WO2013110375A2 - Device and method for generating electrical energy - Google Patents

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WO2013110375A2
WO2013110375A2 PCT/EP2012/073798 EP2012073798W WO2013110375A2 WO 2013110375 A2 WO2013110375 A2 WO 2013110375A2 EP 2012073798 W EP2012073798 W EP 2012073798W WO 2013110375 A2 WO2013110375 A2 WO 2013110375A2
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heat
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cooled
turbine
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Vladimir Danov
Jochen SCHÄFER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01K25/103—Carbon dioxide
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    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device for generating electrical energy from a heat source according to the preamble of patent claim 1 and to a method for recovering mechanical energy from a heat source according to the preamble of patent claim 7.
  • Boiling point exhibit.
  • the organic working medium is supplied in an evaporator isobar energy in the form of heat, in particular, the process heat or waste heat upstream machines is used as a heat source application.
  • the resulting saturated steam is then ideally isentropically expanded via a turbine, whereby the desired mechanical work is done.
  • a condenser the working fluid is again completely condensed and returned to the evaporator by means of a compressor, in particular a pump.
  • a disadvantage of this process is that a large number of working materials used, such as butane or pentane, are flammable. Fluorinated and / or chlorinated hydrocarbons are also used as an alternative to the abovementioned combustible hydrocarbons, but because of their ozone-damaging and greenhouse-active effect, they are often of environmental concern.
  • An alternative to this is the use of carbon dioxide as a working medium in the context of an organic Rankine cycle. C0 2 has the advantage that it is non-flammable and non-toxic. However, a problem in the use of carbon dioxide is its relatively low critical point of 31 ° C.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a device according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 7, which allow a particularly versatile use of an organic Rankine cycle on carbon dioxide.
  • Such a device for generating electrical energy from a heat source comprises a first heat exchanger in which a process medium, in particular C0 2 , can be heated in the device by means of the heat source.
  • the heated process medium can be supplied as a result of a turbine, in which the absorbed heat energy is finally converted into electrical energy by relaxation of the process medium in mechanical energy and by coupling with a generator.
  • the process medium is cooled to a predetermined temperature by means of a second heat exchanger whose output is coupled via a compressor with an input of the first heat exchange, so as to close the circuit.
  • the second heat exchanger is air-cooled.
  • the air cooling allows the use of the device even under conditions in which insufficient fresh water for liquid cooling is available and is at the same time to make aparativ particularly simple, so that such a device is particularly inexpensive and easy to manufacture and in operation.
  • the third heat exchanger can be cooled by means of an absorption and / or adsorption refrigeration machine.
  • a refrigerator may conveniently use the heat source of the device itself as an energy source.
  • the hot time of the absorption and / or adsorption chiller is thermally coupled thereto, so that only minimal amounts of external energy, for example in the form of electricity, must be supplied.
  • the absorption refrigeration system itself can be recooled by means of air.
  • a pump or a compressor coupled to the turbine may also be used, the latter being particularly suitable when the device is to be operated without a phase transition in the manner of a Brayton cycle.
  • the second heat exchanger can also be coupled to the heat source of the device, so that the cooling air of the air-cooled second heat exchanger is preheated so far that a liquefaction of the carbon dioxide can be avoided.
  • the invention further relates to a method for recovering mechanical energy from a heat source, in particular from a waste heat stream of a plant, in which a process medium, in particular C0 2 , heated by a first heat exchanger through the heat source and passed to obtain the mechanical energy through a turbine , After passage through the turbine, the process medium is cooled by a second heat exchanger, then compressed and then returned to the first heat exchanger.
  • the second heat exchanger is air-cooled.
  • the process medium can be further cooled by means of a third heat exchanger in order to ensure that, for example when using CO 2 as the process medium, the critical point is undershot and the process medium is liquefied.
  • This third heat exchanger is preferably cooled by means of an absorption and / or Adsorptionskarltemaschine whose hot side is coupled to the heat source, so as to achieve the desired cooling effect with minimal To provide supply of external electrical power.
  • Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus for
  • Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of an apparatus according to the invention for carrying out a C0 2 -based organic Rankine cycle and. Residual heat utilization by means of a Brayton cycle according to the prior art a schematic representation of amittedsbe game of a device according to the invention for carrying out a Brayton cycle without phase transition.
  • a device 10 for residual heat utilization comprises, as shown in FIG. 1, a first heat exchanger 12, to which a hot medium is supplied via a line 14.
  • the line 14 may be, for example, an exhaust pipe of a combined heat and power plant or the like.
  • an organic process medium for example C0 2
  • a turbine 18 in which the process medium can relax and thereby perform mechanical work, which in turn is utilized to drive a generator 20.
  • a further heat exchanger 24 is fed into the process medium via a line 22, in which it is cooled again.
  • the process medium is conveyed by a pump 26 via a line 28 back to the first heat exchanger 12.
  • the device 10 is operated in the manner of a Rankine cycle, d. H. In the evaporator 12 and in the heat exchanger 24 takes place in each case a phase transition from liquid to gaseous or vice versa.
  • a cooling of the process medium is again achieved via the line 22 and the second heat exchanger 24, which in the sequence by the turbine 18 mechanically coupled compressor 30 is again conveyed to the first heat exchanger 12.
  • the device 10 for performing a Brayton cycle is to ensure that the cooling in the second heat exchanger 24 does not lead below the critical point of the process medium, since a liquefaction is not desirable here yes.
  • hot medium for example an exhaust gas
  • a first heat exchanger 12 in which it heats the process medium of the device 32.
  • the process medium flows from the first heat exchanger 12 via a line 16 to the turbine 18, which in turn drives a generator 20, and then via a line 22 to a second heat exchanger 34.
  • the second heat exchanger 34 is air-cooled the cooling air is supplied through a line 36 and discharged through a line 38 again.
  • the process medium emerging from the second heat exchanger 34 is further cooled in the sequence by a third heat exchanger 40.
  • the third heat exchanger 40 is water-cooled, but the cooling water is guided in a closed circuit, so that no fresh water is needed.
  • From the third heat exchanger 40 exiting fresh water is passed via a line 42 to an absorption refrigeration system 44, which draws its energy from the heat of the medium flowing through the conduit 14.
  • a partial flow of the medium is diverted through a line 46 to the absorption chiller 44.
  • Re-cooling of the absorption chiller 44 is carried out by air supply lines 48 and Heilabstructure Gustaven 50.
  • the cooled in the absorption chiller 44 cooling water is then returned by means of a pump 52 via the line 54 to the third heat exchanger 40.
  • the process medium of the device 32 is reliably cooled below its critical point.
  • the liquefied process medium is then conveyed by means of the pump 26 with line 28 back to the first heat exchanger 12.
  • hot medium 14 is passed through the first heat exchanger 12 to heat the process medium, which is then fed via a line 16 to the turbine 18, which drives the generator 20.
  • the process medium flows to the air-cooled heat exchanger 34, in which it is cooled and then guided around compressor 28 coupled to the turbine 18 via line 28 back to the first heat exchanger 12.
  • the second heat exchanger 34 When performing a Brayton cycle just should not take place phase transition. It should therefore be noted that in the second heat exchanger 34 no cooling may take place below the critical point of the process medium. For particularly low outside temperatures, it is therefore expedient to preheat the second heat exchanger 34 via the line 36 supplied cooling air. For this purpose, a part of the medium from the line 14th branched off via a line 56 and passed through a further heat exchanger 58, which preheats the cooling air for the second heat exchanger 34. Through a conduit 60, the medium can then be either returned to the first heat exchanger 12 or discharged into the environment. By suitable control, the amount of medium supplied in the heat exchanger 58, depending on the medium temperature and the temperature of the ambient air, the temperature of the process medium after passing through the second heat exchanger 34 can be set exactly, so that falls below the critical point is reliably avoided ,

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Abstract

The invention relates to a device for generating electrical energy from a heat source, in particular from the waste heat of a plant, having a first heat exchanger, in which a process medium, in particular CO2, of the device can be heated by means of the heat source, wherein the heated process medium can be fed to a turbine and, after passage through the turbine, can be cooled to a predefined temperature by means of a second heat exchanger, the outlet of which is coupled via a compressor to an inlet of the first heat exchanger, wherein the second heat exchanger is air-cooled.

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmquelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7. The invention relates to a device for generating electrical energy from a heat source according to the preamble of patent claim 1 and to a method for recovering mechanical energy from a heat source according to the preamble of patent claim 7.
Bei vielen Verfahren der Energiegewinnung, beispielsweise der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung, der Solarthermie oder dergleichen, steht nur ein sehr geringer ausnutzbarer Temperaturgradient zur Verfügung. Die Verwendung üblicher Kreis- prozesse auf Wasserdampfbasis ist bei derartigen Wärmequellen daher äußerst ineffizient. Eine alternative hierzu stellt der sogenannte organische Rankine-Zyklus (Organic Rankine Cycle ORC) dar. Auch derartige Systeme funktionieren nach dem Prinzip eines Dampfkreislaufs , wobei anstelle von Wasser organi- sehe Medien verwendet werden, die einen deutlich tieferenIn many methods of energy production, such as geothermal, combined heat and power, solar thermal or the like, only a very low exploitable temperature gradient is available. The use of conventional steam-based cycle processes is therefore extremely inefficient in such heat sources. An alternative to this is the so-called organic Rankine cycle (Organic Rankine Cycle ORC). Such systems also operate on the principle of a steam cycle, whereby instead of water organic media are used which have a significantly lower level
Siedepunkt aufweisen. Das organische Arbeitsmedium wird dabei in einem Verdampfer isobar Energie in Form von Wärme zugeführt, wobei insbesondere die Prozesswärme oder Abwärme vorgeschalteter Maschinen als Wärmequelle Anwendung findet. Der entstehende Sattdampf wird in der Folge idealerweise isentrop über eine Turbine entspannt, wobei die gewünschte mechanische Arbeit geleistet wird. In einem Kondensator wird das Arbeitsmittel wieder vollständig kondensiert und mittels eines Verdichters, insbesondere einer Pumpe, wieder zum Verdampfer rückgeführt. Boiling point exhibit. The organic working medium is supplied in an evaporator isobar energy in the form of heat, in particular, the process heat or waste heat upstream machines is used as a heat source application. The resulting saturated steam is then ideally isentropically expanded via a turbine, whereby the desired mechanical work is done. In a condenser, the working fluid is again completely condensed and returned to the evaporator by means of a compressor, in particular a pump.
Nachteilig bei diesem Prozess ist, dass eine Vielzahl der verwendeten Arbeitsmittel, wie beispielsweise Butan oder Pen- tan brennbar sind. Alternativ zu den genannten brennbaren Kohlenwasserstoffen finden auch fluorierte und/oder chlorierte Kohlenwasserstoffe Anwendung, die aufgrund ihrer ozonschädigenden und treibhausaktiven Wirkung jedoch oftmals ökologisch bedenklich sind. Eine Alternative hierzu ist die Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsmedium im Rahmen eines organischen Rankine-Zyklus . C02 hat den Vorteil, dass es nicht brennbar und nicht toxisch ist. Ein Problem in der Verwendung von Kohlendioxid liegt jedoch in dessen relativ niedrigem kritischen Punkt von 31 °C. Um einen zweiphasigen Zyklus gewährleisten zu können, muss daher sichergestellt werden, dass die Rückkühlung das Kohlendioxid zuverlässig auf eine Temperatur von weniger als 31 °C bringt. Üblicherweise kann dies durch Wasserkühlung bewerkstelligt werden, was jedoch die Anwendbarkeit des Kreisprozesses in vielen Anwendungsfällen einschränkt. A disadvantage of this process is that a large number of working materials used, such as butane or pentane, are flammable. Fluorinated and / or chlorinated hydrocarbons are also used as an alternative to the abovementioned combustible hydrocarbons, but because of their ozone-damaging and greenhouse-active effect, they are often of environmental concern. An alternative to this is the use of carbon dioxide as a working medium in the context of an organic Rankine cycle. C0 2 has the advantage that it is non-flammable and non-toxic. However, a problem in the use of carbon dioxide is its relatively low critical point of 31 ° C. To ensure a two-phase cycle, it must therefore be ensured that the re-cooling reliably brings the carbon dioxide to a temperature of less than 31 ° C. Usually, this can be done by water cooling, but this limits the applicability of the cycle in many applications.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7 bereitzustellen, welche einen besonders vielseitigen Einsatz eines organischen Rankine-Zyklus auf Kohlendioxidbasis ermöglichen . The present invention is therefore an object of the invention to provide a device according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 7, which allow a particularly versatile use of an organic Rankine cycle on carbon dioxide.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Eine derartige Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus der Abwärme einer Anlage, umfasst einen ersten Wärmetauscher, in welchem ein Prozessmedium, insbesondere C02, in der Vorrichtung mittels der Wärmequelle erwärmbar ist. Das erwärmte Prozessmedium ist in der Folge einer Turbine zuführbar, in welcher die aufgenommene Wärmeenergie durch Entspannung des Prozessmediums in mechanische Energie- und durch Kopplung mit einem Generator schließlich in elektrische Energie umwandelbar ist. Nach Passage durch die Turbine ist das Prozessmedium mittels eines zweiten Wärmetauschers, dessen Ausgang über einen Verdichter mit einem Eingang des ersten Wärmetausches gekoppelt ist, um so den Kreislauf zu schließen, auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher luftgekühlt ist. Die Luftkühlung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung auch unter Bedingungen, in denen nicht hinreichendes Frischwasser zur Flüssigkühlung zur Verfügung steht und ist gleichzeitig aparativ besonders einfach zu gestalten, sodass eine derartige Vorrichtung besonders kostengünstig und einfach in der Herstellung und im Betrieb ist. This object is achieved by a device having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 7. Such a device for generating electrical energy from a heat source, in particular from the waste heat of a system, comprises a first heat exchanger in which a process medium, in particular C0 2 , can be heated in the device by means of the heat source. The heated process medium can be supplied as a result of a turbine, in which the absorbed heat energy is finally converted into electrical energy by relaxation of the process medium in mechanical energy and by coupling with a generator. After passage through the turbine, the process medium is cooled to a predetermined temperature by means of a second heat exchanger whose output is coupled via a compressor with an input of the first heat exchange, so as to close the circuit. According to the invention it is provided that the second heat exchanger is air-cooled. The air cooling allows the use of the device even under conditions in which insufficient fresh water for liquid cooling is available and is at the same time to make aparativ particularly simple, so that such a device is particularly inexpensive and easy to manufacture and in operation.
Soll eine derartige Vorrichtung unter Bedingungen betrieben werden, unter welchen eine hinreichende Abkühlung des Prozessmediums durch ausschließliche Luftkühlung nicht möglich ist, so ist es möglich, den Ausgang des zweiten Wärmetauschers über einen dritten Wärmetauscher mit dem Verdichter zu koppeln, um so eine stärkere Kühlung zu erreichen. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Vorrichtung nach Art eines zweiphasigen organischen Rankine-Zyklus betrieben werden soll. Wird als Prozessmedium hierbei C02 verwendet, so muss sichergestellt werden, dass das Prozessmedium nach Austritt aus der Turbine unter den kritischen Punkt, also unter 31 °C, abgekühlt wird. Dies kann durch den dritten Wärmetauscher zuverlässig sichergestellt werden. If such a device is to be operated under conditions under which a sufficient cooling of the process medium by exclusive air cooling is not possible, it is possible to couple the output of the second heat exchanger via a third heat exchanger with the compressor so as to achieve greater cooling , This is particularly useful when the device is to be operated in the manner of a two-phase organic Rankine cycle. If C0 2 is used as the process medium, it must be ensured that the process medium is cooled below the critical point, ie below 31 ° C, after leaving the turbine. This can be reliably ensured by the third heat exchanger.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn der dritte Wärmetauscher mittels einer Absorption- und/oder Adsorptionskältema- schine kühlbar ist. Eine derartige Kältemaschine kann zweckmäßigerweise die Wärmequelle der Vorrichtung selbst als Energiequelle nutzen. Hierzu wird die Heißzeit der Absorptionsund/oder Adsorptionskältemaschine thermisch mit dieser gekoppelt, so dass nur minimale Mengen an externer Energie, bei- spielsweise in Form von Elektrizität, zugeführt werden müssen. Die Absorptionskälteanlage selbst kann mittels Luft rückgekühlt werden. It is particularly expedient if the third heat exchanger can be cooled by means of an absorption and / or adsorption refrigeration machine. Such a refrigerator may conveniently use the heat source of the device itself as an energy source. For this purpose, the hot time of the absorption and / or adsorption chiller is thermally coupled thereto, so that only minimal amounts of external energy, for example in the form of electricity, must be supplied. The absorption refrigeration system itself can be recooled by means of air.
Zum Verdichten des Prozessmediums kann ferner eine Pumpe oder ein mit der Turbine gekoppelter Kompressor verwendet werden, wobei sich letzteres insbesondere dann anbietet, wenn die Vorrichtung ohne Phasenübergang nach Art eines Brayton-Zyklus betrieben werden soll. Im letzteren Fall muss sichergestellt werden, das die Abkühlung des Prozessmediums nach Turbinenaustritt auf eine Temperatur oberhalb des kritischen Punktes von C02 erfolgt, um eine Verflüssigung zu vermeiden. Hierzu kann der zweite Wärmetauscher ebenfalls mit der Wärmequelle der Vorrichtung gekoppelt werden, so dass die Kühlluft des luftgekühlten zweiten Wärmetauschers soweit vorgewärmt wird, dass eine Verflüssigung des Kohlendioxids vermieden werden kann. For compressing the process medium, a pump or a compressor coupled to the turbine may also be used, the latter being particularly suitable when the device is to be operated without a phase transition in the manner of a Brayton cycle. In the latter case, it must be ensured that the cooling of the process medium after turbine exit to a temperature above the critical point of C0 2 , in order to avoid liquefaction. For this purpose, the second heat exchanger can also be coupled to the heat source of the device, so that the cooling air of the air-cooled second heat exchanger is preheated so far that a liquefaction of the carbon dioxide can be avoided.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus einem Abwärmstrom einer Anlage, bei welchem ein Prozessmedium, insbesondere C02, mittels eines ersten Wärmetauschers durch die Wärmequelle erhitzt und zur Gewinnung der mechanischen Energie durch eine Turbine geleitet wird. Nach Passage durch die Turbine wird das Prozessmedium durch einen zweiten Wärmetauscher abgekühlt, anschließend verdichtet und dann zum ersten Wärmetauscher zurückgeführt. Erfindungsgemäß ist hier- bei vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher luftgekühlt ist. Wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, ist so auf besonders einfache und kostengünstige Weise die Energiegewinnung aus Abwärmeströmen oder anderen Wärmequellen, die nur einen geringen thermischen Gradienten zur Verfügung stellen, möglich, auch wenn keine hinreichenden Mengen von Frischwasser zur Wasserkühlung zur Verfügung stehen . The invention further relates to a method for recovering mechanical energy from a heat source, in particular from a waste heat stream of a plant, in which a process medium, in particular C0 2 , heated by a first heat exchanger through the heat source and passed to obtain the mechanical energy through a turbine , After passage through the turbine, the process medium is cooled by a second heat exchanger, then compressed and then returned to the first heat exchanger. According to the invention, it is provided that the second heat exchanger is air-cooled. As already explained with reference to the device according to the invention, the generation of energy from waste heat streams or other heat sources which provide only a small thermal gradient is possible in a particularly simple and cost-effective manner, even if there are no sufficient quantities of fresh water available for water cooling.
Wie bereits erläutert kann das Prozessmedium nach Austritt aus dem zweiten Wärmetauschers mittels eines dritten Wärmetauschers weiter abgekühlt werden, um sicherzustellen, dass, beispielsweise bei der Verwendung von C02 als Prozessmedium, der kritische Punkt unterschritten und das Prozessmedium verflüssigt wird. Dieser dritte Wärmetauscher wird dabei vor- zugsweise mittels einer Absorptions- und/oder Adsorptionskältemaschine gekühlt, deren Heißseite mit der Wärmequelle gekoppelt ist, um so den gewünschten Kühleffekt mit minimaler Zufuhr von externer elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen . As already explained, after leaving the second heat exchanger, the process medium can be further cooled by means of a third heat exchanger in order to ensure that, for example when using CO 2 as the process medium, the critical point is undershot and the process medium is liquefied. This third heat exchanger is preferably cooled by means of an absorption and / or Adsorptionskältemaschine whose hot side is coupled to the heat source, so as to achieve the desired cooling effect with minimal To provide supply of external electrical power.
Im Rahmen des geschilderten Verfahrens ist es sowohl möglich, das Prozessmedium gemäß einem Brayton- oder gemäß einem Ran- kine-Zyklus zu führen. Beim Brayton-Zyklus , bei welchem kein Phasenübergang stattfindet, muss dabei sichergestellt werden, das die Abkühlung nicht unter den kritischen Punkt des Prozessmediums führt, da in diesem Fall ja eine Verflüssigung vermieden werden muss. Dies ist durch eine Vorwärmung der Kühlluft des zweiten Wärmetauschers mittels der Wärmequelle auf eine vorgegebene Temperatur möglich, wobei diese Vorwärmung gegebenenfalls auch nur optional durchgeführt werden kann, beispielsweise wenn die Umgebungstemperaturen besonders tief liegen und daher eine Verflüssigung des Mediums droht. In the context of the described method, it is both possible to lead the process medium in accordance with a Brayton or a Ranine cycle. In the case of the Brayton cycle, in which no phase transition takes place, it must be ensured that the cooling does not lead below the critical point of the process medium, since liquefaction must be avoided in this case. This is possible by preheating the cooling air of the second heat exchanger by means of the heat source to a predetermined temperature, wherein this preheating optionally also can be performed only optionally, for example when the ambient temperatures are particularly low and therefore threatens a liquefaction of the medium.
Wird das Verfahren dagegen nach Art eines Rankine-Zyklus durchgeführt, so ist ein Phasenübergang nach der Turbinenpassage erwünscht, sodass hier die Abkühlung unterhalb den kri- tischen Punkt führen muss. Hier ist die bereits geschilderte Verwendung von Absorptions- und/oder Adsorptionskältemaschinen zweckmäßig. If, on the other hand, the method is carried out in the manner of a Rankine cycle, then a phase transition after the turbine passage is desired, so that here the cooling must lead below the critical point. Here is the already described use of absorption and / or Adsorptionskältemaschinen expedient.
Im Folgenden wird die Erfindung mit ihrer Ausführungsbeispie- len anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: In the following the invention with its Ausführungsbeispie- len is explained in detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Restwärmenutzung auf Basis eines organischen Rankine-Zyklus nach dem Stand der Technik, 1 is a schematic representation of the residual heat utilization based on an organic Rankine cycle according to the prior art,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus for
Restwärmenutzung mittels eines Brayton-Zyklus nach dem Stand der Technik, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines C02-basierten organischen Rankine-Zyklus und eine schematische Darstellung eines Ausführungsbe spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ohne Phasenüber gang . Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of an apparatus according to the invention for carrying out a C0 2 -based organic Rankine cycle and. Residual heat utilization by means of a Brayton cycle according to the prior art a schematic representation of a Ausführungsbe game of a device according to the invention for carrying out a Brayton cycle without phase transition.
Eine Vorrichtung 10 zur Restwärmenutzung nach dem Stand der Technik umfasst, wie in Figur 1 gezeigt, einen ersten Wärmetauscher 12, dem ein heißes Medium über eine Leitung 14 zuge- führt wird. Die Leitung 14 kann beispielsweise eine Abgaslei- tung eines Blockheizkraftwerks oder dergleichen sein. Im Wärmetauscher 12 wird durch die Wärme des Mediums in der Leitung 14 ein organisches Prozessmedium, beispielsweise C02, erwärmt und durch eine weitere Leitung 16 einer Turbine 18 zugeführt, in welcher sich das Prozessmedium entspannen kann und hierdurch mechanische Arbeit leistet, die wiederum genutzt wird um einen Generator 20 anzutreiben. A device 10 for residual heat utilization according to the prior art comprises, as shown in FIG. 1, a first heat exchanger 12, to which a hot medium is supplied via a line 14. The line 14 may be, for example, an exhaust pipe of a combined heat and power plant or the like. In the heat exchanger 12, an organic process medium, for example C0 2 , is heated by the heat of the medium in the line 14 and fed through a further line 16 to a turbine 18, in which the process medium can relax and thereby perform mechanical work, which in turn is utilized to drive a generator 20.
Nach Passage durch die in Turbine 18 wird in das Prozessmedi- um über eine Leitung 22 einen weiteren Wärmetauscher 24 zugeführt, in welchen es wieder abgekühlt wird. Nach Austritt aus dem weiteren Wärmetauscher 24 wird das Prozessmedium durch eine Pumpe 26 über eine Leitung 28 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert. Die Vorrichtung 10 wird dabei nach Art eines Rankine-Zyklus betrieben, d. h. im Verdampfer 12 sowie im Wärmetauscher 24 findet jeweils ein Phasenübergang von flüssig nach gasförmig bzw. umgekehrt statt. After passage through the in turbine 18, a further heat exchanger 24 is fed into the process medium via a line 22, in which it is cooled again. After exiting the further heat exchanger 24, the process medium is conveyed by a pump 26 via a line 28 back to the first heat exchanger 12. The device 10 is operated in the manner of a Rankine cycle, d. H. In the evaporator 12 and in the heat exchanger 24 takes place in each case a phase transition from liquid to gaseous or vice versa.
Soll als Prozessmedium das besonders einfach zu handhabende und umweltfreundlich zu verwendende Kohlendioxid verwendet werden, so muss sichergestellt werden, das im zweiten Wärmetauscher 24 eine Abkühlung bis zu einer Temperatur unterhalb des kritischen Punktes vom Kohlendioxid, also 31 °C, stattfindet, sodass die gewünschte Verflüssigung erfolgt. Dies wird bei Vorrichtungen 10 nach dem Stand der Technik durch aufwendige Wasserkühlung erzielt. Alternativ hierzu kann eine derartige Vorrichtung 10, wie in Figur 2 gezeigt, auch ohne Phasenübergang nach Art eines Brayton-Zyklus verwendet werden. Auch hier wird einem ersten Wärmetauscher bzw. Verdampfer 12 über eine Leitung 14 ein heißes Medium zugeführt, welches wiederum das Prozessmedium der Vorrichtung 10 erwärmt. Über die Leitung 16 strömt auch hier das Prozessmedium zur Turbine 18 und treibt damit den Generator 20. Nach Austritt aus der Turbine wird über die Leitung 22 und den zweiten Wärmetauscher 24 wieder eine Ab- kühlung des Prozessmediums erreicht, welches in der Folge durch einen mit der Turbine 18 mechanisch gekoppelten Verdichter 30 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert wird. Bei der Verwendung der Vorrichtung 10 zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ist dabei sicherzustellen, das die Abkühlung im zweiten Wärmetauscher 24 nicht unter den kritischen Punkt des Prozessmediums führt, da eine Verflüssigung hier ja nicht erwünscht ist. If the particularly easy-to-use and environmentally friendly carbon dioxide to be used as the process medium, it must be ensured that the second heat exchanger 24, a cooling to a temperature below the critical point of carbon dioxide, ie 31 ° C, takes place, so that the desired liquefaction he follows. This is achieved in devices 10 according to the prior art by consuming water cooling. Alternatively, such a device 10, as shown in Figure 2, can also be used without a phase transition in the manner of a Brayton cycle. Again, a hot medium is fed to a first heat exchanger or evaporator 12 via a line 14, which in turn heats the process medium of the device 10. Here, too, the process medium flows via the line 16 to the turbine 18 and thus drives the generator 20. After emerging from the turbine, a cooling of the process medium is again achieved via the line 22 and the second heat exchanger 24, which in the sequence by the turbine 18 mechanically coupled compressor 30 is again conveyed to the first heat exchanger 12. When using the device 10 for performing a Brayton cycle is to ensure that the cooling in the second heat exchanger 24 does not lead below the critical point of the process medium, since a liquefaction is not desirable here yes.
Eine verbesserte Temperaturkontrolle und damit eine einfache- re Durchführung des Verfahrens ist mit den in FIG 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen 32 möglich. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird in der in FIG 3 gezeigten Vorrichtung 32 zur Durchführung eines Rankine-Zyklus heißes Medium, beispielsweise ein Abgas über eine Leitung 14 zu einem ersten Wärmetauscher 12 geführt, in welcher es das Prozessmedium der Vorrichtung 32 erhitzt. Auch hier strömt das Prozessmedium vom ersten Wärmetauscher 12 über eine Leitung 16 zur Turbine 18, die wiederum einen Generator 20 treibt, und anschließend über eine Leitung 22 zu einen zweiten Wärmetauscher 34. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der zweite Wärmetauscher 34 luftgekühlt, wobei die Kühlluft durch eine Leitung 36 zugeführt und durch eine Leitung 38 wieder abgeführt wird. Das aus dem zweiten Wärmetauscher 34 austretende Prozessmedium wird in der Folge durch einen dritten Wärmetauscher 40 weiter abgekühlt. Der dritte Wärmetauscher 40 ist wassergekühlt, das Kühlwasser wird jedoch in einem geschlossenen Kreislauf geführt, so dass kein Frischwasser benötigt wird. Aus dem dritten Wärmetauscher 40 austretendes Frischwasser wird über eine Leitung 42 zu einer Absorptionskälteanlage 44 geführt, welche ihre Energie aus der Wärme des durch die Leitung 14 strömenden Mediums bezieht. Hierzu wird ein Teilstrom des Mediums durch eine Lei- tung 46 zur Absorptionskältemaschine 44 abgezweigt. Eine Rückkühlung der Absorptionskältemaschine 44 erfolgt durch Luftzufuhrleitungen 48 und Luftabführleitungen 50. Das in der Absorptionskältemaschine 44 abgekühlte Kühlwasser wird dann mittels einer Pumpe 52 über die Leitung 54 zum dritten Wärme- tauscher 40 zurückgeführt. An improved temperature control and thus a simpler implementation of the method is possible with the embodiments of inventive devices 32 shown in FIGS. 3 and 4. As is known from the prior art, in the device 32 shown in FIG. 3 for carrying out a Rankine cycle, hot medium, for example an exhaust gas, is conducted via a line 14 to a first heat exchanger 12, in which it heats the process medium of the device 32. Again, the process medium flows from the first heat exchanger 12 via a line 16 to the turbine 18, which in turn drives a generator 20, and then via a line 22 to a second heat exchanger 34. In contrast to the prior art, the second heat exchanger 34 is air-cooled the cooling air is supplied through a line 36 and discharged through a line 38 again. The process medium emerging from the second heat exchanger 34 is further cooled in the sequence by a third heat exchanger 40. The third heat exchanger 40 is water-cooled, but the cooling water is guided in a closed circuit, so that no fresh water is needed. From the third heat exchanger 40 exiting fresh water is passed via a line 42 to an absorption refrigeration system 44, which draws its energy from the heat of the medium flowing through the conduit 14. For this purpose, a partial flow of the medium is diverted through a line 46 to the absorption chiller 44. Re-cooling of the absorption chiller 44 is carried out by air supply lines 48 and Luftabführleitungen 50. The cooled in the absorption chiller 44 cooling water is then returned by means of a pump 52 via the line 54 to the third heat exchanger 40.
Durch die Verwendung des dritten Wärmetauschers 40 kann sichergestellt werden, dass auch bei hohen Außentemperaturen das Prozessmedium der Vorrichtung 32 zuverlässig unter seinen kritischen Punkt gekühlt wird. Das derart verflüssigte Prozessmedium wird dann mittels der Pumpe 26 mit Leitung 28 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert. By using the third heat exchanger 40 can be ensured that even at high outside temperatures, the process medium of the device 32 is reliably cooled below its critical point. The liquefied process medium is then conveyed by means of the pump 26 with line 28 back to the first heat exchanger 12.
FIG 4 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsform der er- findungsgemäßen Vorrichtung 32, die zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ohne Phasenübergang geeignet ist. Auch hier wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt, heißes Medium 14 durch den ersten Wärmetauscher 12 geleitet, um das Prozessmedium zu erwärmen, welches anschließend über eine Leitung 16 zur Turbine 18 geführt wird, die den Generator 20 treibt.4 finally shows a further embodiment of the device 32 according to the invention, which is suitable for carrying out a Brayton cycle without phase transition. Here as well, as known from the prior art, hot medium 14 is passed through the first heat exchanger 12 to heat the process medium, which is then fed via a line 16 to the turbine 18, which drives the generator 20.
Über die Leitung 22 strömt das Prozessmedium zum luftgekühlten Wärmetauscher 34, in welchen es abgekühlt wird und anschließend um mit der Turbine 18 gekoppelten Verdichter 30 über die Leitung 28 zurück zum ersten Wärmetauscher 12 ge- führt wird. Via the line 22, the process medium flows to the air-cooled heat exchanger 34, in which it is cooled and then guided around compressor 28 coupled to the turbine 18 via line 28 back to the first heat exchanger 12.
Bei der Durchführung eines Brayton-Zyklus soll gerade kein Phasenübergang stattfinden. Es ist daher zu beachten, dass im zweiten Wärmetauscher 34 keine Abkühlung unter den kritischen Punkt des Prozessmediums erfolgen darf. Bei besonders tiefen Außentemperaturen ist es daher zweckmäßig, die dem zweiten Wärmetauscher 34 über die Leitung 36 zugeführte Kühlluft vorzuwärmen. Hierzu wird ein Teil des Mediums aus der Leitung 14 über eine Leitung 56 abgezweigt und durch einen weiteren Wärmetauscher 58 geleitet, welcher die Kühlluft für den zweiten Wärmetauscher 34 vorwärmt. Durch eine Leitung 60 kann das Medium dann entweder zum ersten Wärmetauscher 12 zurückgeführt oder in die Umwelt entlassen werden. Durch geeignete Steuerung die in dem Wärmetauscher 58 zugeführte Menge an Medium kann in Abhängigkeit von der Medientemperatur und der Temperatur der Umgebungsluft die Temperatur des Prozessmediums nach Durchtritt durch den zweiten Wärmetauscher 34 exakt ein- gestellt werden, so dass ein unterschreiten des kritischen Punktes zuverlässig vermieden wird. When performing a Brayton cycle just should not take place phase transition. It should therefore be noted that in the second heat exchanger 34 no cooling may take place below the critical point of the process medium. For particularly low outside temperatures, it is therefore expedient to preheat the second heat exchanger 34 via the line 36 supplied cooling air. For this purpose, a part of the medium from the line 14th branched off via a line 56 and passed through a further heat exchanger 58, which preheats the cooling air for the second heat exchanger 34. Through a conduit 60, the medium can then be either returned to the first heat exchanger 12 or discharged into the environment. By suitable control, the amount of medium supplied in the heat exchanger 58, depending on the medium temperature and the temperature of the ambient air, the temperature of the process medium after passing through the second heat exchanger 34 can be set exactly, so that falls below the critical point is reliably avoided ,

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (32) zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus der Abwärme einer Anlage, mit einem ersten Wärmetauscher (12), in welchem ein Prozessmedium, insbesondere C02, der Vorrichtung mittels der Wärmequelle erwärmbar ist, wobei das erwärmte Prozessmedium einer Turbine (18) zuführbar und nach Passage durch die Turbine (18) mittels eines zweiten Wärmetauschers, dessen Ausgang über einen Verdichter mit einem Eingang des ersten Wärmetauschers (12) gekoppelt ist, auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (34) luftgekühlt ist. 1. Device (32) for generating electrical energy from a heat source, in particular from the waste heat of a system, with a first heat exchanger (12), in which a process medium, in particular C0 2 , the device can be heated by means of the heat source, wherein the heated process medium a turbine (18) can be fed and after passage through the turbine (18) by means of a second heat exchanger whose output is coupled via a compressor with an input of the first heat exchanger (12), can be cooled to a predetermined temperature, characterized in that the second Heat exchanger (34) is air-cooled.
2. Vorrichtung (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des zweiten Wärmetauschers (34) über einen dritten Wärmetauscher (40) mit dem Verdichter (26, 30) gekoppelt ist. 2. Device (32) according to claim 1, characterized in that the output of the second heat exchanger (34) via a third heat exchanger (40) to the compressor (26, 30) is coupled.
3. Vorrichtung (32) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (40) mittels einer Adsorptionsund/oder Absorptionskältemaschine (44) kühlbar ist. 3. Device (32) according to claim 2, characterized in that the third heat exchanger (40) by means of an adsorption and / or absorption chiller (44) is coolable.
4. Vorrichtung (32) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heißseite der Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (44) mit der Wärmequelle thermisch gekoppelt ist. 4. Device (32) according to claim 3, characterized in that a hot side of the adsorption and / or absorption chiller (44) is thermally coupled to the heat source.
5. Vorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (16, 30) eine Pumpe (26) oder ein mit der Turbine (18) gekoppelter Kompressor (30) ist . 5. Device (32) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the compressor (16, 30) is a pump (26) or with the turbine (18) coupled to the compressor (30).
6. Vorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Device (32) according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft des ersten Wärme- tauschers (12) mittels der Wärmequelle auf einen vorgegebenen Wert vorwärmbar ist. characterized in that the cooling air of the first heat exchanger (12) by means of the heat source can be preheated to a predetermined value.
7. Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus einem Abwärmestrom einer Anlage, bei welchem ein Prozessmedium, insbesondere C02, mittels eines ersten Wärmetauschers (12) durch die Wärmequelle erhitzt und zur Gewinnung der mechanischen Energie durch eine Turbine (18) geleitet wird, wobei nach Passage durch die Turbine (18) das Prozessmedium durch einen zweiten Wärmetauscher (34) abgekühlt, anschließend verdichtet und zum ersten Wärmetauscher (12) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet dass der zweite Wärmetauscher (34) luftgekühlt wird. 7. A method for recovering mechanical energy from a heat source, in particular from a waste heat stream of a system in which a process medium, in particular C0 2 , heated by a first heat exchanger (12) by the heat source and for obtaining the mechanical energy by a turbine (18 ), wherein after passage through the turbine (18) the process medium is cooled by a second heat exchanger (34), then compressed and returned to the first heat exchanger (12), characterized in that the second heat exchanger (34) is air-cooled.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium nach Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (34) mittels eines dritten Wärmetauschers (40) weiter abge- kühlt wird. 8. The method according to claim 7, characterized in that the process medium after leaving the second heat exchanger (34) by means of a third heat exchanger (40) is further cooled.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (40) mittels einer Absorptionsund/oder Adsorptionskältemaschine (44) gekühlt wird, deren Heißseite mit der Wärmequelle gekoppelt ist. 9. The method according to claim 8, characterized in that the third heat exchanger (40) by means of an absorption and / or Adsorptionskältemaschine (44) is cooled, whose hot side is coupled to the heat source.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium gemäß einem Brayton- oder Rankine-Zyklus geführt wird. 10. The method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the process medium is guided according to a Brayton or Rankine cycle.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft des zweiten Wärmetauschers (34) mittels der Wärmequelle auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt wird. 11. The method according to any one of claims 7 to 10, characterized in that the cooling air of the second heat exchanger (34) is preheated by the heat source to a predetermined temperature.
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