DE102012016370A1

DE102012016370A1 - ORC Motor mit Ölpumpe, Ölabscheider, Rückförderpumpe, Leistungsabnehmer und vollhermetischen Gehäuse

Info

Publication number: DE102012016370A1
Application number: DE201210016370
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-02-20

Abstract

Die getätigte Erfindung ist in ihrer Funktion eine Energie-Wandlungs-Maschine bzw. Expansionsmaschine für Gase und Dämpfe von ORC Prozessen um deren Energiegehalt in eine andere Energieform umzuwandeln. Dabei ist die eigentliche Expansionsmaschine (1) mit anderen Bauteilen, wie Ölpumpe (2) für die Schmierung der Expansionsmaschine, Ölabscheider (10) um das Öl wieder abzuscheiden, Rückförderpumpe (3) um das Arbeitsmittel des ORC Prozesses zurück zu pumpen und ein Leistungsabnehmer (4) wie z. B. ein Generator, in einem Gehäuse untergebracht. Das Gehäuse (6) besteht aus einem einzigen, voll-hermetischen Bauteil und ist, ohne Zerstörung, nicht zu Öffnen. Diese Gehäusebauart soll Undichtigkeiten an Trennstellen vorbeugen.

Description

Technisches Gebiet
Die getätigte Erfindung beschreibt den Aufbau eines Expansionsmotors für ORC Prozesse, der in einem einteiligen, voll-hermetischen Gehäuse, mit weiteren Bauteilen untergebracht ist. Diese Bauteile sind unter anderem, Bauteile für die Maschinenschmierung, sowie Ölabscheider und Rückförderpumpe für den ORC Prozess und einen Leistungsabnehmer.
Stand der Technik
Derzeit sind Expansionsmaschinen für ORC Prozesse nicht sehr weit verbreitet und nur für wenige Anwendungsfälle geeignet. Dabei ist besonders das Feld der kleinen Leistungsklassen, der Expansionsmaschinen, ein interessanter Markt, da es viele Wärmequellen im Kilowatt Bereich gibt, die einerseits günstige Maschinen erfordern und andererseits hohen Wirkungsgrad verlangen. Weiterhin sind hohe Sicherheitsanforderungen durch z. B. Emissionsschutz zu erfüllen, was derzeit ein echtes Problem bei Genehmigungsverfahren darstellt. Die getätigte Erfindung beschreibt einen Lösungsansatz.
Technische Beschreibung
Bei der Erfindung handelt es sich um einen Motor bzw. eine Expansionsmaschine (1) für Gase und Dämpfe, insbesondere für ORC Prozesse. Als ORC Anlage/ORC Prozess/ORC Kreislauf wird dabei eine technische Vorrichtung bezeichnet, die als Energieerzeugungsanlage auf Grund eines thermodynamischen Kreisprozesses (Carnot-Kreisprozess) ausgeführt ist. Dabei arbeitet die Energieerzeugungsanlage nach einem Kreisprozess, der als Ericsson-Kreisprozess, Clausius-Rankine-Kreisprozess, Joule-Kreisprozess, Kalina-Kreisprozess, Stirling-Kreisprozess oder Organic-Rankine-Cycle bekannt ist. Symbolisch wird hierfür, in allen Beschreibungen, der Begriff „ORC” oder „ORC Prozess” verwendet. Weiterhin kann der, hier beschriebene Motor, auch als Expansionsmaschine für Druckluft verwendet werden.
Bei der hier getätigten Erfindung treibt die Expansionsmaschine (1) eines ORC Motors einige weitere Bauteile direkt an, was Vorteile bei Einsatzmöglichkeit und Herstellung schafft. Zum einen treibt die Expansionsmaschine eine Ölpumpe (2) an, die die Lagerstellen (18) mit Schmieröl (11) versorgt bzw. das Druckgas mit Schmieröl versetzt. Weiterhin befindet sich ein Kraftabnehmer/Leistungsabnehmer (4) im Antriebsstrang (7) sowie eine Pumpe, die als Rückförderpumpe (3) für den ORC Prozess dient ( ). Untergebracht werden die Bauteile Expansionsmaschine, Ölpumpe, Rückförderpumpe und Kraftabnehmer in einem Gehäuse (6), das voll-hermetisch ausgeführt ist und somit keine Trennstellen besitzt. Das Gehäuse kann, ohne Zerstörung, nicht geöffnet werden. Diese Gehäusebauart soll Undichtigkeiten an Trennstellen vorbeugen.
Eine weitere Neuerung ist ein Ölabscheider (10), der in das Gehäuse eingebracht ist bzw. der als Gehäuseabschnitt dient. Dieser Ölabscheider scheidet, das vor der Expansionsmaschine, durch die Ölpumpe geförderte, eingespritzte Öl wieder ab und stellt gleichzeitig einen Vorratsraum zur Verfügung, aus dem die Ölpumpe Öl ansaugt.
Ein ORC Prozess funktioniert so, das in einem Verdampfer (20) ein Arbeitsmittel des ORC Prozesses verdampft und dieser in der Expansionsmaschine Arbeit verrichtet und Leistung erzeugt. Das dadurch expandierte Gas wird im Verflüssiger (19) zurück-gekühlt und, durch die Rückförderpumpe, zurück in den Verdampfer gepumpt ( ).
Um die Funktion der Expansionsmaschine sicherzustellen, ist es nötig eine ausreichende Schmierölversorgung an den Lagerstellen sicherzustellen und einen Ölnebel im, der Expansionsmaschine zugeführten, Druckgas zu erzeugen. Der Ölnebel schmiert dabei die Kontaktstellen der Expansionsmaschine und dient gleichzeitig als Dichtungsmittel zwischen den Bauteilen. Dieser Ölnebel muss, nach verlassen der Expansionsmaschine, wieder abgeschieden werden um Schmieröl zurückzugewinnen. Das geschieht in einem, in oder am Gehäuse verbauten, Ölabscheider (10), der ebenfalls als Vorratsbehälter für das zurückgewonnene Öl dient. Die Expansionsmaschine treibt, durch ihre Rotation, die Ölversorgungspumpe an, die daraufhin eine Schmierölmenge mit entsprechenden Druckniveau, im Druckölkanal (12), erzeugt. Dabei ist die Ölpumpe als Zahnradpumpe, Flügelzellenpumpe, Radialkolbenpumpe, Axialkolbenpumpe oder Membran-Pumpe ausgeführt und die Expansionsmaschine ist als Dampfschraube, „Scrollexpander”, Turbine oder als Kolbenmaschine ausgeführt.
Technische Beschreibung 2
Weiterhin treibt die Expansionsmaschine eine Pumpe für ORC-Arbeitsmittel an, das der ORC Prozess für seine Funktion benötigt (Rückförderpumpe (3). Diese Pumpe ist regulär als externe Pumpe, außerhalb der Expansionsmaschine, mit eigenem Antriebsmotor, verbaut. Aus Kostengründen und aus Gründen der Bauteileinsparung ist die Pumpe, bei dieser Erfindung, mit in das Maschinengehäuse der Expansionsmaschine integriert und wird auch durch diese, wie auch die Ölpumpe, angetrieben. Ausgeführt ist die Pumpe dabei als Membran-Pumpe, insbesondere als Kolben-Membran-Pumpe und wird dabei dauerhaft angetrieben. Die Fördermenge wird durch drosseln oder erhöhen der Saugmenge, also der Menge Arbeitsmittel des ORC Prozesses erreicht, der die Pumpe passiert. Weiterhin kann die Pumpe als Zahnradpumpe, Flügelzellenpumpe, Radialkolbenpumpe oder Axialkolbenpumpe ausgeführt sein.
Um die überschüssige Leistung der Expansionsmaschine zu nutzen, treibt diese noch ein weiteres Bauteil, direkt, an. Dieses Bauteil (der Leistungsabnehmer der Expansionsmaschine) ist im Regelfall ein Generator, der elektrischen Strom erzeugt und diesen nach außen abgibt, wo er genutzt werden kann. Der Leistungsabnehmer ist, wie auch die Ölpumpe und die Rückförderpumpe, direkt von der Expansionsmaschine angetrieben und auch im selben Gehäuse, mit Ölabscheider, untergebracht. Es ist denkbar auch andere Bauarten von Leistungsabnehmern zu verbauen. So kann die Leistung der Expansionsmaschine auch durch eine Welle nach außen abgegeben werden, oder durch eine Magnetkupplung nach außen abgegeben werden, oder durch einen Drucklufterzeuger in Form von Druckluft nach außen abgegeben werden.
Unter Umständen wird es nötig einzelne Bauteile, wie Ölpumpe, Rückförderpumpe oder Ölabscheider, wegzulassen und diese Extern zu verbauen. Das kann geschehen wenn schwierige Förder-Volumina bzw. Viskositäten vorliegen, oder spezielle thermische Verhältnisse vorliegen, oder ein anderes Arbeitsmittel für den ORC Prozess verwendet wird. Weiterhin kann man nun aber immer noch die Grundbausteine wie Expansionsmaschine, Kraftabnehmer und die weiteren gewünschten Funktionen in eine Maschine bzw. in ein Maschinengehäuse verbauen.
Bezugszeichenliste

1: Expansionsmaschine
2: Ölpumpe
3: Rückförderpumpe für Arbeitsmittel des ORC Prozesses
4: Kraftabnehmer/Leistungsabnehmer
5: Geräteträger
6: Gehäuse
7: Gemeinsame Antriebswelle/Antriebsstrang
8: Arbeitsmitteleintritt des ORC Prozesses
9: Arbeitsmittelaustritt des ORC Motors
10: Ölabscheider
11: Schmieröl
12: Druckölkanal
13: Saugkanal der Ölpumpe
14: Arbeitsmittelaustrittskanal der ORC Expansionsmaschine
15: Arbeitsmitteleintrittskanal der Rückförderpumpe
16: Arbeitsmittelaustrittskanal der Rückförderpumpe
17: Anschlusskabel des Kraftabnehmers „Generator”
18: Lagerstelle
19: Verflüssiger
20: Verdampfer
21: Befestigungsteile für senkrechte/waagerechte Aufstellungsart

Claims

ORC Motor ist gekennzeichnet dadurch, das mindestens eine Expansionsmaschine (1) für Gase und Dämpfe, insbesondere für ORC Prozesse, in einem einteiligen, voll-hermetischen Gehäuse (6), an mindestens eine Leistungsabnehmende Vorrichtung (4) angeschlossen ist. Weiterhin ist mindestens eine Ölpumpe (2) zur Ölschmierung des Druckgases und der Expansionsmaschine (1) vorhanden sowie mindestens ein Ölabscheider (10) zur Rückgewinnung des Schmieröles (11). Des weiteren ist mindestens eine Rückförderpumpe (3) für das Arbeitsmittel des ORC Prozesses vorhanden.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das mindestens ein Ölabscheider (10) verbaut ist, der Bestandteil des Maschinengehäuses ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das die Expansionsmaschine (1) als Dampfschraube, „Scrollexpander”, Turbine oder als Kolbenmaschine ausgeführt ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das die Kraft-abnehmende/Leistungsabnehmende (4) Vorrichtung als Magnetkupplung, Wellenausgang, als Elektrogenerator, der elektrischen Strom nach außen abgibt oder als Drucklufterzeuger ausgelegt ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das die Ölpumpe (2) für Schmieröl als Zahnradpumpe, Flügelzellenpumpe, Radialkolbenpumpe, Axialkolbenpumpe oder Membran-Pumpe ausgeführt ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das die Rückförderpumpe für Arbeitsmittel des ORC Prozesses (3) als Kolbenmembran-Pumpe, Membran-Pumpe, Zahnradpumpe, Flügelzellenpumpe, Radialkolbenpumpe oder Axialkolbenpumpe ausgeführt ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das der Ölabscheider (10) nicht verbaut ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das die Rückförderpumpe (3) für Arbeitsmittel nicht verbaut ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das die Ölpumpe (2) für Schmieröl (11) nicht verbaut ist.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das Bauteile die nicht verbaut sind (Ölabscheider, Rückförderpumpe, Ölpumpe) an Externer Stelle Vorhanden sind.
Die Erfindung ist nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das der ORC Motor durch ein voll-hermetisches Gehäuse umschlossen ist.