DE102010046584A1

DE102010046584A1 - Verfahren zur Erzeugung mechanischer / elektrischer Energie für niedrige Prozesstemperaturen

Info

Publication number: DE102010046584A1
Application number: DE201010046584
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-25
Filing date: 2010-09-25
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Zusammenfassung: Das Verfahren arbeitet mit Absorption zur Verflüssigung der Dämpfe und mit Desorption zur Freisetzung der Dämpfe bei hohem Druck (Sorptionskraftprozess) und ist vorteilhaft anwendbar für große Leistungen (MW-Bereich) bei Forderung höchster Energieeffizienz. Als maximale Überhitzungstemperatur gilt der Grenzwert von 300°C bei Drücken zwischen 30 und 40 bar. Eine Entspannung der Arbeitsmitteldämpfe bis ins Vakuum ist möglich. Wärmeträger können bis 70°C und darunter ausgekühlt werden. Die Nutzung mehrerer Wärmeträger unterschiedlicher Temperatur für die Überhitzung und Beheizung verschiedener Desorber ist möglich. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sorptionskraftprozess höchster Energieeffizienz zu gestalten bei unverändert hoher Auskühlung der Wärmeträger. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Absorber 9 zunächst die Verflüssigung der Arbeitsmitteldämpfe 7 bei erniedrigtem Druck erfolgt und anschließend zwei Mitteldruckteile mit je einem Lösungswärmeübertrager 13, 23, Desorber 14, 24, Dampfkonzentrierer 15, 25 und Resorber 16, 26 vorgesehen sind mit ansteigendem Druck und ansteigender Konzentration der entstehenden Resorbate 19, 29 in Produkt-Durchlaufrichtung, wobei mit der Konzentration die kursierende Lösungsmenge abnimmt aber höhere Drücke vor der Entspannung der Arbeitsmitteldämpfe nutzbar werden, sich das Enthalpiegefälle in der Expansionsmaschine 6 erhöht und die an sich bekannte Zwischenüberhitzung 5 bei der Dampfentspannung wirtschaftlich auch für Sorptionskraftprozesse anwendbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer/elektrischer Energie aus Wärmeströmen bis maximal 300°C mithilfe eines Sorptionskraftprozesses (SKP), bei dem die Verflüssigung der entspannten Arbeitsmitteldämpfe durch Absorption mithilfe einer armen Lösung und Wärmeabführung, die Freisetzung der Arbeitsmitteldämpfe unter Wärmezufuhr bei hohem Druck aus einer reichen Lösung durch Desorption erfolgt, wobei die freigesetzten Dämpfe bis maximal 300°C überhitzt werden. Wegen der hohen Überhitzung der Dämpfe vor der Entspannung sind ggf. zwei verschiedene Wärmequellen erforderlich, die zu einem Sorptionskraftprozess mit hybrider Wärmeversorgung führen. Anwendbar ist der erfindungsgemäße Sorptionskraftprozess zur Energieumwandlung solarer Wärmen, geothermischer Tiefenwärme, zur Nutzung der BHKW-Abwärmen, der Optimierung der thermischen Kraftwerke an deren kalten Ende und zur Nutzung von anderen industriellen Wärmeangeboten.
Clausius-Rankine-Kraftprozesse mit Wasser als Arbeitsmittel haben Nachteile bezüglich des Temperaturganges zwischen Wärmeträger und Arbeitsmittel. Mit organischen Arbeitsmitteln (ORC) liegen die Nachteile bei der Entspannung, wie in der Zeitschrift BWK H. 1-2/2010 deutlich gemacht wird. Der Wirkungsgrad solcher ORC-Prozesse ist daher physikalisch bedingt inakzeptabel niedrig und die Anlagen nicht wettbewerbsfähig. Deshalb werden Clausius-Rankine-Prozesse im Temperaturbereich bis 200°C für die Freisetzung des Arbeitsmittels und bis 300°C zur Überhitzung für die anspruchsvolle Energieumwandlung ausgeschlossen, auch wegen der Nachteile bezüglich der nichtausreichenden Auskühlung des Wärmeträgers, die im Abwärmebereich unverzichtbar ist.
Beim Kalina-Prozess wird ein Gemischdampf verdampft und expandiert. Bošnjaković hat nachgewiesen, dass die Energieumwandlung von Gemischdämpfen Einbussen für den thermischen Wirkungsgrad nach sich zieht. Ein wesentlicher Grund dafür ist das Ausscheiden der höhersiedenden Dampfkomponente durch partielle Kondensation. Zur Vermeidung von Erosion in der Entspannungsmaschine muss die Entspannung bereits bei einem höheren Druck von z. B. 7,5 bar abgebrochen werden. Damit wird Enthalpiegefälle zur Energieumwandlung verschenkt und der Wirkungsgrad weiter reduziert. Die angestrebte große Auskühlung des Wärmeträgers ist dadurch ebenfalls nicht möglich.
Der Sorptionskraftprozess nach Patentschrift DD 161075 vom 08.04.1980 ermöglicht eine große Auskühlung des Wärmeträgers durch mehrstufige Entnahme und Absorption des Arbeitsmittels. Das erfordert eine mehrstufige Entnahme des Arbeitsmittels aus der Entspannungsmaschine und senkt den Wirkungsrad der Energieumwandlung. Außerdem wird der Investitionsaufwand durch anspruchsvollere Ausrüstungen erhöht.
Große Fortschritte ermöglicht der Sorptionskraftprozess nach der Patentschrift DE 10 2006 005 472 A1 durch Einführung einer Mitteldruckstufe zwischen Entspannungsende (Absorption) und Desorption, wobei im Dampfteil mit Ammoniak und im Lösungsteil mit flüssigen Lösungen von Ammoniak und Wasser gearbeitet wird. Für den Hochdruckdesorber weitet sich durch Anwendung der Mitteldruckstufe das Konzentrations- und Temperaturintervall und damit die Nutzauskühlung des Wärmeträgers. Die so gewonnene Auskühlung des Wärmeträgers wird zusätzlich vergrößert infolge Reihenschaltung von Hoch- und Mitteldruckdesorber.
Für Großanlagen bleiben noch Wünsche offen hinsichtlich der Prozessanpassung für unterschiedlichen relativen Wärmebedarf von Hochdruck- zu Mitteldruckdesorber. Auch eine weitere Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades durch Vergrößern des Frischdampfdruckes vor der Turbine von 30 bis 40 bar, durch Entspannung der Arbeitsmitteldämpfe bis hinein ins Vakuum ist anzustreben. Durch diese Maßnahmen würden die Voraussetzungen für den Einsatz der Zwischenüberhitzung der Dämpfe geschaffen, die an sich für Hochtemperaturkraftwerke üblich ist, aber im Abwärmebereich bisher wegen der geringen Enthalpiegefälle bei der Entspannung bei keinem der genannten konkurrierenden Verfahren anwendbar ist. Eine Zwischenüberhitzung bietet sich beim Sorptionskraftprozess wegen hoher Enthalpiegefälle an, auch für kleinere Leistungseinheiten mit Schraubenmotoren, die infolge des hohen Enthalpie- und Druckgefälles der Dämpfe und deren Volumenzunahme zweigehäusig mit unterschiedlichen Durchmessern auszuführen sind. Des weiteren ist eine Zwischenüberhitzung auch dann vorteilhaft, wenn die Temperatur der örtlich verfügbaren Wärmeträger nicht reicht, um den zulässigen Temperaturbereich der Überhitzung zu nutzen. Der Hauptanreiz zugunsten der Zwischenüberhitzung geht von der Chance zur Erhöhung des Enthalpiegefälles in der Expansionsmaschine aus.
Gesucht werden Modifikationen des Verfahrens nach Patent DE 10 2006 005 472 A1 , die es ermöglichen, den Frischdampfdruck weiter zu erhöhen, die Entspannung bis in das Vakuum hinein zu führen, die an sich bekannte Zwischenüberhitzung für den Sorptionskraftprozess anwendbar zu machen und mit dieser eine Carnotisierung der Wärmezufuhr gegebenenfalls mithilfe von mehreren Wärmeträgern, also einer hybriden Wärmeversorgung durchzuführen.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Prozess mit zwei Mitteldruckstufen arbeitet, wobei die mit dem niedrigen Mitteldruck den Druck im Absorber 9 nach unten bis ins Vakuum absenkt und die mit dem höheren Mitteldruck die Voraussetzungen für die Druckanhebung im Hochdruckdesorber 34 ermöglicht, wodurch die von den Wasserdampf-Kraftprozessen her an sich bekannte Zwischenüberhitzung mit unterteiltem Überhitzer 3 und unterteilter Entspannung in der Entspannungsmaschine 6 anwendbar wird und es sich als vorteilhaft erweist, wenn die Temperatur der Zwischenüberhitzung so gewählt wird, dass sich die Entspannungsendtemperatur nicht höher als 10 bis 30°C einstellt und die Absorption der Dämpfe unterstützt. Die Erhöhung der Energieeffizienz, gemessen am thermischen Wirkungsgrad, wird erreicht durch Erweiterung des Enthalpiegefälles in der Entspannungsmaschine nach oben und unten und durch den Effekt der Zwischenüberhitzung, die durch diese Erweiterung des Enthalpiegefälles und durch Verwendung mehrgehäusiger Expansionsmaschinen erst möglich wird.
Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung erläutert.
1 zeigt das Verfahrensschema des Sorptionskraftprozesses mit zwei Mitteldruckstufen, wobei die erste Mitteldruckstufe mit dem niedrigeren Druck von 3 bis 5 bar arbeitet und aus den Komponenten 12, 13, 14, 15, 16 besteht und die zweite Mitteldruckstufe mit dem etwas höheren Druck von 7 bis 10 bar arbeitet und aus den Komponenten 20, 21, 22, 23, 24, 25 und 26 besteht. Hinzukommen ein Hochdrucklösungsteil, bestehend aus den Komponenten 30, 32, 33, 34, 35 und der Dampf- und Entspannungsteil mit den Komponenten 3 und 6 für die Energieumwandlung.
Beschreibung des Verfahrens nach Fig. 1
Im Energiewandlungsteil des Verfahrens werden die freigesetzten Arbeitsmitteldämpfe in einem Überhitzer 3 mit Vorüberhitzerzone 4 und Zwischenüberhitzerzone 5 durch den Wärmeträger 2 überhitzt, in einer Entspannungsmaschine 6 arbeitsleistend vorentspannt und nach der Zwischenüberhitzung 5 arbeitsleistend schlussentspannt werden bis auf den Druck im Absorber 9. Mit Verdrängermaschinen, z. B. Schraubenmotoren, erfolgt die Entspannung in zwei getrennten Maschinen bzw. Gehäusen.
Arbeitsmittelkreislauf thermische Rückverdichtung
Der entspannte Dampf 7 wird im Absorber 9 durch Absorption verflüssigt. Das Ergebnis der Absorption ist die reiche Lösung 11, die durch die Lösungspumpe 10 auf den niedrigen Druck im ersten Mitteldruckteil gefördert wird. Im Lösungswärmeübertrager 13 wird die reiche Lösung durch die arme Lösung 8 vorgewärmt, in den Desorber 14 eingespeist und dort mithilfe des bereits vorgekühlten Wärmeträgers aus dem Hochdruckdesorber 34 beheizt, das Arbeitsmittel durch Desorption ausgetrieben, im Dampfkonzentrierer 15 gekühlt und der gekühlte Arbeitsmitteldampf 18 im Resorber 16 durch die armen Lösungen 37 und 17 verflüssigt. Das Ergebnis dieser ersten Resorption ist das erste Resorbat 19, das mithilfe der ersten Resorbatpumpe 20 auf den erhöhten Druck im zweiten Mitteldruckteil gebracht und in diesen gefördert wird.
Das erste Resorbat 19 wird über den Verteiler 21 auf einen zu desorbierenden Teilstrom 31 und einen als Desorptionsmittel verwendeten Teilstrom 27 aufgeteilt. Die Aufteilung erfolgt durch Druckregelung für den zweiten Mitteldruckteil. Der Teilstrom 31 wird im Lösungswärmeübertrager 23 durch armes Resorbat 17 aus dem zweiten Mitteldruckdesorber 24 vorgewärmt, im zweiten Mitteldruckdesorber 24 desorbiert, der gebildete Arbeitsmitteldampf 28 im Dampfkonzentrierer 25 gekühlt und im Resorber 26 der zweiten Mitteldruckstufe durch Resorption mithilfe des Teilstroms 27 des Resorbates 19 der ersten Mitteldruckstufe verflüssigt. Das Ergebnis der Resorption der zweiten Mitteldruckstufe ist das hochkonzentrierte Resorbat 29, das mithilfe der zweiten Resorbatpumpe 30 auf den Druck im Hochdrucklösungsteil gebracht, im Lösungswärmeübertrager 33 durch die entgaste Lösung 37 des Hochdruckdesorbers 34 vorgewärmt und im Hochdruckdesorber 34 durch Wärmezufuhr aus dem Wärmeträger 36 desorbiert wird, wobei der Arbeitsmitteldampf 1 freigesetzt und im Dampfkonzentrierer 35 auf hohe Konzentration gebracht wird.
Der hochentspannte Arbeitsmitteldampf 1 wird in der Sektion Vorüberhitzer 4 des Überhitzers 3 vorüberhitzt, in der Expansionsmaschine 6 teilentspannt, anschließend in der Sektion Zwischenüberhitzer 5 des Überhitzers 3 erneut überhitzt und im Niederdruckteil der Expansionsmaschine 6 arbeitsleistend entspannt.
Die entgasten Lösungen 17, 37 der Desorber 24 und 34 werden als Resorptionsmittel im Resorber 16 verwendet und hierfür durch die Entspannungsarmaturen 22 und 32 im Druck vermindert. Die entgaste Lösung des Desorber 14 wird nach Wärmeabgabe im Lösungswärmeübertrager 13 und Druckminderung in der Entspannungsarmatur 12 als arme Lösung in den Absorber 9 eingespeist. Damit sind alle Kreisläufe geschlossen.
Beispiel
Die Verbesserungen der Prozessführung durch das erfindungsgemäße Verfahren sollen an Hand eines Beispiels erläutert werden.

In 2 ist ein Beispiel für eine Zwischenüberhitzung in der Entspannungsmaschine 6 dargestellt, die durch mäßige Wärmeträgertemperatur nur eine Vorüberhitzung von 200°C zulässt. Um am Expansionsende eine Temperatur zwischen 20°C und 30°C zu erhalten, wird diese Grenztemperatur bei der Zwischenüberhitzung noch unterschritten. Da die erste Mitteldruckstufe eine Entspannung bis ins Vakuum ermöglicht, ergibt sich ein erheblicher Zugewinn an Enthalpiegefälle durch die Enddruckreduzierung von 1,6 bar auf 0,8 bar und zusätzlich durch die Zwischenüberhitzung. Im folgenden Beispiel wurde ein innerer Wirkungsgrad der Entspannungsmaschine von 0,775 vorgegeben. Für das gewählte Beispiel wurde nur die Druckerniedrigung am Entspannungsende berücksichtigt, nicht die mögliche Druckerhöhung am Beginn der Entspannung. Die Enthalpien wurden mit einem verfügbaren h, s-Diagramm für Ammoniak ermittelt.

Frischdampfzustand	30 bar (abs)	200°C	h = 2200 kJ/kg

Zustandsgrößen nach
polytroper Entspannung	1,6 bar (abs)	20°C	h = 1831,1 kJ/kg
ohne Zwischenüberhitzung

polytropes Enthalpiegefälle			368,9 kJ/kg
ohne Zwischenüberhitzung

Vergleichswerte mit Zwischenüberhitzung

Zustandsgrößen bei
Entnahmedruck 8 bar (abs)	8 bar (abs)	106°C	h = 2004,7 kJ/kg
nach polytroper Entspannung
im Hochdruckteil

nutzbares Enthalphiegefälle
nach polytroper Entspannung			Δh_{pol 1} = 195,3 kJ/kg
im Hochdruckteil

Zustandsgrößen
nach Zwischenüberhitzung	8 bar (abs)	170°C	h = 2160 kJ/kg

Zustandsgrößen nach
polytroper Entspannung	0,8 bar (abs)	26°C	h = 1862,4 kJ/kg
im Niederdruckteil auf 0.8 bar (abs)

gewinnbares Enthalphiegefälle
bei Entspannung im Niederdruckteil			Δh_{pol 2} = 297,6 kJ/kg
im Hochdruckteil

verfügbares polytropes Gesamtgefälle
mit Zwischenüberhitzung			492,9 kJ/kg

Zuwachs an gewinnbarem
Enthaltpiegefälle durch Druckabsenkung			33,6%
und Zwischenüberhitzung

Bezugszeichenliste

1: Frischdampf
2: Rauchgas
3: Überhitzer
4: Sektion Vorüberhitzer
5: Sektion Zwischenüberhitzer
6: Expansionsmaschine
7: entspannte Dämpfe
8: arme Lösung
9: Absorber
10: Lösungspumpe
11: reiche Lösung
12, 22, 32: Entspannungsarmatur
13, 23, 33: Lösungswärmeübertrager
14, 24, 34: Desorber verschiedener Drücke
15, 25, 35: Dampfkonzentrierer
16, 26: Resorber verschiedener Drücke
17, 37: entgaste Lösungen von Desorbern
18, 28: Mitteldruckdampf
19: Resorbat des Resorbers 16
20, 30: Resorbatpumpen
21: Verteiler
27, 31: Teilströme des Resorbates 19
29: Resorbat des Resorbers 26
36: heißer Wärmeträger
38: Wärmeträger mittlerer Temperatur
39: Rücklauf Wärmeträger
40: Kühlwasser

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

DD 161075 [0004]
DE 102006005472 A1 [0005, 0007]

Claims

Verfahren zur Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie aus Abwärmen bzw. regenerativen Wärmen mithilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses, bei dem die Verflüssigung des entspannten Dampfes durch Absorption, die Freisetzung der Dämpfe aus einer Lösung durch Desorption erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Rückverdichtung des arbeitsleistend entspannten Arbeitsmitteldampfes 7 zunächst in einem Absorber 9 bei niedrigem Druck durch Absorption verflüssigt wird, die erzeugte reiche Lösung 11 mithilfe der Lösungspumpe 10 in die erste Mitteldruckstufe gefördert wird, die von den Komponenten Lösungswärmeübertrager 13, Mitteldruckdesorber 14, Dampfkonzentrierer 15 und dem Resorber 16 gebildet wird, wobei das erste Resorbat 19 entsteht, das eine wesentlich höhere Konzentration als die reiche Lösung 11 aufweist und mithilfe der Resorbatpumpe 20 über den Verteiler 21 in zwei Teilströmen 27, 31 zum Desorber 24 bzw. zum Resorber 26 der zweiten Mitteldruckstufe gelangt, wobei im Resorber 26 dieser zweiten Mitteldruckstufe ein zweites Resorbat 29 mit höherer Konzentration als beim ersten Resorbat 19 gebildet wird, wodurch höhere Drücke im Hochdruckteil mit den Komponenten 32 bis 35 zulässig sind und zusammen mit der Druckabsenkung im Abdampf 7 durch den Absorber 9 und in Verbindung mit der ersten Mitteldruckstufe eine Vergrößerung des verfügbaren Enthalpiegefälles in der Expansionsmaschine 6 ermöglicht wird und damit eine an sich von Wasserdampfkraftwerken her bekannte Zwischenüberhitzung auch für den Sorptionskraftprozess anwendbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmedruck für die Zwischenüberhitzung identisch ist mit dem Druck der zweiten Mitteldruckstufe und je nach Verfügbarkeit von Heizwärme der Wärmeträger bzw. zum Regeln oder zum Anfahren der Anlage ein Teil des Mitteldruckdampfes 28 über die Zwischenüberhitzung 5 zur Expansionsmaschine 6 geführt wird.