DE102013212805A1 - Use of highly efficient working media for heat engines - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung eines Organic Rankine Cycle (ORC) aufweisend einen Verdampfer, einen Motor, einen Kondensator und einen Kreislauf enthaltend ein fluides Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium einen kritischen Druck (pc) zwischen 4000 kPa und 6500 kPa aufweist, bevorzugt zwischen 4200 kPa und 6300 kPa, das Arbeitsmedium eine kritische Temperatur (Tc) zwischen 450 K und 650 K aufweist, bevorzugt zwischen 460 K und 600 K, das Arbeitsmedium eine Molmasse zwischen 50 g/mol und 80 g/mol aufweist, bevorzugt zwischen 60 g/mol und 75 g/mol, und das gasförmige Arbeitsmedium bei einer adiabatischen Expansion teilweise auskondensiert. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Arbeitsmediums mit einem kritischen Druck (pc) zwischen 4000 kPa und 6500 kPa, bevorzugt zwischen 4200 kPa und 6300 kPa, mit einer kritischen Temperatur (Tc) zwischen 450 K und 650 K, bevorzugt zwischen 460 K und 600 K und mit einer Molmasse zwischen 50 g/mol und 80 g/mol, bevorzugt zwischen 60 g/mol und 75 g/mol, in einer Wärmekraftmaschine, wobei das gasförmige Arbeitsmedium bei einer adiabatischen Expansion eines Organic Rankine Cycle (ORC) teilweise auskondensiert.The invention relates to a heat engine for performing an Organic Rankine Cycle (ORC) comprising an evaporator, a motor, a condenser and a circuit containing a fluid working medium, wherein the working medium has a critical pressure (pc) between 4000 kPa and 6500 kPa, preferably between 4200 kPa and 6300 kPa, the working medium has a critical temperature (Tc) between 450 K and 650 K, preferably between 460 K and 600 K, the working medium has a molecular weight between 50 g / mol and 80 g / mol, preferably between 60 g / mol and 75 g / mol, and the gaseous working medium partially condensed out in adiabatic expansion. The invention also relates to the use of a working medium having a critical pressure (pc) between 4000 kPa and 6500 kPa, preferably between 4200 kPa and 6300 kPa, with a critical temperature (Tc) between 450 K and 650 K, preferably between 460 K and 600 K and with a molecular weight between 50 g / mol and 80 g / mol, preferably between 60 g / mol and 75 g / mol, in a heat engine, wherein the gaseous working fluid partially condenses out in an adiabatic expansion of an Organic Rankine Cycle (ORC).
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung eines Organic Rankine Cycle (ORC) aufweisend einen Verdampfer, einen Motor, einen Kondensator und einen Kreislauf enthaltend ein fluides Arbeitsmedium sowie die Verwendung eines Arbeitsmediums für eine Wärmekraftmaschine.The invention relates to a heat engine for performing an Organic Rankine Cycle (ORC) comprising an evaporator, a motor, a condenser and a circuit containing a fluid working medium and the use of a working medium for a heat engine.
In der chemischen Industrie besteht ein großer Bedarf, energetisch niederwertige Abwärmeströme zu nutzen, die im Temperaturbereich ab 80 °C bis 250 °C anfallen. In the chemical industry, there is a great need to use low-energy waste heat streams, which occur in the temperature range from 80 ° C to 250 ° C.
Für die Optimierung bestehender Standortverbundsysteme und im Hinblick auf die Verbesserung der Energieeffizienz sowie der Reduzierung der CO2-Emissionen liegt eine vielversprechende Option in der Verstromung dieser aktuell noch nicht genutzten Abwärmen durch den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Hierfür werden Wärmekraftmaschinen eingesetzt, wie sie beispielsweise aus der
Das Problem der hohen Arbeitstemperaturen von Dampfprozessen wurde durch die Anwendung durch die ORC-Technik überwunden, da diese Technologie anstelle von Wasserdampf organische Fluide als Arbeitsmedium verwendet. The problem of the high working temperatures of steam processes has been overcome by the application by the ORC technique, since this technology uses organic fluids as the working medium instead of water vapor.
ORC steht für „Organic Rankine Cycle“, was im Deutschen etwa: „organischer Rankine-Kreisprozess“ bedeutet. Ein ORC-Prozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess zur Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit unter Verwendung von einem organischen Arbeitsmedium.ORC stands for "Organic Rankine Cycle", which in German means "organic Rankine cycle". An ORC process is a thermodynamic cycle for converting heat into mechanical work using an organic working fluid.
Bei einem ORC-Prozess handelt es sich um einen einfachen thermodynamischen Kreisprozess in dem das Arbeitsmedium durch die Zufuhr von Wärme auf einem hohen Druckniveau verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Der überhitzte Dampf wird in einem Expander (insbesondere ein Motor wie eine Kolbenmaschine oder eine Turbine) unter Abkühlung auf einen niedrigen Druck entspannt und leistet dabei Arbeit. Die Arbeit kann direkt mechanisch genutzt werden oder wird mittels eines Generators in elektrischen Strom umgesetzt. Der aus dem Expander austretende Dampf kann noch überhitzt vorliegen oder bereits bis in das Nassdampfgebiet entspannt sein, so dass bereits anteilig Flüssigkeit vorliegt. Die komplette Verflüssigung findet im Kondensator statt. Dabei wird der stromerzeugende Kreisprozess anstelle von Wasser mit einem organischen Arbeitsfluid betrieben, das die auf einem niedrigen Temperaturniveau anfallende Wärme thermodynamisch effizienter nutzen kann.An ORC process is a simple thermodynamic cycle in which the working fluid is vaporized by the supply of heat at a high pressure level and optionally overheated. The superheated steam is expanded in an expander (in particular an engine such as a piston engine or a turbine) while cooling to a low pressure while doing work. The work can be used directly mechanically or is converted into electricity by means of a generator. The steam exiting the expander may still be superheated or may already be relaxed down to the wet steam area, so that there is already a proportionate amount of liquid. The complete liquefaction takes place in the condenser. In this case, the power-generating cycle is operated instead of water with an organic working fluid, which can use the heat generated at a low temperature level thermodynamically efficient.
Dabei kommt dem eingesetzten Arbeitsmedium eine Schlüsselrolle zu, denn das optimale Zusammenspiel zwischen Arbeitsmedium und Prozesskonfiguration entscheidet maßgeblich über den Wirkungsgrad und damit über die Effizienz des gesamten Prozesses. Das Arbeitsmedium hat zum Beispiel Einfluss auf die Anlagenkonfiguration. Durch die optimale Auswahl eines Arbeitsmediums kann die Ausnutzung der Wärmequelle und der Wirkungsgrad der Anlage gesteigert werden.The working medium used plays a key role here, because the optimal interaction between the working medium and the process configuration decisively determines the efficiency and thus the efficiency of the entire process. The working medium has an influence on the system configuration, for example. By optimally selecting a working medium, the utilization of the heat source and the efficiency of the system can be increased.
Als Arbeitsmedien für ORC-Verfahren kommen vor allem Fluorchlorkohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffe sowie Mischungen von Fluiden (Kohlenwasserstoffe und Wasser, Fluorkohlenwasserstoffgemische) und organische Siliziumkomponenten in Frage. Im bestehenden technisch realisierten Stand der Technik werden neben Kohlenwasserstoffen wie Pentan, Siloxane wie Octamethyltrisiloxan oder flourierte Kohlenwasserstoffe wie R134a oder R245fa verwendet (
Die Nachteile der bekannten Arbeitsfluide bestehen zum einen im möglichen Gefährdungspotenzial für die Umwelt (FCKW: Schädlichkeit für die Ozonschicht und globale Erwärmung) und in der Betriebssicherheit (Kohlenwasserstoffe: Brennbarkeit, Explosionsschutz) um zum anderen in thermodynamischen Limitierungen aufgrund einer mangelnden Optimierung von Anlagendesign und Fluideigenschaften.The disadvantages of the known working fluids consist on the one hand in the potential hazard to the environment (CFC: harm to the ozone layer and global warming) and in operational safety (hydrocarbons: flammability, explosion protection) on the other hand in thermodynamic limitations due to a lack of optimization of system design and fluid properties ,
Für bestimmte Dampfexpansionsmotoren (Kolbenmaschinen) existieren noch keine optimierten Arbeitsfluide, die im Temperaturbereich von 80 °C bis 250 °C eingesetzt werden können. For certain steam expansion engines (reciprocating engines) there are still no optimized working fluids that can be used in the temperature range from 80 ° C to 250 ° C.
Zu den am meisten beschriebenen Arbeitsmedien gehören die fluorierten Kohlenwasserstoffe. Ein wesentlicher Vorteil dieser Stoffe sind deren physikalische Eigenschaften. So sind diese Stoffe meist nicht brennbar und ungiftig. Nachteilig ist an solchen Substanzen, dass der Siedepunkt von fluorierten Kohlenwasserstoffen meist sehr niedrig ist, da diese meistens als Kältemittel entwickelt wurden und daher nur begrenzt für die Anwendung in einem ORC-System bei höheren Einsatztemperaturen geeignet sind. The most widely-used working media include fluorinated hydrocarbons. An essential advantage of these substances is their physical properties. So these substances are usually not flammable and non-toxic. A disadvantage of such substances is that the boiling point of fluorinated hydrocarbons is usually very low, since these were usually developed as a refrigerant and therefore are only suitable for use in an ORC system at higher temperatures.
Eine weitere große Gruppe von ORC-Arbeitsmedien bilden die Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Toluol, Pentan und Isobutan. Die Kohlenwasserstoffe sind als geeignete ORC-Arbeitsmedien sehr gut bekannt und werden in ORC-Maschinen verwendet. Allerdings müssen bei der Nutzung dieser Medien die physikalischen Eigenschaften beachtet werden. Nachteilig ist bei diesen Substanzen vor allem, dass diese meist brennbar und umweltgefährdend sind. Zudem haben sie meist eine hohe Klimaschädlichkeit.Another large group of ORC working media are the hydrocarbons, such as toluene, pentane and isobutane. The hydrocarbons are well known as suitable ORC working media and are used in ORC machines. However, the physical properties must be taken into account when using these media. The disadvantage of these substances, above all, that they are usually flammable and environmentally hazardous. In addition, they usually have a high climate damage.
Als bekannte ORC-Anwendung wird Ethanol zum Beispiel zurzeit in einem ORC-Dampfmotor der Firma DeVeTec GmbH als effizientestes Arbeitsmedium in einem Temperaturbereich beginnend ab circa 250 °C verwendet.As a known ORC application, for example, ethanol is currently used in an ORC steam engine from DeVeTec GmbH as the most efficient working medium in a temperature range beginning at about 250 ° C.
Da industrielle Abwärmeströme aber oft auf einem Temperaturniveau zwischen 80 °C und 250 °C vorliegen, kann ein Ethanol-basierter ORC-Prozess hier nicht wirtschaftlich betrieben werden. However, as industrial waste heat streams are often at a temperature level between 80 ° C and 250 ° C, an ethanol-based ORC process can not be economically operated here.
Im Lichte dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Arbeitsfluid für einen Organic Rankine Cycle (ORC) mit Dampfexpansionsmotor bei der Nutzung von Abwärmeströmen in erweiterten Temperaturbereichen zwischen 80 °C bis 250 °C, insbesondere von 80 °C bis 200 °C, besonders bevorzugt von 80 °C bis 150 °C bereit zu stellen. Dieser breite Temperaturbereich ergibt sich aus den verschiedenen Temperaturniveaus der Abwärmeströme. Während Abgase aus Biogas-, Biomasse-, oder Grubengasfeuerungen bei hohen Temperaturen im Bereich um 450 °C vorliegen, existieren im industriellen Umfeld viele Niedertemperaturströme im Bereich von 100 °C bis 200 °C, die an vielen Chemiestandorten nicht mehr genutzt werden können, deren Potenzial aber im Rahmen eines ORC-Kreislaufs noch gehoben werden kann. Dabei werden in Abhängigkeit der Anwendung unterschiedliche Arbeitsfluide genutzt.In the light of this prior art, it is an object of the invention, a working fluid for an Organic Rankine Cycle (ORC) with steam expansion motor in the use of waste heat streams in extended temperature ranges between 80 ° C to 250 ° C, in particular from 80 ° C to 200 ° C. , more preferably from 80 ° C to 150 ° C to provide. This broad temperature range results from the different temperature levels of the waste heat streams. While exhaust gases from biogas, biomass or CMM combustion at high temperatures in the range around 450 ° C exist in industrial environment many low-temperature currents in the range of 100 ° C to 200 ° C, which can no longer be used in many chemical sites, their Potential can still be raised in the context of an ORC cycle. Depending on the application, different working fluids are used.
Neben geeigneten thermodynamischen Eigenschaften (unter anderem thermische Stabilität, Verdampfungsenthalpie, Dampfdruck und Wärmekapazität) muss das Arbeitsmedium weitere Voraussetzungen wie eine geringe Toxizität und geringe Umweltauswirkungen (beispielsweise hinsichtlich der Unschädlichkeit für Ozonschicht und des Klimas) aufweisen, nicht entflammbar und nicht korrosiv gegenüber den Anlageteilen der Wärmekraftmaschine sein. In addition to suitable thermodynamic properties (including thermal stability, enthalpy of vaporization, vapor pressure and heat capacity), the working medium must meet other conditions such as low toxicity and low environmental impact (eg ozone and climate harmlessness), non-flammable and non-corrosive to the components of the system Be heat engine.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Arbeitsmedium bereitzustellen, das mit Wärmekraftmaschinen bei niedrigen Temperaturen mit hohem Wirkungsgrad einsetzbar ist. Gleichzeitig soll die Umweltverträglichkeit des Arbeitsmediums insbesondere hinsichtlich der Schädlichkeit für die Ozonschicht und das Klima gut sein. Ferner sollte das Arbeitsmedium die Bauteile einer solchen Wärmekraftmaschine möglichst wenig angreifen und korrodieren. Des Weiteren soll das Arbeitsmedium möglichst ungefährlich in der Anwendung sein, also möglichst schwer brennbar und nicht explosionsgefährlich sein.Another object of the present invention is therefore to provide a working medium which can be used with heat engines at low temperatures with high efficiency. At the same time, the environmental compatibility of the working medium should be good, in particular with regard to the harmfulness to the ozone layer and the climate. Furthermore, the working medium should attack the components of such a heat engine as little as possible and corrode. Furthermore, the working medium should be as safe as possible in the application, that is as difficult as possible flammable and not explosive.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nach folgenden Beschreibung, Beispiele und Ansprüche.Other tasks not explicitly mentioned arise from the overall context of the following description, examples and claims.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch eine Wärmekraftmaschine mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 9. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 werden in den Unteransprüchen 2 bis 8 unter Schutz gestellt. Ebenso wird eine zweckmäßige Abwandlung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine nach Anspruch 9 in den Unteransprüchen 10 bis 15 unter Schutz gestellt.These and other non-explicitly stated objects, which, however, are readily derivable or deducible from the contexts discussed hereinabove, are solved by a heat engine having all the features of
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden gelöst durch eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung eines Organic Rankine Cycle (ORC) aufweisend einen Verdampfer, einen Motor, einen Kondensator und einen Kreislauf enthaltend ein fluides Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium einen kritischen Druck (pc) zwischen 4000 kPa und 6500 kPa aufweist, bevorzugt zwischen 4200 kPa und 6300 kPa, das Arbeitsmedium eine kritische Temperatur (Tc) zwischen 450 K und 650 K aufweist, bevorzugt zwischen 460 K und 600 K, das Arbeitsmedium eine Molmasse zwischen 50 g/mol und 80 g/mol aufweist, bevorzugt zwischen 60 g/mol und 75 g/mol, und das gasförmige Arbeitsmedium bei einer adiabatischen Expansion teilweise auskondensiert.The objects underlying the present invention are achieved by a heat engine for performing an Organic Rankine Cycle (ORC) comprising an evaporator, a motor, a condenser and a circuit containing a fluid working medium, wherein the working fluid has a critical pressure (pc) between 4000 kPa and 6500 kPa, preferably between 4200 kPa and 6300 kPa, the working medium has a critical temperature (Tc) between 450 K and 650 K, preferably between 460 K and 600 K, the working medium has a molecular weight between 50 g / mol and 80 g / mol has, preferably between 60 g / mol and 75 g / mol, and partially condensed out the gaseous working medium in an adiabatic expansion.
Dabei kann vorgesehen sein, dass bei einer adiabatischen Expansion während eines Arbeitszyklus des ORC-Prozesses 1 % bis 30 % der Masse des Arbeitsmediums auskondensiert, bevorzugt 10 % bis 20 % der Masse des Arbeitsmediums auskondensiert. It can be provided that condenses during an adiabatic expansion during a cycle of the
In diesen Eigenschafts-Bereichen des Arbeitsmediums ist eine gute Funktionsweise des ORC-Prozesses und der Wärmekraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad möglich.In these properties ranges of the working medium, a good operation of the ORC process and the heat engine with high efficiency is possible.
Ferner kann erfindungsgemäß besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass das Arbeitsmedium Cyclopenten oder zumindest ein Alkylformiat oder eine Mischung daraus ist, bevorzugt ein Ameisensäuremethylester und/oder Ameisensäureethylester ist.Furthermore, it can be provided according to the invention particularly preferably that the working medium is cyclopentene or at least one alkyl formate or a mixture thereof, preferably a methyl formate and / or ethyl formate.
Diese Substanzen sind als Beispiele für geeignete Arbeitsmedien besonders gut als Arbeitsmedien für die vorgesehene Anwendung geeignet, wie später ausführlich gezeigt wird. These substances are particularly well suited as examples of suitable working media as working media for the intended application, as will be shown in detail later.
Mit einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Wärmekraftmaschine eine Expansionsmaschine ist, die bevorzugt einen Dampfexpansionsmotor mit Kolben als Motor aufweist oder die zumindest eine Turbine als aufweist.With a development of the invention it is proposed that the heat engine is an expansion engine, which preferably has a steam expansion engine with a piston as a motor or at least one turbine as having.
Der Motor kann also im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl durch einen Kolbenmotor als auch durch eine Turbine realisiert sein. Es sind auch andere Bauarten von Wärmekraftmaschinen als Motor einsetzbar, sofern sie in der Lage sind, die Expansionsarbeit des Arbeitsmediums in eine außerhalb des Prozesses nutzbare, mechanische Arbeit umzusetzen. So könnte auch ein Drehkolbenmotor eingesetzt werden. The engine can thus be realized in the sense of the present invention both by a piston engine and by a turbine. There are also other types of heat engines used as a motor, as long as they are able to implement the expansion work of the working medium in an exploitable outside the process, mechanical work. So could also be used a rotary engine.
Der Dampfexpansionsmotor mit linear bewegten Kolben ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, da dieser durch das nasse Verhalten des Arbeitsmediums auf einen Rekuperator verzichtet werden kann und dadurch die Umsetzung des ORC-Prozesses besonders kostengünstig durchführbar ist.The steam expansion motor with linearly moving piston is particularly preferred according to the invention, since it can be dispensed with by the wet behavior of the working medium on a recuperator and thus the implementation of the ORC process is particularly cost feasible.
Die von dem Motor gelieferte mechanische Arbeit kann direkt mechanisch genutzt werden oder mit Hilfe eines Generators in elektrischen Strom umgesetzt werden.The mechanical work delivered by the engine can be used directly mechanically or converted into electricity by means of a generator.
Auch kann vorgesehen sein, dass im Kreislauf der Wärmekraftmaschine eine Pumpe zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer angeordnet ist, mit der das fluide Arbeitsmedium vom Kondensator zum Verdampfer förderbar ist.It can also be provided that in the cycle of the heat engine, a pump between the condenser and the evaporator is arranged, with which the fluid working fluid from the condenser to the evaporator is conveyed.
Hierdurch wird sichergestellt, dass der ORC-Prozess gut anlaufen kann.This ensures that the ORC process can start well.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Kreislauf der Wärmekraftmaschine kein Rekuperator angeordnet ist.According to a particularly preferred embodiment of the invention can be provided that no recuperator is arranged in the cycle of the heat engine.
Der Verzicht auf einen Rekuperator (Wärmetauscher) ist durch die erfindungsgemäßen Arbeitsmedien möglich. Dadurch wird der Aufbau einfacher und kostengünstiger.The waiver of a recuperator (heat exchanger) is possible by the working media according to the invention. This makes the structure easier and less expensive.
Bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass die Abtragrate des Arbeitsmediums gegenüber unlegiertem Stahl bei 150 °C kleiner als 0,05 mm/a ist und/oder die Abtragrate des Arbeitsmediums gegenüber legiertem Stahl (1.4571) bei 150 °C kleiner als 0,005 mm/a ist.Preferably, it can also be provided that the removal rate of the working medium compared to unalloyed steel at 150 ° C is less than 0.05 mm / a and / or the removal rate of the working medium compared to alloyed steel (1.4571) at 150 ° C less than 0.005 mm / a is.
Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Wärmekraftmaschine langfristig mit dem Arbeitsmedium arbeiten kann.This can ensure that the heat engine can work long term with the working medium.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Arbeitsmedium im Temperaturbereich zwischen 70 °C und 200 °C bei zeitlichen Temperaturänderungen keine endotherme oder exotherme Reaktionen oder Phasenübergänge erster oder zweiter Ordnung aufweist, vorzugsweise auch nicht bei zehnmaliger Wiederholung eines Temperatur- Zeit-Profils zwischen 70 °C und 200 °C.Furthermore, it can be provided that the working medium in the temperature range between 70 ° C and 200 ° C with temporal temperature changes no endothermic or exothermic reactions or phase transitions first or second order, preferably not even ten times repetition of a temperature-time profile between 70 ° C and 200 ° C.
Solche Phasenübergänge könnten den ORC-Prozess stören.Such phase transitions could disrupt the ORC process.
Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden auch gelöst durch die Verwendung eines Arbeitsmediums mit einem kritischen Druck (pc) zwischen 4000 kPa und 6500 kPa, bevorzugt zwischen 4200 kPa und 6300 kPa, mit einer kritischen Temperatur (Tc) zwischen 450 K und 650 K, bevorzugt zwischen 460 K und 600 K und mit einer Molmasse zwischen 50 g/mol und 80 g/mol, bevorzugt zwischen 60 g/mol und 75 g/mol, in einer Wärmekraftmaschine, wobei das gasförmige Arbeitsmedium bei einer adiabatischen Expansion innerhalb eines Zyklus des ORC-Prozesses teilweise auskondensiert.The problems underlying the invention are also solved by the use of a working medium having a critical pressure (pc) between 4000 kPa and 6500 kPa, preferably between 4200 kPa and 6300 kPa, with a critical temperature (Tc) between 450 K and 650 K. between 460 K and 600 K and with a molar mass between 50 g / mol and 80 g / mol, preferably between 60 g / mol and 75 g / mol, in a heat engine, wherein the gaseous working medium partially condenses out with adiabatic expansion within one cycle of the ORC process.
Bevorzugt werden die Aufgaben der Erfindung gelöst durch die Verwendung von Alkylformiaten oder Cyclopenten oder Mischungen daraus als Arbeitsmedium in einer Wärmekraftmaschine.The objects of the invention are preferably achieved by the use of alkyl formates or cyclopentene or mixtures thereof as the working medium in a heat engine.
Dabei kann vorgesehen sein, dass als Alkylformiat Ameisensäuremethylester und/oder Ameisensäureethylester verwendet werden, bevorzugt Ameisensäuremethylester oder Ameisensäureethylester als Arbeitsmedium in der Wärmekraftmaschine verwendet werden.It may be provided that methyl formate and / or ethyl formate are used as the alkyl formate, preferably methyl formate or ethyl formate being used as the working medium in the heat engine.
Die erfindungsgemäße Verwendung ist einfach umsetzbar und daher kostengünstig in der Realisierung.The use according to the invention is easy to implement and therefore inexpensive to implement.
Als weiteres Kriterium kann zur Reduzierung der Energieverluste beim Wärmeübergang die Verwendung von Gemischen sehr vorteilhaft sein, da bei deren Verdampfung die Temperatur nicht konstant ist.As a further criterion, the use of mixtures can be very advantageous for reducing the energy losses during the heat transfer, since the evaporation of the temperature does not keep the temperature constant.
Bei erfindungsgemäßen Verwendungen kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Wärmekraftmaschine mit einem ORC-Prozess betrieben wird. Für ORC-Prozesse sind die betroffenen Substanzen und Klassen von Substanzen besonders gut geeignet.In applications according to the invention, it can preferably be provided that the heat engine is operated with an ORC process. For ORC processes, the substances and classes of substances involved are particularly well suited.
Ferner kann vorgesehen sein, dass als Wärmekraftmaschine eine Expansionsmaschine, bevorzugt ein Dampfexpansionsmotor mit Kolben oder zumindest eine Turbine als Motor verwendet wird.Furthermore, it can be provided that an expansion machine, preferably a steam expansion motor with a piston or at least one turbine, is used as the engine as the heat engine.
Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmekraftmaschine mit einer Wärmequelle in einem Niedertemperaturbereich zwischen 80 °C und 200 °C betrieben wird, bevorzugt zwischen 80 °C und 150 °C.Finally, it can also be provided that the heat engine is operated with a heat source in a low temperature range between 80 ° C and 200 ° C, preferably between 80 ° C and 150 ° C.
Die zur Verwendung vorgesehenen Arbeitsmedien sind für den Niedertemperaturbereich besonders gut geeignet.The intended for use working media are particularly well suited for the low temperature range.
Eine grundlegende Erkenntnis der besteht darin, dass es mit Arbeitsmedien, die über die geeigneten physikalischen Eigenschaften bezüglich dem kritischen Druck, der geeigneten Siedetemperatur und dem geeigneten Verhalten bei einer adiabatischen Expansion, nämlich dem teilweisen Kondensieren, verfügen, gelingt, einen ORC-Prozess in einer Wärmekraftmaschine durchzuführen, mit dem auch Abgasströme mit niedriger Temperatur zur Verstromung genutzt werden können, ohne dass dabei andere nachteilige Effekte auftreten.A fundamental finding is that working media that have the appropriate physical properties with respect to the critical pressure, the appropriate boiling temperature, and the appropriate behavior for adiabatic expansion, namely partial condensation, manages an ORC process in one Heat engine to be used with the low-temperature exhaust gas streams for power generation, without causing other adverse effects.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden somit neue, effiziente Arbeitsfluide beziehungsweise Arbeitsmedien für eine Wärmekraftmaschine entwickelt.In the context of the present invention, therefore, new, efficient working fluids or working media have been developed for a heat engine.
Um das Ziel der effizienten Nutzung von Abwärme zu erreichen wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Identifizierung und Entwicklung von Arbeitsmedien (beziehungsweise Arbeitsfluiden) für Niedertemperaturanwendungen durchgeführt, die sowohl unter thermodynamischen Gesichtspunkten maximale Wirkungsgrade ermöglichen, als auch unter sicherheitstechnischen und umweltrelevanten Aspekten ein Optimum bieten.In order to achieve the goal of efficient use of waste heat in the context of the present invention, an identification and development of working media (or working fluids) for low temperature applications were carried out, which allow both under thermodynamic aspects maximum efficiencies, and provide an optimum under safety and environmental aspects.
Dabei sind für die Eignung eines chemischen Stoffs als Arbeitsmedium besonders die folgenden Stoffdaten beziehungsweise Messgrößen von zentraler Bedeutung, die durch die dabei angegebenen abzuleitenden Größen und Zusammenhänge charakterisierbar sind.
- 1. Dampfdruck: • Charakterisierbar durch Temperatur- und Druckbereich des Prozesses (Niederoder Hochtemperatur) • Ableitung der Steigung der Sattdampflinie im T-S-Diagramm aus ΔhLV, cp, (2 Methoden) (nasses oder trockenes Fluid, Kondensation bei adiabatischer Expansion) • Große Verdampfungsenthalpie (großes Druckverhältnis von oberem zu unterem Prozessdruck) • Ableitungen der optimalen Prozessbedingungen
- 2. Wärmekapazität: • Ableitung der Steigung der Sattdampflinie im T-S-Diagramm aus ΔhLV, cp, (Investkosten Wärmeübertragungsfläche)
- 3. Thermische und chemische Stabilität: • Hohe thermische und chemische Stabilität (in Kontakt mit Stahl, Schmiermittel, Luft, Wasser)
- 4. Viskosität: • Generelle Anwendbarkeit, Pumpenarbeit, Wärmeübergang (Investkosten Wärmeübertrager)
- 5. Korrosivität: • Geringe Korrosionsneigung
- 6. Kritische Daten: • Kritische Temperatur, kritischer Druck und kritisches Volumen
- 7. Wärmeleitfähigkeit: • Wärmeübergang
- 8. Dichte: • Wärmeübergang • Apparatedimensionierung (Hohe Dampfdichte → geringes spezifisches Volumen → kleine Ströme)
- 9. Molmasse • Tendenziell gilt: Je größer die Moleküle sind, desto höher werden das kritische Volumen und die kritische Temperatur und desto schlechter wird die Hochtemperaturbeständigkeit
- 1. Vapor pressure: • Characterized by temperature and pressure range of the process (low or high temperature) • Derivation of the slope of the saturated steam line in the TS diagram from Δh LV , c p , (2 methods) (wet or dry fluid, condensation on adiabatic expansion) • High evaporation enthalpy (high pressure ratio from upper to lower process pressure) • Derivation of optimal process conditions
- 2. Heat capacity: • Derivation of the gradient of the saturated steam line in the TS diagram from Δh LV , c p , (investment costs heat transfer area)
- 3. Thermal and chemical stability: • High thermal and chemical stability (in contact with steel, lubricant, air, water)
- 4. Viscosity: • General applicability, pump work, heat transfer (Investkosten Wärmeübertrager)
- 5. Corrosivity: • Low tendency to corrosion
- 6. Critical data: • Critical temperature, critical pressure and critical volume
- 7. Thermal conductivity: • Heat transfer
- 8. Density: • heat transfer • device dimensioning (high vapor density → low specific volume → small currents)
- 9. Molecular Weight • The tendency is that the larger the molecules, the higher the critical volume and temperature, and the worse the high temperature resistance becomes
Dabei ist ΔhLV die Verdampfungsenthalpie bei konstantem Volumen, cp die Wärmekapazität bei konstantem Druck, Tc,Fluid die kritische Temperatur des Arbeitsmediums, TProzess die Prozesstemperatur, T die Temperatur und S die Entropie.Where Δh LV is the enthalpy of vaporization at constant volume, c p is the heat capacity at constant pressure, T c , fluid is the critical temperature of the working medium, T process is the process temperature, T is the temperature and S is the entropy.
Ein Vorteil einer mit einem erfindungsgemäßen Arbeitsmedium befüllten Wärmekraftmaschine (wie zum Beispiel der Kolbenexpansionsmaschine der Firma DeVeTec GmbH) besteht vor allem darin, dass sogenannte „nasse“ Arbeitsfluide verwendet werden, die ins Nassdampfgebiet entspannt werden können. Eine Rekuperation ist bei einem solchen Fluid nicht erforderlich, so dass der Maschine zur Durchführung des Prozesses dadurch deutlich vereinfacht werden kann.One advantage of a heat engine filled with a working medium according to the invention (such as, for example, the piston expansion machine of the company DeVeTec GmbH) consists in the fact that so-called "wet" working fluids are used, which can be expanded into the wet steam area. A recuperation is not required in such a fluid, so that the machine for performing the process can be significantly simplified.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und Diagramme zu der Erfindung anhand von acht schematisch dargestellten Figuren und Diagrammen erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt:In the following, embodiments of the invention and diagrams of the invention will be explained with reference to eight diagrammatically illustrated figures and diagrams, without, however, limiting the invention. Showing:
s
Bei dem dargestellten ORC-Prozess handelt es sich um einen einfachen thermodynamischen Kreisprozess, in dem ein Arbeitsmedium durch die Zufuhr von Wärme auf einem hohen Druckniveau verdampft und ggf. überhitzt wird. Der überhitzte Dampf wird in einem Motor (z. B. Turbine oder Kolbenmaschine) unter Abkühlung auf einen niedrigen Druck entspannt und leistet dabei Arbeit. Der aus dem Expander austretende Dampf kann noch überhitzt vorliegen oder bereits bis in das Nassdampfgebiet entspannt sein, so dass das Arbeitsmedium bereits anteilig als Flüssigkeit vorliegt. Die komplette Verflüssigung findet im Kondensator statt. Dabei wird der stromerzeugende Kreisprozess anstelle von Wasser mit einem organischen Arbeitsfluid betrieben, das die auf einem niedrigen Temperaturniveau anfallende Wärme thermodynamisch effizienter nutzen kann.The illustrated ORC process is a simple thermodynamic cycle in which a working fluid is vaporized by the supply of heat at a high pressure level and possibly overheated. The superheated steam is expanded in an engine (eg, turbine or piston engine) while cooling to a low pressure while doing work. The steam leaving the expander may still be superheated or may already be relaxed down to the wet steam area, so that the working medium is already proportionally present as a liquid. The complete liquefaction takes place in the condenser. It is the powered by an organic working fluid instead of water, which can use the heat generated at a low temperature level thermodynamically more efficient.
Zentrale Größe ist der Dampfdruck der Komponenten, der zunächst die generelle Einordnung für den Nieder- oder Hochtemperaturbereich ermöglicht. Effiziente Arbeitsfluide erlauben es, bei gegebener Temperatur von Wärmequelle und Wärmesenke ein möglichst großes Druckverhältnis von oberem zu unterem Prozessdruck zu realisieren. Diese Forderung lässt sich gut in einer logarithmischen Darstellung des Dampfdrucks über die negative reziproke absolute Temperatur zeigen, wie in
Die Zustandsänderungen des Arbeitsfluids im Kreisprozess lassen sich im Temperatur (T) – Entropie (S) Diagramm abbilden.
In bestimmten Fällen sind nasse Fluide als ORC-Medien vorteilhaft und daher bevorzugt, da diese einen Rekuperator (Wärmetauscher) verzichtbar machen. Die weiteren geforderten Eigenschaften (siehe oben) kommen erst nach dieser grundlegenden Forderung zum Tragen, sind dann aber nicht weniger von Bedeutung. Thermische und chemische Stabilität, niedrige Viskosität, keine Korrosivität, keine Toxizität, einfache Handhabbarkeit (Explosionsgrenzen außerhalb der Betriebsbedingungen, keine Entflammbarkeit) gehören zu den wichtigsten Anforderungen.In certain cases, wet fluids are advantageous as ORC media and therefore preferred because they make a recuperator (heat exchanger) dispensable. The other required properties (see above) come into play only after this basic requirement, but are no less important. Thermal and chemical stability, low viscosity, no corrosivity, no toxicity, ease of handling (explosion limits outside operating conditions, no flammability) are among the most important requirements.
Um den ORC Prozess wirtschaftlich zu betreiben, wird von den potentiellen Arbeitsmedien ein nasses bzw. isentropes Verhalten bevorzugt, um auf den Einsatz eines Rekuperators verzichten zu können. Ein Medium wird als nasses Fluid bezeichnet, wenn die Steigung der Taulinie im T-S-Diagramm negativ ist (
Dies führt bei einer isentropen Entspannung von der Taulinie ausgehend zur Bildung von Nassdampf. Bei einem senkrechten Verlauf der Taulinie spricht man von einem isentropen und bei einer positiven Steigung von einem trockenen Medium.This leads to the formation of wet steam in an isentropic release from the dew line. In a vertical course of the dew line is called an isentropic and a positive slope of a dry medium.
Um die thermodynamische Eignung neuer Arbeitsmedien im ORC-Prozess zu bewerten, wurde in dem Simulations-Computerprogramm „Aspen Plus“ ein Modell des Kreisprozesses erstellt, mit dem es möglich ist, den thermischen Wirkungsgrad in Abhängigkeit des verwendeten Mediums sowie der Temperatur der zur Verfügung stehenden Wärmequelle zu berechnen.In order to evaluate the thermodynamic suitability of new working media in the ORC process, a model of the cycle process was created in the simulation computer program "Aspen Plus", with which it is possible to determine the thermal efficiency depending on the medium used and the temperature of the available To calculate heat source.
Für die Simulation gelten folgende Randbedingungen die sich aus den von DeVeTec verwendeten Apparaten ergeben:
- • Wirkungsgrad der Pumpe: 65 %
- • Maximaler Druck 35 bar
- • Wirkungsgrad der Expansionsmaschine 88 %
- • Endbedingungen
1,1 bar oder 35 °Cder Expansion entweder - • Totale Kondensation ohne Unterkühlung
- • Pump efficiency: 65%
- • Maximum pressure 35 bar
- • Efficiency of the expansion machine 88%
- • Final conditions of expansion either 1.1 bar or 35 ° C
- • Total condensation without hypothermia
Als Freiheitsgrad ergibt sich somit die maximale Temperatur im Verdampfer. Die Simulationen wurden für verschiedene Temperaturen durchgeführt: 100 °C, 150 °C, 200 °C sowie 250 °C. Ausgewertet wurde für die verschiedenen Bedingungen der berechnete thermische Wirkungsgrad des Prozesses.The degree of freedom thus results in the maximum temperature in the evaporator. The simulations were carried out for different temperatures: 100 ° C, 150 ° C, 200 ° C and 250 ° C. The calculated thermal efficiency of the process was evaluated for the different conditions.
Der Wirkungsgrad ist allgemein definiert als:
- η
- - Wirkungsgrad
- QNutz
- - Nutzenergie
- Qzu
- - zugeführte Energie
- η
- - Efficiency
- Q utility
- - useful energy
- Q too
- - supplied energy
Im Falle des Organic-Rankine-Cycle-Prozesses (ORC-Prozesses) besteht der Nutzen aus der in der Expansionsmaschine gewonnenen Leistung. Der Aufwand setzt sich aus der Leistung der Pumpe und der zugeführten Wärme zusammen. In the case of the Organic Rankine Cycle (ORC) process, the benefit comes from the performance gained in the expander. The effort is composed of the power of the pump and the heat supplied.
Nach Auswertung der Simulationsrechnungen kann für die verschiedenen Betriebsbedingungen eine Aufstellung des theoretisch erzielbaren Wirkungsgrads erstellt werden. Als Referenzmedium wurde Ethanol definiert. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefundenen, besonders geeigneten Arbeitsmedien wurden für verschiedene Temperaturen mit dem Arbeitsmedium Ethanol verglichen. Allgemein ist zu bemerken, dass die Wahl des Arbeitsmediums von der zur Verfügung stehenden Wärmequelle abhängig ist. Je nach Verdampfertemperatur eignen sich einige Arbeitsmedien besser oder schlechter für den Einsatz als Arbeitsmedium in einer Wärmekraftmaschine. Tabelle 1: Wirkungsgrad bei folgenden max. Einsatztemperaturen
Im Vergleich zum Ethanol ergibt sich bei niedrigeren Einsatztemperaturen eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads. Für den Einsatz der ausgewählten, besonders geeigneten Stoffe erfolgten noch weitere Untersuchungen. Insbesondere die Stabilität der Stoffe bei der Einsatztemperatur wurde untersucht.Compared to ethanol, lower operating temperatures result in a significant improvement in the efficiency. Further investigations were carried out for the use of the selected, particularly suitable substances. In particular, the stability of the materials at the operating temperature was investigated.
Der Dampfdruck ist der Druck, der sich einstellt, wenn sich in einem abgeschlossenen System ein Dampf mit der zugehörigen flüssigen Phase im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Der Dampfdruck nimmt mit steigender Temperatur zu und ist abhängig vom vorliegenden Stoff bzw. Gemisch. Ist in einem offenen System der Dampfdruck einer Flüssigkeit gleich dem Umgebungsdruck, so beginnt die Flüssigkeit zu sieden.The vapor pressure is the pressure that occurs when, in a closed system, a vapor with the associated liquid phase is in thermodynamic equilibrium. The vapor pressure increases with increasing temperature and depends on the substance or mixture present. If, in an open system, the vapor pressure of a liquid is equal to the ambient pressure, the liquid begins to boil.
Der Dampfdruck ist eine der wesentlichen Stoffeigenschaften für die Auslegung und den Betrieb einer ORC-Anlage. Wegen den für den Dampfmotor definierten Betriebsbedingungen sollte der Dampfdruck einer geeigneten Flüssigkeit unterhalb von 35 bar liegen. Vapor pressure is one of the key material properties for the design and operation of an ORC system. Because of the operating conditions defined for the steam engine, the vapor pressure of a suitable liquid should be below 35 bar.
Die Ermittlung des Dampfdrucks der Arbeitsmedien erfolgt in einem geschlossenen und temperierten Hochdruck-Autoklav. Dabei wird die Flüssigkeit aufgeheizt und der Druck bei der eingestellten Temperatur gemessen. Je genauer die Messung dieser beiden Werte desto besser sind die ermittelten Daten des Dampfdrucks. Zum Vergleich der Literaturwerte können Berechnungen mit „Aspen Plus“ durchgeführt werden. Bei Abweichungen der Daten können dann eigene Messungen des Dampfdrucks durchgeführt werden.The determination of the vapor pressure of the working media takes place in a closed and tempered high-pressure autoclave. The liquid is heated up and the pressure is measured at the set temperature. The more accurate the measurement of these two values the better the data of the vapor pressure. To compare the literature values, calculations can be performed with "Aspen Plus". In case of deviations of the data then own measurements of the vapor pressure can be carried out.
Die spezifische Wärmekapazität gibt an, welche Wärmemenge einem Kilogramm oder einem Mol eines bestimmten Stoffs zugeführt werden muss, um seine Temperatur um ein Kelvin zu erhöhen. The specific heat capacity indicates which amount of heat must be supplied to one kilogram or one mole of a specific substance in order to increase its temperature by one Kelvin.
Diese stoffspezifischen Daten sind insbesondere für die Auslegung der wärmetechnischen Komponenten eines ORC-Systems erforderlich. Die experimentelle Ermittlung der Daten erfolgt in einem Kalorimeter. Die Wärmekapazität wird in der Regel mit Hilfe von DSC (Englisch: Differential Scanning Calorimetry) gemessen. These substance-specific data are required in particular for the design of the thermal components of an ORC system. The experimental determination of the data is done in a calorimeter. The heat capacity is usually measured by means of DSC (English: Differential Scanning Calorimetry).
Die Viskosität ist ein Maß für die Zähigkeit eines Fluids und hat einen Einfluss auf die Wärmeübertragung und die Pumpenleistung in einem ORC-System. Zum Vergleich hat Wasser bei 20 °C eine Viskosität von ca. 1 mPas, Speiseöle eine Viskosität von ca. 100 mPas und Honig eine von ca. 1000 mPas. Je geringer die Viskosität desto dünnflüssiger ist eine Flüssigkeit und umso schneller kann diese bei gleichen Bedingungen fließen. Deshalb sollten geeignete ORC-Arbeitsmedien eine geringe Viskosität von weniger als 10 mPas bei 20 °C besitzen. Viscosity is a measure of the toughness of a fluid and has an impact on heat transfer and pump performance in an ORC system. For comparison, water at 20 ° C has a viscosity of about 1 mPas, edible oils have a viscosity of about 100 mPas and honey one of about 1000 mPas. The lower the viscosity, the more fluid a liquid is and the faster it can flow under the same conditions. Therefore, suitable ORC working media should have a low viscosity of less than 10 mPas at 20 ° C.
Die ausgesuchten Arbeitsmedien haben alle eine recht geringe Viskosität, die mit der Viskosität von Wasser (ca. 1 mPas bei 20 °C) vergleichbar ist. In dem für ein ORC- System interessantem Bereich ab ca. 100 °C unterscheiden sich die Viskositäten der vorausgewählten Arbeitsmedien kaum noch voneinander.The selected working media all have a fairly low viscosity, which is comparable to the viscosity of water (about 1 mPas at 20 ° C). In the interesting range for an ORC system from about 100 ° C, the viscosities of the preselected working media hardly differ from each other.
Eine der weiteren wichtigen Stoffeigenschaften für die Auslegung eines thermodynamischen Kreisprozesses ist die Dichte der flüssigen und gasförmigen Phase des Arbeitsmediums.One of the other important material properties for the design of a thermodynamic cycle is the density of the liquid and gaseous phase of the working medium.
Die Dichte der Arbeitsmedien ist erforderlich für die Auslegung der Kreislaufpumpen. The density of the working media is required for the design of the circulation pumps.
Die Umrechnung vom Volumenstrom zum Massenstrom erfolgt mit der Dichte der Stoffe.The conversion from the volume flow to the mass flow takes place with the density of the substances.
Die Daten zu den genannten physikalischen Größen der verschiedenen Stoffe können der Literatur beziehungsweise Datenbanken zu den untersuchten Arbeitsmedien entnommen werden.The data on the mentioned physical quantities of the various substances can be found in the literature or databases on the examined working media.
Die Verdampfungsenthalpie ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um eine Flüssigkeit vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen. In dem umgekehrten Prozess, in dem das gasförmige Medium wieder verflüssigt wird, wird die Kondensationswärme abgegeben. Beide Größen sind für einen thermodynamischen Kreisprozess, in dem ständig eine Flüssigkeit verdampft und wieder kondensiert wird, von großer Bedeutung. The enthalpy of evaporation is the amount of heat needed to transfer a liquid from the liquid to the gaseous state. In the reverse process, in which the gaseous medium is re-liquefied, the heat of condensation is released. Both quantities are of great importance for a thermodynamic cyclic process in which a liquid is constantly evaporated and recondensed.
Die Verdampfungsenthalpie kann der Literatur entnommen werden oder wie schon die Wärmekapazität mittels kalorimetrischer Methoden (z. B. mittels DSC) gemessen werden.The evaporation enthalpy can be taken from the literature or, as already the heat capacity can be measured by calorimetric methods (eg by means of DSC).
Der Dampfdruck ist eine der wichtigsten physikalische Stoffeigenschaft eines Arbeitsmediums. Für die Auslegung eines ORC-Systems und die Validierung der Simulationsdaten ist eine genaue Kenntnis des Dampfdruckverlaufs erforderlich. Für deren experimentelle Ermittlung wurde eine Anlage aufgebaut, die eine genaue Messung in einem Absolutdruckbereich von 0 bar bis 100 bar und bei Temperaturen von 20 °C bis 400 °C ermöglicht. Da es keine verfügbaren, genauen Messeinrichtungen für einen so großen Messbereich gibt wurde die Anlage in drei Messbereiche unterteilt. In der folgenden Tabelle 2 sind die Zulassungsdaten der einzelnen Autoklaven zusammengefasst. Tabelle 2: Auslegungsparameter für den Dampfdruck-Messungs-Apparat
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wurden Drucksensoren verwendet (Fabrikat Endress & Hauser), die für den entsprechenden Druck und Temperaturbereich kalibriert worden sind. Die Beheizung der Autoklaven erfolgte mittels einer elektrischen Heizmanschette. Zur Temperaturregelung wurde die Temperatur in dem einzelnen Autoklav und in der Heizmanschette mittels präziser Ni-Cr- Temperatursensoren gemessen und miteinander verglichen. Zur Abdichtung der Autoklaven wurden spezielle Kupferrinde und eine Kupferpaste verwendet. Die Apparatur und die Leitungen wurden zur Reduzierung der Wärmeverluste und besserer Regelbarkeit vollständig isoliert. Die integrierte Vakuumpumpe ermöglicht Messungen im tiefen Vakuum. Das Vakuum ist insbesondere auch beim Wechsel der Fluide zur Reinigungszwecken und zur Spülung der Messeinrichtung mit Stickstoff zur Vermeidung von Ex-Atmosphäre erforderlich. Zur Aufnahme der Messwerte wurde eine automatische Messwerterfassung mit einer Abtastrate von einer Sekunde für die gesamte Dauer des Versuchs verwendet. Einen prinzipiellen schematischen Aufbau der Messeinrichtung zeigt
Die Inbetriebnahme und Eichung der Messeinrichtung erfolgte mit Ethanol und Wasser, wobei Ethanol für den Druckbereich bis 60 bar geeignet ist. Der Dampfdruck von Wasser wurde bei Drücken bis zu 100 bar gemessen. Die beiden Stoffe wurden auch deshalb verwendet, weil die Daten der Stoffe gut bekannt sind und zur Validierungszwecken der Apparatur herangezogen werden können. Es zeigte sich, dass die Abweichung unterhalb von 1 % der Absolutwerte liegt, so dass für die weiteren Untersuchungen eine geeignete Messmethode vorliegt. Auch im Hochdruckbereich konnte die Messeinrichtung mit den Daten von Wasser ausreichend validiert werden.Commissioning and calibration of the measuring system was carried out with ethanol and water, whereby ethanol is suitable for the pressure range up to 60 bar. The vapor pressure of water at pressures up to 100 bar measured. The two substances were also used because the data of the substances are well known and can be used for validation purposes of the equipment. It was found that the deviation is below 1% of the absolute values, so that a suitable measuring method is available for the further investigations. Even in the high-pressure area, the measuring system was sufficiently validated with the data from water.
Die tatsächliche Eignung als Arbeitsmedium hängt nicht nur von dem maximal erreichbaren Wirkungsgrad sondern auch im Wesentlichen von der Dauerstabilität der Stoffe im Einsatz ab. Bei einem thermischen Zerfall der Stoffe können unerwünschte Nebenprodukte entstehen, die z. B. zur Reduzierung des Dampfdrucks führen können oder zur Korrosion der in der Wärmekraftanlage verwendeten Materialien. In der ersten Vorauswahl wurden die Arbeitsmedien kurzzeitig beansprucht und auf mehrere Kriterien Untersucht. Hieraus konnten vier Stoffe für weitere Tests ausgesucht werden. In der zweiten Testphase wurde weitreichende Korrosions- und Materialverträglichkeitstest durchgeführt. In der dritten Testphase wurden Dauertests durchgeführt. Anschließend wurden die Arbeitsmedien in einer Wärmekraftmaschine unter realistischen Bedingungen getestet. The actual suitability as a working medium depends not only on the maximum achievable efficiency but also essentially on the long-term stability of the substances in use. In a thermal decomposition of the substances undesirable by-products may arise, the z. B. can lead to the reduction of the vapor pressure or corrosion of the materials used in the thermal power plant. In the first pre-selection, the working media were briefly claimed and examined on several criteria. From this four substances could be selected for further tests. In the second test phase, extensive corrosion and material compatibility tests were carried out. In the third test phase endurance tests were carried out. Subsequently, the working media were tested in a heat engine under realistic conditions.
Kenntnisse über die thermische Stabilität eines Stoffs sind generell unverzichtbar. Ein ungeprüfter Stoff kann während der Herstellung, im Lager und beim Transport durch zu hohe Temperaturen Qualitätseinbußen erleiden und unabsehbare Gefahren hervorrufen. Für die gesuchten Arbeitsmedien ist es wichtig, dass bei der Verwendung keine unerwünschten Zersetzungsprodukte entstehen, die den Betrieb der Anlage gefährden könnten. Knowledge about the thermal stability of a substance is generally indispensable. An unchecked fabric may suffer quality degradation and unpredictable hazards during manufacturing, storage and transport due to excessive temperatures. It is important for the working media that are sought to avoid undesirable decomposition products that could endanger the operation of the system.
Zur Ermittlung der thermischen Stabilität wurde das folgende Messprinzip verwendet:
Die Arbeitsmedien wurden in einen Autoklav bei Raumtemperatur eingefüllt, und mit Stickstoff inertisiert. Anschließend wurde die Temperatur des Mediums bis zu einer maximalen Einsatztemperatur erhöht und über einen längeren Zeitraum beibehalten. Der Dampfdruck des Stoffs wurde erstmals bei Raumtemperatur ermittelt, und mit Literaturwerten verglichen. Danach erfolgte eine kontinuierliche Ermittlung des Dampfdrucks in Abhängigkeit von Temperatur und eine dauerhafte Messung bei der maximalen Temperatur. Nach Beendigung des Versuchs wurde das Arbeitsmedium abgekühlt und mittels einer gaschromatographischen Messung analysiert. The following measuring principle was used to determine the thermal stability:
The working media were placed in an autoclave at room temperature and inertized with nitrogen. Subsequently, the temperature of the medium was increased to a maximum operating temperature and maintained over a longer period. The vapor pressure of the fabric was first determined at room temperature and compared with literature values. This was followed by a continuous determination of the vapor pressure as a function of temperature and a permanent measurement at the maximum temperature. After completion of the experiment, the working medium was cooled and analyzed by means of a gas chromatographic measurement.
Mit dem Gaschromatograph (GC) kann die Zusammensetzung von Stoffgemischen ermittelt werden. Als Ergebnis wird ein Chromatogramm erstellt, auf dem alle Stoffe eine eindeutige Zuordnung haben. Die Messung wird für einen unbehandelten und im Labor getesteten Stoff durchgeführt. Bei Entstehung von Zersetzungsprodukten werden diese dadurch eindeutig bestimmbar. Durch die Messung kann nicht nur die Art der Nebenprodukte bestimmt werden sondern auch deren prozentualer Anteil ermittelt werden.With the gas chromatograph (GC) the composition of substance mixtures can be determined. As a result, a chromatogram is created on which all substances have a clear assignment. The measurement is performed for an untreated and laboratory tested substance. When decomposition products are formed, they can be clearly determined. By measuring not only the type of by-products can be determined but also their percentage determined.
Eine weitere Methode zur Ermittlung der thermischen Stabilität ist die dynamische Differenzkalorimetrie (englisch: DSC – Differential Scanning Calometry). Diese Methode wurde für die Bestimmung der Stabilität bei mehreren Zyklen verwendet.Another method for determining the thermal stability is differential scanning calorimetry (DSC - Differential Scanning Calometry). This method was used to determine stability in multiple cycles.
Bei der DSC werden zwei geschlossene Tiegeln (erster Tiegel mit ca. 10 mg Probe und zweiter leerer Tiegel als Referenz) mit einer vorbestimmten Aufheizungsrate (hier 10 Kelvin/Minute) bis zu ein Zieltemperatur (hier bis 200 °C) aufgeheizt. Beide Tiegel werden dem gleichen Temperaturprogramm ausgesetzt. Die Energieaufnahme oder -abnahme wird während der Aufheizung analysiert. In Abhängigkeit der Wärmekapazität der Probe oder exothermen und endothermen Prozessen in der Probe wie Schmelzen oder Verdampfen ändert sich die Energiebilanz im Vergleich zur leeren Probe. Nach der Aufheizung wird die Probe bei einer konstanten, maximalen Temperatur gehalten. Bei einer thermisch stabilen Substanz ergibt sich in dieser Zeit keine Energieänderung. Eine Zersetzung des Stoffs wird durch eine Änderung des Energieaufnahme oder Energieabnahme beobachtet. In the DSC, two closed crucibles (first crucible with approx. 10 mg sample and second empty crucible as reference) are heated up to a target temperature (in this case up to 200 ° C) at a predetermined heating rate (here 10 Kelvin / minute). Both crucibles are exposed to the same temperature program. The energy intake or decrease is analyzed during heating. Depending on the heat capacity of the sample or exothermic and endothermic processes in the sample, such as melting or evaporation, the energy balance changes compared to the empty sample. After heating, the sample is kept at a constant, maximum temperature. In a thermally stable substance results in no change in energy during this time. Decomposition of the substance is observed by a change in energy uptake or energy decrease.
Zur Bestätigung der Reproduzierbarkeit der Messung wurden mehrere Zyklen pro Medium durchgerührt. Die Zersetzungsprodukte können nämlich auch erst nach einer längeren Betriebszeit und mehreren Zyklen auftreten.To confirm the reproducibility of the measurement, several cycles per medium were stirred. The decomposition products can namely occur only after a longer operating time and several cycles.
Da die ausgewählten Arbeitsmedien ein korrosives Verhalten auf die verwendeten Materialien des ORC-Motors haben könnten, wurden umfangreiche Untersuchungen des Korrosionsverhaltens durchgeführt. Hierzu wurden sowohl metallische als auch nicht metallische (im wesentlichen Elastomerwerkstoffe der Dichtungen) definiert und in Verbindung mit den Einzelnen Medien untersucht. Since the selected working media could have a corrosive behavior on the used materials of the ORC engine, extensive investigations of the corrosion behavior were carried out. For this purpose, both metallic and non-metallic (essentially elastomeric materials of the seals) were defined and investigated in connection with the individual media.
Für metallische Werkstoffe wurden Proben mit definierten Abmessungen erstellt. Zur Ermittlung der Abtragraten wurden die Metallstreifen abgewogen und in einem Hochdruckautoklav in dem jeweiligen Fluid vollständig eingetaucht. Die Autoklaven wurden verschlossen, inertisiert und auf eine definierte Temperatur gebracht und bei dieser Temperatur über eine längere Zeit gehalten. Danach wurden die Metallstreifen wieder herausgenommen, gereinigt und für die Bestimmung der Abtragrate gewogen. Zur Ermittlung einer möglichen lokalen Korrosion wurden die einzelnen Proben mikroskopisch untersucht. For metallic materials, samples were created with defined dimensions. To determine the removal rates, the metal strips were weighed and completely immersed in a high-pressure autoclave in the respective fluid. The autoclaves were sealed, rendered inert and brought to a defined temperature and held at this temperature for a longer time. Thereafter, the metal strips were taken out again, cleaned and weighed for the determination of the removal rate. To determine a possible local corrosion, the individual samples were examined microscopically.
Zur Untersuchung des Korrosionsverhaltens der Arbeitsmedien gegenüber nichtmetallischer Werkstoffe wurden die folgenden Untersuchungen durchgeführt:
Die langfristige thermische Stabilität ist für eine einwandfreie Funktion eines ORC-Systems entscheidend. Arbeitsmedien können jedoch durch den Einsatz bei hohen Temperaturen zersetzt werden. Daher muss von einem Einsatz eines neuen Arbeitsmediums dessen Stabilität nachgewiesen werden. Die Versuche hierzu erfolgten in einem Hochdruckautoklav mit dem Ziel die höchstmögliche Einsatztemperatur von jedem Medium zu erfassen. Die Versuchstemperatur und Versuchsdruck wurden gemessen. Bei einer Zersetzung des Fluids ändert sich auch der Dampfdruck. Diese Änderung kann wiederum anhand der Messwerte beobachtet werden. Die Zersetzungsprodukte wurden in einem Gas-Chromatographen analysiert und mit dem Ausgangsprodukt verglichen. To investigate the corrosion behavior of the working media compared to non-metallic materials, the following investigations were carried out:
Long-term thermal stability is critical to the proper functioning of an ORC system. However, working media can be decomposed by use at high temperatures. Therefore, the stability of a new working medium must be proven. The experiments were carried out in a high pressure autoclave with the aim to capture the highest possible operating temperature of each medium. The test temperature and test pressure were measured. Upon decomposition of the fluid, the vapor pressure also changes. This change can again be observed from the measured values. The decomposition products were analyzed in a gas chromatograph and compared with the starting product.
In
Alle potentiellen Arbeitsmedien wurden auf diese Weise für die Einsatztemperaturen von 150 °C bis 200 °C untersucht. Ein ähnliches Verhalten wie Methylformiat zeigt auch Ethylformiat (
Die Arbeitsmedien Methylformiat, Ethylformiat und Cyclopenten sind beispielsweise aufgrund dieser Untersuchungen besonders vorteilhaft. In den erweiterten Untersuchungen wurde die thermische Stabilität der vorausgewählten Arbeitsmedien in einem längeren Versuch von zwei Monate Dauer getestet. The working media methyl formate, ethyl formate and cyclopentene, for example, due to these studies are particularly advantageous. In the extended studies, the thermal stability of the preselected working media was tested in a longer trial lasting two months.
Die getesteten Arbeitsmedien wurden bei einer Betriebstemperatur von 150 °C in Hochdruckautoklaven gelagert. Zur Bestimmung der thermischen Stabilität wurden alle Proben nach dem Versuch mittels einer GC-Analyse auf deren Zersetzungsrate untersucht. Die Ergebnisse dieser Analyse wurden in Tabelle 3 zusammengefasst. Die maximale Zersetzung der Arbeitsmedien Methylformiat, Ethylformiat und Cyclopenten betrug ca. 2 % und liegen damit in einem technisch akzeptablen Bereich. Tabelle 3: Reinheits- und Zersetzungsgrad der Arbeitsmedien nach einer 2wöchigen thermischen Belastung.
In den folgenden Untersuchungen sollte geprüft werden inwieweit die verwendeten Arbeitsmedien ein korrosives Verhalten gegenüber den typischer weise in Wärmekraftmaschinen verwendeten Werkstoffen besitzen. In den Korrosionsversuchen wurden folgende Werkstoffe getestet: unlegierter Stahl (P265GH) und legierter Stahl (1.4571), inklusive einer Schweißnaht. Die Werkstoffe wurden als Blech (90 mm×10 mm×6 mm) eingesetzt. Die Probekörper wurden in einem werkstofftechnischen Labor gewogen und lichtmikroskopisch charakterisiert. Der Versuch erfolgte danach in der bereits beschriebenen Apparatur zur Dampfdruckmessung. Nach der Probenauslagerung erfolgte die Auswertung wieder in dem werkstofftechnischen Labor. In der Tabelle 4 sind die Ergebnisse der ersten Korrosionsuntersuchung dargestellt. Tabelle 4: Prüfergebnisse und Beurteilung der Korrosionsversuche
Obwohl im Rahmen der lichtmikroskopischen Begutachtung keine Lokalkorrosion und Risse festgestellt wurden, erfolgte zusätzlich an dem Werkstoff 1.4571 eine Rissprüfung mit Hilfe des Eindringverfahrens. Auch hierbei wurden keine Risse festgestellt. Die technische Beständigkeitsgrenze metallischer Werkstoffe liegt bei einer Abtragrate von ≤ 0,1 mm/anno. Darüber hinaus dürfen keine lokalen Korrosionsangriffe festgestellt werden, da diese eine technische Beständigkeit der Werkstoffe ausschließen. Demnach sind die zwei geprüften Werkstoffklassen unter den genannten Versuchsbedingungen bei 150 °C gegenüber den bevorzugten Arbeitsmedien Methylformiat, Ethylformiat und Cyclopentene als technisch beständig einzustufen und also die drei Arbeitsmedien grundsätzlich geeignet.Although no local corrosion and cracks were detected in the course of the light microscopic examination, a crack test was additionally performed on the material 1.4571 with the aid of the penetration method. Again, no cracks were found. The technical resistance limit of metallic materials lies at a removal rate of ≤ 0.1 mm / anno. In addition, no local corrosion attacks may be detected, as these preclude a technical resistance of the materials. Accordingly, the two classes of materials tested under the experimental conditions mentioned above at 150 ° C compared to the preferred working media methyl formate, ethyl formate and cyclopentenes are classified as technically resistant and therefore the three working media basically suitable.
Zyklische Stabilitätsversuche, die mit dem beschriebenen DSC-Verfahren durchgeführt wurden, zeigten keine Verschlechterung beziehungsweise Veränderung der Arbeitsmedien (Methylformiat, Ethylformiat und Cyclopenten). Beispielhaft sind hierzu die zyklischen DSC-Kurven von Ethylformiat in
Durch Messungen des Wirkungsgrads des Kreisprozesses mit den ausgewählten Arbeitsmedien (Methylformiat (Ameisensäuremethylester), Ethylformiat (Ameisensäureethylester) und Cyclopenten) und durch die oben genannten Versuche wurde festgestellt, dass sich Fluide dann besonders gut für die Verwendung in der Wärmekraftmaschine eignen, wenn der kritische Druck pC zwischen 4000 kPa und 6500 kPa, insbesondere zwischen 4200 kPa und 6300 kPa liegt, besonders bevorzugt zwischen 4700 kPa und 6000 kPa, die Fluide eine kritische Temperatur (Tc) zwischen 450 K und 650 K, bevorzugt zwischen 460 K und 600 K aufweisen, besonders bevorzugt zwischen 475 K und 510 K, und die Fluide eine Molmasse zwischen 50 g/mol und 80 g/mol, bevorzugt zwischen 60 g/mol und 75 g/mol. Solche Fluide sind mit hohem Wirkungsgrad auch bei niedrigen Temperaturen des zu nutzenden Abgases beziehungsweise bei niedriger Temperatur des Verdampfers verwendbar. Es hat sich zur Vereinfachung des Aufbaus der Wärmekraftmaschine gezeigt, dass auf die Verwendung eines Rekuperators (Wärmetauschers) verzichtet werden kann, wenn ein „nasses“ Arbeitsmedium verwendet wird. Das Arbeitsmedium wird als „nasses“ Arbeitsmedium bezeichnet, wenn das gasförmige Arbeitsmedium bei einer adiabatischen Expansion teilweise auskondensiert.By measuring the efficiency of the cyclic process with the selected working media (methyl formate (methyl formate), ethyl formate (ethyl formate) and cyclopentene) and by the above experiments, it was found that fluids are particularly well suited for use in the heat engine when the critical pressure p C is between 4000 kPa and 6500 kPa, in particular between 4200 kPa and 6300 kPa, more preferably between 4700 kPa and 6000 kPa, the fluids have a critical temperature (T c ) between 450 K and 650 K, preferably between 460 K and 600 K. , more preferably between 475 K and 510 K, and the fluids have a molecular weight between 50 g / mol and 80 g / mol, preferably between 60 g / mol and 75 g / mol. Such fluids can be used with high efficiency even at low temperatures of the exhaust gas to be used or at low temperature of the evaporator. It has been shown to simplify the construction of the heat engine that the use of a recuperator (heat exchanger) can be dispensed with when a "wet" working medium is used. The working medium is referred to as a "wet" working medium when the gaseous working medium partially condenses out in an adiabatic expansion.
Diese Kriterien werden von den bevorzugten Arbeitsmedien Methylformiat, Ethylformiat und Cyclopenten gut erfüllt. So liegt die kritische Temperatur (Tc) von Methylformiat bei 487 K, von Ethylformiat bei 508 K und von Cyclopenten bei 507 K. Der kritische Druck pC von Methylformiat liegt bei 5998 kPa, der von Ethylformiat liegt bei 4742 kPa und der von Cyclopenten liegt bei 4820 kPa. Die Molmasse von Methylformiat liegt bei 60 g/mol, von Ethylformiat bei 68 g/mol und von Cyclopenten bei 74 g/mol. Alle diese drei Arbeitsmedien kondensieren teilweise bei einer adiabatischen Expansion, so dass auf einen Rekuperator im Kreislauf des ORC verzichtet werden kann.These criteria are well met by the preferred working media methyl formate, ethyl formate and cyclopentene. Thus, the critical temperature (T c ) of methyl formate is 487 K, ethyl formate 508 K and cyclopentene 507 K. The critical pressure p C of methyl formate is 5998 kPa, that of ethyl formate is 4742 kPa and that of cyclopentene is 4820 kPa. The molecular weight of methyl formate is 60 g / mol, of ethyl formate at 68 g / mol and of cyclopentene at 74 g / mol. All of these three working media partly condense on adiabatic expansion, so that a recuperator in the circulation of the ORC can be dispensed with.
Gemäß den Simulationsbedingungen ist der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Arbeitsmedien in einer Wärmekraftmaschine bei einer Abgastemperatur (Verdampfertemperatur) zwischen 80 °C und 200 °C besser als bekannte Arbeitsmedien für Wärmekraftmaschinen, wie beispielsweise Ethanol verwendeten Ethanols. Diese Ergebnisse konnten für Methylformiat experimentell in einem ORC-Motor (Kolbenexpansionsmaschine) der Firma Devetec GmbH bestätigt werden. Mit den erfindungsgemäßen Arbeitsmedien wird also eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Wärmekraftmaschinen bei Temperaturen zwischen 80 °C und 200 °C erreicht, insbesondere zwischen 80 °C und 150 °C. According to the simulation conditions, the efficiency of the working fluids of the invention in a heat engine at an exhaust gas temperature (evaporator temperature) is between 80 ° C and 200 ° C better than known working media for heat engines, such as ethanol used ethanol. These results could be confirmed experimentally for methyl formate in an ORC engine (piston expansion machine) of the company Devetec GmbH. With the working media according to the invention, therefore, an improvement in the efficiency of the heat engine is achieved at temperatures between 80 ° C and 200 ° C, in particular between 80 ° C and 150 ° C.
Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, as well as the claims, figures and embodiments may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
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