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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) zur Umwandlung einer Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, bei dem ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert. Die Vorrichtung umfasst einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene Turbine, einen stromabwärts gelegenen Kondensator, eine stromabwärts gelegene Speisepumpe und eine Rückführung zum Verdampfer. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Umwandlung einer Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, bei dem ein Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert und der Kreislauf einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene Turbine, einen stromabwärts gelegenen Kondensator, eine stromabwärts gelegene Speisepumpe und eine Rückführung zum Verdampfer umfasst.
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Stand der Technik
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Anlagen zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC-Anlagen) der oben genannten Art sind grundsätzlich bekannt. Der Organic Rankine Cycle ist ein Verfahren zum Betrieb von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel/Arbeitsmedium als Wasserdampf. ORC-Anlagen werden typischerweise mittels Wärmeträgermedien (insbesondere Thermo-Öl) gespeist, wobei einem ORC-Arbeitsmittel für den ORC-Kreisprozess über den Wärmeträger Wärme zugeführt wird, wodurch dieses erhitzt und letztlich verdampft wird. Das verdampfte Arbeitsmittel wird in an sich bekannter Weise in einer Turbine entspannt, kondensiert, zum Verdampfer gefördert und wiederum verdampft.
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Bei einem OCR-Prozess werden in der Regel Fluide mit ”steigender Sattdampfkurve” eingesetzt. Die Expansion in der Turbine verläuft dabei von der Grenzkurve ”ins Trockene”. Vor der Wärmeabfuhr im Kondensator wird dem Arbeitsmedium zunächst Wärme bei gasförmigem Zustand entzogen. Die spezifischen Volumina des Arbeitsmediums sind dabei sehr hoch, was sehr ungünstige Bedingungen für die Wärmeübertragung schafft. Um diese Wärme mit Rücksicht auf den Gesamtwirkungsgrad bei geringen Strömungsverlusten abzuführen, sind große Querschnitte erforderlich, welche eine geringe Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums erlauben. Die Folge sind große, teure Strömungswege, insbesondere im Wärmetauscher. Die Fertigung sehr großer Wärmetauscher (Rekuperatoren) verursachen jedoch einen erblichen Teil der Gesamtkosten einer ORC-Anlage. Darüber hinaus begrenzen sie die maximale Leistung/Größe der ORC-Anlage, wenn sie in einem Stück transportiert werden sollen.
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DE 10 2007 009 503 A1 offenbart einen ORC-Kreislauf. Dabei wird ein ORC-Arbeitsfluid mit mindestens zwei Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur vorgewärmt und verdampft. Das dampfförmige ORC-Arbeitsfluid wird dann in mindestens zwei Arbeitsstufen entspannt und zwischen zwei Arbeitsstufen mindestens einmal enthitzt. Die resultierende Enthitzungswärme wird zur Vorwärmung des ORC-Arbeitsfluides nach einer ersten Vorwärmung durch eine niedertemperaturige Wärmequelle und vor der Verdampfung durch eine höhertemperaturige Wärmequelle zugeführt.
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DE 20 2007 012 871 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels eines ORC-Prozesses. Bei dieser Vorrichtung ist ein erster Kreislauf mit einem zweiten Kreislauf derart gekoppelt, dass der zweite Kreislauf einen Arbeitsmittelteilstrom umfasst, der aus dem ersten Kreislauf abgezweigt ist. Wenigstens ein weiterer Kreislauf ist vorgesehen, der mit einem vorgeordneten Kreislauf derart gekoppelt ist, dass der weitere Kreislauf einen Arbeitsmittelteilstrom umfasst, der aus dem vorgeordneten Kreislauf abgezweigt ist.
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US 2013/0341929 A1 offenbart ein System zum Durchführen eines ORC-Prozesses. Das System enthält eine Pumpe, einen Wärmetauscher, einen Verdampfer, eine Hochdruck-Turbine, ein Drosselventil, einen Mischer, eine Niederdruck-Turbine und einen Kondensator. Der Wärmetauscher ist mit einem Auslass der Pumpe verbunden. Der Verdampfer ist mit einem Auslass des Wärmetauschers verbunden. Die Hochdruck-Turbine ist mit einem Dampfauslass des Verdampfers verbunden. Das Drosselventil ist mit einem Flüssigkeitsauslass des Verdampfers verbunden. Der Mischer ist mit einem Auslass des Drosselventils und mit einem Auslass der Hochdruck-Turbine verbunden. Die Niederdruck-Turbine ist mit einem Auslass des Mischers verbunden. Der Kondensator ist mit einem Auslass der Niederdruck-Turbine und mit einem Einlass der Pumpe verbunden.
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US 8,438,849 B2 offenbart ein thermodynamisches System zum Rückgewinnen von Abwärme, welches aufweist eine Hochdruck-Turbine und eine Niederdruck-Turbine, wobei die Hochdruck-Turbine einen Hochdruck-Arbeitsfluid-Dampf empfängt, die Niederdruck-Turbine einen Niederdruck-Arbeitsfluid-Dampf empfängt und die Hochdruck-Turbine außerdem einen Niederdruck-Arbeitsfluid-Dampf der Niederdruck-Turbine zuführt. Ein Rekuperator empfängt einen Arbeitsfluid-Dampf von der Niederdruck-Turbine. Der Rekuperator produziert ein erwärmtes Kondensat, wobei zumindest ein Teil davon einem Hochdruck-Verdampfer zugeführt wird. Der Hochdruck-Verdampfer ist konfiguriert, um von einer Hochtemperatur-Wärmequelle Wärme zu empfangen und um einen Hochdruck-Arbeitsfluid-Dampf zu produzieren, welcher die Hochdruck-Turbine antreibt. Das verbleibende kondensierte Fluid wird einem Niederdruck-Verdampfer zugeführt, welcher konfiguriert ist, um Wärme von einer Niedertemperatur-Wärmequelle zu empfangen und dadurch einen Niederdruck-Arbeitsfluid-Dampf zu erzeugen, welcher verwendet wird, um die Niederdruck-Turbine anzutreiben.
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US 2011/0259010 A1 offenbart ebenfalls ein thermodynamisches System zum Rückgewinnen von Abwärme, welches mit einem organischen Fluid betrieben wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren für einen ORC-Kreisprozess anzugeben. Insbesondere soll der Einsatz vergleichsweise kleiner Wärmetauscher beziehungsweise Rekuperatoren und damit eine Reduktion der Kosten einer ORC-Anlage respektive deren Leistungssteigerung bei einfachem Transport der Anlagenkomponenten ermöglicht werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der
- a) die erste Turbine mehrstufig ausgeführt ist und wenigstens zwei Turbinenstufen je ein erster und zweiter Rekuperator nachgeschaltet ist oder
- b) dass der ersten Turbine ein erster Rekuperator nachgeschaltet und wenigstens einer weiteren stromabwärts gelegenen zweiten Turbine ein zweiter Rekuperator nachgeschaltet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Arbeitsmittel
- a) nach dem Passieren einer ersten Turbinenstufe der ersten Turbine einen ersten Rekuperator, eine zweite Turbinenstufe und einen zweiten Rekuperator passiert oder
- b) nach dem Passieren der ersten Turbine einen ersten Rekuperator, eine zweite Turbine und einen zweiten Rekuperator passiert.
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Auf diese Weise wird bereits zwischen den einzelnen Expansionsschritten Wärme abgeführt, wodurch die Zustandsänderung des Arbeitsmediums nahe der Sattdampfkurve verläuft und die Ausbildung sehr großer spezifischer Volumina vermieden wird. Damit kann ein Teil der Wärme bei deutlich günstigeren Bedingungen abgeführt werden. Beispielsweise sinkt die Wärmeübertragungsfläche bei vergleichbaren Verlusten, wodurch die Baugröße von Anlagenkomponenten, insbesondere der Rekuperatoren, entsprechend verringert werden kann. Dies geht wiederum mit Vorteilen hinsichtlich der Kosten, der Fertigung und der Handhabbarkeit einher. Weiterhin kann eine bessere Anpassung des Kreisprozesses respektive der Turbine(n) erfolgen, indem diese mehrstufig ausgeführt werden und/oder mehrere Turbinen hintereinander geschaltet werden. Insgesamt kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen der Gesamtwirkungsgrads des Kreisprozesses verbessert werden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung von nur zwei Turbinen/Turbinenstufen und Rekuperatoren beschränkt, sondern es können auch mehr als zwei Turbinen/Turbinenstufen und Rekuperatoren vorgesehen sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
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Vorteilhaft ist es, wenn der ersten Turbine/Turbinenstufe ein erster Durchfluss des ersten Rekuperators im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert ist und einem zweiten Durchfluss des genannten Rekuperators, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist, der Speisepumpe stromabwärts nachgelagert ist. Auf diese Weise kann die im ersten Rekuperator gewonnene Energie für die erneute Erwärmung des kondensierten Arbeitsmittels eingesetzt werden.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der zweiten Turbine/Turbinenstufe ein erster Durchfluss des zweiten Rekuperators im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert ist und einem zweiten Durchfluss des genannten Rekuperators, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist, der Speisepumpe stromabwärts nachgelagert ist. Auf diese Weise kann auch die im zweiten Rekuperator gewonnene Energie für die erneute Erwärmung des kondensierten Arbeitsmittels eingesetzt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es in obigem Zusammenhang, wenn der erste Durchfluss des zweiten Rekuperators dem ersten Durchfluss des ersten Rekuperators im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert ist und dass der zweite Durchfluss des zweiten Rekuperators dem zweiten Durchfluss des ersten Rekuperators im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts vorgelagert ist. Dadurch wird eine besonders hohe Temperaturerhöhung des kondensierten Arbeitsmediums erreicht.
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Günstig ist es, wenn die erste Turbine/Turbinenstufe und die zweite Turbine/Turbinenstufe auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise einfacher mechanischer Aufbau und die Möglichkeit zur Verwendung eines einzigen Generators. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht an die Verwendung eines Generators gebunden, sondern die über die Turbinen erzeugte Energie kann auch direkt mechanisch genutzt oder in eine andere Energieform umgewandelt werden.
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Günstig ist es aber auch, wenn die erste Turbine/Turbinenstufe und die zweite Turbine/Turbinenstufe auf verschiedenen Wellen angeordnet sind. Dadurch können die Turbinen/Turbinenstufen besonders gut an den Kreisprozess angepasst werden, da die Turbinen/Turbinenstufen mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen können.
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Günstig es in obigem Zusammenhang schließlich auch, wenn die Wellen miteinander gekoppelt sind, beispielsweise über ein Getriebe. Dadurch können die Turbinen/Turbinenstufen mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen, jedoch ist es möglich nur eine einzige Abtriebswelle und demzufolge nur einen einzigen Generator vorzusehen. Auch hier kann die mit den Turbinen erzeugte Energie direkt mechanisch genutzt oder in eine andere Energieform umgewandelt werden.
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An dieser Stelle wird angemerkt, dass sich die zur erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbarten Varianten und die sich daraus ergebenen Vorteile gleichermaßen auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehen und umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer ORC-Anlage mit mehreren je einer Turbine/Turbinenstufe nachgeschalteten Rekuperatoren und
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2 zeigt ein beispielhaftes Temperatur-Entropie-Diagramm des mit der Anlage aus 1 ausgeführte Kreisprozess.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Umwandlung einer Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, bei dem ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Verdampfer 2 zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene erste Turbine 3, einen stromabwärts gelegenen ersten Rekuperator 4, eine stromabwärts gelegene zweite Turbine 5, einen stromabwärts gelegenen zweiten Rekuperator 6, einen Wärmetauscher 7, einen Kondensator 8, eine Speisepumpe 9, und eine Rückführung zum Verdampfer 2. Weiterhin zeigt die 1 einen mit den Turbinen 3, 5 gekoppelten Generator 10 sowie einen mit der Speisepumpe 9 gekoppelten Motor 11 zum Antrieb derselben.
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In diesem Beispiel ist der ersten Turbine 3 ein erster Durchfluss des ersten Rekuperators 4 (nämlich der in der 1 vertikal verlaufende Durchfluss) im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert. Weiterhin ist einem zweiten Durchfluss des genannten Rekuperators 4 (nämlich der in der 1 horizontal verlaufende Durchfluss), welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist, der Speisepumpe 9 stromabwärts nachgelagert. In diesem Beispiel ist darüber hinaus der zweiten Turbine 5 analog ein erster Durchfluss des zweiten Rekuperators 6 im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert, und einem zweiten Durchfluss des genannten Rekuperators 6, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist, ist der Speisepumpe 9 stromabwärts nachgelagert. Dadurch kann die in den Rekuperatoren 4, 6 gewonnene Energie im ORC-Kreislauf eingesetzt werden. Prinzipiell wäre aber natürlich auch denkbar, die in den Rekuperatoren 4, 6 gewonnene Energie außerhalb des ORC-Kreislaufs einzusetzen.
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Konkret ist der erste Durchfluss des zweiten Rekuperators 6 dem ersten Durchfluss des ersten Rekuperators 4 im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert, und der zweite Durchfluss des zweiten Rekuperators 6 ist dem zweiten Durchfluss des ersten Rekuperators 4 im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts vorgelagert. Dadurch kann das kondensierte Arbeitsmittel mit Hilfe der Rekuperatoren 4, 6 vor dem Verdampfer 2 auf eine vergleichsweise hohe Temperatur vorgewärmt werden.
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In dem gezeigten Beispiel sind die erste und die zweite Turbine 3, 5 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und über diese mit dem Generator 10 verbunden, wodurch die in den Turbinen 3, 5 gewonnene mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dies ist jedoch keineswegs die einzige Möglichkeit. Denkbar wäre auch, dass die erste und die zweite Turbine 3, 5 auf verschiedenen Wellen angeordnet sind.
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Denkbar ist dabei, dass von je einer Turbine 3, 5 je ein Generator 10 angetrieben wird. Denkbar ist aber auch, dass die Wellen miteinander gekoppelt sind, beispielsweise über ein Getriebe. Dadurch können die Turbinen 3, 5 mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen, jedoch ist es möglich nur eine einzige Abtriebswelle und demzufolge nur einen einzigen Generator 10 vorzusehen.
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Generell ist die Verwendung des Generators 10 nicht zwingend, sondern die über die Turbinen 3, 5 erzeugte mechanische Energie kann auch direkt mechanisch genutzt oder in eine andere Energieform umgewandelt werden. Denkbar wären beispielsweise Pumpstationen, Kompressoren oder auch Schiffsantriebe.
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2 zeigt nun ein beispielhaftes Diagramm der Temperatur T über der Entropie S. anhand dessen der mit der Vorrichtung 1 ausgeführte Kreisprozess näher erläutert wird. Um die Zuordnung des Diagramms zur Vorrichtung 1 zu erleichtern, sind in beiden Diagrammen Prozesspunkte Z1..Z10 eingezeichnet. Dabei ist jedem Prozesspunkt Z1..Z10 in der Vorrichtung der gleichnamige Prozesspunkt im Temperatur/Entropie-Diagramm zugeordnet.
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Ausgehend vom Prozesspunkt Z1 wird das Arbeitsmedium in der ersten Turbine 3 auf den zweiten Prozesspunkt Z2 entspannt, wodurch der Druck p und die Temperatur T abnimmt und die Entropie S zunimmt. Bei gleichbleibendem Druck p wird dem Arbeitsmedium im ersten Rekuperator 4 Wärme entzogen. Der Kreisprozess verläuft daher entlang einer Isobaren vom Prozesspunkt Z2 auf den Prozesspunkt Z3. In der zweiten Turbine 5 folgt eine weitere Entspannung des Arbeitsmediums auf den Prozesspunkt Z4. Bei gleichbleibendem Druck wird dem Arbeitsmedium im zweiten Rekuperator 6 wiederum Wärme entzogen. Der Kreisprozess verläuft daher entlang einer Isobaren vom Prozesspunkt Z4 auf den Prozesspunkt Z5. Im Wärmetauscher 7 erfolgt eine weitere Abkühlung auf den Prozesspunkt Z6 und schließlich eine Kondensation des Arbeitsmittels im Kondensator 8. Bei gleichbleibender Temperatur T erfolgt dabei eine Abnahme der Entropie auf den Prozesspunkt Z7.
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Das kondensierte Arbeitsmedium wird mit Hilfe der Speisepumpe 9 in den zweiten Rekuperator 6 geleitet (Prozesspunkt Z8) und dort bis zum Prozesspunkt Z9 erwärmt. In weiterer Folge wird das Arbeitsmedium im ersten Rekuperator 4 vom Prozesspunkt Z9 auf den Prozesspunkt Z10 erwärmt. Danach erfolgt eine weitere Erwärmung und schließlich Verdampfung des Arbeitsmediums im Verdampfer 2, wodurch sich der Kreislauf durch Rückkehr zum Prozesspunkt Z1 schließt.
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Zu beachten ist an dem Kreisprozess, dass die Temperatur T9 (also die Austrittstemperatur am zweiten Durchfluss des zweiten Rekuperators 6) kleiner als die Temperatur T5 (also die Austrittstemperatur am ersten Durchfluss des zweiten Rekuperators 6) und die Temperatur T10 (also die Austrittstemperatur am zweiten Durchfluss des ersten Rekuperators 4) wiederum kleiner als die Temperatur T3 (also die Austrittstemperatur am ersten Durchfluss des ersten Rekuperators 4) ist.
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Des Weiteren ist die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z4 und Z5 liegende Fläche q45 gleich der unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z8 und Z9 liegende Fläche q89. Die Flächen q45 und q89 geben dabei die im zweiten Rekuperator 6 transferierte Wärmemenge an. In analoger Weise ist die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z2 und Z3 liegende Fläche q23 gleich der unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z9 und Z10 liegende Fläche q910. Die Flächen q23 und q910 geben dabei die im ersten Rekuperator 4 transferierte Wärmemenge an.
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Die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z5 und Z6 liegende Fläche q56 gibt weiterhin die im Wärmetauscher 7 vor der Kondensation des Arbeitsmittels abgeführte Energie an. Die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z6 und Z7 liegende Fläche q67 gibt darüber hinaus die im Kondensator 8 abgeführte Energie an und die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z10 und Z1 liegende Fläche q101 schließlich die im Verdampfer 2 zugeführte Energie.
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In den in den 1 und 2 dargestellten Beispiel wurde bisher davon ausgegangen, dass zwei unterschiedliche Turbinen 3, 5 eingesetzt werden. Völlig gleichwertig wäre aber auch denkbar, die vorgestellten Maßnahmen auf unterschiedliche Turbinenstufen einer einzigen Turbine anzuwenden. In der 1 treten an die Stelle der Turbinen 3, 5 demzufolge Turbinenstufen 3, 5.
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Generell ist es auch denkbar, die vorgestellten Maßnahmen auf mehr als zwei Turbinen 3, 5 respektive Turbinenstufen anzuwenden. Insbesondere ist es auch vorstellbar, mehrere Turbinen mit mehreren Turbinenstufen vorzusehen, wobei jeder oder zumindest mehreren Turbinenstufen ein Rekuperator nachgeschaltet ist.
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Durch die Wärmeabfuhr (Z2→Z3, Z4→Z5) zwischen den einzelnen Expansionsschritten (Z1→Z2, Z3→Z4) verläuft die Zustandsänderung des Arbeitsmediums nahe der Sattdampfkurve, wodurch die Ausbildung sehr großer spezifischer Volumina vermieden wird. Damit kann ein Teil der Wärme bei vergleichsweise günstigeren Bedingungen abgeführt werden, wodurch die Baugröße von Anlagenkomponenten, insbesondere der Rekuperatoren 4, 6 entsprechend verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht auch in der guten Anpassbarkeit der Turbinen 3 und 5 an den Kreisprozess, sowie einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Kreisprozesses.
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Abschließend wird angemerkt, dass die ORC-Vorrichtung auch mehr oder weniger Bauteile als dargestellt umfassen kann. Schließlich wird angemerkt, dass sich die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung auf beliebige Art und Weise kombinieren lassen.
