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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen und thermoelektrischen Abgas- oder Heissgaswärmenutzung mit Dampfkreislauf, sowie Einrichtung zur Abgas- oder Heissgaswärmenutzung selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
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Verfahren und Einrichtungen dieser Art sind vielfach bekannt. So werden die in den Abgasen von Primärenergieerzeugungs- bzw umwandlungsprozessen anfallenden Abwärmen mittels Wärmetauscher genutzt, um in Sekundärprozessen mit Wasserdampf oder organischen Verdampfungsmitteln als Medium in einem Nachverstromungsprozess auch hieraus noch Energie zu gewinnen. Diese Sekundärprozesse erhöhen den Gesamtwirkungsgrad der Energieumwandlung teilweise ganz erheblich.
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Aus der
US 6,526,754 B1 ist die Nutzung der Abwärme eines Primärprozesses mit einer Verbrennungsmaschine bekannt, die einen Generator antreibt. Die Abwärme des Verbrennungsabgases wird über einen Verdampfer eines Sekudärkreislaufes mit organischem Verdampfungsmittel (ORC, organic rankine cycle), geführt, in welcher eine Turbine angeordnet ist, die diese Abwärme mit Hilfe eines gekoppelten Generators ebenfalls in elektrische Energie umwandelt. In diesem zitierten Stand der Technik werden sogar noch weitere Abwärmequellen mit diesem Sekundärkreislauf thermisch gekoppelt.
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Bei der Abgaswärmenutzung mittels eines Rankine-Kreislaufes, und zwar mit Wasserdampf oder aber auch mit einem organischen Arbeitsmedium, bei welchem vorzugsweise mit einer Direktverdampfung im Abgasstrom gearbeitet wird, ergibt sich systembedingt, dass die thermische Energie im Abgas hinter dem Verdampfer nicht voll genutzt werden kann. Dieses ergibt sich aus den Arbeitspunkten des Dampfkreislaufes. Diese Wärme könnte aber zumindest für eine Nutzung in einem externen Verbraucherkreis ausgekoppelt werden.
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Es bestünde die Möglichkeit, hinter dem Verdampfer einen herkömmlichen Abgaswärmetauscher in den Abgasweg einzubauen. Da diese Wärmetauscher jedoch direkt mit Wasser als Wärmetransportmedium gefüllt sind, bestehen dabei erhöhte Anforderung an den Betrieb, um zu verhindern, dass das im Wärmetauscher befindliche Wasser verdampft und der Wärmetauscher platzt. Deshalb muss im Betrieb der herkömmliche Abgaswärmetauscher kontinuierlich durchströmt werden. Das bedeutet, dass auch kontinuierlich Wärme abgeführt wird, welche notfalls, bei abnehmendem Wärmebedarf im angeschlossenen Verbraucherkreis (z. B. bei einer Gebäudeheizung im Sommer), über eine Kühleinrichtung vernichtet werden muss.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass eine effiziente Restwärmenutzung bei gleichzeitig optimaler Arbeitspunkteinstellbarkeit des Systems ermöglicht wird.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängen Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
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Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 5 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im Kern darin, dass im selben Abgas- oder Heissgasstrom über einen zusätzlichen Wärmetauscher, welcher dem ersten Wärmetauscher oder Direktverdampfer thermisch nachgeordnet ist, dem Abgastrom weitere Wärme entzogen wird, welche einem Wärmekopplungs-Verbraucherkreis zugeführt wird. Es wird somit dem Abgas- oder Heissgasstrom neben der in elektrische Energie umgewandelte Wärmemenge nachgeordnet noch weitere Wärme entzogen, die allerdings einem direkten Wärmeverbraucherkreis zugeführt wird. Bei einer Anwendung in einem BHKW würde dieser separate ausgekoppelte Wärmeanteil der direkten Wärmenutzung bei der konzeptionellen Kraftwärmekopplung entsprechen.
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Wichtig ist, dass das Verfahren auf die Nutzung der Wärme jedes denkbaren Heissgases, Abgases, heissesn Prozessgases und Rauchgases anwendbar ist. Im Nachfolgenden ist somit mit Abgas oder Abgasstrom auch optional Heissgas oder Heissgasstrom gemeint.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Medienkreislauf des ersten Wärmetauschers oder Direktverdampfers medienschlüssig mit einem Wärmetauscher des Wärme-Kopplungsverbraucherkreises medienschlüssig an einer Kopplungstelle verbunden ist, derart, dass sich die Arbeitsdrücke beider Kreisläufe an dieser Kopplungsstelle angleichen. Sei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird also der bereits vorhandene Dampfkreislauf genutzt. Hinter dem Direktverdampfer wird bei den niedrigeren Abgastemperaturen ein weiterer Wärmetauscher in den Abgasweg eingesetzt. Dieser wird jedoch mit dem gleichen Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes betrieben und ist somit hydraulisch mit dem Dampfkreislauf in dem der Direktverdampfers liegt, verbunden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Wärmekopplungskreis des oben genannten Abgaswärmetauschers mit einer eigenen Medienpumpe versehen ist, derart, dass über eine Steuerung dieser Medienpumpe die Wärmeaufnahme des Wärmetauschers bedarfssteuerbar ist. Mit der Regelung dieser Pumpe kann also die Wärmeaufnahme im besagten, zusätzlich im Abgastrom abgeordneten Wärmetauscher 5 exakt nach dem tatsächlichen Wärmebedarf des nachgeschalteten Wärmeverbraucherkreises gesteuert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass innerhalb des Medienkreislaufes des zweiten Wärmetauschers 5 die thermische Ankopplung des Wärmekopplungs-Verbraucherkreises über einen zusätzlichen, als Übergabe-Wärmetauscher betriebenen Wärmetauscher 6 erfolgt. So entsteht ein medienmäßig vom Wärmekopplungskreis getrennter Wärmeverbraucherkreis.
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In letzter verfahrensmäßiger Ausgestaltung ist angegeben, dass die Arbeitsmedien Wasserdampf oder organische (ORC) Verdampfungsmittel sind.
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Im Hinblick auf eine Einrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, dass im selben Abgasstrom über einen zusätzlichen Wärmetauscher, welcher dem ersten Wärmetauscher oder Direktverdampfer thermisch nachgeordnet ist, dem Abgasstrom weitere Wärme entzogen wird, welche einem Wärmekopplungs-Verbraucherkreis zugeführt wird. Damit entsteht eine zweistufiger Abgaswärme-Nutzungsprozess.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass Direktverdampfer und der zusätzliche Wärmetauscher medienschlüssig miteinander verbunden sind. Die sich hieraus ergebenden funktionalen Konsequenzen und Vorteile sind bereits oben beschrieben.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass innerhalb des Wärmekopplungskreislaufes ein weiterer Übergabewärmetauscher angeordnet ist, welcher in dem Kreislauf mit einem Wärmeverbraucher angeordnet ist. So ist die Restwärmeauskopplung aus dem Abgas medienmäßig vom eigentlichen Wärmeverbraucherkreis getrennt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Einrichtung als stationäres Kraftwerk oder Blockheizkraftwerk mit Kraftwärme-Wärme-Kopplung ausgeführt ist. Dies führt zu einem hocheffizienten Blockheizkraftwerk.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Einrichtung als transportables Blockheizkraftwerk mit Kraftwärme-Wärme-Kopplung ausgeführt ist, welches in einem transportablen Container angeordnet ist, derart, dass die besagte Einrichtung zur Abgasabwärmenutzung alleine oder gemeinsam mit einer primären, das benannte Abgas erzeugenden Energieerzeugungsprozess angeordnet ist. So lässt sich eine Einrichtung schaffen, die sogar an ortsvariablen Energiestationen, bspw auf Großbaustellen eingesetzt werden kann.
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In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass bei einer Anordnung lediglich der besagten Einrichtung zur Abgaswärmenutzung in einem Container, dieser Container mehrere nach außen geführte Flanschanschlüsse aufweist, nämlich einen Abgasanschluss zur Verbindung mit dem Abgasstrom eines Primärenergieprozesses, sowie zwei Flanschanschlüsse zum Anschluss eines externen Wärmeverbraucherkreises. Eine solche Bauform ist dann hochpraktikabel bei oben genannten transportablen Einsatz, und stellt somit auch ein nachrüstbares Abgasabwärmenutzungssystem sowohl für den stationären als auch für den mobilen Einsatz dar.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: Darstellung der erfindungsgemäßen Verbindung aller Elemente
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2: Darstellung eines Ausführungsbeispieles für eine Containerlösung
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1 zeigt im oberen Bildteil den Abgaswärmenutzungskreislauf als Dampfkreislauf dar, mit Direktverdampfer 2, Kondensator 4, Arbeitsmedienpumpe 1 und Entspannungsmaschine 3. Die Entspannungsmaschine kann eine Trubine sein, oder aber auch eine Kolbenmaschine. Der mit der Entspannungsgmaschine 3 gekoppelte Generator ist hier nicht dargestellt. Der Direktverdampfer 2 liegt im heissen Bereich des Abgasstromes. Weiterhin ist ein zusätzlicher Wärmekopplungs-Wärmetauscher 5 vorgesehen, der im Abgasstrom dem Direktverdampfer nachgeordnet ist, als die Abgasrestwärme nochmals nutzt.
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Der Wärmekopplungskreislauf dieses zusätzlichen Wärmekopplungs-Wärmetauscher 5 ist ein weiterer Kreislauf, wiederum mit eigener Wärmekopplungs-Pumpe 7.
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Das besondere hierbei ist aber, dass der Dampfkreislauf des Direktverdampfers 2 mit dem Wärmekopplungs-Kreislauf des zusätzlichen Wärmetauschers 5 an einer Koppelstelle 8 hydraulisch, also medienschlüssig miteinander verbunden sind. Folglich ist im Direktverdampferkreislauf und im Wärmekopplungskreislauf dasselbe Verdampfermedium. Dieses kann Wasser, oder auch organisches (ORC) Verdampfermittel sein.
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Dies hat die im Folgenden dargelegte Funktion und Wirkungsweise.
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Mit der Regelung der Wärmekopplungs-Pumpe 7 kann also die Wärmeaufnahme im besagten, zusätzlich im Abgastrom abgeordneten Wärmetauscher 5 exakt nach dem tatsächlichen Wärmebedarf des Wärmeverbraucherkreises gesteuert werden.
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Weiter kann die Auskopplung in der Höhe der möglichen Wärmeabfuhr genau an die bestehende Abgastemperatur nach dem Direktverdampfer und die gewünschte Temperatur nach der Auskopplung ausgelegt werden. Wesentlicher Vorteil ist, dass durch die gemeinsame Nutzung des Dampfkreisarbeitsmediums die Auskopplung völlig unproblematisch wird und angepasst genutzt werden kann. Das Arbeitsmedium ist hinter der Dampfkreislaufmedien-Pumpe 1 in flüssiger Form und ist entsprechend der Kondensationstemperatur im Kondensator 4 relativ kalt. Die Erhöhung der Temperatur auf die Verdampfungstemperatur erfolgt erst später im vorderen Bereich des folgenden Verdampfers 2 (integriert im Verdampfer, oder als separater Vorerwärmer)). Da hinter der Dampfkreislaufmedien-Pumpe 1 schon der hohe Arbeitsdruck des Dampfkreises herrscht, kann bei dieser Temperatur, respektive bei kleinen Temperaturerhöhungen im Betrieb, im besagten zusätzlichen Wärmetauscher 5 noch keine Verdampfung stattfinden. Da die Wärmeleistung der Wärmekopplung relativ klein zur Leistung des Dampfkreislaufes ist, aber wiederum nur mit Nutzung der spezifischen Wärmekapazität abgeführt wird, ist der Massenstrom der Auskopplung um ein Vielfaches höher (bei kleiner Temperaturdifferenz im Koppelkreis) als der auf die Verdampfungsenthalpie ausgelegte Dampfkreislauf. D. h. Dampfmedienströmungstechnisch wird die Pumpe 1 das kondensierte Medium zuerst zur hydraulischen Koppelstelle 8 führen, bzw an diesem vorbeiführen. Da aber der zusätzliche Wärmetauscher 5 im kühleren Bereich des Abgasstromes liegt, wird dort keine Verdampfung erfolgen. Erst wenn das Medium den als Direktverdampfer betriebenen Wärmetauscher 2 erreicht, erfolgt eine Verdampfung, und ein alschließendern Antrieb der Entspannungsmaschine 3.
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Damit bleibt die Erhöhung der dann durch den Betrieb der Auskopplung gemischten Temperatur am Verbindungspunkt 8 sehr gering und hat somit kein Einfluss auf den Dampfkreislauf.
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Wird die Auskopplung nicht benötigt, oder sollte ein Defekt, z. B. der Ausfall der Pumpe im Wärmeverbraucherkreis 9, vorliegen, würde das im Wärmetauscher 5 befindliche Arbeitsmedium stehen bleiben, was auf Grund des hohen Druckes (durch die Koppel- oder Verbindungsstelle 8 herrscht auch in dem Wärmetauscher 5 der hohe Dampfkreis-Arbeitsdruck) und der niedrigen Abgastemperatur nach dem Verdampfer 2 zwar auf die Abgastemperatur erwärmen, das würde jedoch nicht zum verdampfen des Mediums führen. Würde dazu noch ein Defekt des Dampfkreises kommen, bei weiterem Betrieb der Abgasleitung, würde das im Wärmetauscher 5 und im Verdampfer 2 befindliche Arbeitsmedium vollständig verdampfen und auch der Dampf aus dem Wärmetauscher 5 könnte durch die Verbindung 8 über den Kondensator entsprechend kondensieren. Somit würde folgend der Wärmetauscher 5 und der Verdampfer 2 komplett mit überhitztem Dampf gefüllt sein, was für einen Dampfkreislauf einen völlig unkritischen Betriebspunkt darstellt.
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Damit ergibt sich nicht nur eine energieeffiziente Nutzung der Abgaswärme, sondern das System vermeidet die eingangs genannte Problematik des Platzens des Direktverdampfers.
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2 zeigt nochmals die Aufteilung der einzelnen Medienkreisläufe in
- – Dampfkreis A
- – Wärmekopplungskreis B
- – Wärmeverbraucherkreis C
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Ebenso zeigt 2 die angedeutete räumliche Abgrenzung bei einer transportablen Containerlösung.
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Dampfkreislauf A und Wärmekopplungskreislauf B wären dann innerhalb des Containers 20, wobei dieser für die Abgaszuführung und die Abgasabführung mit zwei lösbaren, nach außerhalb des Containers weisenden externen Flanschverbindungen 101 und 101' hierfür versehen wäre. Weiterhin wären zwei Flansche 100 für den externen Anschluss des Wärmeverbaucherkreises 9 vorgesehen. Der Übergabewärmetauscher 6 sowie vorzugsweise die Pumpe für den externen Wärmeverbraucher wären dann ebenfalls noch innerhalb des Containers 20 angeordnet, so dass extern nur der Wärmeverbraucher als solcher anzuschließen wäre.
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Für den Kondensator 4 des Dampfkreislaufes könnten noch Flansche 103 zum Anschluss einer externen Kühlung für den Kondensator 4 vorgesehen sein. Die Entspannungsmaschine 3 könnte eine nach außen geführte Welle 102 aufweisen, um extern einen Generator anzuschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dampfkreislauf-Arbeitsmediumpumpe
- 2
- Dampfkreislauf-Verdampfer
- 3
- Dampfkreislauf-Entspannungsmaschine
- 4
- Dampfkreislauf-Kondensator
- 5
- Wärmekopplung-Zusätzlicher Wärmetauscher
- 6
- Wärmekopplung-Übergabewärmetauscher
- 7
- Wärmekopplung-Pumpe
- 8
- Wärmekopplung-hydraulische Verbindung
- 9
- Wärmekopplung Verbraucherkreis
- 20
- Container
- 100
- Flansche zum thermischen Anschluss des Wärmeverbraucherkreises
- 101 und 101'
- Anschlüsse Abgas/Heissgas
- 102
- Nach außen geführte Welle der Entspannungsmaschine
- 103
- Flansche zum Anschluss einer Kühlung Kondensatorkühlung
- Exhaust
- Abgas, Heissgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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