EP3015660A1 - Vorrichtung und verfahren zum betreiben eines thermodynamischen kreisprozesses - Google Patents

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EP3015660A1
EP3015660A1 EP14191245.1A EP14191245A EP3015660A1 EP 3015660 A1 EP3015660 A1 EP 3015660A1 EP 14191245 A EP14191245 A EP 14191245A EP 3015660 A1 EP3015660 A1 EP 3015660A1
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EP
European Patent Office
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condenser
liquid
pump
working medium
capacitors
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EP14191245.1A
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Richard Aumann
Daniela Gewald
Roy Langer
Jens-Patrick Springer
Nicolas Restrepo
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Orcan Energy AG
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Orcan Energy AG
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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
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
    • F28B7/00—Combinations of two or more condensers, e.g. provision of reserve condenser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/06—Control arrangements therefor

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for operating a thermodynamic cycle, in particular an ORC process.
  • An exemplary system for recovering electrical energy from thermal energy consists of the following main components: a feed pump, which conveys liquid working fluid under pressure to an evaporator, the evaporator itself, in which the working fluid is preheated with the supply of heat, evaporated and optionally additionally superheated, an expansion machine in which the highly pressurized vaporized working fluid is expanded, thereby generating mechanical energy, which can be converted, for example via a generator into electrical energy, and a condenser in which the low-pressure steam (relaxed working medium) from the expansion machine and de-liquefied liquefied becomes. From the condenser, the liquid working medium returns to the feed pump of the system, whereby the thermodynamic cycle is closed. If the working medium is an organic working medium, it is an Organic Rankine Cycle as a thermodynamic cycle (ORC system).
  • ORC system Organic Rankine Cycle
  • the liquid working medium is subcooled, that is cooled to a temperature below the condensation temperature (equivalent to the boiling temperature) at the condensation pressure. In this way, the NPSH value required for the pump (Net Positive Suction Head) is achieved.
  • thermodynamic cycle in particular an ORC system
  • the condensation of the working medium against liquid for example water
  • the condensation can take place against air.
  • Condensation against water has the advantage that the heat of condensation can be fed into a heating circuit and is thus available to heat consumers (for example a stable, a building heater, a fermenter, etc.).
  • heat consumers for example a stable, a building heater, a fermenter, etc.
  • two capacitors can be connected together (according to the applicant's internal, unpublished state of the art) in order to enable both modes of operation (cooling against air and cooling against a liquid, in particular water).
  • the difficulties here are to regulate the distribution of the mass flows of the working medium in the respective capacitors and thus the heat output.
  • the aim is to allow the largest possible or defined usable amount of heat in a condenser, which is integrated into a heating circuit.
  • shut-off valves could be used to control the mass flows. However, this involves the problem that different pressure levels are present in both capacitors. This can lead to the return flow of condensed fluid into the condenser with the lower pressure, to the point of full running of this condenser.
  • the valves to be installed however, the complexity of the system and the susceptibility to errors is increased because the correct valve positions must be maintained for the correct operating modes.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages mentioned at least partially.
  • the device according to the invention for operating a thermodynamic cycle, in particular an ORC process comprises: a feed pump for conveying liquid working fluid under pressure increase to an evaporator; the evaporator for preheating, evaporation and optionally additional overheating of the working medium under the supply of heat; an expansion machine for generating mechanical energy by relaxing the vaporized working medium; and at least two capacitors connected in parallel between the expander and the feed pump for defrosting, condensing and optionally additional subcooling of the relaxed working medium.
  • This has the advantage that, for example, in a heating circuit which can be supplied with heat via one of the capacitors, heat which is not required can be dissipated via the other condenser (s).
  • two capacitors can be operated at different temperature levels, for example, to supply heat to different heating circuits. In this way, the heat distribution can be flexibly regulated.
  • the device according to the invention can be further developed such that the at least two capacitors comprise a liquid condenser and an air condenser.
  • liquid condenser is meant that a liquid flows through the condenser, which can absorb heat from the working medium also flowing through the condenser.
  • air condenser the air flowing through the condenser (or along its contact surfaces) is the heat-absorbing fluid.
  • liquid condenser is provided in a liquid circuit, in particular a heating circuit, with a pump and / or wherein the air condenser comprises a fan.
  • the pump and / or the fan With the pump and / or the fan, a heat dissipation in the liquid circuit can be controlled, in particular switched on or off and with the fan cooling of the working medium can be controlled against air, especially switched on or off.
  • the fan and / or the pump can be regulated, in particular the speed of the fan or the pumped by the pump mass flow of the liquid.
  • the mass flow, which is conveyed by the pump can be done for example via a speed control of the pump or via a balancing valve.
  • each capacitor can be connected via a siphon to the feed pump, wherein a minimum filling level of the condensed working medium is determined in the condenser by the apex of the siphon.
  • a siphon in the condensate line the liquid level in the condenser is always as high as the height of the siphon. This also ensures a defined minimum subcooling.
  • a pressure-tight container may further be provided between the capacitors and the feed pump, a pressure-tight container.
  • a container between the condensers and the pump ensures that always liquid working fluid flows to the pump. If it comes to operating conditions in which one of the capacitors runs empty and thus gaseous working fluid flows in the direction of the pump, this is deposited in the container. Even with the liquid working fluid flowing gas bubbles, which could cause (partial) cavitation on the feed pump, are deposited in the container. If the container is not completely filled and a liquid level is established, the working fluid in the container tends to saturate. This results in two possible cases: If the working medium is colder than the environment, it evaporates and an equilibrium state between the liquid phase and the vapor phase sets in.
  • Another development consists in that, for each of the capacitors connected in parallel, a check valve is provided between the respective capacitor and the feed pump and / or between the expander and the respective condenser, each check valve allowing only a flow in the direction of the feed pump. In this way, an undesirable natural circulation between the capacitors can be prevented.
  • the device may further comprise: a temperature sensor for measuring the temperature of a liquid / heating circuit return, and / or a temperature sensor for measuring the temperature of a liquid / heating circuit flow and / or a temperature sensor for measuring the ambient temperature; and a control device for adjusting a rotational speed of the fan and / or for adjusting a pumped through the pump mass flow of the liquid based on the measured temperature or the measured temperatures, in particular for limiting the return temperature to a maximum value and / or for setting a constant flow temperature ,
  • CHP combined heat and power plant
  • heating networks can be operated, which require a constant flow temperature at different Wäredarfen.
  • the object according to the invention is furthermore achieved by a method according to claim 9.
  • thermodynamic cycle in particular an ORC process
  • the method according to the invention for operating a thermodynamic cycle, in particular an ORC process comprises during normal operation the following steps: conveying liquid working medium under pressure increase to an evaporator with a feed pump; Preheat, evaporate and optionally additional overheating of the working medium under Supplying heat in the evaporator; Relaxing the vaporized working medium in an expansion machine; De-icing, condensing and optionally additional subcooling of the relaxed working medium with at least two capacitors connected in parallel between the expander and the feed pump.
  • a mass flow of the expanded working medium can be distributed by the expansion machine in a self-regulating manner through a pressure equilibrium between the condensers into mass flows of the expanded working medium into the respective condensers.
  • the at least two capacitors comprise an air condenser with a fan and / or a liquid condenser in a liquid circuit with a pump
  • the method comprises the following further step: setting a speed of the fan and / or adjusting a through the pump pumped mass flow of the liquid.
  • the following further steps can be carried out during a start-up operation carried out before normal operation: provision of a sufficient flow height of liquid working medium in front of the feed pump in order to avoid cavitation in the feed pump; Start the thermodynamic cycle with the condenser in which the lowest condensation pressure is present; and connecting the further capacitors in the order of increasing condensation pressure. Therefore, at the beginning of the starting process, a minimum feed-forward height NPSH r is ensured. Furthermore, a start without cavitation is ensured at the feed pump, since the pressure in front of the pump increases monotonically during the starting process.
  • Another development is that the step of starting with the fan running of the air condenser and shut off pump of the liquid circuit is performed, and wherein the step of connecting the liquid condenser by switching on or increasing the delivered mass flow of the pump.
  • the operating states to be considered are: start-up, stationary operation, load change between heating condenser and air condenser operation, and parallel operation of heating condenser and air condenser.
  • the operating parameters to be ensured are: Suitable fluid distribution in each case for the load cases 100% air condenser operation, 100% condenser operation and parallel operation, as well as a sufficient flow height for the feed pump in the various operating modes.
  • the necessary operating parameters can be achieved in all different operating modes via control engineering methods as well as a suitable arrangement of components and a corresponding filling quantity with working medium. Additional components, such as valves, etc. are not required.
  • the devices and methods are described with which the operating parameters can be met in the simplest embodiment.
  • Fig. 1 shows simplified the standard connection of the system.
  • the liquid working fluid is in the heat exchanger (evaporator) 1 under heat preheated, evaporated and then expanded in an expansion machine 2 (eg screw expander, turbine). Downstream of the expansion machine, the distribution of the working medium mass flow to the liquid condenser (heating condenser) 3 and the air condenser 4 (with a fan 7) takes place.
  • the heating water is circulated by a pump 6.
  • the circuit is closed by a feed pump 5 increases the pressure of the working fluid to the evaporation pressure and promotes it again in the evaporator 1.
  • the flow of the working medium or the distribution of the working medium is not controlled by valves, but is purely driven by thermal.
  • the regulation can ensure that the condensation pressure increases monotonically during the starting process. This can be done be achieved that the system is started in the air condenser operation. Thus, the plant starts its operation at low pressure. Subsequently, the system flows smoothly into the heating condenser operation. If the temperature of the heating condenser is higher than the ambient temperature (which is almost always true), the condensation pressure will slowly increase monotonically.
  • Table 1 startup process: phase heating capacitor air condenser condensing pressure Location of working medium 1.
  • Table 1 shows the procedure of the boot process.
  • phase 1 the system is shut down.
  • the condensate temperature and thus the condensation pressure are low (see Fig. 2 ).
  • the condensate temperature T kond is equal to the temperature of the ambient air T L.
  • phase two the system is started, the condensation pressure rises slowly. It fluid begins to shift into the heating condenser (see Fig. 3 ).
  • the filling level L HK in the heating condenser increases.
  • the condensate temperature rises up to the temperature T VL of the flow in the heating circuit. From the condensate temperature, which allows condensation in the heating condenser (phase 3) is significantly condensed in the heating condenser.
  • the filling level L LK in the air condenser reduces in this phase.
  • the condensate temperature approaches the temperature T RL of the return in the heating circuit.
  • phase 4 the start is completed and a pure condenser operation is active.
  • the colder capacitor is the one in which condensing is to take place.
  • air condenser operation the air condenser is flowed through with cold outside air, while the heating condenser assumes the temperature of the exhaust steam in the stationary state.
  • a lower pressure is established in the air condenser and the fluid (working medium) flows through the air condenser for condensation.
  • the condensation heat is released to the ambient air.
  • heating condenser operation the heating condenser is flowed through by the return of the heating water. This is colder than the evaporation temperature. Since the air condenser assumes a temperature close to the temperature of the exhaust steam when the fans are switched off, the condensation takes place in the colder heating condenser.
  • the 100% operating cases are each achieved by switching off or reducing the power of the fans, or the heating water circulating pump, so that in one of the capacitors no heat can be dissipated. Since the condensers on the side of the working medium are not separated from each other by valves, always a small part of the exhaust steam flows through the unused capacitor and is cooled by natural convection or heat conduction.
  • the sufficient flow height of the working medium in front of the feed pump is adjusted by the capacity and the geodetic height of the liquid column above the pump.
  • the geometric relationships between the heating condenser and the air condenser are chosen so that with the same capacity and operation of one capacitor so much working fluid in the condenser is that a sufficient supercooling is achieved. On the required flow height in parallel operation of both capacitors will be discussed in more detail in the following section.
  • the process described here stabilizes itself. This means that always the condenser with the larger heat output also has the highest level. This is due to the fluidic distribution of the fluids. There is always a state of equilibrium where there are no pressure differences between the two capacitors.
  • the total pressure p ges to be considered is composed of the respectively prevailing condensation pressure p kond and the geodetic pressure ⁇ p geod which is established via the filling level ⁇ h.
  • the process parameters V_dot denote the volume flow, p_kond the condensation pressure, p_geod. the geodetic pressure, h the filling level and Q_dot the heat flow.
  • the positions 1 to 5 correspond to the respective condenser a and b: after the expansion machine and before dividing the total mass flow V_dot, p (position 1), after splitting and before entering the condenser (position 2), in the condenser (FIG. Position 3), after the condenser and before the merging of the partial mass flows (position 4), after the merging and before the feed pump (position 5).
  • the comparison relates to the respective process parameters with respect to the two capacitors a and b.
  • the capacity of the system must be such that none of the two capacitors runs idle during operation.
  • the filling quantity and the constructive height of the capacitors interact with one another in such a way that there is currently no or only minimal fluid in the respectively unused capacitor (100% heating capacitor or 100% air condenser). This reduces heat loss and helps to save fluid.
  • Control parameters can be, for example, a maximum temperature of the heating circuit return. If too much heat is introduced into the heating network by the ORC, the temperature of the return to the combined heat and power plant (CHP) can increase. If this exceeds a certain maximum value, the emergency cooler switches on to dissipate the excess heat from the system. To avoid this, the ORC system has to reduce the coupled thermal power at an early stage.
  • Another control parameter may be the desired flow temperature for the heating network.
  • By reducing the fan speed less heat is dissipated in the air condenser.
  • the condensation pressure of p 1 to p 2 increases and a part of the exhaust steam flows into the heating condenser, where it increases the heat dissipation in the heating network.
  • T VL flow temperature of the heating water rises from T VL, 1 to T VL, 2 (see Fig. 5 ).
  • This allows the system to respond to changing customer heat demand and inject more heat into the heating network when needed. Equally, however, an excessively large heat input is prevented. If the heat customer does not absorb the heat, the return temperature rises (coming from the heating network) and thus also the flow temperature. If a limit temperature is reached here, the system regulates this and couples more heat through the air condenser by increasing the fan speed
  • the heating water circulating pump can be regulated, which allows a constant flow temperature T VL in the heating network (see Fig. 6 ).
  • heating networks can be operated, which require a constant flow temperature at different heat demands (for example, for temperature-sensitive processes, or for a sanitation, etc.).
  • the power of the pump can be adapted to the actual heat requirement and thus the efficiency of the system can be increased.
  • the simple ORC system with two capacitors can be improved by various variations of the interconnection, so that the required operating parameters can be maintained more safely (see Fig. 7 ).
  • a defined minimum filling level can be defined in the condenser 3, 4, since the liquid level in the condenser must always be as high as the height of the siphon. This also ensures a defined minimum subcooling.
  • a container 9 between the capacitors 3, 4 and the feed pump 5 ensures that always liquid working fluid flows to the pump. If it comes to operating conditions in which one of the capacitors runs empty and thus gaseous working fluid flows in the direction of the pump, this is deposited in the container. Even with the liquid working fluid flowing gas bubbles, which could cause (partial) cavitation on the feed pump, are deposited in the container. If the container is not completely filled and a Liquid level sets, the working fluid in the container tends to a saturated state. This results in two possible cases: If the working medium is colder than the environment, it evaporates and an equilibrium state between the liquid phase and the vapor phase is established.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfassend: eine Speisepumpe zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer; den Verdampfer zum Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme; eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums; und wenigstens zwei zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe parallel angeschlossene Kondensatoren zum Kondensieren und optional zusätzlichen Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses.
    • Stand der Technik
  • Ein beispielhaftes System zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärmeenergie besteht aus den folgenden Hauptkomponenten: eine Speisepumpe, die flüssiges Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer fördert, dem Verdampfer selbst, in dem das Arbeitsmedium unter Zuführung von Wärme vorgewärmt, verdampft und optional zusätzlich überhitzt wird, eine Expansionsmaschine, in welcher das unter hohem Druck stehende verdampfte Arbeitsmedium entspannt wird und dabei mechanische Energie erzeugt, welche beispielsweise über einen Generator in elektrische Energie gewandelt werden kann, und einem Kondensator, in dem der Niederdruckdampf (entspanntes Arbeitsmedium) aus der Expansionsmaschine enthitzt und verflüssigt wird. Aus dem Kondensator gelangt das flüssige Arbeitsmedium wieder zur Speisepumpe des Systems, wodurch der thermodynamische Kreislauf geschlossen ist. Im Falle, dass das Arbeitsmedium ein organisches Arbeitsmedium ist, handelt es sich um einen Organic Rankine Cycle als thermodynamischen Kreisprozess (ORC System).
  • Zur Vermeidung von Kavitation in der Speisepumpe wird das flüssige Arbeitsmedium unterkühlt, also auf eine Temperatur gekühlt, die unterhalb der Kondensationstemperatur (gleichbedeutend mit der Siedetemperatur) bei dem Kondensationsdruck ist. Auf diese Weise wird der für die Pumpe notwendige NPSH Wert (Net Positive Suction Head, Netto-Vorlaufhöhe) erzielt.
  • Es gibt prinzipiell zwei Möglichkeiten den Kondensator eines thermodynamischen Kreisprozesses (im speziellen einer ORC-Anlage) auszuführen. Zum einen kann die Kondensation des Arbeitsmediums gegen Flüssigkeit (z.B. Wasser) erfolgen oder die Kondensation kann zum anderen gegen Luft geschehen. Kondensation gegen Wasser bietet den Vorteil, dass die Kondensationswärme in einen Heizkreis eingespeist werden kann und so den Wärmeabnehmern (z.B. einem Stall, einer Gebäudeheizung, einem Fermenter, etc.) zur Verfügung steht. Sind keine Wärmeabnehmer vorhanden ist nur eine Kondensation gegen Luft möglich, jedoch geht hierbei der Eigenbedarf eines Lüfters zu Lasten des elektrischen Wirkungsgrades.
  • Es gibt auch Anwendungsfälle, bei denen eine Wärmeabnahme nur für eine begrenzte Zeit im Jahr gewünscht ist. Soll die Wärmenutzung und die Stromerzeugung durch den ORC dennoch ermöglicht werden, muss in der Zeit des Jahres, in der keine Wärmenutzung stattfindet, die überschüssige Wärme z.B. über den Notkühler eines Blockheizkraftwerks abgegeben werden. Dies ist jedoch mit einem hohen Stromverbrauch und dadurch mit erhöhten Kosten verbunden.
  • Man kann (gemäß internem nicht veröffentlichtem Stand der Technik der Anmelderin) prinzipiell zwei Kondensatoren zusammenschalten, um beide Betriebsarten (Kühlung gegen Luft und Kühlung gegen eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser) zu ermöglichen. Jedoch bestehen die Schwierigkeiten hierbei darin, die Aufteilung der Massenströme des Arbeitsmediums in den jeweiligen Kondensatoren und somit die Wärmeabgabe zu regeln. Ziel ist es, eine möglichst große bzw. definierte nutzbare Wärmemenge in einem Kondensator, der in einen Heizkreislauf eingebunden ist, zu ermöglichen.
  • Zur Regelung der Massenströme könnten mechanische Armaturen wie beispielsweise Absperrventile verwendet werden. Dies beinhaltet jedoch die Problematik, dass in beiden Kondensatoren unterschiedliche Druckniveaus vorliegen. Dadurch kann es zur Rückströmung von kondensiertem Fluid in den Kondensator mit dem niedrigeren Druck kommen, bis hin zum Volllaufen dieses Kondensators. Durch die einzubauenden Ventile wird allerdings die Komplexität der Anlage sowie die Fehleranfälligkeit erhöht, da für die richtigen Betriebsarten die richtigen Ventilstellungen eingehalten werden müssen.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfasst: eine Speisepumpe zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer; den Verdampfer zum Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme; eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums; und wenigstens zwei zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe parallel angeschlossene Kondensatoren zum Enthitzen, Kondensieren und optional zusätzlichen Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise in einem Heizkreislauf, der über einen der Kondensatoren mit Wärme versorgt werden kann, nicht benötigte Wärme über den bzw. die anderen Kondensator(en) abgeführt werden kann. Andererseits können auch zwei Kondensatoren auf verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden, um beispielsweise verschiedene Heizkreisläufe mit Wärme zu versorgen. Auf diese Weise kann die Wärmeverteilung flexibel reguliert werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, dass die wenigstens zwei Kondensatoren einen Flüssigkeitskondensator und einen Luftkondensator umfassen. Mit Flüssigkeitskondensator ist gemeint, dass eine Flüssigkeit durch den Kondensator strömt, die von dem ebenfalls durch den Kondensator strömenden Arbeitsmedium Wärme aufnehmen kann. Dagegen ist im Falle eines Luftkondensators die Luft, die durch den Kondensator (oder entlang dessen Kontaktflächen) strömt, das wärmeaufnehmende Fluid.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der Flüssigkeitskondensator in einem Flüssigkeitskreislauf, insbesondere einem Heizkreislauf, mit einer Pumpe vorgesehen ist und/oder wobei der Luftkondensator einen Ventilator umfasst. Mit der Pumpe und/oder dem Ventilator kann eine Wärmeabnahme in den Flüssigkeitskreislauf geregelt, insbesondere zu- oder abgeschaltet werden und mit dem Ventilator kann eine Kühlung des Arbeitsmediums gegen Luft geregelt, insbesondere zu- oder abgeschaltet werden.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung können der Ventilator und/oder die Pumpe regelbar sein, insbesondere die Drehzahl des Ventilators bzw. der durch die Pumpe geförderte Massenstrom der Flüssigkeit. Der Massenstrom, der durch die Pumpe gefördert wird, kann beispielsweise über eine Drehzahlregelung der Pumpe erfolgen oder über ein Strangregulierventil.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass jeder Kondensator über einen Siphon mit der Speisepumpe verbunden sein kann, wobei durch den Scheitelpunkt des Siphons einen Mindest-Füllhöhe des kondensierten Arbeitsmediums in dem Kondensator festlegt wird. Mit Hilfe eines Siphons in der Kondensatleitung ist der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator immer so hoch wie die Höhe des Siphons. Dadurch wird auch eine definierte Mindest-Unterkühlung sichergestellt.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung kann weiterhin zwischen den Kondensatoren und der Speisepumpe ein druckdichter Behälter vorgesehen sein. Ein Behälter zwischen den Kondensatoren und der Pumpe stellt sicher, dass immer flüssiges Arbeitsmedium zur Pumpe strömt. Kommt es zu Betriebszuständen, in denen einer der Kondensatoren leer läuft und somit gasförmiges Arbeitsmedium in Richtung Pumpe strömt, wird dieses im Behälter abgeschieden. Auch mit dem flüssigen Arbeitsmedium strömende Gasblasen, die an der Speisepumpe (Teil-) Kavitation verursachen könnten, werden im Behälter abgeschieden. Wenn der Behälter nicht komplett gefüllt ist und sich ein Flüssigkeitsspiegel einstellt, strebt das Arbeitsmedium im Behälter einen gesättigten Zustand an. Hieraus resultieren zwei mögliche Fälle: Ist das Arbeitsmedium kälter als die Umgebung, verdampft es und es stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen flüssiger Phase und dampfförmiger Phase ein. Ist das Arbeitsmedium im Behälter jedoch wärmer als die Umgebungstemperatur, wird Wärme an die Umgebung abgegeben und es findet eine Kondensation im Behälter statt. Dies führt dazu, dass der Flüssigkeitsspiegel steigt, bis hin zum Volllaufen des Behälters. Indem im Behälter ein zusätzlicher Partialdruck auf den Flüssigkeitsspiegel aufgeprägt wird, z.B. mittels eines nicht-kondensierenden Gases, kann eine ausreichende Unterkühlung (Abstand zwischen Siedetemperatur und tatsächlicher Temperatur) sichergestellt und die Kondensation im Behälter verhindert werden. Mit anderen Worten gesagt wird durch ein solches Gas eine ausreichende Vorlaufhöhe für die Speisepumpe bereitgestellt.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass für jeden der parallel angeschlossenen Kondensatoren ein Rückschlagventil zwischen dem jeweiligen Kondensator und der Speisepumpe und/oder zwischen der Expansionsmaschine und dem jeweiligen Kondensator vorgesehen ist, wobei jedes Rückschlagventil nur ein Strömen in Richtung der Speisepumpe zulässt. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Naturumlauf zwischen den Kondensatoren verhindert werden.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung kann die Vorrichtung weiterhin umfassen: einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines Flüssigkeits-/Heizkreis-Rücklaufs, und/oder einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines Flüssigkeits-/Heizkreis-Vorlaufs und/oder einen Temperatursensor zum Messen der Umgebungstemperatur; und eine Steuervorrichtung zum Einstellen einer Drehzahl des Ventilators und/oder zum Einstellen eines durch die Pumpe geförderten Massenstroms der Flüssigkeit basierend auf der gemessenen Temperatur bzw. den gemessenen Temperaturen, insbesondere zum Begrenzen der Rücklauftemperatur auf einen maximalen Wert und/oder zum Einstellen einer konstanten Vorlauftemperatur. Damit kann z.B. vermieden werden, dass sich Notkühlaggregate in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zuschalten, wenn die Rücklauftemperatur zum BHKW zu hoch wird. Andererseits können beispielsweise Heiznetze bedient werden, die eine gleichbleibende Vorlauftemperatur bei unterschiedlichen Wärmebedarfen benötigen.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 9.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfasst während eines Normalbetriebs die folgenden Schritte: Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer mit einer Speisepumpe; Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzliches Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme in dem Verdampfer; Entspannen des verdampften Arbeitsmediums in einer Expansionsmaschine; Enthitzen, Kondensieren und optional zusätzliches Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums mit wenigstens zwei zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe parallel angeschlossenen Kondensatoren.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Weiterbildungen entsprechen - wenn nicht anders angegeben - jenen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Massenstrom des entspannten Arbeitsmediums von der Expansionsmaschine selbstregulierend durch ein sich zwischen den Kondensatoren einstellendes Druckgleichgewicht in Massenströme des entspannten Arbeitsmediums in die jeweiligen Kondensatoren aufgeteilt werden.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die wenigstens zwei Kondensatoren einen Luftkondensator mit einem Ventilator und/oder einen Flüssigkeitskondensator in einem Flüssigkeitskreislauf mit einer Pumpe umfasst, und wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt aufweist: Einstellen einer Drehzahl des Ventilators und/oder Einstellen eines durch die Pumpe geförderten Massenstroms der Flüssigkeit. Durch Einstellen der Drehzahl des Ventilators und/oder des durch die Pumpe geförderten Massenstroms kann eine gleitende Regelung der Kondensationsanteile im Luftkondensator bzw. im Flüssigkeitskondensator erfolgen, wobei im Speziellen durch Abschalten des Ventilators geringe oder keine Kondensation des Arbeitsmediums im Luftkondensator erfolgt, vorzugsweise bei laufender Pumpe, oder wobei durch Abschalten der Pumpe geringe oder keine Kondensation im Flüssigkeitskondensator erfolgt, vorzugsweise bei laufendem Ventilator. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Lastwechsel zwischen den beteiligten Kondensatoren erfolgen.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung können während eines vor dem Normalbetrieb durchgeführten Anfahrbetriebs die folgenden weiteren Schritte durchgeführt werden: Bereitstellen einer ausreichenden Vorlaufhöhe von flüssigem Arbeitsmedium vor der Speisepumpe, um Kavitation in der Speisepumpe zu vermeiden; Starten des thermodynamischen Kreisprozesses mit dem Kondensator, in dem der niedrigste Kondensationsdruck vorliegt; und Zuschalten der weiteren Kondensatoren in der Reihenfolge nach größer werdendem Kondensationsdruck. Daher wird zu Beginn des Startprozesses eine Mindestvorlaufhöhe NPSHr sichergestellt. Weiterhin wird ein Start ohne Kavitation an der Speisepumpe sichergestellt, da der Druck vor der Pumpe während des Startprozesses monoton ansteigt.
  • Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der Schritt des Startens mit laufendem Ventilator des Luftkondensators und abgestellter Pumpe des Flüssigkeitskreislaufs erfolgt, und wobei der Schritt des Zuschaltens des Flüssigkeitskondensators durch Einschalten oder Erhöhung des geförderten Massenstroms der Pumpe erfolgt.
  • Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht geeignet miteinander kombiniert werden.
  • Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
    • Zeichnungen
    • Fig. 1
    zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    Fig. 2
    zeigt den Verlauf der Kondensattemperatur beim Startvorgang.
    Fig. 3
    zeigt die Füllhöhe im Luft- und Im Heizkondensator.
    Fig. 4
    zeigt Höhenverhältnisse und Füllstande der Kondensatoren.
    Fig. 5
    veranschaulicht die Veränderung der im Heizkondensator ausgekoppelten Wärmemenge ohne Regelung der Heizwasser-Umwälzpumpe und damit die Veränderung der Vorlauftemperatur im Heizwasser.
    Fig. 6
    veranschaulicht die Veränderung der im Heizkondensator ausgekoppelten Wärmemenge bei gleichzeitig gleicher Vorlauftemperatur im Heizwasser mit Regelung der Heizwasser-Umwälzpumpe.
    Fig. 7
    zeigt weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere mit einem Siphon (Fig. 7a), und/oder einem Behälter (Fig. 7b), und/oder mit Rückschlag-Ventilen (Fig. 7c).
    Fig. 8
    zeigt die Ausbildung eines Naturumlaufs bei Beheizung des nicht genutzten Kondensators 3.
    Ausführungsformen
  • Beim Betrieb eines ORC-Systems mit zwei parallelen Kondensatoren gibt es verschiedene Betriebszustände, für die jeweils bestimmte Betriebsparameter sicher zu stellen sind. Die zu betrachtenden Betriebszustände sind: Anfahren, Stationärer Betrieb, Lastwechsel zwischen Heizkondensator- und Luftkondensator-Betrieb, und Parallelbetrieb von Heizkondensator und Luftkondensator.
  • Die sicherzustellenden Betriebsparameter sind: Geeignete Fluidverteilung jeweils für die Lastfälle 100 % Luftkondensator-Betrieb, 100 % Heizkondensator-Betrieb und Parallelbetrieb, sowie eine ausreichende Vorlaufhöhe für die Speisepumpe in den verschiedenen Betriebsmodi.
  • In der einfachsten Ausführungsform des ORC-Systems können die notwendigen Betriebsparameter in allen verschiedenen Betriebsmodi über regelungstechnische Verfahren sowie eine geeignete Anordnung von Komponenten und eine entsprechende Füllmenge mit Arbeitsmedium erreicht werden. Zusätzliche Komponenten, wie Ventile, etc. sind nicht erforderlich. Im Folgenden werden die Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, mit denen die Betriebsparameter in der einfachsten Ausführungsform eingehalten werden können.
  • Fig. 1 zeigt vereinfacht die Standardverschaltung der Anlage. Das flüssige Arbeitsmedium wird im Wärmeübertrager (Verdampfer) 1 unter Wärmezufuhr vorgewärmt, verdampft und anschließend in einer Expansionsmaschine 2 (z.B. Schraubenexpander, Turbine) entspannt. Stromabwärts der Expansionsmaschine findet die Aufteilung des Arbeitsmedienmassenstromes auf den Flüssigkeitskondensator (Heizkondensator) 3 und den Luftkondensator 4 (mit einem Ventilator 7) statt. Bei der Verflüssigung des Arbeitsmediums im Heizkondensator wird Wärme vom Arbeitsmedium an das Heizwassernetz abgegeben, wobei das Heizwasser über eine Pumpe 6 umgewälzt wird. Der Kreislauf wird geschlossen, indem eine Speisepumpe 5 den Druck des Arbeitsmediums auf den Verdampfungsdruck erhöht und es erneut in den Verdampfer 1 fördert. In der Verschaltung wird der Fluss des Arbeitsmediums bzw. die Verteilung des Arbeitsmediums nicht über Ventile geregelt, sondern erfolgt rein thermisch getrieben.
    • 1. Anfahren
  • Wichtig für den Betrieb einer ORC-Anlage mit zwei Kondensatoren ist die Sicherstellung eines zuverlässigen Anlagenstarts. Um einen sicheren Start ohne Kavitation an der Speisepumpe sicherzustellen ist es erforderlich, den Druck vor der Pumpe während des Startprozesses monoton ansteigen zu lassen, zudem muss zu Beginn des Startprozesses eine Mindestvorlaufhöhe NPSHr sichergestellt werden.
  • Bei abgestellter, kalter Anlage stellt sich ein niedriger Kondensationsdruck mit niedriger Kondensationstemperatur ein. Selbst bei warmem Heizkondensator wird der Kondensationsdruck aufgrund der Wärmeabgabe an die Umgebung über den Luftkondensator den Sättigungsdruck bei Umgebungstemperatur einnehmen. Während des Anfahrprozesses steigt nun der Kondensationsdruck, womit auch die Kondensationstemperatur steigt. Würde der Druck nun absinken, läge vor der Pumpe erwärmtes Arbeitsmedium mit niedrigerem Druck vor. Somit sinkt die vorliegende Unterkühlung des Arbeitsmediums ab, wodurch Kavitation in der Pumpe entstehen kann. Es muss folglich sichergestellt sein, dass während des Startvorgangs immer eine ausreichende Unterkühlung vorherrscht. Dies kann durch zwei Wege erreicht werden. Zum einen muss über die Füllhöhe und Fluidverteilung in den Kondensatoren eine Unterkühlung sichergestellt werden, die Druckschwankung ohne Gefahr von Kavitation zulässt. Zum anderen kann über die Regelung sichergestellt werden, dass während des Startprozesses der Kondensationsdruck monoton ansteigt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Anlage im Luftkondensator-Betrieb gestartet wird. Somit beginnt die Anlage ihren Betrieb mit niedrigem Druck. Anschließend geht die Anlage fließend in den Heizkondensator-Betrieb über. Wenn die Temperatur des Heizkondensators höher als die Umgebungstemperatur ist (was nahezu immer zutreffend ist), wird der Kondensationsdruck langsam monoton ansteigen. Tabelle 1 (Startprozess):
    Phase HeizKondensator LuftKondensator Kondensationsdruck Aufenthaltsort Arbeitsmedium
    1.
    Anlage abgestellt warm, da durch Heizwasser auf Temperatur kalt, da durch Umgebungsluft abgekühlt niedrig (Sättigung bei Umgebungstemperatur) im Luftkondensator
    2.
    Anlagenstart (Beginn) warm kalt, wird wärmer steigt weiterhin im Luftkondensator, da Heizkondensator-Temp. noch höher als Kondensationstemperatur, welche durch Luftkondensator definiert ist
    3.
    Anlagenstart (fortgeschritten) warm warm weiter angestiegen je nach Gleichgewichtszustand in Luftkondensator und Heizkondensator aufgeteilt
    4.
    Anlagenstart (abgeschlossen) warm wärmer als Heizkondensator hoch Arbeitsmedium hauptsächlich im Heizkondensator
  • Tabelle 1 zeigt den Ablauf des Startvorgangs. In der Phase 1 ist die Anlage abgestellt. Die Kondensattemperatur und damit der Kondensationsdruck sind niedrig (siehe Fig. 2). Die Kondensattemperatur Tkond ist gleich der Temperatur der Umgebungsluft TL. In Phase zwei wird die Anlage gestartet, der Kondensationsdruck steigt langsam an. Es beginnt sich Fluid in den Heizkondensator zu verschieben (siehe Fig. 3). Die Füllhöhe LHK im Heizkondensator steigt. Die Kondensattemperatur steigt bis auf die Temperatur TVL des Vorlaufs im Heizkreis. Ab der Kondensattemperatur, die eine Kondensation im Heizkondensator ermöglicht (Phase 3) wird maßgeblich im Heizkondensator kondensiert. Die Füllhöhe LLK im Luftkondensator reduziert sich in dieser Phase. Die Kondensattemperatur nähert sich der Temperatur TRL des Rücklaufs im Heizkreis an. In Phase 4 ist der Start abgeschlossen und ein reiner Heizkondensator-Betrieb aktiv.
    • 2. Stationärer Betrieb
  • Im stationären Betrieb wird das Arbeitsmedium immer in den kälteren Kondensator strömen, da dort geringerer Druck herrscht. Durch das selbstregelnde System ist der kältere Kondensator der, in dem auch kondensiert werden soll. Im Luftkondensator-Betrieb wird der Luftkondensator mit kalter Außenluft durchströmt, während der Heizkondensator im stationären Zustand die Temperatur des Abdampfs einnimmt. Dadurch stellt sich im Luftkondensator ein geringerer Druck ein und das Fluid (Arbeitsmedium) strömt zur Kondensation durch den Luftkondensator. Die Kondensationswärme wird an die Umgebungsluft abgegeben. Im Heizkondensator-Betrieb wird der Heizkondensator mit dem Rücklauf des Heizungswassers durchströmt. Dieses ist kälter als die Abdampftemperatur. Da der Luftkondensator bei ausgeschalteten Ventilatoren eine Temperatur (wärmeverlustbedingt nur) nahe der Temperatur des Abdampfes annimmt, erfolgt die Kondensation im kälteren Heizkondensator.
    • 100 % Heizkondensator- oder 100 % Luftkondensator-Betrieb:
  • Die 100 % Betriebsfälle werden jeweils durch Abschalten oder Leistungsreduzierung der Ventilatoren, bzw. der Heizwasser-Umwälzpumpe erreicht, so dass in einem der Kondensatoren keine Wärme mehr abgeführt werden kann. Da die Kondensatoren auf Seite des Arbeitsmediums nicht durch Ventile voneinander getrennt sind, strömt immer ein kleiner Teil des Abdampfs durch den nicht benötigten Kondensator und wird durch natürliche Konvektion bzw. Wärmeleitung abgekühlt.
  • Die ausreichende Vorlaufhöhe des Arbeitsmediums vor der Speisepumpe wird durch die Füllmenge und die geodätische Höhe der Flüssigkeitssäule über der Pumpe eingestellt. Die geometrischen Verhältnisse zwischen Heizkondensator und Luftkondensator werden dabei so gewählt, dass bei gleicher Füllmenge und Betrieb von jeweils einem Kondensator so viel Arbeitsmedium im Kondensator steht, dass eine ausreichende Unterkühlung erreicht wird. Auf die benötigte Vorlaufhöhe im Parallelbetrieb beider Kondensatoren wird im folgenden Abschnitt näher eingegangen.
    • Selbststabilisierendes Verfahren:
  • Das hier beschriebene Verfahren stabilisiert sich selbst. Das heißt, dass immer der Kondensator mit der größeren Wärmeabgabe auch den höchsten Füllstand hat. Dies liegt an der strömungstechnischen Verteilung der Fluide. Es gibt immer einen Gleichgewichtszustand, bei dem es keine Druckunterschiede zwischen den beiden Kondensatoren gibt. Der dafür zu betrachtende Gesamtdruck pges setzt sich aus dem jeweils vorherrschenden Kondensationsdruck pkond und dem sich über den Füllstand Δh einstellenden geodätischen Druck Δpgeod zusammen. Δ p geod = ρ ⋅ g ⋅ Δ h
    Figure imgb0001
     p ges = p kond + Δ p geod
    Figure imgb0002
  • Wenn beispielhaft angenommen wird, dass in Kondensator b mehr Wärme abgegeben wird als in Kondensator a, dann gilt hinsichtlich der Prozessparameter folgende Tabelle (zur Veranschaulichung siehe Fig. 4): Tabelle 2 (Prozessparameter in Fig. 4):
    Position Parameter
    1 V_dot, p a = b
    2 V_dot a < b
    3 p_kond a > b
    4 p_geod. a < b
    5 V_dot, p a = b
    h a < b
    Q_dot a < b
  • In der Tabelle bezeichnen die Prozessparameter V_dot den Volumenstrom, p_kond den Kondensationsdruck, p_geod. den geodätischen Druck, h die Füllhöhe und Q_dot den Wärmestrom. Die Positionen 1 bis 5 entsprechen für den jeweiligen Kondensator a bzw. b: nach der Expansionsmaschine und vor dem Aufteilen des Gesamtmassenstroms V_dot,p (Position 1), nach dem Aufteilen und vor dem Eintritt in den Kondensator (Position 2), im Kondensator (Position 3), nach dem Kondensator und vor dem Zusammenführen der Teil-Massenströme (Position 4), nach dem Zusammenführen und vor der Speisepumpe (Position 5). Der Vergleich bezieht sich auf die jeweiligen Prozessparameter in Bezug auf die beiden Kondensatoren a und b.
  • Durch den höheren Volumenstrom in Richtung Kondensator b kommt es zu höheren Druckverlusten als in Kondensator a (Pfad 1 bis 3a/b). Durch den höheren Druckverlust muss der Kondensationsdruck im Kondensator b kleiner sein als in Kondensator a. Da die beiden Kondensatoren miteinander verbunden sind kommt es zu einem Druckausgleich über den geodätischen Druck. Das bewirkt, dass der Füllstand im Kondensator b soweit steigt, bis es am Punkt 5 keine Druckdifferenz zwischen den Kondensatoren gibt. Über die höhere Füllhöhe ist sichergestellt, dass im Kondensator, in dem mehr Wärme abgegeben wird, in dem also auch der größere Teil des Abdampfs kondensiert wird eine ausreichende Unterkühlung des Arbeitsmedienstroms erreicht wird und damit auch eine ausreichende Vorlaufhöhe vor der Pumpe sichergestellt ist.
  • Um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten muss die Füllmenge des Systems so gewählt sein, dass keiner der beiden Kondensatoren im Betrieb leerläuft. Idealerweise spielen Füllmenge und die konstruktive Höhe der Kondensatoren zueinander so zusammen, dass im jeweils nicht genutzten Kondensator (100% Heizkondensator oder 100% Luftkondensator) gerade kein oder nur minimal Fluid steht. Dies verringert Wärmeverluste und hilft Fluid einzusparen.
    • 3. Lastwechsel zwischen Heizkondensator und Luftkondensator
  • Durch das selbstregelnde Prinzip wird der Lastwechsel erreicht, indem durch Einstellen der Drehzahl des Ventilators und/oder des durch die Pumpe geförderten Massenstroms eine gleitende Regelung der Kondensationsanteile im Luftkondensator bzw. im Flüssigkeitskondensator erfolgt, im Speziellen indem jeweils Ventilatoren bzw. Heizungspumpe abgeschaltet werden. Dadurch erhöht sich der Druck im nicht benutzen Kondensator und die Kondensation erfolgt im anderen Kondensator in dem ein niedrigerer Druck herrscht.
    • 4. Parallelbetrieb zwischen Heizkondensator und Luftkondensator
  • Wird im Heiznetz nicht die volle Wärmeleistung benötigt, kann nur ein Teil der vom ORC-System abgegebenen Wärme in das Heiznetz kondensiert werden. Der andere Teil wird dann über den Luftkondensator abgeführt. Beide Kondensatoren sind parallel im Betrieb. Der Parallelbetrieb wird erreicht, indem beispielsweise die Ventilatoren des Luftkondensators in Teillast betrieben werden. Regelungsparameter kann dabei zum Beispiel eine maximale Temperatur des Heizkreis-Rücklaufes sein. Bei zu hohem Wärmeeintrag durch den ORC in das Heiznetz kann sich die Temperatur des Rücklaufes zum Blockheizkraftwerk (BHKW) erhöhen. Übersteigt diese einen gewissen Maximalwert, schaltet sich der Notkühler ein, um den Wärmeüberschuss aus dem System abzuführen. Um dies zu vermeiden, muss die ORC-Anlage frühzeitig die eingekoppelte thermische Leistung reduzieren.
  • Ein anderer Regelungsparameter kann die gewünschte Vorlauftemperatur für das Heiznetz sein. Durch eine Verringerung der Ventilator-Drehzahl wird weniger Wärme im Luftkondensator abgeführt. Dadurch steigt der Kondensationsdruck von p1 auf p2 an und ein Teil des Abdampfs strömt in den Heizkondensator und erhöht dort die Wärmeabfuhr in das Heiznetz. Bei gleichem Wasservolumenstrom (ungeregelter Betrieb der Heizwasser-Umwälzpumpe) steigt die Austrittstemperatur (= Vorlauftemperatur TVL) des Heizwassers von TVL,1 auf TVL,2 an (siehe Fig. 5). Dadurch kann das System auf einen sich ändernden kundenseitigen Wärmebedarf reagieren und mehr Wärme in das Heiznetz einkoppeln, wenn dieses benötigt wird. Genauso wird aber auch ein übermäßig großer Wärmeeintrag verhindert. Nimmt der Wärmekunde die Wärme nicht ab, denn steigt die Rücklauftemperatur (aus dem Heiznetz kommend) und somit auch die Vorlauftemperatur. Wird hier eine Grenztemperatur erreicht, dann regelt das System dem entgegen und koppelt mehr Wärme über den Luftkondensator aus, indem die Ventilatordrehzahl wieder erhöht wird.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch die Heizwasser-Umwälzpumpe geregelt werden, was eine konstante Vorlauftemperatur TVL im Heiznetz ermöglicht (siehe Fig. 6). Somit können Heiznetze bedient werden, die eine gleichbleibende Vorlauftemperatur bei unterschiedlichen Wärmebedarfen benötigen (zum Beispiel für temperatursensible Prozesse, oder für eine Hygienisierung, etc.). Durch eine Regelung der Heizwasser-Umwälzpumpe kann die Leistung der Pumpe an den tatsächlichen Wärmebedarf angepasst und somit die Effizienz des Systems gesteigert werden.
  • Die ausreichende Vorlaufhöhe durch entsprechende Unterkühlung des Fluids (Arbeitsmediums) wird durch das unter Punkt 2 beschriebene selbstregelnde Prinzip gewährleistet. Es ist durch eine ausreichende Füllmenge mit Arbeitsmedium sicherzustellen, dass auch bei Aufteilung des Arbeitsmediums auf beide Kondensatoren eine ausreichende Unterkühlung vorliegt.
  • Das einfache ORC-System mit zwei Kondensatoren kann durch verschiedene Variationen der Verschaltung verbessert werden, so dass die geforderten Betriebsparameter sicherer eingehalten werden können (siehe Fig. 7).
    • 1. Einbau eines Siphons (Fig. 7a)
  • Mit Hilfe eines Siphons 8 in der Kondensatleitung kann im Kondensator 3, 4 eine definierte Mindest-Füllhöhe festgelegt werden, da der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator immer so hoch sein muss, wie die Höhe des Siphons. Dadurch wird auch eine definierte Mindest-Unterkühlung sichergestellt.
    • 2. Behälter (Fig. 7b)
  • Ein Behälter 9 zwischen den Kondensatoren 3, 4 und der Speisepumpe 5 stellt sicher, dass immer flüssiges Arbeitsmedium zur Pumpe strömt. Kommt es zu Betriebszuständen, in denen einer der Kondensatoren leer läuft und somit gasförmiges Arbeitsmedium in Richtung Pumpe strömt, wird dieses im Behälter abgeschieden. Auch mit dem flüssigen Arbeitsmedium strömende Gasblasen, die an der Speisepumpe (Teil-) Kavitation verursachen könnten, werden im Behälter abgeschieden. Wenn der Behälter nicht komplett gefüllt ist und sich ein Flüssigkeitsspiegel einstellt, strebt das Arbeitsmedium im Behälter einen gesättigten Zustand an. Hieraus resultieren zwei mögliche Fälle: Ist das Arbeitsmedium kälter als die Umgebung verdampft es und es stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen flüssiger Phase und dampfförmiger Phase ein. Ist das Arbeitsmedium im Behälter jedoch wärmer als die Umgebungstemperatur, wird Wärme an die Umgebung abgegeben und es findet eine Kondensation im Behälter statt. Dies führt dazu, dass der Flüssigkeitsspiegel steigt, bis hin zum Volllaufen des Behälters. Indem im Behälter ein zusätzlicher Druck auf den Flüssigkeitsspiegel aufgeprägt wird, z.B. mittels eines nicht-kondensierenden Gases (siehe z.B. Patent DE 10 2009 053 390 B3 zur Kavitationsvermeidung), wird eine ausreichende Unterkühlung erzeugt.
    • 3. Rückschlagventile (Fig. 7c)
  • In bestimmten Fällen kann es zwischen Heizkondensator 3 und Luftkondensator 4 zu unerwünschtem Naturumlauf kommen (siehe Fig. 8). Wird der nicht benutzte Kondensator 3 trotzdem beheizt, z.B. mit warmem Heizwasser durchströmt, kommt es in diesem zur Verdampfung. Der dadurch fallende Füllstand würde das DruckGleichgewicht aus Kondensationsdruck und geodätischem Druck aufgrund unterschiedlicher Füllhöhen aus dem Gleichgewicht bringen. Um dieses Gleichgewicht zu erhalten strömt kondensiertes Arbeitsmedium aus dem Kondensator 1 nach. Durch den Einbau von Rückschlagventilen 10 entweder in der Abdampf- oder der KondensatLeitung wird dieses Phänomen verhindert.
  • Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Claims (13)

  1. Vorrichtung (100) zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfassend:
    eine Speisepumpe (5) zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer (1);
    den Verdampfer (1) zum Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme;
    eine Expansionsmaschine (2) zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums; und
    wenigstens zwei zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe parallel angeschlossene Kondensatoren (3, 4) zum Enthitzen, Kondensieren und optional zusätzlichen Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Kondensatoren (3, 4) einen Flüssigkeitskondensator (3) und einen Luftkondensator (4) umfassen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Flüssigkeitskondensator (3) in einem Flüssigkeitskreislauf, insbesondere einem Heizkreislauf, mit einer Pumpe (6) vorgesehen ist und/oder wobei der Luftkondensator einen Ventilator (7) umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Ventilator und/oder die Pumpe regelbar sind, insbesondere die Drehzahl des Ventilators bzw. der durch die Pumpe geförderte Massenstroms der Flüssigkeit.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder Kondensator zusätzlich über einen Siphon (8) mit der Speisepumpe verbunden ist, wobei durch den Scheitelpunkt des Siphons einen Mindest-Füllhöhe des kondensierten Arbeitsmediums in dem Kondensator festlegt wird.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei weiterhin zwischen den Kondensatoren und der Speisepumpe ein druckdichter Behälter (9) vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei für jeden der parallel angeschlossenen Kondensatoren ein Rückschlagventil zwischen dem jeweiligen Kondensator und der Speisepumpe und/oder zwischen der Expansionsmaschine und dem jeweiligen Kondensator vorgesehen ist, wobei jedes Rückschlagventil nur ein Strömen in Richtung der Speisepumpe zulässt.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Kombination mit Anspruch 4, weiterhin umfassend:
    einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines Flüssigkeits-/Heizkreis-Rücklaufs, und/oder
    einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines Flüssigkeits-/Heizkreis-Vorlaufs; und
    eine Steuervorrichtung zum Einstellen einer Drehzahl des Ventilators und/oder zum Einstellen eines durch die Pumpe geförderten Massenstroms der Flüssigkeit basierend auf der gemessenen Temperatur bzw. den gemessenen Temperaturen, insbesondere zum Begrenzen der Rücklauftemperatur auf einen maximalen Wert und/oder zum Einstellen einer gewünschten Vorlauftemperatur, insbesondere einer konstanten Vorlauftemperatur.
  9. Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses, wobei das Verfahren während eines Normalbetriebs die folgenden Schritte umfasst:
    Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer (1) mit einer Speisepumpe (5);
    Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzliches Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme in dem Verdampfer (1);
    Entspannen des verdampften Arbeitsmediums in einer Expansionsmaschine (2);
    Enthitzen, Kondensieren und optional zusätzliches Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums mit wenigstens zwei zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe parallel angeschlossenen Kondensatoren (3, 4).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Massenstrom des entspannten Arbeitsmediums von der Expansionsmaschine selbstregulierend durch ein sich zwischen den Kondensatoren einstellendes Druckgleichgewicht in Massenströme des entspannten Arbeitsmediums in die jeweiligen Kondensatoren aufgeteilt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die wenigstens zwei Kondensatoren einen Luftkondensator mit einem Ventilator und/oder einen Flüssigkeitskondensator in einem Flüssigkeitskreislauf mit einer Pumpe umfasst, und wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt aufweist:
    Einstellen einer Drehzahl des Ventilators und/oder Einstellen eines durch die Pumpe geförderten Massenstroms der Flüssigkeit,
    insbesondere wobei durch Abschalten des Ventilators keine Kondensation des Arbeitsmediums im Luftkondensator erfolgt, vorzugsweise bei laufender Pumpe, oder wobei durch Abschalten der Pumpe keine Kondensation im Flüssigkeitskondensator erfolgt, vorzugsweise bei laufendem Ventilator.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei während eines vor dem Normalbetrieb durchgeführten Anfahrbetriebs die folgenden weiteren Schritte durchgeführt werden:
    Bereitstellen einer ausreichenden Vorlaufhöhe von flüssigem Arbeitsmedium vor der Speisepumpe, um Kavitation in der Speisepumpe zu vermeiden;
    Starten des thermodynamischen Kreisprozesses mit dem Kondensator, in dem der niedrigste Kondensationsdruck vorliegt;
    Zuschalten der weiteren Kondensatoren in der Reihenfolge nach größer werdendem Kondensationsdruck.
  13. Verfahren nach Anspruch 12 in Kombination mit Anspruch 11, wobei der Schritt des Startens mit laufendem Ventilator des Luftkondensators und abgestellter Pumpe des Flüssigkeitskreislaufs erfolgt, und wobei der Schritt des Zuschaltens des Flüssigkeitskondensators durch Einschalten oder Erhöhung des geförderten Massenstroms der Pumpe erfolgt.
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