AT510809A1 - Vorrichtung zur abwärmenutzung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, die mittels mit einem ORC-Fluid betriebenen ORC-Kreisläufen umgesetzt werden, wobei ein ORC-Kreislauf zumindest eine Arbeitsmittelpumpe, zumindest einen Wärmetauscher, zumindest eine Expansionsvorrichtung zum Antrieb eines Generators und zumindest eine Kondensationsvorrichtung aufweist, wobei zumindest ein erster ORC-Kreislauf (42) und zumindest ein zweiter ORC-Kreislauf (43) mit je zumindest einer Arbeitsmittelpumpe (32, 32'), je zumindest einem Vorwärm-Wärmetauscher (33, 33'), je zumindest einem Verdampfungswärmetauscher (34, 34') vorgesehen sind, wobei die ORC-Kreisläufe (42, 43) über zumindest eine gemeinsame Expansionsvorrichtung (36) miteinander gekoppelt sind und eine gemeinsame Kondensationsvorrichtung (38) aufweisen. Die Erfindung betrifft weiters einen Mischkondensator (18) zur Verwendung als Kondensationsvorrichtung in einer solchen Vorrichtung zur Abwärmenutzung.

Description

PI 1925

Vorrichtung zur Abwärmenutzung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, die mittels mit einem ORC-Fluid betriebenen ORC-Kreisläufen umgesetzt werden, wobei ein ORC-Kreislauf zumindest eine Arbeitsmittelpumpe, zumindest einen Wärmetauscher, zumindest eine Expansionsvorrichtung zum Antrieb eines Generators und zumindest eine Kondensationsvorrichtung aufweist.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Mischkondensationsvorrichtung zur Verwendung als Kondensationsvorrichtung in der oben genannten Vorrichtung zur Abwärmenutzung.

Wie weiter unten noch genauer ausgeführt wird, kann es sich bei dem erwähnten ORC-Fluid um ein Medium verschiedener Aggregatzustände, beispielsweise flüssig oder gas- bzw. dampfförmig, handeln.

Die Nutzung der Abwärme thermodynamischer Prozessabläufe, beispielsweise Rest- oder Abwärme von Industrieanlagen oder der Verbrennungskraftmaschine eines Blockheizkraftwerks (BHKW), durch Abwärmenutzungsanlagen unter Anwendung von ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozessen ist allgemein bekannt, Der ORC-Prozess ist dabei im Wesentlichen ein Verfahren zum Betrieb von Expansionsvorrichtungen wie Gas- oder Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf, nämlich organischen bzw. synthetische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur.

Unter Abwärme werden Wärmeströme verstanden, die aus anderen Prozessabläufen entstehen. Wärmeströme sind Fluide, die entweder statisch in Behältern vorhanden sind oder dynamisch mittels Strömungen bewegt werden. Wärmeströme haben dabei Temperaturen die höher sind als die Umgebungstemperaturen. Wärmeströme sind somit Fluide im flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand, die Wärme konvektiv, strahlend oder leitend zur Verfügung stellen.

Die Nutzung dieser Wärmeströme erfolgt durch Übertragung der Wärme auf andere Fluide, die als Arbeitsfluid zur Erzeugung von mechanischer bzw. (in weiterer Folge) elektrischer Energie genutzt werden. Eine derartige Nutzung in Form des Wasser-Dampfkreislaufes ist allgemein bekannt.

Im Laufe der folgenden Ausführungen werden die Begriffe Niedertemperatur (NT) und Hochtemperatur (HT) verwendet. Niedertemperatur bezeichnet dabei Temperaturen von 50°C bis 90°C. Hochtemperatur bezeichnet Temperaturen von 135°C bis 400°C und höher. Prozesse, bei denen die oben erwähnten Abwärmenutzungsanlagen zum Einsatz kommen, produzieren also Abwärme, die bis maximal 90°C als Niedertemperatur klassifiziert wdrd und bei Temperaturen von 135°C bis 400°C als Hochtemperatur bezeichnet wird.

Der Aufbau und die Funktion des dem ORC-Frozess zugrunde liegenden Wasser-Dampfkreislaufes sind hinlänglich und allgemein bekannt. Daher wird auf diese Technologie an dieser Stelle nicht weiter eingegangen. Im ORC wird als Arbeitsfluid (in weiterer Folge auch als ORC-Fluid bezeichnet) kein Wasser verwendet, sondern organische Fluide, wie z.B. 1, 1, 3, 3, 3 Pentafluoropropan (R245fa), Kohlendioxid (CO2, bzw. R744 - im weiteren Text werden diese Begriffe synonym für Kohlendioxid verwendet), Butan (R600) und Propan (R290). Die ORC-Fluide Kohlendioxid, Butan und Propan sind natürliche ORC-Fluide. Die Fluide R245fa und R227ea (1, 1, 1, 2, 2, 3, 3, 3 Heptafluoropropan) sind synthetische organische ORC-Fluide.

Butan hat erhebliche Nachteile, da seine Entflammbarkeit umfangreiche technische Maßnahmen notwendig macht. Nachteilig an Butan und Propan sind weiters die geringen Einsatztemperaturen, bzw. die Einsatzbereiche. Für Propan ist beispielsweise nur eine Niedertemperaturanwendung möglich. Butan kann zwar bis zu Temperaturen von 145°C verwendet werden, aber ein direkter Kontakt mit einem Abwärmeträger ist technisch zur schwer zu realisieren, da die Entflammbarkeit einen erheblichen Nachteil darstellt.

Das synthetische ORC-Fluid R245fa ist zwar bis zu einer Verdampfungstemperatur von 145°C einsetzbar, ist allerdings hochtoxisch und wreist ein sehr hohes Treibhauspotential auf. Außerdem sind höhere Verdampfungstemperaturen nur im transkritischen Bereich möglich, was technologisch schwer zu realisieren ist und daher für die Anwendung in der Energieerzeugung ausscheidet.

Das synthetische ORC-Fluid R227ea ist mit dem Verhalten und Einsatz von Propan vergleichbar. R227ea ist zwar nicht brenn- und entflammbar, kann aber so wie Propan nur im Niedertemperaturbereich eingesetzt werden. Des Weiteren ist es hoch toxisch und weist ein hohes Treibhauspotential auf.

Die ORC-Fluide Propan und R227ea können also nur im Niedertemperaturbereich bis zu einer Verdampfungstemperatur von maximal 85°C eingesetzt wTerden. Eine Kombination von Niedertemperatur- und Hochtemperatur-ORC-Fluiden bedingt eine getrennte Kreislaufführung und damit Nachteile in der Prozessführung und Anlagetechnik. Die Mischung zweier solcher Fluide im Bereich der Expansionsvorrichtung ist nicht möglich. -3- PI 1925

Einerseits mangelt es also im Stand der Technik an ORC-Fluiden, die die volle Bandbreite der theoretisch zur Verfügung stehenden Wärmeströme ausnutzen können und gleichzeitig sicher im Betrieb sind.

Andererseits sind die (elektrischen) Wirkungsgrade bekannter ORC-Prozesse aufgrund der Anlehnung an den Wasser-Dampfkreislauf noch sehr schlecht. Es gibt daher zunehmend Versuche, Vorrichtungen zu entwickeln, mit denen sich dieser Wirkungsgrad steigern lässt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2008 013 545 Al eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen mittels ORC-Prozess, dessen Wirkungsgrad mit einem ergänzenden Schmiermittelkreislauf verbessert werden soll. Die WO 2010/106089 A2 beschreibt ein Verfahren zur Dampferzeugung, beispielsweise mit einem ORC-Dampferzeuger, dem zur Erhöhung des Wirkungsgrads ein thermischer Generator vorgeschaltet ist. Die DE 199 07 512 Al beschreibt eine Vorrichtung zur Energieumwandlung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, wobei der Wirkungsgrad durch eine mindestens zweistufige kaskadierte Anordnung von ORC-Kreisprozessen verbessert werden soll.

Allen diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie entweder aufwändige Vorrichtungen benötigen oder den Wirkungsgrad nicht ausreichend steigern können. Auf die Problematik geeigneter ORC-Fluide wird im Stand der Technik nicht näher eingegangen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung zu schaffen, die einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht und einfach im Aufbau ist.

Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Vorrichtung zur Abwärmenutzung (im Folgenden: Abwärmenutzungsanlage) erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein erster ORC-Kreislauf und zumindest ein zweiter ORC-Kreislauf mit je zumindest einer Arbeitsmittelpumpe, je zumindest einem Vorwärm-Wärmetauscher, je zumindest einem Verdampfungswärmetauscher vorgesehen sind, wobei die ORC-Kreisläufe über zumindest eine gemeinsame Expansionsvorrichtung miteinander gekoppelt sind und eine gemeinsame Kondensationsvorrichtung aufweisen.

Die Erfindung erlaubt die Kombination verschiedener ORC-Kreisläufe unterschiedlicher Druckstufen, unterschiedlicher Massenströme und damit auch die Nutzung von Wärmepotentialen mit unterschiedlichen Temperaturen und Wärmeströmen. Die Kopplung mittels gemeinsamer Expansionsvorrichtung erfolgt derart, dass die dampfförmigen ORC-Fluide aus den Kreisläufen an geeigneter Stelle bzw. zur geeigneten Zeit in die Expansionsvorrich- - 4 - P1I925 • φ « « *·*#· φ Φ φ · Φ φ * • φ « l · 4 * · * * · I I * * tung eingebracht werden, sodass eine optimale Umwandlung der Energie der ORC-Fluide erfolgt.

In einer Variante der Erfindung sind im ersten ORC-Kreislauf und/oder im zweiten ORC-Kreislauf zwischen VerdampfungsWärmetauscher und Expansionsvorrichtung je zumindest ein Überhitzungswärmetauscher und/oder zumindest eine Abscheidevorrichtung vorgesehen. Dadurch wird sicher gestellt, dass nur überhitzter Dampf und keine flüssigen Anteile die Expansionsvorrichtung erreichen, Dies ist günstig, da flüssige Anteile die Expansionsvorrichtung (z.B. bei Verwendung von Linearkolbenexpandern) schädigen können.

Im Prinzip lässt also die obige Variante je ORC-Kreislauf zumindest einen Überhitzungswärmetauscher oder eine Abscheidevorrichtung zu, die aber auch gemeinsam vorgesehen sein können. Dabei kann auch jeder ORC-Kreislauf unabhängig vom anderen Kreislauf mit einer oder beiden Komponenten ausgestattet sein.

Bei Vorsehen einer Abscheidevorrichtung, die dampfförmige und flüssige Komponenten voneinander trennt, können die flüssigen Anteile an einer anderen Stelle wieder in die Kreisläufe eingebracht werden, beispielsweise nach Entspannung des ORC-Fluids in der Expansionsvorrichtung bzw. an anderer Stelle, wo das ORC-Fluid überwiegend flüssig ist.

Die ORC-Kreisläufe können mit verschiedenen Wärmeströmen, nämlich Hoch- und Niedertemperaturwärmeströmen, betrieben werden. In einer Variante der Erfindung wird der erste ORC-Kreislauf mit einem Hochtemperatur-Wärmestrom betrieben und der zweite ORC-Krcislauf mit einem Niedertemperatur-Wärmestrom betrieben. Die Wärmeströme definieren die thermische Leistung die jeweils zur Verfügung steht und die für die Verstromung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit gekoppelten ORC-Kreisläufen genutzt werden kann. Als Bezugstemperatur ist immer die Umgebungstemperatur (25°C, bzw. 298,15°K) zu verstehen.

Dadurch lässt sich die Abwärmenutzungsanlage je nach vorliegender Abwärmesituation -bei den meisten Prozessen fällt Wärme unterschiedlicher Temperaturen und mit unterschiedlichen Wärmeströmen an; beispielhaft sei der Gasmotor eines Blockheizkraftwerks als Abwärmequelle genannt - optimieren und der Wirkungsgrad (insbesondere elektrisch) einer solchen Anlage im Vergleich zu bekannten Anlagen erheblich steigern. Weiters lässt sich eine solche Anlage konstruktiv sehr einfach realisieren.

In einer Variante der Erfindung werden der Vorwärm-Wärmetauscher, der Verdampfungswärmetauscher, der Überhitzungswärmetauscher des zweiten OR-Kreislaufs und der Vor- Ρΐιατζ ·· · * ··**·· 1 liyAZ) · « * * · · * * • 4 ι » 4 4 1·· I I · 4 4 ♦ · -5- wärm-Wärmetauscher des ersten ORC-Kreislaufs mit einem Niedertemperatur-Wärmestrom betrieben und der Verdampfungs-Wärmetauscher und der Überhitzungs-Wärmetauscher des ersten ORC-Kreislaufs werden mit einem Hochtemperatur-Wärmestrom betrieben.

Durch die erfindungsgemäße Lösung kann eine optimale Ausnutzung verschiedener Wärmepotentiale erreicht werden. Damit kann mittels dieser Kombination einerseits eine anlagentechnisch optimierte Lösung gefunden werden. Die Kombination beider Kreisläufe ermöglicht es, auf unterschiedliche Wärmeströme und Temperaturniveaus mit entsprechender Flexibilität und hohem Wirkungsgrad reagieren zu können.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades der Vorrichtung ist zwischen Expansionsvorrichtung und Kondensationsvorrichtung zumindest ein Recuperator-Wärmetauscher zum Vorwärmen des den Arbeitsmittelpumpen des ersten und zweiten ORC-Kreislaufs zugeführten flüssigen ORC-Fluids vorgesehen. Das nach der Expansionsvorrichtung vorliegende entspannte gasförmige ORC-Fluid wird durch den Recuperator-Wärmetauscher geführt, durch den auch das aus der Kondensationsvorrichtung stammende flüssige ORC-Fluid verläuft, das erneut den ORC-Kreisläufen zugeführt wird. Im Recuperator wird also das flüssige ORC-Fluid durch das gas- bzw. dampfförmige ORC-Fluid vorgewärmt.

Das ORC-Fluid wird aus der Gruppe bestehend aus Kohlendioxid (R744), Butan (R600) und Propan (R290) ausgewählt. Von den genannten Fluiden wird Kohlendioxid oft als universelles ORC-Fluid bezeichnet, da es sowohl im Hochtemperatur- als auch im Niedertemperaturbereich einsetzbar ist.

Kohlendioxid ist besonders gut als ORC-Fluid verwendbar. Seine Vorteile sind so weitreichend, da die Anwendung weder im Tieftemperaturbereich noch im Hochtemperaturbereich beschränkt ist. Kohlendioxid ist für energetische Kreisläufe und Anwendungen in der Abwärmenutzung nahezu ohne Einschränkung nutz- und anwendbar.

Der realisierbare hohe Druckbereich ist vorteilhaft, da dadurch die Anlagen sehr klein und kompakt gehalten werden können und technisch einfach realisiert werden können.

Ein weiterer großer Vorteil liegt darin, dass R744 weder toxisch noch entflamm- oder brennbar ist und daher bei Austritt im Zuge eines technischen Gebrechens keine Gefährdung für die Umwelt darstellt. Es geht weiters erst bei 2500°C aus dem dampfförmigen Zustand in den Plasmazustand über - Anwendungen des Plasmas werden allerdings von der erfindungsgemäßen Anlage nicht erfasst.

Ein weiterer großer Vorteil der Verwendung von R744 liegt darin, dass es keiner zusätzlichen Wärmeträger in Form von Warm-, Heißwasser oder Thermalöl bedarf. R744 kann stattdessen direkt mit einem Abwärmestrom in Kontakt gebracht werden.

Grundsätzlich können aber sowohl Kohlendioxid als auch Butan und Propan angewandt werden.

Vorteilhafterweise ist zumindest ein mit der Expansionsvorrichtung verbundener Generator vorgesehen, der die Energie aus der Expansionsvorrichtung verströmt. Ein entsprechender Frequenzumrichter transformiert die elektrische Energie auf die benötigte Frequenz.

In einer weiteren Variante der Erfindung handelt es sich bei der Kondensationsvorrichtung um eine Mischkondensationsvorrichtung, umfassend zumindest einen Lagertank für ORC-Fluid und zumindest einen Expansionsbehälter, die mit einem Strahlverdichter verbunden sind, wobei aus Richtung der Expansionsvorrichtung kommendes ORC-Fluid dem Expansionsbehälter über eine Zuführleitung zugeführt wird und den Strahlverdichter durchströmendes ORC-Fluid zumindest teilweise den Arbeitsmittelpumpen über eine Abführleitung zugeführt wird. Im Wesentlichen werden in einer solchen Mischkondensationsvorrichtung flüssiges ORC-Fluid aus dem Lagertank und von der Expansionsvorrichtung kommendes gasförmiges ORC-Fluid dem Strahlverdichter zugeführt, wo es zu einer Mischkondensation und damit zu einem Kondensieren des gasförmigen ORC-Fluids kommt. Dabei ist vorteilhafterweise in dem Lagertank eine externe Kühlung angeordnet ist. Diese externe Kühlung kann beispielsweise als Kaltwassersatz ausgeführt sein.

Durch diese Kühlung wird das flüssige ORC-Fluid auf einer niedrigen Temperatur gehalten. Bei der Mischkondensation wird so insgesamt eine Abkühlung erreicht, da das kalte, flüssige ORC-Fluid die Kondensationswärme aufnimmt.

Das im Zuge dieser Mischkondensation auftretende kalte ORC-Fluid kann abgeführt und für verschiedene Kühlungsaufgaben in der Anlage (z.B. Kühlen der Lager der Expansionsvorrichtung) verwendet werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiters mit einer eingangs erwähnten Mischkondensationsvorrichtung zur Verwendung in einer Abwärmenutzungsanlage wie oben beschrieben gelöst, wobei die Mischkondensationsvorrichtung zumindest einen Lagertank für flüssige Medien, zumindest einen Expansionsbehälter und zumindest einen Strahlverdichter, bestehend aus einem Saugraum und einer Mischdüse, umfasst, wobei der Expansionsbehälter zumindest eine Zuführleitung für dampfförmige Medien und zumindest eine Ansaugleitung aufweist und die Ansaugleitung mit dem Saugraum des Strahlverdichters verbunden ist und wobei der Lagertank mit dem Strahlverdichter und dem Expansionsbehälter verbunden ist und flüssige Medien nach dem Strahlverdichter über zumindest eine Abführleitung abführ-bar sind.

In einer Variante der Erfindung weist der Strahl Verdichter einen Diffusor auf, der in Flussrichtung der Medien nach der Mischdüse angeordnet ist. Der Diffusor dient dazu, den Druck des aus der Mischdüse resultierenden flüssigen ORC-Fluids zu erhöhen.

In einer weiteren Variante der Erfindung ist weiters zumindest eine Lagerleitung vorgesehen, über die der Ausgang des Strahlverdichters mit dem Lagertank verbunden ist. Damit kann der Lager tank wieder befüllt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. In dieser zeigt schematisch:

Fig. 1 eine Abwärmenutzungsanlage laut ORC gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Variante der Abwärmenutzungsanlage aus Fig. 1 nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanlage, und

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Misch-Kondensationsvorrichtung.

In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Flussrichtungen in Leitungen sind mit Pfeilen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt eine Abwärmenutzungsanlage 1 gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein ORC mit folgenden Komponenten: Arbeitsmittelpumpe 2 zur Verdichtung des im ORC zirkulierenden ORC-Fluides, Vorwärm-Wärmetauscher 3, Verdampfungs-Wärmetauscher 4, Überhitzungswärmetauscher 5, Expansionsvorrichtung 6 mit Generator 7 und Kondensationsvorrichtung 8. Bei der Expansionsvorrichtung 6 handelt es sich beispielweise um eine Gasturbine, die eine Hochdruck(HD)-Stufe 61 und eine Niederdruck(ND)-Stufe 62 aufweist.

Die Funktionsweise des dargestellten ORC ist prinzipiell bekannt: Die Arbeitsmittelpumpe 2 verdichtet das ORC-Fluid auf den zur zu erzielenden Verdampfungstemperatur gehörigen Verdampfungsdruck. Nach der Pumpe wird das ORC-Fluid in einem Vorwärm-Wärmetauscher 3 vorgewärmt. Dabei können Nieder- oder Hochtemperaturwärmeströme zum Einsatz kommen. Danach wird das ORC-Fluid durch einen Verdampfungs-Wärmetauscher 4 geführt, wo es verdampft wird. Als Wärmequelle dient die Prozesswärme bzw. Abwärme von vorgeschalteten Maschinen wie z.B. Verbrennungskraftmaschinen in Blockheizkraftwerken. Um sicherzugehen, dass das flüssige ORC'Fluid vollständig verdampft ist, wird danach noch ein Überhitzungs-Wärmetauscher 5 verwendet.

Anstelle eines Überhitzungs-Wärmetauschers 5 kann auch eine Abscheidevorrichtung wie eine Abscheideflasche 9 (im Folgenden wird immer nur der Begriff Abscheidcflasche verwendet - natürlich kann die Abscheidung auch durch andere Lösungen erfolgen) verwendet werden (strichliert dargestellt), um vor der Expansionsvorrichtung 6 bei unvollständiger Verdampfung das flüssige ORC-Fluid von dem dampfförmigen ORC-Fluid zu trennen. Das dabei anfallende flüssige ORC-Fluid wird über eine Entspannungsarmatur 10 dem flüssigen ORC-Fluid vor der Arbeitsmittelpumpe 2 zugeführt.

Abscheideflaschen 9 sind insbesondere für jene ORC-Fluide notwendig, deren maximale Verdampfungstemperatur unterhalb der Temperatur des kritischen Punkts liegt. In solchen Fällen empfiehlt es sich, den Überhitzungs Wärmetauscher 5 durch eine Abscheideflasche 9 zu ersetzen und den Sattdampf der Expansionsvorrichtung 6 zuzuleiten, während der flüssige Anteil des ORC-Fluids abgeleitet und wieder dem Kreislauf (bevorzugt vor der Arbeitsmittelpumpe 2) zugeführt werden kann. Die Abscheideflasche 9 trennt also dampfförmiges von flüssigem ORC-Fluid. Ihre Verwendung ist also insbesondere dann notwendig, wenn der transkritische Verdampfungsprozess in den vorgelagerten Wärmetauschern nicht vollständig abgeschlossen ist.

Die Abscheidung des flüssigen Fluids in der Abscheideflasche 9 ermöglicht den Schutz der Expansionsvorrichtung 6 vor Flüssigkeitsschlägen. Solche Flüssigkeitsschläge sind insbesondere bei Kolbenmaschinen unerwünscht, da sie den Expansionsprozess beeinträchtigen und die Maschine schädigen.

Nach der Verdampfung wird das ORC-Fluid der ExpansionsVorrichtung 6 zugeführt. Die Expansionsvorrichtung 6 kann bei Bedarf über eine Umgehungsarmatur 11 überbrückt werden (beispielsweise, wenn die Expansionsvorrichtung 6 nicht betriebsbereit ist, bzw. beim An- oder Abfahren der Vorrichtung) und das gasförmige ORC-Fluid wird direkt der Kondensationsvorrichtung 8 zugeführt. In der Kondensationsvorrichtung 8 gibt das ORC-Fluid die Kondensationswärme an einen Kühlkreislauf ab. Die Kondensationswärme kann dann beispielsweise einem Fernwärmenetz zugeführt werden,

Die Kondensationsvorrichtung 8 umfasst einen Kondensator 12, der mit einem eigenen Kühlkreislauf verbunden ist, bestehend aus einer Kühlkreislaufumwälzpumpe 13 und einem -9- PI 1925 • Rückkühlwärmctauscher 14, Der Rückkühlwärmetauscher 14 saugt Umgebungsluft an und lässt sie über die Wärmetauscheroberfläche strömen.

In der Kondensations Vorrichtung 8 kann alternativ auch der Kondensator 12 direkt durch den Rückkühlwärmetauscher 14 ersetzt werden. Der Rückkühlwärmetauscher 14 saugt dann die Luft an und die Kondensation des ORC-Fluids findet im Rückkühlwärmetauscher 14 statt. Diese Variante ist in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien dargestellt. Kondensator 12 und Kühlkreislaufumwälzpumpe 13 bleiben in dieser Variante ausgespart.

Das in der Kondensationsvorrichtung 8 verflüssigte ORC-Fluid wird wiederum der Arbeitsmittelpumpe 2 zugeführt und durchläuft erneut den ORC.

Wenn die Expansionsvorrichtung 6 einsatzbereit ist, wird die Umgehungsarmatur 11 geschlossen und ein der Expansionsvorrichtung 6 vorgelagertes Schnellschlussventil 15 (es können auch, wie in der Figur dargestellt, zwei Ventile vorgesehen sein) geöffnet. Das in Dampfform vorliegende ORC-Fluid wird dann über die Hochdruck(HD)-Stufe 61 und die Niederdruck(ND)-Stufe 62 der Expansionsvorrichtung 6 entspannt und treibt dabei einen Generator 7 an, der direkt an die Expansionsvorrichtung 6 gekoppelt ist. Die so gewonnene elektrische Leistung wird mit einem Frequenzumrichter 16 in bekannter Weise auf die Netzfrequenz umgewandelt.

Fig. 2 zeigt eine Variante des in Fig. 1 dargcstellten ORC in Form einer Kreislaufschaltung, bei der zusätzlich ein Recuperator-Wärmetauscher 17 verwendet wird. Der Recuperator-Wärmetauscher 17 hat die Aufgabe, die vorhandene Wärme des in der Expansionsvorrichtung 6 entspannten, aber noch dampfförmigen ORC-Fluids an das mit der Arbeitsmittelpumpe 2 verdichtete flüssige ORC-Fluid zu übertragen. Damit ermöglicht der Recuperator-Wärmespeicher 17 die Nutzung der nach dem Entspannungsprozess anfallenden Wärme auf der Kreislaufscite nach Verdichtung durch die Arbeitsmittelpumpe 2.

Ein solcher Recuperator-Wärmetauscher 17 ist von Vorteil, um den elektrischen Wirkungsgrad der Vorrichtung zu steigern. Das gilt insbesondere bei der Verwendung von CO2 als ORC-Fluid.

Nach dem Recuperator-Wärmetauscher 17 wird das so erwärmte ORC-Fluid wieder einem Vorwärm-Wärmetauscher 3 zugeführt. In der Regel ist dieser Vorwärm-Wärmetauscher 3 ein Wärmetauscher, der Wärmeströme mit sehr geringer Exergie nützt. Wärmeströme geringer Exergie stehen in den meisten Abwärmenutzungsanlagen in sehr großer Menge zur -10- P] 1925

Verfügung. Schwieriger ist die Versorgung mit Wärmeströmen hoher Exergie - diese stehen nur in geringen Mengen zur Verfügung.

Verdampfungs- 4 und Überhitzungs-Wärmetauscher 5 sind daher von dem Vorwärm-Wärmetauscher 3 entkoppelt. Wie schon in der in Fig. 1 dargestellten Variante kann auch hier eine Abscheideflasche 9 (strichlierte Linien) verwendet werden, wenn kein Überhitzungs-Wärmetauscher 5 zur Anwendung kommt. Das flüssige ORC-Fluid kann wieder über eine Entspannungsarmatur 10 entspannt und dem Kreislauf über den Recuperator-Wärmetauscher 17 zugeführt werden, während der dampfförmige Teil des ORC-Fluids als Sattdampf der Expansionsvorrichtung 6 zugeführt wird.

Das gasförmige ORC-Fluid kann nach der Überhitzung im Überhitzungswärmetauscher 5 (bzw. nach der Abscheideflasche 9) wieder über eine Umgehungsarmatur 11 an der Expansionsvorrichtung 6 vorbei direkt zur Kondensationsvorrichtung 8 geführt werden oder über das Schnellschlussventil 15 der HD- 61 und ND-Stufe 62 der Expansionsvorrichtung 6 zugeführt werden.

Die ExpansionsVorrichtung 6 ist wieder direkt an einen Generator 7 (synchron oder asynchron) gekoppelt und erzeugt über einen Frequenzumrichter 16 in bekannter Weise elektrische Leistung mit entsprechender Netzfrequenz.

Nach dem Entspannen erfolgt die Verflüssigung in der Kondensationsvorrichtung 8. Diese Vorrichtung besteht wieder aus einer Umwälzpumpe 13, einem Rückkühlwärmetauscher 14 mit Zwangskonvektion und einem Kondensator 12, in dem das gasförmige entspannte ORC-Fluid kondensiert wird. Luft wird angesaugt und über die Oberfläche des Rückkühlwärme-tauschers 14 geblasen. Alternativ kann so wie in Fig. 1 statt dem Kondensator 12 auch direkt der Rückkühlwärmetauscher 14 als Kondensator verwendet werden.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Kreisläufe gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Die Kreisprozesse sind den Eigenschaften von Wasser (bzw. dem Wasser-Dampfprozess) nachempfunden und ungeeignet für andere ORC-Fluids wie beispielsweise CO2 (R744, bzw. Kohlendioxid). Bei Verwendung von R744 für solche Kreisläufe werden nur Wirkungsgrade von etwa 10 Prozent elektrisch erreicht.

Ursache dafür sind insbesondere das kleine Zweiphasengebiet im Zustandsdiagramm und die niedrige kritische Temperatur von CO2 im Vergleich zu Wasser. Im Gegensatz zu Wasser ist CO2 bei Raumtemperatur von 25°C nur dann flüssig, wenn es unter einem Druck von mindestens 64 bar gehalten wird. Bei Umgebungsdruck von etwa 101325 Pa (=1,01 bar) und -11- einer Umgebungstemperatur von 25°C (=298,15°K) ist CO2 dampfförmig. Weiters unterscheidet sich CO2 von Wasser durch die geringen Dichten (Volumina) bei höheren Drücken und geringe Dichteänderungen (Volumensänderungen) bei Expansionsverläufen im dampfförmigen Zustand. Diese Eigenschaften sind aber besonders bei Expansionsvorrichtung und weiteren Komponenten von ORCs wie Armaturen und Wärmetauschern von Bedeutung.

Fig. 3 zeigt nun eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanlage 31 als Kombination zweier ORC-Kreisläufe, nämlich eines ersten Kreislaufs, der als Hochtemperatur-Kreislauf (HT-ORC-Kreislauf) 42 geführt wird, und eines zweiten Kreislaufs, der als Niedertemperatur-Kreislauf (NT-ORC-Kreislauf) 43 geführt wird. Durch diese Kombination lassen sich unterschiedliche Wärmepotentiale mit hoher Flexibilität und sehr hohem Wirkungsgrad nutzen.

In den meisten Abwärmeprozessen fallen unterschiedliche Wärmepotentiale an. Die Temperaturen und der Wärmestrom eines Wärmepotentials legen den maximal erreichbaren Massenstrom des ORC-Fluids im jeweiligen Kreislauf fest. Durch die Temperatur des anfallenden Wärmestroms wird beispielsweise die maximale Verdampfungstemperatur des ORC-Fluids im HT-ORC-Kreislauf festgelegt.

Die beiden Kreisläufe können grundsätzlich getrennt oder gemeinsam betrieben werden. Im Ausführungsbeispiel in Fig. 3 sind die beiden ORC-Kreisläufe über eine Expansionsvorrichtung 36 miteinander gekoppelt. Die Expansionsvorrichtung 36 umfasst eine Hoch-druck(HD)-Stufe 361 für das dampfförmige ORC-Fluid des HT-ORC-Kreislaufes 42 und eine Niederdruck(ND)-Stufe 362 für den NT-ORC-Kreislauf 43. Der HT-ORC-Kreislauf 42 ist in Fig. 3 mit strichlierten Linien dargestellt, während der NT-ORC-Kreislauf 43 mit punktierten Linien dargestellt ist.

Der HT-ORC-Kreislauf 42 umfasst neben einer HT-Arbeitsmittelpumpe 32 einen HT-Vorwärm-Wärmetauscher 33, einen HT-Verdampfungs-Wärmetauscher 34 und einen HT-Überhitzungswärmetauscher 35. Die HT-Arbeitsmittelpumpe 32 bringt das ORC-Fluid auf den für den HT-ORC-Kreislauf benötigten höheren Verdampfungsdruck. Da Verdampfungsdruck und Verdampfungstemperatur im Zweiphasengebiet des ORC-Fluids thermodynamisch gekoppelt sind, resultiert aus einem höheren Verdampfungsdruck eine höhere Verdampfungstemperatur. Das entspricht dem höheren Temperatumiveau des zugeführten Hochtemperatur(HT)-WärmestromsQ-HT.

Der NT-ORC-Kreislauf 43 umfasst eine NT-Arbeitsmittelpumpe 32' (die ein für den NT-ORC-Kreislauf 43 geeignetes niedrigeres Druckniveau erzeugt, wodurch auch die Verdamp- - 12- ## «·· «·*· 94« «· «· PI1925 fungstemperatur geringer ist), einen NT-Vorwärm-Wärmetauscher 33', einen NT-Verdampfungs-Wärmetauscher 34' und einen NT-Überhitzungswärmetauscher 35'.

Anstatt der oder zusätzlich zu den Überhitzungswärmetauschern 35, 35' können entsprechende Abscheideflaschen 39, 39' vorgesehen sein, aus denen über entsprechende Entspannungsarmaturen 310, 310' das flüssig gebliebene ORC-Fluid abgelassen und dem Kreislauf wieder zugeführt werden kann.

Abscheideflaschen 39, 39' sind insbesondere beim Anfahren und Herunterfahren der Anlage von Vorteil und allgemein in Situationen, bei denen in den Verdampfungs-Wärmetauschern 34, 34' keine vollständige Verdampfung erreicht wird und ein Mehrphasengemisch anfällt, in dem flüssiges und gasförmiges ORC-Fluid enthalten sind.

Der Sattdampf wird im nachfolgendem Überhitzungs-Wärmetauscher 35, 35' auf eine Temperatur gebracht die höher ist als die Verdampfungstemperatur des jeweiligen ORC-Fluids. Diese Bauform hat den Vorteil auch bei sehr hohen Verdampfungsdrücken einsetzbar zu sein.

Bei Verwendung eines Zwangsumlaufverdampfers (in den Figuren nicht dargestellt), bei dem der Überhitzungs-Wärmetauscher der Abscheideflasche nachgeordnet ist, wird aus der Abscheideflasche eine Dampftrommel, aus der der Sattdampf entnommen und dann überhitzt wird. Der Zwangsumlaufverdampfer ist ein Trommelverdampfer, in dem das flüssige vorgewärmte ORC-Fluid verdampft wird; dabei wird die Wärme über eine Rohrbündelschlange zugeführt. Am oberen Ende des Trommelverdampfers wird dann der Sattdampf entnommen und dem Überhitzungs-Wärmetauscher zugeführt. Der Nachteil eines solchen Trommelverdampfer ist, dass der Verdampfungsdruck auf geringere Drücke limitiert ist.

Da Niedertemperatur(NZ)-Wärmeströme Q-NT bei Anwendungen des erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanlage zumeist in größeren Mengen vorhanden sind, wird dieser Wärmestrom auf den H l -Vorwärm-Wärmetauscher 33, den NT-Vorwärm-Wärmetauscher 33', den NT-Verdampfungs-Wärmetauscher 34' und den NT-Überhitzungswärmetauscher 35' aufgeteilt.

Ein Teil des Niedertemperatur(NT)-Wärmestroms Q-NT wird also im HT-Vorwärm-Wärmetauscher 33 verwendet, um das ORC-Fluid für den HT-ORC-Kreislauf 42 vorzuwärmen. Damit lässt sich der Wirkungsgrad der Anlage steigern. Der Rest der Niedertempera-tur(NT)-Wärme Q-NT wird für den NT-ORC-Kreislauf 43 verwendet, um bei einem niedrigeren Druck ORC-Fluid zu verdampfen. -13-

Der HT- 42 und der NT-ORC-Kreislauf 43 können unter Verwendung einer HT- 311 bzw. NT-Umgehungsarmatur 311' entspannt werden, wobei die Expansionsvorrichtung 36 überbrückt wird. Damit wird also ein Betrieb der Kreisläufe ohne Expansionsvorrichtung 36 ermöglicht, um nach dem Abschalten und vor dem Anfahren das dampfförmige ORC-Fluid an der Expansionsvorrichtung 36 vorbeizuführen. Dabei wird also im Wesentlichen nur in der Kondensationsvorrichtung 38 Wärme an die Umgebung (z.B. an ein Femwärmenetzes) abgegeben und keine elektrische Energie erzeugt.

Wenn die Expansionsvorrichtung 36 verwendet werden soll, tritt das dampfförmige ORC-Fluid aus dem HT-ORC-Kreislauf 42 über das HT-Schnellschlussventil 315 in die HD-Stufe 361 der Expansionsvorrichtung 36 ein. Das Fluid aus dem NT-ORC-Kreislauf 43 tritt über das NT-Schnellschlussventil 315' in die ND-Stufe 362 der Expansionsvorrichtung 36 ein. Die HD-Stufe 361 der Expansionsvorrichtung 36 ist also dem HT-ORC-Kreislauf 42 zugeordnet, während die ND-Stufe 362 der Expansionsvorrichtung 36 dem NT-ORC-Kreislauf 43 zugeordnet ist.

Die Expansionsvorrichtung 36 ist direkt mit einem Generator 37 gekoppelt, die resultierende elektrische Leistung wird mit dem Frequenzumrichtcr 316 auf die Netzfrequenz transformiert.

Das entspannte (aber noch immer gas- bzw. dampfförmige) ORC-Fluid aus HT- und NT-ORC-Kreislauf 43 wird nach der Expansionsvorrichtung zusammengeführt und in einem Recuperator-Wärmetauscher 317 wärmetechnisch dahingehend genützt, dass es das den Kreisläufen nach der Kondensationsvorrichtung 38 neu zugeführte (flüssige) ORC-Fluid vorwärmt.

Danach folgt in der Kondensationsvorrichtung 38 die Kondensation des gasförmigen ORC-Fluids mittels klassischer Kontaktkondensation (mittels Rückkühlkondensator bzw. -Wärmetauscher 314; siehe dazu auch die Erläuterungen zu Fig. 1). Durch die gemeinsame Kondensationsvorrichtung 38 für Top- und NT-ORC-Kreislauf 43 expandieren also beide Kreisläufe auf ein gemeinsames Kondensatordruckniveau, das von der Kondensationsvorrichtung 38 (Misch- oder Kontaktkondensation) festgelegt wird.

Das kondensierte flüssige ORC-Fluid wird dann über den Recuperator-Wärmetauscher 317 geführt und mittels der HT- 32 und NT-Arbeitsmittelpumpe 32' verdichtet und dem jeweiligen ORC-Kreislauf zugeführt. -14-

Die Kondensationsvorrichtung 38 ist beispielsweise als Kombination aus elektrisch betriebenen Ventilatoren mit einem Wärmetauscher technisch realisierbar. Nachteilig daran ist, dass ein Großteil der im ORC-Prozess eingesetzten Verdampfungswärme im Rahmen der Kondensation als Kondensationswärme an die Umgebung abgegeben werden muss, um das ORC-Fluid zu verflüssigen. Allerdings ist es aber möglich, diese Wärme zu nutzen, z.B. durch Anbindung eines Fernwärmenetzes. Daher ist diese Lösung der Kontaktkondensation bei großen Kondensationsanlagen durchaus realisierbar.

Das zu kondensierende, dampfförmige ORC-Fluid wird in einen Kondensator 312 geleitet, der von einem separaten Kühlkreislauf mit einer Kühlkreislaufumwälzpumpe 313 und einem Rückkühlwärmetauscher 314 beschickt wird. Die Kühlkreislaufumwälzpumpe 313 saugt Luft an und lässt sie über die Kondensatoroberfläche 312 strömen, wodurch das ORC-Fluid kondensiert wird. Die Kondensationswärme wird dann über den Rückkühlwärmetauscher 314 abgegeben.

Alternativ können Kondensator 312 und Kühlkreislaufumwälzpumpe 313 weggelassen werden und die Kondensation des ORC-Fluids findet direkt im Rückkühlwärmetauscher 314 statt (diese Variante ist in Fig. 3 mit strichpunktierten Linien dargestellt).

Die Kontaktkondensation lässt sich zwar einfach realisieren, hat aber nur geringe Wirkungsgrade und ist stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Daher kann cs zu Schwankungen der Leistungseffizienz und des Wirkungsgrades kommen.

Die Kondensationsvorrichtung 38 ist in Fig. 3 von einem punktiert gezeichneten Rechteck umgeben. Anstatt der Vorrichtung in dem Rechteck kann auch das Verfahren der Mischkondensation verwendet werden. Die entsprechende Mischkondensationsvorrichtung (siehe dazu Fig. 4 und die zugehörigen Erläuterungen) ersetzt dann die in dem Rechteck angeordneten Komponenten. Diese Mischkondensation kann besonders bei kleineren ORC-Leistungen und Anlagen günstig verwendet werden.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Mischkondensation, die natürlich auch in ORCs gemäß dem Stand der Technik (Fig, 1 und 2) eingesetzt werden kann. Zur Erklärung der Funktion wird die Verwendung von Kohlendioxid als ORC-Fluid angenommen. Grundsätzlich sind mit entsprechenden Adaptierungen auch andere ORC-Fluids verwendbar.

Bei der Mischkondensation wird das zu kondensierende ORC-Fluid mit flüssigem ORC-Fluid gemischt und kondensiert. Die Kondensationswärme wird auf das ORC-Fluid übertragen und steht somit den ORC-Kreisläufen teilweise oder ganz zur Nutzung zur Verfügung. P11925 P11925 • * « I • · * » $ Φ ·· • Μ · *· ··

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Das Verfahren nützt den physikalischen Effekt der Erwärmung des flüssigen Kontaktfluids aus. Durch die Kondensation wird die Kondensationswärme auf das flüssige ORC-Fluid übertragen.

Der Mischkondensator 18 in Fig. 4 umfasst einen Lagertank 19, in dem flüssiges ORC-Fluid gelagert wird. Je nach benötigter Temperatur ist eine externe Kühlung 20 vorzusehen. Eine solche externe Kühlung 20 ist insbesondere dann notwendig, wenn die Temperatur, bei der das ORC-Fluid flüssig ist und die also im Lagertank 19 vorliegen muss, um das ORC-Fluid flüssig zu halten, niedriger ist als die herrschende Umgebungstemperatur. In einem solchen Fall nehmen nämlich Tank und ORC-Fluid trotz Isolation Wärme von der Umgebung auf und das ORC-Fluid kann ausdampfen.

Bei Kohlendioxid als ORC-Fluid ist beispielsweise eine Temperatur von 10°C anzustreben. Als externe Kühlung 20 kann beispielsweise ein Kaltwassersatz gemäß allgemeinem Fachwissen verwendet werden. Der Kaltwassersatz kann in bekannter Weise über das Erdreich oder aus dem Grundwasser gekühlt werden, oder mit einer Kombination aus einem Kälte-und Wasserkreislauf.

Das Kohlendioxid wird bei einem Druck von etwa 64 bar gelagert. Das Volumen des flüssigen Kohlendioxids ist ein Speichervolumen und Ausgangspunkt für die Umsetzung der Mischkondensation.

Eine Mischkondensatorpumpe 21 saugt das flüssige ORC-Fluid an und verdichtet es auf 70 bar. Über die Expansionsbehälterarmatur 22 wird das flüssige ORC-Fluid in den Expansionsbehälter 23 auf einen niedrigeren Druck expandiert bzw. entspannt. Dabei verdampft ein Teil des ORC-Fluids, der andere Teil bleibt flüssig und kühlt durch Entzug der Verdampfungswärme ab. Der Flüssigkeit wird so viel Wärme entzogen wie der verdampfte Anteil zum Verdampfen benötigt {Verdampfungsenthalpie). Im Expansionsbehälter 23 sammeln sich also flüssiges kaltes ORC-Fluid und dampfförmiges ORC-Fluid. Dem Expansionsbehälter 23 kann weiters dampfförmiges ORC-Fluid nach Entspannung in der Expansionsvorrichtung 36 bzw. Durchlaufen des Recuperator-Wärmetauschers 317 (siehe Fig. 3) zugeführt werden.

Um ein Ansteigen des Dampfdrucks im Expansionsbehälter 23 zu verhindern wird dampfförmiges ORC-Fluid durch eine Ansaugleitung 24 abgesaugt und einem Strahlverdichter 25 zugeführt, der als Flüssigkeitsstrahlpumpe fungiert. Der Strahlverdichter 25 umfasst einen Saugraum 26, eine Mischdüse 27 und einen Diffusor 29. Neben dem dampfförmigen ORC-

Fluid aus dem Expansionsbehälter 23 wird dem Strahlverdichter 25 über die Strahlverdichterarmatur 28 flüssiges ORC-Fluid aus dem Lagertank 19 zugeführt.

Durch Einleiten von flüssigem ORC-Fluid in den Strahlverdichter 25 wird das dampfförmige ORC-Fluid in den Saugraum 26 angesaugt (physikalischer Effekt der Schleppwirkung) und weiter in die Mischdüse 27 geleitet. Dort kommt es zu einer Durchmischung des flüssigen und des dampfförmigen ORC-Fluids und es findet Mischkondensation statt.

Damit es in der Mischdüse 27 zu keinem Ausdampfen des flüssigen ORC-Fluids kommt ist der umlaufende Massenstrom (und besonders der Anteil an flüssigem, kalten ORC-Fluid) maximal hoch, so dass die im Kondensat der Mischkondensation erreichte Temperatur noch immer kleiner ist als die zum lokalen Druck im Strahlverdichter 25 gehörige Dampftemperatur des Kondensats.

Die zu kondensierende Dampfmenge und die Vorlauftemperatur des flüssigen ORC-Fluids vor dem Strahlverdichter 25 legen den umlaufenden flüssigen Fluidstrom fest, ln der Auslegung beträgt das Verhältnis bevorzugt 1:3, also rund 25 Prozent des gasförmigen ORC-Fluids können mit flüssigem ORC-Fluid verflüssigt (kondensiert) werden. Der umlaufende Massenstrom muss also rund 3-fach größer sein als der anfallende ORC-Fluid-Dampfmassenstrom.

Anschließend an die Mischdüse 27 ist zur Verdichtung ein Diffusor 29 angeordnet, der die Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt und den Gas- bzw, Flüssigkeitsdruck erhöht. Dabei wird ein Druck erreicht der höher ist als der Druck im Lagertank 19.

Das so verflüssigte ORC-Fluid wird zum Teil über eine Lagerleitung 30 in den Lagertank 19 rückgeführt. Dazu muss der durch den Diffusor 29 erreichte Druck höher sein als der Druck im Lagertank 19, sodass nach Überwindung der Druckverluste und der geodätischen Höhe das ORC-Fluid in den Lagertank 19 verbracht werden kann. Der Rest des ORC-Fluids wird wieder dem ORC (bzw. HT- 42 und NT-ORC-Kreislauf 43) zugeführt.

Das im Expansionsbehälter 23 befindliche flüssige ORC-Fluid kann zu Kühlzwecken verwendet werden, beispielsweise zur Kühlung von Gasturbincnlagern, Brennkammerwänden und ähnlichem. Dafür sind eine Kühl-Pumpc 40 zur Verdichtung auf Lagertankdruck und ein Kühlungs-Wärmetauscher 41 zur Kühlung dargestellt. Wenn keine Kühlung benötigt wird, kann das unterkühlte flüssige ORC-Fluid in den Lagertank 19 verbracht werden. Durch diese Rückführung kann die Ankühlung des Fluids im Lagertank 19 teilweise oder -17- fast ganz eingespart werden. Die darüber hinaus noch benötigte Abkühlung ist sehr gering und trägt so zu einem sehr hohen Wirkungsgrad der Anlage bei.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanlage mit verschiedenen bekannten Expansionsvorrichtungen 36 betrieben werden, die die thermische Energie der ORC-Kreisläufe in mechanische Energie umwandeln. Dem Fachmann ist eine Reihe von Expansionsvorrichtungen bekannt, auf die daher nicht weiter eingegangen wird.

Je nach Größe der umlaufenden Massenströme können verschiedene ExpansionsVorrichtungen vorteilhaft sein. Beispielsweise ist bei sehr kleinen Massenströmen (kleiner als 2kg/sec) die Verwendung einer Axialturbine technologisch nicht möglich; stattdessen kann ein Kolbenexpander verwendet werden. Bei den Expansionsvorrichtungen kann der Wirkungsgrad durch Kühlung mit kaltem ORC-Fluid aus niedrigen Prozessdrücken gesteigert werden.

Die Bauweise der Turbine richtet sich nach den Druckstufen der einzelnen ORC-Kreisläufe, die miteinander gekoppelt werden sollen. Bei Vorliegen von zwei unterschiedlichen Druckstufen (HT- 42 und NT-ORC-Kreislauf 43) werden die beiden ORC-Kreisläufe über die Niederdruckstufe (NT-ORC-Kreislauf 43) gekoppelt. Der Kondensationsdruck für die Turbine, abgeleitet aus beiden ORC-Kreisläufen, ist derselbe und durch die erfindungsgemäße Mischkondensation festgelegt.

Die Erfindung umfasst damit die Kombination von ORC-Kreisläufen 42, 43 unterschiedlicher Druckstufen und unterschiedlicher Massenströme zur Nutzung von Wärmepotentialen mit unterschiedlichen Temperaturen und Wärmeströmen unter Verwendung angepasster Expansionsvorrichtungen. Dabei wird in einer Variante eine angepasste Mischkondensation mit einem entsprechenden Mischkondensator verwendet.

Wien, den [} & NOV. 2010 • · P11925 ί * * * • · » · • · I I · · · · t -18-

BEZUGSZEICHENLISTE 1,31 Ab wä rmenutzungsanla ge 2 Arbeitsmittelpumpe 3 Vorwärm-Wärmetauscher 4 Verdampfungs-W ärmetauscher 5 Überhitzungswärmetauscher 6, 36 Exp a nsionsv orrichtung 7,37 Generator 8, 38 Kondesationsvorrichtung 9, 39, 39' Abscheideflasche 10, 310, 310' Entsp annungsar ma tur 11 U mgehungsarmatur 12, 312 Kondensator 13, 313 Kühlkreisumwälzpumpe 14,314 Rückkühlwärmetauscher 15 Schnellschlussventil 16, 316 F r equenzumrichter 17,317 Recuperator-Wärmetauscher 18 Mischkondensa tor 19 Lagertank 20 externe Kühlung 21 Mischkondensatorpumpe 22 Expansionsbehälterarmatur 23 Expansionsbehälter 24 Ansaugleitung 25 Strahlverdichter 26 Saugraum 27 Mischdüse -19- PI 1925 • « · 28 Strahlverdichtungsarmatur 29 Diffusor 30 Lagcrleitung 32 HT -Arbeitsmittelpumpe 32' NT -Arbeitsmittelpumpe 33 HT - Vorwärm -W är metauscher 33’ NT-Vorwärm-Wärmetauscher 34 HT -V er dampf ungs-W ärmetauscher 34’ NT-V erd ampfungs-W ärmetauscher 35 HT-Überhitzungs Wärmetauscher 35’ NT-Überhitzungswärmetauscher 40 Kühl-Pumpe 41 Kühlungs-W ärmetauscher 61, 361 Hochdruck(HD)-Stufe 62, 362 Niederdruck(ND)-Stufe 311 HT-Umgehungsarmatur 311' NT-U mgehu ngsarmatur 315 HT-Schnellschlu ssventil 315' NT-Schnellschlussventil 42 HT-ORC-Kreislauf 43 NT-ORC-Kreislauf 44 Zuführleitung 45 Abführleitung

Claims (14)

1. Ansprüche 1. Vorrichtung zur Abwärmenutzung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, die mittels mit einem ORC-Fluid betriebenen ORC-Kreisläufen umgesetzt werden, wobei ein ORC-Kreislauf - zumindest eine Arbeitsmittelpumpe, - zumindest einen Wärmetauscher, - zumindest eine Expansionsvorrichtung zum Antrieb eines Generators und - zumindest eine Kondensationsvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster ORC-Kreislauf (42) und zumindest ein zweiter ORC-Kreislauf (43) mit je zumindest einer Arbeitsmittelpumpe (32, 32'), je zumindest einem Vorwärm-Wärmetauscher (33, 33') und je zumindest einem Verdampfungswärmetauscher (34, 34')vorgesehen sind, wobei die ORC-Kreisläufe (42, 43) über zumindest eine gemeinsame Expansionsvorrichtung (36) miteinander gekoppelt sind und eine gemeinsame Kondensationsvorrichtung (38) aufweisen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten ORC-Kreislauf (42) und/oder im zweiten ORC-Kreislauf (43) zwischen Verdampfungswärmetauscher (34, 34') und Expansionsvorrichtung (36) je zumindest ein Überhitzungswärmetauscher (35, 35') und/oder zumindest eine Abscheidevorrichtung (39., 39') vorgesehen sind.
3. 3. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ORC-Kreisläufe (42, 43) mit verschiedenen Abwärmeströmen (Q-HT, Q-NT) betrieben werden.
4. 4. Vorrichtung zur AbwäTmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste ORC-Kreislauf (42) mit einem Hochtemperatur-Wärmestrom (Q-HT) betrieben wird und der zweite ORC-Kreislauf (43) mit einem Niedertemperatur-Wärmestrom (Q-NT) betrieben wird.
5. 5. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm-Wärmetauscher (33), der Verdampfungswärmetauscher (34’), der Überhitzungswärmetauscher (35 ) des zweiten OR-Kreislaufs (43) und der Vorwärm-Wärmetauscher (33) -21- PI1925 des ersten ORC-Kreislaufs (42) mit einem Niedertemperatur-Wärmestrom (Q-NT) betrieben werden und der Verdampfungs-Wärmetauscher (34) und der Überhitzungs-Wärmetauscher (35) des ersten ORC-Kreislaufs (42) mit einem Hochtemperatur-Wärmestrom (Q-HAT) betrieben werden.
6. 6. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Expansionsvorrichtung (36) und Kondensationsvorrichtung (38) zumindest ein Recuperator-Wärmetauscher (317) zum Vorwärmen des den Arbeitsmittelpumpen (21, 21') des ersten (42) und zweiten ORC-Kreislaufs (43) zugeführten flüssigen ORC-Fluids vorgesehen ist.
7. 7. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das ORC-Fluid aus der Gruppe bestehend aus Kohlendioxid (R744), Butan (R600) und Propan (R290) ausgewählt wird.
8. 8. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mit der Expansionsvorrichtung (36) verbundener Generator (37) vorgesehen ist.
9. 9. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kondensationsvorrichtung (38) um eine Mischkondensationsvorrichtung (18) handelt, umfassend zumindest einen Lagertank (19) für ORC-Fluid und zumindest einen Expansionsbehälter (23), die mit einem Strahlverdichter (25) verbunden sind, wobei aus Richtung der Expansionsvorrichtung (36) kommendes ORC-Fluid dem Expansionsbehälter (36) über eine Zuführleitung (44) zugeführt wird und den Strahlverdichter (25) durchströmendes ORC-Fluid zumindest teilweise den Arbeitsmittelpumpen (32, 32') über eine Abführleitung (45) zugeführt wird.
10. 10. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lagertank (19) eine externe Kühlung (20) angeordnet ist.
11. 11. Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kühlung (20) als Kaltwassersatz ausgeführt ist.
12. 12. Mischkondensationsvorrichtung (18) zur Anwendung in einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend zumindest einen Lagertank (19) für flüssige Medien, -22- zumindest einen Expansionsbehälter (23) und zumindest einen Strahlv er dichter (25), bestehend aus einem Saugraum (26) und einer Mischdüse (27), wobei der Expansionsbehälter (23) zumindest eine Zuführleitung (44) für dampfförmige Medien und zumindest eine Ansaugleitung (24) aufweist und die Ansaugleitung mit dem Saugraum (26) des Strahlverdichters (25) verbunden ist und wobei der Lagertank (19) mit dem Strahlverdichter (25) und dem Expansionsbehälter (23) verbunden ist und flüssige Medien nach dem Strahlverdichter (25) über zumindest eine Abführleitung (45) abführbar sind.
13. 13. Mischkondensator (18) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlverdichter (25) einen Diffusor (29) aufweist, der in Flussrichtung der Medien nach der Mischdüse (27) angeordnet ist.
14. 14. Mischkondensator (18) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass weiters zumindest eine Lagerleitung (30) vorgesehen ist, über die der Ausgang des Strahlverdichters mit dem Lager tank (19) verbunden ist. Wien, den T\ 0t Nov. MV!