Vorrichtung und Verfahren für einen ORC-Kreisprozess mit mehrstufiger Expansion

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Ran ^¬ kine Cycle (ORC) zur Umwandlung einer Energie einer Wärme ^¬ quelle in mechanische Energie, bei dem ein organisches Ar ^¬ beitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert. Die Vorrichtung umfasst einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene Turbine, einen stromabwärts gele ^¬ genen Kondensator, eine stromabwärts gelegene Speisepumpe und eine Rückführung zum Verdampfer. Weiterhin betrifft die Er ^¬ findung ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreis ^¬ prozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Um ^¬ wandlung einer Energie einer Wärmequelle in mechanische Ener ^¬ gie, bei dem ein Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert und der Kreislauf einen Verdampfer zum Verdampfen des Ar ^¬ beitsmittels , eine stromabwärts gelegene Turbine, einen stromabwärts gelegenen Kondensator, eine stromabwärts gelege ^¬ ne Speisepumpe und eine Rückführung zum Verdampfer umfasst.

Stand der Technik

Anlagen zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC-Anlagen) der oben genannten Art sind grundsätzlich bekannt. Der Organic Rankine Cycle ist ein Verfahren zum Betrieb von Dampfturbinen mit ei ^¬ nem anderen Arbeitsmittel/Arbeitsmedium als Wasserdampf. ORC- Anlagen werden typischerweise mittels Wärmeträgerme ^¬ dien (insbesondere Thermo-Öl) gespeist, wobei einem ORC- Arbeitsmittel für den ORC-Kreisprozess über den Wärmeträger Wärme zugeführt wird, wodurch dieses erhitzt und letztlich verdampft wird. Das verdampfte Arbeitsmittel wird in an sich bekannter Weise in einer Turbine entspannt, kondensiert, zum Verdampfer gefördert und wiederum verdampft.

Bei einem OCR-Prozess werden in der Regel Fluide mit "stei ^¬ gender Sattdampfkurve" eingesetzt. Die Expansion in der Tur ^¬ bine verläuft dabei von der Grenzkurve "ins Trockene". Vor der Wärmeabfuhr im Kondensator wird dem Arbeitsmedium zu ^¬ nächst Wärme bei gasförmigem Zustand entzogen. Die spezifi ^¬ schen Volumina des Arbeitsmediums sind dabei sehr hoch, was sehr ungünstige Bedingungen für die Wärmeübertragung schafft. Um diese Wärme mit Rücksicht auf den Gesamtwirkungsgrad bei geringen Strömungsverlusten abzuführen, sind große Quer ^¬ schnitte erforderlich, welche eine geringe Strömungsgeschwin ^¬ digkeit des Arbeitsmediums erlauben. Die Folge sind große, teure Strömungswege, insbesondere im Wärmetauscher. Die Fer ^¬ tigung sehr großer Wärmetauscher (Rekuperatoren) verursachen jedoch einen erblichen Teil der Gesamtkosten einer ORC- Anlage. Darüber hinaus begrenzen sie die maximale Leis ^¬ tung/Größe der ORC-Anlage, wenn sie in einem Stück transpor ^¬ tiert werden sollen.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine verbes ^¬ serte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren für einen ORC-Kreisprozess anzugeben. Insbesondere soll der Einsatz vergleichsweise kleiner Wärmetauscher beziehungsweise Rekupe ^¬ ratoren und damit eine Reduktion der Kosten einer ORC-Anlage respektive deren Leistungssteigerung bei einfachem Transport der Anlagenkomponenten ermöglicht werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung der ein ^¬ gangs genannten Art gelöst, bei der

a) die erste Turbine mehrstufig ausgeführt ist und wenigstens zwei Turbinenstufen je ein erster und zweiter Rekuperator nachgeschaltet ist oder b) dass der ersten Turbine ein erster Rekuperator nachge ^¬ schaltet und wenigstens einer weiteren stromabwärts gelegenen zweiten Turbine ein zweiter Rekuperator nachgeschaltet ist. Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Arbeitsmittel a) nach dem Passieren einer ersten Turbinenstufe der ersten Turbine einen ersten Rekuperator, eine zweite Turbinenstufe und einen zweiten Rekuperator passiert oder

b) nach dem Passieren der ersten Turbine einen ersten Rekupe ^¬ rator, eine zweite Turbine und einen zweiten Rekuperator pas ^¬ siert .

Auf diese Weise wird bereits zwischen den einzelnen Expansi- onsschritten Wärme abgeführt, wodurch die Zustandsänderung des Arbeitsmediums nahe der Sattdampfkurve verläuft und die Ausbildung sehr großer spezifischer Volumina vermieden wird. Damit kann ein Teil der Wärme bei deutlich günstigeren Bedin ^¬ gungen abgeführt werden. Beispielsweise sinkt die Wärmeüber- tragungsfläche bei vergleichbaren Verlusten, wodurch die Bau ^¬ größe von Anlagenkomponenten, insbesondere der Rekuperatoren, entsprechend verringert werden kann. Dies geht wiederum mit Vorteilen hinsichtlich der Kosten, der Fertigung und der Handhabbarkeit einher. Weiterhin kann eine bessere Anpassung des Kreisprozesses respektive der Turbine (n) erfolgen, indem diese mehrstufig ausgeführt werden und/oder mehrere Turbinen hintereinander geschaltet werden. Insgesamt kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen der Gesamtwirkungsgrads des Kreisprozesses verbessert werden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung von nur zwei Turbi ^¬ nen/Turbinenstufen und Rekuperatoren beschränkt, sondern es können auch mehr als zwei Turbinen/Turbinenstufen und Rekupe ^¬ ratoren vorgesehen sein. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren. Vorteilhaft ist es, wenn der ersten Turbine/Turbinenstufe ein erster Durchfluss des ersten Rekuperators im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert ist und einem zwei ^¬ ten Durchfluss des genannten Rekuperators, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist, der Speisepumpe strom ^¬ abwärts nachgelagert ist. Auf diese Weise kann die im ersten Rekuperator gewonnene Energie für die erneute Erwärmung des kondensierten Arbeitsmittels eingesetzt werden. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der zweiten Turbi ^¬ ne/Turbinenstufe ein erster Durchfluss des zweiten Rekupera ^¬ tors im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgela ^¬ gert ist und einem zweiten Durchfluss des genannten Rekupera ^¬ tors, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist, der Speisepumpe stromabwärts nachgelagert ist. Auf diese Wei ^¬ se kann auch die im zweiten Rekuperator gewonnene Energie für die erneute Erwärmung des kondensierten Arbeitsmittels einge ^¬ setzt werden. Besonders vorteilhaft ist es in obigem Zusammenhang, wenn der erste Durchfluss des zweiten Rekuperators dem ersten Durch ^¬ fluss des ersten Rekuperators im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert ist und dass der zweite Durchfluss des zweiten Rekuperators dem zweiten Durchfluss des ersten Rekuperators im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts vorgelagert ist. Dadurch wird eine besonders hohe Temperatur ^¬ erhöhung des kondensierten Arbeitsmediums erreicht.

Günstig ist es, wenn die erste Turbine/Turbinenstufe und die zweite Turbine/Turbinenstufe auf einer gemeinsamen Welle an ^¬ geordnet sind. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise einfa ^¬ cher mechanischer Aufbau und die Möglichkeit zur Verwendung eines einzigen Generators. Selbstverständlich ist die Erfin ^¬ dung nicht an die Verwendung eines Generators gebunden, son- dern die über die Turbinen erzeugte Energie kann auch direkt mechanisch genutzt oder in eine andere Energieform umgewan ^¬ delt werden. Günstig ist es aber auch, wenn die erste Turbi ^¬ ne/Turbinenstufe und die zweite Turbine/Turbinenstufe auf verschiedenen Wellen angeordnet sind. Dadurch können die Tur ^¬ binen/Turbinenstufen besonders gut an den Kreisprozess ange- passt werden, da die Turbinen/Turbinenstufen mit unterschied ^¬ lichen Drehzahlen laufen können.

Günstig es in obigem Zusammenhang schließlich auch, wenn die Wellen miteinander gekoppelt sind, beispielsweise über ein Getriebe. Dadurch können die Turbinen/Turbinenstufen mit un ^¬ terschiedlichen Drehzahlen laufen, jedoch ist es möglich nur eine einzige Abtriebswelle und demzufolge nur einen einzigen Generator vorzusehen. Auch hier kann die mit den Turbinen er ^¬ zeugte Energie direkt mechanisch genutzt oder in eine andere Energieform umgewandelt werden.

An dieser Stelle wird angemerkt, dass sich die zur erfin ^¬ dungsgemäßen Vorrichtung offenbarten Varianten und die sich daraus ergebenen Vorteile gleichermaßen auf das erfindungsge- mäße Verfahren beziehen und umgekehrt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer ORC- Anlage mit mehreren je einer Turbine/Turbinenstufe nachge ^¬ schalteten Rekuperatoren und

Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Temperatur-Entropie-Diagramm des mit der Anlage aus Fig. 1 ausgeführte Kreisprozess.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrich- tung 1 zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Umwandlung einer Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, bei dem ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Verdampfer 2 zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene erste Turbine 3, einen stromabwärts gelegenen ersten Rekuperator 4, eine stromabwärts gelegene zweite Turbine 5, einen stromabwärts gelegenen zweiten Rekuperator 6, einen Wärmetauscher 7, einen Kondensator 8, eine Speisepumpe 9, und eine Rückführung zum Verdampfer 2. Weiterhin zeigt die Fig. 1 einen mit den Turbi ^¬ nen 3, 5 gekoppelten Generator 10 sowie einen mit der Speise ^¬ pumpe 9 gekoppelten Motor 11 zum Antrieb derselben.

In diesem Beispiel ist der ersten Turbine 3 ein erster Durch- fluss des ersten Rekuperators 4 (nämlich der in der Fig. 1 vertikal verlaufende Durchfluss) im Kreislauf des Arbeitsmit ^¬ tels stromabwärts nachgelagert. Weiterhin ist einem zweiten Durchfluss des genannten Rekuperators 4 (nämlich der in der Fig. 1 horizontal verlaufende Durchfluss), welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist, der Speisepumpe 9 stromabwärts nachgelagert. In diesem Beispiel ist darüber hinaus der zweiten Turbine 5 analog ein erster Durchfluss des zweiten Rekuperators 6 im Kreislauf des Arbeitsmittels strom ^¬ abwärts nachgelagert, und einem zweiten Durchfluss des ge ^¬ nannten Rekuperators 6, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist, ist der Speisepumpe 9 stromabwärts nach ^¬ gelagert. Dadurch kann die in den Rekuperatoren 4, 6 gewonne- ne Energie im ORC-Kreislauf eingesetzt werden. Prinzipiell wäre aber natürlich auch denkbar, die in den Rekuperato ^¬ ren 4, 6 gewonnene Energie außerhalb des ORC-Kreislaufs ein ^¬ zusetzen . Konkret ist der erste Durchfluss des zweiten Rekuperators 6 dem ersten Durchfluss des ersten Rekuperators 4 im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert, und der zweite Durchfluss des zweiten Rekuperators 6 ist dem zweiten Durch ^¬ fluss des ersten Rekuperators 4 im Kreislauf des Arbeitsmit- tels stromabwärts vorgelagert. Dadurch kann das kondensierte Arbeitsmittel mit Hilfe der Rekuperatoren 4, 6 vor dem Ver ^¬ dampfer 2 auf eine vergleichsweise hohe Temperatur vorgewärmt werden . In dem gezeigten Beispiel sind die erste und die zweite Tur ^¬ bine 3, 5 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und über diese mit dem Generator 10 verbunden, wodurch die in den Tur- binen 3, 5 gewonnene mechanische Energie in elektrische Ener ^¬ gie umgewandelt werden kann. Dies ist jedoch keineswegs die einzige Möglichkeit. Denkbar wäre auch, dass die erste und die zweite Turbine 3, 5 auf verschiedenen Wellen angeordnet sind .

Denkbar ist dabei, dass von je einer Turbine 3, 5 je ein Ge ^¬ nerator 10 angetrieben wird. Denkbar ist aber auch, dass die Wellen miteinander gekoppelt sind, beispielsweise über ein Getriebe. Dadurch können die Turbinen 3, 5 mit unterschiedli- chen Drehzahlen laufen, jedoch ist es möglich nur eine einzi ^¬ ge Abtriebswelle und demzufolge nur einen einzigen Genera ^¬ tor 10 vorzusehen.

Generell ist die Verwendung des Generators 10 nicht zwingend, sondern die über die Turbinen 3, 5 erzeugte mechanische Ener ^¬ gie kann auch direkt mechanisch genutzt oder in eine andere Energieform umgewandelt werden. Denkbar wären beispielsweise Pumpstationen, Kompressoren oder auch Schiffsantriebe. Fig. 2 zeigt nun ein beispielhaftes Diagramm der Temperatur T über der Entropie S, anhand dessen der mit der Vorrichtung 1 ausgeführte Kreisprozess näher erläutert wird. Um die Zuord ^¬ nung des Diagramms zur Vorrichtung 1 zu erleichtern, sind in beiden Diagrammen Prozesspunkte Z1..Z10 eingezeichnet. Dabei ist jedem Prozesspunkt Z1..Z10 in der Vorrichtung der gleich ^¬ namige Prozesspunkt im Temperatur/Entropie-Diagramm zugeord ^¬ net .

Ausgehend vom Prozesspunkt ZI wird das Arbeitsmedium in der ersten Turbine 3 auf den zweiten Prozesspunkt Z2 entspannt, wodurch der Druck p und die Temperatur T abnimmt und die Ent ^¬ ropie S zunimmt. Bei gleichbleibendem Druck p wird dem Ar ^¬ beitsmedium im ersten Rekuperator 4 Wärme entzogen. Der Kreisprozess verläuft daher entlang einer Isobaren vom Pro ^¬ zesspunkt Z2 auf den Prozesspunkt Z3. In der zweiten Turbi ^¬ ne 5 folgt eine weitere Entspannung des Arbeitsmediums auf den Prozesspunkt Z4. Bei gleichbleibendem Druck wird dem Ar- beitsmedium im zweiten Rekuperator 6 wiederum Wärme entzogen. Der Kreisprozess verläuft daher entlang einer Isobaren vom Prozesspunkt Z4 auf den Prozesspunkt Z5. Im Wärmetauscher 7 erfolgt eine weitere Abkühlung auf den Prozesspunkt Z6 und schließlich eine Kondensation des Arbeitsmittels im Kondensa- tor 8. Bei gleichbleibender Temperatur T erfolgt dabei eine Abnahme der Entropie auf den Prozesspunkt Z7.

Das kondensierte Arbeitsmedium wird mit Hilfe der Speisepum ^¬ pe 9 in den zweiten Rekuperator 6 geleitet (Prozesspunkt Z8) und dort bis zum Prozesspunkt Z9 erwärmt. In weiterer Folge wird das Arbeitsmedium im ersten Rekuperator 4 vom Prozess ^¬ punkt Z9 auf den Prozesspunkt Z10 erwärmt. Danach erfolgt ei ^¬ ne weitere Erwärmung und schließlich Verdampfung des Arbeits ^¬ mediums im Verdampfer 2, wodurch sich der Kreislauf durch Rückkehr zum Prozesspunkt ZI schließt.

Zu beachten ist an dem Kreisprozess, dass die Temperatur T9 (also die Austrittstemperatur am zweiten Durchfluss des zweiten Rekuperators 6) kleiner als die Temperatur T5 (also die Austrittstemperatur am ersten Durchfluss des zweiten Re ^¬ kuperators 6) und die Temperatur T10 (also die Austrittstem ^¬ peratur am zweiten Durchfluss des ersten Rekuperators 4) wie ^¬ derum kleiner als die Temperatur T3 (also die Austrittstempe ^¬ ratur am ersten Durchfluss des ersten Rekuperators 4) ist.

Des Weiteren ist die unter der Verbindungslinie der Prozess ^¬ punkte Z4 und Z5 liegende Fläche q45 gleich der unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z8 und Z9 liegende Fläche q89. Die Flächen q45 und q89 geben dabei die im zweiten Reku- perator 6 transferierte Wärmemenge an. In analoger Weise ist die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z2 und Z3 liegende Fläche q23 gleich der unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z9 und Z10 liegende Fläche q910. Die Flächen q23 und q910 geben dabei die im ersten Rekuperator 4 transfe ^¬ rierte Wärmemenge an.

Die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z5 und Z6 liegende Fläche q56 gibt weiterhin die im Wärmetauscher 7 vor der Kondensation des Arbeitsmittels abgeführte Energie an. Die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z6 und Z7 liegende Fläche q67 gibt darüber hinaus die im Kondensator 8 abgeführte Energie an und die unter der Verbindungslinie der Prozesspunkte Z10 und ZI liegende Fläche qlOl schließlich die im Verdampfer 2 zugeführte Energie.

In den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiel wurde bis ^¬ her davon ausgegangen, dass zwei unterschiedliche Turbi- nen 3, 5 eingesetzt werden. Völlig gleichwertig wäre aber auch denkbar, die vorgestellten Maßnahmen auf unterschiedli ^¬ che Turbinenstufen einer einzigen Turbine anzuwenden. In der Fig. 1 treten an die Stelle der Turbinen 3, 5 demzufolge Tur ^¬ binenstufen 3, 5.

Generell ist es auch denkbar, die vorgestellten Maßnahmen auf mehr als zwei Turbinen 3, 5 respektive Turbinenstufen anzu ^¬ wenden. Insbesondere ist es auch vorstellbar, mehrere Turbi ^¬ nen mit mehreren Turbinenstufen vorzusehen, wobei jeder oder zumindest mehreren Turbinenstufen ein Rekuperator nachge ^¬ schaltet ist.

Durch die Wärmeabfuhr (Z2—»Z3, Z4—>Z5) zwischen den einzelnen Expansionsschritten (ZI—»Z2, Z3—>Z4) verläuft die Zustandsän- derung des Arbeitsmediums nahe der Sattdampfkurve, wodurch die Ausbildung sehr großer spezifischer Volumina vermieden wird. Damit kann ein Teil der Wärme bei vergleichsweise güns ^¬ tigeren Bedingungen abgeführt werden, wodurch die Baugröße von Anlagenkomponenten, insbesondere der Rekuperatoren 4, 6 entsprechend verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil be ^¬ steht auch in der guten Anpassbarkeit der Turbinen 3 und 5 an den Kreisprozess , sowie einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Kreisprozesses. Abschließend wird angemerkt, dass die ORC-Vorrichtung auch mehr oder weniger Bauteile als dargestellt umfassen kann. Schließlich wird angemerkt, dass sich die obigen Ausgestal- tungen und Weiterbildungen der Erfindung auf beliebige Art und Weise kombinieren lassen.