DE10355782A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip von Clausius-Rankine zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie in mindestens zweistufiger Anordnung, wobei jede Stufe einen Arbeitsmittelspeicher (3, 8), ein Verdichtungsmittel (4, 9), ein Entspannungsmittel (6, 10) und zwei Wärmeübertragungsmittel (5, 7) bzw. (7, 11) aufweist, und wobei ein Sekundärkreislauf (2) durch einen aus einem Primärkreislauf (1) abgeführten Wärmestrom betreibbar ist, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad des thermischen Kreisprozesses erhöht wird und dass die Investitions- und Betriebskosten gesenkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmittel so beschaffen sind, dass die Temperatur des Arbeitsmittels im Primärkreislauf (1) nach der Entspannung im Entspannungsmittel (6) betragsmäßig soweit höher ist als die Temperatur des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf (2) nach der Verdichtung im Verdichtungsmittel (9), dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2) durch die Kondensationswärme des Arbeitsmittels im Primärkeislauf (1) erhitzbar und verdampfbar ist und dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2) mindestens zu einem Teil aus Wasser besteht. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip von Clausius-Rankine in mindestens zweistufiger Anordnung angegeben, ...
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip von Clausius-Rankine zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie in mindestens zweistufiger Anordnung, wobei jede Stufe einen Arbeitsmittelspeicher, ein Verdichtungsmittel, ein Entspannungsmittel sowie zwei Wärmeübertragungsmittel aufweist, und wobei ein Sekundärkreislauf durch einen aus einem Primärkreislauf abgeführten Wärmestrom betreibbar ist.
- Der Clausius-Rankine-Prozess ist ein thermischer Kreisprozess, der bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt ist und in großtechnischem Ausmaß zur Gewinnung von elektrischer Energie eingesetzt wird. Das Arbeitsmittel ist hierbei im Allgemeinen entionisiertes Wasser. Das flüssige Wasser wird üblicherweise von einer Speisewasserpumpe komprimiert und in den Verdampfer gefördert. Der Verdampfer kann hierbei in der Brennkammer eines konventionellen Kohlekraftwerks positioniert sein oder vom Primärkreislauf eines Nuklearreaktors gespeist werden, oder dergleichen. Nach der Verdampfung und der fakultativen Überhitzung des Wasserdampfs erfolgt üblicherweise die Entspannung in einer Turbine, welche normalerweise in Wirkverbindung mit einem Stromgenerator gebracht ist. Nach der Entspannung in der Turbine schließt sich die Kondensation des Arbeitsmittels im Kondensator an. Die anfallende Kondensationswärme kann, wie früher vermehrt üblich, über einen Kühlturm an die Umgebung abgeführt werden. In jüngster Zeit wird vermehrt der Versuch unternommen, die anfallende Kondensationswärme als so genannte Fernwärme weiterzuleiten und somit einer weiteren sinnvollen Nutzung zuzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, die anfallende Kondensationswärme als Verdampfungswärme für einen zweiten, nachgeschalteten Rankine-Prozess zu nutzen, worauf im Weiteren gesondert eingegangen wird.
- In konventionellen Dampfkraftwerken zur Stromerzeugung wird im Allgemeinen weiterhin entionisiertes Wasser als Arbeitsmittel verwendet. Durch den vergleichsweise. hohen Dampfdruck des Wassers, die hohen erreichten Temperaturen nach Verdampfung und Überhitzung sowie den starken Druckabfall in der nachgeschalteten Turbine ergeben sich hier besondere apparative Anforderungen, denen nur durch die großtechnische Umsetzung des beschriebenen Prozesses, verbunden mit hohen Investitionskosten und hohem Wartungs- bzw. Bedienaufwand entsprochen werden kann. Eine zweite Besonderheit des Arbeitsmittels Wasser liegt darin, dass es nach der Entspannung und Kondensation üblicherweise bei einem Dampfdruck von ca. 30 mbar vorliegt, so dass dieser Teil der Anlage vakuumdicht ausgestaltet sein muss, was erneut einen besonders hohen Investitionsaufwand sowie eine besonders sorgfältige Fertigung der benötigten Anlagenteile notwendig macht.
- In den letzten Jahrzehnten ist vermehrt eine Nachfrage nach kleineren bzw. mittelgroßen thermischen Kraftwerken entstanden, um auch zur Verbrennung fossiler Brennstoffe alternative Wärmequellen in mechanische und/oder elektrische Energie umzuwandeln.
- Diese alternativen Energiequellen umfassen beispielsweise die Verbrennung von Biogas oder Bioabfall, die Abwärme bzw. Prozesswärme aus Industrie- oder Energieumwandlungsprozessen, Wärme bzw. Dampf aus geothermischen Quellen sowie Wärme aus Solarenergie oder anderen Quellen. Im Sinne einer dezentralen Nutzung dieser Energiequellen zur Stromerzeugung sowie als Wärmelieferanten hat es sich seit längerer Zeit bewährt, einen thermischen Kreisprozess nach Clausius-Rankine mit einem organischen Arbeitsmittel anstelle von Wasser durchzuführen (Organic Rankine Cycle, ORC). Als Arbeitsmittel werden beispielsweise Stoffe wie Pentan, Oktan, Toluol oder Silikonöl eingesetzt. Das Arbeitsmittel wird üblicherweise indirekt durch einen im Kessel bzw. in der Wärmequelle erhitzten Thermoöl-Kreislauf aufgeheizt und verdampft. Im Weiteren läuft der ORC-Prozess so ab, wie oben für das konventionelle Dampfkraftwerk beschrieben wurde. Die direkte Aufnahme der im nachgeschalteten Prozess zu verwertenden Wärme durch den Thermoölkreislauf hat den Vorteil, dass hierbei ein nahezu druckloser Betrieb des Kessels bzw. der Vorrichtung zur Aufnahme des zu verwertenden Wärmestroms möglich ist. Der ORC-Prozess insgesamt hat den Vorteil, dass die im Prozess erreichten Druck- bzw. Temperaturwerte üblicherweise deutlich unter denen liegen, die im klassischen Dampfkraftwerkprozess nach Clausius-Rankine erreicht werden. Hierdurch sinkt der apparative Aufwand ebenso wie die Bedien- bzw. Überwachungsintensität des Prozesses und das Investitionsvolumen insgesamt. Neben den niedrigeren Spitzenwerten von Druck und Temperatur ist besonders erwähnenswert, dass das organische Arbeitsmittel nach der Kondensation üblicherweise einen deutlich höheren Dampfdruck als Wasser aufweist, wodurch an die Vakuumdichtigkeit des diesbezüglichen Anlagenteils keine derart hohen Anforderungen gestellt werden müssen. Des Weiteren weisen die geeigneten und in derartigen ORC- Prozessen verwendeten Arbeitsmittel üblicherweise einen deutlich niedrigeren Gefrierpunkt als Wasser auf. Dadurch wird vermieden, dass das Arbeitsmittel bei der Benutzung von Umgebungsluft als Aufnahmemedium für die anfallende Kondensationswärme bei besonders ungünstigen Witterungsbedingungen einfriert, was einen sofortigen Ausfall bzw. eine schwere Beschädigung der Anlage zur Folge hätte. Dieser Vorteil kommt beispielsweise beim Betrieb von ORC-Anlagen zum Gewinn von Strom und Wärme aus der Verbrennung von Holzabfällen in weit abgelegenen, nördlichen Gebieten zum Tragen.
- Ebenfalls seit längerer Zeit bekannt sind Vorrichtungen und Verfahren der in Rede stehenden Art. Hierbei wird ein ORC-Prozess in zweistufiger Anordnung betrieben, die Kondensationswärme des Arbeitsmittels der ersten Stufe dient als Aufheiz- bzw. Verdampfungswärme für das Arbeitsmittel der zweiten Stufe. So ist eine zweistufige, kaskadierte Vorrichtung zur Energieumwandlung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen aus der
DE 199 07 512 A1 bekannt. In dieser Druckschrift wird eine Vorrichtung offenbart, bei der, mit den Bezugszeichen der Veröffentlichung, z. B. in1 das Fluid1 (Diphenyl/Diphenylether) mit der Druckpumpe6 komprimiert, über eine Wärmezufuhr (z. B. über Thermoträgeröl) im Vorwärmer1 bzw. Verdampfer2 erhitzt und verdampft, in der Turbine3 entspannt sowie im Fluid-Kondensator5 kondensiert wird. Die anfallende Kondensationswärme dient hierbei zur Erhitzung und Verdampfung des Fluids der zweiten Stufe (Hexamethyldisiloxan), das im Weiteren nach vorgenannter Art und Weise ebenfalls durch eine Entspannung in einer Turbine3 mechanische Energie sowie über eine Wärmeabgabe im Kondensator5 Wärmeenergie liefert. - Bei der gattungsbildenden Vorrichtung ist nachteilig, dass in beiden Stufen organische Medien als Arbeitsmittel eingesetzt werden. Die hier in Rede stehenden, zum Einsatz als Arbeitsmittel in ORC-Prozessen geeigneten organischen Medien weisen üblicherweise eine für sinkende Temperaturen zu kleineren Werten der Entropie geneigte Taulinie im T-s-Diagramm auf. Dies bedeutet, dass bei einer (angenähert) isentropen bzw. realistischerweise mit einem leichten Zugewinn an Entropie verbundenen Expansion des Arbeitsmitteldampfes eine weitere Überhitzung des Dampfes stattfindet. Soll das Medium nach der Expansion kondensiert werden, muss zuerst Wärme isobar abgeführt werden, bis die Taulinie erreicht ist. Soll jedoch möglichst viel der im Dampf zur Verfügung stehenden Energie in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden, ist dies mit einem sinkenden elektrischen Wirkungsgrad verbunden, wertvolle Energie wird weitgehend nutzlos abgeführt.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad des thermischen Kreisprozesses erhöht wird, und dass die Investitions- und Betriebskosten gesenkt werden.
- Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich einer Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmittel so beschaffen sind, dass die Temperatur des Arbeitsmittels im Primärkreislauf nach der Entspannung im Entspannungsmittel betragsmäßig soweit höher ist als die Temperatur des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf nach der Verdichtung im Verdichtungsmittel, dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf durch die Kondensationswärme des Arbeitsmittels im Primärkreislauf erhitzbar und verdampfbar ist, und dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf mindestens zu einem Teil aus Wasser besteht.
- Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Kondensationswärme eines Primärkreislaufs eines Rankine-Prozesses zum Erhitzen und Verdampfen eines Arbeitsmittels in einem Sekundärkreislauf genutzt werden kann. Ebenfalls ist erkannt worden, dass neben dem Anteil der Kondensationswärme des Primärkreislaufs, der zum Erhitzen und Verdampfen des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf verwendet wird, ein weiterer Anteil der Kondensationswärme als Brauch- bzw. Heizwärme genutzt werden kann.
- Weiterhin ist erkannt worden, dass die Nutzung von Wasser als Arbeitsmittel in einem Sekundärkreislauf nicht die bekannten Probleme bereitet, auf die der Anlagenbetreiber trifft, falls er Wasser als Arbeitsmittel in einem Primärkreislauf eines Clausius-Rankine-Prozesses einsetzt. Bei der Nutzung von Wasser als Arbeitsmittel in einem Sekundärkreislauf treten, bedingt durch die niedrigeren Temperaturen, vergleichsweise niedrigere Dampfdrücke auf, als sie in einem herkömmlichen Clausius-Rankine-Prozess erfahren werden. Hiermit sinken der Investitions- bzw. Wartungs aufwand sowie die Überwachungsintensität. Gleichzeitig wird durch die globale Verfügbarkeit von Wasser sowie die ökologische Unbedenklichkeit dieses Arbeitsmittels eine universell, auch in abgelegenen Gebieten einsetzbare Vorrichtung sowie ein dem entsprechendes Verfahren bereitgestellt.
- Durch eine detaillierte und fundierte Betrachtung der dem thermischen Kreisprozess zugrunde liegenden thermodynamischen Verhältnisse ist erkannt worden, dass der Einsatz von Wasser als Arbeitsmittel in einem Sekundärkreislauf im Sinne einer erhöhten Ausbeute an mechanischer Energie bzw. von Strom zu bevorzugen ist. Durch die spezielle Form und Lage der Taulinie im T-s-Diagramm bei in Organic-Rankine-Prozessen üblicherweise verwendeten organischen Arbeitsmitteln tritt bei einer Entspannung in einem Entspannungsmittel (üblicherweise in einer Turbine) eine Überhitzung des Dampfes auf, da die Taulinie für kleinere Temperaturen zu kleineren Werten der Entropie geneigt ist. Im Gegensatz hierzu ist die Taulinie bei Wasser für kleinere Temperaturen zu größeren Werten der Entropie geneigt. Dadurch kann eine Entspannung direkt bis auf die Taulinie erfolgen. Dadurch kann erfindungsgemäß eine maximale Ausbeute an mechanischer Energie bzw. von Strom erhalten werden.
- Folglich ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozessen zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie angegeben, bei der eine Erhöhung des Wirkungsgrads des thermischen Kreisprozesses sowie eine Senkung der Investitions- bzw. Betriebskosten realisiert ist.
- Das Arbeitsmittel im Primärkreislauf könnte aus einem synthetischen Öl oder einem organischen Fluid bestehen. Die Wahl des Arbeitsmittels kann hierbei nach dem Gesichtspunkt der ökologischen Unbedenklichkeit, der Wirtschaftlichkeit oder der raschen Verfügbarkeit erfolgen. Hierbei ist jedoch wichtig, dass das Arbeitsmittel im Primärkreislauf so gewählt wird, dass nach der Entspannung im Entspannungsmittel des Primärkreislaufs ein ausreichend großes Temperaturgefälle zu dem verdichteten, flüssigen Arbeitsmittel des Sekundärkreislaufs besteht, so dass die Kondensationswärme des Primärkreislaufs zur Erhitzung und Verdampfung des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf genutzt werden kann.
- Das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf könnte aus reinem Wasser bestehen. Hierbei wäre bezüglich des Sekundärkreislaufs eine besondere ökologische Unbedenklichkeit gegeben. Darüber hinaus ist Wasser global verfügbar und kann dem Sekundärkreislauf nach einer entionisierenden Vorbehandlung zugeführt werden. Des Weiteren ergeben sich die vorgenannten Vorteile aufgrund der nicht gegebenen Überhitzung von Wasserdampf während der Entspannung.
- In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung könnte das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf aus einer Mischung aus Wasser und einem organischen Fluid bestehen. Dadurch könnte das organische Fluid während der Entspannung überschüssige Wärme an das Wasser abgeben. Es würde eine Überhitzung des Wasserdampfs stattfinden, also könnte der Wasserdampf auf einen niedrigeren Druck entspannt werden. Das Resultat hierbei wäre eine erhöhte Ausbeute an mechanischer bzw. elektrischer Energie. Da reiner Wasserdampf bei der Entspannung üblicherweise schneller abkühlt als die in Frage kommenden reinen organischen Medien, wäre hier auch das für den Wärmetransport erforderliche Temperaturgefälle gegeben. Eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse ließe sich dabei über das veränderliche Mischungsverhältnis der beiden Medien in einfacher Weise erreichen.
- Die das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf bildenden Mischungspartner könnten in der Dampfphase homogen mischbar sein. Hierdurch wäre eine effektive gemeinsame Entspannung der Arbeitsmittel sowie ein besonders wirkungsvoller Wärmeübergang vom organischen Fluid an das Wasser während der Entspannung gewährleistet.
- Die Mischungspartner des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf könnten im Dampfzustand zusammengeführt werden und nach der Entspannung im Entspannungsmittel und der Kondensation im Wärmeübertragungsmittel in einem Separator aufgetrennt werden, wobei der Wasseranteil sowie der Anteil des organischen Fluids in die jeweiligen Arbeitsmittelspeicher zurückgeführt werden könnten. Hierdurch wäre eine besonders effektive Komprimierung sowie Verdampfung der jeweiligen Medien gewährleistet. Darüber hinaus würde das Auftreten von zweiphasigen Strömungen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verhindert werden.
- Die das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf bildenden Mischungspartner könnten sowohl in der Flüssigphase als auch in der Dampfphase homogen mischbar sein. Hierdurch könnte auf das Vorsehen eines Separators zur Abtrennung der unmischbaren flüssigen Phasen verzichtet werden. Durch das Ausschließen des Auftretens zweiphasiger Strömungen könnte ebenfalls eine besonders definierte Erhitzung und Verdampfung der jeweiligen Medien erfolgen.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung könnten die Entspannungsmittel in beiden Kreisläufen Turbinen aufweisen, in denen die Energie des Dampfs zumindest teilweise in mechanische Energie umwandelbar wäre. Idealerweise könnten die Turbinen je nach Einsatz im Primär- bzw. Sekundärkreislauf, also je nach Druckbereich der Entspannung, bzw. je nach der chemischen Zusammensetzung des Arbeitsmittels und damit verbundener eventuell auftretender Korrosivität spezifiziert sein.
- Die vorgenannten Turbinen könnten ebenfalls in Wirkverbindung mit nachgeschalteten Generatoren gebracht werden, um die anfallende mechanische Energie zumindest teilweise in elektrische Energie umzuwandeln. Hierbei könnten handelsübliche Generatoren zum Einsatz kommen.
- Die in den jeweiligen Wärmeübertragungsmitteln anfallende Kondensationswärme beider Kreisläufe könnte zumindest teilweise abgezweigt werden, um als Brauch- bzw. Heizwärme genutzt zu werden. Hierbei wäre das Verhältnis von Heizwärme zur generierten elektrischen Strommenge durch die Konfiguration der Wärmeübertragungsmittel einstellbar. Die Kondensationswärme des Sekundärkreislaufs könnte vollständig als Brauch- bzw. Heizwärme genutzt werden.
- In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung könnten die Verdichtungsmittel in beiden Kreisläufen durch das Entspannungsmittel des Primärkreislaufs über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe angetrieben werden. Hierdurch könnten zusätzliche Investitionskosten und apparativer Aufwand eingespart werden.
- Zwischen dem Verdichtungsmittel und dem nachgeschalteten Wärmeübertragungsmittel des jeweiligen Kreislaufs könnten Regeneratoren angeordnet sein, mit denen das flüssige, komprimierte Arbeitsmittel im Gegenstrom mit dem zumindest teilweise kondensierten, das zur Kondensation dienende Wärmeübertragungsmittel verlassenden Arbeitsmittel geführt und in wärmeleitenden Kontakt gebracht werden könnte. Durch diesen Wärmeaustausch innerhalb des Kreislaufs könnte überschüssige Energie des kondensierten Arbeitsmittels zum Vorheizen des komprimierten, flüssigen Arbeitsmittels genutzt werden. Der Wirkungsgrad des thermischen Prozesses könnte hierdurch gesteigert werden.
- In einem oder in beiden Teilkreisläufen des Prozesses könnte jeweils zwischen das Verdichtungsmittel und das nachgeschaltete Wärmeübertragungsmittel ein Vorerhitzer geschaltet sein, der z. B. mit zur Verfügung stehender Abwärme betrieben werden könnte. Hierdurch könnte Energie zur Erhitzung bzw. Verdampfung des jeweiligen Arbeitsmittels eingespart werden.
- Ebenfalls könnte in einem oder in beiden der Teilkreisläufe jeweils zwischen das Wärmeübertragungsmittel, das zur Erhitzung bzw. Verdampfung des Arbeitsmittels dient, und das nachgeschaltete Entspannungsmittel ein Nacherhitzer geschaltet werden. Eine weitere Überhitzung des Dampfes könnte hierbei zu einem vergrößerten Druckbereich bei der nachfolgenden Entspannung führen. Idealerweise könnte der Nacherhitzer aus zur Verfügung stehender Abwärme oder Ähnlichem betrieben werden.
- In besonders bevorzugter Weise könnte das Wärmeübertragungsmittel zur Erhitzung des Arbeitsmittels im Primärkreislauf im Sinne einer indirekten Aufnahme eines Wärmestroms aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, aus der Verbrennung von Biogas oder Bioabfall, aus Industrie- oder Energieumwandlungsprozessen, aus geothermischen Quellen, aus Solarenergie oder anderen Quellen an einen Wärmeträgeröl-Kreislauf angeschlossen sein. Dieser Wärmeträgeröl-Kreislauf könnte direkt im Brennraum des Verbrennungsprozesses erhitzt werden, bzw. durch die fokussierte Sonnenstrahlung oder andere Weise erwärmt werden. Durch den üblicherweise sehr niedrigen Dampfdruck eines solchen Wärmeträgeröls wäre folglich ein nahezu druckloser Betrieb der bezüglich von Leckagen oder Störfällen besonders sensiblen bzw. schwer zugänglichen „heißen Seite" möglich. Die eigentliche Druckerzeugung und Umwandlung in mechanische Energie würde hierbei erst im Primär- bzw. Sekundärkreislauf des nachgeschalteten Rankine-Prozesses erfolgen.
- Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.
- Um Wiederholungen zu vermeiden, sei hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Ausführungen bezüglich der Vorrichtung verwiesen.
- Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 ein schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses, wobei eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung verwendet wird. -
1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der im Primärkreislauf1 ein organisches Medium als Arbeitsmittel verwendet wird, und wobei im Sekundärkreislauf2 eine Mischung aus dem organischen Medium aus dem Primärkreislauf1 und Wasser als Arbeitsmittel verwendet wird.1 betrifft hierbei eine Ausführungsform, bei der die beiden Arbeitsmittel nur in der Dampfphase, jedoch nicht in der Flüssigphase eine homogene Mischung ausbilden. - Aus dem Arbeitsmittelspeicher
3 für den Primärkreislauf1 wird das organische Medium mit Hilfe des Verdichtungsmittels4 auf den erforderlichen Druck gebracht und in das Wärmeübertragungsmittel5 gefördert. Im Wärmeübertragungsmittel5 wird das organische Medium auf Siedetemperatur erhitzt und anschließend in geeigneter Weise verdampft. Der Dampf strömt dem Entspannungsmittel6 der ersten Stufe zu und wird dort bis zum Kondensationsdruck entspannt. Der nunmehr entspannte und überhitzte Dampf strömt in das gemeinsame Wärmeübertragungsmittel7 und wird dort abgekühlt, kondensiert, und anschließend weiter abgekühlt. Das Kondensat wird aus dem Wärmeübertragungsmittel7 in den Arbeitsmittelspeicher3 zurückgeführt. - Im Sekundärkreislauf
2 wird Wasser aus dem Arbeitsmittelspeicher8 mit dem Verdichtungsmittel9 auf den erforderlichen Druck gebracht und mit Hilfe der im Wärmeübertragungsmittel7 aus dem Primärkreislauf1 übertragenen Wärme auf Siedetemperatur erhitzt, verdampft, und anschließend überhitzt. Der Dampf wird nun dem Entspannungsmittel10 zugeführt, dabei wird eine geeignete Menge des organischen Dampfes aus dem Primärkreislauf1 beigemischt. Im Entspannungsmittel10 wird das Dampfgemisch bis zum Kondensationsdruck entspannt, wobei das organische Medium überschüssige Wärme an den Wasserdampfanteil übertragen und so eine weitere Überhitzung des Wasserdampfs bewirken kann. Fakultativ kann bei geeigneter Auslegung des Entspannungsmittels10 eine Teilkondensation des organischen Mediums erfolgen. Das entspannte Dampfgemisch wird dem Wärmeübertragungsmittel11 zugeführt, wo es vollständig kondensiert wird. Der hierbei anfallende Wärmestrom wird entweder an die Umgebung abgeführt oder kann im Rahmen einer Kraft-Wärmekopplung für thermische Prozesse auf geringerem Temperaturniveau bereitgestellt werden. - Das zweiphasige Kondensat wird einem Separator
12 zugeführt, der das Wasserkondensat und das organische Medium trennt. Das organische Medium wird daraufhin wieder in den Arbeitsmittelspeicher3 zurückgeführt, während das kondensierte Wasser in den Arbeitsmittelspeicher8 zurückfließt. - Abschließend sei hervorgehoben, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel die beanspruchte Lehre erörtert, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
Claims (30)
- Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip von Clausius-Rankine zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie in mindestens zweistufiger Anordnung, wobei jede Stufe einen Arbeitsmittelspeicher (
3 ,8 ), ein Verdichtungsmittel (4 ,9 ), ein Entspannungsmittel (6 ,10 ) und zwei Wärmeübertragungsmittel (5 ,7 ) bzw. (7 ,11 ) aufweist, und wobei ein Sekundärkreislauf (2 ) durch einen aus einem Primärkreislauf (1 ) abgeführten Wärmestrom betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmittel so beschaffen sind, dass die Temperatur des Arbeitsmittels im Primärkreislauf (1 ) nach der Entspannung im Entspannungsmittel (6 ) betragsmäßig soweit höher ist als die Temperatur des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf (2 ) nach der Verdichtung im Verdichtungsmittel (9 ), dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2 ) durch die Kondensationswärme des Arbeitsmittels im Primärkreislauf (1 ) erhitzbar und verdampfbar ist, und dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2 ) mindestens zu einem Teil aus Wasser besteht. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Primärkreislauf (
1 ) aus einem synthetischen Öl oder einem organischen Fluid besteht. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (
2 ) aus Wasser besteht. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (
2 ) aus einer Mischung eines organischen Fluids mit Wasser besteht. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (
2 ) bildenden Mischungspartner in der Dampfphase homogen mischbar sind. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungspartner des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf (
2 ) im Dampfzustand zusammenführbar sind und nach der Entspannung im Entspannungsmittel (10 ) und der Kondensation im Wärmeübertragungsmittel (11 ) das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf im Separator (12 ) auftrennbar ist, wobei der Wasseranteil in den Arbeitsmittelspeicher (8 ) zurückführbar ist und der Anteil des organischen Fluids in den Arbeitsmittelspeicher (3 ) zurückführbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (
2 ) bildenden Mischungspartner sowohl in der Flüssigphase als auch in der Dampfphase homogen mischbar sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmittel (
6 ,10 ) Turbinen aufweisen, in denen die Energie des Dampfes zumindest teilweise in mechanische Energie umwandelbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Turbinen anfallende mechanische Energie durch den Einsatz von nachgeschalteten Generatoren zumindest teilweise in elektrische Energie umwandelbar ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Wärmeübertragungsmitteln (
7 ,11 ) anfallende Kondensationswärme zumindest zu einem Teil als Brauchwärme verfügbar ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsmittel (
4 ,9 ) aus Kompressoren bestehen, die durch das Entspannungsmittel (6 ) über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe antreibbar sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen den Verdichtungsmitteln (
4 ,9 ) und den Wärmeübertragungsmitteln (5 ,7 ) Regeneratoren angeordnet sind, mit denen das flüssige, komprimierte Arbeitsmittel im Gegenstrom mit dem zumindest teilweise kondensierten, das Wärmeübertragungsmittel (7 ,11 ) verlassenden Arbeitsmittel führbar ist und in wärmeleitenden Kontakt bringbar ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Verdichtungsmittel (
4 ) und das Wärmeübertragungsmittel (5 ) sowie zwischen das Verdichtungsmittel (9 ) und das Wärmeübertragungsmittel (7 ) jeweils ein Vorerhitzer geschaltet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Wärmeübertragungsmittel (
5 ) und das Entspannungsmittel (6 ) sowie zwischen das Wärmeübertragungsmittel (7 ) und das Entspannungsmittel (10 ) jeweils ein Nacherhitzer geschaltet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel (
5 ) für die Erhitzung des Arbeitsmittels im Primärkreislauf zur indirekten Aufnahme eines Wärmestroms aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, aus der Verbrennung von Biogas oder Bioabfall, aus Industrie- oder Energieumwandlungsprozessen, aus geothermischen Quellen, aus Solarenergie oder anderen Quellen an einen Wärmeträgeröl-Kreislauf anschließbar ist. - Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip von Clausius-Rankine zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in mindestens zweistufiger Anordnung, wobei in jeder Stufe ein Arbeitsmittelspeicher (
3 ,8 ), ein Verdichtungsmittel (4 ,9 ), ein Entspannungsmittel (6 ,10 ) und zwei Wärmeübertragungsmittel (5 ,7 ) bzw. (7 ,11 ) verwendet werden, und wobei ein Sekundärkreislauf (2 ) durch einen aus einem Primärkreislauf (1 ) abgeführten Wärmestrom betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmittel so gewählt werden, dass die Temperatur des Arbeitsmittels im Primärkreislauf (1 ) nach der Entspannung im Entspannungsmittel (6 ) betragsmäßig soweit höher ist als die Temperatur des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf (2 ) nach der Verdichtung im Verdichtungsmittel (9 ), dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2 ) durch die Kondensationswärme des Arbeitsmittels im Primärkreislauf (1 ) erhitzt und verdampft wird, und dass der Sekundärkreislauf (2 ) mit einem Arbeitsmittel, dass mindestens zu einem Teil aus Wasser besteht, betrieben wird. - Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreislauf (
1 ) mit einem synthetischen Öl oder einem organischen Fluid als Arbeitsmittel betrieben wird. - Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf (
2 ) mit Wasser als Arbeitsmittel betrieben wird. - Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf (
2 ) mit einer Mischung eines organischen Fluids mit Wasser als Arbeitsmittel betrieben wird. - Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (
2 ) bildenden Mischungspartner in der Dampfphase eine homogene Mischung ausbilden. - Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungspartner des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf (
2 ) im Dampfzustand zusammengeführt werden und nach der Entspannung im Entspannungsmittel (10 ) und der Kondensation im Wärmeübertragungsmittel (11 ) das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf im Separator (12 ) aufgetrennt wird, wobei der Wasseranteil in den Arbeitsmittelspeicher (8 ) zurückgeführt wird und der Anteil des organischen Fluids in den Arbeitsmittelspeicher (3 ) zurückgeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (
2 ) bildenden Mischungspartner sowohl in der Flüssigphase als auch in der Dampfphase eine homogene Mischung ausbilden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Entspannungsmittel (
6 ,10 ) Turbinen verwendet werden, in denen die Energie des Dampfes zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. - Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Turbinen anfallende mechanische Energie durch den Einsatz von nachgeschalteten Generatoren zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Wärmeübertragungsmitteln (
7 ,11 ) anfallende Kondensationswärme zumindest zu einem Teil als Brauchwärme verwendet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichtungsmittel (
4 ,9 ) Kompressoren verwendet werden, die durch das Entspannungsmittel (6 ) über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe angetrieben werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen den Verdichtungsmitteln (
4 ,9 ) und den Wärmeübertragungsmitteln (5 ,7 ) Regeneratoren durchlaufen werden, in denen das flüssige, komprimierte Arbeitsmittel im Gegenstrom mit dem zumindest teilweise kondensierten, das Wärmeübertragungsmittel (7 ,11 ) verlassenden Arbeitsmittel geführt und in wärmeleitenden Kontakt gebracht wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichtungsmittel (
4 ) und dem Wärmeübertragungsmittel (5 ) sowie zwischen dem Verdichtungsmittel (9 ) und dem Wärmeübertragungsmittel (7 ) jeweils ein Vorerhitzer durchlaufen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmeübertragungsmittel (
5 ) und dem Entspannungsmittel (6 ) sowie zwischen dem Wärmeübertragungsmittel (7 ) und dem Entspannungsmittel (10 ) jeweils ein Nacherhitzer durchlaufen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel (
5 ) für die Erhitzung des Arbeitsmittels im Primärkreislauf zur indirekten Aufnahme eines Wärmestroms aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, aus der Verbrennung von Biogas oder Bioabfall, aus Industrie- oder Energieumwandlungsprozessen, aus geothermischen Quellen, aus Solarenergie oder anderen Quellen an einen Wärmeträgeröl-Kreislauf angeschlossen ist.
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