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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem
ORC-Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Ferner betrifft die Erfindung eine ORC-Anlage mit einer derartigen
Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Inbetriebnahme und/oder zum
Betreiben einer derartigen Vorrichtung.
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Eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus
DE 100 52 414 A1 bekannt. Bei
der darin beschriebenen Vorrichtung ist zwischen einem Arbeitsmittelkreislauf
und einer Wärmequelle ein Thermoölkreislauf vorgesehen,
der einen Kesselwärmetauscher mit einer Verdampfer-Vorwärmer-Einheit
im Arbeitsmittelkreislauf verbindet. Die im Heizkessel erzeugte
Wärmeenergie wird somit über den Thermoölkreislauf
an das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf übertragen.
Der aus der Verdampfer-Vorwärmer-Einheit austretende, abgekühlte Thermoölstrom
wird nach einer Umwälzpumpe im Thermoölkreislauf
abgezweigt und einem zusätzlichen Vorwärmer im
Arbeitsmittelkreislauf zugeleitet, der im Arbeitsmittelkreislauf
der Verdampfer-/Vorwärmer-Einheit vorgeordnet ist. Der
zur zusätzlichen Vorwärmung eingesetzte Teilstrom
wird einem Abgaswärmetauscher zugeleitet, darin durch die
Abgaswärme erwärmt und anschließend dem
Thermoölkreislauf vor der Umwälzpumpe wieder zugeführt.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung hat den Nachteil,
dass die Vorwärmung des Arbeitsmittels im zusätzlichen
Vorwärmer mit dem gleichen Thermoölmassenstrom
erfolgt, wie die Verdampfung des Arbeitsmittels. Dieser Massenstrom
ist im Allgemeinen durch drei thermodynamische Punkte festgelegt,
die durch die obere Stabilitätsgrenze des Thermoöls,
dem Pinch Point am Beginn der Verdampfung des Arbeitsmittels und
dem Pinch Point zur Wärmequelle, insbesondere zum erhitzten
Abgas, bestimmt sind, wobei die Wärmequelle die maximale
Wärmeaufnahme des Thermoöls vorgibt. Von besonderer
Bedeutung ist der Pinch Point zur Wärmequelle, da dieser
den Grad der Brennstoffausnutzung festlegt. Als Pinch Point wird
in diesem Zusammenhang der thermodynamische Punkt beschrieben, bei
dem die Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung
von einem ersten Medium auf ein zweites Medium minimal ist. Da die
obere Stabilitätsgrenze des Thermoöls begrenzt
ist, ist auch die Ausnutzung des Brennstoffs bzw. der Wärmeenergie
der Wärmequelle begrenzt.
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Aus
dem Stand der Technik ist ferner eine alternative Vorrichtung bekannt,
bei der der Abgaswärmetauscher mit dem zusätzlichen
Vorwärmer durch einen separaten Thermoölkreislauf
verbunden ist. Damit wird zwar erreicht, dass die bei der oben genannten
Variante auftretende Problematik des Pinch Point bei der Wärmeübertragung
einen geringeren Stellenwert einnimmt. Gleichzeitig ergibt sich
bei der Variante mit separatem Thermokreislauf der Nachteil, dass
die Abgastemperatur nach dem Abgaswärmetauscher relativ
hoch ist, so dass die Ausnutzung der verfügbaren Wärmeenergie
insgesamt reduziert ist. Darüber hinaus werden durch zwei
getrennte Thermoölkreise die Aufwendungen für
periphere Bauteile, beispielsweise Auffanggefäße
oder Sicherheitseinrichtungen, erhöht, so dass die Betriebskosten
der Vorrichtung vergleichsweise hoch sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Energieumwandlung
nach dem ORC-Prinzip anzugeben, die einen verbesserten Wirkungsgrad
und geringe Betriebskosten aufweist. Ferner liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine ORC-Anlage mit einer derartigen Vorrichtung und
ein Verfahren zur Inbetriebnahme und/oder zum Betreiben einer derartigen
Vorrichtung anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung durch den Gegenstand
des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf die ORC-Anlage durch den Gegenstand
des Patentanspruchs 21 und im Hinblick auf das Verfahren durch den
Gegenstand des Patentanspruchs 22 gelöst.
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Der
Erfindung liegt demnach der Gedanke zugrunde, eine Vorrichtung zur
Energieumwandlung nach dem ORC-Prinzip mit wenigstens einem Verdampferkreislauf,
wenigstens einer Vorwärmeinheit und einem Arbeitsmittelkreislauf,
der ein organisches Ar beitsmittel umfasst, anzugeben, wobei der
Verdampferkreislauf und die Vorwärmeinheit den Arbeitsmittelkreislauf
mit einer Wärmequelle verbinden und der Verdampferkreislauf
wenigstens einen Heizwärmetauscher, der der Wärmequelle
zugeordnet ist, und wenigstens einen Dampferzeuger umfasst, der
dem Arbeitsmittelkreislauf zugeordnet ist. Dabei umfasst die Vorwärmeinheit
einen Hauptsstromkreislauf und einen Nebenstromkreislauf, wobei der
Hauptstromkreislauf einen Hauptstromerhitzer, der der Wärmequelle
zugeordnet ist, und einen Hauptstromvorwärmer aufweist,
der dem Dampferzeuger im Arbeitsmittelkreislauf vorgeordnet ist.
Der Nebenstromkreislauf umfasst wenigstens einen Nebenstromvorwärmer,
der dem Hauptstromvorwärmer im Arbeitsmittelkreislauf vorgeordnet
ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind also wenigstens
drei Heizmittelkreisläufe vorgesehen, die die Wärmequelle
mit dem Arbeitsmittelkreislauf verbinden. Auf diese Weise kann der
Pinch Point in den Wärmetauschern bzw. Erhitzern, die der
Wärmequelle zugeordnet sind, jeweils optimal eingestellt werden,
so dass eine verbesserte Brennstoffausnutzung erreicht wird. Falls
als Wärmequelle zumindest teilweise eine Abgas- bzw. Rauchgasleitung
vorgesehen ist, wird dadurch ferner erreicht, dass die Rauchgastemperatur
auf ein gewünschtes, niedriges Temperaturniveau abgesenkt
wird. Insbesondere ist es möglich, durch den Heizwärmetauscher
einen relativ hohen Heizmittelmassenstrom zu führen, so dass
das Heizmittel viel Wärme bei einer geringen Grädigkeit übertragen
kann. Dies erlaubt es, Arbeitsmittel mit einer hohen Verdampfungsenthalpie
einzusetzen, wodurch der Kreisprozess einen höheren Wirkungsgrad
erreicht. Eine Optimierung durch geeignete Einstellung der Massenströme
kann in den nachgeordneten Wärmetauschern der Vorwärmeinheit
ebenfalls durchgeführt werden, so dass die Energieeffizienz
bzw. der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung
insgesamt erhöht ist.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, dass wahlweise das Wärmequellenmedium, insbesondere
Rauchgas, tiefer abkühlbar oder die für die Wärmeübertragung
maßgebliche Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellenmedium
und Heizmittel vergrößerbar ist, wodurch die Wärmetauscherfläche
reduziert werden kann. Insbesondere für die Regelung und
Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird
auf diese Weise ein weiterer Freiheitsgrad zur Optimierung bereitgestellt.
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Ferner
ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich,
in der Vorwärmeinheit, insbesondere im Hauptstromkreislauf
und/oder im Nebenstromkreislauf, ähnliche Volumenströme
einzustellen wie im Arbeitsmittelkreislauf, wodurch die Auslegung der Wärmetauscherkomponenten
vereinfacht wird. Dadurch können beispielsweise kostengünstige
Plattenwärmetauscher verwendet und die Betriebskosten der
Vorrichtung insgesamt gesenkt werden.
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Durch
die unterschiedlichen Heizmittelkreisläufe, die die Wärmequelle
mit dem Arbeitsmittelkreislauf verbinden, wird außerdem
erreicht, dass der Wärmeeintrag in das organische Arbeitsmittel
regelbar ist. Ein Überhitzen und eine daraus resultierende thermische
Zerstörung des Arbeitsmittels wird vermieden. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung bietet somit eine Schutzfunktion für thermisch
sensible Arbeitsmittel bzw. ORC-Fluide.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist dem Hauptstromvorwärmer im Hauptstromkreislauf
in Strömungsrichtung eine Nebenstromabzweigung nachgeordnet,
die den Hauptstromkreislauf mit dem Nebenstromkreislauf fluidverbindet
derart, dass die Massenströme im Verdampferkreislauf, im
Hauptstromkreislauf und im Nebenstromkreislauf jeweils unabhängig
regelbar sind. Durch die Verschaltung des Hauptstromkreislaufs mit
dem Nebenstromkreislauf wird der Aufwand an zusätzlichen
Komponenten, beispielsweise Sicherheitskomponenten, reduziert, so
dass sich die Herstellungs- und Betriebskosten verringern. Die Verschaltung
bzw. die Nebenstromabzweigung ist dabei derart angepasst, dass in
dem Hauptstromkreislauf und in dem Nebenstromkreislauf jeweils unterschiedliche
Massenströme einstellbar sind, wodurch der Pinch Point
in den Wärmetauschern der Vorwärmeinheit optimal
einstellbar ist. Dabei können die Massenströme
derart angepasst sein, dass der Wärmeübergang
von der Wärmequelle zum Heizmittel bzw. Vorwärmmittel
und/oder vom Heizmittel zum Arbeitsmittel optimal eingestellt ist.
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Vorzugsweise
weist der Nebenstromkreislauf einen Nebenstromerhitzer auf, der
der Wärmequelle zugeordnet ist. Durch den Nebenstromerhitzer wird
die Wärmeenergie aus der Wärmequelle bzw. die
Restwärme der Wärmequelle zur Vorwärmung des
Arbeitsmittels weiter genutzt, so dass durch den Nebenstromerhitzer
die Energieeffizienz und der Wirkungsgrad der Vorrichtung zusätzlich
gesteigert werden.
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Der
Nebenstromkreislauf kann einen Nebenstromvorlauf aufweisen, der
die Nebenstromabzweigung mit dem Nebenstromvorwärmer verbindet.
Das aus dem Hauptstromvorwärmer austretende Heizmittel
wird also zumindest teilweise dem Nebenstromvorwärmer zugeführt,
so dass die Restwärmeenergie des Heiz- bzw. Vorwärmmittels
nach Durchtritt durch den Hauptstromvorwärmer zusätzlich
zur Erwär mung des Arbeitsmittels genutzt wird. Energieverluste
in der Vorwärmeinheit werden auf diese Weise weiter reduziert.
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Der
Nebenstromkreislauf kann ferner einen Nebenstromrücklauf
aufweisen, der den Nebenstromerhitzer mit einem Zulauf des Hauptstromerhitzers verbindet.
Durch die Vorschaltung des Nebenstromerhitzers vor den Hauptstromerhitzer
und die daraus resultierende Vorwärmung des Heizmittels
wird erreicht, dass die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellenmedium
und Heizmittel im Hauptstromerhitzer verringert und die Effizienz
des Wärmeübergangs somit erhöht wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist die Vorwärmeinheit mit dem Verdampferkreislauf
fluidverbunden derart, dass die Vorwärmeinheit einen Zweigkreislauf des
Verdampferkreislaufs bildet, der dem Heizwärmetauscher
in Strömungsrichtung vorgeordnet ist. Durch die Verschaltung
der Vorwärmeinheit mit dem Verdampferkreislauf werden einerseits
die Aufwendungen für Sicherheitseinrichtungen weiter reduziert und
andererseits erreicht, dass die Restwärme des Heizmittels
aus dem Verdampfer in den weiteren Vorwärmern, insbesondere
dem Hauptstromvorwärmer und dem Nebenstromvorwärmer
zur Erwärmung des Arbeitsmittels ganz oder teilweise nutzbar
ist.
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Zwischen
dem Verdampferkreislauf und der Vorwärmeinheit und/oder
zwischen dem Hauptstromkreislauf und dem Nebenstromkreislauf kann
wenigstens ein Massenstromregelglied angeordnet sein, so dass die
Massenströme in verschiedenen Kreisläufen im Betrieb
kontinuierlich einstellbar bzw. justierbar sind.
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Vorzugsweise
umfasst das Massenstromregelglied eine regelbare, insbesondere drehzahlregelbare,
Heizmittelpumpe und/oder ein regelbares Stellventil, insbesondere
ein regelbares Dreiwegeventil. Derartige Massenstromregelglieder
zeichnen sich durch eine einfache Handhabung und geringe Herstellungs-
und Betriebskosten aus. Jeweils ein Massenstromregelglied kann im
Nebenstromvorlauf und/oder im Nebenstromrücklauf des Nebenstromkreislaufs
angeordnet sein. Vorzugsweise ist im Nebenstromvorlauf und/oder
im Nebenstromrücklauf jeweils ein regelbares Stellventil
angeordnet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst der Verdampferkreislauf einen zusätzlichen
Bypassvorwärmer, der dem Dampferzeuger im Verdampferkreislauf in
Strömungsrichtung nachgeordnet ist. Durch den zusätzlichen
Bypassvorwärmer wird erreicht, dass die Restwärmeenergie
des Heizmittels nach Durchtritt durch den Dampferzeuger an das Arbeitsmittel übertragen
wird. Dabei kann der Bypassvorwärmer mit dem gleichen Massenstrom
durchströmt werden wie der Dampferzeuger. Die nach Durchtritt
durch den Dampferzeuger im Heizmittel vorhandene Restwärmeenergie
kann auf diese Weise effizient zur Vorwärmung des Arbeitsmittels
eingesetzt werden.
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Der
Bypassvorwärmer kann in einem Bypasskreislauf des Verdampferkreislaufs
angeordnet sein. Auf diese Weise wird dem Bypassvorwärmer ein
Teil des Massenstroms zugeführt, der durch den Dampferzeuger
geleitet wird. Der Massenstrom im Bypasskreislauf kann dadurch an
einen optimalen Pinch Point bzw. Wärmeübergang
zwischen Heizmittel und Arbeitsmittel im Arbeitsmittelvorwärmer
angepasst werden. Insbesondere können die Massenströme
im Verdampferkreislauf und im Bypasskreislauf getrennt regelbar
sein, so dass sowohl im Dampferzeuger, als auch im Bypassvorwärmer
ein optimaler Wärmeübergang erreicht wird. Dazu
sind zwischen dem Verdampferkreislauf und dem Bypasskreislauf vorzugsweise
entsprechende Massenstromregelglieder angeordnet.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist der Vorwärmeinheit wenigstens ein zusätzlicher
Teilstromkreislauf zugeordnet, der den Nebenstromkreislauf mit wenigstens
einem Teilstromerhitzer verbindet, der der Wärmequelle
zugeordnet ist. Mit dem zusätzlichen Teilstromkreislauf
kann die Energieeffizienz der Vorrichtung weiter gesteigert werden,
da durch den Teilstromerhitzer weitere Restwärmeenergie
der Wärmequelle nutzbar ist. Dadurch wird einerseits eine
verbesserte Ausnutzung der verfügbaren Wärmeenergie
und andererseits eine vorteilhafte Absenkung der Abgas- bzw. Rauchgastemperatur
erreicht.
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Vorzugsweise
ist der Vorwärmeinheit und/oder einer Abgasleitung der
Wärmequelle ein Luftvorwärmer zugeordnet, der
die Vorwärmeinheit und/oder die Abgasleitung mit einer
Zuluftleitung der Wärmequelle thermisch koppelt. Auf diese
Weise wird der Wärmequelle energiereiche Zuluft zugeführt, wodurch
die Effizienz des Verbrennungsvorgangs der Wärmequelle
erhöht wird.
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Im
Hinblick auf den Arbeitsmittelkreislauf ist es vorteilhaft, wenn
dieser wenigstens eine Speisepumpe, und/oder wenigstens einen Kondensator und/oder
wenigstens ein Entspannungsmittel, insbesondere wenigstens eine
Turbine, umfasst. Die aus der Wärmequelle entnommene thermische
Energie kann auf diese Weise effizient in mechanische Energie umgewandelt
werden.
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Der
Arbeitsmittelkreislauf weist vorzugsweise einen internen Rekuperator
auf, der eine Kondensatorzuleitung mit einer Rekuperatorleitung
thermisch koppelt. Durch den internen Rekuperator kann die Restwärmeenergie
des Arbeitsmittels nach Entspannung im Entspannungsmittel zur Vorwärmung des
kondensierten Arbeitsmittels genutzt werden. Der Wirkungsgrad des
Kreisprozesses im Arbeitsmittelkreislauf wird dadurch erhöht.
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Ferner
kann der Arbeitsmittelkreislauf eine Zweigleitung umfassen, die
einen Arbeitsmittelteilstrom unter Umgehung des internen Rekuperators dem
Nebenstromvorwärmer zuführt. Diese Aufteilung
des Arbeitsmittelstroms ermöglicht es, dem Rekuperator
und dem Nebenstromvorwärmer jeweils unterschiedliche Massenströme
des kondensierten Arbeitsmittels zuzuführen, so dass der
Wärmeübergang, insbesondere der Pinch Point, im
Rekuperator und im Nebenstromvorwärmer optimal einstellbar
ist. Insgesamt wird auf diese Weise der Wirkungsgrad der Vorrichtung
weiter gesteigert.
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Dem
Arbeitsmittelkreislauf kann ein Luftkühler zugeordnet sein,
der durch einen Zwischenkreislauf mit dem Kondensator verbunden
ist. Die Wärmeenergie des Arbeitsmittels, die nicht zur
Energieumwandlung im Entspannungsmittel bzw. nicht zur Vorwärmung
des kondensierten Arbeitsmittels im Rekuperator genutzt wird, kann
dem Arbeitsmittel auf diese Weise effizient entzogen werden.
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Es
ist auch möglich, dass der Kondensator den Arbeitsmittelkreislauf
mit einer Wärmeleitung bzw. einer Heizwasserleitung thermisch
koppelt, so dass die Restwärmeenergie des Arbeitsmittels
im Rahmen einer Kraft-Wärme-Kopplung weiter nutzbar ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst das Entspannungsmittel, insbesondere die Turbine,
wenigstens ein Getriebe. Vorzugsweise ist das Entspannungsmittel,
insbesondere die Turbine, mit wenigstens einem Generator, insbesondere
einem Asynchron- und Synchrongenerator, gekoppelt. Die durch die
Vorrichtung in mechanische Energie umgewandelte thermische Energie
der Wärmequelle kann auf diese Weise weiter in elektrische
Energie umgewandelt werden. Dabei kann durch das Getriebe, das mit dem
Entspannungsmittel, insbesondere der Turbine, gekoppelt ist, die Übertragung
der mechanischen Energie in elektrische Energie eingestellt werden,
so dass ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Es ist auch möglich,
das Entspannungsmittel bzw. die Turbine direkt mit dem Generator
verbunden ist.
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Ein
weiterer Gedanke der Erfindung beruht darauf, eine ORC-Anlage mit
einer derartigen Vorrichtung zur Energieumwandlung anzugeben. Außerdem
liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, ein Verfahren zur Inbetriebnahme
und/oder zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung anzugeben, wobei vom
Massenhauptstrom des Hauptstromkreislaufes an einer Nebenstromabzweigung
ein Massennebenstrom abgezweigt und dem Nebenstromkreislauf zugeführt
wird. Dabei wird der Massennebenstrom unabhängig vom Massenhauptstrom
geregelt bzw. eingestellt. Die im Zusammenhang mit der Vorrichtung genannten
Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße
Verfahren.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen
näher erläutert. Darin zeigen:
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1 bis 7:
jeweils ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
und
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8:
ein Temperatur-Enthalpiestrom-Diagramm einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Die
Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip gemäß 1 bis 7 umfasst
jeweils eine Wärmequelle 1 in Form einer Feuerung 2 und
einer Abgas- bzw. Rauchgasleitung 5, die der Feuerung 2 nachgeordnet
ist. Ferner ist ein Arbeitsmittelkreislauf 50 vorgesehen,
der als Organic Rankine Kreisprozess (organic rankine cycle – ORC)
betrieben wird. Dabei werden anstelle von Wasser organische Fluide
als Arbeitsmittel verwendet. Derartige ORC-Fluide sind beispielsweise
Kohlenwasserstoffe wie Alkane, Alkene, Aromaten, (teil-)halogenierte
Kohlenwasserstoffe oder Silikonöle.
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Der
in den 1 bis 7 dargestellte Arbeitsmittelkreislauf 50 umfasst
im Allgemeinen eine Speisepumpe 51, ein der Speisepumpe 51 nachgeordnetes
Entspannungsmittel, insbesondere eine Turbine 53, und einen
Kondensator 52, der zwischen der Turbine 53 und
der Speisepumpe 51 angeordnet ist. Ferner ist ein interner
Rekuperator 54 vorgesehen, der zwischen der Turbine 53 und
dem Kondensator 52 angeordnet ist. Die Verwendung eines
Rekuperators 54 ist nicht zwingend erforderlich, so dass der
Kondensator 52 der Turbine 53 auch direkt nachgeordnet,
d. h. mit der Turbine 53 di rekt verbunden sein kann. Der
Kondensator 52 kann als Luftkondensator ausgebildet sein.
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Das
Entspannungsmittel bzw. die Turbine 53 im Arbeitsmittelkreislauf 50 ist
vorzugsweise mit einem Generator 55 mechanisch gekoppelt,
so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stromerzeugung
einsetzbar ist. Zwischen der Turbine 53 und dem Generator 55 kann
ein Getriebe vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass
anstelle der Turbine 53 eine andere Kraftmaschine als Entspannungsmittel
vorgesehen ist, beispielsweise ein Schrauben- oder Kolbenmotor.
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Dem
Kondensator 52 ist ferner ein Zwischenkreislauf 70 zugeordnet,
der den Kondensator 52 mit einem Luftkühler 71 koppelt.
Der Kondensator 52 verbindet den Zwischenkreislauf 70 thermisch
mit dem Arbeitsmittelkreislauf 50, so dass Wärmeenergie
aus dem Arbeitsmittelkreislauf 50 an den Zwischenkreislauf 70 übertragen
wird. Insbesondere wird durch den Kondensator 52 das im
Arbeitsmittelkreislauf 50 umlaufende Arbeitsmittel abgekühlt,
wobei gleichzeitig das im Zwischenkreislauf 70 umlaufende
Kühlmittel erwärmt wird. Im Luftkühler 71 wird dem
Kühlmittel des Zwischenkreislaufs 70 Wärme entzogen,
so dass vom Luftkühler 71 zum Kondensator 52 abgekühltes
Kühlmittel strömt, das aus dem Arbeitsmittelkreislauf 50 Wärmeenergie
aufnehmen kann. Das Kühlmittel im Zwischenkreislauf 70 kann beispielsweise
ein Wasser-Glykol-Gemisch umfassen. Der Luftkühler 71 kann
als Nasskühlturm ausgeführt sein.
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Der
Kondensator 52 ist im Arbeitsmittelkreislauf 50 der
Speisepumpe 51 bzw. allgemein einem Verdichtungsmittel
in Strömungsrichtung vorgeordnet. An einer der Speisepumpe 51 in
Strömungsrichtung nachgeordneten Stelle ist im Arbeitsmittelkreislauf 50 eine
Kondensataufteilung 554 vorgesehen, in der das aus dem
Kondensator 52 strömende kondensierte Arbeitsmittel
bzw. Kondensat aufgeteilt und einesteils dem Rekuperator 54 über
eine Rekuperatorleitung 541 und anderenteils einem Nebenstromvorwärmer 45 einer
Vorwärmeinheit 20 über eine Zweigleitung 550 zugeführt
wird. Die Kondensataufteilung 554 umfasst ein Massenstromregelglied 80,
vorzugsweise ein Dreiwegeventil 83. Andere Massenstromregelglieder 80,
beispielsweise Stellventile 82 oder entsprechende regelbare
Pumpen, sind ebenfalls verwendbar. Der in die Rekuperatorleitung 541 eingespeiste
Arbeitsmittelteilstrom wird dem Rekuperator 54 zugeleitet,
der den Arbeitsmittelteilstrom in der Rekuperatorleitung 541 mit
dem Arbeitsmittelstrom in einer Kondensatorzuleitung 521 thermisch
koppelt. Dabei verbindet die Kondensatorzuleitung 521 die Turbine 53 mit
dem Kondensator 52 unter Einbeziehung des Rekuperators 54.
Im Rekuperator 54 wird somit die Restwärme energie
des entspannten Arbeitsmittels, das in der Turbine 53 Arbeit
verrichtet hat, zumindest teilweise an das kondensierte Arbeitsmittel
bzw. Kondensat, das im Kondensator 52 abgekühlt
wurde, übertragen.
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Der
weitere Arbeitsmittelteilstrom, der an der Kondensataufteilung 554 in
die Zweigleitung 550 gespeist wird, wird dem Nebenstromvorwärmer 45 zugeführt,
in dem dem Arbeitsmittelteilstrom Wärmeenergie zugeführt
wird, die ursprünglich der Wärmequelle 1 entstammt.
Durch die Aufteilung des Arbeitsmittel- bzw. Kondensatstroms werden
also dem Rekuperator 54 und dem Nebenstromvorwärmer 45 Massenteilströme
des Arbeitsmittels zugeleitet, die derart regelbar sind, dass sowohl
im Rekuperator 54, als auch im Nebenstromvorwärmer 45 optimale
Bedingungen zum Wärmeübergang einstellbar sind. Somit
wird die Energieeffizienz bei der Wärmeübertragung
einerseits vom entspannten Arbeitsmittel zum Teilstrom des kondensierten
Arbeitsmittels im Rekuperator 54 und andererseits von einem
Heizmittel in einen Nebenstromkreislauf 40 zum Arbeitsmittelteilstrom
im Nebenstromvorwärmer 45 erhöht.
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Die
Zweigleitung 550 mündet an einer Kopplung 535 gemeinsam
mit der Rekuperatorleitung 541 in eine Vorwärmleitung 560.
Somit bildet die Zweigleitung 550 im Wesentlichen einen
Umgehungskreislauf, der einen Massenteilstrom des kondensierten Arbeitsmittels
am Rekuperator 54 vorbeileitet. Es ist möglich,
dass der Arbeitsmittelkreislauf 50 derart gestaltet ist,
dass der vollständige Massenstrom des kondensierten Arbeitsmittels
durch die Rekuperatorleitung 541 zum Rekuperator 54 geleitet
wird. Das bedeutet, dass auf eine Kondensataufteilung 554 und
eine damit gekoppelte Zweigleitung 550 verzichtet werden
kann. Vorzugsweise wird in diesem Fall das kondensierte Arbeitsmittel
nach Vorwärmung im Rekuperator 54 als rekuperiertes
Arbeitsmittel vollständig dem Nebenstromvorwärmer 45 zugeführt. Die
Rekuperatorleitung 541 verbindet somit den Rekuperator 54 mit
dem Nebenstromvorwärmer 45 derart, dass der Nebenstromvorwärmer 45 dem
Rekuperator 54 nachgeordnet ist. Alternativ kann die Rekuperatorleitung 541 den
Rekuperator 54 mit dem Nebenstromvorwärmer 45 derart
koppeln, dass der Nebenstromvorwärmer 45 dem Rekuperator 54 vorgeordnet
ist.
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Zwischen
dem Rekuperator 54 und der Turbine 53 sind in
der Vorwärmleitung 560 ferner ein Hauptstromvorwärmer 35 und
ein Dampferzeuger 15 angeordnet. Dabei ist der Dampferzeuger 15 dem Hauptstromvorwärmer 35 nachgeordnet
und der Turbine 53 direkt vorgeordnet. Der Hauptstromvorwärmer 35 verbindet
den Arbeitsmittelkreislauf 50, insbesondere die Vorwärmleitung 560,
thermisch mit einem Hauptstromkreis lauf 30 der Vorwärmeinheit 20. Der
Dampferzeuger 15 bildet eine thermische Kopplung zwischen
dem Arbeitsmittelkreislauf 50, insbesondere der Vorwärmleitung 560,
und einem Verdampferkreislauf 10.
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Die
thermische Verbindung zwischen der Wärmequelle 1 und
dem Arbeitsmittelkreislauf 50 erfolgt gemäß 1 bis 7 durch
den Verdampferkreislauf 10, den Hauptstromkreislauf 30 und
den Nebenstromkreislauf 40, wobei der Hauptstromkreislauf 30 und
der Nebenstromkreislauf 40 gemeinsam die Vorwärmeinheit 20 bilden.
Vorzugsweise umfasst die Wärmequelle 1 eine Feuerung 2 mit
einer Abgas- bzw. Rauchgasleitung 5. Über die
Rauchgasleitung 5 werden Verbrennungsabgase aus der Feuerung 2 abgeleitet.
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Gemäß 1 ist
der Feuerung 2 in der Rauchgasleitung 5 in Strömungsrichtung
des Rauchgases ein Heizwärmetauscher 11 direkt
nachgeordnet, der den Verdampferkreislauf 10 mit der Rauchgasleitung 5 thermisch
koppelt. Der Verdampferkreislauf 10 umfasst ein Heizmittel,
vorzugsweise ein Thermoöl, das im Verdampferkreislauf 10 zwischen dem
Heizwärmetauscher 11 und dem Dampferzeuger 15 zirkuliert
und Wärmeenergie aus dem Rauchgas der Rauchgasleitung 5 an
das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf 50 überträgt.
Im Verdampferkreislauf 10 ist ferner ein Massenstromregelglied 80, insbesondere
eine drehzahlregelbare Heizmittelpumpe 81, angeordnet,
mit der der Massenstrom des Heizmittels im Verdampferkreislauf 10 reguliert
wird. Somit kann der Massenstrom im Verdampferkreislauf 10 an
eine optimale Wärmeübertragung im Heizwärmetauscher 11 und
im Dampferzeuger 15 eingestellt werden. Durch die regelbare
Heizmittelpumpe 81 wird also erreicht, dass der Pinch Point
der Wärmeübertragung optimiert wird.
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In
der Rauchgasleitung 5 ist ferner ein Hauptstromerhitzer 31 angeordnet,
der dem Heizwärmetauscher 11 direkt nachgeordnet
ist. Der Hauptstromerhitzer 31 verbindet die Rauchgasleitung 5 thermisch
mit dem Hauptstromkreislauf 30, so dass Wärmeenergie
aus dem Rauchgas an das Heizmittel im Hauptstromkreislauf 30 übertragen
wird. Ferner umfasst der Hauptstromkreislauf 30 einen Hauptstromvorwärmer 35 und
ein Massenstromregelglied 80, insbesondere eine drehzahlregelbare Heizmittelpumpe 81.
In der Rauchgasleitung 5 ist dem Hauptstromerhitzer 31 ferner
ein Nebenstromerhitzer 41 nachgeordnet, der die Rauchgasleitung 5 thermisch
mit dem Nebenstromkreislauf 40 koppelt. Der Nebenstromkreislauf 40 umfasst
analog zum Hauptstromkreislauf 30 den Nebenstromvorwärmer 45 und
ein Massenstromregelglied 80, insbesondere eine drehzahlregelbare
Heizmittelpumpe 81, Die Funktionsweise der einzel nen Komponenten
des Hauptstromkreislaufs 30 und des Nebenstromkreislaufs 40 entspricht,
insbesondere im Hinblick auf die Übertragung der Wärmeenergie
von der Wärmequelle 1 zum Arbeitsmittelkreislauf 50,
im Wesentlichen der Funktionsweise der Komponenten des Verdampferkreislaufs 10.
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Durch
die Massenstromregelglieder 80 im Verdampferkreislauf 10 und
der Vorwärmeinheit 20, insbesondere dem Hauptstromkreislauf 30 und
dem Nebenstromkreislauf 40, wird ermöglicht, dass
die Massenströme in den einzelnen Kreisläufen
unterschiedlich einstellbar sind. Damit kann der Wärmeübergang
zwischen der Rauchgasleitung 5 und den einzelnen Kreisläufen
bzw. zwischen den einzelnen Kreisläufen und dem Arbeitsmittelkreislauf 50 optimiert
werden. Das bedeutet, dass insgesamt die Energieausnutzung der Wärmequelle 1 bzw.
die Energieübertragung von der Wärmequelle 1 zum
Arbeitsmittelkreislauf 50 verbessert und der Wirkungsgrad der
Vorrichtung erhöht wird.
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In
den folgenden Ausführungsbeispielen gemäß 2 bis 7 entsprechen
der Aufbau der Wärmequelle 1 sowie der Aufbau
des Arbeitsmittelkreislaufs 50 im Wesentlichen dem Aufbau
gemäß 1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
wird daher im Folgenden auf eine erneute, detaillierte Beschreibung
der Wärmequelle 1 bzw. des Arbeitsmittelkreislaufs 50 verzichtet.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch
den Aufbau der Vorwärmeinheit 20. Die Vorwärmeinheit 20 umfasst
den Hauptstromkreislauf 30 und den Nebenstromkreislauf 40,
wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Hauptstromkreislauf 30 mit
dem Nebenstromkreislauf 40 fluidverbunden ist. Insbesondere
ist im Hauptstromkreislauf 30 in Strömungsrichtung
nach dem Hauptstromvorwärmer 35 eine Nebenstromabzweigung 43 angeordnet, die
einen Massenteilstrom des Heizmittels im Hauptstromkreislauf 30 einen
Nebenstromvorlauf 43a des Nebenstromvorwärmers 45 zuführt.
Die Nebenstromabzweigung 43 umfasst dabei ein Massenstromregelglied 80,
insbesondere ein regelbares Dreiwegeventil 83, mit dem
der Anteil des in den Nebenstromvorlauf 43a eingeleiteten
Heizmittels einstellbar ist. Der aus dem Hauptstromkreislauf 30 abgezweigte Heizmittelteilstrom
wird also über den Nebenstromvorlauf 43a durch
den Nebenstromvorwärmer 45 und im weiteren Verlauf
zum Nebenstromerhitzer 41 geleitet. Vom Nebenstromerhitzer 41 gelangt
der Heizmittelteilstrom über den Nebenstromrücklauf 43b zurück
in den Hauptstromkreislauf 30. Dazu ist im Hauptstromkreislauf 30 zwischen
der Nebenstromabzweigung 43 und dem Massenstromregelglied 80, insbesondere
der Heizmit telpumpe 81, eine Nebenstromverknüpfung 44 angeordnet,
die den Nebenstromrücklauf 43b mit dem Hauptstromkreislauf 30 verbindet.
In der Nebenstromverknüpfung 44 wird der Massenteilstrom,
der von der Nebenstromabzweigung 43 im Hauptstromkreislauf 30 in
Richtung des Hauptstromerhitzers 31 strömt, und
der Massenteilstrom, der den Nebenstromkreislauf 40 durchströmt,
vereint und über die Heizmittelpumpe 81 einem
Zulauf 36a des Hauptstromerhitzers 31 zugeführt.
Der Zulauf 36a verbindet die Heizmittelpumpe 81 bzw.
die Nebenstromverknüpfung 44 mit dem Hauptstromerhitzer 31.
Das in der Nebenstromabzweigung 43 angeordnete Dreiwegeventil 83 ist
vorzugsweise kontinuierlich regelbar, so dass die Massenströme
im Hauptstromkreislauf 30 und im Nebenstromkreislauf 40 getrennt
voneinander einstellbar sind. Auf diese Weise werden im Wesentlichen
die gleichen Vorteile bezüglich der effizienten Energieübertragung
erreicht wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
Zusätzlich hat die Verschaltung gemäß 2 den
Vorteil, dass durch die Kopplung des Hauptstromkreislaufes 30 mit
dem Nebenstromkreislauf 40 zusätzliche Komponenten
eingespart werden, die bei separaten Kreisläufen zweckmäßig
sind. Beispielsweise kann durch die Verschaltung von Hauptstromkreislauf 30 mit
Nebenstromkreislauf 40 eine Heizmittelpumpe 81 eingespart
werden, da der Massenstrom im Nebenstromkreislauf 40 durch
das regelbare Dreiwegeventil 83 einstellbar ist.
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In 3 ist
eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß 2 gezeigt,
in dem zusätzlich der Verdampferkreislauf 10 mit
der Vorwärmeinheit 20 fluidgekoppelt ist, wobei
der Hauptstromkreislauf 30 und der Nebenstromkreislauf 40 der
Vorwärmeinheit 20 miteinander fluidverbunden sind.
Die Kopplung des Verdampferkreislaufs 10 mit der Vorwärmeinheit 20,
insbesondere mit dem Hauptstromkreislauf 30, erfolgt im
Wesentlichen analog zur Kopplung des Hauptstromkreislaufes 30 mit
dem Nebenstromkreislauf 40. Insbesondere ist im Verdampferkreislauf 10 eine
Hauptstromabzweigung 33 vorgesehen, die dem Dampferzeuger 15 direkt
nachgeordnet ist. Die Hauptstromabzweigung 33 teilt den Heizmittelstrom
im Hauptstromkreislauf 30 derart auf, dass ein Heizmittelteilstrom über
einen Hauptstromvorlauf 33a dem Hauptstromvorwärmer 35 zugeführt
wird. Der durch den Hauptstromvorwärmer 35 geführte
Heizmittelteilstrom wird ferner in der Nebenstromabzweigung 43 weiter
aufgeteilt und einerseits dem Nebenstromkreislauf 40, insbesondere dem
Nebenstromvorwärmer 45, über den Nebenstromvorlauf 43a,
und andererseits dem Zulauf 36a des Hauptstromerhitzers 31 zugeführt.
Der Heizmittelteilstrom aus dem Hauptstromerhitzer 31 wird
im weiteren Verlauf über den Hauptstromrücklauf 33b an
der Hauptstromverknüpfung 34 in den Verdampferkreislauf 10 zurückgespeist.
Die Hauptstromverknüpfung 34 ist dabei zwischen
der Hauptstromabzweigung 33 und dem Heizwärme tauscher 11 angeordnet.
In der Hauptstromverknüpfung 34 wird der Heizmittelteilstrom
aus dem Hauptstromkreislauf 30 mit dem Heizmittelteilstrom
aus dem Verdampferkreislauf 10, der in der Hauptstromabzweigung 33 abgezweigt
wurde, zusammengeführt. Zwischen der Hauptstromverknüpfung 34 und
dem Heizwärmetauscher 11 ist ein Massenstromregelglied 80,
insbesondere eine drehzahlregelbare Heizmittelpumpe 81 angeordnet.
Eine weitere Heizmittelpumpe 81 ist im Hauptstromvorlauf 33a angeordnet.
Die Heizmittelpumpen 81 geben die Strömungsrichtung
des Heizmittels vor. Der Aufbau der Vorwärmeinheit 20 gemäß 3 entspricht
dem Aufbau der Vorwärmeinheit 20 gemäß 2 einschließlich
des Dreiwegeventils 83, das in der Nebenstromabzweigung 33 angeordnet
ist.
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In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, wobei der Verdampferkreislauf 10 und
die Vorwärmeinheit 20 getrennte Heizmittelkreisläufe
bilden. Die Vorwärmeinheit 20 umfasst den Hauptstromkreislauf 30 und den
Nebenstromkreislauf 40, die miteinander fluidgekoppelt
sind. Dazu sind zwischen dem Hauptstromkreislauf 30 und
dem Nebenstromkreislauf 40 der Nebenstromvorlauf 43a und
der Nebenstromrücklauf 43b angeordnet. Im Nebenstromvorlauf 43a und
im Nebenstromrücklauf 43b ist jeweils ein Stellventil 82 angeordnet,
das zur Regelung der Massenströme im Hauptstromkreislauf 30 und
im Nebenstromkreislauf 40 angepasst ist. Die Stellventile 82 bilden
somit Massenstromregelglieder 80. Der Nebenstromvorlauf 43a und
der Nebenstromrücklauf 43b sind im Nebenstromkreislauf 40 durch
eine Nebenstromzirkulation 43c verbunden. Die Nebenstromzirkulation 43c umfasst
ein zusätzliches Massenstromregelglied 80, das
als Stellventil 82 ausgebildet ist. Insbesondere in der
Nebenstromzirkulation 43c kann ein anderes Massenstromregelglied 80,
beispielsweise eine Heizmittelpumpe 81, vorgesehen sein.
Bei der Vorwärmeinheit 20 gemäß 4 bilden
der Hauptstromkreislauf 30 und der Nebenstromkreislauf 40 also
im Wesentlichen eigenständige Kreisläufe, die
durch den Nebenstromvorlauf 43a und den Nebenstromrücklauf 43b gekoppelt
sind. Das bedeutet, dass das Heizmittel in beiden Kreisläufen,
also sowohl im Hauptstromkreislauf 30, als auch im Nebenstromkreislauf 40,
zirkulieren kann, auch wenn die Stellventile 82 im Nebenstromvorlauf 43a und
im Nebenstromrücklauf 43b vollständig
geschlossen sind. Zusätzlich ist im Nebenstromkreislauf 40 ein
weiteres Massenstromregelglied 80, insbesondere eine Heizmittelpumpe 81,
angeordnet. Die Heizmittelpumpe 81 ist gemäß 4 zwischen
dem Nebenstromvorlauf 43a bzw. der Nebenstromzirkulation 43c und dem
Nebenstromvorwärmer 45 angeordnet derart, dass
das Heizmittel im Nebenstromkreislauf 40 in Richtung des
Nebenstromvorwärmers 45 gefördert wird.
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Im
Hinblick auf die Verschaltung von Hauptstromkreislauf 30,
Nebenstromkreislauf 40 und Verdampferkreislauf 10 entspricht
das Ausführungsbeispiel gemäß 5 im
Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 3.
Zusätzlich ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 im
Verdampferkreislauf 10 ein Bypasskreislauf 90 vorgesehen,
der dem Dampferzeuger 15 in Strömungsrichtung
nachgeordnet ist. Der Bypasskreislauf 90 umfasst einen Bypassvorwärmer 95,
der den Bypasskreislauf 90 thermisch mit dem Arbeitsmittelkreislauf 50,
insbesondere der Vorwärmleitung 560, koppelt.
Dazu ist der Bypassvorwärmer 95 im Arbeitsmittelkreislauf 50 dem
Dampferzeuger 15 in Strömungsrichtung vorgeordnet,
insbesondere direkt vorgeordnet. Das bedeutet, dass der Bypassvorwärmer 95 im
Arbeitsmittelkreislauf 50 zwischen dem Hauptstromvorwärmer 35 und
dem Dampferzeuger 15 angeordnet ist. Der Bypasskreislauf 90 umfasst
ferner einen Bypassvorlauf 93a, der den Dampferzeuger 15 im
Verdampferkreislauf 10 mit dem Bypassvorwärmer 95 koppelt,
so dass das Heizmittel des Verdampferkreislaufs 10 nach
Durchtritt durch den Dampferzeuger 15 dem Bypassvorwärmer 95 zugeführt
wird. Nach Durchlaufen des Bypassvorwärmers 95 strömt
das Heizmittel über einen Bypassrücklauf 93b zurück
in den Verdampferkreislauf 10. Zwischen dem Bypassvorlauf 93a und
dem Bypassrücklauf 93b ist ferner eine Bypasszirkulation 93c angeordnet,
durch die ein Heizmittelteilstrom unter Umgehung des Bypassvorwärmers 95 vom
Bypassvorlauf 93a zum Bypassrücklauf 93b strömt.
Zwischen dem Bypassrücklauf 93b und der Bypasszirkulation 93c ist
ferner ein Massenstromregelglied 80, insbesondere ein Dreiwegeventil 83 angeordnet.
Das Dreiwegeventil 83 ist einstellbar, so dass der Massenstrom
im Bypasskreislauf 90 unabhängig vom Massenstrom
im Verdampferkreislauf 10 regelbar bzw. justierbar ist.
Es ist möglich, dass anstelle eines Dreiwegeventils 83 im
Bypassvorlauf 93a, im Bypassrücklauf 93b und/oder
in der Bypasszirkulation 93c ein regelbares Stellventil 82,
eine regelbare Heizmittelpumpe 81 und/oder ein anderes Massenstromregelglied 80 angeordnet
ist.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, das im Wesentlichen auf dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 basiert, wobei zwischen dem
Verdampferkreislauf 10 und dem Hauptstromkreislauf 30 zusätzliche
Massenstromregelglieder 80 und eine Hauptstromzirkulation 33c vorgesehen
sind. Die Hauptstromzirkulation 33c ist analog zur Nebenstromzirkulation 43c gemäß 4 zwischen
dem Hauptstromvorlauf 33a und dem Hauptstromrücklauf 33b angeordnet.
Im Hauptstromvorlauf 33a ist ferner zwischen der Hauptstromabzweigung 33 und
der Hauptstromzirkulation 33c ein regelbares Stellventil 82 angeordnet.
Zwischen der Hauptstromzirkulation 33c und dem Hauptstromvorwärmer 35 umfasst
der Hauptstromvorlauf 33a eine Heizmittelpumpe 81. Das
Massenstromregelglied 80, insbeson dere das Stellventil 82,
im Hauptstromrücklauf 33b ist zwischen der Hauptstromzirkulation 33c und
der Hauptstromverknüpfung 34 angeordnet. Ein weiteres
Stellventil 82 ist in der Hauptstromzirkulation 33c angeordnet.
Insbesondere in der Hauptstromzirkulation 33c kann auch
ein anderes Massenstromregelglied 80, beispielsweise eine
zusätzliche Heizmittelpumpe 81, angeordnet sein.
Durch die Hauptstromzirkulation 33c wird ermöglicht,
dass dem Hauptstromvorwärmer 35 Heizmittel mit
einer höheren Temperatur zugeführt werden kann.
Insbesondere kann die Temperatur des Heizmittels im Hauptstromvorlauf 33a zwischen
der Hauptstromzirkulation 33c und dem Hauptstromvorwärmer 35 höher
sein als vor der Hauptstromzirkulation 33c. Konkret kann
also durch die Hauptstromzirkulation 33c die Temperatur
des aus dem Dampferzeuger 15 austretenden Heizmittels vor
der Zufuhr zum Hauptstromvorwärmer 35, d. h. die
Hauptstromvorwärmer-Vorlauftemperatur, erhöht
werden. Dasselbe gilt im Wesentlichen analog für die Funktionsweise
der zuvor beschriebenen Nebenstromzirkulation 43c. Mit
anderen Worten kann die erzielbare Vorwärmer-Vorlauftemperatur
höher sein als die Rücklauftemperatur, die aus
dem Dampferzeuger 15 kommt.
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Eine
weitere Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß 5 ist
in 7 dargestellt. Dabei entspricht der Aufbau des
Verdampferkreislaufs 10, des Hauptstromkreislaufs 30 und
des Nebenstromkreislaufs 40 dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5. Zusätzlich weist
die Vorwärmeinheit 20 gemäß 7 einen
Teilstromkreislauf 60 auf, der mit dem Nebenstromkreislauf 40 fluidverbunden
ist. Der Teilstromkreislauf 60 umfasst einen Teilstromerhitzer 61 und
einen Luftvorwärmer 65. Der Teilstromerhitzer 61 verbindet
den Teilstromkreislauf 60 thermisch mit der Rauchgasleitung 5 der
Wärmequelle 1, wobei die Wärmequelle 1 bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 eine
Zuluftleitung 6 umfasst, die den Luftvorwärmer 65 mit
der Feuerung 2 verbindet. Der Luftvorwärmer 65 bildet
dabei eine thermische Kopplung zwischen der Zuluftleitung 6 und
dem Teilstromkreislauf 60 und ist im Teilstromkreislauf 60 dem
Teilstromerhitzer 61 in Strömungsrichtung vorgeordnet.
Dadurch wird die Zuluft, die der Feuerung 2 zur Sicherstellung
des Verbrennungsvorgangs zugeführt wird, vorgewärmt,
so dass die Effizienz des Verbrennungsvorgangs erhöht wird.
Der Luftvorwärmer 65 kann auch in der Rauchgasleitung 5 angeordnet
sein.
-
Zur
Verbindung des Teilstromkreislaufs 60 mit dem Nebenstromkreislauf 40 ist
eine Teilstromabzweigung 63 vorgesehen, die analog zur
Nebenstromabzweigung 43 im Nebenstromkreislauf 40 dem
Nebenstromvorwämer 45 nachgeordnet ist. Die Teilstromabzweigung 63 umfasst
ein Dreiwegeventil 83, das zur Regelung der Massenströme
im Nebenstromkreislauf 40 und im Teilstromkreislauf 60 angepasst
ist. Die Teilstromabzweigung 63 teilt den Heizmittelstrom
aus dem Nebenstromvorwämer 45 in zwei Heizmittelteilströme
auf, wobei einer der Teilströme über einen Teilstromvorlauf 63a dem
Luftvorwärmer 65 zugeführt wird. Der
andere Heizmittelteilstrom wird über den Nebenstromkreislauf 40 dem Nebenstromerhitzer 41 zugeführt.
-
Der
im Teilstromkreislauf 60 strömende Heizmittelteilstrom
durchläuft nach dem Luftvorwärmer 45 den
Teilstromerhitzer 61 und nimmt Wärmeenergie aus
dem Rauchgas in der Rauchgasleitung 5 auf. Der erwärmte
Heizmittelteilstrom strömt im weiteren Verlauf vom Teilstromerhitzer 61 über
einen Teilstromrücklauf 63b zur einer Teilstromverknüpfung 64,
die analog zur Nebenstromverknüpfung 44 zwischen
der Teilstromabzweigung 63 und dem Nebenstromerhitzer 41 im
Nebenstromkreislauf 40 angeordnet ist.
-
Insgesamt
umfasst die Vorwärmeinheit 20 aus 7 also
drei Vorwärmkreisläufe, nämlich den Hauptstromkreislauf 30,
den Nebenstromkreislauf 40 und den Teilstromkreislauf 60,
die miteinander fluidgekoppelt sind. Durch entsprechende Massenstromregelglieder 80,
insbesondere Dreiwegeventile 83, sind die drei Vorwärmkreisläufe
der Vorwärmeinheit 20 hydraulisch entkoppelbar,
so dass die Massenströme im Hauptstromkreislauf 30,
im Nebenstromkreislauf 40 und im Teilstromkreislauf 60 getrennt
einstellbar bzw. regelbar sind. Vorzugsweise ist dazu eine Steuereinrichtung
(nicht dargestellt) vorgesehen, die mit den Massenstromregelgliedern 80 signalverbunden
ist derart, dass die Massenströme in den einzelnen Kreisläufen,
insbesondere im Verdampferkreislauf 10, im Hauptstromkreislauf 30,
im Nebenstromkreislauf 40, im Teilstromkreislauf 60 und/oder
im Arbeitsmittelkreislauf 50, kontinuierlich, insbesondere
im laufenden Betrieb, einstellbar bzw. justierbar sind. Auf diese
Weise können die Wärmeübergänge
bzw. Pinch Points in den einzelnen Wärmetauschern, Erhitzern,
Vorwärmern oder dergleichen optimal eingestellt werden,
so dass eine besonders effiziente Umwandlung von thermischer Energie in
mechanische und/oder elektrische Energie erreicht wird.
-
In 8 ist
ein Temperatur-Enthalpiestrom-Diagramm einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt.
Das Diagramm zeigt das Verhältnis von Temperatur und Enthalpiestrom
der einzelnen Wärmeträgermedien, insbesondere
des Rauchgases der Wärmequelle 1, des Heizmittels
bzw. Thermoöls der Vorwärmeinheit 20 bzw.
des Verdampferkreislaufs 10 und des Arbeitsmittels im Arbeitsmittelkreislauf 50. Das
Diagramm zeigt deutlich, dass durch die erfindungsgemäße
Schaltung des Verdampferkreislaufs 10 mit der Vorwärmeinheit 20 bzw.
innerhalb der Vorwärmeinheit 20 günstigere
Pinch Points bzw. Temperaturdifferenzen erreicht werden. Insbesondere
geht aus dem Diagramm deutlich hervor, dass die Wärmeenergie
des Rauchgases mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besser genutzt und somit einerseits der Wirkungsgrad des Kreisprozesses
erhöht und andererseits die Rauchgastemperatur insgesamt
abgesenkt wird.
-
Die
Verschaltung der einzelnen Heizmittel- bzw. Thermoölkreisläufe,
insbesondere des Hauptstromkreislaufes 30 mit dem Nebenstromkreislauf 40,
ist besonders dazu geeignet, Heizmittel bzw. Heizfluide mit einer
hohen Verdampfungsenthalpie einzusetzen. Die thermodynamischen Vorteile
eines Heizfluids mit einer hohen Verdampfungsenthalpie bewirken
eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Vorrichtung.
Als besonders geeignete Fluide sind Isopropylbenzol (Cumol), Isopropyltoluol
(Cymol) und Dimethylbenzol (Xylol) zu nennen. Bei einer Temperatur
von etwa 260°C bis 280°C, insbesondere bei 270°C,
beträgt die Verdampfungsenthalpie des Isopropylbenzols
etwa zwischen 210 kJ/kg und 230 KJ/kg, insbesondere zwischen 215
kJ/kg und 225 kJ/kg. Das Isopropyltoluol weist in demselben Temperaturbereich
eine Verdampfungsenthalpie auf, die zwischen 220 kJ/kg und 250 kJ/kg,
insbesondere zwischen 235 kJ/kg und 245 kJ/kg, insbesondere zwischen
230 kJ/kg und 240 kJ/kg, beträgt. Die Verdampfungsenthalpie
des Dimethylbenzols beträgt in dem Temperaturbereich von
etwa 260°C bis 280°C, insbesondere bei 270°C,
ungefähr zwischen 230 kJ/kg und 260 kJ/kg, insbesondere
zwischen 235 kJ/kg und 255 kJ/kg, insbesondere zwischen 230 kJ/kg
und 250 kJ/kg. Das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf 50 kann
Kombinationen bzw. Mischungen der genannten Fluide umfassen. Die
Begriffe Isopropyltoluol und Dimethylbenzol stehen auch für
die jeweiligen Isomere.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. eine ORC-Anlage
mit einer derartigen Vorrichtung kann die folgenden alternativen
oder zusätzlichen Merkmale aufweisen:
Beispielsweise
ist es auch möglich, dass das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf 50 zumindest
teilweise direkt durch Rauchgasvorwärmer mit dem Rauchgas in
der Rauchgasleitung 5 thermisch gekoppelt ist. Die Rauchgasleitung 5 kann
also nach Durchtritt durch den Heizwärmetauscher 11,
den Hauptstromerhitzer 31 und den Nebenstromerhitzer 41 einem
zusätzlichen Rauchgasvorwärmer zugeführt
werden, der im Arbeitsmittelkreislauf 50 direkt angeordnet
ist. Die Rauchgasleitung 5 kann auch vor oder zwischen
dem Heizwärmetauscher 11, dem Hauptstromerhitzer 31 und/oder
dem Nebenstromerhitzer 41 dem Rauchgasvorwärmer
zugeführt werden. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass
nur ein Teil des Rauchgases durch eine Abzweigung in der Rauchgasleitung 5 dem
Rauchgasvorwärmer zugeführt wird.
-
Die
Vorrichtung ist vorzugsweise mit üblichen Mess-, Steuer-,
Regelungs- und/oder Sicherheitsvorrichtungen versehen. Ferner können
in den einzelnen Kreisläufen, insbesondere im Verdampferkreislauf 10,
im Hauptstromkreislauf 30, im Nebenstromkreislauf 40,
im Teilstromkreislauf 60, im Arbeitsmittelkreislauf 50 und/oder
im Zwischenkreislauf 70, bzw. in der Rauchgasleitung 5 und/oder
der Zuluftleitung 6 Drosselventile vorgesehen sein. Die Drosselventile
können mechanisch betätigbar oder mit der Steuereinrichtung
verbunden sein, so dass die Drosselventile mit den Massenstromregelgliedern 80 eine
gemeinsame Regelung und Steuerung der Vorrichtung ermöglichen.
Die Vorrichtung bzw. eine ORC-Anlage mit einer derartigen Vorrichtung
kann in Kesselstahl oder Edelstahl ausgeführt sein. Die Rauchgasleitung 5 bzw.
Abgasstrecke kann mit einem Saugzuggebläse und/oder einer
Rezirkulation ausgestattet sein.
-
Im
Allgemeinen aus der Verbrennungs- und Heiztechnik bzw. dem Dampfturbinenbau
bekannte Verfahren und/oder zusätzliche Komponenten, beispielsweise
Einrichtungen zur Rücklaufkopplung, insbesondere eine Rücklaufbeimischung
bzw. ein Bypass zur teilweisen Umgehung eines Wärmetauschers,
sind auch bei der hier dargestellten Vorrichtung zur Energieumwandlung
nach dem ORC-Prinzip einsetzbar.
-
- 1
- Wärmequelle
- 2
- Feuerung
- 5
- Rauchgasleitung
- 6
- Zuluftleitung
- 10
- Verdampferkreislauf
- 11
- Heizwärmetauscher
- 15
- Dampferzeuger
- 20
- Vorwärmeinheit
- 30
- Hauptstromkreislauf
- 31
- Hauptstromerhitzer
- 33
- Hauptstromabzweigung
- 33a
- Hauptstromvorlauf
- 33b
- Hauptstromrücklauf
- 33c
- Hauptstromzirkulation
- 34
- Hauptsromverknüpfung
- 35
- Hauptstromvorwärmer
- 36a
- Zulauf
- 40
- Nebenstromkreislauf
- 41
- Nebenstromerhitzer
- 43
- Nebenstromabzweigung
- 43a
- Nebenstromvorlauf
- 43b
- Nebenstromrücklauf
- 43c
- Nebnstromzirkulation
- 44
- Nebenstromverknüpfung
- 45
- Nebenstromvorwärmer
- 50
- Arbeitsmittelkreislauf
- 51
- Speisepumpe
- 52
- Kondensator
- 53
- Turbine
- 54
- Rekuperator
- 55
- Generator
- 521
- Kondensatorzuleitung
- 541
- Rekuperatorleitung
- 550
- Zweigleitung
- 554
- Kondensataufteilung
- 560
- Vorwärmleitung
- 60
- Teilstromkreislauf
- 61
- Teilstromerhitzer
- 63
- Teilstromabzweigung
- 63a
- Teilstromvorlauf
- 63b
- Teilstromrücklauf
- 64
- Teilstromverknüpfung
- 65
- Luftvorwärmer
- 70
- Zwischenkreislauf
- 71
- Luftkühler
- 80
- Massenstromregelglied
- 81
- Heizmittelpumpe
- 82
- Stellventil
- 83
- Dreiwegeventil
- 90
- Bypasskreislauf
- 93a
- Bypassvorlauf
- 93b
- Bypassrücklauf
- 93c
- Bypasszirkulation
- 95
- Bypassvorwärmer
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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