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Die Erfindung betrifft ein Netzwerk für das Transportieren von Wärme von einer Wärmequelle zu einem Wärmeverbraucher, mit einer Hochtemperaturseite und mit einer Niedertemperaturseite, mit einem Wärmeträgermittel-Vorlauf auf der Hochtemperaturseite für das Transportieren von Wärme von der Wärmequelle bis zu dem Wärmeverbraucher und mit einem Wärmeträgermittel-Rücklauf auf der Niedertemperaturseite für das Transportieren von Restwärme von dem Wärmeverbraucher bis zu der Wärmequelle durch Bewegen von Wärmeträgermittel. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für das Transportieren von Wärme mit einem solchen Netzwerk.
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Derartige Netzwerke und Verfahren werden eingesetzt, um z. B. die Abwärme eines Wärmekraftwerks oder einer chemischen Anlage z. B. auf eine Heizungsanlage für das Heizen eines Gebäudes zu übertragen. Dort besteht das Problem, dass die Abwärme des Wärmekraftwerks oder der chemischen Anlage bei einer ersten für das Kraftwerk oder die Anlage charakteristischen Temperatur T1 in das Netzwerk eingespeist wird, um dann diese Abwärme bei einer niedrigeren, zweiten Temperatur T2 < T1 der Heizungsanlage zuzuführen. In herkömmlichen Netzwerken gibt es deshalb Einrichtungen für das Abführen von Wärme aus einem Wärmeträgermittel, das in dem Netzwerk bewegt wird und das dazu dient, die Wärme von einer Schnittstelle des Netzwerks mit dem Wärmekraftwerk zu einer Schnittstelle des Netzwerks mit der Heizungsanlage zu übertragen. Herkömmlich sind diese Einrichtungen für das Abführen von Wärme als Kühleinrichtungen ausgebildet, z. B. als Luftkühler. Die mit diesen Kühlreinrichtungen abgeführte Wärme ist Verlustwärme, die den Wirkungsgrad eines aus einem Wärmekraftwerk oder einer chemischen Anlage, dem Netzwerk und einem Wärmeverbraucher aufgebauten Gesamtsystems verringert.
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In der
WO 2009/045196 A1 ist ein Netzwerk für das Übertragen von Wärme von einer Wärmequelle zu einem Wärmeverbraucher beschrieben, das ein RC-System mit einem Arbeitsmittelkreislauf enthält, in dem ein Arbeitsmittel geführt ist. Die Wärme der Wärmequelle wird hier auf das Arbeitsmittel des RC-Systems übertragen, das diese Wärme mit einem elektrischen Generator in elektrische Energie überführt. Die bei der elektrischen Energieerzeugung anfallende Restwärme in dem OCT-System wird dabei an den Wärmeverbraucher in dem Netzwerk abgeführt.
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Aus der
WO 2006/104490 A1 ist ein Netzwerk mit einem Dampferzeuger bekannt, der mit der Wärme aus einer Wärmequelle gespeist wird. Der Dampferzeuger erzeugt Dampf, der durch ein erstes ORC-System für das Erzeugen von elektrischer Energie geführt wird, das mit einem weiteren ORC-System gekoppelt ist, mit dem elektrische Energie erzeugt werden kann.
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Die
DE 20 2004 013 299 U1 , die
US 5,329,771 , die
WO 2010/127932 A2 und die
US 2010/0242479 A1 beschreiben jeweils Netzwerke, in denen mittels eines ORC-Systems Wärme aus einer Wärmequelle auf einen Wärmeverbraucher übertragen wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Netzwerk bereitzustellen und ein Verfahren anzugeben, in dem die Wärme, die von einer Wärmequelle bei einer ersten Temperatur T1 in das Netzwerk eingespeist wird, bei einer zweiten Temperatur T2 < T1 einem Wärmeverbraucher zugeführt werden kann, ohne dass es hierfür erforderlich ist, Verlustwärme abzuführen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Netzwerk mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Netzwerk enthält ein RC-System, das einen an eine Wärmekraftmaschine angeschlossenen Arbeitsmittelkreislauf hat, in dem ein Arbeitsmittel zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie mit einem thermodynamischen Kreisprozess geführt ist, und das einen Verdampfer für das Verdampfen des Arbeitsmittels und einen Kondensator für das Kondensieren des Arbeitsmittels enthält, wobei für das Übertragen von Wärme auf das Arbeitsmittel Wärmeträgermittel des Wärmeträgermittel-Vorlaufs durch den Verdampfer geführt ist und wobei für das Abgeben von Wärme aus dem Arbeitsmittel Wärmeträgermittel des Wärmeträgermittel-Rücklaufs durch den Kondensator geführt ist.
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Unter einem RC-System (RC = Rankine Cycle) im Sinne der Erfindung wird dabei eine Anlage verstanden, in der mit einem thermodynamischen Kreisprozess unter Verwendung eines in einem Kreislauf geführten Arbeitsmittels, z. B. Wasser bzw. Wasserdampf, Wärme in mechanische Energie gewandelt wird.
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Die Erfindung nutzt aus, dass mit der Temperaturdifferenz zwischen der Hochtemperaturseite und der Niedertemperaturseite in einem Netzwerk für das Transportieren von Wärme ein thermodynamischer Kreisprozess betrieben werden kann, mit dem sich in das Netzwerk eingespeiste überschüssige Wärme in mechanische Energie bzw. elektrische Energie verwandeln lässt. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass auch wenn der Wirkungsgrad für einen thermodynamischen Kreisprozess bei den für Fernwärmenetze üblichen Temperaturdifferenzen zwischen der Hochtemperaturseite und der Niedertemperaturseite vergleichsweise gering ist, mit dieser Maßnahme die in das Fernwärmenetz eingespeiste Wärmeenergie vollständig genutzt werden kann und keine Verlustwärme abgeführt werden muss, um die Temperatur einzustellen, bei der die in dem Netzwerk transportierte Wärme auf einen Wärmeverbraucher übertragen wird.
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Der Verdampfer des RC-Systems in dem Netzwerk ist dabei bevorzugt über einen Kreislauf für ein Wärmeträgermittel mit Wärme aus der Wärmequelle gespeist, auf das dem Arbeitsmittel in dem Kondensator entzogene Wärme übertragen wird. Als Wärmeträgermittel in dem Kreislauf ist z. B. Wasser geeignet.
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Es ist außerdem günstig, wenn das RC-System einen über die Hochtemperaturseite mit Wärme aus der Wärmequelle gespeisten Vorwärmer enthält, der das dem Verdampfer zugeführte Arbeitsmittel vorwärmt.
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Bevorzugt ist das RC-System ein ORC-System (ORC = Organic Rankine Cycle) mit einem Arbeitsmittelkreislauf, der als Arbeitsmittel ein organisches Medium, z. B. Pentan, Butan, Toluol, Silikonöl oder auch Ammoniak enthält, deren Verdampfungstemperatur bei Atmosphärendruck niedriger ist als die Verdampfungstemperatur von Wasser. In einem ORC-System wird das Arbeitsmittel mit Druck beaufschlagt. In der Regel enthält das ORC-System hierfür eine Pumpe. Das mit Druck beaufschlagte Arbeitsmittel wird dann in einem Verdampfer erwärmt. Dabei wird das Arbeitsmittel verdampft bzw. überhitzt. Das verdampfte bzw. überhitzte Arbeitsmittel wird dann zu einer Dampfturbine geführt. Hier wird es unter Erzeugung von mechanischer Energie auf einen niedrigen Druck entspannt und anschließend kondensiert. In dem Arbeitsmittelkreislauf der ORC-Anlage wird das Arbeitsmittel dann wieder mit Druck beaufschlagt und wieder dem Verdampfer zugeführt, wo es von neuem erwärmt und dann wieder verdampft wird. Es sei bemerkt, dass in einer ORC-Anlage als Arbeitsmittel auch Medien eingesetzt werden können, deren Verdampfungstemperatur höher ist als diejenige von Wasser. ORC-Anlagen können für das Erzeugen von mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärme insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke zu niedrig ist, um eine Wärmekraftmaschine, etwa eine Turbine, mit Wasserdampf zu betreiben. Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn das Netzwerk mehrere RC-Systeme hat, die jeweils einen über die Hochtemperaturseite mit Wärme aus der Wärmequelle gespeisten Verdampfer enthalten und einen für das Abführen von Wärme an die Niedertemperaturseite angeschlossenen Kondensator für ein in einem Arbeitsmittelkreislauf geführtes Arbeitsmittel zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie mit einem thermodynamischen Kreisprozess aufweisen.
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Das Netzwerk kann insbesondere ein Fernwärmenetz sein, etwa um ein Blockheizkraftwerk mit der Abwärme aus einem Wärmekraftwerk für das Erzeugen von elektrischer Energie zu speisen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 ein Fernwärmenetzwerk, das an eine chemische Anlage angeschlossen ist und eine Heizungsanlage mit Wärme versorgt.
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Das in der 1 gezeigte Fernwärmenetzwerk 10 hat eine Ringleitung 12, in der flüssiges Wärmeträgermittel in Form von Wasser in der mit den Pfeilen 14 kenntlich gemachten Richtung mittels einer Förderpumpe 11 von einem als Wärmequelle wirkenden Wärmetauscher 16 in einer chemischen Anlage 17 angeschlossen ist, zu einem als Wärmeverbraucher wirkenden Wärmetauscher 18 und zurück in einem Kreislauf geführt ist. Die Abwärme der chemischen Anlage wird über den Wärmetauscher 16 an das Wärmeträgermittel in der Ringleitung 12 abgegeben. Der Wärmetauscher 18 überträgt Wärme von dem Wärmeträgermittel in der Ringleitung 12 auf einen Heizkreislauf 20 in einer als Wärmeverbraucher wirkenden Heizungsanlage 22.
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Das Netzwerk 10 hat eine Hochtemperaturseite 24, die den Wärmetauscher 16 in der Richtung der Pfeile 14 mit dem Wärmetauscher 18 verbindet. Das Netzwerk 10 enthält eine Niedertemperaturseite 26, über die Wärmeträgermittel, das in dem Wärmetauscher 18 Wärme an den Heizkreislauf 20 abgegeben hat, mit der darin enthaltenen Restwärme zu dem Wärmetauscher 16 geführt wird.
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Das Netzwerk 10 enthält ein ORC-System 28 mit einem Verdampfer 30 und einem Kondensator 32. Der Verdampfer 30 ist über die Hochtemperaturseite 24 des Netzwerks 10 mit Wärme gespeist, die dem Netzwerk mittels des Wärmetauschers 16 zugeführt wird. In dem ORC-System 28 gibt es einen Kondensator 32, der an die Niedertemperaturseite des ORC-Systems 28 angeschlossen ist und der die Kondensationswärme eines ORC-Arbeitsmittels, z. B. Pentan, in dem ORC-System 28 auf das Wärmeträgermittel in der Ringleitung 12 überträgt. Das ORC-System 28 enthält eine Arbeitsmittelpumpe 34, die das in dem Kondensator 32 kondensierte Arbeitsmittel in einem Arbeitsmittelkreislauf 33 zu dem Verdampfer 30 fördert. In dem ORC-System 28 gibt es eine als Turbine 36 ausgebildete Wärmekraftmaschine, die auf ihrer Druckseite mit Arbeitsmitteldampf aus dem Verdampfer beaufschlagt ist und die das entspannte Arbeitsmittel dem Kondensator 32 zuführt.
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Die 1 zeigt das Netzwerk 10 in einem Betriebszustand, in dem das Wärmeträgermittel in dem Wärmetauscher 16 der Ringleitung 12 auf eine Temperatur T1 = 130°C erwärmt wird. Aufgrund der dem Wärmeträgermittel in der Ringleitung 12 mittels des Verdampfers 30 entzogenen Wärme wird dessen Temperatur abgesenkt. Das Wärmeträgermittel wird dem Wärmetauscher 18 mit einer Temperatur T'1 = 110°C zugeführt und dort auf die Temperatur T2'= 65°C abgekühlt. Mittels des Kondensator 32 in dem ORC-System 28 wird der das Wärmeträgermittel dann auf die Temperatur T2 = 70°C erwärmt, mit der es dem Wärmetauscher 16 wieder zugeführt wird.
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Bei dem in der 1 gezeigten Betriebszustand wird dem Netzwerk 10 mittels des Wärmetauschers 16 mit der Rate R1 = 29,5 MW Wärme zugeführt. Dabei entzieht der Verdampfer 30 dem Wärmeträgermittel in der Hochtemperaturseite 24 des Netzwerks 10 mit der Rate R2 = 10 MW Wärme und erhöht die Temperatur T des Arbeitsmittels von dem Wert TA1 = 82°C auf den Wert TA2 = 120°C. Bei dem Entspannen des Arbeitsmittels in der Turbine 36 wird die Arbeitsmitteltemperatur auf den Wert TA3 = 100°C abgesenkt, wobei mit der Rate R3 = 650 KW mechanische Energie für die Stromerzeugung freigesetzt wird. Der Kondensator 32 bewirkt, dass sich die Temperatur des Arbeitsmittels in dem ORC-System 28 von dem Wert TA3 = 100°C auf den Wert TA1 = 82°C verringert, wodurch das ORC-System 28 mit der Rate R4 = 9,35 MW der Niedertemperaturseite 26 des Netzwerks Wärme zuführt.
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Über den Wärmetauscher 18 überträgt das Netzwerk 10 mit der Rate R5 = 19,5 MW Wärme auf den Heizkreislauf 20. Dabei wird die Temperatur T des Wärmeträgermittels, das mittels eines Luftkühlers 38 gegebenenfalls gekühlt wird, von dem Wert TH1= 65°C auf den Wert TH2= 85°C angehoben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Netzwerk/Fernwärmenetzwerk
- 11
- Förderpumpe
- 12
- Ringleitung
- 14
- Pfeil
- 16
- Wärmequelle, Wärmetauscher
- 17
- Anlage
- 18
- Wärmetauscher
- 20
- Heizkreislauf
- 22
- Heizungsanlage, Wärmeverbraucher
- 24
- Hochtemperaturseite
- 26
- Niedertemperaturseite
- 28
- ORC-System
- 30
- Verdampfer
- 32
- Kondensator
- 33
- Arbeitsmittelkreislauf
- 34
- Arbeitsmittelpumpe
- 36
- Turbine, Wärmekraftmaschine
- 38
- Luftkühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/045196 A1 [0003]
- WO 2006/104490 A1 [0004]
- DE 202004013299 U1 [0005]
- US 5329771 [0005]
- WO 2010/127932 A2 [0005]
- US 2010/0242479 A1 [0005]
