DE102013016461A1

DE102013016461A1 - Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerkes, sowie Niedertemperaturkraftwerk selbst

Info

Publication number: DE102013016461A1
Application number: DE201310016461
Authority: DE
Inventors: Arnold Dammers; Dirk Dammers; Jürgen Schmeiduch
Original assignee: Interimo GmbH
Current assignee: Interimo GmbH
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2015-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperatur-kraftwerkes mit Verdampferkreisprozess, mit einem mit einer Wärmequelle thermisch korrespondierenden Verdampfermedium und einer vom Verdampfermedium betriebenen Turbine mit Generator, welches nach der Turbine kondensiert und in einem Kondensatsammler gesammelt und sodann wieder einem Verdampfer zurückgeführt wird. Um hierbei den Kondensationspunkt des Mediums im Kreislauf kontrollierbar und zuverlässig anzufahren, und den Wirkungsgrad deutlich zu steigern, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass durch Abkühlung verflüssigbares Kältemittel als Verdampfermedium eingesetzt wird, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine das Verdampfermedium mit einem zumindest temporär betriebenen, strömungstechnisch zum Kondensatsammler parallel angeschlossenen, insbesondere gesonderten, Kühlkreislauf zum Anfahren des Kondensationspunktes gesteuert weiter druckreduziert und abgekühlt wird, bis das Verdampfermedium im Kondensatsammler einen kontrollierten Phasenübergang zumindest in den flüssigen Zustand vollzieht, aus dem das flüssige Kältemittel mit einer aus zumindest teilweise systemeigener Energie betriebenen Förderpumpe wieder zurück zum Verdampfer des Kreisprozesses gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerkes, sowie ein Niedertemperaturkraftwerk selbst, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 17.
Ein Kraftwerk dieser Art ist aus der DE 102 60 444 B4 bekannt. Dabei handelt es sich aber eher um einen Kältekreislauf als solchem. Bei dem dort dargestellten und offenbarten Medienkreislauf wird aus zugeführter Wärme der Kältekreislauf aufrecht erhalten. Die dort offenbarten Bauteile ergeben eine sich gegenseitig zu Null aufhebende Energiebilanz.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2011 108 970.9 ist ebenfalls ein Verdampferkraftwerk bekannt, bei dem als Medium Kohlendioxid eingesetzt wird. Dabei ist es jedoch nicht möglich, mit den dort offenbarten Elementen den Verflüssigungspunkt des Kohlendioxids anzufahren und/oder zu halten.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerkes, sowie ein Niedertemperaturkraftwerk selbst dahingehend weiterzubilden, dass der Kondensationspunkt des Mediums im Kreislauf kontrollierbar und zuverlässig anfahrbar ist, und der Wirkungsgrad in Bezug auf Erzeugung elektrischer Energie sowie der Erzeugung von nutzbarer Kälte deutlich gesteigert wird.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art, erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 1 bis 16 angegeben.
Im Hinblick auf ein Niedertemperaturkraftwerk der gattungsgemäßen Art, wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 17 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hinsichtlich des Verfahrens besteht der Kern der Erfindung darin, dass durch Abkühlung verflüssigbares Kältemittel als Verdampfermedium eingesetzt wird, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine das Verdampfermedium mit einem zumindest temporär betriebenen, strömungstechnisch zum Kondensatsammler parallel angeschlossenen, insbesondere gesonderten, Kühlkreislauf zum Anfahren des Kondensationspunktes gesteuert weiter druckreduziert und abgekühlt wird, bis das Verdampfermedium im Kondensatsammeler einen kontrollierten Phasenübergang zumindest in den flüssigen Zustand vollzieht, aus dem das flüssige Kältemittel mit einer aus zumindest teilweise systemeigener Energie betriebenen Förderpumpe wieder zurück zum Verdampfer des Kreisprozesses gefördert wird. Erst mit der Einbringung eines zum normalen Arbeitskreislauf im Abschnitt der Kondensation strömungstechnisch parallelen Kühlkreislaufes ist es möglich, den Kondensationspunkt (Verflüssigungspunkt) des Arbeitsmediums Kältemittel stabil anzufahren und zu halten. Dies ist allein durch die Druckentspannung hinter der Turbine nicht möglich. Auch die weitere Druckreduzierung nach der Turbine mittels eines Druckreduzierventiles allein bewirkt keine stabile und dauerhafte Kondensation.
Da die Kondensation (Verflüssigung) beim Einsatz von Kältemittel, insbesondere bei Kohlendioxid eine erhebliche Volumenreduktion des Mediums in diesem Abschnitt zur Folge hat, ist die nachfolgende Expansion im Verdampferabschnitt um so wirkungsvoller, insbesondere beim Einsatz des besagten Kohlendioxids. Es hat sich gezeigt, dass gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik, nur so ein Kreisprozess mit Kohlendioxid darstellbar ist, bei dem aus der von außen zugeführten Wärme Energie erzeugbar bzw umwandelbar ist, in elektrische Energie und „Kälte”energie.
Nutzbare Kälte ist immer mehr von Bedeutung, und vor allem diese wirkungsgradeffektiv zu erzeugen.
Durch den Einsatz des bei erheblich niedrigen Temperaturen verdampfenden Kältemittels (Kohlendioxid) ist es nunmehr möglich ein fast unerschöpfliches Reservoir vorhandener niederkalorischer Abwärme und/oder niederkalorischer Umweltwärme auch als Energiequelle zu nutzen. Gerade niederkalorische Abwärme gehört zu einer der größten ungenutzten Wärmen.
Hierbei werden nunmehr zwei Alternativen ausgeführt.
In der ersten Ausgestaltungsalternative ist vorgesehen, dass der zumindest temporär betriebene strömungstechnisch zum Kondensatsammler parallel angeschlossenen Kühlkreislauf über einen Bypass zum Arbeitskreislauf mit demselben Verdampfermedium betrieben wird.
Dabei sind zwei Verdampfermediennkreisläufe zu unterscheiden. Der erste Verdamfpermediumkreislauf ist der Arbeitskreislauf, in welchem die Turbine mit Generator betrieben wird. Der zweite Verdampfermediumkreislauf ist ein Kühlkreislauf für die Vorkühlung des Verdampfermediums im Arbeitskreislauf vor Eintritt des Verdampfermediums in den Kondensatsammler.
In der zweiten Ausgestaltungsalternative ist vorgesehen, dass der parallel zum Kondensator thermisch angekoppelte Kühlkreislauf über einen gesonderten Wärmetauscher mit einem anderen Verdampfermedium betrieben wird, als im Arbeitskreislauf.
Mit anderen Worten heisst dies, dass in der ersten Alternative, der Kühlkreislauf über einen Bypass mit dem Arbeitskreislauf medienschlüssig verbunden und mit dem selben Verdampfermedium betrieben wird, welches im Arbeitskreislauf verwendet wird. In der zweiten Alternative wird eine Stofftrennung zwischen dem Verdampfermedium im Arbeitskreislauf und dem Verdampfermedium im Kühlkreislauf vorgenommen. Diese Stoff- oder Medientrennung erfolgt dabei über einen Wärmetauscher. Wahlweise können dann gleiche oder verschiedene Verdampfermedien eingesetzt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass vor Eintritt des Mediums in den Kondensatbehälter, das Medium über einen Wärmetauscher weiter abgekühlt wird, welcher thermisch an den Ausgang des zumindest flüssigen Mediums aus dem Kondensatsammler gekoppelt ist, wobei der besagte Wärmetauscher gleichzeitig das zum Verdampfer rückgeführte Medium wieder leicht vorwärmt. Durch diese thermische Rückkopplung wird der laufende Prozess hinsichtlich der angefahrenen Punkte im Phasendiagramm wesentlich stabiler.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der parallele Kühlkreislauf zumindest temporär zugeschaltet wird, in der Weise, dass so der Kondensationspunkt im Kondensatsammler kontrolliert gehalten wird.
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Rückführpumpe eine elektrische Pumpe ist, die aus der systemeigenen, im Generator erzeugten elektrischen Energie gespeist wird. Damit wird eine Autarkie im Betrieb der Anlage erreicht.
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Rückführpumpe eine pneumatische Pumpe, im Besonderen eine Kolbenpumpe ist, die aus der systemeigenen Druckmittelenergie des Verdampfermediums gespeist wird. Dies ist in Bezug auf den Wirkungsgrad noch effektiver, weil kein Wirkungsgradverlust durch eine Umwandlung von thermomechnischer in elektrische Energie und umgekehrt erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist es, dass die Rückführpumpe eine Förderpumpe ist, die aus der systemeigenen mechanischen Energie der Turbine selbst gespeist wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Rückführpumpe des Arbeitsmediums mechanisch an die Turbinenwelle gekoppelt ist, bzw zuschaltbar gekoppelt ist, bspw über eine Kupplung und/oder ein Getriebe.
Eine effektive Art der thermischen Wärmekopplung sowie der funktionalen Kopplung ist es, dass in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Verdampfer des Niedertemperaturkraftwerkes mit dem Abwärmestrom oder dem niederkalorischen Abwärmestrom eines Blockheizkraftwerkes thermisch gekoppelt ist. So entsteht eine Art Kombikraftwerk, bei dem im BHKW die übliche hochkalorische Wärme bspw durch Verbrennung eines Energieträgers erzeugt und in einem Hochtemperaturverdampfer-Kreisprozess eine üblich Kraft-Wärme-Kopplung erfolgt. Dabei fällt elektrische Energie an, sowie eine hochkalorische Abwärme, die als Heizwärme nutzbar ist. Die niederkalorische Abwärme bspw aus dem Heizungsrücklauf oder dem kühleren Abgasbereich nach der hochkalorischen Wärmeauskopplung wird dann wiederum in das Kältekraftwerk gespeist. Dort wird dann die niederkalorische Abwärme statt in einer ORC-Anlage in einem Kältekraftwerk genutzt. Dort wird zum einen ein weiterer Stromertrag generiert, sowie nutzbare Kälte erzeugt, die in Klimaanlagen oder Kühlaggregaten nutzbar ist. Eine solche erheblich vorteilhafte Ausgestaltung ergibt ein Kombikraftwerk, bei dem folgende Energieanschlüsse vorhanden sind:

– Erster elektrischer Abgang (Blockheizkraftwerk)
– Heizwärmeabgang (Blockheizkraftwerk)
– Zweiter elektrischer Nachverstromungsabgang (Kältekraftwerk)
– Kälteabgang

Der nutzbare Kälteabgang liegt dabei auf einem Temperaturniveau von –20°C und kälter.
Von besonderer Bedeutung ist die Einbindbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Niedertemperaturkraftwerkes bei der Nutzung von Abwärme, insbesondere niederkalorischer Abwärme in Industrie- und Produktionsprozessen. Bei der Produktion egal welcher Produkte entsteht immer niederkalorische Abwärme die meistens nicht genutzt wird. Hinzu kommt, dass in vielen Produktionsprozessen auch Bedarf von Kühlungsleistung besteht. So ergibt sich, dass also in solchen Prozessen weder die niederkalorische Abwärme genutzt, noch die Kühlleistung regenerativ erzeugt wird. Hier greift die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit dem erheblichen Energievorteil, dass die niederkalorische Wärme einsetzbar ist um Kühlleistung bzw Kühlungsenergie (negative Wärme) zu erzeugen. Darüber hinaus entsteht beim erfindungsgemäßen Verfahren noch ein so erzeugter weiterer Anteil elektrischer Energie.
Eine Einbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung führt so zu einer erheblichen energetischen Effizienzsteigerung von industriellen Produktionsprozessen.
Diese werden wirtschaftlicher und nutzen alle regenerativ nutzbaren Energieanteile im Produktionsprozess, weil der Primärenergieeinsatz damit deutlich reduzierbar ist.
Eine weitere Maßnahme zur Wirkungsgradsteigerung ist, dass die bei der Kühlung im parallelen Kühlkreislauf entstehende Abwärme dem Verdampfer im Arbeitskreis des Verdampfermediums als zusätzlicher Wärmeanteil rückgeführt wird. Da als Verdampfungswärme in diesem Kohlendioxid-Kreisprozess eine niederkalorische Abwärme ausreicht, ist dies gerade optimal.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist, dass ein druckfestes Ausdehnungsgefäß und/oder Verdampfermedienreservoir strömungstechnisch parallel zum Arbeitskreislauf über schaltbare Bypässe oder Bypassventile beaufschlagbar ist, in welches das Verdampfermedium des Arbeitskreislaufes beim Abschalten des Niedertemperaturkraftwerkes hinein expandieren oder komprimieren kann, und beim Start des Niedertemperaturkraftwerkes aus demselben das Verdampfermedium wieder in den Arbeitskreislauf einleitbar ist.
Das heisst im laufenden Betrieb des Kraftwerkes dient dieses Ausdehnungsgefäß als Drucknivellierung wenn der Arbeitsdruck aufgrund schwankender Verdamferleistungen variieren sollte. So kann der wirkungsgradoptimierte Arbeitspunkt der Turbine genau geregelt werden.
Im Fall, dass das Kraftwerk auch mal abgeschaltet wird, wird das Verdampfermedium des Arbeitskreislaufes nicht mehr zur Turbine geleitet, sondern in das Verdampfermedienreservoir. Zweckmäßigerweise wird dieser Bypass in das Reservoir am Punkt des höchsten Verdampfermediendruckes im Arbeitskreislauf positioniert, und dies ist hinter den Verdampfern. Wenn das Kraftwerk dann wieder gestartet wird, dann wird das Verdampfermedium wieder in den Arbeitskreislauf zurück geleitet. Dies erfolgt über ein weiteres Ventil. Bei der Entspannung kühlt das besagte Verdampfermedium wieder erheblich ab, wodurch das Verdampfermedium entweder hinter der Turbine in die weitere Kühlung und den Kondensatsammler geleitet werden kann, oder aber man leitet es bewusst kalt auf die Turbine und führt mit der sich dann drehenden Turbine eine weitere Abkühlung aus, bevor es in die weitere Kühlung zum Kondensatsammler geführt wird.
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass auch die Einleitung des Verdampfermediums aus dem Ausdehnungsgefäß oder Verdampfermediumreservoir zurück in den Arbeitskreislauf über ein steuerbares Ventil erfolgt.
In vorteilhafter Weise ist dieser Einleitungspunkt des Verdampfermediums in den Arbeitskreislauf strömungstechnisch entweder vor Eintritt in die Turbine positioniert oder hinter der Turbine, dass heisst am strömungstechnischen Ausgang der Turbine.
Im Hinblick auf ein Niedertemperaturkraftwerk besteht der Kern Erfindung darin, dass durch Abkühlung verflüssigbares Kältemittel als Verdampfermedium eingesetzt wird, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine das Verdampfermedium mit Druckreduziermitteln sowie einem zumindest temporär betriebenen, strömungstechnisch zum Kondensatsammler parallel angeschlossenen Kühlkreislauf zum Anfahren des Kondensationspunktes gesteuert weiter druckreduziert und abgekühlt wird, bis das Verdampfermedium im Kondensatsammelbehälter einen kontrollierten Phasenübergang zumindest in den flüssigen Zustand vollzieht, aus dem das flüssige Kältemittel mit einer aus zumindest teilweise systemeigener Energie betriebenen Rückführpumpe wieder zurück zum Verdampfer des Kreisprozesses förderbar ist.
Mit diesen Mitteln ist der oben beschriebene Kreisprozess fahrbar. Von besonderem Vorteil ist der Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel bzw als Verdamfermedium.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass vor Eintritt des Verdampfermediums in den Kondensatsammler das Verdampfermedium über einen am Ausgang des Kondesatsammlers oder nach der Rückführpumpe angeordneter Wärmetauscher geführt wird, welcher das Medium vor Zuführung in den Kondensatsammler weiter abkühlt, wobei der besagte Wärmetauscher gleichzeitig das rückgeführte Verdampfermedium vor Eintritt in den Verdampfer wieder leicht vorwärmt.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Druckreduziermittel ein Expansionsventil oder ein zwischengeschaltetes erweitertes Entspannungsvolumen ist. Dabei wird hierüber gezielt eine Abkühlung durch Entspannung des Verdampfermediums im Arbeitskreislauf erreicht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass sowohl am Einleitungspunkt (X1) des von der Turbine und dem Druckreduzierventil in den Kondensatsammler rückgeführten Verdampfermediums als auch das vom parallelen Kühlkreislauf in den Kondensatsammelbehälter am Einleitungspunkt (X2) zurückgeführten Verdampfermediums, die Zuführung über jeweils ein Druckreduzierventil erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
Es zeigt:
1: Arbeitsmedien- und Kühlmedienkreislauf des Kraftwerkes mit gleichem bzw selbem Verdamfpermedium
2: Phasendiagramm
3: Medienkreisläufe mit Ausdehnungsgefäß/Reservoir, mit Rückführung vor der Turbine
4: Medienkreisläufe mit Ausdehnungsgefäß/Reservoir, mit Rückführung vor der Turbine
5: Arbeitskreislauf mit verschiedenen, stofflich voneinander getrennten Verdampfermedien in Arbeitskreislauf und Kühlkreislauf
6: Arbeitskreislauf mit Druckminderer
7: vereinfachte Darstellung der Wärme-/Kälterückkopplung.
1 zeigt das erfindungsgemäße Betriebsverfahren des erfindungsgemäßen Niedertemperaturkraftwerkes, anhand eines Schaltplanes des Arbeitsmedienkreislaufes.
Im Verdampfer 1 wird durch Aufnahme von insbesondere niederkalorischer Umwelt- und/oder Prozessabwärme 100 aus Produktionsprozessen das Arbeitsmedium, welches hier idealerweise Kohlendioxid ist, verdampft. Hier findet die eigentliche und hauptsächliche Energieaufnahme von extern des Systems statt. Von dort gelangt das Arbeitsmedium noch in einen weiteren Wärmetauscher, der als Arbeitsmedienüberhitzer 12 arbeitet. Hier kann nochmals eine externe Wärmeeinleitung 13 stattfinden, weil der Überhitzer bspw weitere zugeführte Prozessabwärme aufnimmt und auf das Arbeitsmedium Kohlendioxid überträgt. Von dort wird das Arbeitsmedium gesteuert über ein Ventil 14 einer Turbine 2 zugeführt, deren Welle mit einem Generator 3 direkt oder indirekt über ein Getriebe gekoppelt ist. Auf der Entspannungsseite der Turbine 2 wird das Medium über einen Wärmetauscher 11 geführt, der das Arbeitsmedium nunmehr stark abkühlt, weil dieser Wärmetauscher 11 thermisch über den Ausgang der Kondensatableitung aus dem Kondensatsammelbehälter 4 stark gekühlt wird. Diese ganz erhebliche Maßnahme bei der Ausgestaltung der Erfindung kann man als ein Art Rekuperation bezeichnen. Von physikalischer Bedeutung ist hierbei aber weniger die Vorwärmung am Verdampfer, als viel mehr die weitere Vorkühlung des Verdampfermediums des Arbeitskreislaufes vor Eintritt in die eigentliche Kühlung nahe dem Kondensatsammelbehälter. Die Mitnutzung der systemeigenen Kälte (Tieftemperaturwärme) und Wärme (Hochtemperaturwärme) macht den besonderen Wirkungsgrad dieses Kraftwerkes aus. Somit wird die Verwendung des Arbeitsmediums Kohlendioxid in einem geschlossen Kreislauf erst wirtschaftlich sinnvoll möglich, was dazu führt, dass damit ein Medium in Aktion ist, welches bei Arbeitstemperaturen von Umgebungstemperatur wie bspw 20°C oder weniger arbeiten kann.
Weiter im dargestellten Prozess wie folgt:
Das so stark abgekühlte Arbeitsmedium wird sodann einem Druckentspannungsventil 6 zugeführt, welches das vorabgekühlte Medium nun durch weitere schlagartige Entspannung am Einspritzpunkt X1 in den Kondensatsammelbehälter 4 verflüssigt wird. Am Ausgang des Kondensatsammelbehälters 4 wird nun das flüssige Arbeitsmedium über eine Pumpe 20 und über den eben schon erwähnten Wärmetauscher 11 zurück zum Verdampfer 1 geführt. Im Wärmetauscher 11 findet somit quasi wieder eine Vorwärmung des Mediums statt. D. h. hier wird ersichtlich, dass der Wärmetauscher 11 von erheblicher Bedeutung ist. Er wird auf beiden Medienseiten von Kohlendioxid durchströmt. Auf der Medienseite zwischen Pumpe 20 und Verdampfer 1 mit flüssigem oder zumindest extrem kaltem Kohlendioxid, und auf der vom Turbinenausgang kommenden Medienseite von warmem Kohlendioxidgas. So ist dieser besondere Wärmetauscher von ganz erheblicher Bedeutung für den Prozess.
Ein weiterer Kältemittelkreislauf befindet sich strömungstechnisch quasi parallel zum Kondensatsammelbehälter 4.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass der Kondesationspunkt von Kohlendioxid allein durch die druckentspannende und sogar gesteuerte Injektion des Kohlendioxids am Einspritzpunkt X1 nicht hinreichend ist, um in kurzer Zeit eine ausreichende Kondensation des Mediums im Kondensatsammelbehälter 4 zu bewirken; auch hier muss nochmals erwähnt werden, dass zum einen elektrische Energie erzeugt werden soll, aber andererseits auch hohe Kälteleistung bereitgestellt werden soll, und dies in einem zusammenhängenden Kreisprozess.
Um nun den Kondensationspunkt im Kondensatsammelbehälter 4 schnell anzufahren, und damit den den Arbeitsmedienkreisprozess schlüssig arbeitend zu machen, wird in dem besagten parallelen Kältemittelkreislauf en klassischer Kältekreislauf gefahren, natürlich mit denselbem Medium wie das Arbeitsmedium selbst. Hier wird über ein Ventil, ggfs ein steuerbares Ventil noch gasförmiges Kohlendioxid parallel über einen Verdichter 8 geführt. Von dort wird die entstehende Wärme, bzw der Wärmeinhalt des Kohlendioxids entzogen, und über einen Wärmetauscher 10 wird diese Wärme in den oben benannten Verdamfer 11 oder zum Überhitzer 12 im Arbeitsmedienkreislauf abgeführt. Danach wird das Medium (Kohlendioxid) des parallelen Kühlkreislaufes einem Druckentspannungsventil 7 zugeführt, welches an einem zweiten Einspritzpunkt X2 das Medium in den Kondensatsammelbehälter 4 schlagartig druckentspannend injiziert und somit stark abkühlt.
Dieser parallele Kühlkreislauf wird zum Anfahren benötigt und ggfs zur Stabilisierung des Arbeitsmedien- „Haupt”-Kreislaufes, um nämlich die besagte kontrollierte Kondensation (Verflüssigung) des Kohlendioxids aufrecht zu erhalten.
Dieser Arbeitkreislauf arbeitet nunmehr stabil und erzeugt auf der Energieabgabeseite Kühlleistung und Strom, und wird energetisch auf der Energieaufnahmeseite von insbesonderer niederkalorischer Abwärme gespeist.
Der Verdichter 8 und/oder die Pumpen 20 und 21 können zumindest nach einem kurzen Anlaufzeitintervall aus der Energie des Systems selbst gespeist werden. Sei es das die Pumpen und der Verdichter aus der elektrischen Energie des Generators gespeist werden, oder dass ggfs zumindest eine der Pumpen und/oder der Verdichter mechanisch an die Turbinenwelle ggfs über Kupplungen und Getriebe gekoppelt sein können.
Nutzung systeminterner Energie kann aber auch bedeuten, dass insbesondere die Pumpe 20 aus Druckmittelenergie des Arbeitsmediums selbst gespeist werden kann, bspw wenn die Pumpe 20 eine Art Kolbenpumpe ist.
2 zeigt diesen oben beschriebenen Kreislauf nochmal in einer qualitativen Phasendiagramm-Darstellung. Aus dieser ist erkennbar, dass dieser Prozess nunmehr ein schlüssiger Kreisprozess ist und dass der Verlauf der erzeugten Druck-Temperatur-Kennlinien nicht trivial ist.
Prinzipiell werden hier zwei Kreisprozesse ineinander geschachtelt, wie aus 2 hervor geht.
Daran wird aber deutlich, dass in Gänze nunmehr ein geschlossener Kreisprozess entsteht. Die fett gedruckte gebogene Linie stellt das bekannte Druck/Temperatur-Phasendiagramm von Kohlendioxid dar (Ordinate = Temperatur; Koordinate = Druck). Am Punkt A liegt flüssiges Kohlendioxid am Ausgang des Kondensatsammelbehälters 4 an. Dieses wird über die Pumpe 20 auf ein höheres Druckniveau, bei gleichbeibender Temperatur gebracht bis Punkt B am Wärmetauscher 11 erreicht wird. Sodann erfolgt eine Temperaturerhöhung um Punkt C zu erreichen. Sodann erfolgt der Eintritt in den Wärmetauscher 1. Von dort erfolgt eine isobare Temperaturerhöhung bis zum Punkt D und über den Überhitzer bis zum Punkt E des Prozessverlaufers im Phasendiagramm. Die nachfolgende Beströmung der Turbine erfolgt idealerweise mit kleiner Druckreduzierung im Vergleich zu den den ansonsten im Kreisprozess generierten Druckreduzierungen. Erst das Druckreduzierventil 6 reduziert an der Injektionsstelle X1 den Druck um Punkt F des Prozessverlaufes im Phasendiagramm zu erreichen. Dort wirkt nun der oben besagte parallele Verdichter und Kühlprozess über den Verdichter B. Vor dem Verdichter wird der Punkt A' im parallelen Kühlkreislauf erreicht, und nach dem Verdichter ist Punkt B' im Prozessverlauf des Phasendiagramms erreicht. Von Punkt B' geht es bei hohem Druck bis zu Punkt C' mit entsprechender Temperaturabsenkung, weil das Medium hier über den Wärmetauscher 10 abgekühlt wird, der die Wärme des Mediums auf den Verdampfer 11 und/oder den Überhitzer 12 im Arbeitskreis überführt.
Hier tritt nun die Wirkung des zweiten Druckreduzierventils 7 ein, welches dann schlagartig den Druck durch Entspannung an der Injektionsstelle X2 reduziert, und so wird Punkt D' im Prozessverlauf des Phasendiagramms erreicht.
Der Punkt D' schließt dann wieder an den Punkt A im Prozessverlauf an, weil das flüssige Kohlendioxid wieder unten am Ausgang des Kondensatsammelbehälters 4 unten anliegt. Hier ist der Kreislauf dann wieder geschlossen.
Damit dieser Punkt im Phasendiagramm, bzw im Prozessverlauf stabil angefahren wird, bedarf es im Anfahrzeitraum der Beauschlagung des parallelen Kühlkreislaufes. Im laufenden Prozess muss oder kann dieser parallele Kühlkreislauf zumindest temporär mit zugschaltet werden. Diese Zuschaltbarkeit erfolgt dabei dem Grunde nach über Ventile.
Wenn das Druckreduzierventil 6 ideal arbeitet, ist auch ein direkter Übergang von Punkt F zu Punkt A im Prozessverlauf des Phasendiagramms möglich.
Als Arbeitsmedien sind prinzipiell auch alle anderen bekannten organischen und anorganischen Kältemittel einsetzbar, die im Prozess in ähnlicher Weise verflüssigbar sind.
3 zeigt den Arbeitskreislauf, bei welchem strömungstechnisch zwischen Verdampfer 12 und Eintritt in die Turbine 2 ein Bypass für das Verdampfermedium im Arbeitskreislauf in ein Ausdehnungsgefäß oder Medienreservoir 200 vorgesehen ist. Wenn der Arbeitsdruck des Verdampfermediums in diesem Bereich schwankt, dann wird über das Ausdehnungsgefäß 200 hierüber die Schwankung kompensiert. Dazu können hier nicht weiter dargestellte Drucksensoren dies an eine Steuerung melden, die dann die Ventile oder Bypassventile 201 und 202 ansteuert, bzw geregelt ansteuert. Dieses Ausdehnungsgefäß bzw das Medienreservoir 200 können aber auch beim Start und beim Abschalten des Kraftwerkes eine zusätzliche Rolle spielen. Wird das Kraftwerk abgeschaltet, dann wird das Ventil 14 geschlossen und das Bypassventil 201 geöffnet. Das verdampfte Medium strömt dort mit Druck nun in das Medienreservoir 200, bis dieses voll ist. Wird die Anlage in Betrieb genommen, dann wird das Bypassventil 202 geöffnet und mit dem zuletzt erreichten Druck wird das Medium auf die Turbine 2 gegeben, die sofort anfängt zu drehen. Der Prozess kommt in Gang.
4 zeigt eine Beschaltungsvariante die anders als in der Darstellung von 3 die Rückleitung des Verdampfermediums aus dem Medienreservoir 200 nicht vor der Turbine 2 in den Arbeitsmedienkreislauf einleitet, sondern dahinter. Diese Variante hat den Vorteil, dass dort das gewünschte Druckniveau viel kleiner ist, als vor der Turbine 2, weil die Turbine 2 eine Entspannungsmaschine ist. Die Einleitung dort bewirkt somit ein starke Entspannung des Verdampfermediums des Arbeitskreislaufes, und damit schon eine rapide Abkühlung des Verdampfermediums schon alleine durch die Entspannung des Verdampfermediums aus dem Medienreservoir.
5 zeigt eine wesentliche Verfahrensalternative, bei welcher kein Kühlkreislauf mit demselben Verdampfermedium, wie im Arbeitskreislauf wie in den 1, 3 und 4 dargestellt betrieben wird, sondern der Kühlkreislauf zur Rückkühlung des Verdampfermediums des Arbeitskreislaufes mit einem anderen Medium, oder zumindest mit einer stofflichen Trennung des Mediums im Arbeitskreislauf vom Medium im Kühlkreislauf betrieben wird.
Das über die Turbine 2 bereits entspannte Verdampfermedium des Arbeitskreislaufes ist bspw bereits auf ca 0°C bis –5°C abgekühlt und wird durch den Kühler 300 geleitet. Das Verdampfermedium des Arbeitskreislaufes durchströmt den Kühler 300 und wird mittels Wärmetausch mit einem zweiten, stofflich getrennten separaten Kühlkreislauf gekühlt, bis die Verflüssigungstemperatur des Verdampfermediums im Arbeitskreislauf erreicht wird, und das verflüssigte Verdampfermedium des Arbeitskreislaufes sich im Kondensatsammler 303 des gesonderten Kühlkreislaufes sammelt, und von dort wieder wie oben beschrieben, mittels Förderpumpe in den Verdampferabschnitt des Arbeitskreislaufes gepumpt bzw gefördert wird. Der separate Kühlkreislauf besteht aus den üblichen Komponenten Kompressor 302, Kondensatsammler 303, Wärmetauscher 304. Der Vollständigkeit halber ist noch das Druckhalteventil 301 vorgesehen. Das besondere hierbei ist, dass die durch Kühlung im separaten Kühlkreislauf dem dortigen Verdampfermedium entzogene Enthalpie, über den Wärmetauscher 304 in die quasi Verdampfungsstrecke des Arbeitsmediumkreislaufes überführt wird. D. h. die im separaten Kühlkreislauf zur Kühlung aufgewendete Energie wird im Gesamtsystem wieder als Abwärme in der Verdampfungsstrecke des Arbeitskreislaufes überführt, was den letztendlichen Gesamtwirkungsgrad steigert.
6 zeigt noch ein weiteres Detail, bei welchem zwischen Ausgang der Turbine 2 und Zugang zum Kondensatsammelbehälter ein Druckminderer 400 angeordnet ist. Dies kann ein Element sein, welches die Druckreduzierung am Ausgang der Turbine weiter begünstigt. Im einfachsten Fall kann dies ein Strömungswiderstand mit nachfolgender Rohrquerschnittserweiterung sein.
7 zeigt nochmals eine vereinfachte Darstellung des Arbeitskreislaufes mit den oben bereits beschriebenen einzelnen Komponenten. Hierbei ist die oben bereits als eine Art Rekuperation beschriebene Wärme-/Kälteankopplung zwischen dem Abschnitt des am Ausgang der Turbine 2 entspannten Verdampfermediums des Arbeitskreislaufes und der Rückführung des verflüssigten kalten Verdampfermediums des Arbeitskreislaufes so ausgestaltet, dass der Wärmetauscher 11, der noch in etwa die Temperatur des kalten flüssigen Verdampfermediums bei ca –40°C führt, nicht direkt an den Ausgang des erst vorgekühlten Verdampfermediums am Ausgang der Turbine 2 thermisch direkt gekoppelt ist, sondern die thermische Kopplung über ein weiteres wärmevermittelndes Medium sowie ein am Ausgang der Turbine 2 im Arbeitskreislauf dort angeordneten Wärmetauscher 11' erfolgt. Diese weitere wärmevermittelnde Medium wird dann über eine Förderpumpe 305 wärmevermittelnd geführt.
Bezugszeichenliste

1: Verdampfer Arbeitsmedium
2: Turbine
3: Generator
4: Kondensatsammler
5: Paralleler Kühlkreislauf
6: Druckreduzierventil
7: Druckreduzierventil
8: Verdichter
10: Wärmetauscher
11, 11': Wärmetauscher
12: Überhitzer
13: externer Wärmeaustausch
14: Ventil
20: Förderpumpe, verflüssigtes Arbeitsmedium
21: Förderpumpe für zweites Medium zur Wärmeübertagung auf Überhitzer 12
100: externer Wärmetauscher/Umweltwärme/Prozessabwärme
200: Ausdehnungsgefäß/Medienreservoir
201: Bypassventil
202: Bypassventil
300: Kühler
301: Druckhalteventil
302: Kompressor
303: Kondensatsammler im Kühlkreislauf
304: Wärmetauscher
305: Förderpumpe in der Rekuperationsstrecke
400: Druckverminderer
X1: Einleitungspunkt
X2: Einleitungspunkt

Phasendiagramm- und Prozessdarstellung:

Punkt A–Punkt F Prozesspunkte Arbeitskreis

Punkt A'–Punkt D' Prozesspunkte paralleler Kühlkreis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10260444 B4 [0002]
DE 102011108970 [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerkes mit einem Verdampferkreisprozess als Arbeitskreislauf, mit einem mit einer Wärmequelle thermisch korrespondierenden Verdampfermedium und einer vom Verdampfermedium betriebenen Turbine mit Generator, welches nach der Turbine kondensiert und in einem Kondensatsammler gesammelt und sodann wieder einem Verdampfer zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Abkühlung verflüssigbares Kältemittel als Verdampfermedium eingesetzt wird, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine das Verdampfermedium mit einem zumindest temporär betriebenen, strömungstechnisch zum Kondensatsammler parallel angeschlossenen, insbesondere gesonderten, Kühlkreislauf zum Anfahren des Kondensationspunktes gesteuert weiter druckreduziert und abgekühlt wird, bis das Verdampfermedium im Kondensatsammler einen kontrollierten Phasenübergang zumindest in den flüssigen Zustand vollzieht, aus dem das flüssige Kältemittel mit einer aus zumindest teilweise systemeigener Energie betriebenen Förderpumpe wieder zurück zum Verdampfer des Kreisprozesses gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfermedium Kohlendioxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest temporär betriebene strömungstechnisch zum Kondensatsammler parallel angeschlossene Kühlkreislauf über einen Bypass zum Arbeitskreislauf mit demselben Verdampfermedium betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest temporär betriebene parallel zum Kondensatsammler thermisch angeschlossene oder zumindest angekoppelte Kühlkreislauf über einen gesonderten Wärmetauscher mit einem weiteren oder anderen Verdampfermedium betrieben wird, als im Arbeitskreislauf.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Eintritt des Mediums in den Kondensatbehälter, das Medium über einen Wärmetauscher weiter abgekühlt wird, welcher thermisch an den Ausgang des zumindest flüssigen Mediums aus dem Kondensatsammler gekoppelt ist, wobei der besagte Wärmetauscher gleichzeitig das zum Verdampfer rückgeführte Medium wieder leicht vorwärmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der parallele Kühlkreislauf zumindest temporär zugeschaltet wird, in der Weise, dass so der Kondensationspunkt im Kondensatsammler kontrolliert gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführpumpe eine elektrische Pumpe ist, die aus der systemeigenen, im Generator erzeugten elektrischen Energie gespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführpumpe eine pneumatische Pumpe, im Besonderen eine Kolbenpumpe ist, die aus der systemeigenen Druckmittelenergie des Verdampfermediums im Arbeitskreislauf gespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführpumpe eine Förderpumpe, die aus der systemeigenen mechanischen Energie der Turbine gespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer des Niedertemperaturkraftwerkes mit dem Abwärmestrom oder dem niederkalorischen Abwärmestrom eines Blockheizkraftwerkes thermisch gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Kühlung entstehende im parallelen Kühlkreislauf entstehende Abwärme dem Verdampfer im Arbeitskreislauf dem Verdampfermedium als zusätzlicher Wärmeanteil rückgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme aus industriellen Produktionsprozessen als Verdampferwärme dem Verdampfermedium zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die im Arbeitskreislauf entstehende Kühlungswärme (negative Wärme), die bei der Vorwärmung des verflüssigten Arbeitsmediums entsteht, als Kühlungsenergie dem Produktionsprozess bereitgestellt wird, indem dadurch Produktionsaggregate, oder bei der Produktion von Lebensmitteln dieselben gekühlt und/oder gefrostet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein druckfestes Ausdehnungsgefäß und/oder Verdampfermedienreservoir strömungstechnisch parallel zum Arbeitskreislauf über schaltbare Bypässe oder Bypassventile beaufschlagbar ist, in welches das Verdampfermedium des Arbeitskreislaufes beim Abschalten des Niedertemperaturkraftwerkes hinein expandieren oder komprimieren kann, und beim Start des Niedertemperaturkraftwerkes aus demselben das Verdampfermedium wieder in den Arbeitskreislauf einleitbar ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Einleitung des Verdampfermediums aus dem Ausdehnungsgefäß oder Verdampfermedienreservoir über ein steuerbares Ventil erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einleitungspunkt in den Arbeitskreislauf strömungstechnisch entweder vor Eintritt in die Turbine liegt oder hinter der Turbine, dass heisst am strömungstechnischen Ausgang der Turbine.
Niedertemperatur-Kraftwerk mit Verdampferkreisprozess als Arbeitskreislauf, mit einem mit einer Wärmequelle thermisch korrespondierenden Verdampfermedium und einer vom Verdampfermedium betriebenen Turbine mit Generator, welches nach der Turbine in einem Kondensatsammler kondensiert wird und sodann wieder einem Verdampfer zurückgeführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch Abkühlung verflüssigbares Kältemittel als Verdampfermedium eingesetzt wird, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine das Verdampfermedium mit Druckreduziermitteln sowie einem zumindest temporär betriebenen, strömungstechnisch zum Kondensatsammler parallel angeschlossenen Kühlkreislauf zum Anfahren des Kondensationspunktes gesteuert weiter druckreduziert und abkühlbar ist, bis das Verdampfermedium im Kondensatsammler einen kontrollierten Phasenübergang zumindest in den flüssigen Zustand vollzieht, aus dem das flüssige Verdampfermedium mit einer aus zumindest teilweise systemeigener Energie betriebenen Rückführpumpe wieder zurück zum Verdampfer des Kreisprozesses förderbar ist.
Niedertemperatur-Kraftwerk mit Verdampferkreisprozess nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Kohlendioxid ist.
Niedertemperatur-Kraftwerk mit Verdampferkreisprozess nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass vor Eintritt des Verdampfermediums in den Kondensatsammler das Verdampfermedium über einen am Ausgang des Kondensatsammlers oder nach der Rückführpumpe angeordneter Wärmetauscher geführt wird, welcher das Medium vor Zuführung in den Kondensatsammler weiter abkühlt, wobei der besagte Wärmetauscher gleichzeitig das rückgeführten Verdampfermedium vor Eintritt in den Verdampfer wieder leicht vorwärmt.
Niedertemperatur-Kraftwerk mit Verdampferkreisprozess nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckreduziermittel ein Expansionsventil oder ein zwischengeschaltetes erweitertes Entspannungsvolumen ist.
Niedertemperatur-Kraftwerk mit Verdampferkreisprozess nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl am Einleitungspunkt (X1) des von der Turbine und dem Druckreduzierventil in den Kondensatsammler rückgeführten Verdampfermediums als auch das vom parallelen Kühlkreislauf in den Kondensatsammler am Einleitungspunkt (X2) zurückgeführten Verdampfermediums, die Zuführung über jeweils ein Druckreduzierventil (6, 7) erfolgt.
Niedertemperatur-Kraftwerk mit Verdampferkreisprozess nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfermedium des Kühlkreislaufes stofflich getrennt vom Verdampfermedium des Arbeitskreislaufes ist.
Niedertemperatur-Kraftwerk mit Verdampferkreisprozess nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfermedium des Kühlkreislaufes stofflich verschieden vom Verdampfermedium des Arbeitskreislaufes ist.
Niedertemperatur-Kraftwerk mit Verdampferkreisprozess nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen dem termischen Niveau am Ausgang der Turbine (2) und dem Wärmetauscher (11) am Ausgang des Kondensatsammlers (4) des Arbeitskreislaufes über ein weiteres wärmevermittelndes Medium, sowie ein am Ausgang der Turbine (2) im Arbeitskreislauf dort angeordneten weiteren Wärmetauscher (11') erfolgt.