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DE102007027349B4 - Device and method for generating electricity from heat - Google Patents

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DE102007027349B4
DE102007027349B4 DE102007027349A DE102007027349A DE102007027349B4 DE 102007027349 B4 DE102007027349 B4 DE 102007027349B4 DE 102007027349 A DE102007027349 A DE 102007027349A DE 102007027349 A DE102007027349 A DE 102007027349A DE 102007027349 B4 DE102007027349 B4 DE 102007027349B4
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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 EP 1 367 690 B1 für einen speziellen Anwendungsfall bekannt. Aus der DE 10 2006 004 836 A1 ist eine Einrichtung bekannt, bei welcher gemäß Oberbegriff Turbine und Generator bereits auf einer gemeinsamen Achse liegen. Dies ist aber noch nicht ausreichend, um insbesondere diese Kopplung effektiv genug für eine technische Einbindung in Niedertemperatur-ORC-Anlagen zu machen. Hierzu bedarf es weiterer wirkungsgradsteigernder Maßnahmen.In the generation of electrical energy from the dynamics of a moving medium, the dynamics of the medium receiving turbine wheel is often connected via a gearbox with the power generator. This applies both to slow-running turbine wheels such as in the wind energy intake, but also in steam power plants. There are used equally gear for motion coupling. These should lead to a homogenization between turbine speed and generator speed by appropriate reduction or translation. It is already known to dispense with a turbine-generator coupling in the case of a gas turbine to a gear arranged therebetween. Such a device is from the EP 1 367 690 B1 known for a specific application. From the DE 10 2006 004 836 A1 a device is known in which lie according to the generic term turbine and generator already on a common axis. However, this is not sufficient to make this coupling in particular effective enough for technical integration in low-temperature ORC systems. This requires further efficiency-increasing measures.

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 (5) ebenfalls auf der gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagterten Achse A zusammen mit dem Generator (4) und der Turbine (3) bzw dem Turbinenrad (11) der Turbine (3) angeordnet ist. Dies ist ein erheblicher funktioneller Unterschied zum Gegenstand der genannten EP 1 367 690 B1 aus der lediglich bekannt ist, die Achsen drehfest und damit Getriebefrei miteinander zu koppeln. Dies jedoch führt im Stand der Technik dazu, dass jedes Bauteil, nämlich Generator und Turbine jeweils eine für sich separat gelagterte Achse aufweisen, die lediglcih miteinanander gekoppelt werden. Da jede Achse aber dabei aber für sich selbst gelagtert ist, führt dies zu einer mechanischen Überbestimmung der Lager- oder Auflagepunkte. Somit wäre ein absoluter unwuchtfreier Gleichlauf nur dann erreichbar, wenn die Verbindung der Turbineachse und der Generatorachse rotatorisch zwar drehfest, axial aber ausgleichend wäre, d. h. axiale Umwuchten ausgleichen würde. Damit wäre die Verbindung zwar getriebefrei, aber dieser Achsausgleich wäre dem Verschleiß unterworfen und schluckt ausserdem auch Reibungsenergie.The core of the invention is that when used in an ORC low-temperature system, the pump ( 5 ) also on the common and / or jointly supported axis A together with the generator ( 4 ) and the turbine ( 3 ) or the turbine wheel ( 11 ) of the turbine ( 3 ) is arranged. This is a significant functional difference to the subject of the cited EP 1 367 690 B1 from the only known, the axes rotatably and thus coupling gear free with each other. However, in the prior art, this leads to the fact that each component, namely the generator and the turbine, each have a separately supported axis, which are coupled to one another by means of a single contact. However, since each axis is stored for itself, this leads to a mechanical overdetermination of the bearing or support points. Thus, an absolute unbalance-free synchronization would only be achievable if the connection of the turbine axis and the generator axis rotatorisch rotationally fixed, but axially balancing, ie would compensate for axial balancing. Although the connection would be gearless, but this axle compensation would be subject to wear and also swallows friction energy.

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:

1: Ausführungsbeispiel mit Turbine und Generator auf einer Achse. 1 : Embodiment with turbine and generator on one axis.

2: Radiale Zentripetalturbine. 2 : Radial centripetal turbine.

3: Ausführungsbeispiel mit Turbine, Generator und Rückführungspumpe auf einer Achse. 3 Embodiment with turbine, generator and recirculation pump on one axis.

4: Ausführungsbeispiel mit Integration der Verdampferstufe direkt in Sonnenkollektoren. 4 Embodiment with integration of the evaporator stage directly in solar panels.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem das Turbinenrad der Turbine 3 mit dem Generator auf einer physisch gemeinsamen Achse A angeordnet sind. Dabei ist hier zu beachten, dass im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Stand der Technik die Turbine und der Generator nicht jeweils zwei getrennte Achsen aufweisen, die mit einander gekoppelt sind. Denn dies führt zu einer Lagerüberbestimmung und damit zu einer Laufruhestörung dieser beiden Komponenten. 1 shows a first embodiment in which the turbine of the turbine 3 are arranged with the generator on a physically common axis A. It should be noted here that, in contrast to the prior art described above, the turbine and the generator do not each have two separate axes, which are coupled to each other. Because this leads to a stock overdetermination and thus to a rest rest of these two components.

Erfindungsgemäß ist die verlängerte Achse A des Generators 4 eins mit der Achse der Turbine 3 bzw des Turbinenrades 11. Damit ist die Einrichtung extrem laufruhig und die Kopplung führt zu einer den Wirkungsgrad der gesamten Einrichtung steigernden technischen Maßnahme. Das Turbinenrad der Turbine 3 wird mit Hilfe des aus dem Verdampfer 1 ausströmenden Verdampfer-Mediums, in diesem Beispiel 1,1,1,33-Pentafluor-Propan, welches im Verdampfer durch Wärmezufuhr über den Verdampfer-Wärmetauscher 40 auf eine Verdampfungstemperatur T1 gebracht wird und das Turbinenrad der Turbine 3 anströmt. Das so beströmte Turbinenrad nimmt diese Energie auf und durch die drehfeste Verbindung über die gemeinsame Achse A mit dem Generator 4, bzw den Rotor des Generators 4 wird dieser angetrieben. Der Generator ist dabei z. B. als bürstenloser permanentmagneterregter Generator ausgebildet. Die erzeugte elektrische Energie liegt dann am Ausgang 10 an.According to the invention, the extended axis A of the generator 4 one with the axis of the turbine 3 or the turbine wheel 11 , Thus, the device is extremely smooth running and the coupling leads to the efficiency of the entire device increasing technical measure. The turbine wheel of the turbine 3 is with the help of the evaporator 1 outflowing evaporator medium, in this example 1,1,1,33-pentafluoro-propane, which in the evaporator by supplying heat through the evaporator heat exchanger 40 is brought to an evaporation temperature T1 and the turbine wheel of the turbine 3 flows against. The so-flowed turbine wheel absorbs this energy and through the rotationally fixed connection via the common axis A with the generator 4 , or the rotor of the generator 4 this is driven. The generator is z. B. formed as a brushless permanent magnet excited generator. The generated electrical energy is then at the output 10 at.

Die Turbine 3 ist als radiale Zentripetal-Turbine mit einem in 2 später noch näher gezeigtem Turbinenrad 11 ausgestattet, in welchem das Medium tangential auf das Turbinerad 11 eingeströmt und durch eine entsprechende Lamellierung dann zentral abgeleitet wird. Das Medium fließt dabei in einen Kondensator 2 der über einen Wärmetauscher 7 das Medium wieder herunterkühlt. Die dabei aufgenommen Wärme kann seinerseits wieder genutzt werden, oder nachverstromt, oder rückgeführt werden.The turbine 3 is called a radial centripetal turbine with an in 2 later shown even closer turbine wheel 11 equipped, in which the medium is tangential to the turbine wheel 11 flowed in and then derived by a corresponding lamellae centrally. The medium flows into a condenser 2 via a heat exchanger 7 the medium cools down again. The heat absorbed in turn can be used again, or can be re-converted, or recycled.

Das abgekühlte und kondensierte Medium wird dabei auf eine Kondensationstemperatur von T2 heruntergekühlt und über eine Rückführpumpe 5 zurück in den Verdampfer 1 gepumpt. Diesem wird von extern wieder Wärme zugeführt und der Prozess läuft dann weiter. Das heisst das Medium ist hierbei in einem geschlossenen Kreislauf.The cooled and condensed medium is cooled down to a condensation temperature of T2 and via a return pump 5 back to the evaporator 1 pumped. This is externally supplied with heat and the process then continues. This means that the medium is in a closed cycle.

Am Wärmetauscher 7 wird bei einer niedrigen Temperatur eine Kühlmittel durch einen Wärmetauscherleitung geführt. Die am Wärmetauscher 7 aufgenommene Wärme wird dabei in der besagten Weise entweder genutzt oder recycliziert.At the heat exchanger 7 At a low temperature, a coolant is passed through a heat exchange conduit. The at the heat exchanger 7 absorbed heat is thereby either used or recycled in the said manner.

Über ein Steuerventil 6 wird der Kreislauf insgesamt geregelt.Via a control valve 6 the circulation is regulated as a whole.

Generator 4 und Turbine 3 können auch in einer Baugruppe 20 gehaust werden.generator 4 and turbine 3 can also work in an assembly 20 to be housed.

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 2 dann wieder auf T2, d. h. etwa 40°C heruntergekühlt und kondensiert wird, und bei etwa diesem Temperaturniveau von T4 = T2 in etwa wieder dem Verdampfer 1 zugeführt wird.An exemplary temperature control runs depending on the pressure and the medium used so that T1, ie the output temperature is about 70 ° C, in the condenser 2 then again cooled to T2, that is about 40 ° C and condensed, and at about this temperature level of T4 = T2 in about the evaporator again 1 is supplied.

Am Eingang des Wärmetauschers 7 wird ein Kühlmittel bei etwa T3 gleich 10°C zugeführt und auf etwa T4 gleich 40°C wieder abgeführt.At the entrance of the heat exchanger 7 A coolant is supplied at about T3 equal to 10 ° C and discharged to about T4 equal to 40 ° C again.

2 zeigt im Detail, aber nur schematisch das Turbinenrad 11. Dieses wird am Rand in etwa tangential vom verdampften Medium angeströmt. Das Medium wird durch die Lamellenführung zum Zentrum des Turbinenrades geleitet und kann dort zentral ausströmen, bevor es danach wie in 1 dem Kondensator zugeführt wird. 2 shows in detail, but only schematically the turbine wheel 11 , This is impinged on the edge approximately tangentially by the vaporized medium. The medium is led by the lamellar guide to the center of the turbine wheel and can flow out there centrally before it afterwards as in 1 is supplied to the capacitor.

3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher nicht nur Generator 4 und Turbine 3 bzw Turbinenrad 11 und Rotor auf einer gemeinsamen physischen Achse A angeordnet sind, sondern zusätzlich noch die Rückführpumpe 5. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass die Energie für die Rückführpumpe 5 direkt aus der erzeugten mechanischen Energie des Turbinenrades angewendet wird, was den Wirkungsgrad weiter steigert, sondern die Bauform der gesamten Einrichtung wird dadurch noch kompakter. 3 shows a particularly advantageous embodiment, in which not only generator 4 and turbine 3 or turbine wheel 11 and rotor are arranged on a common physical axis A, but also the return pump 5 , This not only has the advantage of having the energy for the return pump 5 directly from the generated mechanical energy of the turbine wheel is applied, which further increases the efficiency, but the Design of the entire device is thereby even more compact.

Dabei kann, wie hier angedeutet, die gesamte Baugruppe Turbine, Generator und Rückführpumpe aufrecht stehend zwischen Verdampfer 1 und Kondensator 2 platziert werden. Durch die kompaktere Bauform werden nur kurze Medienleitungen notwendig, was Wärmeverluste reduziert und dadurch ebenfalls den Wirkungsgrad nochmals steigert. Ausserdem ergibt sich eine kleinbauende Einrichtung.In this case, as indicated here, the entire assembly turbine, generator and return pump standing upright between evaporator 1 and capacitor 2 to be placed. Due to the more compact design, only short media lines are required, which reduces heat losses and thus also increases efficiency even further. In addition, there is a small-scale device.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem statt eines separaten Verdampfers 1, dem bodenseitig wie in 1 dargestellt thermische Energie durch den Verdampfer-Wärmetauscher 40 zugeführt werden muss, stattdessen nun der Verdampfer in die Rohre eines Sonnenkollektors 30 sogleich mitintegriert wird. 4 shows an embodiment in which instead of a separate evaporator 1 , the bottom side as in 1 represented thermal energy through the evaporator heat exchanger 40 must be fed, instead, now the evaporator in the tubes of a solar collector 30 is immediately integrated.

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 30 verdampft wird, und der Dampf dann direkt der Turbine zugeführt wird.The tubes of the solar collector must be installed only pressure resistant and designed so that the absorbed solar energy, the medium, for example, the said penta-fluorine-propane readily in the tubes of the solar collector 30 is evaporated, and then the steam is fed directly to the turbine.

Die weitere Ausgestaltung kann dann wieder gemäß 1 oder 3 ausgebildet sein. In beiden Fällen brauch der Verdampfer 1 nur gegen einen druckfesten Sonnenkollektor 30 ausgetauscht werden.The further embodiment can then again according to 1 or 3 be educated. In both cases, the evaporator needs 1 only against a pressure-resistant solar collector 30 be replaced.

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

Claims (16)

Einrichtung zur Stromerzeugung aus Wärme, mit einem Generator und einer die Dynamik eines bewegten Mediums aufnehmenden Turbine, bei welcher die Turbine und der Generator getriebefrei miteinander gekoppelt sind, wobei die Turbine (3) bzw das Turbinenrad (11) und der Generator (4) auf einer gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagterten Achse (A) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz in einer ORC-Niedertemperatur-Anlage die Pumpe (5) ebenfalls auf der gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagterten Achse A zusammen mit dem Generator (4) und der Turbine (3) bzw dem Turbinenrad (11) der Turbine (3) angeordnet ist.A device for generating electricity from heat, comprising a generator and a dynamic fluid receiving turbine in which the turbine and the generator are coupled to each other gearless, wherein the turbine ( 3 ) or the turbine wheel ( 11 ) and the generator ( 4 ) are arranged on a common and / or jointly supported axis (A), characterized in that when used in an ORC low-temperature system, the pump ( 5 ) also on the common and / or jointly supported axis A together with the generator ( 4 ) and the turbine ( 3 ) or the turbine wheel ( 11 ) of the turbine ( 3 ) is arranged. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte auf einer Achse angeordnete Baugruppe bestehend aus Turbine/Turbinenrad (3, 11), Generator (4) und Pumpe (5) aufrecht stehend zwischen Verdampfer (1) und Kondensator (2) platziert ist.Device according to claim 1, characterized in that the entire arranged on an axis assembly consisting of turbine / turbine wheel ( 3 . 11 ), Generator ( 4 ) and pump ( 5 ) standing upright between evaporator ( 1 ) and capacitor ( 2 ) is placed. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) 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.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the turbine ( 3 ) is a radial centripetal turbine, which flows laterally to the axis of rotation with the medium and the medium in the axial direction can be flowed out of the turbine centrally. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (4) ein bürstenfreier, vorzugsweise ein Generator mit Permanentmagneten ist.Device according to claim 2 or 3, characterized in that the generator ( 4 ) is a brushless, preferably a generator with permanent magnets. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (A) mit Magnet- oder Luftlagern gelagert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the axle (A) mounted with magnetic or air bearings is. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperatur-ORC-Anlage außerdem mindestens eine Verdampferstufe (1), mindestens eine Kondensationsstufe (2), sowie ein Pumpe (5) zur Rückführung des kondensierten Mediums von der Kondensatorstufe (2) zur Verdampferstufe (1) aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the low-temperature ORC plant also at least one evaporator stage ( 1 ), at least one condensation stage ( 2 ), as well as a pump ( 5 ) for recycling the condensed medium from the condenser stage ( 2 ) to the evaporator stage ( 1 ) having. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium niedertemperturverdampfende fluorierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the medium is low-temperature vaporizing fluorinated Hydrocarbons are used. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass 1,1,1,33-Pentafluor-Propan als Medium eingesetzt wird.Device according to claim 7, characterized that 1,1,1,33-pentafluoro-propane is used as the medium. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Butan als Medium eingesetzt wird.Device according to claim 7, characterized Butane is used as a medium. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) über einen Wärmetauscher beheizbar ist, welcher aus einem Wärmeträger (Wasser oder Thermo-öl) aus Sonnenkollektoren betreibbar ist.Device according to one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that the evaporator ( 1 ) is heatable via a heat exchanger, which is operable from a heat carrier (water or thermal oil) from solar panels. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Verdampfer (1) über einen Wärmetauscher beheizbar ist, welcher wiederum aus Abwärme beheizbar ist.Device according to one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that evaporator ( 1 ) is heatable via a heat exchanger, which in turn can be heated from waste heat. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Verdampfer (1) sowie der Sonnenkollektor (30) oder die Sonnenkollektoren einen gemeinsamen geschlossenen Medienkreislauf aufweisen, derart, dass das Verdampfermedium ohne Wärmetauscher direkt in Rohren der Sonnenkollektoren (30) aufheizbar ist.Device according to one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that evaporator ( 1 ) as well as the solar collector ( 30 ) or the solar collectors have a common closed medium circuit, such that the evaporator medium without heat exchanger directly in tubes of the solar panels ( 30 ) is heatable. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dabei die Kondensatorstufe (2) 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 vornehmbar ist.Device according to Claim 12, characterized in that the capacitor stage ( 2 ) is designed as a tube bundle or as a kind of heat sink with a folded surface, via which the heat transfer to the environment, to a house heating, in a district heating network or in a heat storage vornehmbar. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, 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 cirka 30 K erfolgt, und dass 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.Method for operating a device according to a the claims 1 to 13, characterized in that the evaporation temperature T2 is in the evaporator in operation between 50 ° C and 130 ° C and is set, and that after passing through the medium through the turbine a cooling to about 30 K takes place, and that the condensation cooling in the condenser via a heat exchangers in about the return temperature T1 of the medium is cooled to the evaporator, such that the Temperature differences ΔT between return temperature T1 and evaporator temperature T2 are equal in both directions. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur T2 vorzugsweise bei etwa 70°C eingestellt wird.Method according to claim 14, characterized in that that the evaporation temperature T2 is preferably set at about 70 ° C. becomes. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Kondensationskühlung entstehende Abwärme als Heizenergie genutzt oder auf dem erhaltenen Temperaturniveau separat nachverstromt wird.Method according to claim 14 or 15, characterized that in the condensation cooling resulting waste heat used as heating energy or separately at the temperature level obtained is nachverstromt.
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