DE102011102803A1

DE102011102803A1 - Abwärmenutzungsanlage

Info

Publication number: DE102011102803A1
Application number: DE102011102803A
Authority: DE
Inventors: Stefan Müller; Harald Köhler; Konrad Herrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: DE102011102803B4; EP2530257A2; EP2530257A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage für eine Abwärmequelle (10), bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle), wobei die Abwärmequelle (10) mit der Beheizungsvorrichtung (8, 9) des ORC in Verbindung steht, sowie mit einer mit einem Generator (5) gekoppelten Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC, wobei mindestens ein Verdampfer (3) mit einem nachgeschalteten Tropfenabscheider (12) gekoppelt ist, welcher im Wesentlichen aus einer liegend angeordneten zylindrischen Behälter (13) besteht, welcher einen Abscheideraum (14) einschließt, der in seinem unteren Bereich mindestens einen Dampfeintrittsstutzen (15) als Verbindung zum Verdampfer (3) und in seinem oberen Bereich mindestens einen Dampfaustrittsstutzen (16) aufweist. Es ist Aufgabe der Erfindung, den Betrieb einer Abwärmenutzungsanlage, im Wesentlichen bestehend aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC, durch einen optimierten Tropfenabscheider zu verbessern. Erfindungsgemäß ist daher der Tropfenabscheider (12) über die Wand des zylindrischen Behälters (13) von außen beheizbar, um eine Dampftrocknung zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei einem ORC (Organic-Rankine-Cycle) handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess nach Rankine. Dies bedeutet, dass ein Arbeitsmedium verschiedene thermodynamische Zustände durchläuft, um am Ende wieder in den flüssigen Ausgangszustand überführt zu werden. Dabei wird das Arbeitsmedium mit einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht. Danach wird das Arbeitsmedium auf die Verdampfungstemperatur vorgewärmt und anschließend verdampft.
Es handelt sich somit um einen Dampfprozess, bei dem an Stelle von Wasser ein organisches Medium verdampft wird. Der entstandene Dampf treibt eine Expansionsmaschine an, beispielsweise eine Turbine, einen Kolben- oder Schraubenmotor, welcher wiederum mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, um Strom zu erzeugen. Nach der Arbeitsmaschine gelangt das Prozessmedium in einen Verflüssiger und wird dort unter Wärmeabgabe zurückgekühlt. Da Wasser unter atmosphärischen Bedingungen bei 100°C verdampft, kann Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau, wie zum Beispiel Industrieabwärme oder Erdwärme, oftmals nicht zur Stromerzeugung genutzt werden. Verwendet man allerdings organische Medien mit niedrigeren Siedetemperaturen, so lässt sich Niedertemperaturdampf erzeugen.
Vorteilhaft in der Anwendung sind ORC-Anlagen beispielsweise auch bei der Verwertung von Biomasse im Zusammenhang mit Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere bei relativ kleinen Leistungen, also wenn die herkömmliche Biomasse-Feuerungstechnik relativ teuer erscheint. Biomasseanlagen besitzen häufig einen Fermenter zur Biogaserzeugung, welcher in der Regel beheizt werden muss.
Gattungsgemäße Abwärmenutzungsanlagen sind aus dem Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung bekannt und bestehen aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten BHKW, also einem Blockheizkraftwerk. Aus der DE 195 41 521 A1 geht eine Anlage zur Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei der Verstromung von Sondergasen mittels Verbrennungsmotoren hervor, bei der die Abwärme des Motors in einer nachgeschalteten Energieumwandlungsanlage zur weiteren Stromerzeugung genutzt wird. Allerdings ist dabei nur die Hochtemperaturwärme aus dem Kühlwasserkreislauf sowie aus dem Abgaswärmetauscher des Motors zur Verwertung vorgesehen.
Weiterhin ist aus der US 4 901 531 ein in einen Rankine-Prozess integriertes Diesel-Aggregat bekannt, wobei ein Zylinder der Expansion gemäß Rankine dient und die anderen als Dieselmotor arbeiten. Aus der US 4 334 409 geht eine nach dem Rankine-Prozess arbeitende Anordnung hervor, bei der das Arbeitsfluid mit einem Wärmetauscher vorgeheizt wird, über den die Luft aus dem Auslass eines Kompressors einer Maschine mit innerer Verbrennung geführt ist.
Blockheizkraftwerke (BHKW) als Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um dezentrale, meistens mit Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Die bei der Verbrennung über die Kühlmedien ausgetragene Wärme wird dabei möglichst vollständig zur Beheizung geeigneter Objekte genutzt.
Insbesondere bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit nachgeschaltetem ORC als Abwärmekraftwerk haben sich Maschinen durchgesetzt, die auf Motoren mit einem Abgasturbolader zur Aufladung basieren. Man kommt damit der Forderung nach Maschinen mit sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden nach, die sich nur mit Turboaufladung und Rückkühlung des durch die Verdichtung erhitzten Brenngasgemisches erreichen lassen. Generell ist eine Kühlung des Brenngasgemisches erforderlich, weil ansonsten die Füllung der Zylinder relativ schlecht wäre. Mit der Kühlung wird die Dichte des angesaugten Gemisches größer und es verbessert sich der Füllungsgrad. Damit steigen die Leistungsausbeute und der mechanische Wirkungsgrad des Motors.
Die Motorenhersteller schreiben für die Gemischkühlung eine Kühlwassereintrittstemperatur von nur etwa 40 bis 50°C vor, damit das Gemisch genügend abgekühlt werden kann. Da dieses Temperaturniveau relativ niedrig ist, wird die dem Brenngasgemisch entzogene Wärme bei den bisher bekannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen an die Umgebung abgegeben, beispielsweise mit einem Tischkühler.
Bekannt ist weiterhin aus der DE 10 2005 048 795 B3 die Vorwärmung des Arbeitsmediums im ORC in zwei Schritten in einer Beheizungsvorrichtung, nämlich dass das Prozessmedium im ORC über zwei in Reihe einer Speisepumpe nachgeschaltete Wärmetauscher erwärmt wird. Dabei ist der erste Wärmetauscher nach der Speisepumpe als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme vorgesehen. Die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine ist über einen Kreislauf mit dem ersten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden, wobei die Wärme aus der Kühlung des von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Brenngasgemisches zur Vorwärmung des Prozessmediums im ORC dient und als Niedertemperaturwärme im ersten Wärmetauscher eingekoppelt wird. Ein zweiter Heizkreislauf bezieht Wärme aus Motorkühlwasser und Abgas der Verbrennungskraftmaschine und ist mit dem zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden, wobei die Wärme aus dem Kühlkreislauf und dem Abgas zur Überhitzung und Verdampfung des Prozessmediums im ORC dient und als Hochtemperaturwärme im zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe eingekoppelt wird.
Dabei ist auf der Dampfseite mindestens ein Verdampfer mit einem nachgeschalteten Tropfenabscheider gekoppelt, um flüssige, für den Betrieb einer Expansionsmaschine schädliche Anteile im Arbeitsmedium auszuschließen. Bekannte Tropfenabscheider bestehen im Wesentlichen aus einem liegend angeordneten zylindrischen Behälter, welcher einen Abscheideraum einschließt, der in seinem unteren Bereich mindestens einen mit dem Verdampfer in Verbindung stehenden Dampfeintrittsstutzen und in seinem oberen Bereich mindestens einen Dampfaustrittsstutzen aufweist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den Betrieb einer Abwärmenutzungsanlage, im Wesentlichen bestehend aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC, durch einen optimierten Tropfenabscheider zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Abwärmenutzungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenabscheider über die Wand des zylindrischen Behälters von außen beheizbar ist. Dazu weist der Tropfenabscheider um die Wand des zylindrischen Behälters herum einen Doppelmantel auf, so dass damit ein ringzylindrischer Raum für ein Heizmedium zur Beheizung des zylindrischen Behälters von außen her ausgebildet wird.
Dieser ringzylindrische Raum für ein Heizmedium wird in einer ersten Ausführungsform direkt von diesem zwischen einem Ein- und einem Austrittsstutzen durchströmt. Dabei sind die beiden als Vorlauf- und Rücklaufanschluss dienenden Stutzen vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten angeordnet.
In einer zweiten Ausführungsform weist der ringzylindrische Raum für ein Heizmedium einen aus mindestens einem spiralförmigen Rohr bestehenden, vom Heizmedium durchströmten Wärmetauscher auf. Dabei umgreift die Rohrwicklung vorzugsweise den zylindrischen Innenbehälter mit einem Abstand und erstreckt sich über einen Großteil des ringzylindrischen Raumes. Ein Erstreckung über die Gesamtlänge ist für gleichmäßigen Wärmeeintrag vorteilhaft.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung besitzt der ringzylindrische Raum für ein Heizmedium einen vom Heizmedium durchströmten Rohrbündel-Wärmetauscher mit mehreren in Längsrichtung durchströmten, kreissymmetrisch verteilten Einzelrohren. Dabei münden die Einzelrohre auf beiden Stirnseiten des ringzylindrischen Raumes jeweils in eine Sammelkammer für Ein- und Austritt. Die zweite und dritte Ausführungsvariante lassen somit zwei unterschiedliche Heizmedien bzw. Heizkreisläufe zu, nämlich einerseits innerhalb des Ringraumes und andererseits innerhalb der diese durchdringenden Rohranordnungen. Wird der Ringraum selbst nicht durchströmt, dient das flüssige Medium im Inneren im Wesentlichen zur Erhöhung der thermischen Trägheit und insgesamt zur Temperaturvergleichmäßigung beim Wärmeübergang zwischen der Wärme eintragenden Rohranordnung und dem inneren zylindrischen Behälter.
Vorteilhafterweise ist im Abscheideraum des Tropfenabscheiders innerhalb des zylindrischen Behälters ein Prallblech angeordnet, welches parallel zur Längsachse, auf oder unterhalb der Ebene der Längsachse und mit vorzugsweise geringem Abstand zur Wand des zylindrischen Behälters fixiert ist. Dieser Wandabstand lässt das Umströmen mit Dampf einerseits, aber auch das Ablaufen bereits abgeschiedener Tröpfchen an der Wand zu. Dabei ist das Prallblech an mehreren horizontalen Querstegen fixiert, welche an der Wand des zylindrischen Behälters befestigt sind. Mit dem Prallblech wird nicht nur eine Direktströmung zwischen Dampfeintrittsstutzen und Dampfaustrittsstutzen verhindert, sondern es wird auch die wirksame Abscheidefläche erweitert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ragt der mindestens eine Dampfaustrittsstutzen im oberen Bereich in den Abscheideraum hinein und besitzt an seinem Überstand in den Abscheideraum eine kegelförmige Aufweitung am freien Ende. Mit dieser speziellen Gestaltung wird verhindert, dass abgeschiedene Flüssigkeitströpfchen an der Innenwand entlang nach oben kriechen und in den Dampfaustrittsstutzen gelangen. Jeweils an den Stirnseiten des zylindrischen Behälters ist vorzugsweise ein Flansch mit einem integrierten Schauglas vorgesehen, um eine einfache Funktionskontrolle bzw. Inspektion des Tropfenabscheiders vornehmen zu können. Diese Kontrolle ist notwendig um sicherzustellen, dass eine vollständige Tropfenfreiheit im Dampfkreislauf vorliegt. Erst dann kann der Dampf in die Expansionsmaschine geleitet werden.
Mit der Erfindung wird der Betrieb einer Abwärmenutzungsanlage, im Wesentlichen bestehend aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC, durch einen optimierten Tropfenabscheider verbessert. Abwärmequellen können beispielsweise Blockheizkraftwerke, Industrieanlagen oder Kesselanlagen sein.
Je früher beispielsweise nach dem Anfahren einer Abwärmenutzungsanlage der Dampf in die Expansionsmaschine geleitet werden kann, desto höher ist deren Nutzungsgrad und somit auch Wirtschaftlichkeit. Insbesondere in der Anfahrphase benötigt es einige Zeit, bis der Verdampfer den normalen Betriebszustand erreicht hat und fast vollständig tropfenloser Dampf in der Zuleitung zur zugeordneten Expansionsmaschine ansteht.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Dampftrocknung im Tropfenabscheider durch den zusätzlichen Wärmeeintrag in diesem und dadurch eine effektive Tropfenabscheidung erreicht. Dadurch steht beim Betreiben einer Abwärmenutzungsanlage der tropfenfreie Dampf schneller zur Einleitung in die Expansionsmaschine zur Verfügung.
Vom konstruktiven Aufbau her betrachtet entsteht eine sehr kompakte Gesamteinheit aus Verdampfer und Abscheider, weil der Tropfenabscheider direkt im oberen Bereich an den Verdampfer angeflanscht werden kann.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt:
1: Den schematischen Aufbau einer Abwärmenutzungsanlage und
2: einen Tropfenabscheider im Längsschnitt.
Die für den ORC betriebswichtigen Komponenten sind ein ORC-Kreislauf 1, eine Speisepumpe 2, ein Verdampfer 3, eine Expansionsmaschine 4 zur Dampfexpansion, welche mit einem Generator 5 gekoppelt ist, ein Verflüssiger 6 für die Rückkühlung über eine Wärmesenke 7 sowie die Wärmetauscher 8, 9 zur Vorwärmung des Arbeitsmediums im ORC-Kreislauf 1.
Die beiden Wärmetauscher 8, 9 sind in Reihe der Speisepumpe 2 nachgeschaltet. Dabei dient der erste Wärmetauscher 8 nach der Speisepumpe 2 als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher 9 als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme aus einer Abwärmequelle 10.
Ein zweiter Heizkreislauf 11 ist mit seinem Vorlaufbereich mit dem Verdampfer 3 des ORC verbunden, weil das Temperaturniveau zunächst ausreichend hoch für dessen direkte Beheizung ist. Danach mündet der zweite Heizkreislauf 11 rücklaufseitig in den zweiten Wärmetauscher 9 und gibt dort noch vorhandene Restwärme an den ORC ab.
Der Verdampfer 3 ist mit einem nachgeschalteten Tropfenabscheider 12 gekoppelt, welcher im Wesentlichen aus einem liegend angeordneten zylindrischen Behälter 13 besteht, welcher einen Abscheideraum 14 einschließt, der in seinem unteren Bereich drei Dampfeintrittsstutzen 15 als Verbindung zum Verdampfer 3 und in seinem oberen Bereich einen Dampfaustrittsstutzen 16 aufweist.
Der Tropfenabscheider 12 wird über die Wand des zylindrischen Behälters 13 von außen beheizt. Dazu besitzt der Tropfenabscheider 12 einen Doppelmantel, so dass ein ringzylindrischer Raum 17 für ein Heizmedium zur Beheizung des zylindrischen Behälters 13 entsteht. Gemäß 2 wird der ringzylindrische Raum 17 vom Heizmedium direkt zwischen einem Ein- und einem Austrittsstutzen 18, 19 durchströmt.
Im Abscheideraum 14 befindet sich ein Prallblech 20, welches sich parallel zur Längsachse, auf oder unterhalb der Ebene der Längsachse und über alle Dampfeintrittsstutzen 15 hinweg erstreckt. Es ist mit Abstand zur Wand des zylindrischen Behälters 13 an mehreren horizontalen Querstegen 21 an dieser fixiert.
Der in den Abscheideraum 14 hinein ragende Dampfaustrittsstutzen 16 besitzt an seinem Überstand in den Abscheideraum eine kegelförmige Aufweitung 22 am freien Ende. Weiterhin ist an jeder Stirnseite des zylindrischen Behälters 13 ein Flansch mit einem Schauglas 23 angebracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19541521 A1 [0005]
US 4901531 [0006]
US 4334409 [0006]
DE 102005048795 B3 [0010]

Claims

Abwärmenutzungsanlage für eine Abwärmequelle (10), bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle), wobei die Abwärmequelle (10) mit der Beheizungsvorrichtung (8, 9) des ORC in Verbindung steht, sowie mit einer mit einem Generator (5) gekoppelten Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC, wobei mindestens ein Verdampfer (3) mit einem nachgeschalteten Tropfenabscheider (12) gekoppelt ist, welcher im Wesentlichen aus einem liegend angeordneten zylindrischen Behälter (13) besteht, welcher einen Abscheideraum (14) einschließt, der in seinem unteren Bereich mindestens einen Dampfeintrittsstutzen (15) als Verbindung zum Verdampfer (3) und in seinem oberen Bereich mindestens einen Dampfaustrittsstutzen (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenabscheider (12) über die Wand des zylindrischen Behälters (13) von außen beheizbar ist.
Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenabscheider (12) um die Wand des zylindrischen Behälters (13) herum einen Doppelmantel aufweist und dass damit ein ringzylindrischer Raum (17) für ein Heizmedium zur Beheizung des zylindrischen Behälters (13) von außen her ausgebildet wird.
Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ringzylindrische Raum (17) für ein Heizmedium direkt von diesem zwischen einem Ein- und einem Austrittsstutzen (18, 19) durchströmt wird.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ringzylindrische Raum (17) für ein Heizmedium einen aus mindestens einem spiralförmigen Rohr bestehenden, vom Heizmedium durchströmten Wärmetauscher aufweist.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringzylindrische Raum (17) für ein Heizmedium einen vom Heizmedium durchströmten Rohrbündel-Wärmetauscher mit mehreren in Längsrichtung durchströmten, kreissymmetrisch verteilten Einzelrohren aufweist, wobei die Einzelrohre auf beiden Stirnseiten des ringzylindrischen Raumes (17) jeweils in eine Sammelkammer für Ein- und Austritt münden.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenabscheider (12) im Abscheideraum (14) innerhalb des zylindrischen Behälters (13) ein Prallblech (20) aufweist, welches parallel zur Längsachse, auf oder unterhalb der Ebene der Längsachse und mit Abstand zur Wand des zylindrischen Behälters (13) fixiert ist.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallblech (20) an mehreren horizontalen Querstegen (21) fixiert ist, welche an der Wand des zylindrischen Behälters (13) befestigt sind.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dampfaustrittsstutzen (16) im oberen Bereich in den Abscheideraum (14) hinein ragt.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dampfaustrittsstutzen (16) im oberen Bereich an seinem Überstand in den Abscheideraum (14) eine kegelförmige Aufweitung (22) am freien Ende besitzt.
Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils an den Stirnseiten des zylindrischen Behälters (13) ein Flansch mit einem Schauglas (23) vorgesehen ist.