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WO2013110375A2 - Vorrichtung und verfahren zum erzeugen elektrischer energie - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum erzeugen elektrischer energie Download PDF

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Publication number
WO2013110375A2
WO2013110375A2 PCT/EP2012/073798 EP2012073798W WO2013110375A2 WO 2013110375 A2 WO2013110375 A2 WO 2013110375A2 EP 2012073798 W EP2012073798 W EP 2012073798W WO 2013110375 A2 WO2013110375 A2 WO 2013110375A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchanger
heat
process medium
cooled
turbine
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/073798
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English (en)
French (fr)
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WO2013110375A3 (de
Inventor
Vladimir Danov
Jochen SCHÄFER
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2013110375A2 publication Critical patent/WO2013110375A2/de
Publication of WO2013110375A3 publication Critical patent/WO2013110375A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased 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
    • F01K25/10—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 the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/05—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly characterised by the type or source of heat, e.g. using nuclear or solar energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10—Closed cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device for generating electrical energy from a heat source according to the preamble of patent claim 1 and to a method for recovering mechanical energy from a heat source according to the preamble of patent claim 7.
  • Boiling point exhibit.
  • the organic working medium is supplied in an evaporator isobar energy in the form of heat, in particular, the process heat or waste heat upstream machines is used as a heat source application.
  • the resulting saturated steam is then ideally isentropically expanded via a turbine, whereby the desired mechanical work is done.
  • a condenser the working fluid is again completely condensed and returned to the evaporator by means of a compressor, in particular a pump.
  • a disadvantage of this process is that a large number of working materials used, such as butane or pentane, are flammable. Fluorinated and / or chlorinated hydrocarbons are also used as an alternative to the abovementioned combustible hydrocarbons, but because of their ozone-damaging and greenhouse-active effect, they are often of environmental concern.
  • An alternative to this is the use of carbon dioxide as a working medium in the context of an organic Rankine cycle. C0 2 has the advantage that it is non-flammable and non-toxic. However, a problem in the use of carbon dioxide is its relatively low critical point of 31 ° C.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a device according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 7, which allow a particularly versatile use of an organic Rankine cycle on carbon dioxide.
  • Such a device for generating electrical energy from a heat source comprises a first heat exchanger in which a process medium, in particular C0 2 , can be heated in the device by means of the heat source.
  • the heated process medium can be supplied as a result of a turbine, in which the absorbed heat energy is finally converted into electrical energy by relaxation of the process medium in mechanical energy and by coupling with a generator.
  • the process medium is cooled to a predetermined temperature by means of a second heat exchanger whose output is coupled via a compressor with an input of the first heat exchange, so as to close the circuit.
  • the second heat exchanger is air-cooled.
  • the air cooling allows the use of the device even under conditions in which insufficient fresh water for liquid cooling is available and is at the same time to make aparativ particularly simple, so that such a device is particularly inexpensive and easy to manufacture and in operation.
  • the third heat exchanger can be cooled by means of an absorption and / or adsorption refrigeration machine.
  • a refrigerator may conveniently use the heat source of the device itself as an energy source.
  • the hot time of the absorption and / or adsorption chiller is thermally coupled thereto, so that only minimal amounts of external energy, for example in the form of electricity, must be supplied.
  • the absorption refrigeration system itself can be recooled by means of air.
  • a pump or a compressor coupled to the turbine may also be used, the latter being particularly suitable when the device is to be operated without a phase transition in the manner of a Brayton cycle.
  • the second heat exchanger can also be coupled to the heat source of the device, so that the cooling air of the air-cooled second heat exchanger is preheated so far that a liquefaction of the carbon dioxide can be avoided.
  • the invention further relates to a method for recovering mechanical energy from a heat source, in particular from a waste heat stream of a plant, in which a process medium, in particular C0 2 , heated by a first heat exchanger through the heat source and passed to obtain the mechanical energy through a turbine , After passage through the turbine, the process medium is cooled by a second heat exchanger, then compressed and then returned to the first heat exchanger.
  • the second heat exchanger is air-cooled.
  • the process medium can be further cooled by means of a third heat exchanger in order to ensure that, for example when using CO 2 as the process medium, the critical point is undershot and the process medium is liquefied.
  • This third heat exchanger is preferably cooled by means of an absorption and / or Adsorptionskarltemaschine whose hot side is coupled to the heat source, so as to achieve the desired cooling effect with minimal To provide supply of external electrical power.
  • Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus for
  • Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of an apparatus according to the invention for carrying out a C0 2 -based organic Rankine cycle and. Residual heat utilization by means of a Brayton cycle according to the prior art a schematic representation of amittedsbe game of a device according to the invention for carrying out a Brayton cycle without phase transition.
  • a device 10 for residual heat utilization comprises, as shown in FIG. 1, a first heat exchanger 12, to which a hot medium is supplied via a line 14.
  • the line 14 may be, for example, an exhaust pipe of a combined heat and power plant or the like.
  • an organic process medium for example C0 2
  • a turbine 18 in which the process medium can relax and thereby perform mechanical work, which in turn is utilized to drive a generator 20.
  • a further heat exchanger 24 is fed into the process medium via a line 22, in which it is cooled again.
  • the process medium is conveyed by a pump 26 via a line 28 back to the first heat exchanger 12.
  • the device 10 is operated in the manner of a Rankine cycle, d. H. In the evaporator 12 and in the heat exchanger 24 takes place in each case a phase transition from liquid to gaseous or vice versa.
  • a cooling of the process medium is again achieved via the line 22 and the second heat exchanger 24, which in the sequence by the turbine 18 mechanically coupled compressor 30 is again conveyed to the first heat exchanger 12.
  • the device 10 for performing a Brayton cycle is to ensure that the cooling in the second heat exchanger 24 does not lead below the critical point of the process medium, since a liquefaction is not desirable here yes.
  • hot medium for example an exhaust gas
  • a first heat exchanger 12 in which it heats the process medium of the device 32.
  • the process medium flows from the first heat exchanger 12 via a line 16 to the turbine 18, which in turn drives a generator 20, and then via a line 22 to a second heat exchanger 34.
  • the second heat exchanger 34 is air-cooled the cooling air is supplied through a line 36 and discharged through a line 38 again.
  • the process medium emerging from the second heat exchanger 34 is further cooled in the sequence by a third heat exchanger 40.
  • the third heat exchanger 40 is water-cooled, but the cooling water is guided in a closed circuit, so that no fresh water is needed.
  • From the third heat exchanger 40 exiting fresh water is passed via a line 42 to an absorption refrigeration system 44, which draws its energy from the heat of the medium flowing through the conduit 14.
  • a partial flow of the medium is diverted through a line 46 to the absorption chiller 44.
  • Re-cooling of the absorption chiller 44 is carried out by air supply lines 48 and Heilabstructure Gustaven 50.
  • the cooled in the absorption chiller 44 cooling water is then returned by means of a pump 52 via the line 54 to the third heat exchanger 40.
  • the process medium of the device 32 is reliably cooled below its critical point.
  • the liquefied process medium is then conveyed by means of the pump 26 with line 28 back to the first heat exchanger 12.
  • hot medium 14 is passed through the first heat exchanger 12 to heat the process medium, which is then fed via a line 16 to the turbine 18, which drives the generator 20.
  • the process medium flows to the air-cooled heat exchanger 34, in which it is cooled and then guided around compressor 28 coupled to the turbine 18 via line 28 back to the first heat exchanger 12.
  • the second heat exchanger 34 When performing a Brayton cycle just should not take place phase transition. It should therefore be noted that in the second heat exchanger 34 no cooling may take place below the critical point of the process medium. For particularly low outside temperatures, it is therefore expedient to preheat the second heat exchanger 34 via the line 36 supplied cooling air. For this purpose, a part of the medium from the line 14th branched off via a line 56 and passed through a further heat exchanger 58, which preheats the cooling air for the second heat exchanger 34. Through a conduit 60, the medium can then be either returned to the first heat exchanger 12 or discharged into the environment. By suitable control, the amount of medium supplied in the heat exchanger 58, depending on the medium temperature and the temperature of the ambient air, the temperature of the process medium after passing through the second heat exchanger 34 can be set exactly, so that falls below the critical point is reliably avoided ,

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Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmquelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Bei vielen Verfahren der Energiegewinnung, beispielsweise der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung, der Solarthermie oder dergleichen, steht nur ein sehr geringer ausnutzbarer Temperaturgradient zur Verfügung. Die Verwendung üblicher Kreis- prozesse auf Wasserdampfbasis ist bei derartigen Wärmequellen daher äußerst ineffizient. Eine alternative hierzu stellt der sogenannte organische Rankine-Zyklus (Organic Rankine Cycle ORC) dar. Auch derartige Systeme funktionieren nach dem Prinzip eines Dampfkreislaufs , wobei anstelle von Wasser organi- sehe Medien verwendet werden, die einen deutlich tieferen
Siedepunkt aufweisen. Das organische Arbeitsmedium wird dabei in einem Verdampfer isobar Energie in Form von Wärme zugeführt, wobei insbesondere die Prozesswärme oder Abwärme vorgeschalteter Maschinen als Wärmequelle Anwendung findet. Der entstehende Sattdampf wird in der Folge idealerweise isentrop über eine Turbine entspannt, wobei die gewünschte mechanische Arbeit geleistet wird. In einem Kondensator wird das Arbeitsmittel wieder vollständig kondensiert und mittels eines Verdichters, insbesondere einer Pumpe, wieder zum Verdampfer rückgeführt.
Nachteilig bei diesem Prozess ist, dass eine Vielzahl der verwendeten Arbeitsmittel, wie beispielsweise Butan oder Pen- tan brennbar sind. Alternativ zu den genannten brennbaren Kohlenwasserstoffen finden auch fluorierte und/oder chlorierte Kohlenwasserstoffe Anwendung, die aufgrund ihrer ozonschädigenden und treibhausaktiven Wirkung jedoch oftmals ökologisch bedenklich sind. Eine Alternative hierzu ist die Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsmedium im Rahmen eines organischen Rankine-Zyklus . C02 hat den Vorteil, dass es nicht brennbar und nicht toxisch ist. Ein Problem in der Verwendung von Kohlendioxid liegt jedoch in dessen relativ niedrigem kritischen Punkt von 31 °C. Um einen zweiphasigen Zyklus gewährleisten zu können, muss daher sichergestellt werden, dass die Rückkühlung das Kohlendioxid zuverlässig auf eine Temperatur von weniger als 31 °C bringt. Üblicherweise kann dies durch Wasserkühlung bewerkstelligt werden, was jedoch die Anwendbarkeit des Kreisprozesses in vielen Anwendungsfällen einschränkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7 bereitzustellen, welche einen besonders vielseitigen Einsatz eines organischen Rankine-Zyklus auf Kohlendioxidbasis ermöglichen .
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Eine derartige Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus der Abwärme einer Anlage, umfasst einen ersten Wärmetauscher, in welchem ein Prozessmedium, insbesondere C02, in der Vorrichtung mittels der Wärmequelle erwärmbar ist. Das erwärmte Prozessmedium ist in der Folge einer Turbine zuführbar, in welcher die aufgenommene Wärmeenergie durch Entspannung des Prozessmediums in mechanische Energie- und durch Kopplung mit einem Generator schließlich in elektrische Energie umwandelbar ist. Nach Passage durch die Turbine ist das Prozessmedium mittels eines zweiten Wärmetauschers, dessen Ausgang über einen Verdichter mit einem Eingang des ersten Wärmetausches gekoppelt ist, um so den Kreislauf zu schließen, auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher luftgekühlt ist. Die Luftkühlung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung auch unter Bedingungen, in denen nicht hinreichendes Frischwasser zur Flüssigkühlung zur Verfügung steht und ist gleichzeitig aparativ besonders einfach zu gestalten, sodass eine derartige Vorrichtung besonders kostengünstig und einfach in der Herstellung und im Betrieb ist.
Soll eine derartige Vorrichtung unter Bedingungen betrieben werden, unter welchen eine hinreichende Abkühlung des Prozessmediums durch ausschließliche Luftkühlung nicht möglich ist, so ist es möglich, den Ausgang des zweiten Wärmetauschers über einen dritten Wärmetauscher mit dem Verdichter zu koppeln, um so eine stärkere Kühlung zu erreichen. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Vorrichtung nach Art eines zweiphasigen organischen Rankine-Zyklus betrieben werden soll. Wird als Prozessmedium hierbei C02 verwendet, so muss sichergestellt werden, dass das Prozessmedium nach Austritt aus der Turbine unter den kritischen Punkt, also unter 31 °C, abgekühlt wird. Dies kann durch den dritten Wärmetauscher zuverlässig sichergestellt werden.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn der dritte Wärmetauscher mittels einer Absorption- und/oder Adsorptionskältema- schine kühlbar ist. Eine derartige Kältemaschine kann zweckmäßigerweise die Wärmequelle der Vorrichtung selbst als Energiequelle nutzen. Hierzu wird die Heißzeit der Absorptionsund/oder Adsorptionskältemaschine thermisch mit dieser gekoppelt, so dass nur minimale Mengen an externer Energie, bei- spielsweise in Form von Elektrizität, zugeführt werden müssen. Die Absorptionskälteanlage selbst kann mittels Luft rückgekühlt werden.
Zum Verdichten des Prozessmediums kann ferner eine Pumpe oder ein mit der Turbine gekoppelter Kompressor verwendet werden, wobei sich letzteres insbesondere dann anbietet, wenn die Vorrichtung ohne Phasenübergang nach Art eines Brayton-Zyklus betrieben werden soll. Im letzteren Fall muss sichergestellt werden, das die Abkühlung des Prozessmediums nach Turbinenaustritt auf eine Temperatur oberhalb des kritischen Punktes von C02 erfolgt, um eine Verflüssigung zu vermeiden. Hierzu kann der zweite Wärmetauscher ebenfalls mit der Wärmequelle der Vorrichtung gekoppelt werden, so dass die Kühlluft des luftgekühlten zweiten Wärmetauschers soweit vorgewärmt wird, dass eine Verflüssigung des Kohlendioxids vermieden werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus einem Abwärmstrom einer Anlage, bei welchem ein Prozessmedium, insbesondere C02, mittels eines ersten Wärmetauschers durch die Wärmequelle erhitzt und zur Gewinnung der mechanischen Energie durch eine Turbine geleitet wird. Nach Passage durch die Turbine wird das Prozessmedium durch einen zweiten Wärmetauscher abgekühlt, anschließend verdichtet und dann zum ersten Wärmetauscher zurückgeführt. Erfindungsgemäß ist hier- bei vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher luftgekühlt ist. Wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, ist so auf besonders einfache und kostengünstige Weise die Energiegewinnung aus Abwärmeströmen oder anderen Wärmequellen, die nur einen geringen thermischen Gradienten zur Verfügung stellen, möglich, auch wenn keine hinreichenden Mengen von Frischwasser zur Wasserkühlung zur Verfügung stehen .
Wie bereits erläutert kann das Prozessmedium nach Austritt aus dem zweiten Wärmetauschers mittels eines dritten Wärmetauschers weiter abgekühlt werden, um sicherzustellen, dass, beispielsweise bei der Verwendung von C02 als Prozessmedium, der kritische Punkt unterschritten und das Prozessmedium verflüssigt wird. Dieser dritte Wärmetauscher wird dabei vor- zugsweise mittels einer Absorptions- und/oder Adsorptionskältemaschine gekühlt, deren Heißseite mit der Wärmequelle gekoppelt ist, um so den gewünschten Kühleffekt mit minimaler Zufuhr von externer elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen .
Im Rahmen des geschilderten Verfahrens ist es sowohl möglich, das Prozessmedium gemäß einem Brayton- oder gemäß einem Ran- kine-Zyklus zu führen. Beim Brayton-Zyklus , bei welchem kein Phasenübergang stattfindet, muss dabei sichergestellt werden, das die Abkühlung nicht unter den kritischen Punkt des Prozessmediums führt, da in diesem Fall ja eine Verflüssigung vermieden werden muss. Dies ist durch eine Vorwärmung der Kühlluft des zweiten Wärmetauschers mittels der Wärmequelle auf eine vorgegebene Temperatur möglich, wobei diese Vorwärmung gegebenenfalls auch nur optional durchgeführt werden kann, beispielsweise wenn die Umgebungstemperaturen besonders tief liegen und daher eine Verflüssigung des Mediums droht.
Wird das Verfahren dagegen nach Art eines Rankine-Zyklus durchgeführt, so ist ein Phasenübergang nach der Turbinenpassage erwünscht, sodass hier die Abkühlung unterhalb den kri- tischen Punkt führen muss. Hier ist die bereits geschilderte Verwendung von Absorptions- und/oder Adsorptionskältemaschinen zweckmäßig.
Im Folgenden wird die Erfindung mit ihrer Ausführungsbeispie- len anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Restwärmenutzung auf Basis eines organischen Rankine-Zyklus nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Restwärmenutzung mittels eines Brayton-Zyklus nach dem Stand der Technik, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines C02-basierten organischen Rankine-Zyklus und eine schematische Darstellung eines Ausführungsbe spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ohne Phasenüber gang .
Eine Vorrichtung 10 zur Restwärmenutzung nach dem Stand der Technik umfasst, wie in Figur 1 gezeigt, einen ersten Wärmetauscher 12, dem ein heißes Medium über eine Leitung 14 zuge- führt wird. Die Leitung 14 kann beispielsweise eine Abgaslei- tung eines Blockheizkraftwerks oder dergleichen sein. Im Wärmetauscher 12 wird durch die Wärme des Mediums in der Leitung 14 ein organisches Prozessmedium, beispielsweise C02, erwärmt und durch eine weitere Leitung 16 einer Turbine 18 zugeführt, in welcher sich das Prozessmedium entspannen kann und hierdurch mechanische Arbeit leistet, die wiederum genutzt wird um einen Generator 20 anzutreiben.
Nach Passage durch die in Turbine 18 wird in das Prozessmedi- um über eine Leitung 22 einen weiteren Wärmetauscher 24 zugeführt, in welchen es wieder abgekühlt wird. Nach Austritt aus dem weiteren Wärmetauscher 24 wird das Prozessmedium durch eine Pumpe 26 über eine Leitung 28 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert. Die Vorrichtung 10 wird dabei nach Art eines Rankine-Zyklus betrieben, d. h. im Verdampfer 12 sowie im Wärmetauscher 24 findet jeweils ein Phasenübergang von flüssig nach gasförmig bzw. umgekehrt statt.
Soll als Prozessmedium das besonders einfach zu handhabende und umweltfreundlich zu verwendende Kohlendioxid verwendet werden, so muss sichergestellt werden, das im zweiten Wärmetauscher 24 eine Abkühlung bis zu einer Temperatur unterhalb des kritischen Punktes vom Kohlendioxid, also 31 °C, stattfindet, sodass die gewünschte Verflüssigung erfolgt. Dies wird bei Vorrichtungen 10 nach dem Stand der Technik durch aufwendige Wasserkühlung erzielt. Alternativ hierzu kann eine derartige Vorrichtung 10, wie in Figur 2 gezeigt, auch ohne Phasenübergang nach Art eines Brayton-Zyklus verwendet werden. Auch hier wird einem ersten Wärmetauscher bzw. Verdampfer 12 über eine Leitung 14 ein heißes Medium zugeführt, welches wiederum das Prozessmedium der Vorrichtung 10 erwärmt. Über die Leitung 16 strömt auch hier das Prozessmedium zur Turbine 18 und treibt damit den Generator 20. Nach Austritt aus der Turbine wird über die Leitung 22 und den zweiten Wärmetauscher 24 wieder eine Ab- kühlung des Prozessmediums erreicht, welches in der Folge durch einen mit der Turbine 18 mechanisch gekoppelten Verdichter 30 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert wird. Bei der Verwendung der Vorrichtung 10 zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ist dabei sicherzustellen, das die Abkühlung im zweiten Wärmetauscher 24 nicht unter den kritischen Punkt des Prozessmediums führt, da eine Verflüssigung hier ja nicht erwünscht ist.
Eine verbesserte Temperaturkontrolle und damit eine einfache- re Durchführung des Verfahrens ist mit den in FIG 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen 32 möglich. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird in der in FIG 3 gezeigten Vorrichtung 32 zur Durchführung eines Rankine-Zyklus heißes Medium, beispielsweise ein Abgas über eine Leitung 14 zu einem ersten Wärmetauscher 12 geführt, in welcher es das Prozessmedium der Vorrichtung 32 erhitzt. Auch hier strömt das Prozessmedium vom ersten Wärmetauscher 12 über eine Leitung 16 zur Turbine 18, die wiederum einen Generator 20 treibt, und anschließend über eine Leitung 22 zu einen zweiten Wärmetauscher 34. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der zweite Wärmetauscher 34 luftgekühlt, wobei die Kühlluft durch eine Leitung 36 zugeführt und durch eine Leitung 38 wieder abgeführt wird. Das aus dem zweiten Wärmetauscher 34 austretende Prozessmedium wird in der Folge durch einen dritten Wärmetauscher 40 weiter abgekühlt. Der dritte Wärmetauscher 40 ist wassergekühlt, das Kühlwasser wird jedoch in einem geschlossenen Kreislauf geführt, so dass kein Frischwasser benötigt wird. Aus dem dritten Wärmetauscher 40 austretendes Frischwasser wird über eine Leitung 42 zu einer Absorptionskälteanlage 44 geführt, welche ihre Energie aus der Wärme des durch die Leitung 14 strömenden Mediums bezieht. Hierzu wird ein Teilstrom des Mediums durch eine Lei- tung 46 zur Absorptionskältemaschine 44 abgezweigt. Eine Rückkühlung der Absorptionskältemaschine 44 erfolgt durch Luftzufuhrleitungen 48 und Luftabführleitungen 50. Das in der Absorptionskältemaschine 44 abgekühlte Kühlwasser wird dann mittels einer Pumpe 52 über die Leitung 54 zum dritten Wärme- tauscher 40 zurückgeführt.
Durch die Verwendung des dritten Wärmetauschers 40 kann sichergestellt werden, dass auch bei hohen Außentemperaturen das Prozessmedium der Vorrichtung 32 zuverlässig unter seinen kritischen Punkt gekühlt wird. Das derart verflüssigte Prozessmedium wird dann mittels der Pumpe 26 mit Leitung 28 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert.
FIG 4 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsform der er- findungsgemäßen Vorrichtung 32, die zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ohne Phasenübergang geeignet ist. Auch hier wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt, heißes Medium 14 durch den ersten Wärmetauscher 12 geleitet, um das Prozessmedium zu erwärmen, welches anschließend über eine Leitung 16 zur Turbine 18 geführt wird, die den Generator 20 treibt.
Über die Leitung 22 strömt das Prozessmedium zum luftgekühlten Wärmetauscher 34, in welchen es abgekühlt wird und anschließend um mit der Turbine 18 gekoppelten Verdichter 30 über die Leitung 28 zurück zum ersten Wärmetauscher 12 ge- führt wird.
Bei der Durchführung eines Brayton-Zyklus soll gerade kein Phasenübergang stattfinden. Es ist daher zu beachten, dass im zweiten Wärmetauscher 34 keine Abkühlung unter den kritischen Punkt des Prozessmediums erfolgen darf. Bei besonders tiefen Außentemperaturen ist es daher zweckmäßig, die dem zweiten Wärmetauscher 34 über die Leitung 36 zugeführte Kühlluft vorzuwärmen. Hierzu wird ein Teil des Mediums aus der Leitung 14 über eine Leitung 56 abgezweigt und durch einen weiteren Wärmetauscher 58 geleitet, welcher die Kühlluft für den zweiten Wärmetauscher 34 vorwärmt. Durch eine Leitung 60 kann das Medium dann entweder zum ersten Wärmetauscher 12 zurückgeführt oder in die Umwelt entlassen werden. Durch geeignete Steuerung die in dem Wärmetauscher 58 zugeführte Menge an Medium kann in Abhängigkeit von der Medientemperatur und der Temperatur der Umgebungsluft die Temperatur des Prozessmediums nach Durchtritt durch den zweiten Wärmetauscher 34 exakt ein- gestellt werden, so dass ein unterschreiten des kritischen Punktes zuverlässig vermieden wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (32) zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus der Abwärme einer Anlage, mit einem ersten Wärmetauscher (12), in welchem ein Prozessmedium, insbesondere C02, der Vorrichtung mittels der Wärmequelle erwärmbar ist, wobei das erwärmte Prozessmedium einer Turbine (18) zuführbar und nach Passage durch die Turbine (18) mittels eines zweiten Wärmetauschers, dessen Ausgang über einen Verdichter mit einem Eingang des ersten Wärmetauschers (12) gekoppelt ist, auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (34) luftgekühlt ist.
2. Vorrichtung (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des zweiten Wärmetauschers (34) über einen dritten Wärmetauscher (40) mit dem Verdichter (26, 30) gekoppelt ist.
3. Vorrichtung (32) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (40) mittels einer Adsorptionsund/oder Absorptionskältemaschine (44) kühlbar ist.
4. Vorrichtung (32) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heißseite der Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (44) mit der Wärmequelle thermisch gekoppelt ist.
5. Vorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (16, 30) eine Pumpe (26) oder ein mit der Turbine (18) gekoppelter Kompressor (30) ist .
6. Vorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft des ersten Wärme- tauschers (12) mittels der Wärmequelle auf einen vorgegebenen Wert vorwärmbar ist.
7. Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus einem Abwärmestrom einer Anlage, bei welchem ein Prozessmedium, insbesondere C02, mittels eines ersten Wärmetauschers (12) durch die Wärmequelle erhitzt und zur Gewinnung der mechanischen Energie durch eine Turbine (18) geleitet wird, wobei nach Passage durch die Turbine (18) das Prozessmedium durch einen zweiten Wärmetauscher (34) abgekühlt, anschließend verdichtet und zum ersten Wärmetauscher (12) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet dass der zweite Wärmetauscher (34) luftgekühlt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium nach Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (34) mittels eines dritten Wärmetauschers (40) weiter abge- kühlt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (40) mittels einer Absorptionsund/oder Adsorptionskältemaschine (44) gekühlt wird, deren Heißseite mit der Wärmequelle gekoppelt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium gemäß einem Brayton- oder Rankine-Zyklus geführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft des zweiten Wärmetauschers (34) mittels der Wärmequelle auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt wird.
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