WO2016055263A1 - Vorrichtung und verfahren für den betrieb einer wärmeübergabestation - Google Patents

Vorrichtung und verfahren für den betrieb einer wärmeübergabestation Download PDF

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WO2016055263A1
WO2016055263A1 PCT/EP2015/071760 EP2015071760W WO2016055263A1 WO 2016055263 A1 WO2016055263 A1 WO 2016055263A1 EP 2015071760 W EP2015071760 W EP 2015071760W WO 2016055263 A1 WO2016055263 A1 WO 2016055263A1
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WO
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heat
fluid
heat exchanger
working medium
transfer station
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PCT/EP2015/071760
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English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Aumann
Daniela Gewald
Roy Langer
Markus Lintl
Andreas Schuster
Jens-Patrick Springer
Original Assignee
Orcan Energy Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/003—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines condenser cooling circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/02—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for heating purposes, e.g. industrial, domestic

Definitions

  • the invention relates to a heat transfer station for transferring heat from a supplier heat network with a first heat-conducting fluid to a customer heat network with a second heat-conducting fluid. Furthermore, the invention relates to a method for transferring heat from a supplier heat network with a first heat-conducting fluid to a customer heat network with a second heat-conducting fluid.
  • District heating refers to the supply of buildings with heating and hot water.
  • water is well suited as a medium for heat transport, where it is used liquid or in vapor form.
  • the medium is conveyed in heat-insulated pipelines in a continuous circulation.
  • Local heat is a corresponding heat transfer for heating purposes over relatively short distances, but the transition to district heating is fluid.
  • Heat transfer stations connect such local and district heating networks with heat consumers.
  • the operating temperatures of the district heating networks are based on the consumers with the highest required temperature level. In the city center of Munich, for example, the temperature of the district heating supply is 130 ° C in winter and 80 ° C in summer. The temperature of the return must not exceed 45 ° C. These temperatures are among the parameters that are usually specified in the technical connection conditions of the respective utility company and must be maintained by the operating mode and design of the system. However, the vast majority of consumers require lower flow temperatures for their heating systems. In the case of residential buildings, the required flow temperature of the hot water supply is Usually at about 60-65 ° C, and therefore must be lowered in the prior art, first by mixing colder water, the temperature.
  • the object of the invention is to overcome this disadvantage and to better exploit the potential of district heating. This object is achieved by a heat transfer station according to claim 1.
  • a thermodynamic cycle device with a working medium, in particular an ORC device with an organic working medium
  • the thermodynamic cycle device comprising: an evaporator formed first heat exchanger for prehe
  • a desuperheating of the working medium take place.
  • an undercooling of the working medium under the condensation temperature may be the same fluid. Heat is transferred from a network at a first temperature level to a network at a second, lower temperature level at the heat transfer station.
  • the advantage of the heat transfer station according to the invention is that said exergy difference between the district heating side and the heat customer side can be used for the generation of electrical energy by interposing a cyclic process, for example an Organic Rankine process (ORC process) with an organic working medium, A Stirling cycle, a steam power process, etc. Part of the high-temperature heat extracted from the district heating network is converted into electrical energy in the thermodynamic cycle. The condensation heat of the working medium feeds the heating network with low-temperature heat. Thus, the heat supply can be fully or partially realized via the thermodynamic cycle.
  • ORC process Organic Rankine process
  • the main benefit of the invention is the additional provision of electrical energy to the heat customer.
  • the heat transfer station according to the invention can be further developed such that a third heat exchanger can be provided for the direct transfer of heat from the first fluid to the second fluid.
  • a further development of the aforementioned development consists in that means for dividing the mass flow of the second fluid into a first part and a second part; Means for passing the first portion of the second fluid through the condenser and directing a second portion of the second fluid through the third heat exchanger; and means for merging the first part of the mass flow of the second fluid after passing through the condenser and the second part of the mass flow of the second fluid may be provided after passing through the third heat exchanger.
  • the return temperature of the supplier heat network can by appropriate control of the cycle device on a constant level. The flow temperature in the customer heat network can be adjusted as required. If there is a higher heat requirement, the mass flow is reduced to the cycle.
  • the means for dividing the mass flow of the second fluid may be provided in a flow or in a return of the customer heat network, and they preferably comprise a three-way valve or a pump in a flow to the third heat exchanger. This corresponds in each case to advantageous examples for the arrangement and for the specific embodiment of these means.
  • Another development consists in that a fourth heat exchanger is provided for the direct transfer of heat from the first fluid to the working medium.
  • a heat pump operating mode of the cycle processing device is made possible by the development. Heat pump operation offers the advantage for heat customers that the installed connection power can be lower.
  • a development of the aforementioned development consists in that means for diverting the working medium from a flow of the evaporator to the fourth heat exchanger, in particular in the form of a three-way valve or a solenoid valve; and means for operating the expansion machine are provided as the compressor. In this way, instead of the first heat exchanger, the working medium can be conducted to the fourth heat exchanger in order to absorb heat from the first fluid as the compressor during operation of the expansion machine.
  • the means for operating the expansion machine as a compressor include means for directing the working medium from the fourth heat exchanger to a low pressure side of the expansion machine operated as a compressor, in particular a first valve for blocking the connection between the evaporator and the High pressure side of the expansion machine and a bypass line with a second valve for establishing a connection between the fourth heat exchanger and the low pressure side of the expansion machine, and further means for directing the compressed working fluid from a high-pressure side of the expansion machine operated as a compressor to the condenser, in particular a fourth valve for blocking a connection between the low-pressure side of the expansion machine and the condenser and a bypass line with a third valve for establishing a connection between the high-pressure side of the expansion machine and the Capacitor.
  • This provides preferred embodiments of said means.
  • the heat transfer station can be designed such that the second heat-conducting fluid is passed completely through both the condenser and the third heat exchanger.
  • the condenser flows through a large mass flow. This is advantageous for the electrical efficiency of the system.
  • the heat transfer station with a third heat exchanger further comprises means for dividing the mass flow of the first fluid into a first part and a second part, in particular a three-way valve, and means for directing the first part of the first fluid to the third heat exchanger.
  • the aforementioned development can also be further developed in that a heat accumulator is provided in thermal contact with the second fluid. This allows a flattening of the temperature gradients of the second fluid entering the condenser. If the temperature of the second fluid is greater than the temperature of the heat accumulator, the second fluid is cooled, if it is smaller, it is heated.
  • the object according to the invention is furthermore achieved by a method according to claim 11.
  • thermodynamic cycle device in particular an ORC device
  • the thermal cycle device comprises a first designed as an evaporator heat exchanger, an expansion machine, a generator coupled to the expander, a second heat exchanger configured as a condenser and a feed pump
  • the method comprising the following steps: preheating, evaporation and optionally additional overheating of the working medium while supplying heat from the first fluid to the first heat exchanger; Generating mechanical energy by relaxing the vaporized working medium with the expansion machine and at least partially converting the mechanical energy into electrical energy with the generator; Condensing the relaxed working medium and transferring heat energy from the relaxed working fluid to the second fluid with the second heat transfer fluid; and conveying the condensed working fluid under pressure increase to the evaporator with the feed pump. Before condensation can optionally take place a decompression of the relaxed working medium
  • the further step of the direct transfer of heat from the first fluid to the second fluid with a third heat exchanger is provided.
  • a development of the aforementioned development consists in that the following further steps are provided: splitting the mass flow of the second fluid into a first part and a second part; Passing the first portion of the second fluid through the condenser and passing a second portion of the second fluid through the third heat exchanger; and merging the first portion of the mass flow of the second fluid after passing through the condenser and the second portion of the mass flow of the second fluid after passing through the third heat exchanger.
  • the method comprises the step of directly transferring heat from the first fluid to the working medium with a fourth heat exchanger.
  • Another development is that the second heat-conducting fluid is passed completely through both the condenser and the third heat exchanger.
  • Heating operation is shown schematically.
  • FIG. 2 shows the corresponding exergy use with an integrated ORC
  • Fig. 3 shows a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a TQ diagram of the ORC process.
  • Fig. 5 shows a second embodiment of the heat transfer station according to the invention.
  • FIG. 6 illustrates cavitation avoidance by reducing the mass flow.
  • FIG. 7 shows a third embodiment of the invention
  • Heat transfer station in a first mode of operation.
  • Fig. 8 shows the third embodiment of the invention
  • Heat transfer station in a second operating mode.
  • Fig. 9 shows a fourth embodiment of the invention
  • Fig. 10 shows a fifth embodiment of the invention
  • the exergy refers to the part of the energy that can be completely transformed into any other form of energy, such as electrical energy. It is therefore the workable part of the energy. In contrast, anergy is not the workable part of an energy, a conversion into other forms of energy is not possible here. Even in an idealized process, heat energy can only partially be converted into mechanical energy.
  • a heat flow Q consists of an exergy component E and an anergy component ⁇ , where the exergy component is calculated using the equation
  • T is the temperature of the heat source and Tu is the temperature of the environment.
  • T is the temperature of the heat source and Tu is the temperature of the environment.
  • the exergy contained in the heat flow is destroyed by lowering the temperature, as Fig. 1 illustrates.
  • the lowering of the temperature can have different reasons. So can one Lowering the temperature may be necessary, for example to comply with temperature limits in the heating system, this ensures, for example, the heat transfer station. A further reduction of the temperature takes place with any heat transfer, be it in the heat transfer station or in the heater, which, for example, heats a room. When the heat has reduced to ambient temperature, it no longer has working capacity and is pure anergy.
  • thermodynamic cycle in the heating system (see Fig. 2) allows the further use of some of the exergy contained in the heat flow in the form of electrical energy.
  • the energy flow which is converted into electrical energy, is no longer available for heating, it can be compensated for by a slight increase in the heat input into the ORC process. Due to low prices of the energy sources and thus the generated thermal energy compared to the reference prices for electrical energy, this is economically interesting, especially in the field of housing / small consumers.
  • Fig. 3 shows in a first embodiment of the invention, the simplest realization of the power generating heat transfer station.
  • the reference numbers used herein are also retained in the other figures for the other embodiments, if they are the same elements.
  • the ORC process 30 and the heating network 20 is selected.
  • liquid working medium is evaporated with heat
  • the expansion machine 32 eg screw expander, turbine
  • heat is released from the working fluid to the heating water network and thereby reaches the required flow temperature.
  • the expansion machine 32 is coupled to the generator 33, which converts the mechanical energy into electrical energy. This can both be fed into a network, as well as used to cover the domestic needs of the heating system.
  • thermodynamic cycle 30 in a heat transfer station 1 thus offers the possibility of a decentralized cogeneration in heat consumers.
  • a modular design enables the parallel operation of multiple plants in one stack. In this way, a better partial load behavior and increased flexibility can be achieved.
  • the combination of a heat transfer station with a thermodynamic cycle involves the problem that the ORC can only use part of the temperature gradient between district heating supply and return. This is due to the fact that the pinch point between the temperature of the heat source and the temperature of the working medium limits the heat absorption, as the TQ diagram of the ORC process in Fig.
  • FIG. 4 illustrates. Shown here are the temperature profiles of the fluids in the district heating network, in the heating network, as well as in the ORC process.
  • Q max oRC is the maximum amount of heat that can be absorbed by the ORC when Q is requested
  • customer is the heat demand of the building.
  • Pinch point also called Zwickreterick or point of least graveness
  • the heating power in the first embodiment of FIG. 3 is dependent on the operation of the ORC 30. In case of failure of the thermodynamic process 30, the heat supply of the heating network 20 is no longer possible because no heat is decoupled via the capacitor 34.
  • thermodynamic machine and method for its operation describes a device and a method for avoiding cavitation in a thermodynamic cycle, which is advantageous in particular when using air condensers Since this means that the pump has a higher flow height, the distance between the actual pressure and the boiling pressure increases in the pump inlet, which in turn reduces the pressure difference across the expansion machine and thus the electrical output Power. Since in condensation against water, the pressure difference across the expansion machine is relatively low, this solution is disadvantageous for the present application. However, these disadvantages can be avoided by the further embodiments shown below as well as preferred combinations thereof.
  • the heating operation is independent of the operation of the cycle in the second embodiment 2 of FIG. 5.
  • a variable part of the heat is absorbed by the cycle, while the rest is transmitted via a third heat exchanger 40 directly into the heating network 20.
  • a further pump in the heating network flow to the third heat exchanger 40 can be used to divide the mass flow.
  • the pumps can continue to be arranged both in the forward and in the return of the heating network 20.
  • the entire amount of heat can be supplied via the third heat exchanger 40.
  • An emergency operation is thus given sufficient dimensioning of the third heat exchanger 40.
  • the return temperature of the district heating network can be maintained by appropriate control of the cycle at a constant level or below a required maximum temperature.
  • the temperature is slightly higher than when the ORC is off.
  • the flow temperature in the heating network 20 is arbitrarily adjustable. If there is a higher heat requirement, the mass flow is reduced in the cycle. At constant inlet and outlet temperatures of the working medium, this results in a lower heat input to the ORC. This in turn means due to the constant mass flow in the district heating network 10, that the output temperature increases on the side of the district heating network 10. As a result, a greater temperature difference is present across the third heat exchanger 40, as a result of which the amount of heat transferred directly to the heating network 20 is increased.
  • the system can be integrated into heating water networks, where the district heating network and the heating water network are separated from each other, as well as in networks in which there is only one common network.
  • the third heat exchanger 40 is no longer needed because you can direct a partial flow of district heating water directly into the heating network.
  • This second embodiment also has improved functionality for avoiding cavitation damage.
  • the mass flow of the heating water through the condenser 34 via the 3-way valve 22 can be reduced. As shown in FIG. 6, this increases the temperature spread of the mass flow of water.
  • the condensation temperature of the working fluid is impressed by the inlet temperature of the water, the temperature difference in the pinch point, and the mass flow and thus the temperature spread of the water. If the water-side inlet temperature rises, the condensation pressure of the working medium also increases. If the mass flow of the water decreases, the outlet temperature of the water increases.
  • this second embodiment allows 2 different modes of operation.
  • a first mode of operation is for heating and power production. With average heat demand, the cycle runs parallel to the heat supply and part of the heat demand is covered by the heat of condensation. A small portion of the heat from the heating network 20 is converted via the expansion machine 32 and the generator 33 into electrical energy.
  • a second operating mode serves as a pure heating operation. For this purpose, the cycle 30 is switched off and the entire heat required via the third heat exchanger 40 is supplied to the heating network 20 at very high heat demand. This mode of operation is similar to that of a conventional transfer station.
  • the third embodiment 3 according to FIG. 7 represents a further development of the second embodiment 2, by means of which correspondingly low temperatures in the district heating return can be achieved.
  • the third embodiment 3 of FIG. 7 enables a heat pump operating mode of the ORC.
  • the expander 32 is operated as a compressor 32 by the valve 54 is closed and the valve 53 is opened, so that the fluid flows on the low-pressure side in the expansion machine 32.
  • the valve 55 is closed.
  • the open valve 52 the compressed working fluid flows into the condenser 34, where it gives off heat to the heating network 20.
  • the throttle 56 a pressure reduction takes place, which is associated with a reduction in the boiling temperature.
  • the third heat exchanger 40 a part of the heat energy is transmitted to the heating network 20 and so lowered the return temperature to a suitable area for the heat pump.
  • the working medium can be passed via the 3-way valve 51 to the fourth heat exchanger 50, where it can be evaporated.
  • This will continue to cool the district heating return.
  • Heat pump operation offers the advantage for heat customers that the installed connection power can be lower. This is due to the fact that the rated connection power is defined by a fixed spread between district heating flow and return and the area of the heat exchanger. Due to the additional cooling of the return line with a constant heat exchanger surface and constant mass flow, the actual heat input in heat pump operation is greater than the rated connection power. For operators of, for example, geothermal heating plants, there is the advantage that the regenerative heat source can thus be deprived of more energy. In addition, the higher thermal energy yield at low return temperatures can replace part of the peak load energy supply.
  • this third embodiment 3 behaves analogously to the second embodiment 2.
  • the valves 54 and 55 are open, the 3-way Valve 51 blocks access to the fourth heat exchanger 50 and allows access to the first heat exchanger 31.
  • the third heat exchanger 40 allow the bypass.
  • low district heating return temperatures can be achieved.
  • a limitation of the heating network flow temperature consists of the maximum condensation temperature plus the heat transfer coefficient. The use is possible with minor modifications in both separate and mixed heating circuits.
  • the Kavitationsvermeidung is given here as for the second embodiment.
  • the temperature spread of the evaporator is the same as in the second embodiment. With the large temperature spread between district heating supply and return, the heat transfer in the evaporator quickly reaches its limits. Due to the pinch point between working medium and fluid in the district heating pipe, the cooling of the district heating return and thus the heat supply to the ORC is limited.
  • FIG. 9 shows a fourth embodiment 4 of the heat transfer station according to the invention.
  • this fourth embodiment 4 means for dividing the mass flow of the first fluid into a first part and a second part in the form of a three-way valve, and means for directing the first part of the first fluid to the third heat exchanger 40 are provided. Furthermore, there is a heat accumulator 60 in thermal contact with the second fluid. In case of failure of the cycle, the entire amount of heat can be supplied via the third heat exchanger 40. An emergency operation functionality is thus given with sufficient dimensioning of the third heat exchanger 40.
  • ORC mode the district heating return temperature is slightly higher than in the second embodiment 2. The flow temperature in the heating network can be adjusted as required.
  • the heating network flow temperature is the same as in the second embodiment 2.
  • the insert is with minor modifications both in separate and in mixed heating circuits possible.
  • a thermal storage 60 laminate heat storage or a sensitive heat storage
  • the heat transfer in the evaporator quickly reaches its limits. Due to the pinch point between working medium and fluid in the district heating pipe, the cooling of the district heating return and thus the heat supply is limited.
  • the capacitor 34 of the ORC is always flown through on the side of the heating network 20 with the coldest temperature and with a large mass flow, since the second heat-conducting fluid is completely through both the condenser 34 and the third heat exchanger 40 is headed.
  • This is advantageous for the electrical efficiency of the system, since at a larger mass flow, a lower temperature difference in Schuzier- return adjusts.
  • a lower counterpressure to the expansion machine thus sets in (see FIG. 11), which leads to a higher electrical output.
  • the entire amount of heat can be supplied via the third heat exchanger 40. An emergency operation is thus given sufficient dimensioning of the third heat exchanger 40.
  • the district heating return flow through the third heat exchanger 40 can not be cooled as far as in the second embodiment. This results in ORC operation, depending on the operation, an increase in the district heating return temperature, for example, about 10 to 15 K.
  • the flow temperature in the heating network 20 is arbitrarily adjustable. If there is heat demand, the mass flow is reduced in the cycle, thereby more heat is transferred at a higher temperature level via the third heat exchanger 40 directly to the heating network. The use is possible with minor modifications in both separate and mixed heating circuits.
  • a latent heat accumulator or a sensitive heat accumulator upstream of the condenser 34 can be connected in the return flow of the heating network as a thermal buffer. This allows a flattening of the temperature gradient of the in the condenser entering heating water. Temperature spread in the evaporator of the fifth embodiment 5 corresponds to that of the second embodiment 2.
  • the heat transfer station has the following advantages and disadvantages.
  • advantages are a better utilization of the exergy used (with little additional heat output great additional benefits, see Fig. 2); less destruction of exergy when heat is transferred to heat consumers;
  • a disadvantage is a slightly lower maximum heat supply for the heat customer to call and in the embodiments 1, 2, 4, 5, a slight to moderate increase in the temperature of the district heating return.
  • emergency function can be provided by a bypass of the ORC, so its shutdown, and a sufficient dimensioning of the third heat exchanger 40, the total connected load nevertheless.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübergabestation zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid, wobei die Wärmeübergabestation eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung mit einem Arbeitsmedium, insbesondere eine ORC-Vorrichtung mit einem organischen Arbeitsmedium umfasst, und wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst: einen als Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmeübertrager zum Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid, eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie, einen als Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid, und eine Speisepumpe zum Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Übergeben von Wärme.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN FÜR DEN BETRIEB EINER
WÄRMEÜBERGABESTATION
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Wärmeübergabestation zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid.
Stand der Technik Fernwärme bezeichnet die Versorgung von Gebäuden mit Heizwärme und Warmwasser. Dafür ist beispielsweise Wasser als Medium für den Wärmetransport gut geeignet, wobei es flüssig oder in Dampfform Verwendung findet. Das Medium wird in wärmegedämmten Rohrleitungen in einem ständigen Umlauf gefördert. Als Nahwärme wird eine entsprechende Wärmeübertragung zu Heizzwecken über vergleichsweise kurze Distanzen bezeichnet, wobei der Übergang zur Fernwärme jedoch fließend ist.
Wärmeübergabestationen verbinden solche Nah- und Fernwärmenetze mit Wärmeverbrauchern. Die Betriebstemperaturen der Fernwärmenetze richten sich dabei nach den Verbrauchern mit dem höchsten benötigten Temperaturniveau. In der Innenstadt Münchens beispielsweise beträgt die Temperatur des Fernwärme-Vorlaufes im Winter 130 °C und im Sommer 80 °C. Die Temperatur des Rücklaufes darf einen Wert von 45 °C nicht überschreiten. Diese Temperaturen gehören zu den Parametern, die üblicherweise in den technischen Anschlussbedingungen des jeweiligen Versorgungsunternehmens festgelegt sind und müssen durch die Betriebsart und Bauweise der Anlage eingehalten werden. Allerdings benötigt die überwiegende Zahl der Verbraucher niedrigere Vorlauftemperaturen für ihre Heizsysteme. Im Fall von Wohngebäuden liegt die benötigte Vorlauftemperatur der Warmwasserversorgung üblicherweise bei etwa 60 - 65 °C, und daher muss nach dem Stand der Technik zunächst durch Beimischung von kälterem Wasser die Temperatur gesenkt werden. Auf diese Weise wird jedoch ein großer Teil des theoretisch nutzbaren Potenzials (Exergie) des Heißwassers verschwendet, was nachteilig ist. Es wird also nach dem Stand der Technik Wärme auf hohem Temperaturniveau über weite Strecken transportiert und anschließend unter Exergievernichtung auf ein niedriges Temperaturniveau abgesenkt.
Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu überwinden und das Potential der Fernwärme besser auszunutzen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmeübergabestation nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Wärmeübergabestation zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid umfasst eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung mit einem Arbeitsmedium, insbesondere eine ORC-Vorrichtung mit einem organischen Arbeitsmedium, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst: einen als Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmeübertrager zum Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid, eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie, einen als Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid, und eine Speisepumpe zum Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer. Optional kann in dem Kondensator vor dem Kondensieren ein Enthitzen des Arbeitsmediums erfolgen. Weiterhin kann optional in dem Kondensator nach dem Kondensieren ein Unterkühlen des Arbeitsmediums unter die Kondensationstemperatur erfolgen. Das erste wärmeführende Fluid und das zweite wärmeführende Fluid können dasselbe Fluid sein. In der Wärmeübergabestation wird Wärme wird aus einem Netz mit einem ersten Temperaturniveau in ein Netz mit einem zweiten, niedrigeren Temperaturniveau übergeben.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation besteht darin, dass der genannte Exergieunterschied zwischen der Fernwärmeseite und der Wärmekundenseite für die Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann, indem ein Kreisprozess zwischengeschaltet wird, beispielsweise ein Organic-Rankine- Prozess (ORC-Prozess) mit einem organischen Arbeitsmedium, ein Stirling- Kreisprozess, ein Dampfkraftprozess, etc. Ein Teil der dem Fernwärmenetz entzogenen Hochtemperaturwärme wird im thermodynamischen Kreisprozess in elektrische Energie gewandelt. Die Kondensationswärme des Arbeitsmediums speist das Heiznetz mit Niedertemperaturwärme. So kann die Wärmeversorgung ganz oder teilweise über den thermodynamischen Kreisprozess realisiert werden. Der Hauptnutzen der Erfindung besteht in der zusätzlichen Bereitstellung elektrischer Energie an den Wärmekunden.
Die erfindungsgemäße Wärmeübergabestation kann dahingehend weitergebildet werden, dass einen dritter Wärmeübertrager zum unmittelbaren Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das zweite Fluid vorgesehen sein kann. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil der Wärmeenergie direkt auf das Kundenwärmenetz übertragen wird und somit eine Absicherung der Wärmeversorgung gegen einem Ausfall der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung erzielt wird.
Eine Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil; Mittel zum Leiten des ersten Teils des zweiten Fluids durch den Kondensator und zum Leiten eines zweiten Teils des zweiten Fluids durch den dritten Wärmeübertrager; und Mittel zum Zusammenführen des ersten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den Kondensator und des zweiten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den dritten Wärmeübertrager vorgesehen sein können. Die Rücklauftemperatur des Lieferantenwärmenetzes kann dabei durch entsprechende Regelung der Kreisprozessvorrichtung auf einem konstanten Niveau gehalten werden. Die Vorlauftemperatur im Kundenwärmenetz ist beliebig regelbar. Wenn höherer Wärmebedarf besteht, wird der Massenstrom zum Kreisprozess gesenkt. Gemäß einer anderen Weiterbildung können die Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einem Vorlauf oder in einem Rücklauf des Kundenwärmenetzes vorgesehen sein, und sie umfassen vorzugsweise ein Dreiwegeventil oder eine Pumpe in einem Vorlauf zum dritten Wärmeübertrager. Dieses entspricht jeweils vorteilhaften Beispielen für die Anordnung und für die konkrete Ausgestaltung dieser Mittel.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass ein vierter Wärmeübertrager zum unmittelbaren Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das Arbeitmedium vorgesehen ist. Alternativ zur Stromerzeugung wird durch die Weiterbildung ein Wärmepumpen-Betriebsmodus der Kreisprozessvorrichtung ermöglicht. Der Wärmepumpenbetrieb bietet für Wärmekunden den Vorteil, dass die installierte Anschlussleistung geringer ausfallen kann.
Eine Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass Mittel zum Umleiten des Arbeitsmediums aus einem Vorlauf des Verdampfers zum vierten Wärmeübertrager, insbesondere in Form eines Dreiwegeventils oder eines Magnetventils; und Mittel zum Betreiben der Expansionsmaschine als Kompressor vorgesehen sind. Auf diese Weise kann das Arbeitsmedium statt zum ersten Wärmeübertrager zum vierten Wärmeübertrager geleitet werden, um dort beim Betrieb der Expansionsmaschine als Kompressor Wärme aus dem ersten Fluid aufzunehmen.
Eine Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass die Mittel zum Betreiben der Expansionsmaschine als Kompressor umfassen: Mittel zum unmittelbaren Leiten des Arbeitsmediums vom vierten Wärmeübertrager zu einer Niederdruckseite der als Kompressor betriebenen Expansionsmaschine, insbesondere ein erstes Ventil zum Sperren der Verbindung zwischen Verdampfer und der Hochdruckseite der Expansionsmaschine und eine Bypassleitung mit einem zweiten Ventil zum Herstellen einer Verbindung zwischen dem vierten Wärmeübertrager und der Niederdruckseite der Expansionsmaschine, und desweiteren Mittel zum unmittelbaren Leiten des komprimierten Arbeitsmediums von einer Hochdruckseite der als Kompressor betriebenen Expansionsmaschine zum Kondensator, insbesondere ein viertes Ventil zum Sperren einer Verbindung zwischen der Niederdruckseite der Expansionsmaschine und dem Kondensator und eine Bypassleitung mit einem dritten Ventil zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Hochdruckseite der Expansionsmaschine und dem Kondensator. Dies stellt bevorzugte Ausgestaltungen der genannten Mittel zur Verfügung.
Gemäß einer anderen Weiterbildung kann die Wärmeübergabestation derart ausgebildet sein, dass das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator als auch durch den dritten Wärmeübertrager geleitet wird. Dabei wird der Kondensator mit einem großen Massenstrom durchströmt. Dies ist für den elektrischen Wirkungsgrad der Anlage vorteilhaft. Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Wärmeübergabestation mit einem dritten Wärmeübertrager weiterhin Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des ersten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil, insbesondere ein Dreiwegeventil, und Mittel zum Leiten des ersten Teils des ersten Fluids zum dritten Wärmeübertrager umfasst.
Die zuvor genannte Weiterbildung kann zudem dahingehend weitergebildet werden, dass ein Wärmespeicher in thermischem Kontakt mit dem zweiten Fluid vorgesehen ist. Dieses ermöglicht eine Abflachung der Temperaturgradienten des in den Kondensator eintretenden zweiten Fluids. Ist die Temperatur des zweiten Fluids größer als die Temperatur des Wärmespeichers wird das zweite Fluid gekühlt, falls sie kleiner ist, wird es erwärmt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren übergibt Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid mittels einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere einer ORC-Vorrichtung, wobei die thermische Kreisprozessvorrichtung einen als Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmeübertrager, eine Expansionsmaschine, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator, einen als Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager und eine Speisepumpe umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzliches Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid mit dem ersten Wärmeübertrager; Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums mit der Expansionsmaschine und zumindest teilweises Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie mit dem Generator; Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid mit dem zweiten Wärmeübertrager; und Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer mit der Speisepumpe. Vor dem Kondensieren kann optional ein Enthitzen des entspannten Arbeitsmediums erfolgen. Nach dem Kondensieren kann optional ein Unterkühlen des kondensierten Arbeitsmediums erfolgen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Weiterbildungen entsprechen jenen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dessen Weiterbildungen und werden deshalb hier nicht nochmals aufgeführt.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der weitere Schritt des unmittelbaren Übertragens von Wärme aus dem ersten Fluid auf das zweite Fluid mit einem dritten Wärmeübertrager vorgesehen.
Eine Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass die folgenden weiteren Schritte vorgesehen sind: Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil; Leiten des ersten Teils des zweiten Fluids durch den Kondensator und Leiten eines zweiten Teils des zweiten Fluids durch den dritten Wärmeübertrager; und Zusammenführen des ersten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den Kondensator und des zweiten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den dritten Wärmeübertrager. Gemäß einer anderen Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt des unmittelbaren Übertragens von Wärme aus dem ersten Fluid auf das Arbeitsmedium mit einem vierten Wärmeübertrager. Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator als auch durch den dritten Wärmeübertrager geleitet wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist ein zumindest teilweises Einspeisen der elektrischen Energie in ein Netz; und/oder ein zumindest teilweises Verwenden der elektrischen Energie zum Betreiben des Kundenwärmenetzes, insbesondere einer kundenseitigen Heizungsanlage vorgesehen.
Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht geeignet miteinander kombiniert werden.
Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
Zeichnungen stellt die Exergienutzung und den Temperaturverlauf bei reinem
Heizbetrieb schematisch dar.
Fig. 2 zeigt die entsprechende Exergienutzung mit einem integrierten ORC-
Prozess.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wärmeübergabestation.
Fig. 4 zeigt ein T-Q-Diagramm des ORC-Prozesses. Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation.
Fig. 6 illustriert Kavitationsvermeidung durch Verringerung des Massenstroms, Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wärmeübergabestation in einem ersten Betriebsmodus.
Fig. 8 zeigt die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wärmeübergabestation in einem zweiten Betriebsmodus.
Fig. 9 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wärmeübergabestation.
Fig. 10 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wärmeübergabestation.
Ausführungsformen
Zunächst wird im Folgenden die grundlegende Motivation der Erfindung im Bezug auf die Exergie dargestellt. Die Exergie bezeichnet den Teil der Energie, der vollständig in eine beliebige andere Energieform gewandelt werden kann, wie beispielsweise in elektrische Energie. Es handelt sich also um den arbeitsfähigen Teil der Energie. Im Gegensatz dazu ist die Anergie der nicht arbeitsfähige Teil einer Energie, eine Wandlung in andere Energieformen ist hier nicht möglich. So kann Wärmeenergie selbst in einem idealisierten Prozess nur zu einem Teil in mechanische Energie gewandelt werden. Ein Wärmestrom Q besteht aus einem Exergie-Anteil E und einem Anergie-Anteil Ä, wobei sich der Exergie-Anteil mit Hilfe der Gleichung
E = (l - y) - Q errechnet. Hierbei ist T die Temperatur der Wärmequelle und Tu die Temperatur der Umgebung. Bei einem konventionellen Heizsystem wird die im Wärmestrom enthaltene Exergie durch Absenkung der Temperatur vernichtet, wie Fig. 1 verdeutlicht. Die Absenkung der Temperatur kann hierbei unterschiedliche Gründe haben. So kann eine Absenkung der Temperatur notwendig sein, um z.B. Temperaturgrenzen im Heizungssystem einzuhalten, dies gewährleistet beispielsweise die Wärmeübergabestation. Eine weitere Reduktion der Temperatur findet bei jeglicher Wärmeübertragung statt, sei es in der Wärmeübergabestation oder aber in der Heizung, welche z.B. einen Raum erwärmt. Wenn die Wärme sich auf Umgebungstemperatur reduziert hat, dann besitzt sie keine Arbeitsfähigkeit mehr und ist reine Anergie.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die Integration eines thermodynamischen Kreisprozesses in das Heizsystem (siehe Fig. 2) die Weiterverwendung eines Teils der im Wärmestrom enthaltenen Exergie in Form von elektrischer Energie. Der Energiestrom, welcher in elektrische Energie gewandelt wird, steht zwar nicht mehr für die Beheizung zur Verfügung, er kann jedoch durch eine geringfügige Erhöhung der Wärmezufuhr in den ORC-Prozess ausgeglichen werden. Aufgrund geringer Preise der Energieträger und damit der erzeugten thermischen Energie im Vergleich zu den Bezugspreisen für elektrische Energie ist dies besonders im Bereich der Wohnungswirtschaft/Kleinverbraucher wirtschaftlich interessant.
Fig. 3 zeigt in einer ersten Ausführungsform der Erfindung die einfachste Realisierung der Strom erzeugenden Wärmeübergabestation. Die hier verwendeten Bezugszeichen werden auch in den weiteren Figuren für die anderen Ausführungsformen beibehalten, wenn es sich um gleiche Elemente handelt.
Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation 1 zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz 10 mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz 20 mit einem zweiten wärmeführenden Fluid umfasst eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung 30 mit einem Arbeitsmedium (beispielsweise Wasser oder Wasserdampf), insbesondere eine ORC-Vorrichtung mit einem organischen Arbeitsmedium, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung 30 umfasst: einen als Verdampfer 31 ausgebildeten ersten Wärmeübertrager zum Verdampfen und optional zusätzlichen Vorwärmen und/oder Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid, eine Expansionsmaschine 32 zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator 33 zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie, einen als Kondensator 34 ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager zum Kondensieren und optional vorherigen Enthitzen und/oder zusätzlichen Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid, und eine Speisepumpe 35 zum Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer. Die Speisepumpe wird durch einen Motor 36 betrieben. Zudem ist im Heizkreislauf des Kundenwärmenetzes eine Pumpe 21 vorgesehen, mit der das zweite Fluid (beispielsweise Wasser) gefördert wird.
Zum Zweck der Übersichtlichkeit wird eine vereinfachte Darstellung des Fernwärmenetzes 10, des ORC-Prozesses 30 sowie des Heiznetzes 20 gewählt. Im Verdampfer 31 wird flüssiges Arbeitsmedium unter Wärmezufuhr verdampft, in der Expansionsmaschine 32 (z.B. Schraubenexpander, Turbine) entspannt und auf einem niedrigeren Druckniveau verflüssigt. Bei der Verflüssigung im Kondensator 34 wird Wärme vom Arbeitsfluid an das Heizwassernetz abgegeben und dadurch die geforderte Vorlauftemperatur erreicht. Über eine Welle ist die Expansionsmaschine 32 mit dem Generator 33 gekoppelt, welcher die mechanische Energie in elektrische wandelt. Diese kann sowohl in ein Netz eingespeist werden, als auch zur Deckung des Eigenbedarfs der Heizungsanlage verwendet werden. Der Kreislauf wird geschlossen, indem die Speisepumpe 35 den Druck des Arbeitsmediums auf den Verdampfungsdruck erhöht und es erneut in den Verdampfer 31 fördert. Die Integration eines thermodynamischen Kreisprozesses 30 in eine Wärmeübergabestation 1 bietet somit die Möglichkeit einer dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung bei Wärmeverbrauchern. Im Fall von größeren Wärmeübergabestationen wird durch einen modularen Aufbau der Parallelbetrieb mehrerer Anlagen in einem Stack ermöglicht. Auf diese Weise werden ein besseres Teillastverhalten sowie eine erhöhte Flexibilität erreicht. Die Kombination einer Wärmeübergabestation mit einem thermodynamischen Kreisprozess beinhaltet allerdings die Problematik, dass der ORC nur einen Teil des Temperaturgefälles zwischen Fernwärme Vorlauf und -Rücklauf nutzen kann. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass der Pinch Point zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Temperatur des Arbeitsmediums die Wärmeaufnahme begrenzt, wie das T-Q-Diagramm des ORC-Prozesses in Fig. 4 verdeutlicht. Dargestellt sind dort die Temperaturverläufe der Fluide im Fernwärmenetz, im Heiznetz, sowie im ORC- Prozess. Hierbei ist Qmax,oRC die maximale Wärmemenge, welche der ORC aufnehmen kann, bei QAnforderung,Kunde handelt es sich um den Wärmebedarf des Gebäudes. Als Pinch Point (auch Zwickpunkt oder Punkt der geringsten Grädigkeit genannt) bezeichnet man in der thermodynamischen Verfahrenstechnik den Punkt der kleinsten Temperaturdifferenz zwischen zwei Medien, die über ein oder mehrere Wärmeübertrager Wärme übertragen. Darüber hinaus ist die Heizleistung bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 3 abhängig vom Betrieb des ORC 30. Bei einem Ausfall des thermodynamischen Prozesses 30 ist die Wärmeversorgung des Heiznetzes 20 nicht mehr möglich, da über den Kondensator 34 keine Wärme mehr ausgekoppelt wird. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Anfälligkeit der Arbeitsmedium-Speisepumpe 35 gegenüber Kavitation. Gelangt innerhalb von kurzer Zeit eine große Menge kalten Wassers in den Kondensator 34, beispielsweise bei plötzlich auftretendem Wärmebedarf, so sinkt der Druck im Kondensator 34. Wird hierbei der zur vorherrschenden Temperatur des Arbeitsmediums korrespondierende Siededruck unterschritten, kommt es zur Kavitation, also dem lokalen Entstehen von Dampfblasen im Kondensat im Zulauf und Eintritt zur Speisepumpe 35, die anschließend wieder zusammenfallen. Durch die damit verbundenen Druckwellen kommt es zu Schäden an den Laufrädern der Speisepumpe 35, darüber hinaus führt der entstehende Dampf zum Zusammenbruch des geförderten Volumenstromes, was anschließend zum sofortigen Stillstand des Kreisprozesses 30 führt.
Die Patentschrift DE 10 2009 053 390 B3 „Thermodynamische Maschine sowie Verfahren zu deren Betrieb" beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermeidung von Kavitation in einem thermodynamischen Kreisprozess, welches insbesondere bei Verwendung von Luftkondensatoren vorteilhaft ist. Hierbei wird dem Arbeitsmedium durch Hinzufügen eines nicht kondensierenden Gases im Kondensator ein zusätzlicher Druck aufgeprägt. Da dies gleichbedeutend ist mit einer größeren Vorlaufhöhe der Pumpe, vergrößert sich im Pumpenzulauf der Abstand des tatsächlichen Druckes zum Siededruck. Im Gegenzug verringert sich dadurch die Druckdifferenz über der Expansionsmaschine und somit die abgegebene elektrische Leistung. Da bei Kondensation gegen Wasser die Druckdifferenz über der Expansionsmaschine verhältnismäßig gering ist, ist diese Lösung für den vorliegenden Anwendungsfall nachteilig. Diese Nachteile können jedoch durch die nachfolgend dargestellten weiteren Ausführungsformen sowie bevorzugte Kombinationen daraus vermieden werden.
Der Heizbetrieb ist bei der zweiten Ausführungsform 2 nach Fig. 5 unabhängig vom Betrieb des Kreisprozesses. Ein variabler Teil der Wärme wird vom Kreisprozess aufgenommen, während der Rest über einen dritten Wärmeübertrager 40 direkt in das Heiznetz 20 übertragen wird. Alternativ zum 3-Wege-Ventil 22 kann eine weitere Pumpe im Heiznetz-Vorlauf zum dritten Wärmeübertrager 40 zur Aufteilung des Massenstroms verwendet werden. Die Pumpen können weiterhin sowohl im Vor- als auch im Rücklauf des Heiznetzes 20 angeordnet sein. Bei einem Ausfall des Kreisprozesses kann die gesamte Wärmemenge über den dritten Wärmeübertrager 40 zugeführt werden. Eine Notlauffunktionalität ist somit bei ausreichender Dimensionierung des dritten Wärmeübertragers 40 gegeben. Die Rücklauftemperatur des Fernwärmenetzes kann durch entsprechende Regelung des Kreisprozesses auf einem konstanten Niveau oder unterhalb einer geforderten Maximaltemperatur gehalten werden. Im ORC-Betrieb ist die Temperatur geringfügig höher als bei ausgeschaltetem ORC. Die Vorlauftemperatur im Heiznetz 20 ist beliebig regelbar. Wenn höherer Wärmebedarf besteht, wird der Massenstrom im Kreisprozess gesenkt. Bei konstanten Eingangs- und Ausgangstemperaturen des Arbeitsmediums findet dadurch eine geringere Wärmezufuhr an den ORC statt. Dies wiederum bedeutet aufgrund des konstanten Massenstromes im Fernwärmenetz 10, dass die Ausgangstemperatur auf der Seite des Fernwärmenetzes 10 steigt. Dadurch liegt über dem dritten Wärmeübertrager 40 eine größere Temperaturdifferenz an, wodurch die direkt an das Heiznetz 20 übertragene Wärmemenge erhöht wird. Das System kann sowohl in Heizwassernetze eingebunden werden, in denen Fernwärmenetz- und Heizwassernetz voneinander getrennt sind, als auch in Netzen in denen nur ein gemeinsames Netz besteht. Für die Integration in ein gemischtes Netz wird der dritte Wärmeübertrager 40 nicht mehr benötigt, da man einen Teilstrom des Fernwärmewassers direkt in das Heiznetz leiten kann. Diese zweite Ausführungsform verfügt weiterhin über eine verbesserte Funktionalität zur Vermeidung von Kavitationsschäden. Hierbei kann der Massenstrom des Heizwassers durch den Kondensator 34 über das 3-Wege-Ventil 22 reduziert werden. Wie Fig. 6 zeigt, vergrößert sich dadurch die Temperaturspreizung des Wassermassenstroms. Die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums wird durch die Eintrittstemperatur des Wassers, die Temperaturdifferenz im Pinch Point, sowie dem Massenstrom und damit der Temperaturspreizung des Wassers aufgeprägt. Steigt die wasserseitige Eintrittstemperatur, erhöht sich auch der Kondensationsdruck des Arbeitsmediums. Nimmt der Massenstrom des Wassers ab, steigt die Austrittstemperatur des Wassers. Da die Wärmeübertragerfläche konstant bleibt, die Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium und Wasser jedoch steigt, wird das Arbeitsmedium stärker unterkühlt. Eine größere Unterkühlung wirkt im Speisepumpenvorlauf wie eine größere Vorlaufhöhe, da sich der Abstand des tatsächlichen Drucks zum Verdampfungsdruck am Pumpeneingang vergrößert.
Bei der großen Temperaturspreizung zwischen Fernwärme Vorlauf (z.B. 120 °C) und Rücklauf (z.B. 45 °C) stößt die Wärmeübertragung im Verdampfer 34 schnell an ihre Grenzen. Aufgrund des Pinch Points zwischen Arbeitsmedium und Fluid am Eintritt in den ersten Wärmeübertrager (Verdampfer) ist die Auskühlung des Fernwärmerücklaufes und somit die Wärmezufuhr nur begrenzt möglich.
Weiterhin ermöglicht diese zweite Ausführungsform 2 verschiedene Betriebsmodi. Ein erster Betriebsmodus dient zum Heizen und zur Stromproduktion. Bei durchschnittlichem Wärmebedarf läuft der Kreisprozess parallel zur Wärmeversorgung und ein Teil des Wärmebedarfes wird durch die Kondensationswärme gedeckt. Ein kleiner Teil der Wärme aus dem Heiznetz 20 wird über die Expansionsmaschine 32 und den Generator 33 in elektrische Energie gewandelt. Ein zweiter Betriebsmodus dient als reiner Heizbetrieb. Dazu wird bei sehr großem Wärmebedarf der Kreisprozess 30 ausgeschaltet und die gesamte benötigte Wärme über den dritten Wärmeübertrager 40 dem Heiznetz 20 zugeführt. Dieser Betriebsmodus gleicht hierbei dem einer herkömmlichen Übergabestation.
Im Fall von sensiblen Wärmequellen (z.B. Geothermie-Heizwerk) ist die Rücklauftemperatur ein wichtiger Parameter, um möglichst viel Wärme aus der Quelle zu entnehmen und den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern. Die dritte Ausführungsform 3 gemäß Fig. 7 stellt eine Weiterentwicklung der zweiten Ausführungsform 2 dar, durch die entsprechend niedrige Temperaturen im Fernwärme- Rücklauf erreicht werden können.
Alternativ zur Stromerzeugung wird durch die dritte Ausführungsform 3 nach Fig. 7 ein Wärmepumpen-Betriebsmodus des ORC ermöglicht. Dazu wird der Expander 32 als Kompressor 32 betrieben, indem das Ventil 54 geschlossen und das Ventil 53 geöffnet wird, so dass das Fluid auf der Niederdruckseite in die Expansionsmaschine 32 strömt. Weiterhin wird das Ventil 55 geschlossen. Durch das offene Ventil 52 strömt das verdichtete Arbeitsmedium in den Kondensator 34, wo es Wärme an das Heiznetz 20 abgibt. Durch die Drossel 56 erfolgt eine Druckabsenkung, die mit einer Verringerung der Siedetemperatur einhergeht. Mittels des dritten Wärmeübertragers 40 wird ein Teil der Wärmeenergie an das Heiznetz 20 übertragen und so die Rücklauftemperatur auf einen für die Wärmepumpe geeigneten Bereich herabgesenkt. Anschließend kann das Arbeitsmedium über das 3-Wege-Ventil 51 zum vierten Wärmeübertrager 50 geleitet werden, wo es verdampft werden kann. Dadurch wird der Fernwärme-Rücklauf weiter gekühlt. Der Wärmepumpenbetrieb bietet für Wärmekunden den Vorteil, dass die installierte Anschlussleistung geringer ausfallen kann. Dies liegt darin begründet, dass die Nennanschlussleistung sich durch eine festgelegte Spreizung zwischen Fernwärme Vor- und Rücklauf sowie der Fläche der Wärmeübertrager definiert. Durch die zusätzliche Auskühlung des Rücklaufes bei konstanter Wärmeübertragerfläche und konstantem Massenstrom, ist die tatsächliche Wärmezufuhr im Wärmepumpenbetrieb größer als die Nennanschlussleistung. Für Betreiber von beispielsweise Geothermie- Heizwerken ergibt sich der Vorteil, dass der regenerativen Wärmequelle so mehr Energie entzogen werden kann. Durch die höhere Ausbeute thermischer Energie bei niedrigen Rücklauftemperaturen kann darüber hinaus ein Teil der Bereitstellung von Spitzenlastenergie ersetzt werden.
Im ORC-Betrieb gemäß Fig. 8 verhält sich diese dritte Ausführungsform 3 analog zur zweiten Ausführungsform 2. Hierbei sind die Ventile 54 und 55 offen, das 3-Wege- Ventil 51 versperrt den Zugang zum vierten Wärmeübertrager 50 und ermöglicht den Zugang zum ersten Wärmeübertrager 31.
Durch die Ventile 52, 53, 54, 55 ist ein Bypass der Expansionsmaschine 32 möglich, somit sinken die Druckverluste und die Wärmebereitstellung an das Heiznetz 20 kann über einen Naturumlauf realisiert werden. Alternativ kann der dritte Wärmeübertrager 40 den Bypass ermöglichen. Im Wärmepumpen-Betriebsfall sind niedrige Fernwärme- Rücklauftemperaturen erreichbar. Eine Begrenzung der Heiznetz-Vorlauftemperatur besteht durch die maximale Kondensationstemperatur plus der Grädigkeit des Wärmeübertragers. Der Einsatz ist mit geringfügigen Modifikationen sowohl bei getrennten als auch bei gemischten Heizkreisen möglich. Die Kavitationsvermeidung ist hier wie für die zweite Ausführungsform gegeben. Die Temperaturspreizung des Verdampfers ist wie in der zweiten Ausführungsform. Bei der großen Temperaturspreizung zwischen Fernwärme Vor- und Rücklauf stößt die Wärmeübertragung im Verdampfer schnell an ihre Grenzen. Aufgrund des Pinch Points zwischen Arbeitsmedium und Fluid in der Fernwärmeleitung ist die Auskühlung des Fernwärme Rücklaufes und somit die Wärmezufuhr an den ORC nur begrenzt möglich.
Fig. 9 zeigt eine vierte Ausführungsform 4 der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation. In dieser vierten Ausführungsform 4 sind Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des ersten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil in Form eines Dreiwegeventils, und Mittel zum Leiten des ersten Teils des ersten Fluids zum dritten Wärmeübertrager 40 vorgesehen. Weiterhin gibt es einen Wärmespeicher 60 in thermischem Kontakt mit dem zweiten Fluid. Bei einem Ausfall des Kreisprozesses kann die gesamte Wärmemenge über den dritten Wärmeübertrager 40 zugeführt werden. Eine Notlauffunktionalität ist somit bei ausreichender Dimensionierung des dritten Wärmeübertrager 40 gegeben. Im ORC-Betrieb ist die Fernwärme-Rücklauftemperatur leicht erhöht gegenüber der zweiten Ausführungsform 2. Die Vorlauftemperatur im Heiznetz ist beliebig regelbar. Wenn (z.B. bei Spitzenlast) ein gesteigerter/erhöhter Wärmebedarf besteht, wird der Massenstrom zum Kreisprozess gesenkt, dadurch wird mehr Wärme auf einem höheren Temperaturniveau über den dritten Wärmeübertrager 40 an das Heiznetz 20 übertragen. Die Heiznetz Vorlauftemperatur ist wie bei der zweiten Ausführungsform 2. Der Einsatz ist mit geringfügigen Modifikationen sowohl bei getrennten als auch bei gemischten Heizkreisen möglich. In den Rücklauf des Heiznetzes 20 ist als thermischer Puffer ein Wärmespeicher 60 (Latentwärmespeicher oder ein sensibler Wärmespeicher) vor den Kondensator 34 geschaltet werden. Dieses ermöglicht eine Abflachung der Temperaturgradienten des in den Kondensator 34 eintretenden Heizwassers. Bei der großen Temperaturspreizung zwischen Fernwärme Vor- und Rücklauf stößt die Wärmeübertragung im Verdampfer schnell an ihre Grenzen. Aufgrund des Pinch Points zwischen Arbeitsmedium und Fluid in der Fernwärmeleitung ist die Auskühlung des Fernwärme Rücklaufes und somit die Wärmezufuhr nur begrenzt möglich.
Bei der fünften Ausführungsform 5 nach Fig. 10 wird der Kondensator 34 des ORC auf der Seite des Heiznetzes 20 immer mit der kältesten Temperatur sowie mit einem großen Massenstrom durchströmt, da das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator 34 als auch durch den dritten Wärmeübertrager 40 geleitet wird. Dies ist für den elektrischen Wirkungsgrad der Anlage vorteilhaft, da sich bei einem größeren Massenstrom eine geringere Temperaturdifferenz im Heizwasser- Rücklauf einstellt. Bei konstantem Pinch Point stellt sich somit ein niedrigerer Gegendruck zur Expansionsmaschine ein (siehe dazu Fig. 1 1 ), was zu einer höheren elektrischen Leistung führt. Bei einem Ausfall des Kreisprozesses kann die gesamte Wärmemenge über den dritten Wärmeübertrager 40 zugeführt werden. Eine Notlauffunktionalität ist somit bei ausreichender Dimensionierung des dritten Wärmeübertragers 40 gegeben. Aufgrund der Erwärmung des Heiznetz-Rücklaufes im Kondensator 34 kann der Fernwärme-Rücklauf durch den dritten Wärmeübertrager 40 nicht so weit gekühlt werden wie bei der zweiten Ausführungsform. Dadurch ergibt sich im ORC-Betrieb je nach Betriebsweise eine Erhöhung der Fernwärme- Rücklauftemperatur, beispielsweise um etwa 10 bis 15 K. Die Vorlauftemperatur im Heiznetz 20 ist beliebig regelbar. Wenn Wärmebedarf besteht, wird der Massenstrom im Kreisprozess gesenkt, dadurch wird mehr Wärme auf einem höheren Temperaturniveau über den dritten Wärmeübertrager 40 direkt an das Heiznetz übertragen. Der Einsatz ist mit geringfügigen Modifikationen sowohl bei getrennten als auch bei gemischten Heizkreisen möglich. Kavitationsvermeidung: In den Rücklauf des Heiznetzes kann wie bei der vierten Ausführungsform 4 als thermischer Puffer ein Latentwärmespeicher oder ein sensibler Wärmespeicher vor den Kondensator 34 geschaltet werden. Dieses ermöglicht eine Abflachung der Temperaturgradienten des in den Kondensator eintretenden Heizwassers. Temperaturspreizung im Verdampfer der fünften Ausführungsform 5 entspricht jener der zweiten Ausführungsform 2.
Zusammenfassend weist die erfindungsgemäße Wärmeübergabestation die folgenden Vor- und Nachteile auf. Als Vorteile sind eine bessere Ausnutzung der eingesetzten Exergie (bei wenig zusätzlicher Wärmeleistung großer zusätzlicher Nutzen, siehe Fig. 2); weniger Vernichtung von Exergie bei Wärmeübergabe an Wärmeverbraucher; dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung beim Endnutzer (Strom erzeugendes Heizsystem); Nutzung unterschiedlicher Temperaturvarianten und Netztypen (gemischte und getrennte Kreise); große Flexibilität in Leistung und Betrieb, an wachsendes Wärmenetz anpassbar (kann als Stack ausgeführt werden); und Steigerung von Wirkungsgrad und Stromkennzahl des Gesamtsystems aufzuführen. Als Nachteil ist eine geringfügig niedrigere maximale Wärmebereitstellung für den Wärmekunden zu nennen und in den Ausführungsformen 1 , 2, 4, 5 eine geringfügige bis mäßige Erhöhung der Temperatur des Fernwärmerücklaufs. In den Ausführungsformen mit Notlauffunktion kann durch einen Bypass des ORC, also dessen Abschaltung, und einer ausreichenden Dimensionierung des dritten Wärmeübertragers 40 trotzdem die gesamte Anschlussleistung zur Verfügung gestellt werden.
Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Claims

Patentansprüche
1 . Wärmeübergabestation zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid, umfassend: eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung mit einem Arbeitsmedium, insbesondere eine ORC-Vorrichtung mit einem organischen Arbeitsmedium, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst: einen als Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmeübertrager zum Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid, eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie, einen als Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager zum Kondensieren und optional zusätzlichen Enthitzen und/oder optional zusätzlichen Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid, und eine Speisepumpe zum Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer.
2. Wärmeübergabestation nach Anspruch 1 , weiterhin umfassend: einen dritten Wärmeübertrager zum unmittelbaren Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das zweite Fluid.
Wärmeübergabestation nach Anspruch 2, weiterhin umfassend:
Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil;
Mittel zum Leiten des ersten Teils des zweiten Fluids durch den Kondensator und zum Leiten eines zweiten Teils des zweiten Fluids durch den dritten Wärmeübertrager; und
Mittel zum Zusammenführen des ersten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den Kondensator und des zweiten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den dritten Wärmeübertrager.
Wärmeübergabestation nach Anspruch 3, wobei die Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einem Vorlauf oder in einem Rücklauf des Kundenwärmenetzes vorgesehen sind und vorzugsweise ein Dreiwegeventil, ein Magnetventil oder eine Pumpe in einem Vorlauf zum dritten Wärmeübertrager umfassen.
Wärmeübergabestation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend: einen vierten Wärmeübertrager zum unmittelbaren Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das Arbeitmedium.
6. Wärmeübergabestation nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: Mittel zum Umleiten des Arbeitsmediums aus einem Vorlauf des Verdampfers zum vierten Wärmeübertrager, insbesondere in Form eines Dreiwegeventils oder eines Magnetventils; und
Mittel zum Betreiben der Expansionsmaschine als Kompressor.
Wärmeübergabestation nach Anspruch 6, wobei die Mittel zum Betreiben der Expansionsmaschine als Kompressor umfassen:
Mittel zum unmittelbaren Leiten des Arbeitsmediums vom vierten Wärmeübertrager zu einer Niederdruckseite der als Kompressor betriebenen Expansionsmaschine, insbesondere ein erstes Ventil zum Sperren der Verbindung zwischen Verdampfer und der Hochdruckseite der Expansionsmaschine und eine Bypassleitung mit einem zweiten Ventil zum Herstellen einer Verbindung zwischen dem vierten Wärmeübertrager und der Niederdruckseite der Expansionsmaschine, und
Mittel zum unmittelbaren Leiten des komprimierten Arbeitsmediums von einer Hochdruckseite der als Kompressor betriebenen Expansionsmaschine zum Kondensator, insbesondere ein viertes Ventil zum Sperren einer Verbindung zwischen der Niederdruckseite der Expansionsmaschine und dem Kondensator und eine Bypassleitung mit einem dritten Ventil zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Hochdruckseite der Expansionsmaschine und dem Kondensator.
Wärmeübergabestation nach Anspruch 2, wobei die Wärmeübergabestation derart ausgebildet ist, dass das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator als auch durch den dritten Wärmeübertrager geleitet wird.
Wärmeübergabestation nach Anspruch 2 oder 8, weiterhin umfasssend: Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des ersten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil, insbesondere ein Dreiwegeventil, und
Mittel zum Leiten des ersten Teils des ersten Fluids zum dritten Wärmeübertrager.
10. Wärmeübergabestation nach Anspruch 9, weiterhin umfassend: einen Wärmespeicher in thermischem Kontakt mit dem zweiten Fluid.
1 1. Verfahren zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid mittels einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere einer ORC-Vorrichtung, wobei die thermische Kreisprozessvorrichtung einen als Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmeübertrager, eine Expansionsmaschine, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator, einen als Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager und eine Speisepumpe umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzliches Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid mit dem ersten Wärmeübertrager;
Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums mit der Expansionsmaschine und zumindest teilweises Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie mit dem Generator;
Kondensieren und optional zusätzliches Enthitzen und/oder optional zusätzliches Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid mit dem zweiten Wärmeübertrager; und Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer mit der Speisepumpe.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , mit dem weiteren Schritt: unmittelbares Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das zweite Fluid mit einem dritten Wärmeübertrager.
13. Verfahren nach Anspruch 12, mit den weiteren Schritten:
Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil;
Leiten des ersten Teils des zweiten Fluids durch den Kondensator und Leiten eines zweiten Teils des zweiten Fluids durch den dritten Wärmeübertrager; und
Zusammenführen des ersten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den Kondensator und des zweiten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den dritten Wärmeübertrager.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, mit dem weiteren Schritt: unmittelbares Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das Arbeitsmedium mit einem vierten Wärmeübertrager.
15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator als auch durch den dritten Wärmeübertrager geleitet wird.
PCT/EP2015/071760 2014-10-07 2015-09-22 Vorrichtung und verfahren für den betrieb einer wärmeübergabestation WO2016055263A1 (de)

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