DE102023113884A1 - Devices and methods for operating a transcritical cycle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen (1a, 1b) zum Betreiben eines transkritischen Kreisprozesses, insbesondere eines Wärme-Kraft-Prozesses und eines Wärmepumpen-Prozesses, jeweils mit einem Arbeitsfluidkreislauf (2a, 2b) mit einer Fördervorrichtung (3a, 3b), einem kreislaufinternen Wärmeübertrager (7), einem Hochtemperatur-Wärmeübertrager (4), einer Expansionsvorrichtung (5a, 5b) und einem Niedertemperatur-Wärmeübertrager (6). Der kreislaufinterne Wärmeübertrager (7) ist mit einem ersten Strömungspfad (7a) zum Hindurchleiten von Arbeitsfluid auf einem Hochdruckniveau und einem zweiten Strömungspfad (7b) zum Hindurchleiten von Arbeitsfluid auf einem Niederdruckniveau derart ausgebildet, Wärme zwischen dem durch die Strömungspfade (7a, 7b) strömenden Arbeitsfluids zu übertragen. Das Arbeitsfluid ist jeweils als ein Gemisch aus mindestens zwei Komponenten derart ausgebildet, dass das Arbeitsfluid beim Durchströmen des zweiten Strömungspfades (7b) des kreislaufinternen Wärmeübertragers (7) je nach Vorrichtung (1a, 1b) eine Enthitzung und eine anschließende teilweise Kondensation jeweils bei geringer werdender Temperatur oder ausschließlich eine teilweise Kondensation bei geringer werdender Temperatur oder ausschließlich eine teilweise Verdampfung bei ansteigender Temperatur oder eine teilweise Verdampfung und eine anschließende Überhitzung jeweils bei ansteigender Temperatur aufweist.
Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben eines transkritischen Kreisprozesses.
The invention relates to devices (1a, 1b) for operating a transcritical cycle process, in particular a heat-power process and a heat pump process, each with a working fluid circuit (2a, 2b) with a conveying device (3a, 3b), an internal circuit heat exchanger (7), a high-temperature heat exchanger (4), an expansion device (5a, 5b) and a low-temperature heat exchanger (6). The internal circuit heat exchanger (7) is designed with a first flow path (7a) for passing through working fluid at a high-pressure level and a second flow path (7b) for passing through working fluid at a low-pressure level in such a way as to transfer heat between the working fluids flowing through the flow paths (7a, 7b). The working fluid is in each case designed as a mixture of at least two components such that the working fluid, when flowing through the second flow path (7b) of the internal circuit heat exchanger (7), depending on the device (1a, 1b), has a desuperheating and a subsequent partial condensation in each case as the temperature decreases or exclusively a partial condensation in each case as the temperature decreases or exclusively a partial evaporation in each case as the temperature increases or a partial evaporation and a subsequent overheating in each case as the temperature increases.
The invention also relates to methods for operating a transcritical cycle.
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Betreiben eines transkritischen Kreisprozesses, insbesondere eines Wärme-Kraft-Prozesses und eines Wärmepumpen-Prozesses, jeweils mit einem Arbeitsfluidkreislauf mit einer Fördervorrichtung, einem kreislaufinternen Wärmeübertrager, einem Hochtemperatur-Wärmeübertrager, einer Expansionsvorrichtung und einem Niedertemperatur-Wärmeübertrager. Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben eines transkritischen Kreisprozesses.The invention relates to devices for operating a transcritical cycle, in particular a heat-power process and a heat pump process, each with a working fluid circuit with a conveying device, an internal heat exchanger, a high-temperature heat exchanger, an expansion device and a low-temperature heat exchanger. The invention also relates to methods for operating a transcritical cycle.
Aus dem Stand der Technik sind Kreisprozesse bekannt, bei welchen Wärme auf einem Niedertemperaturniveau des Kreisprozesses isotherm übertragen wird, während auf einem Hochtemperaturniveau des Kreisprozesses eine Wärmeübertragung mit Temperaturänderung erfolgt. Dabei weisen diese Kreisprozesse eine Temperaturdifferenz zwischen dem Niedertemperaturniveau und dem Hochtemperaturniveau des Kreisprozesses auf. Der Kreisprozess des Arbeitsfluids kann sowohl als ein Wärme-Kraft-Prozess und damit als sogenannter rechtslaufender Kreisprozess als auch als ein Wärmepumpen-Prozess und damit als ein sogenannter linkslaufender Kreisprozess realisiert sein.Cyclic processes are known from the state of the art in which heat is transferred isothermally at a low temperature level of the cycle, while heat transfer with a change in temperature occurs at a high temperature level of the cycle. These cycles have a temperature difference between the low temperature level and the high temperature level of the cycle. The cycle of the working fluid can be implemented both as a heat-power process and thus as a so-called clockwise cycle, and as a heat pump process and thus as a so-called counterclockwise cycle.
Ein derartiger Kreisprozess weist insbesondere bei einer Wärmeübertragung mit der Umgebung auf dem Niedertemperaturniveau des Kreisprozesses gegenüber einem bekannten Joule-Brayton-Prozess einen höheren Wirkungsgrad auf, da die Umgebung nahezu als eine latente Wärmequelle oder latente Wärmesenke angesehen werden kann. Im Vergleich zum Kreisprozess mit einer isothermen Wärmeübertragung auf dem Niedertemperaturniveau wird die Wärme beim Joule-Brayton-Prozess auf dem Niedertemperaturniveau des Kreisprozesses mit einer Änderung der Temperatur des Arbeitsfluids übertragen.Such a cycle has a higher efficiency than a known Joule-Brayton process, especially when heat is transferred to the environment at the low-temperature level of the cycle, since the environment can be regarded as a latent heat source or latent heat sink. In comparison to the cycle with isothermal heat transfer at the low-temperature level, the heat in the Joule-Brayton process is transferred at the low-temperature level of the cycle with a change in the temperature of the working fluid.
Der Kreisprozess mit einer Wärmeübertragung bei Temperaturänderung auf dem Hochtemperaturniveau des Kreisprozesses und der isothermen Wärmeübertragung auf dem Niedertemperaturniveau des Kreisprozesses hat an Bedeutung für das thermische Stromspeichern gewonnen, bei welchen regenerativer Überschussstrom in Form thermischer Energie zwischengespeichert wird.The cycle process with heat transfer during temperature change at the high temperature level of the cycle process and isothermal heat transfer at the low temperature level of the cycle process has gained importance for thermal electricity storage, in which regenerative surplus electricity is temporarily stored in the form of thermal energy.
Bei dem auch unter dem Begriff der Carnot-Batterie bekannten Technologie wird die Wärme bei hohen Speichertemperaturen in Salzschmelzen oder in Schüttgut gespeichert. Die Salzschmelzen oder das Schüttgut sind jedoch sensible Wärmespeicher, welche jeweils mittels eines Kreisprozesses mit entsprechender Temperaturänderung bei der Wärmeübertragung beladen und entladen werden.In the technology, also known as the Carnot battery, the heat is stored at high storage temperatures in molten salts or in bulk material. However, the molten salts or bulk material are sensitive heat storage devices, which are each charged and discharged using a cyclic process with a corresponding temperature change during heat transfer.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Kreisprozess mit isothermer Wärmeübertragung auf dem Niedertemperaturniveau sowie mit Temperaturänderung bei der Wärmeübertragung auf dem Hochtemperaturniveau als transkritischen Kreisprozess zu realisieren. Dabei wird die Wärme zwischen dem Sekundärmedium beziehungsweise dem externen Wärmereservoir und dem Arbeitsfluid auf dem Niedertemperaturniveau des Kreisprozesses bei einem subkritischen Zustand des Arbeitsfluids übertragen.It is known from the state of the art to implement the cycle with isothermal heat transfer at the low temperature level and with temperature change during heat transfer at the high temperature level as a transcritical cycle. The heat is transferred between the secondary medium or the external heat reservoir and the working fluid at the low temperature level of the cycle when the working fluid is in a subcritical state.
Ein kreislaufinterner Wärmeübertrager, auch als Rekuperator oder innerer Wärmeübertrager bezeichnet, wird hochdruckseitig beziehungsweise hochtemperaturseitig mit überkritischem Dampf des Arbeitsfluids und niederdruckseitig beziehungsweise niedertemperaturseitig von überhitztem Dampf des Arbeitsfluids durchströmt. Die Wärme wird zwischen dem Arbeitsfluid auf dem Hochdruckniveau an das Arbeitsfluid auf dem Niederdruckniveau übertragen.An internal heat exchanger, also known as a recuperator or internal heat exchanger, is flowed through by supercritical steam of the working fluid on the high-pressure side or high-temperature side and by superheated steam of the working fluid on the low-pressure side or low-temperature side. The heat is transferred between the working fluid at the high-pressure level and the working fluid at the low-pressure level.
Als Arbeitsfluid kommt zumeist Kohlenstoffdioxid zum Einsatz. So gehen aus der
Bei der transkritischen Prozessführung des Arbeitsfluids ist durch das Beaufschlagen des kreislaufinternen Wärmeübertragers mit überhitztem Dampf auf der Niederdruckseite der Wärmeübergang im Vergleich zu einem Wärmeübergang mit einem Phasenwechsel des Arbeitsfluids sehr gering. Folglich ist der kreislaufinterne Wärmeübertrager mit einer großen Wärmeübertragungsfläche und folglich mit sehr großen Abmessungen auszubilden.In the transcritical process control of the working fluid, the heat transfer is very low compared to a heat transfer with a phase change of the working fluid due to the exposure of the internal circuit heat exchanger with superheated steam on the low pressure side. Consequently, the internal circuit heat exchanger must be designed with a large heat transfer surface and therefore with very large dimensions.
Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid weist zudem eine sehr hohe Drucklage auf. So liegt beispielsweise der kritische Druck bei etwa 74 bar. Damit sind die Komponenten des Fluidkreislaufs, wie die Verbindungsleitungen, Wärmeübertrager und Fördervorrichtungen sowie Expansionsvorrichtungen, für hohe Drücke beziehungsweise hochdruckfest auszubilden, was hohe Kosten verursacht.Carbon dioxide as a working fluid also has a very high pressure level. For example, the critical pressure is around 74 bar. This means that the components of the fluid circuit, such as the connecting lines, heat exchangers and conveying devices as well as expansion devices, must be designed for high pressures or be high-pressure resistant, which causes high costs.
Zudem liegt die kritische Temperatur von Kohlenstoffdioxid bei lediglich etwa 31°C. Damit ist nicht immer gesichert, dass ein als Wärme-Kraft-Prozess arbeitender Fluidkreislauf mit Umgebungswärmesenken direkt gekoppelt werden kann, da bei hohen Temperaturen der Umgebung, insbesondere der Umgebungsluft, die Wärme nicht mehr subkritisch vom Arbeitsfluid abgeführt werden kann. Um eine subkritische Wärmeübertragung vom Arbeitsfluid an die Umgebung sicherzustellen, kann als Wärmesenke ein Eisspeicher vorgesehen sein, welcher im Fall eines rechtslaufenden Kreisprozesses als Wärmesenke und im Fall eines linkslaufenden Kreisprozesses als Wärmequelle dient. Damit wird auf dem Niedertemperaturniveau zwar stets eine Wärmeübertragung mit subkritischem Arbeitsfluid sichergestellt, allerdings ist dafür ein zusätzlicher komplexer Speicher erforderlich, was sich insbesondere beim Einsatz eines Fluidkreislaufs als Kreisprozess gemäß einer Carnot-Batterie, welche mit anderen Speichertechnologien wirtschaftlich konkurrieren muss, besonders nachteilig auswirkt.In addition, the critical temperature of carbon dioxide is only about 31°C. This means that it is not always certain that a fluid circuit operating as a heat-power process can be directly coupled with ambient heat sinks, since at high ambient temperatures, especially the ambient air, the heat can no longer be dissipated subcritically from the working fluid. In order to ensure subcritical heat transfer from the working fluid to the environment, an ice storage unit can be provided as a heat sink, which serves as a heat sink in the case of a clockwise cycle and as a heat source in the case of a counterclockwise cycle. This always ensures heat transfer with subcritical working fluid at the low temperature level, but this requires an additional complex storage unit, which is particularly disadvantageous when using a fluid circuit as a cycle according to a Carnot battery, which has to compete economically with other storage technologies.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem Kreisprozess eines Arbeitsfluids betriebene Fluidkreisläufe bereitzustellen, bei welchem der Kreisprozess jeweils eine Temperaturdifferenz zwischen dem Niedertemperaturniveau und dem Hochtemperaturniveau sowie auf dem Niedertemperaturniveau eine isotherme Wärmeübertragung des Arbeitsfluids und auf dem Hochtemperaturniveau eine Wärmeübertragung mit Temperaturänderung des Arbeitsfluids aufweist. Dabei sollen ein rechtslaufender Wärme-Kraft-Prozess und ein linkslaufender Wärmepumpen-Prozess ausgebildet sein. Der Kreisprozess soll mit maximalem energetischen Wirkungsgrad zur Umwandlung von sensibler Wärme in mechanische Energie oder von mechanischer Energie in sensible Wärme zu betreiben sein. Dabei soll als Wärmesenke oder Wärmequelle die Umgebung, insbesondere die Umgebungsluft, Oberflächenwasser beziehungsweise Geothermie, oder andere latente Wärmereservoire genutzt werden können. Zudem sollen die Komponenten des kreislaufinternen Wärmeübertragers einen minimalen Bauraum aufweisen sowie die Druckniveaus und die Temperaturniveaus des Arbeitsfluids bei der jeweiligen Wärmeübertragung anpassbar sein.The object of the present invention is to provide fluid circuits operated in a cyclic process of a working fluid, in which the cyclic process has a temperature difference between the low temperature level and the high temperature level and an isothermal heat transfer of the working fluid at the low temperature level and a heat transfer with a change in temperature of the working fluid at the high temperature level. A clockwise heat-power process and a counterclockwise heat pump process are to be designed. The cyclic process should be able to be operated with maximum energy efficiency for converting sensible heat into mechanical energy or from mechanical energy into sensible heat. The environment, in particular the ambient air, surface water or geothermal energy, or other latent heat reservoirs should be able to be used as a heat sink or heat source. In addition, the components of the heat exchanger within the circuit should have a minimal installation space and the pressure levels and temperature levels of the working fluid should be adaptable for the respective heat transfer.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit Vorrichtungen und Verfahren jeweils zum Betreiben eines transkritischen Kreisprozesses mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object of the invention is achieved with devices and methods for operating a transcritical cycle with the features according to the independent patent claims. Further developments are specified in the dependent patent claims.
Die Aufgabe wird durch eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Arbeitsfluidkreislauf für einen transkritischen Kreisprozess, insbesondere einen Wärme-Kraft-Prozess beziehungsweise einen Wärme-Kraft-Kreisprozess, in welchem ein Arbeitsfluid zirkuliert, gelöst.The object is achieved by a first device according to the invention with a working fluid circuit for a transcritical cycle, in particular a heat-power process or a heat-power cycle in which a working fluid circulates.
Der Arbeitsfluidkreislauf der ersten Vorrichtung weist in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids eine Fördervorrichtung zum Fördern flüssigen Arbeitsfluids, einen kreislaufinternen Wärmeübertrager, mindestens einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung an das Arbeitsfluid, mindestens eine Expansionsvorrichtung zum Entspannen des Arbeitsfluids und mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe vom Arbeitsfluid auf. Der kreislaufinterne Wärmeübertrager ist mit einem ersten Strömungspfad zum Hindurchleiten von Arbeitsfluid auf einem Hochdruckniveau und einem zweiten Strömungspfad zum Hindurchleiten von Arbeitsfluid auf einem Niederdruckniveau derart ausgebildet und im Arbeitsfluidkreislauf angeordnet, Wärme vom durch den zweiten Strömungspfad strömenden Arbeitsfluid an durch den ersten Strömungspfad strömendes Arbeitsfluid zu übertragen.The working fluid circuit of the first device has, in the direction of flow of the working fluid, a conveying device for conveying liquid working fluid, an internal circuit heat exchanger, at least one high-temperature heat exchanger for transferring heat to the working fluid, at least one expansion device for expanding the working fluid and at least one low-temperature heat exchanger for dissipating heat from the working fluid. The internal circuit heat exchanger is designed with a first flow path for passing through working fluid at a high-pressure level and a second flow path for passing through working fluid at a low-pressure level and is arranged in the working fluid circuit in such a way that heat is transferred from the working fluid flowing through the second flow path to the working fluid flowing through the first flow path.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Arbeitsfluid als ein Gemisch aus mindestens zwei Komponenten derart ausgebildet, dass das Arbeitsfluid beim Durchströmen des zweiten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers eine Enthitzung und eine anschließende teilweise Kondensation, auch als partielle Kondensation bezeichnet, jeweils bei sich ändernder, insbesondere bei geringer werdender Temperatur, oder ausschließlich eine teilweise Kondensation bei geringer werdender Temperatur aufweist.According to the concept of the invention, the working fluid is designed as a mixture of at least two components such that the working fluid, when flowing through the second flow path of the internal circuit heat exchanger, undergoes desuperheating and subsequent partial condensation, also referred to as partial condensation, in each case at a changing temperature, in particular at a decreasing temperature, or exclusively a partial condensation at a decreasing temperature.
Das Gemisch kann dabei je nach Bedarf in der Anzahl und der Anteile der Komponenten angepasst sein.The mixture can be adjusted in the number and proportions of the components as required.
Die Expansionsvorrichtung ist vorteilhaft als eine Expansionsmaschine, insbesondere als eine mindestens einstufige Turbomaschine, zum Umwandeln von technischer Arbeit in mechanische Arbeit ausgebildet. Die Fördervorrichtung kann als eine Pumpe ausgebildet sein.The expansion device is advantageously designed as an expansion machine, in particular as an at least one-stage turbo machine, for converting technical work into mechanical work. The conveying device can be designed as a pump.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind für eine mehrstufige Expansion des Arbeitsfluids mit jeweils zwischen den Stufen der Expansion zwischengeschalteter Wärmeübertragung an das Arbeitsfluid mindestens zwei Hochtemperatur-Wärmeübertrager und mindestens zwei Expansionsvorrichtungen jeweils abwechselnd in Reihe geschaltet zueinander angeordnet.According to a development of the invention, for a multi-stage expansion of the working fluid with heat transfer to the working fluid between the stages of expansion, at least two high-temperature heat exchangers and at least two expansion devices are arranged alternately in series with one another.
Die Aufgabe wird auch durch eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Arbeitsfluidkreislauf für einen transkritischen Kreisprozess, insbesondere einen Wärmepumpen-Prozess beziehungsweise einen Wärmepumpen-Kreisprozess, in welchem ein Arbeitsfluid zirkuliert, gelöst.The object is also achieved by a second device according to the invention with a working fluid circuit for a transcritical cycle process, in particular a heat pump process. The problem is solved by using a heat pump cycle in which a working fluid circulates.
Der Arbeitsfluidkreislauf der zweiten Vorrichtung weist in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids eine Fördervorrichtung zum Verdichten dampfförmigen Arbeitsfluids, mindestens einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe vom Arbeitsfluid, einen kreislaufinternen Wärmeübertrager, mindestens eine Expansionsvorrichtung zum Entspannen des Arbeitsfluids und mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung an das Arbeitsfluid auf. Der kreislaufinterne Wärmeübertrager ist mit einem ersten Strömungspfad zum Hindurchleiten von Arbeitsfluid auf einem Hochdruckniveau und einem zweiten Strömungspfad zum Hindurchleiten von Arbeitsfluid auf einem Niederdruckniveau derart ausgebildet und im Arbeitsfluidkreislauf angeordnet, Wärme vom durch den ersten Strömungspfad strömenden Arbeitsfluid an durch den zweiten Strömungspfad strömendes Arbeitsfluid zu übertragen.The working fluid circuit of the second device has, in the flow direction of the working fluid, a conveying device for compressing vaporous working fluid, at least one high-temperature heat exchanger for dissipating heat from the working fluid, an internal circuit heat exchanger, at least one expansion device for expanding the working fluid and at least one low-temperature heat exchanger for transferring heat to the working fluid. The internal circuit heat exchanger is designed with a first flow path for passing through working fluid at a high-pressure level and a second flow path for passing through working fluid at a low-pressure level and is arranged in the working fluid circuit in such a way that heat is transferred from the working fluid flowing through the first flow path to the working fluid flowing through the second flow path.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Arbeitsfluid als ein Gemisch aus mindestens zwei Komponenten derart ausgebildet, dass das Arbeitsfluid beim Durchströmen des zweiten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers ausschließlich eine teilweise Verdampfung bei ansteigender Temperatur, auch als partielle Verdampfung bezeichnet, oder eine teilweise Verdampfung und eine anschließende Überhitzung jeweils bei ansteigender Temperatur aufweist. Die Temperaturänderung ist dabei nicht auf einen Druckverlust des Arbeitsfluids beim Durchströmen der Wärmeübertrager zurückzuführen.According to the concept of the invention, the working fluid is designed as a mixture of at least two components such that the working fluid, when flowing through the second flow path of the internal circuit heat exchanger, only exhibits partial evaporation with increasing temperature, also referred to as partial evaporation, or partial evaporation and subsequent overheating, each with increasing temperature. The temperature change is not due to a pressure loss of the working fluid when flowing through the heat exchanger.
Das Gemisch kann je nach Bedarf in der Anzahl und der Anteile der Komponenten angepasst sein.The mixture can be adjusted in the number and proportions of the components as required.
Die Expansionsvorrichtung ist vorteilhaft als ein Expansionsorgan oder eine Expansionsmaschine, insbesondere als eine mindestens einstufige Turbomaschine, zum Rückgewinnen von Expansionsarbeit in Form von mechanischer Arbeit ausgebildet. Die Fördervorrichtung kann als ein Verdichter, insbesondere als eine mindestens einstufige Turbomaschine, ausgebildet sein.The expansion device is advantageously designed as an expansion element or an expansion machine, in particular as an at least single-stage turbomachine, for recovering expansion work in the form of mechanical work. The conveying device can be designed as a compressor, in particular as an at least single-stage turbomachine.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind für eine mehrstufige Verdichtung des Arbeitsfluids mit jeweils zwischen den Stufen der Verdichtung zwischengeschalteter Wärmeübertragung vom Arbeitsfluid mindestens zwei Hochtemperatur-Wärmeübertrager und mindestens zwei als Verdichter ausgebildete Fördervorrichtungen jeweils abwechselnd in Reihe geschaltet zueinander angeordnet.According to a further development of the invention, for a multi-stage compression of the working fluid with heat transfer from the working fluid interposed between the compression stages, at least two high-temperature heat exchangers and at least two conveying devices designed as compressors are arranged alternately in series with one another.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Gemisch jeweils aus mindestens einer Hauptkomponente, insbesondere genau einer Hauptkomponente beziehungsweise einem Hauptfluid, und mindestens einer Nebenkomponente ausgebildet. Dabei weist die mindestens eine Hauptkomponente eine geringere Normalsiedetemperatur und einen wesentlich höheren Molanteil als die mindestens eine Nebenkomponente auf. Der Molanteil der mindestens einen Hauptkomponente beträgt vorzugsweise mindestens 90 % des Arbeitsfluids. Dabei ist das Arbeitsfluid bevorzugt als ein zeotropes Gemisch, auf dem Niederdruckniveau des Kreisprozesses insbesondere mit einem Temperaturgleit von mindestens 50 K, ausgebildet. Unter der Normalsiedetemperatur ist die Siedetemperatur der jeweiligen Komponente bei Umgebungsdruck zu verstehen.According to a preferred embodiment of the invention, the mixture is formed from at least one main component, in particular exactly one main component or a main fluid, and at least one secondary component. The at least one main component has a lower normal boiling point and a significantly higher molar fraction than the at least one secondary component. The molar fraction of the at least one main component is preferably at least 90% of the working fluid. The working fluid is preferably formed as a zeotropic mixture, at the low pressure level of the cycle, in particular with a temperature glide of at least 50 K. The normal boiling point is the boiling point of the respective component at ambient pressure.
Das Arbeitsfluid kann als ein Gemisch Butan als Hauptkomponente und Dodekan als Nebenkomponente aufweisen. Dabei ist das Arbeitsfluid vorzugsweise als ein Gemisch aus 95 mol% Butan und 5 mol% Dodekan oder als ein Gemisch aus 96 mol% Butan und 4 mol% Dodekan ausgebildet.The working fluid can be a mixture comprising butane as the main component and dodecane as the secondary component. The working fluid is preferably formed as a mixture of 95 mol% butane and 5 mol% dodecane or as a mixture of 96 mol% butane and 4 mol% dodecane.
Der mindestens eine Hochtemperatur-Wärmeübertrager ist bevorzugt als ein Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet, während der mindestens eine Niedertemperatur-Wärmeübertrager vorzugsweise als ein Kreuzstrom-Wärmeübertrager oder als ein Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet ist.The at least one high-temperature heat exchanger is preferably designed as a countercurrent heat exchanger, while the at least one low-temperature heat exchanger is preferably designed as a cross-current heat exchanger or as a countercurrent heat exchanger.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Arbeitsfluidkreislauf, in welchem ein Arbeitsfluid in einem transkritischen Kreisprozess, insbesondere einem Wärme-Kraft-Prozess oder einem Wärme-Kraft-Kreisprozess, zirkuliert, gelöst. Der Arbeitsfluidkreislauf der Vorrichtung weist in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids eine Fördervorrichtung zum Fördern flüssigen Arbeitsfluids, einen kreislaufinternen Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungspfad und einem zweiten Strömungspfad, mindestens einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung an das Arbeitsfluid, mindestens eine Expansionsvorrichtung zum Entspannen des Arbeitsfluids und mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe vom Arbeitsfluid auf.The object of the invention is also achieved by a first method according to the invention for operating a device with a working fluid circuit in which a working fluid circulates in a transcritical cycle, in particular a heat-power process or a heat-power cycle. The working fluid circuit of the device has a conveying device for conveying liquid working fluid in the flow direction of the working fluid, a heat exchanger inside the circuit with a first flow path and a second flow path, at least one high-temperature heat exchanger for transferring heat to the working fluid, at least one expansion device for relaxing the working fluid and at least one low-temperature heat exchanger for dissipating heat from the working fluid.
Das Verfahren weist folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge auf:
- - Ansaugen des flüssigen Arbeitsfluids auf einem niederen Druckniveau durch die Fördervorrichtung und Fördern des Arbeitsfluids auf ein höheres Druckniveau, insbesondere auf einen überkritischen Druck,
- - Erwärmen des Arbeitsfluids beim Durchströmen des ersten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers,
- - Erwärmen des Arbeitsfluids beim Durchströmen des mindestens einen Hochtemperatur-Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme auf eine maximale Hochtemperatur TH,max und
- - Entspannen des Arbeitsfluids beim Durchströmen der mindestens einen Expansionsvorrichtung,
- - Enthitzen des als überhitzter Dampf vorliegenden Arbeitsfluids und zumindest teilweises Kondensieren des Arbeitsfluids oder zumindest teilweises Kondensieren des als gesättigter Dampf vorliegenden Arbeitsfluids beim Durchströmen des zweiten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers jeweils unter Änderung der Temperatur des Arbeitsfluids sowie
- - vollständiges Kondensieren des Arbeitsfluids beim Durchströmen des mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertragers unter Abgabe von Wärme.
- - Suction of the liquid working fluid at a low pressure level through the conveying device and conveying the working fluid to a higher pressure level, in particular to a supercritical pressure,
- - Heating of the working fluid as it flows through the first flow path of the internal heat exchanger,
- - Heating the working fluid as it flows through the at least one high-temperature heat exchanger while absorbing heat to a maximum high temperature T H,max and
- - Relaxing the working fluid as it flows through the at least one expansion device,
- - deheating the working fluid present as superheated steam and at least partially condensing the working fluid or at least partially condensing the working fluid present as saturated steam as it flows through the second flow path of the internal heat exchanger, in each case with a change in the temperature of the working fluid and
- - complete condensation of the working fluid as it flows through at least one low-temperature heat exchanger, releasing heat.
Die Änderung der Temperatur beim Enthitzen und Kondensieren im zweiten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers erfolgt jeweils bevorzugt derart, dass der Zahlenwert des Wärmekapazitätsstroms des überhitzten Dampfes die gleiche Größenordnung aufweist, wie der Differenzenquotient aus Enthalpiestrom zu Temperaturdifferenz während der anschließenden Kondensation.The change in temperature during deheating and condensing in the second flow path of the internal heat exchanger preferably takes place in such a way that the numerical value of the heat capacity flow of the superheated steam has the same order of magnitude as the difference quotient of enthalpy flow to temperature difference during the subsequent condensation.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung entspricht ein Temperaturgleit des Arbeitsfluids beim Kondensieren im zweiten Strömungspfad und damit auf der Niederdruckseite des kreislaufinternen Wärmeübertragers einer Temperaturänderung des Arbeitsfluids beim Erwärmen im ersten Strömungspfad und damit auf der Hochdruckseite des kreislaufinternen Wärmeübertragers bezogen auf eine identische Enthalpiedifferenz des Arbeitsfluids.According to a development of the invention, a temperature glide of the working fluid during condensation in the second flow path and thus on the low-pressure side of the internal circuit heat exchanger corresponds to a temperature change of the working fluid during heating in the first flow path and thus on the high-pressure side of the internal circuit heat exchanger based on an identical enthalpy difference of the working fluid.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zustandsänderung des Arbeitsfluids bei der Abgabe von Wärme im mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager im Wesentlichen isotherm. Dabei ist ein Temperaturgleit des Arbeitsfluids beim Kondensieren innerhalb des Niedertemperatur-Wärmeübertragers kleiner als der Temperaturgleit des Arbeitsfluids beim Kondensieren im zweiten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers.According to a preferred embodiment of the invention, the change in state of the working fluid when heat is released in at least one low-temperature heat exchanger occurs essentially isothermally. A temperature glide of the working fluid when condensing within the low-temperature heat exchanger is smaller than the temperature glide of the working fluid when condensing in the second flow path of the heat exchanger within the circuit.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Anteil von mindestens 50 % der Wärme, welche vom durch den zweiten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers strömenden Arbeitsfluid an durch den ersten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers strömendes Arbeitsfluid übertragen wird, bei der Kondensation des im zweiten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers strömenden Arbeitsfluids abgeführt wird.A further advantage of the invention is that a proportion of at least 50% of the heat which is transferred from the working fluid flowing through the second flow path of the internal circuit heat exchanger to the working fluid flowing through the first flow path of the internal circuit heat exchanger is dissipated during the condensation of the working fluid flowing in the second flow path of the internal circuit heat exchanger.
Beim Vorgang des Entspannens des Arbeitsfluids beim Durchströmen der mindestens einen Expansionsvorrichtung kann mechanische Arbeit verrichtet werden. Dabei erfolgt die Zustandsänderung des Arbeitsfluids insbesondere ohne zusätzliche Wärmezufuhr vorzugsweise isentrop. Das Arbeitsfluid strömt vorteilhaft im überkritischen Zustand in die Expansionsvorrichtung ein.During the process of expanding the working fluid as it flows through the at least one expansion device, mechanical work can be performed. The change in state of the working fluid occurs preferably isentropically, in particular without additional heat input. The working fluid advantageously flows into the expansion device in a supercritical state.
Beim Kondensieren des Arbeitsfluids im mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager wird die Wärme vorzugsweise an ein externes erstes Wärmereservoir übertragen, während beim Erwärmen des Arbeitsfluids im mindestens einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager die Wärme aus einem externen zweiten Wärmereservoir aufgenommen wird.When condensing the working fluid in the at least one low-temperature heat exchanger, the heat is preferably transferred to an external first heat reservoir, while when heating the working fluid in the at least one high-temperature heat exchanger, the heat is absorbed from an external second heat reservoir.
Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Arbeitsfluidkreislauf, in welchem ein Arbeitsfluid in einem transkritischen Kreisprozess, insbesondere einem Wärmepumpen-Prozess oder einem Wärmepumpen-Kreisprozess, zirkuliert, gelöst. Der Arbeitsfluidkreislauf der Vorrichtung weist in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids eine Fördervorrichtung zum Verdichten dampfförmigen Arbeitsfluids, mindestens einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe vom Arbeitsfluid, einen kreislaufinternen Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungspfad und einem zweiten Strömungspfad, mindestens eine Expansionsvorrichtung zum Entspannen des Arbeitsfluids und mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung an das Arbeitsfluid auf.The object of the invention is also achieved by a second method according to the invention for operating a device with a working fluid circuit in which a working fluid circulates in a transcritical cycle, in particular a heat pump process or a heat pump cycle. The working fluid circuit of the device has, in the flow direction of the working fluid, a conveying device for compressing vaporous working fluid, at least one high-temperature heat exchanger for dissipating heat from the working fluid, an internal circuit heat exchanger with a first flow path and a second flow path, at least one expansion device for expanding the working fluid and at least one low-temperature heat exchanger for transferring heat to the working fluid.
Das Verfahren weist folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge auf:
- - Ansaugen des im Zustand von gesättigtem oder überhitztem Dampf vorliegenden Arbeitsfluids und Verdichten des Arbeitsfluids auf ein höheres Druckniveau, insbesondere auf einen überkritischen Druck sowie eine Hochtemperatur TH,max, durch die Fördervorrichtung,
- - Enthitzen des Arbeitsfluids beim Durchströmen des mindestens einen Hochtemperatur-Wärmeübertragers unter Abgabe von Wärme,
- - Abkühlen des Arbeitsfluids beim Durchströmen des ersten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers auf eine Temperatur unterhalb des kritischen Punktes nahe eines Niedertemperaturniveaus des Kreisprozesses,
- - Entspannen des Arbeitsfluids beim Durchströmen der mindestens einen Expansionsvorrichtung,
- - zumindest teilweises Verdampfen des Arbeitsfluids beim Durchströmen des mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertragers durch Aufnahme von Wärme sowie
- - vollständiges Verdampfen des Arbeitsfluids beim Durchströmen des zweiten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme und gegebenenfalls Überhitzen des Arbeitsfluids.
- - Suction of the working fluid in the state of saturated or superheated steam and compression of the working fluid to a higher pressure level, in particular to a supercritical pressure and a high temperature T H,max , by the conveying device,
- - Deheating the working fluid as it flows through at least one high-temperature heat exchanger while releasing heat,
- - Cooling of the working fluid as it flows through the first flow path of the internal heat exchanger to a temperature below the critical point near a low-temperature level of the cycle,
- - Relaxing the working fluid as it flows through the at least one expansion device,
- - at least partial evaporation of the working fluid when flowing through the at least one low-temperature heat exchanger by absorbing heat and
- - complete evaporation of the working fluid as it flows through the second flow path of the internal heat exchanger, absorbing heat and possibly overheating the working fluid.
Beim Durchströmen des zweiten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers verdampft das Arbeitsfluid vollständig, sodass das Arbeitsfluid entweder als gesättigter Dampf oder überhitzt aus dem zweiten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers ausströmt.When flowing through the second flow path of the in-circuit heat exchanger, the working fluid evaporates completely, so that the working fluid flows out of the second flow path of the in-circuit heat exchanger either as saturated vapor or superheated.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung entspricht ein Temperaturgleit des Arbeitsfluids beim Verdampfen im zweiten Strömungspfad und damit auf der Niederdruckseite des kreislaufinternen Wärmeübertragers einer Temperaturänderung des Arbeitsfluids beim Abkühlen im ersten Strömungspfad und damit auf der Hochdruckseite des kreislaufinternen Wärmeübertragers bezogen auf eine identische Enthalpiedifferenz des Arbeitsfluids.According to a development of the invention, a temperature glide of the working fluid during evaporation in the second flow path and thus on the low-pressure side of the internal circuit heat exchanger corresponds to a temperature change of the working fluid during cooling in the first flow path and thus on the high-pressure side of the internal circuit heat exchanger based on an identical enthalpy difference of the working fluid.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zustandsänderung des Arbeitsfluids bei der Aufnahme von Wärme im mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager im Wesentlichen isotherm. Dabei ist ein Temperaturgleit des Arbeitsfluids beim Verdampfen deutlich kleiner als der Temperaturgleit des Arbeitsfluids beim Verdampfen im zweiten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers.According to a preferred embodiment of the invention, the change in state of the working fluid when absorbing heat in the at least one low-temperature heat exchanger occurs essentially isothermally. In this case, a temperature glide of the working fluid during evaporation is significantly smaller than the temperature glide of the working fluid during evaporation in the second flow path of the internal heat exchanger.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Anteil von mindestens 50 % der Wärme, welche vom durch den ersten Strömungspfad strömenden Arbeitsfluid an durch den zweiten Strömungspfad strömendes Arbeitsfluid übertragen wird, bei der Verdampfung des im zweiten Strömungspfad strömenden Arbeitsfluids aufgenommen wird.A further advantage of the invention is that a proportion of at least 50% of the heat which is transferred from the working fluid flowing through the first flow path to the working fluid flowing through the second flow path is absorbed during the evaporation of the working fluid flowing in the second flow path.
Beim Verdampfen des Arbeitsfluids im mindestens einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager wird die Wärme vorzugsweise aus einem externen ersten Wärmereservoir aufgenommen, während beim Enthitzen des Arbeitsfluids im mindestens einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager die Wärme an ein externes zweites Wärmereservoir übertragen wird.When the working fluid evaporates in the at least one low-temperature heat exchanger, the heat is preferably absorbed from an external first heat reservoir, while when the working fluid is deheated in the at least one high-temperature heat exchanger, the heat is transferred to an external second heat reservoir.
Im Niedertemperatur-Wärmeübertrager wird die Wärme jeweils vorteilhaft zwischen dem Arbeitsfluid und einer Umgebung, insbesondere Oberflächenwasser, Umgebungsluft oder geothermischen Reservoirs, übertragen.In the low-temperature heat exchanger, the heat is advantageously transferred between the working fluid and an environment, in particular surface water, ambient air or geothermal reservoirs.
Mit der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden speziell im zweiten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers hohe Wärmeübergangskoeffizienten des Arbeitsfluids ermöglicht. Zudem können die Druckniveaus und die Temperaturniveaus des Arbeitsfluids durch ein entsprechendes Zusammenstellen der Komponenten des Gemischs als Arbeitsfluid angepasst werden.The advantageous embodiment of the invention enables high heat transfer coefficients of the working fluid, especially in the second flow path of the internal heat exchanger. In addition, the pressure levels and the temperature levels of the working fluid can be adjusted by appropriately combining the components of the mixture as the working fluid.
Mit dem gezielten Zusammenstellen der Komponenten des Gemischs wird ein hochgradig nichtlinearer Gesamtverlauf der Zustandsänderungen im Zweiphasengebiet erreicht. Das Gemisch weist bei niedrigen bis hohen Dampfmasseanteilen nahezu keinen oder lediglich einen sehr geringen Temperaturgleit bei gleichbleibendem Druck und bei sehr hohen Dampfmassenanteilen einen großen Temperaturgleit auf, welcher in einer T-s-Darstellung oder einer T-h-Darstellung idealerweise linear verläuft und bei gleicher Enthalpiedifferenz dem Anstieg der Flüssigkeitsisobaren entspricht. Das Gemisch ist derart zusammengesetzt, dass der Anstieg der Flüssigkeitsisobaren als Temperaturänderung abhängig von der Änderung der Enthalpie auf der Hochdruckseite und damit innerhalb des ersten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers dem Anstieg der Isobaren im Zweiphasengebiet bei hohen Dampfmassenanteilen als Temperaturänderung abhängig von der Änderung der Enthalpie auf der Niederdruckseite und damit innerhalb des zweiten Strömungspfades des kreislaufinternen Wärmeübertragers bezogen auf die selben Absoluttemperaturen entspricht. Damit entspricht der Kapazitätsstrom des flüssigen beziehungsweise überkritischen Arbeitsfluids im ersten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers dem Differenzenquotienten der Enthalpieänderung zur Temperaturänderung des Arbeitsfluids im zweiten Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragers.By carefully assembling the components of the mixture, a highly non-linear overall course of the state changes in the two-phase region is achieved. The mixture has almost no or only a very small temperature glide at low to high steam mass fractions at constant pressure and a large temperature glide at very high steam mass fractions, which is ideally linear in a T-s representation or a T-h representation and corresponds to the increase in the liquid isobars with the same enthalpy difference. The mixture is composed in such a way that the increase in the liquid isobars as a temperature change depending on the change in the enthalpy on the high pressure side and thus within the first flow path of the internal heat exchanger corresponds to the increase in the isobars in the two-phase region at high steam mass fractions as a temperature change depending on the change in the enthalpy on the low pressure side and thus within the second flow path of the internal heat exchanger based on the same absolute temperatures. Thus, the capacity flow of the liquid or supercritical working fluid in the first flow path of the internal heat exchanger corresponds to the difference quotient of the enthalpy change to the temperature change of the working fluid in the second flow path of the internal heat exchanger.
Damit besteht die Möglichkeit, den kreislaufinternen Wärmeübertrager im Arbeitsfluidkreislauf zu integrieren, welcher auf der Hochdruckseite von überkritischem beziehungsweise flüssigem Arbeitsfluid durchströmt wird, welches bei der Wärmeübertragung, insbesondere der Abkühlung, eine Temperaturänderung erfährt, und auf der Niederdruckseite vom Arbeitsfluid beaufschlagt wird, welches zumindest partiell einen Phasenwechsel aufweist und zusätzlich eine Temperaturänderung bei der Wärmeübertragung erfährt. Auf der Niederdruckseite des kreislaufinternen Wärmeübertragers tritt folglich ein Phasenwechsel mit Temperaturänderung auf. Infolge der Kongruenz des Temperaturverlaufs mit der Flüssigkeitsisobaren ist die Vernichtung an Exergie minimal.This makes it possible to integrate the internal heat exchanger into the working fluid circuit, through which supercritical or liquid working fluid flows on the high-pressure side, which experiences a temperature change during heat transfer, in particular during cooling, and which is acted upon by the working fluid on the low-pressure side, which at least partially has a phase change and also experiences a temperature change during heat transfer. A phase change with temperature change therefore occurs on the low-pressure side of the internal heat exchanger. As a result Due to the congruence of the temperature curve with the liquid isobar, the destruction of exergy is minimal.
Derartige Gemischeigenschaften treten auf, wenn insbesondere eine Hauptkomponente mit einer oder mehreren Nebenkomponenten derart kombiniert wird, dass die Nebenkomponente/n lediglich einen sehr geringen Molanteil am Arbeitsfluid und eine höhere Normalsiedetemperatur als die Hauptkomponente aufweisen.Such mixture properties occur when, in particular, a main component is combined with one or more secondary components in such a way that the secondary component(s) have only a very small molar proportion of the working fluid and a higher normal boiling point than the main component.
Die Hauptkomponente/n des Gemischs, welche an das Niedertemperaturniveau des jeweiligen Kreisprozesses und damit die Temperaturverläufe des Arbeitsfluids beim Durchströmen des Niedertemperatur-Wärmeübertragers und des zweiten Strömungspfads des kreislaufinternen Wärmeübertragers angepasst ist/sind, weist/weisen folglich eine deutlich geringere Normalsiedetemperatur als die Nebenkomponente/n auf. Die Nebenkomponente/n können langkettige Alkane sein.The main component(s) of the mixture, which is/are adapted to the low temperature level of the respective cycle and thus the temperature profiles of the working fluid as it flows through the low temperature heat exchanger and the second flow path of the heat exchanger within the circuit, consequently has/have a significantly lower normal boiling point than the secondary component(s). The secondary component(s) can be long-chain alkanes.
Nichtlineare Gesamttemperaturverläufe treten nur auf, wenn Komponenten mit großen Differenzen der Normalsiedetemperaturen miteinander kombiniert werden. Die genaue Ausprägung der Temperaturverläufe, insbesondere abhängig von der Enthalpie, wird mittels der entsprechenden Zusammensetzung der Hauptkomponente/n und der Nebenkomponente/n erreicht. Die Auswahl der Nebenkomponenten basiert dabei auf dem gewünschten Temperaturgleit und dem gewünschten Anstieg der Isobaren innerhalb des Zweiphasengebiets, welche den Anstiegen der Isobaren im Flüssigkeitsgebiet entsprechen.Nonlinear overall temperature profiles only occur when components with large differences in normal boiling temperatures are combined. The exact nature of the temperature profiles, particularly depending on the enthalpy, is achieved by means of the corresponding composition of the main component(s) and the secondary component(s). The selection of the secondary components is based on the desired temperature glide and the desired increase in the isobars within the two-phase region, which correspond to the increases in the isobars in the liquid region.
Durch die im Wesentlichen freie Auswahl der Hauptkomponente/n des Gemischs ist auf der Niederdruckseite des Kreisprozesses, insbesondere im Niedertemperatur-Wärmeübertrager, nahezu jedes relevante Niedertemperaturniveau als ein isothermer Temperaturverlauf einstellbar, bei welchem das Arbeitsfluid einen partiellen, nahezu isothermen Phasenwechsel vollzieht.Due to the essentially free selection of the main component(s) of the mixture, almost any relevant low-temperature level can be set as an isothermal temperature curve on the low-pressure side of the cycle, especially in the low-temperature heat exchanger, in which the working fluid undergoes a partial, almost isothermal phase change.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kreisprozessen erfolgt die isotherme Wärmeaufnahme auf der Niederdruckseite mit subkritischem Arbeitsfluid. Dabei können die Kreisprozesse lediglich mit einer begrenzten Anzahl an Arbeitsfluiden mit sehr geringen kritischen Temperaturen betrieben werden und sind damit im Einstellen des isothermen Temperaturverlaufs auf der Niederdruckseite sehr limitiert. So weist beispielsweise Kohlenstoffdioxid eine Temperatur am kritischen Punkt von 31 °C auf.In the case of cycle processes known from the state of the art, the isothermal heat absorption takes place on the low-pressure side with a subcritical working fluid. The cycle processes can only be operated with a limited number of working fluids with very low critical temperatures and are therefore very limited in setting the isothermal temperature curve on the low-pressure side. For example, carbon dioxide has a temperature at the critical point of 31 °C.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren zum Betreiben eines transkritischen Kreisprozesses weisen, insbesondere im Vergleich zum Betrieb als ein Joule-Brayton-Prozess, zusammenfassend weitere Vorteile auf:
- - höherer Wirkungsgrad durch die isotherme Wärmeübertragung auf dem Niedertemperaturniveau bei direkter Kopplung mit der Umgebung als Wärmereservoir, beispielsweise Umgebungsluft, Oberflächenwasser oder Geothermie,
- - höherer Wärmeübergangskoeffizient innerhalb des kreislaufinternen Wärmeübertragers durch Phasenwechsel des Arbeitsfluids auf der Niederdruckseite,
- - beim Betrieb im rechtslaufenden Wärme-Kraft-Prozess kann die Druckerhöhung im Arbeitsfluid im Vergleich zu komplexen Verdichtern im Joule-Brayton-Prozess durch einfachere Pumpen realisiert werden, sowie
- - superkritische Flüssigkeitsisobaren und subkritische Zweiphasenisobaren sind bei den gewählten Gemischen kongruenter als ausschließlich superkritische Isobaren untereinander bei rein gasförmigen Arbeitsfluiden, sodass im kreislaufinternen Wärmeübertrager geringere Exergieverluste zu verzeichnen sind.
- - higher efficiency due to isothermal heat transfer at low temperature levels with direct coupling with the environment as a heat reservoir, for example ambient air, surface water or geothermal energy,
- - higher heat transfer coefficient within the internal heat exchanger due to phase change of the working fluid on the low-pressure side,
- - when operating in the clockwise heat-power process, the pressure increase in the working fluid can be achieved by simpler pumps compared to complex compressors in the Joule-Brayton process, and
- - supercritical liquid isobars and subcritical two-phase isobars are more congruent in the selected mixtures than exclusively supercritical isobars with each other in purely gaseous working fluids, so that lower exergy losses are recorded in the internal heat exchanger.
Im Vergleich zu transkritischen Kreisprozessen mit Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid weisen die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren zusammenfassend folgende Vorteile auf:
- - geringere Drucklage möglich,
- - anpassbares Niedertemperaturniveau, damit Vermeiden von kalten Wärmespeichern bei der Verwendung von Carnot-Batterien sowie
- - superkritische Flüssigkeitsisobaren und subkritische Zweiphasenisobaren sind bei den gewählten Gemischen kongruenter als superkritische Isobaren und Isobaren im überhitzten Dampfgebiet, sodass im kreislaufinternen Wärmeübertrager geringere Exergieverluste zu verzeichnen sind.
- - lower pressure level possible,
- - adjustable low temperature level to avoid cold heat storage when using Carnot batteries and
- - supercritical liquid isobars and subcritical two-phase isobars are more congruent in the selected mixtures than supercritical isobars and isobars in the superheated steam region, so that lower exergy losses are recorded in the internal heat exchanger.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 : ein T-s-Diagramm eines idealen thermodynamischen Kreisprozesses mit unterschiedlichen Temperaturniveaus als ein Vergleichsprozess, -
2a und2b : ein Schaltbild einer ersten Vorrichtung mit einem ersten Arbeitsfluidkreislauf sowie zugehörige Zustandsänderungen eines Wärme-Kraft-Prozesses im T-s-Diagramm und -
3a und3b : ein Schaltbild einer zweiten Vorrichtung mit einem zweiten Arbeitsfluidkreislauf sowie zugehörige Zustandsänderungen eines Wärmepumpen-Prozesses im T-s-Diagramm.
-
1 : a Ts diagram of an ideal thermodynamic cycle with different temperature levels as a comparison process, -
2a and2b : a circuit diagram of a first device with a first working fluid circuit and associated state changes of a heat-power process in the Ts diagram and -
3a and3b : a circuit diagram of a second device with a second working fluid circuit and associated state changes of a heat pump process in the Ts diagram.
In
Auf dem Niveau der Niedertemperatur TN wird die Wärme jeweils bei isothermer Zustandsänderung übertragen. Die isotherme Zustandsänderung ist dann von besonderem Vorteil, wenn die Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung, was der Wärmeübertragung beim Wärme-Kraft-Prozess entspricht, oder von der Umgebung an das Arbeitsfluid, was der Wärmeübertragung beim Wärmepumpen-Prozess entspricht, übertragen wird. Die Umgebung entspricht dabei jeweils einem nahezu unerschöpflichen und damit latenten beziehungsweise isothermen, externen ersten Wärmereservoir. Bei Wärme-Kraft-Prozessen dient die Umgebung als Wärmesenke, während die Umgebung bei Wärmepumpen-Prozessen als Wärmequelle dient.At the level of the low temperature T N, the heat is transferred in an isothermal change of state. The isothermal change of state is particularly advantageous when the heat is transferred from the working fluid to the environment, which corresponds to heat transfer in the heat-power process, or from the environment to the working fluid, which corresponds to heat transfer in the heat pump process. The environment corresponds to an almost inexhaustible and thus latent or isothermal, external first heat reservoir. In heat-power processes, the environment serves as a heat sink, while in heat pump processes the environment serves as a heat source.
Eine weitere Zustandsänderung mit Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsfluid und einem zweiten externen Wärmereservoir erfolgt bei einer zwischen den Niveaus der Hochtemperatur TH,max und TH,min gleitenden Temperatur. Dabei wird die Wärme beim Wärme-Kraft-Prozess von der Umgebung an das Arbeitsfluid und beim Wärmepumpen-Prozess vom Arbeitsfluid an die Umgebung übertragen. Folglich dient das zweite Wärmereservoir bei Wärme-Kraft-Prozessen als Wärmequelle bei Wärmepumpen-Prozessen als Wärmesenke.A further change of state with heat transfer between the working fluid and a second external heat reservoir takes place at a temperature that fluctuates between the high temperature levels T H,max and T H,min . In the heat-power process, the heat is transferred from the environment to the working fluid and in the heat pump process from the working fluid to the environment. Consequently, the second heat reservoir serves as a heat source in heat-power processes and as a heat sink in heat pump processes.
Das minimale Niveau der Hochtemperatur TH,min unterscheidet sich vom Niveau der Niedertemperatur TN, wobei das minimale Niveau der Hochtemperatur TH,min oberhalb des Niveaus der Niedertemperatur TN liegt. Die Temperaturdifferenz zwischen dem minimalen Niveau der Hochtemperatur TH,min und dem Niveau der Niedertemperatur TN wird jeweils durch eine kreislaufinterne Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsfluid auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, auch als Rekuperation bezeichnet, erreicht.The minimum level of the high temperature T H,min differs from the level of the low temperature T N , whereby the minimum level of the high temperature T H,min is above the level of the low temperature T N . The temperature difference between the minimum level of the high temperature T H,min and the level of the low temperature T N is achieved by an internal circuit heat transfer between the working fluid at different temperature levels, also referred to as recuperation.
Die technische Umsetzung des thermodynamischen Vergleichsprozesses nach
Die technische Umsetzung eines derartigen thermodynamischen Prozesses ist von verfügbaren Arbeitsfluiden abhängig und beispielsweise mit Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid, kurz als CO2 bezeichnet, realisierbar. Dabei ist jedoch insbesondere das Niveau der Niedertemperatur TN auf Werte kleiner 31 °C begrenzt. Im Vergleich dazu sind mit dem Einsatz bestimmter Gemische als Arbeitsfluid die Temperaturniveaus frei einstellbar.The technical implementation of such a thermodynamic process depends on the available working fluids and can be implemented, for example, using carbon dioxide as the working fluid, referred to as CO 2 for short. However, the level of the low temperature T N in particular is limited to values below 31 °C. In comparison, the temperature levels can be freely adjusted by using certain mixtures as the working fluid.
Aus den
Der erste Arbeitsfluidkreislauf 2a weist in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids eine als Pumpe ausgebildete Fördervorrichtung 3a zum Erhöhen des Drucks und Fördern des flüssigen Arbeitsfluids, einen kreislaufinternen Wärmeübertrager 7, auch als Rekuperator bezeichnet, einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager 4 zur Wärmeübertragung an das Arbeitsfluid, eine als Expansionsmaschine ausgebildete Expansionsvorrichtung 5a zum Entspannen des Arbeitsfluids und einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager 6 zur Wärmeabgabe vom Arbeitsfluid auf.The first working fluid circuit 2a has, in the flow direction of the working fluid, a conveying device 3a designed as a pump for increasing the pressure and conveying the liquid working fluid, an internal circuit heat exchanger 7, also referred to as a recuperator, a high-temperature heat exchanger 4 for transferring heat to the working fluid, an expansion device 5a designed as an expansion machine for relaxing the working fluid and a low-temperature heat exchanger 6 for dissipating heat from the working fluid.
Der kreislaufinterne Wärmeübertrager 7 ist mit einem ersten Strömungspfad 7a und einem zweiten Strömungspfad 7b ausgebildet. Dabei ist der erste Strömungspfad 7a in einer Verbindung zwischen der Fördervorrichtung 3a und dem Hochtemperatur-Wärmeübertrager 4 angeordnet, während der zweite Strömungspfad 7b in einer Verbindung zwischen der Expansionsvorrichtung 5a und dem Niedertemperatur-Wärmeübertrager 6 angeordnet ist. Innerhalb des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 wird die Wärme vom durch den zweiten Strömungspfad 7b strömenden Arbeitsfluid an das durch den ersten Strömungspfad 7a strömende Arbeitsfluid übertragen.The internal circuit heat exchanger 7 is designed with a first flow path 7a and a second flow path 7b. The first flow path 7a is arranged in a connection between the conveying device 3a and the high-temperature heat exchanger 4, while the second flow path 7b is arranged in a connection between the expansion device 5a and the low-temperature heat exchanger 6. Within the internal circuit heat exchanger 7, the heat is transferred from the working fluid flowing through the second flow path 7b to the working fluid flowing through the first flow path 7a.
Die als Pumpe ausgebildete Fördervorrichtung 3a saugt das im Zustand A vorliegende flüssige, insbesondere unterkühlte Arbeitsfluid an und fördert das Arbeitsfluid auf ein höheres Druckniveau, speziell auf einen überkritischen Druck in den Zustand B.The conveying device 3a, designed as a pump, sucks in the liquid, in particular supercooled, working fluid present in state A and conveys the working fluid to a higher pressure level, specifically to a supercritical pressure in state B.
Beim Durchströmen des ersten Strömungspfades 7a des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 wird das Arbeitsfluid auf eine Temperatur im Zustand C oberhalb des kritischen Punktes erwärmt.When flowing through the first flow path 7a of the internal heat exchanger 7, the working fluid is heated to a temperature in state C above the critical point.
Anschließend wird das Arbeitsfluid beim Durchströmen des Hochtemperatur-Wärmeübertragers 4 durch Aufnahme von Wärme aus dem externen zweiten Wärmereservoir auf das Niveau der maximalen Hochtemperatur TH,max als finale Frischdampftemperatur in den Zustand D erhitzt und beim Durchströmen der als Expansionsmaschine ausgebildeten Expansionsvorrichtung 5a in den Zustand E entspannt. Beim Vorgang des Entspannens wird mechanische Arbeit verrichtet, welche über eine Welle der Expansionsmaschine abgeführt wird. Im Zustand E liegt das Arbeitsfluid als überhitzter Dampf vor. Alternativ kann das Arbeitsfluid im Zustand E auch als gesättigter Dampf vorliegen.The working fluid is then heated to the level of the maximum high temperature T H,max as the final fresh steam temperature in state D as it flows through the high-temperature heat exchanger 4 by absorbing heat from the external second heat reservoir and is expanded to state E as it flows through the expansion device 5a designed as an expansion machine. During the expansion process, mechanical work is performed, which is dissipated via a shaft of the expansion machine. In state E, the working fluid is present as superheated steam. Alternatively, the working fluid in state E can also be present as saturated steam.
Beim Durchströmen des zweiten Strömungspfades 7b des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 wird der überhitzte Dampf des Arbeitsfluids jeweils unter Änderung der Temperatur enthitzt und anschließend zum Zustand F hin zumindest teilweise kondensiert.When flowing through the second flow path 7b of the internal heat exchanger 7, the superheated vapor of the working fluid is deheated while changing the temperature and then at least partially condensed to state F.
Das derart teilkondensierte Arbeitsfluid wird anschließend beim Durchströmen des als Kondensator betriebenen Niedertemperatur-Wärmeübertragers 6 unter Abgabe von Wärme an das externe erste Wärmereservoir zum Zustand A hin vollständig verflüssigt und als flüssiges, insbesondere unterkühltes Arbeitsfluid von der Fördervorrichtung 3a angesaugt. Der Arbeisfluidkreislauf 2a ist geschlossen.The working fluid partially condensed in this way is then completely liquefied to state A as it flows through the low-temperature heat exchanger 6 operated as a condenser, releasing heat to the external first heat reservoir, and is sucked in as a liquid, in particular supercooled working fluid by the conveying device 3a. The working fluid circuit 2a is closed.
Aus den
Der zweite Arbeitsfluidkreislauf 2b weist in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids eine als Verdichter ausgebildete Fördervorrichtung 3b zum Verdichten des dampfförmigen Arbeitsfluids, den Hochtemperatur-Wärmeübertrager 4 zur Wärmeabgabe vom Arbeitsfluid, den kreislaufinternen Wärmeübertrager 7, eine als Expansionsorgan, insbesondere als ein Epansionsventil, ausgebildete Expansionsvorrichtung 5b zum Entspannen des Arbeitsfluids und den Niedertemperatur-Wärmeübertrager 6 zur Wärmeübertragung an das Arbeitsfluid auf.The second working fluid circuit 2b has, in the flow direction of the working fluid, a conveying device 3b designed as a compressor for compressing the vaporous working fluid, the high-temperature heat exchanger 4 for dissipating heat from the working fluid, the heat exchanger 7 within the circuit, an expansion device 5b designed as an expansion element, in particular as an expansion valve, for relaxing the working fluid and the low-temperature heat exchanger 6 for transferring heat to the working fluid.
Der erste Strömungspfad 7a des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 ist in einer Verbindung zwischen dem Hochtemperatur-Wärmeübertrager 4 und der Expansionsvorrichtung 5b angeordnet, während der zweite Strömungspfad 7b des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 in einer Verbindung zwischen dem Niedertemperatur-Wärmeübertrager 6 und der Fördervorrichtung 3b angeordnet ist. Innerhalb des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 wird die Wärme vom durch den ersten Strömungspfad 7a strömenden Arbeitsfluid an das durch den zweiten Strömungspfad 7b strömende Arbeitsfluid übertragen.The first flow path 7a of the in-circuit heat exchanger 7 is arranged in a connection between the high-temperature heat exchanger 4 and the expansion device 5b, while the second flow path 7b of the in-circuit heat exchanger 7 is arranged in a connection between the low-temperature heat exchanger 6 and the conveying device 3b. Within the in-circuit heat exchanger 7, the heat is transferred from the working fluid flowing through the first flow path 7a to the working fluid flowing through the second flow path 7b.
Die als Verdichter ausgebildete Fördervorrichtung 3b saugt das im Zustand A als gesättigter oder als überhitzter Dampf vorliegende Arbeitsfluid an und verdichtet das Arbeitsfluid auf ein höheres Druckniveau, speziell auf einen überkritischen Druck sowie das Niveau der maximalen Hochtemperatur TH,max in den Zustand B.The conveying device 3b designed as a compressor sucks in the working fluid present in state A as saturated or superheated vapor and compresses the working fluid to a higher pressure level, specifically to a supercritical pressure and the level of the maximum high temperature T H,max in state B.
Anschließend wird der überhitzte Dampf des Arbeitsfluids beim Durchströmen des Hochtemperatur-Wärmeübertragers 4 unter Abgabe von Wärme an das externe zweite Wärmereservoir und unter Änderung der Temperatur in den Zustand C enthitzt. Bei dem überkritischen Betrieb beziehungsweise der überkritischen Wärmeabgabe im Hochtemperatur-Wärmeübertrager 4 nimmt die Temperatur des Arbeitsfluids stetig ab. Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 4 wird auch als Gaskühler bezeichnet.The superheated steam of the working fluid is then deheated as it flows through the high-temperature heat exchanger 4, releasing heat to the external second heat reservoir and changing the temperature to state C. During supercritical operation or supercritical heat release in the high-temperature heat exchanger 4, the temperature of the working fluid decreases continuously. The high-temperature heat exchanger 4 is also referred to as a gas cooler.
Beim Durchströmen des ersten Strömungspfades 7a des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 wird das überkritische beziehungsweise flüssige Arbeitsfluid auf eine Temperatur im Zustand D weiter abgekühlt beziehungsweise unter Änderung der Temperatur enthitzt. Dabei dient die vom durch den ersten Strömungspfad 7a des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 geleiteten flüssigen Arbeitsfluid abgeführte Wärme zum vollständigen Verdampfen des gegenläufig durch den zweiten Strömungspfad 7b des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 geführten Arbeitsfluids. Das derart verdampfte Arbeitsfluid kann zudem überhitzt werden.When flowing through the first flow path 7a of the internal heat exchanger 7, the supercritical or liquid working fluid is further cooled to a temperature in state D or deheated by changing the temperature. The heat dissipated by the liquid working fluid conducted through the first flow path 7a of the internal heat exchanger 7 serves to completely evaporate the working fluid conducted in the opposite direction through the second flow path 7b of the internal heat exchanger 7. The working fluid evaporated in this way can also be superheated.
Beim Durchströmen der als Expansionsorgan ausgebildeten Expansionsvorrichtung 5b wird das vor der Expansionsvorrichtung 5b im Zustand D vorliegende Arbeitsfluid in den Zustand E entspannt. Der Vorgang des Entspannens kann arbeitsleistend verlaufen.When flowing through the expansion device 5b designed as an expansion element, the working fluid present in state D in front of the expansion device 5b is expanded to state E. The expansion process can be work-producing.
Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Niedertemperatur-Wärmeübertragers 6 wird das Arbeitsfluid durch Aufnahme von Wärme aus dem externen ersten Wärmereservoir zum Zustand F hin zumindest teilweise verdampft. Die Aufnahme der Wärme durch das Arbeitsfluid erfolgt dabei nahezu isotherm.When the working fluid subsequently flows through the low-temperature heat exchanger 6, which is operated as an evaporator, it is at least partially evaporated to state F by absorbing heat from the external first heat reservoir. The absorption of heat by the working fluid is almost isothermal.
Das partiell verdampft vorliegende Arbeitsfluid wird beim Durchströmen des zweiten Strömungspfades 7b des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 unter Aufnahme von Wärme aus dem durch den ersten Strömungspfad 7a des kreislaufinternen Wärmeübertragers 7 geleiteten überkritischen beziehungsweise flüssigen Arbeitsfluids und unter Erhöhen der Temperatur zum Zustand A hin vollständig verdampft und gegebenenfalls überhitzt sowie von der Fördervorrichtung 3b angesaugt. Der Arbeisfluidkreislauf 2b ist geschlossen.The partially evaporated working fluid is completely evaporated and possibly superheated as it flows through the second flow path 7b of the internal heat exchanger 7, absorbing heat from the supercritical or liquid working fluid conducted through the first flow path 7a of the internal heat exchanger 7 and increasing the temperature to state A, and is sucked in by the conveying device 3b. The working fluid circuit 2b is closed.
LISTE DER BEZUGSZEICHENLIST OF REFERENCE SIGNS
- 1a, 1b1a, 1b
- Vorrichtungdevice
- 2a, 2b2a, 2b
- Arbeitsfluidkreislaufworking fluid circuit
- 3a, 3b3a, 3b
- Fördervorrichtungconveyor device
- 44
- Hochtemperatur-Wärmeübertragerhigh-temperature heat exchangers
- 5a, 5b5a, 5b
- Expansionsvorrichtungexpansion device
- 66
- Niedertemperatur-Wärmeübertragerlow-temperature heat exchangers
- 77
- kreislaufinterner Wärmeübertragerin-circuit heat exchanger
- 7a7a
- erster Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragersfirst flow path of the internal heat exchanger
- 7b7b
- zweiter Strömungspfad des kreislaufinternen Wärmeübertragerssecond flow path of the internal heat exchanger
- THTH
- Hochtemperaturhigh temperature
- TNTN
- Niedertemperaturlow temperature
- A bis FA to F
- Zustand Arbeitsfluidstate of the working fluid
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2022 056 817 A [0008]US 2022 056 817 A [0008]
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-
2023
- 2023-05-26 DE DE102023113884.7A patent/DE102023113884A1/en active Pending
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