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, wobei 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 ist. Dabei ist die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine 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.

Bekannt ist weiterhin aus der US 2009/277400 und der WO 2007/088194 eine einen ORC-Kreislauf aufweisende Abwärmenutzungsanlage, wobei die Kühlung des Generators und der Lager des Turbogenerators durch das Kondensat des Arbeitsmediums erfolgt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehende Abwärmenutzungsanlage im Hinblick auf Aufbau und sicheres Betriebsverhalten zu optimieren.

Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Abwärmenutzungsanlage besteht unter anderem aus einer Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC, welche eine magnetische Lagerung mit einer zugeordneten Regeleinrichtung und einer Stromversorgung über einen Gleichstrom-Zwischenkreis eines Generator-Frequenzumrichters aufweist. Gekennzeichnet ist die Abwärmenutzungsanlage durch eine mit dem Kältemittel aus dem ORC-Kreislauf gekühlte Einheit aus Expansionsmaschine, Generator und Frequenzumrichter. Dazu wird erfindungsgemäß kühles, flüssiges Kältemittel nach der Speisepumpe entnommen und zur Kühlung der Einheit aus Expansionsmaschine, Generator und Frequenzumrichter zugeführt. Erfindungsgemäß wird das kühle, flüssige Kältemittel nach der Speisepumpe entnommen und direkt der Expansionsmaschine zur Lagerkühlung zugeführt.

Weiterhin wird erfindungsgemäß erwärmtes, aus der Einheit aus Expansionsmaschine, Generator und Frequenzumrichter und/oder dem Lagerbereich der Expansionsmaschine austretendes Kältemittel dem Verflüssiger eintrittsseitig zugeführt.

Beispielsweise handelt es sich um Temperaturbereiche des zur Kühlung eingesetzten Kältemittels von etwa 15 °C bis 50 °C auf der Eintrittsseite und etwa 30 °C bis 80 °C auf der Austrittsseite, wobei die jeweiligen Temperaturen vom aktuellen Betriebszustand zu kühlender Bauteile und/oder Baugruppen sowie der gesamten Abwärmenutzungsanlage abhängen.

Erfindungsgemäß ist eine mit einer übergeordneten Regeleinrichtung verknüpfte Temperaturüberwachungseinrichtung mit Temperaturmessstellen in den zu kühlenden Bauteilen und/oder Baugruppen vorgesehen. Diese vergleicht aktuelle Temperaturmesswerte mit vorgebbaren Sollwerten, wertet diese aus und/oder regelt dementsprechend optimiert den Kältemitteldurchsatz. Dabei sind vorzugsweise für die zu kühlenden Bauteile und/oder Baugruppen getrennte Regelkreise mit getrennten Kühlkanälen oder entsprechenden Leitungen vorgesehen. Diese einzelnen, den jeweils zu kühlenden Bauteilen und/oder Baugruppen zugeordneten Regelkreise, weisen Ventile, vorzugsweise Magnetventile, zur Steuerung des Kältemitteldurchsatzes auf, um optimal der jeweiligen örtlichen Temperatursituation gerecht zu werden.

Mit der Erfindung werden Aufbau und Betriebsverhalten einer Abwärmenutzungsanlage, welche aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC besteht, optimiert. Abwärmequellen können beispielsweise Blockheizkraftwerke, Industrieanlagen oder Kesselanlagen sein.

Die Abwärmenutzungsanlage, insbesondere die Einheit aus Expansionsmaschine, Generator und Frequenzumrichter, wird mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen optimal und situationsgerecht gekühlt. Einerseits ist dies Voraussetzung für einen sicheren, robusten Anlagenbetrieb, aber andererseits auch für einen effektiven und schonenden Betrieb der einzelnen Komponenten, welche allesamt spezielle Anforderungen in Bezug auf Kühlung haben. Dies betrifft nicht nur den stationären Betrieb der Abwärmenutzungsanlage, sondern auch das Modulieren des Systems entsprechend es Abwärmeanfalls sowie das An- und Abfahren. Insbesondere diese Zustände stellen für das Kühlsystem eine Herausforderung dar und bieten erfindungsgemäß eine sichere Beherrschung.

Zum Beispiel wird in der Startphase eine maximale Betriebssicherheit und Schutz vor Kältemittelkondensation erreicht, wenn der mit dem motorisch betriebenen Generator gekoppelte Hochlauf der Expansionsmaschine ohne Kältemittelbeaufschlagung im ORC-Kreislauf stattfindet. Weil auf der Kühlungsseite der dafür eingesetzte Kältemittel-Teilstrom über die Generatoreinheit geführt wird, nimmt dieser dort die durch mechanische Verluste entstehende Wärme während des motorischen Betriebes auf. Das Kühlmedium strömt danach durch das Gehäuse der Expansionsmaschine, gibt dort Wärme ab und sorgt dadurch in der Startphase zunächst für eine Vorwärmung.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur den schematischen Aufbau einer Abwärmenutzungsanlage, bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC.

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 9, 10 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.

Ein flüssiger Kältemittel-Teilstrom 12 zur Kühlung der Expansionsmaschine 4 wird abgezweigt und zunächst durch den Generator 5 geführt. Danach strömt das Kühlmedium durch das Gehäuse der Expansionsmaschine 4, gibt dort in der Startphase zur Vorwärmung zunächst für Wärme ab und sorgt dort im Normalbetrieb für ausreichende Wärmeabfuhr. Gezeichnet ist dazu nur eine vereinfachte, schematische Leitungsführung ohne die notwendigen Abzweigungen zu einzelnen Bauteilen oder Baugruppen, Teilkreise, Temperaturmessstellen, Ventile und Regeleinrichtungen.

Beim Erreichen einer Mindest-Startdrehzahl wird ein Dampfventil 13 am Einlass der Expansionsmaschine 4 zur Dampfexpansion im ORC geöffnet und während des weiteren Öffnens des Dampfventils 13 erfolgt ein weiteres Hochfahren der Drehzahl, so dass der Generator 5 vom motorischen Betrieb in den normalen Generatorbetrieb übergeht.

Um die Expansionsmaschine 4 herum ist ein geregelter Bypass 14 mit mindestens einem Drosselventil 15 vorgesehen. Dieser Bypass 14 ist in der Startphase, also bei noch relativ niedriger Temperatur des Arbeitsmediums, zunächst geöffnet. Damit wird das Arbeitsmedium um die Expansionsmaschine 4 herum geleitet. Sobald der ORC-Kreislauf 1 seinen Soll-Betriebszustand erreicht hat, wird das Drosselventil 15 im Bypass 14 geschlossen und das der Expansionsmaschine 4 vorgeschaltete Dampfventil 13 geöffnet.