EP2188499B1 - Verfahren und vorrichtung zur umwandlung der wärmeenergie einer niedertemperatur-wärmequelle in mechanische energie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur umwandlung der wärmeenergie einer niedertemperatur-wärmequelle in mechanische energie Download PDF

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EP2188499B1
EP2188499B1 EP07822436.7A EP07822436A EP2188499B1 EP 2188499 B1 EP2188499 B1 EP 2188499B1 EP 07822436 A EP07822436 A EP 07822436A EP 2188499 B1 EP2188499 B1 EP 2188499B1
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EP
European Patent Office
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agent
liquid
condenser
phase
vapor phase
Prior art date
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EP07822436.7A
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Jörg LENGERT
Martina Lengert
Kathrin Ruhsland
Norbert Weinberg
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Kalina Power Ltd
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/04—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the fluid being in different phases, e.g. foamed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/02—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the fluid remaining in the liquid phase

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for converting the heat energy of a low-temperature source into mechanical energy according to the preamble of patent claim 1 and claim 5.
  • a method and such a device are for example from US Pat. No. 7,093,503 B1 and from DE10361223 A1 known.
  • a liquid working fluid with a pump to an elevated pressure.
  • the pressure-increased, liquid working fluid is heated in a heat exchanger by heat transfer from a low-temperature source, without being evaporated.
  • the heated, liquid working fluid is expanded in a two-phase turbine, wherein by partial evaporation of the working fluid, a relaxed, partially vaporized working fluid with a liquid and a vapor phase generated and heat energy of the working fluid is converted into mechanical energy.
  • the two-phase turbine has for this purpose directly at its entrance nozzles in which the working fluid is expanded by an increase in volume from a higher inlet pressure to a lower outlet pressure, whereby the working fluid is partially evaporated.
  • the resulting water-steam jet is directed to turbine blades of the turbine, which converts the kinetic energy of the water-steam jet into mechanical energy of a rotor shaft.
  • the rotor shaft is in turn connected to a generator, via which the mechanical energy of the rotor shaft is converted into electrical energy.
  • Ts diagram illustrates the process running thereby cycle.
  • SL denotes the boiling line
  • TL the tau line
  • K the critical point of the working medium.
  • the working fluid is heated along the boiling line SL from point A to point B in the vicinity of the critical point K, relaxed from point B to point C with partial evaporation and condensed from point C to point A.
  • the inventive method provides that in the relaxed, partially vaporized working fluid immediately before the condenser, the liquid phase is separated from the vapor phase. Only the vapor phase is fed to the condenser for condensation.
  • the condensed vapor (ie, then liquid) phase and the separated liquid phase are after the condenser, but before the step 1, ie increasing the pressure of the liquid working fluid to Generation of the liquid working fluid brought together.
  • the liquid phase is thus conducted past the condenser, whereby erosion of the condenser can be prevented.
  • the size of droplets of the liquid phase in the vaporous phase of the working fluid after the expansion depends on the pressure of the working fluid in the condenser. The higher the pressure of the working fluid in the condenser and thus at the outlet of the expansion device, the smaller the droplets. The smaller the droplets, the less the risk of erosion from the droplets. On the other hand, however, with increasing pressure of the working fluid in the condenser and at the outlet of the expansion device, the mechanical energy that can be generated by the conversion of heat energy by the expansion device decreases.
  • the pressure of the working fluid in the condensation is set to an optimum between the smallest possible size of droplets of the liquid phase in the vaporous phase of the working fluid and the largest possible generated mechanical energy in the step 3.
  • the generated mechanical energy is deliberately reduced in order to avoid erosion of the capacitor. Due to the enormous efficiency advantage due to the heating instead of evaporation of the working fluid by the low-temperature heat source, however, significant efficiency advantages over conventional circuits with an evaporation of the working fluid by the low-temperature heat source can still be achieved.
  • the merging of the condensed vapor (i.e., then liquid) phase and the (separated) liquid phase takes place in a working fluid reservoir. Since such a memory is present in many circuits anyway, can be dispensed with an additional component for the merger of the two phases.
  • the low-temperature source has a temperature of less than 400 ° C.
  • the device according to the invention has a separator for separating the liquid phase from the vaporous phase of the expanded, partially vaporized working fluid, wherein the separator is arranged in the flow direction of the working fluid immediately in front of the condenser. Merging serves to bring together the (separated) liquid phase and the condensed vapor (i.e., then liquid) phase of the relaxed, partially vaporized working fluid, the merging being upstream of the pump in the flow direction of the working fluid.
  • the separator is connected to the condenser for supplying the vapor phase to the condenser.
  • the merging is connected to the separator for supplying the (separated) liquid phase to the merger and to the condenser for supplying the condensed vapor (i.e., then liquid) phase to the merger.
  • the pressure of the working fluid in the condenser is adjustable to an optimum between the smallest possible size of droplets of the liquid phase in the vapor phase of the working fluid and the largest possible producible mechanical energy in the expansion device.
  • the merge is designed as a working fluid store.
  • a nozzle and a turbine are arranged successively in the expansion device for relaxation of the heated working fluid in the flow direction of the working fluid.
  • the working fluid can be expanded by an increase in volume from a higher inlet pressure to a lower outlet pressure, whereby the working fluid is partially evaporated.
  • the resulting water-steam jet can then be directed to the turbine blades of the turbine, by which the kinetic energy of the water vapor jet is converted into mechanical energy of a rotor shaft.
  • a plurality of nozzles may be arranged, which can be flowed through in parallel by the working medium.
  • the nozzle and the turbine can also form a single structural unit, i. the nozzles are located directly at the entrance of the turbine.
  • a device 1 for converting the thermal energy of a low-temperature heat source into mechanical energy comprises a thermodynamic cycle in which Flow direction of a working fluid sequentially a heat exchanger 2, a relaxation device 3, a separator 7, a capacitor 8, a working fluid reservoir in the form of a condensate tank 9 and a pump 10 are arranged.
  • the low-temperature heat source is a heat source with a temperature of less than 400 ° C.
  • heat sources are geothermal sources (hot thermal water), industrial waste heat sources (e.g., waste heat from steel, glass or cement plants) and solar energy.
  • a type R134 cooling fluid for temperatures of less than 300 ° C comes as a working medium, for example, a type R134 cooling fluid and for temperatures of more than 300 ° C, for example, a type R245 coolant is used.
  • the pump 10 serves to pump the liquid working fluid to an elevated pressure.
  • the heat exchanger 2 serves to heat the pressure-increased liquid working fluid of the circuit by transferring heat from the low-temperature heat source 20 to the working fluid without evaporation of the working fluid, i. the working fluid is heated in the heat exchanger 2 only and not evaporated.
  • the heat exchanger is for this purpose on its primary side of the low-temperature heat source 20, e.g. a hot geothermal water, and flows through on its secondary side of the pressure-increased working fluid.
  • a line 11 connects the secondary side of the heat exchanger 2 with the expansion device 3. The working fluid continues to exist at the secondary-side outlet of the heat exchanger 2 when entering the line 11 as a liquid.
  • the expansion device 3 is used to relax the heated liquid working fluid, wherein in the expansion device 3 by partial evaporation of the heated liquid working fluid a relaxed, partially evaporated Working fluid having a liquid and a vapor phase can be generated and heat energy of the heated liquid working fluid into mechanical energy is convertible.
  • the expansion device 3 comprises a nozzle 4 and a turbine 5, which are arranged consecutively in the direction of flow of the working medium.
  • the nozzle and the turbine can in this case form a single constructional unit, ie the nozzle 4 is arranged directly at the inlet of the turbine 5.
  • a plurality of nozzles 4 can be arranged at the input of the turbine 5, for example in a ring configuration, which can be flowed through in parallel by the working medium.
  • the turbine 5 is connected on the output side via a line 12 to the separator 7.
  • the separator 7 is used to separate the liquid phase from the vapor phase of the working medium partially evaporated in the expansion device 3.
  • the separator 7 is arranged in the flow direction of the working fluid immediately in front of the condenser 8 and via a line 13 to the condenser 8 for supplying the vaporous phase to the condenser 8 and via a line 14 to the condensate tank 9 for supplying the liquid phase to the condensate tank 9 connected.
  • the condenser 8 is used to generate the liquid working fluid by condensation of the partially vaporized working fluid.
  • the condensate tank 9 serves to bring together the liquid phase and the condensed vapor (ie, then liquid) phase of the partially vaporized working fluid.
  • the condensate tank 9 is arranged in the flow direction of the working fluid after the condenser 8 and before the pump 10 and via a line 14 to the separator 7 for supplying the liquid phase and via a line 15 to the condenser 8 for supplying the condensed vapor phase to the condensate tank 9 connected.
  • liquid working fluid is brought from the condensate tank 9 by the pump 10 to an elevated pressure and pumped into the heat exchanger 2.
  • the pressure-increased, liquid working fluid in the heat exchanger 2 is heated by transferring heat from the heat exchanger 2 on the primary side flowing through low-temperature heat source 20 to the working fluid without it being evaporated.
  • the heated, liquid working fluid is expanded in the expansion device 3, wherein the working fluid is partially evaporated and its heat energy is converted into mechanical energy.
  • the expansion device 3 thus a relaxed, partially vaporized working fluid is generated with a liquid and a vapor phase.
  • the supplied via the line 11 of the nozzle 4 heated, liquid working fluid in the nozzle 4 is expanded and thereby partially evaporated.
  • the kinetic energy of the resulting water-steam jet is converted in the turbine 5 into mechanical energy of a rotor shaft and thus a generator 6 is driven, which in turn converts the mechanical energy into electrical energy.
  • the relaxed, partially vaporized working fluid in the form of a two-phase mixture (vapor / liquid) produced in the third step and leaving the turbine 5 is fed via a line 12 to the separator 7 by separating the vaporous phase from the liquid phase of the two-phase mixture becomes.
  • the vapor phase is condensed by cooling, for example by direct cooling, air cooling, hybrid cooling or water cooling, and the condensed vapor (ie then liquid) phase is fed via the line 15 to the condensate tank 9.
  • the separated liquid phase passes via the line 14 past the condenser 8 and is then brought together in the condensate tank 9 with the condensed vapor (i.e., then liquid) phase before, but before, the pump 10 and thus before the first step.
  • Liquid working fluid from the condensate tank 9 is brought by means of the pump 10 to increased pressure and pumped into the heat exchanger 2, whereby the circuit is closed.
  • the pressure of the working fluid in the condenser 8 is set in this case to an optimum between the smallest possible size of droplets of the liquid phase in the vaporous phase of the working fluid and the largest possible generated mechanical energy in the third step. As a result, an erosion of the capacitor can be further reduced.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung der Wärmeenergie einer Niedertemperaturquelle in mechanische Energie gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 5. Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind z.B. aus der US 7,093,503 B1 und aus DE10361223 A1 bekannt.
  • Zur Nutzung der Wärmeenergie von Niedertemperatur-Wärmequellen, wie z.B. von Geothermalquellen, gasförmiger, dampfförmiger oder flüssiger Abwärmequellen oder der Sonnenenergie, ist es bereits bekannt, in einem Kreislauf ein Arbeitsmittel durch die Wärmequelle nicht zu verdampfen, sondern nur zu erwärmen. Durch den Wegfall des Verdampfens kann die normalerweise zum Verdampfen des Arbeitsmittels benötigte Wärmeenergie genutzt werden, z.B. kann ein deutlich höherer Massenstrom an Arbeitsmittel erwärmt werden. Hierdurch sind für Niedertemperaturquellen im Temperaturbereich von weniger als 400°C deutliche Wirkungsgradvorteile gegenüber Kreisläufen mit einer Verdampfung des Arbeitsmittels erzielbar.
  • Bei einem aus der US 7,093,503 B1 bekannten Kreislauf wird in einem ersten Schritt ein flüssiges Arbeitsmittel mit einer Pumpe auf einen erhöhten Druck gebracht. In einem zweiten Schritt wird das druckerhöhte, flüssige Arbeitsmittel in einem Wärmeübertrager durch Wärmeübertragung von einer Niedertemperaturquelle erwärmt, ohne dass es verdampft wird. In einem dritten Schritt wird das erwärmte, flüssige Arbeitsmittel in einer Zweiphasen-Turbine entspannt, wobei durch teilweises Verdampfen des Arbeitsmittels ein entspanntes, teilweise verdampftes Arbeitsmittel mit einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase erzeugt und Wärmeenergie des Arbeitsmittels in mechanische Energie umgewandelt wird.
  • Die Zweiphasen-Turbine weist hierzu unmittelbar an ihrem Eingang Düsen auf, in denen das Arbeitsmittel durch eine Volumenvergrößerung von einem höheren Eingangsdruck zu einem geringeren Ausgangsdruck expandiert wird, wodurch das Arbeitsmittel teilweise verdampft wird. Der hierdurch entstehende Wasser-Dampf-Strahl wird auf Turbinenblätter der Turbine geleitet, durch die die kinetische Energie des Wasser-Dampf-Strahls in mechanische Energie einer Rotorwelle umgewandelt wird. Die Rotorwelle ist wiederum mit einem Generator verbunden, über den die mechanische Energie der Rotorwelle in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Das die Turbine verlassende zweiphasige Arbeitsmittel wird anschließend einem Kondensator zugeführt. In dem Kondensator wird dann in einem vierten Schritt die dampfförmige Phase des entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittels kondensiert und somit das eingangs erwähnte flüssige Arbeitsmittel erzeugt. Dieses wird der bereits erwähnten Pumpe zugeführt und somit der Kreislauf geschlossen. Ein in FIG 2 dargestelltes T-s-Diagramms veranschaulicht den dabei ablaufenden Kreisprozess. Dabei bezeichnet SL die Siedelinie, TL die Taulinie und K den kritischen Punkt des Arbeitsmittels. Das Arbeitsmittel wird entlang der Siedelinie SL von Punkt A bis zum Punkt B in die Nähe des kritischen Punktes K erwärmt, von Punkt B nach Punkt C unter teilweiser Verdampfung entspannt und von Punkt C nach Punkt A kondensiert.
  • Aus der WO 2005/031123 A1 ist es darüber hinaus bekannt, ein eine Zweiphasenturbine verlassendes Zweiphasengemisch einem Separator zuzuführen, um die dampfförmige von der flüssigen Phase zu trennen. Die dampfförmige Phase wird daraufhin in einer Dampfturbine weiter expandiert, um zusätzliche mechanische Energie zu erzeugen. Der die Dampfturbine verlassende entspannte Dampf wird einem Kondensator zugeführt, darin kondensiert, anschließend mittels einer Pumpe auf erhöhten Druck gebracht und dann mit der in dem Separator abgetrennten flüssigen Phase des Zweiphasengemisches zusammengeführt. Der hierdurch entstehende Arbeitsmittelstrom wird daraufhin mit Hilfe einer weiteren Pumpe in einen Wärmeübertrager gepumpt, indem es durch Wärmeübertragung von einer Niedertemperaturquelle erwärmt wird. Dem Kondensator wird somit nur der Abdampf der Dampfturbine zugeführt, jedoch nicht das Zweiphasengemisch der Zweiphasenturbine. Dieser Kreislauf zeichnet sich zwar durch einen sehr guten Wirkungsgrad, aber auch durch eine deutlich höhere Komplexität und Investitionskosten aus.
  • Bei einem aus der EP 0 485 596 A1 bekannten Kreislauf wird ebenfalls nur ein erwärmtes flüssiges, d.h. kein verdampftes, Arbeitsmittel einer Entspannungseinrichtung zugeführt und darin teilweise verdampft. Das die Entspannungseinrichtung verlassende Wasser-Dampf-Gemisch wird danach einem Separator zugeführt, der lediglich zur Messung der Flüssigkeitsanteile in dem Dampf dient.
  • Wird bei dem eingangs erläuterten Kreislauf dem Kondensator das die Turbine verlassende Zweiphasengemisch zugeführt, so kann es durch die Flüssigkeitsbestandteile zu einer Erosion des Kondensators kommen, wodurch sich die Lebenszeit des Kondensators verkürzt.
  • Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 5 derart weiterzubilden, dass eine Erosion des Kondensators sicher verhindert werden kann, ohne dass sich die Komplexität des Kreislaufes wesentlich erhöht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass bei dem entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittel unmittelbar vor dem Kondensator die flüssige Phase von der dampfförmigen Phase getrennt wird. Nur die dampfförmige Phase wird dem Kondensator zur Kondensation zugeführt. Die kondensierte dampfförmige (d.h. dann flüssige) Phase und die separierte flüssige Phase werden nach dem Kondensator, aber vor dem Schritt 1, d.h. dem Erhöhen des Drucks des flüssigen Arbeitsmittels, zur Erzeugung des flüssigen Arbeitsmittels zusammengeführt. Die flüssige Phase wird somit an dem Kondensator vorbeigeführt, wodurch eine Erosion des Kondensators verhindert werden kann. Hierzu wird lediglich ein Separator zur Trennung der flüssigen Phase von der dampfförmigen Phase, eine Umgehungsleitung für die Leitung der flüssigen Phase an dem Kondensator vorbei und eine Zusammenführung zur Zusammenführung der (separierten) flüssigen und der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase benötigt. Die Komplexität des Kreislaufes wird somit nur unwesentlich erhöht.
  • Die Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels nach der Entspannung ist abhängig von dem Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator. Je höher der Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator und damit am Ausgang der Entspannungseinrichtung ist, desto kleiner sind die Tröpfchen. Je kleiner wiederum die Tröpfchen sind, umso geringer ist die Erosionsgefahr, die von den Tröpfchen ausgeht. Auf der anderen Seite sinkt jedoch mit größer werdendem Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator und am Ausgang der Entspannungseinrichtung die durch Umwandlung von Wärmeenergie durch die Entspannungseinrichtung erzeugbare mechanische Energie.
  • Bevorzugt wird deshalb der Druck des Arbeitsmittels bei der Kondensation auf ein Optimum zwischen einer möglichst kleinen Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels und möglichst großer erzeugter mechanischer Energie in dem Schritt 3 eingestellt. Es wird somit gezielt die erzeugte mechanische Energie verringert, um eine Erosion des Kondensators zu vermeiden. Aufgrund des enormen Wirkungsgradvorteils bedingt durch die Erwärmung statt Verdampfung des Arbeitsmittels durch die Niedertemperaturwärmequelle sind jedoch weiterhin deutliche Wirkungsgradvorteile gegenüber konventionellen Kreisläufen mit einer Verdampfung des Arbeitsmittels durch die Niedertemperaturwärmequelle erzielbar.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zusammenführung der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase und der (separierten) flüssigen Phase in einem Arbeitsmittelspeicher. Da ein derartiger Speicher in vielen Kreisläufen ohnehin vorhanden ist, kann auf ein zusätzliches Bauelement für die Zusammenführung der beiden Phasen verzichtet werden.
  • Besonders gute Wirkungsgrade sind hierbei dann erzielbar, wenn die Niedertemperaturquelle eine Temperatur von weniger als 400°C aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Separator zur Trennung der flüssigen Phase von der dampfförmigen Phase des entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittels auf, wobei der Separator in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels unmittelbar vor dem Kondensator angeordnet ist. Eine Zusammenführung dient zur Zusammenführung der (separierten) flüssigen Phase und der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase des entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittels, wobei die Zusammenführung in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor der Pumpe angeordnet ist. Der Separator ist mit dem Kondensator zur Zufuhr der dampfförmigen Phase zu dem Kondensator verbunden. Die Zusammenführung ist mit dem Separator zur Zufuhr der (separierten) flüssigen Phase zu der Zusammenführung und mit dem Kondensator zur Zufuhr der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase zu der Zusammenführung verbunden. Die für das erfindungsgemäße Verfahren genannten Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
  • Bevorzugt ist der Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator auf ein Optimum zwischen einer möglichst kleinen Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels und einer möglichst großen erzeugbaren mechanischen Energie in der Entspannungseinrichtung einstellbar.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zusammenführung als ein Arbeitsmittelspeicher ausgebildet.
  • Von Vorteil sind in der Entspannungseinrichtung zur Entspannung des erwärmten Arbeitsmittels in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels aufeinander folgend eine Düse und eine Turbine angeordnet. In der Düse kann das Arbeitsmittel durch eine Volumenvergrößerung von einem höheren Eingangsdruck zu einem geringeren Ausgangsdruck expandiert werden, wodurch das Arbeitsmittel teilweise verdampft wird. Der hierdurch entstehende Wasser-Dampf-Strahl kann dann auf die Turbinenblätter der Turbine geleitet werden, durch die die kinetische Energie des Wasserdampfstrahls in mechanische Energie einer Rotorwelle umgewandelt wird. Statt nur einer einzigen Düse können am Eingang der Turbine, z.B. in einer Ringkonfiguration, auch mehrere Düsen angeordnet sein, die parallel von dem Arbeitsmittel durchströmbar sind.
  • Die Düse und die Turbine können hierbei auch eine einzige bauliche Einheit bilden, d.h. die Düsen sind unmittelbar am Eingang der Turbine angeordnet.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1
    eine Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in vereinfachter, schematischer Darstellung und
    FIG 2
    ein T-s-Diagramm eines aus dem Stand der Technik bekannten Kreislaufes mit einer Erwärmung (ohne Verdampfung) eines Arbeitsmittels durch eine Niedertemperaturquelle.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Umwandlung der Wärmeenergie einer Niedertemperatur-Wärmequelle in mechanische Energie umfasst einen thermodynamischen Kreislauf, in dem in Strömungsrichtung eines Arbeitsmittels aufeinander folgend ein Wärmeübertrager 2, eine Entspannungseinrichtung 3, ein Separator 7, ein Kondensator 8, ein Arbeitsmittelspeicher in Form eines Kondensattanks 9 und eine Pumpe 10 angeordnet sind.
  • Bei der Niedertemperatur-Wärmequelle handelt es sich um eine Wärmequelle mit einer Temperatur von weniger als 400 °C. Beispiele für derartige Wärmequellen sind Geothermalquellen (heißes Thermalwasser), industrielle Abwärmequellen (z.B. Abwärme von Anlagen der Stahl, Glas oder Zementindustrie) sowie die Sonnenenergie.
  • Für Temperaturen von weniger als 300°C kommt als Arbeitsmittel beispielsweise eine Kühlflüssigkeit vom Typ R134 und für Temperaturen von mehr als 300°C kommt beispielsweise eine Kühlflüssigkeit vom Typ R245 zum Einsatz. Die Pumpe 10 dient zum Pumpen des flüssigen Arbeitsmittels auf einen erhöhten Druck.
  • Der Wärmeübertrager 2 dient zum Erwärmen des druckerhöhten, flüssigen Arbeitsmittels des Kreislaufes durch Übertragung von Wärme von der Niedertemperatur-Wärmequelle 20 auf das Arbeitsmittel ohne Verdampfung des Arbeitsmittels, d.h. das Arbeitsmittel wird in dem Wärmeübertrager 2 nur erwärmt und nicht verdampft. Der Wärmeübertrager wird hierzu auf seiner Primärseite von der Niedertemperatur-Wärmequelle 20, z.B. einem heißen Geothermalwasser, und auf seiner Sekundärseite von dem druckerhöhten Arbeitsmittel durchströmt. Eine Leitung 11 verbindet die Sekundärseite des Wärmeübertragers 2 mit der Entspannungseinrichtung 3. Das Arbeitsmittel liegt am sekundärseitigen Ausgang des Wärmeübertragers 2 beim Eintritt in die Leitung 11 weiterhin als Flüssigkeit vor.
  • Die Entspannungseinrichtung 3 dient zur Entspannung des erwärmten flüssigen Arbeitsmittels, wobei in der Entspannungseinrichtung 3 durch teilweise Verdampfung des erwärmten flüssigen Arbeitsmittels ein entspanntes, teilweise verdampftes Arbeitsmittel mit einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase erzeugbar und Wärmeenergie des erwärmten flüssigen Arbeitsmittels in mechanische Energie umwandelbar ist. Die Entspannungseinrichtung 3 umfasst hierzu eine Düse 4 und eine Turbine 5, die in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels aufeinander folgend angeordnet sind. Die Düse und die Turbine können hierbei eine einzige bauliche Einheit bilden, d.h. die Düse 4 ist unmittelbar am Eingang der Turbine 5 angeordnet. Statt nur einer einzigen Düse 4 können am Eingang der Turbine 5, z.B. in einer Ringkonfiguration, auch mehrere Düsen 4 angeordnet sein, die parallel von dem Arbeitsmittel durchströmbar sind.
  • Die Turbine 5 ist ausgangsseitig über eine Leitung 12 mit dem Separator 7 verbunden. Der Separator 7 dient zur Trennung der flüssigen Phase von der dampfförmigen Phase des in der Entspannungseinrichtung 3 teilweise verdampften Arbeitsmittels. Der Separator 7 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels unmittelbar vor dem Kondensator 8 angeordnet und über eine Leitung 13 mit dem Kondensator 8 zur Zufuhr der dampfförmigen Phase zu dem Kondensator 8 und über eine Leitung 14 mit dem Kondensattank 9 zur Zufuhr der flüssigen Phase zu dem Kondensattank 9 verbunden.
  • Der Kondensator 8 dient zum Erzeugen des flüssigen Arbeitsmittels durch Kondensation des teilweise verdampften Arbeitsmittels.
  • Der Kondensattank 9 dient zur Zusammenführung der flüssigen Phase und der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase des teilweise verdampften Arbeitsmittels. Der Kondensattank 9 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach dem Kondensator 8 und vor der Pumpe 10 angeordnet und über eine Leitung 14 mit dem Separator 7 zur Zufuhr der flüssigen Phase und über eine Leitung 15 mit dem Kondensator 8 zur Zufuhr der kondensierten dampfförmigen Phase zu dem Kondensattank 9 verbunden.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1 wird in einem ersten Schritt flüssiges Arbeitsmittel aus dem Kondensattank 9 durch die Pumpe 10 auf einen erhöhten Druck gebracht und in den Wärmeübertrager 2 gepumpt.
  • In einem zweiten Schritt wird das druckerhöhte, flüssige Arbeitsmittel in dem Wärmeübertrager 2 durch Übertragung von Wärme von der den Wärmeübertrager 2 primärseitig durchströmenden Niedertemperaturwärmequelle 20 auf das Arbeitsmittel erwärmt, ohne dass es verdampft wird.
  • In einem dritten Schritt wird in der Entspannungseinrichtung 3 das erwärmte, flüssige Arbeitsmittels entspannt, wobei das Arbeitsmittel teilweise verdampft und seine Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Durch die Entspannungseinrichtung 3 wird somit ein entspanntes, teilweise verdampftes Arbeitsmittel mit einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase erzeugt. Hierzu wird das über die Leitung 11 der Düse 4 zugeführte erwärmte, flüssige Arbeitsmittel in der Düse 4 expandiert und dadurch teilweise verdampft. Die kinetische Energie des dadurch entstehenden Wasser-Dampf-Strahls wird in der Turbine 5 in mechanische Energie einer Rotorwelle umgewandelt und damit ein Generator 6 angetrieben, der die mechanische Energie wiederum in elektrische Energie umwandelt.
  • Das in dem dritten Schritt erzeugte und die Turbine 5 verlassende entspannte, teilweise verdampfte Arbeitsmittel in Form eines Zweiphasen-Gemisches (Dampf/Flüssigkeit) wird über eine Leitung 12 dem Separator 7 zugeführt, indem die dampfförmige Phase von der flüssigen Phase des Zweiphasen-Gemisches getrennt wird.
  • Nur die dampfförmige Phase wird über die Leitung 13 dem Kondensator 8 zugeführt. In dem Kondensator 8 wird die dampfförmige Phase durch eine Kühlung, beispielsweise durch eine Direktkühlung, Luftkühlung, Hybridkühlung oder Wasserkühlung, kondensiert und die kondensierte dampfförmige (d.h. dann flüssige) Phase über die Leitung 15 dem Kondensattank 9 zugeführt.
  • Die abgetrennte flüssige Phase wird dagegen über die Leitung 14 an dem Kondensator 8 vorbeigeführt und erst danach, aber noch vor der Pumpe 10 und somit vor dem ersten Schritt, mit der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase in dem Kondensattank 9 zusammengeführt.
  • Flüssiges Arbeitsmittel aus dem Kondensattank 9 wird mit Hilfe der Pumpe 10 auf erhöhten Druck gebracht und in den Wärmeübertrager 2 gepumpt, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.
  • Durch die Separierung der flüssigen Phase von der gasförmigen Phase des die Turbine 5 verlassenden Zweiphasen-Gemisches in dem Separator 7 und die anschließende Leitung der flüssigen Phase am Kondensator 8 vorbei direkt in den Kondensattank 9 kann eine Erosion des Kondensators 8 verhindert werden.
  • Der Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator 8 ist hierbei auf ein Optimum zwischen einer möglichst kleinen Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels und möglichst großer erzeugter mechanischer Energie in dem dritten Schritt eingestellt. Hierdurch kann eine Erosion des Kondensators noch weiter verringert werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Umwandlung der Wärmeenergie einer Niedertemperaturwärmequelle (20) in mechanische Energie in einem geschlossenen Kreislauf mit den folgenden Schritten:
    - Schritt 1: Erhöhen des Drucks eines flüssigen Arbeitsmittels,
    - Schritt 2: Erwärmen des druckerhöhten, flüssigen Arbeitsmittels durch Übertragung von Wärme von der Niedertemperaturwärmequelle (20) auf das Arbeitsmittel ohne Verdampfung des Arbeitsmittels,
    - Schritt 3: Entspannen des erwärmten, flüssigen Arbeitsmittels, wobei durch teilweises Verdampfen des Arbeitsmittels ein entspanntes, teilweise verdampftes Arbeitsmittel mit einer dampfförmigen und einer flüssigen Phase erzeugt und Wärmeenergie des Arbeitsmittels in mechanische Energie umgewandelt wird,
    - Schritt 4: Kondensieren der in Schritt 3 erzeugten dampfförmigen Phase in einem Kondensator (8) zur Erzeugung des flüssigen Arbeitsmittels von Schritt 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das bei dem in dem Schritt 3 erzeugten entspannten, teilweise verdampfte Arbeitsmittel unmittelbar vor dem Kondensator (8) die flüssige Phase von der dampfförmigen Phase getrennt wird,
    - nur die dampfförmige Phase dem Kondensator (8) zugeführt wird,
    - die kondensierte dampfförmige Phase und die flüssigen Phase nach dem Kondensator (8), aber vor dem Schritt 1, zur Erzeugung des flüssigen Arbeitsmittels zusammengeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator (8) auf ein Optimum zwischen einer möglichst kleinen Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels und möglichst großer erzeugter mechanischer Energie in dem Schritt 3 eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenführung der kondensierten dampfförmige Phase und der flüssigen Phase in einem Arbeitsmittelspeicher (9) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperaturquelle eine Temperatur von weniger als 400°C aufweist.
  5. Vorrichtung (1) zur Umwandlung der Wärmeenergie einer Niedertemperaturwärmequelle (20) in mechanische Energie in einem geschlossenen Kreislauf umfassend
    - eine Pumpe (10) zum Erhöhen des Drucks eines flüssigen Arbeitsmittels,
    - einen Wärmeübertrager (2) zum Erwärmen des druckerhöhten, flüssigen Arbeitsmittels durch Übertragung von Wärme von der Niedertemperaturwärmequelle (20) auf das Arbeitsmittel ohne Verdampfung des Arbeitsmittels,
    - eine Entspannungseinrichtung (3) zur Entspannung des erwärmten flüssigen Arbeitsmittels, wobei in der Entspannungseinrichtung (3) durch teilweise Verdampfung des Arbeitsmittels ein entspanntes, teilweise verdampftes Arbeitsmittel mit einer flüssigen und einer dampfförmige Phase erzeugbar und Wärmeenergie des Arbeitsmittels in mechanische Energie umwandelbar ist,
    - einen Kondensator (8) zur Kondensation der dampfförmigen Phase des teilweise verdampften Arbeitsmittels zum Erzeugen des flüssigen Arbeitsmittels,
    gekennzeichnet durch
    - einen Separator (7) zur Trennung der flüssigen Phase von der dampfförmige Phase des entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittels, wobei der Separator (7) in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels unmittelbar vor dem Kondensator (8) angeordnet und mit dem Kondensator (8) zur Zufuhr der dampfförmigen Phase zu dem Kondensator (8) verbunden ist,
    - eine Zusammenführung (9) zur Zusammenführung der flüssigen Phase und der kondensierten dampfförmigen Phase des teilweise verdampften Arbeitsmittels, wobei die Zusammenführung (9) in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor der Pumpe (10) angeordnet und mit dem Separator (7) zur Zufuhr der flüssigen Phase und mit dem Kondensator (8) zur Zufuhr der kondensierten dampfförmige Phase zu der Zusammenführung (9) verbunden ist.
  6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator (8) auf ein Optimum zwischen einer möglichst kleinen Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels und einer möglichst großen erzeugbaren mechanischen Energie in der Entspannungseinrichtung (3) einstellbar ist.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenführung (9) als ein Arbeitsmittelspeicher ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entspannungseinrichtung (3) in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels aufeinander folgend eine Düse (4) und eine Turbine (5) angeordnet sind.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (4) und die Turbine (5) eine einzige bauliche Einheit bilden.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperaturquelle eine Temperatur von weniger als 400°C aufweist.
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