DE102011008027A1

DE102011008027A1 - Verfahren zur Kopplung von Rankine-Prozessen an Verbrennungsmotoren und Gasturbinen

Info

Publication number: DE102011008027A1
Application number: DE201110008027
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Um die Abwärme aus Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen noch zusätzlich zur Gewinnung von elektrischer und mechanischer Energie nutzen zu können, werden Rankine-Prozesse oder so genannte ORC-Prozesse verwendet. Durch die Abwärme der Verbrennungsmaschinen wird in einem geschlossenen Kreislauf ein Fluid verdampft, über einer Turbine entspannt und anschließend kondensiert. Eine Pumpe befördert des Fluid wieder in den Verdampfer. Häufig wird ein anderes Fluid als Wasser verwendet. Die Turbine dreht sich oft mit einer wesentlich höheren Drehzahl wie die Verbrennungsmaschine. Eine direkte Kopplung mit der Verbrennungsmaschine zur gemeinsamen Nutzung der aus dem Verbrennungsprozess und aus dem Rankine-Prozess gewonnenen elektrischen oder mechanischen Energie kann nur durch ein Getriebe oder durch einen so genannten Wechselrichter bzw. Frequenzrichter erfolgen. Mit diesen Einrichtungen wird die Drehzahl oder die erzeugte elektrische Frequenz aneinander angepasst. Hierzu ist ein hoher technischer Aufwand erforderlich. Erfindungsgemäß erfolgt die Einkopplung der durch die Turbine zusätzlich gewonnen Energie über einen mit der Turbine verbundenen Generator und einen nach geschalteten elektrischen Motor an die durch die Verbrennungsmaschine angetrieben Welle. Der elektrische Motor, welcher mit der Welle der Verbrennungsmaschine verbunden ist, hat eine geringere Polzahl als der Generator der Turbine. Hierdurch wird ein mechanisches Getriebe oder eine zusätzliche Einrichtung zur Verringerung der Frequenz des von der Turbine angetrieben Generators überflüssig.

Description

Definition
Als Verbrennungsmaschine wird eine Maschine bzw. ein System bezeichnet, das entweder einen Verbrennungsmotor oder eine so genannte Mikro- oder Gasturbine beinhaltet, in welchen durch die Expansion der durch Verbrennung von Stoffen entstehenden Abgase mechanische Energie gewonnen und auf eine Welle übertragen wird.
Als Turbine wird hier ein System bezeichnet, in denen Dampf unter einem Druck einströmt, in einem feststehenden Düsensystem (Leitbeschaufelung) entspannt und hierbei beschleunigt wird. Nach dem Düsensystem wird der Dampf über einem rotierenden Schaufelsystem (Laufbeschaufelung) umgelenkt, eventuell weiter entspannt und gibt dabei seine Strömungsenergie über die Schaufeln an eine verbundene Welle ab. Von der Welle wird die Rotationsenergie danach zur weiteren Nutzung übertragen. U. a. können durch die Welle Generatoren zur Stromerzeugung angetrieben werden.
In einem Rankine-Prozess wechselt in einem geschlossenen Kreislauf zum Zwecke der Umwandlung von thermischer in mechanische bzw. elektrische Energie ein Medium (Arbeitsfluid) während eines Durchlaufes mehrfach seinen Aggregatzustand zwischen flüssig und gasförmig. Anlagen für diese Prozesse sind meist durch das Vorhandensein von Verdampfern, Kondensatoren, Turbinen und Pumpen gekennzeichnet.
Eine ORC-Anlage bezeichnet eine Apparateanordnung für einen Rankine-Prozess, in der ein anderes Medium (Arbeitsfluid) als Wasser zum Zwecke der Umwandlung von thermischer in elektrischer Energie Verwendung findet.
Als Generatoren werden hier Maschinen bezeichnet, die bei Antrieb durch eine rotierende Welle mechanische in elektrische Energie wandeln.
Polzahl ist die Anzahl der magnetischen Pole, die betriebsmäßig in einem Generator oder Elektromotor rotieren. Die Mindestzahl ist naturgemäß 2.
Mit Netz wird hier ein Stromnetz bezeichnet, welches mindestens einen Stromerzeuger und einen Stromverbraucher enthält.
Anwendung
Häufig werden kompakten Einheiten aus durch eine Verbrennungsmaschine betriebenen Generatoren zur Stromerzeugung genutzt. Mit Hilfe von nach geschalteten Wasserdampf- oder ORC-Prozessen wird aus der Abwärme des Verbrennungsgases dieser Maschinen noch zusätzlich elektrische Energie gewonnen. Mit dem hier beschriebenen System wird der Aufbau der Gesamtanlage erheblich vereinfacht.
Stand der Technik
Zur Lösung des Problems der unterschiedlichen Drehzahlen von Verbrennungsmaschine und Dampfturbine gibt es eine Vielzahl von Varianten. In der Regel ist der von der Verbrennungsmaschine angetriebene Generator mit dem elektrischen Netz verbunden und der von der Turbine des Wasserdampf- oder ORC-Prozesses angetriebene Generator speist über einen Wechselrichter in ein Netz mit konstanter Frequenz. Der Wechselrichter wandelt hierzu den von diesem Generator erzeugten elektrischen Strom in einen mit dem Netz synchronen Wechselstrom.
Auch sind Lösungen bekannt, bei denen die rotierende Welle der ORC-Turbine über Getriebe oder direkt mit der Verbrennungsmaschine verbunden ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1) Verbrennungsmotor und ORC-Anlage sind erfindungsgemäß über ein internes Stromnetz und einen zusätzlichen Elektromotor verbunden.
2) Veranschaulicht die unterschiedlichen Polzahlen des von der Turbine angetriebenen Generators und des mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Motors.
3) Hier wird eine Variante gezeigt, in welcher eine Gasturbine und ein zusätzliches Getriebe angewendet werden. Die Pumpe der ORC-Anlage wird direkt durch das interne Netz betrieben.
Beschreibung der Erfindung
1) zeigt den Aufbau eines gemeinsamen Systems aus Verbrennungsmotor mit Generator (1) und einer Rankine-Anlage bzw. einer ORC-Anlage (2). Die Abwärme des Rauchgases (3) des Verbrennungsmotors (10) wird zum Betreiben des Verdampfers des Rankine-Systems (2) bzw. der ORC-Anlage (2) genutzt.
Der vom Verbrennungsmotor (10) angetriebene Generator (11) speist den erzeugten Strom direkt in ein externes Netz (6).
Der von der Turbine (20) des Rankine-Systems (2) bzw. ORC-Prozesses (2) angetriebene Generator (21) hingegen speist in ein internes Drehstromnetz (4). Dessen elektrische Frequenz liegt betriebsmäßig oberhalb der Frequenz des Netzes (6) des vom Verbrennungsmotor (10) angetriebenen Generators (11). Durch einen mit diesem internen Netz (4) über mehrere Leiter (40) verbundenen Motor (41) wird die elektrische Leistung des von der Turbine (20) angetriebenen Generators (21) an eine mit der Verbrennungsmaschine gekoppelte Welle abgegeben.
Um die Drehzahl des Motors (41) an die des Verbrennungsmotors bzw. den durch diesen angetriebenen Generators (21) anzupassen, besitzt dieser Motor eine höhere Polzahl als der mit der Turbine verbundene Generator. Die Zusammenschaltung von Motor (41) und Generator (21) unterschiedlicher Polzahl wirkt wie ein elektrisches Getriebe. Die Drehzahl des Generators multipliziert mit dessen Polzahl geteilt durch die Polzahl des Motors ergibt die Drehzahl des Motors (41), wenn dieser ein so genannter Synchronmotor ist. Die Drehzahl eines Asynchronmotors liegt etwas unterhalb dieser Drehzahl.
Für Hochtemperaturanwendungen kann bei Verwendung einer ORC-Anlage zur Erhöhung der Effizienz zwischen Turbine und Generator sowie zwischen Pumpe und Verdampfer in bekannter Weise noch ein so genannter Rekuperator geschaltet werden.
2) zeigt die prinzipielle Verschaltung zwischen dem durch die Turbine (20) angetriebenen Generator (21) und dem Elektromotor (31). Die unterschiedliche Polzahl ist in den Maschinen sinnbildlich dargestellt. Zusätzlich eventuell notwendige oder zweckmäßige Komponenten, wie Schalter oder Synchronisiereinheiten wurden nicht abgebildet.
3) zeigt eine Variante mit Gasturbine (10) statt des Verbrennungsmotors. Zur Veranschaulichung sind weiterer Verschaltungsmöglichkeiten dargestellt. Zischen Gasturbine (10) und dem von ihr angetrieben Generator (21) wurde ein Getriebe geschaltet. Die Pumpe (22) der Rankine- bzw. ORC-Anlage (2) wird hier auch über das interne Netz (4) betrieben, wodurch eine höhere Drehzahl der Pumpe möglich wird.
Die in 1) und 3) dargestellten Systeme können auch funktionell gleichartige, bekannte Verbrennungsmaschinen sein, die anders aufgebaut sind. Z. B. Gasturbinen, welche direkt einen Generator antreiben.
Auch kann die Erfindung eingesetzt werden, wenn die Verbrennungsmaschine statt eines Generators beispielsweise ein Fahrzeug oder ein Schiff direkt oder über ein Getriebe antreibt.
Als Arbeitsmittel für das Rankine-System kann Wasser, bzw. bei der ORC-Anlage alle bekannten Arbeitsfluide dienen.
Die Übertragung der in der Verbrennungsmaschine erzeugten Wärme auf das Rankine-System bzw. die ORC-Anlage kann über das Rauchgas oder/und das Kühlwasser der Verbrennungsmaschine erfolgen.
Der Kühlwasserkreis (5) des Rankine- bzw. ORC-Systems kann mit dem der Verbrennungsmaschine (13) verschaltet werden und die gemeinsam erzeugte Wärme kann hierdurch in einem Heiznetz genutzt oder über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben werden.
Auch ist es möglich, z. B. statt der Abwärme einer Verbrennungsmaschine die in einem Getriebe anfallende Wärme in ein ORC-System zu speisen und die zusätzlich erzeugte Energie der ORC-Turbine über einen Motor als mechanische Leistung wieder an das Getriebe abzugeben.
Bezugszeichenliste
Fig. 1) Verbrennungsmotor und ORC-Anlage erfindungsgemäß mit internem Stromnetz und zusätzlichem ElektromotorFig. 2) Prinzipielle Kopplung von Generator an der Turbine und dem Elektromotor, sowie Darstellung der unterschiedlichen MagnetpolzahlFig. 3) Applikation mit Gasturbine sowie optionalen Getriebe und optionaler Ankopplung der Speisepumpe an das interne Stromnetz

1: Verbrennungsmotor- bzw. Gasturbineneinheit mit Generator (BHKW)
2: ORC-Anlage bzw. Rankine-System
3: Abgas des Verbrennungsmotors bzw. der Gasturbineneinheit
4: Internes Stromnetz
5: Kühlflüssigkeit
6: Externes Stromnetz
10: Verbrennungsmotor bzw. Gasturbine
11: Mit Verbrennungsmotor bzw. Gasturbine gekoppelter Generator
12: Motorkühlwasser
13: Verbrennungsgemisch
14: Verbrennungsluft
20: Turbine im Rankine-Prozess
21: Generator gekoppelt mit Turbine
22: Pumpe d. h. Speisepumpe für Arbeitsmittel des Rankine-Prozesses
23: Verdampfer
24: Kondensator
40: Elektromotor
41: Leiter des internen Netzes

Claims

Systeme, die eine Turbine enthalten, welche einen Generator betriebsmäßig antreibt, mit dessen elektrischer Energie ein Elektromotor angetrieben wird, welcher zusätzlich zu einem anderen Antrieb ein Drehmoment auf eine Welle ausübt und die betriebsmäßige Drehzahl des durch die Turbine angetriebenen Generators über der des Elektromotors liegt.
Systeme nach 1., bei denen die den Generator antreibende Turbine Bestandteil einer ORC-Anlage ist.
Systeme nach 1., bei denen die den Generator antreibende Turbine Bestandteil eines Rankine-Prozesses ist.
Systeme nach 1., bei denen der Elektromotor mit einem Verbrennungsmotor gekoppelt ist.
Systeme nach 1., bei denen der Elektromotor mit einer Gasturbine gekoppelt ist.
Systeme nach 1., bei denen der Elektromotor mit einem Generator direkt gekoppelt ist.
Systeme die nach 1. und 4. aufgebaut sind.