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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem
ORC-Prinzip gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Für die Nutzung
von Niedertemperatur-Wärmequellen
zur Energieerzeugung werden vorzugsweise Vorrichtungen nach dem
Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) eingesetzt. Als Arbeitsmittel werden
im Gegensatz zur Energieerzeugung aus Hochtemperatur-Wärmequellen,
wobei Wasser als Arbeitsmittel eingesetzt wird, organische Fluide,
insbesondere Silikonöle,
Alkane, Alkene, Aromaten, (teil-) halogenierte Kohlenwasserstoffe
und andere verwendet. Dabei wird das Arbeitsmittel entsprechend
den Temperaturen der Wärmequelle
gewählt, so
dass eine möglichst
effektive Nutzung der Wärmeenergie
erfolgt.
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Um
die Nutzung der Wärmeenergie
der Wärmequelle
weiter zu optimieren, sind Vorrichtungen bekannt, die zwei getrennte
Arbeitsmittelkreisläufe aufweisen,
wobei beide Kreisläufe
mit der Wärmequelle
verbunden sind. Dabei sind die beiden Arbeitsmittelkreisläufe im Wesentlichen
in Serie geschaltet, so dass das Heizmittel aus der Wärmequelle
zunächst
einen ersten Teil der Wärmeenergie
an den ersten Arbeitsmittelkreislauf und im Folgenden einen weiteren
Teil der Wärmeenergie
an den zweiten Arbeitsmittelkreislauf überträgt. Es hat sich als energetisch
vorteilhaft erwiesen, das Heizmittel zunächst durch den Verdampfer des
ersten Arbeitsmittelkreislaufs und im Folgenden durch den Verdampfer
des zweiten Arbeitsmittelkreislaufs zu führen und anschließend den
Heizmittelstrom aufzuteilen, so dass das Heizmittel anteilig durch
die Teilvorwärmer
der beiden Arbeitsmittelkreisläufe
geleitet wird. Auf diese Weise wird im ersten Verdampfer eine höhere Verdampfungstemperatur
erreicht, wodurch der Wirkungsgrad im ersten Arbeitsmittelkreislauf
erhöht und
die Effizienz der Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip gesteigert wird.
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Da
das Heizmittel zunächst
die beiden Verdampfer durchströmt,
erreicht es die beiden Teilvorwärmer
mit einer relativ niedrigen Temperatur, was den Nachteil hat, dass
das Heizmittel den Teilvorwärmer
des ersten Arbeitsmittelkreislaufs soweit abgekühlt durchströmt, dass
das Arbeitsmittel in diesem Kreislauf nicht mehr bis zur Verdampfungstemperatur
erwärmt
werden kann. Die Funktion der Vorwärmung wird daher im ersten
Arbeitsmittelkreislauf teilweise zusätzlich vom Verdampfer übernommen,
der aufgrund seiner Bauform nicht optimal an beide Funktionen (Vorwärmung und
Verdampfung) angepasst ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Energieerzeugung anzugeben, die eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen
dem Heizmittel und dem Arbeitsmittel des ersten Arbeitsmittelkreislaufs
bewirkt und somit einen höheren
Wirkungsgrad aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Erfindung liegt demnach der Gedanke zugrunde, eine Vorrichtung zur
Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip mit wenigstens zwei, insbesondere
drei, Arbeitsmittelkreisläufen
anzugeben, die jeweils zumindest einen Kondensator, einen Verdampfer
und einen Teilvorwärmer
umfassen und durch einen gemeinsamen Heizmittelkreislauf gekoppelt
sind derart, dass ein Heizmittelstrom den Verdampfern vollständig und
den Teilvorwärmern
anteilig zugeführt
wird, wobei ein erster Arbeitsmittelkreislauf wenigstens einen weiteren
Vorwärmer
aufweist, der mit dem Heizmittelkreislauf gekoppelt ist derart, dass
der Heizmittelstrom dem weiteren Vorwärmer vollständig zugeführt wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass der Heizmittelstrom im Wesentlichen
ein Fluid-Massenstrom ist.
Die vollständige
Zuführung
des Heizmittelstroms bezieht sich demnach nicht auf eine auf den
Wärmeinhalt
der Heizmittelquelle bezogene Energieübertragung an das Arbeitsmittel,
sondern sagt vielmehr aus, dass dem weiteren Vorwärmer im
Wesentlichen der gesamte Massenstrom des Heizmittels zugeführt wird,
dessen Wärmeinhalt
im Allgemeinen bereits durch den Transport von der Quelle zum weiteren
Vorwärmer
reduziert wurde. Dabei schließt
der Begriff „vollständige Zuführung des
Heizmittelstroms" nicht
aus, dass vor dem weiteren Vorwärmer
ein Teil des Heizmittelstroms abgezweigt wird, sofern die Wirkung erhalten
bleibt, dass der erste Verdampfer überwiegend zur Dampferzeugung
genutzt wird derart, dass der Wärmeenergie
des Heizmittels möglichst
optimal an das Arbeitsmittel des ersten Arbeitsmittelkreislaufs
abgegeben und zur Energieerzeugung bzw. -umwandlung verwendet wird.
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Auf
diese Weise wird erreicht, dass das Arbeitsmittel des ersten Arbeitsmittelkreislaufs
durch den vollständigen
Massenstrom des Heizmittels mit relativ hoher Temperatur vorgewärmt wird,
so dass das Arbeitsmittel im ersten Arbeitsmittelkreislauf bis zur
Verdampfungstemperatur aufgewärmt
wird. Dabei kann der weitere Vorwärmer energetisch und wirtschaftlich
optimal an die Wärmeübertragung
zwischen den beiden Fluiden angepasst werden.
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Vorzugsweise
ist der weitere Vorwärmer
im ersten Arbeitsmittelkreislauf zwischen einem Teilvorwärmer und
einem ersten Verdampfer angeordnet. Diese Anordnung ist energetisch
vorteilhaft, da der weitere Vorwärmer
nur die Temperaturdifferenz zwischen der Vorwärmtemperatur des Teilvorwärmers und
der zu erreichenden Verdampfungstemperatur überbrücken muss. Vorteilhafterweise
ist der weitere Vorwärmer
im Heizmittelkreislauf zwischen dem ersten Verdampfer eines ersten
Arbeitsmittelkreislaufes und dem zweiten Verdampfer eines zweiten
Arbeitsmittelkreislaufes angeordnet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst der weitere Vorwärmer
einen Platten- und/oder Rohrbündelwärmetauscher.
Derartige Wärmetauscher
ermöglichen eine
besonders effiziente Wärmeübertragung.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens einer der Arbeitsmittelkreisläufe einen internen Rekuperator
auf. Interne Rekuperatoren haben den Vorteil, dass die Restwärme des
Arbeitsmittels nach der Energieerzeugung in Form einer Wärmeenergierückgewinnung
zur Vorwärmung
des Arbeitsmittels genutzt wird, wodurch eine Steigerung des Wirkungsgrades
erreicht wird.
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Vorzugsweise
weisen die Arbeitsmittelkreisläufe
jeweils eine Kraftmaschine, insbesondere Turbine auf, so dass die
Wärmeenergie
des Heizmittelstroms in Form von mechanischer Energie genutzt wird.
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Die
Kraftmaschinen, insbesondere Turbinen, können durch jeweils eine Welle
mit jeweils einem Generator gekoppelt sein. Dadurch wird die von
den Kraftmaschinen erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie
umgewandelt, wobei mehrere Generatoren eine hohe Ausfallsicherheit
gewährleisten.
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Ferner
können
wenigstens zwei Kraftmaschinen, insbesondere Turbinen, durch eine
gemeinsame Welle mit einem Generator gekoppelt sein, wodurch der
Wartungs- und Steuerungsaufwand, insbesondere im Bezug auf die Synchronisierung
des Generators zum Stromnetz, minimiert wird.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Arbeitsmittelkreisläufe jeweils
unterschiedliche Arbeitsmittel aufweisen. Die unterschiedlichen
Arbeitsmittel weisen im Allgemeinen verschiedene Siedetemperaturen
auf, so dass eine möglichst effektive
Nutzung der Wärmeenergie
des Heizmittels gewährleistet
ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist der Heizmittelkreislauf eine Verzweigung mit wenigstens zwei
Zweigleitungen auf, die dem zweiten Verdampfer des zweiten Arbeitsmittelkreislaufs
nachgeordnet ist, wobei die Zweigleitungen mit einem Teilvorwärmer des
ersten Arbeitsmittelkreislaufs und einem Teilvorwärmer des
zweiten Arbeitsmittelkreislaufs gekoppelt sind. Auf diese Weise
wird erreicht, dass der Heizmittelstrom nach Durchlaufen des zweiten
Verdampfers aufgeteilt wird und die jeweiligen Heizmittelteilströme den Teilvorwärmern zugeführt werden.
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Vorzugsweise
weist der Heizmittelkreislauf eine weitere Verzweigung mit jeweils
wenigstens drei Zweigleitungen auf, die dem dritten Verdampfer des dritten
Arbeitsmittelkreislaufs nachgeordnet ist, wobei die Zweigleitungen
mit einem Teilvorwärmer
des ersten Arbeitsmittelkreislaufs, einem Teilvorwärmer des
zweiten Arbeitsmittelkreislaufs und einem Teilvorwärmer des
dritten Arbeitsmittelkreislaufs gekoppelt sind. Auf diese Weise
kann der Heizmittelstrom nach Durchlaufen des dritten Verdampfers
auf drei Arbeitsmittelkreisläufe
aufgeteilt werden. Analog dazu ist es möglich, eine Aufteilung des
Heizmittelstroms auf mehrere Arbeitsmittelkreisläufe zu realisieren.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Bezug auf
die beigefügten
schematischen Zeichnungen näher
erläutert. Darin
zeigen:
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1 ein
Prozessschaltbild einer Vorrichtung zur Energieerzeugung gemäß dem Stand
der Technik;
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2 ein
Prozessschaltbild einer Vorrichtung zur Energieerzeugung gemäß einem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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3 ein
Temperatur-Enthalpiestrom-Diagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 2;
und
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4 ein
Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
ein Prozessschaltbild einer Vorrichtung zur Energieerzeugung gemäß dem Stand der
Technik, wobei ein erster Arbeitsmittelkreislauf 10 durch
einen gemeinsamen Heizmittelkreislauf 50 mit einem zweiten
Arbeitsmittelkreislauf 20 gekoppelt ist. Die beiden Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20 weisen
dabei einen identischen Aufbau auf, mit jeweils einer Speisepumpe 41,
einem in Strömungsrichtung
nachgeordneten Rekuperator 45, einem darauf folgenden Teilvorwärmer 12, 22,
der jeweils einem Verdampfer 11, 21 vorgeordnet
ist, einer Kraftmaschine 43 sowie jeweils einem Kondensator 42.
Das Arbeitsmittel in den Arbeitsmittelkreisläufen 10, 20 strömt also
von der Speisepumpe 41 zum Rekuperator 45, wo
es durch Restwärme
des Arbeitsmittels, das in der Kraftmaschine bereits mechanische
Arbeit erzeugt hat, erwärmt
wird, und weiter zum Teilvorwärmer 12, 22, der
eine weitere Erwärmung
des Arbeitsmittels bewirkt. Vom Teilvorwärmer 12, 22 strömt das Arbeitsmittel
weiter zum Verdampfer 11, 21 und wird im weiteren
Verlauf in Form von Dampf zur Kraftmaschine 43 geleitet.
In der Kraftmaschine 43 verrichtet das dampfförmige Arbeitsmittel
mechanische Arbeit, wodurch sich der Dampf entspannt und das nunmehr teilweise
abgekühlte
Arbeitsmittel wieder zum Rekuperator 45 strömt. Im Rekuperator 45 wird
die Restwärmeenergie
des Arbeitsmittels dazu genutzt, das entgegen strömende Arbeitsmittel
vor der Zufuhr zum Teilvorwärmer 12, 22 zu
erwärmen.
Das aus der Kraftmaschine 43 abströmende Arbeitsmittel wird also
im Rekuperator 45 weiter abgekühlt und dem Kondensator 42 zugeführt, wo
das Arbeitsmittel verflüssigt
und wieder zur Speisepumpe 41 geleitet wird.
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Im
Heizmittelkreislauf 50 strömt das Arbeitsmittel zunächst zum
ersten Verdampfer 11 des ersten Arbeitsmittelkreislaufs 10,
wobei Wärme
vom Heizmittel an das Arbeitsmittel des ersten Arbeitsmittelkreislaufs 10 übertragen
wird, so dass das Arbeitsmittel in den dampfförmigen Zustand überführt wird. Das
Heizmittel wird weiter zum zweiten Verdampfer 21 des zweiten
Arbeitsmittelkreislaufs 20 geleitet und bewirkt dort ebenfalls
eine Verdampfung des Arbeitsmittels. Nach dem Durchlaufen des zweiten
Verdampfers 21 wird der Heizmittelstrom an der Verzweigung 51 aufgeteilt
und den beiden Teilvorwärmern 12, 22 der
beiden Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20 zugeführt. In
den beiden Teilvorwärmern 12, 22 bewirkt
das Heizmittel eine Erwärmung
der Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20.
Das abgekühlte
Heizmittel aus den beiden Teilvorwärmern 12, 22 wird
wieder zusammengeführt
und abgeleitet.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Energieerzeugung als Prozessschaltbild, wobei der Aufbau der
Vorrichtung im Wesentlichen den Aufbau gemäß 1 entspricht.
Die Vorrichtung umfasst zwei Arbeitsmittelkreisläufe 20, die jeweils eine
Speisepumpe 41, einen internen Rekuperator 45,
einen Teilvorwärmer 12, 22,
einen Verdampfer 11, 21, eine Kraftmaschine 43 sowie
einen Kondensator 42 aufweisen. Erfindungsgemäß ist im
ersten Arbeitsmittelkreislauf 10 zwischen dem Teilvorwärmer 12 und
dem ersten Verdampfer 11 ein weiterer Vorwärmer 15 angeordnet
derart, dass das Arbeitsmittel vom Teilvorwärmer 12 zum weiteren
Vorwärmer 15 und
im Folgenden zum ersten Verdampfer 11 geleitet wird. Gegenüber dem
Stand der Technik gemäß 1 ist
der Verlauf des Heizmittelkreislaufs 50 derart verändert, dass
das Heizmittel nach Durchlaufen des ersten Verdampfers 11 des
ersten Arbeitsmittelkreislaufs 10 zunächst dem weiteren Vorwärmer 15 zugeleitet
wird, bevor das Heizmittel zum zweiten Verdampfer 21 des
zweiten Arbeitsmittelkreislaufs 20 strömt. Wie bei den bekannten Vorrichtungen
wird daraufhin der Heizmittelstrom an der Verzweigung 51 aufgeteilt
und anteilig den beiden Teilvorwärmern 12, 22 der
beiden Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20 zugeführt, anschließend wieder
zusammengeführt
und abgeleitet.
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Der
wesentliche Vorteil der Anordnung des weiteren Vorwärmers 15 besteht
darin, dass dem weiteren Vorwärmer 15 auf
diese Weise der gesamte Massenstrom des Heizmittels zugeführt wird,
wodurch die zur Erwärmung
des Arbeitsmittels im ersten Arbeitsmittelkreislauf 10 zur
Verfügung
stehende Energie deutlich erhöht
ist. Die Nutzung des vollständigen
Heizmittelstroms bewirkt, dass die Wärmeenergie des Heizmittels,
die bereits gegenüber
der ursprünglichen
Wärmeenergie
der Wärmequelle
durch den Energieaustausch im ersten Verdampfer 11 reduziert
ist, ausreicht, um das Arbeitsmittel des ersten Arbeitsmittelkreislaufs 10 bis
zur Verdampfungstemperatur zu erwärmen. Bei Vorrichtungen gemäß dem Stand
der Technik wird die Erwärmung
bis zur Verdampfungstemperatur teilweise durch den ersten Verdampfer 11 bewirkt,
der jedoch nicht zur Vorwärmung
des Arbeitsmittels angepasst ist bzw. werden kann.
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3 zeigt
ein Temperatur-/Enthalpiestrom-Diagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei Thermalwasser beispielhaft als Heizmittel genutzt wird. Dabei
ist der Wärmestrom
der Thermalquelle festgelegt, da der Massenstrom begrenzt ist. Der
Massenstrom des Kühlwassers,
das dem Kondensator 42 von außerhalb zum Kühlen des
Arbeitsmittels zugeführt
wird, kann jedoch 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.
Demnach findet in den Verdampfern 11, 21 eine
isotherme Energieübertragung
statt, während
in den Teilvorwärmern 12, 22 und
dem weiteren Vorwärmer 15 die
Energieübertragung
im Wesentlichen isobar erfolgt. Beim Übergang von einer isobaren
zu einer isothermischen Energieübertragung
entsteht dabei ein Pinch Point zwischen Thermalwasser und Arbeitsmittel.
Der Pinch Point ist als der Zustandspunkt mit der minimalen Temperaturdifferenz
zwischen zwei Wärmeströmen bei
der Wärmeübertragung
definiert. Die Lage des Pinch Points im Temperatur-/Enthalpiestrom-Diagramm
ergibt sich aus dem Verhältnis
von Massenstrom und Verdampfungstemperatur, so dass bei hohem Arbeitsmittelmassenstrom
die obere Prozesstemperatur und damit der Wirkungsgrad des Kreisprozesses
niedrig ist, während
bei einem niedrigen Massenstrom der Wirkungsgrad des Kreisprozesses
erhöht
ist. Da sich die Leistungsabgabe des Kreisprozesses aus dem Produkt
aus spezifischer Arbeit und Massenstrom berechnet, existiert eine
optimale obere Prozesstemperatur, die mit einem Massenstrom verknüpft ist,
was dazu führt,
dass die Energie des Thermalwassers bis zu einer bestimmten Temperatur
effizient genutzt werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
durch den weiteren Vorwärmer 15,
dass ein möglichst
großer
Anteil der Wärmeenergie
der Wärmequelle
genutzt wird. Das Diagramm gemäß 3 zeigt,
dass der weitere Vorwärmer 15 (3:
zweiter Vorwärmer,
erstes Modul) die Temperatur des Arbeitsmittels deutlich erhöht, so dass
im ersten Verdampfer 11 des ersten Arbeitsmittelkreislaufs 10 eine im
Wesentlichen isotherme Energieübertragung
erfolgt. Der weitere Vorwärmer 15 bewirkt
also, dass einerseits die Temperaturdifferenz zwischen dem Thermalwasserwärmestrom
und dem Arbeitsmittel des ersten Arbeitsmittelkreislaufs minimiert
ist und andererseits im ersten Verdampfer 11 keine isobare
Energieübertragung
erfolgt, für
die der erste Verdampfer 11 nicht konstruiert ist. Die
Wärmeaufnahme
findet also im Vergleich zu bisher bekannten ORC-Kreisprozessen auf einem höheren Energieniveau
statt, so dass der nutzbare Wärmeinhalt
des Kreisprozesses steigt.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Energieerzeugung, wobei drei Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20, 30 vorgesehen
sind. Der erste Arbeitsmittelkreislauf 10 umfasst eine
Speisepumpe 41, die das Arbeitsmittel zu einem ersten Teilvorwärmer 13,
weiter zu einem zweiten Teilvorwärmer 12,
weiter zu einem weiteren Vorwärmer 15 und
im Folgenden zu einem ersten Verdampfer 11 fördert. Vom
ersten Verdampfer 11 strömt das Arbeitsmittel des ersten
Arbeitsmittelkreislaufs 10 zu einer Kraftmaschine 43,
insbesondere einer Turbine, die mit einem Generator 44 gekoppelt
ist. Das entspannte Arbeitsmittel wird im weiteren Verlauf von der
Kraftmaschine 43 zu einem Kondensator 42 und wieder
der Pumpe 41 zugeleitet. Der zweite Arbeitsmittelkreislauf 20 ist ähnlich aufgebaut und
weist ebenfalls eine Speisepumpe 41 auf, die das Arbeitsmittel
zu einem ersten Teilvorwärmer 23, weiter
zu einem zweiten Teilvorwärmer 22,
weiter zu einem zweiten Verdampfer 21 sowie im weiteren
Verlauf zu einer Kraftmaschine 43 leitet. Die Kraftmaschine 43,
insbesondere eine Turbine, ist mit einer Welle mit einem Generator 44 verbunden.
Nach dem Durchlaufen der Kraftmaschine 43 strömt das entspannte
Arbeitsmittel des zweiten Arbeitsmittelkreislaufs 20 in
den Kondensator 42 und von dort wieder zur Speisepumpe 41.
Der dritte Arbeitsmittelkreislauf 30 umfasst ebenfalls
eine Speisepumpe 41, der ein Teilvorwärmer 33 nachgeordnet
ist, der wiederum einem dritten Verdampfer 31 vorgeordnet
ist. Dem dritten Verdampfer 31 ist eine Kraftmaschine 43,
insbesondere Turbine, nachgeordnet, die mit einer Welle mit einem
Generator 44 verbunden ist und durch das Arbeitsmittel
des dritten Arbeitsmittelkreislaufs 30 betrieben wird,
bevor das Arbeitsmittel durch den Kondensator 42 wieder
zur Pumpe 41 strömt.
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Es
ist generell möglich,
dass die Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20, 30 zumindest
teilweise einen internen Rekuperator 45 aufweisen. Dabei
kann der Rekuperator 45 wenigstens einem Teilvorwärmer 12, 13, 22, 23, 33 sowohl
vor- oder nachgeordnet, als auch zwischen wenigstens zwei Teilvorwärmern 12, 13, 22, 23, 33 angeordnet
sein. Die Lage des Rekuperators 45 richtet sich im Allgemeinen
nach den Heizmitteltemperaturen in den jeweiligen Teilvorwärmern 12, 13, 22, 23, 33,
so dass das Arbeitmittel beim Durchlaufen des Rekuperators Wärmeenergie aufnimmt
bzw. zumindest keine Wärmeenergie
an das Heizmittel überträgt.
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Die
drei Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20, 30 sind
durch einen gemeinsamen Heizmittelkreislauf so gekoppelt. Dabei
strömt
das Heizmittel im Heizmittelkreislauf 50 zunächst durch
den ersten Verdampfer 11 des ersten Arbeitsmittelkreislaufs 10,
weiter durch den Vorwärmer 15 des
ersten Arbeitsmittelkreislaufs 10 und im Folgenden durch
den zweiten Verdampfer 21 des zweiten Arbeitsmittelkreislaufs 20,
bevor der Heizmittelstrom an der Verzweigung 51 aufgeteilt
und über
die beiden Zweigleitungen 52a, 52b den beiden
Teilvorwärmern 12, 22 des
ersten und zweiten Arbeitsmittelkreislaufs 10, 20 zugeführt wird.
Nach dem Durchlaufen der beiden Teilvorwärmer 12, 22 werden
die Heizmittelteilströme
zusammengeführt
und zum dritten Verdampfer 31 des dritten Arbeitsmittelkreislaufs 30 geleitet.
Nach dem dritten Verdampfer 31 des dritten Arbeitsmittelkreislaufs 30 erfolgt
wiederum eine Aufteilung des Heizmittelstroms an der weiteren Verzweigung 53,
so dass jeweils einem Teilvorwärmer 13, 23, 33 der
drei Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20, 30,
die jeweils der Speisepumpe 41 nachgeordnet sind, über die
Zweigleitungen 54a, 54b, 54c ein Heizmittelteilstrom
zugeleitet wird. Die Heizmittelteilströme werden anschließend wieder
zusammengeführt
und abgeleitet.
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Es
ist denkbar, dass die Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20, 30 jeweils
eine beliebige Anzahl von Vorwärmern 15 bzw.
Teilvorwärmern 12, 13, 22, 23, 33 aufweisen.
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Dabei
ist die Aufteilung des Heizmittelstroms in Heizmittelteilströme entsprechend
anzupassen. Gemäß 4 wird
der Heizmittelstrom zwischen dem ersten Arbeitsmittelkreislauf 10 und
dem zweiten Arbeitsmittelkreislauf 20 auf zwei Zweigleitungen 52a, 52b aufgeteilt,
die mit den Teilvorwärmern 12, 22 des
ersten und zweiten Arbeitmittelkreislaufs 10, 20 gekoppelt
sind, wobei eine halbierende Aufteilung des Gesamtheizmittel-Massenstroms
möglich
ist, so dass die beiden Teilströme
identisch sind. Andere Aufteilungen sind möglich. Ferner kann die Aufteilung
zu den Teilvorwärmern 13, 23, 33 der
drei Arbeitsmittelkreisläufe 10, 20, 30 an
der Verzweigung 53 ebenfalls derart gestaltet sind, dass
die drei Heizmittelteilströme
identisch sind. Gemäß 4 ist
die Verzweigung 53 aus zeichnerischen Gründen in Form
von zwei Teilverzweigungen 53a, 53b dargestellt.
Die konstruktive Gestaltung der Verzweigung 53 ist allerdings
nicht festgelegt. Vielmehr ist die Ausgestaltung im Wesentlichen
von der gewünschten Aufteilung
der Heizmittelteilströme
abhängig.
Vorzugsweise ist die Verzweigung 53 jedoch derart gebildet,
dass die Verbindung zu den Teilvorwärmern 13, 23, 33 energetisch
möglichst
effektiv ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Zweigleitung 54a, 54b, 54c,
die den Teilstrom mit der geringsten Wärmekapazität fördert, möglichst kurz ausgeführt wird,
so dass Wärmeverluste
durch den Transport minimiert werden. Beispielsweise kann auch auf
dem ersten Teilvorwärmer 13 des
ersten Arbeitsmittelkreislaufs 10 verzichtet werden, so
dass der Heizmittelstrom nach Durchlaufen des dritten Verdampfers 31 des
dritten Arbeitsmittelkreislaufs 30 lediglich auf zwei Teilvorwärmer 23, 33 der
beiden Arbeitsmittelkreisläufe 20, 30 aufgeteilt
wird.
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Die
Kopplung zwischen der Kraftmaschine 43 und dem Generator 44 erfolgt
vorzugsweise durch eine Welle, wobei zumindest eine, insbesondere
alle, Kraftmaschinen 43 eine gemeinsame Welle aufweisen
können,
die mit zumindest einem Generator gekoppelt ist, so dass Rotationsenergie übertragen
und in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Kraftmaschinen 43 können als
Turbinen, Schrauben- oder Kolbenmotoren ausgeführt sein.
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Im
Allgemeinen ist es vorteilhaft, in den verschiedenen Arbeitsmittelkreisläufen 10, 20, 30 unterschiedliche
Arbeitsmittel einzusetzen, die jeweils eine andere Siedetemperatur
aufweisen. Üblicherweise
ist die Siedetemperatur des Arbeitsmittels im ersten Arbeitsmittelkreislauf 10 am
höchsten
und verringert sich mit jedem weiteren, nachgeschalteten Arbeitsmittelkreislauf.
Auf diese Weise kann dem Wärmeenergieverlust
des Heizmittels beim Durchlaufen der einzelnen Wärmetauscher, insbesondere des
Vorwärmers 15,
der Teilvorwärmer 12, 13, 22, 23 und
der Verdampfer 11, 21, in den vorgeordneten Arbeitsmittelkreisläufen 10, 20 Rechnung
getragen und der Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung gesteigert
werden, da der Pinch Point der einzelnen Wärmetauscher bis zur minimalen
Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluidströmen optimiert werden kann.
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- 10
- erster
Arbeitsmittelkreislauf
- 20
- zweiter
Arbeitsmittelkreislauf
- 30
- dritter
Arbeitsmittelkreislauf
- 11
- erster
Verdampfer
- 21
- zweiter
Verdampfer
- 31
- dritter
Verdampfer
- 12,
13, 22, 23, 33
- Teilvorwärmer
- 15
- Vorwärmer
- 41
- Speisepumpe
- 42
- Kondensator
- 43
- Kraftmaschine
- 44
- Generator
- 45
- interner
Rekuperator
- 50
- Heizmittelkreislauf
- 51,
53
- Verzweigung
- 52a,
52b, 54a, 54b, 54c
- Zweigleitung
- 53a,
53b
- Teilverzweigung