EP4273373A1 - Anlage mit wärmetauscher und anlagen-betriebsverfahren - Google Patents

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Publication number
EP4273373A1
EP4273373A1 EP23170078.2A EP23170078A EP4273373A1 EP 4273373 A1 EP4273373 A1 EP 4273373A1 EP 23170078 A EP23170078 A EP 23170078A EP 4273373 A1 EP4273373 A1 EP 4273373A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transfer fluid
heat transfer
line
heat
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23170078.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian TREFZ
Daniel Högemann
Till Doerbeck
Rabea Dluhosch
Martin May
Sören Dittmann-Gabriel
Herrmann Ulf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Duerr Cts GmbH
Kraftanlagen Energies und Services SE
Original Assignee
Duerr Systems AG
Kraftanlagen Energies und Services SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Duerr Systems AG, Kraftanlagen Energies und Services SE filed Critical Duerr Systems AG
Publication of EP4273373A1 publication Critical patent/EP4273373A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle

Definitions

  • the invention relates to a system with a line for an oxidant-containing gaseous heat transfer fluid, in which a heat exchanger for exchanging heat between the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid and a fluid containing flammable components is arranged, which has a heat exchanger inlet through which the heat transfer fluid from the Line can be fed into the heat exchanger, and which has a heat exchanger outlet through which the heat transfer fluid can get back into the line after flowing through the heat exchanger.
  • the invention also relates to a method for operating a system with a line for an oxidant-containing gaseous heat transfer fluid, in which a heat exchanger for exchanging heat between the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid and a fluid containing combustible components is arranged, so that the heat transfer fluid the heat exchanger from a heat exchanger -Inlet for the heat transfer fluid to a heat exchanger outlet for the heat transfer fluid to flow through.
  • the specific heat capacity of a gas is generally lower than the specific heat capacity of a liquid.
  • a gaseous heat transfer fluid In order to transfer the same amount of heat per unit of time in a heat exchanger from a primary side, through which a heat transfer fluid flows, to a secondary side of the heat exchanger, a gaseous heat transfer fluid must be moved through the heat exchanger with a larger mass flow than a liquid heat transfer fluid.
  • Air in particular is suitable as a heat transfer fluid for transferring heat from a primary side to a secondary side in a heat exchanger that can withstand temperatures T ⁇ 1000 ° C and is freely available.
  • a heat transfer fluid is used to transfer heat from the primary side to the secondary side in a heat exchanger to another heat transfer fluid, there is a risk that the two heat transfer fluids will mix if there are leaks in the heat exchanger.
  • one heat transfer fluid such as air
  • the other heat transfer fluid such as an ORC working fluid
  • the object of the invention is to provide a system in which heat can be reliably transferred from a gaseous heat transfer fluid containing oxidants to a fluid containing combustible components, as well as to provide a method for operating a system in which heat can be transferred from a gaseous heat transfer fluid containing oxidants to a combustible one Fluid containing components is transferred, which avoids accidents.
  • a system according to the invention has a line for an oxidant-containing gaseous heat transfer fluid, in which a heat exchanger for transferring heat from the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid to a fluid containing combustible components is arranged.
  • the heat exchanger has a heat exchanger inlet through which the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid can be fed from the line into the heat exchanger.
  • the heat exchanger has a heat exchanger outlet through which the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid can get back into the line after flowing through the heat exchanger.
  • the system contains a device for triggering combustion of heat transfer fluid mixed with the fluid containing combustible components in the line for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid.
  • the invention is based on the idea that in a system in which heat from a gaseous heat transfer fluid containing oxidants is transferred to a Fluid containing combustible components is transferred as a further heat transfer fluid, leaks in a heat exchanger can be accepted, which can lead to an explosive atmosphere being created if an explosion is avoided and/or locally limited by controlled combustion of the explosive atmosphere in the system.
  • One idea of the invention is, in particular, to prevent an explosive gas mixture from accumulating and spreading in the system by controlled ignition and oxidation at one point or at several points in a system.
  • the fluid containing flammable components can, for example, come from an ORC system.
  • ORC ORC system
  • the device for triggering combustion advantageously has an ignition source for providing ignition energy, which can trigger a, preferably controlled, combustion of heat transfer fluid mixed with the fluid containing combustible components in the line for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid. It is advantageous if the ignition source is kept in an operating state during operation of the system that ensures that any ignitable gas that comes into contact with the ignition source is ignited immediately.
  • the ignition source is preferably arranged in the line for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid, preferably downstream of the heat exchanger, ie in a section connected to the heat exchanger outlet the line for the gaseous heat transfer fluid containing oxidants. This measure ensures that the explosive gas in the system is ignited shortly after it has formed within it.
  • the ignition source expediently has a body with a contact surface to the oxidant-containing, gaseous heat transfer fluid. It is advantageous if the ignition source has a heating device for heating the body. This allows the contact surface to be heated to a predetermined ignition temperature. In order to ensure reliable ignition of the mixture, it is advantageous if the body or the contact surface of the body reaches a temperature at any time which is above the ignition temperature of a mixture of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid and fluid containing flammable components.
  • the ignition source can have an ignition electrode, such as is used, for example, as a glow igniter in wood-burning stoves.
  • the body is a ceramic body.
  • a ceramic body can permanently withstand high temperatures, especially temperatures above the ignition temperature. This makes it suitable for continuous operation.
  • the system preferably contains a sensor for monitoring the temperature of the contact surface of the body of the ignition source.
  • the sensor expediently has at least one thermal sensor thermally coupled to the body of the ignition source. Such a thermal sensor makes it possible to monitor the ignition source or the body of the ignition source. If the temperature falls below a temperature limit, a warning signal can then be issued, for example.
  • the section of the line for the oxidant-containing, gaseous heat transfer fluid connected to the heat exchanger outlet and/or the section of the line connected to the heat exchanger inlet contains a pressure relief device that responds to a predetermined overpressure.
  • the device for triggering combustion of heat transfer fluid mixed with the fluid containing combustible components there are means which serve to detect a composition of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid after the heat exchanger outlet for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid.
  • the device for triggering combustion of heat transfer fluid mixed with the fluid containing combustible components in the line for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid expediently contains a control assembly which is designed for adjusting the temperature of the contact surface depending on a signal from the sensor for monitoring the temperature . This can ensure that the temperature of the contact surface corresponds at least to the ignition temperature. If the sensor detects a temperature below the ignition temperature, it is advisable to provide a warning signal or emergency stop signal at an interface to a control center in the system.
  • the fluid containing flammable components can be, for example, a Rankine Cycle (RC) working medium, in particular an ORC working medium.
  • RC Rankine Cycle
  • ORC Rankine Cycle
  • a working medium e.g. B. water or water vapor
  • an ORC system the work fluid is pressurized.
  • the ORC system usually contains a pump for this.
  • the pressurized working fluid is then heated in an evaporator.
  • the working fluid is evaporated or overheated.
  • the evaporated or overheated working fluid is then fed to a steam turbine.
  • ORC systems can be used advantageously for generating mechanical or electrical energy from heat, particularly when the available temperature gradient between a heat source and a heat sink is too low to operate a heat engine, such as a turbine, with steam.
  • a heat engine heat exchanger is arranged in the line in a section of the line connected to the heat exchanger inlet for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid, which is used to transfer heat from the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid serves as a heat engine working medium for a heat engine.
  • the heat engine can be, for example, a Stirling engine.
  • a method according to the invention is used to operate a system with a line for an oxidant-containing gaseous heat transfer fluid, in which a heat exchanger for transferring heat from the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid to a fluid containing combustible components is arranged, so that the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid passes through the heat exchanger Heat exchanger input for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid can flow through to a heat exchanger output for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid.
  • a controlled combustion of the oxidant-containing, gaseous heat transfer fluid in the line is triggered when it is mixed with the fluid containing flammable components.
  • the system 10 shown is used to store electrical energy, which is generated, for example, by a wind turbine.
  • the system 10 contains a line system 12 with a first line branch 13, in which a heating device 14 is arranged, and with a second line branch 15, in which a heat accumulator 16 is located.
  • the heat storage 16 is designed to absorb an amount of heat Q.
  • a line 18 which communicates with the line system 12.
  • the line system 18 contains hot air lines which are designed as internally insulated channels, for example rectangular channels.
  • the internal insulation preferably consists of a compacted fiber material, for example in the form of mats. These mats are elastic and can be deformed.
  • a heat exchanger 20 is arranged in the line 18 and is used to transfer heat from a heat transfer fluid carried in the line system 12 and in the line 18 communicating therewith to the working medium in an ORC system 22.
  • the heat transfer fluid carried in the line system 12 and in the line 18 is air.
  • the heat transfer fluid is therefore gaseous and, due to the oxygen in the air, particularly contains oxidants.
  • the heat transfer fluid in the line system 12 can be heated in the heating device 14 with electrical current. By passing heat transfer fluid heated by means of the heating device 14 through the heat accumulator 16, it is possible to release the heat contained therein to the heat accumulator 16.
  • the system 10 contains a heat engine 24 designed as a Stirling engine and has a heat engine heat exchanger 26.
  • heat can be transferred from the heat transfer fluid the line system 12 and the line 18 communicating with it are transferred to a working fluid of the heat engine 24 by means of the Stirling engine heat exchanger 26.
  • a heat transfer fluid fan 28 which is used to convey the heat transfer fluid through the line system 12 and line system 18.
  • the system 10 has a first bypass line 30 through which heat transfer fluid can be guided past the heat engine heat exchanger 26 into the line 18.
  • a recirculation line 32 in the system with a recirculation heat transfer fluid delivery fan 34 which makes it possible to return heat transfer fluid guided through the heat exchanger 20 to a section of the line 18 arranged between the heat exchanger 20 and the Stirling engine heat exchanger 26.
  • the ORC system 22 has an evaporator 36 and has a condenser 38.
  • the evaporator 36 is fed with heat which is transferred from the heat transfer fluid in the line system 12 to the working fluid in the ORC system 22 by means of the heat exchanger 20.
  • the condenser 38 in the ORC system 22 transfers the heat of condensation of the working fluid to the heat transfer fluid.
  • the working fluid in the ORC system 22 contains flammable components.
  • the working fluid can be ethylbenzene.
  • there is a working fluid pump 40 which moves the working fluid condensed in the condenser 38 to the evaporator 36 in a working fluid circuit 42.
  • the ORC system 22 has an engine designed as a turbine 44, which receives vaporous working fluid from the evaporator 36 on its pressure side.
  • the working fluid in the ORC system expanded in the turbine 44 is fed to the condenser 38 through a heat exchanger 46.
  • heat exchanger 46 heat from the working medium expanded in the turbine 44 is transferred to the working fluid conveyed from the condenser 38 into the heat exchanger 20 by means of the compressor 40.
  • the turbine 44 in the ORC system 22 serves as a drive for a generator 47, which is designed here for an electrical power P EL ⁇ 50 kW. So that the flow of the in the system 10 by means of the heat transfer fluid fan 28 conveyed heat transfer fluid can be adjusted through the first line branch 13, the second line branch 15 and the line 18, there are several flow control means 48 in the line system 12 and in the bypass line 30.
  • the Fig. 2 shows a section of the line 18 with the heat exchanger 20.
  • the line 18 is a pipe with a pipe axis 49, which has a circular pipe cross section perpendicular to the pipe axis 49.
  • the line 18 can be, for example, an externally insulated, round steel pipe.
  • the heat exchanger 20 has a heat exchanger inlet 50 through which the heat transfer fluid can be fed from the line 18 into the heat exchanger 20 in the direction of the arrow 19.
  • the heat exchanger 20 has a heat exchanger outlet 52, through which the heat transfer fluid, after flowing through the heat exchanger 20, returns to the line 18, in which it flows in the direction of the arrow 21.
  • the working fluid with the combustible components contained therein circulating in the ORC system 22 through the working fluid circuit 42 has an excess pressure compared to the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid in the heat exchanger 20 during system operation.
  • the excess pressure means that if there is a leak in the heat exchanger 20, the heat transfer fluid in the system 10 cannot get into the working fluid circuit 42 of the ORC system 22.
  • the system 10 contains a device 58 for triggering combustion of fluid containing the flammable components mixed heat transfer fluid in the line 18, which causes the combustible gas atmosphere in the line 18 to burn off in the direction of the arrow 21 at a distance A from the device in a burn-off section 60.
  • the distance A is as small as possible, but chosen to be large enough to ensure that the medium containing oxidizing agents and the combustible medium are mixed.
  • the Fig. 3 is a cross section of the device 58 for triggering combustion in the system 10 along line III - III Fig. 2 .
  • the Fig. 4 is a perspective longitudinal section of the line along line IV - IV Fig. 3 shown.
  • the device 58 for triggering combustion in the system 10 has a first ignition source 62, a second ignition source 64 and a third ignition source 66, each of which is accommodated on a connector 67 fixed to the pipeline wall 65 and projecting into the interior of the line 18 .
  • the connection piece that accommodates the respective ignition source 62, 64, 66 is a gas-tight ignition source holding device which ensures that the gaseous heat transfer fluid from the inside of the line 18 cannot escape to the outside at the connection piece.
  • Each ignition source 62, 64, 66 has an ignition electrode 68 with a cylindrical ceramic body projecting into the line 18 and having a contact surface 70 for the heat transfer fluid flowing in the line.
  • the ignition electrode 68 there is an ignition electrode heating device 72 and a thermal sensor 74 which is thermally coupled to the cylindrical body.
  • the ignition electrode heating device 72 and the thermal sensor 74 are connected to electrical lines 75, which in which the respective ignition source 62, 64, 66 receiving nozzle 67 run.
  • the ignition electrode 68 of each ignition source 62, 64, 66 has the technical function of a glow element that can ignite a combustible gas atmosphere in its surroundings.
  • the ignition sources 62, 64, 66 project in the direction of the cylinder axis 76 of their ignition electrode 68 into the interior of the line 18, which is designed as a pipeline.
  • the cylinder axes 76 of the ignition electrodes 68 of the ignition sources 62, 64, 66 have a common intersection point lying on the pipeline axis 49 and lie in a plane perpendicular to the pipeline axis 49.
  • Each ignition source 62, 64, 66 is protected against the flow in the direction of arrow 21 on its side facing the flow direction for the heat transfer fluid in line 18 by a shielding element 90 designed as a perforated plate. This ensures that any ignitable mixture that may be present comes into direct contact with the ignition sources 62, 64, 66 comes and is ignited.
  • the ignition electrode 68 of an ignition source does not touch the shielding element 90.
  • the flow around the contact surface 70 of the ignition electrode 68 of each ignition source 62, 64, 66 with oxidant-containing gaseous heat transfer fluid causes continuous cooling of the contact surface.
  • the ignition electrode heating device 72 In order to ensure that the temperature of the contact surface 70 does not fall below the ignition temperature Tz, the ignition electrode heating device 72 must enable a correspondingly high heating output for heating the ignition electrode 68 of each ignition source 62, 64, 66.
  • the shielding element 90 assigned to each ignition source 62, 64, 66 in the device 58 for triggering combustion in the system 10 increases the residence time for the heat transfer fluid carried in the line 18, since it locally reduces the flow velocity for the heat transfer fluid. The result is that with a given heat input from the ignition electrode 68 into the heat transfer fluid via the contact surface 70, the temperature of the heat transfer fluid in the area of the contact surface increases.
  • the shielding elements 90 By means of the shielding elements 90, it is therefore possible to ignite heat transfer fluid mixed with the combustible components of the ORC working fluid at an ignition temperature T z of the contact surface 70, which is lower than that, by heating the ignition electrode 68 of each ignition source 62, 64, 66 required ignition temperature T z of the contact surface 70 without shielding by means of a shielding element.
  • the shielding element 90 is fixed to the connection piece 67 which accommodates the respective ignition source 62, 64, 66.
  • the shielding element 90 has the shape of a semi-cylindrical tube with a cylinder axis which coincides with the cylinder axis 76 of the ignition electrode 68.
  • the shielding element 90 extends over the entire length of the ignition electrode 68 of an ignition source 62, 64, 66 in the direction of the cylinder axis 76 of the body 68 and beyond. It has a radius R, which is approximately the diameter D of an ignition electrode 68 corresponds.
  • the shielding element 90 has edges parallel to a cylinder axis 76 of the body, which lie in a common cross-sectional plane of the line 18 perpendicular to the pipeline axis 49.
  • the shielding element 90 has a plurality of openings and causes the ignition electrode 68 of an ignition source 62, 64, 66 to be shielded against direct flow of gaseous heat transfer fluid. However, due to the openings in the shielding element 90, a possible ignitable mixture in the line 18 can reach the contact surface 70 of the ignition electrode 68 and thus be ignited.
  • the ignition electrode heating device 72 in the ignition electrode 68 of each ignition source 62, 64, 66 makes it possible to adjust the temperature T of the contact surface 70 of the ignition electrode 68 to an ignition temperature T z required for igniting a gas mixture in the line 18 in such a way that: T ⁇ T Z
  • the ignition temperature T z of the ORC working fluid is ethylbenzene T Z ⁇ 430 ° C
  • a combustible gas atmosphere arises in the line 18 in a section connected to the heat exchanger outlet 52, this at least partially flows around the contact surface 70 of the ignition electrode 68 of the ignition sources 62, 64, 66. Because the temperature T a contact surface 70 exceeds the ignition temperature T z , the gas atmosphere is ignited here and then burned off in the burn-off section 60 of the line 18. In this way it is ensured that flammable components are removed from the heat transfer fluid in the line 18 and in the line system 12.
  • the line 18 Since the ignition of a gas atmosphere in the line 18 results in a local volume expansion and, as a result, an increase in pressure, the line 18 has a pressure relief device 92 with an opening 94 in the sections connected to the heat exchanger outlet 52 and the heat exchanger inlet 50 the pipe wall 65 has a gas-tight sealing rupture disk 96.
  • the pressure relief device 92 is an overpressure protection and responds to a predetermined overpressure in the line 18. If the pressure increases in the section of the line 18 connected to the heat exchanger inlet 50 or the heat exchanger outlet 52, which exceeds an overpressure threshold value, which can be, for example, 100 mbar, the rupture disk 96 is destroyed and thus the opening 94 in the Pipe wall 65 released to a discharge line 98. This ensures that assemblies and elements 10 in the piping system 12 and the line 18 of the system 10 do not experience excessive mechanical stress when a gas atmosphere is ignited in the section of the line 18 connected to the heat exchanger outlet 52.
  • An explosion area is thus created which contains the ignition device 58, the combustion section 60, the heat exchanger 20 and the above-mentioned section of the line 18 of the line system 12. If the rupture disks 96 in the pressure relief devices 92 are destroyed due to an explosion, combustion gases are released through the then released openings 94 so that they cannot spread into the system 10.
  • the ignited gas atmosphere can exit the line 18 through the openings 94 and be released through the discharge line 98, for example over a hall roof.
  • the outlet of a discharge line 98 is preferably arranged in such a way that a flash flame emerging from the discharge line, in particular in a straight line, can emerge within a radius of approximately 6 m without igniting objects in the vicinity of the outlet.
  • outlet of the outlet line is protected against the ingress of rainwater, snow or the like, for example by a valve, a cap, a closure, or the like.
  • a pressure relief device 92 in the system 10 can also be provided in other sections of the system 10, for example in the recirculation line 32.
  • the Fig. 5 shows a control assembly 100 with the ignition sources of the device for triggering combustion.
  • the control module 100 is used to set an ignition temperature T Z on the contact surface 70 of the ignition electrode 68 of the ignition sources 62, 64, 66.
  • the heating device 74 in the ignition electrodes 68 is powered by electrical current, for example from a transformer 102 or operated by a thyristor powered from a low voltage subsupply.
  • the ignition electrode heating devices 72 of the ignition sources 62, 64, 66 are connected in parallel with one another.
  • the temperature T on the contact surface 70 of the ignition electrode 68 of the ignition sources 62, 64, 66 is monitored by means of a thermal sensor 74.
  • the thermal sensor 74 measures the temperature of the contact surface 70 of the body of an ignition electrode 68.
  • the thermal sensor 74 is arranged in the body of an ignition electrode 68. Alternatively, the thermal sensor 74 can be applied to the contact surface 70. It should be noted that the temperature at the contact surface 70 of the body of an ignition electrode 68 can be up to 1300 ° C.
  • the measurement signals from the thermal sensors 74 are fed to the control module 100 and converted there into temperature values.
  • the control module 100 monitors these temperature values and compares them with a predetermined minimum temperature T min , which can be approximately 900 ° C, for example.
  • the control module 100 is set up to provide a warning signal at an interface 104 and an emergency stop signal at an interface 106 for a control center of the system 10.
  • the warning signal is provided when the measurement signals from one of the thermal sensors assigned to the ignition sources 62, 64, 66 correspond to temperature values that fall below the predetermined minimum temperature T min .
  • the warning signal carries the information that the function of the device 58 for triggering combustion of heat transfer fluid mixed with the fluid containing flammable components in the line 18 is impaired.
  • the emergency stop signal is provided at the interface 104 when two of the thermal sensors assigned to the ignition sources 62, 64, 66 detect temperature values that fall below the predetermined minimum temperature T min .
  • the system 10 can be put into an operating state in which the spread of any ignitable mixture that may be present via the line system 12 of the system 10 is avoided.
  • This emergency stop operating state is ended, for example, when the emergency stop signal 104 is no longer present and a leak test of the heat exchanger 20, for example by evacuation, has been carried out and preferably no leakage is detected.
  • control module 100 can be designed to regulate the heating devices 74 in the ignition electrodes 68 to a predetermined temperature value depending on the temperature detected by a thermal sensor 74.
  • control assembly 100 can be designed to send measurement signals to a device with sensors for detecting the chemical composition of the heat transfer fluid in the section of the line 18 connected to the heat exchanger outlet 52 obtained and evaluated in order to set the heating devices 74 in the ignition electrodes 68 for an ignition temperature that is adapted to the chemical composition of the heat transfer fluid in the system 10.
  • the system 10 described above can assume at least three operating states:
  • the heat storage 16 is loaded with heat.
  • the heat transfer fluid heated by the heating device 14 flows through the heat storage 16 with a mass flow m.
  • the heating device 14 heats the heat transfer fluid here from a temperature T u to a temperature T o , whereby, for example: 0 ° ⁇ T u ⁇ 350 ° C , preferably T u ⁇ 270 ° C and 500 ° C ⁇ T O ⁇ 1500 ° C , preferably T O ⁇ 1000 ° C .
  • the line system 12 leads the heat transfer fluid to the heat storage 16.
  • the heat transfer fluid loses energy, which is expressed in a temperature reduction dT of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid.
  • dT temperature reduction of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid.
  • heat is taken from the heat storage 16 in the system 10 in order to convert it into electrical energy.
  • the flow paths for the heat transfer fluid in the line system 12 are set so that heat transfer fluid from the heat storage 16 with a temperature T with 600 ° C ⁇ T ⁇ 975 ° C and with a mass flow m ⁇ 0.4 kg / s initially passes through the heat engine heat exchanger 26 and then through the heat exchanger 20.
  • the heat engine heat exchanger 26 receives the heat transfer fluid at a temperature T ⁇ 950 ° C due to the pipe heat losses in the pipe system 18.
  • the Stirling engine To operate the Stirling engine, heat is removed from the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid at a heat rate Q ⁇ ⁇ 30 kW, which then results in a temperature drop dT of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid of dT ⁇ 150 K.
  • the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid therefore has a temperature T ⁇ 800 ° C downstream of the heat engine heat exchanger 26.
  • the Stirling engine delivers an electrical power P el ⁇ 7.5 kW.
  • a mass flow of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid of approximately 0.2 kg/s is used.
  • the heat engine heat exchanger 26 can be partially or completely bypassed using the bypass line 30.
  • the bypass line 30 is activated or interrupted via a closing valve 48.
  • approximately half, i.e. approximately 0.2 kg/s, of the mass flow m of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid flows through the bypass line 32 and thus bypasses the heat engine heat exchanger 26, the other half is sent to the heat engine 24 via the heat engine heat exchanger 26 supplied.
  • the bypass line 30 or the closing valve 48 and the heat transfer fluid fan 28 can be used Mass flow can be adjusted so that the correspondingly necessary enthalpy flow of the oxidizing agent-containing gaseous heat transfer fluid is present.
  • a portion, in particular between 0% and 100%, preferably between approximately 20% and approximately 80%, of the total mass flow m of the already cooled, oxidant-containing gaseous heat transfer fluid emerging from the heat exchanger 20 can be fed again to the heat exchanger 20. This allows the inlet temperature of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid to be regulated at the heat exchanger inlet 50.
  • the portion of the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid that does not flow through the recirculation line 32 has a temperature of approximately 200 ° C and is moved back to the heat storage 16 via the heat transfer fluid blower 28.
  • the cycle now begins again until the heat accumulator 16 has released the desired amount of heat Q.
  • the temperature values of the thermal sensors 74 are monitored in the control module 100. If a faulty function is detected in only one of the three ignition sources, an error message is preferably output to the control center of the system 10.
  • a third operating state the system comes to a standstill.
  • the flow control devices 48 ie flaps, closing valves and the like, are closed so that as little heat as possible can escape from the system 10, in particular from the heat accumulator 16. It may be useful that individual flow control devices 48 are opened to allow the heat transfer fluid blowers 28 to run out.
  • the system 10 is conveniently operated when neither energy is to be supplied to the heat storage 16 nor energy is to be removed from the heat storage 16.
  • a system has a line 18 for an oxidant-containing gaseous heat transfer fluid, in which a heat exchanger 20 is arranged for exchanging heat between the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid and a fluid containing flammable components.
  • the heat exchanger 20 has a heat exchanger inlet 50 through which the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid can be fed from the line 18 into the heat exchanger 20.
  • the heat exchanger 20 has a heat exchanger outlet 52 through which the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid can get back into the line 18 after flowing through the heat exchanger 20.
  • the system contains a device 58 for triggering combustion of heat transfer fluid mixed with the fluid containing combustible components in the line 18 for the oxidant-containing gaseous heat transfer fluid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einer Leitung (18) für ein oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid, in der ein Wärmetauscher (20) für das Austauschen von Wärme zwischen dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid und einem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid angeordnet ist, der einen Wärmetauscher-Eingang (50) hat, durch den das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid aus der Leitung (18) in den Wärmetauscher (20) zugeführt werden kann, und der einen Wärmetauscher-Ausgang (52) hat, durch den das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid nach Durchströmen des Wärmetauschers (20) wieder in die Leitung (18) gelangen kann. Erfindungsgemäß enthält die Anlage eine Einrichtung (58) für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung (18) für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einer Leitung für ein oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid, in der ein Wärmetauscher für das Austauschen von Wärme zwischen dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid und einem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid angeordnet ist, der einen Wärmetauscher-Eingang hat, durch den das Wärmeträgerfluid aus der Leitung in den Wärmetauscher zugeführt werden kann, und der einen Wärmetauscher-Ausgang hat, durch den das Wärmeträgerfluid nach Durchströmen des Wärmetauschers wieder in die Leitung gelangen kann.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage mit einer Leitung für ein oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid, in der ein Wärmetauscher für das Austauschen von Wärme zwischen dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid und einem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid angeordnet ist, damit das Wärmeträgerfluid den Wärmetauscher von einem Wärmetauscher-Eingang für das Wärmeträgerfluid zu einem Wärmetauscher-Ausgang für das Wärmeträgerfluid durchströmen kann.
  • Aus der DE 21 2016 000 187 U1 ist eine Anlage und ein Verfahren bekannt, bei dem ein Gas komprimiert wird, wobei nach der Kompression des Gases die beim Komprimieren entstandene Wärme über einen Wärmetauscher an ein ORC-System (ORC = Organic Rankine Cyle) abgegeben wird.
  • Die spezifische Wärmekapazität eines Gases ist im Allgemeinen geringer als die spezifische Wärmekapazität einer Flüssigkeit. Um in einem Wärmetauscher die gleiche Wärmemenge pro Zeiteinheit von einer Primärseite, durch die ein Wärmeträgerfluid strömt, auf eine Sekundärseite des Wärmetauschers zu übertragen, muss deshalb ein gasförmiges Wärmeträgerfluid mit einem größeren Massenstrom durch den Wärmetauscher bewegt werden als ein flüssiges Wärmeträgerfluid.
  • Beim Übertragen von Wärme in einem Wärmetauscher mit gasförmigem Wärmeüberträgerfluid gibt es den Vorteil, dass dieses im allgemeinen höheren Temperaturen als flüssiges Wärmeträgerfluid ausgesetzt werden kann, ohne dass Phasenübergänge und/oder chemische Umwandlungen erfolgen.
  • Insbesondere Luft eignet sich als ein Wärmeträgerfluid für das Übertragen von Wärme von einer Primärseite zu einer Sekundärseite in einem Wärmetauscher, das Temperaturen T ≥ 1000°C standhält und dabei frei verfügbar ist.
  • Wenn ein Wärmeträgerfluid für das Übertragen von Wärme von der Primärseite zu der Sekundärseite in einem Wärmetauscher auf ein weiteres Wärmeträgerfluid eingesetzt wird, besteht bei Undichtigkeiten des Wärmetauschers die Gefahr, dass sich die beiden Wärmeträgerfluide vermischen. Insbesondere wenn das eine Wärmeträgerfluid, wie z.B. Luft aufgrund des darin enthaltenen Sauerstoffs, ein Oxidationsmittel als Bestandteil hat und das weitere Wärmeträgerfluid, wie z.B. ein ORC-Arbeitsmittel, brennbare Bestandteile aufweist, besteht die Gefahr, dass unkontrollierte Verbrennungen oder gar Explosionen auftreten können, die eine Anlage beschädigen.
  • Um zu vermeiden, dass sich das Wärmeträgerfluid auf einer Primärseite eines Wärmetauschers mit dem Wärmeträgerfluid auf einer Sekundärseite des Wärmetauschers vermischen kann, ist es bekannt, die Wärmeträgerfluid-Kanäle in einem Wärmetauscher doppelwandig auszubilden. Der technische Aufwand für das Herstellen doppelwandiger Wärmetauscher ist allerdings hoch, da für die Herstellung Sonderapparate und Sondermaterialien erforderlich sind.
  • Darüber hinaus ist es bekannt, Anlagen mit Leitungen, in denen brennbare Gasgemische bei hohen Temperaturen geführt werden, explosionsdruckfest bzw. explosionsdruckstoßfest auszubilden, so dass diese auch bei Explosionen keinen Schaden nehmen. Die hierfür zu treffenden Maßnahmen sind allerdings aufwändig und haben zur Folge, dass viele Baugruppen und Elemente der Anlage für den Normalbetrieb überdimensioniert sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage anzugeben, in der Wärme betriebssicher aus einem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid auf ein brennbare Bestandteile enthaltendes Fluid übertragen werden kann, sowie ein Verfahren für den Betrieb einer Anlage bereitzustellen, in der Wärme aus einem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid auf ein brennbare Bestandteile enthaltendes Fluid übertragen wird, das Unfälle vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine erfindungsgemäße Anlage weist eine Leitung für ein oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid auf, in der ein Wärmetauscher für das Übertragen von Wärme aus dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid auf ein brennbare Bestandteile enthaltendes Fluid angeordnet ist. Der Wärmetauscher hat einen Wärmetauscher-Eingang, durch den das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid aus der Leitung in den Wärmetauscher zugeführt werden kann. Der Wärmetauscher weist einen Wärmetauscher-Ausgang auf, durch den das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid nach Durchströmen des Wärmetauschers wieder in die Leitung gelangen kann. Die Anlage enthält eine Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass in einer Anlage, in der Wärme aus einem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid auf ein brennbare Bestandteile enthaltendes Fluid als ein weiteres Wärmeträgerfluid übertragen wird, Leckagen in einem Wärmetauscher in Kauf genommen werden können, die dazu führen können, dass eine Explosionsatmosphäre entsteht, wenn eine Explosion durch kontrolliertes Verbrennen der Explosionsatmosphäre in der Anlage vermieden und/oder lokal begrenzt wird. Eine Idee der Erfindung ist es insbesondere, durch kontrolliertes Zünden und Oxidieren an einer Stelle oder an mehreren Stellen in einer Anlage zu vermeiden, dass sich ein explosionsfähiges Gasgemisch in der Anlage ansammelt und verbreitet.
  • Das brennbare Bestandteile enthaltende Fluid kann z.B. aus einer ORC-Anlage herrühren. Es kann aber zweckmäßig sein, die Anlage in weiteren Ausführungsvarianten zur Luftvorspülung eines Abgastraktes bei Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Thermischen Abluftreinigungsanlagen und dergleichen zu nutzen, insbesondere bei allen Anwendungen und Prozessen, bei denen unter Störeinflüssen ein brennbares oder explosives Stoffgemisch innerhalb von räumlich umgrenzten Apparaten, Behältern, Rohrleitungen und dergleichen auftreten kann.
  • Vorteilhaft weist die Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung eine Zündquelle zum Bereitstellen von Zündenergie auf, die eine, bevorzugt kontrollierte, Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid auslösen kann. Von Vorteil ist es, wenn die Zündquelle beim Betrieb der Anlage in einem Betriebszustand gehalten wird, der sichergestellt, dass jegliches zündfähige Gas, das in Kontakt mit der Zündquelle gerät, sofort gezündet wird.
  • Vorzugsweise ist die Zündquelle in der Leitung für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid angeordnet, bevorzugt stromab des Wärmetauschers, d.h. in einem an den Wärmetauscher-Ausgang angeschlossenen Abschnitt der Leitung für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid. Diese Maßnahme gewährleistet, dass das explosionsfähige Gas in der Anlage gezündet wird, kurz nachdem es sich darin ausgebildet hat.
  • Zweckmäßig weist die Zündquelle einen Körper mit einer Kontaktfläche zu dem oxidationsmittelhaltigen, gasförmigen Wärmeträgerfluid auf. Von Vorteil ist es, wenn die Zündquelle eine Heizeinrichtung für das Erhitzen des Körpers hat. Dadurch kann die Kontaktfläche auf eine vorgegebene Zündtemperatur erhitzt werden. Um eine sichere Zündung des Gemisches zu gewährleisten, ist es günstig, wenn der Körper bzw. die Kontaktfläche des Körpers zu jedem Zeitpunkt eine Temperatur erreichen, die oberhalb der Zündtemperatur eines Gemischs des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids und brennbare Bestandteile enthaltenden Fluids liegt.
  • Die Zündquelle kann eine Zündelektrode aufweisen, wie sie z.B. als ein Glühzünder bei Holzfeuerungen eingesetzt wird. Vorzugsweise ist der Körper ein Keramikkörper. Ein Keramikkörper kann dauerhaft hohen Temperaturen, also insbesondere Temperaturen oberhalb der Zündtemperatur standhalten. Damit ist er für einen Dauerbetrieb geeignet.
  • Bevorzugt enthält die Anlage einen Sensor für das Überwachen der Temperatur der Kontaktfläche des Körpers der Zündquelle. Zweckmäßig weist der Sensor wenigstens einen mit dem Körper der Zündquelle thermisch gekoppelten Thermofühler auf. Ein solcher Thermofühler ermöglicht das Überwachen der Zündquelle bzw. des Körpers der Zündquelle. Wenn die Temperatur einen Temperaturgrenzwert unterschreitet, kann dann z.B. ein Warnsignal ausgegeben werden.
  • Von Vorteil ist es, wenn der an den Wärmetauscher-Ausgang und/oder der an den Wärmetauscher-Eingang angeschlossene Abschnitt der Leitung für das oxidationsmittelhaltige, gasförmige Wärmeträgerfluid eine auf einen vorgegebenen Überdruck ansprechende Druckentlastungs-Einrichtung enthält. Indem die Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung in einem von dem Wärmetauscher beabstandeten Abbrandabschnitt einen Abbrand einer brennbaren Gasatmosphäre in der Leitung bewirkt und die Druckentlastungs-Einrichtung für das Abbauen eines durch den Abbrand einer brennbaren Gasatmosphäre in dem Abbrandabschnitt hervorgerufenen Druckanstiegs ausgelegt ist, lässt sich erreichen, dass die Anlage beim Auslösen einer Verbrennung mittels der Zündquelle keinen Schaden nimmt.
  • Vorzugsweise gibt es in der Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltendem Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid Mittel, die zum Erfassen einer Zusammensetzung des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids nach dem Wärmetauscher-Ausgang für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid dienen.
  • Zweckmäßig enthält die Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltendem Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid eine Steuerbaugruppe, die für das Einstellen der Temperatur der Kontaktfläche in Abhängigkeit eines Signals des Sensors für das Überwachen der Temperatur ausgelegt ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Temperatur der Kontaktfläche mindestens der Zündtemperatur entspricht. Wenn der Sensor eine Temperatur unterhalb der Zündtemperatur erfasst, ist es zweckmäßig, an einer Schnittstelle zu einem Leitstand der Anlage ein Warn-Signal oder Notaus-Signal bereitzustellen.
  • Das brennbare Bestandteile enthaltende Fluid kann z.B. ein Rankine Cycle (RC) - Arbeitsmedium, insbesondere ein ORC-Arbeitsmedium sein. Indem das Arbeitsmedium in einem RC- bzw. ORC-Arbeitsmittelkreislauf geführt ist, der eine Dampfturbine sowie einen Kondensator und eine Pumpe enthält, kann Wärme aus dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid in mechanische Energie gewandelt werden, z.B. um diese in elektrische Energie umzusetzen.
  • Unter einem RC-System (RC = Rankine Cycle) ist vorliegend ein System zu verstehen, in dem mit einem thermodynamischen Kreisprozess unter Verwendung eines in einem Kreislauf geführten Arbeitsmittels, z. B. Wasser bzw. Wasserdampf, Wärme in mechanische Energie gewandelt wird.
  • Unter einem ORC-System (ORC = Organic Rankine Cycle) ist vorliegend ein RC-System mit einem Arbeitsmittelkreislauf zu verstehen, der als Arbeitsmittel ein organisches Medium, z.B. Ethylbenzol, Pentan, Butan, Toluol, Silikonöl oder auch Ammoniak enthält, dessen Verdampfungstemperatur bei Atmosphärendruck niedriger sein kann als die Verdampfungstemperatur von Wasser. In einem ORC-System wird das Arbeitsmittel mit Druck beaufschlagt. In der Regel enthält das ORC-System hierfür eine Pumpe. Das mit Druck beaufschlagte Arbeitsmittel wird dann in einem Verdampfer erwärmt. Dabei wird das Arbeitsmittel verdampft bzw. überhitzt. Das verdampfte bzw. überhitzte Arbeitsmittel wird dann zu einer Dampfturbine geführt. Hier wird es unter Erzeugung von mechanischer Energie auf einen niedrigen Druck entspannt und anschließend kondensiert. In dem Arbeitsmittelkreislauf der ORC-Anlage wird das Arbeitsmittel dann wieder mit Druck beaufschlagt und erneut dem Verdampfer zugeführt, in dem es von neuem erwärmt und dann wieder verdampft wird. Es sei bemerkt, dass in einer ORC-Anlage als Arbeitsmittel auch Medien eingesetzt werden können, deren Verdampfungstemperatur höher ist als diejenige von Wasser. ORC-Anlagen können für das Erzeugen von mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärme insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke zu niedrig ist, um eine Wärmekraftmaschine, etwa eine Turbine, mit Wasserdampf zu betreiben.
  • Von Vorteil ist es, wenn in der Leitung in einem an den Wärmetauscher-Eingang angeschlossenen Abschnitt der Leitung für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid ein Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher angeordnet ist, der für das Übertragen von Wärme aus dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid auf ein Wärmekraftmaschinen-Arbeitsmittel für eine Wärmekraftmaschine dient. Auf diese Weise kann die Wärme des Wärmeträgerfluids in der Leitung in Temperaturbereichen genutzt werden, in denen keine Wärme in dem Wärmetauscher ausgetauscht wird, weil die Gefahr besteht, dass das brennbare Bestandteile enthaltende Fluid Schaden nimmt. Die Wärmekraftmaschine kann z.B. ein Stirlingmotor sein.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betrieb einer Anlage mit einer Leitung für ein oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid, in der ein Wärmetauscher für das Übertragen von Wärme aus dem oxidationsmittelhaltigen, gasförmigen Wärmeträgerfluid auf ein brennbare Bestandteile enthaltendes Fluid angeordnet ist, damit das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid den Wärmetauscher von einem Wärmetauscher-Eingang für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid zu einem Wärmetauscher-Ausgang für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid durchströmen kann. Es erfolgt das Auslösen einer kontrollierten Verbrennung des oxidationsmittelhaltigen, gasförmigen Wärmeträgerfluids in der Leitung, wenn dieses mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischt ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Anlage für das Speichern von elektrischer Energie,
    Fig. 2
    einen Abschnitt einer Leitung mit einem Wärmetauscher und mit einer Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung in der Anlage,
    Fig. 3
    einen Querschnitt der Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung in der Anlage entlang der Linie III - III aus Fig. 2;
    Fig. 4
    einen perspektivischen Längsschnitt der Leitung entlang der Linie IV - IV aus Fig. 3; und
    Fig. 5
    eine Steuerbaugruppe für das Einstellen der Temperatur der Kontaktfläche von Zündquellen in der Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung.
  • Die in der Fig. 1 gezeigte Anlage 10 dient für das Speichern von elektrischer Energie, die z.B. mittels einer Windkraftanlage erzeugt ist. Die Anlage 10 enthält ein Leitungssystem 12 mit einem ersten Leitungszweig 13, in dem eine Heizeinrichtung 14 angeordnet ist, und mit einem zweiten Leitungszweig 15, in dem sich ein Wärmespeicher 16 befindet. Der Wärmespeicher 16 ist für das Aufnehmen einer Wärmemenge Q ausgelegt. In der Anlage 10 gibt es eine Leitung 18, die mit dem Leitungssystem 12 kommuniziert. Das Leitungssystem 18 enthält Heißluftleitungen, die als innenisolierte Kanäle, z.B. Rechteckkanäle ausgebildet sind. Die Innenisolierung besteht vorzugsweise aus einem verdichteten Fasermaterial, z.B. in Form von Matten. Diese Matten sind elastisch und können verformt werden.
  • In der Leitung 18 ist ein Wärmetauscher 20 angeordnet, der für das Übertragen von Wärme aus einem in dem Leitungssystem 12 und in der damit kommunizierenden Leitung 18 geführten Wärmeträgerfluid auf das Arbeitsmittel in einem ORC-System 22 dient. Das in dem Leitungssystem 12 und in der Leitung 18 geführte Wärmeträgerfluid ist Luft. Das Wärmeträgerfluid ist damit gasförmig und aufgrund des Sauerstoffs in der Luft insbesondere oxidationsmittelhaltig. Das Wärmeträgerfluid in dem Leitungssystem 12 kann in der Heizeinrichtung 14 mit elektrischem Strom aufgeheizt werden. Indem mittels der Heizeinrichtung 14 aufgeheiztes Wärmeträgerfluid durch den Wärmespeicher 16 geführt wird, ist es möglich, darin enthaltene Wärme an den Wärmespeicher 16 abzugeben. Die Anlage 10 enthält eine als ein Stirlingmotor ausgebildete Wärmekraftmaschine 24 und weist einen Wärmekraftmaschine-Wärmetauscher 26 auf. In der Anlage 10 kann Wärme aus dem Wärmeträgerfluid in dem Leitungssystem 12 und der damit kommunizierenden Leitung 18 mittels des StirlingmotorWärmetauschers 26 auf ein Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine 24 übertragen werden. In der Anlage 10 gibt es ein Wärmeträgerfluid-Gebläse 28, das für das Fördern des Wärmeträgerfluids durch das Leitungssystem 12 und Leitungssystem 18 dient. Die Anlage 10 hat eine erste Bypassleitung 30, durch die Wärmeträgerfluid an dem Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher 26 vorbei in die Leitung 18 geführt werden kann. Darüber hinaus gibt es in der Anlage eine Rezirkulationsleitung 32 mit einer Rezirkulations-Wärmeträgerfluid-Fördergebläse 34, die es ermöglicht, durch den Wärmetauscher 20 geführtes Wärmeträgerfluid in einen zwischen dem Wärmetauscher 20 und dem Stirlingmotor-Wärmetauscher 26 angeordneten Abschnitt der Leitung 18 zurückzuführen.
  • Das ORC-System 22 weist einen Verdampfer 36 auf und hat einen Kondensator 38. Der Verdampfer 36 ist mit Wärme gespeist, die mittels des Wärmetauschers 20 aus dem Wärmeträgerfluid in dem Leitungssystem 12 auf das Arbeitsmittel in dem ORC-System 22 übertragen wird. Der Kondensator 38 in dem ORC-System 22 überträgt die Kondensationswärme des Arbeitsmittels auf das Wärmeträgerfluid. Das Arbeitsmittel in dem ORC-System 22 enthält brennbare Bestandteile. Z.B. kann das Arbeitsmittel Ethylbenzol sein. In dem ORC-System 22 gibt es eine Arbeitsmittelpumpe 40, die das in dem Kondensator 38 kondensierte Arbeitsmittel in einem Arbeitsmittelkreislauf 42 zu dem Verdampfer 36 bewegt. Das ORC-System 22 weist eine als Turbine 44 ausgebildete Kraftmaschine auf, die auf ihrer Druckseite dampfförmiges Arbeitsmittel aus dem Verdampfer 36 erhält. Das in der Turbine 44 entspannte Arbeitsmittel in dem ORC-System wird dem Kondensator 38 durch einen Wärmetauscher 46 zugeführt. In dem Wärmetauscher 46 wird auf das mittels des Kompressors 40 aus dem Kondensator 38 in den Wärmetauscher 20 geförderte Arbeitsmittel Wärme aus dem in der Turbine 44 entspannten Arbeitsmittel übertragen. Die Turbine 44 in dem ORC-System 22 dient als ein Antrieb für einen Generator 47, der hier für eine elektrische Leistung PEL ≈ 50 kW ausgelegt ist. Damit die Strömung des in der Anlage 10 mittels der Wärmeträgerfluid-Gebläse 28 geförderten Wärmeträgerfluids durch den ersten Leitungszweig 13, den zweiten Leitungszweig 15 und die Leitung 18 eingestellt werden kann, gibt es in dem Leitungssystem 12 und in der Bypassleitung 30 mehrere Durchflusssteuermittel 48.
  • Die Fig. 2 zeigt einen Abschnitt der Leitung 18 mit dem Wärmetauscher 20. Die Leitung 18 ist eine Rohrleitung mit einer Rohrleitungsachse 49, die einen zu der Rohrleitungsachse 49 senkrechten kreisförmigen Leitungsquerschnitt hat. Die Leitung 18 kann z.B. ein außenisoliertes, rundes Stahlrohr sein.
  • Der Wärmetauscher 20 weist einen Wärmetauscher-Eingang 50 auf, durch den das Wärmeträgerfluid aus der Leitung 18 in der Richtung des Pfeils 19 in den Wärmetauscher 20 zugeführt werden kann. Der Wärmetauscher 20 hat einen Wärmetauscher-Ausgang 52, durch den das Wärmeträgerfluid nach Durchströmen des Wärmetauschers 20 wieder in die Leitung 18 gelangt, in der es in der Richtung des Pfeils 21 strömt.
  • Das in dem ORC-System 22 durch den Arbeitsmittelkreislauf 42 zirkulierende Arbeitsmittel mit den darin enthaltenen brennbaren Bestandteilen hat gegenüber dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid in dem Wärmetauscher 20 während des Anlagenbetriebs einen Überdruck. Der Überdruck bewirkt, dass bei einer Leckage des Wärmetauschers 20 das Wärmeträgerfluid in der Anlage 10 nicht in den Arbeitsmittelkreislauf 42 des ORC-Systems 22 gelangen kann. Aufgrund des Überdrucks des Arbeitsmittels des ORC-Systems 22 besteht allerdings grundsätzlich die Möglichkeit, dass Arbeitsmittel des ORC-Systems 22 in die Leitung 18 und das Leitungssystem 12 der Anlage 10 eintreten kann, wenn in dem Wärmetauscher 20 eine Leckage an einer Leckagestelle 54 auftritt.
  • Wenn brennbare Bestandteile enthaltendes Arbeitsmittel des ORC-Systems 22 sich mit oxidationsmittelhaltigem gasförmigem Wärmeträgerfluid in der Anlage 10 vermischt, besteht die Gefahr, dass in der Leitung 18 und in dem Leitungssystem 12 der Anlage 10 eine brennbare Gasatmosphäre entsteht, die sich, gegebenenfalls selbst, entzünden oder gar explodieren kann.
  • Um zu vermeiden, dass sich beim Auftreten einer Leckage in dem Wärmetauscher 20 in der Anlage aus dem Wärmetauscher 20 in die Leitung 18 eine brennbare Gasatmosphäre 56 ausbreitet, enthält die Anlage 10 eine Einrichtung 58 für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung 18, die in der Richtung des Pfeils 21 im Abstand A von der Einrichtung in einem Abbrandabschnitt 60 einen Abbrand der brennbaren Gasatmosphäre in der Leitung 18 bewirkt. Der Abstand A ist möglichst klein, aber so groß gewählt, dass eine Durchmischung von oxidationsmittelhaltigem Medium und brennbarem Medium gewährleistet ist.
  • Die Fig. 3 ist ein Querschnitt der Einrichtung 58 für das Auslösen einer Verbrennung in der Anlage 10 entlang der Linie III - III aus Fig. 2. In der Fig. 4 ist ein perspektivischer Längsschnitt der Leitung entlang der Linie IV - IV aus Fig. 3 gezeigt.
  • Die Einrichtung 58 für das Auslösen einer Verbrennung in der Anlage 10 weist eine erste Zündquelle 62, eine zweite Zündquelle 64 und eine dritte Zündquelle 66 auf, die jeweils an einem an der Rohrleitungswand 65 festgelegten, in das Innere der Leitung 18 ragenden Stutzen 67 aufgenommen ist. Der die jeweilige Zündquelle 62, 64, 66 aufnehmende Stutzen ist eine gasdichte Zündquellen-Haltevorrichtung, die sicherstellt, dass das gasförmige Wärmeträgerfluid aus dem Inneren der Leitung 18 an dem Stutzen nicht nach außen gelangen kann.
  • Eine jede Zündquelle 62, 64, 66 hat eine Zündelektrode 68 mit einem in die Leitung 18 ragenden zylindrischen Körper aus einer Keramik, der eine Kontaktfläche 70 zu dem in der Leitung strömenden Wärmeträgerfluid hat. In der Zündelektrode 68 befindet sich eine Zündelektroden-Heizeinrichtung 72 und ein mit dem zylindrischen Körper thermisch gekoppelter Thermofühler 74. Die Zündelektroden-Heizeinrichtung 72 und der Thermofühler 74 sind die an elektrische Leitungen 75 angeschlossen, die in dem die jeweilige Zündquelle 62, 64, 66 aufnehmenden Stutzen 67 verlaufen. Die Zündelektrode 68 einer jeden Zündquelle 62, 64, 66 hat die technische Funktion eines Glühelements, das eine brennbare Gasatmosphäre in seiner Umgebung entzünden kann.
  • Die Zündquellen 62, 64, 66 ragen in der Richtung der Zylinderachse 76 ihrer Zündelektrode 68 in das Innere der als eine Rohrleitung ausgebildeten Leitung 18. Die Zylinderachsen 76 der Zündelektroden 68 der Zündquellen 62, 64, 66 haben einen auf der Rohrleitungsachse 49 liegenden gemeinsamen Schnittpunkt und liegen in einer zu der Rohrleitungsachse 49 senkrechten Ebene. Dabei schließen die Zylinderachsen 76 zueinander benachbarter Zündquellen 62, 64, 66 den Winkel α = 120° ein. Die Zylinderachse 76 durchsetzt in der Zündelektrode 68 einer jeden Zündquelle 62, 64, 66 den Flächenschwerpunkt 78, 80, 82 eines Querschnittsflächen-Kreissegments 84, 86, 88 der Leitung 18, das den Segmentwinkel α84 = α86 = α88 = 120° hat. Damit ist sichergestellt, dass die Zündquellen 62, 64, 66 für das das durch die Leitung 18 strömende gasförmige Wärmeträgerfluid keinen übermäßigen Strömungswiderstand erzeugen. Hier wird eine freie Durchströmung des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids ermöglicht.
  • Eine jede Zündquelle 62, 64, 66 ist auf ihrer der Strömungsrichtung für das Wärmetträgerfluid in der Leitung 18 zugewandten Seite durch ein als ein Lochblech ausgebildetes Abschirmelement 90 gegen die Anströmung in der Richtung des Pfeils 21 geschützt. Damit wird erreicht, dass ein eventuell vorhandenes zündfähiges Gemisch in direkten Kontakt mit den Zündquellen 62, 64, 66 kommt und so gezündet wird. Die Zündelektrode 68 einer Zündquelle berührt das Abschirmelement 90 nicht.
  • Das Umströmen der Kontaktfläche 70 der Zündelektrode 68 einer jeden Zündquelle 62, 64, 66 mit oxidationsmittelhaltigem gasförmigem Wärmeträgerfluid ruft eine fortlaufende Kühlung der Kontaktfläche hervor. Um zu gewährleisten, dass hier die Temperatur der Kontaktfläche 70 nicht unterhalb die Zündtemperatur Tz sinkt, muss die Zündelektroden-Heizeinrichtung 72 eine entsprechend hohe Heizleistung für das Aufheizen der Zündelektrode 68 einer jeden Zündquelle 62, 64, 66 ermöglichen.
  • Das einer jeden Zündquelle 62, 64, 66 in der Einrichtung 58 für das Auslösen einer Verbrennung in der Anlage 10 zugeordnete Abschirmelement 90 erhöht die Verweildauer für das in der Leitung 18 geführte Wärmeträgerfluid, da es die Strömungsgeschwindigkeit für das Wärmeträgerfluid lokal verringert. Die Folge ist, dass sich bei einem gegebenen Wärmeeintrag aus der Zündelektrode 68 in das Wärmeträgerfluid über die Kontaktfläche 70 die Temperatur des Wärmeträgerfluids im Bereich der Kontaktfläche erhöht. Mittels der Abschirmelemente 90 wird also ermöglicht, durch Aufheizen der Zündelektrode 68 einer jeden Zündquelle 62, 64, 66 ein Zünden von mit den brennbaren Bestandteilen des ORC-Arbeitsmittels versetztem Wärmeträgerfluid bei einer Zündtemperatur Tz der Kontaktfläche 70 zu bewirken, die geringer ist als die hierfür erforderliche Zündtemperatur Tz der Kontaktfläche 70 ohne das Abschirmen mittels eines Abschirmelements.
  • Das Abschirmelement 90 ist an dem die jeweilige Zündquelle 62, 64, 66 aufnehmenden Stutzen 67 festgelegt. Das Abschirmelement 90 hat die Form eines halbzylindrischen Rohrs mit einer Zylinderachse, die mit der Zylinderachse 76 der Zündelektrode 68 zusammenfällt. Das Abschirmelement 90 ist über die gesamte Länge der Zündelektrode 68 einer Zündquelle 62, 64, 66 in der Richtung der Zylinderachse 76 des Körpers 68 und darüber hinaus erstreckt. Es hat einen Radius R, der in etwa dem Durchmesser D einer Zündelektrode 68 entspricht. Das Abschirmelement 90 umgreift eine Zündelektrode 68 radial auf einem Bogenwinkel β = 180°. Das Abschirmelement 90 hat zu einer Zylinderachse 76 des Körpers parallele Kanten, die in einer gemeinsamen zu der Rohrleitungsachse 49 senkrechten Querschnittsebene der Leitung 18 liegen.
  • Das Abschirmelement 90 hat eine Vielzahl von Öffnungen und bewirkt das Abschirmen der Zündelektrode 68 einer Zündquelle 62, 64, 66 gegen direktes Anströmen mit gasförmigem Wärmeträgerfluid. Aufgrund der Öffnungen im Abschirmelement 90 kann aber ein mögliches zündfähiges Gemisch in der Leitung 18 die Kontaktfläche 70 der Zündelektrode 68 erreichen und damit zur Zündung gebracht werden.
  • Die Zündelektroden-Heizeinrichtung 72 in der Zündelektrode 68 einer jeden Zündquelle 62, 64, 66 ermöglicht, die Temperatur T der Kontaktfläche 70 der Zündelektrode 68 auf eine für das Entzünden eines Gasgemisches in der Leitung 18 erforderliche Zündtemperatur Tz so anzupassen, dass gilt: T ≫ T Z
    Figure imgb0001
  • Vorliegend beträgt die Zündtemperatur Tz des ORC-Arbeitsmittels Ethylbenzol T Z ≈ 430 ° C
    Figure imgb0002
  • Indem sichergestellt wird, dass für die Temperatur T der Kontaktfläche 70 des Körpers 68 gilt: T ≈ 900 ° C
    Figure imgb0003
     lässt sich erreichen, dass in der Leitung 18 mit dem ORC-Arbeitsmittel Ethylbenzol versetztes oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid an den Zündquellen 62, 64, 66 entzündet werden kann.
  • Wenn in Folge einer Leckage in dem Wärmetauscher 20 in der Leitung 18 in einem an den Wärmetauscher-Ausgang 52 angeschlossenen Abschnitt eine brennbare Gasatmosphäre entsteht, umströmt diese zumindest teilweise die Kontaktfläche 70 der Zündelektrode 68 der Zündquellen 62, 64, 66. Weil die Temperatur T einer Kontaktfläche 70 die Zündtemperatur Tz übersteigt, wird die Gasatmosphäre hier entzündet und dann in dem in Abbrandabschnitt 60 der Leitung 18 abgebrannt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass brennbare Bestandteile aus dem Wärmeträgerfluid in der Leitung 18 und in dem Leitungssystem 12 beseitigt werden.
  • Da sich beim Zünden einer Gasatmosphäre in der Leitung 18 eine lokale Volumenerweiterung und infolgedessen eine Druckerhöhung ergibt, weist die Leitung 18 in den an den Wärmetauscher-Ausgang 52 und den Wärmetauscher-Eingang 50 angeschlossenen Abschnitten eine Druckentlastungs-Einrichtung 92 mit einer eine Öffnung 94 in der Rohrleitungswand 65 gasdicht abdichtende Berstscheibe 96 auf. Die Druckentlastungs-Einrichtung 92 ist eine Überdruckabsicherung und spricht auf einen vorgegebenen Überdruck in der Leitung 18 an. Bei einer Druckerhöhung in dem an den Wärmetauscher-Eingang 50 bzw. den Wärmetauscher-Ausgang 52 angeschlossenen Abschnitt der Leitung 18, die einen Überdruck-Schwellwert übersteigt, der z.B. 100 mbar betragen kann, wird die Berstscheibe 96 zerstört und damit die Öffnung 94 in der Rohrleitungswand 65 zu einer Abführleitung 98 freigegeben. Damit wird erreicht, dass Baugruppen und Elemente 10 in dem Rohrleitungssystem 12 und der Leitung 18 der Anlage 10 keine übermäßige mechanische Belastung erfahren, wenn in dem an den Wärmetauscher-Ausgang 52 angeschlossenen Abschnitt der Leitung 18 eine Gasatmosphäre entzündet wird.
  • Derjenige Abschnitt der Leitung 18 des Leitungssystems 12, der die Einrichtung 58 für das Auslösen einer Verbrennung enthält und der zwischen den Einrichtungen zur Druckentlastung 92 angeordnet ist, die sich in der dem Pfeil 19 entsprechenden Strömungsrichtung für das Wärmeträgerfluid gesehen zum einen vor dem Wärmetauscher-Eingang 50 und zum anderen hinter dem Wärmetauscher-Ausgang 52 des Wärmetauschers 20 befindet, ist deshalb derart ausgelegt, dass sie eine der durch Explosionen, Verbrennungen oder Verpuffungen hervorgerufenen mechanischen Belastung aufgrund von Überdruck-Druckstößen standhalten ohne Schaden zu nehmen, wenn der Überdruck dp der Druckstöße einen Wert von beispielsweise dp = 200mbar nicht übersteigt.
  • So wird ein Explosionsbereich geschaffen, der die Zündeinrichtung 58, den Abbrandabschnitt 60, den Wärmetauscher 20 sowie den vorstehend angegebenen Abschnitt der Leitung 18 des Leitungssystems 12 enthält. Werden aufgrund einer Explosion die Berstscheiben 96 in den Einrichtungen zur Druckentlastung 92 zerstört, werden durch die dann freigesetzten Öffnungen 94 Verbrennungsgase abgelassen, so dass diese sich nicht in der Anlage 10 ausbreiten können.
  • Die entzündete Gasatmosphäre kann durch die Öffnungen 94 aus der Leitung 18 austreten und durch die Abfuhrleitung 98 z.B. über einem Hallendach freigesetzt werden. Bevorzugt ist der Auslass einer Abführleitung 98 derart angeordnet, dass in einem Umkreis von etwa 6 m eine, insbesondere geradlinig aus der Abführleitung austretende Stichflamme, austreten kann, ohne dass hierdurch Gegenstände in der Nähe des Auslasses entzündet werden.
  • Von Vorteil ist es, wenn der Auslass der Austrittsleitung gegen das Eindringen von Regenwasser, Schnee oder dergleichen geschützt ist, beispielsweise durch ein Ventil, eine Kappe, einen Verschluss, oder dergleichen. Zu bemerken ist, dass eine solche Druckentlastungs-Einrichtung 92 in der Anlage 10 auch in anderen Abschnitten der Anlage 10 vorgesehen sein kann, z.B. in der Rezirkulationsleitung 32.
  • Die Fig. 5 zeigt eine Steuerbaugruppe 100 mit den Zündquellen der Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung. Die Steuerbaugruppe 100 dient für das Einstellen einer Zündtemperatur TZ an der Kontaktfläche 70 der Zündelektrode 68 der Zündquellen 62, 64, 66. Die Heizeinrichtung 74 in den Zündelektroden 68 wird mit elektrischen Strom z.B. aus einem Transformator 102 oder einem Thyristor betrieben, der aus einer Niederspannungs-Unterversorgung gespeist ist. Die Zündelektroden-Heizeinrichtungen 72 der Zündquellen 62, 64, 66 sind zueinander parallel geschaltet. Die Temperatur T an der Kontaktfläche 70 der Zündelektrode 68 der Zündquellen 62, 64, 66 wird mittels eines Thermofühlers 74 überwacht. Der Thermofühler 74 misst die Temperatur der Kontaktfläche 70 des Körpers einer Zündelektrode 68. Der Thermofühler 74 ist in dem Körper einer Zündelektrode 68 angeordnet. Alternativ hierzu kann der Thermofühler 74 auf die Kontaktfläche 70 aufgebracht sein. Zu bemerken ist, dass die Temperatur an der Kontaktfläche 70 des Körpers einer Zündelektrode 68 bis zu 1300 °C betragen kann.
  • Die Messignale der Thermofühler 74 werden der Steuerbaugruppe 100 zugeführt und dort in Temperatur-Werte gewandelt. Die Steuerbaugruppe 100 überwacht diese Temperatur-Werte und vergleicht sie mit einer vorgegebenen Mindesttemperatur Tmin, die z.B. etwa 900 °C betragen kann.
  • Die Steuerbaugruppe 100 ist dazu eingerichtet, für einen Leitstand der Anlage 10 an einer Schnittstelle 104 ein Warn-Signal und an einer Schnittstelle 106 ein Notaus-Signal bereitzustellen. Das Warn-Signal wird bereitgestellt, wenn die Messignale eines der den Zündquellen 62, 64, 66 zugeordneten Thermofühlers Temperatur-Werten entsprechen, welche die vorgegebenen Mindesttemperatur Tmin unterschreiten. Das Warn-Signal trägt die Information, dass die Funktion der Einrichtung 58 für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung 18 beeinträchtigt ist.
  • Das Not-Aus-Signal wird an der Schnittstelle 104 bereitgestellt, wenn zwei der den Zündquellen 62, 64, 66 zugeordneten Thermofühler Temperatur-Werte erfassen, welche die vorgegebenen Mindesttemperatur Tmin unterschreiten. Mittels des Notaus-Signals kann die Anlage 10 in einen Betriebszustand versetzt werden, in dem eine Ausbreitung eines eventuell vorhandenen zündfähigen Gemisches über das Leitungssystem 12 der Anlage 10 vermieden wird.
  • Insbesondere wird eine Ausbreitung zu den heißen Teilen der Anlage 14 sowie 16 unterbunden. Dies erfolgt durch Abschalten des Wärmeträgerfluid-Gebläses 28 und des Rezirkulations-Wärmeträgerfluid-Fördergebläse 34 sowie durch Schließen von Schnellschlussklappen 51, welche die Durchströmung des Wärmetauschers 20 mit Wärmeträgerfluid beenden. Dieser Not-Aus-Betriebszustand wird z.B. beendet, wenn das Not-Aus-Signal 104 nicht mehr anliegt und ein Dichtheitstest des Wärmetauschers 20, beispielsweise durch Evakuierung, erfolgt ist und vorzugsweise keine Leckage festgestellt wird.
  • Zu bemerken ist, dass in einer ersten alternativen Ausführungsform der Anlage 10 die Steuerbaugruppe 100 dazu ausgelegt sein kann, die Heizeinrichtungen 74 in den Zündelektroden 68 auf einen vorgegebenen Temperaturwert in Abhängigkeit der mittels eines Thermofühlers 74 erfassten Temperatur zu regeln.
  • Darüber hinaus ist zu bemerken, dass in einer zweiten alternativen Ausführungsform der Anlage 10 die Steuerbaugruppe 100 dazu ausgelegt sein kann, Messignale einer Einrichtung mit Sensoren für das Erfassen der chemischen Zusammensetzung des Wärmeträgerfluids in dem an den Wärmetauscher-Ausgang 52 angeschlossenen Abschnitt der Leitung 18 zu erhalten und auszuwerten, um die Heizeinrichtungen 74 in den Zündelektroden 68 für eine Zündtemperatur einzustellen, die an die chemische Zusammensetzung des Wärmeträgerfluids in der Anlage 10 angepasst ist.
  • Die vorstehend beschriebene Anlage 10 kann wenigstens drei Betriebszustände einnehmen:
    • Erster Betriebszustand
  • In einem ersten Betriebszustand wird der Wärmespeicher 16 mit Wärme beladen. Hier strömt das mittels der Heizeinrichtung 14 erwärmte Wärmeträgerfluid mit einem Massenstrom m durch den Wärmespeicher 16. Die Heizeinrichtung 14 erwärmt hier das Wärmeträgerfluid von einer Temperatur Tu auf eine Temperatur To , wobei z.B. gilt: 0 ° ≤ T u ≤ 350 ° C , vorzugsweise T u ≈ 270 ° C
    Figure imgb0004
     und 500 ° C ≤ T o ≤ 1500 ° C , vorzugsweise T o ≈ 1000 ° C .
    Figure imgb0005
  • Beim Durchströmen des Wärmeträgerfluids durch die Heizeinrichtung 14 entsteht ein Druckverlust von dp.
  • Nach dem Durchströmen des Wärmeträgerfluids durch die Heizeinrichtung 14 führt das Leitungssystem 12 das Wärmeträgerfluid zu dem Wärmespeicher 16. Bei dieser Zuführung von der Heizeinrichtung 14 zum Wärmespeicher 16 verliert das Wärmeträgerfluid Energie, was sich in einer Temperaturreduktion dT des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids äußert. Durch die Abgabe von Wärme von dem Wärmeträgerfluid auf den Wärmespeicher 16 wird dieser beladen. Aufgrund der vom Wärmeträgerfluid an den Wärmespeicher 16 abgegebene Wärme sinkt dessen Temperatur T nach Durchströmen des Wärmespeichers auf T ≈ 260 °C. Beim Durchströmen des Wärmeträgerfluids durch den Wärmespeicher 16 erfährt das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid einen Druckverlust dp.
  • Bei der Zuführung des Wärmeträgerfluids aus dem Wärmespeicher 16 durch das Wärmeträgerfluid-Gebläse 28 an die Heizeinrichtung 14 wird von dem Wärmeträgerfluid Strömungsarbeit aufgenommen, was sich in einer Temperaturreduktion dT des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids äußert. Das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid tritt dann mit einer reduzierten Temperatur wieder in die Heizeinrichtung 14 ein. Der Kreislauf beginnt nun von vorn, bis der Wärmespeicher 16 die gewünschte Wärmemenge Q aufgenommen hat.
    • Zweiter Betriebszustand
  • In einem zweiten Betriebszustand wird aus dem Wärmespeicher 16 Wärme entnommen, d.h. der Wärmespeicher 16 wird entladen.
  • Hier wird in der Anlage 10 aus dem Wärmespeicher 16 Wärme entnommen, um diese in elektrische Energie umzuwandeln. In dem zweiten Betriebszustand werden die Strömungswege für das Wärmeträgerfluid in dem Leitungssystem 12 so eingestellt, dass Wärmeträgerfluid aus dem Wärmespeicher 16 mit einer Temperatur T mit 600 °C ≤ T ≤ 975 °C und mit einem Massenstrom m ≈ 0,4 kg/s zunächst durch den Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher 26 und dann durch den Wärmetauscher 20 gelangt. Der Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher 26 erhält das Wärmeträgerfluid aufgrund der Rohrleitungswärmeverluste im Leitungssystem 18 mit einer Temperatur T ≈ 950 °C. Für den Betrieb des Stirlingmotors wird dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid Wärme mit einer Wärmemengen-Rate Q̇ ≈ 30 kW entzogen, was dann in einem Temperaturabfall dT des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid von dT ≈ 150 K resultiert. Das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid hat deshalb stromab des Wärmekraftmaschinen-Wärmetauschers 26 eine Temperatur T ≈ 800 °C. Bei diesem Betriebszustand liefert der Stirlingmotor eine elektrische Leistung Pel ≈ 7,5 kW. Hierbei wird ein Massenstrom des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid von etwa 0,2 kg/s genutzt.
  • Optional kann der Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher 26 mit der Bypassleitung 30 teilweise oder vollständig umgangen werden. Die Bypassleitung 30 wird über ein Schließventil 48 freigeschaltet oder unterbrochen. In der Anlage 10 strömt etwa die Hälfte, also etwa 0,2 kg/s des Massenstroms m des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids durch die Bypassleitung 32 und umgeht damit den Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher 26, die andere Hälfte wird der Wärmekraftmaschine 24 über den Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher 26 zugeführt. Je nach gewünschtem Betriebspunkt der Wärmekraftmaschine 24 und/oder Wärmekraftmaschine 22kann durch die Bypassleitung 30 bzw. das Schließventil 48 und das Wärmeträgerfluid-Gebläse 28 der Massenstrom so eingestellt werden, dass der entsprechend notwendige Enthalpiestrom des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids vorhanden ist..
  • Durch die Rezirkulationsleitung 32 kann ein Teil, insbesondere zwischen 0% und 100%, bevorzugt zwischen etwa 20% und etwa 80% des Gesamtmassenstroms m des aus dem Wärmetauscher 20 austretenden, bereits abgekühlten oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids dem Wärmetauscher 20 erneut zugeführt werden. Dadurch kann die Eingangstemperatur des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids an dem Wärmetauscher-Eingang 50 reguliert werden.
  • Der nicht durch die Rezirkulationsleitung 32 strömende Anteil des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids hat vorliegend eine Temperatur von etwa 200 °C und wird über die Wärmeträgerfluid-Gebläse 28 zu dem Wärmespeicher 16 zurückbewegt. Der Kreislauf beginnt nun von vorn, bis der Wärmespeicher 16 die gewünschte Wärmemenge Q abgegeben hat.
  • In dem zweiten Betriebszustand wird beim Anfahren des ORC-Systems 22 in der Anlage 10 vorzugsweise aus Sicherheitsgründen geprüft, ob die Zündelektroden 68 der Zündquellen 62, 64, 66 ordnungsgemäß funktionieren. Hierfür werden in der Steuerbaugruppe 100 die Temperatur-Werte der Thermofühler 74 überwacht. Wird bei nur einer der drei Zündquellen eine fehlerhafte Funktion festgestellt, so wird an den Leitstand der Anlage 10 bevorzugt eine Fehlermeldung ausgegeben.
    • Dritter Betriebszustand
  • In einem dritten Betriebszustand steht die Anlage still. Hier sind die Durchflusssteuereinrichtungen 48, d.h. Klappen, Schließventile und dergleichen geschlossen, damit möglichst wenig Wärme aus der Anlage 10, insbesondere aus dem Wärmespeicher 16 entweichen kann. Es kann zweckmäßig sein, dass einzelne Durchflusssteuereinrichtungen 48 geöffnet sind, um ein Auslaufen der Wärmeträgerfluid-Gebläse 28 zu ermöglichen. In dem dritten Betriebszustand wird die Anlage 10 günstigerweise dann betrieben, wenn dem Wärmespeicher 16 weder Energie zugeführt noch aus dem Wärmespeicher 16 Energie abgeführt werden soll.
  • Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Eine Anlage weist eine Leitung 18 für ein oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid auf, in der ein Wärmetauscher 20 für das Austauschen von Wärme zwischen dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid und einem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid angeordnet ist. Der Wärmetauscher 20 hat einen Wärmetauscher-Eingang 50, durch den das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid aus der Leitung 18 in den Wärmetauscher 20 zugeführt werden kann. Der Wärmetauscher 20 weist einen Wärmetauscher-Ausgang 52 auf, durch den das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid nach Durchströmen des Wärmetauschers 20 wieder in die Leitung 18 gelangen kann. Die Anlage enthält eine Einrichtung 58 für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung 18 für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Anlage
    12
    Leitungssystem
    13
    erster Leitungszweig
    14
    Heizeinrichtung
    15
    zweiter Leitungszweig
    16
    Wärmespeicher
    18
    Leitung
    20
    Wärmetauscher
    22
    ORC-System
    24
    Wärmekraftmaschine
    26
    Wärmekraftmaschine-Wärmetauscher
    28
    Wärmeträgerfluid-Gebläse
    30
    Bypassleitung
    32
    Rezirkulationsleitung
    34
    Rezirkulations-Wärmeträgerfluid-Fördergebläse
    36
    Verdampfer
    38
    Kondensator
    40
    Arbeitsmittelpumpe
    42
    Arbeitsmittelkreislauf
    44
    Turbine
    46
    Gegenstrom-Wärmetauscher
    47
    Generator
    48
    Durchflusssteuermittel
    49
    Rohrleitungsachse
    50
    Wärmetauscher-Eingang
    51
    Schnellschlussklappe
    52
    Wärmetauscher-Ausgang
    54
    Leckagestelle
    56
    Gasatmosphäre
    58
    Einrichtung für das Auslösen einer Verbrennung
    60
    Abbrandabschnitt
    62
    erste Zündquelle
    64
    zweite Zündquelle
    66
    dritte Zündquelle
    65
    Rohrleitungswand
    67
    Stutzen
    68
    Zündelektrode
    70
    Kontaktfläche
    72
    Zündelektroden-Heizeinrichtung
    74
    Thermofühler
    75
    elektrische Leitungen
    76
    Zylinderachse
    78, 80, 82
    Flächenschwerpunkt
    90
    Abschirmelement
    92
    Druckentlastungs-Einrichtung
    94
    Öffnung
    96
    Berstscheibe
    98
    Abfuhrleitung
    100
    Steuerbaugruppe
    102
    Transformator
    104, 106
    Schnittstelle

Claims (18)

  1. Anlage (10) mit einer Leitung (18) für ein oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid, in der ein Wärmetauscher (20) für das Austauschen von Wärme zwischen dem Wärmeträgerfluid und einem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid angeordnet ist, der einen Wärmetauscher-Eingang (50) hat, durch den das Wärmeträgerfluid aus der Leitung (18) in den Wärmetauscher (20) zugeführt werden kann, und der einen Wärmetauscher-Ausgang (52) hat, durch den das Wärmeträgerfluid nach Durchströmen des Wärmetauschers (20) wieder in die Leitung (18) gelangen kann,
    gekennzeichnet durch
    eine Einrichtung (58) für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung (18).
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (58) für das Auslösen einer Verbrennung eine Zündquelle (62, 64, 66) zum Bereitstellen von Zündenergie aufweist.
  3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündquelle (62, 64, 66) in einem an den Wärmetauscher-Ausgang (52) angeschlossenen Abschnitt der Leitung (18) angeordnet ist.
  4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündquelle (62, 64, 66) einen Körper mit einer Kontaktfläche (70) zu dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid aufweist und eine Heizeinrichtung (72) für das Erhitzen des Körpers (68) hat, um die Kontaktfläche (70) auf eine vorgegebene Zündtemperatur zu erhitzen.
  5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein Keramikkörper ist.
  6. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Sensor für das Überwachen der Temperatur der Kontaktfläche (70) des Körpers der Zündquelle (62, 64, 66).
  7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor wenigstens einen mit dem Körper der Zündquelle (62, 64, 66) thermisch gekoppelten Thermofühler (74) aufweist.
  8. Anlage nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (58) für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltendem Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid Mittel zum Erfassen einer Zusammensetzung des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids nach dem Wärmetauscher-Ausgang (52) für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid hat.
  9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (58) für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltendem Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung (18) für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid eine Steuerbaugruppe (100) enthält, die für das Einstellen der Temperatur der Kontaktfläche (70) in Abhängigkeit eines Signals des Sensors für das Überwachen der Temperatur ausgelegt ist.
  10. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der an den Wärmetauscher-Ausgang (52) angeschlossenen Abschnitt der Leitung (18) für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid und/oder der an den Wärmetauscher-Eingang (50) angeschlossenen Abschnitt der Leitung (18) für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid eine Druckentlastungs-Einrichtung (92) enthält.
  11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (58) für das Auslösen einer Verbrennung von mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischtem Wärmeträgerfluid in der Leitung (18) in einem von dem Wärmetauscher (20) beabstandeten Abbrandabschnitt (60) einen Abbrand einer brennbaren Gasatmosphäre in der Leitung (18) bewirkt und die Druckentlastungs-Einrichtung (92) für das Abbauen eines durch den Abbrand einer brennbaren Gasatmosphäre in dem Abbrandabschnitt (60) hervorgerufenen Druckanstiegs ausgelegt ist.
  12. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Bestandteile enthaltende Fluid ein ORC-Arbeitsmedium ist.
  13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das ORC-Arbeitsmedium in einem ORC-Arbeitsmittelkreislauf geführt ist, der eine Turbine (44), insbesondere Dampfturbine, sowie einen Kondensator (38) und einen Kompressor (40) enthält.
  14. Anlage nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein mit der Leitung (18) kommunizierendes Leitungssystem (12), in dem eine Heizeinrichtung (14) und/oder ein Wärmespeicher (20) für das Erwärmen von durch den Wärmetauscher (20) strömendem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid angeordnet ist.
  15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung in einem an den Wärmetauscher-Eingang (50) angeschlossenen Abschnitt der Leitung (18) für das oxidationsmittelhaltige gasförmige Wärmeträgerfluid ein Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher (26) angeordnet ist, der für das Übertragen von Wärme aus dem oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluid auf ein Wärmekraftmaschinen-Arbeitsmittel für eine Wärmekraftmaschine (24) angeordnet ist.
  16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das an den Wärmekraftmaschinen-Wärmetauscher (26) durch die Leitung (18) zugeführte Wärmeträgerfluid für das Übertragen von Wärme auf das ORC-Arbeitsmedium durch den Wärmetauscher (20) geleitet werden kann.
  17. Anlage nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (24) ein Stirlingmotor ist.
  18. Verfahren zum Betrieb einer Anlage (10) mit einer Leitung (18) für ein oxidationsmittelhaltiges gasförmiges Wärmeträgerfluid, in der ein Wärmetauscher (20) für das Austauschen von Wärme zwischen dem Wärmeträgerfluid auf ein brennbare Bestandteile enthaltendes Fluid angeordnet ist, damit das Wärmeträgerfluid den Wärmetauscher (20) von einem Wärmetauscher-Eingang (50) für das Wärmeträgerfluid zu einem Wärmetauscher-Ausgang (52) für das Wärmeträgerfluid durchströmen kann,
    gekennzeichnet durch
    das Auslösen einer kontrollierten Verbrennung des oxidationsmittelhaltigen gasförmigen Wärmeträgerfluids in der Leitung (18), wenn dieses mit dem brennbare Bestandteile enthaltenden Fluid vermischt ist.
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