DE202007012871U1

DE202007012871U1 - Vorrichtung zur Energieumwandlung

Info

Publication number: DE202007012871U1
Application number: DE200720012871
Authority: DE
Original assignee: Gesellschaft fur Motoren und Kraftanlagen GmbH; MOTOREN und KRAFTANLAGEN GmbH
Current assignee: GESELLSCHAFT FUER MOTOREN UND KRAFTANLAGEN MBH, DE
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2017-09-15

Abstract

Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess, wobei ein erster Kreislauf (100) mit einem zweiten Kreislauf (200) gekoppelt ist derart, dass der zweite Kreislauf (200) einen Arbeitsmittelteilstrom umfasst, der aus dem ersten Kreislauf (100) abgezweigt ist, wobei wenigstens ein weiterer Kreislauf (300, 400), insbesondere ein dritter Kreislauf (300), insbesondere ein vierter Kreislauf (400), insbesondere ein fünfter Kreislauf, vorgesehen ist, der mit dem vorgeordneten Kreislauf (200, 300), insbesondere dem zweiten Kreislauf (200), insbesondere dem dritten Kreislauf (300), insbesondere dem vierten Kreislauf (400), gekoppelt ist derart, dass der weitere Kreislauf (300, 400) einen Arbeitsmittelteilstrom umfasst, der aus dem vorgeordneten Kreislauf (200, 300) abgezweigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess gemäß Anspruch 1.
DE 199 07 512 A1 offenbart einen kombinierten ORC-Prozess, der eine zweistufige kaskadierte Anordnung von ORC-Kreisläufen umfasst. Dabei bildet ein erster Kreislauf einen Hochtemperaturkreislauf und ein zweiter Kreislauf einen Niedertemperaturkreislauf. Die Stoffströme der beiden Kreisläufe sind getrennt. Die beiden Kreisläufe sind durch einen Kondensator gekoppelt derart, dass die Abwärme des Hochtemperaturkreislaufes an den Niedertemperaturkreislauf abgegeben wird. Die beiden Kreisläufe weisen jeweils einen Dampferzeuger auf, der externe Wärmeenergie an den Kreislauf überträgt. Im Hochtemperaturkreislauf ist dem Dampferzeuger ein Vorwärmer vorgeordnet, der ebenfalls mit der externen Wärmeenergiequelle verbunden ist. Im Niedertemperaturkreislauf erfolgt die Vorwärmung des Arbeitsmediums durch den Kondensator, der die beiden Kreisläufe koppelt. Ferner weisen beide Kreisläufe jeweils eine Turbine, einen Rekuperator sowie einen Kondensator auf, wobei sich die Funktion der jeweiligen Kondensatoren insofern unterscheidet, dass der Kondensator des Hochtemperaturkreislaufes Wärmeenergie vom Hochtemperaturkreislauf an den Niedertemperaturkreislauf überträgt, und der Kondensator des Niedertemperaturkreislaufes die Wärme an die Umgebung abgibt. Aufgrund der unterschiedlichen Dampfdrücke und der hohen Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kreisläufen sind in den Kreisläufen jeweils verschiedene Arbeitsmedien vorgesehen, die in stoffmäßig getrennten Kreisläufen geführt werden.
Bei bekannten Vorrichtungen wird also in einem Hochtemperaturkreislauf zunächst ein Arbeitsmedium, das einen relativ höheren Siedepunkt aufweist, in einem Vorwärmer durch externe Wärmezufuhr erwärmt. Das erwärmte Arbeitsmedium wird in einem Dampferzeuger, der ebenfalls durch eine externe Wärmequelle betrieben wird, in den dampfförmigen Zustand überführt. Der Dampf wird einer Turbine zugeleitet, in der das Arbeitsmedium entspannt und dabei mechanische Arbeit verrichtet. Die Restwärme des entspannten Arbeitsmediums wird in einem Rekuperator dazu benutzt, das flüssige Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Vorwärmer zu erwärmen. Dem Rekuperator ist ein Kondensator nachgeordnet, der dem Arbeitsmedium Wärmeenergie entzieht, so dass das Arbeitsmedium wieder in flüssiger Form vorliegt. Die dem Kondensator entzogene Wärmeenergie wird weiterhin dazu benutzt, ein Arbeitsmedium eines zweiten Kreislaufes, das einen relativ geringeren Siedepunkt aufweist, vor der Zufuhr zu einem Dampferzeuger des zweiten Kreislaufs vorzuwärmen. Der prinzipielle Aufbau des zweiten Kreislaufs entspricht dem Aufbau des ersten Kreislaufs, mit dem Unterschied, dass die im Kondensator abgeführte Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird.
Der Nachteil bekannter Vorrichtungen besteht darin, dass an dem Kondensator, der die beiden Kreisläufe thermisch koppelt, Energieverluste auftreten, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung beeinträchtigt wird. Insbesondere die Regelbarkeit bekannter Vorrichtungen ist kompliziert. Des Weiteren besteht bei bekannten Vorrichtungen zwischen dem Hochtemperaturkreislauf und dem Niedertemperaturkreislauf eine hohe Temperaturdifferenz, so dass der Niedertemperaturkreislauf mit nur geringen Temperaturen betrieben werden kann, wodurch die Effizienz bei der Umwandlung in mechanische Energie begrenzt ist. Außerdem ist die Verwendung von verschiedenen Arbeitsmedien aufwändig und teuer, insbesondere in Bezug auf Wartungsmaßnahmen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess anzugeben, wobei ein erster Kreislauf mit einem zweiten Kreislauf gekoppelt ist derart, dass der zweite Kreislauf einen Arbeitsmittelteilstrom umfasst, der aus dem ersten Kreislauf abgezweigt ist. Dabei ist wenigstens ein weiterer Kreislauf, insbesondere ein dritter Kreislauf, insbesondere ein vierter Kreislauf, insbesondere ein fünfter Kreislauf, vorgesehen, der mit dem vorgeordneten Kreislauf, insbesondere dem zweiten Kreislauf, insbesondere dem dritten Kreislauf, insbesondere dem vierten Kreislauf, gekoppelt ist derart, dass der weitere Kreislauf einen Arbeitsmittelteilstrom umfasst, der aus dem vorgeordneten Kreislauf abgezweigt ist.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass nur ein Arbeitsmittel vorgesehen ist, das alle Kreisläufe durchläuft, so dass keine Energieverluste bei der Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Arbeitsmedien auftreten. Auf diese Weise sind die Temperaturdifferenzen zwischen den Kreisläufen verringert, so dass durch weitere nachgeordnete Kreisläufe der Wirkungsgrad der Vorrichtung gesteigert wird.
Vorzugsweise umfasst der vorgeordnete Kreislauf einen Vorwärmer und einen Dampferzeuger. Dabei ist zwischen dem Vorwärmer und dem Dampferzeuger eine Abzweigung für die Zufuhr des Arbeitsmittelteilstroms zum nachgeordneten Kreislauf vorgesehen. Dadurch kann ein Teil des Arbeitsmittels, das bereits vorgewärmt ist, einem nachgeordneten Kreislauf zugeführt werden. Durch die direkte Zufuhr eines Arbeitsmittelteilstroms zum nachgeordneten Kreislauf kann auf einen Kondensator zur Wärmeübertragung zwischen den Kreisläufen verzichtet und der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung gesteigert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die weiteren Kreisläufe jeweils eine Pumpe, die der Abzweigung nachgeordnet ist. Durch die Pumpe wird der abgezweigte Teil des Arbeitsmittels auf einen höheren Druck gebracht, so dass dieser Arbeitsmittelteilstrom wirksam zur Energieerzeugung genutzt werden kann.
Ferner kann die Abzweigung mit dem Vorwärmer des nachgeordneten Kreislaufs verbunden sein derart, dass der aus dem vorgeordneten Kreislauf abgezweigte Arbeitsmittelteilstrom in den Vorwärmer des nachgeordneten Kreislaufs geleitet wird. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass der abgezweigte Arbeitsmittelteilstrom durch den Vorwärmer weiter erwärmt wird. Auf diese Weise kann die Wärmeenergie einer externen Wärmequelle besonders effizient genutzt werden.
Des Weiteren kann jedem einzelnen Kreislauf jeweils ein Rekuperator und/oder Kondensator zugeordnet sein. Da die Kreisläufe unterschiedliche Arbeitsmitteltemperaturen aufweisen, hat die Anordnung jeweils eines Rekuperators und/oder Kondensators in jedem einzelnen Kreislauf den Vorteil, dass die Temperatur des kondensierten Arbeitsmittels effizient auf einen im Wesentlichen gleichen Wert einstellbar ist.
Ferner kann auch wenigstens zwei Kreisläufen oder allen Kreisläufen ein gemeinsamer Rekuperator und/oder Kondensator zugeordnet sein. Die Nutzung eines gemeinsamen Rekuperators und/oder Kondensators für mehrere Kreisläufe hat den Vorteil, dass die Anzahl der Komponenten reduziert wird, wodurch der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung kostengünstig erfolgen kann. Außerdem wird der Wartungsaufwand einer derartigen Vorrichtung reduziert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen der erste Kreislauf, der zweite Kreislauf und die weiteren Kreisläufe eine gemeinsame Wärmequelle auf. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Wärmeenergie der Wärmequelle in verschiedenen Stufen an die Vorrichtung abgegeben wird, wobei die Restwärmeenergie nach der Wärmeübertragung von der Wärmequelle zu einem ersten Kreislauf einem nächsten Kreislauf zugeführt wird. So kann die von der Wärmequelle zur Verfügung stehende Energie effizient genutzt werden.
Vorzugsweise umfasst die Wärmequelle einen Heizkreislauf, der mit den Vorwärmern und den Dampferzeugern der einzelnen Kreisläufe thermisch gekoppelt ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Wärmeenergie der Wärmequelle auf die einzelnen Kreisläufe verteilt wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest eine Kraftmaschine, insbesondere eine Turbine, vorgesehen, die thermische Energie in mechanische Energie umwandelt. Auf diese Weise wird die an den Arbeitsmittelkreislauf übertragene Wärmeenergie der Wärmequelle dazu genutzt, mechanische Energie, insbesondere in Form von Rotationsenergie, bereit zu stellen.
Vorzugsweise ist jedem einzelnen Kreislauf jeweils eine Kraftmaschine, insbesondere Turbine, zugeordnet. Das hat den Vorteil, dass unterschiedliche Kraftmaschinen eingesetzt werden können, die jeweils für die verschiedenen Temperaturen und Dampfdrücke in den einzelnen Kreisläufen angepasst sind.
Ferner können wenigstens zwei Kreisläufe oder alle Kreisläufe eine gemeinsame Kraftmaschine, insbesondere Turbine, aufweisen. Die Verwendung von einer Kraftmaschine für mehrere Kreisläufe führt zu einem geringeren Wartungsbedarf und somit zu einer Kostenreduktion.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kraftmaschine, insbesondere Turbine, mehrere Stufen umfasst, die mit jeweils einem der Kreisläufe gekoppelt sind. Auf diese Weise kann die Kraftmaschine mit Arbeitsmitteln auf verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden. Dadurch wird die in die Kraftmaschine eingeleitete Wärmeenergie besonders effizient genutzt. Außerdem ist eine derartige Kraftmaschine wartungsfreundlich und kostengünstig.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Generator vorgesehen, der mit mindestens einer Kraftmaschine, insbesondere Turbine, gekoppelt ist. Der Generator dient dazu, die in der Kraftmaschine erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Vorzugsweise sind mehrere Kraftmaschinen, insbesondere Turbinen, auf einer Welle angeordnet, die mit dem Generator verbunden ist. Durch diese Bündelung der in mehreren Kraftmaschinen erzeugten mechanischen Energie erfolgt die Erzeugung von elektrischem Strom im Generator besonders effektiv. Die Koppelung des Generators mit den Kraftmaschinen kann durch ein Getriebe erfolgen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen
1 ein Prozessschaltbild einer Vorrichtung zur Energieumwandlung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
2 ein weiteres Prozessschaltbild einer Vorrichtung zur Energieumwandlung gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
3 ein Temperatur-/Enthalpiestromdiagramm eines ORC-Prozesses gemäß dem Stand der Technik;
4 ein Temperatur-/Enthalpiestromdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1.
1 zeigt ein Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Kreisläufen 100, 200, 300, d.h. eine Vorrichtung für einen dreistufigen ORC-Prozess. Der erste Kreislauf 100 weist einen Kondensator 1 auf, dem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels eine erste Pumpe 2 nachgeordnet ist. Der ersten Pumpe 2 ist ferner ein Rekuperator 3 sowie im weiteren Verlauf ein erster Vorwärmer 4 und ein erster Dampferzeuger 5 nachgeordnet. Zwischen dem Dampferzeuger 5 und dem Rekuperator 3 ist in Strömungsrichtung eine erste Kraftmaschine 23 angeordnet, wobei der Rekuperator 3 dem Kondensator 1 vorgeordnet ist derart, dass der erste Kreislauf 100 geschlossen ist. Zwischen dem ersten Vorwärmer 4 und dem ersten Dampferzeuger 5 des ersten Kreislaufs 100 ist eine Abzweigung vorgesehen, so dass ein Teil des Arbeitsmittelstroms in einen zweiten Kreislauf 200 geleitet wird. Der Abzweigung ist im zweiten Kreislauf 200 eine zweite Pumpe 6 nachgeordnet, die in Strömungsrichtung einem zweiten Vorwärmer 7 sowie weiterhin einem zweiten Dampferzeuger 8 vorgeordnet ist. Der zweite Kreislauf 200 weist eine zweite Kraftmaschine 22 auf, die dem zweiten Dampferzeuger 8 nachgeordnet und mit einem zweiten Generator 26 gekoppelt ist. Analog zum Aufbau des ersten Kreislaufs 100 ist auch im zweiten Kreislauf 200 die zweite Kraftmaschine 22 dem Rekuperator 3 vorgeordnet. Der zweite Kreislauf 200 umfasst des Weiteren eine Abzweigung, die zwischen dem zweiten Vorwärmer 7 und dem zweiten Dampferzeuger 8 angeordnet ist und einen Teil des Arbeitsmittelstroms vom zweiten Kreislauf in einen dritten Kreislauf 300 leitet. Der dritte Kreislauf 300 umfasst, wie auch der erste Kreislauf 100 und der zweite Kreislauf 200, eine dritte Pumpe 9, der ein dritter Vorwärmer 10, ein dritter Dampferzeuger 11 sowie eine dritte Kraftmaschine 21 nachgeordnet ist. Die dritte Kraftmaschine 21 ist mit einem dritten Generator 25 gekoppelt und dem Rekuperator 3 vorgeordnet.
Der Rekuperator 3 weist demnach eine Zufuhr für Arbeitsmittel auf, das aus den Kraftmaschinen 21, 22, 23 über eine gemeinsame Hauptleitung 31 zum Rekuperator 3 geleitet wird. Über eine weitere Arbeitsmittelzufuhr wird dem Rekuperator 3 kondensiertes Arbeitsmittel vom Kondensator 1 über die erste Pumpe 2 zugeführt. Der Rekuperator 3 wirkt somit als Wärmetauscher, so dass die Restwärme des Arbeitsmittels aus den Kraftmaschinen 21, 22, 23 an das kondensierte Arbeitsmittel aus dem Kondensator 1 übertragen wird.
Der Kondensator 1 weist eine Kondensatorableitung 32 auf, die Wärme, die dem Arbeitsmittel durch den Kondensator 1 entzogen wird, an die Umgebung abgibt.
Des Weiteren ist ein Heizkreislauf 30 vorgesehen, der mit den Vorwärmern 4, 7, 10 sowie den Dampferzeugern 5, 8, 11 verbunden ist. Der Heizkreislauf 30 verbindet die einzelnen Kreisläufe 100, 200, 300 des ORC-Prozesses mit einer Wärmequelle (nicht dargestellt).
4 zeigt ein weiteres Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei ein vierter Kreislauf 400 vorgesehen ist, der dem Aufbau der weiteren Kreisläufe 100, 200, 300 weitgehend entspricht und eine vierte Pumpe 12, einen in Strömungsrichtung nachgeordneten vierten Vorwärmer 13, einen vierten Dampferzeuger 14 sowie eine vierte Kraftmaschine 20 aufweist. Ferner ist die vierte Kraftmaschine 20 mit einem vierten Generator 24 gekoppelt und mit der nachgeordneten Hauptleitung 31 verbunden, so dass das Arbeitsmittel dem Rekuperator 3 zugeführt wird. Der vierte Kreislauf 400 ist, analog den anderen Kreisläufen 100, 200, 300, mit dem Heizkreislauf 30 gekoppelt, wobei der Heizkreislauf 30 mit dem vierten Vorwärmer 13 sowie dem vierten Dampferzeuger 14 verbunden ist.
Die Strömungsrichtung des Heizmediums im Heizkreislauf 30 ist der Strömungsrichtung in den anderen Kreisläufen 100, 200, 300, 400 entgegen gesetzt, so dass das Heizmedium von der Wärmequelle (nicht dargestellt) zum vierten Dampferzeuger 14 geleitet wird. Vom Dampferzeuger 14 wird das Heizmedium zum vierten Vorwärmer 13, weiter zum dritten Dampferzeuger 11, weiter zum dritten Vorwärmer 10, weiter zum zweiten Dampferzeuger 8, weiter zum zweiten Vorwärmer 7, weiter zum ersten Dampferzeuger 5 und schließlich zum ersten Vorwärmer 4 geleitet. Vom ersten Vorwärmer 4 strömt das Heizmedium im Heizkreislauf 30 zur Wärmequelle (nicht dargestellt), so dass der Kreislauf geschlossen ist. Es ist denkbar, dass der Heizkreislauf 30 nicht geschlossen ist, so dass das Heizmedium nach dem Durchlaufen der einzelnen Stufen, wobei jeweils Wärmeenergie an die einzelnen Kreisläufe 100, 200, 300, 400 abgegeben wird, an die Umgebung abgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vor allem zur Stromerzeugung aus Niedertemperatur-Wärmequellen, insbesondere aus Thermalquellen, geeignet. Dabei erfolgt die Stromerzeugung nicht durch eine direkte Nutzung des heißen Wärmestroms, sondern durch eine Übertragung der Wärme auf einen gesonderten Kreislauf. Der gesonderte Kreislauf entspricht im Wesentlichen einem Rankine Cycle, wobei statt Wasser organische Fluide verwendet werden. Organische Fluide sind beispielsweise Alkane, Alkene, Aromaten, (teil-)halogenierte Kohlenwasserstoffe, Silikonöle und andere. Die Verwendung von organischen Fluiden führt zu der Bezeichnung des Prozesses als Organic Rankine Cycle (ORC). Dabei wird das organische Fluid im kalten, flüssigen Zustand durch eine Speisepumpe 2 auf einen oberen Prozessdruck gebracht, durch die Niedertemperatur-Wärmequelle, insbesondere Thermalwasser, erwärmt und verdampft, in einer Kraftmaschine 20, insbesondere Turbine, entspannt, in einem Kondensator 1 kondensiert und wieder der Speisepumpe 2 zugeführt. Durch einen mit der Turbine gekoppelten Generator 27 wird die mechanische Arbeit in elektrischen Strom umgewandelt. Es ist denkbar, dass zwischen der Turbine 20 und dem Kondensator 1 ein Rekuperator 3 angeordnet ist, der Restwärme aus dem nach der Turbine 20 entspannten Dampf an das kondensierte Fluid vor dem Vorwärmer 4 überträgt.
Da der Massenstrom einer Thermalquelle begrenzt ist, ist auch der Wärmestrom der Thermalquelle festgelegt. Hingegen kann der Massenstrom des Kühlwassers, das dem Kondensator 1 zum Kühlen des Arbeitsmittels zugeführt wird, angepasst werden. Bei der Übertragung von Wärme vom Thermalwasser auf das Arbeitsmittel kühlt das Thermalwasser ab, während bei der Verdampfung des Arbeitsmittels die Temperatur konstant bleibt. In den Dampferzeugern 5, 8, 11 findet demnach eine isotherme Energieübertragung statt, während in den Vorwärmern 4, 7, 10 die Energieübertragung im Wesentlichen isobar erfolgt. Beim Übergang von einer isobaren zu einer isothermischen Energieübertragung entsteht ein Pinch Point zwischen Thermalwasser und Arbeitsmittel. Der Pinch Point ist definiert als der Zustandspunkt mit der minimalen Temperaturdifferenz zwischen zwei Wärmeströmen bei der Wärmeübertragung. Die Lage des Pinch Points im Temperatur-/Enthalpiestromdiagramm ergibt sich aus dem Verhältnis von Massenstrom und Verdampfungstemperatur. Das bedeutet, dass bei hohem Arbeitsmittelmassenstrom die obere Prozesstemperatur und damit der Wirkungsgrad des Kreisprozesses niedrig ist. Umgekehrt ist bei einem niedrigen Massenstrom der Wirkungsgrad des Kreisprozesses höher. Dabei gibt es eine optimale obere Prozesstemperatur, da sich die Leistungsabgabe des Kreisprozesses aus dem Produkt aus spezifischer Arbeit und Massenstrom berechnet. Die optimale obere Prozesstemperatur ist zudem mit einem Massenstrom verknüpft, was dazu führt, dass die Energie des Thermalwassers nur bis zu einer bestimmten Temperatur effizient genutzt werden kann (3).
Um einen möglichst großen Anteil der Wärmeenergie der Wärmequelle nutzen zu können, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Aufteilung des Arbeitsmittelmassenstroms vorgesehen. Auf diese Weise entstehen in den verschiedenen Kreisläufen 100, 200, 300, 400 unterschiedliche Druck- und Temperaturniveaus. Das heißt, dass beispielsweise im zweiten Kreislauf 200 ein geringerer Massenstrom vorliegt als im ersten Kreislauf 100. Durch die Abzweigung zu einem dritten Kreislauf 300, in dem ein wiederum geringerer Massenstrom vorliegt, kann im Vorwärmer 10 des dritten Kreislaufs 300 der Pinch Point auf ein höheres Temperaturniveau gehoben werden, so dass eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erreicht wird. Durch eine weitere Stufe, nämlich einen vierten Kreislauf 400, ist es möglich, die Prozesstemperatur weiter zu erhöhen, so dass eine noch effizientere Nutzung der Wärmeenergiequelle erreicht wird. (4)
Die Anzahl der Kreisläufe 100, 200, 300, 400 ist dabei nicht auf drei, vier oder fünf Kreisläufe eingeschränkt, sondern ergibt sich aus der Temperatur und dem Massenstrom der Wärmequelle, so dass die Wärmeenergie der Wärmequelle bestmöglichst genutzt wird.
4 zeigt ein Temperatur-/Enthalpiestromdiagramm für eine dreistufige Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist das Verhältnis von Temperatur und Enthalpiestrom der Wärmequelle sowie des Arbeitsmittels, wobei sich die Darstellung für das Arbeitsmittel auf die Zustandsänderungen in den Verdampfern 4, 7, 10 und Dampferzeugern 5, 8, 11 beschränkt. Das Diagramm macht deutlich, dass der ORC-Kreisprozess durch einen dreistufigen Aufbau mehr Wärme aufnehmen kann. Außerdem erfolgt die Wärmeaufnahme im Vergleich zu bisher bekannten ORC-Kreisprozessen auf einem höheren Temperaturniveau, so dass auch der nutzbare Wärmeinhalt des Kreisprozesses steigt. Somit kann also der Prozess bei höheren Prozesstemperaturen betrieben werden, wobei die höheren Prozesstemperaturen zu höheren thermischen Wirkungsgraden führen.
Es ist denkbar, dass durch eine höhere Anzahl von Kreisläufen 100, 200, 300, 400 der Pinch Point vollständig umgangen werden kann, d.h. dass die Erwärmung des Ar beitsmittels durchgehend nur mit der minimal zum Wärmeübergang notwendigen Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Arbeitsmittel erfolgt. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten lassen sich allerdings nicht beliebig viele Stufen realisieren.
Es ist weiterhin denkbar, dass die Krafterzeugung nicht in verschiedenen Turbinen erfolgt, sondern für alle Kreisläufe 100, 200, 300, 400 eine Kraftmaschine 20, 21, 22, 23 vorgesehen ist. Die eine Kraftmaschine 20, 21, 22, 23 kann dabei als mehrstufige Turbine ausgeführt sein, wobei der Arbeitsmitteldampf eines Kreislaufes 100, 200, 300, 400 jeweils einer Turbinenstufe zugeleitet wird. Die Kopplung zwischen der Kraftmaschine 20, 21, 22, 23 und dem Generator 24, 25, 26, 27 erfolgt vorzugsweise durch eine Welle, wobei zumindest eine, insbesondere alle, Kraftmaschinen 20, 21, 22, 23 eine gemeinsame Welle aufweisen können, die mit zumindest einem gemeinsamen Generator 24, 25, 26, 27 gekoppelt sind, so dass Rotationsenergie übertragen und in elektrische Energie umgewandelt wird. Es können auch mehrere, insbesondere alle, Generatoren 24, 25, 26, 27 mit der Welle verbunden sein. Es ist auch denkbar, dass statt Turbinen auch andere Kraftmaschinen 20, 21, 22, 23, wie beispielsweise Schrauben- oder Kolbenmotoren, eingesetzt werden.

1: Kondensator
2: erste Pumpe
3: Rekuperator
4: erster Vorwärmer
5: erster Dampferzeuger
6: zweite Pumpe
7: zweiter Vorwärmer
8: zweiter Dampferzeuger
9: dritte Pumpe
10: dritter Vorwärmer
11: dritter Dampferzeuger
12: vierte Pumpe
13: vierter Vorwärmer
14: vierter Dampferzeuger
20: vierte Kraftmaschine
21: dritte Kraftmaschine
22: zweite Kraftmaschine
23: erste Kraftmaschine
24: vierter Generator
25: dritter Generator
26: zweiter Generator
27: erster Generator
30: Heizkreislauf
31: Hauptleitung
32: Kondensatorableitung
100: erster Kreislauf
200: zweiter Kreislauf
300: dritter Kreislauf
400: vierter Kreislauf

Claims

Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess, wobei ein erster Kreislauf (100) mit einem zweiten Kreislauf (200) gekoppelt ist derart, dass der zweite Kreislauf (200) einen Arbeitsmittelteilstrom umfasst, der aus dem ersten Kreislauf (100) abgezweigt ist, wobei wenigstens ein weiterer Kreislauf (300, 400), insbesondere ein dritter Kreislauf (300), insbesondere ein vierter Kreislauf (400), insbesondere ein fünfter Kreislauf, vorgesehen ist, der mit dem vorgeordneten Kreislauf (200, 300), insbesondere dem zweiten Kreislauf (200), insbesondere dem dritten Kreislauf (300), insbesondere dem vierten Kreislauf (400), gekoppelt ist derart, dass der weitere Kreislauf (300, 400) einen Arbeitsmittelteilstrom umfasst, der aus dem vorgeordneten Kreislauf (200, 300) abgezweigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeordnete Kreislauf (200,300) einen Vorwärmer (7, 10) und einen Dampferzeuger (8, 11) aufweist, wobei zwischen dem Vorwärmer (7, 10) und dem Dampferzeuger (8, 11) eine Abzweigung für die Zufuhr des Arbeitsmittelteilstroms zum nachgeordneten Kreislauf (300, 400) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kreisläufe (300, 400) jeweils eine Pumpe (9, 12) umfassen, die der Abzweigung nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigung mit dem Vorwärmer (10, 13) des nachgeordneten Kreislaufs (300, 400) verbunden ist derart, dass der aus dem vorgeordneten Kreislauf (200, 300) ab gezweigte Arbeitsmittelteilstrom in den Vorwärmer (10, 13) des nachgeordneten Kreislaufs (300, 400) geleitet wird.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem einzelnen Kreislauf (100, 200, 300, 400) jeweils ein Rekuperator (3) und/oder Kondensator (1) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kreisläufen (100, 200, 300, 400) ein gemeinsamer Rekuperator (3) und/oder Kondensator (1) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass allen Kreisläufen (100, 200, 300, 400) ein gemeinsamer Rekuperator (3) und/oder Kondensator (1) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (100), der zweite Kreislauf (200) und die weiteren Kreisläufe (300, 400) eine gemeinsame Wärmequelle aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle einen Heizkreislauf (30) umfasst, der mit den Vorwärmern (4, 7, 10, 13) und den Dampferzeugern (4, 7, 10, 13) der einzelnen Kreisläufe (100, 200, 300, 400) thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kraftmaschine (20, 21, 22, 23), insbesondere eine Turbine, vorgesehen ist, die thermische Energie in mechanische Energie umwandelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedem einzelnen Kreislauf (100, 200, 300, 400) jeweils eine Kraftmaschine (20, 21, 22, 23), insbesondere Turbine, zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kreisläufen (100, 200, 300, 400) eine gemeinsame Kraftmaschine (20, 21, 22, 23), insbesondere Turbine, zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass allen Kreisläufen (100, 200, 300, 400) eine gemeinsame Kraftmaschine (20, 21, 22, 23), insbesondere Turbine, zugeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine (20, 21, 22, 23), insbesondere Turbine, mehrere Stufen umfasst, die mit jeweils einem der Kreisläufe (100, 200, 300, 400) gekoppelt sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator (24, 25, 26, 27) vorgesehen ist, der mit wenigstens einer Kraftmaschine (20, 21, 22, 23), insbesondere Turbine, gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kraftmaschinen (20, 21, 22, 23), insbesondere Turbinen, auf einer Welle angeordnet sind, die mit dem Generator (24, 25, 26, 27) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kraftmaschinen (20, 21, 22, 23), insbesondere Turbinen, durch einem Getriebe mit dem Generator (24, 25, 26, 27) gekoppelt sind.