VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR UMWANDLUNG DER WÄRMEENERGIE EINER NIEDERTEMPERATUR-WÄRMEQUELLE IN MECHANISCHE ENERGIE

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung der Wärmeenergie einer Niedertemperaturquelle in mechanische Energie gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 5. Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind z.B. aus der US 7,093,503 B1 und aus DE10361223 A1 bekannt.

Zur Nutzung der Wärmeenergie von Niedertemperatur-Wärmequellen, wie z.B. von Geothermalquellen, gasförmiger, dampfförmiger oder flüssiger Abwärmequellen oder der Sonnenenergie, ist es bereits bekannt, in einem Kreislauf ein Arbeitsmittel durch die Wärmequelle nicht zu verdampfen, sondern nur zu erwärmen. Durch den Wegfall des Verdampfens kann die normalerweise zum Verdampfen des Arbeitsmittels benötigte Wärmeenergie genutzt werden, z.B. kann ein deutlich höherer Massenstrom an Arbeitsmittel erwärmt werden. Hierdurch sind für Niedertemperaturquellen im Temperaturbereich von weniger als 400°C deutliche Wirkungsgradvorteile gegenüber Kreisläufen mit einer Verdampfung des Arbeitsmittels erzielbar.

Bei einem aus der US 7,093,503 B1 bekannten Kreislauf wird in einem ersten Schritt ein flüssiges Arbeitsmittel mit einer Pumpe auf einen erhöhten Druck gebracht. In einem zweiten Schritt wird das druckerhöhte, flüssige Arbeitsmittel in einem Wärmeübertrager durch Wärmeübertragung von einer Niedertemperaturquelle erwärmt, ohne dass es verdampft wird. In einem dritten Schritt wird das erwärmte, flüssige Arbeitsmittel in einer Zweiphasen-Turbine entspannt, wobei durch teilweises Verdampfen des Arbeitsmittels ein entspanntes, teilweise verdampftes Arbeitsmittel mit einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase erzeugt und Wärmeenergie des Arbeitsmittels in mechanische Energie umgewandelt wird.

Die Zweiphasen-Turbine weist hierzu unmittelbar an ihrem Eingang Düsen auf, in denen das Arbeitsmittel durch eine Volumenvergrößerung von einem höheren Eingangsdruck zu einem geringeren Ausgangsdruck expandiert wird, wodurch das Arbeitsmittel teilweise verdampft wird. Der hierdurch entstehende Wasser-Dampf-Strahl wird auf Turbinenblätter der Turbine geleitet, durch die die kinetische Energie des Wasser-Dampf-Strahls in mechanische Energie einer Rotorwelle umgewandelt wird. Die Rotorwelle ist wiederum mit einem Generator verbunden, über den die mechanische Energie der Rotorwelle in elektrische Energie umgewandelt wird.

Das die Turbine verlassende zweiphasige Arbeitsmittel wird anschließend einem Kondensator zugeführt. In dem Kondensator wird dann in einem vierten Schritt die dampfförmige Phase des entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittels kondensiert und somit das eingangs erwähnte flüssige Arbeitsmittel erzeugt. Dieses wird der bereits erwähnten Pumpe zugeführt und somit der Kreislauf geschlossen. Ein in FIG 2 dargestelltes T-s-Diagramms veranschaulicht den dabei ablaufenden Kreisprozess. Dabei bezeichnet SL die Siedelinie, TL die Taulinie und K den kritischen Punkt des Arbeitsmittels. Das Arbeitsmittel wird entlang der Siedelinie SL von Punkt A bis zum Punkt B in die Nähe des kritischen Punktes K erwärmt, von Punkt B nach Punkt C unter teilweiser Verdampfung entspannt und von Punkt C nach Punkt A kondensiert.

Aus der WO 2005/031123 A1 ist es darüber hinaus bekannt, ein eine Zweiphasenturbine verlassendes Zweiphasengemisch einem Separator zuzuführen, um die dampfförmige von der flüssigen Phase zu trennen. Die dampfförmige Phase wird daraufhin in einer Dampfturbine weiter expandiert, um zusätzliche mechanische Energie zu erzeugen. Der die Dampfturbine verlassende entspannte Dampf wird einem Kondensator zugeführt, darin kondensiert, anschließend mittels einer Pumpe auf erhöhten Druck gebracht und dann mit der in dem Separator abgetrennten flüssigen Phase des Zweiphasengemisches zusammengeführt. Der hierdurch entstehende Arbeitsmittelstrom wird daraufhin mit Hilfe einer weiteren Pumpe in einen Wärmeübertrager gepumpt, indem es durch Wärmeübertragung von einer Niedertemperaturquelle erwärmt wird. Dem Kondensator wird somit nur der Abdampf der Dampfturbine zugeführt, jedoch nicht das Zweiphasengemisch der Zweiphasenturbine. Dieser Kreislauf zeichnet sich zwar durch einen sehr guten Wirkungsgrad, aber auch durch eine deutlich höhere Komplexität und Investitionskosten aus.

Bei einem aus der EP 0 485 596 A1 bekannten Kreislauf wird ebenfalls nur ein erwärmtes flüssiges, d.h. kein verdampftes, Arbeitsmittel einer Entspannungseinrichtung zugeführt und darin teilweise verdampft. Das die Entspannungseinrichtung verlassende Wasser-Dampf-Gemisch wird danach einem Separator zugeführt, der lediglich zur Messung der Flüssigkeitsanteile in dem Dampf dient.

Wird bei dem eingangs erläuterten Kreislauf dem Kondensator das die Turbine verlassende Zweiphasengemisch zugeführt, so kann es durch die Flüssigkeitsbestandteile zu einer Erosion des Kondensators kommen, wodurch sich die Lebenszeit des Kondensators verkürzt.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 5 derart weiterzubilden, dass eine Erosion des Kondensators sicher verhindert werden kann, ohne dass sich die Komplexität des Kreislaufes wesentlich erhöht.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass bei dem entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittel unmittelbar vor dem Kondensator die flüssige Phase von der dampfförmigen Phase getrennt wird. Nur die dampfförmige Phase wird dem Kondensator zur Kondensation zugeführt. Die kondensierte dampfförmige (d.h. dann flüssige) Phase und die separierte flüssige Phase werden nach dem Kondensator, aber vor dem Schritt 1, d.h. dem Erhöhen des Drucks des flüssigen Arbeitsmittels, zur Erzeugung des flüssigen Arbeitsmittels zusammengeführt. Die flüssige Phase wird somit an dem Kondensator vorbeigeführt, wodurch eine Erosion des Kondensators verhindert werden kann. Hierzu wird lediglich ein Separator zur Trennung der flüssigen Phase von der dampfförmigen Phase, eine Umgehungsleitung für die Leitung der flüssigen Phase an dem Kondensator vorbei und eine Zusammenführung zur Zusammenführung der (separierten) flüssigen und der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase benötigt. Die Komplexität des Kreislaufes wird somit nur unwesentlich erhöht.

Die Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels nach der Entspannung ist abhängig von dem Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator. Je höher der Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator und damit am Ausgang der Entspannungseinrichtung ist, desto kleiner sind die Tröpfchen. Je kleiner wiederum die Tröpfchen sind, umso geringer ist die Erosionsgefahr, die von den Tröpfchen ausgeht. Auf der anderen Seite sinkt jedoch mit größer werdendem Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator und am Ausgang der Entspannungseinrichtung die durch Umwandlung von Wärmeenergie durch die Entspannungseinrichtung erzeugbare mechanische Energie.

Bevorzugt wird deshalb der Druck des Arbeitsmittels bei der Kondensation auf ein Optimum zwischen einer möglichst kleinen Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels und möglichst großer erzeugter mechanischer Energie in dem Schritt 3 eingestellt. Es wird somit gezielt die erzeugte mechanische Energie verringert, um eine Erosion des Kondensators zu vermeiden. Aufgrund des enormen Wirkungsgradvorteils bedingt durch die Erwärmung statt Verdampfung des Arbeitsmittels durch die Niedertemperaturwärmequelle sind jedoch weiterhin deutliche Wirkungsgradvorteile gegenüber konventionellen Kreisläufen mit einer Verdampfung des Arbeitsmittels durch die Niedertemperaturwärmequelle erzielbar.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zusammenführung der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase und der (separierten) flüssigen Phase in einem Arbeitsmittelspeicher. Da ein derartiger Speicher in vielen Kreisläufen ohnehin vorhanden ist, kann auf ein zusätzliches Bauelement für die Zusammenführung der beiden Phasen verzichtet werden.

Besonders gute Wirkungsgrade sind hierbei dann erzielbar, wenn die Niedertemperaturquelle eine Temperatur von weniger als 400°C aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Separator zur Trennung der flüssigen Phase von der dampfförmigen Phase des entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittels auf, wobei der Separator in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels unmittelbar vor dem Kondensator angeordnet ist. Eine Zusammenführung dient zur Zusammenführung der (separierten) flüssigen Phase und der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase des entspannten, teilweise verdampften Arbeitsmittels, wobei die Zusammenführung in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor der Pumpe angeordnet ist. Der Separator ist mit dem Kondensator zur Zufuhr der dampfförmigen Phase zu dem Kondensator verbunden. Die Zusammenführung ist mit dem Separator zur Zufuhr der (separierten) flüssigen Phase zu der Zusammenführung und mit dem Kondensator zur Zufuhr der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase zu der Zusammenführung verbunden. Die für das erfindungsgemäße Verfahren genannten Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Bevorzugt ist der Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator auf ein Optimum zwischen einer möglichst kleinen Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels und einer möglichst großen erzeugbaren mechanischen Energie in der Entspannungseinrichtung einstellbar.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zusammenführung als ein Arbeitsmittelspeicher ausgebildet.

Von Vorteil sind in der Entspannungseinrichtung zur Entspannung des erwärmten Arbeitsmittels in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels aufeinander folgend eine Düse und eine Turbine angeordnet. In der Düse kann das Arbeitsmittel durch eine Volumenvergrößerung von einem höheren Eingangsdruck zu einem geringeren Ausgangsdruck expandiert werden, wodurch das Arbeitsmittel teilweise verdampft wird. Der hierdurch entstehende Wasser-Dampf-Strahl kann dann auf die Turbinenblätter der Turbine geleitet werden, durch die die kinetische Energie des Wasserdampfstrahls in mechanische Energie einer Rotorwelle umgewandelt wird. Statt nur einer einzigen Düse können am Eingang der Turbine, z.B. in einer Ringkonfiguration, auch mehrere Düsen angeordnet sein, die parallel von dem Arbeitsmittel durchströmbar sind.

Die Düse und die Turbine können hierbei auch eine einzige bauliche Einheit bilden, d.h. die Düsen sind unmittelbar am Eingang der Turbine angeordnet.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1

eine Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in vereinfachter, schematischer Darstellung und

FIG 2

ein T-s-Diagramm eines aus dem Stand der Technik bekannten Kreislaufes mit einer Erwärmung (ohne Verdampfung) eines Arbeitsmittels durch eine Niedertemperaturquelle.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Umwandlung der Wärmeenergie einer Niedertemperatur-Wärmequelle in mechanische Energie umfasst einen thermodynamischen Kreislauf, in dem in Strömungsrichtung eines Arbeitsmittels aufeinander folgend ein Wärmeübertrager 2, eine Entspannungseinrichtung 3, ein Separator 7, ein Kondensator 8, ein Arbeitsmittelspeicher in Form eines Kondensattanks 9 und eine Pumpe 10 angeordnet sind.

Bei der Niedertemperatur-Wärmequelle handelt es sich um eine Wärmequelle mit einer Temperatur von weniger als 400 °C. Beispiele für derartige Wärmequellen sind Geothermalquellen (heißes Thermalwasser), industrielle Abwärmequellen (z.B. Abwärme von Anlagen der Stahl, Glas oder Zementindustrie) sowie die Sonnenenergie.

Für Temperaturen von weniger als 300°C kommt als Arbeitsmittel beispielsweise eine Kühlflüssigkeit vom Typ R134 und für Temperaturen von mehr als 300°C kommt beispielsweise eine Kühlflüssigkeit vom Typ R245 zum Einsatz. Die Pumpe 10 dient zum Pumpen des flüssigen Arbeitsmittels auf einen erhöhten Druck.

Der Wärmeübertrager 2 dient zum Erwärmen des druckerhöhten, flüssigen Arbeitsmittels des Kreislaufes durch Übertragung von Wärme von der Niedertemperatur-Wärmequelle 20 auf das Arbeitsmittel ohne Verdampfung des Arbeitsmittels, d.h. das Arbeitsmittel wird in dem Wärmeübertrager 2 nur erwärmt und nicht verdampft. Der Wärmeübertrager wird hierzu auf seiner Primärseite von der Niedertemperatur-Wärmequelle 20, z.B. einem heißen Geothermalwasser, und auf seiner Sekundärseite von dem druckerhöhten Arbeitsmittel durchströmt. Eine Leitung 11 verbindet die Sekundärseite des Wärmeübertragers 2 mit der Entspannungseinrichtung 3. Das Arbeitsmittel liegt am sekundärseitigen Ausgang des Wärmeübertragers 2 beim Eintritt in die Leitung 11 weiterhin als Flüssigkeit vor.

Die Entspannungseinrichtung 3 dient zur Entspannung des erwärmten flüssigen Arbeitsmittels, wobei in der Entspannungseinrichtung 3 durch teilweise Verdampfung des erwärmten flüssigen Arbeitsmittels ein entspanntes, teilweise verdampftes Arbeitsmittel mit einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase erzeugbar und Wärmeenergie des erwärmten flüssigen Arbeitsmittels in mechanische Energie umwandelbar ist. Die Entspannungseinrichtung 3 umfasst hierzu eine Düse 4 und eine Turbine 5, die in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels aufeinander folgend angeordnet sind. Die Düse und die Turbine können hierbei eine einzige bauliche Einheit bilden, d.h. die Düse 4 ist unmittelbar am Eingang der Turbine 5 angeordnet. Statt nur einer einzigen Düse 4 können am Eingang der Turbine 5, z.B. in einer Ringkonfiguration, auch mehrere Düsen 4 angeordnet sein, die parallel von dem Arbeitsmittel durchströmbar sind.

Die Turbine 5 ist ausgangsseitig über eine Leitung 12 mit dem Separator 7 verbunden. Der Separator 7 dient zur Trennung der flüssigen Phase von der dampfförmigen Phase des in der Entspannungseinrichtung 3 teilweise verdampften Arbeitsmittels. Der Separator 7 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels unmittelbar vor dem Kondensator 8 angeordnet und über eine Leitung 13 mit dem Kondensator 8 zur Zufuhr der dampfförmigen Phase zu dem Kondensator 8 und über eine Leitung 14 mit dem Kondensattank 9 zur Zufuhr der flüssigen Phase zu dem Kondensattank 9 verbunden.

Der Kondensator 8 dient zum Erzeugen des flüssigen Arbeitsmittels durch Kondensation des teilweise verdampften Arbeitsmittels.

Der Kondensattank 9 dient zur Zusammenführung der flüssigen Phase und der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase des teilweise verdampften Arbeitsmittels. Der Kondensattank 9 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach dem Kondensator 8 und vor der Pumpe 10 angeordnet und über eine Leitung 14 mit dem Separator 7 zur Zufuhr der flüssigen Phase und über eine Leitung 15 mit dem Kondensator 8 zur Zufuhr der kondensierten dampfförmigen Phase zu dem Kondensattank 9 verbunden.

Beim Betrieb der Vorrichtung 1 wird in einem ersten Schritt flüssiges Arbeitsmittel aus dem Kondensattank 9 durch die Pumpe 10 auf einen erhöhten Druck gebracht und in den Wärmeübertrager 2 gepumpt.

In einem zweiten Schritt wird das druckerhöhte, flüssige Arbeitsmittel in dem Wärmeübertrager 2 durch Übertragung von Wärme von der den Wärmeübertrager 2 primärseitig durchströmenden Niedertemperaturwärmequelle 20 auf das Arbeitsmittel erwärmt, ohne dass es verdampft wird.

In einem dritten Schritt wird in der Entspannungseinrichtung 3 das erwärmte, flüssige Arbeitsmittels entspannt, wobei das Arbeitsmittel teilweise verdampft und seine Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Durch die Entspannungseinrichtung 3 wird somit ein entspanntes, teilweise verdampftes Arbeitsmittel mit einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase erzeugt. Hierzu wird das über die Leitung 11 der Düse 4 zugeführte erwärmte, flüssige Arbeitsmittel in der Düse 4 expandiert und dadurch teilweise verdampft. Die kinetische Energie des dadurch entstehenden Wasser-Dampf-Strahls wird in der Turbine 5 in mechanische Energie einer Rotorwelle umgewandelt und damit ein Generator 6 angetrieben, der die mechanische Energie wiederum in elektrische Energie umwandelt.

Das in dem dritten Schritt erzeugte und die Turbine 5 verlassende entspannte, teilweise verdampfte Arbeitsmittel in Form eines Zweiphasen-Gemisches (Dampf/Flüssigkeit) wird über eine Leitung 12 dem Separator 7 zugeführt, indem die dampfförmige Phase von der flüssigen Phase des Zweiphasen-Gemisches getrennt wird.

Nur die dampfförmige Phase wird über die Leitung 13 dem Kondensator 8 zugeführt. In dem Kondensator 8 wird die dampfförmige Phase durch eine Kühlung, beispielsweise durch eine Direktkühlung, Luftkühlung, Hybridkühlung oder Wasserkühlung, kondensiert und die kondensierte dampfförmige (d.h. dann flüssige) Phase über die Leitung 15 dem Kondensattank 9 zugeführt.

Die abgetrennte flüssige Phase wird dagegen über die Leitung 14 an dem Kondensator 8 vorbeigeführt und erst danach, aber noch vor der Pumpe 10 und somit vor dem ersten Schritt, mit der kondensierten dampfförmigen (d.h. dann flüssigen) Phase in dem Kondensattank 9 zusammengeführt.

Flüssiges Arbeitsmittel aus dem Kondensattank 9 wird mit Hilfe der Pumpe 10 auf erhöhten Druck gebracht und in den Wärmeübertrager 2 gepumpt, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.

Durch die Separierung der flüssigen Phase von der gasförmigen Phase des die Turbine 5 verlassenden Zweiphasen-Gemisches in dem Separator 7 und die anschließende Leitung der flüssigen Phase am Kondensator 8 vorbei direkt in den Kondensattank 9 kann eine Erosion des Kondensators 8 verhindert werden.

Der Druck des Arbeitsmittels in dem Kondensator 8 ist hierbei auf ein Optimum zwischen einer möglichst kleinen Größe von Tröpfchen der flüssigen Phase in der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels und möglichst großer erzeugter mechanischer Energie in dem dritten Schritt eingestellt. Hierdurch kann eine Erosion des Kondensators noch weiter verringert werden.