EP2443321A2 - Method and device for producing electricity from heat - Google Patents

Method and device for producing electricity from heat

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Publication number
EP2443321A2
EP2443321A2 EP08868420A EP08868420A EP2443321A2 EP 2443321 A2 EP2443321 A2 EP 2443321A2 EP 08868420 A EP08868420 A EP 08868420A EP 08868420 A EP08868420 A EP 08868420A EP 2443321 A2 EP2443321 A2 EP 2443321A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
evaporator
heat exchanger
medium
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08868420A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Franz Wimmer
Hermann Helmbold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
Original Assignee
Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG filed Critical Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
Publication of EP2443321A2 publication Critical patent/EP2443321A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • 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
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating electricity from heat, in particular in Rankine cycles and ORC method, in which low-temperature heat is used for power generation, according to the preamble of claims 1 and 6.
  • Rankine cycle processes such as the ORC process (Organic Rankine Cycle)
  • ORC process Organic Rankine Cycle
  • a medium is evaporated in an evaporator stage.
  • This steam is fed to a turbine, which is operated with it.
  • a mechanical coupling with a generator then generates electricity from this kinetic energy.
  • Behind the turbine the steam has thus relaxed again and is fed to a condenser, from where the medium is returned via a pump.
  • recuperation In the generation of electricity from heat evaporators are in use in power plants, in which the same is fed to a residual heat exchanger before the entry of the relaxed, still residual heat-carrying medium in the condenser. This residual heat serves to preheat the returning medium to the evaporator.
  • This method is called recuperation.
  • recuperation Such a method is known from EP 0275 121 A3. However, only the residual heat of the expanded medium behind the turbine is used. Such recuperation is not efficient when applied to a low temperature process such as ORC.
  • the invention is therefore based on the object of further developing a method and a device of the generic type such that heat utilization in power generation processes at the low temperature is further optimized.
  • the core of the invention is that directly in the return line of the evaporator medium, an additional heat exchanger (Z-WT) is provided, in which low-temperature extraneous heat is fed from outside the evaporator-condenser circuit and thus preheats the medium returning to the evaporator.
  • Z-WT additional heat exchanger
  • external heat is included in the preheating.
  • extraneous heat generated outside the closed evaporator-condenser medium cycle is introduced via a heat exchanger (auxiliary heat exchanger) as "extraneous heat" to preheat the medium before entering the evaporator Increasing the efficiency when using, for example, combined heat and power.
  • a heat exchanger auxiliary heat exchanger
  • the waste heat of other units is supplied to the additional heat exchanger for preheating the recirculated medium in the evaporator from the closed evaporator-condenser circuit. That is, the preheating of said medium in the closed evaporator-condenser circuit is in contrast to the prior art described above not by recuperation of their own heat from the closed evaporator-condenser circuit itself, but by additionally supplied extraneous heat (external heat is heat, not from the closed evaporator-condenser circuit itself comes) from the additional units such as intercooler compressor, etc.
  • the inlet temperature to the additional heat exchanger is in a range between 55 ° C and 75 ° C.
  • this additional heat energy is at a state quantity, i. at a temperature lower than the temperature at the heat exchange at the inlet of the evaporator.
  • this heat is suitable for
  • the essence of the invention is that in the recirculation line from external heat outside the evaporator-condenser circuit fed additional heat exchanger for preheating the medium is arranged.
  • the thermal energy for the operation of the evaporator can be removed and the low-temperature extraneous heat from a charge air cooler of a piston power or combustion engine with a cooling medium and removable via a thermally insulated line with the additional heat exchanger (Z -WT) is connected.
  • a temperature sensor is provided on an external heat supplying unit, which corresponds to a valve device of the supply of external heat to the additional heat exchanger temperature controlled. This allows the process to be controlled to the optimum operating point.
  • the placement of the additional heat exchanger Z-WT is arranged in the return line between the return pump and the inlet to the evaporator. This results in a local warming.
  • the heat source for the evaporator, the main waste heat a biogas plant is, and the heat source for the additional heat exchanger is the residual heat from the fermenter or from the dryer, which is supplied to the additional heat exchanger by means of a cooling medium.
  • FIG 1 embodiment of the invention with additional heat exchanger
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention. Shown is an ORC cycle, in which in this example the direct waste heat from the engine radiator of an internal combustion engine via a heat exchanger 10 is fed to an evaporator 1.
  • the feed temperature of a coming from the engine main radiator coolant in the heat exchanger 10 is about 75 0 C to 105 ° C.
  • This evaporator 1 includes a medium which evaporates at a low temperature (lower than 100 0 C). This vaporized medium generates a vapor pressure with which a turbine 3 is driven.
  • the turbine 3 is coupled to a generator 4, which now generates electrical energy from the kinetic energy converted via the turbine.
  • the medium After expansion of the medium in the turbine 3, this is fed to a condenser 2, in which a heat exchanger 20 cools the medium. About a return pump 5, the medium is returned to the evaporator 1. Incidentally, the medium is also volatile so that it flows in a closed evaporator-condenser circuit.
  • an additional heat exchanger Z-WT is now arranged in the return path of the cooled medium coming from the condenser 2.
  • heat is not taken from the closed evaporator-condenser circuit itself, but external heat, i. by definition, "not directly from the closed evaporator-condenser cycle coming heat" fed into the system.
  • This waste heat is still at a lower temperature than the heat of the engine main cooling, with which the heat exchanger 10 is operated in the evaporator, namely at about 55 0 C to 75 0 C.
  • This heat is doing with a separate coolant from the intercooler 8 and / or supplied from the compressor to the additional heat exchanger Z-WT.
  • This heat supply can via a temperature sensor 6 on the intercooler 8, i. be arranged in the same of the cooling circuit.
  • the temperature sensor 6 then controls via a valve and / or a pump 7, the supply of the charge air coolant to the additional heat exchanger Z-WT.
  • the thermal energy present, or the temperature level of the same is lower, but it is used in a suitable manner, the preheating of the recirculated medium in the evaporator. This will be additional waste heat, which is otherwise unused to the internal combustion engine, is fed in and the efficiency of the entire heat generation is further increased.
  • Biogas plants are used, in which from additional incurred in the fermentation or drying process heat, which is at a temperature lower than the evaporation temperature of the medium, at which then a use of the same can be brought about.
  • FIG. 2 again shows the state of the art to clarify the differences.
  • the system's own energy for example after relaxation of the medium in the turbine 3, is supplied to a recuperation heat exchanger R-WT by the so-called recuperation in order to preheat the returning medium.
  • R-WT recuperation heat exchanger
  • system-specific heat is diverted, which must first be supplied to the system as a whole.

Abstract

The invention relates to a method and a device for producing electricity from heat, in particular in Rankine cycle processes and ORC processes, in which low-temperature heat is used for producing electricity, according to the preamble of patent claims 1 and 6. In order to achieve a situation here where heat utilization is further optimized in electricity production processes at low temperature, there is provision according to the invention for an additional heat exchanger (Z-WT) to be provided directly in the return line of the evaporator medium, into which additional heat exchanger low-temperature extraneous heat is fed in from outside the evaporator/condenser circuit and therefore preheats the medium which is returning to the evaporator.

Description

Conpower Energieanlagen GmbH & Co KG Brunhamstraße 21 81249 MünchenConpower Energieanlagen GmbH & Co. KG Brunhamstr. 21 81249 Munich
Conpower_Pat11/2007 17.12.2008Conpower_Pat11 / 2007 17.12.2008
Verfahren und Einrichtung zur Stromgewinnung aus WärmeMethod and device for generating electricity from heat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC-Verfahren, in welchem Niedertemperaturwärme zur Verstromung genutzt wird, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.The invention relates to a method and a device for generating electricity from heat, in particular in Rankine cycles and ORC method, in which low-temperature heat is used for power generation, according to the preamble of claims 1 and 6.
In bekannten Rankine-Kreisprozessen wie das ORC-Verfahren (Organic-Rankine-Cycle) wird in einer Verdampferstufe ein Medium verdampft. Dieser Dampf wird einer Turbine zugeleitet, die damit betrieben wird. Eine mechanische Koppplung mit einem Generator erzeugt aus dieser Bewegungsenergie sodann Strom. Hinter der Turbine hat sich der Dampf somit wieder entspannt und wird einem Kondensator zugeführt, von wo aus über eine Pumpe das Medium wieder zurückgeführt wird.In known Rankine cycle processes such as the ORC process (Organic Rankine Cycle), a medium is evaporated in an evaporator stage. This steam is fed to a turbine, which is operated with it. A mechanical coupling with a generator then generates electricity from this kinetic energy. Behind the turbine, the steam has thus relaxed again and is fed to a condenser, from where the medium is returned via a pump.
Bei der Stromgewinnung aus Wärme sind in Kraftwerken Verdampfer im Einsatz, bei welchen vor Eintritt des entspannten, noch Restwärme tragenden Mediums in den Kondensator dasselbe einem Restwärmetauscher zugeführt wird. Diese Restwärme dient dabei zur Vorwärmung des rücklaufenden Mediums zum Verdampfer. Diese Methode nennt man Rekuperation. Eine solche Methode ist aus der EP 0275 121 A3 bekannt. Dabei wird jedoch lediglich die Restwärme des entspannten Mediums hinter der Turbine genutzt. Eine solche Rekuperation ist in der Anwendung auf ein Niedertemperaturverfahren wie ORC nicht effizient.In the generation of electricity from heat evaporators are in use in power plants, in which the same is fed to a residual heat exchanger before the entry of the relaxed, still residual heat-carrying medium in the condenser. This residual heat serves to preheat the returning medium to the evaporator. This method is called recuperation. Such a method is known from EP 0275 121 A3. However, only the residual heat of the expanded medium behind the turbine is used. Such recuperation is not efficient when applied to a low temperature process such as ORC.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Wärmenutzung bei Stromerzeugungsverfahren bei der Niedertemperatur weiter optimiert wird.The invention is therefore based on the object of further developing a method and a device of the generic type such that heat utilization in power generation processes at the low temperature is further optimized.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.The stated object is achieved according to the invention in a method of the generic type by the characterizing features of claim 1.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2-5 angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims 2-5.
Hinsichtlich einer Einrichtung ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 6 gelöst.With regard to a device, the object is achieved by the characterizing features of claim 6.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the remaining dependent claims.
Kern der Erfindung ist, dass direkt in der Rückführungsleitung des Verdampfermediums ein Zusatzwärmetauscher (Z-WT) vorgesehen ist, in welchen Niedertemperatur-Fremdwärme von außerhalb des Verdampfer- Kondensator-Kreislaufes eingespeist wird und das zum Verdampfer rücklaufende Medium damit vorwärmt . Dabei besteht ein wesentlicher Unterschied zur eingangs beschriebenen Rekuperation. Bei der Erfindung wird Fremdwärme mit in die Vorwärmung einbezogen. Bei der Rekuperation wird systemeigene Wärme direkt hinter der EntSpannung und vor Eingang in den Kondensator zur Zulaufleitung zum Verdampfer zurückgekoppelt. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen wird Fremdwärme, die außerhalb des geschlossenen Verdampfer-Kondensator- Medienkreislaufes erzeugt wird über einen Wärmetauscher (Zusatzwärmetauscher) als „Fremdwärme" mit eingebracht, um die Vorwärmung des Mediums vor Eintritt in den Verdampfer vorzunehmen. Dies führt zu einer weiteren deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades bei Anwendung bspw der Kraft-Wärme-Kopplung.The core of the invention is that directly in the return line of the evaporator medium, an additional heat exchanger (Z-WT) is provided, in which low-temperature extraneous heat is fed from outside the evaporator-condenser circuit and thus preheats the medium returning to the evaporator. There is a significant difference to the recuperation described above. In the invention, external heat is included in the preheating. When recuperation is native heat directly behind the EntSpannung and fed back before entering the condenser to the feed line to the evaporator. In contrast, in the present invention, extraneous heat generated outside the closed evaporator-condenser medium cycle is introduced via a heat exchanger (auxiliary heat exchanger) as "extraneous heat" to preheat the medium before entering the evaporator Increasing the efficiency when using, for example, combined heat and power.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung der Verdampfer des ORC-Verdampfer-Kondensatorkreislaufes direkt aus der Motorkühlung einer Verbrennungsmaschine mit thermischer Energie gespeist wird, und die Niedertemperatur- Fremdwärme zur Speisung des Zusatzwärmetauschers aus einem Ladeluftkühler der Verbrennungsmaschine mittels eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmediums gespeist wird. Mit der Abwärme der Motorkühlung wird dieIn a further advantageous embodiment, it is stated that in a cogeneration of the evaporator of the ORC evaporator-Kondensatorkreislaufes is fed directly from the engine cooling of an internal combustion engine with thermal energy, and the low-temperature extraneous heat for feeding the additional heat exchanger from a charge air cooler of the internal combustion engine means a liquid or gaseous cooling medium is fed. With the waste heat of the engine cooling is the
Eingangsseite des Verdampfers gespeist d.h. bei der höheren verfügbaren Temperatur.Input side of the evaporator fed i. at the higher available temperature.
Hingegen die Abwärme übriger Aggregate (bei niedrigerer Temperatur) wie Ladeluftkühler, Kompressor usw wird dem Zusatzwärmetauscher zur Vorwärmung des in den Verdampfer zurückgeführten Mediums aus dem geschlossenen Verdampfer- Kondensator-Kreislaufes zugeführt. D.h. die Vorwärmung des besagten Mediums im geschlossenen Verdampfer- Kondensator-Kreislauf erfolgt im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Stand der Technik nicht durch Rekuperation der eigenen Wärme aus dem geschlossenen Verdampfer- Kondensator-Kreislauf selbst, sondern durch zusätzlich zugeführte Fremdwärme (Fremdwärme ist Wärme, die nicht aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf selbst stammt) aus den Zusatzaggregaten wie Ladeluftkühler Kompressor usw.On the other hand, the waste heat of other units (at a lower temperature), such as intercooler, compressor, etc., is supplied to the additional heat exchanger for preheating the recirculated medium in the evaporator from the closed evaporator-condenser circuit. That is, the preheating of said medium in the closed evaporator-condenser circuit is in contrast to the prior art described above not by recuperation of their own heat from the closed evaporator-condenser circuit itself, but by additionally supplied extraneous heat (external heat is heat, not from the closed evaporator-condenser circuit itself comes) from the additional units such as intercooler compressor, etc.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Eingangstemperatur zum Zusatzwärmetauscher in einem Bereich zwischen 55°C und 75°C liegt. Damit liegt diese zusätzliche Wärmeenergie bei einer Zustandsgröße d.h. bei einer Temperatur vor, die niedriger ist als die Temperatur, die an der Wärmetauschung am Eingang des Verdampfers liegt. Somit eignet sich diese Wärme zurIn a further advantageous embodiment, it is stated that the inlet temperature to the additional heat exchanger is in a range between 55 ° C and 75 ° C. Thus, this additional heat energy is at a state quantity, i. at a temperature lower than the temperature at the heat exchange at the inlet of the evaporator. Thus, this heat is suitable for
Vorwärmung, wozu, weil es zusätzlich genutzte Fremdwärme ist, die Gesamtwärmenutzung des Systems deutlich erhöht.Preheating, for which, because it is additionally used external heat, the total heat use of the system significantly increased.
Dies liegt im übrigen bei der im Stand der Technik bekannten und oben beschriebenen Rekuperation NICHT vor, weil bei der bekannten Rekuperation nur die im System des geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes eigene Wärme zur Vorwärmung genutzt wird.Incidentally, this is NOT the case in the case of the recuperation known in the prior art and described above, because in the known recuperation only the heat inherent in the system of the closed evaporator-condenser circuit is used for preheating.
Bei der Erfindung hingegen wird WEITERE WärmeIn the invention, however, is MORE heat
(Fremdwärme) eingebracht und erhöht den Wirkungsgrad des gesamten Systems damit deutlich, weil die Wärmeenergie bei niedrigerer Temperatur, die die Zusatzaggregate des Motors liefern, bei bekannten Verfahren nicht genutzt wird. Nur weil diese niedrigere Temperatur nicht ausreicht um das Medium im Verdampfer zu verdampfen oder den erwünschten Arbeitsdruck zu erreichen, wird sie bei bekannten Verfahren ungenutzt weggekühlt. Bei der Erfindung dient diese aber der besagten Vorwärmung, die den Wirkungsgrad weiter erhöht.(External heat) introduced and thus significantly increases the efficiency of the entire system, because the heat energy at lower temperature, which provide the additional components of the engine is not used in known methods. Just because this lower temperature is not sufficient to evaporate the medium in the evaporator or to reach the desired working pressure, it is cooled away in known methods unused. In the invention, but this serves the said preheating, which further increases the efficiency.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist daher angegeben, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Kompressor einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium entnommen und dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) zugeführt wird.In a further advantageous embodiment is therefore stated that in a combined heat and power, the low-temperature external heat from a compressor of a piston-power or internal combustion engine with a withdrawn liquid or gaseous cooling medium and the additional heat exchanger (Z-WT) is supplied.
Hinsichtlich einer Einrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, dass in der Rückführungsleitung ein von Fremdwärme außerhalb des Verdampfer-Kondensator- Kreislaufes gespeister Zusatzwärmetauscher zur Vorwärmung des Mediums angeordnet ist.With regard to a device, the essence of the invention is that in the recirculation line from external heat outside the evaporator-condenser circuit fed additional heat exchanger for preheating the medium is arranged.
Vorteilhaft ausgestaltet ist dabei, dass bei einer Kraft- Wärme-Kopplung die thermische Energie zum Betrieb des Verdampfers entnehmbar ist und die Niedertemperatur- Fremdwärme aus einem Ladeluftkühler einer Kolben-Kraftoder Verbrennungsmaschine mit einem Kühlmedium entnehmbar und über eine thermisch isolierte Leitung mit dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) verbunden ist.Advantageously configured is that in a combined heat and power the thermal energy for the operation of the evaporator can be removed and the low-temperature extraneous heat from a charge air cooler of a piston power or combustion engine with a cooling medium and removable via a thermally insulated line with the additional heat exchanger (Z -WT) is connected.
Weiterhin vorteilhaft ist ausgestaltet, dass ein Temperaturfühler an einem Fremdwärme liefernden Aggregat vorgesehen ist, welcher mit einer Ventileinrichtung der Zuleitung von Fremdwärme zum Zusatzwärmetauscher temperaturgeregelt korrespondiert. So kann der Prozess in den optimalen Arbeitspunkt gesteuert werden.It is also advantageous that a temperature sensor is provided on an external heat supplying unit, which corresponds to a valve device of the supply of external heat to the additional heat exchanger temperature controlled. This allows the process to be controlled to the optimum operating point.
" Vorteilhaft ausgestaltet ist- auch, dass die Fremdwärmequelle der Ladeluftkühler einer Verbrennungsmaschine ist. " Advantageously designed is also that the external heat source of the intercooler of an internal combustion engine.
Ebenso vorteilhaft ist die Platzierung des Zusatzwärmetauschers Z-WT in der Rückführungsleitung zwischen Rückführungspumpe und Eingang zum Verdampfer angeordnet ist. Damit erfolgt eine ortsnahe Vorwärmung.Likewise advantageously, the placement of the additional heat exchanger Z-WT is arranged in the return line between the return pump and the inlet to the evaporator. This results in a local warming.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Wärmequelle für den Verdampfer die Hauptabwärme einer Biogaserzeugungsanlage ist, und die Wärmequelle für den Zusatzwärmetauscher die Nachwärme aus dem Fermenter oder aus dem Trockner ist, die mittels eines Kühlmediums dem Zusatzwärmetauscher zuführbar ist.In a further advantageous embodiment, it is stated that the heat source for the evaporator, the main waste heat a biogas plant is, and the heat source for the additional heat exchanger is the residual heat from the fermenter or from the dryer, which is supplied to the additional heat exchanger by means of a cooling medium.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert .The invention is illustrated in the drawing and explained in more detail below.
Es zeigt:It shows:
Figur 1: Ausführungsform der Erfindung mit ZusatzwärmetauscherFigure 1: embodiment of the invention with additional heat exchanger
Figur 2 : Stand der TechnikFigure 2: State of the art
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist eine ORC-Kreislauf , bei welchem in diesem Beispiel die direkte Abwärme aus dem Motorkühler einer Verbrennungsmaschine über einen Wärmetauscher 10 einem Verdampfer 1 zugeführt wird. Die Einspeisetemperatur eines vom Motorhauptkühler kommenden Kühlmittels in den Wärmetauscher 10 liegt bei etwa 75 0C bis 105 °C. Dieser Verdampfer 1 beinhaltet ein Medium, welches bei einer niedrigen Temperatur (niedriger als 1000C) verdampft. Dieses verdampfte Medium erzeugt dabei einen Dampfdruck, mit welchem eine Turbine 3 angetrieben wird. Die Turbine 3 ist mit einem Generator 4 gekoppelt, welcher aus der über die Turbine umgesetzten kinetischen Energie nun elektrische Energie erzeugt. Nach Entspannung des Mediums in der Turbine 3 wird dieses einem Kondensator 2 zugeführt, in welchem ein Wärmetauscher 20 das Medium abkühlt . Über eine Rückführpumpe 5 wird das Medium wieder dem Verdampfer 1 zurückgeführt . Das Medium ist im übrigen auch leicht flüchtig, so dass es in einem geschlossenen Verdampfer-Kondensator- Kreislauf fließt.FIG. 1 shows a first embodiment of the invention. Shown is an ORC cycle, in which in this example the direct waste heat from the engine radiator of an internal combustion engine via a heat exchanger 10 is fed to an evaporator 1. The feed temperature of a coming from the engine main radiator coolant in the heat exchanger 10 is about 75 0 C to 105 ° C. This evaporator 1 includes a medium which evaporates at a low temperature (lower than 100 0 C). This vaporized medium generates a vapor pressure with which a turbine 3 is driven. The turbine 3 is coupled to a generator 4, which now generates electrical energy from the kinetic energy converted via the turbine. After expansion of the medium in the turbine 3, this is fed to a condenser 2, in which a heat exchanger 20 cools the medium. About a return pump 5, the medium is returned to the evaporator 1. Incidentally, the medium is also volatile so that it flows in a closed evaporator-condenser circuit.
Gemäß der Erfindung wird nun ein Zusatzwärmetauscher Z-WT in dem Rückführungsweg des aus dem Kondensator 2 kommenden abgekühlten Mediums angeordnet . Hierbei wird erfindungsgemäß nunmehr Wärme nicht aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf selbst entnommen, sondern Fremdwärme, d.h. per Definition „nicht direkt aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf kommende Wärme" in das System eingespeist.According to the invention, an additional heat exchanger Z-WT is now arranged in the return path of the cooled medium coming from the condenser 2. In this case, according to the invention now heat is not taken from the closed evaporator-condenser circuit itself, but external heat, i. by definition, "not directly from the closed evaporator-condenser cycle coming heat" fed into the system.
Diese kann in diesem Ausführungsbeispiel die Abwärme aus dem Ladeluftkühler 8 und/oder Kompressor der oben erwähnten, hier nicht weiter dargestellten Verbrennungsmaschine sein. Diese Abwärme liegt noch bei einer niedrigeren Temperatur vor als die Wärme der Motorhauptkühlung, mit welcher der Wärmetauscher 10 im Verdampfer betrieben wird, nämlich bei etwa 55 0C bis 750C. Diese Wärme wird dabei mit einem gesonderten Kühlmittel, vom Ladeluftkühler 8 und/oder vom Kompressor kommend dem Zusatzwärmetauscher Z-WT zugeführt.This can be the waste heat from the intercooler 8 and / or compressor of the above-mentioned, not shown here internal combustion engine in this embodiment. This waste heat is still at a lower temperature than the heat of the engine main cooling, with which the heat exchanger 10 is operated in the evaporator, namely at about 55 0 C to 75 0 C. This heat is doing with a separate coolant from the intercooler 8 and / or supplied from the compressor to the additional heat exchanger Z-WT.
Diese Wärmezufuhr kann über einen Temperaturfühler 6 am Ladeluftkühler 8, d.h. im Kühlkreislauf desselben angeordnet sein.This heat supply can via a temperature sensor 6 on the intercooler 8, i. be arranged in the same of the cooling circuit.
Der Temperaturfühler 6 regelt dann über ein Ventil und/oder eine Pumpe 7 die Zufuhr des Ladeluftkühlmittels zum Zusatz-Wämetauscher Z-WT.The temperature sensor 6 then controls via a valve and / or a pump 7, the supply of the charge air coolant to the additional heat exchanger Z-WT.
Die dabei vorliegenden Wärmeenergie, bzw das Temperaturniveau derselben ist zwar niedriger, aber es dient in geeigneter Weise der Vorwärmung des rückgeführten Mediums in den Verdampfer. Damit wird zusätzliche an der Verbrennungsmaschine ansonsten ungenutzte Abwärme mit eingespeist und der Wirkungsgrad der gesamten Wärme-Verstromung wird weiter gesteigert.Although the thermal energy present, or the temperature level of the same is lower, but it is used in a suitable manner, the preheating of the recirculated medium in the evaporator. This will be additional waste heat, which is otherwise unused to the internal combustion engine, is fed in and the efficiency of the entire heat generation is further increased.
Dabei kann die gezeigte Einrichtung auch beiIn this case, the device shown also at
Biogasanlagen verwendet werden, bei welcher aus zusätzlichen im Gär- oder Trockungsprozess anfallenden Wärme, die bei einer Temperatur niedriger als der Verdampfungstemperatur des Mediums vorliegt, bei welcher dann eine Nutzung derselben herbeiführbar ist.Biogas plants are used, in which from additional incurred in the fermentation or drying process heat, which is at a temperature lower than the evaporation temperature of the medium, at which then a use of the same can be brought about.
Figur 2 zeigt zur Verdeutlichung der Unterschiede nochmals den Stand der Technik. Beim Stand der Technik wird durch die sogenannte Rekuperation die systemeigene Energie, bspw nach Entspannung des Mediums in der Turbine 3 diese einem Rekuperationswärmetauscher R-WT zugeführt, um damit das rücklaufende Medium vorzuwärmen. Dabei wird wie gesagt aber systemeigene Wärme abgezweigt, die vorher dem System insgesamt zugeführt werden muss.FIG. 2 again shows the state of the art to clarify the differences. In the prior art, the system's own energy, for example after relaxation of the medium in the turbine 3, is supplied to a recuperation heat exchanger R-WT by the so-called recuperation in order to preheat the returning medium. As mentioned above, however, system-specific heat is diverted, which must first be supplied to the system as a whole.
Bei der vorliegenden Erfindung gemäß» Figur 1 wird hingegen zusätzliche Wärmeenergie von außerhalb des geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes, d.h. als Fremdwärme zugeführt. Diese liegt bei niedriger Temperatur- vor und wird deshalb zur -Vorwärmung .verwendet.In contrast, in the present invention shown in Fig. 1, additional heat energy from outside the closed evaporator-condenser circuit, i. supplied as external heat. This is at low temperature and is therefore used for pre-heating.
Dies ist bei der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik eine echte externe weitere Energie, die genutzt wird. Bezugszeichen;This is a real external further energy used in the present invention over the prior art. Reference numerals;
1 Verdampfer 2 Kondensator1 evaporator 2 condenser
3 Turbine3 turbine
4 Generator4 generator
5 Rückführpumpe5 return pump
6 Temperaturfühler 7 Ventil und/oder Pumpe6 Temperature sensor 7 Valve and / or pump
8 Ladeluftkühler8 intercooler
Z-WT ZusatzwärmetauscherZ-WT additional heat exchanger
R-WT RekuperationswärmetauscherR-WT recuperation heat exchanger
10 Wärmetauscher im Verdampfer10 heat exchangers in the evaporator
11 Wärmetauscher im Kondensator 11 heat exchanger in the condenser

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC-Verfahren, in welchem mittels eines Verdampfermediums1. A process for the production of electricity from heat, in particular in Rankine cycles and ORC process, in which by means of an evaporator medium
Niedertemperaturwärme zur Verstromung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass direkt in der Rückführungsleitung des Verdampfermediums ein Zusatzwärmetauscher (Z-WT) vorgesehen ist, in welchen Niedertemperatur-Low-temperature heat is used for power generation, characterized in that directly in the return line of the evaporator medium, an additional heat exchanger (Z-WT) is provided, in which low-temperature
Fremdwärme von außerhalb des Verdampfer-Kondensator- Kreislaufes eingespeist wird und das zum Verdampfer rücklaufende Medium damit vorwärmt .External heat is fed from outside the evaporator-condenser circuit and thus preheats the return to the evaporator medium.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung der Verdampfer des ORC-Verdampfer-Kondensatorkreislaufes direkt aus der Motorkühlung einer Verbrennungsmaschine mit thermischer Energie gespeist wird, und die2. The method according to claim 1, characterized in that in a cogeneration of the evaporator of the ORC evaporator-Kondensatorkreislaufes is fed directly from the engine cooling of an internal combustion engine with thermal energy, and the
Niedertemperatur-Fremdwärme zur Speisung des Zusatzwärmetauschers aus einem Ladeluftkühler der Verbrennungsmaschine mittels eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium gespeist wird.Low-temperature external heat for feeding the additional heat exchanger from a charge air cooler of the internal combustion engine is fed by means of a liquid or gaseous cooling medium.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur zum Zusatzwärmetauscher in einem Bereich zwischen 55°C und 750C liegt. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the input temperature to the additional heat exchanger in a range between 55 ° C and 75 0 C.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Kompressor einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium entnommen und dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) zugeführt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in a combined heat and power, the low-temperature external heat removed from a compressor of a piston power or internal combustion engine with a liquid or gaseous cooling medium and the additional heat exchanger (Z-WT) supplied becomes.
5. Einrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC- Verfahren, mit einem Verdampfer, einer Turbine mit einem Generator, einem Kondensator und einer Rückführungsleitung des Mediums mit Rückführungspumpe, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführungsleitung ein von Fremdwärme außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes gespeister Zusatzwärmetauscher (Z-WT) zur Vorwärmung des Mediums angeordnet ist.5. means for generating electricity from heat, especially in Rankine cycle and ORC processes, with an evaporator, a turbine with a generator, a condenser and a return line of the medium with recirculation pump, characterized in that in the return line of external heat outside the evaporator Condenser circuit fed additional heat exchanger (Z-WT) is arranged to preheat the medium.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die thermische Energie zum Betrieb des Verdampfers (1) entnehmbar ist und die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Ladeluftkühler (8) einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem Kühlmedium entnehmbar und über eine thermisch isolierte Leitung mit dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) verbunden ist. 6. Device according to claim 5, characterized in that in a combined heat and power, the thermal energy for the operation of the evaporator (1) can be removed and the low-temperature external heat from a charge air cooler (8) of a piston power or internal combustion engine with a Removable cooling medium and via a thermally insulated line to the additional heat exchanger (Z-WT) is connected.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturfühler (6) an einem Fremdwärme liefernden Aggregat (8) vorgesehen ist, welcher mit einer Ventileinrichtung und/oder einer Pumpe (7) mit der Zuleitung von Fremdwärme zum Zusatzwärmetauscher (Z-WT) temperaturgeregelt korrespondiert.7. Device according to claim 5 or 6, characterized in that a temperature sensor (6) is provided on an external heat supplying unit (8) which with a valve device and / or a pump (7) with the supply of external heat to the additional heat exchanger (Z -WT) corresponds to temperature-controlled.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdwärmequelle der Ladeluftkühler (8) einer Verbrennungsmaschine ist.8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the external heat source of the intercooler (8) is an internal combustion engine.
9. Einrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwärmetauscher (Z-WT) in der Rückführungsleitung zwischen Rückführungspumpe (5) und Eingang zum Verdampfer (1) angeordnet ist.9. Device according to claim 5 to 8, characterized in that the additional heat exchanger (Z-WT) in the return line between the recirculation pump (5) and input to the evaporator (1) is arranged.
10. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle für den Verdampfer (1) die Hauptabwärme einer Biogaserzeugungsanlage ist, und die Wärmequelle für den Zusatzwärmetauscher (Z-WT) die Nachwärme aus dem Fermenter oder -Trockner ist, die mittels eines Kühlmediums dem Zusatzwärmetauscher zuführbar ist. 10. The device according to claim 5 or 7, characterized in that the heat source for the evaporator (1) is the main waste heat of a biogas plant, and the heat source for the additional heat exchanger (Z-WT) is the residual heat from the fermenter or dryer by means of a cooling medium can be fed to the additional heat exchanger.
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