DE102007027349B4 - Device and method for generating electricity from heat - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Stromerzeugung aus Wärme, mit einem Generator und einer die Dynamik eines bewegten Mediums aufnehmenden Turbine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 15. Um hierbei zu erreichen, dass die Kopplung zwischen Turbine und Generator frei von genannten mechanischen Nachteilen ist, und die Energieaufnahme und letztlich die Energieumwandlung aus dem Medium effektiver nutzbar ist, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Turbine (3) bzw. das Turbinenrad (11) und der Generator (4) auf einer gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagerten Achse (A) angeordnet sind.The invention relates to a device and a method for generating electricity from heat, with a generator and the dynamics of a moving medium receiving turbine, according to the preamble of claim 1 and 15. In this case to achieve that the coupling between the turbine and generator free of said mechanical Disadvantages, and the energy consumption and ultimately the energy conversion from the medium is more effectively used, the invention proposes that the turbine (3) or the turbine wheel (11) and the generator (4) on a common and / or jointly supported axis ( A) are arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Stromerzeugung aus Wärme, mit einem Generator und einer die Dynamik eines bewegten Mediums aufnehmenden Turbine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 14.The The invention relates to a device and a method for generating electricity from heat, with a generator and the dynamics of a moving medium receiving turbine, according to preamble of claim 1 and 14.
Bei
der Erzeugung elektrischer Energie aus der Dynamik eines bewegten
Mediums ist das die Dynamik des Mediums aufnehmende Turbinenrad oftmals über ein
Getriebe mit dem Stromgenerator verbunden. Dies gilt sowohl bei
langsam laufenden Turbinenrädern
wie bspw auch bei der Windenergieaufnahme, aber auch in Dampfkraftwerken.
Dort werden gleichermaßen
Getriebe zur Bewegungskopplung eingesetzt. Diese sollen zu einer
Vergleichmäßigung zwischen
Turbinendrehzahl und Generatordrehzahl durch entsprechende Untersetzung
oder Übersetzung
führen.
Es ist bereits bekannt, bei einer Turbine-Generator-Kopplung im Falle
einer Gasturbine auf ein dazwischen angeordnetes Getriebe zu verzichten.
Eine solche Einrichtung ist aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Kopplung zwischen Turbine und Generator frei von genannten mechanischen Nachteilen ist, und die Energieaufnahme und letztlich die Energieumwandlung aus dem Medium effektiver nutzbar ist.Of the Invention is therefore based on the object, a device of generic type to evolve to that the coupling between turbine and generator free of mechanical Disadvantages is, and the energy intake and ultimately the energy conversion from the medium is more effectively usable.
Die gestellte Aufgabe ist bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2–13 angegeben.The asked task is in a device of the generic type according to the invention the characterizing features of claim 1 solved. Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims 2-13.
Hinsichtlich eines Verfahrens ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 14 gelöst.Regarding a method is the task according to the invention by solved the characterizing features of claim 14.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrogen abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are given in the dependent dependent claims.
Kern
der Erfindung ist, dass bei Einsatz in einer ORC-Niedertemperatur-Anlage die Pumpe (
Alle diese Nachteile werden beseitigt, durch die erfindungsgemäße Bauform, bei welcher die Turbine und der Generator auf einer gemeinsamen und gemeinsam gelagterten Achse angeordnet sind. Achsausgleiche entfallen vollständig und erst hierbei findet ein absoluter ruhiger Gleichlauf statt.All These disadvantages are eliminated by the design according to the invention, in which the turbine and the generator on a common and jointly mounted axis are arranged. Achsausgleiche completely eliminated and only then does an absolute smooth synchronization take place.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Turbine eine radiale Zentripetal-Turbine ist, welche seitlich zur Rotationsachse mit dem Medium angeströmt und das Medium in axialer Richtung zentral aus der Turbine abströmbar ist. Dies ist baulich insbesondere für kompakte Anlagen von erheblichem Vorteil. Ein weiterer Vorteil liegt dabei im optimalen Wirkungsgrad einer solchen Turbinenradkonstruktion, die mit gebogenen seitlich anzuströmenden Schaufeln versehen ist.In Another advantageous embodiment is specified that the turbine is a radial centripetal turbine which is laterally to the axis of rotation streamed with the medium and the medium in the axial direction can be centrally flowed out of the turbine. This is structurally particular for compact systems of considerable advantage. Another advantage lies doing so in the optimal efficiency of such a turbine wheel construction, which is provided with curved laterally approaching blades.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Generator ein bürstenloser, vorzugsweise ein Generator mit Permanentmagneten ist. Dabei sind die Reibungswiderstände deutlich geringer als bei einem Generator mit Bürsten.In Another advantageous embodiment is specified that the generator a brushless, preferably a generator with permanent magnets. There are the frictional resistance significantly lower than with a generator with brushes.
Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher die Achse mit Magnet- oder Luftlagern gelagert ist. Dies führt zu einer weiteren Reduktion der Reibungswiderstände, was die Effizienz der Energieumwandlung wiederum erhöht. Luftlager sind Abschnitte auf Lagerwellen, die oberflächenstrukturiert sind. Dadurch kommt es bei höheren Drehzahlen zu einem Luftpolster, auf dem die Lagerwelle bzw die gelagerte Welle dann läuft.Advantageous is also an embodiment in which the axis with magnetic or Air bearings is stored. this leads to to a further reduction of frictional resistance, what the efficiency of Energy conversion in turn increased. Air bearings are sections on bearing shafts that are surface-textured. This happens at higher levels Speeds to an air cushion on which the bearing shaft or the stored Wave then runs.
Alle diese bereits erzielten Vorteile korrespondieren besonders gut mit einer Ausgestaltung bei welcher die erfindungsgemäße Turbine-Generator-Anordnung in einer Niedertemperatur-ORC-Anlage integriert ist. Hier ist die kompakte und extrem laufruhige Turbine-Generator-Anordnung, sowie die Maßnahmen zur Reduktion von Reibungsverlusten besonders effektiv.All of these advantages already achieved correspond particularly well with an embodiment in which the turbine-generator arrangement according to the invention is integrated in a low-temperature ORC system. Here is the compact and extremely quiet turbine-generator arrangement, and the Measures to reduce friction losses particularly effective.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Niedertemperatur-ORC-Anlage (Organic-Rankine-Cycle) außerdem mindestens eine Verdampferstufe, mindestens eine Kondensationsstufe, sowie ein Pumpe zur Rückführung des kondensierten Mediums von der Kondensatorstufe zur Verdampferstufe aufweist. Damit sind alle Komponenten in einem geschlossenen Kreislauf eingebunden, insbesondere die Turbine-Generator-Anordnung arbeitet dabei optimiert.In advantageous embodiment is specified that the low-temperature ORC plant (Organic Rankine Cycle) as well at least one evaporator stage, at least one condensation stage, and a pump for the return of the condensed medium from the condenser stage to the evaporator stage having. This means that all components are in a closed circuit integrated, in particular the turbine-generator arrangement works thereby optimized.
Eine besondere Ausgestaltung ist dabei, dass die Pumpe ebenfalls auf der gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagterten Achse zusammen mit dem Generator und der Turbine angeordnet ist. Dabei kann die ORC-Anlage extrem kompakt gebaut werden. Zur baulichen Realisierung müssen lediglich die Leitungsführungen entsprechend vorgenommen werden, was aber völlig problemlos ist. Durch die Mitanordnung der Rückführpumpe für das umlaufende Medium auf derselben Achse wie Turbine und Generator, entfallen somit Konvertierungsverluste ansonsten vorhandener elektrischer Baugruppen. Die Pumpe wird mechanisch direkt an die Kraftaufnahme der angeströmten Turbine genommen. Insgesamt steigt dadurch der gesamte Wirkungsgrad, was in der Energiebilanz deutlich erkennbar ist.A special embodiment is that the pump also on the common and / or co-managed axis together with the generator and the turbine is arranged. This can be the ORC system be built extremely compact. For the construction realization only the wirings be made accordingly, but that is completely problem-free. By the co-arrangement of the return pump for the circulating medium on the same axis as turbine and generator, thus accounts for conversion losses of otherwise existing electrical Assemblies. The pump is mechanically directly connected to the power of the be streamed Turbine taken. Overall, this increases the overall efficiency, which is clearly visible in the energy balance.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass als Medium niedertemperturverdampfende fluorierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Diese Medien verdampfen bei Raumtemperatur oder bereits darunter. Bei einem Betrieb der Anlage bei einer Verdampfungstemperatur deutlich über Raumtemperatur arbeitet diese mit guten Druckwerten um eine effektive Anströmung der Turbine zu erzeugen.In Another advantageous embodiment is specified that as a medium niedertemperturverdampfende fluorinated hydrocarbons used become. These media evaporate at room temperature or already underneath. When operating the system at an evaporation temperature well above room temperature This works with good pressure values to an effective flow of To produce turbine.
Ein besonders vorteilhafter Stoff zum Einsatz als Medium ist 1,1,1,33-Pentafluor-Propan.One Particularly advantageous material for use as a medium is 1,1,1,33-pentafluoro-propane.
Eine ebenso brauchbare Alternative stellt Butan als Medium dar.A Another useful alternative is butane as a medium.
Um nun die ORC-Anlage in optimalem ökologischen Prinzip zu betreiben, d. h. mit alternativen Energiequellen zur Beheizung des Verdampfers, ist in einer Ausgestaltung der Verdampfer über einen Wärmetauscher beheizbar, welcher aus einem Wärmeträger (Wasser oder Thermo-öl) aus Sonnenkollektoren betreibbar ist. Anlagen dieser Art haben damit sogar einen enormen Nutzwert für private Anwendungen in Wohnhäusern. So kann die Sonnenwärme herkömmlicher Sonnenkollektoren die Wärme zumindest teilweise verstromen, und den Strom ins Stromnetz einspeisen. Eine erfindungsgemäße Einrichtung gemäß dieser Ausgestaltung hat einen sehr guten Wirkungsgrad. Als ggfs kombinierte Einrichtung in Bezug auf wahleise oder kombinierte Wärme- und Stromerzeugung ist sie mit Halbleiter-Solarzellenanlagen konkurrenzfähig.Around now the ORC plant in optimal ecological Principle to operate, d. H. with alternative energy sources to Heating of the evaporator, in one embodiment, the evaporator via a heat exchanger heated, which consists of a heat transfer medium (water or thermal oil) from solar panels is operable. Plants of this type have it even a huge utility for private applications in residential buildings. Sun heat can be more conventional Solar panels heat at least partially electricity, and feed the electricity into the power grid. An inventive device according to this Design has a very good efficiency. As if combined Equipment relating to elective or combined heat and power generation it is competitive with semiconductor solar cell systems.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass Verdampfer über einen Wärmetauscher beheizbar ist, welcher wiederum aus Abwärme beheizbar ist. So kann die besagte Einrichtung auch dort genutzt und eingesetzt werden, wo Energie in Form von Abwärme anfällt, die sodann über diese ORC-technologische Ausgestaltung verstromt wird.A Another advantageous embodiment is that evaporator over a heat exchangers is heated, which in turn can be heated from waste heat. So can the said device is also used there and used, where energy in the form of waste heat accrues, then over This ORC technological design is converted into electricity.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass Verdampfer sowie der Sonnenkollektor oder die Sonnenkollektoren einen gemeinsamen geschlossenen Medienkreislauf aufweisen, derart, dass das Verdampfermedium ohne Wärmetauscher direkt in den Rohren der Sonnenkollektoren aufheizbar sind. Hierdurch bedarf es keines Wärmetauschers mehr, weil in den Rohren der Sonnenkollektoren kein Wasser mehr, sondern bereits das Verdampfer-Medium fließt und die Temperatur direkt aufnimmt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Rohre für den anfallenden Druck ausgelegt und dicht sind. Durch das Entfallen des Verdampfer-Wärmetauschers wird der Wirkungsgrad weiter gesteigert, weil die thermischen Energieverluste entfallen.In Another advantageous embodiment is specified that evaporator as well as the solar panel or the solar panels a common closed Have medium circulation, such that the evaporator medium without Heat exchanger directly in the tubes of the solar panels are heatable. This requires there is no heat exchanger more because in the tubes of the solar panels there is no more water, but already the evaporator medium is flowing and the temperature is direct receives. It is important to ensure that the pipes for the accruing Pressure is designed and tight. By eliminating the evaporator heat exchanger the efficiency is further increased because the thermal energy losses omitted.
Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass dabei die Kondensatorstufe als Rohrbündel oder als eine Art Kühlkörper mit gefalteter Oberfläche ausgebildet ist, über welche die Wärmeabgabe an die Umgebung, an eine Hausheizung, in ein Fernwärmenetz oder in einen Wärmespeicher abgebbar ist.A last advantageous embodiment is that while the Capacitor stage as a tube bundle or as a kind of heat sink with folded surface is trained over which the heat release to the environment, to a house heating, in a district heating network or deliverable in a heat storage is.
Mit anderen Worten erfolgt die Kühlung des Kondensators durch Wärmeaustausch mit der Umgebung, bzw in der oben spezifierten Weise.With In other words, the cooling takes place of the capacitor by heat exchange with the environment, or in the manner specified above.
Eine Einrichtung dieser Art hat einen erheblichen Nutzen auch in Bezug auf eine klimaschonende Energieerzeugung.A Establishment of this kind also has a significant benefit in terms of on climate-friendly energy generation.
Im Hinblick auf ein Verfahren der gattungsgemäßen Art besteht der Kern der Erfindung darin, dass die Verdampfungstemperatur T2 im Verdampfer im Betrieb zwischen 50°C und 130°C liegt und eingestellt wird, und dass nach Durchlaufen des Mediums durch die Turbine eine Abkühlung um mindestens 30 K erfolgt.in the With regard to a method of the generic type, the core of the Invention in that the evaporation temperature T2 in the evaporator in operation between 50 ° C and 130 ° C is and is set, and that after passing through the medium through the turbine is cooling off at least 30K.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Verfahrens ist angegeben, dass die Verdampfungstemperatur T2 vorzugsweise bei etwa 70°C eingestellt wird.In further inventive embodiment of the method is indicated that the evaporation temperature T2 preferably at about 70 ° C is set.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Temperaturführung angegeben, bei welcher die Kondensationskühlung im Kondensator über einen Wärmetauscher in etwa auf die Rückführungstemperatur T1 des Mediums zum Verdampfer gekühlt wird, derart, dass die Temperaturunterschiede ΔT zwischen Rückführungstemperatur T1 und Verdampfertempertur T2, in beiden Richtungen gleich sind.In a further advantageous embodiment, a temperature control is specified, in which the Condensation cooling in the condenser is cooled by a heat exchanger at approximately the return temperature T1 of the medium to the evaporator, such that the temperature differences .DELTA.T between return temperature T1 and evaporator temperature T2, are the same in both directions.
In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die bei der Kondensationskühlung entstehende Abwärme als Heizenergie genutzt oder auf dem erhaltenen Temperaturniveau separat nachverstromt wird.In last advantageous embodiment is indicated that at the condensation cooling resulting waste heat used as heating energy or at the obtained temperature level is nachverstromt separately.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.The The invention is illustrated in the drawing and explained in more detail below.
Es zeigt:It shows:
Erfindungsgemäß ist die
verlängerte
Achse A des Generators
Die
Turbine
Das
abgekühlte
und kondensierte Medium wird dabei auf eine Kondensationstemperatur
von T2 heruntergekühlt
und über
eine Rückführpumpe
Am
Wärmetauscher
Über ein
Steuerventil
Generator
Eine
beispielhafte Temperaturführung
läuft je nach
Druck und verwendetem Medium so ab, dass T1, d. h. die Ausgangstemperatur
bei etwa 70°C
liegt, im Kondensator
Am
Eingang des Wärmetauschers
Dabei
kann, wie hier angedeutet, die gesamte Baugruppe Turbine, Generator
und Rückführpumpe
aufrecht stehend zwischen Verdampfer
Die
Rohre des Sonnenkollektors müssen
dabei nur druckfest verlegt und ausgestaltet sein, so dass die aufgenommene
Sonnenenergie das Medium, z. b. das genannte Penta-fluor-Propan sogleich in
den Rohren des Sonnenkollektors
Die
weitere Ausgestaltung kann dann wieder gemäß
In allen Ausgestaltungsbeispielen können die Lager der gemeinsamen Achse überdies Magnet- oder Luftlager sein, wass sowohl die Laufruhe erhöht, als auch die Reibungsverluste stark reduziert. Insgesamt erhöht auch dieses Merkmal den im Gesamtprozess erzielbaren Wirkungsgrad.In In all embodiments, the Bearing the common axis also Magnetic or air bearing, which both increases the smoothness, as also greatly reduces the friction losses. Overall, too, increased this feature the achievable in the overall process efficiency.
Die Verwendung von Butan oder Penta-fluor-Propan sind nur beispielhaft. Möglich sind dabei alle Medien mit entsprechend niedrigem Siedepunkt.The Use of butane or penta-fluoro-propane are exemplary only. Possible are all media with correspondingly low boiling point.
- 11
- VerdampferEvaporator
- 22
- Kondensatorcapacitor
- 33
- Turbineturbine
- 44
- Generatorgenerator
- 55
- Pumpe, RückführpumpePump, Recirculation pump
- 66
- Steuerventilcontrol valve
- 77
- Wärmetauscherheat exchangers
- 1010
- Ausgang elektrischer Energieoutput electrical energy
- 1111
- Turbinenradturbine
- 2020
- Baugruppemodule
- 3030
- Sonnenkollektorsolar panel
- 4040
- Verdampfer-WärmetauscherEvaporator heat exchanger
- AA
- Achseaxis
- T1T1
- Ausgangstemperatur Verdampferoutlet temperature Evaporator
- T2T2
- Rückführungstemperatur zum VerdampferReturn temperature to the evaporator
- T3T3
- Eingangstemperatur Wärmetauscherinlet temperature heat exchangers
- T4T4
- Ausgangstemperatur Wärmetauscheroutlet temperature heat exchangers
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