DE19650183C2

DE19650183C2 - Abwärmeverwertungsanlage für höher temperierte Abwärme

Info

Publication number: DE19650183C2
Application number: DE19650183A
Authority: DE
Inventors: Herbert Mueller
Original assignee: TECHNOLOGIE BERATUNGS INST GMB
Current assignee: TECHNOLOGIE-BERATUNGS-INSTITUT GMBH, 19061 SCHWERI
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2016-12-05
Also published as: DE19650183A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Abwärme tritt in praktisch allen menschlichen Lebensbereichen auf, die Nutzung der Abwärme ist deshalb ein Hauptweg der rationellen Energieverwendung.

Die Erfindung

- betrifft eine Anlage, die die der anfallenden höher temperierten Abwärme innewohnenden Nutzungspotenzen möglichst umfassend ausnutzen kann;
- ist immer dann anwendbar, wenn stark schwankende Nutzungsbedingungen für Abwärme vorliegen, z. B. Sommer- und Wintersituation infolge der jahres zeitlichen Klimaschwankungen
- ermöglicht vorteilhafte Rückwirkungen auf die Abwärme liefernde Hauptanlage, z. B. die Verlängerung derer Benutzungsdauer.

Diese Bedingungen treffen insbesondere zu, wenn die Abwärme im Rahmen der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung, z. B. mit Blockheizkraftwerken (BHKW) entsteht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekanntermaßen gibt es infolge des II. Hauptsatzes der Thermodynamik unter schiedliche Abwärmenutzungsmethoden, vor allem sind zu nennen

- die Nutzung von Wärmeübertragern (WÜ) bei sinkendem Temperaturniveau der zu nutzenden Wärme
- die Nutzung von Wärmepumpen (WPP) zwecks Erhöhung des Temperaturniveaus der zu nutzenden Abwärme
- die Nutzung von Wärmekraftprozessen zur (anteiligen) Umwandlung der Wärme in wertvollere mechanische/elektrische Energie.

Der exergetische Wert der Abwärmenutzung steigt in der genannten Reihenfolge, deshalb ist die Rückgewinnung mechanischer/elektrischer Arbeit aus der Abwärme ein Schwerpunkt der erfinderischen Tätigkeit wie in US-Patent 43 42 201 am Beispiel der Verdichterabwärmenutzung umfassend dargestellt.

Bekannt ist, dass Wärmekraftprozesse mit Wärme von niedriger Temperatur, wie bei Abwärme i. allg. vorliegend, nur schwer wirtschaftlich akzeptabel gestaltet werden können. Das liegt einerseits an den gegenüber Wasserdampf komplizierter handhab baren Arbeitsmedien wie beim sog. ORC-Prozess und anderseits an den verwendeten Arbeitsmaschinen, i. allg. Turbinen, was darauf hinweist, auch neuere Vorschläge für Wärmekraftanlagen wie z. B. nach DE 43 04 423 A1 zu betrachten.

Bekannt ist weiterhin, dass die Nutzung von Wärmeübertragern einfach und deshalb billig ist, aber wegen des sinkenden Temperaturniveaus die Zahl der Nutzungsfälle für die Abwärme ebenfalls sinkt. Weiterhin ist bekannt, daß Wärmepumpen einen hohen apparativen wie auch Betriebsaufwand erfordern. Letzterer ist

- im Falle der Kompressionswärmepumpen teure mechan. Antriebsenergie
- im Falle der Absorptionswärmepumpen wertvolle Hochtemperaturwärme.

Dieser Nachteil kann gemildert werden, wenn die mechan. oder thermische Antriebs energie nicht als Fremdenergie von außerhalb gestellt werden muss, sondern in der Gesamtanlage selbst aufgebracht werden kann. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der Antrieb von Wärmepumpen mit Gasmotoren. Der Einsatz aller genannten Abwärme nutzungsaggregate erhöht die Anlagekosten der Gesamtanlage. Es ist bekannt, dass die Rentabilität solcher Anlage wesentlich von der Benutzungsdauer abhängt, die ihrerseits bei klimaabhängigen Nutzungsanforderungen von diesen bestimmt wird. Ein bekanntes Beispiel ist der Betrieb von Blockheizkraftwerken zur dezentralen Wärme- und Stromerzeugung. Bei Nutzung der Wärme für Raumheizprozesse entfällt diese Wärmenutzungsart im Sommer und macht dann eine alleinige dezentrale Strom erzeugung unwirtschaftlich.

Eine bekannte Maßnahme zur Abhilfe ist das Finden anderer Wärmenutzer im Sommer, z. B. durch Absorptionskühlung. Nachteilig ist hierbei, daß der Energie produzent von externen Bedingungen abhängt, die er nicht selbst beeinflussen kann.

Darstellung der Erfindung

Der in den Patentansprüchen formulierten Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Ausnutzung der Abwärme dadurch zu optimieren, dass bei hoher exergetischer Qualität der Abwärmenutzung die Anlagenbenutzungsdauer der Haupt- und Hilfsaggregate gesteigert wird, bei vergleichsweise nur gering steigendem apparativem Aufwand.

Zur Erreichung dieses Ziels folgt als Aufgabe die Gestaltung einer Abwärmenutzungs anlage, mit der unter verschiedenen Nutzungsbedingungen (z. B. Sommer- und Winterbetrieb) verschiedene möglichst aus der Anlage selbst heraus formulierbare Nutzungszwecke erreicht werden können, wobei apparative Anlagenbestandteile möglichst weitgehend in allen Nutzungsfällen zum Einsatz kommen sollen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch gekoppelte Einbeziehung des Absorptions-wärmepumpen- und Wärmekraftmaschinenprinzips wie folgt gelöst: Der Exergieanteil der Abwärme begründet die Nutzung der Abwärme als Austreiber energie eines Exsorbers eines Absorptionskreislaufes, bestehend aus Absorber, Lösungspumpe, Exsorber und Entspannungsventil.

Das auf diese Weise exsorbierte, verdichtete Arbeitsgas des Absorptionskreislaufes wird wahlweise

A) dem Verflüssiger eines üblichen Wärmepumpenkreislaufes, bestehend aus Verflüssiger, Expansionsventil und Verdampfer,
B) der Expansionsmaschine zum mechanischen Antrieb eines Arbeitsaggregates, z. B. elektrischen Generators

zugeführt.

Im Falle I erhöht sich durch den Wärmepumpeneffekt die Temperatur der zusätzlich aufgenommenen Kaltwärme, so dass die insgesamt nutzbare Wärme gegenüber einfacher BHKW-Abwärmenutzung steigt.

Im Fall II wird in praktischer Konsequenz die Abwärme in nutzbare mechan. Energie verwandelt. Prinzipiell können die Fälle I und II zeitlich parallel oder in Folge zur Ausführung kommen. Im Interesse einer effektiven Energieumwandlung wird als Expansionsmaschine ein Flügelzellenaggregat vorgeschlagen.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 1 Abwärmeverwertungsanlage zur Optimierung der Nutzung der Motorabwärme in BHKW

Das Ausführungsbeispiel zeigt eine erfindungsgemäße Anlage mit integrierter Expansionsmaschine 1 und Absorptionskälteanlage zur Gewinnung von mechanischer/elektrischer Energie.

Die heißen, durch die Verbindungsleitungen a transportierten Abgase eines BHKW- Gasmotors 2 werden dem Austreiber (Exsorber) 3 eines Absorptionskreislaufes zugeführt und bewirken in bekannter Weise eine Austreibung des gelösten Gases (z. B. Ammoniak NH₃),

- welches über die Leitungen b nach Passieren von Verflüssiger 7, Expansionsventil 9 und Verdampfer 10 (Fall I) und/oder
- das über die Leitungen c nach Passieren der Entspannungsmaschine 1 (Fall II)

zum Absorber

5

des Absorptionskreislaufes zurückgeführt wird. Durch Entspannungs ventil

4

und Lösungsmittelpumpe

6

wird der Absorptionskreislauf in bekannter Weise vervollständigt. Die im Absorber

5

und Verflüssiger

7

gewinnbaren Wärmemengen können zusammen mit der im Wärmeübertrager

11

gewinnbaren Wärme in einem Wärmeverbraucher bzw. Wärmeverbrauchersystem

12

genutzt werden. Durch Umwälzpumpe

13

wird der Wärmeträgerkreislauf d) geschlossen. Fall I entspricht dem reinen Winterbetrieb mit hohem Wärmebedarf, die Entspannungsmaschine

1

ist außer Betrieb. Fall II entspricht dem reinen Sommerbetrieb mit dem Schwerpunkt der Erzeugung von elektrischer Energie über Generator

8

. Entsp.maschine 1 ist jetzt in Betrieb, Apparate

7

,

9

,

10

sind außer Betrieb. Zur Absicherung der Motorkühlung (Öl, Kühlwasser) kann in bekannter Weise eine Rückkühlvorrichtung

14

, parallel zu 12, erforderlich sein. Mischbetrieb zwischen I und II ist möglich und in der Übergangsjahreszeit dominierend.

Für die Aggregate 2. .8 ergibt sich dadurch eine ganzjährige Nutzungsdauer sowie für die Aggregate 7, 9, 10 infolge des Parallelbetriebs ein hoher jährlicher Betriebsstunden anteil. Für wärmegeführte BHKW bedeutet das, einen höheren Wärmeleistungsanteil des Gesamtwärmebedarfs über das BHKW abdecken zu können, im Extrem bis zum Wegfall sonst nötiger Spitzenheizkesselanlagen.

Ergänzende Hinweise

Der Wärmeübertrager 11 zur Nutzung der Kühlwasserwärme des Motors kann in den Kreislauf d in Reihe wie in Fig. 1 oder parallel zu Apparat 5 und 7 eingebaut werden. Eine Vergrößerung der gewinnbaren Arbeit bei Fehlen von Wärmeverbrauchern (Sommer!) durch Senkung des Kondensationsdruckes gegenüber Heizkraftbetrieb wie bei Dampfturbinenanlagen ist infolge der andersartigen Kraft-Wärme-Kopplung in BHKW nicht möglich, so daß Apparat 1 für einen entsprechenden Arbeitsgewinn unverzichtbar ist.

Die Anlage nach Fig. 1 zeigt das Prinzipielle, für spezielle Ausführungsfälle sind bekannte Maßnahmen zur Steigerung der energetischen Effektivität, z. B. Einbau von Temperaturwechslern in den Absorptionskreislauf oder stufenartige Aufteilung der Wärmeübertrager zur Realisierung von Temperaturkaskaden, vorzusehen.

Claims

1. Abwärmeverwertungsanlage zur exergetisch optimierten Nutzung von höher temperierter Abwärme, enthaltend einen in bekannter Weise konfigurierten kälte technischen Absorptionskreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass eine Expansionsmaschine zur Gewinnung von mechanischer Energie und eine kältetechnische Aggregatekette aus Verflüssiger, Expansionsventil und Verdampfer zueinander parallel an den mit der Abwärme beheizten Desorber (Exsorber) und an den Absorber des Absorptionkreislaufs angeschlossen werden, so dass ein gleichzeitiges oder alternierendes Durchfließen beider Stränge durch das kältetechnische Arbeitsmedium möglich wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftabnahme von der Expansionsmaschine getrennt oder mechanisch starr gekoppelt mit der eines Kraft-Wärme-Kopplungsaggregates erfolgt.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine als Turbine, Kolbenmaschine oder Flügelzellenmaschine ausgeführt sein kann.