrieben wird. Eine mechanische Koppelung mit einem Generator erzeugt aus dieser Bewegungsenergie sodann Strom. Hinter der Turbine hat sich der Dampf somit wieder entspannt und wird einem Kondensator zugeführt, von wo aus über eine Pumpe das Medium wieder zurückgeführt wird.In known Rankine cycle processes such as the ORC process (Organic Rankine Cycle) a medium is evaporated in an evaporator stage. This steam is fed to a turbine, which is operated with it. A mechanical one Coupling with a generator generates from this kinetic energy then electricity. Behind the turbine, the steam has thus again relaxed and is fed to a condenser, from where returned from the medium via a pump again becomes.
Bei
der Stromgewinnung aus Wärme sind in Kraftwerken Verdampfer
im Einsatz, bei welchen vor Eintritt des entspannten, noch Restwärme
tragenden Mediums in den Kondensator dasselbe einem Restwärmetauscher
zugeführt wird. Diese Restwärme dient dabei zur
Vorwärmung des rücklaufenden Mediums zum Verdampfer.
Diese Methode nennt man Rekuperation. Eine solche Methode ist aus
der
Dabei wird jedoch lediglich die Restwärme des entspannten Mediums hinter der Turbine genutzt. Eine solche Rekuperation ist in der Anwendung auf ein Niedertemperaturverfahren wie ORC nicht effizient.there However, only the residual heat of the relaxed medium used behind the turbine. Such recuperation is in the Application to a low temperature process like ORC not efficient.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Wärmenutzung bei Stromerzeugungsverfahren bei der Niedertemperatur weiter optimiert wird.Of the Invention is therefore based on the object, a method and a device of the generic type to the effect to further develop that heat use in power generation processes is further optimized at low temperature.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.The asked task is in a method of the generic Type according to the invention by the characterizing Characteristics of claim 1 solved.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2–5 angegeben.Further advantageous embodiments are in the dependent claims 2-5 indicated.
Hinsichtlich einer Einrichtung ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 6 gelöst.Regarding a device is the task according to the invention by solved the characterizing features of claim 6.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are dependent on the others Claims specified.
Kern der Erfindung ist, dass direkt in der Rückführungsleitung des Verdampfermediums ein Zusatzwärmetauscher (Z-WT) vorgesehen ist, in welchen Niedertemperatur-Fremdwärme von außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes eingespeist wird und das zum Verdampfer rücklaufende Medium damit vorwärmt. Dabei besteht ein wesentlicher Unterschied zur eingangs beschriebenen Rekuperation. Bei der Erfindung wird Fremdwärme mit in die Vorwärmung einbezogen. Bei der Rekuperation wird systemeigene wärme direkt hinter der Entspannung und vor Eingang in den Kondensator zur Zulaufleitung zum Verdampfer zurückgekoppelt. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen wird Fremdwärme, die außerhalb des geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Medienkreislaufes erzeugt wird über einen Wärmetauscher (Zusatzwärmetauscher) als „Fremdwärme" mit eingebracht, um die Vorwärmung des Mediums vor Eintritt in den Verdampfer vorzunehmen. Dies führt zu einer weiteren deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades bei Anwendung bspw der Kraft-Wärme-Kopplung.core The invention is that directly in the return line the evaporator medium an additional heat exchanger (Z-WT) provided is in which low-temperature external heat from outside the Evaporator-condenser circuit is fed and that to Evaporator returning medium thus preheats. There is a significant difference to the above-described Recuperation. In the invention, external heat is in the Preheating included. When recuperation is native heat right behind the relaxation and in front of entrance in the condenser fed back to the feed line to the evaporator. In the present invention, however, is external heat, the outside the closed evaporator-condenser media circulation is generated via a heat exchanger (additional heat exchanger) as "extraneous heat" with introduced to the preheating of the medium before entering the evaporator. this leads to to a further significant increase in the efficiency of application for example, cogeneration.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung der Verdampfer des ORC-Verdampfer-Kondensatorkreislaufes direkt aus der Motorkühlung einer Verbrennungsmaschine mit thermischer Energie gespeist wird, und die Niedertemperatur-Fremdwärme zur Speisung des Zusatzwärmetauschers aus einem Ladeluftkühler der Verbrennungsmaschine mittels eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmediums gespeist wird. Mit der Abwärme der Motorkühlung wird die Eingangsseite des Verdampfers gespeist d. h. bei der höheren verfügbaren Temperatur.In Another advantageous embodiment is specified that at a Cogeneration of the evaporator of the ORC evaporator condenser circuit directly from the engine cooling of an internal combustion engine is fed with thermal energy, and the low-temperature external heat to Supply of additional heat exchanger from a charge air cooler the internal combustion engine by means of a liquid or gaseous Cooling medium is fed. With the waste heat of Engine cooling is fed to the input side of the evaporator d. H. at the higher available temperature.
Hingegen die Abwärme übriger Aggregate (bei niedrigerer Temperatur) wie Ladeluftkühler, Kompressor usw wird dem Zusatzwärmetauscher zur Vorwärmung des in den Verdampfer zurückgeführten Mediums aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes zugeführt. D. h. die Vorwärmung des besagten Mediums im geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf erfolgt im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Stand der Technik nicht durch Rekuperation der eigenen Wärme aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf selbst, sondern durch zusätzlich zugeführte Fremdwärme (Fremdwärme ist Wärme, die nicht aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf selbst stammt) aus den Zusatzaggregaten wie Ladeluftkühler Kompressor usw.On the other hand the waste heat of other aggregates (at lower Temperature) such as intercooler, compressor, etc is the Additional heat exchanger for preheating the in Evaporator recycled medium from the closed Evaporator-condenser circuit supplied. Ie. the Preheating of the said medium in the closed evaporator-condenser circuit does not take place in contrast to the prior art described above by recuperation of own heat from the closed Evaporator-condenser circuit itself, but in addition supplied extraneous heat (external heat is Heat not coming from the closed evaporator-condenser circuit itself comes) from the additional units such as intercooler compressor etc.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Eingangstemperatur zum Zusatzwärmetauscher in einem Bereich zwischen 55°C und 75°C liegt. Damit liegt diese zusätzliche Wärmeenergie bei einer Zustandsgröße d. h. bei einer Temperatur vor, die niedriger ist als die Temperatur, die an der Wärmetauschung am Eingang des Verdampfers liegt. Somit eignet sich diese Wärme zur Vorwärmung, wozu, weil es zusätzlich genutzte Fremdwärme ist, die Gesamtwärmenutzung des Systems deutlich erhöht.In a further advantageous embodiment, it is stated that the inlet temperature to the additional heat exchanger is in a range between 55 ° C and 75 ° C. Thus, this additional heat energy is at a state size ie at a temperature lower than the temperature at the heat exchange at the entrance of the evaporator. Thus, this heat is suitable for preheating tion, for which, because it is additionally used external heat, the total heat utilization of the system is significantly increased.
Dies liegt im übrigen bei der im Stand der Technik bekannten und oben beschriebenen Rekuperation NICHT vor, weil bei der bekannten Rekuperation nur die im System des geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes eigene Wärme zur Vorwärmung genutzt wird.This Incidentally, in the known in the art and recuperation described above, because in the known Recuperation only in the system of the closed evaporator-condenser circuit own heat is used for preheating.
Bei der Erfindung hingegen wird WEITERE Wärme (Fremdwärme) eingebracht und erhöht den Wirkungsgrad des gesamten Systems damit deutlich, weil die Wärmeenergie bei niedrigerer Temperatur, die die Zusatzaggregate des Motors liefern, bei bekannten Verfahren nicht genutzt wird. Nur weil diese niedrigere Temperatur nicht ausreicht um das Medium im Verdampfer zu verdampfen oder den erwünschten Arbeitsdruck zu erreichen, wird sie bei bekannten Verfahren ungenutzt weggekühlt. Bei der Erfindung dient diese aber der besagten Vorwärmung, die den Wirkungsgrad weiter erhöht.at the invention, however, is MORE heat (external heat) introduced and increases the efficiency of the entire system thus clearly, because the heat energy at lower temperature, the provide the additional units of the engine, in known methods not used. Just because this lower temperature is not enough to evaporate the medium in the evaporator or the desired To achieve working pressure, it is unused in known methods cooled away. In the invention, but this serves the said Preheating, which further increases the efficiency.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist daher angegeben, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Kompressor einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium entnommen und dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) zugeführt wird.In Another advantageous embodiment is therefore indicated that at a cogeneration, the low-temperature external heat from a compressor of a piston power or combustion engine with a liquid or gaseous cooling medium removed and fed to the additional heat exchanger (Z-WT) becomes.
Hinsichtlich einer Einrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, dass in der Rückführungsleitung ein von Fremdwärme außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes gespeister Zusatzwärmetauscher zur Vorwärmung des Mediums angeordnet ist.Regarding In one device, the essence of the invention is that in the return line from external heat fed outside the evaporator-condenser circuit Additional heat exchanger for preheating the medium arranged is.
Vorteilhaft ausgestaltet ist dabei, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die thermische Energie zum Betrieb des Verdampfers entnehmbar ist und die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Ladeluftkühler einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem Kühlmedium entnehmbar und über eine thermisch isolierte Leitung mit dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) verbunden ist.Advantageous it is designed in such a way that with a cogeneration of heat and power the thermal energy for the operation of the evaporator can be removed and the low-temperature external heat from a charge air cooler a piston power or internal combustion engine with a cooling medium removable and via a thermally insulated line with the additional heat exchanger (Z-WT) is connected.
Weiterhin vorteilhaft ist ausgestaltet, dass ein Temperaturfühler an einem Fremdwärme liefernden Aggregat vorgesehen ist, welcher mit einer Ventileinrichtung der Zuleitung von Fremdwärme zum Zusatzwärmetauscher temperaturgeregelt korrespondiert. So kann der Prozess in den optimalen Arbeitspunkt gesteuert werden.Farther advantageous is configured that a temperature sensor is provided on an external heat supplying unit, which with a valve device of the supply of external heat corresponds to the additional heat exchanger temperature controlled. This allows the process to be controlled to the optimum operating point.
Vorteilhaft ausgestaltet ist auch, dass die Fremdwärmequelle der Ladeluftkühler einer Verbrennungsmaschine ist.Advantageous is also designed that the external heat source of the intercooler an internal combustion engine is.
Ebenso vorteilhaft ist die Platzierung des Zusatzwärmetauschers Z-WT in der Rückführungsleitung zwischen Rückführungspumpe und Eingang zum Verdampfer angeordnet ist. Damit erfolgt eine ortsnahe Vorwärmung.As well advantageous is the placement of the additional heat exchanger Z-WT in the return line between the return pump and inlet to the evaporator is arranged. This is a local close Preheating.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Wärmequelle für den Verdampfer die Hauptabwärme einer Biogaserzeugungsanlage ist, und die Wärmequelle für den Zusatzwärmetauscher die Nachwärme aus dem Fermenter oder aus dem Trockner ist, die mittels eines Kühlmediums dem Zusatzwärmetauscher zuführbar ist.In Another advantageous embodiment is specified that the heat source for the evaporator is the main waste heat of a biogas plant, and the heat source for the additional heat exchanger the residual heat from the fermenter or dryer is by means of a cooling medium the additional heat exchanger can be fed.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.The The invention is illustrated in the drawing and closer explained.
Es zeigt:It shows:
Das Medium ist im übrigen auch leicht flüchtig, so dass es in einem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf fließt.The Incidentally, medium is also volatile, so that it is in a closed evaporator-condenser cycle flows.
Gemäß der
Erfindung wird nun ein Zusatzwärmetauscher Z-WT in dem
Rückführungsweg des aus dem Kondensator
Diese
kann in diesem Ausführungsbeispiel die Abwärme
aus dem Ladeluftkühler
Diese
Wärmezufuhr kann über einen Temperaturfühler
Der
Temperaturfühler
Die dabei vorliegenden Wärmeenergie, bzw das Temperaturniveau derselben ist zwar niedriger, aber es dient in geeigneter Weise der Vorwärmung des rückgeführten Mediums in den Verdampfer. Damit wird zusätzliche an der Verbrennungsmaschine ansonsten ungenutzte Abwärme mit eingespeist und der Wirkungsgrad der gesamten wärme-Verstromung wird weiter gesteigert.The thereby existing heat energy, or the temperature level it is lower, but it is suitable the preheating of the recirculated medium in the evaporator. This will add extra to the combustion engine otherwise unused waste heat with fed in and the efficiency the entire heat-electricity generation is further increased.
Dabei kann die gezeigte Einrichtung auch bei Biogasanlagen verwendet werden, bei welcher aus zusätzlichen im Gär- oder Trockungsprozess anfallenden Wärme, die bei einer Temperatur niedriger als der Verdampfungstemperatur des Mediums vorliegt, bei welcher dann eine Nutzung derselben herbeiführbar ist.there the device shown can also be used in biogas plants, in which of additional in the fermentation or drying process accumulating heat at a temperature lower than that Evaporation temperature of the medium is present, in which then a Use of the same can be brought about.
Bei
der vorliegenden Erfindung gemäß
Dies ist bei der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik eine echte externe weitere Energie, die genutzt wird.This is in the present invention over the state The technology is a real external energy that is used.
- 11
- VerdampferEvaporator
- 22
- Kondensatorcapacitor
- 33
- Turbineturbine
- 44
- Generatorgenerator
- 55
- RückführpumpeRecirculation pump
- 66
- Temperaturfühlertemperature sensor
- 77
- Ventil und/oder PumpeValve and / or pump
- 88th
- LadeluftkühlerIntercooler
- Z-WTZ-WT
- ZusatzwärmetauscherAdditional heat exchanger
- R-WTR-WT
- RekuperationswärmetauscherRekuperationswärmetauscher
- 1010
- Wärmetauscher im Verdampferheat exchangers in the evaporator
- 1111
- Wärmetauscher im Kondensatorheat exchangers in the condenser
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - EP 0275121 A3 [0003] - EP 0275121 A3 [0003]
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
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