DE102013008070A1

DE102013008070A1 - Apparatus and method for recovering electrical energy from high temperature heat

Info

Publication number: DE102013008070A1
Application number: DE102013008070.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schlitt; Fritz Richarts; Reinhold Altensen
Original assignee: Individual
Current assignee: Richarts Fritz Dr De; Schlitt Rainer De; Technische Hochschule Mittelhessen De; Technische Hochschule Mittelhessen Koerperscha De
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-11-13

Abstract

In den meisten thermischen Kraftanlagen wird die thermische Energie bei hohen Drücken in den Prozess eingekoppelt oder durch interne Verbrennung erzeugt. Für viele zukünftige Anwendungen bedeutet dies eine erhebliche Erschwernis, insbesondere im Hinblick auf die Gewinnung von elektrischer Energie aus heißen Abgasen, aus Solarenergie oder auch für die Rückverstromung von als Hochtemperaturwärme gespeicherter Überschussenergie aus regenerativer Stromerzeugung. Das neue Verfahren soll die Möglichkeit schaffen, Wärme auf Umgebungsdruckniveau oder im Unterdruckgebiet in den Prozess einzukoppeln. Eine weitere Einschränkung in thermischen Kraftanlagen ist die niedrige Effizienz im Bereich kleiner elektrischer Leistungen, bedingt durch die geringen Abmessungen der Umwandlungsmaschinen bei hohen Arbeitsdrücken, verursacht von den überproportional höheren Verlusten. Bei Verwendung von Turbomaschinen für den Antrieb von Generatoren besteht mit geringer werdender Leistung ein Zwang zu immer höheren Drehzahlen. Die Geometrie kleiner Maschinen verursacht höhere strömungstechnische, mechanische und elektrische Verluste. Zur Lösung der Probleme wird ein Heißluftturbinenprozess eingesetzt, in dem der größte Teil des Systems mit Umgebungsdruck und mit Unterdruck betrieben wird. Dadurch ist es möglich, die Wärme bei Umgebungsdruckniveau oder Unterdruck zuzuführen. Die Entspannung in den Unterdruck bewirkt eine signifikante Verbesserung der Maschinenwirkungsgrade und eine wirksame Absenkung der Drehzahlen bei den Antriebsmaschinen. Dadurch lassen sich auch bei kleinen Leistungen größere Maschinenabmessungen verbunden mit einer wesentlichen Effizienzsteigerung realisieren. Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich von der Rückverstromung von als Hochtemperaturwärme gespeicherter elektrischer Überschussenergie über die Nutzung von Abwärme zur Gewinnung von elektrischer Energie bis zur Steigerung der Gesamteffizienz von Verbrennungsmotoren durch zusätzlich Nutzung der in den Abgasen enthaltenen thermischen Restenergie.In most thermal power plants, the thermal energy is coupled into the process at high pressures or generated by internal combustion. For many future applications, this means a considerable complication, in particular with regard to the recovery of electrical energy from hot exhaust gases, from solar energy or for the reconversion of excess energy stored as high-temperature heat from renewable electricity generation. The new process should provide the ability to couple heat to the ambient pressure level or to the vacuum area in the process. Another limitation in thermal power plants is the low efficiency in the range of small electrical power, due to the small dimensions of the conversion machines at high working pressures, caused by the disproportionately higher losses. When using turbomachinery for the drive of generators with lower performance compulsion to ever higher speeds. The geometry of small machines causes higher fluidic, mechanical and electrical losses. To solve the problems, a hot air turbine process is used, in which most of the system is operated with ambient pressure and negative pressure. This makes it possible to supply the heat at ambient pressure level or negative pressure. The relaxation in the negative pressure causes a significant improvement in the machine efficiency and an effective reduction in the speeds of the prime movers. As a result, larger machine dimensions combined with a significant increase in efficiency can be achieved even at low outputs. The field of application of the invention extends from the reconversion of stored as high-temperature heat excess electrical energy on the use of waste heat for the production of electrical energy to increase the overall efficiency of internal combustion engines by additionally using the residual thermal energy contained in the exhaust gases.

Description

Stand der Technik und AufgabenstellungState of the art and task

Der weitaus überwiegende Anteil der elektrischen Energie wird in thermischen Kraftwerksprozessen erzeugt. Dabei findet in den meisten Fällen eine Umwandlung von chemischer Energie in Wärme durch Verbrennung und anschließend eine Umwandlung der thermischen Energie in elektrische Energie statt. Die Umwandlung von thermischer in elektrische Energie ist mit z. T. erheblichen Verlusten verbunden. Ein großer Teil der auf hohem Temperaturniveau in den Prozess eingekoppelten thermischen Energie wird als niedertemperierte Wärme ausgekoppelt. Je nach Temperaturniveau wird diese Wärme als Wärmeverluste an die Umgebung abgegeben oder bei Heizkraftwerken an Wärmeverbraucher zur Bedarfsdeckung für Heiz- oder Prozesswärme eingesetzt.The vast majority of electrical energy is generated in thermal power plant processes. Here, in most cases, a conversion of chemical energy into heat by combustion and then a conversion of thermal energy into electrical energy takes place. The conversion of thermal energy into electrical energy is with z. T. associated with significant losses. A large part of the thermal energy coupled into the process at a high temperature level is decoupled as low-temperature heat. Depending on the temperature level, this heat is released as heat losses to the environment or used in heating plants to heat consumers to meet demand for heating or process heat.

Zur Wärmeerzeugung werden zwei grundlegend unterschiedliche Varianten eingesetzt: Die äußere Verbrennung und die innere Verbrennung.For heat generation, two fundamentally different variants are used: external combustion and internal combustion.

Die äußere Verbrennung findet in Dampfkraftanlagen statt. Die Umwandlung der thermischen in elektrische Energie basiert auf dem physikalischen Prinzip des Clausius-Rankine-Prozesses. Die äußere Verbrennung ermöglicht den Einsatz von Festbrennstoffen, vor allem Kohle, aber inzwischen auch in zunehmendem Maße Biomasse, z. B. in Form von Holzhackschnitzeln. Die Prozesskette ist technisch aufwendig. Sie wird vorzugsweise in größeren Anlagen angewendet, da die spezifischen Kosten von Kleinanlagen in den meisten Fällen das wirtschaftlich vertretbare Maß bei weitem überschreiten würden. Ein besonderes Merkmal der Dampfkraftanlagen ist auch, dass ihre Wirkungsgrade niedriger sind als bei den Prozessen mit innerer Verbrennung oder diese Werte nur mit sehr großem zusätzlichen technischen Aufwand erreichen können. Eine spezielle Ausführungsart des Dampfkraftprozesses ist der Organic Rankine Cycle, der in ORC-Anlagen verwendet wird. Diese werden vorzugsweise in kleineren Leistungseinheiten ausgeführt, weisen jedoch gegenüber den mit Wasserdampf betriebenen Großanlagen wesentlich niedrigere Wirkungsgrade und weitaus höhere spezifische Anlagenkosten auf.The external combustion takes place in steam power plants. The conversion of thermal energy into electrical energy is based on the physical principle of the Rankine process. The external combustion allows the use of solid fuels, especially coal, but now also increasingly biomass, z. B. in the form of wood chips. The process chain is technically complex. It is preferably used in larger installations, as the specific costs of small installations would in most cases far exceed the economically acceptable level. A special feature of steam power plants is also that their efficiencies are lower than in the processes with internal combustion or can achieve these values only with very great additional technical effort. One particular embodiment of the steam power process is the Organic Rankine Cycle, which is used in ORC plants. These are preferably carried out in smaller power units, but have compared to the large steam plants operated with significantly lower efficiencies and much higher specific equipment costs.

Die innere Verbrennung findet in Verbrennungskraftmaschinen statt. Für die Stromerzeugung werden hierfür in kleineren Anlagen überwiegend als Kolbenmaschinen ausgeführte Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dabei läuft die Verbrennung in den Zylindern der Motoren intermittierend ab. Sie wird durch einen Zündvorgang eingeleitet und endet unmittelbar danach, wenn der im Zylinder befindliche Kraftstoff verbrannt ist. Bei größeren Anlagen sind Gasturbinen im Einsatz. Deren physikalisches Wirkungsprinzip ist der Joule-Prozess. Gasturbinen haben innere Brennkammern, in den die Verbrennung kontinuierlich abläuft.The internal combustion takes place in internal combustion engines. For power generation, internal combustion engines designed predominantly as piston engines are used for this purpose in smaller plants. The combustion in the cylinders of the engines is intermittent. It is initiated by an ignition process and ends immediately thereafter when the fuel in the cylinder is burned. For larger systems gas turbines are in use. Their physical mode of action is the Joule process. Gas turbines have internal combustion chambers into which the combustion proceeds continuously.

Die Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen findet bei hohen Drücken statt. Sie ist ausschließlich mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen bzw. Kraftstoffen möglich. Der Einsatz von Festbrennstoffen scheitert daran, dass der Brennstoff, z. B. Kohlenstaub, aus der Umgebung in den unter hohem Druck befindlichen Brennraum gefördert werden muss. Des Weiteren befinden sich in den Verbrennungsprodukten winzige Feststoffpartikel, bestehend aus Asche, Ruß oder teilverbranntem Brennstoff, die innerhalb kurzer Zeit die inneren Bauteile der Verbrennungskraftmaschinen mechanisch zerstören würden. Wegen der hohen Temperaturen und der hohen Drücke ist eine Filterung der Verbrennungsgase praktisch nicht möglich. Die Anwendung der inneren Verbrennung ist zusätzlich eingeschränkt durch höhere Anforderungen an die Brennstoffreinheit und bei Gasmotoren an die Begrenzung der Brenngastemperaturen. Letztere Einschränkung wirkt sich besonders stark auf die Verstromung von gasförmigen Energieträgern aus, die mittels Vergasung aus Biomasse gewonnen werden. Diese haben bei Austritt aus der Vergasungsanlage eine hohe Temperatur. Zur Reinigung und Konditionierung muss das Gas abgekühlt werden. Zusätzlich erfordert auch der motorische Prozess eine Begrenzung der Temperatur des in den Prozess eingeleiteten Brenngases. Bei dessen Abkühlung werden gasförmige Anteile kondensiert, die sich als Belag, insbesondere Teer, in den inneren Bauteilen der Maschine niederschlagen und diese nach kurzer Betriebszeit unbrauchbar machen.Combustion in internal combustion engines takes place at high pressures. It is possible only with liquid or gaseous fuels or fuels. The use of solid fuels fails because the fuel, eg. As coal dust, must be promoted from the environment in the high pressure combustion chamber. Furthermore, there are tiny solid particles in the combustion products, consisting of ash, soot or partially combusted fuel, which would mechanically destroy the internal components of the internal combustion engines within a short time. Because of the high temperatures and high pressures, filtering the combustion gases is virtually impossible. The application of internal combustion is additionally limited by higher requirements for the fuel purity and in gas engines to the limitation of the fuel gas temperatures. The latter restriction has a particularly strong effect on the generation of electricity from gaseous energy sources, which are obtained by gasification from biomass. These have a high temperature at the exit from the gasification plant. For cleaning and conditioning, the gas must be cooled. In addition, the engine process also requires limiting the temperature of the fuel gas introduced into the process. As it cools, gaseous fractions are condensed, which precipitate as a coating, in particular tar, in the inner components of the machine and make them useless after a short operating time.

Sowohl Kolbenmotoren als auch Gasturbinen können nicht zur Verstromung von hochtemperierter Wärme eingesetzt werden. Der Transfer der Hochtemperaturwärme in den inneren Prozesskreislauf scheitert bisher sowohl an den hohen Temperaturen als auch an den hohen Innendrücken der Umwandlungsmaschinen. Daher werden zurzeit in solarthermischen Kraftwerksanlagen ausschließlich Dampfkraftprozesse eingesetzt, bei denen ein Wärmeträgermedium – in den meisten Fällen ein Thermoöl – die Solarwärme aufnimmt, die anschließend in Wärmeübertragern an den Dampfkraftprozess abgegeben wird. Dadurch ist das Temperaturniveau der Solarkraftwerke im internen Kreisprozess auf einen Höchstwert von ca. 400 bis 450°C begrenzt. Das wirkt sich in erheblichem Maße nachteilig auf den Wirkungsgrad des Solarkraftwerks aus. Die Effizienz dieser Solarkraftwerke ist daher auf etwas mehr als 3.0 % – bezogen auf die in den Prozess eingespeiste thermische Energie – begrenzt. Rein theoretisch lassen sich jedoch in Solarkraftwerken mit konzentrierenden Systemen Temperaturen von > 1.000°C erzielen. Selbst bei kleinen und einfach gestalteten Kraftprozessen wären mit diesen Temperaturen Wirkungsgrade von über 40% erreichbar.Both reciprocating engines and gas turbines can not be used for the generation of high temperature heat. Up to now, the transfer of high-temperature heat into the inner process cycle has failed both due to the high temperatures and to the high internal pressures of the conversion machines. Therefore, currently in solar thermal power plants exclusively steam power processes are used, in which a heat transfer medium - in most cases a thermal oil - absorbs the solar heat, which is then transferred in heat exchangers to the steam power process. As a result, the temperature level of the solar power plants in the internal cycle is limited to a maximum value of about 400 to 450 ° C. This has a significant adverse effect on the efficiency of the solar power plant. The efficiency of these solar power plants is therefore limited to just over 3.0%, based on the thermal energy fed into the process. In theory, however, temperatures of> 1,000 ° C can be achieved in solar power plants with concentrating systems. Even with small and simply designed Force processes would be achievable with these temperatures efficiencies of over 40%.

In ähnlicher Weise wirkt sich die Begrenzung der Prozesstemperatur auf die Rückverstromung von als thermische Energie gespeichertem Überschussstrom aus regenerativen Quellen, z. B. aus Photovoltaik und aus Windkraft, aus. Hierzu wird in dem Patentantrag vom 16.02.2012 (Vorrichtung und Verfahren zur Speicherung von elektrischer Überschussenergie, DPMA Aktenzeichen 10 2012 003 267.2) der Vorschlag gemacht, die elektrische Energie mittels Ohm'schen Heizelementen in hochtemperierte Wärme umzuwandeln und diese in robusten Feststoff-Wärmespeichern zwischen zu speichern. Für die Rückverstromung der Hochtemperaturwärme ist u. a. ein Heißluft-Turbinenprozess vorgesehen, der bei entsprechend hoher Temperatur in der zugeführten Wärme einen hohen Wirkungsgrad erreichen kann.Similarly, the limitation of the process temperature affects the reconversion of surplus electricity stored as thermal energy from regenerative sources, e.g. B. from photovoltaic and wind power, from. For this purpose, in the patent application of 16.02.2012 (device and method for storing electrical excess energy, DPMA reference 10 2012 003 267.2) made the proposal to convert the electrical energy by means of ohmic heating elements in high-temperature heat and this robust solid heat storage between save. For the reconversion of the high temperature heat u. a. a hot air turbine process is provided which can achieve high efficiency at a correspondingly high temperature in the heat supplied.

Das hier beschriebene Verfahren basiert auf dem in Gasturbinen angewandten physikalischen Prinzips des Joule-Prozesses, ähnlich wie in dem Patentantrag gemäß DPMA Aktenzeichen 10 2012 003 267.2. Gegenüber dieser Anwendung wird jedoch eine Prozessmodifikation vorgenommen, die es ermöglicht, die Wärme bei Umgebungsdruck oder bei einem geringen Unterdruck in den inneren Prozesskreislauf einzukoppeln.The method described here is based on the physical principle of the Joule process used in gas turbines, similar to the patent application according to DPMA reference 10 2012 003 267.2. Compared to this application, however, a process modification is made, which makes it possible to couple the heat at ambient pressure or at a low negative pressure in the inner process cycle.

Beschreibung der Vorrichtung und des VerfahrensDescription of the device and the method

Das Grundprinzip des Verfahrens basiert auf der Prozessführung des Joule-Prozesses mit atmosphärischen und unteratmosphärischen Drücken im Gesamtsystem. In der Literatur ist diese Prozessführung u. a. als inverser Gasturbinenprozess oder auch als atmosphärische Gasturbine bekannt. Gegenüber diesen Verfahrensvarianten zum herkömmlichen Gasturbinenprozess wird in dem hier vorgeschlagenen Verfahren jedoch zusätzlich ein Teil des Systems mit überatmosphärischem Druckniveau betrieben. Für diese spezielle Prozessführung wird hier die Bezeichnung „Teilatmosphärischer Prozess” verwendet. Der Prozess findet demnach zum Teil mit Umgebungsdruck, zum Teil mit Unterdruck und zum Teil auch mit Überdruck statt. Je nach Anwendung kann auch auf den überatmosphärischen Systemteil verzichtet werden.The basic principle of the process is based on the process control of the Joule process with atmospheric and subatmospheric pressures in the overall system. In the literature, this process is u. a. known as inverse gas turbine process or as atmospheric gas turbine. In contrast to these process variants for the conventional gas turbine process, however, part of the system is additionally operated at a superatmospheric pressure level in the method proposed here. For this special process control, the term "partial atmospheric process" is used here. The process therefore takes place partly with ambient pressure, partly with negative pressure and partly also with overpressure. Depending on the application, it is also possible to dispense with the superatmospheric system part.

Wesentliches Merkmal des Verfahrens ist zusätzlich die Aufteilung der Turbinenleistung auf mindestens zwei Einheiten, von denen eine zum Antrieb eines elektrischen Generators und mindestens eine zum Antrieb eines Verdichters oder mehrerer Verdichter eingesetzt werden.An essential feature of the method is additionally the division of the turbine power to at least two units, one of which is used to drive an electric generator and at least one to drive a compressor or a plurality of compressors.

Die Wirkungsweise beruht darauf, dass mindestens einer der in dem System vorhandenen Verdichter eingesetzt wird, um einen Unterdruck aufzubauen, in den mindestens eine der Turbinen hinein expandiert.The mode of operation is based on the fact that at least one of the existing in the system compressor is used to build a negative pressure into which at least one of the turbines expands into.

Ein weiteres wesentliches Merkmal des Verfahrens ist die Paarung von Turbinen und Verdichtern in einzelnen Maschinensätzen auf einer Welle. Dabei ist Voraussetzung, dass der gewünschte Betriebspunkt der einzelnen Turbomaschine, gekennzeichnet durch Druckverhältnis, Massenstrom und Temperaturen, in dem jeweiligen Maschinensatz mit einer gemeinsamen Drehzahl in optimaler Weise eingestellt wird. Dadurch ist es möglich, preiswerte Maschinensätze in Form von Turboladern aus der Serienproduktion für die Motorenindustrie ohne Änderung zu übernehmen, die Herstellungskosten für das Gesamtsystem im Vergleich zu herkömmlichen Turbinenanlagen drastisch zu senken und dennoch eine hohe Effizienz zu erreichen. Die Verwendung von leistungsfähigen Komponenten aus der Motorenindustrie ermöglicht zusätzlich die Realisierung von hocheffizienten und preiswerten Stromerzeugungsanlagen im kleinen Leistungsbereich, z. B. mit elektrischen Leistungen von unter 50 kW.Another essential feature of the method is the mating of turbines and compressors in individual sets of machines on a shaft. It is a prerequisite that the desired operating point of each turbomachine, characterized by pressure ratio, mass flow and temperatures, is set in the respective machine set with a common speed in an optimal manner. This makes it possible to take inexpensive machine sets in the form of turbochargers from mass production for the engine industry without modification, to drastically reduce the production costs for the entire system compared to conventional turbine systems and still achieve high efficiency. The use of powerful components from the engine industry also allows the realization of high-efficiency and low-cost power generation systems in the small power range, eg. B. with electrical power of less than 50 kW.

Vorteile des Verfahrens gegenüber dem Stand der TechnikAdvantages of the method over the prior art

Im Vergleich zur herkömmlichen Ausführung von Gasturbinen- und Heißluft-Turbinen-Anlagen weist das hiervorgeschlagene System entscheidende Vorteile auf.Compared to the conventional design of gas turbine and hot air turbine systems, the proposed system has decisive advantages.

Die Einkopplung von Wärme in den drucklosen, d. h. in den unter Atmosphärendruck oder geringfügigem Unterdruck stehenden Prozessabschnitt, eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten (für die eine herkömmliche, mit hohem Druck betrieben Heißluft- oder Gasturbine nicht in Betracht kommt):

• Hocheffiziente Rückverstromung von in drucklosen, Hochtemperatur-Feststoff-Wärmespeichern zwischen gespeichertem Elektrizitätsüberschuss aus Photovoltaik- und Windenergie-Anlagen (Verfahren gern. DPMA Aktenzeichen 10 2012 003 267.2).
• Hocheffiziente Nutzung von in gasförmigen drucklosen Medien anfallender Abwärme für die Erzeugung von elektrischer Energie
• Ausführung und Betrieb von mit Feststoff befeuerten Gasturbinen-Anlagen, ausgestattet mit drucklosen Brennräumen mit nachgeschalteter Heißgas-Filterung
• Verstromung von ungekühltem und ungereinigtem Reaktionsgas aus der Biomassevergasung und der Pyrolysegasgewinnung
• Solarstromerzeugung in Solarturm-Kraftwerken mit Heliostaten und atmosphärischen Receivern

The coupling of heat in the non-pressurized, ie in the under atmospheric pressure or slight negative pressure process section, opens up a variety of applications (for which a conventional, operated with high pressure hot air or gas turbine is not considered):

• Highly efficient reconversion of non-pressurized, high-temperature solid heat storage between stored electricity surplus from photovoltaic and wind energy plants (procedures like DPMA reference 10 2012 003 267.2).
• Highly efficient use of waste heat generated in gaseous, pressureless media for the generation of electrical energy
• Execution and operation of solids-fired gas turbine plants, equipped with pressureless combustion chambers with downstream hot gas filtration
• Generation of uncooled and unpurified reaction gas from biomass gasification and pyrolysis gas production
• Solar power generation in solar tower power plants with heliostats and atmospheric receivers

Bei Anordnung der Generatorantriebsturbinen in den drucklosen Systemabschnitt wird der Einsatz von größeren Laufrädern ermöglicht, verbunden mit geringeren Verlusten und demzufolge mit höheren Maschinenwirkungsgraden. Gleichfalls positiv wirkt sich das reduzierte Druckniveau in der Turbine auf die Drehzahl aus: Sie kann gegenüber einer mit Überdruck betriebenen Turbine drastisch reduziert werden, was mit erheblichen Vorteilen für die Herstellung und den Betrieb des angetriebenen Generators verbunden ist. So kann z. B. auf die Zwischenschaltung eines mechanischen Getriebes ohne Wirkungsgradeinbußen verzichtet werden. By arranging the generator drive turbines in the unpressurized system section, the use of larger wheels is made possible, combined with lower losses and consequently with higher machine efficiencies. Likewise, the reduced pressure level in the turbine has a positive effect on the speed: it can be drastically reduced compared to a turbine operated with excess pressure, which is associated with considerable advantages for the production and operation of the driven generator. So z. B. can be dispensed with the interposition of a mechanical transmission without loss of efficiency.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist das insgesamt geringere Druckniveau des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinen- und Heißluftturbinen-Anlagen. Die höchsten Drücke liegen bei maximal 4 bar (abs.). Dadurch sind die Anforderungen an die Bauteilfestigkeit weitaus geringer als bei herkömmlichen Anlagen, in denen Drücke bis zu 30 bar herrschen.Another important advantage of the method is the overall lower pressure level of the system compared to conventional gas turbine and hot air turbine plants. The highest pressures are at a maximum of 4 bar (abs.). As a result, the requirements for component strength are far lower than in conventional systems in which pressures of up to 30 bar prevail.

Von wesentlicher Bedeutung für die zukünftige Energietechnik sind hocheffiziente Stromerzeuger im kleinen Leistungsbereich. Bisher konnten Gasturbinen mit elektrischen Leistungen unter 50 kW nur mit sehr niedrigen Wirkungsgraden betrieben werden. Das hier vorgestellte Verfahren eröffnet durch den Betrieb von Turbinen im unteratmosphärischen Druckbereich die Möglichkeit, Gasturbinen oder Heißluftturbinen mit kleinen elektrischen Leistungen zu installieren, ohne dass auf eine hohe Effizienz verzichtet werden muss.Of great importance for future energy technology are highly efficient power generators in the small power range. So far, gas turbines with electrical outputs below 50 kW could only be operated with very low efficiencies. The process presented here opens up the possibility of installing gas turbines or hot air turbines with low electrical outputs by operating turbines in the subatmospheric pressure range, without having to forego high efficiency.

Weitere Ausgestaltung des VerfahrensFurther embodiment of the method

Die Verwendung von preiswerten Standard-Baugruppen aus der Motorenindustrie ermöglicht die Schaffung von hocheffizienten Gesamtsystemen durch Anwendung von thermodynamischen Prozessverbesserungsmaßnahmen, wie z. B. Zwischenkühlung und Zwischenüberhitzung, auf die in herkömmlichen, insbesondere kleineren Anlagen in den meisten Fällen aus Kostengründen verzichtet wird.The use of low-cost standard assemblies from the engine industry allows the creation of highly efficient overall systems by the application of thermodynamic process improvement measures, such as. As intermediate cooling and reheating, which is omitted in conventional, especially smaller systems in most cases for cost reasons.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

zu Fig. 1

1: Außenluftaustritt
2: Verdichter 1
3: Rekuperator
4: Hochtempetaur-Wärmeübertrager
5: Turbine 1 = Verdichterantriebsturbine
6: Lufterhitzer, bzw. Hochtemperatur-Wärmespeicher, bzw. Brennkammer
7: Turbine 2 = Generatorantriebsturbine
8: Generator
9: Abhitzekessel 1
10: Nachkühler
11: Verdichter 2
12: Abhitzekessel 2
13: Fortluftaustritt

to Fig. 1

1: Outside air outlet
2: Compressor 1
3: recuperator
4: Hochtempetaur heat exchanger
5: Turbine 1 = compressor drive turbine
6: Air heater, or high-temperature heat storage, or combustion chamber
7: Turbine 2 = generator drive turbine
8th: generator
9: Waste heat boiler 1
10: aftercooler
11: Compressor 2
12: Waste heat boiler 2
13: Exhaust air outlet

Funktionsbeschreibung zu Fig. 1Functional description for FIG. 1

Das Grundschema für die Anwendung des Verfahrens in einer Heißluftturbinen-Kraftwerksanlage ist in 1 dargestellt. Der Prozessablauf folgt den Bezugsziffern 1 bis 13. Die Außenluft (1) wird vom Hochdruckverdichter (2) bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur angesaugt, auf einen gegenüber der Umgebung erhöhten Druck komprimiert. Dabei erwärmt sie sich. Vom Verdichter (2) wird die Luft in den Rekuperator (3) gefördert. Dort wird sie weiter aufgewärmt und anschließend auf der kalten Seite des Hochtemperatur-Wärmeübertragers (4) auf die gewünschte Eintrittstemperatur in Turbine 1 (5) nachgewärmt. In der Turbine (2) wird die Luft auf ein Druckniveau entspannt, das dem Umgebungsdruck entspricht oder niedriger ist. Dabei kühlt sich die Luft ab. In diesem Zustand tritt die Luft in den Lufterhitzer (6) ein. Dieser Lufterhitzer kann als Hochtemperaturwärmespeicher ausgeführt sein, in dem hochtemperaturbeständiger Feststoff in einem vorangegangenen Ladezyklus auf eine hohe Temperatur erwärmt wurde. Der Lufterhitzer kann aber auch als Brennkammer ausgeführt sein, bei dem durch innere Verbrennung die gewünschte Temperaturerhöhung erzielt wird. Die Austrittstemperatur aus dem Lufterhitzer ist wesentlich höher als die Temperaturen am Eintritt der Turbinen. Das aus dem Lufterhitzer (6) ausströmende Medium tritt in die heiße Seite des Hochtemperatur-Wärmeübertragers (4) ein. Sie gibt dort die Wärme an die kühlere, aus dem Rekuperator (3) kommende und auf der kalten Seite das Wärmeübertragers (4) strömenden Luft ab. Das Medium kühlt sich soweit ab, bis es die zulässige Eintrittstemperatur an Turbine 2 (7) erreicht hat. In der Turbine (7) wird die Luft weiter auf einen wesentlich niedrigeren Druck – unterhalb des Umgebungsdrucks – entspannt. Dabei kühlt sie sich ab. Ein Teil der in ihr enthaltenen Wärme wird im Rekuperator (3) an die Austrittsluft des Verdichters 1 (2) abgegeben. Von dort strömt die Luft zu dem Abhitzekessel 1 (9) und wird darin weiter abgekühlt. In dem Abhitzekessel 1 (9) wird ein Wärmeträgermedium erwärmt, das die ausgekoppelte Wärme zu Heizzwecken an externe Wärmeverbraucher abgibt. Im Nachkühler (10) wird die Luft soweit wie möglich abgekühlt. Damit ist die Eintrittstemperatur am Verdichter 2 (11) nur geringfügig höher als die Umgebungstemperatur. Der Verdichter 2 (11) fördert die auf niedrigem Druckniveau befindliche abgekühlte Luft auf Umgebungsdruck. Die Luft verlässt den Verdichter (11) mit erhöhter Temperatur, die in dem Abhitzekessel 2 (12) abgebaut wird und in Form von nutzbarer Wärme analog zu Abhitzekessel 1 (9) an externe Verbraucher abgegeben wird. Aus dem Abhitzekessel 2 (12) strömt die Abluft (13) zurück in die Umgebung.The basic scheme for the application of the method in a hot air turbine power plant is in 1 shown. The process sequence follows the reference numbers 1 to 13 , The outside air ( 1 ) is from the high pressure compressor ( 2 ) sucked at ambient pressure and ambient temperature, compressed to an increased pressure relative to the environment. She warms up. From the compressor ( 2 ), the air in the recuperator ( 3 ). There it is warmed up further and then on the cold side of the high-temperature heat exchanger ( 4 ) to the desired inlet temperature in turbine 1 ( 5 ) reheated. In the turbine ( 2 ) the air is released to a pressure level equal to or lower than ambient pressure. The air cools down. In this condition, the air enters the air heater ( 6 ) one. This air heater can be designed as a high-temperature heat storage was heated in the high-temperature resistant solid in a previous charging cycle to a high temperature. The air heater can also be designed as a combustion chamber, in which the desired increase in temperature is achieved by internal combustion. The outlet temperature from the air heater is much higher than the temperatures at the entrance of the turbines. The from the air heater ( 6 ) escaping medium enters the hot side of the high-temperature heat exchanger ( 4 ) one. It gives the heat to the cooler, from the recuperator ( 3 ) and on the cold side the heat exchanger ( 4 ) flowing air. The medium cools down until it reaches the permissible inlet temperature at turbine 2 (FIG. 7 ) has reached. In the turbine ( 7 ), the air is further relaxed to a much lower pressure - below the ambient pressure. She cools down. Part of the heat contained in it is in the recuperator ( 3 ) to the outlet air of the compressor 1 ( 2 ). From there, the air flows to the waste heat boiler 1 ( 9 ) and is further cooled therein. In the waste heat boiler 1 ( 9 ), a heat transfer medium is heated, which emits the decoupled heat for heating purposes to external heat consumers. In the aftercooler ( 10 ) the air is cooled as much as possible. Thus, the inlet temperature at the compressor 2 ( 11 ) only slightly higher than the ambient temperature. The compressor 2 ( 11 ) conveys the cooled air at low pressure level to ambient pressure. The air leaves the compressor ( 11 ) with elevated temperature, which in the waste heat boiler 2 ( 12 ) is degraded and in the form of usable heat analogous to waste heat boiler 1 ( 9 ) to external consumers. From the waste heat boiler 2 ( 12 ) the exhaust air flows ( 13 ) back to the surroundings.

Die Verdichter 1 (2) und 2 (11) sind mechanisch mit der Turbine 2 (5) verbunden. Diese Turbine liefert die für den Verdichterantrieb benötigte mechanische Leistung. Die Turbine 1 (7) ist mit dem Generator verbunden und treibt den Generator an, in dem die von der Turbine kommende mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.The compressors 1 ( 2 ) and 2 ( 11 ) are mechanically with the turbine 2 ( 5 ) connected. This turbine supplies the mechanical power required for the compressor drive. The turbine 1 ( 7 ) is connected to the generator and drives the generator, in which the mechanical energy coming from the turbine is converted into electrical energy.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

zu Fig. 2

1: Außenluftaustritt
2: Turbine 1 = Verdichterantriebsturbine
3: Turbine 2 = Generatorantriebsturbine
4: Generator
5: Abhitzekessel 1
6: Nachkühler
7: Verdichter
8: Abhitzekessel 2
9: Fortluftaustritt

to Fig. 2

1: Outside air outlet
2: Turbine 1 = compressor drive turbine
3: Turbine 2 = generator drive turbine
4: generator
5: Waste heat boiler 1
6: aftercooler
7: compressor
8th: Waste heat boiler 2
9: Exhaust air outlet

Funktionsbeschreibung zu Fig. 2Functional description for FIG. 2

Eine vorteilhafte Anwendung des Verfahrens ist schematisch in 2 dargestellt. Hierbei geht es um die Gewinnung von elektrischer Energie aus einem Heißgasstrom, das aus einer thermischen Anlage oder einer Verbrennungskraftmaschine ausstritt. Der Heißgasstrom (1) befindet sich auf einem hohen Temperaturniveau und auf Umgebungsdruck oder einem gegenüber der Umgebung erhöhten Druck. In der Turbine 1 (2) wird der Heißgasstrom auf einen Druck unterhalb des Umgebungsdruckniveaus entspannt. In der Turbine 2 (3) findet eine weitere Druckabsenkung statt. Mit weit unterhalb des Umgebungsdrucks befindlichem Druckniveau wird die Luft durch einen Abhitzekessel (5) geleitet, um dort nutzbare Wärme an externe Verbraucher abzugeben. In dem Nachkühler (6) findet eine Restabkühlung auf ein möglichst niedriges Temperaturniveau statt. Diese liegt nur geringfügig über der Umgebungstemperatur. Der Verdichter (7) fördert die Abluft auf Umgebungsdruck. Die dabei entstehende Verdichtungswärme kann teilweise im Abhitzekessel 2 (8) durch Abgabe an externe Wärmeverbraucher genutzt werden. Die Abluft (9) strömt in die Umgebung aus.An advantageous application of the method is shown schematically in FIG 2 shown. This is about the recovery of electrical energy from a hot gas stream, which ausschlitt from a thermal system or an internal combustion engine. The hot gas stream ( 1 ) is at a high temperature level and at ambient pressure or an elevated pressure relative to the environment. In the turbine 1 ( 2 ), the hot gas stream is depressurized to a pressure below the ambient pressure level. In the turbine 2 ( 3 ), another pressure reduction takes place. With the pressure level far below the ambient pressure, the air is passed through a waste heat boiler ( 5 ) to deliver there usable heat to external consumers. In the aftercooler ( 6 ) takes place a residual cooling to a lowest possible temperature level. This is only slightly above the ambient temperature. The compressor ( 7 ) conveys the exhaust air to ambient pressure. The resulting heat of compression can partially in the waste heat boiler 2 ( 8th ) are used by delivery to external heat consumers. The exhaust air ( 9 ) flows out into the environment.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

zu Fig. 3

1: Außenluftaustritt
2: Turbine 1 = Verdichterantriebsturbine
3: Turbine 2 = Generatorantriebsturbine
4: Generator
5: Abhitzekessel 1
6: Nachkühler
7: Verdichter 1
8: Zwischenkühler
9: Verdichter 2
10: Fortluftaustritt

to Fig. 3

1: Outside air outlet
2: Turbine 1 = compressor drive turbine
3: Turbine 2 = generator drive turbine
4: generator
5: Waste heat boiler 1
6: aftercooler
7: Compressor 1
8th: intercooler
9: Compressor 2
10: Exhaust air outlet

Funktionsbeschreibung zu Fig. 3Functional description for FIG. 3

3 enthält den gleichen Verfahrensablauf wie 2., jedoch erweitert um die Verdichtung mit Zwischenkühlung in der Verdichtergruppe mit einer Aufteilung der Verdichtung auf zwei Verdichterstufen (7 und 9) und einem Zwischenkühler (8). Diese Ausgestaltung des Prozesses führt zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrades und damit zu einer signifikanten Erhöhung der Stromgewinnung aus dem Abwärmestrom. 3 Contains the same procedure as 2 ., but extended by the compression with intermediate cooling in the compressor group with a distribution of the compression on two compressor stages ( 7 and 9 ) and an intercooler ( 8th ). This embodiment of the process leads to a significant improvement in the efficiency and thus to a significant increase in the production of electricity from the waste heat stream.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

zu Fig. 4

1: Außenluftaustritt
2: Hochtemperatur-Wärmeübertrager
3: Turbine 1 = Verdichterantriebsturbine
4: Turbine 2 = Generatorantriebsturbine
5: Generator
6: Abhitzekessel
7: Nachkühler
8: Verdichter 1
9: Zwischenkühler
10: Verdichter 2
11: Fortluftaustritt

to Fig. 4

1: Outside air outlet
2: High-temperature heat exchanger
3: Turbine 1 = compressor drive turbine
4: Turbine 2 = generator drive turbine
5: generator
6: waste heat boiler
7: aftercooler
8th: Compressor 1
9: intercooler
10: Compressor 2
11: Exhaust air outlet

Funktionsbeschreibung zu Fig. 4Functional description for FIG. 4

4 entspricht weitgehend dem Verfahrensablauf gemäß 3, jedoch erweitert um die Zwischenüberhitzung zwischen Turbine 1 (3) und Turbine 2 (4) mittels Hochtemperatur-Wärmeübertrager (2). Durch diese Erweiterung ergibt sich eine zusätzliche Erhöhung der Effizienz gegenüber der Ausführungsart gemäß 3. Sie bietet sich an, wenn das Temperaturniveau des Abwärmestromes besonders hoch ist und die Eintrittstemperatur an der Turbine 1 begrenzt werden muss. 4 largely corresponds to the procedure according to 3 , but extended by the reheating between turbine 1 ( 3 ) and turbine 2 ( 4 ) by means of high-temperature heat exchanger ( 2 ). This extension results in an additional increase in efficiency over the embodiment according to 3 , It lends itself to when the temperature level of the waste heat flow is particularly high and the inlet temperature at the turbine 1 must be limited.

Claims

Apparatus and method for obtaining electrical energy from high-temperature heat by means of acting on the physical principle of the Joule process hot air turbine plant, characterized in that the process sections with lowered to the atmosphere pressure and additionally in other process sections with atmospheric pressure and with respect to the atmosphere increased Pressure is operated.

Apparatus and method according to claim 1, characterized in that the total compressor power is divided into several units.

Device and method according to claims 1 and 2, characterized in that the turbine power is divided into at least two units, of which at least one is used for the generator drive and at least one for the drive of one or more compressors.

Device and method according to claims 1 to 3, characterized in that the process section, in which the heat generated or supplied from outside, is at atmospheric pressure level or at a pressure level lowered relative to the atmosphere.

Device and method according to claims 2 to 4, characterized in that the generator drive turbines are preferably arranged in the low-pressure sections of the system.

Device and method according to claims 2 to 5, characterized in that in the overall system inexpensive assemblies from mass production for the engine industry are used.