DE102016004402A1 - Device for converting thermal energy - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (12) zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle (14) in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (16) mit einem Arbeitsmedium und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums, bei der die Expansionseinrichtung mit einer Verdrängermaschine (56) gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung zumindest ein Mittel (70) zum Kondensieren aufweist und wobei vor dem Mittel (70) zum Kondensieren eine Regeleinheit (R) angeordnet ist, die ausgelegt ist, dass eine Entspannung durch die Expansionseinrichtung nicht in das Nassdampfgebiet erfolgt.The present invention relates to a device (12) for converting thermal energy from a heat source (14) into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle (16) with a working medium and an expansion device for expanding the working medium, in which the expansion device is connected to a displacement machine (56 ), wherein the device comprises at least one means (70) for condensing and wherein before the means (70) for condensing a control unit (R) is arranged, which is designed so that a relaxation by the expansion device is not in the wet steam area.

Figure DE102016004402A1_0001
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie mit einem Expandieren des Druckes des Arbeitsmediums.The invention relates to a device for converting thermal energy from a heat source into mechanical energy by means of a thermodynamic cyclic process with a working medium and an expansion device for expanding the working medium. Furthermore, the invention relates to a method for converting thermal energy with expanding the pressure of the working medium.

Ein thermodynamischer Kreisprozess ist allgemein ein Prozess, in dem ein Arbeitsmedium periodische Änderungen in dessen thermodynamischen Zustandsgrößen wie Druck und Temperatur durchläuft und dabei immer wieder seinen Ausgangszustand erreicht. Je nach Änderung dieser Zustandsgrößen wird vom Arbeitsmedium Energie aufgenommen oder Energie abgegeben.A thermodynamic cycle is generally a process in which a working medium undergoes periodic changes in its thermodynamic state variables such as pressure and temperature, repeatedly reaching its initial state. Depending on the change of these state variables, the working medium absorbs energy or releases energy.

Bei solchen thermodynamischen Kreisprozessen ist die Expansionseinrichtung ein maßgeblicher Bestandteil der Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie. Mittels der Expansionseinrichtung bzw. dem Expander wird letztendlich thermische Energie in mechanische Energie gewandelt. Dazu wird das Arbeitsmedium im Kreisprozess zunächst unter einen erhöhten Druck gesetzt und mittels Übertragen von thermischer Energie isobar verdampft und bevorzugt überhitzt. Der dabei erzeugte komprimierte Arbeitsmedium-Dampf wird anschließend in der Expansionseinrichtung expandiert. Beim Expandieren nehmen der Druck und die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes ab, sodass die übertragene thermische Energie teilweise wieder freigesetzt wird. Ein Teil dieser freigesetzten thermischen Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird bevorzugt zum Erzeugen von kinetischer Energie, insbesondere zum Antreiben einer rotierenden Welle verwendet. Besonders bevorzugt treibt die rotierende Welle einen Generator an, der elektrische Energie erzeugt.In such thermodynamic cycle processes, the expansion device is an integral part of the device for converting thermal energy. By means of the expansion device or the expander, thermal energy is ultimately converted into mechanical energy. For this purpose, the working medium is initially placed in a cyclic process under an increased pressure and isobarically evaporated by transferring thermal energy and preferably superheated. The compressed working medium vapor thus produced is subsequently expanded in the expansion device. During expansion, the pressure and the temperature of the working medium vapor decrease, so that the transferred thermal energy is partially released. Part of this released thermal energy is converted into mechanical energy. This mechanical energy is preferably used for generating kinetic energy, in particular for driving a rotating shaft. Particularly preferably, the rotating shaft drives a generator which generates electrical energy.

Zum Erzeugen von elektrischer Energie wird als thermodynamischer Kreisprozess der klassische Clausius-Rankine-Prozess in Dampfkraftwerken in großem Maßstab durchgeführt. Dort dient Wasser als Arbeitsmedium, das mittels Hochtemperatur-Wärmequellen, wie Kohle, Erdgas, Erdöl und Kernenergie auf etwa 600°C erhitzt wird. Wird anstatt Wasser zumindest ein organisches Arbeitsmedium verwendet, spricht man vom sogenannten ORC-Prozess bzw. (Organic-Rankine-Cycle)-Prozess. Geeignete organische Arbeitsmedien weisen einen weit tieferen Siedepunkt als Wasser und damit insbesondere günstigere Verdampfungseigenschaften bei niedrigeren Temperaturen auf. Deswegen werden ORC-Prozesse verwendet, um thermische Energie aus Niedertemperatur-Wärmequellen zu verwerten. Niedertemperatur-Wärmequellen sind zum Beispiel solarthermische oder geothermische Quellen sowie bisher ungenutzte Abwärme von Motoren, Industrieproduktionsprozessen und Biogasanlagen. Ein Nutzen dieser Abwärme ist wirtschaftlich und ökologisch von großer Bedeutung.To generate electrical energy, the classic Clausius-Rankine process in steam power plants is carried out on a large scale as a thermodynamic cycle. There, water serves as a working medium, which is heated to about 600 ° C by means of high temperature heat sources, such as coal, natural gas, petroleum and nuclear energy. If at least one organic working medium is used instead of water, this is referred to as the so-called ORC (Organic Rankine Cycle) process. Suitable organic working media have a much lower boiling point than water and thus in particular more favorable evaporation properties at lower temperatures. Therefore, ORC processes are used to recycle thermal energy from low temperature heat sources. Low-temperature heat sources include, for example, solar thermal or geothermal sources as well as previously unused waste heat from engines, industrial production processes and biogas plants. A benefit of this waste heat is economically and ecologically of great importance.

Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich auf derartige ORC-Prozesse.The invention preferably but not exclusively relates to such ORC processes.

Bei einem bekannten ORC-Verfahren, wie dieses bspw. in der DE 10 2012 024 031 A1 beschrieben ist, wird während des Kreisprozesses das Arbeitsmedium bzw. Fluid unter einen erhöhten Druck gesetzt. Durch isobares Übertragen von thermischer Energie der Wärmequelle auf das unter erhöhtem Druck stehende Arbeitsmedium wird dieses verdampft und bevorzugt überhitzt. Anschließend wird der derart erzeugte, unter dem erhöhten Druck stehende Arbeitsmedium-Dampf in mindestens einem Volumen durch die Verdrängermaschine geleitet. Beim Durchleiten bildet das einzelne Volumen einen weitgehend geschlossenen Raum, der sich vergrößert. Das Volumen des derart begrenzt durchgeleiteten Fluidvolumens nimmt zu, wobei sich der Druck des Arbeitsmediums erniedrigt und das Arbeitsmedium expandiert. Das Arbeitsmedium steht nach dem Expandieren unter einem niedrigeren Druck.In a known ORC method, as this example. In the DE 10 2012 024 031 A1 is described, the working fluid or fluid is placed under an increased pressure during the cycle. By isobaric transfer of thermal energy of the heat source to the working medium under elevated pressure, this is evaporated and preferably superheated. Subsequently, the thus produced, under the increased pressure working medium vapor is passed in at least one volume through the displacement machine. When passing through the individual volume forms a largely closed space, which increases. The volume of the volume of fluid passed through in this way increases, whereby the pressure of the working medium is lowered and the working medium expands. The working medium is under a lower pressure after expansion.

Beim Expandieren wird das Fluid genutzt, um bspw. einen Hubkolben zum Verrichten von mechanischer Arbeit zu bewegen.During expansion, the fluid is used, for example, to move a reciprocating piston to perform mechanical work.

Vorzugsweise kommt bei derartigen Vorrichtungen Ammoniak (NH3) als Arbeitsmedium zur Verwendung, das sich aufgrund seiner physikalischen, chemischen und thermodynamischen Eigenschaften besonders gut als Arbeitsmedium für eine Verdrängermaschine als Expander eignet. So bewirkt das sehr geringe absolute Molekulargewicht von Ammoniak, dass eine Expansion in der weitgehend unabhängig von der Masse der Arbeitsmedium-Teilchen arbeitet. Darüber hinaus führen die zwischenmolekular wirkenden, relativ stabilen Wasserstoffbrückenbindungen von Ammoniak zu einer hohen Verdampfungsenthalpie. Dies bedeutet zum einen, dass vergleichsweise viel thermische Energie aufgewendet werden muss, um eine bestimmte Menge an Ammoniak von seinem flüssigen in seinen gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Diese Energie ist sozusagen im gebildeten, unter erhöhten Druck stehenden Ammoniak-Dampf gespeichert, bis der Dampf expandiert wird. Damit wird besonders viel Energie frei, sodass ein entsprechend hoher Anteil als mechanische Energie genutzt werden kann. Wegen der hohen Verdampfungsenthalpie von Ammoniak ist die Druckdifferenz zwischen Verdampfung und Verflüssigung besonders groß. Mit der großen Druckdifferenz wird an der Verdrängermaschine vorteilhaft eine besonders hohe Volumenänderungsarbeit bzw. Expansionsarbeit verrichtet. Dies leistet einen maßgeblichen Beitrag zu einer besonders hohen Ausbeute an mechanischer Energie. Darüber hinaus kommt Ammoniak in der Natur vor, ist biologisch abbaubar und nimmt am natürlichen Stickstoffkreislauf der Biosphäre teil. Damit ist Ammoniak ein natürliches Arbeitsmedium. Zudem wirkt Ammoniak nicht kanzerogen.Preferably, in such devices ammonia (NH3) is used as a working medium, which is particularly suitable as a working medium for a positive displacement machine as an expander due to its physical, chemical and thermodynamic properties. Thus, the very low absolute molecular weight of ammonia causes an expansion in which operates largely independently of the mass of the working medium particles. In addition, the intermolecular-acting, relatively stable hydrogen bonds of ammonia lead to a high enthalpy of enthalpy of vaporization. This means, on the one hand, that comparatively much thermal energy has to be expended in order to transfer a certain amount of ammonia from its liquid to its gaseous state of aggregation. This energy is stored, so to speak, in the formed, pressurized ammonia vapor until the steam is expanded. This releases a great deal of energy, so that a correspondingly high proportion can be used as mechanical energy. Because of the high evaporation enthalpy of ammonia, the pressure difference between evaporation and liquefaction is particularly large. With the big one Pressure difference is performed on the positive displacement machine advantageously a particularly high volume change work or expansion work. This makes a significant contribution to a particularly high yield of mechanical energy. In addition, ammonia occurs in nature, is biodegradable and participates in the natural nitrogen cycle of the biosphere. This ammonia is a natural working medium. In addition, ammonia does not have a carcinogenic effect.

Allerdings zeigt sich u. a. bei der vorhergehend geschilderten Vorrichtung aus dem Stand der Technik, die Ammoniak als Arbeitsmedium nutzt, sowie weiteren, ähnlich konzipierten Anlagen in der Praxis häufig das Problem, dass eine Entspannung bzw. Expansion bis zu einem gewissen Grad immer unkontrolliert von statten geht, und darüber hinaus oftmals in das Nassdampfgebiet erfolgt.However, u. a. in the previously described device of the prior art, which uses ammonia as the working medium, as well as other, similarly designed systems in practice, often the problem that relaxation or expansion to a certain extent always uncontrolled from equip, and beyond often takes place in the wet steam area.

Dies kann zu einer Unterbrechung des Umwandlungsprozesses der thermischen Energie führen.This can lead to an interruption of the thermal energy conversion process.

Des Weiteren kann hierdurch dann wieder teilweise flüssiges Ammoniak an Bauteilen in der Vorrichtung entstehen, die hierfür weder prozesstechnisch noch materialtechnisch ausgelegt sind, wie beispielsweise an Expandern, Ölpumpen, Ölabscheidern oder dergleichen. Schäden an Bauteilen sind vorprogrammiert, so dass derartige Anlagen regelmäßig einer kostenintensiven Wartung unterzogen werden müssen. Auch lässt sich der Umwandlungsprozess nur bedingt wirtschaftlich betreiben, da er auf Grund der Ausfälle nicht kontinuierlich durchführbar ist.Furthermore, as a result of this, partially liquid ammonia can again be formed on components in the apparatus which are neither designed for process engineering nor material technology, for example on expanders, oil pumps, oil separators or the like. Damage to components is preprogrammed, so that such systems must be regularly subjected to costly maintenance. Also, the conversion process can operate only partially economically, since it is not continuously feasible due to the failures.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie zur Verfügung zu stellen, mit der der thermodynamische Kreisprozess optimiert ist, insbesondere kontinuierlich betrieben werden kann und Schäden an Bauteilen weitestgehend vermieden werden.Proceeding from this, the object of the invention is to provide a device for a thermodynamic cyclic process for converting thermal energy into mechanical energy, with which the thermodynamic cycle is optimized, in particular, can be operated continuously and damage to components is largely avoided.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie nach Anspruch 1 und mit einem Verfahren nach Anspruch 6.This object is achieved with a device for converting thermal energy according to claim 1 and with a method according to claim 6.

Die Erfindung betrifft demzufolge eine Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums, bei der die Expansionseinrichtung mit einer Verdrängermaschine gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung zumindest ein Mittel zum Kondensieren aufweist und wobei vor dem Mittel zum Kondensieren eine Regeleinheit angeordnet ist, die ausgelegt ist, dass eine Entspannung durch die Expansionseinrichtung nicht in das Nassdampfgebiet erfolgt.The invention accordingly relates to a device for converting thermal energy from a heat source into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle with a working medium and an expansion device for expanding the working medium, in which the expansion device is coupled to a displacement machine, wherein the device comprises at least one means for condensing and wherein before the means for condensing a control unit is arranged, which is designed so that a relaxation by the expansion device does not take place in the wet steam area.

Gemäß der Erfindung weist die Regeleinheit zumindest einen Drucksensor und zumindest einen Temperatursensor auf. Diese Sensoren wirken mit einer externen Steuereinheit zusammen. Des Weiteren ist in der Zuführleitung zu dem Mittel zum Kondensieren ein ansteuerbares Ventil vorgesehen, wobei sich vor dem Ventil ein Temperatursensor und nach dem Ventil ein Drucksensor und ggfs. noch ein weiterer Temperatursensor befinden kann.According to the invention, the control unit has at least one pressure sensor and at least one temperature sensor. These sensors interact with an external control unit. Furthermore, a controllable valve is provided in the supply line to the means for condensing, wherein before the valve, a temperature sensor and after the valve, a pressure sensor and, if necessary. Yet another temperature sensor can be located.

Die Sensoren sind zusammen mit der externen Steuereinheit ausgestaltet, um das Regelverhalten des Ventils, individuell, vorzugsweise durch ein festgelegtes oder variierbares Programm, oder bspw. auch mittels einer SPS-Steuerung, anzusteuern.The sensors are designed together with the external control unit to control the control behavior of the valve, individually, preferably by a fixed or variable program, or, for example, by means of a PLC control.

Bei dem Steuerventil kann es sich vorzugsweise um ein motorgesteuertes Ventil oder um ein durch eine Form von Fremdenergie ansteuerbares Ventil handeln, bspw. ein mittels Druckluft ansteuerbares Ventil. Denkbar ist jedoch auch ein Ventiltyp, der ähnlich wie ein Heizungsthermostatventil funktionert.The control valve can preferably be a motor-controlled valve or a valve which can be activated by a form of external energy, for example a valve which can be activated by means of compressed air. However, it is also conceivable a valve type, which works similar to a heating thermostatic valve.

Über dieses Regelverhalten lässt sich das anschließende Expansionsverhalten des Arbeitsmediums gezielt beeinflussen.This control behavior can be used to specifically influence the subsequent expansion behavior of the working medium.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsschritt, mit dem Schritt des Expandierens des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck, wobei das Expandieren nicht in den für den Kreisprozess definierten Nassdampfbereich erfolgt.Moreover, the invention relates to a method for converting thermal energy from a heat source into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle process in one operation, comprising the step of expanding the working fluid from an elevated pressure to a lower pressure, wherein the expanding does not occur in the for the Circular process defined wet steam area is done.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der anhand der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsform. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the embodiment illustrated in the accompanying drawings. Show it:

1 exemplarisch ein vereinfachtes Prozessschema einer bekannten Vorrichtung aus dem Stand der Technik; 1 an example of a simplified process diagram of a known device from the prior art;

2 ein schematisches Druck(log)-Enthalpie-Diagramm des thermodynamischen Kreisprozesses des in der 1 gezeigten Verfahrens; 2 a schematic pressure (log) enthalpy diagram of the thermodynamic cycle of the in the 1 shown method;

3 exemplarisch ein vereinfachtes Prozessschema eines Teils einer Vorrichtung gemäß der Erfindung; 3 an example of a simplified process diagram of a part of a device according to the invention;

4 ein schematisches Druck(log)-Enthalpie-Diagramm des thermodynamischen Kreisprozesses des in der 3 gezeigten Verfahrens. 4 a schematic pressure (log) enthalpy diagram of the thermodynamic cycle of the in the 3 shown method.

5 exemplarisch ein Prozessschema, bei der eine Regeleinheit gemäß der Erfindung zum Einsatz kommt. 5 an example of a process scheme in which a control unit according to the invention is used.

In der 1 und der 2 ist exemplarisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren 10 und eine bekannte Vorrichtung 12 zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle 14 dargestellt, wie diese bspw. in der vorhergehend bereits erwähnten DE 10 2012 024 031 A1 beschrieben ist, auf deren Offenbarungsgehalt hierin ausdrücklich Bezug genommen wird.In the 1 and the 2 is an example of a known from the prior art method 10 and a known device 12 for converting thermal energy from a heat source 14 represented, as this example. In the above already mentioned DE 10 2012 024 031 A1 is described, the disclosure of which is expressly incorporated herein by reference.

Die Vorrichtung 12 bildet ein geschlossenes System einer Prozessanlage, in der ein thermodynamischer Kreisprozess 16 (s. 2) durchgeführt wird. Dieser thermodynamische Kreisprozess 16 soll einen modifizierten Organic-Rankine-Cycle Prozess darstellen, bei dem wasserfreies Ammoniak (NH3,R717) bspw. in einer Konzentration von über 99,8 Massenprozent als Arbeitsmedium zum Einsatz kommen kann. Das wasserfreie Ammoniak kann in Form eines druckverflüssigten Gases bei einer Temperatur von 25°C unter einem niedrigeren Druck 18 als unteres Druckniveau in Höhe von etwa 10 bar bereitgestellt werden. Dazu ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Sammelbehälter 20 vorgesehen.The device 12 forms a closed system of a process plant in which a thermodynamic cycle 16 (S. 2 ) is carried out. This thermodynamic cycle 16 is intended to represent a modified Organic Rankine cycle process in which anhydrous ammonia (NH3, R717) can be used, for example, in a concentration of more than 99.8 mass percent as a working medium. The anhydrous ammonia may be in the form of a pressure-liquefied gas at a temperature of 25 ° C under a lower pressure 18 be provided as a lower pressure level of about 10 bar. For this purpose, in the embodiment shown, a collection container 20 intended.

Dieses flüssige Ammoniak wird von dem Sammelbehälter 20 durch eine Leitung 22 zu einer Druckerhöhungseinrichtung 24 geführt. Mit der Druckerhöhungseinrichtung 24 wird der Druck des Ammoniaks in einem ersten Schritt 26 (s. 2) des Druckerhöhens bzw. Komprimierens im thermodynamischen Kreisprozess 16 von dem niedrigeren Druck 18 auf einen erhöhten Druck 28 als oberes Druckniveau von etwa 37 bar erhöht.This liquid ammonia is taken from the sump 20 through a pipe 22 to a pressure increasing device 24 guided. With the pressure booster 24 the pressure of the ammonia is in a first step 26 (S. 2 ) of the pressure increase or compression in the thermodynamic cycle 16 from the lower pressure 18 to an increased pressure 28 increased as the upper pressure level of about 37 bar.

Von der Druckerhöhungseinrichtung 24 wird das flüssige Ammoniak, das unter dem erhöhten Druck 28 steht, durch eine Leitung 30 zu einer Wärmeübertragungseinrichtung 32 zum Übertragen von thermischer Energie auf das Ammoniak gepumpt.From the pressure booster 24 is the liquid ammonia that is under increased pressure 28 stands, through a pipe 30 to a heat transfer device 32 pumped to transfer thermal energy to the ammonia.

Die Wärmeübertragungseinrichtung 32 umfasst einen ersten Wärmeübertrager 34, einen in Reihe geschalteten zweiten Wärmeübertrager 36 und einen dazwischen geschalteten Abscheider 38 mit einem oberen Raumbereich 40 und einen unteren Raumbereich 42. Die Leitung 30 führt in den oberen Raumbereich 40. Zusätzlich führt von dem ersten Wärmeübertrager 34 eine Leitung 44 in den oberen Raumbereich 40 des Abscheiders 38. Aus dem Abscheider 38 führt eine Leitung 45 aus dem unteren Raumbereich 42 in den ersten Wärmeübertrager 34. Aus dem oberen Raumbereich 40 führt eine Leitung 46 in den zweiten Wärmeübertrager 36.The heat transfer device 32 includes a first heat exchanger 34 , a series-connected second heat exchanger 36 and an intervening separator 38 with an upper room area 40 and a lower room area 42 , The administration 30 leads into the upper room area 40 , In addition leads from the first heat exchanger 34 a line 44 in the upper room area 40 of the separator 38 , From the separator 38 leads a line 45 from the lower room area 42 in the first heat exchanger 34 , From the upper room area 40 leads a line 46 in the second heat exchanger 36 ,

Derart gestaltet wird das flüssige Ammoniak zunächst über die Leitung 30 in den oberen Raumbereich 40 des Abscheiders 38 gepumpt. Das flüssige Ammoniak trennt sich von gegebenenfalls vorhandenem gasförmigem Ammoniak ab und sinkt in den unteren Raumbereich 42. Von dort gelangt das flüssige Ammoniak über die Leitung 45 aus dem Abscheider 38 in den ersten Wärmeübertrager 34, der als Verdampfer dient. Dort wird das flüssige Ammoniak in einem zweiten Schritt 48 (s. 2) des Vorwärmens im thermodynamischen Kreisprozess 16 isobar erwärmt und in einem dritten Schritt 50 des Verdampfens größtenteils verdampft. Im dritten Schritt 50 (s. 2) wird der Hauptanteil der thermischen Energie beziehungsweise Wärmeenergie zugeführt. Dazu wird die Temperatur des Ammoniaks mittels eines ersten Übertragens von thermischer Energie auf etwa 75°C erhöht. Diese Temperatur von etwa 75°C entspricht bei dem bestehenden erhöhten Druck 28 in Höhe von etwa 37 bar der Verdampfungstemperatur von Ammoniak, sodass Ammoniak verdampft. Der dabei gebildete Ammoniakdampf ist ein Nassdampf. Dies bedeutet, dass noch kleine Tropfen und fein verteiltes flüssiges Ammoniak als Kondensatanteil im gasförmigen Ammoniak vorhanden sind. Der gebildete Nassdampf gelangt über die Leitung 44 in den oberen Raumbereich 40 des Abscheiders 38. Dabei sinken die Tropfen und das fein verteilte flüssige Ammoniak in den unteren Raumbereich 42 und sammeln sich dort als Flüssigkeit, während im oberen Raumbereich 40 nur gasförmiges Ammoniak verbleibt. Das flüssige Ammoniak gelangt über die Leitung 45 wieder zurück in den ersten Wärmeübertrager 34 zum erneuten Erwärmen.Thus, the liquid ammonia is first designed via the line 30 in the upper room area 40 of the separator 38 pumped. The liquid ammonia separates from any existing gaseous ammonia and sinks into the lower space 42 , From there, the liquid ammonia passes over the line 45 from the separator 38 in the first heat exchanger 34 which serves as an evaporator. There, the liquid ammonia is in a second step 48 (S. 2 ) of preheating in the thermodynamic cycle 16 isobar warmed up and in a third step 50 evaporation largely evaporated. In the third step 50 (S. 2 ), the majority of the thermal energy or heat energy is supplied. For this purpose, the temperature of the ammonia is increased by means of a first transfer of thermal energy to about 75 ° C. This temperature of about 75 ° C corresponds to the existing elevated pressure 28 at about 37 bar the evaporation temperature of ammonia, so that ammonia evaporates. The ammonia vapor formed is a wet steam. This means that even small drops and finely divided liquid ammonia are present as condensate in the gaseous ammonia. The formed wet steam passes over the pipe 44 in the upper room area 40 of the separator 38 , The drops and the finely divided liquid ammonia sink into the lower room area 42 and accumulate there as liquid, while in the upper room area 40 only gaseous ammonia remains. The liquid ammonia passes over the line 45 back to the first heat exchanger 34 for reheating.

Mit dem Abscheider 38, den Leitungen 30 und 44 sowie der Leitung 45 sind Voraussetzungen für ein Thermo-Siphon-Prinzip geschaffen. Dieses Prinzip beruht darauf, dass sich beim Verdampfen im ersten Wärmeübertrager 34 die Dichte des dort befindlichen Ammoniaks aufgrund des gebildeten Nassdampfs verringert. Wegen der verringerten Dichte drängt der Nassdampf durch die Leitung 44 in den Abscheider 38. Ferner fließt immer genau so viel flüssiges Ammoniak aus dem unteren Raumbereich 42 des Abscheiders 38 durch die Leitung 45 in den Wärmeübertrager 34 nach, das gerade zum Verdampfen benötigt wird. Im Abscheider 38 ist ein nicht weiter dargestellter Niveauregler vorgesehen. Mit dem Niveauregler wird das Pumpen der Druckerhöhungseinrichtung 24 derart geregelt, dass nur so viel Ammoniak in Richtung Wärmeübertragungseinrichtung 32 gepumpt wird, das auch verdampft werden kann.With the separator 38 , the wires 30 and 44 as well as the line 45 are prerequisites for a thermo siphon principle created. This principle is based on the fact that during evaporation in the first heat exchanger 34 reduces the density of the ammonia located there due to the wet steam formed. Due to the reduced density, the wet steam is forced through the pipe 44 in the separator 38 , Furthermore, always just as much liquid ammonia flows out of the lower room area 42 of the separator 38 through the pipe 45 in the heat exchanger 34 which is just needed for evaporation. In the separator 38 is a non-illustrated level controller provided. The level controller pumps the pressure booster 24 so regulated that only so much ammonia towards heat transfer device 32 pumped, which can also be evaporated.

Aus dem Abscheider 38 gelangt das gasförmige Ammoniak aus dem oberen Raumbereich 40 über die Leitung 46 in den zweiten Wärmeübertrager 36. Dieser zweite Wärmeübertrager 36 dient als Überhitzer. Dort wird das gasförmige Ammoniak in einem vierten Schritt 52 (s. 2) des Überhitzens im thermodynamischen Kreisprozess 16 isobar mittels eines zweiten Übertragens von thermischer Energie überhitzt. Dabei wird die Temperatur des Ammoniakdampfes isobar auf etwa 125°C erhöht und überhitztes Ammoniakgas erzeugt.From the separator 38 The gaseous ammonia comes from the upper space area 40 over the line 46 in the second heat exchanger 36 , This second heat exchanger 36 serves as a superheater. There, the gaseous ammonia is in a fourth step 52 (S. 2 ) of overheating in the thermodynamic cycle 16 Isobar is overheated by a second transfer of thermal energy. The temperature of the ammonia vapor is increased isobarically to about 125 ° C and generated superheated ammonia gas.

Das überhitzte Ammoniakgas wird über eine Leitung 54 in eine Expansionseinrichtung geleitet, die vorliegend mit einer Verdrängermaschine 56 gestaltet ist. Dort wird das überhitzte Ammoniakgas in einem fünften Schritt 58 (s. 2) des Expandierens im thermodynamischen Kreisprozess 16 zumindest weitgehend kondensatfrei von dem erhöhten Druck 28 auf den niedrigeren Druck 18 expandiert, wodurch gleichzeitig die Temperatur des Ammoniaks sinkt. Dabei weist das in die Verdrängermaschine 56 eintretende Ammoniak einen Druck von etwa 37 bar und eine Temperatur von etwa 125°C und das aus der Verdrängermaschine 56 austretende Ammoniak einen Druck von etwa 10 bar und eine Temperatur von etwa 30°C auf. Dies bedeutet, dass ein Teil der thermischen Energie des Ammoniaks während des Schrittes 58 frei wird. Diese frei werdende thermische Energie wird mit Hilfe der Verdrängermaschine 56, die gleichzeitig als Antriebsaggregat für einen daran gekoppelten Generator 60 dient, in mechanische Arbeit zum Erzeugen von elektrischer Energie genutzt.The superheated ammonia gas is via a line 54 passed into an expansion device, which in the present case with a displacement machine 56 is designed. There, the superheated ammonia gas in a fifth step 58 (S. 2 ) of expanding in the thermodynamic cycle 16 at least largely free of condensate from the increased pressure 28 to the lower pressure 18 expanded, which simultaneously reduces the temperature of the ammonia. This points in the positive displacement machine 56 entering ammonia a pressure of about 37 bar and a temperature of about 125 ° C and that from the positive displacement machine 56 exiting ammonia to a pressure of about 10 bar and a temperature of about 30 ° C. This means that part of the thermal energy of the ammonia during the step 58 becomes free. This released thermal energy is using the positive displacement machine 56 , at the same time as a drive unit for a generator coupled thereto 60 serves, used in mechanical work for generating electrical energy.

In der Vorrichtung 12 führt in Strömungsrichtung nach der Verdrängermaschine 56 eine Leitung 68 als Dampfaustritts- oder Abdampfleitung aus der Verdrängermaschine 56 heraus und in ein Mittel 70 zum Kondensieren. Damit wird das aus der Verdrängermaschine 56 austretende gasförmige Ammoniak in das Mittel 70 geleitet, abgekühlt und isobar in einem sechsten Schritt 72 (s. 2) des thermodynamischen Kreisprozesses 16 kondensiert. Mit dem sechsten Schritt 72 des Kondensierens ist der thermodynamische Kreisprozess 16 geschlossen, sodass wieder mit dem ersten Schritt 26 des Druckerhöhens von Ammoniak begonnen werden kann.In the device 12 leads in the direction of flow after the displacement machine 56 a line 68 as steam outlet or exhaust steam line from the displacement machine 56 out and into a medium 70 for condensing. This will be the result of the displacement machine 56 exiting gaseous ammonia into the agent 70 passed, cooled and isobar in a sixth step 72 (S. 2 ) of the thermodynamic cycle 16 condensed. With the sixth step 72 Condensation is the thermodynamic cycle 16 closed, so again with the first step 26 of increasing the pressure of ammonia can be started.

Das Mittel 70 zum Kondensieren kann als Kondensatorwärmeaustauscher bzw. Kühler mit einem Luftkühler, insbesondere einem Evaporativkühlturm gebildet sein, sodass das Ammoniak mit Luft gekühlt wird.The middle 70 for condensing may be formed as a condenser heat exchanger or cooler with an air cooler, in particular a Evaporativkühlturm so that the ammonia is cooled with air.

Über eine aus dem Mittel 70 herausführende Leitung 74 wird das kondensierte Ammoniak erneut, insbesondere kontinuierlich in sich wiederholenden Schritten 26, 48, 50, 52, 58 und 72 durch die Vorrichtung 12 gepumpt.About one from the middle 70 leading out lead 74 the condensed ammonia is again, in particular continuously in repeating steps 26 . 48 . 50 . 52 . 58 and 72 through the device 12 pumped.

Zum Zuführen von Öl zum Arbeitsmedium verfügt die Vorrichtung 12 an der Verdrängermaschine 56 über eine Ölversorgungseinrichtung 76. Diese Ölversorgungseinrichtung 76 umfasst ein Ölzuführmittel 77 zum Zuführen von Öl zum Ammoniak und ein Ölabführmittel 78 zum Abführen von Öl aus dem Ammoniak. Das Ölzuführmittel 77 führt als Leitung direkt in die Verdrängermaschine 56, sodass Öl in die Expansionseinrichtung geleitet wird. In der Verdrängermaschine 56 kann Öl in das sich expandierende Ammoniak gelangen. Aus dem dabei entstehenden Ammoniak-Öl-Gemisch wird das Öl mit dem Ölabführmittel 78 nach dem Expandieren wieder abgeführt. Dazu ist das Ölabfuhrmittel 78 in Strömungsrichtung nach der Verdrängermaschine 56 positioniert und umfasst ein Trennelement 79 sowie einen Heizer 80.For supplying oil to the working medium, the device has 12 at the displacement machine 56 via an oil supply device 76 , This oil supply device 76 includes an oil supply means 77 for supplying oil to ammonia and an oil laxative 78 for removing oil from the ammonia. The oil supply agent 77 leads as a line directly into the positive displacement machine 56 so that oil is directed into the expander. In the displacement machine 56 Oil can get into the expanding ammonia. The resulting ammonia-oil mixture becomes the oil with the oil laxative 78 discharged again after expansion. This is the oil removal agent 78 in the flow direction after the displacement machine 56 positioned and includes a separator 79 as well as a heater 80 ,

Das Trennelement 79 ist vorliegend in der Leitung 68 vorgesehen und mit einem Ölabscheider gebildet, der das flüssige Ammoniak-Öl-Gemisch vom gasförmigen Ammoniak mechanisch trennt. Das gasförmige Ammoniak wird danach weiter in der Leitung 68 zum Mittel 70 zum Kondensieren geführt, während das abgetrennte flüssige Ammoniak-Öl-Gemisch in den Heizer 80 geleitet wird.The separating element 79 is present in the line 68 provided and formed with an oil separator, which mechanically separates the liquid ammonia-oil mixture from the gaseous ammonia. The gaseous ammonia then continues in the line 68 to the middle 70 led to condensation, while the separated liquid ammonia-oil mixture into the heater 80 is directed.

Der Heizer 80 ist mit einem Behälter gebildet, dessen Innenraum mittels eines Heizkreislaufs 81 erwärmt wird. Dort eingeleitet, wird das Ammoniak-Öl-Gemisch erhitzt, bis das Ammoniak nahezu vollständig aus dem Öl ausgedampft bzw. ausgetrieben ist. Der dabei entstehende Ammoniakdampf wird über eine Dampfleitung 82 aus dem Heizer 80 zurück in die Leitung 68 und damit in den thermodynamischen Kreislauf 16 geführt.The heater 80 is formed with a container whose interior by means of a heating circuit 81 is heated. Initiated there, the ammonia-oil mixture is heated until the ammonia is almost completely evaporated from the oil or expelled. The resulting ammonia vapor is via a steam line 82 from the heater 80 back to the line 68 and thus in the thermodynamic cycle 16 guided.

Das abgeschiedene Öl wird mit dem Ölüberführmittel 84 in Form einer Leitung wieder zum Ölzuführmittel 77 geführt und erneut zum Schmieren und Abdichten in die Verdrängermaschine 56 geleitet. Vorliegend geschieht dies mit Hilfe einer Ölpumpe 86.The separated oil is mixed with the oil transfer agent 84 in the form of a line back to the oil supply 77 guided and again for lubrication and sealing in the positive displacement machine 56 directed. In the present case this is done by means of an oil pump 86 ,

Ferner ist der Heizkreislauf 81 mit der Wärmequelle 14 wärmeübertragend gekoppelt, sodass die thermische Energie der Wärmequelle 14 besonders gut ausgenutzt wird. Zudem ist der Heizkreislauf 81 in Strömungsrichtung nach dem Heizer 80 mit dem ersten Wärmeübertrager 34 bzw. Verdampfer wärmeübertragend gekoppelt. Derart gekoppelt wird die nach dem Heizen verbleibende thermische Energie im Heizkreislauf 81 zumindest teilweise zusätzlich zum Verdampfen des Ammoniaks genutzt und besonders gut verwertet.Furthermore, the heating circuit 81 with the heat source 14 heat transfer coupled, so that the thermal energy of the heat source 14 is particularly well exploited. In addition, the heating circuit 81 in the flow direction after the heater 80 with the first heat exchanger 34 or evaporator heat-transmitting coupled. In this way, the thermal energy remaining in the heating circuit after heating is coupled 81 used at least partially in addition to the evaporation of ammonia and recycled particularly well.

Bei der oben geschilderten Vorrichtung aus dem Stand der Technik und bei dem durch diese durchgeführten Verfahren zeigte sich in der praktischen Anwendung, dass der Schritt 58 der Expansion tatsächlich nicht direkt auf der Taulinie (s. 2), sondern unter gewissen Umständen sogar direkt im Nassdampfgebiet enden kann, was jedoch nicht erwünscht ist, da es die oben gezeigten Nachteile mit sich bringt.In the above-described device of the prior art and in the method performed by them, the practical application showed that the step 58 the expansion actually not directly on the tau line (s. 2 ), but in some circumstances even directly in the Wet steam area may end, but this is not desirable because it brings the disadvantages shown above.

3 zeigt daher exemplarisch einen Teil einer Vorrichtung mit den erfindungsgemäßen zusätzlichen Merkmalen, wobei dieser Teil in Vorrichtungen, wie der oben geschilderten Vorrichtung oder grundsätzlich in ORC-Prozesse auf entsprechende Art und Weise integriert werden kann, damit bei den durch diese Vorrichtungen durchgeführten Verfahren verhindert wird, dass letztendlich flüssiges Ammoniak an kritischen Bauteilen, wie bspw. der Ölpumpe, den Expandern und den Ölabscheidern entsteht; und damit diese Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden können. 3 shows, therefore, by way of example a part of a device with the additional features according to the invention, which part can be integrated in devices such as the device described above or in principle in ORC processes in a corresponding manner so as to prevent the method carried out by these devices that eventually liquid ammonia on critical components, such as. The oil pump, the expanders and oil separators produced; and so that these processes can be carried out continuously.

In der Leitung vor dem Mittel 70 zum Kondensieren ist eine Regeleinheit R angeordnet, die gemäß der Erfindung ausgelegt ist, dass eine Entspannung des Arbeitsmediums durch die Expansionseinrichtung nicht mehr in das Nassdampfgebiet erfolgt.In the lead before the middle 70 for condensing a control unit R is arranged, which is designed according to the invention that a relaxation of the working medium by the expansion device is no longer in the wet steam area.

Hierzu weist die Regeleinheit R zumindest einen Drucksensor PIC und zumindest einen Temperatursensor TIC1 auf, die miteinander zusammenwirken.For this purpose, the control unit R at least one pressure sensor PIC and at least one temperature sensor TIC1, which cooperate with each other.

Zwischen diesen ist ein motorgesteuertes Ventil 100 vorgesehen, dessen Regelverhalten sich durch die von den Sensoren PIC und TIC1 aufgenommenen Druck- bzw. Temperaturwerte über eine externe Steuerung festlegen lässt.Between these is a motorized valve 100 is provided whose control behavior can be determined by the recorded by the sensors PIC and TIC1 pressure or temperature values via an external control.

Hinter dem motorgesteuerten Ventil 100 ist noch ein weiterer Temperatursensor TIC2 vorgesehen, so dass die Temperaturwerte vor und nach dem Ventil 100 messbar sind.Behind the motorized valve 100 Yet another temperature sensor TIC2 is provided so that the temperature values before and after the valve 100 are measurable.

Das durch die Steuereinheit für das motorgesteuerte Ventil 100 bereitgestellte Regelschema in Abhängigkeit der gemessenen Temperaturen und/oder des Drucks beeinflusst das in das Mittel 70 zum Kondensieren eingeleitete Arbeitsmedium, d. h. das gasförmige Ammoniak derart, und zwar gemäß der Erfindung so, dass für ein Verfahren, wie es bspw. durch die in der 5 gezeigte Vorrichtung durchführbar ist, stets sichergestellt werden kann, dass in den nachfolgenden Expansionsschritten eine Expansion außerhalb des Nassdampfgebietes erfolgt, wie dies in der 4 veranschaulicht ist.This through the control unit for the motorized valve 100 provided control scheme depending on the measured temperatures and / or pressure affects the in the agent 70 for condensing introduced working fluid, ie, the gaseous ammonia so, in accordance with the invention so that for a method such as. By the in the 5 can always be ensured that in the subsequent expansion steps an expansion outside the wet steam area is carried out, as shown in the 4 is illustrated.

In der 5 ist exemplarisch ein Prozessschema einer Vorrichtung mit einer integrierten Regeleinheit R gemäß der Erfindung gezeigt. Die darin gezeigten Bauteile, Leitungen und Komponenten sind mit fachüblichen Symbolen gekennzeichnet und für den Fachmann daher nachvollziehbar.In the 5 By way of example, a process diagram of a device with an integrated control unit R according to the invention is shown. The components, lines and components shown therein are marked with customary symbols and therefore comprehensible to the person skilled in the art.

Wie in den 3 und 5 jeweils zu erkennen ist, ist in der Leitung nach dem Trennelement 79 und vor dem Mittel 70 zum Kondensieren die Regeleinheit R mit den oben geschilderten Komponenten integriert.As in the 3 and 5 can be seen in each case, is in the line after the separating element 79 and before the agent 70 for condensing the control unit R integrated with the above-described components.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012024031 A1 [0006, 0026] DE 102012024031 A1 [0006, 0026]

Claims (6)

Vorrichtung (12) zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle (14) in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (16) mit einem Arbeitsmedium und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums, bei der die Expansionseinrichtung mit einer Verdrängermaschine (56) gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung zumindest ein Mittel (70) zum Kondensieren aufweist und wobei vor dem Mittel (70) zum Kondensieren eine Regeleinheit (R) angeordnet ist, die ausgelegt ist, dass eine Entspannung durch die Expansionseinrichtung nicht in das Nassdampfgebiet erfolgt.Contraption ( 12 ) for converting thermal energy from a heat source ( 14 ) into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle ( 16 ) with a working medium and an expansion device for expanding the working medium, in which the expansion device with a displacement machine ( 56 ), the device having at least one means ( 70 ) condensing and wherein before the agent ( 70 ) for condensing a control unit (R) is arranged, which is designed so that a relaxation by the expansion device does not take place in the wet steam area. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Regeleinheit (R) zumindest einen Drucksensor (PIC) und einen Temperatursensor (TIC) aufweist.Apparatus according to claim 1, wherein the control unit (R) comprises at least one pressure sensor (PIC) and one temperature sensor (TIC). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Regeleinheit (R) zumindest ein steuerbares Ventil (100) aufweist.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the control unit (R) at least one controllable valve ( 100 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Ventil ein motorgesteuertes Ventil (100) ist.Device according to Claim 3, in which the valve is a motor-controlled valve ( 100 ). Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der eine Steuereinheit vorgesehen ist, die das Regelverhalten des steuerbaren Ventils (100) bestimmt.Device according to claim 3 or 4, in which a control unit is provided, which controls the control behavior of the controllable valve ( 100 ) certainly. Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle (14) in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (16) mit einem Arbeitsschritt, mit dem Schritt (58): Expandieren des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck (28) auf einen niedrigeren Druck (18), wobei das Expandieren nicht in den für den Kreisprozess definierten Nassdampfbereich erfolgt.Method for converting thermal energy from a heat source ( 14 ) into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle ( 16 ) with one step, with the step ( 58 ): Expanding the working fluid from an elevated pressure ( 28 ) to a lower pressure ( 18 ), wherein the expansion does not take place in the wet steam region defined for the cycle.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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