WO2019227117A1 - Verfahren und vorrichtung zur wandlung von thermischer in mechanische bzw. elektrische energie - Google Patents

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Georg Beckmann
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Definitions

  • Overheating (with respect to the temperature and the heat content) in itself, is derived via the exhaust steam line (20), cooled in the recuperator (12) to just below its saturation temperature and passes through the cold exhaust steam line (21) in the
  • the example shows the application in geothermal power plants, but can, in an analogous manner instead of the thermal water, other (liquid, vapor and gaseous) heat transfer medium, for.
  • thermal water other (liquid, vapor and gaseous) heat transfer medium
  • hot water streams from large condensate networks or hot heat transfer oil flows from heat recovery systems, exhaust, hot air or compressed air streams to use for
  • Patents disclose thermodynamic systems in the subcritical process management, so that in these
  • the invention describes a method for increasing the
  • the method is characterized in that the circulating medium is water or steam or carbon dioxide or else another inorganic chemical compound; that the circulating medium ethanol or another
  • Circuit process is continued and continued (Fig. 2, Fig. 8).
  • Circuit process outputs (Fig. 2, Fig. 8); that the heat exchanger (28ND) in the connection line (25ND) to the low pressure mixer (31ND) the overheating and the
  • Connection path (25) by the feed pump (27), or the heat exchanger (28), or the armature (29) is controlled such that the state in the cold exhaust duct (21) comes to rest near the saturation line ( Figure 3).
  • the flow rate of the inflow to the connecting section (25) is regulated via the bypass branch (44) and the bypass control flap (45) such that the temperature of the circulating medium in the bypass return line (46) and in the return line (5) of the heat carrier is almost the same ( Fig. 10); that the branch (24 b and / or 24 c) takes place at the location where the preheat temperature at this branch is equal to or higher than the steam saturation temperature in the exhaust steam line (20MD).
  • FIGS. 7 to 10 show advantageous integrations of
  • Heat exchanger surface is to supply. To this positive To explain the effect, one must include the design of the affected apparatus: with the proposed arrangement to avoid the poor heat transfer of the overheated
  • downstream surface condensation in the exhaust steam condenser (8) can be dispensed with.
  • the branched stream can also be branched off from the feed line (11), ie after the condensate pump (10), at an increased pressure, from the branch (24a); This was not shown separately in the present diagram, since the curves and states are nearly identical to those of the illustrated diagram.
  • the branches can also be performed differently, such.
  • B the high-pressure branch (24HD) shown in FIG. 2, which the steam wetness from the (wet)
  • Fig. 9 shows a variant, in particular to Fig. 7. It may in fact structurally and operationally advantageous if the
  • Mixer for the printing levels HD, MD or ND

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Abstract

Die Erfindung soll die Energie- und Kosteneffizienz der Clausius-Rankine-Kreisprozesse, insbesondere für die Nutzung von Niedertemperaturwärmen, erhöhen und die Nachteile der bekanntgewordenen Prozesse vermeiden. Im wärmeaufnehmenden Teil des Kreisprozesses sind Abzweigungen (24) vorgesehen, welche Ströme aus den Hauptstrom des Kreislaufmediums abzweigen, diese mit Mischern (31) verbinden, in welchen die abgezweigten Ströme mit dem Abdampf aus Abdampfleitungen (20) der Expansionsmaschinen oder der Turbinen (19) vermischt werden und dieser vermischte Dampfström über Kalte Abdampfleitungen (21) im Kreisprozess weitereingeführt werden. Ein signifikanter Anstieg der Energieeffizienz ergibt sich bei der Anwendung von Kreislaufmedien der „trocknenden" Fluidklasse daraus, dass die zugemischten Ströme, auf Kosten der Überhitzung im Hauptstrom, vollständig verdampfen, und der Mitteldruck- Turbine (19MD) ein höherer Dampfstrom zur Expansion zur Verfügung steht, was zu einer Mehrleistung an den Turbinen von 10 bis 15 % führt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Wandlung von thermischer in mechanische bzw. elektrische Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung der Energieeffizienz in Clausius-Rankine- Kreisprozessen . In diesem erfindungsgemäßen thermodynamischen Kreisprozess wird Wärme unter Verwendung von Kreislaufmedien effizient in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt.
Für die Nutzung von Wärmequellen, insbesondere mit niedrigen Temperaturniveaus, wie z. B. bei (industriellen) Abwärmen, bei der Geothermie und bei der solarthermischen Nutzung, kommen auch Kreislaufmedien zur Anwendung, die nicht aus Wasser/Dampf bestehen; es sind dies z. B. Ethanol und organische
Kreislaufmedien (genutzt im sog. Organic Rankine Cycle „ORC" - Prozessen) . Diese in Frage kommenden alternativen
Kreislaufmedien haben in der Regel einen höheren Dampfdruck und eine geringere Verdampfungsenthalpie als Wasser/Dampf und könnten an sich die zur Verfügung stehende Wärmequelle besser nutzen; vielfach werden diese Kreislaufmedien in hermetisch geschlossenen Kreisläufen geführt. Die meisten dieser
Kreislaufmedien gehören der „trockenen" bzw. „trocknenden"
Fluidklasse an, bei welcher der Sattdampf bei einer Expansion nicht in das Nassdampfgebiet expandiert, sondern sich von der Sattdampfkurve entfernt und überhitzt (trocknet) ; dieser Umstand wird allgemein als Vorteil gesehen, was für den Betrieb der Expansionsmaschine sicher zutrifft, für die Energieeffizienz des Gesamtprozesses jedoch nachteilig sein kann, wie nachstehend erläutert wird.
Die Fig. 1 zeigt ein entsprechendes KreislaufSchema, anhand eines ORC-Prozesses , gemäß dem bisherigen Stand der Technik, welches beispielsweise für die Anwendung in geothermischen
Kraftwerken erläutert wird; hier ist die Geothermie die Wärmequelle und das geothermische Wasser der Wärmeträger, mit dem die Wärme zum Kreisprozess transportiert wird. Das
geothermische Wasser („Thermalwasser") aus der
Produktionsbohrung (1) gelangt über ein Filter (2) und über eine Thermalwasserleitung (3) in den Dampferzeuger (4), wo dieses seine Wärme abgibt und abgekühlt wird; das abgekühlte
Thermalwasser gelangt über eine Rücklaufleitung (5) zur
Rückführpumpe (6), welche das abgekühlte Thermalwasser zur
Verpressbohrung (7) fördert.
Betrachtet man den ORC-Prozess, so wird das Kondensat aus dem Abdampfkondensator (8), welches nahezu Umgebungstemperatur hat, über die Kondensatleitung (9) zur Kondensatpumpe (10) geführt; diese fördert das Kondensat über die Speiseleitung (11)
üblicherweise zum Rekuperator (12); das dort vorgewärmte
Kondensat wird über die Kesselspeiseleitung (13) dem
Dampferzeuger (4) zugeführt, welcher in der unterkritischen Betriebsweise einen Vorwärmer (14) und, verbunden über eine Verbindungsleitung (15), einen Verdampfer (16), gegebenenfalls mit einem anschließenden Überhitzer, aufweist, welcher den
Frischdampf erzeugt. Der Verbindungskanal (17) verbindet auf der Seite des Thermalwassers den Verdampfer (16) und den Vorwärmer (14) . Der im Dampferzeuger (4) erzeugte Frischdampf, gesättigt oder allenfalls leicht überhitzt, wird über eine
Frischdampfleitung (18) der Expansionsmaschine bzw. der Turbine (19) zugeführt, wo dieser expandiert; der Turbinenabdampf, der bei trockenen Kreislaufmedien noch eine beträchtliche
Überhitzung (bezüglich der Temperatur und des Wärmeinhaltes) in sich trägt, wird über die Abdampfleitung (20) abgeleitet, im Rekuperator (12) bis knapp an seine Sättigungstemperatur gekühlt und gelangt über die Kalte Abdampfleitung (21) in den
Abdampfkondensator (8), wo dieser als Kondensat niedergeschlagen wird; damit ist der Kreislauf geschlossen. Die Turbinenwelle (22) der Turbine (19) gibt mechanische Energie ab bzw. treibt den Generator (23) zur Stromerzeugung an.
Wegen der Vorwärmung des Kreislaufmediums im Rekuperator (12) kann der Dampferzeuger das verfügbare Thermalwasser nur zu einem begrenzten Anteil abkühlen, was sich nachteilig auf die
Energieeffizienz des Gesamtprozesses auswirkt. Ließe man den Rekuperator (12) weg, so könnte man dem Thermalwasser zwar einen zusätzlichen Wärmebetrag entnehmen, welcher die abzuführende Leistung am Abdampfkondensator (8) erhöht, sodass damit keine Effizienzsteigerung zu erreichen ist.
Das Beispiel zeigt die Anwendung in geothermischen Kraftwerken, jedoch können, in analoger Weise anstatt des Thermalwassers, auch andere (flüssige, dampfförmige und gasförmige) Wärmeträger, z. B. auch Heißwasserströme aus großen Kondensatnetzen, oder heiße Wärmeträgerölströme aus Wärmerückgewinnungsanlagen, Abgas- , Heißluft- oder Druckluftströme einer Nutzung zur
Stromerzeugung zugeführt werden.
Die Patentschrift DE 10 2012 220 188 B4 zeigt z. B. wie in symbiotischer Weise ein ORC-Prozess zur Nutzung der
Zwischenkühlung in Verdichterstationen genutzt werden kann, um die Antriebsleistungen derartiger Verdichterstationen zu
verringern, indem die Turbine des ORC-Prozesses, z. B. über eine Antriebswelle, mit der Verdichterstation gekoppelt ist, um die erforderliche Antriebsleistung dieser Verdichterstation zu verringern; der dazu vorgeschlagene ORC-Prozess, abgesehen von seiner durchaus ambitionierten Integration in die
Gasverdichterstation, entspricht aber nach wie vor dem Stand der Technik . Es hat nicht an weiteren Vorschlägen gefehlt, die Attraktivität und die Effizienz des ORC-Prozesses zu verbessern. Wenn man den Aspekt fokussiert, dass man die verfügbare Wärmequelle und ihren Wärmeträger möglichst weitgehend (und nutzbringend) abkühlt, sind im Wesentlichen zwei Strategien bekannt: a. Der Zwei- oder Mehrdruckprozess: Die Patentschrift DE 11 2010 003 230 B4 offenbart ein thermodynamisches System, bei welchem zwei Abwärmeströme mit verschiedenen Abwärmetemperaturen nicht in einem einzigen Eindruck-Kessel (also im Eindruckprozess), sondern in separaten Hochdruck (HD) - und Niederdruck (ND) - Siedekesseln genutzt werden und die aus einem einzelnen
organischen Fluid stammenden HD- und ND-Dämpfe in auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Turbinen expandiert werden. Es wäre denkbar, auch einen einzigen Wärmestrom (z. B. Thermalwasser) zunächst durch den HD- und dann durch den ND-Kessel fließen zu lassen, wodurch die angestrebte weitere Abkühlung des
Thermalwassers, verbunden mit einer Erhöhung der Stromausbeute, zu erreichen wäre. Dieser erhöhten Energieeffizienz stünden aber einschätzungsgemäß um den Faktor von 1,23 höhere
Anlagekostenkosten gegenüber, da statt eines Kreislaufes mit einer Gesamtleistung beim Eindruckprozess nun zwei Kreisläufe, mit jeweils der halben Gesamtleistung, erforderlich wären, wodurch sich bei einem Anlagekostendegressions-Exponent von 0,7 (vergl. auch PERRY' s Chemical Engineering Handbook) der Faktor zu 2*(1/2)L0,7 = 1,23 ergibt, also die Anlagekosten um 23% höher sind als im Vergleichsfallfall eines Eindruckprozesses. b. Die Einspritzung von flüssigem Kreislaufmedium oder von vollständig vorgewärmtem Kreislaufmedium direkt in die Turbine bzw. in die Expansionsmaschine, wird im US-Patent 5,555,731 bzw. in der internationalen Veröffentlichungs-Nummer WO 2017/008972A1 geoffenbart. Beide Vorschläge würden ein neues Konzept der
Turbine bzw. der Expansionsmaschine erfordern; über die Verfügbarkeit und Anwendung einer derartigen Turbine bzw.
Expansionsmaschine liegen zurzeit keine Informationen vor, sodass diese Strategie nur als Stand des Wissens zu
quantifizieren ist und nicht als gängige Praxis. Ob die kurze Aufenthaltszeit in der Turbine bzw. in der Expansionsmaschine, im Bereich von hundertstel Sekunden, überhaupt ausreicht, um das eingespritzte Kreislaufmedium komplett zu verdampfen, bleibt dahingestellt .
Alle unter den Punkten a. und b. genannten Patente bzw.
Patentschriften offenbaren thermodynamische Systeme in der unterkritischen Prozessführung, sodass bei diesen
Patentvorschlägen auf das zusätzliche Potential der
Effizienzsteigerung durch eine überkritische Prozessführung verzichtet wird. Der gegenständliche Erfindungsvorschlag eignet sich demgegenüber auch trefflich für eine überkritische
Prozessführung, wie in den nachfolgenden Beschreibungen
ausgeführt wird, sodass das Potential der überkritischen
Prozessführung effizienzsteigernd und zusätzlich genutzt werden kann .
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Energie- und Kosteneffizienz des Clausius-Rankine-Kreisprozesses ,
insbesondere für die angesprochene Nutzung von Ab- und
Niedertemperatur-Wärmen, zu erhöhen und trotzdem die angeführten Nachteile der bekannten Prozesse zu vermeiden.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Steigerung der
Energieeffizienz in Clausius-Rankine-Kreisprozessen zur Nutzung von Wärme aus Wärmequellen, insbesondere mit niedrigen
Temperaturniveaus, welche dem Kreisprozess zur Verfügung
gestellt wird und dort in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden, bei welcher ein Kondensat eines
Kreislaufmediums über eine Kondensatleitung einer Kondensatpumpe zugeführt und durch diese druckerhöht wird, dieses
Kreislaufmedium in einem Dampferzeuger unter Wärmeaufnahme aus der Wärmequelle verdampft sowie gegebenenfalls überhitzt und dieser Dampf über eine Frischdampfleitung einer
Expansionsmaschine oder Turbine zur Erzeugung der mechanischen Energie zugeführt wird, dort expandiert und der Abdampf der Expansionsmaschine oder Turbine unter Abgabe der Restwärme außerhalb des Kreisprozesses kondensiert, dadurch
gekennzeichnet, dass im wärmeaufnehmenden Teil des
Kreisprozesses, zwischen einer Kondensatleitung (9) und einer Frischdampfleitung (18), mindestens eine Abzweigung (24) vorgesehen ist, welche einen Strom aus dem Hauptstrom des
Kreislaufmediums abzweigt, diesen über einen Zulauf (26) zu einer Verbindungsstrecke (25) , gegebenenfalls beinhaltend
Förderpumpen (27), Wärmetauscher (28) und Armaturen (29), führt und über einen Ablauf (30), welcher in einem Zumischeintritt (32) eines Mischers (31) mündet, in welchem der abgezweigte Strom mit dem Abdampf aus einer Abdampfleitung (20) einer
Expansionsmaschine oder einer Turbine (19), zur Verfügung gestellt über eine Dampfzuleitung (33), vermischt wird und dieser vermischte Strom über eine Dampfableitung (35) und eine Kalte Abdampfleitung (21) im Kreisprozess zurück- und
weitergeführt wird (Fig. 2, Fig. 8) .
Weiters ist das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium Wasser bzw. Dampf oder Kohlendioxid oder auch eine andere anorganische chemische Verbindung ist; dass das Kreislaufmedium Ethanol oder auch eine andere
organische chemische Verbindung ist; dass das Kreislaufmedium ein synthetisches Kreislaufmedium ist; dass das Kreislaufmedium ein Gemisch ist, welches aus zwei oder mehreren Komponenten besteht; dass das Kreislaufmedium ein Gemisch mit einem erniedrigten Gefrierpunkt, also ein Frostschutzgemisch, wie z. B. Wasser und Glykol oder Ethanol, ist; dass das Kreislaufmedium eine zeotropes Gemisch ist, welches sich während der Wärmeaufnahme auseinander destilliert; dass das Kreislaufmedium ein sorptives Gemisch ist, welches während der Wärmeaufnahme die leichterftüchtige Komponente desorbiert und während der Mischung diese absorbiert; dass das Kreislaufmedium der trockenen Klasse angehört, welche sich bei einer Expansion von dem Nassdampfgebiet entfernt; dass das Kreislaufmedium in einem Dampferzeuger unterkritisch betrieben wird und der Dampferzeuger (4) Heizflächen zur
Vorwärmung (14), zur Verdampfung (16) und gegebenenfalls zur Überhitzung des Kreislaufmediums aufweist (Fig. 2, Fig. 8); dass das Kreislaufmedium im Dampferzeuger überkritisch betrieben wird und der Dampferzeuger (4) Heizflächen zur Vorwärmung (14) und zur Nachwärmung (16) des Kreislaufmediums aufweist (Fig. 2); dass eine Speiseleitung (11) an eine Kesselspeiseleitung (13), gegebenenfalls über eine Armatur und oder eine Abzweigung (24a), schließt (Fig. 8, Fig. 2); dass die Anzahl der Abzweigungen (24) größer ist als die Anzahl der Mischer (31) (Fig. 2, Fig. 8); dass mindestens ein Mischer, vorzugsweise der Mitteldruck- Mischer (31MD), zwei oder mehrere Zumischeintritte, vorzugsweise die beiden Zumischeintritte (32 b und 32 c) , aufweist (Fig. 2, Fig . 8 ) ; dass der Mischer (31) eine Düse oder eine Düsengruppe (34) aufweist, mit welcher der abgezweigte Strom in das Innere des Mischers eingebracht wird (Fig. 4); dass der Mischer (31) Füllkörper (36) aufweist, welche über eine Verrieselungseinrichtung (37) mit dem abgezweigten Strom
berieselt werden (Fig. 5); dass dem Mischer (31) ein Flüssigkeitsabscheider (40)
nachgeschaltet ist (Fig. 6); dass dem Mitteldruck- Mischer (31MD), gegebenenfalls mit dem nachgeschalteten Flüssigkeitsabscheider (40), eine Mitteldruck- Turbine (19MD) nachgeschaltet ist (Fig. 2, Fig. 8); dass dem Niederdruck- Mischer (31ND) ein Abdampfkondensator (8) nachgeschaltet ist (Fig. 2, Fig. 8); dass der Wärmetauscher (28ND) in der Verbindungsstrecke (25ND) zum Niederdruck- Mischer (31ND) die Wärme außerhalb des
Kreisprozesses abgibt (Fig. 2, Fig. 8); dass der Wärmetauscher (28ND) in der Verbindungsstrecke (25ND) zum Niederdruck- Mischer (31ND) die Überhitzungs- und die
Kondensationswärme des Abdampfes der Abdampfleitung (20ND) abführt, sodass die Enthitzung und Kondensation des Abdampfes im Niederdruck- Mischer (31ND) erfolgt und aus der Kalten
Abdampfleitung (21ND) Kondensat kommt und dieses Kondensat direkt in die Kondensatleitung (9) geführt wird (Fig. 2, Fig.
dass eine Abzweigung (24b und/oder 24c) vor dem Ende eines
Vorwärmers (14) erfolgt, welches durch das Erreichen der
geringsten Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeträger und dem Kreislaufmedium charakterisiert ist (Fig. 2, Fig. 7, Fig. 8); dass Abzweigungen (24b und/oder 24c) von Verteilern und/oder Sammlern (43) des Vorwärmers (14), seiner Heizflächenpakete (42) oder seinen Verbindungsleitungen erfolgen (Fig. 7); dass Abzweigungen (24b und/oder 24c) vom Mantelraum des
Vorwärmers (14), bei welchem der Wärmeträger auf der Rohrseite geführt wird, erfolgen (Fig. 8); dass innerhalb der Verbindungsstrecken (25a, 25b, 25c oder 25HD) die jeweiligen Wärmetauscher (28a, 28b, 28c bzw. 28HD) von einer weiteren, externen Wärmequelle beheizt werden; dass der Wärmetauscher (28) der Verbindungsstrecke (25) vor, nach oder parallel zum Vorwärmer (14) angeordnet ist und dieser vom Strom oder Teilstrom des Wärmeträgers beheizt wird (Fig. 9); dass der Wärmetauscher (28) von einem abgezweigten Strom des Wärmeträgers beheizt wird, indem im Bereich des Vorwärmers (14) von der Wärmeträgerseite dieser abgezweigte Strom über eine Bypassabzweigung (44) und ggf. über eine Bypassklappe (45) entnommen und nach der Wärmeabgabe über eine
Bypassrückführleitung (46) dem Hauptstrom zugeführt wird (Fig. dass der Durchsatz und der Zustand des Ablaufes (30) der
Verbindungsstrecke (25) durch die Förderpumpe (27), oder den Wärmetauscher (28), oder die Armatur (29) derart geregelt wird, dass der Zustand in der Kalten Abdampfleitung (21) nahe der Sättigungslinie zu liegen kommt (Fig. 3); dass der Durchsatz des Zustroms zur Verbindungsstrecke (25) über die Bypassabzweigung (44) und die Bypassregelklappe (45) derart geregelt wird, dass die Temperatur des Kreislaufmediums in der Bypassrückführleitung (46) und in einer Rücklaufleitung (5) des Wärmeträgers nahezu gleich ist (Fig. 10); dass die Abzweigung (24 b und/oder 24c) an jenem Ort erfolgt, wo die Vorwärmtemperatur an dieser Abzweigung gleich oder höher ist als die DampfSättigungstemperatur in der Abdampfleitung (20MD) .
Die Erfindung beschreibt eine Energieumwandlungsvorrichtung zur Steigerung der Energieeffizienz in Clausius-Rankine- Kreisprozessen zur Nutzung von Wärme aus Wärmequellen,
insbesondere mit niedrigen Temperaturniveaus, welche dem
Kreisprozess zur Verfügung gestellt wird und dort in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden, bei welcher ein Kondensat eines Kreislaufmediums über eine Kondensatleitung einer Kondensatpumpe zugeführt und durch diese druckerhöht wird, dieses Kreislaufmedium in einem Dampferzeuger unter
Wärmeaufnahme aus der Wärmequelle verdampft sowie gegebenenfalls überhitzt und dieser Dampf über eine Frischdampfleitung einer Expansionsmaschine oder Turbine zur Erzeugung der mechanischen Energie zugeführt wird, dort expandiert und der Abdampf der Expansionsmaschine oder Turbine unter Abgabe der Restwärme außerhalb des Kreisprozesses kondensiert, dadurch
gekennzeichnet, dass im wärmeaufnehmenden Teil der
Energieumwandlungsvorrichtung, zwischen der Kondensatleitung (9) und der Frischdampfleitung (18), mindestens eine Abzweigung (24) vorgesehen ist, welche einen Strom aus dem Hauptstrom des
Kreislaufmediums abzweigt, diesen über einen Zulauf (26) zu der Verbindungsstrecke (25) , gegebenenfalls beinhaltend Förderpumpen (27), Wärmetauscher (28) und Armaturen (29), führt und über einen Ablauf (30), der in einem Zumischeintritt (32) des
Mischers (31) mündet, welcher den abgezweigten Strom mit dem Abdampf aus der Abdampfleitung (20) der Expansionsmaschine oder der Turbine (19), zur Verfügung gestellt über die Dampfzuleitung (33), vermischt und dieser vermischte Strom über die
Dampfableitung (35) und die Kalte Abdampfleitung (21) im
Kreisprozess zurück- und weitergeführt wird (Fig. 2, Fig. 8) .
Weiters ist die Energieumwandlungsvorrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Dampferzeuger (4) mit Heizflächen zur Vorwärmung (14), zur Verdampfung (16) und gegebenenfalls zur Überhitzung des Kreislaufmediums aufweist und das
Kreislaufmedium im Dampferzeuger unterkritisch betrieben wird ( Fig . 2 , Fig . 8 ) ; dass die Vorrichtung einen Dampferzeuger (4) mit Heizflächen zur Vorwärmung (14) und zur Nachwärmung (16) des Kreislaufmediums aufweist und das Kreislaufmedium im Dampferzeuger überkritisch betrieben wird (Fig. 2); dass die Speiseleitung (11) an die Kesselspeiseleitung (13), gegebenenfalls über eine Armatur und oder eine Abzweigung (24a) , schließt (Fig. 8, Fig. 2); dass die Anzahl der Abzweigungen (24) größer ist als die Anzahl der Mischer (31) (Fig. 2, Fig. 8); dass mindestens ein Mischer, vorzugsweise der Mitteldruck- Mischer (31MD), zwei oder mehrere Zumischeintritte, vorzugsweise die beiden Zumischeintritte (32 b und 32 c) , aufweist (Fig. 2, Fig . 8 ) ; dass der Mischer (31) eine Düse oder eine Düsengruppe (34) aufweist, mit welcher der abgezweigte Strom in das Innere des Mischers eingebracht wird (Fig. 4); dass der Mischer (31) Füllkörper (36) aufweist, welche über die Verrieselungseinrichtung (37) mit dem abgezweigten Strom
berieselt werden (Fig. 5); dass dem Mischer (31) ein Flüssigkeitsabscheider (40)
nachgeschaltet ist (Fig. 6); dass dem Mitteldruck- Mischer (31MD), gegebenenfalls mit dem nachgeschalteten Flüssigkeitsabscheider (40), eine Mitteldruck- Turbine (19MD) nachgeschaltet ist (Fig. 2, Fig. 8); dass dem Niederdruck- Mischer (31ND) der Abdampfkondensator (8) nachgeschaltet ist (Fig. 2, Fig. 8); dass der Wärmetauscher (28ND) in der Verbindungsstrecke (25ND) zum Niederdruck- Mischer (31ND) die Wärme außerhalb des
Kreisprozesses abgibt (Fig. 2, Fig. 8); dass der Wärmetauscher (28ND) in der Verbindungsstrecke (25ND) zum Niederdruck- Mischer (31ND) die Überhitzungs- und die
Kondensationswärme des Abdampfes der Abdampfleitung (20ND) abführt, sodass die Enthitzung und Kondensation des Abdampfes im Niederdruck- Mischer (31ND) erfolgt und aus der Kalten
Abdampfleitung (21ND) Kondensat kommt und dieses Kondensat direkt in die Kondensatleitung (9) geführt wird (Fig. 2, Fig.
dass eine Abzweigung (24b und/oder 24c) vor dem Ende des
Vorwärmers (14) erfolgt, welches durch das Erreichen der
geringsten Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeträger und dem Kreislaufmedium charakterisiert ist (Fig. 2, Fig. 7, Fig. 8); dass Abzweigungen (24b und/oder 24c) von Verteilern und/oder Sammlern (43) des Vorwärmers (14), seiner Heizflächenpakete (42) oder seinen Verbindungsleitungen erfolgen (Fig. 7); dass Abzweigungen (24b und/oder 24c) vom Mantelraum des
Vorwärmers (14), bei welchem der Wärmeträger auf der Rohrseite geführt wird, erfolgen (Fig. 8); dass innerhalb der Verbindungsstrecken (25a, 25b, 25c oder 25HD) die jeweiligen Wärmetauscher (28a, 28b, 28c bzw. 28HD) von einer weiteren, externen Wärmequelle beheizt werden; dass der Wärmetauscher (28) der Verbindungsstrecke (25) vor, nach oder parallel zum Vorwärmer (14) angeordnet ist und dieser vom Strom oder Teilstrom des Wärmeträgers beheizt wird (Fig. 9); dass der Wärmetauscher (28) von einem abgezweigten Strom des Wärmeträgers beheizt wird, indem im Bereich des Vorwärmers (14) von der Wärmeträgerseite dieser abgezweigte Strom über die
Bypassabzweigung (44) und ggf. über eine Bypassklappe (45) entnommen und nach der Wärmeabgabe über die
Bypassrückführleitung (46) dem Hauptstrom zugeführt wird (Fig. 10) ; dass der Durchsatz und der Zustand des Ablaufes (30) der
Verbindungsstrecke (25) durch die Förderpumpe (27), oder den Wärmetauscher (28), oder die Armatur (29) derart geregelt wird, dass der Zustand in der Kalten Abdampfleitung (21) nahe der Sättigungslinie zu liegen kommt (Fig. 3); dass der Durchsatz des Zustroms zur Verbindungsstrecke (25) über die Bypassabzweigung (44) und die Bypassregelklappe (45) derart geregelt wird, dass die Temperatur des Kreislaufmediums in der Bypassrückführleitung (46) und in der Rücklaufleitung (5) des Wärmeträgers nahezu gleich ist (Fig. 10); dass die Abzweigung (24 b und/oder 24c) an jenem Ort erfolgt, wo die Vorwärmtemperatur an dieser Abzweigung gleich oder höher ist als die DampfSättigungstemperatur in der Abdampfleitung (20MD) .
Die folgenden Zeichnungen erläutern den Erfindungsgedanken:
Fig. 1 zeigt den bekanntgewordenen, praktizierten und bereits beschriebenen Stand der Technik bei ORC-Prozessen .
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen gemäß den darauffolgenden Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes, vereinfachtes
Verfahrensfließbild .
Fig. 3 zeigt das dazugehörige T(s) - Diagramm.
Die Figuren 4 bis 6 offenbaren beispielsweise Ausführungsformen für den Mischer, und
die Figuren 7 bis 10 vorteilhafte Integrationen von
erfindungsgemäßen Merkmalen mit der Dampferzeugung .
Die Fig. 8 zeigt hierin ein Gesamt-Verfahrensfließbild mit einem Dampferzeuger, bei dem das Kreislaufmedium mantelseitig geführt wird .
Die Fig. 2 zeigt das Schema des erfindungsgemäßen
Kreisprozesses: der erfindungsgemäße Kreisprozess hat keinen Rekuperator, jedoch sind einige Komponenten ähnlich wie im ORC- Kreisprozess gemäß dem derzeitigen Stand der Technik. Im
wärmeaufnehmenden Abschnitt, zwischen der Kondensatleitung (9) und der Frischdampfleitung (18), welche in die Turbine (19) mündet, sind jedoch ein, zwei oder mehrere Abzweigungen (24) vorgesehen, welche Ströme vom Hauptstrom des wärmeaufnehmenden Kreislaufmediums abzweigen; diese abgezweigten Ströme werden über ein, zwei oder mehrere Verbindungsstrecken (25) , bestehend aus jeweils einem Zulauf (26), ggf. Förderpumpen (27),
Wärmetauschern (28) und Armaturen (29) sowie jeweils einem
Ablauf (30), dem in der Abdampfleitung (20) befindlichen Abdampf einer Turbine (19) über ein, zwei oder mehreren Mischern (31) dem Hauptstrom wieder zugeführt. Der Mischer (31) hat
hauptstromseitig eine Dampfzuleitung (33) für den Abdampf und eine Dampfableitung (35) für den Kalten Abdampf; auf Seite des abgezweigten Stroms hat der Mischer in der Regel einen
Zumischeintritt (32), es können aber auch, wie im gezeigten Fall zwei (32b und 32c) sein, oder es können sogar noch mehrere
Zumischeintritte sinnvoll sein. Das Verschalten der Abzweigungen und Verbindungsstrecken, bis hin zum oder zu den Mischern kann vielfältig erfolgen. Im gezeigten Fall, bei welchem die
Gesamtexpansion in einer Hochdruck- Turbine (19HD) und einer Mitteldruck- Turbine (19MD) erfolgt, ist ein Mitteldruck- Mischer (31MD) zwischen der Abdampfleitung (20MD) und der Kalten Abdampfleitung (21MD) vorgesehen. Der signifikante Anstieg der Energieeffizienz ergibt sich daraus, dass der zugemischte abgezweigte Strom, auf Kosten der Überhitzung im Hauptstrom, vollständig verdampft, und der Mitteldruck- Turbine (19MD) ein höherer Dampfstrom zur Expansion zur Verfügung steht, was zu einer Mehrleistung an der Mitteldruck- Turbine (19MD) führt. Dieser Effekt kann dadurch gesteigert werden, indem der
abgezweigte Strom eine Vorwärmung erfährt, z. B. durch die örtliche Wahl der Abzweigung (24b und/oder 24c) innerhalb des Vorwärmers (14) . So ist es möglich, die örtliche Wahl der Abzweigung (24b und/oder 24c) so zu wählen, dass die
Vorwärmtemperatur an dieser Abzweigung kleiner oder gleich der DampfSättigungstemperatur in der Abdampfleitung (20MD) ist. Bei einer darüberhinausgehenden gesteigerten Vorwärmung des
abgezweigten Stroms, gegebenenfalls auch durch die
Inanspruchnahme eines Wärmetauschers (28), kann nach der drosselnden Armatur (29) oder im Mischer (31) selbst eine zusätzliche Entspannungsdampferzeugung stattfinden, was eine weitere Steigerung der Energieeffizienz erbringen kann. Der erfindungsgemäße Kreisprozess eignet sich auch trefflich für eine überkritische Prozessführung; bei dieser überkritischen Betriebsweise auf der Dampferzeugerseite, durch die Wahl eines entsprechenden Kreislaufmediums und des Dampferzeugerdrucks, ist die Durchlaufheizfläche (14, 15, 16) gedanklich in einem
Vorwärmer (14) und in einen „Nachwärmer" (16) zu unterteilen, wobei die Vorwärmung im Vorwärmer (14) thermodynamisch dort endet, wo der Temperaturabstand zwischen den Strömen des
Wärmeträgers und des Kreislaufmediums am geringsten ist.
Insgesamt erlaubt der vorgeschlagene Prozess durch die
niedrigere Temperatur in der Kesselspeiseleitung und dem
erhöhten Durchfluss im Vorwärmer eine tiefere Abkühlung der Wärmeträger und dieser Zugewinn an der übertragenen Wärme kommt der Mehrleistung an Strom zugute. Die stärkere Abkühlung des Thermalwassers führt zudem auch außerhalb des Kreisprozesses, im Gesamtprozess der geothermischen Kraftwerksanlage, zu weiteren Vorteilen .
Eine zusätzliche effizienzsteigernde Maßnahme besteht darin, den überhitzten Abdampf aus der Abdampfleitung (20ND) der
Mitteldruck- Turbine (19MD) über einen Niederdruck- Mischer (31ND) zu führen, zu enthitzen, und erst dann einen
Abdampfkondensator (8), der ein Kondensator mit einer
Wärmetauscheroberfläche ist, zuzuführen. Um diesen positiven Effekt zu erläutern, muss man die Ausgestaltung der betroffenen Apparate mit einbeziehen: mit der vorgeschlagenen Anordnung vermeidet man den schlechten Wärmeübergang des überhitzten
Dampfes an die Wärmetauscheroberfläche, welche nur ein
Dreißigstel (!) so hoch ist jener des kondensierenden Dampfes. Damit ist nicht nur der Aufwand der vorgeschlagenen Anordnung geringer, sondern auch der Druckabfall in den Apparaten, wobei letztliches direkt die Thermodynamik des Kreisprozesses
verbessert. Die resultierende Erhöhung der Energieeffizienz der genannten Maßnahmen kann mit 10 bis 15 % beziffert werden. Die Enthitzung im Mischer (31ND) vor dem Oberflächenkondensator kann naturgemäß gesteigert werden und auch eine (teilweise)
Kondensation des Kreislaufmediums beinhalten, indem die
Verbindungsstecke (25ND) einen Wärmetauscher (28ND) enthält, welcher Wärme (z. B. an die Umgebung oder auch an eine
Wärmeauskopplung) abgibt; im Extremfall kann sogar die
nachgeschaltete Oberflächenkondensation im Abdampfkondensator (8) entbehrlich werden.
In einem völlig anderen Anwendungsfall, wenn der Wärmeträger ein feuchtes Abgas, z. B. aus einer Biomasseverbrennung, ist, und durch die niedrige Kesselspeisetemperatur in Teilen des
Verdampfers auf der Wärmeträgerseite eine Abgaskondensation stattfindet, sind noch weitere Effizienzsteigerungen möglich.
Der Vollständigkeit halber zeigt die Fig. 3 den
erfindungsgemäßen Kreisprozess im T ( s ) -Diagramm. Dieses Diagramm zeigt zweierlei:
Zum Einen zeigt es die thermodynamischen Eigenschaften des gewählten Kreislaufmediums, charakterisiert durch seine
jeweilige Temperatur T, auf der Ordinate, in Abhängigkeit von seiner spezifischen Entropie s, auf der Abszisse, und durch seinen Druck p, auf der entsprechenden Isobaren (p = const. ) ; im Nassdampfgebiet ist zusätzlich der Parameter der Dampfnässe x erforderlich, wobei x = 0 die Siedelinie und x = 1 die
Sattdampflinie der Sättigungslinie beschreibt. Da die
Sattdampflinie „überhängend" ist und sich bei einer isentropen Expansion (s = const.) der Zustand des Kreislaufmediums von der Sattdampflinie entfernt, also überhitzt, handelt es sich im vorliegenden Falle und ein „trockenes" Kreislaufmedium, wie z.
B. Pentan.
Zum Zweiten skizziert der eingezeichnete, im Uhrzeigersinn laufende, Kurvenzug bereits die Merkmale des Kreisprozesses, mit seinen jeweiligen Zuständen (Temperatur, Druck und Entropie) des Kreislaufmediums .
Zur Vereinfachung und wegen der Übersichtlichkeit sind die
Zustände rund um den Mitteldruck- Mischer (31MD) mit nur einer einzigen Abzweigung (24c) vorgesehen und dargestellt. Der abgezweigte Strom aus der Abzweigung (24c) gelangt über den Zulauf (26c) und der Verbindungsstrecke (25c) zu ihrem Ablauf (30c), welcher in den Zumischeintritt (32c) übergeht; da - wieder vereinfachend - innerhalb dieser Verbindungsstrecke kein Wärmetauscher vorgesehen ist, bleiben die Zustände des
abgezweigten Stroms nahezu unverändert.
Das Kreislaufmedium der Kesselspeiseleitung (13) wird in den Vorwärmern (14) bis zur Siedegrenze vorgewärmt, in der
Verbindungsleitung (15) weitergeleitet, im Verdampfer (16) verdampft und über die Frischdampfleitung (18) zur
anschließenden Expansion zur Verfügung gestellt. Die Hochdruck- Turbine (19HD) expandiert den Frischdampf auf Abdampfzustand in der Abdampfleitung (20MD) ; da es sich im gezeigten Beispiel um ein Kreislaufmedium der „trockenen" Fluidklasse handelt, überhitzt der Dampf während der Expansion. Die Überhitzung des Abdampfes aus der Mitteldruck- Abdampfleitung (20MD) wird im Mitteldruck- Mischer (31MD) durch die kontrollierte Zumischung des abgezweigten Stroms der Abzweigung (24c) , welcher über den Zulauf (26c), die Verbindungsstrecke (25c), den Ablauf (30c) und den Zumischeintritt (32c) geführt wird, maximal soweit gesenkt, sodass der Dampfzustand in der Kalten Abdampfleitung (21MD) nahe der Sattdampflinie zu liegen kommt.
Der Ort der Abzweigung der Abzweigung (24c) wurde so gewählt, dass die Vorwärmtemperatur an dieser Abzweigung gleich der
DampfSättigungstemperatur in der Abdampfleitung (20MD) ist.
Eine neuerliche Expansion in der Mitteldruck- Turbine (19MD) führt zu dem Abdampfzustand in der Niederdruck-Abdampfleitung ( 2 OND) .
Der Niederdruck- Mischer (31ND) bewerkstelligt die Enthitzung dieses Abdampfes aus der Niederdruck- Abdampfleitung (20ND) , ebenfalls durch das Zumischen eines abgezweigten Stroms, welcher aber aus der Kondensatleitung (9) stammt. Der abgezweigte Strom aus der Abzweigung (24ND) gelangt über den Zulauf (26ND) der Verbindungsstrecke (25ND) zu ihrem Ablauf (30ND), welcher in den Zumischeintritt (32ND) übergeht; da - wieder vereinfachend - innerhalb dieser Verbindungsstrecke kein Wärmetauscher
vorgesehen ist, bleiben die Zustände des abgezweigten Stroms nahezu unverändert. Die Menge des abgezweigten Stroms wird vorzugsweise derart geregelt, sodass der Dampfzustand an der Kalten Niederdruck-Abdampfleitung (21ND) im Wesentlichen
gesättigt ist und der Abdampfkondensator (8) überwiegend den gesättigten Dampf niederschlägt, welcher als Kondensat in der Kondensatleitung (9) wieder in den Kreislauf zurückkehrt.
Sinngemäß kann der abgezweigte Strom auch aus der Speiseleitung (11), also nach der Kondensatpumpe (10), mit einem erhöhten Druck, aus der Abzweigung (24a) abgezweigt werden; dies wurde im vorliegenden Diagramm nicht extra dargestellt, da die Kurvenzüge und Zustände nahezu ident mit denen des dargestellten Diagramms sind .
Neben den erwähnten energetischen Effekten der Abzweigung und Mischung ist noch ein ganz besonderer Vorteil der
vorgeschlagenen Erfindung zu bemerken: durch das Zumischen können neben monovalenten Kreislaufmedien (Wasser, organische, synthetische und andere Medien) auch Kreislaufmediums- Gemische verwendet werden, welche sich bei der Wärmeaufnahme
auseinanderdestillieren. Damit ist das Einsatzgebiet dieser Technologie wesentlich, um die sogenannten zeotropen Gemische, erweitert. Weiters können sogar absorptive Arbeitsstoffpaare (wie z. B. in der Technologie der Absorptionskälteanlagen) verwendet werden, bei denen es dann durch die Mischung zur
Absorption, verbunden mit einer Temperaturerhöhung, kommt;
dadurch wird der Mischer zwischen der Hochdruck- Turbine und der Mitteldruck- Turbine zum Zwischenüberhitzer, mit den bekannten thermodynamischen Vorteilen.
Die Mischer (31) können unterschiedlich ausgeführt werden, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen:
Fig. 4 zeigt eine Ausführung des Mischers (31), mit einer an die Abdampfleitung (20) anschließenden Dampfzuleitung (33), und einer Dampfableitung (35), die in die Kalte Abdampfleitung (21) mündet, wobei der abgezweigte Strom über den Ablauf (30) der Verbindungsstrecke (25) zum Zumischeintritt (32) des Mischers gelangt und dort über eine Düse oder eine Düsengruppe (34) in das Innere des Mischers gebracht wird.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung des Mischers als Rieselapparat, mit einer Dampfzuleitung (33), einem Zumischeintritt (32), mit
Füllkörpern (36) , wobei der abgezweigte Strom über eine Verrieselungseinrichtung (37) innerhalb des Verteilraumes (38) des Mischers (31) verteilt wird und der gemischte Strom im
Sammelraum (39) des Mischers (31) gesammelt und über die
Dampfableitung (35) abgeführt wird.
Es können jeweils ein, zwei oder mehrere Zumischeintritte pro Mischer vorliegen.
Wie die Fig. 6 zeigt, kann dem eigentlichen Mischer (31) auch ein Flüssigkeitsabscheider (40) zur Reduktion der Dampfnässe oder zur Verlängerung der Kontaktzeit nachgeschaltet werden. Dieser Flüssigkeitsabscheider kann z. B. als
Feuchteabscheidezyklon, oder als „Demister", mit einer Packung aus Drahtgeflecht zum Auffangen von Feuchtigkeitstropfen
ausgeführt werden, wobei die allenfalls abgeschiedene
Flüssigkeit über einen Flüssigkeitsabfluss (41) ausgeschleust und vorzugsweise dem Hauptstrom des Prozesses zugemischt bzw. rückgeführt wird.
Die Abzweigungen können ebenfalls unterschiedlich ausgeführt werden, wie z. B. die in der Fig. 2 gezeigte Hochdruck- Abzweigung (24HD) , welche die Dampfnässe aus dem (nassen)
Frischdampf abzweigt, oder Abzweigungen, die nur in der
flüssigen Phase arbeiten (und bei denen die Zustände im
abgezweigten Strom stets den Zuständen im Hauptstrom an der Abzweigung gleichen) .
Die Ausführungsformen der Abzweigungen hängen auch von der
Bauart des Dampferzeugers ab. Wird z. B. das Kreislaufmedium auf der Rohrinnenseite der Heizfläche des Dampferzeugers (4) geführt und besteht die Heizfläche aus einem durchgehenden Rohrstrang, so können die Abzweigungen z. B. als T- oder Y-Rohrabzweigungen, wie in der Fig. 2 angedeutet, ausgeführt werden; besteht hingegen die Heizfläche aus mehreren parallelgeschalteten
Rohrsträngen, aus Heizflächenpaketen (42), die am Anfang
Verteiler und am Ende Sammler (43) aufweisen, so kann es baulich vorteilhaft sein, die Abzweigung im Verteiler oder Sammler zu integrieren, indem diesen ein abgezweigter Strom über den Zulauf (26) zur Verbindungsstrecke (25) entnommen wird, wie in der Fig. 7 gezeigt wird.
Wird, in Gegensatz dazu, der Wärmeträger rohrseitig und das Kreislaufmedium mantelseitig geführt, wie in der Fig. 8 gezeigt, so sind die Abzweigungen (24b und 24c) am Mantel des Vorwärmers (14), in Form von Entnahmestutzen, ausgebildet. Der
verfahrenstechnische Informationsgehalt dieses Schaltbildes entspricht dem des Schaltbildes der Fig. 2, mit der
Vereinfachung, dass bei den „nur" die Abzweigungen (24ND, 24b und 24c) , mit den dazugehörigen Verbindungsstrecken (25ND, 25b und 25c) vorgesehen und dargestellt sind; dieses Schaltbild steht im Einklang mit dem Erfindungsgedanken, wonach mindestens eine Abzweigung, mindestens eine Verbindungsstecke und
mindestens ein Mischer vorgesehen ist.
In jedem Fall ist der Mehraufwand gering, um die
erfindungsgemäßen Abzweigungen zu bewerkstelligen, sodass es durchaus sinnvoll sein kann, im erfindungsgemäßen Kreisprozess mehr Abzweigungen als Mischer vorzusehen.
Die Fig. 9 zeigt eine Variante, insbesondere zur Fig. 7. Es kann nämlich baulich und betrieblich vorteilhaft sein, wenn der
Wärmetauscher (28) der Verbindungsstrecke (25) mit einem
abgezweigten Strom des Wärmeträgers innerhalb des Dampferzeugers (4) beheizt wird und der Wärmetauscher (28), aus der Sicht des Wärmeträgers, also z. B. des Thermalwassers, parallel zum
Vorwärmer (14), oder in Serie zu dem Vorwärmer oder auch
zwischen Vorwärmerteilen (14a, 14b, 14c), oder auch ineinander verschachtelt (in Form eines „Gemischten Heizflächenbündels") geschaltet ist. Wie die Fig. 9 zeigt, wird beispielsweise der abgezweigte Strom des Kreislaufmediums in der Abzweigung (24) vor der Kondensatpumpe (10) entnommen, mit der Förderpumpe (27) zum Wärmetauscher (28) geführt, und über eine Armatur (29) zum Ablauf (30) der Verbindungsstrecke (25) gebracht. Der Ablauf (30) der Verbindungsstrecke (25) ist dabei vorteilhafterweise mit dem Mitteldruck- Mischer (31MD) verbunden.
Fig. 10 zeigt eine Variante von Fig. 9, mit dem gleichen
thermodynamischen Effekt und den gleichen Erfindungsmerkmalen. Hier ist der Wärmetauscher (28) allerdings außerhalb des
Dampferzeugers (4) angeordnet und der Wärmetauscher (28) wird über einen abgezweigten Strom des Wärmeträgers („Bypassstrom") beheizt, welcher dem Dampferzeuger (4) über eine
Bypassabzweigung (44), und ggf. über eine Bypassregelklappe (45), entnommen wird. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird über die Bypassrückführleitung (46) ggf. dem Hauptstrom des
Wärmeträgers hinzugeführt, wobei vorzugsweise der abgekühlte abgezweigte Strom und der abgekühlte Hauptstrom die gleiche Temperatur aufweisen. Diese Variante erlaubt eine gewisse
Regelung zur Maximierung der Effizienz, sie ist aber, vor allem bei gasförmigen Wärmeträger (Abgase, Abluft, feuchte Gasströme) mit einem gewissen Mehraufwand verbunden. Statt einer Beheizung des Wärmetauschers (28) über den Bypassstrom kann die Beheizung auch über eine weitere, externe Wärmequelle erfolgen. Legende :
1. Produktionsbohrung (Wärmequelle)
2. Filter
3. Thermalwasserleitung bzw. Wärmeträgerleitung
4. Dampferzeuger
5. Rücklaufleitung
6. Rückführpumpe
7. Verpressbohrung
8. Abdampfkondensator (Wärmesenke)
9. Kondensatleitung
10. Kondensatpumpe
11. Speiseleitung
12. Rekuperator
13. Kesselspeiseleitung
14. Vorwärmer
15. Verbindungsleitung (des Kreislaufmediums) zwischen Vorwärmer und Verdampfer bzw. Nachwärmer
16. Verdampfer, gegebenenfalls mit einem nachgeschalteten
Überhitzer, bzw. Nachwärmer
17. Verbindungskanal (des Wärmeträgers) zwischen Verdampfer und Vorwärmer
18. Frischdampfleitung
19. Expansionsmaschine oder Turbine (für die Eintrittsdrücke HD oder MD)
20. Abdampfleitung
21. Kalte Abdampfleitung
22. Turbinenwelle
23. Generator
24. Abzweigung
25. Verbindungsstrecke
26. Zulauf
27. Förderpumpe
28. Wärmetauscher
29. Armatur 30. Ablauf
31. Mischer (für die Druckniveaus HD, MD oder ND)
32. Zumischeintritt
33. Dampfzuleitung
34. Düse oder Düsengruppe
35. Dampfableitung
36. Füllkörper
37. Verrieselungseinrichtung
38. Verteilraum
39. Sammelraum
40. Flüssigkeitsabscheider
41. Flüssigkeitsabfluss
42. Heizflächenpaket
43. Verteiler bzw. Sammler
44. Bypassabzweigung
45. Bypassregelklappe
46. Bypassrückführleitung
HD ... Hochdruck (Frischdampfdruck)
MD ... Mitteldruck
ND ... Niederdruck (Abdampfdruck)
a, b, c, d ... mehrere Komponenten mit ähnlichen verfahrensmäßigen Aufgaben

Claims

( Patent- ) Ansprüche
1. Verfahren zur Steigerung der Energieeffizienz in Clausius- Rankine-Kreisprozessen zur Nutzung von Wärme aus Wärmequellen, insbesondere mit niedrigen Temperaturniveaus, welche dem
Kreisprozess zur Verfügung gestellt wird und dort in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden, bei welcher ein Kondensat eines Kreislaufmediums über eine Kondensatleitung einer Kondensatpumpe zugeführt und durch diese druckerhöht wird, dieses Kreislaufmedium in einem Dampferzeuger unter
Wärmeaufnahme aus der Wärmequelle verdampft sowie gegebenenfalls überhitzt und dieser Dampf über eine Frischdampfleitung einer Expansionsmaschine oder Turbine zur Erzeugung der mechanischen Energie zugeführt wird, dort expandiert und der Abdampf der Expansionsmaschine oder Turbine unter Abgabe der Restwärme außerhalb des Kreisprozesses kondensiert, dadurch
gekennzeichnet, dass im wärmeaufnehmenden Teil des
Kreisprozesses, zwischen einer Kondensatleitung (9) und einer Frischdampfleitung (18), mindestens eine Abzweigung (24) vorgesehen ist, welche einen Strom aus dem Hauptstrom des
Kreislaufmediums abzweigt, diesen über einen Zulauf (26) zu einer Verbindungsstrecke (25) , gegebenenfalls beinhaltend
Förderpumpen (27), Wärmetauscher (28) und Armaturen (29), führt und über einen Ablauf (30), welcher in einem Zumischeintritt (32) eines Mischers (31) mündet, in welchem der abgezweigte Strom mit dem Abdampf aus einer Abdampfleitung (20) einer
Expansionsmaschine oder einer Turbine (19), zur Verfügung gestellt über eine Dampfzuleitung (33), vermischt wird und dieser vermischte Strom über eine Dampfableitung (35) und eine Kalte Abdampfleitung (21) im Kreisprozess zurück- und
weitergeführt wird (Fig. 2, Fig. 8) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kreislaufmedium Wasser bzw. Dampf oder Kohlendioxid oder auch eine andere anorganische chemische Verbindung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kreislaufmedium Ethanol oder auch eine andere organische
chemische Verbindung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kreislaufmedium ein synthetisches Kreislaufmedium ist.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium ein Gemisch ist, welches aus zwei oder mehreren Komponenten besteht.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium ein Gemisch mit einem erniedrigten Gefrierpunkt, also ein Frostschutzgemisch, wie z. B. Wasser und Glykol oder Ethanol, ist.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium eine zeotropes Gemisch ist, welches sich während der Wärmeaufnahme auseinander destilliert .
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium ein sorptives
Gemisch ist, welches während der Wärmeaufnahme die
leichterflüchtige Komponente desorbiert und während der Mischung diese absorbiert.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium der trockenen Klasse angehört, welche sich bei einer Expansion von dem Nassdampfgebiet entfernt.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium in einem Dampferzeuger unterkritisch betrieben wird und der
Dampferzeuger (4) Heizflächen zur Vorwärmung (14), zur
Verdampfung (16) und gegebenenfalls zur Überhitzung des
Kreislaufmediums aufweist (Fig. 2, Fig. 8) .
11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium im Dampferzeuger überkritisch betrieben wird und der Dampferzeuger (4) Heizflächen zur Vorwärmung (14) und zur Nachwärmung (16) des Kreislaufmediums aufweist (Fig. 2) .
12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speiseleitung (11) an eine Kesselspeiseleitung (13), gegebenenfalls über eine
Armatur und oder eine Abzweigung (24a), schließt (Fig. 8, Fig.
2) .
13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der
Abzweigungen (24) größer ist als die Anzahl der Mischer (31)
( Fig . 2 , Fig . 8 ) .
14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mischer, vorzugsweise der Mitteldruck- Mischer (31MD), zwei oder mehrere Zumischeintritte, vorzugsweise die beiden Zumischeintritte (32 b und 32 c) , aufweist (Fig. 2, Fig. 8) .
15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (31) eine Düse oder eine Düsengruppe (34) aufweist, mit welcher der abgezweigte Strom in das Innere des Mischers eingebracht wird (Fig. 4) .
16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (31)
Füllkörper (36) aufweist, welche über eine
Verrieselungseinrichtung (37) mit dem abgezweigten Strom
berieselt werden (Fig. 5) .
17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mischer (31) ein Flüssigkeitsabscheider (40) nachgeschaltet ist (Fig. 6) .
18. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mitteldruck- Mischer
(31MD), gegebenenfalls mit dem nachgeschalteten
Flüssigkeitsabscheider (40), eine Mitteldruck- Turbine (19MD) nachgeschaltet ist (Fig. 2, Fig. 8) .
19. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Niederdruck- Mischer
(31ND) ein Abdampfkondensator (8) nachgeschaltet ist (Fig. 2,
Fig . 8 ) .
20. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (28ND) in der Verbindungsstrecke (25ND) zum Niederdruck- Mischer (31ND) die Wärme außerhalb des Kreisprozesses abgibt (Fig. 2, Fig. 8) .
21. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (28ND) in der Verbindungsstrecke (25ND) zum Niederdruck- Mischer (31ND) die Überhitzungs- und die Kondensationswärme des Abdampfes der Abdampfleitung (20ND) abführt, sodass die Enthitzung und
Kondensation des Abdampfes im Niederdruck- Mischer (31ND) erfolgt und aus der Kalten Abdampfleitung (21ND) Kondensat kommt und dieses Kondensat direkt in die Kondensatleitung (9) geführt wird (Fig. 2, Fig. 8) .
22. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigung (24b und/oder 24c) vor dem Ende eines Vorwärmers (14) erfolgt, welches durch das Erreichen der geringsten Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeträger und dem Kreislaufmedium charakterisiert ist (Fig. 2, Fig. 7, Fig. 8) .
23. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abzweigungen (24b und/oder 24c) von Verteilern und/oder Sammlern (43) des
Vorwärmers (14), seiner Heizflächenpakete (42) oder seinen
Verbindungsleitungen erfolgen (Fig. 7) .
24. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abzweigungen (24b und/oder 24c) vom Mantelraum des Vorwärmers (14), bei welchem der Wärmeträger auf der Rohrseite geführt wird, erfolgen (Fig.
8) .
25. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der
Verbindungsstrecken (25a, 25b, 25c oder 25HD) die jeweiligen Wärmetauscher (28a, 28b, 28c bzw. 28HD) von einer weiteren, externen Wärmequelle beheizt werden.
26. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (28) der Verbindungsstrecke (25) vor, nach oder parallel zum
Vorwärmer (14) angeordnet ist und dieser vom Strom oder
Teilstrom des Wärmeträgers beheizt wird (Fig. 9) .
27. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (28) von einem abgezweigten Strom des Wärmeträgers beheizt wird, indem im Bereich des Vorwärmers (14) von der Wärmeträgerseite dieser abgezweigte Strom über eine Bypassabzweigung (44) und ggf. über eine Bypassklappe (45) entnommen und nach der
Wärmeabgabe über eine Bypassrückführleitung (46) dem Hauptstrom zugeführt wird (Fig. 10) .
28. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz und der Zustand des Ablaufes (30) der Verbindungsstrecke (25) durch die Förderpumpe (27), oder den Wärmetauscher (28), oder die Armatur (29) derart geregelt wird, dass der Zustand in der Kalten
Abdampfleitung (21) nahe der Sättigungslinie zu liegen kommt ( Fig . 3 ) .
29. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz des
Zustroms zur Verbindungsstrecke (25) über die Bypassabzweigung (44) und die Bypassregelklappe (45) derart geregelt wird, dass die Temperatur des Kreislaufmediums in der Bypassrückführleitung (46) und in einer Rücklaufleitung (5) des Wärmeträgers nahezu gleich ist (Fig. 10) .
30. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigung (24 b und/oder 24c) an jenem Ort erfolgt, wo die Vorwärmtemperatur an dieser Abzweigung gleich oder höher ist als die
DampfSättigungstemperatur in der Abdampfleitung (20MD) .
31. Energieumwandlungsvorrichtung zur Steigerung der
Energieeffizienz in Clausius-Rankine-Kreisprozessen zur Nutzung von Wärme aus Wärmequellen, insbesondere mit niedrigen
Temperaturniveaus, welche dem Kreisprozess zur Verfügung
gestellt wird und dort in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden, bei welcher ein Kondensat eines
Kreislaufmediums über eine Kondensatleitung einer Kondensatpumpe zugeführt und durch diese druckerhöht wird, dieses
Kreislaufmedium in einem Dampferzeuger unter Wärmeaufnahme aus der Wärmequelle verdampft sowie gegebenenfalls überhitzt und dieser Dampf über eine Frischdampfleitung einer
Expansionsmaschine oder Turbine zur Erzeugung der mechanischen Energie zugeführt wird, dort expandiert und der Abdampf der Expansionsmaschine oder Turbine unter Abgabe der Restwärme außerhalb des Kreisprozesses kondensiert, dadurch
gekennzeichnet, dass im wärmeaufnehmenden Teil der
Energieumwandlungsvorrichtung, zwischen der Kondensatleitung (9) und der Frischdampfleitung (18), mindestens eine Abzweigung (24) vorgesehen ist, welche einen Strom aus dem Hauptstrom des
Kreislaufmediums abzweigt, diesen über einen Zulauf (26) zu der Verbindungsstrecke (25) , gegebenenfalls beinhaltend Förderpumpen (27), Wärmetauscher (28) und Armaturen (29), führt und über einen Ablauf (30), der in einem Zumischeintritt (32) des
Mischers (31) mündet, welcher den abgezweigten Strom mit dem Abdampf aus der Abdampfleitung (20) der Expansionsmaschine oder der Turbine (19), zur Verfügung gestellt über die Dampfzuleitung (33), vermischt und dieser vermischte Strom über die Dampfableitung (35) und die Kalte Abdampfleitung (21) im Kreisprozess zurück- und weitergeführt wird (Fig. 2, Fig. 8) .
32. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Dampferzeuger (4) mit Heizflächen zur Vorwärmung (14), zur Verdampfung (16) und gegebenenfalls zur Überhitzung des Kreislaufmediums aufweist und das Kreislaufmedium im Dampferzeuger unterkritisch betrieben wird (Fig. 2, Fig. 8) .
33. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Dampferzeuger (4) mit Heizflächen zur Vorwärmung (14) und zur Nachwärmung (16) des Kreislaufmediums aufweist und das Kreislaufmedium im Dampferzeuger überkritisch betrieben wird (Fig. 2) .
34. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseleitung (11) an die Kesselspeiseleitung (13), gegebenenfalls über eine Armatur und oder eine Abzweigung (24a) , schließt (Fig. 8, Fig. 2) .
35. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Abzweigungen (24) größer ist als die Anzahl der Mischer (31) (Fig. 2, Fig. 8) .
36. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mischer, vorzugsweise der Mitteldruck- Mischer (31MD), zwei oder mehrere Zumischeintritte, vorzugsweise die beiden Zumischeintritte (32 b und 32 c) , aufweist (Fig. 2, Fig . 8 ) .
37. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (31) eine Düse oder eine Düsengruppe (34) aufweist, mit welcher der abgezweigte Strom in das Innere des Mischers eingebracht wird (Fig. 4) .
38. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (31) Füllkörper (36) aufweist, welche über die Verrieselungseinrichtung (37) mit dem abgezweigten Strom berieselt werden (Fig. 5) .
39. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mischer (31) ein Flüssigkeitsabscheider (40)
nachgeschaltet ist (Fig. 6) .
40. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mitteldruck- Mischer (31MD), gegebenenfalls mit dem nachgeschalteten Flüssigkeitsabscheider (40), eine Mitteldruck- Turbine (19MD) nachgeschaltet ist (Fig. 2, Fig. 8) .
41. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Niederdruck- Mischer (31ND) der Abdampfkondensator (8) nachgeschaltet ist (Fig. 2, Fig. 8) .
42. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (28ND) in der Verbindungsstrecke (25ND) zum Niederdruck- Mischer (31ND) die Wärme außerhalb des
Kreisprozesses abgibt (Fig. 2, Fig. 8) .
43. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (28ND) in der Verbindungsstrecke (25ND) zum Niederdruck- Mischer (31ND) die Überhitzungs- und die
Kondensationswärme des Abdampfes der Abdampfleitung (20ND) abführt, sodass die Enthitzung und Kondensation des Abdampfes im Niederdruck- Mischer (31ND) erfolgt und aus der Kalten
Abdampfleitung (21ND) Kondensat kommt und dieses Kondensat direkt in die Kondensatleitung (9) geführt wird (Fig. 2, Fig.
44. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigung (24b und/oder 24c) vor dem Ende des
Vorwärmers (14) erfolgt, welches durch das Erreichen der
geringsten Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeträger und dem Kreislaufmedium charakterisiert ist (Fig. 2, Fig. 7, Fig. 8) .
45. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abzweigungen (24b und/oder 24c) von Verteilern und/oder Sammlern (43) des Vorwärmers (14), seiner Heizflächenpakete (42) oder seinen Verbindungsleitungen erfolgen (Fig. 7) .
46. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abzweigungen (24b und/oder 24c) vom Mantelraum des
Vorwärmers (14), bei welchem der Wärmeträger auf der Rohrseite geführt wird, erfolgen (Fig. 8) .
47. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Verbindungsstrecken (25a, 25b, 25c oder 25HD) die jeweiligen Wärmetauscher (28a, 28b, 28c bzw. 28HD) von einer weiteren, externen Wärmequelle beheizt werden.
48. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (28) der Verbindungsstrecke (25) vor, nach oder parallel zum Vorwärmer (14) angeordnet ist und dieser vom Strom oder Teilstrom des Wärmeträgers beheizt wird (Fig. 9) .
49. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (28) von einem abgezweigten Strom des Wärmeträgers beheizt wird, indem im Bereich des Vorwärmers (14) von der Wärmeträgerseite dieser abgezweigte Strom über die
Bypassabzweigung (44) und ggf. über eine Bypassklappe (45) entnommen und nach der Wärmeabgabe über die
Bypassrückführleitung (46) dem Hauptstrom zugeführt wird (Fig. 10) .
50. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz und der Zustand des Ablaufes (30) der
Verbindungsstrecke (25) durch die Förderpumpe (27), oder den Wärmetauscher (28), oder die Armatur (29) derart geregelt wird, dass der Zustand in der Kalten Abdampfleitung (21) nahe der Sättigungslinie zu liegen kommt (Fig. 3) .
51. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz des Zustroms zur Verbindungsstrecke (25) über die Bypassabzweigung (44) und die Bypassregelklappe (45) derart geregelt wird, dass die Temperatur des Kreislaufmediums in der Bypassrückführleitung (46) und in der Rücklaufleitung (5) des Wärmeträgers nahezu gleich ist (Fig. 10) .
52. Energieumwandlungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigung (24 b und/oder 24c) an jenem Ort erfolgt, wo die Vorwärmtemperatur an dieser Abzweigung gleich oder höher ist als die DampfSättigungstemperatur in der Abdampfleitung (20MD) .
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