DE102010011737A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieumwandlung - Google Patents

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Energieumwandlung sowie eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, mit dem eine kurze Kaltstartzeit und ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird und das kostengünstig ist. Erreicht wird dies dadurch, dass die Abwärme erst dem Clausius Rankine Kreislauf (1) und die Restwärme anschließend dem Ölkreislauf (2) zugeführt wird. Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden zur Energieumwandlung, insbesondere in Heizwerken oder zur Energieumwandlung von sonstigen Abwärmequellen z. B. mit einem ORC-Prozess eingesetzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieumwandlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine dazugehörige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
  • Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden zur Energieumwandlung, insbesondere in Heizwerken oder zur Energieumwandlung von sonstigen Abwärmequellen z. B. mit einem ORC-Prozess eingesetzt.
  • In Heizwerken wird ein Heizmedium verbrannt. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden über eine Abgasleitung an die Atmosphäre abgegeben. Aus diesen Verbrennungsgasen wird die Restwärme abgenommen und energetisch genutzt. Dazu sind unzählige Lösungen bekannt.
  • Ein Bereich dieser Lösungen befasst sich mit ORC-Prozessen, weil das in dem Clausius Rankine Kreislauf verwendete Arbeitsfluid sehr günstige Stoffeigenschaft aufweist.
  • So ist aus der DE 35 00 170 eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme bekannt, die eine schraubenförmige Expansionsvorrichtung aufweist, deren Abtriebswelle mit einem Generator verbunden ist. Zudem ist die Expansionsvorrichtung in einem Clausius Rankine Kreislauf integriert, wobei der Clausius Rankine Kreislauf in Strömungsrichtung und nach der Expansionsvorrichtung einen Ölabscheider, einen Kondensator, eine Pumpe und einen Wärmetauscher aufweist. Zusätzlich ist die Expansionsvorrichtung in einem Ölkreislauf integriert, der in Strömungsrichtung und nach der Expansionsvorrichtung den Ölabscheider, eine Ölkreislaufpumpe und einen weiteren Wärmetauscher aufweist. Dabei sind die beiden Wärmetauscher in einem Abwärmestrom parallel zueinander angeordnet.
  • In Funktion der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme wird aus dem Abwärmestrom über die Wärmetauscher parallel Abwärme auf die Arbeitsmedien des Clausius Rankine Kreislaufes und des Ölkreislaufes übertragen. Die so erhitzen Arbeitsmedien werden anschließend der Expansionsvorrichtung zugeführt, wo sich das Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes entspannt und dabei die Abtriebswelle einschließlich den Generator zur Energieerzeugung antreibt. Gleichzeitig dient das der Expansionsvorrichtung zugeführte Arbeitsmedium des Ölkreislaufes zur Schmierung und Abdichtung der rotierenden Teile der Expansionsvorrichtung. Nach der Expansionsvorrichtung werden die beiden Arbeitsmedien über eine Ableitung in den Ölabscheider geleitet, wo sich das flüssige Arbeitsmedium des Ölkreislaufes und das gasförmige Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes trennen. Das über den Kopf des Ölabscheiders abgeführte gasförmige Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes wird anschließend im Kondensator verflüssigt und über die Pumpe erneut dem Wärmetauscher des Clausius Rankine Kreislaufes zugeführt. Gleichzeitig wird das über den Sumpf des Ölabscheiders flüssige Arbeitsmedium des Ölkreislaufes über die Pumpe dem Wärmetauscher des Ölkreislaufes zugeführt.
  • Diese Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme hat aber Nachteile. So findet in dem Wärmetauscher des Clausius Rankine Kreislaufes sowohl die Erwärmung als auch die Verdampfung des Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes statt, weshalb seine baulichen Abmaße sehr groß und damit diese Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme uneffektiv ist. Diese Nachteile werden durch die Gleichstromführung der Arbeitsmedien im Wärmetauscher des Clausius Rankine Kreislaufes verstärkt.
  • Zudem sind die Wärmetauscher im Abwärmestrom parallel zueinander angeordnet, so dass für die Verdampfung das Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes eine geringere Wärmemenge zur Verfügung steht. Dadurch ist die Erwärmung und Verdampfung des Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes uneffektiv.
  • Auch kann eine Unterkühlung des Abgases im Abwärmestrom unter eine Mindesttemperatur nur indirekt durch gleichzeitige Leistungsdrosselung der Förderleistung der Pumpen erreicht werden.
  • Zudem kann bei einem Kaltstart, insbesondere im Winter, das Arbeitsmedium des Ölkreislaufes nicht vorrangig aufgeheizt werden, weshalb lange Kaltstartzeiten bis zum Erreichen einer Mindesttemperatur des Arbeitsmediums des Ölkreislaufes entstehen. In dieser langen Kaltstartzeit arbeitet diese Vorrichtung zur Rückgewinnung von Warme uneffektiv.
  • Außerdem gelangen von dem gasförmige Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes im Ölabscheider mitgerissene Flüssigkeitstropfen des flüssigen Arbeitsmediums des Ölkreislaufes in den Clausius Rankine Kreislauf und führen dort zu Verunreinigung des Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes, insbesondere im Wärmetauscher des Clausius Rankine Kreislaufes, was zu einer Verminderung der effektiv wirkenden Wärmeübertragungsfläche dieses Wärmetauschers und damit zu einer Uneffektivität dieser Vorrichtung. Zudem können im Extremfall diese Verunreinigungen zu einer Ölverlagerung in den Clausius Rankine Kreislauf führen. Eine Beseitigung der Verunreinigungen aus dem Clausius Rankine Kreislauf führt zu zusätzlichen Stillstandzeiten und zu Mehrkosten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Energieumwandlung sowie eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, mit dem eine kurze Kaltstartzeit und ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird und das kostengünstig ist.
  • Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 10.
  • Das neue Verfahren zur Energieumwandlung sowie die dazugehörige Vorrichtung beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
  • Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Verfahrens zur Energieumwandlung, bei dem eine Abwärme einem Clausius Rankine Kreislauf mit einem mechanisch mit einem Generator verbundenen Expander und einem Ölkreislauf zur Verfügung gestellt wird, wobei aus der Abwärme mittels dem Expander und dem Generator elektrische Energie erzeugt wird, ist es, dass die Abwärme erst dem Clausius Rankine Kreislauf und die Restwärme anschließend dem Ölkreislauf zugeführt wird. Dadurch wird der auf dem maximalen Temperaturniveau liegenden Abwärme nun auch der maximale Volumenstrom dieser Abwärme dem Clausius Rankine Kreislauf zur Verfügung gestellt wird, woraus mit dem Expander und dem Generator eine maximale Menge an elektrische Energie aus der Abwärme erzeugt wird.
  • Dabei ist es von Vorteil, wenn die dem Clausius Rankine Kreislauf zur Verfügung gestellte Abwärmemenge dosierbar, insbesondre regelbar ist, weil dadurch eine Unterkühlung des Abgases im Abwärmestrom unter eine Mindesttemperatur vermeidbar ist. Von Vorteil ist es auch, wenn eine Ölabscheidung aus dem Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes stufenweise erfolgt, wobei in der ersten Stufe der Ölabscheidung in Flüssig- und Gasphase sowie in der zweiten Stufe der Ölabscheidung die flüssigen Arbeitsmedien nach dem Schwerkraftprinzip getrennt werden. Dadurch werden im Ölabscheider durch das gasförmige Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes mitgerissene Flüssigkeitstropfen des flüssigen Arbeitsmediums des Ölkreislaufes aus dem Clausius Rankine Kreislauf entfernt. Damit werden Verunreinigungen des Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes, insbesondere in den Wärmetauschern des Clausius Rankine Kreislaufes, sowie eine Verminderung der effektiv wirkenden Wärmeübertragungsfläche dieser Wärmetauscher vermieden.
  • Vorteilhaft bei der Anwendung der neuen Vorrichtung zur Energieumwandlung ist es, dass in Strömungsrichtung des Abwärmestromes die Wärmeübertragungseinheit und der Wärmetauscher in Reihe angeordnet sind und parallel zu der Wärmeübertragungseinheit ein Bypaß angeordnet ist, wobei der Bypaß ein Ventil aufweist. Dadurch kann bei einem Kaltstart, indem das Ventil im Bypaß geöffnet wird, das Arbeitsmedium des Ölkreislaufes vorrangig aufgeheizt werden. Damit werden kurze Kaltstartzeiten bis zum Erreichen einer Mindesttemperatur des Arbeitsmediums des Ölkreislaufes erreicht, was wiederum die Effektivität erhöht.
  • Auch ist es von Vorteil, wenn im Clausius Rankine Kreislauf zwischen dem Kondensator und der Pumpe des Clausius Rankine Kreislaufes ein Ölabscheider mit einer Rückführung in den Ölkreislauf angeordnet ist, wobei die Rückführung im Ölkreislauf zwischen dem Ölabscheider und der Pumpe des Ölkreislaufes mündet. Dadurch wird einerseits das im Gas/Flüssig-Ölabscheider durch das dampfförmige Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes mitgerissene Arbeitsmedium des Ölkreislaufes aus dem Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes entfernt und in den Ölkreislauf zurückgeführt, andererseits bildet das flüssige Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes eine notwenige Flüssigkeitssäule auf der Saugseite der Pumpe des Clausius Rankine Kreislaufes.
  • Das neue Verfahren zur Energieumwandlung sowie die dazugehörige Vorrichtung sollen nun an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
  • Dazu zeigen:
  • 1: Schematische Darstellung der Vorrichtung zur Energieumwandlung in einem Ausführungsbeispiel und
  • 2: Schematische Darstellung einer Anwendung der Vorrichtung zur Energieumwandlung gemäß dem Ausführungsbeispiel.
  • Die neue Vorrichtung zur Energieumwandlung besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 im Wesentlichen aus einem Clausius Rankine Kreislauf 1, einem Ölkreislauf 2 und einem Abwärmestrom 3.
  • Im Clausius Rankine Kreislauf 1 sind in Reihe und in Strömungsrichtung eine Pumpe 4, eine Wärmeübertragungseinheit 5 zur Übertragung einer Wärmemenge aus einem Abwärmestrom 3 an ein Arbeitmedium des Clausius Rankine Kreislaufes 1, ein Expander 6, ein Ölabscheider 7 und ein Kondensator 8 angeordnet, wobei der Expander 6 mechanisch über eine Welle 9 mit einem Generator 10 verbunden ist.
  • In dem Ölkreislauf 2, der der Schmierung und Abdichtung des Expanders 6 dient, sind in Reihe und in Strömungsrichtung eine Pumpe 11, ein Wärmetauscher 12 zur Übertragung einer Restwärmemenge aus dem Abwärmestrom 3 an ein Arbeitmedien des Ölkreislaufes 2, dem Expander 6 und dem Ölabscheider 7 angeordnet, wobei die Arbeitsmedien des Clausius Rankine Kreislaufes 1 und des Ölkreislaufes 2 im Expander 6 vermischt und im Ölabscheider 7 voneinander getrennt werden.
  • Im Wärmestrom 3 sind in Reihe und in Strömungsrichtung die Wärmeübertragungseinheit 5 zur Übertragung einer Wärmemenge aus dem Abwärmestrom 3 an das Arbeitmedium des Clausius Rankine Kreislaufes 1 und der Wärmetauscher 12 zur Übertragung einer Restwärmemenge aus dem Abwärmestrom 3 an das Arbeitmedium des Ölkreislaufes 2 angeordnet.
  • Die Wirkungsweise der neuen Vorrichtung zur Energieumwandlung soll am Ausführungsbeispiel gemäß der 1 erläutert werden.
  • Aus dem Abwärmestrom 3 wird über die Wärmeübertragungseinheit 5 eine Wärmemenge an das Arbeitmedium des Clausius Rankine Kreislaufes 1 übertragen, wobei sich der Abwärmestrom 3 abkühlt. Anschließend gelangt der Abwärmestrom 3 in den Wärmetauscher 12, wo eine Restwärmemenge aus dem Abwärmestrom 3 an das Arbeitmedien des Ölkreislaufes 2 übertragen wird.
  • Durch die Aufnahme der Wärmemenge aus dem Abwärmestrom 3 wird das Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes 1 in der Wärmeübertragungseinheit 5 verdampft und anschließend den Expander 6 zugeführt. Dort entspannt sich das gasförmige Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes 1, was mit einer partiellen Volumenvergrößerung des Arbeitsfluides im Expander 6 verbunden ist. Dadurch wird ein mit der Welle 9 verbundener Rotor des Expanders 6 in Bewegung versetzt, wodurch die erzeugte Rotation an den Generator 10 übertragen und in dem Generator 10 in elektrische Energie ungewandelt wird. Gleichzeitig wird durch die Aufnahme der Restwärmemenge aus dem Abwärmestrom 3 im Wärmetauscher 12 das Arbeitsmedium des Ölkreislaufes 2 erwärmt und ebenfalls in den Expander 6 geführt, wobei im Expander 6 das Arbeitsmedium des Ölkreislaufes 2 den Rotor des Expanders 6 schmiert und abdichtet.
  • Nach dem Expander 6 werden die im Expander 6 vermischten Arbeitsmedien des Clausius Rankine Kreislaufes 1 und des Ölkreislaufes 2 dem Ölabscheider 7 zugeführt. Im Ölabscheider 7 erfolgt eine Phasentrennung der Arbeitsfluide, wobei das dampfförmige Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 in den Kondensator 8 geführt, im Kondensator 8 wieder verflüssigt wird und anschließend durch die Pumpe 4 wieder der Wärmeübertragungseinheit 5 zugeführt wird. Gleichzeitig wird das im Ölabscheider 7 abgetrennte Arbeitsmedium des Ölkreislaufes 2 über die Pumpe 11 wieder dem Wärmetauscher 12 zugeführt, womit die zuvor beschriebenen Kreislaufprozesse im Clausius Rankine Kreislauf 1 und im Ölkreislauf 2 erneut beginnen.
  • In der Ausgestaltung der neuen Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, gemäß der 2 im Clausius Rankine Kreislauf 1 in Reihe und in Strömungsrichtung zwischen Pumpe 4 und der Wärmeübertragungseinheit 5 einen Rekuperator 13 anzuordnen, wobei dieser Rekuperator 13 im Ölkreislauf 2 parallel zum Wärmetauscher 12 angeordnet ist und die Zuführung des Arbeitsmediums an den Expander 6 über die Lager und die Rotoren zur Schmierung und Abdichtung der Rotoren erfolgt. Die dabei überschüssige Wärme des Arbeitsfluides des Ölkreislaufes, kann über den Rekuperator 13 an das Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes 1 übertragen werden. Diese interne Wärmerückführung führt zu einer Steigerung des Wirkungsgrades.
  • Denkbar ist es auch, im Abwärmestrom 3 parallel zu der Wärmeübertragungseinheit 5 gemäß der 2 einem Bypaß 14 mit einem Ventil 15 anzuordnen, wodurch die Durchflussmenge in der Wärmeübertragungseinheit 5 gesteuert wird.
  • Auch ist es denkbar, dass die Wärmeübertragungseinheit 5 gemäß der 2 aus einem Erhitzer 16 zur Erhitzung des Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes 1 und einem Verdampfer 17 zum Verdampfen des Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes 1 besteht, wobei der Abwärmestrom 3 in Reihe und in Strömungsrichtung zuerst den Verdampfer 17 und anschließend den Erhitzer 16 durchströmt. Das Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes 1 durchströmt in Reihe und in Strömungsrichtung nacheinander erst den Erhitzer 16 und anschließend den Verdampfer 17. Dabei ist es insbesondere auch denkbar, im Abwärmestrom 3 parallel zu dem Erhitzer 16 gemäß der 2 einen weiteren Bypaß 18 mit einem Ventil 19 anzuordnen, womit die Durchflussmenge im Erhitzer 15 gesteuert wird.
  • Denkbar ist es auch, gemäß der 2 im Clausius Rankine Kreislauf 1 in Reihe und in Strömungsrichtung vor der Wärmeübertragungseinheit 5 einen Vorwärmer 20 anzuordnen, über den eine Wärmemenge einem weiteren Abwärmestrom 21 entzogen und an das Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes 1 übertragen wird.
  • Auch ist es denkbar, gemäß der 2 im Clausius Rankine Kreislauf 1 zwischen Kondensator 8 und Pumpe 4 einen weiteren Ölabscheider 22 anzuordnen, der die flüssigen Arbeitsmedien des Clausius Rankine Kreislaufes 1 und des Ölkreislaufes 2 nach dem Schwerkraftprinzip trennt, wobei das leichtere Arbeitsmedium des Ölkreislaufes 2 aus dem Ölabscheider 22 über eine Rückführung 23 in den Ölkreislauf 2 zwischen den Ölabscheider 7 und der Pumpe 11 zurückgeführt wird. Dabei ist es denkbar, zur Steuerung der Rücklaufmenge ein Ventil 24 in der Rückführung 23 anzuordnen.
  • Die Anwendung der neuen Vorrichtung zur Energieumwandlung soll gemäß der 2 am Beispiel eines BKHW (Blockkraftheizwerk) mit einer Umwandlung überschüssiger Wärmeenergie in Elektroenergie erläutert werden.
  • Das BHKW 25 weist einen Motorkühlkreislauf 26 und eine Abgasleitung 27 auf, wobei in dem Motorkühlkreislauf 26 der Abwärmestrom 21 und in der Abgasleitung 27 der Abwärmestrom 3 geführt wird.
  • Dazu weist der Motorkühlkreislauf 26 den Vorwärmer 20 des Clausius Rankine Kreislaufes 1 sowie eine Pumpe 28 auf.
  • In der Abgasleitung 27 ist ein in einem Hochtemperaturabwärmekreislauf 29 integrierten Abgaswärmetauscher 30 angeordnet. Zudem weist der Hochtemperaturabwärmekreislauf 29 in Reihe und in Strömungsrichtung hinter den Abgaswärmetauscher 30, den Verdampfer 17, den Erhitzer 16 und eine Pumpe 31 des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 auf, wobei parallel über den Verdampfer 17 und den Erhitzer 16 der Bypaß 14 mit dem Ventil 15 sowie über den Erhitzer 16 der Bypaß 18 mit dem Ventil 19 angeordnet sind.
  • Zudem weist der Hochtemperaturabwärmekreislauf 29 ein Dreiwegeventil 32 mit einem Bypaß 33 auf, wobei der Bypaß 33 über den Verdampfer 17, den Erhitzer 16 und Wärmetauscher 12, einschließlich dem Bypaß 14 und dem Bypaß 18 angeordnet ist.
  • In der Wirkungsweise der Anwendung der neuen Vorrichtung zur Energieumwandlung gemäß der 2 wird mit dem BKHW 25 zusätzlich über den Motorkühlkreislauf 26 der Abwärmestrom 21 und über die Abgasleitung 27 der Abwärmestrom 3 bereitgestellt.
  • Dieser Abwärmestrom 3 wird über den im Hochtemperaturabwärmekreislauf 29 angeordneten Abgaswärmetauscher 30 auf ein Arbeitsfluid des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 übertragen. Anschließend wird diese aufgenommene und in dem Arbeitsfluid des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 gespeicherte Wärmemenge partiell über den Verdampfer 17 und den Erhitzer 16 an das Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 und über den Wärmetauscher 12 an das Arbeitsfluid des Ölkreislaufes 2 abgegeben. Dabei wird das Arbeitsfluid des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 durch die Pumpe 31 in Strömungsrichtung gefördert, so dass das abgekühlte Arbeitsfluid des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 nach dem Wärmetauscher 12 wieder zu dem Abgaswärmetauscher 30 gelangt und der Kreislaufprozess von neuem beginnt.
  • Zur Optimierung ist die über den Wärmetauscher 12 an das Arbeitsfluid des Ölkreislaufes 2 abgegebene Wärmemenge und damit die Temperierung des Arbeitsfluides des Ölkreislaufes 2 über das Ventil 15 des Bypaßes 14 und/oder über das Ventil 19 des Bypaßes 18 steuerbar. Dabei dient das Ventil 19 des Bypaßes 18 gleichzeitig auch zur Ansteuerung der über den Erhitzer 16 vom Arbeitsfluid des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 auf das Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 abgegebenen Wärmemenge und damit zur Temperierung des Arbeitsfluides des Clausius Rankine Kreislaufes 1 nach dem Erhitzer 16.
  • Mit der über den Erhitzer 16, dem Arbeitsfluid des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 partiell entzogenen Wärmemenge, wird das Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 erwärmt. Anschließend wird in dem Verdampfer 17 die durch das Arbeitsfluid des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 bereitgestellte Wärmemenge das Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 verdampft und gelangt dampfförmig in den Expander 6. Dort entspannt sich das Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1, was mit einer partiellen Volumenvergrößerung des Arbeitsfluides im Expander 6 verbunden ist. Dadurch werden die mit der Welle 9 verbundenen Rotoren des Expanders 6 in Bewegung versetzt, wodurch die erzeugte Rotation an den Generator 10 übertragen und in dem Generator 10 in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Gleichzeitig wird die über den Wärmetauscher 12 dem Arbeitsfluid des Hochtemperaturabwärmekreislaufes 29 entzogene Wärmemenge an das Arbeitsfluid des Ölkreislaufes 2 übertragen. Dieses erwärmte Arbeitsfluid des Ölkreislaufes 2 wird anschließend zur Schmierung und Abdichtung der Rotoren des Expanders 6 in den Expander 6 eingeführt, wobei es sich mit dem Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 vermischt. Nach dem Expander 6 wird diese Mischung, bestehend aus dem entspannten und dampfförmigen Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 und dem flüssigen Arbeitsfluid des Ölkreislaufes 2, in den Ölabscheider 7 geleitet. Im Ölabscheider 7 erfolgt eine Phasentrennung der Arbeitsfluide, wobei das dampfförmige Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 in den Kondensator 8 geführt und dort wieder verflüssigt wird.
  • Anschließend gelangt das nun flüssige Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 durch die Pumpe 4 über den Rekuperator 13 in den Vorwärmer 20, in welchem es über den Motorkühlkreislauf 26 durch den Abwärmestrom 21 erwärmt wird. Anschließend wird das vorgewärmte Arbeitsfluid des Clausius Rankine Kreislaufes 1 dem Erhitzer 16 zugeführt und der zuvor beschriebene Kreislaufprozess des Clausius Rankine Kreislaufes 1 beginnt von neuem.
  • Das aus dem Ölabscheider 7 isolierte Arbeitsfluid des Ölkreislaufes 2 wird über die Pumpe 11 und den strömungstechnisch parallel zueinander liegenden Wärmetauscher 12 und Rekuperator 13 mit einem vorgeschalteten Ventil 34 zugeführt, wobei am Wärmetauscher 12 der zuvor beschriebene Ölkreislauf 2 von neuem beginnt. Gleichzeitig wird das Arbeitsfluid des Ölkreislaufes 2 im Rekuperator 13 abgekühlt und der Lagerung der Rotoren am Expander 6 zur Schmierung und Abdichtung der Rotoren zugeführt. Dabei wird die Zugabemenge durch das Ventil 34 definiert. Dabei ist es denkbar, durch einen in 2 nicht dargestellten Bypaß am Wärmetauscher 12 und/oder einem weiteren in 2 nicht dargestellten Bypaß am Rekuperator 13, eine zusätzliche Regelung zu realisieren, wobei durch diesen mindestens einen Bypaß das Kaltstartverhalten verbessert.
  • Auch ist es denkbar, das Ventil 15 und/oder das Ventil 32 mit einer in der 2 nicht dargestellten Steuereinrichtung zu verbinden, deren Steuersignal von einem in dem Abwärmestrom 3 in Strömungsrichtung hinter dem Abgaswärmetauscher 30 angeordneten und ebenfalls in der 2 nicht dargestellten Temperatursensor derart erzeugt wird, dass der Abwärmestrom 3 eine Mindesttemperatur nicht unterschreitet. Dadurch wird z. B. eine unerwünschte Kondensation des Abgases im Abgaswärmetauscher 30 und in dem im Abwärmestrom 3 in Strömungsrichtung hinter dem Abgaswärmetauscher 30 angeordneten Bauteilen vermieden.
  • Ebenso ist es denkbar, das Ventil 15 und/oder das Ventil 32 mit einer in der 2 nicht dargestellten Steuereinrichtung zu verbinden, deren Steuersignal von einem im Clausius Rankine Kreislauf 1 zwischen dem Erhitzer 16 und dem Verdampfer 17 angeordneten sowie ebenfalls in der 2 nicht dargestellten Drucksensor derart erzeugt wird, dass der Druck des Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes 1 nach dem Erhitzer 16 den Dampfdruck dieses Arbeitsmediums nicht überschreitet. Dadurch wird eine unerwünschte Verdampfung des Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes 1 im Erhitzer 16 vermieden.
  • Denkbar ist es auch, zwischen dem Erhitzer 16 und dem Verdampfer 17 eine in der 2 nicht dargestellten Zerstäubungsvorrichtung zum Zerstäuben des erhitzten Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes 1 anzuordnen. Diese Zerstäubervorrichtung bewirkt eine feine Zerstäubung und eine gleichzeitige Vergrößerung der Verdampfungsoberfläche des erhitzten Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes 1. Dadurch kann der Verdampfer 17 eine kleinere Wärmeübertragungsfläche aufweisen, was zu einer erheblichen Kostenreduzierung führt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Clausius Rankine Kreislauf
    2
    Ölkreislauf
    3
    Abwärmestrom
    4
    Pumpe
    5
    Wärmeübertragungseinheit
    6
    Expander
    7
    Ölabscheider
    8
    Kondensator
    9
    Welle
    10
    Generator
    11
    Pumpe
    12
    Wärmetauscher
    13
    Rekuperator
    14
    Bypaß
    15
    Ventil
    16
    Erhitzer
    17
    Verdampfer
    18
    Bypaß
    19
    Ventil
    20
    Vorwärmer
    21
    Abwärmestrom
    22
    Ölabscheider
    23
    Rückführung
    24
    Ventil
    25
    BHKW
    26
    Motorkühlkreislauf
    27
    Abgasleitung
    28
    Pumpe
    29
    Hochtemperaturabwärmekreislauf
    30
    Abgaswärmetauscher
    31
    Pumpe
    32
    Dreiwegeventil
    33
    Bypaß
    34
    Ventil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 3500170 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Energieumwandlung, bei dem eine Abwärme einem Clausius Rankine Kreislauf (1) mit einem mechanisch mit einem Generator (10) verbundenen Expander (6) und einem Ölkreislauf (2) zur Verfügung gestellt wird, wobei aus der Abwärme mittels dem Expander (6) und dem Generator (10) elektrische Energie erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme erst dem Clausius Rankine Kreislauf (1) und die Restwärme anschließend dem Ölkreislauf (2) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Clausius Rankine Kreislauf (1) zur Verfügung gestellte Abwärmemenge dosierbar, insbesondere regelbar ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ölabscheidung aus dem Arbeitsmedium des Clausius Rankine Kreislaufes (1) stufenweise erfolgt, wobei in der ersten Stufe der Ölabscheidung in Flüssig- und Gasphase sowie in der zweiten Stufe der Ölabscheidung die flüssigen Arbeitsmedien nach dem Schwerkraftprinzip getrennt werden.
  4. Vorrichtung zur Energieumwandlung, bestehend aus einem Clausius Rankine Kreislauf (1) mit einem mechanisch mit einem Generator (10) verbundenen Expander (6) sowie einem Ölkreislauf (2), wobei über eine Wärmeübertragungseinheit (5) aus einem Abwärmestrom (3) Abwärme an ein Arbeitmedium des Clausius Rankine Kreislaufes (1) und über ein Wärmetauscher (12) Abwärme an ein Arbeitmedien des Ölkreislaufes (2) übertragen werden, wobei aus der übertragenen Abwärme mittels dem Expander (6) und dem Generator (10) elektrische Energie erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abwärmestromes (3) die Wärmeübertragungseinheit (5) und der Wärmetauscher (12) in Reihe angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Wärmeübertragungseinheit (5) ein Bypaß (14) angeordnet ist, wobei der Bypaß (14) ein Ventil (15) aufweist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheit (5) aus einem Erhitzer (16) und einem Verdampfer (17) besteht, wobei: – in Reihe und in Strömungsrichtung des Abwärmestromes (5) erst der Verdampfer (17) und anschließend der Erhitzer (16) angeordnet ist und – parallel zu dem Erhitzer (16) ein Bypaß (18) angeordnet ist, wobei der Bypaß (18) ein Ventil (19) aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der – Clausius Rankine Kreislauf (1) in Reihe und in Strömungsrichtung den Erhitzer (16), den Verdampfer (17), den Expander (6), einen Ölabscheider (7), einen Kondensator (8), eine Pumpe (4) aufweist, wobei der Expander (6) mechanisch über eine Welle (9) mit dem Generator (10) verbunden ist und – der Ölkreislauf (2) in Reihe und in Strömungsrichtung den Expander (6), den Ölabscheider (7), eine Pumpe (11) und den Wärmetauscher (12) aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Ölkreislauf (2) strömungstechnisch parallel zum Wärmetauscher (12) ein Rekuperator (13) mit einem vorgeschalteten Ventil (34) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Clausius Rankine Kreislauf (1) zwischen dem Kondensator (8) und der Pumpe (4) ein Ölabscheider (22) mit einer Rückführung (23) in den Ölkreislauf (2) angeordnet ist, wobei die Rückführung (23) im Ölkreislauf (2) zwischen dem Ölabscheider (7) und der Pumpe (11) mündet.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Erhitzer (16) und dem Verdampfer (17) eine Zerstäubungsvorrichtung zum Zerstäuben des erhitzten Arbeitsmediums des Clausius Rankine Kreislaufes (1) angeordnet ist.
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