EP4792001A1 - Beimischungsanordnung und verfahren zur beimischung - Google Patents

Beimischungsanordnung und verfahren zur beimischung

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EP4792001A1
EP4792001A1 EP24790343.8A EP24790343A EP4792001A1 EP 4792001 A1 EP4792001 A1 EP 4792001A1 EP 24790343 A EP24790343 A EP 24790343A EP 4792001 A1 EP4792001 A1 EP 4792001A1
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EP
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medium
arrangement
flow
admixture
heat transfer
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EP24790343.8A
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Martin Kober
Timo Knobelspies
Julian Schwab
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt eV
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beimischungsanordnung (80) zur Beimischung eines kälteren Mediums (4) in ein wärmeres Prozessmedium (5), mit einer Leitungsanordnung (6), die einen Strömungspfad (50) zur Leitung des Prozessmediums (5) und eine an einer Mündung (8) in den Strömungspfad (50) mündende Zuführleitung (7) zur Zuführung des Medienstroms in den Prozessstrom umfasst. Eine effizienzsteigernde Maßnahme besteht darin, dass ein Energiewandler (1) zur Stromerzeugung aus zugeführter Wärme einerseits in dem Strömungspfad (50) und andererseits in der Zuführleitung (7) stromauf der Mündung (8) angeordnet ist.

Description

Beimischungsanordnung und Verfahren zur Beimischung
Die Erfindung betrifft eine Beimischungsanordnung zur Beimischung eines kälteren Mediums in ein wärmeres Prozessmedium, mit einer Leitungsanordnung, die einen Strömungspfad zur Leitung des Prozessmediums und eine an einer Mündung in den Strömungspfad mündende Zuführleitung zur Zuführung des Medienstroms in den Prozessstrom umfasst, sowie ein Verfahren zur Beimischung.
Derartige Beimischungsanordnungen kommen in zahlreichen Prozessen zum Einsatz, um die Temperatur des Prozessgases zu senken, z. B. zum Zwecke des Bauteileschutzes bei Abgas- oder Filteranlagen, zur Vergleichmäßigung schwankender Abgastemperaturen oder zur Regelung eines Kamineffekts, der durch Luftbeimischung verringert werden kann. Durch die Beimischung wird der Massenstrom erhöht und die Temperatur gesenkt. Die Enthalpie des Prozessgases bleibt erhalten.
Die DE 10 2019 201 685 A1 zeigt eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer Kreisprozessvorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie des Abgases in mechanische Arbeit. Die Kreisprozessvorrichtung umfasst eine erste Wärmetauschvorrichtung zum Wärmeübergang aus dem Abgas an ein Arbeitsmedium, eine Expansi- onsvorrichtung und eine zweite Wärmetauschvorrichtung sowie einen thermoelektrischen Generator, über weichen das Arbeitsmedium geführt wird. Das Arbeitsmedium kann durch den thermoelektrischen Generator und/oder mittels einer Bypassleitung an dem thermoelektrischen Generator vorbeigeführt werden.
Die DE 10 2016 218 935 A1 zeigt ein System und ein Verfahren zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, beispielsweise eines ORC-Prozesses bei dem neben dem Arbeitsmedienkreislauf ein Schmiermittelkreislauf und eine Schmiermittelabtrennung mittels einer Abtrennvorrichtung sowie ein Sammelbehälter zur Sammlung von Schmiermittel vorgesehen ist. Innerhalb des Schmiermittelkreislaufs sind stromab von Schmierstellen Mündungen an welchen Schmiermittel in einen Rücklaufpfad des Schmiermittelkreislaufs innerhalb des Schmiermittelkreislaufs zurückgeführt wird.
Die US 2023/0 029 261 A1 zeigt eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem System, welches in einem Kreislauf eingebunden ist und einerseits von dem Kreislauf-Arbeitsfluid zur Wärmeübertragung nach außerhalb des Kreislaufs durchströmt werden kann. Die übertragene Wärme kann anderwärtig als in dem Kreislauf genutzt werden, beispielsweise in einer Fahrzeug-Heizeinrichtung oder einer Wärmepumpe.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beimischungsanordnung der oben genannten Art bereitzustellen, die zu einer Effizienzsteigerung innerhalb eines Gesamtprozesses, z. B. innerhalb einer Energiewandelanordnung, beiträgt, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für die Beimischungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Bei der Beimischungsanordnung ist vorgesehen, dass ein Energiewandler zur Stromerzeugung aus zugeführter Wärme einerseits (mit einer Heißseite) in dem Strömungspfad und andererseits (mit einer Kaltseite) in der Zuführleitung stromauf der Mündung angeordnet ist.
Vorzugsweise wird der gesamte Medienstrom dem Prozessmedium beigemischt. Medium ist insbesondere nicht dem Kreislauf des Prozessmediums entnommen.
Das Prozessmedium und das Medium können gleicher Art sein, z. B. Luft und/oder Abgas, und z. B. lediglich eine unterschiedliche Temperatur aufweisen. Möglich ist auch, dass es sich bei dem Prozessmedium und dem Medium um unterschiedliche, jedoch insbesondere mischbare Stoffe handelt, die insbesondere zumindest teilweise den gleichen Aggregatszustand aufweisen, z. B. gasförmig vorliegen.
Dadurch lässt sich die Gesamteffizienz eines Gesamtprozesses in einer Gesamtanordnung, in dem die Beimischungsanordnung integriert ist oder den die Beimischungsanordnung bildet, erheblich steigern. Eine derartige Gesamtanordnung kann z. B. eine Energiewandelanordnung zur Stromerzeugung basierend auf einem Orga- nic-Rankine-Cycle (ORC)-Prozess sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Energiewandler eine Wärmeübertragungseinheit mit einem integrierten thermoelektrischen Generator umfasst oder als solche ausgebildet ist, wobei der thermoelektrische Generator in eine Wärmetauscheinrichtung der Wärmeübertragungseinheit integriert ist.
In diesem Falle wird mittels der Wärmeübertragungseinheit als funktionale Einheit (ausschließlich) zur Wärmeübertragung zusätzlich elektrische Energie bei der Wärmeübertragung erzeugt. Der thermoelektrische Generator wandelt mittels eines thermoelektrischen Materials (Festkörpers) einen Wärmestrom zum Teil in elektrische Energie um. Der Rest des Wärmestroms wird innerhalb des thermoelektrischen Generators zwischen dem Prozessmedium und dem Medium übertragen, wobei der übertragene Wärmestrom entsprechend verringert ist. Mittels dieser Ausbildungsvariante der Beimischungsanordnung wird vorteilhaft ein Anteil der in dem thermoelektrischen Generator umgewandelten Energie zur Stromerzeugung genutzt. Auf diese Weise wird eine gewünschte Absenkung der Temperatur des Prozessmediums unter gleichzeitiger Nutzung eines Teils an Exergie (arbeitsfähige Energie innerhalb eines Systems) in dem thermoelektrischen Generator zur Stromerzeugung erzielt. Dadurch lässt sich die Gesamteffizienz eines Gesamtprozesses in einer Gesamtanordnung, in dem die Beimischungsanordnung integriert ist, erheblich steigern. Eine derartige Gesamtanordnung kann z. B. eine Energiewandelanordnung zur Stromerzeugung basierend auf einem Organic-Rankine-Cycle (ORC)-Prozess sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der thermoelektrische Generator zumindest zwei, insbesondere alternierend zueinander angeordnete, Strömungskanäle oder Gruppen von Strömungskanälen umfasst, wobei ein Strömungskanal oder die eine Gruppe eine Kaltseite bildet und mit einem Medium geringerer Eintrittstemperatur durch- strömbar ist und der andere Strömungskanal oder die andere Gruppe eine Heißseite bildet und mit einem Medium höherer Eintrittstemperatur durchströmbar ist, und wobei zwischen den Strömungskanälen oder den Gruppen von Strömungskanälen thermoelektrisches Material zwischen den Medien, insbesondere dem Prozessmedium und dem, insbesondere wärmeren, Medium, übertragener Wärme durchströmbar angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausbildungsvariante umfasst die zumindest eine Wärmeübertragungseinheit neben dem thermoelektrischen Generator zumindest eine zweite Wärmetauscheinrichtung, insbesondere ohne thermoelektrisches Material, die insbesondere stromab des thermoelektrischen Generators angeordnet ist. Mittels der zweiten Wärmetauscheinrichtung kann weitere Wärme zwischen den Medien übertragen werden, sodass im Betrieb ein (erster) Teil der Wärme in der Wärmetauscheinrichtung mit dem thermoelektrischen Generator, ein (zweiter) Teil der Wärme in der zweiten Wärmetauscheinrichtung übertragen wird. Die Anteile hängen von der Auslegung der Wärmetauscheinrichtungen ab und können beispielsweise 1 :2, 2:1 oder 1 :1 betragen. Möglich ist auch der Einsatz einer oder mehrerer Bypasslei- tung/en, um die Anteile zu variieren.
Optimierte Anpassungsmöglichkeiten ergeben sich, wenn der thermoelektrische Generator in Gegenstrombauweise, Kreuzstrom bauweise und/oder Gleichstrom bauweise ausgebildet ist. Die Gegenstrombauweise ermöglicht vorteilhafterweise einen hohen Temperaturhub, was insbesondere bei Vorhandensein des thermoelektrischen Generators ohne zweite Wärmetauscheinrichtung in der Wärmeübertragungseinheit zweckmäßig sein kann. Die Kreuzstrom bauweise ermöglicht eine besonders kompakte Ausbildung des thermoelektrischen Generators, was insbesondere in Kombination mit der zweiten Wärmetauscheinrichtung in der Wärmeübertragungseinheit zweckmäßig sein kann.
Für einen hohen möglichen Temperaturhub ist vorzugsweise die zweite Wärmetauscheinrichtung in Gegenstrombauweise ausgebildet. Möglich ist auch hier eine Kreuzstrom bauweise und/oder Gleichstrom bauweise.
In einer besonders kompakten Ausbildungsvariante sind der thermoelektrische Generator und die zweite Wärmetauscheinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse, in einer baulichen Einheit, angeordnet und/oder insbesondere die Gruppen von Strömungskanälen einander entsprechend ausgebildet. „Einander entsprechend ausgebildet“ bedeutet z. B. aneinander anschließend in gleicher Anordnung und/oder mit einem stetigen Übergang der Strömungsquerschnitte. Beispielsweise können die Strömungskanäle entsprechend weitergeführt werden, wobei zwischen den Strömungskanälen innerhalb der Wärmetauscheinrichtung das thermoelektrische Material und innerhalb der zweiten Wärmetauscheinrichtung ein hochwärmeleitendes, beispielsweise keramisches Material angeordnet ist.
In einer zweckmäßigen Ausbildungsvariante ist vorgesehen, dass der Energiewandler, z. B. die Wärmeübertragungseinheit, eine Heißseite aufweist, die in dem Strömungspfad von dem Prozessmedium durchströmbar angekoppelt ist und eine Kalt- seite aufweist, die in thermischer Kopplung zu dem bei Eintritt kälteren Medium, insbesondere einem aus der Umgebung der Wärmeübertragungseinheit zugeführten Luftstrom, angeordnet und ausgebildet ist.
Flexible Anwendungs- und/oder Einbaumöglichketen ergeben sich, wenn zusätzlich zu der Wärmeübertragungseinheit zur thermischen Kopplung zu dem kälteren Medium eine Wärmetauschvorrichtung und ein Zwischenkreislauf vorhanden sind, wobei der Zwischenkreislauf an der Kaltseite der Wärmeübertragungseinheit und an der Heißseite der Wärmetauschvorrichtung zu deren Durchströmung mit einem Zwischenmedium angeordnet ist, zur Wärmeübertragung von dem Wärmeträgermedium auf das Zwischenmedium mittels der Wärmeübertragungseinheit und von dem Zwischenmedium auf das Medium mittels der Wärmetauschvorrichtung. In einer Ausbildungsvariante sind dabei (abgesehen von z. B. einer oder mehrerer Förderein- heit/en) keine weiteren funktionalen Komponenten vorhanden.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildungsvariante kann der Energiewandler als Energiewandelanordnung zur Durchführung eines Organic-Rankine-Prozesses, eines Stirling-Prozesses, eines Rankine-Prozesses oder eines Kalina-Prozesses ausgebildet sein.
Vorgesehen sein kann zudem, dass dem Energiewandler ein zweiter Energiewandler der Beimischungsanordnung, stromab der Mündung in dem Strömungspfad, strömungstechnisch nachgeschaltet ist.
Dabei ist beispielsweise der zweite Energiewandler einerseits von dem Prozessmedium zu dessen Erwärmung und andererseits von einem weiteren Medium, z. B. einem Kühlmedium, zu dessen Kühlung durchströmbar angeordnet.
In bevorzugten alternativen oder ergänzenden Ausbildungsvarianten kann der zweite Energiewandler nach Art der Wärmeübertragungseinheit umfassend den thermoelektrischen Generator als Wärmetauscheinrichtung und/oder als Energiewandelan- Ordnung zur Durchführung eines Organic-Rankine-Prozesses, eines Stirling- Prozesses, eines Rankine-Prozesses oder eines Kalina-Prozesses ausgebildet sein. Beispielsweise kann auch bei Ausbildung als einer der genannten Prozesse in selbigem eine Wärmeübertragungseinrichtung mit dem thermoelektrischen Generator integriert sein.
In einer bevorzugten Ausbildungsvariante, ist die Energiewandelanordnung zur Generierung von elektrischer Energie und/oder Bewegungsenergie aus zugeführter Wärme mittels eines in einem Kreislauf der Energiewandelanordnung geführten, insbesondere organischen, Arbeitsmediums ausgebildet, wobei in dem Kreislauf angeordnet sind:
- eine Entspannungseinheit, insbesondere eine Turbine, zur Entspannung des verdampften Arbeitsmediums, insbesondere mit einem Generator zur Generierung elektrischer Energie,
- eine stromauf der Entspannungseinheit angeordnete Verdampfereinheit zur Verdampfung des Arbeitsmediums unter Wärmezufuhr aus einer Wärmequelle und
- eine stromab der Entspannungseinheit angeordnete Kondensatoreinheit zur Verflüssigung des Arbeitsmediums.
Bei Verwendung eines organischen Arbeitsmediums bildet die derartige Energiewandelanordnung eine Organic-Rankine-(OCR)Anordnung.
Dabei ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass der Strömungspfad an eine Heißseite der Verdampfereinheit gekoppelt ist, zur Leitung eines von einer Wärmequelle anströmenden Wärmeträgermediums als Prozessmedium an die Verdampfereinheit.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahrensschema einer Beimischungsanordnung mit einem Energiewandler, der mit der Heißseite in einem Strömungspfad eines Prozessga- ses und mit der Kaltseite zur Durchströmung mit einem anderen Medium angeordnet ist,
Fig. 2 Verfahrensschemata mit unterschiedlichen Ausbildungsvananten von Energiewandlern in der Beimischungsordnung,
Fig. 3 ein Verfahrensschema, bei dem die Energiewandelanordnung mit einem Kreislauf zur Durchführung eines Organic-Rankine-Prozesses ausgebildet ist,
Fig. 4 ein Verfahrensschema mit einer weiteren Ausbildungsvariante der Beimischungsanordnung, wobei zusätzlich stromab einer Mündung ein weiterer Energiewandler angeordnet ist,
Fig. 5 ein Verfahrensschema mit einer weiteren Ausbildungsvariante der Beimischungsanordnung mit einer Wärmeübertragungseinheit umfassend einen thermoelektrischen Generator, und
Fig. 6 ein Verfahrensschema mit einer weiteren Ausbildungsvariante der Beimischungsanordnung mit dem thermoelektrischen Generator, unter Zwischenschaltung eines Zwischenkreislaufs zur thermischen Kopplung mit dem Medium.
Fig. 1 zeigt eine Beimischungsanordnung 80 zur Beimischung eines kälteren Mediums 4 in ein wärmeres Prozessmedium 5. Die Beimischungsanordnung 80 weist eine Leitungsanordnung 6 auf, die einen Strömungspfad 50, insbesondere eine Leitung, zur Leitung des Prozessmediums 5 und eine an einer Mündung 8 in den Strömungspfad 50 mündende Zuführleitung 7 zur Zuführung des insbesondere gesamten Medienstroms in den Prozessstrom umfasst. Derartige Beimischungsanordnungen 80 kommen in zahlreichen Prozessen zum Einsatz, um die Temperatur des Prozessgases 5 zu senken, z. B. zum Zwecke des Bauteileschutzes bei Abgas- oder Filteranlagen, zur Vergleichmäßigung schwankender Abgastemperaturen oder zur Regelung eines Kamineffekts, der durch Luftbeimischung verringert werden kann. Durch die Beimischung wird der Massenstrom erhöht und die Temperatur gesenkt. Die Enthalpie des Prozessgases 5 bleibt erhalten.
Erfindungsgemäß ist einerseits in dem Strömungspfad 50, insbesondere zur Wärmeabgabe aus dem Prozessmedium 5, und andererseits in der Zuführleitung 7, insbesondere zur Wärmeaufnahme in das Medium 4, ein Energiewandler 1 zur Stromerzeugung aus zugeführter Wärme stromauf der Mündung 8 angeordnet.
Fig. 2 zeigt vier Varianten des Energiewandlers 1. Demgemäß kann der Energiewandler 1 als Wärmeübertragungseinheit 40 mit einem integrierten thermoelektrischen Generator 400 ausgebildet sein, wobei der thermoelektrische Generator 400 in eine Wärmetauscheinrichtung 402 der Wärmeübertragungseinheit 40 integriert ist. Die Wärmeübertragungseinheit 40 mit dem integrierten thermoelektrischen Generator 400 ist stromauf der Mündung 8 der Zuführleitung 7 angeordnet. Der thermoelektrische Generator 400 bildet eine Wärmetauscheinrichtung 402 der Wärmeübertragungseinheit 40.
Mittels der Beimischungsanordnung bleibt die Enthalpie der beiden Fluidströme weitgehend erhalten, abzüglich des Anteils der in dem thermoelektrischen Generator 400 umgewandelten Energie. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine benötigte Absenkung der Temperatur des Prozessmediums 5 unter gleichzeitiger Nutzung eines Teils an Exergie (arbeitsfähige Energie innerhalb eines Systems) in dem thermoelektrischen Generator 400 zur Stromerzeugung erzielt.
In der betreffenden Beimischungsanordnung 80 ist die Wärmeübertragungseinheit 40 mit dem thermoelektrischen Generator 400 auf der Heißseite in dem Strömungspfad 50 angeordnet. Auf der Kaltseite ist die Wärmeübertragungseinheit 40 von dem an- deren, kälteren, Medienstrom, hier beispielhaft einem aus der Umgebung der Wärmeübertragungseinheit 40 zugeführten Luftstrom 42, durchströmbar angeordnet.
Bei Nutzung eines Gases als Prozessmedium 5 ist der thermoelektrische Generator 400 insbesondere als Gas-Gas-Wärmetauscheinrichtung ausgebildet (hier nicht detailliert gezeigt).
Weiterhin kann der Energiewandler 1 als Energiewandelanordnung 10 umfassend mehrere funktionale Einheiten ausgebildet sein, zur Durchführung eines Kreisprozesses zur Stromerzeugung. Dabei kann der Energiewandler 1 zum Beispiel zur Durchführung eines Organic-Rankine(ORC)-Prozesses 110, eines Stirling-Prozesses 111 oder eines Rankine-Prozesses 112 ausgebildet sein. Möglich ist auch, dass zumindest eine Wärmeübertragungseinheit innerhalb der Energiewandelanordnung 10 nach Art der Wärmeübertragungseinheit 40, mit einem thermoelektrischen Generator 400, ausgebildet ist.
Fig. 3 zeigt beispielhaft die Integration des Energiewandlers 1 als Energiewandelanordnung 10 zur Durchführung des ORC-Prozesses 110, wobei ein Kreislauf 12 als ORC-Kreislauf ausgebildet ist. In dem Kreislauf 12 wird ein, im Falle des ORC- Prozesses organisches, Arbeitsmedium 13 im Kreis geführt. Der Kreislauf 12 umfasst eine Entspannungseinheit 14, insbesondere eine Turbine, zur Entspannung des verdampften Arbeitsmediums, insbesondere mit einem Generator 140 zur Generierung elektrischer Energie. Die gewonnene elektrische Energie wird aus dem Kreislauf 12 zur weiteren Verwendung ausgekoppelt. Weiterhin umfasst der Kreislauf 12 eine stromauf der Entspannungseinheit 14 angeordnete Verdampfereinheit 26 zur Verdampfung des Arbeitsmediums 13 unter Wärmezufuhr aus einer Wärmequelle 60. Weiterhin umfasst der Kreislauf 12 eine stromab der Entspannungseinheit 14 angeordnete Kondensatoreinheit 20 zur Verflüssigung des Arbeitsmediums. Zudem ist eine Fördereinheit 18 in dem Kreislauf 12 vorhanden. Das Prozessmedium 5 wird als Wärmeträgermedium 52 durch eine Heißseite der Verdampfereinheit 26 geführt, zur Erwärmung des Arbeitsmediums 13. Anschließend wird das Prozessmedium 5 weiter durch die Leitungsanordnung 6 an die Mündung 8 und von dort ausgehend weiter innerhalb des Strömungspfades 50 geführt. Auf diese Weise wird das Prozessmedium 5 innerhalb des Energiewandlers 1 in Ausbildung als ORC-Prozess gekühlt.
Das Medium 4 wird als Kühlmedium innerhalb des Kreislaufs 12 durch die Kondensatoreinheit 20 zur Kühlung des Arbeitsmediums 13 geführt, wobei es selbst erwärmt wird. Nach der Wärmeaufnahme wird das Medium 4 über die Mündung 8 dem Prozessmedium 5 zur Bildung eines Gesamtstroms zugeführt.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildungsvariante der Beimischungsanordnung 80. Dabei ist der Energiewandler 1 beispielhaft als Wärmeübertragungseinheit 40 mit dem thermoelektrischen Generator 400 integriert in die Wärmetauscheinrichtung 402 ausgebildet. Bei der gezeigten Ausbildungsvariante ist stromab des Energiewandlers 1 ein weiterer Energiewandler T in dem Strömungspfad 50 angeordnet. Der weitere Energiewandler 1‘ ist beispielhaft als weitere Wärmeübertragungseinheit 41 , die nach Art der Wärmeübertragungseinheit 40 ausgebildet ist und einen thermoelektrischen Generator umfasst, ausgebildet.
Fig. 5 zeigt eine Ausbildungsvariante der Beimischungsanordnung 80, bei der eine Fördereinrichtung 18 stromauf der Wärmeübertragungseinheit 40 angeordnet ist. Die Temperatur des Prozessgases 5 stromab der Mündung 8 ist z. B. durch Änderung des Anteils des zugeführten Medienstroms an dem gebildeten Gesamtstrom mittels einer Fördereinrichtung 18 regelbar.
Fig. 5 zeigt beispielhaft Temperaturen eines Betriebs der Beimischungsanordnung 80, die in einer (in Fig. 5 nicht gezeigten) Energiewandelanordnung in Ausbildung als ORC-Prozess, insbesondere stromauf einer Verdampfereinheit derselben, angeord- net ist. Dabei wird das Prozessmedium 5 von einem Wärmeträgermedium 52 gebildet, beispielsweise Abgas.
Im Betrieb wird zunächst das kältere Medium, hier der Luftstrom 42, auf der Kaltseite durch die Wärmeübertragungseinheit 40 geführt und dabei von hier beispielhaft 20 °C auf 230 °C erwärmt. Das auf der Heißseite strömende Wärmeträgermedium 52 wird von beispielhaft 600 °C auf 440 °C unmittelbar stromab der Wärmeübertragungseinheit 40 abgekühlt. Nach Zusammenführung der beiden Fluidströme beträgt die Temperatur des Gesamtstroms beispielhaft 350 °C. Der Gesamtstrom wird als Wärmeträgermedium 52 anschließend beispielsweise einem Kreislauf der Energiewandelanordnung im Betrieb als Hochtemperatur-Organic-Rankine-Cycle(ORC) zur Stromerzeugung zugeführt (hier nicht gezeigt). Der Wirkungsgrad der von den Erfindern untersuchten Energiewandelanordnung in Ausbildung als ORC-Anlage lässt sich mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Verfahrensführung um 14 % bis 32 % (je nach Wirkungsgrad, Massenströmen und Temperaturen bzw. übertragenen Wärmeströmen innerhalb des thermoelektrischen Generators 400 und zudem abhängig von der Effizienz des Ausgangssystems) steigern.
Bei einer Abschätzung unter Annahme einer Eintrittstemperatur von 1000 °C des Wärmeträgermediums 52 und einer Erwärmung (Austrittstemperatur) des kälteren Luftstroms auf 280 °C konnte der Wirkungsgrad relativ um 27 % bis 60 % (je nach Wirkungsgrad, Massenströmen und Temperaturen bzw. übertragenen Wärmeströmen innerhalb des thermoelektrischen Generators 400 und zudem abhängig von der Effizienz des Ausgangssystems) gesteigert werden.
Auch in einem Niedertemperatur-ORC-Prozess kann eine Wirkungsgradsteigerung erzielt werden. Bei einer Abschätzung unter Annahme einer Eintrittstemperatur von 600 °C des Wärmeträgermediums 52 und einer Erwärmung des kälteren Luftstroms auf 180 °C (Austrittstemperatur) konnte der Wirkungsgrad um relativ 29 % bis 65 % (je nach Wirkungsgrad, Massenströmen und Temperaturen bzw. übertragenen Wär- meströmen innerhalb des thermoelektrischen Generators 400 und zudem abhängig von der Effizienz des Ausgangssystems) gesteigert werden.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausbildungsvariante der Beimischungsanordnung 80, bei der zusätzlich zu der Wärmeübertragungseinheit 40 eine Wärmetauschvorrichtung 420 und ein Zwischenkreislauf 30 mit einer zweiten Fördereinrichtung 180 vorhanden sind. Die Beimischungsanordnung 80 kann in eine Energiewandeleinrichtung integriert sein. Der Zwischenkreislauf 30 ist als Heißseite an die Wärmetauschvorrichtung 420 und als Kaltseite an die Wärmeübertragungseinheit 40 mit dem thermo- elektrischen Generator 400 angeschlossen, die im Betrieb von einem Zwischenmedium 32 des Zwischenkreislaufs 30 durchströmt werden. Der Zwischenkreislauf 30 dient zur Wärmeübertragung von dem Prozessmedium 5, hier beispielhaft Wärmeträgermedium 52, auf das Zwischenmedium 32 mittels der Wärmeübertragungseinheit 40 und von dem Zwischenmedium 32 auf den Medienstrom, insbesondere der Umgebungsluft 42, mittels der Wärmetauschvorrichtung 420.
Bezugszeichenliste
1 , 1‘ Energiewandler
10 Energiewandelanordnung
110 Organic-Rankine-Prozess
111 Stirling-Prozess
112 Rankine-Prozess
12 Kreislauf
13 Arbeitsmedium
14 Entspannungseinheit
140 Generator
16 Regenerator
18 Fördereinheit
180 zweite Fördereinheit
20 Kondensatoreinheit
26 Verdampfereinheit
30 Zwischenkreislauf
32 Zwischenmedium
4 Medium
40 Wärmeübertragungseinheit
400 thermoelektrischer Generator
402 Wärmetauscheinrichtung
41 weitere Wärmeübertragungseinheit
42 Luftstrom
43 weiteres Medium
420 Wärmetauschvorrichtung
5 Prozessmedium
50 Strömungspfad
52 Wärmeträgermedium
6 Leitungsanordnung
60 Wärmequelle
7 Zuführleitung
8 Mündung
80 Beimischungsanordnung

Claims

Ansprüche
1. Beimischungsanordnung (80) zur Beimischung eines kälteren Mediums (4) in ein wärmeres Prozessmedium (5), mit einer Leitungsanordnung (6), die einen Strömungspfad (50) zur Leitung des Prozessmediums (5) und eine an einer Mündung (8) in den Strömungspfad (50) mündende Zuführleitung (7) zur Zuführung des Medienstroms in den Prozessstrom umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiewandler (1 ) zur Stromerzeugung aus zugeführter Wärme einerseits in dem Strömungspfad (50) und andererseits in der Zuführleitung (7) stromauf der Mündung (8) angeordnet ist.
2. Beimischungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (1 ) eine Wärmeübertragungseinheit (40) mit einem integrierten thermoelektrischen Generator (400) umfasst oder als solche ausgebildet ist, wobei der thermoelektrische Generator (400) in eine Wärmetauscheinrichtung (402) der Wärmeübertragungseinheit (40) integriert ist.
3. Beimischungsanordnung (80) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (400) zumindest zwei, insbesondere alternierend zueinander angeordnete, Strömungskanäle oder Gruppen von Strömungskanälen umfasst, wobei ein Strömungskanal oder die eine Gruppe eine Kaltseite bildet und mit einem Medium geringerer Eintrittstemperatur durch- strömbar ist und der andere Strömungskanal oder die andere Gruppe eine Heißseite bildet und mit einem Medium höherer Eintrittstemperatur durchström- bar ist, und wobei zwischen den Strömungskanälen oder den Gruppen von Strömungskanälen thermoelektrisches Material von zwischen den Medien übertragener Wärme durchströmbar angeordnet ist.
4. Beimischungsanordnung (80) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Wärmeübertragungseinheit (40) neben dem thermoelektrischen Generator (400) zumindest eine zweite Wärmetauscheinrichtung umfasst, die insbesondere stromab des thermoelektrischen Generators (400) angeordnet ist.
5. Beimischungsanordnung (80) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (400) in Gegenstrombauweise, Kreuzstrombauweise und/oder Gleichstrombauweise ausgebildet ist.
6. Beimischungsanordnung (80) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscheinrichtung in Gegenstrombauweise ausgebildet ist.
7. Beimischungsanordnung (80) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (400) und die zweite Wärmetauscheinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und/oder insbesondere die Gruppen von Strömungskanälen einander entsprechend ausgebildet sind.
8. Beimischungsanordnung (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (1), z. B. die Wärmeübertragungseinheit (40), eine Heißseite aufweist, die in dem Strömungspfad (50) von dem Prozessmedium (5) durchströmbar angekoppelt ist und eine Kaltseite aufweist, die in thermischer Kopplung zu dem bei Eintritt kälteren Medium (4), insbesondere einem aus der Umgebung der Wärmeübertragungseinheit (40) zugeführten Luftstrom (42), angeordnet und ausgebildet ist.
9. Beimischungsanordnung (80) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Wärmeübertragungseinheit (40) zur thermischen Kopplung zu dem kälteren Medium (4) eine Wärmetauschvorrichtung (420) und ein Zwischenkreislauf (30) vorhanden sind, wobei der Zwischenkreislauf (30) an der Kaltseite der Wärmeübertragungseinheit (40) und an der Heißseite der Wärmetauschvorrichtung (420) zu deren Durchströmung mit einem Zwischenmedium (32) angeordnet ist, zur Wärmeübertragung von dem Wärmeträgermedium (52) auf das Zwischenmedium (32) mittels der Wärmeübertragungseinheit (40) und von dem Zwischenmedium (32) auf das Medium (4) mittels der Wärmetauschvorrichtung (420).
10. Beimischungsanordnung (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (1) als Energiewandelanordnung (10) zur Durchführung eines Organic-Rankine-Prozesses, eines Stirling-Prozesses, eines Ranki- ne-Prozesses oder eines Kalina-Prozesses ausgebildet ist.
11 . Beimischungsanordnung (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Energiewandler (1) ein zweiter Energiewandler (1‘) der Beimischungsanordnung (80), stromab der Mündung (8) in dem Strömungspfad (50), strömungstechnisch nachgeschaltet ist.
12. Beimischungsanordnung (80) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler (T) einerseits von dem Prozessmedium (5) zu dessen Erwärmung und andererseits von einem weiteren Medium, z. B. einem Kühlmedium (43), zu dessen Kühlung durchströmbar angeordnet ist.
13. Beimischungsanordnung (80) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler (T) nach Art der Wärmeübertragungseinheit (40) umfassend den thermoelektrischen Generator (400) als Wärmetauscheinrichtung (402) und/oder als Energiewandelanordnung (10) zur Durchführung eines Organic-Rankine-Prozesses, eines Stirling-Prozesses, eines Rankine- Prozesses oder eines Kalina-Prozesses ausgebildet ist.
14. Beimischungsanordnung (80) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandelanordnung (10) zur Generierung von elektrischer Energie und/oder Bewegungsenergie aus zugeführter Wärme mittels eines in einem Kreislauf (12) der Energiewandelanordnung (10) geführten, insbesondere organischen, Arbeitsmediums (13) ausgebildet ist, wobei in dem Kreislauf (12) angeordnet sind:
- eine Entspannungseinheit (14), insbesondere eine Turbine, zur Entspannung des verdampften Arbeitsmediums, insbesondere mit einem Generator (140) zur Generierung elektrischer Energie,
- eine stromauf der Entspannungseinheit (14) angeordnete Verdampfereinheit (26) zur Verdampfung des Arbeitsmediums (13) unter Wärmezufuhr aus einer Wärmequelle (60) und
- eine stromab der Entspannungseinheit (14) angeordnete Kondensatoreinheit (20) zur Verflüssigung des Arbeitsmediums (13).
15. Beimischungsanordnung (80) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (50) an eine Heißseite der Verdampfereinheit (26) gekoppelt ist, zur Leitung eines von einer Wärmequelle (60) anströmenden Wär- meträgermediums (52) als Prozessmedium (5) an die Verdampfereinheit (26).
16. Verfahren zur Beimischung eines kälteren Mediums (4) in ein wärmeres Prozessmedium (5), mittels einer Beimischungsanordnung (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem dem in einem Strömungspfad (50) strömenden Prozessmedium (5) der Medienstrom über eine Zuführleitung unter Bildung eines Gesamtstroms an Prozessmedium (5) an einer Mündung (8) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium (5) und das Medium (4) stromauf der Mündung (8) durch einen Energiewandler (1) zur Stromerzeugung aus zugeführter Wärme strömen.
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