DE102012009459A1

DE102012009459A1 - Apparatus for converting thermal energy into mechanical energy by Rankine cycle process, comprises circulating line for guiding working fluid, evaporator, working machine and capacitor, where working fluid is carbon dioxide

Info

Publication number: DE102012009459A1
Application number: DE201210009459
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-14

Abstract

The apparatus comprises a circulating line (10) for guiding a working fluid, and an evaporator (14) for vaporizing the working fluid by the supplied heat energy. A working machine (16) is provided for generating mechanical energy by expansion of the working fluid vapor. A capacitor (20) is provided for condensing the expanded working fluid vapor with removal of waste heat energy. A pump (22) is provided for pressurizing the condensed working fluid. The working fluid is carbon dioxide.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie mittels eines Rankine-Kreisprozesses.The invention relates to a device for converting thermal energy into mechanical energy by means of a Rankine cycle.

Im Oberbegriff des Anspruchs 1 wird von der DE 10 2006 028 046 A1 ausgegangen. Bei der in dieser Druckschrift beschriebenen Vorrichtung wird als Arbeitsfluid Tetramethylsilan verwendet, das bei einem Druck von max. etwa 20 bar und einer Temperatur von etwa 60 bis 180°C verdampft wird. Dieses Arbeitsfluid ist ein Beispiel von organischen Arbeitsfluiden, wie sie im sogenannten ORC(organic-rankine-cycle)-Verfahren verwendet werden. Solche organischen Arbeitsfluide haben niedrigere Verdampfungstemperaturen als beispielsweise herkömmlicherweise verwendetes Wasser. Mit organischen Arbeitsfluiden kann die Wärmeenergie beispielsweise von natürlichem Thermalwasser mit einer Temperatur zwischen 100 bis 220°C oder beispielsweise Abgas eines mit Biogas betriebenen Gasmotors mit einer Temperatur von etwa 200 bis 460°C zur Stromerzeugung genutzt werden. Durch Nutzung der thermischen Energie des Abgases eines Gasmotors kann dessen Wirkungsgrad, bezogen auf die erzeugte elektrische Leistung, gesteigert werden.In the preamble of claim 1 is of the DE 10 2006 028 046 A1 went out. In the apparatus described in this document is used as the working fluid tetramethylsilane, which at a pressure of max. about 20 bar and a temperature of about 60 to 180 ° C is evaporated. This working fluid is an example of organic working fluids used in the so-called ORC (Organic Rankine Cycle) process. Such organic working fluids have lower evaporation temperatures than, for example, conventionally used water. With organic working fluids, the heat energy, for example, natural thermal water with a temperature between 100 to 220 ° C or, for example, exhaust gas of a biogas-powered gas engine with a temperature of about 200 to 460 ° C can be used to generate electricity. By utilizing the thermal energy of the exhaust gas of a gas engine, its efficiency, based on the generated electric power, can be increased.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiter zu entwickeln, dass bei geringen Kosten eine noch effizientere Nutzung natürlicher Wärmequellen und/oder von Abwärmequellen möglich ist.The invention has for its object to further develop a generic device to the effect that at low cost even more efficient use of natural heat sources and / or waste heat sources is possible.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.This object is achieved with a device according to claim 1.

Das erfindungsgemäß als Arbeitsfluid genutzte Kohlendioxid, dessen kritischer Punkt bei 73,8 bar und 31°C liegt, ermöglicht die Nutzung von Wärmequellen mit Temperaturen, die erheblich unter denen liegen, die bisher wirtschaftlich nutzbar waren. Des Weiteren ist Kohlendioxid sehr preisgünstig. Sein Entzug aus der Atmosphäre wird sogar belohnt. Falls Kohlendioxid infolge von Undichtigkeiten des mit Überdruck arbeitenden Rankine-Kreisprozesses entweicht, ist dies mit keiner Gefahr für die Umwelt verbunden.The carbon dioxide used according to the invention as a working fluid, whose critical point is 73.8 bar and 31 ° C, allows the use of heat sources with temperatures significantly below those that were previously economically usable. Furthermore, carbon dioxide is very inexpensive. His withdrawal from the atmosphere is even rewarded. If carbon dioxide escapes due to leaks in the Rankine cycle using positive pressure, there is no danger to the environment.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.The subclaims are directed to advantageous embodiments and developments of the device according to the invention.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is explained below with reference to schematic drawings, for example, and with further details.

In den Figuren stellen dar:In the figures represent:

1 ein Schema einer gemäß einem Rankine-Kreisprozess arbeitenden Vorrichtung und 1 a schematic of a working according to a Rankine cycle device and apparatus

2 einen Ausschnitt aus einem Phasendiagramm von Kohlendioxid. 2 a section of a phase diagram of carbon dioxide.

Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kreisleitung 10 auf, die nacheinander durch einen Wärmetauscher 12, einen Verdampfer 14, eine Arbeitsmaschine 16, einen Rekuperator 18, einen Kondensator 20, eine Pumpe 22 und wiederum durch den Rekuparator 18 zum Wärmetauscher 12 führt.According to 1 a device according to the invention has a circular line 10 on, one after the other through a heat exchanger 12 , an evaporator 14 , a working machine 16 , a recuperator 18 , a capacitor 20 , a pump 22 and again through the recuperator 18 to the heat exchanger 12 leads.

Im Wärmetauscher 12 wird in der Kreisleitung 10 strömendes als Arbeitsfluid verwendetes flüssiges Kohlendioxid durch Abfuhr von Wärme aus einem Vorerwärmungsfluid vorerwärmt, das eine durch den Wärmetauscher 12 führende Vorerwärmungsleitung 24 durchströmt und beispielsweise eine Temperatur nahe Umgebungstemperatur hat. Das Vorerwärmungsfluid kann beispielsweise natürliches Thermalwasser, Abwasser u. s. w. sein.In the heat exchanger 12 will be in the district administration 10 flowing liquid carbon dioxide used as working fluid is preheated by removing heat from a preheating fluid, the one through the heat exchanger 12 leading preheat pipe 24 flows through and, for example, has a temperature near ambient temperature. The preheating fluid may be, for example, natural thermal water, sewage, etc.

Nach dem Wärmetauscher 12 durchströmt das beispielsweise auf eine Temperatur nahe der Umgebungstemperatur erwärmte Arbeitsfluid (flüssiges Kohlendioxid) einen Verdampfer 14, indem es durch Abkühlung eines Wärmeträgerfluids verdampft wird, das den Verdampfer 14 in einer Wärmeträgerleitung 26 durchströmt. Das Wärmeträgerfluid kann beispielsweise von der Abwärme von Kraftwerken oder sonstigen Produktionsanlagen aufgeheizt sein. Es kann auch ein durch Sonnenstrahlung (Photothermie) aufgeheiztes Wärmeträgerfluid sein. Durch Wärmeübertrag aus dem Wärmeträgerfluid wird das flüssige Kohlendioxid, das dem Verdampfer 14 mit einem Druck zwischen beispielsweise 50 und 70 bar zugeführt wird (vgl. das Phasendiagramm gemäß 2) verdampft und gelangt unter hohem Druck als gasförmiges Kohlendioxid in die vorzugsweise als Turbine ausgebildete Arbeitsmaschine 16. In der Arbeitsmaschine 16 wird die in dem gasförmigen Arbeitsmedium enthaltene Energie unter Expansion und Abkühlung des Arbeitsmediums in mechanischer Energie umgewandelt, wobei die Arbeitsmaschine 16 bevorzugt einen Generator 28 antreibt, in dem elektrische Energie erzeugt wird.After the heat exchanger 12 flows through the example, heated to a temperature close to the ambient temperature working fluid (liquid carbon dioxide) an evaporator 14 by being vaporized by cooling a heat transfer fluid, which is the evaporator 14 in a heat carrier line 26 flows through. The heat transfer fluid may be heated, for example, by the waste heat from power plants or other production facilities. It can also be a heat transfer fluid heated by solar radiation (photothermal energy). By heat transfer from the heat transfer fluid is the liquid carbon dioxide, which is the evaporator 14 is supplied with a pressure between, for example, 50 and 70 bar (see the phase diagram according to 2 ) evaporates and passes under high pressure as gaseous carbon dioxide in the preferably designed as a turbine working machine 16 , In the work machine 16 The energy contained in the gaseous working medium is converted into mechanical energy with expansion and cooling of the working medium, wherein the working machine 16 prefers a generator 28 drives, in which electrical energy is generated.

Nach Verlassen der Arbeitsmaschine 16 durchströmt das vorzugsweise als Nassdampf vorliegende Kohlendioxid den Rekuperator 18, in dem es unter Energieabgabe an das von der Pumpe 22 unter Druck gesetzte flüssige Kohlendioxid abkühlt. Anschließend durchströmt das im Rekuperator abgekühlte Arbeitsfluid den Kondensator 20, in dem es unter weiterer Abkühlung zumindest weitgehend kondensiert. Das flüssige Kondensat wird in der Pumpe 22 unter Druck gesetzt und beginnt erneut seinen Umlauf in dem geschlossenen Kreislauf.After leaving the work machine 16 flows through the preferably present as wet steam carbon dioxide recuperator 18 in which it is under energy delivery to that of the pump 22 pressurized liquid carbon dioxide cools. Subsequently, the working fluid cooled in the recuperator flows through the condenser 20 in which it at least largely condenses with further cooling. The liquid condensate is in the pump 22 pressurized and begins again its circulation in the closed circuit.

Der Kondensator 20 kann in einfacher Weise dadurch gebildet sein, dass das als Arbeitsfluid dienende, beispielsweise noch vollständig dampfförmige oder als Nassdampf vorhandene Kohlendioxid an einer großflächigen Kühlfläche 28 abgekühlt wird, die an einer Kühlleitung 30 ausgebildet ist, in der von einer Kühlmittelpumpe 32 gefördertes Kühlwasser strömt. Im dargestellten Beispiel bildet die Kühlleitung 30 keinen geschlossenen Kreislauf. Die Pumpe 32 fördert beispielsweise natürliches Grundwasser mit einer entsprechend niedrigen Temperatur, das die Kühlleitung nach Erwärmung an der Kühlfläche 28 verlässt und als etwas erwärmtes Nutzwasser ohne jede chemische Verunreinigung zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht. The capacitor 20 can be formed in a simple manner by the serving as working fluid, for example, still completely vaporous or as wet steam existing carbon dioxide on a large-scale cooling surface 28 is cooled, which is on a cooling line 30 is formed in the of a coolant pump 32 Promoted cooling water flows. In the example shown forms the cooling line 30 no closed circuit. The pump 32 promotes, for example, natural groundwater with a correspondingly low temperature, the cooling line after heating to the cooling surface 28 leaves and is available as some heated water without any chemical contamination for further use.

Der Kondensator 20 kann auf verschiedene Weise ausgebildet und hinsichtlich seiner Kühlleistung verbessert werden. Beispielsweise kann das Kühlwasser innerhalb eines Behälters, dessen Wandung die Kühlfläche 28 bildet, verdampft werden, wobei es den Behälter unter erhöhtem Druck zugeführt wird. Das Innere des Behälters kann unter atmosphärischem Druck oder sogar Unterdruck stehen, wobei dem Behälter vorteilhafterweise Frischluft zugeführt wird, so dass sich ihm kein gesättigter Wasserdampf bilden kann. Das Luft/Wasserdampfgemisch kann mittels einer weiteren Pumpe aus dem Behälter abgepumpt werden. Das Kühlfluid, bevorzugt Wasser, kann in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden. Mittels eines solchen Niedertemperatur-Wasserverdampfungskondensators lassen sich beispielsweise Temperaturen der als Temperatursenke wirksamen Kühlfläche 28 zwischen 4°C und 6°C oder sogar darunter erreichen.The capacitor 20 can be formed in various ways and improved in terms of its cooling capacity. For example, the cooling water within a container whose wall is the cooling surface 28 forms, are evaporated, wherein it is supplied to the container under elevated pressure. The interior of the container may be under atmospheric pressure or even negative pressure, wherein the container advantageously fresh air is supplied, so that it can not form a saturated water vapor. The air / water vapor mixture can be pumped out of the container by means of another pump. The cooling fluid, preferably water, can be conducted in a closed circuit. By means of such a low-temperature water evaporation condenser, for example, temperatures of effective as a temperature sink cooling surface can be 28 reach between 4 ° C and 6 ° C or even lower.

In dem beschriebenen System wird beispielsweise mit folgenden Temperatur- und Druckbereichen gearbeitet:
Flüssiges Kohlendioxid strömungsabwärts der Pumpe 22: Temperatur zwischen 10°C und 25°C; Druck zwischen 50 bar und 70 bar;
Verdampftes Kohlendioxid strömungsabwärts des Verdampfers 14: Temperatur zwischen 30°C und 50°C; Druck zwischen 50 bar und 70 bar;In the system described, for example, the following temperature and pressure ranges are used:
Liquid carbon dioxide downstream of the pump 22 : Temperature between 10 ° C and 25 ° C; Pressure between 50 bar and 70 bar;
Evaporated carbon dioxide downstream of the evaporator 14 : Temperature between 30 ° C and 50 ° C; Pressure between 50 bar and 70 bar;

Die Fördermenge der Pumpe 22 richtet sich nach den zur Verfügung stehenden Wärmemengen des Vorerwärmungsfluids, des Wärmeträgerfluids sowie der Kühlleistung des Kondensators 20. Die Vorerwärmungsleitung 24 und die Wärmeträgerleitung 26 können offene Leitungen sein, durch die beispielsweise Grundwasser, Abwasser oder Kühlwasser von Fabrikanlagen strömt. Sie können auch geschlossen Kreisleitungen sein, in denen das jeweilige Fluid unter Energieaustausch mit einer Wärmequelle, beispielsweise einem photothermischen Feld, zirkuliert.The flow rate of the pump 22 depends on the available amounts of heat of the preheating fluid, the heat transfer fluid and the cooling capacity of the capacitor 20 , The preheat pipe 24 and the heat transfer line 26 can be open pipes, through which, for example, groundwater, sewage or cooling water flows from factories. They may also be closed circuit lines in which the respective fluid circulates under energy exchange with a heat source, for example a photothermal field.

Der Wärmetauscher 12, der insbesondere die Nutzung einer Wärmequelle mit einem Temperaturniveau unter dem Temperaturniveau des durch den Verdampfer 14 strömenden Wärmeträgers erlaubt, kann fehlen oder in den Verdampfer integriert sein. Der Rekuperator 18 kann ebenfalls fehlen oder auch derart ausgebildet sein, dass er von dem Arbeitsfluid durchströmt wird, nachdem dieses den Wärmetauscher 12 durchströmt hat.The heat exchanger 12 In particular, the use of a heat source having a temperature level below the temperature level of the evaporator 14 flowing heat carrier allowed, may be missing or integrated into the evaporator. The recuperator 18 may also be absent or also be formed such that it is flowed through by the working fluid, after this, the heat exchanger 12 flowed through.

2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Phasendiagramm von Kohlendioxid, wobei die Ordinate den Druck in bar angibt und die Abszisse die Temperatur in Grad Celsius angibt. Die Bereiche, in denen das Kohlendioxid fest, flüssig oder gasförmig ist, sind jeweils eingetragen. Der kritische Punkt, oberhalb dessen kein Unterschied zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase besteht, ist mit KP bezeichnet. Der Tripelpunkt, an dem feste, flüssige und gasförmige Phase nebeneinander bestehen, ist mit TP bezeichnet. 2 shows a section of a phase diagram of carbon dioxide, wherein the ordinate indicates the pressure in bar and the abscissa indicates the temperature in degrees Celsius. The areas where the carbon dioxide is solid, liquid or gaseous are each registered. The critical point above which there is no difference between the liquid and gaseous phases is designated KP. The triple point, where solid, liquid and gaseous phases coexist, is designated TP.

Zusammenfassend wird erfindungsgemäß das Arbeitsmedium Kohlendioxid in einem geschlossenen Rankine-Kreislauf mit einem Grunddruckniveau von beispielsweise 25 bis 30 bar verwendet. Die Höhe des Grunddruckniveaus richtet sich insbesondere nach der in dem Kondensator 20 verfügbaren Kühlleistung, wobei das Kohlendioxid in dem Kondensator vorteilhafterweise mit einer Kühlfläche in Berührung kommt, die eine Temperatur zwischen 4°C und 6°C hat.In summary, according to the invention, the working medium carbon dioxide is used in a closed Rankine cycle with a basic pressure level of, for example, 25 to 30 bar. The height of the basic pressure level depends in particular on that in the condenser 20 available cooling power, wherein the carbon dioxide in the condenser advantageously comes into contact with a cooling surface having a temperature between 4 ° C and 6 ° C.

Die Erwärmung und anschließende Verdampfung des Arbeitsmittels Kohlendioxid erfolgt mehrstufig, wobei zum Vorwärmen natürliche Energiequellen mit einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur verwendet werden können. Je nach verwendeter Verdampfungstemperatur kann ein mehrstufiges Vorwärmen unter Verschaltung mehrerer Wärmetauscher erfolgen. Für den Verdampfer 14 wird vorteilhafterweise ein Wärmeträgermedium mit einer Eingangstemperatur zwischen 60 und 80°C verwendet, das beispielsweise mittels Solarenergie oder durch Abwärme eines Industrieprozesses aufgeheizt wurde.The heating and subsequent evaporation of the working fluid carbon dioxide takes place in several stages, wherein for preheating natural energy sources can be used with a temperature close to the ambient temperature. Depending on the evaporation temperature used, a multi-stage preheating can take place with the connection of several heat exchangers. For the evaporator 14 Advantageously, a heat transfer medium is used with an input temperature between 60 and 80 ° C, which has been heated, for example, by solar energy or by waste heat of an industrial process.

Die Verwendung einer Kolbendampfmaschine bei der Expansion des gasförmigen Kohlendioxids ermöglicht eine Kondensation deutlich weiter in den Nassdampfbereich hinein als bei einer Strömungsmaschine. Das Kohlendioxid wird in der Kolbenmaschine beispielsweise bis auf das Grunddruckniveau von 25 bis 30 bar expandiert. Die angegebenen Druck- und Temperaturbereiche sind nur beispielhaft und nicht einschränkend.The use of a piston steam engine in the expansion of the gaseous carbon dioxide allows condensation much further into the wet steam region than in a turbomachine. The carbon dioxide is expanded in the piston engine, for example, to the base pressure level of 25 to 30 bar. The specified pressure and temperature ranges are exemplary only and not limiting.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: KreisleitungKreisleitung
1212: Wärmetauscherheat exchangers
1414: VerdampferEvaporator
1616: Arbeitsmaschineworking machine
1818: Rekuperatorrecuperator
2020: Kondensatorcapacitor
2222: Pumpepump
2424: Vorerwärmungsleitungpreheating line
2626: WärmeträgerleitungHeat transfer line
2828: Kühlflächecooling surface
3030: Kühlleitungcooling line
3232: KühlmittelpumpeCoolant pump

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006028046 A1 [0002]

Claims

Device for converting thermal energy into mechanical energy by means of a Rankine cycle, comprising a circuit leading a working fluid ( 10 ), successively through an evaporator ( 14 ) for vaporizing the working medium by means of supplied heat energy, a working machine ( 16 ) for generating mechanical energy by expansion of the working fluid vapor, a capacitor ( 20 ) for condensing the expanded working fluid vapor while dissipating waste heat energy and a pump ( 22 ) to pressurize the condensed working fluid, characterized in that the working fluid is carbon dioxide.

Apparatus according to claim 1, wherein the thermal energy by means of which the working fluid in the evaporator ( 14 ) is evaporated, a heat carrier fluid supplied to the evaporator is removed, which is heated, for example, from at least one of the following heat sources: natural heat sources such as groundwater, hot water source, solar or artificial heat sources such as waste heat from power plants or production processes.

Apparatus according to claim 2, wherein the circuit ( 10 ) by one between the pump ( 22 ) and the evaporator ( 14 ) arranged heat exchanger ( 12 ), in which a preheating of the working fluid by means of thermal energy takes place, which is withdrawn from a heat exchanger flowing through the preheating fluid.

Device according to one of claims 1 to 3, wherein one of the working machine ( 16 ) to the capacitor ( 20 ) leading first section of the district pipeline ( 10 ) and one from the pump ( 22 ) to the evaporator ( 14 ) leading second section of the circuit conduit through a recuperator, in which heat energy is transferred from the working fluid flowing through the first section of the circuit conduit to the working fluid flowing through the second section of the circuit conduit.

Device according to one of claims 1 to 4, wherein in the capacitor ( 20 ) the working fluid heat energy is removed by heat exchange with a cooling fluid.

Apparatus according to claim 5, wherein the cooling fluid evaporates under heat before exchanging heat with the working fluid.

Apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the temperature of the liquid working fluid is downstream of the pump 22 between 10 ° C and 25 ° C and the pressure is between 50 bar and 70 bar.

Device according to one of claims 1 to 7, wherein the temperature of the working fluid flowing into the working machine is between 30 ° C and 50 ° C and the pressure between 50 bar and 70 bar.