-
Integrierter ORC-Prozess an zwischengekühlten Kompressoren zur Erhöhung des Wirkungsgrades und Verringerung der erforderlichen Antriebsleistung durch Nutzung der Abwärme
-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieumwandlungsanordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit, ein thermodynamisches System sowie ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Arbeit.
-
Hintergrund der Erfindung
-
In vielen technischen Bereichen gibt es einen hohen Bedarf an verdichteten Prozessgasen, wie beispielsweise Druckluft oder andere komprimierte chemische Prozessgase. Beispielsweise sind in Kraftwerken zur Erzeugung von Energie komprimierte Prozessgase notwendig. Auch in der chemischen Industrie werden für viele chemische Abläufe komprimierte Prozessgase eingesetzt.
-
Um den Druck eines Prozessgases zu erhöhen, werden Kompressoren eingesetzt, die beispielsweise mittels eines Motors betrieben werden. Um die erforderliche Antriebsleistung der Kompressoren bei einem Verdichtungsprozess zu minimieren sowie um die sich einstellenden Verdichtungstemperaturen für die einzelnen Systemkomponenten, wie beispielsweise für die Dichtungen, in Grenzen zu halten, werden mehrstufige Verdichter mit Zwischenkühlungen eingesetzt.
-
2 2 zeigt einen herkömmlichen Verdichtungsprozess. Hierbei wird eine herkömmliche erste Verdichtungsstufe bzw. ein herkömmlicher erster Verdichter 210 und eine herkömmliche zweite Verdichtungsstufe bzw. ein herkömmlicher zweiter Verdichter 220 in Reihe geschaltet. Eine herkömmliche Antriebseinheit 250 treibt über eine herkömmliche Antriebswelle 240 die erste herkömmliche erste Verdichtungsstufe 210 und die herkömmliche zweite Verdichtungsstufe 220 an. Über einen Prozesseingang 201 wird das unkomprimierte Prozessgas der ersten herkömmlichen Verdichtungsstufe 210 zugeführt. Nach der herkömmlich ersten Verdichtungsstufe 210 wird das teilkomprimierte Prozessgas einem herkömmlichen Kühler 230 zugeführt. Dabei wird die Wärme, welche in der ersten herkömmlichen Verdichtungsstufe 210 generiert wird, in einem herkömmlichen Kühler 230 zum größten Teil ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Anschließend wird das teilkomprimierte Prozessgas dem herkömmlichen zweiten Verdichter 220 zugeführt und über einen Prozessausgang 202 weiteren Verarbeitungsschritten abgeführt.
-
Beispielsweise kann das Prozessgas dem herkömmlichen ersten Verdichter 210 bei einer Temperatur von ca. –62°C und einem Druck von ca. 3,3 bar zugeführt werden. Nach dem ersten herkömmlichen Verdichter 210 weist das Prozessgas bereits ca. 65°C und ca. 20,6 bar auf. In dem herkömmlichen Kühler 230 wird das teilkomprimierte Prozessgas auf ca. 40,9°C annähernd isobar abgekühlt und dem herkömmlichen zweiten Verdichter 220 zugeführt. Nach dem herkömmlichen zweiten Verdichter 220 kann das Prozessgas beispielsweise ca. 157°C und ca. 80 bar aufweisen. An dem aufgeführten Beispiel wird deutlich, dass in jedem der herkömmlichen Verdichter 210, 220 das Prozessgas teilweise ca. 110°C bis 120°C aufgewärmt wird. Der herkömmliche Kühler 230 kühlt das Prozessgas beispielsweise um ca. 20°C bis ca. 30°C ab, wobei diese Abwärme den herkömmlichen Verdichtungsprozessen ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Mit dem oben aufgeführten Verdichtungsprozess und den beispielhaften Temperaturen und Drücken werden in dem in 2 dargestellten Beispiel fast 14,8 Megawatt ungenutzt über den herkömmlichen Kühler 230 an die Umgebung abgegeben.
-
Der herkömmliche Kühler 230 bzw. das Zwischenkühlen ist allerdings notwendig, um die Verdichtungstemperaturen in Grenzen zu halten und die erforderliche technische Arbeit in den Verdichtungsprozess zu verringern. Zudem verringert sich der Wirkungsgrad der Verdichtung bei zu hohen Temperaturen des Prozessgases.
-
US2012/0216502 A1 offenbart einen Zwischenkühler für eine Gasturbine. Der Zwischenkühler erhitzt ein organisches Fluid über Wärme, welche mittels der Gasturbine generiert wird. Das organische Fluid verbleibt teilweise in einer verdampften oder einer flüssigen Phase. Eine Expansionsmaschine expandiert das erhitzte organische Fluid, um die Dampfqualität zu erhöhen, den Druck zu reduzieren und elektrische Leistung zu generieren.
-
US 2012/0017597 A1 offenbart ein hybrides Leistungserzeugungssystem, welches einen ersten Verdichter aufweist, um einen Luftstrom zu komprimieren. Ein Zwischenkühler ist mit dem ersten Kompressor gekoppelt und kühlt den komprimierten Luftstrom nach dem ersten Verdichteter ab. Ein zweiter Verdichteter ist mit dem Zwischenkühler gekoppelt und komprimiert den Luftstrom nach dem Zwischenkühler. Ein System, welches zum Durchführen eines Superkritischen-Organischen-Rankine-Prozess konfiguriert ist, ist an den Zwischenkühler gekoppelt, so dass ein Arbeitsfluid mit dem Luftstrom des Gasturbinensystems eine thermische Wechselwirkung eingeht.
-
US 5,535,584 A offenbart ein Gasturbinenkraftwerk. Das Gasturbinenkraftwerk weist einen ersten Wärmetauscher auf, welcher stromabwärts eines Niederdruckverdichters angeordnet ist. Ein Hochdruckverdichter ist stromabwärts des ersten Wärmetauschers angeordnet. Ein zweiter Wärmetauscher ist mit einem ersten Bereich stromabwärts des Hochdruckverdichters angeordnet und ein zweiter Bereich des zweiten Wärmetauschers ist stromabwärts des ersten Bereichs angeordnet. Ein Brenner ist stromabwärts des zweiten Wärmetauschers angeordnet. Der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher sind dabei thermisch gekoppelt.
-
Darstellung der Erfindung
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen effizienten Verdichtungsprozess bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird mit einer Energieumwandlungsanordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit, durch ein thermodynamisches System sowie durch ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Arbeit gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Energieumwandlungsanordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit beschrieben. Die Energieumwandlungsanordnung weist einen Kondensator, einen Verdampfer und eine Turbine auf.
-
Dem Kondensator ist ein Arbeitsmedium in dampfförmigem Zustand zuführbar, wobei der Kondensator eingerichtet ist, das Arbeitsmedium mittels Abkühlens des Arbeitsmediums in einen flüssigen Zustand zu überführen bzw. zu verflüssigen. Der Verdampfer ist mit dem Kondensator derart gekoppelt, dass das Arbeitsmedium von dem Kondensator in dem flüssigen Zustand dem Verdampfer zuführbar ist.
-
Der Verdampfer ist an eine Verdichteranordnung derart koppelbar, dass thermische Energie von einem Prozessfluid der Verdichteranordnung an das Arbeitsmedium in dem Verdampfer abgebbar ist. Der Verdampfer ist ferner eingerichtet das Arbeitsmedium mittels der thermischen Energie des Prozessfluids in einen dampfförmigen Zustand zu überführen bzw. zu verdampfen.
-
Die Turbine ist zur Umwandlung von thermischer Energie und mechanischer Arbeit ausgebildet. Die Turbine ist mit dem Verdampfer derart gekoppelt, dass das Arbeitsmedium von dem Verdampfer im dampfförmigen Zustand der Turbine zuführbar ist. Die Turbine ist ferner mit dem Kondensator derart gekoppelt, dass das Arbeitsmedium von der Turbine bevorzugt noch im dampfförmigen Zustand dem Kondensator zuführbar ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein thermodynamisches System beschrieben, welches die oben beschriebene Energieumwandlungsanordnung aufweist. Ferner weist das thermodynamische System die Verdichteranordnung auf, wobei der Verdampfer an der Verdichteranordnung derart gekoppelt ist, dass thermische Energie von dem Prozessfluid der Verdichteranordnung an das Arbeitsmedium in dem Verdampfer übertragbar ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Arbeit beschrieben. Ein Arbeitsmedium wird im dampfförmigen Zustand einem Kondensator zugeführt. Das Arbeitsmedium wird mittels Abkühlens des Arbeitsmediums in dem Kondensator verflüssigt. Das Arbeitsmedium wird im flüssigen Zustand von dem Kondensator einem Verdampfer zugeführt. In dem Verdampfer wird thermische Energie von einem Prozessfluid einer Verdichteranordnung an das Arbeitsmedium abgegeben. Der Verdampfer ist hierfür an die Verdichteranordnung gekoppelt. Das Arbeitsmedium wird mittels der thermischen Energie des Prozessfluids verdampft. Das Arbeitsmedium wird im dampfförmigen Zustand von dem Verdampfer zu einer Turbine zugeführt. Mittels der Turbine wird thermische Energie des Arbeitsmediums in mechanische Arbeit umwandelt. Das Arbeitsmedium wird im dampfförmigen Zustand von der Turbine zu dem Kondensator zugeführt.
-
Die oben beschriebene Energieumwandlungsanordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit setzt einen thermodynamischen Kreisprozess um. Insbesondere wird ein Clausius-Rankine-Kreisprozess umgesetzt. Wie im Folgenden noch weiter erläutert, kann das Arbeitsmedium aus einem organischen Medium bestehen, sodass die Energieumwandlungsanordnung insbesondere nach einem ”Organic Rankine Cycle (ORC)”-Prozess arbeiten kann.
-
Der Clausius-Rankine-Kreisprozess und entsprechend auch der ORC-Kreisprozess weist die oben beschriebene Turbine, den Kondensator und den Verdampfer auf. Zum Antreiben des Kreisprozesses und zur Druckerhöhung des Arbeitsmediums im flüssigen Zustand wird eine Speisepumpe verwendet, um einen Fluss des Arbeitsmediums zwischen den funktionalen Einheiten zu gewährleisten und das Arbeitsmedium zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer zu bedrucken. Rohrleitungen verbinden den Kondensator mit dem Verdampfer, den Verdampfer mit der Turbine und die Turbine mit dem Kondensator. Zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer ist die Speisepumpe zwischengeschaltet.
-
Gemäß dem Clausius-Rankine-Kreisprozess wird zunächst mechanische Energie erzeugt, indem das Arbeitsmittel in dem Kreisprozess abwechselnd bei niedrigem Druck kondensiert und bei hohem Druck verdampft. Der Druck wird von der Speisepumpe durch Aufwand von Arbeit aufgebracht und in der Turbine unter Abgabe von Arbeit abgebaut.
-
In der Turbine wird das Arbeitsmedium im dampfförmigen Zustand adiabat entspannt, so dass dadurch insbesondere aus der thermischen Energie des Arbeitsmediums mechanische Arbeit erzeugt wird. Anschließend wird in dem Kondensator das Arbeitsmedium im dampfförmigen Zustand nahezu isobar kondensiert, so dass das Arbeitsmedium anschließend im flüssigen Zustand vorliegt. Anschließend wird in der Speisepumpe der Druck des Arbeitsmediums nahezu adiabat und nahezu isotrop erhöht. Nach der Speisepumpe wird das Arbeitsmedium in flüssigem Zustand dem Verdampfer zugeführt, wobei das Arbeitsmedium zunächst bis zum Verdampfungspunkt erwärmt werden kann und dann beispielsweise (nahezu isotherm) verdampft werden kann.
-
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird das dampfförmige Arbeitsmedium in dem Verdampfer durch weitere Erwärmung überhitzt. Das Arbeitsmedium wird in einem überhitzten Zustand in der Turbine entspannt, so dass das Risiko einer vorzeitigen Kondensation des Arbeitsmediums in der Turbine reduziert wird.
-
Der Kondensator ist wie oben erläutert vorgesehen, um das dampfförmige Arbeitsmedium nach der Turbine zu verflüssigen. Der Kondensator kann beispielsweise als wassergekühlter Kondensator oder als luftgekühlter Kondensator, welcher beispielsweise einen Ventilator aufweist, ausgebildet sein. Als wassergekühlter Kondensator kann insbesondere ein wassergekühlter Oberflächenkondensator, beispielsweise in der Form eines Rohrbündelwärmeübertragers oder eines Plattenwärmetauschers, eingesetzt werden.
-
Die Turbine ist eine Strömungsmaschine, welche die innere Energie des dampfförmigen Arbeitsmediums in Rotationsenergie und letztlich in mechanische Arbeitsenergie umwandelt. Die Turbine weist dazu insbesondere Rotorblätter auf, welche auf einer Abtriebswelle befestigt sind. Aufgrund der Umströmung des Arbeitsmediums an den Rotorblättern wird ein Teil der inneren Energie des Arbeitsmediums, welches beispielsweise aus Bewegungs-, Lage- und Druckenergie zusammengesetzt ist, entzogen, und auf die Rotorblätter übertragen. Dies führt dazu, dass sich die Abtriebswelle der Turbinen in Drehung versetzt, so dass nutzbare Leistung, bzw. mechanische Arbeit, erzeugt wird. Beispielsweise kann an die Abtriebswelle ein Generator oder eine andere Arbeitsmaschine angekoppelt werden.
-
Der Verdampfer wandelt das flüssige Arbeitsmedium in einen dampfförmigen Zustand um. Dazu kann dem Verdampfer thermische Energie, insbesondere aus der Verdichteranordnung, zugeführt werden. Der Verdampfer ist beispielsweise ein Wärmetauscher, in welchem in einem ersten Bereich des Wärmetauschers das Arbeitsmedium einspeisbar und abführbar ist und in einem zweiten Bereich das Prozessfluid der Verdichteranordnung einspeisbar und abführbar ist. Der Verdampfer ist derart angeordnet, dass zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich thermische Energie, beispielsweise mittels Konvektion, zwischen dem Prozessfluid und dem Arbeitsmedium austauschbar ist.
-
Die Verdichteranordnung weist beispielsweise zumindest einen Verdichter auf, welcher mittels eines Motors bzw. einer Antriebseinheit antreibbar ist. Der Verdichter verdichtet das Prozessfluid. Nach dem ersten Verdichter wird das bedruckte bzw. komprimierte Prozessfluid dem Verdampfer zugeführt, um somit einen Übergang der thermischen Energie von dem Prozessfluid auf das Arbeitsmedium bereitzustellen. Das Prozessfluid kann als Prozessflüssigkeit, Prozessdampf oder Prozessgass vorliegen. Als Verdichter wird im Folgenden eine abgeschlossene Verdichterbaugruppe oder eine Verdichterstufe verstanden, welche in der Verdichterbaugruppe angeordnet ist. Beispielsweise kann als erster Verdichter eine erste Verdichterstufe und als zweiter Verdichter eine zweite Verdichterstufe der Verdichterbaugruppe verstanden werden.
-
Die Verdichteranordnung und die Energieumwandlungsanordnung weisen jeweils für sich ein geschlossenes System auf, d. h. die Verdichteranordnung weist einen Prozessfluidkreislauf auf und die Energieumwandlungsanordnung weist einen Arbeitsmediumkreislauf auf, welcher getrennt vom Prozessfluidkreislauf ist.
-
Mit der Kopplung des Verdampfers an die Verdichteranordnung wird mit der vorliegenden Erfindung ein effizientes System zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit beschrieben. Die thermische Energie des Prozessfluids trägt zum Betrieb des Kreisprozesses des Systems zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit bei.
-
Bei konventionellen Ansätzen wird die thermische Energie des Prozessfluids einfach an die Umgebung abgegeben und geht somit verloren. Die mechanische Arbeit, welche durch die Turbine des Systems erzeugt wird, kann beispielsweise wiederum dazu eingesetzt werden, um den Verdichter der Verdichteranordnung zu betreiben. Somit wird beispielsweise eine äußerst effiziente Verdichteranordnung aufgrund der Kopplung mit der Energieumwandlungsanordnung über dem Verdampfer bereitgestellt.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Verdampfer einen weiteren Wärmetauscher auf, insbesondere einen Thermoölwärmetauscher, welcher ein Zwischenmedium aufweist. Der Verdampfer ist an die Verdichteranordnung derart koppelbar, dass thermische Energie des Verdichters an das Zwischenmedium in dem Wärmetauscher abgebbar ist. Der Wärmetauscher ist ferner derart eingerichtet, dass thermische Energie des Zwischenmediums an das Arbeitsmedium abgebbar ist. Insbesondere wenn das Prozessfluid ein Prozessgas ist und somit in gasförmigem Zustand vorliegt, erzielt der Verdampfer mit dem Wärmetauscher und dem Zwischenmedium eine effizienteren Übertragung von thermischer Energie zwischen dem Prozessgas (Prozessfluid) zu dem Arbeitsmedium. Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass das Zwischenmedium insbesondere im flüssigen Zustand vorliegt und das Zwischenmedium einen guten Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist. Insbesondere kann das Zwischenmedium ein Thermoöl sein, welches beispielsweise Mineralöle, Silikonöle oder biologische Öle aufweist.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Arbeitsmedium ein organisches Medium auf, wie beispielsweise ein Silikonöl, Toluol, Isopentan und/oder Isooktan. Besteht das Arbeitsmedium aus einem organischen Medium, so kann mittels der Energieumwandlungsanordnung der sogenannte Organic-Rankine-Cycle (ORC)-Prozess durchgeführt werden. Das organische Arbeitsmedium weist eine niedrigere Verdampfungstemperatur als Wasser auf. Dadurch ist der ORC-Prozess insbesondere bei einen geringen Temperaturgefälle des Arbeitsmediums zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator vorteilhaft, da bereits bei einem geringen Temperaturgefälle zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ein effizienter Betrieb des ORC-Prozesses möglich ist.
-
Mit der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann somit effizient die bei der Verdichteranordnung generierte Abwärme in dem integrierten ORC-Prozess genützt werden. Die Verdichteranordnung generiert thermische Energie, welche gemäß der vorliegenden Erfindung der Energieumwandlungsanordnung (welche beispielsweise ein geschlossenes Kreissystem darstellt) zugeführt. Die Energieumwandlungsanordnung wird mit dem organischen Arbeitsmedium betrieben, welches die Eigenschaft besitzt, im Vergleich zu Wasser bereits bei moderatem Druck und moderaten Umgebungstemperatur zu kondensieren. In dem Verdampfer wird die thermische Energie der Verdichteranordnung zugeführt, so dass das organische Arbeitsmedium verdampft wird.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das System einen Generator auf, welcher mit der Turbine derart gekoppelt ist, dass der Generator mittels der Turbine antreibbar ist. Somit wird aus der Abwärme der Verdichteranordnung Strom mittels des Generators der Energieumwandlungsanordnung erzeugt.
-
Wie oben erläutert, kann die Verdichteranordnung einen ersten Verdichter (bzw. eine erste Verdichterstufe) aufweisen, wobei der Verdampfer mit dem ersten Verdichter derart gekoppelt ist, dass das Prozessfluid nach einem Komprimieren mittels des ersten Verdichters dem Verdampfer zuführbar ist, um somit einen Übergang von thermischer Energie auf das Arbeitsmedium der Energieumwandlungsanordnung bereitzustellen.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Verdichteranordnung ferner einen zweiten Verdichter (bzw. eine zweite Verdichterstufe) auf. Der zweite Verdichter ist mit dem Verdampfer derart gekoppelt, dass das Prozessfluid nach Abkühlen in dem Verdampfer dem zweiten Verdichter zu zuführbar ist. Der zweite Verdichter kann somit aufgrund des Abkühlens des Prozessfluids effektiver betrieben werden. Wird einem Verdichter beispielsweise ein zu heißes Prozessfluid (insbesondere im gasförmigen Zustand) zugeführt, reduziert sich der Wirkungsgrad des entsprechenden Verdichters stark. Je kühler das Prozessfluid, desto effektiver kann ein Verdichter das Prozessfluid verdichten.
-
Die Verdichteranordnung kann somit zwei hintereinander geschaltete Verdichter oder zwei hintereinander geschaltete Verdichterstufen aufweisen. Bei hintereinander geschalteten Verdichterstufen wird der gesamte Verdichtungsprozess innerhalb einer Maschine bzw. Verdichterbaugruppe durchgeführt. Das Prozessgas wird somit in der ersten Verdichterstufe auf einen gewissen Teildruck gebracht, dann aus der Maschine bzw. Verdichterbaugruppe herausgeführt und mittels eines geeigneten Kühlers (z. B. Luftkühler bzw. dem Verdampfer) gekühlt. Nach dem Kühlprozess wird das Prozessgas wiederum der Maschine bzw. Verdichterbaugruppe zugeführt um dann in der zweiten Verdichterstufe auf den erforderlichen Enddruck gebracht zu werden. Die Verdichteranordnung kann eine Vielzahl von Verdichtern bzw. Verdichterstufen aufweisen.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Verdampfer mit dem zweiten Verdichter derart gekoppelt, dass das Prozessfluid nach einem Komprimieren mittels des zweiten Verdichters dem Verdampfer zuführbar ist. Mit anderen Worten kann dem Verdampfer das Prozessfluid vor Eintritt in den zweiten Verdichter und nach Austritt aus dem zweiten Verdichter zugeführt werden. Somit wird effektiver die thermische Energie des Prozessfluids während des Komprimierens in der Verdichteranordnung genützt.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Verdichteranordnung eine Antriebseinheit (z. B. einen Motor) und eine Antriebswelle auf. Die Antriebswelle ist mit der Antriebseinheit und dem ersten Verdichter (und/oder dem zweiten Verdichter) derart gekoppelt, dass der erste Verdichter und/oder der zweite Verdichter) mittels der Antriebseinheit antreibbar ist. Die Antriebseinheit kann beispielsweise eine Gasturbine, einen Verbrennungsmotor oder einen elektrischen Motor aufweisen.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Turbine mit der Antriebswelle der Verdichteranordnung derart gekoppelt, dass der erste Verdichter und/oder der zweite Verdichter ausschließlich oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Antriebseinheit antreibbar ist/sind.
-
Mittels der Turbine wird beispielsweise die in der Energieumwandlungsanordnung erzeugte mechanische Arbeit in die Verdichteranordnung induziert. Somit wird der Wirkungsgrad der Verdichteranordnung erhöht, da z. B. die Leistung der Antriebseinheit reduziert werden kann.
-
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung die thermische Energie der Verdichteranordnung genutzt, welche in einem herkömmlichen Verdichterprozess an die Umgebung abgegeben wird. Damit kann die erforderliche Antriebsleistung der Antriebseinheit zum Antreiben der Verdichteranordnung gesenkt werden. Damit verbessert sich wiederum der Gesamtwirkungsgrad. Dies wiederum führt zu einem umweltfreundlicheren Verdichtungsprozess.
-
Die entsprechenden funktionalen Einheiten, wie beispielsweise die Speisepumpe, der Kondensator, der Verdampfer, die Turbine, der Generator, der erste Verdichter, der zweite Verdichter und/oder die Antriebseinheit, können flexibel bzw. lösbar miteinander gekoppelt werden, so dass das beschriebene thermodynamische System als Plug-and-Play-Lösung angeboten werden kann.
-
Insbesondere ist das Ausbilden des Arbeitsmediums als organisches Arbeitsmedium und somit die Umsetzung des ORC-Kreisprozesses vorteilhaft, da ein geringeres Druckniveau von beispielsweise lediglich 10 bar zum Betreiben des ORC-Prozesses ausreicht.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung des thermodynamischen Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
2 zeigt eine herkömmliche Verdichteranordnung.
-
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
-
Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
-
1 zeigt ein thermodynamisches System, welches eine Energieumwandlungsanordnung 100 zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit und eine Verdichteranordnung aufweist. Die funktionalen Elemente (Kondensator 110, Speisepumpe 105, Verdampfer 120, Turbine 130) der Energieumwandlungsanordnung 100 sind in dem gestrichelten Bereich in 1 dargestellt.
-
Die Energieumwandlungsanordnung 100 weist einen Kondensator 110, eine Speisepumpe 105, einen Verdampfer 120 und eine Turbine 130 auf.
-
In den Kondensator 110 wird ein dampfförmiges Arbeitsmedium aus der Turbine 130 eingespeist. Der Kondensator 110 ist eingerichtet, das Arbeitsmedium mittels Abkühlens des Arbeitsmediums zu verflüssigen.
-
Die Abwärme Q kann dabei an die Umgebung abgegeben werden. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Kondensator mittels eines Wärmetauschers an dem Verdampfer 120 gekoppelt, so dass die Abwärme Q, welche bei dem Abkühlen des Arbeitsmediums in dem Kondensator 110 frei wird, dem Arbeitsmedium in dem Verdampfer 120 zugeführt wird.
-
Die Speisepumpe 105 erhält von dem Kondensator 110 das Arbeitsmedium in flüssigem Zustand. Die Speisepumpe 105 erhöht den Druck des flüssigen Arbeitsmediums und leitet das Arbeitsmedium weiter an den Verdampfer 120.
-
Der Verdampfer 120 erhält das Arbeitsmedium in flüssigem Zustand 120 von der Speisepumpe 105 bzw. dem Kondensator 110. Ferner ist der Verdampfer an eine Verdichteranordnung 160 derart gekoppelt, dass thermische Energie von einem Prozessfluid der Verdichteranordnung 160 an das Arbeitsmedium in dem Verdampfer 160 abgebbar ist. Der Verdampfer 120 ist derart eingereicht, dass das Arbeitsmedium mittels der thermischen Energie des Prozessfluids verdampft wird.
-
Die Turbine 130 erhält das Arbeitsmedium im dampfförmigen Zustand von dem Verdampfer 120. Das Arbeitsmedium in dampfförmigen Zustand entspannt in der Turbine 130, so dass die Turbine 130 mechanische Arbeit erzeugt.
-
Die Turbine 130 ist mit dem Kondensator 110 derart gekoppelt, dass das Arbeitsmedium in dampfförmigen Zustand von der Turbine 130 dem Kondensator 110 zuführbar ist.
-
Die Energieumwandlungsanordnung 100 ist somit zur Durchführung eines Kreisprozesses, insbesondere eines Clausius-Rankine-Prozesses, geeignet, um aus thermischer Energie mechanische Arbeit zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Arbeitsmedium ein organisches Arbeitsmedium, so dass die Energieumwandlungsanordnung 100 insbesondere geeignet ist, einen Organic Rankine Cycle (ORC)-Prozess durchzuführen.
-
Die Verdichteranordnung 160 weist einen ersten Verdichter 161 auf, welcher mittels einer Antriebseinheit 166 angetrieben wird. Über einen Prozessgaseingang 164 wird das Prozessfluid, insbesondere ein Prozessgas, dem ersten Verdichter 161 zugeführt. Der erste Verdichter 161 verdichtet das Prozessfluid und leitet dies weiter zu dem Verdampfer 120. In dem Verdampfer 120 wird dem Prozessfluid thermische Energie entnommen und dem Arbeitsmedium der Energieumwandlungsanordnung 100 zugeführt. Nach dem Verdampfer 120 ist das Prozessfluid abgekühlt und kann entsprechend seinem vorgesehenen Einsatz zugeführt werden. Ferner kann, wie in 1 dargestellt, das Prozessfluid einem weiteren zweiten Verdichter 162 zugeführt werden. In dem zweiten Verdichter 162 wird das Prozessfluid weiter verdichtet und an einem Prozessgasausgang 165 zur weiteren Verwendung abgeführt. Der erste Verdichter 161 und der zweite Verdichter 162 können funktional getrennte Verdichterbaugruppen darstellen oder zwei Verdichterstufen einer Maschine bzw. einer Verdichterbaugruppe darstellen.
-
Der zweite Verdichter 162 ist mittels einer Antriebswelle 163 an die Antriebseinheit 166 gekoppelt. Zudem kann an der Antriebswelle 163 der erste Verdichter 161 angekoppelt sein.
-
Die Turbine 130 kann über eine erste Antriebswelle 150 mit einem Generator 140 gekoppelt sein, um den Generator 140 zur Erzeugung von Strom anzutreiben.
-
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Turbine 100 über eine zweite Antriebswelle 151 mit dem ersten Verdichter 161 und/oder dem zweiten Verdichter 162 gekoppelt sein. In dieser Ausführungsform unterstützt die Turbine 130 den Verdichtungsprozess der Verdichteranordnung 160, da die mechanische Arbeit, welche durch die Turbine 130 generiert wurde, zum Betrieb der entsprechenden Verdichter 161, 162 verwendet werden kann. Somit wird der Wirkungsgrad der Verdichteranordnung 160 erhöht.
-
Im Folgenden wird ein exemplarischer Betriebsmodus des thermodynamischen Systems aus 1, welches insbesondere die Energieumwandlungsanordnung mit dem organischen Arbeitsmedium aufweist, mit exemplarischen Parameterwerten für Druck und Temperatur des Arbeitsmediums und des Prozessfluids erläutert:
Das Prozessfluid, welches gasförmig vorliegen kann und im Folgenden als ”Prozessgas” bezeichnet wird, weist am Prozessgaseingang 164 eine Temperatur von ca. –60°C bis ca. –65°C und einen Druck von ca. 3 bar bis 4 bar auf. In dem ersten Verdichter 161 wird der Druck auf ca. 15 bar bis ca. 25 bar und die Temperatur auf ca. 60°C bis ca. 70°C erhöht. Anschließend wird das Prozessgas dem Verdampfer 120 zugeführt. In dem Verdampfer 120 wird das Prozessgas auf ca. 35°C bis ca. 45°C nahezu isobar abgekühlt. Anschließend wird das Prozessgas nach dem Verdampfer 120 dem zweiten Verdichter 162 zugeführt. Der zweite Verdichter 162 verdichtet das Prozessgas weiter, so dass an dem Prozessgasausgang 165 das Prozessgas einen Druck von ca. 70 bar bis ca. 90 bar und eine Temperatur von ca. 150°C bis 170°C aufweist.
-
An dem Eingang des Verdampfers 120 liegt das Arbeitsmedium, insbesondere das organische Arbeitsmedium, in flüssiger Form vor und weist eine Temperatur von ca. 20°C bis ca. 30°C und einen Druck von ca. 15 bar bis ca. 25 bar auf. In dem Verdampfer 120 nimmt das Arbeitsmedium die thermische Energie des Prozessfluids auf und wird verdampft. Nach dem Verdampfer 120 liegt das Arbeitsmedium in einem dampfförmigen Zustand vor und weist eine Temperatur von ca. 60°C bis 70°C bei einem Druck von ca. 15 bar bis 25 bar auf. Während des Verdampfens des Arbeitsmediums in dem Verdampfer 120 bleibt der Druck somit nahezu gleich (isobare Erwärmung). In der Turbine 130 entspannt sich das Arbeitsmedium von anfänglich ca. 15 bar bis ca. 25 bar auf ca. 5 bar bis ca. 10 bar. Gleichzeitig kühlt sich das Arbeitsmedium von ca. 60°C bis 70°C auf ca. 30°C bis 40°C ab. Nach der Turbine 130 wird das Arbeitsmedium in dampfförmigen Zustand dem Kondensator 110 zugeführt. In dem Kondensator wird beispielsweise mittels Luft oder Wasserkühlung das Arbeitsmedium verflüssigt bzw. kondensiert. Das Arbeitsmedium kühlt in dem Kondensator 110 von beispielsweise ca. 30°C bis 40°C auf ca. 15°C bis 25°C ab. Der Druck des Arbeitsmediums bleibt während des Kondensierens im Kondensator 110 nahezu konstant (isobare Abkühlung). Nach dem Kondensator 110 wird das flüssige Arbeitsmedium der Speisepumpe 105 zugeführt. In der Speisepumpe 105 erhöht sich der Druck des Arbeitsmediums von ca. 5 bar bis ca. 10 bar auf ca. 15 bar bis ca. 25 bar, wobei die Temperatur nur leicht ansteigt.
-
Nach der Speisepumpe 105 weist das Arbeitsmedium, wie eingangs erwähnt, ca. 20°C bis 25°C und einen Druck von ca. 20 bar auf. Mit diesen Parameterwerten wird das flüssige Arbeitsmedium dem Verdampfer 120 bereitgestellt.
-
Zusammenfassend kann mit dem oben beschriebenen ORC-Prozess ca. 1 Megawatt bis ca. 2 Megawatt gewonnen werden und der Verdichteranordnung 160 und dem Generator 140 zugeführt werden. Somit kann beispielsweise ca. 7% bis ca. 10% der bisher nicht genutzten Abwärme weiterverwendet werden.
-
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass ”umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und ”eine” oder ”ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
