EP3000993A1 - Vorrichtung zur energieerzeugung, insbesondere orc-anlage - Google Patents

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EP3000993A1
EP3000993A1 EP15185880.0A EP15185880A EP3000993A1 EP 3000993 A1 EP3000993 A1 EP 3000993A1 EP 15185880 A EP15185880 A EP 15185880A EP 3000993 A1 EP3000993 A1 EP 3000993A1
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EP
European Patent Office
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bar
heat exchanger
refrigerant
heat
condenser
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15185880.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Maul
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Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to a device for generating energy with a closed circuit for a refrigerant comprising at least one heat exchanger, at least one arranged in a closed circuit means for driving a power generator, a condenser and at least one heat source.
  • ORC Organic Cycle
  • a low-boiling organic substance such as hydrocarbon or silicone oils circulates in a thermodynamic cycle.
  • Such an ORC system is sold, for example, by CONPOWERtechnik GmbH & Co. KG, Schwarze Booth 17, 34260 Kaufungen.
  • CONPOWERtechnik enables the use of residual or waste heat with temperatures above 85 ° C to generate electricity.
  • such a low-temperature ORC system can use the waste heat from exhaust and / or engine cooling in a combined heat and power plant.
  • an ORC system has been disclosed that includes a closed loop power generation apparatus for a refrigerant.
  • the device according to the WO 2014/141072 A1 has the Further, a heat exchanger and a closed circuit in the heat exchanger downstream device for driving a generator. A heat input into the heat exchanger is in the WO 2014/141072 A1 not described.
  • the DE 195 33249 C1 describes a turbomachine for generating mechanical work from thermal energy.
  • the US 2011/0137522 A1 shows a controller for a condenser impeller of a car air conditioning.
  • the US 2009/0211253 A1 describes an ORC system in which the turbine of the ORC system is mechanically coupled to a machine.
  • the ORC subsystem of the ORC plant extracts heat from the input air of the engine, the coolant, the oil or the exhaust gas.
  • the WO 03/019085 describes a method and apparatus for controlling the capacity of a vapor compression cylinder.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a system which offers an even higher energy efficiency than the currently known ORC systems.
  • this object is achieved by a device according to claim 1, a method according to claim 8 and a use according to claim 13.
  • the device for generating energy is designed so that in the heat exchanger such an energy input from a heat source takes place that the refrigerant is heated to a temperature in the range of 30 ° C to 50 ° C, preferably 30 ° C to 40 ° C and a pressure in the Range 80 bar to 8 bar, preferably 70 bar to 13 bar, is brought to the heat exchanger and before entering the at least one turbine.
  • the refrigerant is in particular one of the following refrigerants R134a, R410a, R407c, R404, R744, R245.
  • the refrigerant then has such a vapor pressure that the means for driving a generator provides a sufficient amount of current at the downstream generator.
  • the particularly preferred refrigerant R134a is 1,1,1,2-tetrafluoroethane, a hydrocarbon which is used as propellant and refrigerant as an alternative to fluorine-chlorine-hydrocarbon and in contrast to the fluorine-chlorine hydrocarbons no has a destructive effect on the ozone layer.
  • the device can be operated in particular with CO 2 as a refrigerant, which has the advantage of incombustibility and is hardly harmful to the environment.
  • the refrigerant CO 2 is also called R744.
  • a plurality of heat sources in question for example, a boiler for fossil fuels, a biogas plant or other heat sources. It is particularly preferred if a condenser of a second cooling circuit is used as the heat source.
  • a cooling device which is operated for example with a CO 2 refrigerant (R744) and finds installations in rooms for cooling, can be designed very efficiently, since the waste heat necessarily in the condenser in the liquefaction of the refrigerant through the downstream Low-temperature ORC plant can be used. This is of particular interest in supermarket chains, which often have very large refrigerators with a large number of condensers.
  • the waste heat generated in the cooling circuits can then be effectively used to generate electricity.
  • the waste heat of the condenser of a second cooling circuit is not so energy rich and therefore heats the guided over the heat exchanger refrigerant of the ORC system to only very low temperatures, for example 30 ° C to 50 ° C and pressures of at least 80 bar to 8 bar, preferably 70 bar to 13 bar.
  • very low temperatures for example 30 ° C to 50 ° C and pressures of at least 80 bar to 8 bar, preferably 70 bar to 13 bar.
  • the inventors have surprisingly found that the operation of an ORC system at such low temperatures, for example, is possible if as a device for driving a generator, a turbine, in particular a scroll expander with a power between 1 kW and 200kW, in particular 1 kW to 60kW , preferably 1 kW to 10 kW, is used.
  • a turbine in particular a scroll expander with a power between 1 kW and 200kW, in particular 1 kW to 60kW , preferably 1 kW to 10 kW
  • An example of such a scroll expander is the Scroll Expander offered by Air Squared Inc., 3001 Industrial In # 3 Broomfield, CO 80020, USA under the type designation E15H22N4.25 for 1 kW power and under the type designation E25H61N5.0 for 10kW power thereof Disclosure is fully included.
  • the speed is at a maximum of 3600 rpm.
  • the aforementioned Scroll Expander are preferably designed with a magnetic coupling and are characterized by extensive maintenance freedom.
  • an additional subcooler is provided in a developed embodiment.
  • the subcooler can be supplied with refrigerant, passing it through an expansion valve before the subcooler to cool it. It is particularly preferred if this feed is regulated.
  • a control or regulation can be provided.
  • the temperature after the condenser is for this purpose determined with a sensor and controlled or regulated depending on this temperature, a solenoid valve in the supply line to the subcooler.
  • the invention also provides a method for generating energy, in particular electrical energy, wherein preferably an ORC system is used.
  • energy in particular electrical energy
  • heat in particular waste heat
  • a coolant and the refrigerant fed via a heat exchanger in a closed cooling circuit a coolant and the refrigerant to a temperature in the range of 30 ° C to 50 ° C, preferably 30 ° C to 40 ° C, heated and to a Pressure in the range 80 bar to 8 bar, preferably 70 bar to 13 bar brought.
  • the heated and pressurized refrigerant is passed through a device for driving a generator, in particular a scroll expander and relaxed so that the device is driven and the expanded refrigerant to a temperature in the range 20 ° C to 35 ° C, preferably 20 ° C to 32 ° C, and a pressure in the range 56 bar to 6 bar, preferably 50 bar to 6 bar, relaxed.
  • a condenser is provided in the cooling circuit after the scroll expander and before the heat exchanger.
  • a subcooler is introduced between the condenser and the heat exchanger, which is used in particular at high outside temperatures of + 30 ° C to + 40 ° C. Due to the low temperature and the low pressure after the scroll expander, it is possible in the present device to use a condenser with a fan with a very low power consumption of only 200W. Even this small power input is sufficient for liquefying the refrigerant.
  • the pressure difference between the inlet to the condenser and the outlet is 20 to 2 bar, preferably 8 bar to 4 bar, ie the pressure of the refrigerant after the condenser 20 to 2 bar, preferably 8 bar to 4 bar, lower.
  • the turbine in turn drives a power generator to generate electricity. Subsequently, the expanded refrigerant is again supplied to the heat exchanger.
  • the waste heat of a further cooling circuit in particular the waste heat of a condenser of the second cooling circuit, for. B. in a supermarket, is used.
  • ORC system is heated via a formed as a plate exchanger heat exchanger 3, for example, with a temperature of 25 ° C via supply line 5 supplied coolant to a temperature of 30 ° C in the output line 7.
  • the temperature of 30 ° C in line 7 extends at a pressure of 10 bar, which has the refrigerant in line 7, the scroll expander 9, which has a power in the range 1 to 60 kW, preferably 1 to 10 kW, to drive and generate electricity in the generator, not shown.
  • pressure measuring points 11.1, 11.2 are provided to detect a pressure drop, which may occur in line 7.
  • a Kugelabsperrventil 13 is arranged in line 7.
  • a running back of located in line 7 refrigerant into the heat exchanger 3 prevents arranged in line 7 check valve 15th
  • the condenser 20 Downstream of the scroll expander 9 in the closed cooling circuit, in the present embodiment, there is a condenser 20, in which the refrigerant, for example R134a, which has been expanded in the turbine, is liquefied again. After the condenser, the pressure of the refrigerant is 20 to 2 bar lower.
  • the condenser may advantageously comprise a fan and a very low power consumption of only 200W.
  • a pressure gauge 11.3 Downstream of the condenser 20 is again a pressure gauge 11.3.
  • the promotion of the coolant takes place with a pump 30, which is preferably designed as a gear pump.
  • the flow through the pump 30 can be shut off by means of ball valves 23, 33, check valve 35 prevents running back of the cooling liquid in the pump 30th
  • the liquefied coolant is collected and fed from the reservoir 40 again from the heat source or the plate exchanger via line 5.
  • the pressure before entering the plate exchanger is monitored with pressure measuring valve 11.4. The reservoir ensures that coolant is always available.
  • Fig. 2 is an embodiment of a low temperature ORC plant according to Fig. 1 shown, wherein the waste heat of the condenser, which is introduced at the heat exchanger in the cooling circuit for driving the scroll expander, a cooling system of conventional design, for example, operated with CO 2 as a refrigerant cooling system.
  • a cooling system can be used in a variety of areas, such as a cooling system for computer systems, such as in the WO 2012/000254 or the WHERE 2012/116769 disclosed.
  • the condenser of the second cooling circuit is designated by reference numeral 100.
  • the waste heat produced in the condenser of the conventional cooling circuit is conducted via the heat exchanger 3 to the scroll expander 9 of the ORC system. Same components as in Fig. 1 are marked with the same reference numbers.
  • the second cooling circuit has a reservoir 400 and not shown cooling points 500. Such a system in which the waste heat of the cooling circuit is used for the generation of electrical energy is particularly energy efficient.
  • the low-temperature ORC plant includes, as in FIG. 1 described, designed as a plate exchanger heat exchanger 203, for example, a coolant via a line 205 with a temperature of 20 to 25 ° C and 50 to 60 bar pressure is supplied.
  • the coolant supplied at a low temperature via supply line 205 is heated by the heat of a heat source (not shown) supplied via line 302 to the heat exchanger.
  • the heat for example, another condenser of another cooling circuit, eg. B. a supermarket chain or a boiler for fossil fuels or a biogas plant.
  • the temperature in the line 302 is, for example, between 30 and 35 ° C.
  • the temperature is cooled by the heat exchanger, so that the heat source via line 304, a liquid or refrigerant at temperatures of 20 to 25 ° C is supplied.
  • heated coolant is discharged via output line 207.
  • the temperature of the discharged and heated coolant is between 30 and 35 ° C, the pressure between 5 and 80 bar, preferably 50 to 80 bar, in particular 70 bar.
  • the Exit line 207 includes a branch 306.
  • Branch 306 branches output line 207 into a line 308 leading to a turbine or scroll expander 209 and a line 312 leading to an additional subcooler 300.
  • the additional subcooler 300 serves to further cool the coolant supplied via line 322 from the liquefier 1100 at high temperatures of, for example, more than 40.degree.
  • the further cooled coolant is passed via line 324 to the collector 360 and from there via line 362 and 205 to the heat exchanger 203.
  • the supplied via line 308 of the turbine or the scroll expander 209 liquid has a temperature in the range 30 to 35 ° C and a pressure of for example 50 to 80 bar and drives the turbine, which in turn generates electricity.
  • a gas valve 310 is arranged, which, however, for example, only at a temperature of 30 to 35 ° C is open.
  • the other part of the output line 207 branches into the line 312 leading to the subcooler 300.
  • a solenoid valve 354 and an expansion valve 354 are provided in line 312, a solenoid valve 354 and an expansion valve 354 are provided. With the aid of the expansion valve 354, the cooling liquid guided to the subcooler 300 is further cooled. Solenoid valve 354 is controllable and serves to release or close conduit 312.
  • the turbine or the scroll expander 209 is followed by a condenser 1100, which serves to liquefy the medium emerging from the turbine or the scroll expander, ie to bring it to a low temperature.
  • the medium exiting from the condenser 1100 for example a cooling liquid, is at a low temperature and is supplied to the subcooler 300 via feed line 322.
  • the low-temperature medium is optionally further cooled via line 322 and passed via line 324 to the collector 360.
  • All circulations of media such as coolant, are pumped by a pump 350.
  • the further cooled coolant in line 324 is fed to the heat exchanger 203.
  • a device is specified for the first time, which makes it possible with refrigerants with temperatures below 50 ° C to drive a device for driving a generator and thus a generator itself and generate electricity, which achieves a high energy efficiency, especially in combination with refrigerant devices for cooling
  • the waste heat for example from a cold chain.
  • the inventive ORC system with a scroll expander as a device for driving a generator allows the recovery of the waste heat of the condenser from the second cooling circuit. As a result, the energy balance of the entire system consisting of a cooling unit and an ORC system is significantly improved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel, umfassend wenigstens einen Wärmetauscher (3), insbesondere einen Plattentauscher; wenigstens eine im geschlossenen Kreislauf dem Wärmetauscher nachgeordnete Vorrichtung (9) zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll-Expanders; wenigstens eine Wärmequelle, wenigstens einen Verflüssiger (20), insbesondere mit einem Lüfter, wobei der Wärmetauscher aus der Wärmequelle einen derartigen Energieeintrag in das Kältemittel aufweist, das das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich von 30° C bis 50° C, bevorzugt 30° C bis 40° C, erhitzt und auf einen Druck im Bereich 8 bar bis 80 bar, bevorzugt 13 bar bis 70 bar, nach dem Wärmetauscher und vor dem Eintritt in die wenigstens eine Einrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll-Expanders, gebracht wird

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel, umfassend wenigstens einen Wärmetauscher, wenigstens eine im geschlossenen Kreislauf angeordnete Einrichtung zum Antrieb eines Stromgenerators, einen Verflüssiger sowie wenigstens einer Wärmequelle.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine sogenannte ORC (Organic Cycle)-Anlage. ORC ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der die Stromgewinnung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen auf Basis eines organischen Kältemittels ermöglicht. Bei der ORC-Technologie wird Abwärme über einen Wärmetauscher geführt, der das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf erhitzt. Dadurch wird schon bei niedrigen Temperaturen ein hoher Dampfdruck aufgebaut, der dazu benutzt wird, eine Turbine anzutreiben, die wiederum mit einem Stromgenerator verbunden ist. Das über der Turbine entspannte Medium wird wiederum verflüssigt, abgekühlt und dem Verdampfungsprozess erneut zugeführt.
  • Beim ORC-Prozess zirkuliert in einem thermodynamischen Kreisprozess somit anstelle von Wasser ein niedrig siedender organischer Stoff wie Kohlenwasserstoff oder Silikonöle. Eine derartige ORC-Anlage wird beispielsweise von der CONPOWER Technik GmbH & Co. KG, Schwarze Breite 17, 34260 Kaufungen, vertrieben. Die von CONPOWER Technik vertriebene Niedertemperatur-ORC-Anlage ermöglicht eine Nutzung von Rest- oder Abfallwärme mit Temperaturen ab 85° C zur Erzeugung von Strom. Beispielsweise kann eine derartige Niedertemperatur-ORC-Anlage die Abwärme aus Abgas- und/oder Motorkühlung bei einem Blockheizkraftwerk nutzen.
  • Aus der WO 2014/141072 A1 ist eine ORC-Anlage bekannt geworden, die eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel umfasst. Die Vorrichtung gemäß der WO 2014/141072 A1 weist des Weiteren einen Wärmetauscher sowie eine im geschlossenen Kreislauf dem Wärmetauscher nachgeordnete Einrichtung zum Antrieb eines Generators auf. Ein Wärmeeintrag in den Wärmetauscher ist in der WO 2014/141072 A1 nicht beschrieben.
  • Die DE 195 33249 C1 beschreibt eine Strömungsmaschine zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie.
  • Die US 2011/0137522 A1 zeigt eine Steuerung für ein Kondensorflügelrad einer Autoklimaanlage.
  • Aus der US 2010/0212873 A1 ist eine Wärmepumpe bekannt geworden.
  • Die US 2009/0211253 A1 beschreibt eine ORC-Anlage, bei der die Turbine der ORC-Anlage mechanisch an eine Maschine gekoppelt ist. Das ORC-Sub-System der ORC-Anlage extrahiert Wärme aus der Eingangsluft der Maschine, dem Kühlmittel, dem Öl oder dem Abgas.
  • Die US 2008/0289344 A1 beschreibt ein transkritisches Kühlsystem.
  • Aus der WO 2008/121070 A1 ist eine Schneckenrotormaschine mit einem Energieumwandlungssystem bekannt geworden.
  • Die WO 03/019085 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Kapazität eines Dampfkompressionszylinders.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein System anzugeben, das eine noch höhere Energieeffizienz als die derzeit bekannten ORC-Anlagen bietet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 8 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 13 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Energieerzeugung so ausgelegt, dass im Wärmetauscher ein derartiger Energieeintrag aus einer Wärmequelle erfolgt, dass das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich von 30° C bis 50° C, bevorzugt 30° C bis 40° C erhitzt und einen Druck im Bereich 80 bar bis 8 bar, bevorzugt 70 bar bis 13 bar, nach dem Wärmetauscher und vor dem Eintritt in die wenigstens eine Turbine gebracht wird. Das Kältemittel ist insbesondere eines der nachfolgenden Kältemittel R134a, R410a, R407c, R404, R744, R245. Das Kältemittel hat dann einen derartigen Dampfdruck, dass die Einrichtung zum Antrieb eines Generators eine ausreichende Strommenge am nachgeschalteten Generator zur Verfügung stellt. Bei dem besonders bevorzugt verwandten Kältemittel R134a handelt es sich um 1,1,1,2-Tetrafluorethan, einem Kohlenwasserstoff, der als Treib- und Kältemittel alternativ zu Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoff Verwendung findet und im Gegensatz zu den Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen keine zerstörende Wirkung auf die Ozonschicht hat.
  • Die Vorrichtung kann insbesondere auch mit CO2 als Kältemittel betrieben werden, das den Vorteil der Nichtbrennbarkeit hat und kaum umweltgefährdend ist. Das Kältemittel CO2 wird auch als R744 bezeichnet.
  • Als Wärmequellen zum Eintrag von Wärme in den Wärmetauscher und damit Erhitzen des Kühlmittels kommen eine Vielzahl von Wärmequellen in Frage, beispielsweise ein Kessel für fossile Brennstoffe, eine Biogasanlage oder andere Wärmequellen. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn als Wärmequelle ein Verflüssiger eines zweiten Kühlkreislaufs verwandt wird. Auf diese Art und Weise kann eine Kühleinrichtung, die beispielsweise mit einem CO2-Kältemittel (R744) betrieben wird und Aufstellungen in Räumen zur Kühlung findet, sehr effizient ausgestaltet werden, da die notwendigerweise im Verflüssiger anfallende Abwärme bei der Verflüssigung des Kältemittels durch die nachgeschaltete Niedertemperatur-ORC-Anlage genutzt werden kann. Dies ist insbesondere in Supermarktketten von Interesse, die oftmals über sehr große Kühlanlagen mit einer Vielzahl von Verflüssigern verfügen. Die in den Kühlkreisläufen anfallende Abwärme kann dann effektiv zur Stromerzeugung genutzt werden. Im Gegensatz zu anderen Wärmequellen, wie beispielsweise ein Kessel für fossile Brennstoffe oder eine Biogasanlage, ist die Abwärme des Verflüssigers eines zweiten Kühlkreislaufs nicht so energiereich und erwärmt daher das über dem Wärmetauscher geleitete Kältemittel der ORC-Anlage auf nur sehr niedrige Temperaturen von beispielsweise 30° C bis 50° C und Drücken von wenigstens 80 bar bis 8 bar, bevorzugt 70 bar bis 13 bar. Trotz dieser niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücke ist es mit der erfindungsgemäßen ORC-Anlage möglich, über einen der Einrichtung zum Antrieb eines Generators nachgeschalteten Generator Strom zu erzeugen und somit die Energieeffizienz, beispielsweise einer Kühlanlage in einem Supermarkt deutlich zu steigern, da die Abwärme der Kühlanlage nunmehr genutzt werden kann. Die Erfinder haben überraschenderweise herausgefunden, dass der Betrieb einer ORC- Anlage bei derart niedrigen Temperaturen beispielsweise dann möglich ist, wenn als Einrichtung zum Antrieb eines Generators eine Turbine, insbesondere ein Scroll Expander mit einer Leistung zwischen 1 kW und 200kW, insbesondere 1 kW bis 60kW, bevorzugt 1 kW bis 10 kW, eingesetzt wird. Ein Beispiel für einen derartigen Scroll Expander ist der Scroll Expander von Air Squared Inc., 3001 Industrial In #3 Broomfield, CO 80020, USA unter der Typenbezeichnung E15H22N4.25 für 1 kW Leistung und unter der Typenbezeichnung E25H61N5.0 für 10kW Leistung angeboten deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich mit eingeschlossen wird. Die Drehzahl liegt dabei bei maximal 3600 U/min. Die zuvor genannten Scroll Expander sind bevorzugt mit einer Magnetkupplung ausgeführt und zeichnen sich durch weitgehende Wartungsfreiheit aus.
  • Um bei hohen Temperaturen von beispielsweise 40° C noch eine ausreichende Abkühlung des Kältemittels zu erreichen, bevor es erneut dem Wärmetauscher zugeführt wird, ist in einer fortgebildeten Ausführungsform ein zusätzlicher Unterkühler vorgesehen. Dem Unterkühler kann Kältemittel zugeführt werden, wobei dieses vor dem Unterkühler über ein Expansionsventil geführt wird, um es abzukühlen. Besonders bevorzugt ist es, wenn diese Zuführung geregelt erfolgt. Hierzu kann eine Steuerung bzw. Regelung vorgesehen sein. Die Temperatur nach dem Verflüssiger wird hierzu mit einem Fühler bestimmt und abhängig von dieser Temperatur ein Magnetventil in der Zuleitung zum Unterkühler gesteuert bzw. geregelt.
  • Neben der Vorrichtung stellt die Erfindung auch ein Verfahren zum Erzeugen von Energie, insbesondere elektrische Energie, zur Verfügung, wobei bevorzugt eine ORC-Anlage zum Einsatz kommt. Zur Erzeugung von Energie wird Wärme, insbesondere Abwärme, über einen Wärmetauscher in einem geschlossenen Kühlkreislauf einem Kühlmittel zugeführt und das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich von 30° C bis 50° C, bevorzugt 30° C bis 40° C, erhitzt und auf einen Druck im Bereich 80 bar bis 8 bar, bevorzugt 70 bar bis 13 bar, gebracht. Anschließend wird das erhitzte und unter Druck stehende Kältemittel über eine Einrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll Expanders geführt und entspannt, so dass wobei die Einrichtung angetrieben wird und das entspannte Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich 20° C bis 35° C, bevorzugt 20° C bis 32° C, und einem Druck im Bereich 56 bar bis 6 bar, bevorzugt 50 bar bis 6 bar, entspannt. Um das Kältemittel nachdem es in der Einrichtung zum Antrieb einer Turbine, insbesondere einem Scroll-Expander entspannt wurde, zu verflüssigen, bevor es erneut den Wärmetauscher zugeführt wird, ist ein Verflüssiger im Kühlkreislauf nach dem Scroll-Expander und vor dem Wärmetauscher vorgesehen. In einer weitergebildeten Ausführungsform wird zwischen Verflüssiger und Wärmetauscher noch ein Unterkühler eingebracht, der insbesondere bei hohen Außentemperaturen von + 30° C bis + 40° C zum Einsatz kommt. Aufgrund der niedrigen Temperatur und des niedrigen Drucks nach dem Scroll-Expander ist es bei vorliegender Vorrichtung möglich einen Verflüssiger mit einem Lüfter mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme von nur 200W zu verwenden. Bereits dieser geringe Leistungseintrag ist zur Verflüssigung des Kältemittels ausreichend. Der Druckunterschied zwischen dem Eintritt in den Verflüssiger und dem Austritt beträgt 20 bis 2 bar, bevorzugt 8 bar bis 4 bar, d.h. der Druck des Kältemittels ist nach dem Verflüssiger 20 bis 2 bar, bevorzugt 8 bar bis 4 bar, niedriger. Die Turbine wiederum treibt einen Stromgenerator zur Erzeugung von Strom an. Anschließend wird das entspannte Kältemittel erneut dem Wärmetauscher zugeführt.
  • Wie zuvor erwähnt, ist es besonders vorteilhaft, wenn in der erfindungsgemäßen ORC-Anlage die Abwärme eines weiteren Kühlkreislaufs, insbesondere die Abwärme eines Verflüssigers des zweiten Kühlkreislaufs, z. B. in einem Supermarkt, genutzt wird.
  • Die Erfindung soll nunmehr anhand der Figuren beispielhaft ohne Beschränkung hierauf beschrieben werden.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    das prinzipielle Bild einer ORC-Anlage für niedrige Temperaturen;
    Fig. 2
    ein System mit einem zweiten Kältekreislauf und Verflüssiger zur Zuführung von Energie in den ORC-Kältekreislauf;
    Fig. 3
    ein alternatives System mit einem zusätzlichen Verflüssiger
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten ORC-Anlage wird über ein als Plattentauscher ausgebildeten Wärmetauscher 3 ein beispielsweise mit einer Temperatur von 25° C über Zuführleitung 5 zugeführtes Kühlmittel auf eine Temperatur von 30° C in der Ausgangsleitung 7 erwärmt. Die Temperatur von 30° C in Leitung 7 reicht bei einem Druck von 10 bar, die das Kältemittel in Leitung 7 aufweist, aus, den Scroll-Expander 9 , der eine Leistung im Bereich 1 bis 60 kW, bevorzugt 1 bis 10 kW aufweist, anzutreiben und im nicht gezeigten Generator Strom zu erzeugen. In der Leitung 7 bis zum Scroll Expander 9 sind Druckmessstellen 11.1, 11.2 vorgesehen, um einen Druckabfall, der in Leitung 7 auftreten kann, zu detektieren.
  • Um einen Zufluss von Kühlmittel zum Scroll Expander 9 abbrechen zu können, ist in Leitung 7 ein Kugelabsperrventil 13 angeordnet. Ein Zurücklaufen von in Leitung 7 befindlichem Kältemittel in den Wärmetauscher 3 verhindert ein in Leitung 7 angeordnetes Rückschlagventil 15.
  • Im geschlossenen Kühlkreislauf dem Scroll Expander 9 nachgeordnet ist in vorliegender Ausgestaltung ein Verflüssiger 20, in dem das in der Turbine entspannte Kältemittel, beispielsweise R134a, wieder verflüssigt wird. Nach dem Verflüssiger ist der Druck des Kältemittels 20 bis 2 bar niedriger. Der Verflüssiger kann vorteilhafterweise einen Lüfter umfassen und eine sehr geringe Leistungsaufnahme von nur 200W.
  • Dem Verflüssiger 20 nachgeordnet ist wiederum ein Druckmessgerät 11.3. Die Förderung des Kühlmittels erfolgt mit einer Pumpe 30, die bevorzugt als Zahnradpumpe ausgestaltet ist. Der Fluss durch die Pumpe 30 kann mittels Kugelhähnen 23, 33 abgesperrt werden, Rückschlagventil 35 verhindert ein Zurücklaufen der Kühlflüssigkeit in die Pumpe 30.
  • In einem optional aber nicht notwendigen Vorratsbehälter 40 wird das verflüssigte Kühlmittel gesammelt und vom Vorratsbehälter 40 aus wiederum der Wärmequelle bzw. dem Plattentauscher über Leitung 5 zugeführt. Der Druck vor Eintritt in den Plattentauscher wird mit Druckmessventil 11.4 überwacht. Durch den Vorratsbehälter wird sichergestellt, dass immer ausrechend Kühlmittel zur Verfügung steht.
  • In Fig. 2 ist eine Ausgestaltung einer Niedertemperatur-ORC-Anlage gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei die Abwärme des Verflüssigers, die am Wärmetauscher in den Kühlkreislauf zum Antrieb des Scroll Expanders eingebracht wird, einer Kühlanlage konventioneller Bauart, beispielsweise einer mit CO2 als Kältemittel betriebenen Kühlanlage ist. Eine derartige Kühlanlage kann in vielfältigen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise als Kühlanlage für Computeranlagen, wie beispielsweise in der WO 2012/000254 oder der WO 2012/116769 offenbart. Auch konventionelle Kühlsysteme, wie sie beispielsweise in Warenhäusern oder Supermärkten sowie in der Industrie Verwendung finden, wären hier möglich.
  • Der Verflüssiger des zweiten Kühlkreislaufs ist mit Bezugsziffer 100 bezeichnet. Die im Verflüssiger des konventionellen Kühlkreislaufs anfallende Abwärme wird über den Wärmetauscher 3 zum Scroll Expander 9 der ORC-Anlage geleitet. Gleiche Bauteile wie in Fig. 1 sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Auch der zweite Kühlkreislauf weist einen Vorratsbehälter 400 auf sowie nicht dargestellte Kühlstellen 500. Eine derartige Anlage, bei der die Abwärme des Kühlkreislaufes für die Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird, ist besonders energieeffizient.
  • In Fig. 3 ist eine konkrete Ausgestaltung einer Niedertemperatur-ORC-Anlage mit einem zusätzlichen Unterkühler gezeigt.
    Die Niedrigtemperatur-ORC-Anlage ist vorliegend mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet. Die Niedertemperatur-ORC-Anlage umfasst, wie in Figur 1 beschrieben, einen als Plattentauscher ausgebildeten Wärmetauscher 203, dem beispielsweise ein Kühlmittel über eine Leitung 205 mit einer Temperatur von 20 bis 25 °C und 50 bis 60 bar Druck zugeführt wird. Das mit einer niedrigen Temperatur über Zuführleitung 205 zugeführte Kühlmittel wird durch die Wärme einer Wärmequelle (nicht dargestellt), die über Leitung 302 dem Wärmetauscher zugeführt wird, erwärmt. Die Wärme kann beispielsweise einem weiteren Verflüssiger eines weiteren Kühlkreislaufs, z. B. einer Supermarktkette oder einem Kessel für fossile Brennstoffe oder einer Biogasanlage entstammen. Die Temperatur in der Leitung 302 beträgt beispielsweise zwischen 30 und 35° C. Durch den Wärmetauscher wird die Temperatur abgekühlt, so dass der Wärmequelle über Leitung 304 eine Flüssigkeit bzw. Kältemittel mit Temperaturen von 20 bis 25° C zugeführt wird. Durch den Wärmetauscher 203 erwärmtes Kühlmittel wird über Ausgangsleitung 207 abgeführt. Dabei beträgt die Temperatur des abgeführten und erwärmten Kühlmittels zwischen 30 und 35° C, der Druck zwischen 5 und 80 bar, bevorzugt 50 bis 80 bar, insbesondere 70 bar. Die Ausgangsleitung 207 umfasst eine Verzweigung 306. Die Verzweigung 306 verzweigt die Ausgangsleitung 207 in eine Leitung 308, die zu einer Turbine bzw. einem Scroll Expander 209 führt und eine Leitung 312, die zu einem zusätzlichen Unterkühler 300 führt. Der zusätzliche Unterkühler 300 dient dazu, bei hohen Temperaturen von beispielsweise mehr als 40° C das über Leitung 322 zugeführte Kühlmittel vom Verflüssiger 1100 weiter abzukühlen. Das weiter abgekühlte Kühlmittel wird über Leitung 324 zum Sammler 360 geleitet und von dort weiter über Leitung 362 und 205 zum Wärmetauscher 203. Die über Leitung 308 der Turbine bzw. dem Scroll Expander 209 zugeführte Flüssigkeit hat eine Temperatur im Bereich 30 bis 35° C und einen Druck von beispielsweise 50 bis 80 bar und treibt die Turbine an, die wiederum Elektrizität erzeugt. In der Leitung 308 ist ein Gasventil 310 angeordnet, das allerdings beispielsweise nur bei einer Temperatur von 30 bis 35° C geöffnet ist. Der andere Teil der Ausgangsleitung 207 verzweigt in die Leitung 312, die zum Unterkühler 300 führt. In Leitung 312 ist ein Magnetventil 354 und ein Expansionsventil 354 vorgesehen. Mit Hilfe des Expansionsventils 354 wird die zum Unterkühler 300 geführte Kühlflüssigkeit weiter abgekühlt. Das Magnetventil 354 ist steuer- bzw. regelbar und dient dazu, Leitung 312 freizugeben bzw. zu schließen.
    Der Turbine bzw. dem Scroll Expander 209 ist ein Verflüssiger 1100 nachgeordnet, der dazu dient, das aus der Turbine bzw. dem Scroll Expander austretende Medium zu verflüssigen, d.h. auf eine niedrige Temperatur zu bringen . Das aus dem Verflüssiger 1100 austretende Medium, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, ist auf einer niederen Temperatur und wird dem Unterkühler 300 über Zuführleitung 322 zugeführt. Im Unterkühler 300 wird das Medium mit niederer Temperatur, das über Leitung 322 gegebenenfalls weiter abgekühlt und über Leitung 324 zum Sammler 360 geführt.
    Sämtliche Kreisläufe an Medien, beispielsweise Kühlmittel, werden durch eine Pumpe 350 umgepumpt. Das weiter abgekühlte Kühlmittel in Leitung 324 wird dem Wärmetauscher 203 zugeführt. Vorteil der Anlage gemäß Figur 3 mit einem Unterkühler ist, dass auch an sehr heißen Tagen ein sicherer Betrieb der Anlage gewährleistet ist.
  • In der Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung angegeben, die es ermöglicht, mit Kältemittel mit Temperaturen kleiner 50° C eine Einrichtung zum Antrieb eines Generators und damit einen Generator selbst anzutreiben und Strom zu erzeugen, wodurch insbesondere im Verbund mit Kältemitteleinrichtungen zum Kühlen eine hohe Energieeffizienz erreicht wird Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen System bei dem die Abwärme aus einem zweiten Kühlkreislauf, beispielsweise einer Kühlkette in Supermärkten, zur Erzeugung von elektrischer Energie verwandt wird, wurde bei Systemen im Stand der Technik, die Abwärme, beispielsweise aus einer Kühlkette. Die erfindungsgemäße ORC-Anlage mit einen Scroll Expander als Vorrichtung zum Antrieb eines Generators ermöglicht die Verwertung der Abwärme des Verflüssigers aus dem zweiten Kühlkreislauf. Dadurch wird die Energiebilanz des Gesamtsystems bestehend aus einem Kühlaggregat und einer ORC-Anlage erheblich verbessert.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel, umfassend
    - wenigstens einen Wärmetauscher (3), insbesondere einen Plattentauscher;
    - wenigstens eine im geschlossenen Kreislauf dem Wärmetauscher (3) nachgeordnete Einrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll-Expanders (9);
    - wenigstens eine Wärmequelle,
    - wenigstens einen Verflüssiger (20, 1000), insbesondere mit einem Lüfter,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Wärmetauscher (3) aus der Wärmequelle einen derartigen Energieeintrag in das Kältemittel aufweist, das das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich von 30° C bis 50° C, bevorzugt 30° C bis 40° C, erhitzt und einen Druck im Bereich 80 bar bis 8 bar, bevorzugt 70 bar bis 13 bar nach dem Wärmetauscher (3) und vor dem Eintritt in die wenigstens eine Einrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll-Expanders (9) gebracht wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kältemittel ausgewählt aus einem der nachfolgenden Kältemittel ist:
    R134a
    R410a
    R407c
    R744.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung des Weiteren einen Unterkühler (300), nachgeschaltet dem Wärmetauscher, umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einer Leitung (312) vom Wärmetauscher (203) zum Unterkühler wenigstens ein Expansionsventil (352), das für den nachgeschalteten Unterkühler (300) zur Verfügung steht, vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Leitung (312) vom Wärmetauscher (203) zum Unterkühler wenigstens ein steuer-/regelbares Magnetventil (354) vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einer Leitung (322) vom Verflüssiger (1100) zum Unterkühler (300) ein Temperaturfühler zur Steuerung/Regelung des Magnetventils (354) vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmequelle wenigstens eine der nachfolgenden Wärmequellen ist:
    ein weiterer Verflüssiger (100) eines weiteren Kühlkreislaufs;
    ein Kessel für fossile Brennstoffe;
    eine Biogasanlage oder andere Wärmequellen.
  8. Verfahren zum Erzeugen von Energie, eine Verbundanlage, eine Industrieanlage, eine Kühlanlage, insbesondere in Supermarktketten, insbesondere elektrische Energie, bevorzugt mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
    umfassend folgende Schritte:
    - Wärme, insbesondere Abwärme, wird über einen Wärmetauscher in einen geschlossenen Kühlkreislauf einem Kühlmittel zugeführt, derart, dass
    - das Kühlmittel auf eine Temperatur im Bereich 30° bis 50°C, bevorzugt 30° bis 40° C erhitzt und auf einen Druck im Bereich 80 bar bis 8 bar, bevorzugt 70 bar bis 13 bar, gebracht wird;
    - das erhitzte und unter Druck stehende Kältemittel wird einer Vorrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll Expanders zugeführt und entspannt, so dass dieser angetrieben wird, wobei das entspannte Kältemittel eine Temperatur im Bereich 20° C bis 32° C, und einen Druck im Bereich 56 bar bis 5 bar, bevorzugt 50 bar bis 5 bar, aufweist;
    - das entspannte Kältemittel wird in einem Verflüssiger (20, 1100) verflüssigt und erneut dem Wärmetauscher(3) zugeführt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das entspannte Kältemittel nach dem Verflüssiger einem Unterkühler zugeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erhitzte Kühlmittel nach dem Wärmetauscher zur Erzeugung eines Kühlmittels für den Unterkühler über wenigstens ein Expansionsventil geführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärme dem Wärmetauscher über eine der nachfolgenden Wärmequellen zugeführt wird:
    - einem weiteren Verflüssiger (100) eines weiteren Kühlkreislaufs;
    - einem Kessel für fossile Brennstoffe;
    - einer Biogasanlage;
    - einer Verbundanlage;
    - einer industrieanlage;
    - einer Kühlanlage, insbesondere in Supermarktketten.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kältemittel ausgewählt aus einem der nachfolgenden Kältemittel ist:
    R134a
    R410a
    R407c
    R744.
  13. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses, insbesondere unter Nutzung der Abwärme aus Kühlkreisanlagen von Kühlaggregaten.
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