WO2009030471A2

WO2009030471A2 - Vorrichtung zur energieumwandlung, kraft-wärme-kopplung mit einer derartigen vorrichtung und verfahren zum betreiben einer orc-anlage

Info

Publication number: WO2009030471A2
Application number: PCT/EP2008/007198
Authority: WO
Inventors: Aldo Piacentini-Timm; René NIESNER; Ulli Drescher; Thomas Vossberg; Manfred Kremp
Original assignee: Gesellschaft für Motoren und Kraftanlagen mbH
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2009-03-12
Also published as: WO2009030471A3; EP2201222A2; DE102007041944B3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess, die einen Arbeitsmittelkreislauf (11) mit einem organischen Arbeitsmittel umfasst, der eine Kraftmaschine (12), insbesondere einen Schraubenmotor, aufweist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Kraftmaschine (12) mit einem Schmiermittelkreislauf (13) gekoppelt ist, der ein Schmiermittel aufweist, derart, dass das Schmiermittel zusammen mit dem Arbeitsmittel in einen Arbeitsraum der Kraftmaschine (12) geleitet wird, wobei der Schmiermittelkreislauf (13) eine Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie (14) aufweist, die der Kraftmaschine (12) vorgeordnet und angepasst ist derart, dass das Schmiermittel erwärmbar und der Kraftmaschine (12) zuführbar ist.

Description

Vorrichtung zur Energieumwandlung,

Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer derartigen Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer ORC-Anlage

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer ORC-Anlage. Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2005 048 795 bekannt.

DE 10 2005 048 795 offenbart eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, die ein Blockheizkraftwerk mit einer Verbrennungsmaschine umfasst, der ein organischer Kreisprozess nach Rankine (Organic Rankine Cycle, ORC) nachgeordnet ist. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wird bei bekannten Vorrichtungen die Abwärme im Abgas und im Kühl^¬ wasser des Verbrennungsmotors zur Erwärmung des organischen Arbeitsmittels des ORC-Prozesses genutzt. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da Anlagen, die gemäß dem Prinzip des ORC gebaut sind, bei geringeren Prozesstemperaturen betrieben werden können als Anlagen, die mit Wasserdampf betrieben werden. Beim ORC-Prozess werden ein organisches Fluid oder Fluidgemisch wie beispielsweise Silikonöle, teil- oder vollfluorierte Wasserstoffe, Alkane, Alkylbenzole oder andere organische Substanzen im flüssigen Zustand mit einer Pumpe auf einen oberen Prozessdruck gebracht. Nach der Vorwärmung und der Verdampfung wird das Fluid in einer Kraftmaschine entspannt, wobei Arbeit verrichtet wird. Das Fluid wird anschließend kondensiert und wieder der Pumpe zugeführt.

Im Allgemeinen umfasst ein ORC-Prozess einen Arbeitsmittelkreislauf mit einem Vorwärmer, einem Dampferzeuger, einer Kraftmaschine sowie einem Kondensator. Bei den bekannten Systemen wird die Abwärme des Verbrennungsmotors aus dem Blockheizkraftwerk dazu genutzt, durch den Vorwärmer sowie den Dampferzeuger das Arbeitsmittel zu erwärmen. Des Weiteren ist in der DE 10 2005 048 795 ein Turbolader vorgesehen, der durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors betrieben wird. Der Turbolader dient dazu, das zum Verbrennungsmotor geleitete Gas-/Luftgemisch zu komprimieren, um dadurch die Effizienz des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Bei die- ser Turboaufladung erwärmt sich das Gas-/Luftgemisch. Diese Wärme wird über einen Heizkreislauf ebenfalls an den ORC-Prozess übertragen, um das Arbeitsmittel des ORC- Prozesses vorzuwärmen. In einer Kraftmaschine wird die im Arbeitsmittel gespeicherte Energie in mechanische Energie umgesetzt.

Bei großen Anlagen kann als Kraftmaschine eine Turbine eingesetzt werden. DE 10 2005 048 795 offenbart eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage für einen kleinen Leistungsbereich, wobei als Kraftmaschine ein Schraubenmotor verwendet wird. Das erwärmte und verdampfte Arbeitsmittel wird in den Dampfschraubenmotor geleitet, wo es expandiert und somit Rotationsenergie freisetzt. Die Rotationsenergie wird in einem Generator in elektrischen Strom umgewandelt.

Bekannte Dampfschraubenmotoren werden entweder als so genannte Trockenläufer oder durch Zugabe eines Schmieröls in den Arbeitsraum betrieben. Trockenläufer haben den Nachteil, dass sie einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen, da die beiden gegenläufig drehenden Schrauben nicht gegeneinander abgedichtet werden. Um den Wirkungsgrad zu steigern, werden daher Dampfschraubenmotoren verwendet, die eine Ölschmierung aufweisen. Dabei wird das Schmieröl in den Arbeitsraum eingebracht und dient zwischen den Schrauben nicht nur als Schmiermittel, sondern auch als Sperrmittel. Durch den Kontakt mit dem heißen Arbeitsmittel im Arbeitsraum wird das Schmieröl erwärmt, wobei Wärmeenergie aufgenommen wird. Die durch das Öl aufgenommene Energie steht nicht für die Umsetzung in der Kraftmaschine zur Verfügung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess anzugeben, bei der der Wirkungsgrad verbessert wird. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraft-Wärme- Kopplungsanlage mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer ORC-Anlage anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Vorrichtung durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage durch den Gegenstand des Patentanspruchs 19 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Patentanspruchs 20 gelöst. Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess anzugeben, die einen Arbeitsmittelkreislauf mit einem organischen Arbeitsmittel umfasst, der eine Kraftmaschine, insbesondere einen Schraubenmotor, aufweist, wobei die Kraftmaschine mit einem Schmiermittelkreislauf gekoppelt ist, der ein Schmiermittel aufweist, derart, dass das Schmiermittel zusammen mit dem Arbeitsmittel in einem Arbeitsraum der Kraftmaschine geleitet wird, wobei der Schmiermittelkreislauf eine Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie aufweist, die der Kraftmaschine vorgeordnet und angepasst ist derart, dass erwärmtes Schmiermittel der Kraftmaschine zuführbar ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Erwärmung des Schmiermittels die Temperaturdifferenz zwischen dem Schmiermittel und dem Arbeitsmittel im Arbeitsraum verringert wird, so dass die für die Energieumwandlung in der Kraftmaschine zur Verfügung stehende Energie erhöht wird. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Kraftmaschine gesteigert.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Energieumwandlung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Schmiermitteltemperatur auf, die angepasst ist, das Schmiermittel auf eine Temperatur zu erwärmen, die der Eingangstemperatur des Arbeitsmittels an der Kraftmaschine entspricht. Auf diese Weise wird verhindert, dass Wärmeenergie vom Arbeitsmittel auf das Schmiermittel übergeht, so dass die zur Erzeugung der mechanischen Arbeit notwendige Wärmeenergie erhalten bleibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie mit einem Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors gekoppelt derart, dass die Abwärme des Verbrennungsmotors durch ein Kühlmittel an das Schmiermittel übertragbar ist, wobei der Verbrennungsmotor der Vorrichtung zur Energieumwandlung vorgeordnet ist. Auf diese Weise wird die Abwärme des Verbrennungsmotors besonders vorteilhaft und wirtschaftlich genutzt. Außerdem wird durch die Wärmeübertragung aus dem Kühlmittelkreislauf in den Schmiermittelkreislauf das Kühlmittel abgekühlt, so dass eine effiziente Kühlung des Verbrennungsmotors gewährleistet ist.

Vorzugsweise weist der Kühlmittelkreislauf einen Motorkühlungskreislauf auf, der in den Verbrennungsmotor integriert ist. Ferner kann der Kühlmittelkreislauf einen Zwi- schenkreislauf aufweisen, der mit einem in den Verbrennungsmotor integrierten Motorkühlungskreislauf gekoppelt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Motorkühlungskreislauf direkt mit der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie des Schmiermittelkreislaufs gekoppelt. Dadurch wird die Abwärme des Verbrennungsmotors direkt an den Schmiermittelkreislauf übertragen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Zwischenkreislauf mit der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie des Schmiermittelkreislaufs gekoppelt. Auf diese Weise kann die Abwärme des Verbrennungsmotors auf besonders einfache Weise zum Schmiermittelkreislauf geleitet werden, da der bei handelsüblichen Verbrennungsmotoren, insbesondere Blockheizkraftwerken, vorhandene Motorkühlungskreislauf nur geringfügig modifiziert wird, indem dieser mit dem Zwischenkreislauf gekoppelt ist. Die Einkopplung der Wärme in den Schmiermittelkreislauf erfolgt dabei durch den Zwischenkreislauf, der mit dem Motorkühlungskreislauf vorzugsweise durch einen internen Wärmetauscher gekoppelt ist. Dadurch wird eine indirekte Übertragung der Abwärme des Verbrennungsmotors auf den Schmiermittelkreislauf mittels des Zwischenkreislaufs erreicht.

Ferner kann der Kühlmittelkreislauf mit dem Arbeitsmittelkreislauf gekoppelt sein derart, dass die Wärmeenergie des Kühlmittels zumindest teilweise an den Arbeitsmittelkreislauf übertragbar ist. Dadurch wird die an den Kühlmittelkreislauf abgegebene Abwärme des Verbrennungsmotors besonders effektiv genutzt und das Arbeitsmittel erwärmt.

Des Weiteren kann der Arbeitsmittelkreislauf mindestens einen Wärmetauscher, insbesondere Kühlmittelwärmetauscher aufweisen, der mit dem Kühlmittelkreislauf gekoppelt ist derart, dass die Abwärme des Verbrennungsmotors zumindest teilweise an den Arbeitsmittelkreislauf übertragbar ist. Der Wärmetauscher des Arbeitsmittelkreislaufs kann dabei sowohl direkt durch den Motorkühlungskreislauf als auch indirekt durch den Zwischenkreislauf mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor eine Abgaslei- tung auf, die einen Abgaswärmetauscher umfasst, der mit dem Schmiermittelkreislauf gekoppelt ist derart, dass die Abgaswärme zumindest teilweise an den Schmiermittel^¬ kreislauf übertragbar ist. Die Abgastemperatur ist im Wesentlichen höher als die Temperatur des Kühlmittels, so dass das Schmiermittel weiter erwärmt wird. Dabei kann die sonst ungenutzte Abgaswärme das Schmiermittel so weit erwärmen, dass eine Schmiermitteltemperatur erreicht wird, die etwa der Eingangstemperatur des Arbeitsmittels an der Kraftmaschine entspricht.

Des Weiteren kann der Abgaswärmetauscher durch einen Übertragungskreislauf, insbesondere einem Thermoölkreislauf, der ein Übertragungsmittel zur Übertragung von Wärmeenergie umfasst, mit dem Schmiermittelkreislauf gekoppelt sein. Die Einbindung eines Übertragungskreislaufes zwischen dem Abgaswärmetauscher und dem Schmiermittelkreislauf hat den Vorteil, dass die Regelbarkeit des Wärmeübergangs vom Abgas zum Schmiermittel verbessert wird. Auf diese Weise kann die Temperatur des Schmiermittels auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.

Vorzugsweise umfasst der Arbeitsmittelkreislauf mindestens einen Vorwärmer und/oder einen Dampferzeuger, der mit dem Übertragungskreislauf gekoppelt ist derart, dass Abgaswärmeenergie durch das Übertragungsmittel an den Arbeitsmittelkreislauf übertragbar ist. Die Nutzung der Abgaswärmeenergie zur Erwärmung des Arbeitsmittels ist besonders effizient, da auf diese Weise die Abgaswärme im Arbeitsmittelkreislauf zur Erzeugung der mechanischen Energie in der Kraftmaschine genutzt wird. Aus dem im Verbrennungsmotor verbrannten Kraftstoff kann dadurch insgesamt mehr mechanische Energie gewonnen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Schmiermittelkreislauf eine Trenneinrichtung zur Trennung des Schmiermittels vom Arbeitsmittel, die der Kraftmaschine nachgeordnet ist. Dadurch kann das Schmiermittel, das im Arbeitsraum der Kraftmaschine mit dem Arbeitsmittel vermischt wird, wieder vom Arbeitsmittel getrennt werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Schmiermittelkreislauf eine Abzweigung auf, die der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie vorgeordnet und mit einer Zufuhrleitung gekoppelt ist derart, dass ein Teil des Schmiermittels der Welle der Kraftmaschine als Kühlmittel zuführbar ist. Bei rotierenden Wellen, die mit einem Fluid gekühlt werden, wird ein Teil des Kühlmittels an der Welle entlang transportiert. Dabei kann Kühlmittel in die Kraftmaschine eindringen. Da dasselbe Schmiermittel zur Schmierung der Kraftmaschine und zur Kühlung der Welle verwendet wird, ist eine weitere Trennung des eindringenden Kühlmittels vom Schmiermittel nicht notwendig, so dass auf eine kosten- und energieintensive Trenneinrichtung verzichtet werden kann. Außerdem kann auf eine zusätzliche Wellenkühlung verzichtet werden.

Vorzugsweise umfasst die Zufuhrleitung mindestens einen Schmiermittelwärmetauscher, der mit dem Arbeitsmittelkreislauf gekoppelt ist derart, dass die Wärmeenergie des Schmiermittels an das Arbeitsmittel übertragbar ist. Dadurch wird das als Kühlmittel eingesetzte Schmiermittel gekühlt, wodurch eine besonders effiziente Wellenkühlung möglich ist. Außerdem wird diese Wärmeenergie zur Vorwärmung des Arbeitsmittels verwendet. Die Restwärme des Schmiermittels wird so zur Erzeugung von mechanischer Energie in der Kraftmaschine genutzt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Generator vorgesehen, um die mechanische Energie der Kraftmaschine zur Erzeugung von elektrischem Strom zu nutzen.

Ferner kann der Generator mit der Welle der Kraftmaschine durch eine Magnetkupplung verbunden sein. Die Magnetkupplung ermöglicht die Kraftübertragung von der Kraftmaschine auf die Welle des Generators, wobei die Magnetkupplung den Vorteil hat, dass die Kopplung fluiddicht erfolgt. Ferner ist die Magnetkupplung reibungsarm, wodurch die Kraftübertragung von der Kraftmaschine zum Generator effizient genutzt wird.

Des Weiteren kann die Kraftmaschine eine elektrische und/oder mechanische Starteinrichtung wie z.B. eine pneumatische oder hydraulische Starteinrichtung aufweisen.

Der Erfindung liegt ferner der Gedanke zu Grunde, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess anzugeben, wobei die Vorrichtung einen Arbeitsmittelkreislauf mit einem organischen Arbeitsmittel umfasst, der eine Kraftmaschine, insbesondere einen Schraubenmotor, aufweist, wobei die Kraftmaschine mit einem Schmiermittelkreislauf gekoppelt ist, der ein Schmiermittel aufweist, derart, dass das Schmiermittel zusammen mit dem Arbeitsmittel in den Ar- beitsraum der Kraftmaschine geleitet wird, wobei der Schmiermittelkreislauf eine Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie aufweist, die der Kraftmaschine vorgeordnet und angepasst ist derart, dass erwärmtes Schmiermittel der Kraftmaschine zuführbar ist.

Der Erfindung liegt ferner der Gedanke zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben einer ORC-Anlage anzugeben, die eine Kraftmaschine, insbesondere einen Schraubenmotor, einen Arbeitsmittelkreislauf mit einem organischen Arbeitsmittel und einem Schmiermittelkreislauf mit einem Schmiermittel umfasst, wobei das Schmiermittel erwärmt und in einem Arbeitsraum der Kraftmaschine mit dem Arbeitsmittel zusammengeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass dem Arbeitsmittel durch das erwärmte Schmiermittel weniger Energie entzogen wird, so dass die Wärmeenergie des Arbeitsmittels effizient zum Betreiben der Kraftmaschine genutzt wird.

Vorzugsweise wird das Schmiermittel durch die Abwärme eines Verbrennungsmotors, der der ORC-Anlage vorgeordnet ist, erwärmt. Die Abwärme des Verbrennungsmotors kann auch durch ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs an das Schmiermittel übertragen werden. Dies kann sowohl direkt als auch indirekt durch einen Zwischenkreislauf erfolgen. Des Weiteren ist es möglich, dass das Schmiermittel durch den Abgas- Wärmestrom des Verbrennungsmotors erwärmt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmeenergie des Abgaswärmestroms zumindest teilweise durch ein Übertragungsmittel eines Übertragungskreislaufs, insbesondere eines Thermoölkreislaufs, an das Schmiermittel und/oder Arbeitsmittel übertragen. Vorzugsweise wird ein Teil des Schmiermittels vor der Erwärmung abgezweigt und als Kühlmittel einer Welle der Kraftmaschine zugeführt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erwärmt der abgezweigte Teil des Schmiermittels vor der Zufuhr zur Welle das Arbeitsmittel. Die bereits im Hinblick auf die Vorrichtung zur Energieumwandlung genannten Vorteile gelten ebenfalls als Vorteile für das Verfahren zum Betreiben einer ORC-Anlage.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein Prozessschaltbild einer Vorrichtung zur Energieumwandlung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; Fig. 2 ein Prozessschaltbild einer Vorrichtung zur Energieumwandlung gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt ein Prozessschaltbild einer erfϊndungsgemäßen Vorrichtung mit einem Arbeitsmittelkreislauf 11, einem Schmiermittelkreislauf 13, einem Kühlmittelkreislauf 15 sowie einem Übertragungskreislauf 20. Der ORC-Prozess umfasst eine Arbeitsmittelpumpe 31a, der ein Vorwärmer 21 und ein Dampferzeuger 22 nachgeordnet sind. Dem Dampferzeuger 22 sind im weiteren Verlauf eine Kraftmaschine 12 sowie ein Kondensator 3D nachgeordnet. Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel unterscheidet sich der Arbeitsmittelkreislauf 11 von herkömmlichen ORC-Prozessen dadurch, dass zwischen der Arbeitsmittelpumpe 31a und dem Vorwärmer 21 ein Wärmetauscher 17 angeordnet ist. Dem Wärmetauscher 17 ist ein Schmiermittelwärmetauscher 26 vorgeordnet, wobei der Schmiermittelwärmetauscher 26 zum Arbeitsmittelkreislauf 11 paral- IeI gekoppelt ist.

Des Weiteren ist bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Schmiermittelkreislauf 13 vorgesehen, der eine Schmiermittelpumpe 31b aufweist und mit der Kraftmaschine 12 gekoppelt ist. Der Schmiermittelpumpe 31b ist in Strömungsrichtung eine Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 nachgeordnet. Der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 ist ferner ein Übertragungsmittelwärmetauscher 29 und im weiteren Verlauf die Kraftmaschine 12 nachgeordnet. Zwischen der Kraftmaschine 12 und der Schmiermittelpumpe 31b ist der Schmiermittelpumpe 31b eine Trenneinrichtung 23 vorgeordnet, die das Schmiermittel- /Arbeitsmittelgemisch trennt, so dass das Schmiermittel dem Schmiermittelkreislauf 13 und das Arbeitsmittel dem Arbeitsmittel kreislauf 11 zugeführt wird. Des Weiteren ist zwischen der Schmiermittelpumpe 31b und der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 eine Abzweigung, die der Schmiermittelpumpe 31b nachgeordnet ist, vorgesehen, die mit einer Zufuhrleitung 24 gekoppelt ist. Die Zufuhrleitung 24 ist mit dem Schmiermittelwärmetauscher 26 gekoppelt und führt zur Welle 25 der Kraftmaschine 12. Die Welle 25 verbindet die Kraftmaschine 12 mit dem Generator 27, wobei zwischen der Welle 25 und dem Generator 27 eine Magnetkupplung 28 vorgesehen ist.

Ferner umfasst das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Verbrennungsmotor 16 mit einem Kühlmittelkreislauf 15. Der Kühlmittelkreislauf 15 umfasst einen Motorkühlungskreislauf 15a, insbesondere einen Kühlwasserkreislauf, der in den Verbrennungsmotor 16 integriert ist, sowie einen Zwischenkreislauf 15b, der den Motorkühlungskreislauf 15a mit dem Schmiermittelkreislauf 13 durch eine Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 und dem Arbeitsmittelkreislauf 11 durch einen Wärmetauscher 17 verbindet (Fig. 2). Der Motorkühlungskreislauf 15a weist eine Motorkühlungspumpe 31e sowie einen internen Wärmetauscher 33 auf, der dem Kühlmedium Wärmeenergie entzieht und dem Zwischenkreislauf 15b zuführt. Eine derartige Anordnung ist in der Praxis bevorzugt, da so die Wärme hydraulisch entkoppelt übertragen wird und die Kühlung des Verbrennungsmotors 16 unabhängig von der Wärmenutzung gewährleistet werden kann.

Es ist auch denkbar, dass der Kühlmittelkreislauf 15 die Abwärme des Verbrennungsmotors 16 direkt aufnimmt, so dass nur ein Kreislauf zur Kühlung des Verbrennungsmotors 16 vorgesehen ist (Hg. 1).

Der Einfachheit halber wird nachfolgend allgemein auf den Kühlmittelkreislauf 15 Bezug genommen, wobei sowohl die direkte Kopplung des Verbrennungsmotors 16 mit dem Wärmetauscher 17, insbesondere Kühlmittelwärmetauscher (Fig. 1), bzw. der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 durch den Motorkühlungskreislauf 15a als auch die indirekte Kopplung des Verbrennungsmotors mit dem Wärmetauscher 17 bzw. der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 durch den Zwischenkreislauf 15b umfasst sind. Ferner können die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele untereinander kombiniert werden, so dass alle daraus resultierenden Kombinationsmöglichkeiten der Kopplung des Verbrennungsmotors 16 mit dem Arbeitsmittelkreislauf 11 und dem Schmiermittelkreislauf 13 offenbart werden.

Der Kühlmittelkreislauf 15 weist eine Kühlmittelpumpe 31c auf, der der Kühlmittelwärmetauscher bzw. allgemein der Wärmetauscher 17 nachgeordnet ist. Der Wärmetauscher 17 koppelt den Kühlmittelkreislauf 15 mit dem Arbeitsmittelkreislauf 11. Zwischen der Kühlmittelpumpe 31c und den Wärmetauscher 17 ist eine Abzweigung vorgesehen, so dass das Kühlmittel zur Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 geleitet wird. Von der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 führt eine weitere Leitung zur Verbrennungsmaschine 16 zurück, wobei dem Verbrennungsmotor 16 eine Verbindungsstelle vorgeordnet ist, an welcher der Teil des Kühlmittels, der den Wärmetauscher 17 durchströmt (Fig. 1) bzw. der Teil des im Zwischenkreislauf (15b) enthaltenen Fluids, sowie der Teil des Kühlmittels, der die Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 durchströmt, zusammengeführt wird.

Der Verbrennungsmotor 16 ist außerdem mit einer Abgasleitung 18 gekoppelt, die einen Abgaswärmetauscher 19 aufweist. Der Abgaswärmetauscher 19 verbindet die Abgasleitung 18 mit einem Übertragungskreislauf 20. Dabei ist dem Abgaswärmetauscher

19 eine Übertragungsmittelpumpe 31d vorgeordnet. Dem Abgaswärmetauscher 19 ist eine Abzweigung nachgeordnet, so dass ein Teil des Übertragungsmittels zum Übertragungsmittelwärmetauscher 29 geleitet wird, der den Übertragungsmittelkreislauf 20 mit dem Schmiermittelkreislauf 13 koppelt. Ein weiterer Teil des Übertragungsmittels wird in Strömungsrichtung nach der Abzweigung einem Dampferzeuger 22 zugeführt. Dem Dampferzeuger 22 ist ein Vorwärmer 21 nachgeordnet, wobei ein Teil des Übertragungsmittels durch einen Bypass 32 am Vorwärmer vorbei geleitet wird. Der Dampferzeuger 22 sowie der Vorwärmer 21 koppeln den Übertragungsmittelkreislauf

20 mit dem Arbeitsmittelkreislauf 11. Zwischen dem Vorwärmer 21 und der Übertragungsmittelpumpe 31d ist dem Vorwärmer 21 eine Verbindungsstelle nachgeordnet, an der das Übertragungsmittel vom Übertragungsmittelwärmetauscher 29 und das Übertragungsmittel vom Vorwärmer 21 zusammengeführt wird.

Moderne stationär als Blockheizkraftwerke eingesetzte Verbrennungsmotoren 16 erzielen Wirkungsgrade von 35% bis 50%. Ein großer Teil der Energie, die nicht zur Stromerzeugung zur Verfügung steht, wird als Abwärme im Abgas auf hohem Temperaturniveau (ca. 400⁰C) und im Kühlwasser bei einer niedrigeren Temperatur (ca. 90⁰C) an die Umgebung abgegeben. Um diese Wärmeenergie zur Stromerzeugung nutzen zu können, können in besonders vorteilhafter Weise Anlagen nach dem Prinzip des Orga- nic Rankine Cycle genutzt werden. Der Vorteil liegt dabei in der Verwendung von organischen Arbeitsmitteln, die im Gegensatz zu Wasser einen niedrigeren Siedepunkt besitzen. Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das organische Arbeitsmittel in vier Stufen erwärmt, bis es in gasförmiger Form als Dampf vorliegt. Dazu wird das Arbeitsmittel durch die Arbeitsmittelpumpe 31a durch den Arbeitsmittelkreislauf 11 gepumpt. Ein Teil des Arbeitsmittels wird nach der Arbeitsmittelpumpe 31a einem Schmiermittelwärmetauscher 26 zugeführt, der dem Schmiermittel Wärmeenergie entzieht und dem Arbeitsmittel zuführt. Die weitere Funktion des Schmiermittelwärmetauschers 26 wird im Zusammenhang mit dem Schmiermittelkreislauf 13 näher erläutert. Nach dem Schmiermittelwärmetauscher 26 wird der erwärmte Teil des Arbeitsmittels mit dem Teil des Arbeitsmittels, der am Schmiermittelwärmetauscher 26 vorbei geführt wird, zusammengeführt und dem Wärmetauscher 17 zugeleitet. Der Wärmetauscher 17 hat die Aufgabe, die Wärmeenergie, die dem Verbrennungsmotor 16 durch das Kühlmittel entzogen wird, an das Arbeitsmittel zu übertragen, wodurch die Arbeitsmitteltemperatur weiter erhöht wird. In einem Vorwärmer 21, der durch den Übertra- gungsmittelkreislauf 20 Wärmeenergie aus dem Abgas des Verbrennungsmotors 16 an das Arbeitsmittel überträgt, wird das Arbeitsmittel weiter erwärmt. Durch den Dampferzeuger 22, der dem Vorwärmer 21 nachgeordnet ist, wird Abgaswärmeenergie an das Arbeitsmittel übertragen, so dass der Siedepunkt des Arbeitsmittels überschritten wird und das Arbeitsmittel in den dampfförmigen Zustand übergeht. Der Arbeitsmitteldampf betreibt eine Kraftmaschine 12. Vorzugsweise ist die Kraftmaschine 12 als Dampfschraubeπmotor ausgeführt. Im Arbeitsraum der Kraftmaschine 12 wird das Arbeitsmittel mit dem Schmiermittel vermischt. Das Arbeitsmittel-/Schmiermittelgemisch wird einer Trenneinrichtung 23 zugeführt, wo die beiden Komponenten voneinander getrennt werden. Im Arbeitsmittelkreislauf 11 wird das Arbeitsmittel zu einem Kondensator 30 geleitet, der dem Arbeitsmittel Wärmeenergie entzieht, so dass das Arbeitsmittel wieder in den flüssigen Zustand übergeht.

Das Schmiermittel wird, durch eine Schmiermittelpumpe 31b durch den Schmiermittelkreislauf 13 gefördert. Dabei erfüllt das Schmiermittel zwei Funktionen. Zum einen wird das Schmiermittel der Kraftmaschine 12 als Schmier- und Sperrmittel zugeleitet, zum anderen wird ein Teil des Schmiermittels über eine Zufuhrleitung 24 der Welle 25 der Kraftmaschine 12 als Kühlmittel zugeleitet.

Der Teil des Schmiermittels, der der Kraftmaschine 12 zugeführt wird, wird bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel durch eine Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 erwärmt, wobei die Wärmeenergie, die an das Schmiermittel übertragen wird, dem Kühlmittelkreislauf 15 des Verbrennungsmotors 16 entzogen wird. Durch den Übertragungsmittelwärmetauscher 29 wird Wärmeenergie aus dem Abgas des Verbrennungsmotors 16, die dem Abgas durch den Abgaswärmetauscher 19 entzogen und über den Übertragungsmittelkreislauf 20 zum Übertragungsmittelwärmetauscher 29 geleitet wird, an das Schmiermittel abgegeben, so dass das Schmiermittel auf eine Temperatur erwärmt wird, die der Temperatur des Arbeitsmittels entspricht. Das Schmiermittel wird zusammen mit dem Arbeitsmittel in den Arbeitsraum der Kraftmaschine 12 geleitet. Da das Arbeitsmittel und das Schmiermittel dieselbe Temperatur aufweisen, wird dem Arbeitsmittel durch das Schmiermittel keine Wärmeenergie entzogen. Auf diese Weise wird der Anteil der zum Betreiben der Kraftmaschine 12 verfügbaren Energie erhöht und der Wirkungsgrad der Kraftmaschine 12 gesteigert. Nach der Trennung des Schmiermittels vom Arbeitsmittel in der Trenneinrichtung 23 wird das Schmiermittel wieder der Schmiermittelpumpe 31b zugeführt.

Der andere Teil des Schmiermittels, der der Welle 25 als Kühlmittel zugeführt wird, wird durch die Zufuhrleitung 24 zunächst zu einem Schmiermittelwärmetauscher 26 geleitet. Der Schmiermittelwärmetauscher 26 entzieht dem Schmiermittel Wärmeenergie, so dass die Temperatur des Schmiermittels gesenkt wird, wodurch das Schmiermittel effizient zur Kühlung der Lager und der Welle 25 genutzt werden kann. Die dem Schmiermittel entzogene Wärmeenergie wird vorzugsweise zur Erwärmung des Arbeitsmittels im Arbeitsmittelkreislauf 11 genutzt. Eine Vorwärmung des Arbeitsmittels durch einen Schmiermittelwärmetauscher 26 ist nicht zwingend erforderlich. Weiterhin ist es denkbar, dass das Schmiermittel nicht zur Kühlung der Welle 25 eingesetzt wird. Vielmehr kann die Kühlung der Welle 25 auch durch einen separaten Kühlkreislauf erfolgen.

Die Kopplung der Kraftmaschine 12 mit dem Generator 27 erfolgt vorzugsweise durch eine Magnetkupplung 28. Denkbar sind auch andere Kopplungsarten. Vorzugsweise wird die Kraftmaschine 12 mittels einer pneumatischen Starteinrichtung in Betrieb gesetzt. Denkbar ist auch, die Kraftmaschine 12 durch eine elektrische Starteinrichtung oder andere Starteinrichtungen in Betrieb zu nehmen.

Des Weiteren ist es möglich, dass die Erwärmung des Schmiermitteis im Schmiermittelkreislauf 13 nur durch die Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie 14 erfolgt. Eine weitere Erwärmung des Schmiermittels durch einen Übertragungsmittelwärmetauscher 29 ist nicht zwingend erforderlich. Des Weiteren ist es denkbar, dass im Arbeitsmittelkreislauf 11 zwischen der Trenneinrichtung 22 und dem Kondensator 30 ein Rekuperator angeordnet ist, der die Restwärme des Arbeitsmittels vor dem Kondensator 30 entnimmt und dem Arbeitsmittel nach dem Kondensator 30 überträgt. Die Kraftmaschine 12 ist vorzugsweise als Schraubenmotor ausgeführt. Denkbar ist auch, dass die Kraftmaschine 12 eine Turbine, einen Dampfkolbenmotor oder andere Einrichtungen zur Umwandlung von Dampfenergie in mechanische Energie umfasst. Bezugszeichenliste

11 Arbeitsmittelkreislauf

12 Kraftmaschine

13 Schmiermittelkreislauf

14 Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie

15 Kühlmittelkreislauf

15a Motorkühlungskreislauf

15b Zwischenkreislauf

16 Verbrennungsmotor

17 Wärmetauscher

18 Abgasleitung

19 Abgaswärmetauscher

20 Übertragungskreislauf

21 Vorwärmer 2 Dampferzeuger

23 Trenneinrichtung 4 Zufuhrleitung 5 Welle 6 Schmiermittelwärmetauscher 7 Generator 8 Magnetkupplung 9 Übertragungsmittelwärmetauscher 0 Kondensator 1 Arbeitsmittelpumpe 1b Schmiermittelpumpe 1c Kühlmittelpumpe 1d Übertragungsmittelpumpe 1e Motorkühlungspumpe 2 Bypass 3 interner Wärmetauscher

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess, die einen Arbeitsmittelkreislauf (11) mit einem organischen Arbeitsmittel umfasst, der eine Kraftmaschine (12), insbesondere einen Schraubenmotor, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine (12) mit einem Schmiermittelkreislauf (13) gekoppelt ist, der ein Schmiermittel aufweist, derart, dass das Schmiermittel zusammen mit dem Arbeitsmittel in einen Arbeitsraum der Kraftmaschine (12) geleitet wird, wobei der Schmiermittelkreislauf (13) eine Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie (14) aufweist, die der Kraftmaschine (12) vorgeordnet und angepasst ist derart, dass erwärmtes Schmiermittel der Kraftmaschine (12) zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Schmiermitteltemperatur angepasst ist, das Schmiermittel auf eine Temperatur zu erwärmen, die der Eingangstemperatur des Arbeitsmittels an der Kraftmaschine (12) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie (14) mit einem Kühlmittelkreislauf (15) eines Verbrennungsmotors (16) gekoppelt ist derart, dass die Abwärme des Verbrennungsmotors (16) durch ein Kühlmittel an das Schmiermittel übertragbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (15) einen in den Verbrennungsmotor (16) integrierten Motorkühlungskreislauf (15a) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (15) einen Zwischenkreislauf (15b) aufweist, der mit einem in den Verbrennungsmotor (16) integrierten Motorkühlungskreislauf (15a) gekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorkühlungskreislauf (15a) direkt mit der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie (14) des Schmiermittelkreislaufs (13) gekoppelt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreislauf (15b) mit der Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie (14) des Schmiermittelkreislaufs (13) gekoppelt ist.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (15) mit dem Arbeitsmittelkreislauf (11) gekoppelt ist derart, dass die Wärmeenergie des Kühlmittels an den Arbeitsmittelkreislauf (11) übertragbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf (11) mindestens einen Wärmetauscher (17), insbesondere Kühlmittelwärmetauscher, aufweist, der mit dem Kühlmittelkreislauf (15) gekoppelt ist derart, dass die Abwärme des Verbrennungsmotors (16) an den Arbeitsmittel kreislauf (11) übertragbar ist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (16) eine Abgasleitung (18) aufweist, die einen Abgaswärmetauscher (19) umfasst, der mit dem Schmiermittel kreislauf (13) gekoppelt ist derart, dass die Abgaswärme an den Schmiermittelkreislauf (13) übertragbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (19) durch einen Übertragungskreislauf (20), insbesondere einem Thermoölkreislauf, der ein Übertragungsmittel zur Übertragung von Wärmeenergie umfasst, mit dem Schmiermittelkreislauf (13) gekoppelt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittel kreislauf (11) mindestens einen Vorwärmer (21) und/oder Dampferzeuger (22) umfasst, der mit dem Übertragungskreislauf (20) gekoppelt ist derart, dass Abgaswärmeenergie durch das Übertragungsmittel an den Arbeitsmittelkreislauf (11) übertragbar ist.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittelkreislauf (13) eine Trenneinrichtung (23) zur Trennung des Schmiermittels vom Arbeitsmittel umfasst, die der Kraftmaschine (12) nachgeordnet ist.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittelkreislauf (13) eine Abzweigung aufweist, die der Einrichtung zur Ü- bertragung von Wärmeenergie (14) vorgeordnet und mit einer Zufuhrleitung (24) gekoppelt ist derart, dass einen Teil des Schmiermittels der Welle (25) der Kraftmaschine (12) als Kühlmittel zuführbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung (24) mindestens einen Schmiermittelwärmetauscher (26) umfasst, der mit dem Arbeitsmittelkreislauf (11) gekoppelt ist derart, dass die Wärmeenergie des Schmiermittels an das Arbeitsmittel übertragbar ist.

16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator (27) vorgesehen ist, der mit der Kraftmaschine (12) gekoppelt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (27) mit der Welle (25) der Kraftmaschine (12) durch eine Magnetkupplung (28) verbunden ist.

18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine (12) eine elektrische und/oder mechanische Starteinrichtung aufweist.

19. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess, wobei die Vorrichtung einen Arbeitsmittelkreislauf (11) mit einem organischen Arbeitsmittel umfasst, der eine Kraftmaschine (12), insbesondere einen Schraubenmotor, aufweist, wobei die Kraftmaschine (12) mit einem Schmiermittelkreislauf (13) gekoppelt ist, der ein Schmiermittel aufweist, derart, dass das Schmiermittel zusammen mit dem Arbeitsmittel in einen Arbeitsraum der Kraftmaschine (12) geleitet wird, wobei der Schmiermittelkreislauf (13) eine Einrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie (14) aufweist, die der Kraftmaschine (12) vorgeordnet und angepasst ist derart, dass erwärmtes Schmiermittel der Kraftmaschine (12) zuführbar ist.

20. Verfahren zum Betreiben einer ORC-Anlage, die eine Kraftmaschine (12), insbesondere einen Schraubenmotor, einen Arbeitsmittelkreislauf (11) mit einem organischen Arbeitsmittel und einen Schmiermittelkreislauf (13) mit einem Schmiermittel umfasst, wobei das Schmiermittel erwärmt und in einem Arbeitsraum der Kraftmaschine (12) mit dem Arbeitsmittel zusammengeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel durch die Abwärme eines Verbrennungsmotors (16), der der ORC- Anlage vorgeordnet ist, erwärmt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des Verbrennungsmotors (16) durch ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs (15) an das Schmiermittel übertragen wird.

23. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel durch den Abgaswärmestrom des Verbrennungsmotors (16) erwärmt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie des Abgaswärmestroms durch ein Übertragungsmittel eines Übertragungskreislaufs (20), insbesondere eines Thermoölkreislaufs, an das Schmiermittel und/oder Arbeitsmittel übertragen wird.

25. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Schmiermittels vor der Erwärmung abgezweigt und als Kühlmittel einer Welle (25) der Kraftmaschine (12) zugeführt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der abgezweigte Teil des Schmiermittels vor der Zufuhr zur Welle (25) das Arbeitsmittel erwärmt.

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