DE10052414A1 - Verfahren zum Betreiben einer Energieumwandlungseinrichtung sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energieumwandlungseinrichtung auf der Basis eines thermischen ORC-Kreisprozesses, welche der Arbeitsmaschine nachgeschaltet mindestens einen Regenerator, einen Kondensator und eine Speisepumpe aufweist. Erfindungsgemäß wird der Massestrom des Arbeitsfluids durch den Regenerator mittels Verzweigung ausgangsseitig des Kondensators reduziert, wobei dem abgezweigten Teilstrom separat Wärmeenergie zugeführt wird und dieser Teilstrom unmittelbar auf den Verdampfer gelangt. Die dem abgezweigten Teilstrom zuzuführende Wärmeenergie wird von einem Abgaswärmetauscher außerhalb des eigentlichen Kreisprozesses bereitgestellt, so daß auch die im Rauchgas enthaltene thermische Energie ohne aufwendige technische Maßnahmen genutzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energieumwandlungseinrichtung auf der Basis eines thermischen ORC-Kreisprozesses, welche der Arbeitsmaschine nachgeschaltet mindestens einen Regenerator, einen Kondensator und eine Speisepumpe aufweist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Ver­ fahrens.

Aus der DE 199 07 512 A1 ist eine Vorrichtung zur Energie­ umwandlung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen vorbekannt.

Dort ist eine mindestens zweistufige kaskadierte Anordnung, jeweils bestehend aus einem Verdampfer, einer Turbine und einem Fluid-Kondensator gezeigt, wobei der Kondensator der ersten Stufe Abwärme auf den Kreislauf der zweiten Stufe führt. Weiterhin ist gemäß dortiger Lehre in jeder Stufe ein Fluid- Regenerator vorgesehen, wobei das Fluid des Hochtemperatur- Kreislaufs einen niedrigen und das Fluid des Niedrigtemperatur- Kreislaufs einen hohen Dampfdruck aufweist, so daß in Verbin­ dung mit der Kaskadierung große Temperaturdifferenzen zwischen Kaskadenein- und -ausgang im Sinne einer Erhöhung des Wir­ kungsgrads erreichbar sind.

Die angestrebte Verbesserung des Prozeßwirkungsgrads gemäß DE 199 07 512 A1 bedingt jedoch durch die Kaskadierung einen erheblichen konstruktiven und damit materiellen Aufwand bei der Realisierung derartiger Energieumwandlungsvorrichtungen.

Es hat sich gezeigt, daß ORC-Anlagen, d. h. solche, die einen organischen Kreisprozeß nach Rankine zur Gewinnung von mechanischer bzw. Elektroenergie aus Wärme nutzen, im Bereich der Wärmegewinnung, d. h. des Heizkessels, aus dem Primär­ energieträger, z. B. Holz, in der Regel einen geringeren Wirkungsgrad als vergleichbare Dampf- oder Warmwassererzeuger besitzen. Dies wird zwar regelmäßig durch die höhere Effizienz des Kreisprozesses kompensiert, jedoch kann ein erheblicher Teil der Wärmeenergie nicht zur Stromerzeugung über einen Generator genutzt werden.

Die Ursache hierfür liegt in der geringen Temperaturspreizung der über einen Energieträger, z. B. Rauchgas zugeführten Wärme. Während das Rauchgas nach der Verbrennung die gleiche Tempera­ tur wie bei einer Dampferzeugungsanlage, z. B. 950°C hat, ver­ läßt es jedoch den Heizkessel mit einer wesentlich höheren Temperatur, z. B. 300°C, im Vergleich zu 200°C bei einem Dampf­ kessel.

Der aus der DE 199 07 512 A1 bekannte nachgeschaltete Rege­ nerator zur Steigerung der Effizient in ORC-Kreisprozessen führt zu einer Kühlung des Abdampfes bis in die Nähe des Kondensationspunkts. Gleichzeitig wird das Kondensat nach dem Passieren der Speisepumpe vorgewärmt. Hierdurch ist nur noch ein relativ geringer Betrag an Wärmeenergie zum Erwärmen und Verdampfen des Fluids notwendig.

Die Rauchgastemperatur muß aber hierfür über der Temperatur liegen, die das Kondensat nach dem Passieren des Regenerators aufweist. Dies jedoch führt zu der erwähnten geringeren Effizienz des Heizkessels mit der Folge eines insgesamt reduzierten elektrischen Gesamtwirkungsgrads von z. B. 17% im ORC-Teil auf etwa 12% im Komplex betrachtet.

Für eine Erhöhung der Effizienz müßte die Abgastemperatur nach dem Wärmetauscher gesenkt und die hierdurch gewonnene Wärme­ energie mit zur Stromerzeugung genutzt werden. Andererseits aber kann nicht auf die regenerierte Wärmeleistung verzichtet werden, da diese wesentlich über der Verlustleistung des Rauchgases liegt.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Energieumwandlungseinrichtung auf der Basis eines thermischen ORC-Kreisprozesses anzugeben, wobei die Energieumwandlungseinrichtung der Arbeitsmaschine nachge­ schaltet mindestens einen Regenerator, einen Kondensator und eine Speisepumpe aufweist und wobei es gilt, den Gesamtwir­ kungsgrad ohne aufwendige konstruktive Maßnahmen zu erhöhen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Vor­ richtung zur Durchführung eines solchen weiterentwickelten Verfahrens zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig mit einer Lehre gemäß Patentanspruch 1 sowie vorrichtungsseitig mit der Lösung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 4, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Es wurde erkannt, daß das Kondensat im organischen Kreisprozeß eine höhere relative Wärmekapazität bezogen auf den Massestrom besitzt, als der organische Abdampf. Deshalb liegt die Kon­ densattemperatur selbst nach einem idealen Regenerator noch unter der Eintrittstemperatur des organischen Abdampfs in diesen. Es ist demnach die Flüssigkeitslinie im t-s Diagramm flacher als die Kondensations-Isobare.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, den Massestrom der Flüssigkeit durch den Regenerator zu verringern und den Kondensatstrom nach dem Kondensator aufzuteilen.

Hierdurch steigt die Flüssigkeitstemperatur des ersten Teil­ stroms nach dem Regenerator. Der nicht durch den Regenerator geführte Teil der Flüssigkeit, z. B. im Bereich von im wesent­ lichen 10%, wird separat direkt erhitzt oder eventuell auch verdampft und nach dem Regenerator vor der Turbine, d. h. vor der Arbeitsmaschine wieder mit dem anderen Teil des Kondensat­ stroms zusammengeführt.

Auf diese Weise kann die Wärme des Rauchabgases des Kessels auf einem wesentlich tieferen Niveau genutzt werden. Damit erhöht sich der Wirkungsgrad auf etwa 80%, was wiederum zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Anlage um bis zu 10% bezogen auf eine Ausführungsform ohne Aufteilung des Konden­ satstroms führt.

Demnach wird verfahrensseitig der Massestrom des Arbeitsfluids durch den Regenerator mittels Verzweigung ausgangsseitig des Kondensators reduziert, wobei dem abgezweigten Teilstrom separat Wärmeenergie zugeführt wird und dieser Teilstrom unmittelbar auf den Verdampfer gelangt.

Die dem Teilstrom zugeführte Wärmeenergie kann von einem Abgaswärmetauscher außerhalb des eigentlichen Kreisprozesses bereitgestellt werden.

Die Verzweigung des Massestroms selbst kann strömungsseitig hinter der Speisepumpe vorgenommen werden, wobei jedoch auch die Möglichkeit besteht, unmittelbar nach dem Kondensator zu verzweigen und für jeden Teilstrom eine separate Pumpe, die auch separat ansteuerbar sind, vorzusehen.

Über Regel- und Stellglieder kann darüber hinaus eine Beein­ flussung der Teilströme vorgenommen werden.

Vorrichtungsseitig ist dem Kondensator nachgeordnet die erwähnte Kondensatverzweigung vorgesehen, wobei ein erster abgezweigter Kondensatteilstrom auf einen direkten Vorwärmer gelangt und anschließend unmittelbar oder über einen weiteren Vorwärmer zum Verdampfer geführt ist.

Der zweite abgezweigte Kondensatteilstrom ist über den Rege­ nerator mit dem Verdampfer fluidseitig verbunden.

Der direkte Vorwärmer für das Erhitzen des ersten abgezweigten Teilstroms steht bevorzugt mit einem Abgaswärmetauscher in Verbindung. Im Kreislauf zwischen Abgaswärmetauscher und direktem Vorwärmer ist eine Umwälzpumpe vorgesehen oder es besteht alternativ die Möglichkeit, daß der Kreislauf zwischen Abgaswärmetauscher und direktem Vorwärmer indirekt über die Umwälzpumpe des Thermoölkreises zwischen Kessel und Verdampfer geführt ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein t-s Diagramm eines herkömmlichen ORC-Kreis­ prozesses;

Fig. 2 ein t-s Diagramm eines ORC-Kreisprozesses mit Rege­ nerator und verzweigtem Kondensatkreis gemäß Aus­ führungsbeispiel;

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung einer ORC-Anlage mit Regenerator und verzweigtem Kondensatkreis, wobei über die Pumpe des Thermoölzwischenkreises der Kreislauf zwischen Abgaswärmetauscher und direktem Vorwärmer betrieben wird; und

Fig. 4 eine weitere prinzipielle Darstellung einer ORC-Anlage mit Regenerator und verzweigtem Kondensatkreis, wobei hier eine separate Umwälzpumpe für den Kreislauf zwischen Abgaswärmetauscher und direktem Vorwärmer vorgesehen ist.

Die Fig. 1 zeigt die Flüssigkeitslinie im t-s Diagramm (1-2), welche flacher als die Kondensations-Isobare (4-5) ist. Dieser Verlauf ergibt sich dadurch, daß das Kondensat im organischen Kreisprozeß eine höhere relative Wärmekapazität bezogen auf den Massestrom als der organische Abdampf besitzt. Aus diesem Grund liegt die Kondensattemperatur selbst nach einem idealen Rege­ nerator noch unter der Eintrittstemperatur des organischen Abdampfs in diesen.

Wird, wie mit dem Ausführungsbeispiel technisch umgesetzt, der Massestrom der Flüssigkeit durch den Regenerator verringert und der Kondensatstrom nach dem Kondensator aufgeteilt, ergeben sich Verhältnisse, wie in der Fig. 2 dargestellt.

Es steigt demnach die Flüssigkeitstemperatur des ersten Teil­ stroms nach dem Regenerator. Der nicht durch den Regenerator geführte Teil der Flüssigkeit wird separat erhitzt (7-8, Fig. 2), eventuell auch verdampft und nach dem Regenerator, vor der Turbine wieder mit dem weiteren Teil des Kondensatstroms zusammengeführt.

Der Wirkungsgrad des ORC-Prozesses bleibt hier im wesentlichen gleich, es kann aber zusätzlich die Wärme des Abgases im Heiz­ kessel auf einem wesentlich tieferen Niveau genutzt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist nun der Speisepumpe des Fluidkreislaufs nachgeschaltet eine Verzweigung vorgesehen, wobei ein erster abgezweigter Kondensatteilstrom auf einen direkten Vorwärmer führt und dann auf den Vorwärmer und Verdampfer des Hauptkreislaufs gelangt. Der zweite Teilstrom führt in bekannter Weise über den Regenerator zum Vorwärmer bzw. Verdampfer.

Anstelle des Einsatzes einer einzigen Speisepumpe kann, wie in der Figur dargestellt, die Aufteilung bzw. Abzweigung des Kondensatstroms unmittelbar hinter dem Kondensator erfolgen, wobei dann für jeden Teilstrom eine separate Speisepumpe vorzusehen ist.

Eine Erwärmung des vor dem Regenerator abgezweigten Fluids kann gemäß Fig. 3 indirekt über den Hauptthermoölkreis erfolgen, wobei die hier vorhandene Umwälzpumpe ausreichend ist.

Gemäß Fig. 4 kann aber ebenso ein getrennter Kreislauf zwischen Abgaswärmetauscher und direktem Vorwärmer vorgesehen sein.

Auch kann der Thermoölkreis erst zum Verdampfen und Vorwärmen des gesamten Fluidstroms genutzt werden und anschließend den Teilstrom erhitzen. Diese Ausführungsform ist besonders kostengünstig realisierbar.

Durch eine Regelung der Fluid- oder Thermoölströme, z. B. über geeignete Stellventile, kann die Aufteilung der in die Kondensatströme eingebrachten Wärme in Abhängigkeit von den verschiedensten Parametern gezielt vorgegeben oder verändert werden.

Insgesamt ist der für die Verbesserung des Wirkungsgrads gemäß vorstehender Lösung notwendige technische Aufwand wesentlich geringer, als dies bei mehrstufig kaskadierten Anordnungen nach dem Stand der Technik der Fall ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Energieumwandlungseinrichtung auf der Basis eines thermischen ORC-Kreisprozesses, welche der Arbeitsmaschine nachgeschaltet mindestens einen Regenerator, einen Kondensator und eine Speisepumpe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Massestrom des Arbeitsfluids durch den Regenerator mittels Verzweigung ausgangsseitig des Kondensators reduziert wird, wobei dem abgezweigten Teilstrom separat Wärmeenergie zugeführt wird und dieser Teilstrom unmittelbar auf den Verdampfer gelangt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Teilstrom zugeführte Wärmeenergie von einem Abgas­ wärmetauscher außerhalb des eigentlichen Kreisprozesses bereitgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigung des Massestroms strömungsseitig hinter der Speisepumpe vorgenommen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator nachgeordnet eine Kondensatverzweigung vorge­ sehen ist, wobei ein erster abgezweigter Kondensatteilstrom auf einen direkten Vorwärmer gelangt und anschließend unmittelbar oder über einen weiteren Vorwärmer zum Verdampfer geführt ist, wobei der zweite abgezweigte Kondensatteilstrom über den Regenerator mit dem Verdampfer fluidseitig verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatverzeigung im Flüssigkeitskreislauf der Speise­ pumpe nachgeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigung unmittelbar ausgangsseitig des Kondensators vorgesehen ist, wobei in jedem Teilstrom eine Speisepumpe angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der direkte Vorwärmer mit einem Abgaswärmetauscher in Ver­ bindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreislauf zwischen Abgaswärmetauscher und direktem Vorwärmer eine Umwälzpumpe angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf zwischen Abgaswärmetauscher und direktem Vorwärmer indirekt über die Umwälzpumpe des Thermoölkreises zwischen Kessel und Verdampfer geführt ist.