DE102011121274A1

DE102011121274A1 - Vorrichtung und Anordnung mit Schraubenmotor

Info

Publication number: DE102011121274A1
Application number: DE201110121274
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Sandkötter; Dr. Mosemann Dieter; Dr. Zaytsev Dmytro
Original assignee: GEA Grasso GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess mit einem Schraubenmotor als Kraftmaschine und eine Anordnung zur Maximierung der Energieausbeute bei beliebigen Betriebszuständen. Der ORC besitzt Verdampfer, Schraubenmotor, der antriebsmäßig mit einem Generator zwecks Erzeugung von Elektroenergie verbunden ist, Kondensator, Speisepumpe und Steuerung, die logische Verknüpfungen enthält. Kennzeichnend sind eine variable Einlassöffnung auf der Frischdampfseite am Schraubenmotor, die in einem beweglichen Ventilglied angeordnet ist, das parallel zu den Achsen der Rotoren stufenlos verschiebbar ist, steuerbare Mittel zur Änderung der Größe der Einlassöffnung, die als Teil einer Regelstrecke ausgebildet sind, und eine Steuerung, durch die die steuerbaren Mittel und der Elektroenergieaustrag am Generator logisch verknüpft sind, sowie ein Verfahrensschritte zur Maximierung des Elektroenergieaustrages.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen ORC-Prozess mit einem Arbeitsmittelkreislauf, der als Kraftmaschine einen Schraubenmotor beinhaltet, und eine Anordnung zur Vergrößerung der Energieausbeute.
Anordnung dieser Art sind zum Beispiel aus DE 10 2008 013545 A1 , DE 10 20005 048 795 B3 und aus DE 10 2007 041 944 B3 bekannt. Darin wird die Anwendung von ORC (Organic Rankine Cycle) zur Umwandlung von Wärme, meist bislang ungenutzter Abwärme, in mechanische Energie, beispielsweise zum Antrieb von Generatoren zwecks Stromerzeugung, offenbart.
Es handelt sich dabei um Dampfkraftprozesse, bei denen anstelle von Wasser organische Medien im Arbeitsmittelkreislauf verwendet werden. Eine Speisepumpe drückt das flüssige Arbeitsmittel bei hohem Druck durch mindestens einen Wärmeübertrager, in denen das Arbeitsmittel erwärmt, verdampft und überhitzt wird, der daher als Verdampfer bezeichnet wird. Die Besonderheit der erwähnten Patente ist, dass das dampfförmige Arbeitsmittel anstelle in einer Entspannungsturbine in einem Schraubenmotor auf einen tieferen Druck, den Kondensatordruck, entspannt wird. Der Schraubenmotor ist mit einem Generator gekoppelt und gibt mechanische Energie über Abtriebswelle und Kupplung an den Generator ab. Nach der Entspannung auf Kondensatordruck gelangt das Arbeitsmittel in einen Wärmeübertrager, den Kondensator, wo es nach Wärmeabgabe in ein Kühlmedium in Flüssigkeit umgewandelt wird. Wenn die Flüssigkeit wieder von der Speisepumpe angesaugt wird, ist der ORC geschlossen.
Schraubenmotoren sind Verdrängermaschinen mit einem geometrisch vorbestimmten Schöpfvolumen, welche das Füllvolumen von Arbeitskammern pro Umdrehung der Abtriebswelle bestimmt. Das Füllvolumen, bestehend aus Frischdampf, wird in den Arbeitskammern des Schraubenmotors auf einen tieferen Druck polytrop entspannt. Es leistet dabei mechanische Arbeit in geschlossenen Zahnlückenräumen. Nach dem Öffnen der Auslassöffnung nimmt das Arbeitsmedium Kondensationsdruck an, so dass zwischen dem Druck nach der inneren Entspannung und dem Kondensationsdruck eine Druckdifferenz vorhanden ist, die Verluste beinhaltet.
Im Gehäuse eines Schraubenmotors sind zwei Rotoren, die als Haupt- und Nebenrotor bezeichnet werden sollen, mit ineinander greifenden Zähnen und Zahnlücken so angeordnet, dass die dazugehörigen Zahnlücken der beiden Rotoren v-förmige Arbeitskammern bilden, deren geometrische Größe sich durch Drehung der Rotoren ändert. Diese Arbeitskammern werden durch den gegenseitigen Eingriff von Zahn und Zahnlücke längs ihrer Eingriffslinie und vom Gehäuse am Umfang und an den beiden Stirnseiten umschlossen.
Auf der einen Seite der Eingriffslinie vergrößern sich infolge der Drehung der Rotoren die Arbeitskammern, während sie sich auf der anderen Seite verkleinern.
Damit finden Füllvorgang mit Hochdruckdampf und nachfolgende Expansion auf der Seite statt, wo sich die Zahnlücken so wert vergrößern, bis die Auslassöffnung bei maximalem geometrischen Volumen der Arbeitskammern erreicht ist. Der Druckausgleich vom Druck in der Arbeitskammer nach der Entspannung beim Öffnen der Auslassöffnung auf den Kondensatordruck, je nach Größe der beiden Drücke ein Auspuffen oder ein Einpuffen, und das sich daran anschließende Ausschieben des entspannten Arbeitsmittels finden auf der anderen Seite der Eingriffslinie statt, nämlich dort wo sich die Zahnlücken verkleinern.
Damit werden im Schraubenmotor die einzelnen Schritte für eine Kraftmaschine in den Arbeitskammern realisiert, die durch die Zahnlücken der beiden Rotoren gebildet werden. Das Drehmoment als Folge von Füllvorgang und polytroper Entspannung des Arbeitsmittels wird an einer Abtriebswelle, die Teil eines Wellenzapfens am Hauptrotor ist, über eine Kupplung an den Generator übertragen.
Die Gestaltung und die Größe der Eintrittsöffnung definieren das geometrische Schöpfvolumen und damit das Füllvolumen auf der Frischdampfseite, also auf der Hochdruckseite, und in der Folge auch das Maß der Expansion des zugeführten Frischdampfes, und damit das innere Expansionsverhältnis zwischen Frischdampfdruck und Druck beim Öffnen des Auslassfensters des Schraubenmotors.
Zu einer vorhandenen Eintrittsöffnung eines Schraubenmotors gehören ein bestimmter durchsetzbarer Volumenstrom und ein bestimmtes Expansionsverhältnis.
Bekannte ORC-Anlagen benutzen Schraubenmotoren mit festem Vi-Wert. Das ist von Nachteil, wenn sich die Frischdampfmenge ändert, da das geometrische Schöpfvolumen bei konstanter Drehzahl, zum Beispiel angepasst an eine Netzfrequenz, eine konstante Größe hat.
Wird die Abwärmemenge beispielsweise größer, wird dem Arbeitsmittel, dem Frischdampf, mehr Wärme mitgeteilt. Das Dampfvolumen steigt infolge größerer Überhitzung. Der Druck vor dem Schraubenmotor steigt möglicherweise unzulässig an, da das geometrische Schöpfvolumen des Schraubenmotors bei gleicher Drehzahl konstant ist. Ein Bypass mit Drosselventil parallel zum Schraubenmotor arbeitet als Druckbegrenzung. Der auf diese Weise entspannte Frischdampf leistet nachteilig keine Arbeit.
Ein Betriebszustand mit kleiner Abwärmemenge führt hingegen dazu, dass die Frischdampfmenge abnimmt. In der Folge sinken Frischdampfdruck und damit auch die Verdampfungstemperatur. Die Eintrittsenthalpie des Frischdampfes wird kleiner, und die Ausbeute an Elektroenergie sinkt.
Die Energieausbeute ändert sich dabei stärker als das Frischdampfvolumen.
Die Ursache liegt darin, dass der Schraubenmotor nicht in der Lage ist, die Änderung des Frischdampfvolumenstromes infolge von mehr oder Wärmezufuhr zum Verdampfer durch mehr oder weniger Schöpfvolumen zu kompensieren. in der Folge steigt oder sinkt der Frischdampfdruck und damit die Verdampfungstemperatur und somit auch die mögliche Auskühlung einer Abwärmequelle.
Bekannte Lösungen haben versucht, diese Nachteile zu beseitigen.
Gemäß US-Patentschrift 2 845 777 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, in der die Dampfzufuhr mittels eines Ventiles gesteuert wird, wobei der Dampf über Kanäle unmittelbar an den Rotorumfang geleitet werden soll. Diese technische Ausgestaltung führt auf Grund kleiner Strömungsquerschnitte zu großen Druckabfällen im Frischdampf vor Eintritt in die Arbeitskammern. Das reduziert die Energieausbeute des ORC.
OS 2 144 725 offenbart eine andere Vorrichtung, um das Füllvolumen des Schraubenmotors während des Betriebes zu ändern. Dabei wird Hochdruckdampf an der Eintrittsseite der Rotoren über mittig angeordnete Kanäle im Inneren der Rotoren zugeführt, deren Durchlässigkeit mittels verstellbarer Steuerkolben verändert wird.
In den Patenten EP 0 042 027 und US 5 195 881 wird vorgeschlagen, dass an einer der stirnseitigen Gehäusewände bewegliche Schließvorrichtungen vorhanden sind, die mit den Arbeitskammern auf der Frischdampfseite kommunizieren und die in ihrer Lage und/oder Erstreckung in Umfangsrichtung der Rotation veränderbar sind. Angetrieben werden diese Schließvorrichtungen mittels Stirnverzahnung und Schnecken- oder Stirnradgetriebe.
Nachteilig sind in diesen bekannten Schraubenmotoren, dass die Drosselverluste auf der Frischdampfseite die Effizienz des Schraubenmotors infolge großer Druckabfälle vor den Arbeitskammern durch zu kleine Kanal-Querschnittsflächen herabsetzen und dass diese Schraubenmotoren auf Grund der Teilevielfalt sehr kostenaufwändig und störanfällig sind.
Ziel der Erfindung ist, die Nachteile bekannter Schraubenmotoren zu beseitigen. Ein Schraubenmotor der erfindungsgemäßen Art soll Druckabfälle auf der Einlassseite reduzieren und ermöglichen, dass die Frischdampfentnahme in weiten Grenzen variierbar ist und dass der Verdampferdruck auch bei Änderung der Abwärmemenge optimiert werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dass die Frischdampfentnahme durch eine neue Anordnung abhängig von Betriebsparametern gesteuert oder geregelt werden kann, die eine energieoptimale Betriebsweise, also maximale Energieausbeute an der Abtriebswelle des Schraubenmotors, gewährleistet.
Ein Schraubenmotor gemäß der Erfindung hat die Merkmale einer Vorrichtung derart, dass

1. eine variable Einlassöffnung vorhanden ist: Die Einlassöffnung ist in ihrer Größe dadurch variabel, dass sie in einem Ventilglied angeordnet ist, das parallel zu den Achsen der Rotoren verschiebbar ist, und das Ventilglied eine Ausnehmung besitzt, die mit der radialen Umfangs-Peripherie zumindest eines Rotors mit dessen Arbeitskammern kommuniziert.
2. Mittel zur Änderung Einlassöffnung während des Betriebes vorhanden sind: Mittel sind zum Beispiel Ventile, die abhängig von Betriebsdaten, zum Beispiel Frischdampfdruck, durch eine Steuerung angesteuert werden, um die Einlassöffnung zu vergrößern oder zu verkleinern.
3. Eine Steuerung mit logischen Verknüpfungen zwischen Betriebsparametern und Größe der Einlassöffnung vorhanden ist.

In Patent DE 19916983 ist ein Schraubenverdichter mit variabler Auslassöffnung zur Änderung des Vi-Wertes mittels eines axial beweglichen Vi-Schiebers beschrieben. Die Auslassöffnung befindet sich auf der Hochdruckseite des Verdichters. Durch Veränderung der axialen Position des Vi-Schiebers wird die Größe der inneren Verdichtung eines kompressiblen Arbeitsfluids realisiert. Ziel ist dabei, den Verdichtungsvorgang in seiner Effizienz zu verbessern.
Diese bekannte technische Ausführung wird gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als Schraubenmotor mit variabler Einlassöffnung verwendet, indem die Drehrichtung der Rotoren für den Schraubenmotor entgegen der Drehrichtung des Verdichters festgelegt wird, indem die Auslassöffnung des Schraubenverdichters als Einlassöffnung des Schraubenmotors festgelegt wird, indem die Einlassöffnung des Schraubenverdichters als Auslassöffnung des Schraubenmotors festgelegt wird und indem die Durchströmungsrichtung für den Schraubenmotor entgegengesetzt zum Schraubenverdichter festgelegt wird, nämlich von der Hochdruckseite zur Niederdrucksete. Die Eintrittsöffnung des Schraubenmotors befindet sich damit auf der Hochdruckseite, dort wo die variable Auslassöffnung zur Änderung des Vi-Wertes des Schraubenverdichters mittels eines axial beweglichen Vi-Schiebers im Schraubenverdichter angeordnet ist. Das Ziel, das geometrische Schöpfvolumen des Schraubenmotors durch Verschieben des axial beweglichen Vi-Schiebers des Schraubenverdichters zu verändern, ist damit realisierbar.
Gemäß den Merkmalen der Erfindung hat der erfindungsgemäße Schraubenmotor einen Gehäuseabschnitt ebenso wie der Schraubenverdichter, in dem erstens die Profilteile zweier drehbarer Rotoren, die v-förmige Arbeitskammern bilden, parallel angeordnet sind, in dem zweitens das axial bewegliche Ventilglied, der Vi-Schieber, angeordnet ist, der an den Außendurchmesser des Profilteiles zumindest eines Rotors dort angrenzt, wo sich die Arbeitskammern infolge der Drehung an der Abtriebswelle unterschiedlich zum Schraubenverdichter vergrößern, in dem drittens unterschiedlich zum Schraubenverdichter der Einlasskanal für die Zufuhr von Frischdampf und der Auslasskanal zur Ableitung von entspanntem Dampf benutzt wird, und das axial bewegliche Ventilglied, der Vi-Schieber, eine Ausnehmung aufweist, die unterschiedlich zum Schraubenverdichter mit dem Einlasskanal kommuniziert, und die Form der Ausnehmung zumindest in einem Teilbereich der Schraubenlinie oder den Schraubenlinien des oder der daran angrenzenden Rotoraußendurchmesser folgt, so dass diese Ausnehmung mit zumindest einer Zahnlücke und unterschiedlich zum Schraubenverdichter mit dem Einlasskanal strömungsmäßig kommuniziert. Dadurch werden unterschiedlich zum Schraubenverdichter große Kanäle auf der Einlassseite realisiert, um Druckabfälle während des Füllvorganges der Arbeitskammern mit Frischdampf klein zu halten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die axiale Erstreckung des Ventilgliedes größer als die Länge der Profilteile der Rotoren und/oder die Ausnehmung grenzt an beide Profilteile an.
Die Arbeitskammern werden durch den gegenseitigen Eingriff von Zahn und Zahnlücke längs ihrer Eingriffslinie, vom Gehäuse teils am Umfang und teils an den beiden Stirnseiten und vom Ventilglied umschlossen. Auf der Seite der Eingriffslinie, auf der das Ventilglied angeordnet ist, vergrößern sich infolge der Drehung an der Abtriebswelle die Arbeitskammern des Schraubenmotors.
Durch axiale Verschiebung des Ventilgliedes, des Vi-Schiebers, ändert sich die Größe der kommunizierenden Fläche, die an einen Rotor oder an beide Rotoren angrenzt.
Die axiale Lage des Ventilgliedes mit seiner Ausnehmung definiert unterschiedlich zum oben erwähnten Schnaubenverdichten die Größe der Eintrittsöffnung und damit das Schöpfvolumen des Schraubenmotors auf der Frischdampfseite, also auf der Hochdruckseite, und in der Folge auch das Maß der Expansion des zugeführten Frischdampfes, und damit das innere Expansionsverhältnis zwischen Frischdampfdruck und Druck beim Öffnen des Auslassfensters des Schraubenmotors.
Das innere Expansionsverhältnis ist vom Vi-Wert des Schraubenmotors, dem Verhältnis zweier geometrischer Volumen, abhängig. Wie oben erwähnt ist der Vi-Wert das Verhältnis aus geometrischem Gesamtverdrängervolumen geteilt durch das geometrische Schöpfvolumen.
Ein großer Vi-Wert erlaubt eine größere innere Entspannung als ein kleinerer Vi-Wert, verursacht aber eine kleinere Eintrittsöffnung und somit ein kleineres geometrisches Schöpfvolumen als ein kleinerer Vi-Wert.
Mit Veränderung des Vi-Wertes ändern sich die geometrischen Relationen zwischen Eintrittsfläche und Schöpfvolumen und das geometrische Expansionsverhältnis, das das Druckverhältnis von Eintrittsdruck und Auslassdruck einer sich öffnenden Arbeitskammer des Schraubenmotors bestimmt.
Das Ventilglied, der Vi-Schieber, ist wie im oben zitierten Schraubenverdichter mit Mitteln antriebsmäßig verbunden, die seine Verschiebung ermöglichen, zum Beispiel eine Kolben-Zylinderanordnung, wobei die Kolben-Zylinderanordnung mit steuerbaren Zu- und Ablaufkanälen für ein Fluid, zum Beispiel Öl oder Arbeitsmittel, kommunizierend verbunden sind, die sich derart steuern lassen, dass sich der Kolben in die eine oder in die andere Richtung verschiebt. Dadurch ändern sich in der Folge die Größe der Einlassöffnung und damit die Frischdampfentnahme durch den Schraubenmotor. Werden andere Stellantriebe zur Verschiebung des Ventilgliedes verwendet, wird oder werden diese, zum Beispiel Motoren, demgemäß so angesteuert, dass sich das Ventilglied in die eine oder in die andere Richtung verschiebt.
Damit lässt sich das geometrische Schöpfvolumen des Schraubenmotors und somit die Frischdampfmenge zum Schraubenmotor variieren. In der Folge kann zum Beispiel die Frischdampfmenge bei konstantem Verdampfungsdruck entnommen werden. Der Frischdampfdruck ist damit in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung Regelgröße für die Verschiebung des Ventilgliedes durch kombiniertes Öffnen oder Schließen von Ventileinrichtungen in den steuerbaren Zu- und Ablaufkanälen. Dazu ist beispielsweise ein Dreipunktregler eingangsseitig mit der Sensorleitung eines Drucktransmitters für den Frischdampfdruck verbunden und ausgangsseitig mit Ventileinrichtungen der steuerbaren Zu- und Ablaufkanäle. Der Dreipunktregler ist auf einen Sollwert referenziert und liefert bei Abweichungen davon Signale an die Ventileinrichtungen, um den Frischdampfdruck an den vorgegebenen Sollwert anzupassen. Ist der Frischdampfdruck zu hoch, muss der Vi-Wert verkleinert werden, das heißt, die Einlassöffnung wird durch Verschieben des Ventilgliedes vergrößert. Wäre der Frischdampfdruck zu niedrig, würde der Vi-Wert verkleinert, das heißt, die Einlassöffnung würde durch Verschieben des Ventilgliedes verkleinert.
Die Signale des Dreipunktreglers werden dabei zu den besagten Ventileinrichtungen der steuerbaren Zu- und Ablaufkanäle des Schraubenmotors geführt, die das Stellglied der Regelstrecke bilden.
Der Frischdampfdruck ist Regelgröße, die steuerbaren Zu- und Ablaufkanäle sind Teil der Regelstrecke. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Wenn das Frischdampfvolumen sehr klein wird, wenn sich also die nutzbare Abwärmemenge stärk reduziert, führt der vorgegebene Sollwert für die Regelgröße „Frischdampfdruck” nicht zur höchst möglichen Elektroenergie-Ausbeute am Generator. Dann würde das Schöpfvolumen mit dieser Regelstrategie durch einen großen Vi-Wert reduziert, um den Verdampfungsdruck auf Sollvorgabe zu halten. In der Folge sinkt die Effizienz des ORC, wenn der Vi-Wert zu groß wird, da die Einlassdrosselverluste während des Füllvorganges der Arbeitskammern stark zunehmen.
Daher ist gemäß der Erfindung eine Sollwert-Verschiebung in Abhängigkeit von Betriebsparametern vorteilhaft mit einem zugewiesenen Korridor für Vi-Werte. Dazu ist eine Steuerung speziell wie folgt ausgestaltet:
Eine drehzahlvariable Speisepumpe oder ein Druckregler sind mit der Steuerung signaltechnisch ausgangsseitig verbunden. Speisepumpendrehzahl oder Änderung der Öffnungsstellung des Druckreglers können dadurch verändert werden, so dass sich Sollwerte für den Frischdampfdruck einstellen lassen, Für den Fall, dass der Vi-Wert den vorgegebenen Korridor verlassen müsste, weil zu viel oder zu wenig Frischdampf bereitgestellt werden, wird durch den Algorithmus der Steuerung der Sollwert für den Verdampferdruck angehoben, wenn zu viel Frischdampf anfällt oder abgesenkt, wenn zu wenig Frischdampf anfällt, damit der Betrieb des Schraubenmotors im vorgegebene Vi-Korridor möglich ist.
Wenn das Frischdampfvolumen sehr klein wird, wird der Sollwert für den Verdampferdruck abgesenkt, damit das Frischdampfvolumen zunimmt und ein kleinerer Vi-Wert mit größerem theoretischem Schöpfvolumen erforderlich wird, so dass sich der Vi-Wert in seinem zugewiesenen Korridor bewegen wird. Analog, jedoch in der entgegen gesetzten Richtung wird der Sollwert verschoben, wenn zu viel Frischdampf anfällt.
In einer anderen erfindungsgemäßen Variante des Algorithmus in der Steuerung wird neben der Sollwertvorgabe für den Frischdampfdruck vorteilhaft die maximal mögliche elektrische Leistungsabgabe des Generators als Zielgröße benutzt. Durch Verstellen des Vi-Wertes ändern sich Frischdampfdruck und Leistungsabgabe des Generators. Der sich einstellende Frischdampfdruck ist nicht mehr von Interesse. Damit der Frischdampfdruck dabei nicht den maximal zulässigen Wert überschreitet, ist auch hierbei eine Druckbegrenzung erster Priorität vor allen anderen Stellsignalen des Reglers mit dem Stellsignal „Verkleinerung des Vi-Wertes” zur Vergrößerung des Schöpfvolumens vorhanden.
Für diese Art der Leistungsmaximierung mittels logischer Verknüpfungen, die im Algorithmus der Steuerung abgebildet sind, wird der Vi-Wert gesucht, also die Einlassflächengröße, bei der die elektrische Leistungsabgabe des Generators bei dem aktuell vorhandenen Frischdampfvolumen am größten ist. Zielgröße ist die maximal mögliche elektrische Leistungsabgabe des Generators, Stellglied der Regelstrecke sind dabei auch die Ventileinrichtungen in den steuerbaren Zu- und Ablaufkanälen am Schraubenmotor.
Wie bereits dargestellt, definieren Gestaltung und Größe der Eintrittsöffnung das geometrische Schöpfvolumen und damit das Füllvolumen auf der Frischdampfseite, also auf der Hochdruckseite, und in der Folge auch das Maß der Expansion des zugeführten Frischdampfes und damit das innere Expansionsverhältnis zwischen Frischdampfdruck und Druck beim Öffnen des Auslassfensters des Schraubenmotors.
Der Druckabfall an der Eintrittsöffnung, also zwischen Frischdampf- und Arbeitskammerdruck, während des Füllvorganges beeinflusst die Energieeffizienz des ORC. Der Druckabfall hängt von mehreren Parametern ab, das sind vor allem Frischdampfdichte, geometrische Größe der Eintrittsöffnung in Bezug auf das geometrische Schöpfvolumen, also Vi-Wert, und die Drehzahl.
Große Drehzahl, großer Vi-Wert, grolle Frischdampfdichte verursachen einen größeren Druckabfall als eine kleinere Drehzahl, bei sonst gleichen Parametern. Ein großer Vi-Wert, also kleinere Eintrittsöffnung, verursacht selbst bei konstanter Drehzahl einen größeren Druckabfall zwischen Frischdampf und Arbeitskammer während des Füllvorganges als ein kleiner Vi-Wert. Zusätzlich zu den erwähnten Einflüssen ändern sich auch das Expansionsverhältnis und damit die mechanische Energieausbeute durch Änderung des Vi-Wertes.
Das Optimierungspotential bei Änderung der zur Verfügung stehenden Abwärme und des damit verbundenen Frischdampfvolumens mit unterschiedlicher Dampfdichte wird durch eine vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung möglich, wenn ein Generator mit variabler Drehzahl eingesetzt wird.
Das Potential für maximale Energieausbeute am Schraubenmotor wird durch logische Verknüpfung von Drehzahl und Vi-Wert, die Teil des Algorithmus der Steuerung ist, mit der Zielgröße ”maximale Energieausbeute am Schraubenmotor” bei jedem beliebigen Betriebspunkt realisiert, Stellglied der Regelstrecke sind dabei die Ventileinrichtungen in den steuerbaren Zu- und Ablaufkanälen am Schraubenmotor und die Drehzahl des Generators.
Der sich einstellende Frischdampfdruck ist dabei nicht mehr von Interesse. Lediglich eine Druckbegrenzung erster Priorität vor allen anderen Stellsignalen des Reglers mit dem Stellsignal „Verkleinerung des Vi-Wertes” zur Vergrößerung des Schöpfvolumens ist hier noch nötig.
Gemäß dieser Optimierungsstrategie, die im Algorithmus der Steuerung abgebildet ist, können vorteilhaft während des Betriebes Drehzahl und Vi-Wert abwechselnd stufenweise verstellt und die Veränderung der Energieausbeute bewertet werden. Stellglied der Regelstrecke sind dabei auch die Ventileinrichtungen in den steuerbaren Zu- und Ablaufkanälen am Schraubenmotor und die Drehzahl des Generators.
Die Optimierungsstrategie ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Weitergehende Strategien, die im Algorithmus der Steuerung enthalten sind, können zum Beispiel die Zunahme der auszukoppelnden Abwärmemenge und die damit verbundene Zunahme des Frischdampfvolumens bei sinkender Frischdampftemperatur und sinkendem Frischdampfdruck berücksichtigen, um die Ausbeute an Elektroenergie am Generator zu maximieren. Die Zunahme von Frischdampfvolumen, das größeres geometrisches Schöpfvolumen erfordert, also einen kleineren Vi-Wert, kann trotz sinkenden Frischdampfdruckes zu einer größeren Ausbeute an Elektroenergie führen als ein ORC mit weniger Frischdampfvolumen bei höherem Frischdampfdruck, das ein kleineres geometrisches Schöpfvolumen erfordert, also einen größerem Vi-Wert. Stellglied der Regelstrecke sind dabei auch immer die steuerbaren Zu- und Ablaufkanäle am Schraubenmotor.
Druck-Volumendiagramme, mit deren Hilfe sich die Kreisprozessarbeit eines Schraubenmotors veranschaulichen lässt, zeigen, welche Auswirkungen Veränderungen von Vi-Wert und Frischdampfdruck auf die Leistungsausbeute haben.
Die Erfindung wird folgend an Beispielen erläutert.
1 zeigt das Prinzip des Organic-Rankine-Cycle, den ORC, im Druck-Enthalpie-Diagramm mit seinen Hauptkomponenten.
2 zeigt die Abwicklung der Außenperipherie des Profilteils eines Rotorpaares eines Schraubenmotors mit seinen v-förmigen Arbeitskammern.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Schraubenmotor.
4 zeigt Druck-Volumendiagramme für einen Schraubenmotor.
5 zeigt den für die Erfindung relevanten Teil eines Schaltschemas einer ORC-Anlage mit Sollwert-Shiftung für den Verdampfungsdruck.
6 zeigt den für die Erfindung relevanten Teil eines Schaltschemas einer ORC-Anlage mit Verdampfungsdruckregelung und Vi-Wert-Korridor.
In 1 sind die Hauptkomponenten eines ORC dargestellt, eine Expansionsmaschine 31, Beispiel ein Schraubenmotor, in der die Entspannung vom Verdampfungsdruck auf Kondensatordruck realisiert werden soll, der Kondensator 32, in dem das Arbeitsmittel durch Wärmeentzug verflüssigt werden soll, die Speisepumpe 33, in der der Druck des flüssigen Arbeitsmittels auf Verdampfungsdruck angehoben werden soll, und der Verdampfer 34, in dem das Arbeitsmittel zunächst bis zum Siedepunkt erhitzt wird, dann verdampft und schließlich zumindest so weit überhitzt werden soll, dass in der Expansionsmaschine während der Entspannung keine Flüssigkeit entsteht.
Das Schema in 1 entspricht einer sehr vereinfachten Darstellung, da sonst übliche weitere innere Wärmeübertrager nicht enthalten sind. Auf eine detailliertere Darstellung wurde verzichtet, da diese für die Erklärung der Erfindung nicht relevant sind.
In 2 sind in eine Abwicklung der Außenperipherie der Rotoren, die v-förmige Arbeitskammern bilden, die Eintrittsöffnung 3 mit ihren v-förmigen Steuerkanten 11 dargestellt. Sie folgen dort in diesem Teilbereich der Außenkontur der Rotoren. Die Steuerkanten 11 begrenzen die Eintrittsöffnung 3 und damit das Ende eines Füllvorganges.
Gemäß der Erfindung sind sie in einem beweglichen Teil angeordnet, das in Achsrichtung der Rotoren verschoben werden kann.
Die v-förmigen Arbeitskammern 14 kommunizieren weder mit der Eintrittsöffnung 3 noch mit der Auslassöffnung, welche durch die Auslasssteuerkanten 12 begrenzt ist. Da sich die Arbeitskammern infolge der Rotordrehung vergrößern, wird das Arbeitsmittel entspannt und gibt einen Teil seiner Energie als mechanische Arbeit an die Rotoren ab. Die Rotoren drehen sich in Drehrichtung 13.
In 3 sind Teile eines erfindungsgemäßen Schraubenmotors 20 dargestellt, ein Vi-Schieber 2 mit einer Zylinder–Kolben-Anordnung 4 und Rotoren 21 mit Profilteilen 1. Der Vi-Schieber 2 weist eine Ausnehmung auf, die die Eintrittsöffnung 3 bildet. Sie ist an einem Umfangsteilbereich der Profilteile 1 der Rotoren 21 in einem Gehäuseabschnitt angeordnet. Die Eintrittsöffnung 3 grenzt kommunizierend an die v-förmigen Arbeitskammern der Profilteile 1 der Rotoren 21 an deren Außendurchmesser an. Sie hat außerdem eine Strömungsverbindung zum Einlasskanal 7 des Gehäuses. Die axiale Erstreckung 9 des Vi-Schiebers 2 ist mit Ausnahme der Ausnehmung 3 größer als die axiale Erstreckung 10 der Profilteile 1 der Rotoren 21, Dadurch ist sichergestellt, dass die v-förmigen Arbeitskammern im Umfangswandbereich außerhalb der Eintrittsöffnung 3 auch noch in der Position des Vi-Schiebers 2 mit größtem Vi-Wert geschlossen bleiben.
Der Hauptrotor, der in der Figur zu sehen ist, besitzt das Abtriebswellenende 22.
Beide Rotoren 21 sind in nicht näher bezeichneten Wälzlagern gelagert, welche Radialkräfte und Axialkräfte aufnehmen. Die Abdichtung des Innenraumes des Schraubenmotors nach außen am Abtriebswellenende 22 wird durch eine nicht weiter dargestellte Gleitringwellendichtung realisiert. Die auf den Hauptrotor wirkende Axialkraft, hervorgerufen durch den Druckunterschied zwischen Frischdampfdruck an der Eintrittsöffnung und Kondensatordruck an der Auslassöffnung, wird weitestgehend durch einen nicht weiter dargestellten mit Öldruck beaufschlagten Ausgleichskolben, der auf dem Wellenende des Hauptrotors drehfest angeordnet ist, realisiert.
Der Vi-Schieber 2 ist kraftschlüssig mit dem Kolben 25 der Zylinder-Kolben-Anordnung 4 verbunden. Die Zylinderinnenräume 23, 24 der Zylinder-Kolben-Anordnung 4, die sich beidseitig zum Kolben 25 befinden, werden über Zu- und Ablauföffnungen 5, 6 wechselseitig mit Drucköl beaufschlagt, um den Kolben 25 und damit den Vi-Schieber 2 zum Beispiel nach rechts hin zu einem größeren Vi-Wert, also zur Verkleinerung des geometrischen Schöpfvolumens, oder nach links hin zu einem kleineren Vi-Wert, also zur Vergrößerung des geometrischen Schöpfvolumens, zu verschieben.
Dadurch lässt sich das geometrische Schöpfvolumen und damit das Frischdampfvolumen zum Schraubenmotor verkleinern oder vergrößern, so dass es bedarfsgerecht verändert werden kann, um beispielsweise den Verdampfungsdruck konstant zu halten.
Dabei verändert sich der Druckverlauf im Schraubenmotor während des Füllvorganges und während der Entspannung. Dieser Druckverlauf lässt sich in einem Druck-Volumendiagramm für den Schraubenmotor darstellen.
In 4 ist sind zwei Druckverläufe für einen Vi-Wert von 2,6 dargestellt. Der theoretische Druckverlauf 15 resultiert aus einer quasistatischen Betrachtungsweise ohne Strömungsdruckabfälle und reversibler Entspannung des Arbeitsmittels. Der Frischdampf hat den Eintrittsdruck 17. Dieser bleibt bis zum Schließen der Eintrittsöffnung beim geometrischen Schöpfvolumen 19 konstant. Danach beginnt eine reversible Entspannung des Arbeitsmittels bis auf das maximale geometrische Volumen 30, das dem Verdrängervolumen des Schraubenmotors entspricht.
Dabei sinkt der Druck in der Arbeitskammer gemäß der theoretischen Expansionslinie ab. Der Druck bei Entspannung auf das maximale geometrische Volumen 30 ist unabhängig vom Kondensationsdruck 18 im Auslasskanal B. Er kann größer oder kleiner sein, so dass in dem einen Fall Arbeitsmittel ohne Energieabgabe „auspufft” oder nach einer Entspannung innerhalb der Arbeitskammer nach Öffnung des Auslasses zurück strömt, also „einpufft”, was beides zu Verlusten führt. Regelstrategie gemäß der Erfindung kann diese Verluste jedoch minimieren.
Der tatsächlich zu erwartende Druckverlauf 16 wird durch Strömungsdruckabfälle, Druckverluste und verlustbehaftete Entspannung des Arbeitsmittels verursacht.
Der Eintrittsdruck 17, der den Frischdampfdruck darstellt, wird in der Arbeitskammer nicht erreicht, obwohl die Eintrittsöffnung 3 bereits mit der Zahnlücke kommuniziert, da die Durchlassfläche zwischen Eintrittsöffnung 3 und Arbeitskammer erst durch das Drehen der beiden Rotoren entsteht, so dass zunächst ein Missverhältnis zwischen geometrischer Volumenvergrößerungsgeschwindigkeit der v-förmigen Arbeitskammern und der schleichenden Vergrößerung der Eintrittsöffnung 3 besteht. Wird die Eintrittsöffnung 3 dann größer, nähert sich der Druck in der Arbeitskammer dem Eintrittsdruck 17. Da sich die Eintrittsöffnung 3 ebenfalls durch Rotordrehung schließt, beginnt die Arbeit leistende Entspannung nach passieren des geometrischen Schöpfvolumen 19 unterhalb des Eintrittsdruckes. Nach der polytropen Entspannung des Arbeitsmittels bis auf das maximale geometrische Volumen 30 wird ein Druck erreicht, der größer oder kleiner als der Kondensationsdruck 18 ist. Diese Tatsache beinhaltet auch beim realen Kreisprozess ein Optimierungspotential, das durch die Regelstrategie gemäß der Erfindung erschlossen werden kann.
Der Wirkzusammenhang zwischen den Betriebsparametern eines ORC, wie Frischdampfvolumen- oder Frischdampfmassenstrom, Frischdampfdruck, Vi-Wert, Drehzahl, thermodynamische Fluideigenschaften wird zur Maximierung der elektrischen Leistung des Generator gemäß der Erfindung benutzt, indem Betriebsparameter nacheinander oder in Kombination verändert werden.
In 5 ist dazu ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt.
5 zeigt den für die Erfindung relevanten Teil eines Schaltschemas einer ORC-Anlage mit Verdampfungsdruckregelung und Sollwertverschiebung des Verdampfungsdruckes zur Leistungsmaximierung. Die Sollwertverschiebung soll als Sollwert-Shiftung bezeichnet werden. In der Anordnung gemäß der Erfindung ist die Abtriebswelle des Schraubenmotors 31 über eine nicht dargestellte Kupplung mit dem Generator drehfest verbunden. Am Verdampfer 32 wird die Abwärme zur Verdampfung des Arbeitsmittels eingesetzt, am Kondensator 34 wird das im Schraubenmotor entspannte Arbeitsmittel verflüssigt und danach von einem nicht dargestellten Sammelgefäß durch die Speisepumpe 33 mit ihrem drehzahlvariablem Antrieb 95 auf Verdampfungsdruck gebracht.
Am Schraubenmotor sind je zwei Magnetventile vor und nach der Zylinder-Kolben-Anordnung 4 angeordnet, die über die Steuerleitungen 91, 92, 93, 94 geöffnet oder geschlossen werden können.
Um den Vi-Wert zu vergrößern, werden die Magnetventile 82, 83 synchron angesteuert, sie werden gemeinsam kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen. Dabei strömt Öl mit hohem Druckniveau von Leitung 81 über das Ventil 82 in den einen Zylinderraum, während Öl über das andere Magnetventil 83 und Leitung 84 zu einem niedrigen Druckniveau abströmen kann.
Ein nicht dargestellter Druckwandler in der Leitung 97, der den Verdampferdruck in ein verwertbares Signal umsetzt, ist eingangsseitig über Leitung 90 mit einem Dreipunktregler in der Steuerung 80 verbunden.
Ist der Verdampfungsdruck kleiner als der Sollwert, liefert der Dreipunktregler ein Stellsignal, und die Magnetventile 82, 83 werden über die Steuerleitungen 91, 92 wie beschrieben geöffnet, damit der Vi-Wert größer wird, das Schöpfvolumen und damit die Frischdampfentnahme des Schraubenmotors kleiner wird, so dass der Verdampfungsdruck wieder steigt.
Regelgröße für den Schraubenmotor ist der Sollwert für den Verdampfungsdruck, der durch den Algorithmus der Steuerung 80 stufenweise verändert wird. Die Speisepumpe 33 realisiert diese Druck-Vorgabe durch Drehzahländerung für die Sollwert-Shiftung am drehzahlvariablen Antrieb 95.
Dazu ist eine logische Verknüpfung zwischen dem Druckwandler in der Leitung 97, der den Verdampferdruck in ein verwertbares Signal umsetzt, und der Frequenzvorgabe für den drehzahlvariablen Antrieb 95 in der Steuerung 80 vorhanden.
Die Energieausbeute wird dadurch maximiert, dass der Verdampfungsdruck durch Sollwert-Shiftung so lange verändert wird, bis die Leistungsausbeute am Generator ihren maximalen Wert erreicht hat. Dazu genügt zunächst eine Verstellung, um die Richtung der Sollwert-Shiftung zu bestimmen, also Soll-Verdampfungsdruck größer oder kleiner. Dazu wird der Vi-Wert über den für den Schraubenmotor zuständigen Dreipunktregler beim jeweiligen Soll Verdampfungsdruck ausgeregelt. Nimmt die Leistungsausbeute dabei zu, wird die eingeschlagene Richtung fortgesetzt, bis die Änderung der Ausbeute nur noch marginal ist, dann wäre die Zielgröße erreicht, nimmt sie ab, muss die Sollwert-Shiftung in entgegen gesetzter Richtung erfolgen.
Die Speisepumpe 33 hat einen drehzahlvariablen Antrieb 94, an dem über ein Stellsignal die Drehzahl und damit der Frischdampfdruck variiert wird, so dass die stufenweise Sollwert-Shiftung durch Drehzahländerung realisiert wird. Der jeweilige Sollwert für den Frischdampfdruck ist eine Regelgröße für den Schraubenmotor, dessen Ventile jeweils vom Dreipunktregler angesteuert werden.
Im Ergebnis wird die Leistungsabgabe des Generators bewertet und die nächste Sollwertvorgabe für den Frischdampfdruck eingeleitet.
Die Sollwert-Shiftung in Kombination mit der Verdampfungsdruckregelung mittels Vi-Wert-Änderung gewährleistet maximale Ausbeute an Elektroenergie am Generator bei jedem Betriebszustand der ORC-Anlage. Die Stellglieder des Schraubenmotors, also die Magnetventile 81 bis 84, sind Teil der Regelstrecke. Die Zielgröße, die maximalste Elektroenergieausbeute am Generator bei beliebigem Frischdampfvolumenstrom, wird durch Änderung der Sollgröße für den Verdampfungsdruck und durch den besten Vi-Wert des Schraubenmotors erreicht.
Der Druck vor dem Schraubenmotor, der Verdampfungsdruck, wird auch hier zur Regelgröße, allerdings ändert sich der Sollwert dafür durch Sollwert-Shiftung.
6 zeigt den für die Erfindung relevanten Teil eines Schaltschemas einer ORC-Anlage mit Verdampfungsdruckregelung und Vi-Wert-Korridor. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß 5 dadurch, dass keine Sollwert-Shiftung für den Verdampfungsdruck stattfindet.
Der Schraubenmotor ist jedoch mit einer anderen Kolben-Zylinder-Anordnung 4 ausgerüstet, die zur Verstellung pro Richtung nur je ein Magnetventil 82 oder 83 benötigt. Sie werden über die Steuerleitungen 91, 92 geöffnet.
Um den Vi-Wert zu vergrößern, wird das Magnetventil 83 über die Steuerleitung 92 angesteuert, so dass es öffnet. Dabei strömt Öl aus dem Hydraulikraum der Kolben-Zylinder-Anordnung über Leitung 84 zu einem niedrigen Druckniveau.
Um den Vi-Wert zu verkleinern, wird das Magnetventil 82 über die Steuerleitung 91 angesteuert. Dabei strömt Öl mit hohem Druckniveau von Leitung 81 in den einen Zylinderraum, so dass sich in der Folge der Kolben der Zylinder-Kolben-Anordnung nach links verschiebt.
Der Druckwandler in der Leitung 97, der den Verdampferdruck in ein verwertbares Signal umsetzt, ist eingangsseitig über Leitung 90 mit einem Dreipunktregler in der Steuerung 80 verbunden.
Ist der Verdampfungsdruck kleiner als der Sollwert, liefert der Dreipunktregler das Stellsignal für das Magnetventil 83 über die Steuerleitung 92. Es öffnet, damit der Vi-Wert größer wird, so dass das Schöpfvolumen und damit die Frischdampfentnahme des Schraubenmotors kleiner wird und der Verdampfungsdruck wieder steigt.
Regelgröße für den Schraubenmotor ist der Sollwert für den Verdampfungsdruck. Das Ergebnis der Regelung ist ein Vi-Wert, der das zum Frischdampfvolumen passende Schöpfvolumen einstellt.
Für den Vi-Wert wird in dieser erfindungsgemäßen Ausführung ein maximal zulässiger Grenzwert festgelegt, der den Vi-Korridor nach oben begrenzt, zum Beispiel Vi = 4,5.
Der Schraubenmotor hat für diesen Fall eine innere mechanische Begrenzung, die keine größeren Vi-Werte zulässt. Für Betriebszustände mit Frischdampfvolumenströmen, die einen größeren Vi-Wert erfordern, kann der Frischdampfdruck nicht mehr auf dem Sollwertniveau gehalten werden. Es sinkt ab.
Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung ist ihre Einfachheit. Sie wird dort verwendet, wo sich die zur Verfügung stehende Abwärme für den ORC nicht extrem ändert.
Der Druck vor dem Schraubenmotor, der Verdampfungsdruck, ist auch hier Regelgröße.
Bezugszeichenliste

1: Profilteile
2: Vi-Schieber
3: Eintrittsöffnung
4: Zylinder – Kolben-Anordnung
5, 6: Zu- und Ablauföffnungen
7: Einlasskanal
8: Auslasskanal
9: axiale Erstreckung
10: axiale Erstreckung der Profilteile der Rotoren
11: v-förmigen Steuerkanten
12: Auslasssteuerkanten
13: Drehrichtung
14: v-förmigen Arbeitskammern
15: theoretischer Druckverlauf
17: Eintrittsdruck
18: Kondensationsdruck
19: geometrischen Schöpfvolumen
20: Schraubenmotor
21: Rotoren
22: Abtriebswellenende
23, 24: Zylinderinnenräume
25: Kolben
30: maximale geometrische Volumen
31: Expansionsmaschine, Schraubenmotor
32: Kondensator
33: Speisepumpe
34: Verdampfer
80: Steuerung
81: Leitung
82, 83: Magnetventile
84: Leitung
90: Leitung
91, 92: Steuerleitungen
93, 94: Steuerleitungen
95: Drehzahlvariabler Antrieb
96: Steuerleitung
97: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008013545 A1 [0002]
DE 1020005048795 B3 [0002]
DE 102007041944 B3 [0002]
US 2845777 [0017]
EP 0042027 [0019]
US 5195881 [0019]
DE 19916983 [0024]

Claims

Vorrichtung zur Energieumwandlung durch einen Organic-Rankine-Prozess mit einem organischen Arbeitsmittel, hier auch als ORC bezeichnet, mit einem Arbeitsmittelkreislauf und Anordnung zur Maximierung der Energieausbeute des ORC bei unterschiedlichsten Betriebszuständen mit mindestens einem Verdampfer, einem Schraubenmotor als Kraftmaschine, der antriebsmäßig mit einem Generator zwecks Erzeugung von Elektroenergie verbunden ist, einem Kondensator, einer Speisepumpe und einer Steuerung, die in einem Algorithmus logische Verknüpfungen zwischen Betriebsparametern und Stellsignalen enthält, und diese Steuerung durch Leitungen mit weiteren Komponenten des ORC signaltechnisch verbunden ist, wobei der Schraubenmotor ein maximales geometrisches Verdrängervolumen und ein Schöpfvolumen aufweist und die Verhältniszahl aus beiden als Vi-Wertbezeichnet wird, im Schraubenmotor ein bewegliches Ventilglied angeordnet ist, das parallel zu den Achsen der Rotoren stufenlos verschiebbar ist, einen Teil der Umfangswand um die Profilteile herum bildet und eine Ausnehmung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung einerseits zumindest über die radiale Umfangs-Peripherie eines Rotors mit dessen Arbeitskammern und andererseits mit einem Frischdampfzuführungskanal in Strömungsverbindung steht, der eine Einlassöffnung am Schraubenmotor bildet, dass die Strömungsverbindung in unterschiedlichen Positionen des Ventilgliedes eine Einlassöffnung unterschiedlicher Größe auf der Frischdampfseite bildet, wodurch das geometrische Schöpfvolumen des Schraubenmotors unterschiedliche Größe aufweist, und steuerbare Mittel zur Verschiebung des Ventilgliedes und damit zur Änderung der Größe der Einlassöffnung und zur Änderung des geometrischen Schöpfvolumens des Schraubenmotors vorhanden sind, und diese Mittel als Teil einer Regelstrecke ausgebildet sind und mit einer Steuerung über Steuerleitungen verknüpft sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenmotor einen Gehäuseabschnitt aufweist, in dem das axial bewegliche Ventilglied, als Vi-Schieber bezeichnet, angeordnet ist, der an die Profilteile beider Rotoren angrenzt, wobei der Vi-Schieber auf der Seite der in Zahneingriff stehenden Profilteile angeordnet ist, wo sich die Arbeitskammern befinden, die sich infolge der Rotordrehung vergrößern, und in dem angrenzenden Gehäuseabschnitt ein Einlasskanal für die Zufuhr von Frischdampf vorhanden ist, und der Vi-Schieber eine Ausnehmung aufweist, die mit dem Einlasskanal und den Arbeitskammern kommunizierend verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die Form der Ausnehmung zumindest in einem Teilbereich der Schraubenlinie oder den Schraubenlinien des oder der daran angrenzenden Außendurchmesser der Profiteile entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Änderung der Positionen des Ventilgliedes und somit zur Änderung der Größe der Einlassöffnung eine Kolben-Zylinder-Anordnung ist, die kraftschlüssig mit dem Ventilglied verbunden ist, und die Hohlräume der Kolben-Zylinder-Anordnung mit fluidsteuerbaren Einrichtungen kommunizierend verbunden sind und das Ventilglied zwischen zwei Endlagen stufenlos verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-Zylinder-Anordnung zwei Hohlräume bildet und beide Hohlräume mindestens je einen Zu- und/oder Ablaufkanal haben, die mit fluidsteuerbaren Ventileinrichtungen kommunizierend verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-Zylinder-Anordnung einen Hohlraum bildet, der mindestens je einen Zu- und/oder Ablaufkanal hat und mit fluidsteuerbaren Ventileinrichtungen kommunizierend verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Arbeitskammern angrenzende Ausnehmung durch ihre Erstreckung 50% des maximalen Arbeitskammervolumens kommunizierend erreicht, wodurch sich ein Verhältnis dieses Kammervolumens, als Schöpfvolumen bezeichnet, zum maximalen Arbeitskammervolumen von 0,5 ergibt, dessen Kehrwert als Vi-Wert bezeichnet wird, der damit die minimale Größe von 2,0 hat, und das verschiebbare Ventilglied dabei eine Endlage aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Ventilglied soweit verschieben lässt, dass die an die Arbeitskammern angrenzende Ausnehmung nahezu von den Arbeitskammern getrennt ist, wodurch sich ein Verhältnis des Kammervolumens, des Schöpfvolumens, zum maximalen Arbeitskammervolumen von etwa 0,2 ergibt, dessen Kehrwert, der Vi-Wert, die maximale Größe von 5,0 hat, und das verschiebbare Ventilglied dabei eine Endlage aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 4, 5, 6 dadurch gekennzeichnet, dass die mit Hohlräumen der Kolben-Zylinder-Anordnung kommunizierenden steuerbaren Mittel zur Änderung der Größe der Einlassöffnung, also zur Änderung der Position des Vi-Schiebers, als Magnetventile ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetventile Teil der Regelstrecke sind und die Steuerleitungen zwischen Steuerung und Magnetventilen bekannte Merkmale stromführender Kabel aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, 10 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine logische Verknüpfung im Algorithmus zwischen den Betriebsparametern Frischdampfdruck, Vi-Wert und Drehzahl vorhanden ist und die Steuerung ausgangsseitig zumindest mit den Magnetventilen mittels Kabeln verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, 10 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine logische Verknüpfung im Algorithmus zwischen den Betriebsparametern Frischdampfdruck und Vi-Wert vorhanden ist und die Steuerung ausgangsseitig zumindest mit den Magnetventilen mittels Kabeln verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 11, 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenmotor die Merkmale der Ansprüche 2 bis 9 aufweist, ein Druckwandler vorhanden ist, dessen Druckaufnahme mit der Eingangsseite des Schraubenmotors mittels Kabeln verbunden ist und dessen elektrisches Ausgangssignal eingangsseitig mit einem Dreipunktregler mittels Kabeln verbunden ist, dessen Sollwert parametrierbar ist, und der Dreipunktregler ausgangsseitig über Steuerleitungen, beispielsweise mittels Kabeln, mit den Magnetventilen verbunden ist und der Algorithmus der Steuerung zumindest einen Soll-Ist-Vergleichs-Algorithmus beinhaltet.
Anordnung nach Anspruch 1, 11, 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eingangsseitig zumindest mit dem Ausgang eines Wandlers einer Leistungsmesstechnik mittels Kabel verbunden ist, die ihrerseits eingangsseitig mit der Spannungsseite des Generators mittels Kabel verbunden ist, und die Steuerung ausgangsseitig über Steuerleitungen, z. B. mittels Kabeln, mit den Magnetventilen verbunden ist, und der Algorithmus der Steuerung eine logische Verknüpfung enthält, die eine Relation zwischen Signalgröße am Eingang und Steuergröße am Ausgang darstellt.
Anordnung nach Anspruch 1, 9, 14 dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwandler für den Frischdampfdruck vorhanden ist, und das die Ausgangssignale des Wandlers zur Messung der elektrischen Leistungsabgabe und das Ausgangssignal des Druckwandlers für den Frischdampfdruck Eingangsgrößen der Steuerung sind, und die Steuerung einen Algorithmus derart enthält, dass eine logische Verknüpfung zwischen den Betriebsgrößen Frischdampfdruck und Leistungsabgabe des Generators vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, 9, 15 dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerung ein Algorithmus vorhanden ist, der eine Korrelation zwischen einem vorgegebenen Sollwert für den Frischdampfdruck und einem drehzahlvariablem Antrieb der Speisepumpe derart enthält, dass eine logische Verknüpfung zwischen einem Dreipunktregler für die Regelung des Speisepumpendruckes mittels drehzahlvariablem Antrieb der Speisepumpe in Bezug auf den Sollwert für den Frischdampfdruck vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, 9, 15, 16 dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerung ein Algorithmus vorhanden ist, der logische Verknüpfungen zwischen einem ersten Dreipunktregler für die Regelung des Speisepumpendruckes mittels drehzahlvariablem Antrieb der Speisepumpe in Bezug auf den Sollwert für den Frischdampfdruck beinhaltet, dass logische Verknüpfungen zwischen einem zweiten Dreipunktregler für die Regelung des Frischdampfdruckes in Bezug auf den Sollwert durch Ansteuerung der Magnetventile zur Vi-Wertänderung vorhanden sind, der Sollwert für beide Dreipunktregler eine gemeinsame Quelle im Algorithmus hat und Prioritäten zwischen dem ersten und dem zweiten Dreipunktregler vorhanden sind.
Anordnung nach Anspruch 13, 17 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ausgang des Druckwandlers für den Frischdampfdruck per Kabel mit den Eingängen des ersten und zweiten Dreipunktreglers verbunden ist und der Ausgang des ersten Dreipunktreglers zur Drehzahländerung per Kabel mit dem Steuerungs-Eingang eines drehzahlvariablen Antriebes der Speisepumpe verbunden ist und der Ausgang des zweiten Dreipunktreglers per Kabel mit den Magnetventilen zur Vi-Änderung verbunden ist, und drehzahlvariable Speisepumpe und Magnetventile Teile der Regelstrecke bilden, wobei der drehzahlvariable Antrieb der Speisepumpe zur Änderung des Frischdampfdruck gemäß Sollwertvorgabe am ersten Dreipunktregler vorhanden ist, während die Magnetventile der Regelstrecke zur Änderung des Schöpfvolumens des Schraubenmotors gemäß Regelung gemäß Sollwertvorgabe am zweiten Dreipunktregler zur Verstellung des Ventilgliedes vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenmotor einen Gehäuseabschnitt aufweist, in dem das axial bewegliche Ventilglied, als Vi-Schieber bezeichnet, angeordnet ist und Profilteile von drehbaren Rotoren enthält, die Arbeitskammern aufweisen, wobei das Ventilglied am Außendurchmesser an ein Profilteil oder an beide Profilteile angrenzt und auf der Seite der in Zahneingriff stehenden Profilteile angeordnet ist, wo sich die Arbeitskammern befinden, die sich infolge der Rotordrehung vergrößern, und in dem Gehäuseabschnitt ein Einlasskanal für die Zufuhr von Frischdampf und ein Auslasskanal zur Ableitung von entspanntem Dampf vorhanden ist, und das axial bewegliche Ventilglied eine Ausnehmung aufweist, die mit dem Einlasskanal und den Arbeitskammern kommunizierend verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 4, 5, 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftmaschine ein an sich bekannter Schraubenverdichter, der in DE 19916983 beschrieben ist, mit gegenläufiger Drehrichtung derart als Schraubenmotor eingesetzt wird, dass unterschiedlich zum Schraubenverdichter der Auslasskanal des Verdichters für die Zufuhr von Frischdampf mit dem Verdampfer verbunden ist und der Einlasskanal des Verdichters zur Ableitung von entspanntem Dampf mit dem Kondensator verbunden ist, und die Ausnehmung im Vi-Schieber unterschiedlich zum Schraubenverdichter beim Schraubenmotor mit dem Einlasskanal kommunizierend ausgestaltet ist und dass die mit Hohlräumen der Kolben-Zylinder-Anordnung kommunizierenden steuerbaren Mittel zur Änderung der Position des Vi-Schiebers als Magnetventile ausgestaltet sind, die Teile einer Regelstrecke bilden.