EP2602444A1 - Method and apparatus for generating electric power from waste heat - Google Patents

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Publication number
EP2602444A1
EP2602444A1 EP12194167.8A EP12194167A EP2602444A1 EP 2602444 A1 EP2602444 A1 EP 2602444A1 EP 12194167 A EP12194167 A EP 12194167A EP 2602444 A1 EP2602444 A1 EP 2602444A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
temperature
waste heat
unit
evaporation unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12194167.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Donaubauer
Florian Stadler
Ernst Jahn
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.)
UAS Messtechnik GmbH
Original Assignee
UAS Messtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by UAS Messtechnik GmbH filed Critical UAS Messtechnik GmbH
Publication of EP2602444A1 publication Critical patent/EP2602444A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00General layout or general methods of operation of complete plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for generating waste electrical energy according to the features of the preambles of claims 1 and 7.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • DE 102007062085 A1 describes a method and apparatus for generating electricity from heat, wherein in the return line of the evaporator medium, an additional heat exchanger is provided, is fed to the extraneous heat to preheat the returning medium to the evaporator.
  • DE 102009049476 A1 describes a method for power generation from the waste heat of CHP plants by means of an ORC process, with a suitable for the compressed air operation turbine is used as an expansion device, which is operated with the working fluid Frigen R245fa and oil-free.
  • the evaporation and condensation of the refrigerant used is below 90 ° C. This system is therefore not suitable for use when the exhaust gases have a temperature of> 100 ° C.
  • US2012-0131918 A1 describes heat engines with cyclic cascades to extract energy from waste heat.
  • an exhaust gas heat exchanger is connected to an exhaust gas generator, so that to heat with the waste heat of the exhaust gas, a first working fluid flow.
  • a first expansion device is provided which receives the first stream from the exhaust gas heat exchanger and thus rotates a shaft.
  • a first recuperator receives the first working fluid flow from the first expansion device and transfers the heat to a second working fluid flow.
  • the second working fluid stream coming from the recuperator is taken up by a second expansion device, which transfers the heat of the second working fluid flow to a combined first and second working fluid flow.
  • US 2008/0115922 A1 shows an exhaust heat recovery heat exchanger comprising a housing having a working fluid inlet, a working fluid outlet, an exhaust inlet and an exhaust outlet, an exhaust gas flow path extending through the housing between the exhaust gas inlet and the exhaust gas outlet, and a working fluid flow path extending through the housing between the working fluid inlet and the exhaust gas flow path
  • Working fluid outlet extends and comprising a first part and a second part.
  • a flow of the working fluid along the first part of the working fluid flowpath may be substantially opposite to a flow of the exhaust gas along the exhaust gas flowpath and the flow of the working fluid along the second part of the working fluid flowpath.
  • US 4334409 pursues the goal of leading the use of internal combustion engines and in particular of large turbocharged diesel engines very economically. This should be done in particular using the heat generated by the engines.
  • the working medium is additionally preheated with the aid of the heat energy of the air emerging from the charging fan of the internal combustion engine.
  • the device according to the invention is designed so that the preheating circuit of the working medium comprises a heat exchanger, which is fed by the expiring from the supercharger of the engine air and is connected in series with a flowed through by the cooling medium of the engine heat exchanger.
  • WO2012 / 064477 A2 describes a chemical compound for use as a working medium in waste heat recovery and energy recovery systems.
  • the object of the invention is to provide a device and a method for using waste heat with temperatures> 200 ° C.
  • the invention relates to a method and apparatus for generating electric power from waste heat.
  • This serves in particular the use of waste heat, which, for example, in the operation of combined heat and power plants, biogas plants or the like. arises.
  • waste heat which, for example, in the operation of combined heat and power plants, biogas plants or the like. arises.
  • it is particularly intended to make waste heat with a temperature of over 200 ° C directly usable.
  • the device serves to generate electric current, in particular by means of an ORC process.
  • the apparatus includes a refrigerant storage, a refrigerant pump, a recuperator, a refrigerant evaporation unit, a turbine, and a generator.
  • the refrigerant evaporation unit is constructed in two stages and comprises a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • the first heat exchanger is designed in particular as an evaporation unit
  • the second heat exchanger is designed in particular as a preheating unit.
  • the waste heat is used to heat and vaporize a refrigerant via the two heat exchangers of the refrigerant evaporation unit.
  • the waste heat flows through first the first heat exchanger and then the second heat exchanger, while the refrigerant flows through first the second heat exchanger and then the first heat exchanger of the refrigerant evaporation unit.
  • the temperature of the waste heat as it flows through the refrigerant evaporation unit decreases, the temperature of the refrigerant increases until it finally evaporates and passes into its gaseous state of aggregation.
  • the hot refrigerant vapor is used to drive a generator via a turbine.
  • the refrigerant Before the refrigerant is heated and vaporized via the refrigerant evaporator, it is first compressed by a factor of 15 to 25 by means of the refrigerant pump.
  • the highly compressed refrigerant is passed through a recuperator and thereby from a Initial temperature preheated to a first preheating temperature or base heat.
  • the green-heated highly compressed refrigerant is then passed through the second heat exchanger or the preheating of the refrigerant evaporation unit and further preheated.
  • the highly compressed, preheated refrigerant is then passed through the first heat exchanger or the evaporation unit, while further heated and evaporated to hot refrigerant vapor.
  • the highly compressed, hot refrigerant vapor is then expanded in a turbine and the energy released is used to drive a generator.
  • the initial temperature of the refrigerant is between 30 ° C to 60 ° C.
  • the refrigerant has an absolute condensation pressure between about 1 bar to 1.6 bar.
  • the refrigerant is compressed by means of a refrigerant pump to about 25 bar and then passed through a recuperator, wherein the highly compressed refrigerant is grounded to a temperature of about 100 ° C to 120 ° C.
  • the high-pressure refrigerant which has been heated to a temperature of 100 ° C to 120 ° C, is then passed through the preheating unit and heated to a preheating temperature of about 160 ° C.
  • the waste heat to be used flows through the evaporation unit in the same direction of movement as the refrigerant and the preheating unit in opposite directions to the direction of movement of the refrigerant.
  • the introduced waste heat is cooled by about 200K, in particular the waste heat introduced into the evaporation unit is cooled down from an inlet temperature of about 500 ° C to an outlet temperature of about 300 ° C.
  • the approximately 300 ° C warm waste heat is introduced into the preheating unit and this by another about 130K to 180K, i. cooled to about 120 ° C to 170 ° C, so that the waste heat before exiting the preheating unit has a temperature which corresponds approximately to the inlet temperature of the chimney.
  • the heat exchangers of the refrigerant evaporation unit are also designed as recuperators, ie the streams of waste heat and the refrigerant are spatially separated by a heat-permeable wall and flow through the Heat exchanger at the same time.
  • the waste heat and the refrigerant flow through the first heat exchanger, ie the evaporation unit in cocurrent.
  • the second heat exchanger, ie the preheating unit flows through waste heat and refrigerant in countercurrent. When flowing through the hot waste heat gives off its heat to the refrigerant medium. Due to different heat capacities and adjustable flow flows, the heat transfer can be controlled and regulated so that the above-mentioned temperatures of the waste heat and the refrigerant can be achieved.
  • recuperators it is also possible to use other suitable heat exchangers known to the person skilled in the art.
  • regenerators it is conceivable to use regenerators as heat exchangers, superfluous energy which is still present in the system after the superheated refrigerant vapor has been released from the turbine also being used.
  • a regenerator can continue to use the high temperature of the refrigerant vapor of about 120 ° C to 130 ° C after relaxing. That after being expanded in the turbine, the refrigerant does not yet regain the necessary condensation temperature between 30 ° C to 60 ° C.
  • the regenerator operates in particular with semi-indirect heat transfer, i.
  • the initially cold highly compressed refrigerant and the still relaxing after the release of relaxed refrigerant are placed time-displaced with the heat storage in contact.
  • the heat storage is alternately heated by the hotter medium and then cooled by the colder medium so as to transfer thermal energy from the hotter to the colder medium.
  • the refrigerant used is an azeotrope-based mixture based on perfluoropolyether.
  • refrigerants based on fully halogenated fluorohydrocarbons are frequently used. Because of the resulting environmental problems, it is desirable to use fluids with little or no ozone damage potential. In addition, it is desirable to use fluids or azeotropic mixtures that do not fractionate on boiling and evaporation.
  • Perfluoropolyethers are fully synthetic molecules that contain only the elements fluorine, carbon and oxygen.
  • the atomic bonding of fluorine to carbon is one of the most stable compounds of chemistry ever. This stable bond is responsible for the outstanding inert behavior, the thermal and chemical stability and a number of other special physico-chemical properties.
  • solvents and heat transfer media low molecular weight, not fully fluorinated PFPEs are used, which are hydrogen-bonded on both sides.
  • the refrigerant used is such an azeotrope mixture which contains pentafluorobutane as further component. Such a mixture boils under atmospheric pressure at 36.7 ° C.
  • the refrigerant used has other particular advantages.
  • Such azeotropic mixture behaves as a single compound, i. the liquid and the gaseous aggregation state each have the same composition.
  • the gas pressure is less than 3 bar, whereby a simple transport and storage of the refrigerant is possible because no pressurized gas containers must be used. This also represents an essential aspect for the safety of such a system.
  • the refrigerant in the liquid state of aggregation is not highly flammable.
  • the refrigerant is non-toxic, but has a characteristic solvent odor, so that leaks in the system are easily and quickly recognizable.
  • the refrigerant used is chemically stable and non-aggressive to various materials, so no special containers are needed. Furthermore, the refrigerant is thermally stable during continuous operation at least up to about 190 ° C - 200 ° C.
  • the preheating unit is arranged lying horizontally and the evaporation unit is arranged at an angle of approximately 45 ° C. to the preheating unit.
  • refrigerant evaporators are arranged upright, otherwise problems in the cooling process can occur.
  • the waste heat and the refrigerant flow through the refrigerant evaporator from bottom to top.
  • the preheating unit is arranged lying horizontally in a plane above the evaporation unit.
  • the refrigerant evaporator thus has the shape of a 90 ° to the left overturned, lying number one.
  • the refrigerant flows through the evaporation unit upwards.
  • the two-stage design of the refrigerant evaporator allows a compact, space-saving design of the overall device. Since the preheating unit and the evaporation unit are not arranged one above the other, but are arranged largely side by side, and since in particular the preheating unit is arranged horizontally, the height of the refrigerant evaporator can be substantially reduced.
  • the two-stage structure also allows a gradual heating of the refrigerant, in particular a preheating to a temperature below the evaporation temperature and subsequent evaporation in the evaporation unit. Due to the gradation of the warming and Evaporation process, this process can also be better monitored and controlled.
  • the initial compression of the refrigerant takes place, for example, via a high-pressure centrifugal pump.
  • a high-pressure centrifugal pump This may in particular be a two-stage pump in order to achieve the desired high compression easily and safely.
  • the refrigerant is compressed in a first pumping stage by a factor of about 3 to 5 and compressed in a second pumping stage again by a factor of about 3 to 5, so that a total of a compression by a factor of 9 to 25 can be achieved.
  • the turbine is preferably a turboexpander, which is suitable for relaxing the highly compressed and heated refrigerant vapor back to its condensation pressure of about 1 bar to 1.6 bar.
  • the device can furthermore be assigned a control unit which makes it possible to specifically control and / or regulate each individual process step.
  • the control unit can regulate the pump for compressing the refrigerant and thus set the desired compression of the refrigerant targeted.
  • control unit with a temperature sensor or similar. be connected, which monitors the temperature of the refrigerant in the preheating unit. It can be provided, for example, that the control unit is coupled to an actuating means and regulated in accordance with this, the supply of waste heat in the preheating to adjust the desired outlet temperature of the refrigerant from the preheating unit. In particular, it must be ensured that the outlet temperature of the refrigerant from the preheating unit is below the evaporation temperature of the refrigerant to ensure that the refrigerant is controlled in the evaporation unit is converted into the gaseous state of aggregation while maintaining its high pressure.
  • the control unit may be coupled to further corresponding sensors and / or regulating means in order to specifically monitor and / or control the individual process steps.
  • the power range of the claimed device is preferably in a power range between 20 to 50 kWel, this corresponds to a waste heat of CHPs in a range between 200 to 500 kWel.
  • the specified power range may be adjusted as needed and is not intended to limit the present invention.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are preferably used at exhaust or waste heat temperatures of more than 200 ° C.
  • the temperature of the waste heat can be greatly reduced in a simple, cost-effective, space-saving and elegant manner.
  • the temperature of the waste heat of about 500 ° C can be reduced to 120 ° C to 170 ° C.
  • no additional expensive cooling of the waste heat is necessary before it can be introduced into the chimney.
  • FIG. 1 shows a device 10 for the recovery of waste heat A from a cogeneration unit 1 or a biogas plant.
  • FIG. 2 and FIG. 3 each represent the Way 10A of the waste heat A from the CHP 1 or biogas plant 2 within the device 10 and
  • FIG. 4 and FIG. 5 each represent the circuit 10c of the refrigerant C within the device 10.
  • the hot waste heat A is deflected via a bypass to a device 10 for utilization of the waste heat A. There it first flows through an evaporator 11, wherein the waste heat A is cooled from an inlet temperature T A1 of about 500 ° C down to an outlet temperature T A2 of about 300 ° C. Subsequently, the waste heat A is passed through a preheater 12 for the refrigerant C and thereby cooled down from an inlet temperature T A3 of about 300 ° C to the inlet temperature T A4 , T K of about 120 ° C to 170 ° C of the chimney.
  • the refrigerant C is removed from a refrigerant reservoir 15.
  • the temperature T C1 of the refrigerant C is in accordance with the condensation pressure p C1 of about 1 to 1.6 bar (depending on the outside temperature) in a range of about 30 ° C to 60 ° C.
  • the refrigerant C is under these conditions in a liquid state.
  • the refrigerant C is compressed to a pressure p C2 of about 25 bar and promoted.
  • the refrigerant C flows through a recuperator 17 and is in this case heated to a temperature T C4 of about 100 ° C to 120 ° C.
  • the refrigerant C preferably has an evaporation temperature of about 170 ° C. at a pressure of about 25 bar. After flowing through the preheater 12, the temperature T C6 of the refrigerant C is thus still about 10K or 10 ° C below its evaporation temperature.
  • the approximately 160 ° C hot and compressed to about 25 bar refrigerant C is passed through the evaporator 11, where it heats up to a temperature T C7 of about 180 ° C and thereby evaporated.
  • the vaporized refrigerant Cg is supplied to a turbine 18.
  • the refrigerant vapor Cg relaxes to a refrigerant pressure p C9 between 1 bar to 1.6 bar.
  • the released energy is used to drive a generator 19 and generate electricity.
  • the turbine 18 and the generator 19 are preferably arranged to form a compact unit. In particular, the turbine 18 and the generator 19 are arranged in a common housing.
  • the expanded refrigerant vapor Cg exits the turbine 18 at a temperature T C9 of 120-130 ° C and a pressure p C9 of about 1 bar to 1.6 bar and is in the Recuperator 17 headed. There, the refrigerant vapor Cg is cooled down to a temperature T C3 of about 30 ° C to 60 ° C. In particular, the refrigerant vapor Cg is cooled down to approximately 10K above its condensation temperature and then passed on to the condenser 20. In the condenser 20, the refrigerant vapor Cg is liquefied and cooled down by another 5K by flowing outside air by means of a fan 21 through heat exchange tubes 22 of the condenser 20. The re-liquefied refrigerant C is collected in the refrigerant reservoir 15 and fed via the working fluid pump 16 to the circuit again.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a device 10 according to the invention for the use of waste heat A.
  • the device 10 includes in particular a refrigerant reservoir 15, a pump device 16, a refrigerant evaporator 5, a turbine 18 and a generator 19, a regenerator 17 and a condenser for the refrigerant (not shown).
  • a turboexpander is used as the turbine 18, which is suitable to relax the highly compressed and heated refrigerant vapor back to its condensation pressure of about 1 bar to 1.6 bar and thereby drive the generator 19.
  • the turbine 18 and the generator 19 are preferably arranged to save space in a common housing.
  • the pumping device 16 for the refrigerant is, in particular, at least one high-pressure centrifugal pump.
  • two series-connected high-pressure centrifugal pumps 16 a and 16 b are used.
  • the refrigerant is compressed to a pressure of about 6 bar to 10 bar.
  • the pre-compressed refrigerant is then compressed in the second high pressure centrifugal pump 16b to the working pressure of about 25 bar.
  • the refrigerant evaporator 5 is constructed in two stages and consists of a horizontal preheater 12 and an evaporator 11, which is arranged at an angle of approximately 45 ° to the preheater 12. As in the FIGS. 6 9, the refrigerant evaporator 5 thus shows the shape of an overturned number one, the normally long vertical line being formed by the preheater 12 arranged horizontally in an upper level and the slope normally bent down to the left below being formed by the evaporator 11 , The refrigerant evaporator 5 is thus designed to be particularly compact and space-saving, so that the entire apparatus 10 has a particularly compact construction.
  • the refrigerant first flows through the preheater 12 in a first substantially horizontal direction of movement, in opposite directions to the direction of movement of the waste heat A. Subsequently, the refrigerant C is diverted so that it flows rectified with the waste heat A the evaporator 11 in an obliquely upward second direction of movement.
  • the device 10 further comprises a cabinet 25. This contains the entire control for the device. In particular, the individual process steps are controlled and regulated via the controller.

Abstract

The method involves compressing used refrigerants by a factor of about 15 to 25, and conveying and bottom-heating the compressed refrigerants by a recuperator (17). The highly compressed bottom-heated refrigerants are conveyed by a heat exchanger i.e. preheating unit (12), and preheated. The highly compressed and preheated refrigerants are conveyed through another heat exchanger i.e. vaporization unit (11), and heated refrigerant vapor is vaporized. The heated refrigerant vapor is released in a turbine (18) i.e. turbo expansion machine. Released energy is utilized to drive a generator (19). The refrigerants are azeotrophe mixture based on perfluoropolyether and pentafluorobutane. An independent claim is also included for a device for generating electric current from waste heat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Abwärme gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 7.The present invention relates to a method and apparatus for generating waste electrical energy according to the features of the preambles of claims 1 and 7.

Stand der TechnikState of the art

Verfahren zur Nutzung von Abwärme von Blockheizkraftwerken, Biogasanlagen etc. sind bekannt. Häufig wird dabei das so genannte ORC- Verfahren (Organic Rankine Cycle) verwendet. Hierbei wird Strom aus Wärme gewonnen, insbesondere durch den Betrieb von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer mit Wasserdampf angetriebenen Turbine ist. Insbesondere wird das ORC- Verfahren also verwendet, wenn die Abwärme nicht ausreicht, um Wasser auf seine Verdampfungstemperatur aufzuheizen. Die Entspannungsmaschinen (Turbine, Schraubenexpander) werden typischerweise mit Silikonöl, Kältemittel oder einem brennbarem Gas betrieben.Methods for using waste heat from combined heat and power plants, biogas plants, etc. are known. Frequently, the so-called ORC (Organic Rankine Cycle) method is used. In this case, electricity is obtained from heat, in particular by the operation of steam turbines with a working fluid other than water vapor. The method is mainly used when the available temperature gradient between the heat source and sink is too low for the operation of a turbine driven by steam. In particular, the ORC method is therefore used when the waste heat is insufficient to heat water to its vaporization temperature. The expansion machines (turbine, screw expander) are typically operated with silicone oil, refrigerant or a combustible gas.

DE 102007062085 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme, wobei in der Rückführungsleitung des Verdampfermediums ein Zusatzwärmetauscher vorgesehen ist, on den Fremdwärme eingespeist wird, um das zum Verdampfer rücklaufende Medium vorzuwärmen. DE 102007062085 A1 describes a method and apparatus for generating electricity from heat, wherein in the return line of the evaporator medium, an additional heat exchanger is provided, is fed to the extraneous heat to preheat the returning medium to the evaporator.

DE 102009049476 A1 beschreibt ein Verfahren zur Stromerzeugung aus der Abwärme von BHKW Anlagen mittels einem ORC- Prozesses, wobei als Entspannungsorgan eine für den Druckluftbetrieb geeignete Turbine eingesetzt wird, die mit dem Arbeitsmittel Frigen R245fa und ölfrei betrieben wird. Die Verdampfung und Kondensation des eingesetzten Kältemittels erfolgt unterhalb von 90 °C. Diese Anlage ist somit nicht für den Einsatz geeignet, wenn die Abgase eine Temperatur von > 100°C aufweisen. DE 102009049476 A1 describes a method for power generation from the waste heat of CHP plants by means of an ORC process, with a suitable for the compressed air operation turbine is used as an expansion device, which is operated with the working fluid Frigen R245fa and oil-free. The evaporation and condensation of the refrigerant used is below 90 ° C. This system is therefore not suitable for use when the exhaust gases have a temperature of> 100 ° C.

US2012-0131918 A1 beschreibt Wärmemotoren mit zyklischen Kaskaden um Energie aus Abwärme zu gewinnen. Hierbei ist eine Abgas- Wärmetauscher an einen Abgaserzeuger angeschlossen, so dass mit der Abwärme des Abgases einen ersten Arbeitsflüssigkeitsstrom zu erwärmen. Weiterhin ist eine erste Expansionsvorrichtung vorgesehen, die den ersten Strom aus dem Abgas- Wärmetauscher aufnimmt und damit eine Welle dreht. Ein erster Rekuperator nimmt den ersten Arbeitsflüssigkeitsstrom aus der ersten Expansionsvorrichtung auf und überträgt die Wärme auf einen zweiten Arbeitsflüssigkeitsstrom. Der aus dem Rekuperator kommende zweite Arbeitsflüssigkeitsstrom wird von einer zweiten Expansionsvorrichtung aufgenommen, die die Wärme des zweiten Arbeitsflüssigkeitsstroms auf einen kombinierten ersten und zweiten Arbeitsflüssigkeitsstrom überträgt. US2012-0131918 A1 describes heat engines with cyclic cascades to extract energy from waste heat. In this case, an exhaust gas heat exchanger is connected to an exhaust gas generator, so that to heat with the waste heat of the exhaust gas, a first working fluid flow. Furthermore, a first expansion device is provided which receives the first stream from the exhaust gas heat exchanger and thus rotates a shaft. A first recuperator receives the first working fluid flow from the first expansion device and transfers the heat to a second working fluid flow. The second working fluid stream coming from the recuperator is taken up by a second expansion device, which transfers the heat of the second working fluid flow to a combined first and second working fluid flow.

US 2008/0115922 A1 zeigt einen Abgaswärmerückgewinnungswärmetauscher, umfassend ein Gehäuse, aufweisend einen Arbeitsfluideinlass, einen Arbeitsfluidauslass, einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass, einen Abgasströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass erstreckt und einen Arbeitsfluidströmungspfad, der sich durch das Gehäuse zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass erstreckt und aufweisend einen ersten Teil und einen zweiten Teil. Eine Strömung des Arbeitsfluids entlang des ersten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads kann im Wesentlichen entgegengesetzt zu einer Strömung des Abgases entlang des Abgasströmungspfads sein und der Strömung des Arbeitsfluids entlang des zweiten Teils des Arbeitsfluidströmungspfads sein. US 2008/0115922 A1 shows an exhaust heat recovery heat exchanger comprising a housing having a working fluid inlet, a working fluid outlet, an exhaust inlet and an exhaust outlet, an exhaust gas flow path extending through the housing between the exhaust gas inlet and the exhaust gas outlet, and a working fluid flow path extending through the housing between the working fluid inlet and the exhaust gas flow path Working fluid outlet extends and comprising a first part and a second part. A flow of the working fluid along the first part of the working fluid flowpath may be substantially opposite to a flow of the exhaust gas along the exhaust gas flowpath and the flow of the working fluid along the second part of the working fluid flowpath.

US 4334409 verfolgt das Ziel, den Einsatz von Brennkraftmaschinen und insbesondere von großen aufgeladenen Dieselmotoren sehr wirtschaftlich zu führen. Dies soll insbesondere unter Verwendung der durch die Motoren erzeugte Wärme erfolgen. Bei dem beschriebenen Verfahren wird das Arbeitsmedium mit Hilfe der Wärmeenergie der aus dem Aufladegebläse der Brennkraftmaschine austretenden Luft zusätzlich vorerhitzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, daß der Vorerhitzungskreis des Arbeitsmediums einen Wärmeaustauscher umfasst, der durch die aus dem Aufladegebläse des Motors auslaufende Luft gespeist wird und mit einem von dem Kühlungsmedium des Motors durchströmten Wärmeaustauscher reihenmäßig geschaltet ist. US 4334409 pursues the goal of leading the use of internal combustion engines and in particular of large turbocharged diesel engines very economically. This should be done in particular using the heat generated by the engines. In the described method, the working medium is additionally preheated with the aid of the heat energy of the air emerging from the charging fan of the internal combustion engine. The device according to the invention is designed so that the preheating circuit of the working medium comprises a heat exchanger, which is fed by the expiring from the supercharger of the engine air and is connected in series with a flowed through by the cooling medium of the engine heat exchanger.

WO2012/064477 A2 beschreibt eine chemische Verbindung zur Verwendung als Arbeitsmedium in Systemen zur Abwärmerückgewinnung und Energiegewinnung. WO2012 / 064477 A2 describes a chemical compound for use as a working medium in waste heat recovery and energy recovery systems.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme mit Temperaturen > 200°C bereitzustellen.The object of the invention is to provide a device and a method for using waste heat with temperatures> 200 ° C.

Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale in den Patentansprüchen 1 und 7 umfassen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche beschrieben.The above object is achieved by a method and an apparatus comprising the features in claims 1 and 7. Further advantageous embodiments are described by the subclaims.

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Abwärme. Dies dient insbesondere der Nutzung von Abwärme, die beispielsweise beim Betrieb von Blockheizkraftwerken, Biogasanlagen o.ä. entsteht. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, Abwärme mit einer Temperatur von über 200 °C direkt nutzbar zu machen.The invention relates to a method and apparatus for generating electric power from waste heat. This serves in particular the use of waste heat, which, for example, in the operation of combined heat and power plants, biogas plants or the like. arises. In this case, it is particularly intended to make waste heat with a temperature of over 200 ° C directly usable.

Die Vorrichtung dient der Erzeugung von elektrischem Strom insbesondere mittels eines ORC- Prozesses. Die Vorrichtung umfasst einen Kältemittelspeicher, eine Kältemittelpumpe, einen Rekuperator, eine Kältemittelverdampfungseinheit, eine Turbine und einen Generator. Erfindungsgemäß ist die Kältemittelverdampfungseinheit zweistufig aufgebaut und umfasst einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher. Der erste Wärmetauscher ist insbesondere als Verdampfungseinheit ausgebildet, der zweite Wärmetauscher ist insbesondere als Vorwärmeinheit ausgebildet.The device serves to generate electric current, in particular by means of an ORC process. The apparatus includes a refrigerant storage, a refrigerant pump, a recuperator, a refrigerant evaporation unit, a turbine, and a generator. According to the invention, the refrigerant evaporation unit is constructed in two stages and comprises a first heat exchanger and a second heat exchanger. The first heat exchanger is designed in particular as an evaporation unit, the second heat exchanger is designed in particular as a preheating unit.

Die Abwärme wird genutzt, um über die beiden Wärmetauscher der Kältemittelverdampfungseinheit ein Kältemittel zu erwärmen und verdampfen. Die Abwärme durchströmt zuerst den ersten Wärmetauscher und anschließend den zweiten Wärmetauscher, während das Kältemittel zuerst den zweiten Wärmetauscher und anschließend den ersten Wärmetauscher der Kältemittelverdampfungseinheit durchströmt. Während die Temperatur der Abwärme beim Durchströmen der Kältemittelverdampfungseinheit abnimmt, steigt die Temperatur des Kältemittels an, bis dieses schließlich verdampft und in seinen gasförmigen Aggregationszustand übergeht. Der heiße Kältemitteldampf wird verwendet, um über eine Turbine einen Generator anzutreiben.The waste heat is used to heat and vaporize a refrigerant via the two heat exchangers of the refrigerant evaporation unit. The waste heat flows through first the first heat exchanger and then the second heat exchanger, while the refrigerant flows through first the second heat exchanger and then the first heat exchanger of the refrigerant evaporation unit. As the temperature of the waste heat as it flows through the refrigerant evaporation unit decreases, the temperature of the refrigerant increases until it finally evaporates and passes into its gaseous state of aggregation. The hot refrigerant vapor is used to drive a generator via a turbine.

Bevor das Kältemittel über den Kältemittelverdampfer erwärmt und verdampft wird, wird es zuerst mittels der Kältemittelpumpe um einen Faktor 15 bis 25 verdichtet. Das hoch komprimierte Kältemittel wird über einen Rekuperator geleitet und dabei von einer Anfangstemperatur auf eine erste Vorwärmtemperatur bzw. Grundwärme vorgewärmt. Das grunderwärmte hoch komprimierte Kältemittel wird dann durch den zweiten Wärmetauscher bzw. die Vorwärmeinheit der Kältemittelverdampfungseinheit geleitet und dabei weiter vorgewärmt. Das hoch komprimierte, vorgewärmte Kältemittel wird anschließend durch den ersten Wärmetauscher bzw. die Verdampfungseinheit geleitet, dabei weiter erhitzt und zu heißem Kältemittel- Dampf verdampft. Der hoch komprimierte, heiße Kältemittel- Dampf wird anschließend in einer Turbine entspannt und die dabei freigesetzte Energie wird verwendet, um einen Generator anzutreiben.Before the refrigerant is heated and vaporized via the refrigerant evaporator, it is first compressed by a factor of 15 to 25 by means of the refrigerant pump. The highly compressed refrigerant is passed through a recuperator and thereby from a Initial temperature preheated to a first preheating temperature or base heat. The green-heated highly compressed refrigerant is then passed through the second heat exchanger or the preheating of the refrigerant evaporation unit and further preheated. The highly compressed, preheated refrigerant is then passed through the first heat exchanger or the evaporation unit, while further heated and evaporated to hot refrigerant vapor. The highly compressed, hot refrigerant vapor is then expanded in a turbine and the energy released is used to drive a generator.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die anfängliche Temperatur des Kältemittels zwischen 30°C bis 60°C. In diesem Temperaturbereich weist das Kältemittel einen absoluten Kondensationsdruck zwischen ca. 1 bar bis 1,6 bar auf. Vor dem Erwärmungs- und Verdampfungsprozess wird das Kältemittel mittels einer Kältemittelpumpe auf ca. 25 bar verdichtet und anschließend über einen Rekuperator geleitet, wobei das hoch komprimierte Kältemittel auf eine Temperatur von etwa 100°C bis 120°C grunderwärmt wird. Das auf 100°C bis 120°C grunderwärmte hoch komprimierte Kältemittel wird dann durch die Vorwärmeinheit geleitet und dabei auf eine Vorwärmtemperatur von ca. 160°C erwärmt. Anschließend wird es durch die Verdampfungseinheit geleitet, dabei auf eine Verdampfungstemperatur von ca. 170°C erhitzt, wobei es zu Kältemittel- Dampf verdampft. Der Kältemittel- Dampf wird um weitere 10K auf ca. 180°C überhitzt, zu einer Turbine geleitet und dort auf den Kondensationsdruck zwischen 1 bar bis 1,6 bar entspannt. Die dabei freigesetzte Energie wird verwendet, um einen an die Turbine angeschlossenen Generator zu betreiben.According to a preferred embodiment, the initial temperature of the refrigerant is between 30 ° C to 60 ° C. In this temperature range, the refrigerant has an absolute condensation pressure between about 1 bar to 1.6 bar. Before the heating and evaporation process, the refrigerant is compressed by means of a refrigerant pump to about 25 bar and then passed through a recuperator, wherein the highly compressed refrigerant is grounded to a temperature of about 100 ° C to 120 ° C. The high-pressure refrigerant, which has been heated to a temperature of 100 ° C to 120 ° C, is then passed through the preheating unit and heated to a preheating temperature of about 160 ° C. It is then passed through the evaporation unit, while heated to an evaporation temperature of about 170 ° C, where it evaporates to refrigerant vapor. The refrigerant vapor is superheated by a further 10K to approx. 180 ° C, passed to a turbine where it is expanded to the condensation pressure between 1 bar and 1.6 bar. The energy released is used to operate a generator connected to the turbine.

Die zu nutzende Abwärme durchströmt die Verdampfungseinheit in derselben Bewegungsrichtung wie das Kältemittel und die Vorwärmeinheit gegenläufig zur Bewegungsrichtung des Kältemittels. In der Verdampfungseinheit wird die eingeleitete Abwärme um ca. 200K abgekühlt, insbesondere wird die in die Verdampfungseinheit eingeleitete Abwärme von einer Eingangstemperatur von ca. 500°C auf eine Ausgangstemperatur von ca. 300°C herunter gekühlt. Anschließend wird die ca. 300°C warme Abwärme in die Vorwärmeinheit eingeleitet und hierbei um weitere ca. 130K bis 180K, d.h. auf ca. 120°C bis 170°C, abgekühlt, so dass die Abwärme vor dem Austritt aus der Vorwärmeinheit eine Temperatur aufweist, die in etwa der Eintrittstemperatur des Kamins entspricht.The waste heat to be used flows through the evaporation unit in the same direction of movement as the refrigerant and the preheating unit in opposite directions to the direction of movement of the refrigerant. In the evaporation unit, the introduced waste heat is cooled by about 200K, in particular the waste heat introduced into the evaporation unit is cooled down from an inlet temperature of about 500 ° C to an outlet temperature of about 300 ° C. Subsequently, the approximately 300 ° C warm waste heat is introduced into the preheating unit and this by another about 130K to 180K, i. cooled to about 120 ° C to 170 ° C, so that the waste heat before exiting the preheating unit has a temperature which corresponds approximately to the inlet temperature of the chimney.

Die Wärmetauscher der Kältemittelverdampfungseinheit sind ebenfalls als Rekuperatoren ausgebildet, d.h. die Stoffströme der Abwärme und des Kältemittels sind räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt und durchströmen den Wärmetauscher gleichzeitig. Insbesondere durchströmen die Abwärme und das Kältemittel den ersten Wärmetauscher, d.h. die Verdampfungseinheit im Gleichstrom. Den zweiten Wärmetauscher, d.h. die Vorwärmeinheit, durchströmen Abwärme und Kältemittel dagegen im Gegenstrom. Beim Durchströmen gibt die heiße Abwärme seine Wärme an das Kältemedium ab. Aufgrund unterschiedlicher Wärmekapazitäten und regulierbarer Strömungsflüsse kann die Wärmeübertragung dabei so gesteuert und reguliert werden, dass die o.g. Temperaturen der Abwärme und des Kältemittels erreicht werden.The heat exchangers of the refrigerant evaporation unit are also designed as recuperators, ie the streams of waste heat and the refrigerant are spatially separated by a heat-permeable wall and flow through the Heat exchanger at the same time. In particular, the waste heat and the refrigerant flow through the first heat exchanger, ie the evaporation unit in cocurrent. The second heat exchanger, ie the preheating unit, flows through waste heat and refrigerant in countercurrent. When flowing through the hot waste heat gives off its heat to the refrigerant medium. Due to different heat capacities and adjustable flow flows, the heat transfer can be controlled and regulated so that the above-mentioned temperatures of the waste heat and the refrigerant can be achieved.

Anstelle von Rekuperatoren können auch andere dem Fachmann bekannte, geeignete Wärmetauscher verwendet werden. Beispielsweise ist es denkbar, Regeneratoren als Wärmetauscher einzusetzen, wobei ebenfalls überflüssige Energie, die nach dem Entspannen des überhitzten Kältemitteldampes in der Turbine noch im System vorhanden ist, verwendet wird. Insbesondere kann ein Regenerator die nach dem Entspannen weiterhin hohe Temperatur des Kältemitteldampfes von ca. 120°C bis 130°C verwenden. D.h. nach dem Entspannen in der Turbine weist das Kältemittel noch nicht wieder die notwendige Kondensationstemperatur zwischen 30 °C bis 60 °C auf. Der Regenerator arbeitet insbesondere mit halbindirekter Wärmeübertragung, d.h. das anfänglich kalte hoch komprimierte Kältemittel und das nach dem Entspannen immer noch heiße entspannte Kältemittel werden zeitversetzt mit dem Wärmespeicher in Kontakt gebracht. Der Wärmespeicher wird abwechselnd durch das heißere Medium erwärmt und danach durch das kältere Medium abgekühlt, um so thermische Energie vom heißeren auf das kältere Medium zu übertragen.Instead of recuperators, it is also possible to use other suitable heat exchangers known to the person skilled in the art. For example, it is conceivable to use regenerators as heat exchangers, superfluous energy which is still present in the system after the superheated refrigerant vapor has been released from the turbine also being used. In particular, a regenerator can continue to use the high temperature of the refrigerant vapor of about 120 ° C to 130 ° C after relaxing. That after being expanded in the turbine, the refrigerant does not yet regain the necessary condensation temperature between 30 ° C to 60 ° C. The regenerator operates in particular with semi-indirect heat transfer, i. the initially cold highly compressed refrigerant and the still relaxing after the release of relaxed refrigerant are placed time-displaced with the heat storage in contact. The heat storage is alternately heated by the hotter medium and then cooled by the colder medium so as to transfer thermal energy from the hotter to the colder medium.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird als Kältemittel eine azeotrophe Mischung auf der Basis von Perfluorpolyether eingesetzt. Bei bekannten ORC- Modulen werden häufig Kältemittel auf der Basis von vollhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen eingesetzt. Aufgrund der daraus resultierenden Umweltprobleme ist es wünschenswert, Fluide mit geringem oder keinem Ozonschädigungspotential zu verwenden. Zudem ist es wünschenswert, Fluide oder azeotropen Gemische zu verwenden, die beim Sieden und Verdampfen nicht fraktionieren.According to one embodiment of the invention, the refrigerant used is an azeotrope-based mixture based on perfluoropolyether. In known ORC modules, refrigerants based on fully halogenated fluorohydrocarbons are frequently used. Because of the resulting environmental problems, it is desirable to use fluids with little or no ozone damage potential. In addition, it is desirable to use fluids or azeotropic mixtures that do not fractionate on boiling and evaporation.

Perfluorpolyether sind vollsynthetisch hergestellte Moleküle, die ausschließlich die Elemente Fluor, Kohlenstoff und Sauerstoff enthalten. Die atomare Bindung von Fluor zum Kohlenstoff ist eine der stabilsten Verbindungen der Chemie überhaupt. Durch diese stabile Bindung ist das herausragend inerte Verhalten, die thermische und chemische Stabilität und eine Reihe weiterer besonderer physikalisch- chemischer Eigenschaften begründet. Vorzugsweise werden als Lösungsmittel und Wärmeübertragungsmedien niedermolekulare, nicht voll fluorierte PFPEs eingesetzt, die beidseitig von Wasserstoff abgeschlossen sind.Perfluoropolyethers are fully synthetic molecules that contain only the elements fluorine, carbon and oxygen. The atomic bonding of fluorine to carbon is one of the most stable compounds of chemistry ever. This stable bond is responsible for the outstanding inert behavior, the thermal and chemical stability and a number of other special physico-chemical properties. Preferably, as solvents and heat transfer media low molecular weight, not fully fluorinated PFPEs are used, which are hydrogen-bonded on both sides.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verwendet man als Kältemittel eine solche azeotrophe Mischung, die als weitere Komponente Pentafluorbutan enthält. Eine solche Mischung kocht unter Normaldruck bei 36.7°C. Das verwendete Kältemittel weist weitere besondere Vorteile auf. Eine solche azeotrophe Mischung verhält sich wie eine einzige Verbindung, d.h. der flüssige und der gasförmige Aggregationszustand weisen jeweils dieselbe Zusammensetzung auf. Weiterhin ist bei einer Temperatur von 50°C der Gasdruck geringer als 3 bar, wodurch ein einfacher Transport und Lagerung des Kältemittels möglich ist, da keine unter Druck stehenden Gasbehälter verwendet werden müssen. Dies stellt auch einen wesentlichen Aspekt für die Sicherheit einer solchen Anlage dar. Weiterhin ist das Kältemittel im flüssigen Aggregationszustand nicht leicht entzündlich. Das Kältemittel ist nicht toxisch, weist aber einen charakteristischen Lösungsmittelgeruch auf, so dass Lecks in der Anlage einfach und schnell erkennbar sind. Das verwendete Kältemittel ist chemisch stabil und nicht aggressiv zu verschiedenen Materialien, so dass keine speziellen Behälter notwendig sind. Weiterhin ist das Kältemittel bei Dauerbetrieb mindestens bis ca. 190°C - 200°C thermisch stabil.According to a preferred embodiment, the refrigerant used is such an azeotrope mixture which contains pentafluorobutane as further component. Such a mixture boils under atmospheric pressure at 36.7 ° C. The refrigerant used has other particular advantages. Such azeotropic mixture behaves as a single compound, i. the liquid and the gaseous aggregation state each have the same composition. Furthermore, at a temperature of 50 ° C, the gas pressure is less than 3 bar, whereby a simple transport and storage of the refrigerant is possible because no pressurized gas containers must be used. This also represents an essential aspect for the safety of such a system. Furthermore, the refrigerant in the liquid state of aggregation is not highly flammable. The refrigerant is non-toxic, but has a characteristic solvent odor, so that leaks in the system are easily and quickly recognizable. The refrigerant used is chemically stable and non-aggressive to various materials, so no special containers are needed. Furthermore, the refrigerant is thermally stable during continuous operation at least up to about 190 ° C - 200 ° C.

Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Vorwärmeinheit horizontal liegend angeordnet und die Verdampfungseinheit ist in einem Winkel von ca. 45°C zur Vorwärmeinheit angeordnet. Herkömmlicherweise werden Kältemittelverdampfer stehend angeordnet, da ansonsten Probleme beim Kühlungsprozess auftreten können. Im Ausführungsbeispiel gemäß vorliegender Erfindung durchströmen die Abwärme und das Kältemittel den Kältemittelverdampfer von unten nach oben.According to one embodiment of the device, the preheating unit is arranged lying horizontally and the evaporation unit is arranged at an angle of approximately 45 ° C. to the preheating unit. Conventionally, refrigerant evaporators are arranged upright, otherwise problems in the cooling process can occur. In the embodiment according to the present invention, the waste heat and the refrigerant flow through the refrigerant evaporator from bottom to top.

Insbesondere ist die Vorwärmeinheit horizontal liegend in einer Ebene oberhalb der Verdampfungseinheit angeordnet. Der Kältemittelverdampfer weist somit die Form einer um 90° nach links umgekippten, liegenden Zahl Eins auf. Das Kältemittel durchströmt die Verdampfungseinheit nach oben gerichtet. Der zweistufige Aufbau des Kältemittelverdampfers ermöglicht eine kompakte, platzsparende Bauweise der Gesamtvorrichtung. Da die Vorwärmeinheit und die Verdampfungseinheit nicht übereinander, sondern weitgehend nebeneinander angeordnet sind, und da insbesondere die Vorwärmeinheit liegend angeordnet ist, kann die Höhe des Kältemittelverdampfers wesentlich reduziert werden. Weiterhin erlaubt der zweistufige Aufbau auch eine abgestufte Erwärmung des Kältemittels, insbesondere ein Vorwärmen auf eine Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur und ein anschließendes Verdampfen in der Verdampfungseinheit. Aufgrund der Abstufung des Erwärmungs- und Verdampfungsprozesses, kann dieser Prozess auch besser überwacht und gesteuert werden.In particular, the preheating unit is arranged lying horizontally in a plane above the evaporation unit. The refrigerant evaporator thus has the shape of a 90 ° to the left overturned, lying number one. The refrigerant flows through the evaporation unit upwards. The two-stage design of the refrigerant evaporator allows a compact, space-saving design of the overall device. Since the preheating unit and the evaporation unit are not arranged one above the other, but are arranged largely side by side, and since in particular the preheating unit is arranged horizontally, the height of the refrigerant evaporator can be substantially reduced. Furthermore, the two-stage structure also allows a gradual heating of the refrigerant, in particular a preheating to a temperature below the evaporation temperature and subsequent evaporation in the evaporation unit. Due to the gradation of the warming and Evaporation process, this process can also be better monitored and controlled.

Die anfängliche Verdichtung des Kältemittels erfolgt beispielsweise über eine Hochdruck-Kreiselpumpe. Hierbei kann es sich insbesondere um eine zweistufige Pumpe handeln, um die gewünschte hohe Verdichtung einfach und sicher erzielen zu können. Insbesondere wird das Kältemittel in einer ersten Pumpstufe um einen Faktor von ca. 3 bis 5 verdichtet und in einer zweiten Pumpstufe erneut um einen Faktor von ca. 3 bis 5 verdichtet, so dass insgesamt eine Verdichtung um einen Faktor 9 bis 25 erzielt werden kann.The initial compression of the refrigerant takes place, for example, via a high-pressure centrifugal pump. This may in particular be a two-stage pump in order to achieve the desired high compression easily and safely. In particular, the refrigerant is compressed in a first pumping stage by a factor of about 3 to 5 and compressed in a second pumping stage again by a factor of about 3 to 5, so that a total of a compression by a factor of 9 to 25 can be achieved.

Bei der Turbine handelt es sich vorzugsweise um eine Turboexpansionsmaschine, die geeignet ist, den hoch verdichteten und erhitzten Kältemittel- Dampf wieder auf seinen Kondensationsdruck von ca. 1 bar bis 1,6 bar zu entspannen.The turbine is preferably a turboexpander, which is suitable for relaxing the highly compressed and heated refrigerant vapor back to its condensation pressure of about 1 bar to 1.6 bar.

Der Vorrichtung kann weiterhin eine Steuerungseinheit zugeordnet sein, die es ermöglicht, jeden einzelnen Prozessschritt gezielt anzusteuern und / oder zu regulieren. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit die Pumpe zur Verdichtung des Kältemittels regulieren und somit die gewünschte Verdichtung des Kältemittels gezielt einstellen.The device can furthermore be assigned a control unit which makes it possible to specifically control and / or regulate each individual process step. For example, the control unit can regulate the pump for compressing the refrigerant and thus set the desired compression of the refrigerant targeted.

Weiterhin kann die Steuerungseinheit mit einem Temperatursensor o.ä. verbunden sein, der die Temperatur des Kältemittels in der Vorwärmeinheit überwacht. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Steuerungseinheit mit einem Stellmittel gekoppelt ist und über diese die Zufuhr von Abwärme in die Vorwärmeinheit entsprechend reguliert, um die gewünschte Austrittstemperatur des Kältemittels aus der Vorwärmeinheit einzustellen. Insbesondere muss sichergestellt werden, dass die Austrittstemperatur des Kältemittels aus der Vorwärmeinheit unterhalb der Verdampfungstemperatur des Kältemittels liegt, um sicherzustellen, dass das Kältemittel erst in der Verdampfungseinheit kontrolliert in den gasförmigen Aggregationszustand überführt wird und dabei seinen hohen Druck beibehält. Die Steuerungseinheit kann mit weiteren entsprechenden Sensoren und / oder Regulierungsmitteln gekoppelt sein, um die einzelnen Prozessschritte gezielt zu überwachen und / oder anzusteuern.Furthermore, the control unit with a temperature sensor or similar. be connected, which monitors the temperature of the refrigerant in the preheating unit. It can be provided, for example, that the control unit is coupled to an actuating means and regulated in accordance with this, the supply of waste heat in the preheating to adjust the desired outlet temperature of the refrigerant from the preheating unit. In particular, it must be ensured that the outlet temperature of the refrigerant from the preheating unit is below the evaporation temperature of the refrigerant to ensure that the refrigerant is controlled in the evaporation unit is converted into the gaseous state of aggregation while maintaining its high pressure. The control unit may be coupled to further corresponding sensors and / or regulating means in order to specifically monitor and / or control the individual process steps.

Der Leistungsbereich der beanspruchten Vorrichtung liegt vorzugsweise in einem Leistungsbereich zwischen 20 bis 50 kWel, dies entspricht einer Abwärmeleistung von BHKWs in einem Bereich zwischen 200 bis 500 kWel. Der angegebene Leistungsbereich kann aber je nach Bedarf angepasst werden und soll die vorliegende Erfindung nicht einschränken. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden vorzugsweise bei Abgas- bzw. Abwärme- Temperaturen von mehr als 200 °C eingesetzt.The power range of the claimed device is preferably in a power range between 20 to 50 kWel, this corresponds to a waste heat of CHPs in a range between 200 to 500 kWel. However, the specified power range may be adjusted as needed and is not intended to limit the present invention. The device according to the invention and the method according to the invention are preferably used at exhaust or waste heat temperatures of more than 200 ° C.

Mit der als Verdampfungseinheit und als Vorwärmeinheit zweiteilig aufgebauten Kältemittelverdampfungseinheit kann die Temperatur der Abwärme auf einfache, kostengünstige, platzsparende und elegante Weise stark reduziert werden. Insbesondere kann die Temperatur der Abwärme von ca. 500 °C auf 120 °C bis 170 °C reduziert werden. Im Gegensatz zu herkömmlich bekannten Vorrichtungen ist somit keine zusätzliche teure Kühlung der Abwärme notwendig, bevor diese in den Kamin eingeleitet werden kann.With the refrigerant evaporation unit constructed in two parts as an evaporation unit and as a preheating unit, the temperature of the waste heat can be greatly reduced in a simple, cost-effective, space-saving and elegant manner. In particular, the temperature of the waste heat of about 500 ° C can be reduced to 120 ° C to 170 ° C. In contrast to conventionally known devices thus no additional expensive cooling of the waste heat is necessary before it can be introduced into the chimney.

Figurenbeschreibungfigure description

Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.

  • Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Verwertung der Abwärme von Abgasen.
  • Figur 2 und Figur 3 zeigen jeweils den Weg der Abwärme A innerhalb einer Vorrichtung gemäß Figur 1.
  • Figur 4 und Figur 5 zeigen jeweils den Kreislauf des Kältemittels innerhalb einer Vorrichtung gemäß Figur 1.
  • Figur 6 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In the following, embodiments of the invention and their advantages with reference to the accompanying figures will be explained in more detail. The proportions of the individual elements to one another in the figures do not always correspond to the actual size ratios, since some shapes are simplified and other shapes are shown enlarged in relation to other elements for better illustration.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an apparatus for recycling the waste heat of exhaust gases.
  • FIG. 2 and FIG. 3 each show the path of the waste heat A within a device according to FIG. 1 ,
  • FIG. 4 and FIG. 5 each show the circulation of the refrigerant within a device according to FIG. 1 ,
  • FIG. 6 shows a schematic view of a device according to the invention.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren ausgestaltet sein können und stellen keine abschließende Begrenzung dar.For identical or equivalent elements of the invention, identical reference numerals are used. Furthermore, for the sake of clarity, only reference symbols are shown in the individual figures, which are required for the description of the respective figure. The illustrated embodiments are merely examples of how the device or method of the invention may be configured and are not an exhaustive limitation.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Verwertung der Abwärme A aus einem Blockheizkraftwerk 1 oder einer Biogasanlage 2. Figur 2 und Figur 3 stellen jeweils den Weg 10A der Abwärme A aus dem BHKW 1 oder der Biogasanlage 2 innerhalb der Vorrichtung 10 dar und Figur 4 und Figur 5 stellen jeweils den Kreislauf 10c des Kältemittels C innerhalb der Vorrichtung 10 dar. FIG. 1 shows a device 10 for the recovery of waste heat A from a cogeneration unit 1 or a biogas plant. 2 FIG. 2 and FIG. 3 each represent the Way 10A of the waste heat A from the CHP 1 or biogas plant 2 within the device 10 and FIG. 4 and FIG. 5 each represent the circuit 10c of the refrigerant C within the device 10.

Die heiße Abwärme A wird über einen Bypass auf eine Vorrichtung 10 zur Verwertung der Abwärme A umgelenkt. Dort durchströmt es zuerst einen Verdampfer 11, wobei die Abwärme A von einer Eingangstemperatur TA1 von ca. 500°C auf eine Ausgangstemperatur TA2 von ca. 300°C herunter gekühlt wird. Anschließend wird die Abwärme A über einen Vorwärmer 12 für das Kältemittel C geleitet und hierbei von einer Eingangstemperatur TA3 von ca. 300°C auf die Eintrittstemperatur TA4, TK von ca. 120°C bis 170°C des Kamins herunter gekühlt.The hot waste heat A is deflected via a bypass to a device 10 for utilization of the waste heat A. There it first flows through an evaporator 11, wherein the waste heat A is cooled from an inlet temperature T A1 of about 500 ° C down to an outlet temperature T A2 of about 300 ° C. Subsequently, the waste heat A is passed through a preheater 12 for the refrigerant C and thereby cooled down from an inlet temperature T A3 of about 300 ° C to the inlet temperature T A4 , T K of about 120 ° C to 170 ° C of the chimney.

Das Kältemittel C wird einem Kältemittelspeicher 15 entnommen. Im Kältemittelspeicher 15 liegt die Temperatur TC1 des Kältemittels C entsprechend dem Kondensationsdruck pC1 von ca. 1 bis 1,6 bar (abhängig von der Außentemperatur) in einem Bereich von ca. 30 °C bis 60 °C. Das Kältemittel C liegt unter diesen Bedingungen in einem flüssigen Aggregatszustand vor. Mithilfe einer Hochdruck-Kreiselpumpe 16 wird das Kältemittel C auf einen Druck pC2 von ca. 25bar verdichtet und gefördert. Das Kältemittel C durchfließt einen Rekuperator 17 und wird hierbei auf eine Temperatur TC4 von ca. 100°C bis 120°C erwärmt. Anschließend tritt es in den Vorwärmer 12 ein und wird beim Durchlaufen des Vorwärmers 12 durch bereits etwas abgekühlte Abwärme A auf eine Temperatur TC6 von ca. 160°C erwärmt. Das Kältemittel C weist bei einem Druck von ca. 25 bar vorzugsweise eine Verdampfungstemperatur von ca. 170°C auf. Nach Durchströmen des Vorwärmers 12 liegt die Temperatur TC6 des Kältemittels C somit noch ca. 10K bzw. 10°C unterhalb seiner Verdampfungstemperatur.The refrigerant C is removed from a refrigerant reservoir 15. In the refrigerant accumulator 15, the temperature T C1 of the refrigerant C is in accordance with the condensation pressure p C1 of about 1 to 1.6 bar (depending on the outside temperature) in a range of about 30 ° C to 60 ° C. The refrigerant C is under these conditions in a liquid state. By means of a high-pressure centrifugal pump 16, the refrigerant C is compressed to a pressure p C2 of about 25 bar and promoted. The refrigerant C flows through a recuperator 17 and is in this case heated to a temperature T C4 of about 100 ° C to 120 ° C. It then enters the preheater 12 and is heated when passing through the preheater 12 by already slightly cooled waste heat A to a temperature T C6 of about 160 ° C. The refrigerant C preferably has an evaporation temperature of about 170 ° C. at a pressure of about 25 bar. After flowing through the preheater 12, the temperature T C6 of the refrigerant C is thus still about 10K or 10 ° C below its evaporation temperature.

Anschließend wird das ca. 160°C heiße und auf ca. 25 bar verdichtete Kältemittel C durch den Verdampfer 11 geleitet, wo es sich auf eine Temperatur TC7 von ca. 180°C aufheizt und dabei verdampft. Das verdampfte Kältemittel Cg wird zu einer Turbine 18 geleitet. In der Turbine 18 entspannt sich der Kältemittel- Dampf Cg auf einen Kältemitteldruck pC9 zwischen 1 bar bis 1,6 bar. Die dabei freiwerdende Energie wird verwendet, um einen Generator 19 anzutreiben und Strom zu erzeugen. Die Turbine 18 und der Generator 19 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie eine kompakte Einheit bilden. Insbesondere sind die Turbine 18 und der Generator 19 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.Subsequently, the approximately 160 ° C hot and compressed to about 25 bar refrigerant C is passed through the evaporator 11, where it heats up to a temperature T C7 of about 180 ° C and thereby evaporated. The vaporized refrigerant Cg is supplied to a turbine 18. In the turbine 18, the refrigerant vapor Cg relaxes to a refrigerant pressure p C9 between 1 bar to 1.6 bar. The released energy is used to drive a generator 19 and generate electricity. The turbine 18 and the generator 19 are preferably arranged to form a compact unit. In particular, the turbine 18 and the generator 19 are arranged in a common housing.

Der entspannte Kältemittel- Dampf Cg tritt mit einer Temperatur TC9 von 120-130°C und einem Druck pC9 von ca. 1 bar bis 1,6 bar aus der Turbine 18 aus und wird in den Rekuperator 17 geleitet. Dort wird der Kältemittel- Dampf Cg auf eine Temperatur TC3 von ca. 30°C bis 60°C herunter gekühlt. Insbesondere wird der Kältemittel- Dampf Cg auf ca. 10K über seiner Kondensationstemperatur herunter gekühlt und anschließend zum Kondensator 20 weiter geleitet. Im Kondensator 20 wird der Kältemittel- Dampf Cg verflüssigt und um weitere 5K herunter gekühlt, indem Außenluft mithilfe eines Ventilators 21 über Wärmetauschrohre 22 des Kondensators 20 strömt. Das wieder verflüssigte Kältemittel C wird im Kältemittelspeicher 15 gesammelt und über die Arbeitsmittelpumpe 16 dem Kreislauf erneut zugeführt.The expanded refrigerant vapor Cg exits the turbine 18 at a temperature T C9 of 120-130 ° C and a pressure p C9 of about 1 bar to 1.6 bar and is in the Recuperator 17 headed. There, the refrigerant vapor Cg is cooled down to a temperature T C3 of about 30 ° C to 60 ° C. In particular, the refrigerant vapor Cg is cooled down to approximately 10K above its condensation temperature and then passed on to the condenser 20. In the condenser 20, the refrigerant vapor Cg is liquefied and cooled down by another 5K by flowing outside air by means of a fan 21 through heat exchange tubes 22 of the condenser 20. The re-liquefied refrigerant C is collected in the refrigerant reservoir 15 and fed via the working fluid pump 16 to the circuit again.

Figur 6 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Nutzung von Abwärme A. Die Vorrichtung 10 umfasst insbesondere einen Kältemittelspeicher 15, eine Pumpvorrichtung 16, einen Kältemittelverdampfer 5, eine Turbine 18 und einen Generator 19, einen Regenerator 17 sowie einen Kondensator für das Kältemittel (nicht dargestellt). Vorzugsweise wird als Turbine 18 eine Turboexpansionsmaschine verwendet, die geeignet ist, den hoch verdichteten und erhitzten Kältemittel- Dampf wieder auf seinen Kondensationsdruck von ca. 1 bar bis 1,6 bar zu entspannen und dadurch den Generator 19 anzutreiben. Die Turbine 18 und der Generator 19 sind vorzugsweise platzsparend in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. FIG. 6 shows a schematic view of a device 10 according to the invention for the use of waste heat A. The device 10 includes in particular a refrigerant reservoir 15, a pump device 16, a refrigerant evaporator 5, a turbine 18 and a generator 19, a regenerator 17 and a condenser for the refrigerant (not shown). Preferably, a turboexpander is used as the turbine 18, which is suitable to relax the highly compressed and heated refrigerant vapor back to its condensation pressure of about 1 bar to 1.6 bar and thereby drive the generator 19. The turbine 18 and the generator 19 are preferably arranged to save space in a common housing.

Bei der Pumpvorrichtung 16 für das Kältemittel handelt es sich insbesondere um mindestens eine Hochdruck- Kreiselpumpe. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei hintereinander geschaltete Hochdruck- Kreiselpumpen 16a und 16 b verwendet. Mit der ersten Hochdruck- Kreiselpumpe 16a wird das Kältemittel auf einen Druck von ca. 6 bar bis 10 bar verdichtet. Das vorverdichtete Kältemittel wird dann in der zweiten Hochdruck- Kreiselpumpe 16b auf den Arbeitsdruck von ca. 25 bar verdichtet.The pumping device 16 for the refrigerant is, in particular, at least one high-pressure centrifugal pump. In the present embodiment, two series-connected high-pressure centrifugal pumps 16 a and 16 b are used. With the first high-pressure centrifugal pump 16a, the refrigerant is compressed to a pressure of about 6 bar to 10 bar. The pre-compressed refrigerant is then compressed in the second high pressure centrifugal pump 16b to the working pressure of about 25 bar.

Der Kältemittelverdampfer 5 ist zweistufig aufgebaut und besteht aus einem horizontal liegenden Vorwärmer 12 und einem Verdampfer 11, der in einem Winkel von in etwa 45°zum Vorwärmer 12 angeordnet ist. Wie in den Figuren 6 bis 9 deutlich erkennbar ist, zeigt der Kältemittelverdampfer 5 somit die Form einer umgekippten Zahl Eins, wobei der normalerweise lange senkrechte Strich durch den horizontal in einer oberen Ebene angeordneten Vorwärmer 12 gebildet wird und die normalerweise nach links unten abgeknickte Schräge durch den Verdampfer 11 gebildet wird. Der Kältemittelverdampfer 5 ist somit besonders kompakt und platzsparend ausgeführt, so dass die gesamte Vorrichtung 10 einen besonders kompakten Aufbau aufweist. Das Kältemittel durchströmt zuerst den Vorwärmer 12 in einer ersten weitgehend horizontalen Bewegungsrichtung, gegenläufig zur Bewegungsrichtung der Abwärme A. Anschließend wird das Kältemittel C so umgeleitet, dass es gleichgerichtet mit der Abwärme A den Verdampfer 11 in einer schräg nach oben gerichteten zweiten Bewegungsrichtung durchströmt.The refrigerant evaporator 5 is constructed in two stages and consists of a horizontal preheater 12 and an evaporator 11, which is arranged at an angle of approximately 45 ° to the preheater 12. As in the FIGS. 6 9, the refrigerant evaporator 5 thus shows the shape of an overturned number one, the normally long vertical line being formed by the preheater 12 arranged horizontally in an upper level and the slope normally bent down to the left below being formed by the evaporator 11 , The refrigerant evaporator 5 is thus designed to be particularly compact and space-saving, so that the entire apparatus 10 has a particularly compact construction. The refrigerant first flows through the preheater 12 in a first substantially horizontal direction of movement, in opposite directions to the direction of movement of the waste heat A. Subsequently, the refrigerant C is diverted so that it flows rectified with the waste heat A the evaporator 11 in an obliquely upward second direction of movement.

Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin einen Schaltschrank 25. Dieser enthält die gesamte Steuerung für die Vorrichtung. Insbesondere werden über die Steuerung die einzelnen Prozessschritte kontrolliert und reguliert.The device 10 further comprises a cabinet 25. This contains the entire control for the device. In particular, the individual process steps are controlled and regulated via the controller.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.The invention has been described with reference to a preferred embodiment. However, it will be apparent to those skilled in the art that modifications or changes may be made to the invention without departing from the scope of the following claims.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
BHKW (Blockheizkraftwerk)CHP (combined heat and power plant)
22
Biogasanlagebiogas plant
55
KältemittelverdampferRefrigerant evaporator
1010
Vorrichtung zur Nutzung von Abgas- AbwärmeDevice for using exhaust waste heat
10A10A
Weg des AbgasesWay of the exhaust gas
10c10c
KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
1111
VerdampferEvaporator
1212
Vorwärmerpreheater
1515
KältemittelspeicherRefrigerant storage
1616
Pumpepump
1717
Rekuperatorrecuperator
1818
Turbineturbine
1919
Generatorgenerator
2020
Kondensatorcapacitor
2121
Ventilatorfan
2222
WärmetauschrohrHeat exchange tube
2525
Schaltschrankswitch cabinet
AA
Abgasexhaust
CC
Kältemittelrefrigerant
Cgcg
Kältemittel- DampfRefrigerant vapor
pcpc
KältemitteldruckRefrigerant pressure
TA T A
Abgas- TemperaturExhaust gas temperature
Tctc
Kältemittel - TemperaturRefrigerant temperature
TK T K
Kamin- TemperaturChimney temperature

Claims (15)

Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Abwärme (A), wobei die Abwärme (A) eine Temperatur (TA) von ≥ 200°C aufweist und eine Kältemittelverdampfungseinheit (5) bestehend aus einem ersten Wärmetauscher, insbesondere einer Verdampfungseinheit (11), und einem zweiten Wärmetauscher, insbesondere einer Vorwärmeinheit (12), durchströmt, wobei • das verwendete Kältemittel (C) zuerst um einen Faktor 15 bis 25 verdichtet wird; • das hoch komprimierte Kältemittel (C) durch einen Rekuperator (17) geleitet und dabei grunderwärmt wird, • das hoch komprimierte, grunderwärmte Kältemittel (C) durch den zweiten Wärmetauscher geleitet und dabei vorgewärmt wird; • das hoch komprimierte und vorgewärmte Kältemittel (C) durch den ersten Wärmetauscher geleitet, dabei weiter erhitzt und zu Kältemittel- Dampf (Cg) verdampft wird; • wobei der erhitzte Kältemittel- Dampf (Cg) anschließend in einer Turbine (18) entspannt wird und • wobei die dabei freigesetzte Energie verwendet wird, um einen Generator (19) anzutreiben. A method for generating electric power from waste heat (A), wherein the waste heat (A) has a temperature (T A ) of ≥ 200 ° C and a refrigerant evaporation unit (5) consisting of a first heat exchanger, in particular an evaporation unit (11), and a second heat exchanger, in particular a preheating unit (12), flows through, wherein • the refrigerant used (C) is first compressed by a factor of 15 to 25; The highly compressed refrigerant (C) is passed through a recuperator (17) and thereby becomes more thoroughly heated, • the highly compressed, green-heated refrigerant (C) is passed through the second heat exchanger and preheated; • passing the highly compressed and preheated refrigerant (C) through the first heat exchanger, continuing to heat and evaporate to refrigerant vapor (Cg); • wherein the heated refrigerant vapor (Cg) is subsequently expanded in a turbine (18) and • wherein the energy released thereby is used to drive a generator (19). Verfahren nach Anspruch 1, wobei • das Kältemittel (C) einen Kondensationsdruck zwischen 1 bis 1,6 bar aufweist; • das Kältemittel (C) mittels einer Kältemittelpumpe (16) auf einen Druck (pC2) von ca. 25 bar verdichtet wird, • das auf ca. 25 bar komprimierte Kältemittel (C) durch einen Rekuperator (17) geleitet und dabei auf eine Temperatur (TC4) von ca. 100 °C bis 120 °C grunderwärmt wird, • das hoch komprimierte Kältemittel (C) durch den als Vorwärmeinheit (12) ausgebildeten zweiten Wärmetauscher geleitet und dabei auf eine Vorwärmtemperatur (TC6) von ca. 160°C erwärmt wird; • das hoch komprimierte und vorgewärmte Kältemittel (C) durch den als Verdampfungseinheit (11) ausgebildeten ersten Wärmetauscher geleitet, dabei auf eine Verdampfungstemperatur ca. 180°C (TC7) erhitzt und zu Kältemittel- Dampf (Cg) verdampft wird; • wobei der erhitzte Kältemittel- Dampf (Cg) anschließend in einer als Turboexpansionsmaschine ausgebildeten Turbine(18) auf den Kondensationsdruck (pC9) zwischen 1 bis 1,6 bar entspannt wird und • wobei die dabei freigesetzte Energie verwendet wird, um einen Generator (19) anzutreiben. The method of claim 1, wherein • the refrigerant (C) has a condensation pressure between 1 to 1.6 bar; The refrigerant (C) is compressed by means of a refrigerant pump (16) to a pressure (p C2 ) of approximately 25 bar, • the refrigerant (C) compressed to approx. 25 bar is passed through a recuperator (17) and, in the process, is heated to a temperature (T C4 ) of approx. 100 ° C to 120 ° C, • the highly compressed refrigerant (C) is passed through the second heat exchanger designed as a preheating unit (12) and heated to a preheating temperature (T C6 ) of about 160 ° C; The highly compressed and preheated refrigerant (C) is passed through the first heat exchanger designed as evaporation unit (11), heated to an evaporation temperature of approximately 180 ° C. (T C7 ) and evaporated to refrigerant vapor (Cg); In which the heated refrigerant vapor (Cg) is subsequently expanded in a turbine (18) designed as a turboexpander to the condensation pressure (p C9 ) between 1 to 1.6 bar, and • wherein the energy released thereby is used to drive a generator (19). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der aus der Turbine (18) austretende und entspannte Kältemitteldampf (Cg) eine Temperatur (TC9) von ca. 120°C bis 130°C aufweist, wobei der Kältemitteldampf (Cg) zum Rekuperator (17) geleitet wird und wobei die Temperatur (TC9) des heißen und entspannten Kältemitteldampfs (Cg) verwendet wird, um kaltes, flüssiges, hoch komprimiertes Kältemittel (C) von einer Temperatur (TC3) von ca. 30°C bis 60 °C auf eine Grundwärme (TC4) von ca. 100°C bis 120°C vorzuwärmenMethod according to claim 1 or 2, wherein the refrigerant vapor (Cg) emerging from the turbine (18) has a temperature (T C9 ) of approximately 120 ° C to 130 ° C, the refrigerant vapor (Cg) being fed to the recuperator (17 ) and wherein the temperature (T C9 ) of the hot and relaxed refrigerant vapor (Cg) is used to cool the liquid high-pressure refrigerant (C) from a temperature (T C3 ) of about 30 ° C to 60 ° C preheat to a base heat (T C4 ) of approx. 100 ° C to 120 ° C Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zu nutzende Abwärme (A) die Verdampfungseinheit (11) gleichsinnig zur Bewegungsrichtung des Kältemittels (C) durchströmt und die Vorwärmeinheit (12) gegenläufig zur Bewegungsrichtung des Kältemittels (C) durchströmt und wobei die Abwärme (A) in der Verdampfungseinheit (11) um ca. 200K abgekühlt wird, insbesondere wobei die in die Verdampfungseinheit (11) eingeleitete Abwärme (A) eine Eingangstemperatur (TA1) von ca. 500°C und eine Ausgangstemperatur (TA2) von ca. 300°C aufweist, und wobei die Abwärme (A) anschließend in der Vorwärmeinheit (12) um ca. 130K bis 180K abgekühlt wird, insbesondere wobei die in die Vorwärmeinheit (12) weitergeleitete Abwärme (A) eine Eingangstemperatur (TA3) von ca. 300°C und eine Ausgangstemperatur (TA4) von ca. 120°C bis ca. 170°C aufweist, die in etwa der Eintrittstemperatur des Kamins (TK) entspricht.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the waste heat to be used (A) flows through the evaporation unit (11) in the same direction to the direction of movement of the refrigerant (C) and the preheating unit (12) flows in opposite directions to the direction of movement of the refrigerant (C) and wherein the waste heat (A) in the evaporation unit (11) is cooled by about 200K, in particular wherein the waste heat (A) introduced into the evaporation unit (11) has an inlet temperature (T A1 ) of about 500 ° C and an outlet temperature (T A2 ) of 300 ° C, and wherein the waste heat (A) is then cooled in the preheating unit (12) by about 130K to 180K, in particular wherein the in the preheating unit (12) forwarded waste heat (A) an inlet temperature (T A3 ) of about 300 ° C and an initial temperature (T A4 ) of about 120 ° C to about 170 ° C, which corresponds approximately to the inlet temperature of the chimney (T K ). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei als Kältemittel (C) eine azeotrophe Mischung auf der Basis von Perfluorpolyether (PFPE) eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein as refrigerant (C) an azeotropic mixture based on perfluoropolyether (PFPE) is used. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die als Kältemittel (C) verwendete azeotrophe Mischung Pentafluorbutan umfasst.A method according to claim 5, wherein the azeotrope mixture used as the refrigerant (C) comprises pentafluorobutane. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Abwärme (A) mit einem Kältemittelspeicher (15), einer Kältemittelpumpe (16), einem Rekuperator (17), einer Kältemittelverdampfungseinheit (5), einer Turbine (18) und einem Generator (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelverdampfungseinheit (5) zweistufig aufgebaut ist und aus einem ersten Wärmetauscher und einem zweiten Wärmetauscher, insbesondere aus einer Verdampfungseinheit (11) und einer Vorwärmeinheit (12), besteht.Device for generating electric power from waste heat (A) with a refrigerant reservoir (15), a refrigerant pump (16), a recuperator (17), a refrigerant evaporation unit (5), a turbine (18) and a generator (19), characterized in that the refrigerant evaporation unit (5) is constructed in two stages and consists of a first heat exchanger and a second heat exchanger, in particular of an evaporation unit (11) and a preheating unit (12). Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorwärmeinheit (12) horizontal liegend angeordnet ist und wobei die Verdampfungseinheit (11) in einem Winkel von ca. 45°C zur Vorwärmeinheit (12) angeordnet ist.Apparatus according to claim 7, wherein the preheating unit (12) is arranged lying horizontally and wherein the evaporation unit (11) is arranged at an angle of approximately 45 ° C to the preheating unit (12). Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorwärmeinheit (12) horizontal liegend in einer Ebene oberhalb der Verdampfungseinheit (11) angeordnet ist und wobei die Verdampfungseinheit (11) in einem Winkel von ca. 45 °C zur Vorwärmeinheit (12) angeordnet ist, so dass das Kältemittel (C) die Verdampfungseinheit (11) nach unten gerichtet durchströmt.Apparatus according to claim 8, wherein the preheating unit (12) is arranged horizontally in a plane above the evaporation unit (11) and wherein the evaporation unit (11) is arranged at an angle of about 45 ° C to the preheating unit (12), so that the refrigerant (C) flows through the evaporation unit (11) directed downwards. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Kältemittelpumpe (16) eine Hochdruck-Kreiselpumpe zur Verdichtung des Kältemittels (C) um einen Faktor 15 bis 25 ist.Device according to one of claims 7 to 9, wherein the refrigerant pump (16) is a high-pressure centrifugal pump for compressing the refrigerant (C) by a factor of 15 to 25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Kältemittelpumpe (16) als ein- oder zweistufige Pumpe (16a, 16b) zur Verdichtung des Kältemittels (C) um einen Faktor 15 bis 25 ausgebildet ist.Device according to one of claims 7 to 9, wherein the refrigerant pump (16) as a one- or two-stage pump (16a, 16b) for compressing the refrigerant (C) by a factor of 15 to 25 is formed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Kältemittel (C) eine azeotrophe Mischung auf der Basis von Perfluorpolyether (PFPE) ist.Device according to one of claims 7 to 11, wherein the refrigerant (C) is an azeotropic mixture based on perfluoropolyether (PFPE). Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die als Kältemittel (C) verwendete azeotrophe Mischung Pentafluorbutan umfasst.Apparatus according to claim 12, wherein the azeotropic mixture used as refrigerant (C) comprises pentafluorobutane. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Turbine (18) eine Turboexpansionsmaschine ist, durch die der hoch verdichtete und erhitzte Kältemittel- Dampf (Cg) auf einen Druck zwischen 1 bar bis 2 bar, vorzugsweise zwischen 1 bar bis 1,6 bar, entspannbar istDevice according to one of claims 7 to 13, wherein the turbine (18) is a turboexpander, through which the highly compressed and heated refrigerant vapor (Cg) to a pressure between 1 bar to 2 bar, preferably between 1 bar to 1.6 bar, is relaxing Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Abwärme (A) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.Apparatus for generating waste electrical energy (A) according to a method according to any one of claims 1 to 6.
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4334409A (en) 1979-02-22 1982-06-15 Societe D'etudes De Machines Thermiques S.E.M.T. Device for recovering heat energy in a supercharged internal-combustion engine
DE102006028746A1 (en) * 2006-06-20 2007-12-27 Gesellschaft für Motoren und Kraftanlagen mbH Device for converting thermal energy into mechanical energy, comprises evaporator, turbine, recuperator and condenser, where organic working fluid is tetramethylsilane and has specific pressure and temperature
US20080115922A1 (en) 2006-11-15 2008-05-22 Jon Horek Heat recovery system and method
WO2008061271A1 (en) * 2006-11-23 2008-05-29 Mahle König Kommanditgesellschaft Gmbh & Co Method for converting heat energy and rotary vane piston motor
DE102007062085A1 (en) 2007-12-21 2009-06-25 Conpower Energieanlagen Gmbh & Co Kg. Method and device for generating electricity from heat
DE102009049476A1 (en) 2009-10-15 2011-04-28 Ulrich Schmid Method for generating electric current from waste heat of block heating station, involves utilizing turbine as expansion element, and carrying out cooling of generator by expanded cooling steam flow of working fluid
WO2011073469A1 (en) * 2009-12-15 2011-06-23 /Andaluza De Sistemas Y Control Energetico, S.L. Geothermal plant with system for generating electricity and modulating power
WO2012064477A2 (en) 2010-11-10 2012-05-18 E. I. Du Pont De Nemours And Company Compositions comprising cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene and 2-difluoromethoxy-1,1,1,2-tetrafluoroethane and uses thereof
US20120131918A1 (en) 2009-09-17 2012-05-31 Echogen Power Systems, Llc Heat engines with cascade cycles

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4334409A (en) 1979-02-22 1982-06-15 Societe D'etudes De Machines Thermiques S.E.M.T. Device for recovering heat energy in a supercharged internal-combustion engine
DE102006028746A1 (en) * 2006-06-20 2007-12-27 Gesellschaft für Motoren und Kraftanlagen mbH Device for converting thermal energy into mechanical energy, comprises evaporator, turbine, recuperator and condenser, where organic working fluid is tetramethylsilane and has specific pressure and temperature
US20080115922A1 (en) 2006-11-15 2008-05-22 Jon Horek Heat recovery system and method
WO2008061271A1 (en) * 2006-11-23 2008-05-29 Mahle König Kommanditgesellschaft Gmbh & Co Method for converting heat energy and rotary vane piston motor
DE102007062085A1 (en) 2007-12-21 2009-06-25 Conpower Energieanlagen Gmbh & Co Kg. Method and device for generating electricity from heat
US20120131918A1 (en) 2009-09-17 2012-05-31 Echogen Power Systems, Llc Heat engines with cascade cycles
DE102009049476A1 (en) 2009-10-15 2011-04-28 Ulrich Schmid Method for generating electric current from waste heat of block heating station, involves utilizing turbine as expansion element, and carrying out cooling of generator by expanded cooling steam flow of working fluid
WO2011073469A1 (en) * 2009-12-15 2011-06-23 /Andaluza De Sistemas Y Control Energetico, S.L. Geothermal plant with system for generating electricity and modulating power
WO2012064477A2 (en) 2010-11-10 2012-05-18 E. I. Du Pont De Nemours And Company Compositions comprising cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene and 2-difluoromethoxy-1,1,1,2-tetrafluoroethane and uses thereof

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