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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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DE 10 2006 028 746 A1 beschreibt eine ORC-Anlage mit einem Arbeitsmittelkreislauf, der einen Verdampfer und einen Vorwärmer aufweist, wobei dem Vorwärmer ein Rekuperatur vorgeschaltet ist.
JP 61 132710A offenbart einen Hochtemperatur-Arbeitsmittelkreislauf einer ORC-Anlage, bei welchem dem Verdampfer zwei Vorwärmer zugordnet sind. Der Heizmittelstrom wird vollständig und seriell allen Vorwärmern und Verdampfern der Anlage zugeführt.
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Die Publikation von
DIPIPPO, Ronald: GEOTHERMAL POWER PLANTS: PRINCIPLES, APPLICATIONS AND CASE STUDIES, "CHAPTER 17: HEBER BINARY PLANTS IMPERIAL VALLEY, CALIFORNIA, CALIFORNIA, USA" ISBN: 978-1-85617-474-9 offenbart eine Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip mit zwei Arbeitsmittelkreisläufen, die jeweils einen Verdampfer und einen Teilvorwärmer umfassen und durch einen gemeinsamen Heizmittelkreislauf gekoppelt sind, wobei ein Heizmittelstrom den Verdampfern vollständig und den Vorwärmern anteilig zugeführt wird.
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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 Arbeitsmittel 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. 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 Arbeitsmittelkreislaufs 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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Bezugszeichenliste
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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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006028746 A1 [0005]
- JP 61132710 A [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIPIPPO, Ronald: GEOTHERMAL POWER PLANTS: PRINCIPLES, APPLICATIONS AND CASE STUDIES, ”CHAPTER 17: HEBER BINARY PLANTS IMPERIAL VALLEY, CALIFORNIA, CALIFORNIA, USA” ISBN: 978-1-85617-474-9 [0006]
