EP2136040A2 - Niedertemperaturkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus - Google Patents

Niedertemperaturkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus Download PDF

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EP2136040A2
EP2136040A2 EP09000548A EP09000548A EP2136040A2 EP 2136040 A2 EP2136040 A2 EP 2136040A2 EP 09000548 A EP09000548 A EP 09000548A EP 09000548 A EP09000548 A EP 09000548A EP 2136040 A2 EP2136040 A2 EP 2136040A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
heat
circuit
low
mass flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09000548A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helge Dr. Petersen
Ingo Schröter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
E??-POWER GMBH
Original Assignee
E-Power GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by E-Power GmbH filed Critical E-Power GmbH
Publication of EP2136040A2 publication Critical patent/EP2136040A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to a device for operating a thermodynamic cycle, in particular a low-temperature power plant, and an associated method, wherein a low-temperature mass flow to a circulating in a first cycle working fluid at a Popetemperaturbericht a first heat flow and wherein after an expansion of the working fluid in an expansion machine the Working fluid is withdrawn at a lower than the réelletemperaturmony expansion temperature level, in particular in a cooling device, a second heat flow.
  • thermodynamic cycles are used in particular in low-temperature power plants to gain energy from a low-temperature mass flow, for example by means of a turbine, which serves as an expansion machine.
  • Low-temperature power plants find, for example, in geothermal, solar thermal, energy from biomass, in the generation of energy from waste heat, which, for example, in digestion or fermentation processes such. arises in a landfill, or the like.
  • Application. In the course of saving fossil fuels and in the pursuit of a complete abandonment of such fossil fuels find such processes steadily growing interest.
  • thermodynamic cycle Due to the smaller in comparison to a high temperature power plant temperature difference in the operation of the thermodynamic cycle, an efficiency of a low temperature power plant is naturally always significantly lower than in a high temperature power plant. Especially since the temperature of a low-temperature mass flow is predetermined on the basis of the conditions of, for example, a geothermal heat source or a waste heat-conducting process, There are efforts to improve the energy yield of a low-temperature power plant through optimization measures.
  • the object of the present invention is to improve an energy yield during operation of a low-temperature power plant with, in particular, only minor changes in the apparatus of existing thermodynamic cycles.
  • thermodynamic machine in particular a low-temperature power plant
  • a method for operating a thermodynamic cycle in particular a low-temperature power plant, with the features of claim 7.
  • a heat transformer is a device or a component that from a mass flow with a first temperature level, a smaller mass flow generated with a relation to the first temperature level higher temperature level and another smaller mass flow with respect to the first temperature level lower temperature level.
  • the side is called the first temperature level
  • the warmer side of the heat transformer the side is referred to the higher than the first temperature level temperature level.
  • For supplying a heat flow into the heat transformer (on its colder side) and / or for delivering a heat flow from the heat transformer (on its warmer side) may each be provided heat exchangers, which may be in communication with the circuit or the low-temperature mass flow.
  • thermodynamic cycle in particular of a low-temperature power plant
  • this makes it possible to increase the efficiency or heat throughput of a thermodynamic cycle, in particular of a low-temperature power plant, by, for example, bringing the mass flow supplied to the expansion machine to a higher temperature level and / or increasing this mass flow.
  • existing low-temperature cycles can be converted by using a heat transformer with little effort.
  • a stream of water from a geothermal brine is used. If the temperature of the geothermal brine is sufficient, the low-temperature mass flow may also be in the form of steam. However, instead of water, other fluids may also be used for the low-temperature mass flow. As an alternative to a geothermal brine, the low-temperature mass flow can also be brought to its operating temperatures by means of solar thermal energy, waste heat from a biomass process, waste heat from another process or the like.
  • the circuit may be operated as an Organic Rankine cycle, ORC.
  • ORC Organic Rankine cycle
  • an ORC fluid which z.
  • pentane, butane or other refrigerant is heated in a preheater, evaporated in a heated by the low-temperature mass flow evaporator, fed to a functioning as an expansion engine turbine and expanded there, and cooled in a condenser to be fed to the cycle again.
  • a recuperator is provided, which serves to recover residual heat from the exhaust stream of the turbine. The amount of heat gained is used to feed the preheater.
  • a heat transformer is additionally provided which extracts a second heat flow from the working fluid after the turbine or the expansion machine and after the recuperator and before or in a cooling device, which is in particular a condenser, and pumps it to a higher pump Temperature level pumps and the circuit or the low temperature mass flow again leads.
  • the cycle can be operated as a Kalina cycle.
  • the Kalina process works a bit similar to an ORC process, where the working fluid is first heated, evaporated, in the expansion machine, such as a turbine, is relaxed, condensed and then fed back to the heating.
  • the working fluid in the evaporator or desorber is split with a subsequent separator in a vapor phase and an aqueous phase, wherein the steam is passed through the expansion machine, while the liquid phase after a possible heat recovery via a throttle to the outlet pressure the expansion machine, in particular the turbine, is relaxed.
  • both partial flows are reunited and flow back via an internal heat exchanger to the condenser or the absorber.
  • the pressure is increased again, for example by means of a feed pump.
  • any other type of low-temperature power plant can be operated according to the invention.
  • a cooling device is provided on the downstream side of the expansion machine, for example a condenser or the like, wherein the second heat flow is withdrawn from the low-temperature mass flow before or in the cooling device.
  • a heat transformer for example, a system with at least two expeller Adsorbem is used, as described in the patent DE 34 08 192 C2 is described, which is fully incorporated by reference in the disclosure.
  • a force-heat engine may be used with an at least substantially adiabatic compression step of a working fluid.
  • a second circuit in particular an ORC circuit, with a second heat transformer, which is arranged in the same way as the first heat transformer, arranged sequentially to the first circuit, wherein the first and second heat transformer each with its warm side with the low-temperature Mass flow between the first and second circuit are in heat flow connection.
  • the heat transformers are provided for example at their ends with heat exchangers, which are on the warmer side of the heat transformer on the one hand with the low-temperature mass flow in heat flow connection and on the colder side of the heat transformers on the other hand with the respective circuit in heat flow connection.
  • the temperature of the warmer side of the second heat transformer is preferably lower than the temperature of the warmer side of the first heat transformer.
  • the heat exchangers of the heat transformers are arranged in the low-temperature mass flow, that first the heat of the second heat transformer is discharged to the low-temperature mass flow and then the heat of the second heat transformer.
  • the heat exchangers of the heat transformers are arranged in the low-temperature mass flow, that first the heat of the second heat transformer is discharged to the low-temperature mass flow and then the heat of the second heat transformer.
  • a stepped increase in temperature of the low-temperature mass flow upstream of the second circuit preferably takes place a stepped increase in temperature of the low-temperature mass flow upstream of the second circuit.
  • a second circuit is provided, which is fed from a branch stream from the low-temperature mass flow downstream of the first circuit, wherein the first heat transformer with its warmer end is in heat flow connection with the branch stream upstream of the second circuit and wherein a downstream recycling of the branch stream downstream of the second circuit is provided in the low-temperature mass flow.
  • an existing heat cycle in particular according to the ORC principle, thereby be improved in its energy yield, that this is coupled to a second heat cycle, in particular according to the ORC principle, only one feed line from one output of the first circuit to the input of the second Circuit must be placed and an outflow line from the second circuit must be placed back to the first downstream line, in addition to the principle of ordinary heat cycles, for example, the ORC principle, a heat transformer is used such that its warm end with the input line of the second heat cycle is in heat flow connection. Preferably, this can improve a current efficiency of about 15%.
  • a second circuit which has a downstream feedback to its input, which is in heat flow communication with the warmer end of the first heat transformer, the first and the second circuit are fluidically separated in particular completely and are only in heat flow connection with each other via the first heat transformer.
  • At least one return line for returning a partial flow from the low-temperature mass flow downstream of the first circuit is provided, wherein the warm side of the first heat transformer is in heat flow connection with this partial flow.
  • the low-temperature mass flow upstream of the first circuit is increased.
  • the heat transformer and the return line such that the recirculated partial flow can be heated to exactly the starting temperature level, ie the first temperature, of the low-temperature mass flow.
  • the warm side of the first heat transformer in a section between an evaporator and the expansion machine with the first circuit in heat flow connection.
  • a corresponding heat exchanger is provided in this section, which is fed by the warm side of the first heat transformer.
  • the invention also relates to a method for operating a thermodynamic cycle, in particular a low-temperature power plant, in particular according to one of the above-described embodiments, in which circulates a working fluid, which is supplied by a low-temperature mass flow at a Popetemperaturplast a first heat flow, wherein after expansion of the working fluid in an expansion machine with delivery of mechanical energy to the working fluid at a second, lower than the réelletemperaturmony lower expansion temperature level, especially before entering a cooling device, a second heat flow is withdrawn, which in at least one heat transformer to a pump temperature level which is higher than or equal to Output temperature level is pumped and the low-temperature mass flow and / or the first circuit is at least partially recycled.
  • the second heat flow is withdrawn downstream of the expansion machine and after pumping to the pump temperature level, for example, immediately before (upstream) of the expansion machine fed back into the cycle or in the low-temperature mass flow.
  • thermodynamic cycle in particular a low-temperature power plant.
  • the starting temperature level which corresponds to the temperature level of the low-temperature mass flow, is for example at temperatures between an ambient outside temperature and about 200 ° C, for example 120 ° C.
  • the pump temperature level is preferably at least as high, but advantageously higher than the initial temperature level.
  • a temperature of a heated by the second heat flow heat transformer fluid is raised by at least two expeller adsorbents on or above the higher pump temperature level.
  • the heat transformer fluid is expelled at a relatively low first pressure from a solid adsorbent
  • the gaseous working fluid adsorbed with release of useful heat at a relatively high third temperature in a solid adsorbent and the process by cyclically expelling and adsorbing working fluid in the adsorbent or parts thereof, wherein at least two, at different temperatures and pressures expeller adsorber means of heat exchange devices heat from the heat transfer fluid rich to the heat transformer fluid poorer Exchanging exchanger adsorber, which is then exchanged between the heat exchanger exchange between these expeller adsorbers heat exchanger fluid between these expulsion adsorbent, which is expelled from the heat-transforming fluid-rich adsorbent under heat
  • a heated by the second heat flow heat transformer fluid is at least substantially adiabatically compressed and thereby heated to or above the pump temperature level to pump the second heat flow to the pump temperature level.
  • a suitable refrigerant such as, for example, pentane, butane or another suitable hydrocarbon compound is used as the heat transformer fluid.
  • a temperature of the low-temperature mass flow and / or a temperature of the working fluid in the first circuit is increased by the second heat flow raised to the pump temperature level.
  • This preferably allows an increase in the efficiency of the thermodynamic cycle, in particular low-temperature power plant.
  • the second heat flow is pumped to the higher pump temperature level, which is above the Stahltemperaturcludes, the temperature of the low-temperature mass flow. In this way, the temperature of the low-temperature mass flow is increased.
  • an increase in the temperature of the working fluid at one point in the circuit may also be provided.
  • a maximum temperature of the working fluid is increased within the thermodynamic cycle.
  • the low-temperature mass flow is increased by partial recycling of a low-temperature mass flow effluent heated with the second heat flow.
  • the partially recirculated low-temperature mass flow effluent is pumped to the same temperature level as the incoming low-temperature mass flow. It goes without saying that the volume flow or mass flow delivered from, for example, a geothermal source does not change. By recycling, however, the mass flow or volume flow which passes through the circuit is increased.
  • At least two circuits are fed sequentially from the low-temperature mass flow, whereby a return of the second heat flows respectively pumped to the higher pump temperature level into the low-temperature mass flow between the first and the second circuit.
  • This preferably allows a temperature increase of the low-temperature mass flow, which has passed the first circuit, in particular the ORC process, and an improved energy yield of the second ORC process.
  • At least two circuits in particular ORC circuits, are provided, wherein a branch stream for supplying the second circuit is branched off from the low-temperature mass flow downstream of the first circuit, which downstream of the second circuit is reunited with the low-temperature mass flow downstream wherein the pumped to the higher pump temperature level second heat flow of the first circuit is supplied to the branch stream.
  • This preferably makes it possible to improve an existing system by coupling a second thermodynamic circuit, in particular an ORC circuit.
  • At least two circuits in particular two ORC circuits, provided, wherein the pumped to the pump temperature level second heat flow of the first circuit is fed to a downstream of the second circuit, which is supplied to the second circuit again as an influx second ORC circuit to be completely separated from the first ORC circuit except for a heat flow connection.
  • the heat flow is transferred without replacing a mass flow between the circuits.
  • a branch stream is branched off from the low-temperature mass flow downstream of the first circuit, which is heated by the second heat flow pumped to the higher pump temperature level and returned to the low-temperature mass flow upstream of the first circuit.
  • the branch flow so that its pump temperature level before returning corresponds to the output temperature level of the low-temperature mass flow.
  • the low-temperature mass flow upstream of the first circuit is increased.
  • this leads to a higher energy yield.
  • a low-temperature mass flow effluent is not increased despite the higher low-temperature mass flow passing through the first circuit.
  • the second heat flow is withdrawn downstream of the expander and fed after pumping to the higher pump temperature level, especially immediately before the expansion machine back into the first cycle.
  • this is a temperature in a mass flow of the working fluid in the first cycle between an evaporator and the expansion machine increased.
  • the heat potential in this mass flow is increased.
  • the structure shown is a construction of an ORC cycle according to the prior art used in a geothermal application.
  • a deep pump 2 For supplying a low-temperature mass flow 1, a deep pump 2 is provided, which promotes 3 thermal water with a temperature of 80 ° C from a geothermal source.
  • the low-temperature mass flow 1 thus provides a starting temperature level of 80 ° C available and heated by means of a first heat exchanger 4 in an evaporator 5, a working fluid 6, which is brought to evaporate in the evaporator 5.
  • the working fluid 6 is in the embodiment after FIG. 1 to pentane. After evaporation, the working fluid 6 is supplied to a functioning as an expansion turbine 7, in which the evaporated working fluid 6 performs work and is relaxed.
  • recuperator 8 This reduces the temperature of the working fluid 6, which subsequently passes through a recuperator 8, to an expansion temperature level. Downstream of the recuperator 8, the working fluid 6 passes through a condenser 9, in which the working fluid 6 is condensed again. After condensation, the working fluid 6 is fed back to the evaporator 5 by means of a feed pump 10 through the recuperator 8 and a preheater 11.
  • the recuperator 8 serves to at least partially remove heat contained in the working fluid 6 after expansion in the turbine 7 and to supply it to the working fluid 6 before it enters the preheater 11.
  • FIG. 2 The structure of a Kalina cycle according to the prior art shown is similar in many parts to that in FIG. 1 constructed ORC structure.
  • a low-temperature mass flow 1 fed from a geothermal source 3 heats a working fluid 6 in a desorber 12, which is then desorbed. Subsequently, this working fluid 6 is split in a separator 13 into a vapor phase 14 and an aqueous phase 15.
  • As working fluid 6 ammonia-water mixture is used. Therefore, the vapor phase 14 is vapor rich in ammonia and the aqueous vapor Phase 15 around a low ammonia aqueous phase 15. The vapor phase 14 is then fed to a functioning as an expansion engine turbine 7, in which the steam 14 is expanded while doing performed.
  • the aqueous phase 15 is brought together again via a high-temperature repulper 16 and a throttle 17 with the vapor phase 14 after leaving the turbine 7 and fed via a low-temperature recuperator 18 to an absorber 19. Subsequently, the working fluid 6 is fed back to the desorber 12 by means of a feed pump 10 via the low-temperature recuperator 18 and the high-temperature recuperator 16 and a preheater 11.
  • the increase of the temperature T 2 relative to the initial temperature level T 1 results from the fact that an unrepresented heat flow in the ORC arrangement according to FIG. 1 between the turbine 7 shown there and the recuperator 8 shown there by means of a heat exchanger, not shown, for heating the cold side 23 of the heat transformer 21, wherein the thereby dissipated at an expansion temperature level second heat flow to a pump temperature level above the initial temperature T 1 is pumped.
  • the in FIG. 1 shown condenser 9 and the recuperator 8 are also omitted, so that the working fluid 6 is passed to the turbine to dissipate the second heat flow through the heat exchanger, not shown, and from there to the preheater.
  • the low temperature mass flow Downstream of the ORC circuit 20, the low temperature mass flow has a temperature T 3 . This temperature is both lower than the first temperature level T 1 and the second temperature T 2 .
  • a Kalina cycle can also be used in an embodiment of the invention which is not shown.
  • a second ORC circuit 25 is provided, which is arranged sequentially to the first ORC circuit 20 downstream of a low-temperature mass flow 1. Furthermore, a first heat transformer 21 and a second heat transformer 26 are provided, which are each with its warm side 22 in heat flow connection with the low-temperature mass flow 1. The cold sides 23 of the heat transformers are in turn, as in the above embodiment according to the FIG. 3 arranged in the outflow of the turbine. The second heat flows taken out of the exhaust gas streams of the turbine, each at an expansion temperature level, are respectively pumped to a higher pump temperature level in the first heat transformer 21 or the second heat transformer 26.
  • a stepwise increase in temperature of the first low-temperature mass flow 1 downstream of the first ORC cycle 20 from a temperature T 2 to a temperature T 3 and then subsequently to a temperature T 4 are provided ,
  • the temperature T 1 is again lower than the initial temperature level T 1 , wherein the temperature level T 5 , at which the low-temperature mass flow 1 downstream of the second ORC circuit 25 exits again, is lower than the temperature T 4 .
  • a first ORC circuit 20 and a second ORC circuit 25 are provided, wherein a branch stream 28 is branched off from the low-temperature mass flow 1 downstream of the first ORC circuit 20 from this low-temperature mass flow 1, wherein a heat exchanger 24 is provided which is in heat flow connection with a warm side 22 of a heat transformer 21 and so heats a mass flow dm 2 / dt at a temperature T 2 to a temperature T 3 .
  • a cold side 23 of the heat transformer 21 is in turn brought into contact with a working fluid of the first ORC cycle 20 in the outflow of a turbine, as in the previously described embodiments.
  • the thereby removed second heat flow is pumped by means of the heat transformer 21 to a temperature above the temperature T 2 , so that the mass flow dm 2 / dT from the temperature T 2 to the temperature T 3 can be heated.
  • This heated mass flow dm 2 / dt with the temperature T 3 is used to operate the second ORC circuit 25.
  • a downstream flow 29 downstream of the second ORC circuit 25 is fed back into the first low-temperature mass flow 1 downstream of the first ORC circuit 20.
  • the effluent in this case has a temperature T 4 , which is greater than the temperature T 5 , which has the low-temperature mass flow 1 at the end.
  • the temperature T 3 is greater than the temperature T 2 .
  • a branch stream 28 is provided in accordance with column 6 as a partial fill.
  • the second heat flow, which is dissipated by the heat transformer 21 is again 20% of the entrained in the turbine exhaust heat.
  • This second heat flow is returned to the higher pump level with a loss of 10% from the heat transformer after pumping.
  • the inlet temperature and thus the starting temperature level is 120 ° C
  • the outlet temperature T 5 is 75 ° C.
  • the temperatures T 2 and T 4 are approximately identical to the temperature T 5 .
  • the following values are in turn calculated for a brine as a low-temperature mass flow with an initial temperature level of 120 ° C as the inlet temperature.
  • the branch stream shall be set according to the partial packing specified in column 7.
  • the heat transformer 21 pumps 20% of the waste heat of the turbine with an efficiency of 90% to the pump temperature level. Fill in I / s Inlet temp. in ° C Austrestemp. in ° C thermal power in kW KW efficiency in% elec.
  • a working fluid 6 is brought directly upstream of a turbine 7 by means of a heat transformer 21 to a higher temperature level.
  • a heat transformer 21 it is again an ORC cycle, in which a low-temperature mass flow 1 heats an evaporator 5 at an initial temperature level, whereby the working fluid 6 is evaporated and fed to the turbine 7 after additional heating by a warm side 22 of the heat transformer 21 becomes.
  • the expanded working fluid 6 is fed to a heat exchanger 24 which is in heat flow communication with a cold end 23 of the heat transformer 21.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes, sowie ein zugehöriges Verfahren, wobei ein Niedertemperatur-Massenstrom (1) einem in einem ersten Kreislauf zyklierenden Arbeitsfluid (6) bei einem Ausgangstemperatumiveau (T 1 ) einen ersten Wärmestrom zuführt, wobei nach einer Expansion des Arbeitsfluids in einer Expansionsmaschine (7) dem Arbeitsfluid (6) bei einem gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau (T 1 ) niedrigeren Expansions-Temperaturniveau (T 5 ) zur Verbesserung einer Energieausbeute des thermodynamischen Zyklus bzw. des Niedertemperaturkraftwerkes ein zweiter Wärmstrom entzogen wird, welcher auf ein höheres Pump-Temperaturniveau gepumpt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) oder/und dem ersten Kreislauf zumindest teilweise wieder zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere ein Niedertemperaturkraftwerk, sowie ein zugehöriges Verfahren, wobei ein Niedertemperatur-Massenstrom einem in einem ersten Kreislauf zirkulierenden Arbeitsfluid bei einem Ausgangstemperaturniveau einen ersten Wärmestrom zuführt und wobei nach einer Expansion des Arbeitsfluids in einer Expansionsmaschine dem Arbeitsfluid bei einem gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau niedrigeren Expansions-Temperaturniveau insbesondere in einer Kühlvorrichtung ein zweiter Wärmestrom entzogen wird.
  • Derartige thermodynamische Zyklen werden insbesondere in Niedertemperaturkraftwerken dazu eingesetzt, aus einem Niedertemperatur-Massenstrom Energie zu gewinnen, beispielsweise mittels einer Turbine, welche als Expansionsmaschine dient. Niedertemperaturkraftwerke finden beispielsweise in der Geothermie, der Solarthermie, bei der Energiegewinnung aus Biomasse, bei der Energiegewinnung aus Abwärme, welche beispielsweise in Faul- oder Gärprozessen wie z.B. in einer Mülldeponie entsteht, oder dgl. Anwendung. Im Zuge der Einsparung fossiler Brennstoffe und im Zuge des Bestrebens auf einen vollständigen Verzicht auf derartige fossile Brennstoffe finden derartige Prozesse stetig wachsendes Interesse.
  • Auf Grund der im Vergleich zu einem Hochtemperaturkraftwerk kleineren Temperaturdifferenz bei Betrieb des thermodynamischen Zyklus ist ein Wirkungsgrad eines Niedertemperaturkraftwerkes naturgemäß stets deutlich niedriger als in einem Hochtemperaturkraftwerk. Zumal die Temperatur eines Niedertemperatur-Massenstromes auf Grund der Gegebenheiten beispielsweise einer geothermalen Wärmequelle oder eines Abwärme führenden Prozesses vorgegeben ist, bestehen Bestrebungen, eine Energieausbeute eines Niedertemperaturkraftwerkes durch Optimierungsmaßnahmen zu verbessern.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energieausbeute beim Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerkes mit insbesondere nur geringfügigen apparativen Veränderungen bestehender thermodynamischer Zyklen zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine thermodynamische Maschine, insbesondere ein Niedertemperaturkraftwerk, mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes, mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Bei einer erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine, insbesondere einem Niedertemperaturkraftwerk, mit wenigstens einem ersten Kreislauf zur Zirkulation eines Arbeitsfluids weist der erste Kreislauf wenigstens eine Expansionsmaschine und wenigstens einen ersten Wärmetauscher zur Einspeisung eines ersten Wärmestromes aus einem Niedertemperatur-Massenstrom in den ersten Kreislauf auf, wobei wenigstens ein Wärmetransformator mit seiner kälteren Seite zwischen der Expansionsmaschine und der Kühlvorrichtung bzw. in der Kühlvorrichtung, welche insbesondere ein Kondensator ist, in Wärmestromverbindung mit dem Kreislauf vorgesehen ist und mit seiner wärmeren Seite mit dem Niedertemperatur-Massenstrom oder dem ersten Kreislauf (stromaufwärts der Expansionsmaschine) in Wärmestromverbindung steht. Als Wärmestromverbindung weist der Wärmetransformator beispielsweise auf seiner kälteren Seite und seiner wärmeren Seite jeweils einen Wärmetauscher auf.
  • Ein Wärmetransformator ist dabei eine Einrichtung oder ein Bauteil, das aus einem Massenstrom mit einem ersten Temperaturniveau einen kleineren Massenstrom mit einem gegenüber dem ersten Temperaturniveau höheren Temperaturniveau sowie einen weiteren kleineren Massenstrom mit einem gegenüber dem ersten Temperaturniveau niedrigeren Temperaturniveau erzeugt. Als kältere Seite des Wärmetransformators wird die Seite mit dem ersten Temperaturniveau bezeichnet und als wärmere Seite des Wärmetransformators wird die Seite mit dem gegenüber dem ersten Temperaturniveau höheren Temperaturniveau bezeichnet. Zur Zufuhr eines Wärmestroms in den Wärmetransformator (an seiner kälteren Seite) und/oder zur Abgabe eines Wärmestroms aus dem Wärmetransformator (an seiner wärmeren Seite) können jeweils Wärmetauscher vorgesehen sein, die mit dem Kreislauf oder dem Niedertemperatur-Massenstrom in Verbindung stehen können.
  • Vorzugsweise ermöglicht dies eine Erhöhung eines Wirkungsgrades oder eines Wärmedurchsatzes eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes, indem bspw. der der Expansionsmaschine zugeführte Massenstrom auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird und/oder dieser Massenstrom vergrößert wird. Insbesondere können bestehende Niedertemperaturzyklen durch Einsatz eines Wärnetransformators mit geringem Aufwand umgerüstet werden.
  • Als Niedertemperatur-Massenstrom wird beispielsweise ein Wasserstrom aus einer geothermalen Sole verwendet. Bei ausreichender Temperatur der geothermalen Sole kann der Niedertemperatur-Massenstrom auch als Dampf vorliegen, Es können jedoch an Stelle von Wasser auch andere Fluide zur Verwendung als Niedertemperatur-Massenstrom eingesetzt werden. Alternativ zu einer geothermalen Sole kann der Niedertemperatur-Massenstrom auch mittels Solarthermie, Abwärme aus einem Biomasseprozess, Abwärme aus einem anderen Prozess oder dgl. auf seine Einsatztemperaturen gebracht werden,
  • Das Arbeitsfluid ist insbesondere so gewählt, dass es bei einer Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes in einer verdampften Form vorliegt, wohingegen es bei einem unteren Temperaturniveau des Kreislaufes in einer flüssigen Phase vorliegt. Je nach Temperatureinsatz werden hierzu entsprechend geläufige Kältemittel verwendet wie beispielsweise Pentan, Butan, andere Kohlenwasserstoffe oder dgl. In einem einfachen Kreislauf wird beispielsweise das Arbeitsfluid in einer ersten Stufe in einem Wärmetauscher durch den Niedertemperatur-Massenstrom verdampft, in einer zweiten Stufe in einer als Expansionsmaschine fungierenden Turbine expandiert und anschließend wieder kondensiert, um erneut vom Niedertemperatur-Massenstrom im Wärmetauscher erwärmt zu werden.
  • Beispielsweise kann der Kreislauf als Organic-Rankine-Zyklus, ORC, betrieben werden. Dabei wird ein ORC-Fluid, welches z. B. Pentan, Butan oder anderes Kältemittel ist, in einem Vorerwärmer erwärmt, in einem von dem Niedertemperatur-Massenstrom erwärmten Verdampfer verdampft, einer als Expansionsmaschine fungierenden Turbine zugeführt und dort expandiert, und in einem Kondensator abgekühlt, um dem Zyklus erneut zugeführt zu werden. Zwischen Turbine und Kondensator ist dabei ein Rekuperator vorgesehen, welcher der Rückgewinnung von Restwärme aus dem Abgasstrom der Turbine dient. Die dabei gewonnene Wärmemenge wird dazu verwendet, den Vorerwärmer zu speisen. Bei einem Verfahren gemäß der Erfindung ist zusätzlich ein Wärmetransformator vorgesehen, welcher dem Arbeitsfluid nach der Turbine bzw. der Expansionsmaschine und nach dem Rekuperator und vor bzw. in einer Kühlvorrichtung, welche insbesondere ein Kondensator ist, einen zweiten Wärmestrom entzieht und diesen auf ein höheres Pump-Temperaturniveau pumpt und dem Kreislauf oder dem Niedertemperaturmassenstrom wieder zu führt.
  • Hinsichtlich der Grundlagen eines ORC-Prozesses wird auf die DE 692 18 206 T2 verwiesen, auf welche im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich Bezug genommen wird. Vorzugsweise ermöglicht die Verwendung eines ORC-Zyklus, nach diesem Prinzip arbeitende und bereits bestehende Anlagen mit einem geringen Aufwand zur Verbesserung des Wirkungsgrades umzurüsten.
  • In einer anderen Ausgestaltung kann der Kreislauf als Kalina-Zyklus betrieben werden. Der Kalina-Prozess funktioniert dabei ansatzweise ähnlich wie ein ORC-Prozess, wobei das Arbeitsfluid zunächst erwärmt wird, verdampft wird, in der Expansionsmaschine, beispielsweise einer Turbine, entspannt wird, kondensiert wird und anschließend wieder der Erwärmung zugeführt wird. Im Unterschied zu einem ORC-Prozess wird das Arbeitsfluid im Verdampfer bzw. Desorber mit einem nachfolgenden Separator in eine Dampfphase und eine wässrige Phase aufgespalten, wobei der Dampf über die Expansionsmaschine geleitet wird, während die Flüssigphase nach einer möglichen Wärmerückgewinnung über eine Drossel auf den Austrittsdruck der Expansionsmaschine, insbesondere der Turbine, entspannt wird. Anschließend werden beide Teilströme wieder vereinigt und fließen über einen internen Wärmetauscher an den Kondensator bzw. den Absorber zurück. Nach der Kondensation/Absorption wird der Druck beispielsweise mittels einer Speisepumpe wieder erhöht. Hinsichtlich der Grundlagen eines ORC-Prozesses wird auf die US 2004 0182084 A1 verwiesen, auf welche im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich Bezug genommen wird.
  • Neben diesen Ausgestaltungen kann jede andere Art eines Niedertemperaturkraftwerkes erfindungsgemäß betrieben werden.
  • Insbesondere ist abstromseitig der Expansionsmaschine eine Kühlvorrichtung vorgesehen, beispielsweise ein Kondensator oder dgl., wobei der zweite Wärmestrom vor oder in der Kühlvorrichtung dem Niedertemperatur-Massenstrom entzogen wird.
  • Als Wärmetransformator wird beispielsweise ein System mit wenigstens zwei Austreiber-Adsorbem verwendet, wie es in der Patentschrift DE 34 08 192 C2 beschrieben ist, auf welche im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich Bezug genommen wird. Alternativ kann eine Kraft-Wärmemaschine mit einem zumindest im wesentlichen adiabatischen Kompressionsschritt eines Arbeitsfluids verwendet werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist ein zweiter Kreislauf, insbesondere ein ORC-Kreislauf, mit einem zweiten Wärmetransformator, welcher in gleicher Weise wie der erste Wärmetransformator angeordnet ist, sequentiell zum ersten Kreislauf angeordnet, wobei erster und zweiter Wärmetransformator jeweils mit ihrer warmen Seite mit dem Niedertemperatur-Massenstrom zwischen erstem und zweitem Kreislauf in Wärmestromverbindung stehen. Dazu sind die Wärmetransformatoren beispielsweise an ihren Enden jeweils mit Wärmetauschern versehen, welche an der wärmeren Seite des Wärmetransformators einerseits mit dem Niedertemperatur-Massenstrom in Wärmestromverbindung stehen und auf der kälteren Seite der Wärmetransformatoren andererseits mit dem jeweiligen Kreislauf in Wärmestromverbindung stehen. Die Temperatur der wärmeren Seite des zweiten Wärmetransformators ist dabei vorzugsweise niedriger als die Temperatur der wärmeren Seite des ersten Wärmetransformators. Vorzugsweise sind die Wärmetauscher der Wärmetransformatoren so im Niedertemperatur-Massenstrom angeordnet, dass zunächst die Wärme des zweiten Wärmetransformators an den Niedertemperatur-Massenstrom abgegeben wird und anschließend die Wärme des zweiten Wärmetransformators. Dadurch erfolgt vorzugsweise eine gestufte Temperaturerhöhung des Niedertemperatur-Massenstromes stromaufwärts des zweiten Kreislaufes.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist ein zweiter Kreislauf vorgesehen, welcher aus einem Zweigstrom aus dem Niedertemperatur-Massenstrom stromabwärts des ersten Kreislaufes gespeist ist, wobei der erste Wärmetransformator mit seinem wärmeren Ende mit dem Zweigstrom stromaufwärts des zweiten Kreislaufes in Wärmestromverbindung steht und wobei eine abstromseitige Rückführung des Zweigstromes stromabwärts des zweiten Kreislaufes in den Niedertemperatur-Massenstrom vorgesehen ist. Beispielsweise kann ein bestehender Wärmekreislauf, insbesondere gemäß dem ORC-Prinzip, dadurch in seiner Energieausbeute verbessert werden, dass dieser mit einem zweiten Wärmekreislauf, insbesondere gemäß dem ORC-Prinzip, gekoppelt wird, lediglich eine Speisleitung von einem Ausgang des ersten Kreislaufes zum Eingang des zweiten Kreislaufes gelegt werden muss und eine Abstromleitung von dem zweiten Kreislauf wieder zur ersten Abstromleitung gelegt werden muss, wobei zusätzlich zu den prinzipiell gewöhnlichen Wärmekreisläufen, gemäß beispielsweise dem ORC-Prinzip, ein Wärmetransformator derart eingesetzt wird, dass sein warmes Ende mit der Eingangsleitung des zweiten Wärmekreislaufes in Wärmestromverbindung steht. Vorzugsweise kann dadurch eine Stromausbeute um etwa 15% verbessert werden.
  • Um einen geschlossenen Niedertemperatur-Massenstromkreislauf zu realisieren, kann ein zweiter Kreislauf vorgesehen sein, welcher eine abstromseitige Rückführung auf seinen Eingang aufweist, welche mit dem wärmeren Ende des ersten Wärmetransformator in Wärmestromverbindung steht, Der erste und der zweite Kreislauf sind strömungstechnisch insbesondere vollständig voneinander getrennt und stehen nur über den ersten Wärmetransformator miteinander in Wärmestromverbindung.
  • In einer Weiterbildung ist wenigstens eine Rückführungsleitung zur Rückführung eines Teilstromes aus dem Niedertemperatur-Massenstrom stromabwärts des ersten Kreislaufes vorgesehen, wobei die warme Seite des ersten Wärmetransformators mit diesem Teilstrom in Wärmestromverbindung steht. Dadurch wird vorzugsweise der Niedertemperatur-Massenstrom stromaufwärts des ersten Kreislaufes vergrößert. Insbesondere sind Wärmetransformator und Rückführungsleitung so bemessen, dass der rückgeführte Teilstrom genau auf das Ausgangstemperaturniveau, d. h. die erste Temperatur, des Niedertemperatur-Massenstromes erwärmt werden kann.
  • In einer anderen Ausgestaltung steht die warme Seite des ersten Wärmetransformators in einem Abschnitt zwischen einem Verdampfer und der Expansionsmaschine mit dem erstem Kreislauf in Wärmestromverbindung. Insbesondere ist dazu in diesem Abschnitt ein entsprechender Wärmetauscher vorgesehen, welcher durch die warme Seite des ersten Wärmetransformators gespeist wird. Damit wird vorzugsweise eine Temperatur des Arbeitsfluids unmittelbar vor Eintritt in die Expansionsmaschine erhöht und somit eine Energieausbeute bei der Expansion verbessert.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes, insbesondere gemäß einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen, in dem ein Arbeitsfluid zirkuliert, welchem durch einen Niedertemperatur-Massenstrom bei einem Ausgangstemperaturniveau ein erster Wärmestrom zugeführt wird, wobei nach einer Expansion des Arbeitsfluids in einer Expansionsmaschine unter Abgabe mechanischer Energie dem Arbeitsfluid bei einem zweiten, gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau niedrigeren Expansions-Temperaturniveau, insbesondere vor Eintritt in eine Kühlvorrichtung, ein zweiter Wärmestrom entzogen wird, welcher in wenigstens einem Wärmetransformator auf ein Pump-Temperaturniveau, welches höher oder gleich dem Ausgangstemperaturniveau ist, gepumpt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom oder/und dem ersten Kreislauf zumindest teilweise wieder zugeführt wird. Mit anderen Worten wird der zweite Wärmestrom stromabwärts der Expansionsmaschine entzogen und nach dem Pumpen auf das Pump-Temperaturniveau bspw. unmittelbar vor (stromaufwärts) der Expansionsmaschine wieder in den Kreislauf bzw. in den Niedertemperatur-Massenstrom eingespeist.
  • Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine Erhöhung eines Wirkungsgrades oder eines Wärmedurchsatzes des thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes.
  • Das Ausgangstemperaturniveau, welches dem Temperaturniveau des Niedrigtemperatur-Massenstromes entspricht, liegt beispielsweise bei Temperaturen zwischen einer Umgebungsaußentemperatur und etwa 200°C, beispielsweise 120°C. Das Pump-Temperaturniveau ist vorzugsweise wenigstens ebenso hoch, vorteilhafterweise jedoch höher als das Ausgangstemperaturniveau.
  • Um den zweiten Wärmestrom auf das höhere Pump-Temperaturniveau zu pumpen, wird gemäß einer Weiterbildung eine Temperatur eines durch den zweiten Wärmestrom erwärmten Wärmetransformatorfluids mittels wenigstens zwei Austreiber-Adsorbem auf oder über das höhere Pump-Temperaturniveau angehoben.
  • Dabei wird beispielsweise das Wärmetransformatorfluid bei einem relativ niedrigen ersten Druck aus einem festen Adsorptionsmittel ausgetrieben, das beim Austreiben entstehende gasförmige Wärmetransformatorfluid bei einer relativ niedrigen ersten Temperatur unter Abgabe von Wärme in eine flüssige Phase überführt und in einer flüssigen Phase vorliegendes Wärmetransformatorfluid bei einer mittleren zweiten Temperatur und bei einem relativ höheren Druck unter Wärmeaufnahme in die Gasphase überführt, das gasförmige Arbeitsfluid unter Abgabe von Nutzwärme bei einer relativ hohen dritten Temperatur in einem festen Adsorptionsmittel adsorbiert und der Prozess durch zyklisches Austreiben und Adsorbieren von Arbeitsfluid im Adsorptionsmittel oder Teilen hiervon aufrechterhalten, wobei mindestens zwei, bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken vorliegende Austreiber-Adsorber mittels Wärmetauschvorrichtungen Wärme vom wärmetransformatorfluidreicheren zum wärmetransformatorfluidärmeren Austreiber-Adsorber austauschen, wobei anschließend an den Wärmetausch zwischen diesen Austreiber-Adsorbern durch Druckausgleich Wärmetransformatorfluid zwischen diesen Austreiber-Adsorbem ausgetauscht wird, welches aus dem wärmetransformatorfluidreicheren Adsorptionsmittel unter Wärmeaufnahme ausgetrieben wird und im wärmetransformatorfluidärmeren Adsorptionsmittel unter Wärmeentwicklung adsorbiert wird.
  • In einer anderen Variante wird ein durch den zweiten Wärmestrom erwärmtes Wärmetransformatorfluid zumindest im wesentlichen adiabatisch komprimiert und dabei auf oder über das Pump-Temperaturniveau erwärmt, um den zweiten Wärmestrom auf das Pump-Temperaturniveau zu pumpen. Als Wärmetransformatorfluid wird wiederum je nach Temperaturbereich ein geeignetes Kältemittel wie beispielsweise Pentan, Butan oder eine andere geeignete Kohlenwasserstoffverbindung verwendet.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass durch den auf das Pump-Temperaturniveau angehobenen zweiten Wärmestrom eine Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes oder/und eine Temperatur des Arbeitsfluids in dem ersten Kreislauf erhöht wird. Dies ermöglicht vorzugsweise eine Steigerung des Wirkungsgrades des thermodynamischen Zyklus, insbesondere Niedertemperaturkraftwerkes. Dazu wird beispielsweise der zweite Wärmestrom auf das höhere Pump-Temperaturniveau gepumpt, welches oberhalb des Ausgangstemperaturniveaus, der Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes, liegt. Auf diese Weise wird die Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes erhöht. In ähnlicher Weise kann auch eine Erhöhung der Temperatur des Arbeitsfluids an einer Stelle im Kreislauf vorgesehen sein. Vorzugsweise wird eine maximale Temperatur des Arbeitsfluids innerhalb des thermodynamischen Zyklus erhöht.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Niedertemperatur-Massenstrom durch teilweise Rückführung eines mit dem zweiten Wärmestrom erwärmten Niedertemperatur-Massenstrom-Abstromes erhöht wird. Vorzugsweise wird der teilrückgeführte Niedertemperatur-Massenstrom-Abstrom dabei auf das gleiche Temperaturniveau wie der eingehende Niedertemperatur-Massenstrom gepumpt. Es versteht sich von selbst, dass der aus der beispielsweise einer geothermalen Quelle geförderte Volumenstrom bzw. Massenstrom sich dabei nicht ändert. Durch die Rückführung wird jedoch der Massenstrom bzw. Volumenstrom, welcher den Kreislauf passiert, erhöht.
  • Für einen Betrieb des Kreislaufes können verschiedene Ausgestaltungen und Verfahrensabläufe bzw. Anordnungen vorgesehen sein. In einem ersten vorgesehenen Verfahren werden wenigstens zwei Kreisläufe, insbesondere ORC-Kreisläufe, sequentiell vom Niedertemperatur-Massenstrom gespeist, wobei eine Rückführung der jeweils auf das höhere Pump-Temperaturniveau gepumpten zweiten Wärmeströme in den Niedertemperatur-Massenstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Kreislauf erfolgt. Vorzugsweise ermöglicht dies eine Temperaturerhöhung des Niedertemperatur-Massenstromes, welcher den ersten Kreislauf, insbesondere den ORC-Prozess, passiert hat, und eine verbesserte Energieausbeute des zweiten ORC-Prozesses.
  • In einer weiteren Variante sind wenigstens zwei Kreisläufe, insbesondere ORC-Kreisläufe, vorgesehen, wobei aus dem Niedertemperatur-Massenstrom stromabwärts des ersten Kreislaufes ein Zweigstrom zur Speisung des zweiten Kreislaufes abgezweigt wird, welcher stromabwärts des zweiten Kreislaufes wieder mit dem Niedertemperatur-Massenstrom abstromseitig vereinigt wird, wobei der auf das höhere Pump-Temperaturniveau gepumpte zweite Wärmestrom des ersten Kreislaufes dem Zweigstrom zugeführt wird. Dies ermöglicht vorzugsweise eine Verbesserung einer bestehenden Anlage durch Ankopplung eines zweiten thermodynamischen Kreislaufes, insbesondere eines ORC-Kreislaufes.
  • Gemäß einer Weiterbildung sind wenigstens zwei Kreisläufe, insbesondere zwei ORC-Kreisläufe, vorgesehen, wobei der auf das Pump-Temperaturniveau gepumpte zweite Wärmestrom des ersten Kreislaufes einem Abstrom des zweiten Kreislaufes zugeführt wird, welcher dem zweiten Kreislauf wieder als Zustrom zugeführt wird, Dadurch kann der zweite ORC-Kreislauf bis auf eine Wärmestromverbindung vollständig von dem ersten ORC-Kreislauf getrennt ausgebildet sein. Der Wärmestrom wird dabei überführt, ohne einen Massenstrom zwischen den Kreisläufen auszutauschen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass aus dem Niedertemperatur-Massenstrom stromabwärts des ersten Kreislaufes ein Zweigstrom abgezweigt wird, welcher mit dem auf das höhere Pump-Temperaturniveau gepumpten zweiten Wärmestrom erwärmt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom stromaufwärts des ersten Kreislaufes zurückgeführt wird.
  • Insbesondere ist dabei vorgesehen, den Zweigstrom so zu bemessen, dass dessen Pump-Temperaturniveau vor dem Zurückführen dem AusgangsTemperaturniveau des Niedertemperatur-Massenstromes entspricht. Auf diese Weise wird der Niedertemperatur-Massenstrom stromaufwärts des ersten Kreislaufes vergrößert. Vorteilhafterweise führt dies zu einer höheren Energieausbeute. Gleichzeitig wird insbesondere ein Niedertemperatur-Massenstrom-Abstrom trotz des den ersten Kreislaufes passierenden höheren Niedertemperatur-Massenstromes nicht vergrößert.
  • In einer anderen Ausgestaltung wird der zweite Wärmestrom stromabwärts der Expansionsmaschine entzogen und nach dem Pumpen auf das höhere Pump-Temperaturniveau insbesondere unmittelbar vor der Expansionsmaschine wieder in den ersten Kreislauf eingespeist. Vorzugsweise wird dadurch eine Temperatur in einem Massenstrom des Arbeitsfluids im ersten Kreislaufes zwischen einem Verdampfer und der Expansionsmaschine erhöht. Dabei wird insbesondere das Wärmepotential in diesem Massenstrom erhöht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dort dargestellten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind jeweils in den Figuren sowie in der Beschreibung dargestellte Merkmale im Rahmen des Schutzbereichs der Patentansprüche zu Weiterbildungen miteinander kombinierbar.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    den Aufbau eines ORC-Zyklus gemäß dem Stand der Technik,
    Figur 2
    den Aufbau eines Kalina-Zyklus gemäß dem Stand der Technik,
    Figur 3
    eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
    Figur 4
    eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
    Figur 5
    eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
    Figur 6
    eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
    Figur 7
    eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
    Figur 8
    eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus, und
    Figur 9
    eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus.
  • Bei dem in Figur 1 gezeigten Aufbau handelt es sich um einen bei einer geothermalen Anwendung verwendeten Aufbau eines ORC-Zyklus gemäß dem Stand der Technik. Zur Speisung eines Niedertemperatur-Massenstromes 1 ist eine Tiefpumpe 2 vorgesehen, welche aus einer geothermalen Quelle 3 Thermalwasser mit einer Temperatur von 80°C fördert. Der Niedertemperatur-Massenstrom 1 stellt somit ein Ausgangstemperaturniveau von 80°C zur Verfügung und erwärmt mittels eines ersten Wärmetauschers 4 in einem Verdampfer 5 ein Arbeitsfluid 6, welches im Verdampfer 5 zur Verdampfung gebracht wird. Bei dem Arbeitsfluid 6 handelt es sich in der Ausführungsform nach Figur 1 um Pentan. Nach dem Verdampfen wird das Arbeitsfluid 6 einer als Expansionsmaschine fungierenden Turbine 7 zugeführt, in weicher das verdampfte Arbeitsfluid 6 Arbeit leistet und entspannt wird. Dadurch verringert sich die Temperatur des Arbeitsfluids 6, welches anschließend einen Rekuperator 8 durchläuft, auf ein Expansions-Temperaturniveau. Stromabwärts des Rekuperators 8 durchläuft das Arbeitsfluid 6 einen Kondensator 9, in welchem das Arbeitsfluid 6 wieder kondensiert wird. Nach der Kondensation wird das Arbeitsfluid 6 mittels einer Speisepumpe 10 durch den Rekuperator 8 hindurch und einen Vorerwärmer 11 wieder dem Verdampfer 5 zugeführt. Der Rekuperator 8 dient dabei dazu, im Arbeitsfluid 6 nach Expansion in der Turbine 7 enthaltene Wärme zumindest teilweise abzuführen und dem Arbeitsfluid 6 vor Eintritt in den Vorerwärmer 11 wieder zuzuführen.
  • Der in Figur 2 gezeigte Aufbau eines Kalina-Zyklus gemäß dem Stand der Technik ist in großen Teilen ähnlich dem in Figur 1 gezeigten ORC-Aufbau aufgebaut. Ein aus einer geothermalen Quelle 3 gespeiste Niedertemperatur-Massenstrom 1 erwärmt in einem Desorber 12 ein Arbeitsfluid 6, welches daraufhin desorbiert wird. Anschließend wird dieses Arbeitsfluid 6 in einem Separator 13 in eine Dampfphase 14 und eine wässrige Phase 15 aufgespalten. Als Arbeitsfluid 6 wird Ammoniak-Wassergemisch verwendet. Daher handelt es sich bei der Dampfphase 14 um ammoniakreichen Dampf und bei der wässrigen Phase 15 um eine ammoniakarme wässerige Phase 15. Die Dampfphase 14 wird anschließend einer als Expansionsmaschine fungierenden Turbine 7 zugeführt, in welcher der Dampf 14 expandiert wird und dabei Arbeitet leistet. Die wässrige Phase 15 wird über einen Hochtemperaturrepukerator 16 und eine Drossel 17 wieder mit der Dampfphase 14 nach Austritt aus der Turbine 7 zusammengeführt und über einen Niedertemperaturrekuperator 18 einem Absorber 19 zugeführt. Anschließend wird das Arbeitsfluid 6 mittels einer Speisepumpe 10 über den Niedertemperaturrekuperator 18 und den Hochtemperaturrekuperator 16 sowie einen Vorerwärmer 11 wieder dem Desorber 12 zugeführt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik wird im Folgenden die Erfindung anhand verschiedener Varianten schematisch und beispielhaft dargestellt.
  • In einer ersten Variante gemäß Figur 3 ist ein erster Kreislauf 20 vorgesehen, bei dem es sich um einen ORC-Kreislauf handelt, wie er beispielsweise in der Figur 1 dargestellt ist. Zusätzlich ist ein erster Wärmetransformator 21 vorgesehen, welcher eine warme Seite 22 und eine kalte Seite 23 aufweist. Die warme Seite 22 steht dabei über einen Wärmetauscher 24 mit einem Niedertemperatur-Massenstrom 1 in Wärmestromverbindung. Dieser Niedertemperatur-Massenstrom 1 weist einen Massenstrom dm1 / dt bei einem Ausgangstemperaturniveau T1 auf. Das Ausgangstemperaturniveau T1 beträgt dabei 120°C. Nach Passieren des Wärmetauschers 24 weist der Niedertemperatur-Massenstrom 1 eine Temperatur T2 auf, welche bei 126,34°C liegt. Die Erhöhung der Temperatur T2 gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau T1 resultiert daraus, dass ein nicht dargestellter Wärmestrom in der ORC-Anordnung gemäß Figur 1 zwischen der dort gezeigten Turbine 7 und dem dort gezeigten Rekuperator 8 mittels eines nicht dargestellten Wärmetauschers zur Erwärmung der kalten Seite 23 des Wärmetransformators 21 genutzt wird, wobei der dabei bei einem Expansions-Temperaturniveau abgeführte zweite Wärmestrom auf ein Pump-Temperaturniveau oberhalb des Ausgangstemperaturniveaus T1 gepumpt wird.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens können der in Figur 1 gezeigte Kondensator 9 und der Rekuperator 8 auch weggelassen werden, so dass das Arbeitsfluid 6 nach der Turbine zur Abfuhr des zweiten Wärmestromes durch den nicht dargestellten Wärmetauscher und von dort zum Vorerwärmer geführt wird.
  • Stromabwärts des ORC-Kreislaufs 20 weist der Niedertemperatur-Massenstrom eine Temperatur T3 auf. Diese Temperatur ist sowohl niedriger als das erste Temperaturniveau T1 als auch die zweite Temperatur T2.
  • An Stelle des ORC-Kreislaufs 20 kann in einer nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfindung auch ein Kalina-Kreislauf verwendet werden.
  • In der folgenden Tabelle werden beispielhafte Berechnungen angegeben, und zwar für eine salzhaltige Sole aus Wasser mit einem Salzgehalt von 100g pro Liter als Niedertemperatur-Massenstrom 1. Der Niedertemperatur-Massenstrom 1 ergibt sich aus der in der ersten Spalte angegebenen Schüttung in I/s und der Dichte der Sole von 1077,84 kg/m3. Der Übersichtlichkeit halber sind jedoch die Volumenströme angegeben. Die Eintrittstemperatur, und damit das Ausgangstemperaturniveau T1 beträgt gemäß Spalte 2 120°C. Die Austrittstemperatur T3 beträgt gemäß Spalte 3 75°C. Aus der Wärmekapazität der Sole von 3,2 kJ/(kgK) ergibt sich eine thermische Leistung gemäß Spalte 4. Unter der Annahme eines Wirkungsgrades des Kraftwerkes gemäß Spalte 5 ergibt sich eine elektrische Leistung gemäß Spalte 6. Der Einsatz eines Wärmetransformators 21, welcher den nach der Expansion in der Turbine aus dem Arbeitsfluid 6 entzogenen zweiten Wärmestrom auf das höhere Pump-Temperaturniveau von 160°C pumpt, führt bei der Annahme einer Abwärme von 20% zu einem ausgekoppelten zweiten Wärmestrom gemäß Spalte 7. Unter der Annahme, dass dieser zweite Wärmestrom nach dem Pumpen auf 160°C mit einem Verlust von 10% in den Niedertemperatur-Massenstrom eingekoppelt wird, ergibt sich eine eingekoppelte Wärme gemäß Spalte 8, was zu einer Temperaturerhöhung des Niedertemperatur-Massenstromes 1 gemäß Spalte 9 von 6,34 K bei einem Kraftwerkswirkungsgrad von 12% führt. Damit ergibt sich eine Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades des Niedertemperatur-Kraftwerkes von 14,1%.
  • Für andere durch den Wärmetransformator abgeführte Abwärmen ergeben sich entsprechend andere Werte. Beispielsweise ergibt sich bei einer Schüttung von 100 l/s und einem Kraftwerkswirkungsgrad von 12% bei einer Abwärme von 25% eine Temperaturerhöhung des Niedertemperatur-Massenstromes 1 von 7,92K und eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Niedertemperatur-Kraftwerkes von 17,6%.
  • Bei einer Schüttung von 100 l/s bei einem Kraftwerkswirkungsgrad von 12% und einer Abwärme von 30% resultiert eine Temperaturerhöhung von 9,5K und eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Niedertemperatur-Kraftwerkes von 21,1%.
    Schüttung in l/s Eintrittstemp. in °C Austrittstemp. in °C termische Leistung in kW KW-Wirkungs grad in % elektr. Leistung in kW ausgekoppelte Wärme in kW eingekoppelte Wärme in kW Temperaturerhöhung in °C Wirkungsgraderhöhung
    50 120 75 7.760 12 931 1.366 1.093 6,34 14,1%
    100 120 75 15.521 12 1.863 2.732 2.185 6,34 14,1%
    150 120 75 23.281 12 2.794 4.098 3.278 6,34 14.1%
    50 120 75 7.760 14 1.086 1.335 1.068 6,19 13,8%
    100 120 75 15.521 14 2.173 2.670 2.136 6,19 13,8%
    150 120 75 23.281 14 3.259 4.004 3.204 6,19 13,8%
    50 120 75 7.760 16 1.242 1.304 1.043 6,05 13,4%
    100 120 75 15.521 16 2.483 2.608 2.086 6,05 13,4%
    150 120 75 23.281 16 3.725 3.911 3.129 6,05 13,4%
  • Bei der in Figur 4 gezeigten Variante ist zusätzlich zu einem ersten ORC-Kreislauf 20 ein zweiter ORC-Kreislauf 25 vorgesehen, welcher sequentiell zu dem ersten ORC-Kreislauf 20 stromabwärts bezogen auf einen Niedertemperatur-Massenstrom 1 angeordnet ist. Weiterhin sind ein erster Wärmetransformator 21 sowie ein zweiter Wärmetransformator 26 vorgesehen, welche mit ihrer warmen Seite 22 jeweils in Wärmestromverbindung mit dem Niedertemperatur-Massenstrom 1 stehen. Die kalten Seiten 23 der Wärmetransformatoren sind wiederum, wie in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 3 im Abstrom der Turbine angeordnet. Die aus den Abgasströmen der Turbine jeweils bei einem Expansions-Temperaturniveau herausgeführten zweiten Wärmeströme werden in dem ersten Wärmetransformator 21 bzw. dem zweiten Wärmetransformator 26 jeweils auf ein höheres Pump-Temperaturniveau gepumpt. Durch eine entsprechende Anordnung eines ersten Wärmetauschers 24 und eines zweiten Wärmetauschers 27 kann eine stufenweise Temperaturerhöhung des ersten Niedertemperatur-Massenstromes 1 stromabwärts des ersten ORC-Kreislaufes 20 von einer Temperatur T2 auf eine Temperatur T3 und dann anschließend auf eine Temperatur T4 vorgesehen werden. Die Temperatur T1 ist dabei wiederum niedriger als das Ausgangstemperaturniveau T1, wobei das Temperaturniveau T5, bei welcher der Niedertemperatur-Massenstrom 1 stromabwärts des zweiten ORC-Kreislaufs 25 wieder austritt, niedriger als die Temperatur T4 ist.
  • Unter Verwendung der zuvor angeführten Sole als Niedertemperatur-Massenstrom ergeben sich bei einer Ausgangstemperaturniveau T1 von 120°C und einer Austrittstemperatur T5 von 75°C folgende Werte für die Temperaturen T2, T3 und T4, wobei das höhere Pump-Temperaturniveau des ersten und zweiten Wärmetransformators jeweils 160°C beträgt und 20% der Abwärme der Turbine mit einem Verlust von 10% von den Wärmetransformatoren abgegeben werden: T2 = 97,5°C, T3 =T2 + 3,96°C, T4 = T2 + 3,96°C + 4,26°C. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage beträgt dabei 11,2%.
  • In der Variante gemäß Figur 5 sind ein erster ORC-Kreislauf 20 und ein zweiter ORC-Kreislauf 25 vorgesehen, wobei ein Zweigstrom 28 aus dem Niedertemperatur-Massenstrom 1 stromabwärts des ersten ORC-Kreislauf 20 aus diesem Niedertemperatur-Massenstrom 1 abgezweigt wird, wobei ein Wärmetauscher 24 vorgesehen ist, welcher mit einer warmen Seite 22 eines Wärmetransformators 21 in Wärmestromverbindung steht und so einen Massenstrom dm2 / dt bei einer Temperatur T2 auf eine Temperatur T3 erwärmt. Eine kalte Seite 23 des Wärmetransformators 21 ist dabei wiederum wie in den vorbeschriebenen Ausgestaltungen mit einem Arbeitsfluid des ersten ORC-Zyklus 20 im Abstrom einer Turbine in Kontakt gebracht. Der dabei abgeführte zweite Wärmestrom wird mittels des Wärmetransformators 21 auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur T2 gepumpt, so dass der Massenstrom dm2 / dT von der Temperatur T2 auf die Temperatur T3 erwärmt werden kann. Dieser erwärmte Massenstrom dm2 / dt mit der Temperatur T3 wird zum Betrieb des zweiten ORC-Kreislaufs 25 verwendet. Ein Abstrom 29 stromabwärts des zweiten ORC-Kreislaufs 25 wird abstromseitig des ersten ORC-Kreislaufs 20 wieder in den ersten Niedertemperatur-Massenstrom 1 eingespeist. Der Abstrom weist dabei eine Temperatur T4 auf, welche größer als die Temperatur T5 ist, welche der Niedertemperatur-Massenstrom 1 am Ende aufweist. Außerdem gilt, dass die Temperatur T3 größer als die Temperatur T2 ist.
  • Unter Verwendung der bereits dargestellten Sole als Niedertemperatur-Massenstrom ergeben sich folgende Werte bei einer beispielhaften Berechnung. Dabei wird ein Zweigstrom 28 gemäß als Teilschüttung gemäß Spalte 6 vorgesehen. Der zweite Wärmestrom, welcher vom Wärmetransformator 21 abgeführt wird beträgt wiederum 20% der im Abstrom der Turbine mitgeführten Wärme. Dieser zweite Wärmestrom wird mit einem Verlust von 10% vom Wärmetransformator nach dem Pumpen auf das höhere Pump-Niveau wieder abgegeben. Die Eintrittstemperatur und damit das Ausgangstemperaturniveau beträgt 120°C, die Austrittstemperatur T5 beträgt 75°C. Dabei sind die Temperaturen T2 und T4 in etwa identisch mit der Temperatur T5.
    Schüttung in l/s Eintrittstemp. in °C Austrittstemp. in °C termische Leistung in kW Wirkungsgrad in % elektr. Leistung bei KW-Wirkungsgrad 12% Teilschüttung in l/s el. Energieerzeugung in KW Wirkungsgraderhöhung
    50 120 75 7.760 12 931 9,50 177,01 19,0%
    100 120 75 15.521 12 1.863 19,01 354,03 19,0%
    150 120 75 23.281 12 2.794 28,51 531,04 19.0%
    50 120 75 7.760 14 1.086 9,29 201,82 18,6%
    100 120 75 15.521 14 2.173 18,58 403,64 18,6%
    150 120 75 23.281 14 3.259 27,86 605,46 18,6%
    50 120 75 7.760 16 1.242 9,07 225,29 18,1%
    100 120 75 15.521 16 2.483 18,14 450,58 18,1%
    150 120 75 23.281 16 3.725 27,22 675,87 18,1%
  • Eine Möglichkeit strömungstechnisch voneinander getrennter Kreisläufe ist in Figur 6 dargestellt. Dabei sind ein erster ORC-Kreislauf 20 und ein zweiter ORC-Kreislauf 25 lediglich über einen Wärmetransformator 21 verbunden, wobei die warme Seite 22 des Wärmetransformators einen Wärmetauscher 24 mit einem Wärmestrom speist. Dieser Wärmestrom wird einem Niedertemperaturmassenstrom 1 zugeführt, welcher über eine abstromseitige Rückführung 29a wieder auf einen Eingang 29b des ORC-Kreislaufes 20 geführt ist und somit fortwährend zirkuliert. Der dem Wärmetransformator 21 zugeführte Wärmestrom wird abstromseitig des ersten ORC-Kreislaufs 20 aus dem Abstrom 29 entnommen.
  • In einer modifizierten Anordnung gemäß Figur 7 ist der Wärmetauscher 24 entgegen der Ausgestaltung in Figur 6 nicht abstromseitig des ersten ORC-Kreislaufes 20, sondern in diesem ersten ORC-Kreislauf 20 angeordnet. Der Wärmetauscher 24 ist dabei benachbart oder anstelle eines Kondensators vorgesehen.
  • Bei der in Figur 8 gezeigten Variante wird keine Temperaturerhöhung eines Niedertemperatur-Massenstromes 1 vorgenommen, sondern dieser Niedertemperatur-Massenstrom 1 durch Teilrückführung 30 vergrößert. Dazu wird aus dem Niedertemperatur-Massenstrom 1 stromabwärts eines ORC-Kreislaufs 20 ein Zweigstrom 28 abgezweigt, welcher einen Wärmetauscher 24 durchläuft, der durch die warme Seite 22 des Wärmetransformators 21 gespeist ist. Eine kalte Seite 23 des Wärmetransformators 21 ist wiederum in der vorbeschriebenen Weise mit dem ORC-Kreislauf 20 in Verbindung gebracht. In dem Wärmetauscher 24 wird der Zweigstrom 28 dm3 / dt von einer Temperatur T2 auf ein Pump-Temperaturniveau T1 erwärmt, welches genau dem Ausgangstemperaturniveau T1 des Niedertemperatur-Massenstromes 1 entspricht. Auf diese Weise ergibt sich ein im Vergleich zum ursprünglich vorliegenden Massenstrom dm1 / dt + dm3 / dt. Gleichzeitig beträgt der abströmende Massenstrom lediglich dm1 / dt.
  • Die folgenden Werte sind wiederum für eine Sole als Niedertemperatur-Massenstrom mit einem Ausgangstemperaturniveau von 120°C als Eintrittstemperatur berechnet. Der Zweigstrom wird gemäß der in Spalte 7 angegebenen Teilschüttung angesetzt. Als Pump-Temperaturniveau des zweiten Wärmestromes sind 160°C vorgesehen, wobei der Wärmetransformator 21 20% der Abwärme der Turbine mit einem Wirkungsgrad von 90% auf das Pump-Temperaturniveau pumpt.
    Schüttung in I/s Eintrittstemp. in °C Austrittstemp. in °C termische Leistung in kW KW-Wirkungsgrad in % elektr. Leistung in kW Teilschüttung in l/s Wirkungsgraderhöhung
    50 120 75 7.760,45 12 931,25 9,50 19,0%
    100 120 75 15.520,90 12 1.882,51 19,01 19,0%
    150 120 75 23.281,34 12 2.793,76 28,51 19,0%
    50 120 75 7.760,45 14 1.086,48 9,29 18,6%
    100 120 75 15.520,90 14 2.172,93 18,58 18,6%
    150 120 75 23.281,34 14 3.259,39 27,86 18,6%
    50 120 75 7.760,45 16 1.241,67 9,07 18,1%
    100 120 75 15.520,90 16 2.483,34 18,14 18,1%
    150 120 75 23.281,34 16 3.725,02 27,22 18,1%
  • Bei der in Figur 9 gezeigten Anordnung wird ein Arbeitsfluid 6 unmittelbar vor einer Turbine 7 mittels eines Wärmetransformators 21 auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Im Einzelnen handelt es sich wieder um einen ORC-Kreislauf, bei welchem ein Niedertemperatur-Massenstrom 1 einen Verdampfer 5 bei einem Ausgangstemperaturniveau erwärmt, wodurch das Arbeitsfluid 6 verdampft wird und nach einer zusätzlichen Erwärmung durch eine warme Seite 22 des Wärmetransformators 21 der Turbine 7 zugeführt wird. Dort erfolgt eine Expansion, wodurch Arbeit geleistet wird, die in einem elektrischen Generator 31 in elektrische Energie umgewandelt wird. Nach Austritt aus der Turbine 7 wird das expandierte Arbeitsfluid 6 einem Wärmetauscher 24 zugeführt, welcher mit einem kalten Ende 23 des Wärmetransformators 21 in Wärmestromverbindung steht. Dadurch wird dem aus der Turbine austretenden expandierten Arbeitsfluid 6 bei einer Expansions-Temperatur T5 ein zweiter Wärmestrom entzogen, welcher mit Hilfe des Wärmetransformators 21 auf ein Pump-Temperaturniveau oberhalb der Temperatur T3 gepumpt wird. Dadurch liegt die Temperatur T4 vor Eingang in die Turbine 7 oberhalb der Temperatur T1 des Niedertemperatur-Massenstromes 1 im Verdampfer.
  • Die folgenden Werte sind wiederum für eine Sole als Niedertemperatur-Massenstrom mit einem Ausgangstemperaturniveau T1 von 120°C als Eintrittstemperatur berechnet. Als Pump-Temperaturniveau des zweiten Wärmestromes sind 160°C vorgesehen, wobei der Wärmetransformator 21 eine 20% der Abwärme der Turbine mit einem Wirkungsgrad von 90% auf das Pump-Temperaturniveau pumpt. Die Austrittstemperatur T5 beträgt 75°C.
    Schüttung in l/s Eintrittstemp. in °C Austrittstemp. in °C termische Leistung in kW KW-Wirkungsgrad in % elektr. Leistung in kW ausgekoppelte Wärme in kW eingekoppelte Wärme in kW Wirkungsgraderhöhung
    50 120 75 7.760 12 931 1.366 1.093 14,1%
    100 120 75 15.521 12 1.863 2.732 2.185 14,1%
    150 120 75 23.281 12 2.794 4.098 3.278 14,1%
    50 120 75 7.760,45 14 1.086,46 1.334,80 1.067,84 13,8%
    100 120 75 15.520,90 14 2.172,93 2.669,59 2.135,68 13.8%
    150 120 75 23.281,34 14 3.259,39 4.004,39 3.203,51 13,8%
    50 120 75 7.760,45 16 1.241,67 1.303,76 1.043,00 13,4%
    100 120 75 15.520,90 16 2.483,34 2.607,51 2.086,01 13,4%
    150 120 75 23.281.34 16 3.725,02 3.911,27 3.129,01 13,4%
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Niedertemperatur-Massenstrom
    2
    Tiefpumpe
    3
    geothermale Quelle
    4
    erster Wärmetauscher
    5
    Verdampfer
    6
    Arbeitsfluid
    7
    Turbine
    8
    Rekuperator
    9
    Kondensator
    10
    Speisepumpe
    11
    Vorerwärmer
    12
    Desorber
    13
    Separator
    14
    Dampfphase
    15
    wässrige Phase
    16
    Hochtemperatur-Rekuperator
    17
    Drossel
    18
    Niedertemperatur-Rekuperator
    19
    Absorber
    20
    erster ORC-Kreislauf
    21
    erster Wärmetransformator
    22
    warme Seite des Wärmetrans- formators
    23
    kalte Seite des Wärmetransfor- mators
    24
    (erster) Wärmetauscher
    25
    zweiter ORC-Kreislauf
    26
    zweiter Wärmetransformator
    27
    zweiter Wärmetauscher
    28
    Zweigstrom
    29
    Abstrom
    29a
    abstromseitige Rückführung
    29b
    Eingang (des ORC-Kreislaufes)
    30
    Teilrückführung
    31
    elektrischer Generator

Claims (15)

  1. Thermodynamische Maschine, insbesondere Niedertemperaturkraftwerk, mit wenigstens einem ersten Kreislauf (20) zur Zirkulation eines Arbeitsfluids, wobei der erste Kreislauf (20) wenigstens eine Expansionsmaschine (7) und wenigstens einen Wärmetauscher (24; 27) zur Einspeisung eines ersten Wärmestromes aus einem Niedertemperatur-Massenstrom (1) in den ersten Kreislauf (20) aufweist, wobei wenigstens ein Wärmetransformator (21; 26) mit seiner kälteren Seite (23) stromabwärts der Expansionsmaschine (7) in Wärmestromverbindung mit dem ersten Kreislauf (20) vorgesehen ist, und mit seiner wärmeren Seite (22) mit dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) oder dem ersten Kreislauf (20) in Wärmestromverbindung steht.
  2. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kreislauf (25), insbesondere ein ORC-Kreislauf, mit einem zweiten Wärmetransformator (26), welcher in gleicher Weise wie der erste Wärmetransformator (21) angeordnet ist, sequentiell zum ersten Kreislauf (20) angeordnet ist, wobei erster (21) und zweiter Wärmetransformator (26) jeweils mit ihrer warmen Seite (22) mit dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) zwischen erstem (20) und zweitem Kreislauf (25) in Wärmestromverbindung stehen.
  3. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kreislauf (25) vorgesehen ist, welcher aus einem Zweigstrom (28) aus dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromabwärts des ersten Kreislaufes (20) gespeist ist, wobei der erste Wärmetransformator (21) mit seinem wärmeren Ende (22) mit dem Zweigstrom (28) stromaufwärts des zweiten Kreislaufes (25) in Wärmestromverbindung steht und wobei eine abstromseitige Rückführung des Zweigstromes (28) stromabwärts des zweiten Kreislaufes (25) in den Niedertemperatur-Massenstrom (1) vorgesehen ist.
  4. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kreislauf (25) vorgesehen ist, welcher eine abstromseitige Rückführung (29a) auf seinen Eingang (29b) aufweist, welche mit dem wärmeren Ende (22) des ersten Wärmetransformator (21) in Wärmestromverbindung steht.
  5. Thermodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rückführungsleitung (30) zur Rückführung eines Teilstromes (28) aus dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromabwärts des ersten Kreislaufes (20) vorgesehen ist, wobei die warme Seite (22) des ersten Wärmetransformators (21) mit diesem Teilstrom (28) in Wärmestromverbindung steht.
  6. Thermodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Seite (22) des ersten Wärmetransformators (21) in einem Abschnitt zwischen einem Verdampfer (5) und der Expansionsmaschine (7) mit dem erstem Kreislauf (20) in Wärmestromverbindung steht.
  7. Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere in einem Niedertemperaturkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Kreislauf (20, 25), in dem ein Arbeitsfluid (6) zirkuliert, welchem durch einen Niedertemperatur-Massenstrom (1) mit einem Ausgangstemperaturniveau ein erster Wärmestrom zuführt wird, wobei nach einer Expansion des Arbeitsfluids (6) in einer Expansionsmaschine (7) unter Abgabe mechanischer Energie dem Arbeitsfluid (6) bei einem gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau niedrigeren Expansions-Temperaturniveau ein zweiter Wärmestrom entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmestrom in wenigstens einem Wärmetransformator (21, 26) auf ein Pump-Temperaturniveau, welches höher oder gleich dem Ausgangstemperaturniveau ist, gepumpt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) und/oder dem wenigstens einen Kreislauf (20, 25), insbesondere unmittelbar vor der Expansionsmaschine (7), zumindest teilweise wieder zugeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch den auf das Pump-Temperaturniveau angehobenen zweiten Wärmestrom eine Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes (1) und/oder eine Temperatur des Arbeitsfluids (6) in dem wenigstens einen Kreislauf (20, 25) erhöht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Massenstrom (1) durch teilweise Rückführung eines mit dem zweiten Wärmestrom erwärmten Niedertemperatur-Massenstrom-Abstromes (29) erhöht wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kreislauf (20, 25) als Organic-Rankine-Zyklus (ORC) oder als Kalina-Zyklus betrieben wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kreisläufe, insbesondere zwei ORC-Kreisläufe (20; 25), sequentiell vom Niedertemperatur-Massenstrom (1) gespeist werden, wobei eine Rückführung der auf das jeweilige Pump-Temperaturniveau gepumpten zweiten Wärmeströme der Kreisläufe in den Niedertemperatur-Massenstrom (1) zwischen dem ersten (20) und dem zweiten Kreislauf (25) erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kreisläufe (20, 25), insbesondere zwei ORC-Kreisläufe, vorgesehen sind, wobei aus dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromabwärts des ersten Kreislaufes (20) ein Zweigstrom (28) zur Speisung des zweiten Kreislaufes (25) abgezweigt wird, welcher stromabwärts des zweiten Kreislaufes (25) wieder mit dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) abstromseitig vereinigt wird, wobei der auf das Pump-Temperaturniveau gepumpte zweite Wärmestrom des ersten Kreislaufes (20) dem Zweigstrom (29) zugeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kreisläufe (20, 25), insbesondere zwei ORC-Kreisläufe, vorgesehen sind, wobei der auf das Pump-Temperaturniveau gepumpte zweite Wärmestrom des ersten Kreislaufes (20) einem Abstrom des zweiten Kreislaufes (25) zugeführt wird, welcher dem zweiten Kreislauf (25) wieder als Zustrom zugeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromabwärts eines Kreislaufes (20) ein Zweigstrom (28) abgezweigt wird, welcher mit dem auf das Pump-Temperaturniveau gepumpten zweiten Wärmestrom erwärmt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromaufwärts des Kreislaufes (20) zugeführt wird, wobei vorzugsweise der Zweigstrom (28) so bemessen wird, dass dessen Pump-Temperaturniveau vor dem Zurückführen dem Ausgangstemperaturniveau des Niedertemperatur-Massenstromes (1) entspricht.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur eines durch den zweiten Wärmestrom erwärmten Wärmetrarisformatorfluids mittels wenigstens zwei Austreiber-Adsorbern auf oder über das Pump-Temperaturniveau angehoben wird, um den zweiten Wärmestrom auf das Pump-Temperaturniveau zu pumpen, oder dass ein durch den zweiten Wärmestrom erwärmtes Wärmetransformatorfluid zumindest im wesentlichen adiabatisch komprimiert und dabei auf oder über das höhere Pump-Temperaturniveau erwärmt wird, um den zweiten Wärmestrom auf das Pump-Temperaturniveau zu pumpen.
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