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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses
mit einem Arbeitsmedium nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle
(ORC) zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie
mit mindestens einem Verdichtungsmittel für das Kondensat, mindestens
einem Rekuperator/inneren Wärmeübertrager
für die
Wärmeübertragung
zwischen entspanntem Dampf und verdichtetem Kondensat, mindestens
einem Verdampfer für
das verdichtete Kondensat und mindestens einem Entspannungsmittel für den Dampf.
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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 Arbeitsmedium ist
hierbei im Allgemeinen entionisiertes Wasser. Das flüssige Wasser
wird üblicherweise
von einer Speisewasserpumpe verdichtet 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 Arbeitsmediums 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.
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In
konventionellen Dampfkraftwerken zur Stromerzeugung wird im Allgemeinen
weiterhin entionisiertes Wasser als Arbeitsmedium 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. Bedienauf wand entsprochen werden kann. Eine zweite Besonderheit
des Arbeitsmediums 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.
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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.
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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
Arbeitsmedium anstelle von Wasser durchzuführen (Organic Rankine Cycle,
ORC). Als Arbeitsmedium werden beispielsweise Stoffe wie Pentan, Oktan,
Toluol oder Silikonöl
eingesetzt. Das Arbeitsmedium 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.
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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.
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Neben
den niedrigeren Spitzenwerten von Druck und Temperatur ist besonders
erwähnenswert, dass
das organische Arbeitsmedium 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.
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Des
Weiteren weisen die geeigneten und in derartigen ORC-Prozessen verwendeten
Arbeitsmedien üblicherweise
einen deutlich niedrigeren Gefrierpunkt als Wasser auf. Dadurch
wird vermieden, dass das Arbeitsmedium 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.
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Die
hier in Rede stehenden, zum Einsatz als Arbeitsmedien 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 Arbeitsmediumdampfs eine weitere Überhitzung
des Dampfs 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, wäre
dies mit einem sinkenden elektrischen Wirkungsgrad verbunden, wertvolle Energie
würde weitgehend
nutzlos abgeführt
werden. Aus diesem Grund wird in den Anlagen gemäß Stand der Technik zur Erhöhung des
elektrischen Wirkungsgrads und somit zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit
des Prozesses die Wärme
des überhitzten,
aus der Turbine austretenden Dampfs in einem Rekuperator/inneren
Wärmeübertrager
genutzt. Dadurch muss insgesamt weniger Primärenergie von Außen zugeführt werden,
um eine bestimmte Menge des organischen Arbeitsmediums zu erhitzen
und zu verdampfen. Folglich ist in den ORC-Anlagen gemäß Stand
der Technik der Rekuperator/innere Wärmeübertrager so ausgebildet, dass
der Strom des abgekühlten,
verdichteten Kondensats im Gegenstrom zum entspannten Dampf aus
der Turbine geführt wird,
um den Kondensatstrom vorzuheizen und die bei der Entspannung zunehmende Überhitzung
des Arbeitsmedium-Dampfs weiter zu nutzen.
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Die
heutzutage verwendeten Anlagen gemäß Stand der Technik sind jedoch
in zweierlei Hinsicht nachteilig.
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Einerseits
erfordert die Erwärmung
verdichteter Medien aufgrund der stärkeren zwischenmolekularen
Kräfte
einen höheren
Energieaufwand, als dies bei unverdichteten (entspannten) Gasen
der gleichen Substanz bei gleicher Temperatur der Fall ist. Mit
anderen Worten wird beobachtet, dass die spezifische Wärmekapazität des Kondensats
größer ist
als diejenige des entspannten Dampfs. In der Praxis bedeutet dies,
dass bei heutigen Rekuperator-Verschaltungen die Temperaturdifferenz
auf der „heißen" Seite größer ist
als auf der „kalten" Seite. Das verdichtete,
im Rekuperator vorzuheizende Kondensat heizt sich im Gegenstrom
zum entspannten Dampf weniger schnell auf als der entspannte Dampf sich
abkühlt.
Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Stoffströmen wird
demnach über
die Länge des
Kondensators (in Richtung des Kondensatstroms betrachtet) immer
größer. Die
Austrittstemperatur des Kondensats aus dem Rekuperator wird durch
die zur Verfügung
stehende Wärmemenge
und nicht durch das verfügbare
Temperaturgefälle
limitiert. Das zur Verfügung
stehende Temperaturgefälle kann
nicht voll ausgeschöpft
werden.
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Andererseits
erfolgt bei den Anlagen gemäß Stand
der Technik durch das Vorheizen des verdichteten Kondensats eine
Begrenzung der zuführbaren Primärenergie.
Je höher
das kondensierte Arbeitsmedium bereits im Rekuperator erhitzt wird,
desto weniger kann das Heizmedium und somit auch der Primärenergiestrom
abgekühlt
werden, entsprechend geringerer ist der Betrag an Primärenergie,
der zugeführt
werden kann. Der Primärenergiestrom kann
im günstigsten
Fall nur bis zur Rekuperatoraustrittstemperatur des Kondensats zuzüglich des
für die Wärmeübertragung
erforderlichen Temperaturgefälles
abgekühlt
werden. Der restliche Anteil des Primärenergiestroms kann nur noch
als thermische Energie unter Umgehung des ORC- Prozesses genutzt werden
und steht somit für
die Erzeugung von Antriebsenergie nicht zur Verfügung.
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Die
Verringerung der einzutragenden Primärenergie in den Anlagen gemäß Stand
der Technik führt
zu einer weiteren Begrenzung der Leistungsfähigkeit sowie des Wirkungsgrads
in den heutzutage verwendeten Vorrichtungen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden,
dass der Wirkungsgrad des thermischen Kreisprozesses erhöht wird,
und dass die Investitions- und Betriebskosten gesenkt werden.
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Erfindungsgemäß wird die
voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Danach
ist eine Vorrichtung zum Ausführen eines
thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine
Cycle (ORC) dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des
Verdichtungsmittels für
das Kondensat der Kondensatstrom aufteilbar ist und ein Teil des
Kondensatstroms abzweigbar und dem Verdampfer unter Umgehung des
Rekuperators/inneren Wärmeübertragers
zuführbar
ist.
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Erfindungsgemäß ist erkannt
worden, dass durch eine Verringerung des den Rekuperator durchströmenden Kondensatstroms
den unterschiedlichen spezifischen Wärmekapazitäten der den Rekuperator durchströmenden Stoffströme Rechnung
getragen werden kann. Mit anderen Worten wird der Massenstrom des
Stoffstroms mit der höheren
Wärmekapazität verringert,
so dass sich die Werte des Produkts aus Massenstrom und Wärmekapazität für beide
Stoffströme
angleichen. Dadurch gleichen sich für beide Stoffströme auch
die über
den Rekuperator erfahrenen Temperaturänderungen, nämlich ΔT, an. Das
zur Verfügung
stehende Temperaturgefälle
kann folglich voll ausgeschöpft
werden.
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Des
Weiteren ist erfindungsgemäß erkannt worden,
dass der abgezweigte, nicht durch den Rekuperator geführte – „kalte" – Kondensatstrom entweder direkt
durch das Heizmedium, also indirekt durch den Primärenergiestrom,
oder direkt durch den Primärenergiestrom
oder durch eine weitere zusätzliche Energiequelle
erhitzt und ggf. verdampft werden kann. Dadurch kann der Primärenergieträger bzw. die
weitere Energiequelle ggf. bis zur Kondensattemperatur zuzüglich der
für den
Wärmetransport
erforderlichen Temperaturdifferenz abgekühlt werden. Der dem ORC-Pro zess
zur Verfügung
stehende Primärenergieanteil
und somit auch der Gesamtwirkungsgrad steigen erheblich an.
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Das
Erhitzen und Verdampfen des abgezweigten Kondensatstroms kann entweder
direkt im Verdampfer oder – wie
im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform detailliert beschrieben wird – in einem
zusätzlichen
Wärmeübertrager
geschehen, der von dem den Verdampfer verlassenden Heizmedium-Strom
gespeist werden kann.
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Mit
anderen Worten wird der abgezweigte Kondensatstrom in erfindungsgemäßer Weise
dem Idealerweise bereits weitgehend abgekühlten Primärenergiestrom direkt zum Wärmeaustausch
zugeführt
und kann daher mehr Primärenergie
aufnehmen, da der abgezweigte Kondensatstrom nicht im Rekuperator
vorerhitzt wurde. Durch diese Maßnahme steigt der Betrag der
aufgenommenen Primärenergie
an und die Anlage wird insgesamt leistungsfähiger, gleichzeitig wird der
Wirkungsgrad des Prozesses weiter verbessert.
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Folglich
ist eine Vorrichtung zum Ausführen eines
thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine
Cycle (ORC) angegeben, bei der eine Erhöhung des Wirkungsgrads des
thermischen Kreisprozesses sowie eine Senkung der Investitions-
bzw. Betriebskosten realisiert ist.
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Der
Anteil des abgezweigten Kondensatstroms könnte im Hinblick auf einen
maximalen Wert der erzeugten mechanischen Energie wählbar sein. Dazu
würde man
den abgezweigten Kondensatstrom so groß wählen, dass eine möglichst
hohe Aufnahme von Primärenergie
gegeben ist, ohne gleichzeitig mehr Überhitzung des entspannten
Dampfs an das Kühlmedium
abzugegeben.
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Der
Anteil des abgezweigten Kondensatstroms könnte im Hinblick auf eine gleichzeitige
Optimierung des thermischen und des mechanischen Wirkungsgrads des
Kreisprozesses wählbar
sein. Dazu würde
man den abgeführten
Kondensatstrom besonders groß wählen, so
dass eine besonders hohe Aufnahme von Primärenergie ermöglicht wird und
dabei gleichzeitig die überschüssige Überhitzung
des entspannten Dampfs an das Kühlmedium abgegeben
wird.
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Das
Arbeitsmedium könnte
aus einem organischen Fluid, insbesondere aus einer Kohlenwasserstoffverbindung
(z.B. einem Alkan, Naphthen oder Aromat), einem synthetischen Öl, einer
teil- oder vollchlorierten oder -fluorierten Kohlen- bzw. Kohlenwasserstoffverbindung,
einem Silikonöl
oder aus einem Gemisch solcher Stoffe untereinander oder mit Wasser
bestehen. Die Wahl des Arbeitsmediums kann hierbei nach dem Gesichtspunkt
der ökologischen Unbedenklichkeit,
der Wirtschaftlichkeit oder der raschen Verfügbarkeit erfolgen. Entscheidend
bei der Wahl des Arbeitsmittels sind ferner die physikalischen,
die thermodynamischen, die chemischen und thermochemischen Eigenschaften
des Arbeitsmediums.
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Der
Verdampfer könnte
durch ein Heizmedium, insbesondere durch Thermoöl beheizbar sein. Diese Art
einer indirekten Beheizung bzw. eines indirekten Betriebs des Verdampfers
ist im Allgemeinen sicherer und konstanter zu bewerkstelligen als
eine direkte Beheizung des Verdampfers mit dem zur Verfügung stehenden
Primärenergiestrom.
Alternativ könnte
der Verdampfer jedoch auch durch einen Primärenergiestrom betrieben werden,
wie z.B. bei Wärmeträgersystemen,
die in der Dampfphase arbeiten. Als Heizmedium kann anstelle von
Thermoöl
jeder andere geeignete Wärmeträger dienen.
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Das
Heizmedium könnte
mittels 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
erhitzbar sein.
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In
ganz besonders bevorzugter Weise könnte der Volumenstrom des Heizmediums
durch den Verdampfer in einem Kurzkreislauf vergrößerbar sein und
eine Sekundärpumpe
vorgesehen sein, durch die der Volumenstrom durch den Verdampfer
vergrößerbar ist.
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Das
bei maximaler Arbeitstemperatur zuströmende Heizmedium kann so mit
einem wählbaren Teilstrom
des Rücklaufes
aus dem Verdampfer gemischt werden. Die maximal zulässige Temperatur des
ORC-Mediums begrenzt dann die Temperatur des Heizmediums nicht mehr
direkt. Dadurch kann die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des
Heizmediums deutlich vergrößert werden
und so der Volumenstrom im Heizmedium-Kreislauf erheblich gesenkt
werden. Gleichzeitig kann der Volumenstrom in dem Kurzkreislauf
erheblich erhöht
werden. Dadurch ist bei gleicher Eintrittstemperatur eine Erhöhung der
Verdampfungstemperatur möglich,
ohne dass die thermische Belastung des ORC-Mediums erhöht wird.
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Es
werden üblicherweise
ORC-Arbeitsmedien eingesetzt, deren Temperaturbeständigkeit
deutlich geringer ausgeprägt
ist als diejenige verfügbarer Heizmedien,
wie z.B. von synthetischen Wärmeträgerölen. Dadurch
ist die Temperatur im Verdampfer entsprechend begrenzt. Andererseits
ist für
die Verdampfung der ORC-Arbeitsmedien
ein erheblicher Anteil der zur Verfügung stehenden Wärmeleistung erforderlich.
Die Verdampfung soll Idealerweise bei möglichst hohen Temperaturen
erfolgen, um einen entsprechend hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Durch
die Erhöhung
der Verdampfungstemperatur erhöht
sich auch das in der Antriebsmaschine nutzbare Enthalpiegefälle. Demnach
muss üblicherweise wegen
des begrenzten Temperaturunterschieds zwischen Heizmedium und Arbeitsmedium
der Massenstrom des Heizmediums im gesamten System stark erhöht werden,
was wegen der erheblichen Druckverluste im gesamten System zu einem
erhöhten Stromverbrauch
der Wärmeträgerpumpen
und dadurch zu einer Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrads
des Gesamtprozesses führt.
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Soll
der Massenstrom des Heizmediums zur Vermeidung dieser Druckverluste
verringert werden, muss der Temperaturunterschied zwischen Heizmedium
und Arbeitsmedium im Verdampfer wieder erhöht werden. Dabei ist zu beachten,
dass die Zersetzungsrate stark von der höchsten Temperatur, der eine
Substanz ausgesetzt ist, abhängt.
Nach Arrhenius steigt die Zersetzungsgeschwindigkeit exponentiell
mit der Temperatur an. Sie verdoppelt sich etwa alle 10K. D.h.,
dass bei einer Erhöhung
der Temperaturbelastung des ORC-Arbeitsmediums um 20K das Arbeitsmedium
mindestens viermal häufiger
ersetzt werden muss.
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Durch
die Vermischung mit kälterem
Heizmedium, das aus dem Verdampfer austritt, wird die Temperatur
des Heizmediums am Verdampfereintritt gesenkt und dadurch begrenzt,
ohne dass es erforderlich wäre,
die Temperatur im gesamten Heizmedium-Kreislauf zu begrenzen. Der
Strombedarf der Sekundärpumpe
ist wegen des vergleichsweise geringen Druckverlusts in dem Teilsystem
relativ gering, so dass der Stromverbrauch insgesamt sinkt. Die Leistung
der Sekundärpumpe kann
hierbei so regelbar sein, dass die Eintrittstemperatur in den Verdampfer
möglichst
konstant bleibt.
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Der
Anteil des mittels der Sekundärpumpe rückgeführten Heizmediums
am gesamten in den Verdampfer eintretenden Heizmedium-Strom könnte einstellbar
sein. Durch die Einstellung des Anteils zwischen rückgeführtem Heizmedium
und „frischem" Heizmedium kann
die Vorlauftemperatur des Heizmedium-Kreislaufs nun alleine nach
den technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten des Systems gewählt werden.
Bei einigen der heute bereits in Verbindung mit ORC-Technik häufig zum
Einsatz kommenden Wärmeträgern kann
der Primärvolumenstrom
zumindest etwa halbiert werden. Durch einen entsprechend hohen Sekundärvolumenstrom
kann außerdem
die Verdampfungstemperatur des ORC-Arbeitsmediums gesteigert werden,
ohne dass eine höhere
Temperaturbelastung auftritt. Dies führt gleichzeitig zu einer Steigerung
des elektrischen Wirkungsgrads des ORC-Prozesses. Durch die Erhöhung der
Verdampfungstemperatur steigt gleichzeitig auch der Dampfdruck an.
Dadurch können
beispielsweise bei Turbinen – die
in den meisten Fällen
als Entspannungsmittel eingesetzt werden – bei gleicher Konstruktion
der Dampfdurchsatz erhöht
werden. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn eine Leistungserhöhung in
der beschriebenen Art und Weise auch für bereits ausgeführte Anlagen
durch Nachrüstung
erfolgen soll.
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Zwischen
dem Verdichtungsmittel für
das Kondensat und dem Verdampfer könnte ein zusätzlicher
Wärmeübertrager
in Parallelschaltung zum Rekuperator/inneren Wärmeübertrager betreibbar sein. Dieser
zusätzliche
Wärmeübertrager
ist demnach von dem Rekuperator abgekoppelt und kann unabhängig von
diesem betrieben werden. Zum Betrieb dieses zusätzlichen Wärmeübertragers können auch andere
Energiequellen dienen.
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Der
zusätzliche
Wärmeübertrager
könnte durch
den Gesamt- bzw. einen Teilstrom des im Hauptkreislauf zirkulierenden
Heizmediums betreibbar sein. Hierdurch wird in ganz besonders vorteilhafter
Weise eine weitere Abkühlung
des Heizmediums und dadurch ein erhöhter Wärmeeintrag in den ORC-Prozess
erreicht. Im Falle einer vorhandenen Sekundärpumpe könnte der gesamte Strom des Heizmediums
im Hauptkreislauf durch den zusätzlichen
Wärmeübertrager
geleitet werden. Wird – wie weiter
oben beschrieben – am
Ein- bzw. Austritt des Verdampfers auf der Seite des Heizmediums
keine Sekundärpumpe
betrieben, so könnte
ein Teilstrom durch den zusätzlichen
Wärmeübertrager
geleitet werden. Dieser Teilstrom könnte regelbar sein, so dass
eine möglichst
hohe Aufnahme an Primärenergie
erfolgt, oder eine bestimmte Temperatur, z.B. zur Vermeidung der
Taupunktunterschreitung, nicht unterschritten wird.
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Zwischen
das Verdichtungsmittel für
das Kondensat und den Verdampfer und/oder zwischen den Rekuperator/inneren
Wärmeübertrager
und den Verdampfer könnte
ein Vorerhitzer geschaltet sein. Der Vorerhitzer dient zum Verringern
der im Verdampfer zu übertragenden
Wärme.
Er kann aus der Abwärme
anderer Prozesse, aus Primärenergie
zur Abdeckung von Spitzenlasten oder aus anderen Energiequellen
betrieben werden.
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Zwischen
den Verdampfer und das Entspannungsmittel für den Dampf könnte ein
Nacherhitzer geschaltet sein. Eine weitere Überhitzung des Dampfs kann
zu einem vergrößerten Enthalpiegefälle bei
der nachfolgenden Entspannung führen.
Idealerweise kann der Nacherhitzer aus zur Verfügung stehender Abwärme oder ähnlichem
betrieben werden.
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Das
Entspannungsmittel für
den Dampf könnte
mindestens eine Turbine aufweisen, in der die Energie des Dampfs
zumindest teilweise in mechanische Energie umwandelbar ist. Idealerweise
ist die Turbine je nach Druckbereich der Entspannung bzw. je nach
der chemischen Zusammensetzung des Arbeitsmittels und damit verbundener
evtl. auftretender Korrosivität
spezifiziert.
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Die
in der Turbine anfallende mechanische Energie könnte durch den Einsatz von
mindestens einem nachgeschalteten Generator zumindest teilweise
in elektrische Energie umwandelbar sein. Hierbei kann ein handelsüblicher
Generator zum Einsatz kommen.
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Der
Kondensator könnte
durch ein Kühlmedium,
insbesondere Wasser, durchströmbar
sein. Wasser ist hierbei ein traditionell besonders bevorzugtes
Kühlmedium,
nämlich
wegen seiner Ungiftigkeit und der unproblematischen Verfügbarkeit.
Die Anlage kann wahlweise auch so spezifiziert werden, dass das
Kühlmedium, insbesondere
Wasser, beim Kühlvorgang
verdampft und dadurch eine besonders hohe Wärmeaufnahme bietet.
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Die
im Kondensator anfallende Kondensationswärme könnte zumindest zu einem Teil
als Brauchwärme
verfügbar
sein. Eine weitere Nutzung der Kondensationswärme ist im Sinne eines erhöhten thermischen
Wirkungsgrads des Gesamtprozesses wünschenswert. Zur Abdeckung
von Spitzenlasten bzw. zur Vermeidung von weiterem apparativen Aufwand
kann alternativ jedoch auch ein herkömmlicher Kühlturm zum Abführen der
Kondensationswärme
vorgesehen werden.
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Das
Verdichtungsmittel für
das Kondensat könnte
eine Speisepumpe aufweisen. Hierbei kann auf handelsübliche Pumpen
zurückgegriffen
werden.
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Die
Speisepumpe könnte
durch das Entspannungsmittel für
den Dampf über
eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe antreibbar sein. Diese Anordnung
führt zu
einer weiteren Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads des Gesamtprozesses. Des
Weiteren muss für
die Speisepumpe kein zusätzlicher
Motor und keine zusätzliche
Antriebseinheit angeschafft werden. Die Investitionskosten sinken
dadurch erheblich.
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Um
Wiederholungen zu vermeiden, sei hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen
des Verfahrens auf die Ausführungen
bzgl. der Vorrichtung verwiesen.
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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
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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
der Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Ausführen
eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine
Cycle (ORC), wobei eine spezielle Ausführungsform der Vorrichtung verwendet
wird.
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2 eine bevorzugte Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
aus 1, wobei zusätzlich eine
Sekundärpumpe
im Heizmedium-Kreislauf
verwendet wird.
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1 zeigt eine Ausführungsform
der Vorrichtung, bei der ein organisches Arbeitsmedium 1 als
Kondensat in einem Verdichtungsmittel für das Kondensat 2,
dass in dieser Ausführungsform
als Speisepumpe ausgebildet ist, verdichtet und gefördert wird.
Die Speisepumpe wird hier von einem eigenen Motor 3 angetrieben.
Wie voranstehend erläutert,
kann der Antrieb des Verdichtungsmittels für das Kondensat alternativ über die
aus der Entspannung des Dampfs gewonnene mechanische Energie erfolgen.
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Zunächst soll
nun im Folgenden der in den heutzutage verwendeten Vorrichtungen
gemäß Stand
der Technik vollzogene weitere Weg des Arbeitsmediums betrachtet
werden. Demgemäß durchströmt das verdichtete
Kondensat den Rekuperator/inneren Wärmeübertrager 4 und wird
dort vorgeheizt. Anschließend
strömt
das vorgeheizte Kondensat in den Verdampfer 5, wo es ggf.
bis zur Siedetemperatur weitererhitzt wird, verdampft und ggf. überhitzt
wird. Der Dampf des Arbeitsmediums 1 tritt schließlich in
das Entspannungsmittel für
den Dampf 7 ein, dass in dieser Ausführungsform als Turbine ausgebildet
ist. Der Dampf wird in der Turbine entspannt, wodurch mechanische
Energie frei wird. In der hier gezeigten Ausführungsform wird die mechanische
Energie zumindest teilweise durch einen mit der Turbine verschalteten
Generator 8 in elektrische Energie umgewandelt.
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Der
entspannte, jedoch üblicherweise überhitzte
Dampf tritt danach in den Rekuperator/inneren Wärmeübertrager 4 ein und
heizt den Strom des verdichteten Kondensats im Gegenstrom vor.
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Anschließend tritt
der nur noch wenig überhitzte
Dampf in den Kondensator 9 ein, wo er kondensiert wird.
Zu diesem Zweck durchströmt
ein Kühlmedium 10 den
Kondensator und nimmt die Kondensationswärme des Arbeitsmediums 1 auf.
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Erfindungsgemäß ist nun
eine Abzweigung 11 vorgesehen, durch die der Strom des
verdichteten, aus dem Verdichtungsmittel für das Kondensat 2 austretenden
Kondensats aufteilbar ist. Ein Teilstrom strömt in den Rekuperator 4,
während
der andere Teilstrom erfindungsgemäß dem zusätzlichen Wärmeübertrager 12 zugeleitet
wird, in dem der abgezweigte Kondensatstrom – idealerweise mit zur Verfügung stehender
Primärenergie
niedrigeren Temperaturniveaus – vorgeheizt
werden kann.
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Hierzu
wird in besonders vorteilhafter Weise der aus dem Verdampfer 5 austretende
Strom des Heizmediums 6 verwendet, um nämlich den abgezweigten Kondensatstrom
vorzuheizen und den Betrag der in den Prozess eingetragenen Primärenergie durch
die weitere Abkühlung
des Heizmediums zu erhöhen.
Alternativ kann der zusätzliche
Wärmeübertrager 12 über einen
separaten Kreislauf des Heizmediums, direkt durch die Primärenergiequelle
oder auch durch andere verfügbare
Energiequellen betrieben werden.
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2 zeigt eine ganz besonders
vorteilhafte Weiterentwicklung der in 1 gezeigten
Vorrichtung. Hierzu ist im Kreislauf des Heizmediums 6 nach dem
Austritt aus dem Verdampfer 5 eine Abzweigung 13 für das Heizmedium 6 vorgesehen,
durch die der Strom des Heizmediums aufteilbar ist. Ein Teil des Stroms
kann nun zur Primärenergiequelle
zurückgeführt werden
oder vorher noch zum Betrieb des zusätzlichen Wärmeübertragers 12 genutzt
werden.
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Der
andere Teil des Heizmedium-Stroms wird durch eine Sekundärpumpe 14 zum
Eintritt des Heizmediums 6 in den Verdampfer 5 zurückgefördert. Der
Anteil des zurückgeförderten
Heizmediums 6 am gesamten, in den Verdampfer 5 eintretenden Heizmedium-Strom
kann hierbei beliebig groß sein. Durch
die Sekundärpumpe
wird in einem Teilkreislauf ein besonders großer Massenstrom des Heizmediums
erreicht und gleichzeitig die Eintrittstemperatur des Heizmediums 6 in
den Verdampfer 5 abgesenkt. Dadurch wird das organische
Arbeitsmedium 1 thermisch geschont und gleichzeitig die
durch den im gesamten Heizmedium-Kreislauf auftretenden Druckverlust
ansonsten erforderliche hohe Pumpleistung minimiert.
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Es
soll betont werden, dass die Sekundärpumpe 14 unabhängig von
der Größe des durch
die Abzweigung 11 abgezweigten Kondensatstroms in für den Gesamtprozess
vorteilhafter Weise betreibbar ist.
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Abschließend sei
hervorgehoben, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele die
beanspruchte Lehre erörtern,
diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele
einschränken.