DE202011101243U1

DE202011101243U1 - Abwärmenutzungsanlage

Info

Publication number: DE202011101243U1
Application number: DE202011101243U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-08-31
Anticipated expiration: 2021-05-31

Abstract

Abwärmenutzungsanlage für eine Abwärmequelle (10), bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle), wobei die Abwärmequelle (10) mit der Beheizungsvorrichtung des ORC in Verbindung steht, sowie mit einer mit einem Generator gekoppelten Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC, einer Speisepumpe und einem Kältemittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Kältemittelkreislauf sowie alle mit Kältemittel durchströmten oder beaufschlagten Komponenten hermetisch gekapselt sind.

Description

Die Neuerung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
Bei einem ORC (Organic-Rankine-Cycle) handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess nach Rankine. Dies bedeutet, dass ein Arbeitsmedium verschiedene thermodynamische Zustände durchläuft, um am Ende wieder in den flüssigen Ausgangszustand überführt zu werden. Dabei wird das Arbeitsmedium mit einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht. Danach wird das Arbeitsmedium auf die Verdampfungstemperatur vorgewärmt und anschließend verdampft.
Es handelt sich somit um einen Dampfprozess, bei dem an Stelle von Wasser ein organisches Medium verdampft wird. Der entstandene Dampf treibt eine Expansionsmaschine an, beispielsweise eine Turbine, einen Kolben- oder Schraubenmotor, welcher wiederum mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, um Strom zu erzeugen. Nach der Arbeitsmaschine gelangt das Prozessmedium in einen Verflüssiger und wird dort unter Wärmeabgabe zurückgekühlt. Da Wasser unter atmosphärischen Bedingungen bei 100°C verdampft, kann Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau, wie zum Beispiel Industrieabwärme oder Erdwärme, oftmals nicht zur Stromerzeugung genutzt werden. Verwendet man allerdings organische Medien mit niedrigeren Siedetemperaturen, so lässt sich Niedertemperaturdampf erzeugen.
Vorteilhaft in der Anwendung sind ORC-Anlagen beispielsweise auch bei der Verwertung von Biomasse im Zusammenhang mit Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere bei relativ kleinen Leistungen, also wenn die herkömmliche Biomasse-Feuerungstechnik relativ teuer erscheint. Biomasseanlagen besitzen häufig einen Fermenter zur Biogaserzeugung, welcher in der Regel beheizt werden muss.
Gattungsgemäße Abwärmenutzungsanlagen sind aus dem Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung bekannt und bestehen aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten BHKW, also einem Blockheizkraftwerk. Aus der DE 195 41 521 A1 geht eine Anlage zur Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei der Verstromung von Sondergasen mittels Verbrennungsmotoren hervor, bei der die Abwärme des Motors in einer nachgeschalteten Energieumwandlungsanlage zur weiteren Stromerzeugung genutzt wird. Allerdings ist dabei nur die Hochtemperaturwärme aus dem Kühlwasserkreislauf sowie aus dem Abgaswärmetauscher des Motors zur Verwertung vorgesehen.
Weiterhin ist aus der US 4 901 531 ein in einen Rankine-Prozess integriertes Diesel-Aggregat bekannt, wobei ein Zylinder der Expansion gemäß Rankine dient und die anderen als Dieselmotor arbeiten. Aus der US 4 334 409 geht eine nach dem Rankine-Prozess arbeitende Anordnung hervor, bei der das Arbeitsfluid mit einem Wärmetauscher vorgeheizt wird, über den die Luft aus dem Auslass eines Kompressors einer Maschine mit innerer Verbrennung geführt ist.
Blockheizkraftwerke (BHKW) als Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um dezentrale, meistens mit Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Die bei der Verbrennung über die Kühlmedien ausgetragene Wärme wird dabei möglichst vollständig zur Beheizung geeigneter Objekte genutzt.
Insbesondere bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit nachgeschaltetem ORC als Abwärmekraftwerk haben sich Maschinen durchgesetzt, die auf Motoren mit einem Abgasturbolader zur Aufladung basieren. Man kommt damit der Forderung nach Maschinen mit sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden nach, die sich nur mit Turboaufladung und Rückkühlung des durch die Verdichtung erhitzten Brenngasgemisches erreichen lassen. Generell ist eine Kühlung des Brenngasgemisches erforderlich, weil ansonsten die Füllung der Zylinder relativ schlecht wäre. Mit der Kühlung wird die Dichte des angesaugten Gemisches größer und es verbessert sich der Füllungsgrad. Damit steigen die Leistungsausbeute und der mechanische Wirkungsgrad des Motors.
Die Motorenhersteller schreiben für die Gemischkühlung eine Kühlwassereintrittstemperatur von nur etwa 40 bis 50°C vor, damit das Gemisch genügend abgekühlt werden kann.
Da dieses Temperaturniveau relativ niedrig ist, wird die dem Brenngasgemisch entzogene Wärme bei den bisher bekannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen an die Umgebung abgegeben, beispielsweise mit einem Tischkühler.
Bekannt ist weiterhin aus der DE 10 2005 048 795 B3 die Vorwärmung des Arbeitsmediums im ORC in zwei Schritten in einer Beheizungsvorrichtung, nämlich dass das Prozessmedium im ORC über zwei in Reihe einer Speisepumpe nachgeschaltete Wärmetauscher erwärmt wird, wobei der erste Wärmetauscher nach der Speisepumpe als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme vorgesehen ist. Dabei ist die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine über einen Kreislauf mit dem ersten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden, wobei die Wärme aus der Kühlung des von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Brenngasgemisches zur Vorwärmung des Prozessmediums im ORC dient und als Niedertemperaturwärme im ersten Wärmetauscher eingekoppelt wird. Ein zweiter Heizkreislauf bezieht Wärme aus Motorkühlwasser und Abgas der Verbrennungskraftmaschine und ist mit dem zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden, wobei die Wärme aus dem Kühlkreislauf und dem Abgas zur Überhitzung und Verdampfung des Prozessmediums im ORC dient und als Hochtemperaturwärme im zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe eingekoppelt wird.
Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehende Abwärmenutzungsanlage im Hinblick auf Sicherheit und Umweltschutz beim Einsatz von Kältemittel zu optimieren.
Neuerungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Abwärmenutzungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Kältemittelkreislauf sowie alle mit Kältemittel durchströmten oder beaufschlagten Komponenten hermetisch gekapselt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen dabei alle mit Kältemittel durchströmten oder beaufschlagten Komponenten ausschließlich statische Abdichtungen nach außen auf. Durchbrüche an bzw. in Gehäusewänden, beispielsweise für elektrotechnische Leitungen, werden vorzugsweise gießtechnisch versiegelt.
Vorteilhafterweise sind die Expansionsmaschine und der damit gekoppelte Generator als hermetisch gekapselte Baueinheit zusammengefasst. Dabei sind ausschließlich statische Abdichtungen und keine Wellendurchführungen nach außen vorgesehen und alle Armaturenausführungen bestehen aus Faltenbalg-Armaturen. Technisch sind prinzipiell auch Wellendurchführungen machbar, jedoch nur mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand im Vergleich zu der neuerungsgemäßen Lösung.
Die Speisepumpe ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hermetisch gekapselt und über eine magnetische Kupplung mit dem zugeordneten Antrieb gekoppelt. Auch dabei sind ausschließlich nur statische Abdichtungen und keine Wellendurchführungen nach außen vorgesehen.
Weiterhin ist eine Gaswarnanlage zur Überwachung der Dichtheit der Gesamtanordnung oder ihrer Baugruppen und zur Detektion von Leckagen vorgesehen. Damit werden schon geringste Mengen von möglicherweise austretendem Kältemittel erkannt.
Mit der Neuerung wird eine Abwärmenutzungsanlage, welche aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC besteht, insbesondere im Hinblick auf Sicherheit und Umweltschutz beim Einsatz von Kältemittel optimiert. Abwärmequellen können beispielsweise Blockheizkraftwerke, Industrieanlagen oder Kesselanlagen sein.
Besonders vorteilhaft an der Neuerung ist der sich insgesamt ergebende kompakte Aufbau durch die Integration der wesentlichen Komponenten, insbesondere von Expansionsmaschine und Generator, in einem Gehäuse, um diese hermetisch zu kapseln. Möglicherweise auf Grund von Störungen oder Bauteilfehlern austretendes Kältemittel bleibt innerhalb dieser Hülle. Und überhaupt sind nur darin beim neuerungsgemäßen Gesamtaufbau Kältemittel führende Komponenten enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19541521 A1 [0005]
US 4901531 [0006]
US 4334409 [0006]
DE 102005048795 B3 [0011]

Claims

Abwärmenutzungsanlage für eine Abwärmequelle (10), bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle), wobei die Abwärmequelle (10) mit der Beheizungsvorrichtung des ORC in Verbindung steht, sowie mit einer mit einem Generator gekoppelten Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC, einer Speisepumpe und einem Kältemittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Kältemittelkreislauf sowie alle mit Kältemittel durchströmten oder beaufschlagten Komponenten hermetisch gekapselt sind.
Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle mit Kältemittel durchströmten oder beaufschlagten Komponenten ausschließlich statische Abdichtungen nach außen aufweisen.
Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine und der damit gekoppelte Generator als hermetisch gekapselte Baueinheit zusammengefasst sind, wobei ausschließlich statische Abdichtungen und keine Wellendurchführungen nach außen vorgesehen sind.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Armaturenausführungen aus Faltenbalg-Armaturen bestehen.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepumpe hermetisch gekapselt und über eine magnetische Kupplung mit dem zugeordneten Antrieb gekoppelt ist, wobei ausschließlich statische Abdichtungen und keine Wellendurchführungen nach außen vorgesehen sind.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaswarnanlage zur Überwachung der Dichtheit und zur Detektion von Leckagen vorgesehen ist.