DE102012100645A1

DE102012100645A1 - ORC - Organischer Rankine Zyklus

Info

Publication number: DE102012100645A1
Application number: DE201210100645
Authority: DE
Inventors: John Omoruyi; Monika Semmler
Original assignee: Energy Intelligence Lab GmbH
Current assignee: Saxess Holding De GmbH
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: DE102012100645B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen eines ORC-Prozesses, umfassend einen ersten Kreislauf (16), in welchem ein erstes Prozessfluid (18) geführt wird, mit einem Verdampfer (14) zum Verdampfen des ersten Prozessfluids (18), einer stromabwärts des Verdampfers (14) angeordnete Entspannungsmaschine (22) zum Entspannen des verdampften ersten Prozessfluids (18), wobei die Entspannungsmaschine (22) mit einem Generator (26) zum Erzeugen von elektrischer Energie verbindbar ist, einem stromabwärts der Entspannungsmaschine (22) angeordneten ersten Kondensator (28) zum Kondensieren des entspannten ersten Prozessfluids (18), und einer stromabwärts des ersten Kondensators (28) angeordneten ersten Fluidenergiemaschine (34) zum Erhöhen des Drucks des kondensierten ersten Prozessfluids (18) und zum Fördern des ersten Prozessfluids (18) zum Verdampfer (14), der stromabwärts der ersten Fluidenergiemaschine (34) angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen eines ORC-Prozesses, umfassend einen ersten Kreislauf, in welchem ein erstes Prozessfluid geführt wird, mit einem Verdampfer zum Verdampfen des ersten Prozessfluids, einer stromabwärts des Verdampfers angeordnete Entspannungsmaschine zum Entspannen des verdampften ersten Prozessfluids, wobei die Entspannungsmaschine mit einem Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie verbindbar ist, einem stromabwärts der Entspannungsmaschine angeordneten ersten Kondensator zum Kondensieren des entspannten ersten Prozessfluids, und einer stromabwärts des ersten Kondensators angeordneten ersten Fluidenergiemaschine zum Erhöhen des Drucks des kondensierten ersten Prozessfluids und zum Fördern des ersten Prozessfluids zum Verdampfer, der stromabwärts der ersten Fluidenergiemaschine angeordnet ist. Unter Fluidenergiemaschine ist eine Maschine zu verstehen, die mechanische Arbeit mit dem Prozessfluid austauscht.
Derartige ORC-Prozesse sind seit langer Zeit bekannt und kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Entspannungsmaschine ist. Anwendungsgebiete von ORC-Prozessen sind beispielsweise die Abwärme oder Restwärme von Fertigungsprozessen, Industrieanlagen, Schornsteinen, Biogasanlagen, Blockheizkraftwerken oder überall dort, wo Abwärme entsteht, die ein Temperaturniveau von in etwa 80 bis 250°C und höher aufweist. Derartige ORC-Prozesse sind beispielsweise in der DE 10 2009 049 338 offenbart. Mit den Entspannungsmaschinen wird üblicherweise ein Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie angetrieben, die entweder selbst verwendet oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.
Eine großflächige Verbreitung haben die ORC-Prozesse jedoch aufgrund ihres niedrigen elektrischen Wirkungsgrads von unter 10% nicht gefunden, da die zu seiner Durchführung notwendigen Investitionen die erzielbaren Einsparungen oder Gewinne bei weitem überschreiten. Die anfallende Abwärme wird daher in den meisten Fällen ohne Verwendung eines ORC- oder anderen Prozesses an die Umwelt abgegeben, was aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen nicht optimal ist. Insbesondere vor dem Hintergrund eines nachhaltigen Umgangs mit vorhandener Energie besteht an dieser Stelle ein großes Bedürfnis, die in der Abwärme enthaltene Energie bestmöglich zu nutzen. Die bekannten ORC-Prozesse erfüllen diese Anforderung jedoch nur sehr bedingt, da auch vor dem Hintergrund des nachhaltigen Umgangs mit vorhandener Wärme der oben erwähnte niedrige Wirkungsgrad ein zu großer Nachteil ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass ihr Wirkungsgrad in einem Umfang erhöht wird, der es ermöglicht, die in der vorhandenen Abwärme enthaltene Energie wirtschaftlicher zu nutzen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die eingangs genannte Vorrichtung weiterhin einen zweiten Kreislauf aufweist, in welchem ein zweites Prozessfluid durch den ersten Kondensator geführt und dort erwärmt wird, wobei der zweite Kreislauf eine stromabwärts des ersten Kondensators angeordnete zweite Fluidenergiemaschine zum Verdichten des erwärmten zweiten Prozessfluids, einen stromabwärts der zweiten Fluidenergiemaschine angeordneten Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme vom verdichteten zweiten Prozessfluid auf das erste Prozessfluid, wobei der Wärmetauscher vom ersten Prozessfluid durchströmbar ist, und eine stromabwärts vom zweiten Kondensator angeordnete Drossel zum Drosseln des kondensierten zweiten Prozessfluids umfasst. Bei bislang aus dem Stand der Technik bekannten ORC-Prozessen wird dem entspannten ersten Prozessfluid zum Kondensieren dadurch Wärme entzogen, dass gegen die Umgebung gekühlt wird, beispielsweise unter Verwendung von Kühltürmen, die jedoch selbst Energie verbrauchen. Darüber hinaus ergeben sich insbesondere dann erhebliche negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad, wenn die Umgebungstemperaturen noch relativ hoch sind, beispielsweise in äquatornahen Regionen, da die Umgebungstemperaturen das untere Temperaturniveau und somit die nutzbare Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke festlegen. Ferner geht die Abwärme verloren, ohne dass die darin enthaltene Energie genutzt wird.
Die im ersten Kondensator stattfindende Wärmeübertragung sorgt folglich dafür, dass das erste Prozessfluid kondensiert und das zweite Prozessfluid erwärmt wird. Das zweite Prozessfluid wird innerhalb des zweiten Kreislaufes zum Wärmetauscher gefördert, der vom ersten Prozessfluid durchströmt wird. An dieser Stelle wird dem zweiten Prozessfluid Wärme entzogen, die zur Erwärmung des ersten Prozessfluids verwendet wird. Um die Wärmeübertragung zu ermöglichen, muss das zweite Prozessfluid mindestens auf den Druck, unter dem das erste Prozessfluids im Wärmetauscher steht, verdichtet werden, wozu die zweite Fluidenergiemaschine dient.
Die Vorrichtung wird dadurch fortgebildet, dass das zweite Prozessfluid im ersten Kondensator verdampft wird und der Wärmetauscher als zweiter Kondensator zum Kondensieren des verdampften zweiten Prozessfluids ausgebildet ist. In diesem Fall wird im zweiten Kreislauf mit dem zweiten Prozessfluid ein thermischer Prozess durchgeführt, der zu Änderungen des Aggregatszustands des zweiten Prozessfluids führt. Die bei den Änderungen des Aggregatszustands auftretenden thermodynamischen Effekte führen zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrads des ORC-Prozesses im Vergleich zu einem reinen Wärmetausch zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessfluid ohne Änderung des Aggregatszustands.
Erfindungsgemäß wird die Wärme, die bei der Kondensation des ersten Prozessfluids diesem entzogen wird, nicht einfach an die Umwelt abgegeben, sondern für die Erwärmung des ersten Prozessfluids an einer geeigneten Stelle des ersten Kreislaufs verwendet. Die Wärmemenge, die zum Verdampfen des ersten Prozessfluids benötigt wird, sinkt hierdurch. Infolgedessen steigt der Wirkungsgrad des gesamten ORC-Prozesses. Darüber hinaus kann auch Abwärme genutzt werden, die ein Temperaturniveau hat, das nur in einem Umfang über dem Temperaturniveau der Umgebung liegt, der bislang nicht zur sinnvollen Anwendung eines thermischen Prozesses ausgereicht hat. Auf Kühltürme kann verzichtet werden, weiterhin kann das zweite Prozessfluid so gewählt werden, dass der ORC-Prozess trotz hoher Umgebungstemperaturen sinnvoll betrieben werden kann.
Die Vorrichtung wird dadurch weitergebildet, dass der zweite Kondensator im ersten Kreislauf stromaufwärts vom Verdampfer angeordnet ist. Die Wärme, die beim Kondensieren des zweiten Prozessfluids im zweiten Kondensator frei wird, lässt sich an dieser Stelle des ersten Kreislaufs besonders gut nutzen, so dass sich der Wirkungsgrad des gesamten ORC-Prozesses besonders weitreichend steigern lässt.
Vorzugsweise ist die Entspannungsmaschine als eine Turbine ausgebildet. Turbinen sind das Mittel der Wahl zum Entspannen von dampfförmigen Prozessfluiden, so dass auf eine große Erfahrung zurückgegriffen werden kann, um den Entspannungsvorgang so effizient wie möglich zu gestalten. Insbesondere sind Turbinen verfügbar, die mit wenig Aufwand auf die Besonderheiten des ORC-Prozesses angepasst werden können.
Es ist von Vorteil, wenn die erste Fluidenergiemaschine als eine Pumpe ausgebildet ist. Bei der Kondensation des ersten Prozessfluid wird ein Maximum an Wärme dem ersten Prozessfluid dann entzogen, wenn die Kondensation vollständig erfolgt. Das erste Prozessfluid liegt dann vorzugsweise vollständig in flüssiger Form vor, welches in diesem Zustand mittels einer Pumpe am besten gefördert werden kann. Pumpen sind weit verbreitete Fluidenergiemaschinen, so dass auch hier eine große Auswahl von verschiedenen Pumpen zur Verfügung steht, die für den gegebenen Anwendungsfall bestmöglich angepasst und effizient sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird dadurch weitergebildet, dass die zweite Fluidenergiemaschine als ein Verdichter ausgebildet ist. Verdichter oder Kompressoren sind darauf ausgelegt, dampf- oder gasförmige Prozessfluide zu verdichten, so dass sie an dieser Stelle das verdampfte Prozessfluid aus energetischer Sicht bestmöglich verdichten können. Der Wirkungsgrad des gesamten ORC-Prozesses wird durch die Verwendung des Verdichters nur in geringem Umfang verringert, da die hierzu notwendige mechanische Arbeit im Vergleich zu anderen Fluidenergiemaschinen geringer ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch einen oder mehrere weitere Kreisläufe weitergebildet, in welchen jeweils ein weiteres Prozessfluid geführt wird, welches oder welche durch einen oder mehrere erste Wärmetauscher, die vom ersten Prozessfluid durchströmbar sind, erwärmt werden. Dabei umfassen der oder die weiteren Kreisläufe jeweils eine stromabwärts des ersten Wärmetauschers angeordneten weitere Fluidenergiemaschine zum Verdichten des oder der erwärmten weiteren Prozessfluide, jeweils einen stromabwärts der weiteren Fluidenergiemaschine angeordneten zweiten Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme von der oder den verdichteten weiteren Prozessfluiden auf das erste Prozessfluid, wobei der zweite Wärmetauscher vom ersten Prozessfluid durchströmbar ist, und jeweils eine stromabwärts vom zweiten Wärmetauscher angeordnete weitere Drossel zum Drosseln des oder der weiteren kondensierten Prozessfluide. Bei der Kondensation des ersten Prozessfluids im ersten Kondensator kann dem ersten Prozessfluid nur eine bestimmte Wärmemenge entzogen werden. Diese ist unter anderem durch die thermodynamischen Eigenschaften des zweiten Prozessfluids begrenzt. Insofern kann das erste Prozessfluid immer noch eine bestimmte Wärmemenge enthalten, die sich je nach Anwendungsfall noch deutlich über dem Temperaturniveau der Umgebung befinden kann. Diese Wärmemenge kann dadurch genutzt werden, dass das dritte Prozessfluid verdampft wird, wobei die dabei auf das Prozessfluid übertragene Wärme an einer geeigneten Stelle dem ersten Prozessfluid wieder zugeführt wird. Zu beachten hierbei ist, dass das Prozessfluid, welches die Wärme abgibt, mindestens unter dem gleichen Druck steht wie das aufnehmende Prozessfluid. Als unmittelbare Folge davon muss die weitere Fluidenergiemaschine das dritte Prozessfluid vor dem Eintritt in den zweiten Wärmetauscher auf mindestens den Druck verdichten, unter welchem das erste Prozessfluid im zweiten Wärmetauscher steht. Infolgedessen lässt sich der Wirkungsgrad des ORC-Prozesses weiter steigern.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der oder die ersten Wärmetauscher stromabwärts vom ersten Kondensator angeordnet. Es hat sich herausgestellt, dass sich der Wirkungsgrad des gesamten ORC-Prozesses durch diese Anordnung in besonderem Maße steigern lässt.
Ferner sind der erste Wärmetauscher als dritter Kondensator und der zweite Wärmetauscher als vierter Kondensator ausgebildet, wobei das weitere Prozessfluid im dritten Kondensator verdampft und im vierten Kondensator kondenalert wird. Wie bereits erwähnt, kann dem ersten Prozessfluid im ersten Kondensator nur eine bestimmte Wärmemenge entzogen werden. Es kann somit vorkommen, dass das erste Prozessfluid nach Verlassen des ersten Kondensators noch nicht vollständig kondensiert ist. Zur vollständigen Kondensation wird der dritte Kondensator verwendet, mit welchem dem ersten Prozessfluid weitere Wärme entzogen wird. Hieraus resultiert der Vorteil, dass anschließend das erste Prozessfluid vollständig in flüssiger Form vorliegt, so dass die Förderung mittels der Pumpe unproblematisch ist und keine unkontrollierten Kondensationsvorgänge innerhalb der Pumpe oder den entsprechenden Leitungen stattfinden, ohne die dabei frei werdende Wärme zu nutzen. Weiterhin wird das weitere Prozessfluid im dritten Kondensator verdampft und im vierten Kondensator wieder kondensiert, wobei es Wärme an das erste Prozessfluid abgibt.
Es ist bevorzugt, wenn das erste, zweite oder das oder die weiteren Prozessfluide Öle oder organische Prozessfluide, insbesondere Kältemittel, oder Mischungen hieraus sind. Die Prozessfluide der hier genannten Art zeichnen sich durch Verdampfungstemperaturen aus, die unterhalb der von Wasser liegen, so dass sie insbesondere für den Einsatz in Prozessen geeignet sind, bei denen Abwärme genutzt werden soll, deren Temperaturniveau in der Nähe der Verdampfungstemperatur von Wasser oder darunter liegt. Die verwendeten Prozessfluide müssen aus thermodynamischer und physikalischer Sicht aufeinander abgestimmt sein, um den ORC-Prozess energetisch möglichst günstig betreiben zu können. Die organischen Prozessfluide werden häufig synthetisch hergestellt, so dass sich hieraus die Möglichkeit ergibt, für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall maßgeschneiderte Prozessfluide zu generieren oder zu mischen. Ein in Frage kommendes Kältemittel ist R-245fa.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines ORC-Prozesses, umfassend folgende Schritte:

– Führen eines ersten Prozessfluids in einem ersten Kreislauf,
– Verdampfen des ersten Prozessfluids mittels eines Verdampfers,
– Entspannen des verdampften ersten Prozessfluids mittels einer stromabwärts des Verdampfers angeordneten Entspannungsmaschine,
– Kondensieren des entspannten ersten Prozessfluids mit einem stromabwärts der Entspannungsmaschine angeordneten ersten Kondensator,
– Erhöhen des Drucks des kondensierten ersten Prozessfluids und Fördern des ersten Prozessfluids zum Verdampfer mit einer stromabwärts des ersten Kondensators angeordneten ersten Fluidenergiemaschine, die stromabwärts der ersten Fluidenergiemaschine angeordnet ist,
– Führen eines zweiten Prozessfluids in einem zweiten Kreislauf, in welchem das zweites Prozessfluid durch den ersten Kondensator geführt und im ersten Kondensator erwärmt wird,
– Verdichten des verdampften zweiten Prozessfluids mittels einer stromabwärts des ersten Kondensators angeordneten zweiten Fluidenergiemaschine,
– Übertragen von Wärme vom zweiten Prozessfluid auf das erste Prozessfluid mit einem stromabwärts der zweiten Fluidenergiemaschine angeordneten Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher vom ersten Prozessfluid durchströmt wird, und
– Drosseln des kondensierten zweiten Prozessfluids mit einer stromabwärts vom zweiten Kondensator angeordnete Drossel.

Die angegebene Reihenfolge der Prozessschritte spiegelt die zeitliche Abfolge im erfindungsgemäßen Prozess nicht wieder, da die Prozessschritte gleichzeitig ablaufen.
Die Vorteile und technischen Effekte, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, entsprechen denjenigen, die bereits für die erfindungsgemäße Vorrichtung dargelegt worden sind. Insbesondere soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass die erfindungsgemäße Weise der Durchführung des ORC-Prozesses eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrads zur Folge hat.
In Abwandlung kann das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem der Wärmetauscher als ein zweiter Kondensator ausgebildet ist, auch folgende Schritte aufweisen:

– Führen des zweiten Prozessfluids in einem zweiten Kreislauf, in welchem das zweites Prozessfluid durch den ersten Kondensator geführt und im ersten Kondensator verdampft wird,
– Kondensieren des verdampften zweiten Prozessfluids mit dem stromabwärts der zweiten Fluidenergiemaschine angeordneten zweiten Kondensator, wobei der zweite Kondensator vom ersten Prozessfluid durchströmt wird.

In dieser Ausgestaltung wird bei den jeweiligen Wärmeübertragungen zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessfluid der Aggregatszustand des zweiten Prozessfluids im zweiten Kreislauf geändert, wodurch sich im Vergleich zum reinen Wärmetausch der Wirkungsgrad des ORC-Prozesses aufgrund der bei der Änderung des Aggregatszustands auftretenden thermodynamischen Prozesse erhöht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch folgende Schritte weitergebildet:

– Führen eines oder mehrerer weiterer Prozessfluide in einem oder mehreren weiteren Kreisläufen, wobei das oder die weiteren Prozessfluide mit einem oder mehreren ersten Wärmetauschern, die vom ersten Prozessfluid durchströmt werden, erwärmt werden,
– Verdichten des oder der erwärmten weiteren Prozessfluide mit jeweils einer stromabwärts des ersten Wärmetauschers angeordneten weiteren Fluidenergiemaschine,
– Übertragen von Wärme von der oder den verdichteten weiteren Prozessfluiden auf das erste Prozessfluid mit jeweils einem stromabwärts der weiteren Fluidenergiemaschine angeordneten zweiten Wärmetauscher, wobei der zweite Wärmetauscher vom ersten Prozessfluid durchströmt wird, und
– Drosseln des oder der weiteren kondensierten Prozessfluide mit jeweils einer stromabwärts vom dritten Kondensator angeordneten weiteren Drossel.

Diese Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt ebenfalls eine Erhöhung des Wirkungsgrads.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem der erste Wärmetauscher als ein dritter Kondensator und der zweite Wärmetauscher als ein vierter Kondensator ausgebildet sind, wird durch folgende Schritte fortgebildet:

– Kondensieren oder Abkühlen des ersten Prozessfluids und Verdampfen des oder der weiteren Prozessfluide im dritten Kondensator, und
– Kondensieren des oder der verdichteten weiteren Prozessfluide und Erwärmen des ersten Prozessfluids im vierten Kondensator.

In diesem Fall wird das weitere Prozessfluid so gewählt, dass es von der abgebbaren Wärme, die nach Durchqueren des ersten Kondensators noch im ersten Prozessfluid verbleibt, im dritten Kondensator verdampft wird. Folglich wird im weiteren Kreislauf ein thermischer Prozess mit Änderung des Aggregatszustands des weiteren Prozessfluids durchgeführt, der zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads des OCR-Prozesses führt.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten ORC-Prozesses,
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen ORC-Prozesses, und
3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen ORC-Prozesses.
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter ORC-Prozess anhand einer schematischen Darstellung gezeigt. Eine Wärmequelle 10, beispielsweise eine Industrieanlage, stellt Abwärme bereit, die mittels eines geeigneten Trägermediums 12 einem Verdampfer 14 zugeführt wird. Der Verdampfer 14 ist Teil eines ersten Kreislaufs 16, in welchem ein erstes Prozessfluid 18 geführt wird. Die Förderrichtung des ersten Prozessfluids 18 ist mit den Pfeilen gekennzeichnet. Die Verwendung der Begriffe „stromaufwärts” und „stromabwärts” bezieht sich auf die Förderrichtung der jeweiligen Prozessfluide in den jeweiligen Kreisläufen. Im Verdampfer 14 wird das erste Prozessfluid 18 mittels der von der Wärmequelle 10 gelieferten Wärme verdampft. Der Verdampfer 14 ist über geeignete Leitungen 20 mit einer Entspannungsmaschine 22 verbunden, in der das im Verdampfer 14 verdampfte erste Prozessfluid 18 entspannt wird. Die Entspannungsmaschine 22 ist im dargestellten Beispiel als Turbine 24 ausgeführt und mit einem Generator 26 verbunden, in welchem die von der Turbine 24 erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Nach Durchströmen der Turbine 24 wird das entspannte erste Prozessfluid 18 einem ersten Kondensator 28 zugeführt, in welchem das entspannte erste Prozessfluid 18 kondensiert wird. Hierzu muss dem ersten Prozessfluid 18 Wärme entzogen werden, was dadurch erfolgt, dass der Kondensator von einem Kühlmittel 30 durchströmt wird, welches die Wärme aus dem ersten Kondensator 28 abführt. Das Kühlmittel 30 führt die Wärme einer Wärmesenke 32 zu, die bespielsweise einen Kühlturm umfassen kann. Nach Verlassen des Kondensators wird das kondensierte erste Prozessfluid 18 einer ersten Fluidenergiemaschine 34 zugeführt, die einerseits das erste Prozessfluid 18 im ersten Kreislauf 16 fördert, andererseits jedoch eine Druckerhöhung des ersten Prozessfluids 18 bewirkt. Im dargestellten Beispiel ist die erste Fluidenergiemaschine 34 als Pumpe 36 ausgeführt, die zum Fördern des flüssigen ersten Prozessfluids 18 besonders geeignet ist. Anschließend wird das erste Prozessfluid 18 dem Verdampfer 14 zugeführt, wodurch der erste Kreislauf 16 geschlossen wird.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 38 ₁ zum Durchführen eines ORC-Prozesses gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, die sämtliche Komponenten des ersten Kreislaufs 16, wie in 1 dargestellt, umfasst, mit denen dieselben Prozessschritte ausgeführt werden, wie zu 1 beschrieben. Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 38 einen zweiten Kreislauf 40 auf, in welchem ein zweites Prozessfluid 42 in Richtung der Pfeile geführt wird. Das zweite Prozessfluid 42 durchströmt den ersten Kondensator 28, in welchem es durch die vom ersten Prozessfluid 18 abgegebene Wärme erwärmt oder verdampft wird. Anschließend wird das erwärmte oder verdampfte zweite Prozessfluid 42 einer zweiten Fluidenergiemaschine 44, die im dargestellten Beispiel als Verdichter 46 ausgeführt ist, zugeführt, die einerseits das zweite Prozessfluid 42 im zweiten Kreislauf 40 fördert, andererseits jedoch eine Verdichtung des erwärmten oder verdampften zweiten Prozessfluids 42 bewirkt. Anschließend wird das zweite Prozessfluid 42 einem Wärmetauscher 47 zugeführt, der vom ersten Prozessfluid 18 durchströmt wird. Wird das zweite Prozessfluid 42 im ersten Kondensator 28 verdampft, ist der Wärmetauscher als zweiter Kondensator 48 ausgeführt, in welchem das zweite Prozessfluid 42 kondensiert wird. In beiden Fällen wird die hierbei dem zweiten Prozessfluid 42 entzogene Wärme dem ersten Prozessfluid 18 zugeführt.
Im dargestellten Beispiel ist der zweite Kondensator 48 stromaufwärts vom Verdampfer 14 angeordnet, so dass das erste Prozessfluid 18 vor Eintritt in den Verdampfer 14 im zweiten Kondensator 48 erwärmt wird. Hierdurch wird die zum Verdampfen des ersten Prozessfluid benötigte Wärmemenge entsprechend reduziert, so dass der ORC-Prozess auch mit einer Wärmequelle 10 ausgeführt werden kann, deren Abwärme ein relativ geringes Temperaturniveau aufweist. Nach Verlassen des zweiten Kondensators 48 wird das zweite Prozessfluid 42 einer Drossel 50 zugeführt, wo es gedrosselt und sein Druck verringert wird. Anschließend wird das zweite Prozessfluid 42 dem ersten Kondensator 28 zugeführt, wodurch der zweite Kreislauf 40 geschlossen wird.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 38 ₂ zum Durchführen eines ORC-Prozesses dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 38 ₂ sämtliche Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels 38 ₁ nach 2, weist jedoch zusätzlich noch einen weiteren Kreislauf 52, in diesem Fall einen dritten Kreislauf 52, auf, in welchem ein weiteres Prozessfluid 53, in diesem Fall ein drittes Prozessfluid 53, geführt wird. Der weitere Kreislauf 52 umfasst einen ersten Wärmetauscher 54, der vom ersten Prozessfluid 18 durchströmt wird und im ersten Kreislauf 16 stromabwärts vom ersten Kondensator 28 angeordnet ist. Der erste Wärmetauscher 54 wird auch vom dritten Prozessfluid 53 durchströmt, wobei Wärme vom ersten Prozessfluid 18 auf das dritte Prozessfluid 53 übertragen wird. Nach Verlassen des ersten Wärmetauschers 54 wird das dritte Prozessfluid 53 einer weiteren Fluidenergiemaschine 56 zugeführt, welche das dritte Prozessfluid 53 im dritten Kreislauf 52 fördert und mindestens auf den Druck, unter den das erste Prozessfluids 18 im zweiten Wärmetauscher steht, verdichtet. Nach der Verdichtung wird das dritte Prozessfluid 53 einem zweiten Wärmetauscher 58 zugeführt, der vom ersten Prozessfluid 18 durchströmt wird. Der zweite Wärmetauscher 58 ist stromaufwärts des zweiten Kondensators 48 angeordnet und bewirkt, dass Wärme vom dritten Prozessfluid 53 auf das erste Prozessfluid 18 übertragen wird. Anschließend wird das dritte Prozessfluid in einer weiteren Drossel 64 auf einen Druck gedrosselt, der gleich dem Druck ist oder unter dem Druck liegt, unter welchem das erste Prozessfluid 18 im ersten Wärmetauscher steht. Durch den thermischen Prozess, der im dritten Kreislauf 52 durchgeführt wird, wird das erste Prozessfluid 18 bereits etwas erwärmt, bevor es in den zweiten Kondensator 48 gelangt, wodurch im Endeffekt bewirkt wird, dass die zur Verdampfung benötigte Wärmemenge weiter reduziert wird. Infolgedessen bewirkt die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung 38 ₂ eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads des ORC-Prozesses.
Je nachdem, ob die Wärmemenge, die im ersten Prozessfluid 18 nach Verlassen des ersten Kondensator 28 noch verbleibt, groß genug ist, um das verwendete dritte Prozessfluid 53 zu verdampfen, ist der erste Wärmetauscher 54 als dritter Kondensator 60 ausgestaltet, in welchem das erste Prozessfluid 18 vollständig kondensiert und das dritte Prozessfluid 53 verdampft wird. Entsprechend ist der zweite Wärmetauscher 58 als vierter Kondensator 62 ausgestaltet, in welchem das dritte Prozessfluid 53 kondensiert und das erste Prozessfluid 18 entsprechend erwärmt wird. In diesem Fall wird das dritte Prozessfluid 53 nach Verlassen des vierten Kondensators 62 der weiteren Drossel 64 zugeführt, wo es gedrosselt und der Druck verringert wird.
Die Vorrichtung 38 ₂ gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist mit insgesamt drei Kreisläufen ausgestattet. An dieser Stelle sei jedoch erwähnt, dass die Anzahl der Kreisläufe beliebig erweitert werden kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass es sich sowohl bei den Verdampfern und den Kondensatoren um speziell ausgebildete Wärmetauschern handelt, bei denen der Aggregatszustand der behandelten Prozessfluide geändert wird. Es kann aber genauso gut auf eine Änderung des Aggregatszustands verzichtet werden, so dass aus den Verdampfern und Kondensatoren reine Wärmetauscher werden.
Bezugszeichenliste

10: Wärmequelle
12: Trägermedium
14: Verdampfer
16: erster Kreislauf
18: erstes Prozessfluid
20: Leitung
22: Entspannungsmaschine
24: Turbine
26: Generator
28: erster Kondensator
30: Kühlmittel
32: Wärmesenke
34: erste Fluidenergiemaschine
36: Pumpe
38, 38₁, 38₂: Vorrichtung
40: zweiter Kreislauf
42: zweites Prozessfluid
44: zweite Fluidenergiemaschine
46: Verdichter
47: Wärmetauscher
48: zweiter Kondensator
50: Drossel
52: weiterer Kreislauf
53: weiteres Prozessfluid
54: erster Wärmetauscher
56: weitere Fluidenergiemaschine
58: zweiter Wärmetauscher
60: dritter Kondensator
62: vierter Kondensator
64: weitere Drossel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009049338 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Durchführen eines ORC-Prozesses, umfassend einen ersten Kreislauf (16), in welchem ein erstes Prozessfluid (18) geführt wird, mit – einem Verdampfer (14) zum Verdampfen des ersten Prozessfluids (18), – einer stromabwärts des Verdampfers (14) angeordnete Entspannungsmaschine (22) zum Entspannen des verdampften ersten Prozessfluids (18), wobei die Entspannungsmaschine (22) mit einem Generator (26) zum Erzeugen von elektrischer Energie verbindbar ist, – einem stromabwärts der Entspannungsmaschine (22) angeordneten ersten Kondensator (28) zum Kondensieren des entspannten ersten Prozessfluids (18), und – einer stromabwärts des ersten Kondensators (28) angeordneten ersten Fluidenergiemaschine (34) zum Erhöhen des Drucks des kondensierten ersten Prozessfluids (18) und zum Fördern des ersten Prozessfluids (18) zum Verdampfer (14), der stromabwärts der ersten Fluidenergiemaschine (34) angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Kreislauf (40), in welchem ein zweites Prozessfluid (42) durch den ersten Kondensator (28) geführt und dort erwärmt wird, wobei der zweite Kreislauf (40) umfasst – eine stromabwärts des ersten Kondensators (28) angeordnete zweite Fluidenergiemaschine (44) zum Verdichten des erwärmten zweiten Prozessfluids (42), – einen stromabwärts der zweiten Fluidenergiemaschine (44) angeordneten Wärmetauscher (47) zum Übertragen von Wärme vom verdichteten zweiten Prozessfluid auf das erste Prozessfluid (18), wobei der Wärmetauscher (47) vom ersten Prozessfluid (18) durchströmbar ist, und – eine stromabwärts vom Wärmetauscher (47) angeordnete Drossel (50) zum Drosseln des kondensierten zweiten Prozessfluids (42).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Prozessfluid (42) im ersten Kondensator (28) verdampft wird und der Wärmetauscher (47) als zweiter Kondensator (48) zum Kondensieren des verdampften zweiten Prozessfluids (42) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kondensator (48) im ersten Kreislauf (16) stromaufwärts vom Verdampfer (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmaschine (22) als eine Turbine (24) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluidenergiemaschine (44) als eine Pumpe (36) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fluidenergiemaschine (44) als ein Verdichter (46) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere weitere Kreisläufe (52), in welchen jeweils ein weiteres Prozessfluid (53) geführt wird, welches oder welche durch einen oder mehrere erste Wärmetauscher (54), die vom ersten Prozessfluid (18) durchströmbar sind, erwärmt werden, wobei der oder die weiteren Kreisläufe (52) umfassen – jeweils eine stromabwärts des ersten Wärmetauschers (54) angeordneten weitere Fluidenergiemaschine (56) zum Verdichten des oder der erwärmten weiteren Prozessfluide (53), – jeweils einen stromabwärts der weiteren Fluidenergiemaschine (56) angeordneten zweiten Wärmetauscher (58) zum Übertragen von Wärme von der oder den verdichteten weiteren Prozessfluiden (53) auf das erste Prozessfluid (18), wobei der zweite Wärmetauscher (58) vom ersten Prozessfluid (18) durchströmbar ist, und – jeweils eine stromabwärts vom zweiten Wärmetauscher (58) angeordnete weitere Drossel (64) zum Drosseln des oder der kondensierten weiteren Prozessfluide.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die ersten Wärmetauscher (54) stromabwärts vom ersten Kondensator (28) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (54) als dritter Kondensator (60) und der zweite Wärmetauscher (58) als vierter Kondensator (62) ausgebildet sind, wobei das weitere Prozessfluid (53) im dritten Kondensator (60) verdampft und im vierten Kondensator (62) kondensiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite oder das oder die weiteren Prozessfluide (53) Öle oder organische Prozessfluide, insbesondere Kältemittel, oder Mischungen davon sind.
Verfahren zum Durchführen eines ORC-Prozesses, umfassend folgende Schritte: – Führen eines ersten Prozessfluids (18) in einem ersten Kreislauf (16), – Verdampfen des ersten Prozessfluids (18) mittels eines Verdampfers (14), – Entspannen des verdampften ersten Prozessfluids (18) mittels einer stromabwärts des Verdampfers (14) angeordnete Entspannungsmaschine (22), – Kondensieren des entspannten ersten Prozessfluids (18) mit einem stromabwärts der Entspannungsmaschine (22) angeordneten ersten Kondensator (28), und – Erhöhen des Drucks des kondensierten ersten Prozessfluids (18) und Fördern des ersten Prozessfluids (18) zum Verdampfer (14) mit einer stromabwärts des ersten Kondensators (28) angeordneten ersten Fluidenergiemaschine (34), die stromabwärts der ersten Fluidenergiemaschine (34) angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Schritte: – Führen eines zweiten Prozessfluids (42) in einem zweiten Kreislauf (40), in welchem das zweites Prozessfluid (42) durch den ersten Kondensator (28) geführt und im ersten Kondensator (28) erwärmt wird, – Verdichten des verdampften zweiten Prozessfluids (42) mittels einer stromabwärts des ersten Kondensators (28) angeordneten zweiten Fluidenergiemaschine (44), – Übertragen von Wärme vom zweiten Prozessfluid (42) auf das erste Prozessfluid (18) mit einem stromabwärts der zweiten Fluidenergiemaschine (44) angeordneten Wärmetauscher (47), wobei der Wärmetauscher (47) vom ersten Prozessfluid (18) durchströmt wird, und – Drosseln des zweiten kondensierten Prozessfluids mit einer stromabwärts vom zweiten Kondensator (48) angeordnete Drossel.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wärmetauscher (47) als ein zweiter Kondensator (48) ausgebildet ist, umfassend folgende Schritte: – Führen des zweiten Prozessfluids (42) in einem zweiten Kreislauf (40), in welchem das zweites Prozessfluid (42) durch den ersten Kondensator (28) geführt und im ersten Kondensator (28) verdampft wird, – Kondensieren des verdampften zweiten Prozessfluids (42) mit dem stromabwärts der zweiten Fluidenergiemaschine (44) angeordneten zweiten Kondensator (48), wobei der zweite Kondensator (48) vom ersten Prozessfluid (18) durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Führen eines oder mehrerer weiterer Prozessfluide (53) in einem oder mehreren weiteren Kreisläufen (52), wobei das oder die weiteren Prozessfluide (53) mit einem oder mehreren ersten Wärmetauschern (54), die vom ersten Prozessfluid (18) durchströmt werden, erwärmt werden, – Verdichten des oder der erwärmten weiteren Prozessfluide (53) mit jeweils einer stromabwärts des ersten Wärmetauschers (54) angeordneten weiteren Fluidenergiemaschine (56), – Übertragen von Wärme von der oder den verdichteten weiteren Prozessfluiden (53) auf das erste Prozessfluid (18) mit jeweils einem stromabwärts der weiteren Fluidenergiemaschine (56) angeordneten zweiten Wärmetauscher (58), wobei der zweite Wärmetauscher (58) vom ersten Prozessfluid (18) durchströmt wird, und Drosseln des oder der weiteren kondensierten Prozessfluide mit jeweils einer stromabwärts vom zweiten Wärmetauscher (58) angeordneten weiteren Drossel (64).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Wärmetauscher (54) als ein dritter Kondensator (60) und der zweite Wärmetauscher (58) als ein vierter Kondensator (62) ausgebildet sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Kondensieren oder Abkühlen des ersten Prozessfluids (18) und Verdampfen des oder der weiteren Prozessfluide (53) im dritten Kondensator (60), und – Kondensieren des oder der verdichteten weiteren Prozessfluide (53) und Erwärmen des ersten Prozessfluids (18) im vierten Kondensator (62).