DE102008013545A1

DE102008013545A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung mittels eines ORC-Prozesses

Info

Publication number: DE102008013545A1
Application number: DE200810013545
Authority: DE
Inventors: Thomas Becker
Original assignee: ALFRED BECKER GmbH
Current assignee: ALFRED BECKER GmbH
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: DE102008013545B4

Abstract

Eine Vorrichtung und Verfahren zur Abwärmenutzung mittels eines ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozesses umfasst eine Arbeitsfluidpumpe (50) zur Druckerhöhung und zum Fördern des Arbeitsfluids, Abwärme-Wärmetauscher (12, 13, 14, 15) zur Erwärmung des Arbeitsfluids, einen Expander (25), vorzugsweise eine Expansionsschraube, zum Expandieren des Arbeitsfluids und zur Gewinnung von mechanischer Energie, sowie einen Kondensator (40) zum Kondensieren des entspannten Arbeitsfluids. Weiterhin ist ein Schmiermittelkreislauf vorhanden, bestehend aus Schmiermitteldüsen im Bereich des Expanders (25), um das Schmiermittel in den Arbeitsfluidkreislauf einzuspeisen, einem Schmiermittelabscheider (30), um das Schmiermittel aus dem Arbeitsfluidkreislauf zu entfernen, einem Schmiermittelkühler (32) zum Abkühlen des Schmiermittels und einer Schmiermittelpumpe (34).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen oder anderen Wärmequellen mittels eines ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozesses.
Die DE-OS-25 11 842 beschreibt eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme von einer Wärmequelle aufweisend einen Verdampfer zum Erwärmen eines Arbeitsfluids, eine Turbine zur Aufnahme des verdampften Arbeitsfluids, welche durch dieses in Bewegung versetzt wird und mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden ist, einen Kondensator zum Abkühlen und Kondensieren des von der Turbine abgegebenen Arbeitsfluids sowie einer Pumpe zum Fördern des Arbeitsfluids. Eine ähnliche Anlage zur Abwärmenutzung mittels eines ORC-Prozesses ist in der WO 2005/04 99 75 A1 beschrieben.
Die bekannten ORC-Verfahren zur Abwärmegewinnung verwenden eine Turbine zum Entspannen des Arbeitsfluids, um die von der Abwärmequelle über einen Wärmetauscher gewonnene thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, die in den meisten Fällen über einen Generator wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird.
Eine Turbine als Expander hat jedoch bei kleiner dimensionierten Anlagen den Nachteil eines vergleichsweise geringen Wirkungsgrades sowie hoher Investions- und Instandhaltungskosten. Andere Expander wie etwa Entspannungsschrauben oder Entspannungskolben haben sich jedoch im Hinblick auf Abdichtung und Schmierung als problematisch erwiesen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung auf Basis eines ORC-Prozesses vorzuschlagen, die auch bei kleineren Anlagegrößen einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung mittels eines ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozesses. Die Vorrichtung enthält Abwärme-Wärmetauscher zur Erwärmung eines Arbeitsfluids, eine Arbeitsfluidpumpe zur Druckerhöhung und zum Fördern des Arbeitsfluids, einen Expander zum Expandieren des Arbeitsfluids und zur Gewinnung mechanischer Energie und einen Kondensator zum Kondensieren des entspannten Arbeitsfluids. Weiterhin ist ein Schmiermittelkreislauf aufgebaut, bestehend aus Schmiermitteldüsen im Bereich der Entspannungseinrichtung, um das Schmiermittel in den Arbeitsfluidkreislauf einzuspeisen, einem Schmiermittelabscheider, um das Schmiermittel wieder aus dem Arbeitsfluidkreislauf zu entfernen, einem Schmiermittelkühler zum Abkühlen des Schmiermittels, und einer Schmiermittelpumpe.
Die Erfindung schlägt weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Abwärmenutzung gemäß Anspruch 14 vor.
Der zusätzliche Schmiermittelkreislauf stellt sicher, dass der Expander, beispielsweise eine Entspannungsschraube oder ein Kolbenexpander, zuverlässig arbeiten und in ihrem jeweiligen Gehäuse sicher abgedichtet sind. Der Schmiermittelkreislauf dient weiterhin dazu, ein Überhitzen des Expanders zu vermeiden.
Das Schmiermittel ist vorzugsweise ein in dem Arbeitsfluid lösbar und mit diesem mischbares Schmieröl. Bei dem Arbeitsfluid handelt es sich vorzugsweise um ein organisches Fluid, welches eine vergleichsweise geringe Verdampfungs-Enthalpie aufweist, so dass eine relativ geringe thermische Energiemenge benötigt wird, um eine bestimmte Menge des Arbeitsfluids zu verdampfen. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad der Anlage ermöglicht.
Weiterhin ist vorzugsweise eine Kühleinrichtung für das Arbeitsfluid vorgesehen, die im Arbeitsfluidkreislauf zwischen Kondensator und Arbeitsfluidpumpe angeordnet ist. Dieser sogenannte Unterkühler stellt sicher, dass die Arbeitsfluidpumpe vor Kavitation geschützt ist. Alternativ kann dieser Zweck auch über eine Druckerhöhung im Arbeitsfluidkreislauf im Bereich der Pumpe erreicht werden.
Ferner kann ein Separator zur Trennung von Gas- und Flüssigphasen des Arbeitsfluids im Fluidkreislauf zwischen Kondensator und Pumpe vorgesehen sein, um Flüssigkeitsanteile abzuscheiden und in einem Sammelbehälter zu bevorraten.
Um den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu erhöhen, wird vorzugsweise ein Teil der Abwärme aus dem Kondensator verwendet, um das Arbeitsfluid im Kreislauf zwischen Arbeitsfluidpumpe und Abwärme-Wärmetauscher-Einheit zu erwärmen.
Weiterhin kann zur Erwärmung des Arbeitsfluids Abwärme des Schmiermittelkühlungs-Wärmetauschers verwendet werden.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Dreiwegeventil zur steuerbaren Aufteilung des Arbeitsfluidstroms vor der Entspannungseinrichtung auf, welches beim Anfahren des Prozesses geöffnet wird, um eine Überlastung des Expanders beim Anfahren der Anlage zu verhindern.
Die Abwärme-Wärmetauschereinheit kann entsprechend den Anforderungen der Wärmequelle angepasst sein. Beispielsweise kann ein dreistufiger Wärmetauscher eingesetzt werden, wobei eine erste Stufe Kühlwasser eines Verbrennungskraftmotors, eine zweite Stufe Abgase des Verbrennungskraftmotors und eine dritte Stufe Vergaser-Thermalöl als Wärmequelle verwendet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abwärmenutzung.
2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abwärmenutzung.
3 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abwärmenutzung.
4 zeigt schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abwärmenutzung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung mittels eines ORC-Prozesses ist in 1 dargestellt und wird im folgenden beschrieben.
Bei einem solchen ORC-Prozess handelt es sich um ein Verfahren zur Gewinnung mechanischer (und über einen Generator elektrischer) Energie aus thermischer Energie, wobei als Arbeitsmedium anstatt Wasserdampf Stoffe mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur (beispielsweise organische Kältemittel) verwendet werden, um auch niedrigere Temperaturen, die beispielsweise bei der Abwärmenutzung auftreten, ausnutzen zu können.
Die beschriebene Vorrichtung besteht aus den Grundelementen Wärmetauscher, Entspannungseinrichtung, Kondensator und Arbeitsfluidpumpe. In dem gezeigten Beispiel ist eine dreistufige Abwärme-Wärmetauscher-Einheit vorgesehen, bestehend aus den Wärmetauschern 12, 13, 14 und 15. Das Arbeitsfluid durchläuft die drei Wärmetauscherstufen hintereinander und wird dabei jeweils weiter erhitzt. Entsprechend wird den drei Wärmetauscherstufen Abwärme in aufsteigender Temperatur zugeführt. Beispielsweise kann dem ersten Wärmetauscher 12 Kühlwasser eines Verbrennungskraftmotors, der zweiten Stufe 13, 14 können Abgase des Motors und der dritten Stufe Vergaser-Thermalöl desselben zugeführt werden. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch jede geeignete Anordnung von Wärmetauscherstufen verwendet werden, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Abwärmequelle den größtmöglichen Wirkungsgrad verspricht.
Das Arbeitsfluid wird in der Abwärme-Wärmetauschereinheit 12, 13, 14, 15 erwärmt, verdampft und überhitzt. Anschließend wird es einem Dreiwege-Ventil 20 zugeführt, welches beim Anfahren des Prozesses den Arbeitsfluidstrom aufteilt, um eine Überlastung der kalten Entspannungseinrichtung 25 zu verhindern. Ist diese aufgeheizt und angefahren, wird das Ventil langsam geöffnet, um den Expander 25 auf den Betriebspunkt zu bringen. Ist dieser erreicht, blockiert das Dreiwege-Ventil 20 die Abdampfleitung, die einen Bypass um die Entspannungseinrichtung 25 bildet.
In der Entspannungseinrichtung 25, die vorzugsweise als Entspannungsschraube oder alternativ als bewegbare Hubkolbeneinrichtung ausgebildet ist, entspannt sich das überhitzte und verdampfte Arbeitsfluid und setzt so mechanische Energie frei, die mit einem Generator 27 in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Im Bereich der Entspannungseinrichtung 25 sind (nicht dargestellte) Düsen vorgesehen, um Schmiermittel in den Arbeitsfluidkreislauf einzuspeisen. Das Schmiermittel sollte dabei im Arbeitsfluid lösbar und mit diesem mischbar sein. Im Ölabscheider 30 wird das (erhitzte) Schmiermittel wieder aus dem Arbeitsfluidkreislauf entfernt und über den Ölkreislauf bestehend aus Ölkühler 32, Ölpumpe 34 und Filter 36 im Bereich der Entspannungseinrichtung 25 wieder in den Arbeitsfluidkreislauf zurückgespeist. Das Schmiermittel dient zum Abdichten, Schmieren und außerdem zum Kühlen der Expanderschraube.
Das Arbeitsfluid, vorzugsweise ein organisches Fluid, das eine geringe Enthalpie zum Verdampfen benötigt, wird anschließend im Kondensator 40 kondensiert, wobei Flüssigphasenbestandteile in einem Behälter 42 abgeschieden werden. Zusätzlich ist eine weitere Kühleinrichtung, ein Unterkühler 44 im Arbeitsfluidkreislauf vorgesehen, der sicherstellt, dass die Pumpe 50 vor Kavitation geschützt ist. Statt durch den Unterkühler 44 kann die Arbeitsfluidpumpe 50 auch durch eine Druckerhöhung vor Kavitation geschützt werden. Vor Erreichen der Ar beitsfluidpumpe 50 durchläuft das Arbeitsfluid noch einen Filter/Trockner 46. Die Arbeitsfluidpumpe 50 wird durch einen Motor 52 und die Schmiermittelpumpe 34 durch einen Motor 35 angetrieben.
Durch die eingesetzte Entspannungsschraube 25 kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwärmenutzung auch im Bereich von Abwärmeleistungen effizient arbeiten, bei denen der Einsatz einer Turbine schlechte Leistungsergebnisse erwarten liesse. Der zusätzliche Schmiermittelkreislauf stellt sicher, dass die Entspannungsschraube mechanische einwandfrei arbeitet, dicht ist und nicht überhitzt.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abwärmenutzung. Dieses unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch den zusätzlichen Wärmetauscher 60, der zwischen Arbeitsfluidpumpe 50 und Abwärme-Wärmetauschereinheit 12–15 vorgesehen ist. Durch den Wärmetauscher 60 wird dem warmen Arbeitsfluid nach der Expansion Wärme entzogen und zur Erwärmung des Arbeitsfluids am Beginn des Kreislaufs zugeführt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses erhöht werden.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abwärmenutzung. Bei diesem ist der Schmiermittelkühlungs-Wärmetauscher 32a im Arbeitsfluidkreislauf zwischen Arbeitsfluidpumpe 50 und Abwärme-Wärmetauschereinheit 12–15 angeordnet, so dass die Abwärme aus dem Schmiermittelkreislauf zur Erwärmung des Arbeitsfluids am Beginn des Arbeitsfluidkreislaufes verwendet wird, wodurch ebenfalls der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses erhöht wird.
Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel kombiniert die beiden Wärmetauscher 32a, 60 aus den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen, um so einen weiter optimierten Wirkungsgrad zu erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2511842 A [0002]
- WO 2005/049975 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Abwärmenutzung mittels eines Organic-Rankine-Cycle-Prozesses, mit: – Abwärme-Wärmetauschern (12, 13, 14, 15) zur Erwärmung eines Arbeitsfluids, – einer Arbeitsfluidpumpe (50) zum Fördern des Arbeitsfluids in einem Arbeitsfluidkreislauf, – einem Expander (25) zum Expandieren des Arbeitsfluids und zur Gewinnung mechanischer Energie, – einem Kondensator (40) zum Kondensieren des entspannten Arbeitsfluids, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmiermittelkreislauf vorgesehen ist, bestehend aus: – Schmiermitteldüsen im Bereich des Expanders (25), um das Schmiermittel in den Arbeitsfluidkreislauf einzuspeisen, – einem Schmiermittelabscheider (30), um das Schmiermittel wieder aus dem Arbeitsfluidkreislauf zu entfernen, – einem Schmiermittelkühler (32) zum Abkühlen des Schmiermittels, und – einer Schmiermittelpumpe (34) zum Befördern des Schmiermittels im Schmiermittelkreislauf.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Expander (25) als Entspannungsschraube ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Expander (25) als bewegbarer Hubkolben ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Arbeitsfluid ein organisches Fluid ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das organische Fluid eine geringe Verdampfungsenthalpie aufweist und daher geringe Energiemengen zum Verdampfen benötigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Schmiermittel im Arbeitsfluid misch- und lösbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend einen Wärmetauscher (44) für das Arbeitsfluid, der im Arbeitsfluidkreislauf zwischen Kondensator (40) und Arbeitsfluidpumpe (50) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner aufweisend einen Separator zur Trennung von Gas- und Flüssigphase des Arbeitsfluids mit Sammelbehälter (42) zum Sammeln der Flüssigkeitsanteile.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, ferner aufweisend einen weiteren Wärmetauscher (60) zur Erwärmung des Arbeitsfluids im Arbeitsfluidkreislauf zwischen Arbeitsfluidpumpe (50) und den Abwärme-Wärmetauschern (12, 13, 14, 15) durch ein abzukühlendes Arbeitsfluid im Arbeitsfluidkreislauf zwischen Expander (25) und Kondensator (40).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend einen Schmiermittelkühlungs-Wärmetauscher (32a) zur Erwärmung des Arbeitsfluids im Arbeitsfluidkreislauf zwischen Arbeitsfluidpumpe (50) und Abwärme-Wärmetauschereinheit (12, 13, 14, 15) durch ein abzukühlendes Schmiermittel.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend ein Dreiwegeventil (20) zur steuerbaren Aufteilung des Arbeitsfluidstroms im Arbeitsfluidkreislauf vor dem Expander (25).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Abwärme-Wärmetauscher (12, 13, 14, 15) als mehrstufiger Wärmetauscher ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die erste Stufe (12) der Abwärme-Wärmetauscher (12, 13, 14, 15) vom Kühlwasser eines Verbrennungskraftmotors, die zweite Stufe (13, 14) durch Abgase des Verbrennungskraftmotors und die dritte Stufe (15) durch Vergaser-Thermalöl des Verbrennungskraftmotors gespeist wird.
Verfahren zur Abwärmenutzung mittels eines ORC (organic rankine cycle)-Prozesses, aufweisend die Schritte: – Erwärmung eines Arbeitsfluids durch zugeführte Abwärme, – Expandieren des Arbeitsfluids und dadurch Gewinnung mechanischer Energie, – Kondensieren des entspannten Arbeitsfluids, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmiermittelkreislauf vorgesehen ist, aufweisend die Schritte: – Einspeisen des Schmiermittels in den Arbeitsfluidkreislauf vor und während des Expandierens des Arbeitsfluids, – Entfernen des Schmiermittels aus dem Arbeitsfluidkreislauf nach dem Expandieren des Arbeitsfluids, und – Abkühlen des Schmiermittels.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Expandieren des Arbeitsfluids mittels Entspannungsschraube erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Expandieren des Arbeitsfluids mittels bewegbarem Hubkolben erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei als Arbeitsfluid ein organisches Fluid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das organische Fluid eine geringe Verdampfungsenthalpie aufweist und daher geringe Energiemenge zum Verdampfen benötigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Schmiermittel im Arbeitsfluid misch- und lösbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, ferner aufweisend den Verfahrensschritt der Trennung von Gas- und Flüssigphase des Arbeitsfluids und des Sammelns der Flüssigkeitsanteile in einem Sammelbehälter (42).
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, ferner aufweisend den Verfahrensschritt der Erwärmung des Arbeitsfluids durch abzukühlendes Arbeitsfluid im Arbeitsfluidkreislauf zwischen Expandieren und Kondensieren des Arbeitsfluids im Arbeitsfluidkreislauf vor der Erwärmung durch die Abwärme.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, ferner aufweisend den Verfahrensschritt der Erwärmung des Arbeitsfluids durch abzukühlendes Schmiermittel im Arbeitsfluidkreislauf vor der Erwärmung durch die Abwärme.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei der Arbeitsfluidstrom im Arbeitsfluidkreislauf vor dem Expandieren steuerbar aufgeteilt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Erwärmung des Arbeitsfluids durch zugeführte Abwärme durch einem mehrstufigen Prozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die erste Stufe (12) des mehrstufigen Prozesses durch Kühlwasser eines Verbrennungskraftmotors, die zweite Stufe (13, 14) durch Abgase des Verbrennungskraftmotors und die dritte Stufe (15) durch Vergaser-Thermalöl des Verbrennungskraftmotors gespeist wird.