DE10355782B4

DE10355782B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses

Info

Publication number: DE10355782B4
Application number: DE2003155782
Authority: DE
Inventors: Peter Eiermann
Original assignee: MAXXTEC AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: DE10355782A1

Abstract

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, wobei ein Sekundärkreislauf (2) durch einen aus einem Primärkreislauf (1) abgeführten Wärmestrom betreibbar ist, wobei 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 wobei das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2) mindestens zu einem Teil aus Wasser besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2) aus einer Mischung eines organischen Fluids mit Wasser besteht.

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 und zwei Wärmeübertragungsmittel aufweist, wobei ein Sekundärkreislauf durch einen aus einem Primärkreislauf abgeführten Wärmestrom betreibbar ist, wobei 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 wobei das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf mindestens zu einem Teil aus Wasser besteht.
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 vergleichs weise 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. Überwa chungsintensität 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.

Aus dem Stand der Technik ist bereits bekannt, einen ORC-Prozess in zweistufiger Anordnung zu betreiben, wobei die Kondensationswärme des Arbeitsmittels der ersten Stufe als Aufheiz- bzw. Verdampfungswärme für das Arbeitsmittel der zweiten Stufe dient. 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. in 1 das Fluid 1 (Diphenyl/Diphenylether) mit der Druckpumpe 6 komprimiert, über eine Wärmezufuhr (z. B. über Thermoträgeröl) im Vorwärmer 1 bzw. Verdampfer 2 erhitzt und verdampft, in der Turbine 3 entspannt sowie im Fluid-Kondensator 5 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 Turbine 3 mechanische Energie sowie über eine Wärmeabgabe im Kondensator 5 Wärmeenergie liefert.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 34 20 293 C2 bekannt. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf aus Wasser besteht. Daraus ergeben sich die eingangs genannten Nachteile des Arbeitsmittels Wasser.

Alternativ wird in der DE 34 20 293 C2 vorgeschlagen, dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf aus einem reinen organischen Fluid besteht. Diesbezüglich werden beispielsweise ein aliphatischer Kohlenwasserstoff oder Heptan genannt.

Die zum Einsatz als Arbeitsmittel in ORC-Prozessen geeigneten organischen Medien weisen jedoch 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 der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf aus einer Mischung eines organischen Fluids mit Wasser besteht.

Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.

Durch die spezielle Form und Lage der Taulinie im T-s-Diagramm bei in Organic-Rankine-Prozessen verwendeten organischen Arbeitsmitteln tritt bei einer Entspannung in einem Entspannungsmittel (üblicherweise in einer Turbine) eine Überhit zung 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.

In erfindungsgemäßer Weise kann das organische Fluid während der Entspannung überschüssige Wärme an das Wasser abgeben. Dadurch findet eine Überhitzung des Wasserdampfs statt, also kann der Wasserdampf auf einen niedrigeren Druck entspannt werden. Das Resultat hierbei ist 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, ist hier auch das für den Wärmetransport erforderliche Temperaturgefälle gegeben. Eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse lässt sich dabei über das veränderliche Mischungsverhältnis der beiden Medien in einfacher Weise erreichen.

Folglich ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses 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.

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 Wärme übergang 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.

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
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 Primärkreislauf 1 ein organisches Medium als Arbeitsmittel verwendet wird, und wobei im Sekundärkreislauf 2 eine Mischung aus dem organischen Medium aus dem Primärkreislauf 1 und Wasser als Arbeitsmittel verwendet wird. 1 betrifft hierbei eine Ausfüh rungsform, bei der die beiden Arbeitsmittel nur in der Dampfphase, jedoch nicht in der Flüssigphase eine homogene Mischung ausbilden.
Aus dem Arbeitsmittelspeicher 3 für den Primärkreislauf 1 wird das organische Medium mit Hilfe des Verdichtungsmittels 4 auf den erforderlichen Druck gebracht und in das Wärmeübertragungsmittel 5 gefördert. Im Wärmeübertragungsmittel 5 wird das organische Medium auf Siedetemperatur erhitzt und anschließend in geeigneter Weise verdampft. Der Dampf strömt dem Entspannungsmittel 6 der ersten Stufe zu und wird dort bis zum Kondensationsdruck entspannt. Der nunmehr entspannte und überhitzte Dampf strömt in das gemeinsame Wärmeübertragungsmittel 7 und wird dort abgekühlt, kondensiert, und anschließend weiter abgekühlt. Das Kondensat wird aus dem Wärmeübertragungsmittel 7 in den Arbeitsmittelspeicher 3 zurückgeführt.
Im Sekundärkreislauf 2 wird Wasser aus dem Arbeitsmittelspeicher 8 mit dem Verdichtungsmittel 9 auf den erforderlichen Druck gebracht und mit Hilfe der im Wärmeübertragungsmittel 7 aus dem Primärkreislauf 1 übertragenen Wärme auf Siedetemperatur erhitzt, verdampft, und anschließend überhitzt. Der Dampf wird nun dem Entspannungsmittel 10 zugeführt, dabei wird eine geeignete Menge des organischen Dampfes aus dem Primärkreislauf 1 beigemischt. Im Entspannungsmittel 10 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 Entspannungsmittels 10 eine Teilkondensation des organischen Mediums erfolgen. Das entspannte Dampfgemisch wird dem Wärmeübertragungsmittel 11 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 Arbeitsmittelspeicher 3 zurückgeführt, während das kondensierte Wasser in den Arbeitsmittelspeicher 8 zurückfließt.
Abschließend sei hervorgehoben, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel die beanspruchte Lehre erörtert, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

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, wobei ein Sekundärkreislauf (2) durch einen aus einem Primärkreislauf (1) abgeführten Wärmestrom betreibbar ist, wobei 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 wobei das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2) mindestens zu einem Teil aus Wasser besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2) aus einer Mischung eines organischen Fluids mit 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 die das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2) bildenden Mischungspartner in der Dampfphase homogen mischbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 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 1 oder 2, 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 5, 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 6, 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 7, 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 8, 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 9, 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 10, 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 11, 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 12, 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 13 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, wobei ein Sekundärkreislauf (2) durch einen aus einem Primärkreislauf (1) abgeführten Wärmestrom betrieben wird, wobei 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 wobei der Sekundärkreislauf (2) mit einem Arbeitsmittel, dass mindestens zu einem Teil aus Wasser besteht, betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf (2) mit einer Mischung eines organischen Fluids mit Wasser als Arbeitsmittel betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreislauf (1) mit einem synthetischen Öl oder einem organischen Fluid als Arbeitsmittel betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die das Arbeitsmittel im Sekundärkreislauf (2) bildenden Mischungspartner in der Dampfphase eine homogene Mischung ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 16, 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 14 oder 15, 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 14 bis 18, 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 19, 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 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Wärmeübertragungsmitteln (7, 11) anfallende Kondensationswärme zumindest zu einem Teil als Brauchwärme verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, 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 14 bis 22, 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 konden sierten, das Wärmeübertragungsmittel (7, 11) verlassenden Arbeitsmittel geführt und in wärmeleitenden Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, 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 14 bis 24, 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 14 bis 25, 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.