EP2561276A2 - Rankine-prozess (rc) oder organischer rankine-prozess (orc) für die abwärmenachverstromung bei biomasseverbrennung, sowie entsprechende einrichtung - Google Patents
Rankine-prozess (rc) oder organischer rankine-prozess (orc) für die abwärmenachverstromung bei biomasseverbrennung, sowie entsprechende einrichtungInfo
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- EP2561276A2 EP2561276A2 EP10771334A EP10771334A EP2561276A2 EP 2561276 A2 EP2561276 A2 EP 2561276A2 EP 10771334 A EP10771334 A EP 10771334A EP 10771334 A EP10771334 A EP 10771334A EP 2561276 A2 EP2561276 A2 EP 2561276A2
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- F05D2220/75—Application in combination with equipment using fuel having a low calorific value, e.g. low BTU fuel, waste end, syngas, biomass fuel or flare gas
Definitions
- the invention relates to a (O) RC method for the waste heat aftercurrent
- ORC plants for the use of low-temperature waste heat known to work with ORC media whose boiling point is well below 100 ° C.
- waste heat can be used, as this arises, for example, in combustion engines.
- the invention is therefore based on the object to further develop a method and a device of the generic type such that the overall energy efficiency is improved so that the efficiency of biomass utilization increases significantly overall.
- the object is in a method of the generic type according to the invention by the
- Core of the inventive method is that of
- Circulation medium between the pump and entry into the boiling point of the evaporator is controlled. This has the consequence that by the no longer necessary structural design of the evaporator, the device
- the process is also optimized overall efficiency.
- the accumulating waste heat from the additional cooling can, depending on the size of the
- High-temperature ORC plant and low-temperature ORC plant is used 2-stage. This means that this waste heat according to the invention can be used by cooling, which occurs in the high-temperature process, if necessary even as additional preheat for the combined low-temperature process.
- this can also be advantageously applied to the condenser by providing after the expansion of the ORC medium after a turbine or expansion machine before entering the condenser, a further heat exchanger, which the enthalpy difference between outlet turbine / expansion machine and cools down to the saturated steam point on the condensation line.
- a further heat exchanger which the enthalpy difference between outlet turbine / expansion machine and cools down to the saturated steam point on the condensation line.
- the power of the controllable heat exchanger is controlled so that only the enthalpy difference over the heat exchanger
- the cooling can be done against outside air, or alternatively against a
- Heat reservoir In the latter case, this relates to the appropriate recycling of heat described above in a complex process.
- the essence of the invention is that the evaporator structurally accurate is designed for the desired enthalpy difference on the boiling line before and after evaporation, by providing a controllable heat exchanger to the evaporator
- Evaporator is controlled.
- Saturated steam is cooled down on the condensation line.
- the heat exchanger is a cooler or is connected to a cooler which cools against outside air or against a heat reservoir.
- the heat exchanger / recuperator thermally lifts the condensed ORC medium and is connected to the preheater.
- Figure 1 shows the process vividly based on a diagram pressure over enthalpy.
- the left line is the said boiling line S.
- the line on the right is the tau line T.
- FIG. 2 shows the individual components of the invention in an ORC system.
- the plant is of a
- Low temperature heat source fed which in this example is water at a temperature of 85 ° C.
- This can be, for example, cooling water of an internal combustion engine.
- heat is thus supplied to an ORC medium and evaporated.
- the boiling line is set to 70 ° C at a pressure of 2.9 bar. In order to approach this boiling line according to the invention is about an additional, working as a preheater
- the vaporized in the evaporator ORC medium is passed to a turbine of a turbine-generator assembly and at the outlet, the medium is cooled to 52 ° C and relaxed to 0.83 bar.
- Said recuperator continues to remove heat and reduce the temperature level of the ORC medium to 31 ° C at a pressure of 0.8 bar, before finally being condensed again in a condenser. This is targeted to air or a virtually infinite
- the recuperator now uses the heat coming from the exhaust area of the turbine at a temperature level of 52 ° C and heats the return of the ORC medium from the evaporator back to a temperature level of 47 ° C at a pressure of 3, 13 bar. It then runs over the preheater, is raised to 70 ° C and then fed back to the evaporator at 3.0 B ⁇ pressure. The cycle i closed again.
- organic ORC evaporation agent can instead of an organic
- Steam cycle method is a component used for overheating, which is designed to increase the internal energy in the required amount at the desired overheating of the steam after the
- Evaporator is designed or is controllable. reference numeral
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein (O) RC-Verfahren für die Abwärmenachverstromung bei Biomasseverbrennung, sowie entsprechende Einrichtung, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6. Um hierbei zu erreichen, dass der energetische Gesamtwirkungsgrad derart verbessert wird, dass die Effizienz der Biomassenutzung insgesamt steigt, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Verdampfer baulich genau auf die angestrebte Enthalpiedifferenz auf der Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher dem Verdampfer vorgeschaltet ist, welcher auf die Enthalpiedifferenz zwischen Pumpe und Eintritt in die Siedelinie des Verdampfers gesteuert wird.
Description
(O)RC- Verfahren für die Abwärmenachverstromung bei Biomasseverbrennung, sowie entsprechende Einrichtung
Die Erfindung betrifft ein (O)RC- Verfahren für die Abwärmenachverstromung bei
Biomasseverbrennung, sowie entsprechende Einrichtung, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Es sind Niedertemperatur-ORC-Anlagen zur Nutzung von Niedertemperaturabwärme bekannt, die mit ORC-Medien arbeiten, deren Siedepunkt deutlich unter 100°C liegt. So kann auch Abwärme genutzt werden, wie diese bspw bei Verbrennungmaschinen anfällt. Diese
Niedertemperaturabwärme wird ansonsten gegen Luft gekühlt, und somit ungenutzt belassen.
Bei Energieerzeugungsprozessen mit Nutzung regenerativer Energieträger ist die Wirkungsgradbilanz aber von erheblicher Bedeutung.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass der energetische Gesamtwirkungsgrad derart verbessert wird, dass die Effizienz der Biomassenutzung insgesamt merklich steigt.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 6 gelöst .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung bzw sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass der
Verdampfer baulich genau auf die thermodynamisch
angestrebte Enthalpiedifferenz auf der Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem diese vorher exakt bestimmt und dimensioniert wird und hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher dem Verdampfer vorgeschaltet ist, welcher auf die Enthalpiedifferenz des
Kreislaufmediums zwischen Pumpe und Eintritt in die Siedelinie des Verdampfers gesteuert wird. Dies hat zur Konsequenz, dass durch die nicht mehr notwendige bauliche Überauslegung des Verdampfers die Einrichtung
kostengünstiger, aber auch effizienter, da
arbeitspunktgenauer wird. Durch die gezielte Steuerung des Prozesses auf die nunmehr fest vorgegebene
Verdampferkapazität oder -größe wird der Prozess auch insgesamt wirkungsgradoptimiert. Die anfallende Abwärme aus der zusätzlichen Kühlung kann je nach Größe der
Einrichtung entweder an anderer Stelle als Vorwärme genutzt werden, oder bei baulich großen Einrichtungen
kann dies in einem zweistufigen Prozess, der aus
Hochtemperatur-ORC-Anlage und Niedertemperatur-ORC-Anlage besteht 2 -stufig genutzt werden. Dies bedeutet, dass diese erfindungsgemäße Abwärme durch Kühlung, die im Hochtemperatur-Prozess anfällt ggfs sogar als zusätzliche Vorwärme für den kombinierten Niedertemperatur-Prozess genutzt werden kann.
Analog zur Anwendung bei der Verdampfung, kann in vorteilhafter Weise dies auch beim Kondensator angewendet werden, indem nach der Entspannung des ORC-Mediums nach einer Turbine oder Entspannungsmaschine vor Eintritt in den Kondensator ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher die Enthalpiediffererenz zwischen Austritt Turbine/ Entspannungsmaschine und zum Sattdampfpunkt auf der Kondensationslinie herunterkühlt. Im Prinzip gilt das oben Beschriebene auch hier.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei Einsatz eines Rekuperators, die Leistung des steuerbaren Wärmetauschers so geregelt wird, dass über den Wärmetauscher nur noch die Enthalpiedifferenz
zwischen Eintritt auf die Siedelinie des Verdampfers und Austritt am Rekuperator eingestellt/gesteuert' werden muss. Dies ist also auch bei der Rekuperation so.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Kühlung gegen Außenluft erfolgen, oder alternativ dazu gegen ein
Wärmereservoir. Im letztgenannten Fall betrifft dies die oben beschriebene geeignete Rezyklizierung der Wärme in einem komplexen Prozess.
Im Hinblick auf einer ORC-Einrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, dass der Verdampfer baulich genau
auf die angestrebte Enthalpiedifferenz auf der Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher dem Verdampfer
vorgeschaltet ist, welcher auf die Enthalpiedifferenz zwischen Pumpe und Eintritt in die Siedelinie des
Verdampfers gesteuert wird.
Dies ist die einfache bauliche Umsetzung des Verfahrens.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass auf der Entspannungseite einer Turbine oder
Entspannungsmaschine vor Eintritt in den Kondensator ein weiterer Wärmetauscher/Rekuperator im ORC-Zyklus
angeordnet ist, welcher die Enthalpiediffererenz zwischen Austritt Turbine/Entspannungsmaschine und zum
Sattdampf unkt auf der Kondensationslinie herunterkühlt .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Wärmetauscher ein Kühler ist oder mit einem Kühler verbunden ist, welcher gegen Außenluft oder gegen ein Wärmereservoir kühlt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Wärmetauscher/Rekuperator das kondensierte ORC- Medium thermisch anhebt und mit dem Vorerhitzer verbunden ist .
Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt .
Es zeigt:
Figur 1: Darstellung der Erfindung anhand des P über E
Diagramms .
Figur 2 : Komponenten einer ORC-Anlage
Figur 1 zeigt das Verfahren anschaulich anhand eines Diagramms Druck über Enthalpie.
Die linke Linie ist die besagte Siedelinie S. Die Linie rechts die Taulinie T. Diese Linien werden im
Kreisprozess angefahren, über den in Figur 2 noch näher beschriebenen Vorerhitzer wird die Anlage mit dem darin enthalten ORC-Medium in Richtung der Siedlinie S gebracht . Von dort durchläuft der Prozess dann den Siedebereich bis zur Taulinie T. Daran schließt sich die Entspannung über die Turbine an. Der Druck fährt dann nach unten, aber landet noch neben der Tauline T. Damit ist bereits der Kondensationsdruck erreicht, aber noch nicht die Kondensationstemperatur. Diese wird dann mittels des in Figur 2 dargestellten Rekuperators erreicht, bis der Prozess wieder über die Taulinie T in den Kondensationsbereich fährt .
Nachdem dieser Kondensationsbereich durchfahren ist. Von dort aus wird zunächst der Druck und dann mit dem besagten Vorerhitzer wieder die Siedelinie S angefahren.
In der VQrgehensweise gemäß diesem Diagramm wird eine Effizienzsteigerung im Wirkungsgrad erzielt.
Figur 2 zeigt die Einzelkomponenten der Erfindung bei einer ORC-Anlage . Die Anlage wird von einer
Niedertemperatur-Wärmequelle gespeist, welche in diesem Beispiel Wasser bei einer Temperatur von 85 °C ist. Dies kann bspw Kühlwasser einer Verbrennungskraftmaschine sein. Innerhalb eines Verdampfers wird damit einem ORC- Medium Wärme zugeführt und verdampft. Die Siedelinie wird eingestellt auf 70°C bei einem Druck von 2,9 Bar. Um erfindungsgemäß diese Siedelinie anzufahren, wird über
einen zusätzlichen, als Vorerhitzer arbeitenden
Wäremtauscher das Wasser wieder bei einer Temperatur von
75°C aus dem Verdampfer herausgeleitet.
Das heisst, das in den integrierten Wärmetauscher des
Verdampfers eingeleitete Wasser bei 85 °C wird bei 75° C gezielt wieder herausgeleitet, um die Siedelinie bei 70°C exakt zu halten. So wird eine bauliche Optimierung des
Verdampfers erreicht. Zwischen den Temperatumiveaus von
70°C für das ORC-Medium und den 75°C für das abgeführte
Wasser liegt genau die spezifisch benötigte
Verdampfungsenthalpie, auf die somit geregelt wird.
Dabei wird die so durch das Wasser herausgeleitete Wärme aus dem Verdampfer an anderer Stelle genutzt . So wird damit ein Vorerhitzer betrieben. Dieser ist in den
Kreislauf des dargestellten Rekuperators geschaltet und führt eine Wärme von 70°C und ein Druck von 3 Bar zurück in den Verdampfer.
Das im Verdampfer verdampfte ORC-Medium wird an auf eine Turbine einer Turbine-Generator-Anordnung geleitet und am Ausgang ist das Medium auf 52°C abgekühlt und auf 0,83 Bar entspannt . Der besagte Rekuperator entnimmt weiter Wärme und reduziert das Temperaturniveau des ORC-Mediums auf 31 °C bei einem Druck von 0,8 Bar, bevor es in einem Kondensator letztlich wieder kondensiert wird. Dieser wird gezielt an Luft oder eine quasi unendlichen
Wärmereservoir gekühlt. Das ORC-Medium wird über eine Pumpe bei 29°C und einem Druck von 0,78 Bar aus dem
Kondensator geleitet, welches hinter der Pumpe vor
Eintritt in den Rekuperator wieder 3,23 Bar erreicht bei eine Temperatur von nach wie vor 29 °C.
Der Rekuperator nutzt nun die von Abströmbereich der Turbine kommende Wärme auf einem Temperaturniveau von
52 °C ausund heizt den Rücklauf des ORC-Mediums vom Verdampfer wieder auf ein Temperaturniveau von 47 °C bei einem Druck von 3 , 13 Bar auf . Danach läuft es über den Vorerhitzer, wird auf 70°C angehoben und dann bei 3,0 B< Druck wieder in den Verdampfer geführt. Der Kreislauf i damit wieder geschlossen.
Alternativ zum erwähnten organischen ORC- Verdampfungsmittel kann anstatt eines organischen
(ORC-) Verdampfungsmittel ein beliebiges
Dampfkreislaufs-Verdampfungsmittel eingesetzt wird.- Alle übrigen Maßnahmen bleiben dieselben. So kann jedes dampffähige Mittel eingesetzt werden, und
nicht nur organische Verdampfungsmittel. Es bleibt aber auch in diesem Fall ein Kreislaufverfahren.
D.h. das Verdampfungsmittel nimmt Energie auf,
verdampft, leistet Arbeit und kondensiert wieder und wird als Kondensat wieder zurückgeführt und wieder verdampft etc .
Dabei kann vorgesehen sein, dass analog zur
Verdampfung und Kondensation, sowohl bei einem ORC- Kreislaufverfahren als auch bei einem
Dampfkreislaufverfahren ein Bauteil zur Überhitzung eingesetzt ist, welches konstruktiv auf die Zunahme der inneren Energie in der erforderlichen Menge bei der gewünschten Überhitzung des Dampfes nach dem
Verdampfer ausgelegt ist bzw regelbar ist.
Bezugszeichen
1 Verdampfer
2 Kondensator
3 Vorerhitzer
4 Rekuperator/Wärmetauscher
5 Pumpe
6 Turbine/Generator-Baugruppe S Siedelinie
T Taulinie
Claims
1. ORC-Verfahren für die Abwarmenachverstromung bei Biomasse- oder BiotreibstoffVerbrennung, bei welchem die Abwärme aus der primären Direkt- Energieerzeugung aus Biomasse oder Biotreibstoff einem Verdampfer eines ORC-Mediums einer
Niedertemperatur-ORC-Anlage zugeführt wird, und das verdampfte ORC-Medium einer Turbine oder einer Entspannungsmaschine zugeführt wird, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer baulich genau auf die thermodynamisch
angestrebte Enthalpiedifferenz auf der
Siedelinie vor und nach der Verdampfung
ausgelegt ist, indem diese vorher exakt bestimmt und dimensioniert wird und hierfür ein
steuerbarer Wärmetauscher dem Verdampfer
vorgeschaltet ist, welcher auf die
Enthalpiedifferenz des Kreislaufmediums zwischen Pumpe und Eintritt in die Siedelinie des
Verdampfers gesteuert wird.
2. ORC-Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach der Entspannung des ORC-Mediums nach einer Turbine oder Entspannungsmaschine vor Eintritt in den Kondensator ein weiterer
Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher die
Enthalpiediffererenz zwischen Austritt Turbine/ Entspannungsmaschine und zum Sattdampfpunkt auf der Kondensationslinie herunterkühlt.
3. ORC-Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Einsatz eines Rekuperators, die
Leistung des steuerbaren Wärmetauschers so geregelt wird, dass über den Wärmetauscher nur noch die Enthalpiedifferenz zwischen Eintritt auf die Siedelinie des Verdampfers und Austritt am Rekuperator eingestellt/gesteuert werden muss . ,
4. ORC-Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlung gegen Außenluft erfolgt .
5. ORC-Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung gegen ein Wärmereservoir erfolgt .
6. ORC-Einrichtung für die Abwärmenachverstromung bei Biomasse- oder BiotreibstoffVerbrennung, bei welchem die Abwärme aus der primären Direkt- Energieerzeugung aus Biomasse oder Biotreibstoff einem Verdampfer eines ORC-Mediums einer
Niedertemperatur-ORC-Anlage zugeführt wird, und das verdampfte ORC-Medium einer Turbine oder einer Entspannungsmaschine zugeführt wird, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verdampfer (1) baulich genau auf die angestrebte Enthalpiedifferenz auf der
Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher als Vorerhitzer (3) dem Verdampfer vorgeschaltet ist, welcher auf die
Enthalpiedifferenz zwischen Pumpe (5) und
Eintritt in die Siedelinie des Verdampfers (1) gesteuert wird.
7. ORC-Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Entspannungseite der Turbine oder Entspannungsmaschine (6) vor Eintritt in den Kondensator (2) ein weiterer
Wärmetauscher/Rekuperator (4) im ORC- Zyklus angeordnet ist, welcher die Enthalpiediffererenz zwischen Austritt Turbine/ Entspannungsmaschine und zum Sattdampfpunkt auf der
Kondensationslinie herunterkühlt.
8. ORC-Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher/Rekuperator (4) ein
Kühler ist oder mit einem Kühler verbunden ist, welcher gegen Außenluft oder gegen ein
Wärmereservoir kühlt .
9. ORC-Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher/Rekuperator (4) das kondensierte ORC-Medium thermisch anhebt und mit dem Vorerhitzer (3) verbunden ist.
10. RC-Einrichtung für die AbwärmenachverStrömung bei Biomasse- oder BiotreibstoffVerbrennung, bei welchem die Abwärme aus der primären
Direktenergieerzeugung aus Biomasse oder
Biotreibstoff einem Verdampfer eines RC-Mediums zugeführt wird, und das verdampfte Medium einer Turbine oder einer Entspannungsmaschine zugeführt wird, die mit einem Generator zur Erzeugung
elektrischer Energie verbunden ist, nach einem der Ansprüche 6· bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass anstatt eines organischen (ORC-)
Verdampfungsmittels ein beliebiges Dampfkreislaufs- Verdampfungsmittel eingesetzt wird.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, oder nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet ,
dass analog zur Verdampfung und Kondensation, sowohl bei einem ORC-Kreislaufverfahren als auch bei einem Dampfkreislaufverfahren ein Bauteil zur Überhitzung eingesetzt ist, welches konstruktiv auf die Zunahme der inneren Energie in der erforderlichen Menge bei der gewünschten Überhitzung des Dampfes nach dem Verdampfer ausgelegt ist bzw regelbar ist.
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