CN103620167A - 废热利用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于废热源（10）的废热利用设备，包括一个连接在其后面的ORC（有机物朗肯循环），其中，该废热源（10）与ORC的加热装置连接，以及具有一个与发电机（5）耦合的用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机（4）。本发明的任务是，在结构和运行情况方面优化由连接在废热源后面的ORC组成的废热利用设备。因此，按照本发明，设有一个通过来自ORC回路（1）的冷却介质冷却的、由膨胀机（4）、发电机（5）和变频器组成的单元。冷的、液态的冷却介质在馈送泵（2）后面被取出并且被输入用于冷却由膨胀机（4）、发电机（5）和变频器组成的单元。

Description

废热利用设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的废热利用设备。
背景技术
ORC（Organic-Rankine-Cycle：有机朗肯循环）指的是根据郎肯的热动态的循环过程。这意味着，一个工作介质执行不同的热动态的状态，以便最终又过渡到液态的初始状态中。在此，工作介质通过泵被带到较高的压力水平。然后工作介质被预加热到蒸发温度并且接着被蒸发。
因此涉及一种蒸发过程，其中，代替水蒸发一种有机介质。产生的蒸汽驱动一个膨胀机，例如一个涡轮机、一个活塞或螺旋马达，它又与一个发电机耦合，以便产生电流。过程介质在工作机之后到达一个冷凝器中并且在那里在释放热量的情况下被循环冷却。因为水在大气条件下在100℃时蒸发，所以低温低水平的热量、例如工业废热或地热通常不能用于发电。如果人们使用具有较低沸点的有机介质，那么能够产生低温蒸汽。
例如即便在利用生物质结合力-热-耦合时，尤其是在比较小的功率时，即当传统的生物质燃烧技术表现得比较昂贵时，ORC设备在使用中是有利的。生物质设备通常具有用于产生生物气体的发酵槽，它通常必须被加热。
这类废热利用设备由力-热-耦合领域公开并且包括一个与后接的ORC组合的BHKW，即一个中央供热站。由DE19541521A1涉及一种用于在借助内燃机排出特殊气体时提高电效率的设备，其中内燃机的废热在后接的能量转换设备中被用于进一步产生电流。然而在此仅利用来自冷却水循环以及来自废气热交换器的高温热。
另外由US4901531已知一种集成在郎肯过程中的柴油机组，其中，缸用于根据郎肯的膨胀并且其它作为柴油发动机工作。由US4334409涉及一种根据郎肯过程工作的装置，其中工作介质通过热交换器加热，空气从具有内部燃烧的机器的压缩器的出口排出。
中央供热站（BHKW）通常作为力-热-耦合装置已知。它在此指的是分散的、大多通过内燃机驱动的具有同时的废热利用的电流产生设备。在燃烧中通过冷却介质带出的热在此尽可能完全地被用于加热合适的物体。
尤其是在作为废热发电厂的具有ORC力-热-耦合设备中，该机器得以实现，它基于具有用于增压的废气增压器的发动机。人们由此对具有非常高的电效率的机器具有需求，它允许仅通过压缩加热的燃烧气体混合物的涡轮增压和回流冷却来实现。通常需要冷却燃烧气体混合物，因为否则的话缸的填充比较差。通过冷却，吸入的混合物的密度变大并且填充效率由此改善。由此提高发动机的功率产出和机械效率。
发动机制造商为了混合物的冷却规定了仅大约40至50℃的冷却水流入温度，由此能够足够地冷却混合物。因为该温度水平比较低，所以从燃烧气体取出的热在迄今为止的力-热-耦合设备中被排出到环境，例如通过台式冷却器。
由DE102005048795B3已知在加热装置中在两个步骤中预热ORC中的工作介质，即在ORC中的过程介质通过两个串联地连接在馈送泵后的热交换器被加热，其中，馈送泵后的第一热交换器作为用于耦合输入低温热的第一级并且后面的热交换器作为用于耦合输入高温热的第二级。在此，内燃机的混合物冷却通过一个回路与馈送泵后的第一热交换器连接，其中，来自对内燃机抽吸的燃烧气体混合物的冷却的热用于预热ORC中的过程介质并且作为低温热被耦合输入到第一热交换器中。第二加热回路从发动机冷却水和内燃机的废气吸取热并且与馈送泵后的第二热交换器连接，其中，来自冷却循环和废气的热用于使ORC的过程介质的过热并且汽化并且作为高温热被耦合输入到馈送泵后的第二热交换器中。
发明内容
因此本发明的任务是，在结构和运行情况方面优化由连接在废热源后面的ORC组成的废热利用设备。
它按照本发明通过具有权利要求1的特征解决。有利的扩展构型由从属权利要求得出。
该废热利用设备尤其是包括一个用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机，该膨胀机具有一个具有配设的调节装置和一个通过发电机-变频器的直流-中间电路的供电装置的磁支承装置。废热利用设备的特点在于，设有一个通过来自ORC回路的冷却介质冷却的、由膨胀机、发电机和变频器组成的单元。为此，按照本发明，冷的、液态的冷却介质在馈送泵后面被取出并且被输入用于冷却由膨胀机、发电机和变频器组成的单元。在一种特别有利的实施方式中，冷的、液态的冷却介质在馈送泵后面被取出并且直接被输送给膨胀机用于轴承冷却。
此外按照本发明，变热的、从由膨胀机、发电机和变频器组成的单元和/或膨胀机的轴承区域排出的冷却介质在入口侧被输入给冷凝器。
用于冷却的冷却介质的温度范围例如在输入侧大约为15℃至50℃并且在输出侧大约为30℃至80℃，其中，相应的温度取决于待冷却的部件和/或组件以及整个废气利用设备的实际运行状态。
有利地，设有一个与上级的调节装置相关联的温度监控装置，该温度监控装置具有在待冷却的部件和/或组件中的温度测量部位。该温度监控装置将实际的温度测量值与可预给定的额定值比较、分析处理它和/或相应地优化调节冷却介质流量。在此优选对于待冷却的部件和/或组件设置具有分开的冷却通道或相应的管路的分开的调节回路。这些单个的、配设给各个待冷却的部件和/或组件的调节回路具有阀、优选电磁阀，用于控制冷却介质流量，以便优化地应付相应的本地的温度情况。
通过本发明优化了由一个连接在废热源后面的ORC组成的废热利用设备的结构和运行特性。废热源可以例如是中央供热站。工业设备或锅炉设备。
废热利用设备、尤其是由膨胀机、发电机和变频器组成的单元通过按照本发明的措施最佳地并且符合情况地被冷却。一方面是安全的、坚固的设备运行的前提条件，另一方面是各个部件的有效的且受保护的运行的前提条件，它们具有所有在冷却方面的具体要求。这不仅涉及废热利用设备的静止运行，而且也涉及根据废热影响以及起动和驶出对***的模块化。尤其是这些状态对于冷却***而言提出一种要求并且按照本发明提供安全的控制。
例如在起动阶段中实现最大的运行安全性并且保护免受冷却介质冷凝，当与马达室运行的发电机耦合的膨胀机的加速在ORC回路中没有冷却介质加载的情况下发生时。因为在冷却侧为此设置的冷却介质-分流通过发电机单元导向，所以他在那里吸收在马达式运行期间通过机械损失产生的热。冷却介质然后流过膨胀机的壳体，在那里排出热并且由此在起动阶段中首先负责预热。
附图说明
附图示出本发明的一个实施例并且在唯一的视图中示出一个废热利用设备的示意结构，它包括一个连接在其后的ORC。
具体实施方式
对于ORC运行重要的部件是一个ORC回路1、一个馈送泵2、一个蒸发器3、一个与发电机5耦合的用于蒸汽膨胀的膨胀机4、一个用于通过散热器7的回流冷却的冷凝器6以及用于预热ORC回路1中的工作介质的热交换器8、9。
两个热交换器8、9串联地设置在馈送泵2后面。在此，馈送泵2后面的第一热交换器8用作用于从废热源10耦合输入低温热的第一级并且接下来的热交换器9用作用于从废热源10耦合输入高温热的第二级。
一个第二加热回路11以它的先导区域与ORC的蒸发器3连接，因为温度水平首先对于其直接加热是足够高的。然后第二加热回路11在回流侧通入到第二热交换器9中并且在那里将存在的剩余热排出到ORC。
用于冷却膨胀机4的液态冷却介质-分流12被分支出来并且首先被输送通过发电机5。然后冷却介质流过膨胀机4的壳体、在那里在用于预热的起动阶段中首先输出热并且在正常运行中负责充分的散热。为此特点仅在于一个简单的、示意的管线布置，没有所需的通向单个部件或多个部件、分度盘、温度测量部位、阀和调节装置的分支。
在达到最小起动转速时，膨胀机4的入口处的一个蒸汽阀13被打开以便蒸汽膨胀到ORC中并且在蒸汽阀13进一步打开时实现转速的进一步提高，从而发电机5从马达式运行过渡到正常的发电机运行中。
围绕膨胀机4设置一个具有至少一个节流阀15的被调节的旁路14。该旁路14在起动阶段中、即在工作介质的温度仍比较低时首先被打开。由此工作介质绕过膨胀机4被传导。一旦ORC回路1已经达到它的额定运行状态，那么旁路14中的节流阀15关闭并且设置在膨胀机4前面的蒸汽阀13被打开。

Claims (7)

1.用于废热源（10）的废热利用设备，包括一个连接在其后面的ORC（有机物朗肯循环），其中，该废热源（10）与ORC的加热装置连接，以及具有一个与发电机（5）耦合的用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机（4），该膨胀机具有一个具有配设的调节装置和一个通过发电机-变频器的直流-中间电路的供电装置的磁支承装置，其特征在于，设有一个通过来自ORC回路（1）的冷却介质冷却的、由膨胀机（4）、发电机（5）和变频器组成的单元。
2.根据权利要求1所述的废热利用设备，其特征在于，冷的、液态的冷却介质在馈送泵（2）后面被取出并且被输入用于冷却由膨胀机（4）、发电机（5）和变频器组成的单元。
3.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，冷的、液态的冷却介质在馈送泵（2）后面被取出并且被输入给膨胀机（4）用于轴承冷却。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的废热利用设备，其特征在于，变热的、从由膨胀机（4）、发电机（5）和变频器组成的单元和/或膨胀机（4）的轴承区域排出的冷却介质在入口侧被输入给冷凝器（6）。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的废热利用设备，其特征在于，设有一个与上级的调节装置相关联的温度监控装置，该温度监控装置具有在待冷却的部件和/或组件中的温度测量部位，该温度监控装置将实际的温度测量值与可预给定的额定值比较、分析处理和/或调节冷却介质流量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的废热利用设备，其特征在于，对于待冷却的部件和/或组件设置分开的调节回路，以便调节冷却介质流量。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的废热利用设备，其特征在于，在配设给各个待冷却的部件和/或组件的调节回路中设置用于控制冷却介质流量的阀。
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