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.
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
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
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:
In der
Die Vorrichtung
Dieses flüssige Ammoniak wird von dem Sammelbehälter
Von der Druckerhöhungseinrichtung
Die Wärmeübertragungseinrichtung
Derart gestaltet wird das flüssige Ammoniak zunächst über die Leitung
Mit dem Abscheider
Aus dem Abscheider
Das überhitzte Ammoniakgas wird über eine Leitung
In der Vorrichtung
Das Mittel
Über eine aus dem Mittel
Zum Zuführen von Öl zum Arbeitsmedium verfügt die Vorrichtung
Das Trennelement
Der Heizer
Das abgeschiedene Öl wird mit dem Ölüberführmittel
Ferner ist der Heizkreislauf
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
In der Leitung vor dem Mittel
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
Hinter dem motorgesteuerten Ventil
Das durch die Steuereinheit für das motorgesteuerte Ventil
In der
Wie in den
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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