DE102009011847A1

DE102009011847A1 - Verdampfersystem für Rauchgase in ORC-Prozessen

Info

Publication number: DE102009011847A1
Application number: DE200910011847
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Wärmetauscher (2) zur Erzeugung von Dampf aus Flüssigkeit mittels heißem Gas, bestehend aus einem vorzugsweise zylinderförmigen Mantel (33) und innen liegenden Rohren (24) welche überwiegend parallel zur Behälterachse ausgerichtet sind und dass das einströmende heiße Gas (12) nach Abkühlung durch Umströmen der Tauscherrohre (24) durch ein oder mehrere Leitbleche (32) geführt, den überwiegenden Teil des äußeren Mantels innen umströmt, bevor es diesen durch eine darin befindliche Öffnung verlässt.

Description

Die Erfindung beschreibt den prinzipiellen Aufbau eines Wärmetauscherssystems, welches besonders zur direkten Einkopplung von Wärme aus verunreinigtem Rauchgas z. B. aus Verbrennungsmotoren oder Feststofffeuerungen in so genannte ORC-Anlagen geeignet ist.
In den beschriebenen Wärmetauschern werden erhitzte Rauchgase abgekühlt und mit der ihnen entzogenen Wärmeenergie ein Flüssigkeitsstrom aufgeheizt und verdampft.
Gegenstand der Erfindung ist der prinzipielle Aufbau der Wärmetauscher, die Einbindung in das Gesamtsystem sowie die Führung der Stoffströme durch die Systemkomponenten.
Anwendung
ORC-Systeme werden zur Umwandlung von Wärme in Strom eingesetzt. Durch den einfachen Aufbau dieser Anlagen können auch kleine Wärmemengen wie z. B. Abwärme aus Verbrennungsmotoren genutzt werden.
Neben den Kosten für die ORC-Anlage spielen auch die Kosten des Systems zur Wärmeeinkopplung in diese eine entscheidende Rolle für die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage.
Mit der Wärme aus z. B. einem Verbrennungsprozess wird im ORC-System ein Arbeitsmittel verdampft, über einer so genannten Kraftmaschine, z. B. Turbine, entspannt und anschließend bei geringerem Druck als im Verdampfer kondensiert. Das Kondensat wird wieder in den Verdampfer zurückgepumpt. Je nach Ausführung des Systems kann das Kondensat zwischen Speisepumpe und Verdampfer noch mit der Abwärme des aus der Turbine nach der Entspannung strömenden Dampfes im so genannten Rekuperator noch vorgewärmt werden. Die Turbine betreibt in der Regel einen Generator zur Stromerzeugung.
Um die Wärme aus Verbrennungsprozessen in nach geschalteten Rankine-Prozessen zur Stromerzeugung nutzten zu können, muss diese mittels Wärmetauscher in den Kreisprozess eingekoppelt werden. Hierzu werden üblicher Weise Zwischenkreisläufe mit Wärmeträgeröl genutzt. Auch wurden Systeme mit Zwischenkreisläufen aus Inertgas vorgeschlagen.
Für kleine Systeme sind die bekannten Varianten zur Wärmeübertragung und die Bauformen der verwendeten Wärmetauscher aber ungeeignet oder zu aufwendig. Die spezifischen Kosten sind zu hoch. Die meist zur Erhitzung von Wasser oder Thermoöl verwendeten Systeme sind zur direkten Verdampfung von ORC-Arbeitsmitteln durch Rauchgase nicht geeignet.
Insbesondere bei der direkten Verdampfung brennbarer Flüssigkeiten mittels Rauchgas werden hohe Anforderungen an das System gestellt. Die Wände des Wärmetauschers zur Umgebung sollten z. B. explosionsdruckfest sein. Gleichzeitig muss das System hohen thermischen Spannungen standhalten, da Füllstand und Betriebspunkt im System schnell wechseln können. Eine sicherheitsgerichtete direkte Niveauüberwachung des Verdampferfüllstandes ist entweder technisch nicht realisierbar (überkritischer Betrieb) oder zu aufwendig.
Um ohne einen teueren Zwischenkreis mit Wärmeträgeröl arbeiten zu können, müssen die Wärmetauscher so gestaltet werden, dass sie in der Lage sind, alle auftretenden thermischen Spannungen ohne Schaden aufzunehmen. Zusätzlich sollten die Wärmetauscherflächen leicht und ohne großen Aufwand zu reinigen sein. Bei Bedarf ist es hilfreich, auch aus mehreren Wärmequellen gleichzeitig Energie in einen ORC-Prozess einzukoppeln.
Die nachfolgende Erfindung löst alle oben beschriebenen Anforderungen. Das in ihr beschriebene System und seine Komponenten sind aufgrund ihres einfachen Aufbaus besonders geeignet, preiswert und einfach mit der Wärme heißer Rauchgase aus Verbrennungsmotoren das Arbeitsmedium eines so genannten ORC-Prozesses zu verdampfen.
Stand der Technik
Meist kommen als Wärmetauscher an Verbrennungsprozessen so genannte Rohrbündel-Wärmetauscher zum Einsatz. Als Austauschfläche für thermische Energie zwischen zwei Stoffströmen dienen die Wände von Rohren. Um das um die Rohre strömende Medium von der Umgebung zu trennen, sind diese in einem Mantel angeordnet.
Bei der gebräuchlichsten Art von Verdampfern für Wasser mittels Rauchgasen, dem so genannten Rauchrohrkessel, befindet sich die zu verdampfende Flüssigkeit in einem Mantel. Durch diesen sind Rohre geführt, durch welche das heiße Rauchgas strömt. Die Temperatur der Rohre und der Hülle wird weitgehend durch die Flüssigkeit dazwischen bestimmt, so dass die auftretenden thermischen Spannungen relativ gering sind und durch einfache Maßnahmen wie z. B. Mantelkompensatoren und Füllstandsüberwachung begrenzt werden können.
Beim Verdampfen organischer Medien ist das Temperaturniveau der Verdampfung in der Regel wesentlich höher als bei herkömmlichen Sattdampferzeugern für Wasserdampf. Um hier die Spannungen gering zu halten, wird das z. B. das heiße Rauchgas im Mantelraum des Verdampfers geführt. Die Verdampfung findet innerhalb von Rohren statt, die nur auf einer Seite des Wärmetauschers fixiert sind, z. B. so genannte U-Rohre oder andere Doppelrohrsysteme oder Systeme mit so genanntem Schwimmboden. Durch die Rauchgasführung innerhalb des Mantels erwärmt sich dieser auf Rauchgastemperatur. Bei der Forderung nach Explosionsdruckfestigkeit des Wärmetauschers müssen die Wände bei hohen Temperaturen entsprechend stark ausgeführt werden oder Sondermaterialien zum Einsatz kommen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung beschreibt den Aufbau geeigneter Wärmetauscher für die direkte Einkopplung von Wärme aus Rauchgas in ORC-Kreisläufe sowie die Einbindung dieser Wärmetauscher in die Gesamtsysteme.
Die Wärmetauscher zeichnen sich durch einfachen und preiswerten Aufbau aus. Mit der besonderen Einbindung in ORC-Systeme wird es möglich, gleichzeitig aus mehreren Wärmequellen Energie in eine ORC-Anlage einzukoppeln. Auch ist eine sicherheitsgerichtete Überwachung des Betriebszustandes des Wärmetauschers relativ einfach möglich. Die Gesamtsysteme sind hierdurch wesentlich kompakter aufgebaut, als nach dem bekannten Stand der Technik. Bauvolumen, Gewicht und somit Kosten werden gesenkt. Gleichzeitig werden die Effizienz der Wärmeübertragung erhöht und die Druckverluste gesenkt. Somit erhöht sich der Nutzen der gesamten Anlagen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den beigefügten schematischen Zeichnungen illustrieren die Erfindung, deren Vorteile und Varianten der Ausführung.
1) zeigt ein ORC-System mit neuen Wärmetauschern, mehreren Wärmequellen und neuer Verschaltung der Komponenten innerhalb des ORC-Kreislaufes.
2) zeigt den prinzipiellen Aufbau der neuen Verdampfer im Querschnitt. (Schnitt A)
3) bildet prinzipiell einen Längsschnitt durch den neuen Verdampfer ab. (Schnitt B)
4) dient der Erläuterung der Funktionsweise des Verdampfers im Querschnitt. (Schnitt A)
5) demonstriert die Arbeitsweise anhand eines „aufgerollten” Längsschnittes.
6) zeigt die Möglichkeit der Parallelverschaltung von mehreren Verdampfern mit einem Abscheide- bzw. Vorlagegefäß in einer ORC-Anlage.
7) zeigt die Möglichkeit der Parallelverschaltung von mehreren Verdampfern mit jeweils eigenem Abscheide- bzw. Vorlagegefäß in einer ORC-Anlage.
8) stellt einen alternativen Ersatz der U-Rohre im Verdampfer durch ein doppeltes Rohrsystem dar.
Beschreibung der Erfindung
Der Aufbau der neuen Wärmetauscher (2) 1 wird in 2 bis 5 prinzipiell dargestellt.
Sie bestehen jeweils aus einem vorzugsweise zylindrischen Mantel (33), in dem weitgehend parallel zu seiner Zylinderachse ausgerichtete Rohre (24) angeordnet sind. Die Stutzen bzw. Öffnungen zur Zuführung der heißen Rauchgase in den Mantel (30) sind ebenfalls axial zum Behälter ausgerichtet. Radial am Mantel sitzen die Stutzen bzw. Öffnungen für den Rachgasaustritt (34).
Vom inneren Ende des Rauchgaseintrittstutzens (30) über die Länge des Rohrbündels (24) befindet sich im axialen Zentrum der Rohranordnung ein inneres Leitrohr (31). Es besitzt radiale Öffnungen über den größten Teil seiner Länge, die in Richtung des Rauchgasaustrittsstutzens (34) weisen. Dieses Rohr ist in axiale Richtung zum Rauchgaseintrittsstutzen hin geöffnet und am gegenüber liegenden Ende im Betrieb geschlossen.
Um die Rohranordnung (24) liegt ein äußeres Leitrohr (32), welches Längsöffnungen aufweist, die sich radial gegenüber dem Rauchgasaustritt (34) aus dem Behältermantel (33) befinden. Axial ist das äußere Leitrohr weitgehend verschlossen, z. B. durch den Rohrboden (28), in den die U-Rohre befestigt sind und durch das axial gegenüber liegenden Leitblech (37).
Dieser vorstehend beschriebene Aufbau der Wärmetauschers bewirkt, dass in den Rauchgaseintrittsstutzen (30) geführte heiße Rauchgase (12) zunächst in das innere Leitrohr (31) gelangen und danach über dessen gesamte Länge durch radialen Öffnungen des Leitrohres nach einer Seite gleichmäßig in die Rohranordnung (24) strömen.
Danach fließen die Rauchgase zwischen inneren und äußeren Führungsrohr um die im Rohrbündel angeordneten U-Rohre zur radial gegenüber liegenden Längsöffnung bzw. Öffnungen im äußeren Leitrohr. Während dessen geben sie ihre Wärme über die Wände der Rohre (24) an das darin strömende Arbeitmittel ab.
Nach dem Verlassen des äußeren Führungsrohres strömen die inzwischen abgekühlten Rachgase (13) zischen der Außenseite des äußeren Führungsrohres (32) und dem Wärmetauschermantel (33) zum Austrittstutzen (34) und verlassen abgekühlt den Wärmetauscher.
Die im Apparat befindlichen Rohre (24) sind im dargestellten Fall als U-Rohre ausgeführt. Durch ihre einseitige Befestigung am Rohrboden werden thermische Spannungen weitgehend kompensiert. Das Arbeitsmittel strömt flüssig (21) über den Eintrittsstutzen (22) in die Eintrittskammer (23) über dem Rohrboden (28). Es verteilt sich in U-Rohre (24) und wird wechselseitig über Umlenkkammern (25) und die Bögen der U-Rohre zur Austrittskammer (26) geleitet und verlässt den Apparat in weitgehend verdampfter Form (20) über den Austrittsstutzen (27).
In 8) ist eine Modifikation der Wärmetauscher durch Ersatz der U-Rohre durch ein Doppelrohrsystem und der hierdurch notwendigen Änderung der Umlenkammern kurz angedeutet. An der prinzipiellen Arbeitsweise des Apparates ändert sich nichts.
Durch vorstehend beschriebenen Aufbau und Verwendung der Apparate wird der Mantel (33) der Wärmetauscher durch die abgekühlten Rauchgase über den gesamten Umfang auf maximal die Temperatur der kalten Rauchgase (13) erwärmt. Damit kann die Austrittstemperatur der Rauchgase und indirekt die Manteltemperatur z. B. mit Temperaturschaltern überwacht werden und bei Bedarf eine Unterbrechung der Rauchgaszufuhr erfolgen. Gleichzeitig werden durch das innere Führungsrohr (31) die heißen Rauchgase (12) gleichmäßig über die Tauscherrohre (25) verteilt und im Kreuz-Gegenstrom zum in den Rohren geführten Arbeitsfluid zwischen innerem (31) und äußerem Führungsrohr (32) geleitet. Hierdurch ist ein kompakter und Material sparender Aufbau der Apparate möglich.
Da sich an einem axialen Ende des Apparates nicht notwendiger Weise Prozessanschlüsse befinden, ist der Apparat durch Entfernen des Verschlussbodens (35) auch im eingebauten bzw. angeschlossenen Zustand zu öffnen. Die Führungsrohre (31) und (32) können nun aus dem Apparat gezogen werden und das Rohrbündel (24) ist zur Reinigung zugänglich.
Scharniere zwischen Deckel (35) und Mantel (33) können die Servicefreundlichkeit des Wärmetauschers noch erhöhen. Auch ist eine automatische Abreinigung der Außenseite der Rohre durch parallel zum Rohrbündel eingeführte einseitig verschlossene Rohre mit radialen Bohrungen in Strömungsrichtung der Rauchgase mit Pressluft, Dampf oder Wasser möglich.
Um die Wärmetauscher effektiv zu betreiben wird eine neuartige Beschaltung auf der Seite des Arbeitsfluides im ORC-System gewählt. Nach dem Stand der Technik (Patent EP 1 668 226 B1 ) strömt hier das Arbeitmittel nach dem Verlassen der Speisepumpe (5) und dem Durchströmen eines eventuell vorhandenen Rekuperator (70) direkt in den Vorwärme/Verdampfer (2).
Im vorgeschlagenen System wird das Kondensat jedoch in einen Vorlagebehälter (4) gepumpt. Von diesem aus strömt das Kondensat (21) nun in den Verdampfer (2) und verlässt diesen betriebsmäßig als Satt- oder Nassdampf (20) mit einer Temperatur, die etwa der Verdampfungstemperatur im Verdampfer entspricht. Der Nassdampf (20) strömt wieder in das Vorlagegefäß oberhalb dessen Kondensataustrittes zum Verdampfer. Nachdem sich der flüssige Anteil des Dampfes durch Umlenken (44) und Verlangsamen der Strömung und passieren eines Drahtgewebes (45) abgeschieden hat, wird der gesättigte Dampf (40) zur Turbine (60) geführt.
Da für die Durchströmung des Verdampfers mit Arbeitsmittel nur noch der Dichteunterschied und die unterschiedliche Füllhöhe zwischen Vorlagegefäß und Verdampfer maßgeblich ist und nicht mehr die durch die Pumpe (5) erzwungene Strömung, werden alle Rohre im Verdampfer gleichmäßig entsprechen ihrer Wärmezufuhr beaufschlagt. Auch ist es jetzt möglich, Apparate unterschiedlichster Leistung parallel zu schalten, ohne mit hohem Reglungsaufwand Kondensat und Wärmestrom zu regulieren. Jeder Apparat erhält automatisch genau so viel Kondensat, wie er benötigt.

1) ORC-System mit Verdampfer in Naturumlauf

2) Querschnitt durch Verdampfer

3) Längsschnitt durch Verdampfer

4) Rauchgasstrom durch Verdampfer

5) Arbeitsmedium durch Verdampfer

1: Blockheizkraftwerk 1 mit Verbrennungsmotor
10: Verbrennungsmotor
11: Generator BHKW
12: Rauchgas heiß
13: Rauchgas abgekühlt
14: Kamin
2: Verdampfer ORC-Arbeitsmedium
20: Dampf ORC-Medium zum Vorlagebehälter
21: Kondensat ORC-Medium vom Vorlagebehälter
22: Eintrittsstutzen Kondensat
23: Eintrittskammer
24: Tauscherrohr
25: Umlenkkammer
26: Austrittskammer
27: Austrittsstutzen Dampf
28: Rohrboden
3: Verdampfer Rauchgasführung
30: Rauchgaseintrittsstutzen
31: Inneres Führungsrohr
32: Äußeres Führungsrohr
33: Mantel
34: Rauchgasaustrittsstutzen
35: Verschlussboden Mantelrohr
36: Führungsschienen und Strömungshemmer
37: Stütz- und Führungsbleche
4: Abscheider bzw. Vorlagegefäß für Verdampfer
40: Sattdampfleitung ORC-Medium zum Turbogenerator
41: Umschaltventil Turbogenerator/Bypass
42: Abdampfleitung vom Turbogenerator
43: Kondensatleitung zur Speisepumpe
44: Abweiser für Nassdampf vom Verdampfer und Sprühkondensat
45: Demistor (Drahtgewebe zur Abscheidung)
5: Speisepumpe
50: Kondensatleitung zum Rekuperator
51: Kondensatleitung vom Rekuperator
52: Verteilventil zum Vorlagegefäß
53: Kondensatleitung unvermischt für Verdampfer
54: Kondensatleitung zur Vorwärmung für Verdampfer
6: Turbogeneratorsystem
60: Turbineteil
61: Generatorteil
62: Kondensatzuleitung zur Schmierung zum Turbogenerator
63: Kondensatableitung vom Turbogenerator
7: Wärmetauschersystem Rekuperator/Kondensator
70: Rekuperator
71: Kondensator
72: Sammelraum für Kondensat
8: Frequenzwandler
80: Gleichrichter
81: Wechselrichter
9: Blockheizkraftwerk 2 mit Verbrennungsmotor
90: Anschlüsse für Erweiterung mit weiteren Blockheizkraftwerken

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

- EP 1668226 B1 [0038]

Claims

Wärmetauscher (2) zur Erzeugung von Dampf aus Flüssigkeit mittels heißem Gas, bestehend aus einem vorzugsweise zylinderförmigen Mantel (33) und innen liegenden Rohren (24) welche überwiegend parallel zur Behälterachse ausgerichtet sind und dass das einströmende heiße Gas (12) nach Abkühlung durch Umströmen der Tauscherrohre (24) durch ein oder mehrere Leitbleche (32) geführt, den überwiegenden Teil des äußeren Mantels innen umströmt, bevor es diesen durch eine darin befindliche Öffnung verlässt.
Ein Apparat nach Anspruch 1, der alle weiteren nachfolgend beschriebenen Merkmale aufweist: Mindestens eine Öffnung (30) für den Eintritt der heißen Gase an einem axialen Ende des Mantels und mindestens eine Öffnung (34) für den Austritt der abgekühlten Gase am Mantel radial zur Behälter- bzw. Mantelachse; Ein innerhalb der Anordnung von Rohren (24) liegendes Führungsrohr (31) das an mindestens einem axialem Ende mit der Zuführungsöffnung (30) verbunden und dessen anderes Ende betriebsmäßig weitgehend verschlossen ist und das mindestens eine Öffnung in radiale Richtung aufweist; Rohre (24), welche um das innere Führungsrohr angeordnet sind und durch welche betriebsmäßig ein zweites Medium fließt welches durch die durch die Öffnung (30) einströmenden Gase (12) erwärmt und mindestens teilweise verdampft; Ein äußeres Führungsrohr (32), welches den überwiegenden Teil der Rohre umschließt und mindestens eine Öffnung in radiale Richtung hat, während es in den axialen Enden betriebsmäßig verschlossen ist;
Ein Apparat nach Anspruch 2, dessen Mantel an einem axialen Ende durch Entfernen eines Verschlussbodens (35) zu öffnen ist, ohne das die Anschlüsse an den Stutzen mantelseitig (30), (34) und rohrseitig (22), (27) entfernt werden müssen und der herausnehmbare Führungsrohre innerhalb (31) und/oder um das Rohbündel (32) besitzt.
Ein Apparat nach Anspruch 2 oder 3, der dazu bestimmt ist, ein anderes Medium als Wasser mittels heißer Gase zu verdampfen.
Ein System, das an den Apparat nach Anspruch 4 angeschlossen ist und das folgende Merkmale aufweist: Ein Gefäß (4), welches jeweils mit mindestens einer Öffnung mit dem rohrseitigen Kondensateintrittsstutzen (22) und dem Dampfaustrittsstutzen (27) des Wärmetauschers (2) verbunden ist, so dass die Durchströmung des Wärmetauschers mit Kondensat (21) und Dampf (20), im Wesentlichen durch den Druckunterschied zwischen den Stutzen des Vorlagegefäßes verursacht wird.
Ein System nach Anspruch (5), das einen Vorlagebehälter (4) aufweist, der mit mehreren parallel geschalteten Wärmetauschern verbunden ist.
Ein System welches aus mehreren Anordnungen von jeweils einem Vorlagebehälter (4) und Wärmetauscher (2) besteht, wobei die Vorlagebehälter mit mindesten einem Stutzen miteinander verbunden sind, so dass der aus den Behältern strömende Dampf (40) über eine gemeinsame Leitung einer Turbine (60) oder anderen Kraftmaschine zugeführt wird.