DE202010004882U1

DE202010004882U1 - Umwandlungssystem zur Umwandlung von Abwärme in Wellenleistung

Info

Publication number: DE202010004882U1
Application number: DE202010004882U
Authority: DE
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2020-04-14
Also published as: CN202065022U

Abstract

Umwandlungssystem (30) zur Umwandlung von Abwärme von einer Abwärmequelle (7) in Wellenleistung, wobei das Umwandlungssystem (30) ein System (16) mit geschlossenem organischem Rankine-Kreisprozess ORC aufweist, welches aufweist:
– einen Verdampfer (1), der durch die Abwärme erwärmt wird, um ein ORC-Arbeitsmedium zu verdampfen,
– eine Turbine (2), die von dem verdampften ORC-Arbeitsmedium angetrieben wird, und an eine Welle (3) angeschlossen ist,
– einen Kondensator (5), der in Fluidverbindung zwischen die Turbine (2) und den Verdampfer (1) geschaltet ist,
– eine Pumpe (6), die zwischen dem Kondensator (5) und dem Verdampfer (1) angeordnet ist,
– ein Untergeschoßmodul (31) mit der Turbine (2) und der Pumpe (6); und
– ein Obergeschoßmodul (32) mit dem Kondensator (5), wobei das Obergeschoßmodul (32) oberhalb des Untergeschoßmoduls (31) angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Abwärmerückgewinnung und befasst sich insbesondere mit einem Umwandlungssystem zur Umwandlung von Abwärme von einer Abwärmequelle in Wellenleistung, einer Abwärme-Rückgewinnungsanordnung zur Umwandlung von Abwärme in Wellenleistung, und einer Zementindustrieanlage mit dem Umwandlungssystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Industrielle Prozesse erzeugen im Allgemeinen Abwärme, beispielsweise durch Kondensation von Gas oder Kühlen von Fluiden, oder enthalten in Abgasen oder Kühlluft von Herstellungsprozessen für Zement, Chemikalien, Glas, Papier oder Stahl, von Müllverbrennungsprozessen, oder von Brennstoffverbrennung in Verbrennungsmaschinen, wie Gasturbinen oder Kolbenmotoren. Derartige Abwärme wird normalerweise an die Atmosphäre abgelassen. Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der industriellen Prozesse ohne Erhöhen der Abgabe von Emissionen wird jedoch üblicherweise ein Bottoming-Cycle zur Rückgewinnung der Abwärme eingesetzt. Bottoming-Cycles benötigen gewöhnlich hohe Abgastemperaturen, jedoch stellt ein Beispiel für einen Bottoming-Cycle, der niedrigere Abgastemperaturen benötigt, der organische Rankine-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle; ORC) dar. ORC erzeugt Wellenleistung von Abwärmequellen auf niedrigerer Temperatur durch Verwendung eines organischen Arbeitsmediums mit einer an die Wärmequelle angepassten Siedetemperatur.
Der geschlossene Rankine-Kreisprozess umfasst einen Verdampfer oder Kessel für die Verdampfung eines Arbeitsmediums, eine mit Dampf von dem Verdampfer versorgte Turbine zum Antrieb eines Generators oder anderen Verbrauchers, einen Kondensator zum Kondensieren des Brüden von der Turbine sowie eine Vorrichtung, beispielsweise eine Pumpe, zum Rückführen des kondensierten Arbeitsmediums zum Verdampfer. Derartige Rankine-Kreisprozesssysteme werden zum Zwecke der Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Als Beispiel beschreibt das Patent US 6 880 344 einen geschlossenen Rankine-Kreisprozess, der effizient Abwärme von verschiedenen Quellen in einem Kolbenmotor- oder Gasturbinensystem verwenden kann.
Die WO 2008/074637 beschreibt ein System zur Umwandlung von Abwärme von einer Abwärmequelle in Wellenleistung, welches ein System mit geschlossenem Rankine-Kreisprozess aufweist, das einen Verdampfer zum Verdampfen eines Arbeitsmediums aufweist, der durch die Abwärme erhitzt wird, eine Turbine, die von dem verdampften Arbeitsmedium angetrieben wird und mit einer Welle verbunden ist, und einen Kondensator, der in Fluidverbindung zwischen die Turbine und den Verdampfer geschaltet ist. Die Abwärmetemperatur am Verdampfer liegt unterhalb von 350°C, und der Druck des verdampften Arbeitsmediums überschreitet nicht 8 bar. Das Arbeitsmedium, das beispielsweise als R-245fa bekannt ist, und an diese Bedingungen angepasst ist, ist organisch, nicht toxisch, und fluoriert. Dies führt dazu, dass fluoriertes Fluid entweichen kann. Das Fluid ist chemisch stabil und stellt ein Treibhausgas dar, trägt also zur Klimaänderung bei, und kann daher Umweltschutzvorschriften unterliegen. Im Endeffekt können spezielle und kostenaufwändige Maßnahmen bei dem System dafür erforderlich sein, um zu verhindern, dass Reste des Arbeitsmediums in die Atmosphäre entweichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es kann als ein Ziel der Erfindung angesehen werden, die Grundfläche eines Abwärme-Umwandlungssystems zu verringern, das auf einem organischen Rankine-Kreisprozess ORC basiert. Dieses Ziel wird erreicht durch ein Umwandlungssystem zur Umwandlung von Abwärme von einer Abwärmequelle in Wellenleistung, durch eine Abwärme-Rückgewinnungsanordnung zur Umwandlung von Abwärme in Wellenleistung, und durch eine Zementindustrieanlage mit dem Umwandlungssystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Umwandlungssystem zur Umwandlung von Abwärme von einer Abwärmequelle in Wellenleistung zur Verfügung gestellt, wobei das Umwandlungssystem ein System mit geschlossenem Rankine-Kreisprozess aufweist, das einen durch die Abwärme erhitzten Verdampfer aufweist, eine mit einer Welle verbundene Turbine, die von einem ORC-Arbeitsmedium angetrieben wird, das in dem Verdampfer verdampft wird, einen Kondensator, der in Fluidverbindung zwischen die Turbine und den Verdampfer geschaltet ist, eine zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer angeordnete Pumpe, ein Erdgeschoßmodul mit der Turbine und der Pumpe, und ein Obergeschoßmodul mit dem Kondensator, wobei das Obergeschoßmodul in dem in Betrieb befindlichen Umwandlungssystem oberhalb des Untergeschoßmoduls angeordnet ist.
Die vorgeschlagene modulare Konstruktion des Umwandlungssystems ermöglicht eine umfangreiche Vorfertigung am Ort einer Fabrik und ein vorheriges Testen der einzelnen Module vor dem Versand zum Einsatzort. Die Anbringung eines Obergeschoßmoduls oben auf einem Untergeschoßmodul verringert die Grundfläche des Systems, also die benötigte Fläche am Boden, und trägt allgemein zu einer kompakten Konstruktion bei. Das Untergeschoßmodul wird am Boden angeordnet, so dass seine Bestandteile für qualifiziertes Personal zur Wartung und Reparatur einfach zugänglich sind. Dadurch, dass das Obergeschoßmodul oberhalb der anderen Module oder oben auf diesen in Bezug auf die Schwerkraft angebracht ist, kann erwärmte Kühlluft, die durch den Kondensator umläuft, in den offenen Raum aufsteigen, unterstützt durch natürliche Konvektion, ohne durch andere Prozessbestandteile behindert zu werden.
Vorzugsweise kann das Umwandlungssystem mit Standardmodulen auch ein Kraftwerk oder einen Teil eines Kraftwerks bilden, und kann es ermöglichen, dass das Kraftwerk an jede Abwärmequelle angepasst werden kann, durch Ändern des Zwischenkreises, welcher die Wärmequelle mit dem Umwandlungssystem verbindet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Obergeschoßmodul mehrere Kondensatoren aufweisen, die standardisiert sein können, und modulartig einander benachbart in einer Horizontalebene angeordnet sein können.
Vorzugsweise können die Turbine und die Pumpe des Umwandlungssystems modulartig in Abhängigkeit von der erforderlichen Umwandlungsleistung und/oder der Menge an Abwärme ausgetauscht werden, die von der Wärmequelle erzeugt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das ORC-Arbeitsmedium organisch, nicht toxisch, und nicht fluoriert. Die Rückkehr zu einem ORC-Arbeitsmedium ohne Fluor verhindert Befürchtungen in Bezug auf die Umwelt, ohne dass ein spezieller Leckschutz benötigt wird, und trägt daher zur allgemeinen Akzeptanz des Abwärme-Umwandlungssystems bei.
Vorzugsweise besteht das ORC-Arbeitsmedium aus reinen Kohlenwasserstoffverbindungen, wie Isobutan (C₄H₁₀) und Pentan (C₂H₁₂) oder einer Kombination aus diesen. Derartige ORC-Arbeitsmedien laufen in dem Rankine-Kreisprozess bei einem Druck oberhalb von Umgebungsdruck um, sowohl in der gasförmigen als auch in der verflüssigten Phase. Dies verbessert die Kaltstartfähigkeit, da kein Vakuum hinter der Turbine erzeugt werden muss, um das System zu starten.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff industrielle Abwärmequelle vorzugsweise Industrieanlagen, deren Hauptzweck nicht in der Herstellung oder Nutzung der Abwärme besteht. Ausnahmsweise können geothermische Wärmequellen und auch auf erneuerbaren Energien basierende Wärmequellen, wie mit Holzspänen beheizte Kessel, eingesetzt werden.
Beispiele für Abwärmequellen umfassen Abgas von der Brennstoffverbrennung in Brennkraftmaschinen, wie Gasturbinen oder Kolbenmotoren; Rauchgas oder Abgas, beispielsweise von Müllverbrennungsprozessen, die über einen Kamin ausgestoßen werden; Kühlluft von Herstellungsprozessen für Zement, Chemikalien, Glas, Papier, oder Stahl; oder Kühlwasser von industriellen Prozessen oder Brennkraftmaschinen. Speziell lassen sich Klinkerkühlerluft einer Zementfabrik und Abgas eines Vorwärmerturms derselben Zementfabrik überlegen. Selbstverständlich muss ein Ausgleich der Verfügbarkeit der Abwärme einer Industrieanlage zur Erzeugung von Wellenleistung gegen andere mögliche Verwendungen dieser Abwärme erfolgen, sowohl innerhalb der Anlage, beispielsweise zum Trocknen, oder außerhalb der Anlage, beispielsweise für Fernwärme.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Umwandlungssystem weiterhin ein Mittelgeschoßmodul auf, welches statische Bestandteile hat, wobei das Mittelgeschoßmodul in Vertikalrichtung parallel zur Richtung der Schwerkraft zwischen dem Untergeschoßmodul und dem Obergeschoßmodul angeordnet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist sowohl das Untergeschoß-, das Mittelgeschoß- und das Obergeschoßmodul standardisierte Bestandteile auf, die modulartig austauschbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist das System einen Zwischenkreis zur Übertragung von Abwärme an den Verdampfer auf. Der Zwischenkreis weist einen Wärmeübertrager zum Erwärmen eines Zwischenkreis-Arbeitsmediums, wie beispielsweise Wasser unter Druck, durch die Abwärme auf. Das Zwischenkreis-Arbeitsmedium wird dann zum Verdampfer im Kreislauf geführt, wo die Abwärme weiter an das ORC-Arbeitsmedium übertragen wird. Der Zwischenkreis wird besonders bevorzugt im Falle einer hohen Staubbelastung in der Wärmequelle, wie dies bei Zementfabriken der Fall ist. Der Verdampfer oder ein Wärmeübertrager kann an dem Mittelgeschoßmodul angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Arbeitsmedium des Zwischenkreises Wasser unter Druck. Daher tritt keine Verdampfung in dem Wärmeübertrager auf, und können dessen Oberflächen vergleichsweise klein bleiben.
Der Zwischenkreis sorgt für erhöhte Flexibilität, und ermöglicht insbesondere den Anschluss mehrerer Wärmequellen an einen einzigen Rankine-Kreisprozess-Verdampfer. Speziell können getrennte Wärmequellen, wie etwa Klinkerkühlerluft oder Abgas eines Vorwärmerturms derselben Zementfabrik, in dem Zwischenkreis in Reihe geschaltet sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Plate & Shell-Plattenwärmeübertrager mit optimiertem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen in dem Verdampfer in Verbindung mit dem Zwischenkreis eingesetzt. Beispiele für Plate & Shell-Plattenwärmeübertrager, die infolge eines innovativen Schweißprozesses, wie beispielsweise in der WO 2009068119 beschrieben, gut dazu geeignet sind, Drucken in dem ORC-Kreisprozess von mehr als 40 bar zu widerstehen, können von der GESMEX GmbH, Schwerin, Deutschland, bezogen werden.
In vorteilhafter Weise weist das Umwandlungssystem eine Steuereinheit zum Steuern des Abwärme-Umwandlungsprozesses einschließlich der Zufuhr von elektrischer Energie von dem Generator zu einem Stromnetz auf. Die Steuereinheit ist an Sensoren sowie Aktoren angeschlossen, um den Betrieb des Umwandlungssystems so anzupassen, dass er den Betriebsbedingungen der Industrieanlage genügt. Beispiele für Aktoren umfassen drehzahlveränderliche Fluidpumpen, die in den Schaltungen des Arbeitsmediums angeordnet sind, Kondensatorgebläse, ein Auslöseventil zum Auslösen der Turbine, und einstellbare Einlassleitschaufeln, welches es ermöglichen, dass die Turbine in einem größeren Lastbereich arbeitet. Darüber hinaus kann sogar die Steuereinheit mit dem Abwärme-Erzeugungsprozess Wechselwirken, um die Abwärmeumwandlung innerhalb der Grenzen zu optimieren, die durch die Betriebsbedingungen der Industrieanlage vorgegeben sind. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Zufuhr elektrischer Energie von dem Generator an ein Stromnetz auf einen vorbestimmten Spannungspegel zu steuern.
Bei einer alternativen, beispielhaften Ausführungsform wird ein Umwandlungssystem zur Umwandlung von Abwärme von einer industriellen Abwärmequelle in Wellenleistung zur Verfügung gestellt, wobei das Umwandlungssystem einen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreis-Arbeitsmedium aufweist, das durch die Abwärme erhitzt wird, und ein System mit geschlossenem Rankine-Kreisprozess mit einem geeigneten organischen Arbeitsmedium, und einen Plate & Shell-Plattenwärmeübertrager aufweist, zum Verdampfen des organischen Arbeitsmediums durch das erhitzte Zwischenkreis-Arbeitsmedium. Das System mit geschlossenem Rankine-Kreisprozess weist weiterhin eine Turbine auf, die von dem organischen Arbeitsmedium angetrieben wird, das in dem Plate & Shell-Plattenwärmeübertrager verdampft wird, und einen Kondensator, der in Fluidverbindung zwischen die Turbine und den Plate & Shell-Plattenwärmeübertrager geschaltet ist. Das bevorzugte Zwischenkreis-Arbeitsmedium ist Wasser, wogegen das organische Arbeitsmedium des geschlossenen Rankine-Kreisprozesses ein toxisches oder nicht toxisches, fluoriertes oder nicht fluoriertes Arbeitsmedium sein kann. Diese alternative, beispielhafte Ausführungsform kann unabhängig mit jeder der vorteilhaften Varianten oder Ausführungsformen kombiniert werden, die in dieser Beschreibung erwähnt sind.
Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung die Nutzung, auf umweltverträgliche Weise, von Abwärmequellen mit vergleichsweise niedriger Qualität, die bislang nicht in Betracht gezogen werden, hauptsächlich aus ökonomischen Gründen sowie wegen mangelnder geeigneter Geräte. Ein System mit geschlossenem Rankine-Kreisprozess wird mit Abwärme betrieben, die beispielsweise in Form eines heißen Kühlfluids oder eines Flusses eines Restwärmegases zur Verfügung gestellt wird, welches eine Temperatur von weniger als 400°C aufweist, gelegentlich von weniger als 250°C, und in einigen Fällen sogar von weniger als 200°C. In einem Verdampfer in Wärmeaustauschbeziehung mit der Abwärme wird ein geeignetes Arbeitsmedium verdampft und auf eine Temperatur von weniger als etwa 170°C bei einem Druck von weniger als 40 bar erhitzt, gelegentlich sogar weniger als 8 bar, und daraufhin einer Turbine zur Erzeugung von Wellenleistung zugeführt, die wiederum einen Kompressor oder Generator antreiben kann.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen deutlich und werden unter Bezugnahme auf diese erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand der Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten in dem nachstehenden Text unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen erläutert, die in detaillierten, schematischen Zeichnungen dargestellt sind.
1 zeigt schematisch ein Umwandlungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch ein Umwandlungssystem mit einem Zwischenkreis gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Turbineneinlassgehäuses mit einem Segment im Querschnitt gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
4A zeigt schematisch ein Umwandlungssystem mit einem Untergeschoß-, einem Mittelgeschoß- und einem Obergeschoßmodul gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
4B zeigt schematisch das Umwandlungssystem von 4A mit einem Zwischenkreis gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
5A zeigt schematisch eine Seitenansicht eines modularen Umwandlungssystems mit einem Untergeschoß-, einem Mittelgeschoß- und einem Obergeschoßmodul gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
5B zeigt schematisch eine Aufsicht auf ein modulares Umwandlungssystem von 5A, welche das Obergeschoßmodul gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung erläutert. Die Bezugszeichen, die in den Zeichnungen verwendet werden, sind summarisch in einer Liste von Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische Teile in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Umwandlungssystems 30 mit einem geschlossenen organischen Rankine-Kreisprozess (ORC) 16, welcher in Flussrichtung im Uhrzeigersinn eines ORC-Arbeitsmediums, wie durch die Pfeile angedeutet, einen Verdampfer 1 oder Kessel für die Verdampfung des ORC-Arbeitsmediums aufweist, eine Turbine 2, die mit Dampf von dem Verdampfer versorgt wird, um über eine gemeinsame Welle 3 einen Generator 4 anzutreiben, der an ein Stromversorgungsnetz oder einen anderen Verbraucher angeschlossen ist, einen Kondensator 5 zum Kondensieren der ORC-Brüden von der Turbine, und eine Vorrichtung, wie beispielsweise eine Pumpe 6, zum Zurückführen des kondensierten ORC-Arbeitsmediums zum Verdampfer 1. Eine Steuereinheit 15 zum Steuern der Umwandlung von Abwärme ist an den Generator 4 und einen Sensor 14 angeschlossen, welcher den Wärmeerzeugungsprozess überwacht, sowie an die Pumpe 6 als Beispiel für einen Aktor. Wahlweise kann das System darüber hinaus ein Rückgewinnungssystem für innere Wärme zum Kühlen der Brüden hinter der Turbine und zum Vorwärmen des kondensierten Arbeitsmediums aufweisen.
Die Steuereinheit 15 kann Trennschalter, Sicherheitsgeräte und Steuervorrichtungen zentral zusammenfassen, und kann klimatisiert sein, und eine geschlossene Einheit sein. Die Steuereinheit 15 kann ein Ventil sein.
Ein Abscheider (nicht gezeigt) kann vorgesehen sein, welcher Reste von Arbeitsmedium von den Schmierflüssigkeiten abtrennt oder abzieht, beispielsweise dem Öl, das in dem Öl/Schmier-System des Getriebes der Turbine 2 verwendet wird, und der Abscheider kann die abgetrennten Reste von Arbeitsmedium erneut in den Hauptkreisprozess des Arbeitsmediums einspritzen.
Der Verdampfer 1 gewinnt Wärme von einer Abwärmequelle 7 zurück, beispielsweise einem Strom von Restwärmegas oder heißem Abgas, das in den Verdampfer 1 mit einer Temperatur von weniger als 400°C bei Umgebungsdruck hineingelangt, und in die Umgebung über den Kamin 8 abgegeben wird. Typischerweise wird in den Verdampfer 1 das ORC-Arbeitsmedium auf bis zu 170°C auf einen Druck von weniger als 40 bar erhitzt, und in der Turbine 2 auf einen Druck expandiert, in welchem es immer noch gasförmig ist, bei einer Temperatur in der Nähe von Umgebungstemperatur. Die Temperatur der Abwärme am Verdampfer 1 kann 190°C betragen, und die Temperatur der Abwärme an der Turbine 2 170°C. Die Temperatur des Abgases darf nicht auf unter 200°C verringert werden, um für das erforderliche Trocknen und Vorwärmen einer Rohmischung in einer Rohmühle einer Zementfabrik zu sorgen.
Das Untergeschoßmodul 31 kann Bypass-Elemente der Turbine 2 aufweisen, und ein Auslöseventil zum Auslösen der Turbine 2.
Die Bestandteile des Untergeschoß-, des Mittelgeschoß- und des Obergeschoßmoduls 31, 33 bzw. 32 können an den Modulen 31, 33, 32 durch eine Schnappverbindung, eine Klemmverbindung, eine Schraubengewindeverbindung, eine Formschlussverbindung oder eine Kraftschlussverbindung angebracht werden.
Das Umwandlungssystem 30 kann in dem Kraftwerk durch eine Schnappverbindung, eine Klemmverbindung, eine Schraubengewindeverbindung, eine Formschlussverbindung oder eine Kraftschlussverbindung angebracht werden.
Das Untergeschoß-, das Mittelgeschoß- und das Obergeschoßmodul 31, 33 bzw. 32 können aneinander durch eine Schnappverbindung, eine Klemmverbindung, eine Schraubengewindeverbindung, eine Formschlussverbindung oder eine Kraftschlussverbindung angebracht werden.
Das Arbeitsmedium kann Isobutan in einem Überdruckzustand während des gesamten Umwandlungsprozesses sein, welches einen Druck nicht niedriger als Atmosphärendruck aufweist.
Die Turbine 2 kann eine Hochgeschwindigkeitsturbine mit einer Geradverzahnung sein, die sich mit einer Geschwindigkeit von zumindest dem 1,5-fachen der Nennwechselstromfrequenz eines Stromversorgungsnetzes dreht, und einen Hochgeschwindigkeitsgenerator 4 versorgt, der Leistungselektronik zur Frequenzwandlung aufweist. Der direkt angetriebene Hochgeschwindigkeitsgenerator 4, der einen Frequenzwandler aufweist, kann eine äußerst effiziente Energieerzeugung ermöglichen, und die Nachteile eines Getriebes zwischen der Turbine 2 und dem Generator 4 verhindern.
2 zeigt ein System mit einem Wasser-Zwischenkreis 17 (gestrichelte Linie). Ein erster Wärmeübertrager 9 ist in dem Abgasstrom im Kamin 8 angeordnet, in welchem Wasser als das Arbeitsmedium des Zwischenkreises 17 ein erstes Mal erhitzt wird. Das erhitzte Wasser wird dann zu einem zweiten Wärmeübertrager 9B umgewälzt, der in einem Restwärmegasstrom angeordnet ist, der eine zweite Abwärmequelle bildet, und ein zweites Mal erhitzt. Das heiße Wasser wird zum Verdampfer 1 geleitet, und dann zum ersten Wärmeübertrager 9 zurückgeführt, durch eine Wasserpumpe 10. Die Turbine 2 ist über eine Welle 3 an einen Kompressor 12 anstelle eines Generators angeschlossen, und die Wellenleistung wird zur Erzeugung von Gasen unter Druck verwendet.
Der in 2 dargestellte Verdampfer 1 besteht aus einer Reihenanordnung getrennter Stufen, nämlich einer Flüssigkeits-Flüssigkeits-Vorwärmerstufe 1A zum Vorwärmen des flüssigen ORC-Arbeitsmediums, einer Verdampferstufe 1B zum Verdampfen des ORC-Arbeitsmediums, und einer Flüssigkeits-Dampf-Überhitzerstufe 1C zur Überhitzung des verdampften ORC-Arbeitsmediums. Das flüssige Arbeitsmedium des Zwischenkreises 17, welches Wasser sein kann, und das ORC-Arbeitsmedium durchqueren diese Anordnung in entgegengesetzten Richtungen.
3 zeigt ein Turbineneinlassgehäuse 13, wobei das Arbeitsmedium von links aus hineingelangt, und das Gehäuse an der Unterseite zur Turbine (nicht in 3 dargestellt) verlässt. Das Gehäuse weist zumindest zwei Flusskanäle 13a, 13b auf, und der Querschnitt 13c senkrecht zur Flussrichtung ist segmentiert oder in Sektionen aufgeteilt, wobei getrennte Segmente den zumindest zwei Flusskanälen entsprechen, und unabhängig geöffnet oder geschlossen werden können. Dies ermöglicht die Anpassung an Teillast-Betriebsbedingungen, wobei in diesem Fall einer der Flusskanäle geschlossen bleibt, oder mehrere der Flusskanäle geschlossen bleiben.
4A zeigt schematisch Einzelheiten einer bevorzugten geometrischen Anordnung der Elemente des Umwandlungssystems 30 zur Umwandlung von Abwärme von einer Abwärmequelle 7 in Wellenleistung. Die Elemente des Systems sind zugeordnet zu und angebracht in einem Untergeschoßmodul 31 (Turbine 2, Generator 4), einem Obergeschoßmodul 32 (Kondensator 5), das oberhalb des Untergeschoßmoduls 31 angeordnet ist, und einem Mittelgeschoßmodul 33 (Pumpe 6, Wärmeübertrager 1D zur Rückgewinnung innerer Wärme, beispielhaftes Rohr 35), das zwischen dem Untergeschoßmodul 31 und dem Obergeschoßmodul 32 angeordnet ist. Bei dem dargestellten, direkten Verdampfungssystem ist der Verdampfer 1 in einem Abgasstrom in einer Entfernung von den übrigen Bestandteilen angeordnet. Das Arbeitsmedium gelangt direkt von dem Verdampfer 1 oder Kessel zur Turbine 2, von dort über den Dampf-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 1D zur Rückgewinnung innerer Wärme zu den Kondensatoren 5, und zurück über die Pumpe 6 zu dem inneren Wärmeübertrager 1D und dann zum Verdampfer 1.
4B zeigt schematisch eine ähnliche geometrische Anordnung der Elemente eines Umwandlungssystems 30 mit einem Wasser-Zwischenkreis 17. Ein Wärmeübertrager 9 ist in dem Abgasstrom im Kamin 8 angeordnet, wo Wasser durch Wärme von dem Restgas erhitzt wird. Das Wasser wird zu einem Überhitzer 1C geleitet, einem Verdampfer 1B, und einem Vorwärmer 1A, die alle dem Mittelgeschoßmodul 33 zugeordnet sind. Das Arbeitsmedium wird vorerwärmt, verdampft und überhitzt, bevor es zur Turbine 2 transportiert wird. Das Wasser des Wasser-Zwischenkreises 17 wird zum Wasser-Wärmeübertrager 9 durch eine Wasserpumpe 10 zurück transportiert, die entsprechend auf dem Mittelgeschoßmodul 33 angebracht ist.
Die drei voranstehend erwähnten Module weisen jeweils einen Stahlrahmen mit den Abmessungen eines Standard-Containers auf, die einen Transport auf der Straße oder der Schiene ermöglichen, und auf welchem die zugehörigen Elemente angebracht sind. Diese Module können am Herstellungsort vorgefertigt und getestet werden, und weisen standardisierte Verbindungen oder Flansche zum gegenseitigen Verbinden entsprechender Rohrabschnitte der jeweiligen Module auf.
Die gegenseitige Anordnung der Elemente oder Bestandteile des Systems innerhalb eines der voranstehend erwähnten Module beruht ebenfalls auf einem modularen Konzept. Bestimmte Elemente, beispielsweise die Turbine, werden entsprechend der Spezifikation des Umwandlungssystems in einer bestimmten Industrieanlage ausgewählt. Die Elemente werden dann angebracht und/oder später ausgetauscht, falls erforderlich, über standardisierte Verbindungen, wie beispielsweise eine Schnappverbindung, eine Klemmverbindung, eine Schraubengewindeverbindung. Bei der Auswahl der Elemente, um die Spezifikation zu erfüllen, können mehrere identische Elemente mit kleineren einzelnen Nennwerten einem einzigen großen Elemente vorzuziehen sein. Beispielsweise besteht der Kondensator vorzugsweise aus einer Anzahl standardisierter Einheiten, die zu der Nennleistung des Systems passt.
Das Umwandlungssystem 30 kann durch einen effizienten, schnellen Kaltstart gestartet werden. In einem ersten Schritt werden die Sensoren 14 geprüft, welche die Temperatur der Abwärmequelle 7 untersuchen (beispielsweise, ob der Zwischenzyklus 17 bereit ist, und die richtige Wärmemenge aufweist). In einem zweiten Schritt wird überprüft, ob der Rankine-Kreisprozess 16 und der Verdampfer 1 funktionsfähig sind. In einem dritten Schritt wird ein Auslöseventil (als Steuereinheit 15) vor der Turbine 2 geöffnet, um die Umwandlung von Abwärme von der Abwärmequelle 7 in Wellenleistung zu starten.
5A zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Umwandlungssystems 30 mit einem Untergeschoßmodul 31, einem Mittelgeschoßmodul 33, und einem Obergeschoßmodul 32. Das Untergeschoßmodul 31 weist modulare, austauschbare Bestandteile auf, beispielsweise eine Turbine 2 und einen Generator 4. Das Mittelgeschoßmodul 33 weist modulare, austauschbare Bestandteile auf, beispielsweise einen Verdampfer 1. Das Obergeschoßmodul 32 weist modulare, austauschbare Bestandteile auf, beispielsweise einen Kondensor 5 und einen Ventilator. Es wird darauf hingewiesen, dass jedes Geschoßmodul 31, 32, 33 eine unterschiedliche Anzahl an Bestandteilen aufweisen kann, obwohl die 5A, 5B drei Bestandteile pro Geschoßmodul zeigen.
5B zeigt schematisch eine Aufsicht auf das Umwandlungssystem 30 mit dem Obergeschoßmodul 32, welches mehrere Kondensatoren 5 aufweist, die einander benachbart in einer Plattform angeordnet sind. Die einander benachbart angeordneten Kondensatoren 5 sind miteinander verbunden.
Zwar wurde die Erfindung im Einzelnen in den Zeichnungen dargestellt und in der voranstehenden Beschreibung beschrieben, jedoch sind derartige Darstellungen und Beschreibungen als erläuternd oder beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen; die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt.
Andere Variationen der geschilderten Ausführungsformen können von Fachleuten auf diesem Gebiet verstanden und ausgeführt werden, welche die beanspruchte Erfindung praktizieren, aufgrund einer Untersuchung der Zeichnungen, der Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließt das Wort ”aufweisen” nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unabhängige Artikel ”ein(e)(s)” schließt nicht die Mehrzahl aus. Ein einzelnes Umwandlungssystem zur Umwandlung von Abwärme von einer Abwärmequelle in Wellenleistung kann die Funktion mehrerer Gegenstände erfüllen, die in den Patentansprüchen angegeben sind. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen, abhängigen Patentansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht in vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann. Irgendwelche Bezugszeichen in den Patentansprüchen sollen nicht als den Schutzumfang einschränkend verstanden werden.

1: Verdampfer
1A: Flüssigkeits-Flüssigkeits-Vorwärmerstufe
1B: Verdampferstufe
1C: Flüssigkeits-Dampf-Überhitzerstufe
1D: Wärmeübertrager zur Rückgewinnung innerer Wärme
2: Turbine
3: Welle
4: Generator
5: Kondensator
6: Pumpe
7: Abwärmequelle
8: Kamin
9: Abwärme zum Wasser-Wärmeübertrager
10: Pumpe
12: Kompressor
13: Turbineneinlassgehäuse
13a: Flusskanal 1
13b: Flusskanal 2
13c: Querschnitt
14: Sensor, Sensoren
15: Steuereinheit
16: Geschlossener Rankine-Kreisprozess
17: Zwischenkreis
30: Umwandlungssystem
31: Untergeschoßmodul
32: Obergeschoßmodul
33: Mittelgeschoßmodul
35: Rohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6880344 [0003]
- WO 2008/074637 [0004]
- WO 2009068119 [0020]

Claims

Umwandlungssystem (30) zur Umwandlung von Abwärme von einer Abwärmequelle (7) in Wellenleistung, wobei das Umwandlungssystem (30) ein System (16) mit geschlossenem organischem Rankine-Kreisprozess ORC aufweist, welches aufweist: – einen Verdampfer (1), der durch die Abwärme erwärmt wird, um ein ORC-Arbeitsmedium zu verdampfen, – eine Turbine (2), die von dem verdampften ORC-Arbeitsmedium angetrieben wird, und an eine Welle (3) angeschlossen ist, – einen Kondensator (5), der in Fluidverbindung zwischen die Turbine (2) und den Verdampfer (1) geschaltet ist, – eine Pumpe (6), die zwischen dem Kondensator (5) und dem Verdampfer (1) angeordnet ist, – ein Untergeschoßmodul (31) mit der Turbine (2) und der Pumpe (6); und – ein Obergeschoßmodul (32) mit dem Kondensator (5), wobei das Obergeschoßmodul (32) oberhalb des Untergeschoßmoduls (31) angeordnet ist.
Umwandlungssystem (30) nach Anspruch 1, wobei das Untergeschoßmodul (31) weitere elektromechanische Bestandteile aufweist, welche Wartung benötigen können, etwa einen Generator (4), der mit der Welle (3) gekuppelt ist.
Umwandlungssystem (30) nach Anspruch 1, welches weiterhin aufweist: – ein Mittelgeschoßmodul (33) mit statischen Prozessbestandteilen, etwa dem Verdampfer (1), welches zwischen dem Untergeschoßmodul (31) und dem Obergeschoßmodul (32) angeordnet ist.
Umwandlungssystem (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Module (31, 32, 33) die Abmessungen eines Standard-Containers aufweist, und vormontiert und getestet ist.
Umwandlungssystem (30) nach Anspruch 3 oder 4, wobei jedes der Untergeschoß-, Mittelgeschoß- und Obergeschoßmodule (31, 33, 32) standardisierte Bestandteile aufweist, die modulartig austauschbar sind.
Umwandlungssystem (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Abwärmequelle (7) als Abwärme Klinkerkühlerluft und Abgas eines Vorwärmerturms einer Zementfabrik aufweist.
Umwandlungssystem (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das ORC-Arbeitsmedium organisch, nicht toxisch, und nicht fluoriert ist.
Umwandlungssystem (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das ORC-Arbeitsfluid eine reine Kohlenwasserstoffverbindung ist, beispielsweise Isobutan (C₄H₁₀) oder Pentan (C₅H₁₂).
Umwandlungssystem (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Abwärme von der Abwärmequelle (7) an den Verdampfer (1) über einen Zwischenkreis (17) übertragen wird, der einen Wärmeübertrager (9) zum Erhitzen eines Arbeitsmediums des Zwischenkreises durch die Abwärme aufweist.
Umwandlungssystem (30) nach Anspruch 9, wobei das Arbeitsmedium des Zwischenkreises (17) Wasser unter Druck mit einer Temperatur unterhalb von 200°C aufweist.
Umwandlungssystem (30) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Verdampfer (1) einen Plate & Shell-Plattenwärmeübertrager (1) zur Übertragung von Abwärme von dem erhitzten Arbeitsmedium des Zwischenkreises (17) an das ORC-Arbeitsmedium aufweist.
Umwandlungssystem (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, welches weiterhin aufweist: eine Steuereinheit (15), die zum Steuern des Betriebs des Umwandlungssystems entsprechend Betriebsbedingungen einer Industrieanlage ausgebildet ist, welche die industrielle Abwärmequelle (7) aufweist.
Umwandlungssystem (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Abwärmetemperatur unterhalb von 400°C liegt, und der Druck des Arbeitsmediums nicht 40 bar überschreitet.
Abwärme-Rückgewinnungsanordnung zur Umwandlung von Abwärme in Wellenleistung, welche aufweist: ein Untergeschoßmodul (31) mit einer Turbine (2) und einer Pumpe (6); und ein Obergeschoßmodul (32) mit einem Kondensator (5), wobei das Obergeschoßmodul (32) so ausgebildet ist, dass es oberhalb des Untergeschoßmoduls (31) angeordnet werden kann; und über ein Rohr (35) an das Untergeschoßmodul (31) und an einen Verdampfer (1) angeschlossen werden kann; wobei der Verdampfer (1) dazu ausgebildet ist, ein ORC-Arbeitsmedium zu verdampfen, das durch die Abwärme erhitzt wird; wobei die Turbine (2) dazu ausgebildet ist, von dem verdampften ORC-Arbeitsmedium angetrieben zu werden, und an eine Welle (3) angeschlossen ist; wobei der Verdampfer (5) in Fluidverbindung zwischen die Turbine (2) und den Verdampfer (1) geschaltet ist; wobei die Pumpe (6) zwischen dem Kondensator (5) und dem Verdampfer (1) in einem ORC-System angeordnet ist.
Zementindustrieanlage mit einer Abwärmequelle (7) und einem Umwandlungssystem (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.