WO2008101711A2 - Mehrstufiger orc-kreislauf mit zwischenenthitzung - Google Patents

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Definitions

  • DE 692 182 06 T2 describes a system based on the ORC energy system and a method for operating the system.
  • the described energy system or the associated method comprise the basic steps in the closed ORC cycle, wherein in addition the ORC medium is preheated in a heat exchanger which is provided in fluid line between the second turbine and the cooler.
  • US Pat. No. 6,875,268 B2 also describes a closed cascade-shaped system for the ORC process with which mechanical or electrical energy is to be recovered from thermal energy sources.
  • ORC ORC
  • refrigerants including fluorinated refrigerants, hydrocarbons, silicone oils or thermal oils.
  • ORC fluids which, in the P-h diagram, have a saturated vapor line that slopes sharply to the right and the respective isotopes are less strongly inclined to the right.
  • These ORC fluids have the property that an adiabatic expansion of the working fluid always takes place in the overheated area and the distance to the saturated steam line with increasing relaxation moves farther and farther away from the saturated vapor line.
  • These ORC working fluids must always be de-hydrated before condensation.
  • ORC circuits is provided so far, that the due to the specific rightward inclination of the saturated steam line and a slightly less rightward tendency of isentropics accumulating Enthitzungs despre the working fluid for preheating the working fluid after the feed pump to reuse (sa see drawing 1 with the Enthalpy difference between h 9 and h
  • This heat of decay is in a temperature range which usually intersects with the temperature range of the engine waste heat.
  • this working fluid is de-sifted up to the saturated steam line and This heat of dewatering is supplied to the still liquid working fluid above the temperature from the engine waste heat and only then followed by a second expansion step.
  • Hydrocarbons such as

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Abstract

Die Erfindung betrifft die optimale Nutzung von zwei Wärmequellen mit unterschiedlicher Wärmemenge und -temperatur wie zum Beispiel bei der Motorabwärme und der Abgaswärme von Verbrennungskraftmaschinen durch ORC-Strömungs- und Kolbenmaschinen derart, dass das dampfförmige ORC-Arbeitsfluid mit stark nach rechts geneigter Sattdampflinie im P-h-Diagramm in mindestens zwei Schritten entspannt wird und zwischen den mindestens zwei Schritten eine Enthitzung des ORC-Arbeitsfluides derart erfolgt, dass die Enthitzungswärme dem flüssigen ORC-Arbeitsfluid in einem Vorwärmer II in einem oberhalb der Motorabwärme liegendem Temperaturbereich zugeführt wird.

Description

"Mehrstufiger ORC-Kreislauf mit Zwischenenthitzung"
Das εrfmdungsgemäße Verfahren zur Nutzung von mindestens zwei Wärmequellen mit unterschiedlicher Wärmemenge und -temperatur für mindestens zweistufige Turbinen oder sonstige Entspannungsmaschine erlaubt die Enthitzung des Arbeitsfluides nach einem ersten Enlspannungsschπtt derart, dass die bei der Enthitzung zurückgewonnene Wärmeenergie dem Arbeitsfluid oberhalb der Temperatur der ersten Wärmequelle wieder zugeführt werden kann.
Der Stand der Technik ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid eines Dampfkreislaufes durch die Speisepumpe auf den gewünschten Druck gebracht wird und sodann nacheinander einen oder mehrere Vorwärmer, den Verdampfer und Überhitzer durchströmt und der dabei entstehende Dampf in einem oder mehreren Schritten entspannt wird und bei dieser Entspannung durch Kolbenmotoren, Schraubenmotoren oder Turbinen mechanische und dann elektrische Arbeit erzeugt wird. Bei herkömmlichen Dampfturbinen ist der Kreislauf bei Verwendung mehrstufiger Turbinen und bei Verwendung des Arbeitsmediums Wasser häufig zwischen den Turbinenstufen eine Zwischenüberhitzung vorgesehen, um eine Entspannung in den Nassdampfbereich vor oder in der nächsten Turbinenstufe zu vermeiden.
In der DE 692 182 06 T2 wird eine auf dem ORC- Verfahren basierende Energieanlage und ein Verfahren zum Betrieb der Anlage beschrieben. Die beschriebene Energieanlage bzw, das dazugehörige Verfahren umfassen die grundliegenden Schritte im geschlossenen ORC-Zy- klus, wobei zusätzlich das ORC-Medium in einem Wärmetauscher vorgewärmt wird, der in Fluidleitung zwischen der zweiten Turbine und dem Kühler vorgesehen ist.
In der US 6,875,268 B2 wird ebenfalls ein geschlossenes kaskadenförmiges System für den ORC-Prozess beschrieben, mit dem mechanische oder elektrische Energie von thermischen Energiequellen zurückgewonnen werden soll.
Auch die DE 199 075 12 Al beschreibt eine Vorrichtung zur Energieumwandlung auf Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen unter Benutzung einer mindestens zweistufig kaska- dierten Anordnung. Bei der Nutzung der Wärme unterschiedlicher Wärmequellen wie zum Beispiel bei einer Verbrennungskraftmaschine stellt sich die Frage der optimalen Nutzung der unterschiedlichen Wärmemengen bei unterschiedlichen Temperaturen. So liegt die Abgaswärme häufig zwischen 450 °C bis 550 °C an während die Motorabwärme, die Ölkühlung und die Ladeluftkühlung bei 90 °C bis 105 °C anfällt. Diese Wärmen sind mit dem Blick auf einen Dampf- prozess bisher nur so zu vereinen, dass im Regelfall entweder ein kleiner Massenstrom des Arbeitsfluides zur Verdampfung bei hoher Temperatur gebracht werden kann oder ein grosserer Dampfmassenstrom bei relativ niedrigen Temperaturen von 1 15 bis 130 °C. In beiden bekannten Fällen wird die zur Verfügung stehende Wärmemenge nicht optimal ausgenutzt.
Es stehen eine Reihe von Arbeitsfluiden für ORC-Prozesse zur Verfügung. Es können Kältemittel, auch fluorierte Kältemittel, Kohlenwasserstoffe, Siliconöle oder Thermoöle eingesetzt werden. Erfindungsgemäß sind insbesondere die ORC-Fluide von Interesse, die im P-h- Diagramm eine stark nach rechts geneigte Sattdampflinie aufweisen und die jeweiligen Isen- tropen weniger stark nach rechts geneigt sind. Diese ORC-Fluide haben die Eigenschaft, das eine adiabate Entspannung des Arbeitsfluides immer im überhitzten Bereich stattfindet und der Abstand zur Sattdampflinie mit zunehmender Entspannung sich immer weiter von der Sattdampflinie entfernt. Diese ORC-Arbeitsfluide müssen vor der Kondensation immer enthitzt werden.
Bei ORC-Kreisläufen ist bisher vorgesehen, das die auf Grund der spezifischen nach rechts gerichteten Neigung der Sattdampflinie und einer etwas weniger nach rechts gerichteten Neigung der Isentropen anfallende Enthitzungswärme des Arbeitsfluides zur Vorwärmung des Arbeitsfluides nach der Speisepumpe wieder zu nutzen (s.a. Zeichnung 1 mit der Enthalpiedifferenz zwischen h9 und h|0). Diese Enthitzungswärme steht in einem Temperaturbereich an, der sich im Regelfall mit dem Temperaturbereich der Motorabwärme schneidet.
Es ist aber wünschenswert sowohl die nach der Entspannung anfallende Enthitzungswärme, die Motorabwärme und die Abgaswärme möglichst vollständig zu nutzen.
Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass nach einem ersten Entspannungsschritt des dampfförmigen Arbeitsfluides dieses Arbeitsfluid bis vor die Sattdampflinie enthitzt wird und diese Enthitzungswärme dem noch flüssigen Arbeitsfluid oberhalb der Temperatur aus der Motorabwärme zugeführt wird und sich erst dann ein zweiter Entspannungsschritt anschließt.
Als besonders geeignet für die erfindungsgemäße neue Kreislaufführung für einen ORC- Prozess erweisen sich folgende Arbeitsfluide:
Kohlenwasserstoffe wie
Toluol C7 H8
Pentan C5 Hj2
Isopentan bzw. 2-Methyl-Butan C5 H12
Heptan C7 H16
Hexan C6 H14
Cyclohexan C6 H i2
Butan C4 Hιo
Isobutan C4 Hio
Oktan C8 H18
Nonan C9 H2o
Ethan C2 H6
Fluorierter Kohlenstoff
FC-72 bzw. N-Perfluorhexan C6 Fu R 218 C3 F8
Fluorierte Kohlenwasserstoffe
R 365 mfc C4 H5 F5 R 245 fa C3 H3 F5 SES36 aceotrophes Gemisch aus R365 und R227 R123 CHCl2CF3 HFE-7100 bzw. C5 H3 F9 O
Siloxane wie Hexamethyldisiloxan C6 Hig O Si2
Octamethyltrisiloxan Cg H24 O Si3
Der erfindungsgemäße neue Arbeitskreislauf mit oben genannten ORC-Arbeitsfluiden verläuft gemäß Zeichnung 1 wie folgt:
h0 nach h, Druckerhöhung durch Speisepumpe h, nach h2 Gegenstromvorwärmung 1 durch Enthitzung des Abdampfes h2 nach h3 Zuführung Motorabwärme h3 nach h4 Gegenstromvorwärmung 2 durch Enthitzung zwischen Stufen
IT4 nach h5 Gegenstromvorwärmung 3 durch Abgaswärme h5 nach h6 Verdampfung und Überhitzung durch Abgaswärme h6 nach h7 erste Entspannungstufe zur Arbeitsleistung h7 nach h8 Enthitzung zur Gegenstromvorwärmung 2 h8 nach h9 zweite Entspannungstufe zur Arbeitsleistung h9 nach hio Enthitzung zur Gegenstromvorwärmung 1 hio nach h, ι Kondensation h, , nach ho Unterkühlung
Der in der Zeichnung 1 beschriebene Kreisprozess ist in der Zeichnung 2 mit den wesentlichen Bauelemente dargestellt.
In der Zeichnung 3 ist ein erfindungsgemäß vergleichbarer Kreisprozess mit seinen wesentlichen Bauelementen dargestellt mit dem Unterschied, dass die Wärme des Schrittes h9 nach hio nicht zur Vorwärm ung 1 genutzt, sondern ausgekoppelt und einem anderen Wärmeprozess zum Beispiel für Heizung oder Trocknung zur Verfügung gestellt wird.
In der Zeichnung 4 schließlich ist ein erfindungsgemäß vergleichbarer Kreisprozess dargestellt, der nach der Kondensation und Unterkühlung eine erste Niederdruckspeisepumpe mit einem nachfolgenden 3-Wegeventil (13) vorsieht, in dem das flüssige Arbeitsfluid in einem ersten Teilmassenstrom bei niedrigem Druck über die Wärmetauscher (4) und (3) dem Dampfmischventil (14) vor der zweiten Arbeitsstufe zufließt und der zweite Teilmassenstrom über die Hochdruckspeisepumpe (12) und die Wärmetauscher (2) und (1) der ersten Arbeitstufe zufließt, in dieser entspannt wird und im Gegenstrom über den Wärmetauscher (2) dem Dampfmischventil (14) vor der zweiten Arbeitsstufe zuströmt. Diese Ausführungsform hat erfindungsgemäß den besonderen Vorteil der Verringerung der Speisepumpenarbeit.
Bezugzeichenliste
1. Wärmetauscher Verdampfer- Überhitzer
2. Wärmetauscher Zwischenenthitzer/Vorwärmer 3
-> WärmetauscherVorwärmer 2
4. Vorwärmer 1
5. Kondensator- Verflüssiger
6. Speisepumpe
7. Arbeitsstufe 1
8. Arbeitsstufe 2
9. Generator
10. Generatorwelle
1 1. Niederdruckspeisepumpe
12. Hochdruckspeisepumpe
13. Teilmassenstromregelventil
14. Dampfmischventil
15. Wärmetauscher Enthitzer/Wärmekreislauf

Claims

Ansprüche
1. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse dadurch gekennzeichnet, dass das durch mindestens zwei Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur vorgewärmte und verdampfte dampfförmige ORC-Arbeitsfluid in mindestens zwei Arbeitstufen entspannt wird und zwischen zwei Arbeitsstufen mindestens einmal enthitzt wird und diese Enthitzungswärme zur Vorwärmung des ORC-Arbeitsfluides nach einer ersten Vorwärmung durch eine niedertemperaturige Wärmequelle und vor der Verdampfung durch eine höhertemperaturige Wärmequelle zugeführt wird.
2. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsfluid Kohlenwasserstoffe wie Toluol, Pentan, Iso-Pentan, Heptan, Hexan, Cyclohexan, Butan, Iso-Butan, Oktan, Nonan, oder Ethan verwendet werden.
3. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das als ORC-Arbeitsfluid fluorierter Kohlenstoff wie N- Perfluorhexan oder R218 verwendet werden.
4. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsfluid fluorierte Kohlenwasserstoffe wie R365mfc, R245fa, oder Rl 23 verwendet werden.
5. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsfluid azeotrophe Gemische wie SES36 als Gemisch aus R365mfc und R227 verwendet werden.
6. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsfluid Siloxane wie Hexamethyldisiloxan oder Octamethyltrisiloxan verwendet werden.
7. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur Motorabwärme bestehend aus Motorkühlung und/oder Ladeluftkühlung und/oder Ölkühlung und Abgaswärme genutzt werden.
8. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur industrielle Abwärmequellen wie Maschinenkühlung und Feuerungsabwärme und/oder Feuerungsabgase genutzt werden.
9. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur Solarkollektoren wie Flachbettkollektoren oder Vakuumröhren einerseits und Vakuumröhren oder CPC-Vakuumröhren oder Parabolrinnenkollektoren andererseits genutzt werden.
10. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Enthitzungswärme und/oder Kondensationswärme nach der Entspannung des ORC-Arbeitsfluides einem weiteren Wärmeverbraucher zugeführt wird.
1 1. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der ORC-Kreislauf mit einer Speisepumpe ausgeführt wird.
12. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß 1 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, dass der ORC-Kreislauf mit einer Niederdruckspeisepumpe und einer Hochdruckspeisepumpe ausgeführt wird.
13. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der ORC-Kreislauf nach der Niederdruckspeisepumpe mit einem Teilmassenregelventil für die Beschickung des Niederdruckteiles und des Hochdruckteiles ausgeführt wird.
14. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der ORC-Kreislauf zwischen dem Niederdruckteil und nach der Zwischenenthitzung ein Dampfmischventil vor der nächsten Arbeitsstufe aufweist.
15. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsmaschinen mindestens zweistufige Turbinen verwendet werden.
16. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsmaschinen mindestens zweistufige Schraubenmotoren verwendet werden.
17. Verfahren der ORC-Kreislaufführung für Dampfprozesse gemäß Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsmaschinen mindestens zweistufige Kolbenmaschinen verwendet werden.
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