DE202008005031U1

DE202008005031U1 - Heizkesselsystem für Kraft-Wärmekopplung

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Publication number: DE202008005031U1
Application number: DE200820005031
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Duerr Cyplan Ltd
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2018-04-12

Abstract

Systeme, in denen die Wärme eines Verbrennungsprozesses indirekt über einen Zwischenkreis ausgekoppelt wird, indem betriebsmäßig ein anderes Medium als Wasser verdampft, zu einem Wärmetauscher strömt, kondensiert und das Kondensat vorwiegend durch Schwerkraft zurück zur Verdampfung strömt.

Description

In vielen Heizkraftwerken wird Strom erzeugt und die dabei anfallende Wärme in Nah- und Fernwärmenetze gespeist. Man spricht von einer so genannten Kraft-Wärmekopplung. Dienen als Energielieferanten Festbrennstoffe, wird zur Stromerzeugung meist ein Rankine-Prozess verwendet. Wasser wird in einem Heizkessel durch die Wärme der Feststoffverbrennung verdampft, überhitzt und der Dampf über einer Kraftmaschine (z. B. Turbine) entspannt. Nach dem Kondensieren durch Wärmeabfuhr in das Heizsystem wird das Kondensat in den Verdampfer zurückgepumpt.
In so genannten ORC-Prozessen wird statt Wasser ein organisches Arbeitsmedium verwendet. Dieses kann aus verschiedenen Gründen nicht direkt im Heizkessel verdampft werden. Ein Grund hierfür ist die geringere thermische Stabilität des Arbeitsmediums. Ein weiterer Grund ist die Rückspeisung des ORC-Kondensates in den Verdampfer. Um Überhitzungen des Kessels zu verhindern, muss diese mit erheblichem apparativem Aufwand in jedem Fall sichergestellt sein. Wegen dieser Problematik nutzt man zur Wärmeübertragung vom Heizkessel in das ORC-System einen Thermoölkreislauf. Dieser verursacht erhebliche zusätzliche Kosten und ist auch sicherheitstechnisch problematisch. Auch hier muss z. B. der Thermoölfluss bei Stromausfall gewährleistet werden. Dies geschieht durch ein redundantes Pumpensystem.
Das nachfolgend beschriebene Heizkesselsystem löst alle Sicherheitsanforderungen an mit Feststoff befeuerte Kessel mit erheblich geringerem Aufwand als der derzeit bekannte Stand der Technik.
In 1) ist der prinzipielle Aufbau dargestellt. Mit der Wärme aus der Festbrennstofffeuerung wird durch Strahlung und bzw. oder Konvektion der Rauchgase 1) über einen Wärmetauscher 11) ein flüssiges Medium 4) in einem geschlossenen Zwischenkreis (Primärkreislauf) erwärmt und verdampft. Der Dampf 3) wird in auf höherem Niveau angeordneten, parallel geschalteten Wärmetauschern 12), 13), 14) kondensiert, unterkühlt und fliest als Kondensat 4) über Schwerkraft zurück in den Verdampfer 11). Der Umlauf in diesem Primärkreis wird lediglich durch Schwerkraft aufrechterhalten. Somit entspricht die maximale Druckdifferenz zwischen Verdampfer und den Kondensatoren dem Unterschied der Flüssigkeitssäule. Die Kondensatoren 12), 13), 14) dienen der Wärmeauskopplung in nach geschaltete Systeme, wie den Verdampfer 12) des ORC-Kreislaufes, der Wärmeeinkopplung in das Wärmenetz 13) und der Notkühlung durch Verdampfung von bevorratetem Wasser 14).
Im Kondensatrückfluss 4) des Primärkreislaufes sind Ventile 15), 16), 17) angeordnet, durch welche der entsprechende Wärmetauscher zu- oder abgeschaltet wird. Bei geschlossenem Ventil füllt sich der Wärmetauscher primärseitig mit Kondensat und die Wärmeübertragung wird unterbrochen. Bei geöffneten Ventilen strömt das Kondensat aus dem Wärmetauscher und heißer Sattdampf 3) nach. Die Ventile können auch die Wärmeauskopplung an der Schnittstelle regulieren. Am Kondensator 14), der als Notkühler dient, ist das Ventil 17) so ausgeführt, dass es bei Spannungsunterbrechung zwangsweise öffnet. Im Sekundärkreis wird dann ein Wasservorrat verdampft, bis die inzwischen abgeschaltete Feuerung ausgekühlt ist.
Im Primärkreis können, soweit erforderlich noch zusätzliche Apparate, Armaturen und Messaufnehmer angeordnet werden, wie sie aus der Thermoöltechnik bekannt sind.
Als Arbeitsmedium im Primärkreis dienen vorzugsweise Stoffe, die einen wesentlich geringeren kritischen Druck als Wasser besitzen. Sehr gut geeignet sind zum Beispiel Siloxane wie: Decamethylcyclopentasiloxane oder Decamethyltetrasiloxane und deren Mischungen. Eine weitere Alternative bilden Aromate und deren Mischungen. Eine wesentliche Anforderung an die Stoffe ist eine mögliche Dampfphase oberhalb des Umgebungsdruckes und unterhalb der Zersetzungstemperatur.
Zusammenfassung
Das hier beschriebene System dient zur Übertragung von Wärme aus einem Verbrennungsprozess an einen so genannten ORC-Prozess zur Stromerzeugung. Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik ist das System apparativ wesentlich einfacher aufgebaut. Es lässt sich somit preiswerter fertigen und enthält weniger potentielle Fehlerquellen. Hauptanwendungsgebiet bilden Heizkessel mit kleinen Feststofffeuerungen.
Charakterisieren ist ein zwischen dem Rankine-Prozess und der Feuerung geschalteter Kreislauf, in dem ein Wärmeträgermedium den Aggregatzustand mehrmals wechselt. Durch die Feuerungswärme wird der Wärmeträger des Primärkreislaufes verdampft, der Dampf strömt zu Kondensatoren und wird hier durch den Wärmeentzug der Verbraucher kondensiert. In mindestens einem Wärmetauscher wird die Kondensationswärme wieder zur Verdampfung des Arbeitsmittels eines nach geschalteten ORC-Prozesses genutzt. Ein weiterer Kondensator dient bei einer Betriebsstörung als Notkühler, indem er mit der Kondensationswärme Wasser verdampft. Dieser Kreislauf ist im Betrieb zur Umgebung geschlossen. Die Kondensatrückführung erfolgt vorzugsweise über Schwerkraft.
Die Regelung der Dampfströme erfolgt vorzugsweise indirekt über Ventile in der Kondensatrückführung des Primärkreises. Eine Anordnung der Armaturen im Dampfstrom ist ebenfalls möglich.
Als Arbeitsmedium im Primärkreis dient in der Regel ein anderer Stoff als Wasser.
Durch den Anlagenaufbau können sämtliche Schnittstellen zu den Verbrauchern als Kondensatoren im Heizkessel integriert werden. Das ORC-System und andere betriebsmäßigen Wärmeabnehmer haben durch den Systemaufbau keinen Einfluss auf die Sicherheit des Kessels.

1)

Kreisläufe

1: Rauchgas von der Verbrennung
2: Rauchgas zum Kamin
3: Dampf Primärkreis
4: Kondensat Primärkreis
5: Dampf ORC-Medium
6: Kondensat ORC-Medium
7: Vorlauf Warmwasser
8: Rücklauf Warmwasser
9: Dampf Notkühler
10: Zulauf Notkühler

Komponenten

11: Verdampfer primär
12: Verdampfer ORC-Medium
13: Wärmetauscher Wasser
14: Verdampfer Notkühlung
15: Rücklaufventil Verdampfer ORC
16: Rücklaufventil Wasserwärmetauscher
17: Rücklaufventil Verdampfer Notkühlung
18: Abscheider Dampfkreis primär

Claims

Systeme, in denen die Wärme eines Verbrennungsprozesses indirekt über einen Zwischenkreis ausgekoppelt wird, indem betriebsmäßig ein anderes Medium als Wasser verdampft, zu einem Wärmetauscher strömt, kondensiert und das Kondensat vorwiegend durch Schwerkraft zurück zur Verdampfung strömt.
Systeme nach Anspruch 1), in denen das Medium des Zwischenkreises durch Kondensation. in einem Wärmetauscher das Arbeitsmedium eines ORC-Prozesses ganz oder teilweise verdampft.
Holzfeuerungssysteme, die so verbundene Wärmetauscher enthalten, dass betriebsmäßig über einen durch Schwerkraft angetriebenen Kreislauf ein Medium verdampft und kondensiert und mit der Kondensationswärme ein weiteres Medium verdampft wird.
Holzfeuerungen bzw. -heizkessel nach Anspruch 3), in denen beide Medien andere Stoffe als Wasser sind.
Systeme nach Anspruch 1), 2), 3) und 4) in denen die Wärmeauskopplung durch Kondensation mittels Armaturen im Kondensatkreis geregelt wird.
Systeme nach Anspruch 1) oder Anspruch 2), die im Störfall durch Verdampfung von Wasser mittels Kondensation des Zwischenkreismediums abgekühlt werden.