ORC-VORRICHTUNG ZUM KÜHLEN EINES PROZESSFLUIDS

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein System zum Kühlen eines Prozessfluids einer wärmeerzeugenden Einrichtung, umfassend: einen Ausgang der wärmeerzeugenden Einrichtung (10), wobei der Ausgang (11) zum Abführen von zu kühlendem Prozessfluid von der wärmeerzeugenden Einrichtung vorgesehen ist; einen Eingang (12) der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Eingang zum Zuführen von gekühltem Prozessfluid zur wärmeerzeugenden Einrichtung vorgesehen ist; und eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC-Vorrichtung, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst: einen Verdampfer (20) mit einem Einlass zum Zuführen des zu kühlenden Prozessfluids vom Ausgang der wärmeerzeugenden Einrichtung und mit einem Auslass zum Abführen des gekühlten Prozessfluids zum Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Verdampfer zum Verdampfen eines Arbeitsmediums der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung mittels Wärme aus dem Prozessfluid ausgebildet ist; eine Expansionsmaschine (30) zum Expandieren des verdampften Arbeitsmediums und zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie; einen Kondensator (50) zum Verflüssigen des expandierten Arbeitsmediums, insbesondere einen luftgekühlten Kondensator; und eine Pumpe (60) zum Pumpen des verflüssigten Arbeitsmediums zum Verdampfer.

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft ein System zum Kühlen eines Prozessfluids einer wärmeerzeugenden Einrichtung.

Stand der Technik

[0002] Aktuell gibt es zahlreiche Anwendungsfälle in der Industrie (z.B. Kühlung von Druckluftkompressoren, Lebensmittelindustrie, Chemieindustrie), bei der Stromerzeugung (z.B. Kühlung von Motorkühlwasser bei stationären Motoren, Transformatoren) oder im Verkehr (Verbrennungsmotoren, z.B. Lastkraftwagen), in denen z.B. elektrische (oder mechanische) Energie zum Antrieb eines Kühlers, beispielsweise eines Luftkühlers, eingesetzt wird. Dabei wir das zu kühlende Medium i.d.R. in einen Wärmeübertrager geleitet, welcher von Umgebungsluft durchströmt wird. Der Luftstrom wird hierbei z.B. mittels elektrisch oder mechanisch angetriebenen Lüftern erzeugt. Das zu kühlende Medium (nachfolgend als Prozessfluid bezeichnet) gibt die Energie an die Umgebungsluft ab und geht gekühlt zurück in den Prozess. Nachteilig ist dabei, dass elektrische oder mechanische Energie aufgewendet wird, um dem Prozess thermische Energie zu entnehmen.

Beschreibung der Erfindung

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest abzumildern.

[0004] Die Erfindung beschreibt die Lösung des oben genannten Problems, indem mittels einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die dem Medium entnommene Wärme teilweise in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.

[0005] Die erfindungsgemäße Lösung wird definiert durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.

[0006] Die Erfindung offenbart somit ein System zum Kühlen eines Prozessfluids einer wärmeerzeugenden Einrichtung, umfassend: einen Ausgang der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Ausgang zum Abführen von zu kühlendem Prozessfluid von der wärmeerzeugenden Einrichtung vorgesehen ist; einen Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Eingang zum Zuführen von gekühltem Prozessfluid zur wärmeerzeugenden Einrichtung vorgesehen ist; und eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC-Vorrichtung, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst: einen Verdampfer mit einem Einlass zum Zuführen des zu kühlenden Prozessfluids vom Ausgang der wärmeerzeugenden Einrichtung und mit einem Auslass zum Abführen des gekühlten Prozessfluids zum Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Verdampfer zum Verdampfen eines Arbeitsmediums der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung mittels Wärme aus dem Prozessfluid ausgebildet ist; eine Expansionsmaschine zum Expandieren des verdampften Arbeitsmediums und zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie; einen Kondensator zum Verflüssigen des expandierten Arbeitsmediums, insbesondere einen luftgekühlten Kondensator; und eine Pumpe zum Pumpen des verflüssigten Arbeitsmediums zum Verdampfer. Die gewonnene mechanische und/oder elektrische Energie kann zum Betreiben des Kondensators verwendet werden, insbesondere zum Antreiben eines Ventilators eines luftgekühlten Kondensators.

[0007] Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass einen Kühler, insbesondere einen Luftkühler, zum Kühlen wenigstens eines Teils des zu kühlenden Prozessfluids, vorgesehen sein kann. Auf diese Weise kann eine Notlauffähigkeit bei Ausfall der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung gewährleistet werden.

[0008] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass eine Abzweigung, die in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Ausgangs der wärmeerzeugenden Einrichtung und stromaufwärts des Eingangs der wärmeerzeugenden Einrichtung zum Aufteilen des zu kühlenden Prozessfluids in einen ersten und einen zweiten Teilstrom des Prozessfluids vorgesehen ist, wobei die Abzweigung optional ein Ventil umfasst; und eine Zusammenführung, die in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts der Abzweigung und stromaufwärts des Eingangs der wärmeerzeugenden Einrichtung zum Zusammenführen des ersten und des zweiten Teilstroms des Prozessfluids vorgesehen ist.

[0009] Gemäß dieser Weiterbildung kann der Strom des Prozessfluids beispielswese in zwei Teilströme aufgeteilt werde, wobei ein Teilstrom durch den Verdampfer geführt wird und der andere Teilstrom über den Kühler. Es ist jedoch auch möglich, den Strom des Prozessfluids gar nicht oder nur teilweise durch den Verdampfer und/oder Kühler zu führen, beispielsweise wenn ansonsten eine für die wärmeerzeugende Einrichtung zu starke Auskühlung des Prozessfluids erfolgen würde. Zu diesem Zweck können die Abzweigung bzw. eine weitere Abzweigung und die Zusammenführung bzw. eine weitere Zusammenführung so über eine Verbindungsleitung verbunden sein, dass das aus dem Ausgang der wärmeerzeugenden Einrichtung austretende Prozessfluid zumindest teilweise unmittelbar wieder zum Eingang geführt wird, wobei der Massenstrom durch die Verbindungsleitung über das bzw. ein weiteres Ventil eingestellt werden kann.

[0010] Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass die Abzweigung in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Ausgangs und stromaufwärts des Einlasses zum Aufteilen des zu kühlenden Prozessfluids in den ersten und den zweiten Teilstrom des Prozessfluids vorgesehen ist, wobei die Abzweigung optional ein Ventil umfasst. Damit ist es möglich, das zu kühlende Prozessfluid vor dem Verdampfer ganz oder teilweise direkt zum Kühler zu leiten.

[0011] Die Zusammenführung kann dabei in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts des Eingangs zum Zusammenführen des durch den Kühler gekühlten zweiten Teilstroms des Prozessfluids und des durch den Verdampfer gekühlten ersten Teilstroms des Prozessfluids vorgesehen sein; wobei die Abzweigung zum Zuführen des ersten Teilstroms zum Verdampfer und zum Zuführen des zweiten Teilstroms zum Kühler ausgebildet ist. Somit ist in Bezug auf den Strom des Prozessfluids eine parallele Verschaltung der Komponenten (Verdampfer, Kühler), die dem Prozessfluid Wärme entziehen, realisiert.

[0012] In einer anderen Weiterbildung kann der Kühler in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts des Eingangs zum weiteren Kühlen des durch den Verdampfer gekühlten Prozessfluids angeordnet sein. Dies stellt eine Reihenverschaltung der der Komponenten (Verdampfer, Kühler), die dem Prozessfluid Wärme entziehen, dar.

[0013] Gemäß einer anderen Weiterbildung kann der Kühler eine bauliche Einheit mit dem Kondensator bilden oder separat vom Kondensator vorgesehen sein. Falls der Kühler in einer baulichen Einheit mit dem Kondensator ausgebildet ist, kann z.B. ein gemeinsamer Ventilator zur Luftkühlung bereitgestellt sein. Falls der Kühler separat vom Kondensator ausgebildet ist, kann die Kühlleistung dieser Komponenten dagegen unabhängig voneinander geregelt werden.

[0014] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass das System weiterhin eine Regeleinrichtung zum Regeln des Wärmeeintrags in den Kühler umfassen kann, wodurch insbesondere eine Solltemperatur des dem Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung zurückgeführten Prozessfluids erzielbar ist.

[0015] Gemäß einer anderen Weiterbildung kann zur thermischen Verbindung des Kondensators und des Kühlers ein Zwischenkreis mit einem Wärmeträgerfluid vorgesehen sein, wobei der Kondensator zum Übertragen von Wärme aus dem expandierten Arbeitsmedium auf das Wärmeträgerfluid vorgesehen ist und wobei der Kühler zum Kühlen des Wärmeträgerfluids vorgesehen ist.

[0016] Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass aus einem vom Kondensator zum Kühler fließenden Zweig des Wärmeträgerfluids Nutzwärme zu einer Nutzwärmeeinrichtung abgeführt werden kann.

[0017] Dabei kann eine (chemische) Zusammensetzung des Wärmeträgerfluids identisch zu einer Zusammensetzung des Prozessfluids sein.

[0018] Das erfindungsgemäße System oder eine dessen Weiterbildungen kann weiterhin einen weiteren Wärmeübertrager umfassen, der in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Verdampfers zum Übertragen von Wärme von dem durch den Verdampfer gekühlten Prozessfluid auf ein Wärmeträgerfluid vorgesehen ist.

[0019] Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass das System weiterhin ein Ventil zum Regeln des Massenstroms des Wärmeträgerfluids durch den weiteren Wärmeübertrager umfasst. Somit wird in dem Verdampfer vorgekühltes Prozessfluid einem weiteren Wärmeübertrager zugeführt und kann darin auf eine Zieltemperatur gekühlt werden. Weiterhin kann eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Prozessfluids stromabwärts des weiteren Wärmeübertragers vorgesehen sein, wobei die Regelung des Ventils dann in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur erfolgen kann.

[0020] Das erfindungsgemäße System oder eine dessen Weiterbildungen kann weiterhin umfassen: einen weiteren Verdampfer zwischen dem Auslass und dem Eingang zum weiteren Verdampfen von Arbeitsmedium mittels Wärme aus dem Prozessfluid; ein Drosselventil zum Absenken des Drucks des Arbeitsmediums; und eine Flüssigkeitsstrahlpumpe und/oder eine Dampfstrahlpumpe zwischen dem weiteren Verdampfer und dem Kondensator zur Absenkung des Drucks in dem weiteren Verdampfer, wobei insbesondere ein Teil des verflüssigten Arbeitsmediums bzw. ein Teil des verdampften Arbeitsmediums als Treibstrahl dient. Dies realisiert eine in den Ausführungsformen näher beschriebene 3-stufige Kühlung des Prozessfluids.

[0021] Die Weiterbildungen mit einem Kühler kann so ausgestaltet sein, dass der Auslass des Verdampfers mit einem Eingang des Kühlers, ein Ausgang des Kühlers mit einem Eingang des Kondensators und ein Ausgang des Kondensators mit dem Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung verbunden ist, sodass im Betrieb das Prozessfluid vom Verdampfer zur weiteren Kühlung durch den Kühler geleitet wird, daran anschließend als wärmeaufnehmendes Medium durch den Kondensator geleitet wird und wiederum daran anschließend zum Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung geleitet wird. Der Kühler wird daher unabhängig vom thermodynamischen Kreisprozess betrieben und stellt eine Möglichkeit für eine Notlauffähigkeit des Systems (im Sinne einer Notkühlung des Prozessfluids) dar.

[0022] Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht geeignet miteinander kombiniert werden.

[0023] Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.

Zeichnungen

[0024] 

Fig. 1

zeigt eine erste Ausführungsform (Variante 1) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2

zeigt eine zweite Ausführungsform (Variante 2A) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3

zeigt eine dritte Ausführungsform (Variante 2B) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 4

zeigt ein Temperatur-Wärmestrom-Diagramm (T-Q-Diagramm)

Fig. 5

zeigt eine vierte Ausführungsform (Variante 2C) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 6

zeigt eine fünfte Ausführungsform (Variante 3A) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 7

zeigt eine sechste Ausführungsform (Variante 3B) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 8

zeigt eine siebte Ausführungsform (Variante 4) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 9

zeigt eine achte Ausführungsform (Variante 5) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig.10

zeigt eine neunte Ausführungsform (Variante 6) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 11

zeigt eine zehnte Ausführungsform (Variante 7) der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0025] Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen beziehen sich auf identische oder entsprechende Bestandteile.

Ausführungsformen

[0026] Bei zahlreichen Anwendungen von Luftkühlern (siehe Abschnitt: Stand der Technik) wird ein Medium mit Temperaturen >50°C gekühlt. Dieses Temperaturniveau ist ausreichend, um damit einen thermodynamischen Kreisprozess zu betreiben, z.B. einen Organic-Rankine-Cycle Prozess (ORC-Prozess). Es kann also neben der Kühlfunktion noch nutzbare mechanische und/oder elektrische Energie bereitgestellt werden. Diese Energie kann zum Beispiel einen Luftkühler antreiben oder für sonstige Zwecke verwendet werden (Betrieb von prozessnahen Verbrauchern, Pumpen, Energiespeicher...).

[0027] Der thermodynamische Kreisprozess ersetzt somit den ursprünglich eingesetzten Luftkühler der jeweiligen Anwendung, weshalb im Falle eines Organic-Rankine-Cycle Prozesses beispielsweise von einem ORC-Kühler für die Anwendung gesprochen werden kann.

Spezifische bevorzugte Anforderungen an den ORC Kühler:

[0028] 

• Die Kühlleistung soll auch bei Ausfall des ORC-Kreislaufs gewährleistet werden.
• Bei machen Anwendungen soll kein überschüssiger Strom erzeugt werden, weil durch eine direkte Netzeinspeisung die technische und rechtliche Komplexität ggf. unverhältnismäßig steigt. Daher ist in einem solchen Fall auch keine Verbindung mit dem Stromnetz erforderlich.
• Es sollte möglichst Wartungsfreiheit bestehen bzw. es sollte keine Erhöhung des Wartungsaufwands im Vergleich zu konventionellen Kühlern resultieren.
• Falls erforderlich, soll ein Temperaturniveau des Hauptprozesses / des zu kühlenden Prozesses eingehalten werden, also z.B. sollte eine Temperatur des zurückgeführten Prozessfluids erzielt bzw. unterschritten werden. Durch Hinzufügen wenigstens eines weiteren Wärmeübertragers ist eine weitere Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsmedium bzw. auch dem Prozessfluid und dem Kühlfluid eines Kühlers (z.B. Umgebungsluft oder Kühlwasser) vorhanden, sodass die Zieltemperatur des zu kühlenden Prozesses nicht eingehalten werden kann. Durch die unten angeführten Verschaltungen wird das Problem der zusätzlichen Temperaturdifferenz gelöst.
• Eine Modularität des Systems ist bevorzugt, um bei Bedarf höhere Kühlleistungen bereitstellen zu können.
• Es sollte kein Einfluss auf das bestehende Regelungssystem des Hauptprozess entstehen.

[0029] Allgemein kann der ORC-Kühler für alle Prozesse angewendet werden, bei denen das zu kühlende Fluid mit einem ausreichend großen Temperaturabstand zur Umgebungstemperatur (z.B. mit einer Temperatur über 40°C) an den Prozess zurückgegeben werden kann.

Beispielanwendungen für zu kühlende Prozesse (nicht vollständig):

[0030] 

• Motoren (Zug, LKW, Baumaschinen, Kran, Marine)
• Druckluftkompressoren
• Industrieprozesse (Automobil, Chemie, Druck, Elektro- und Elektronik, Glas, Gummi, Kunststoff, Laser, Nahrungsmittel, Pharma, Textil, Umwelt, Verpackung,...)
• Transformatoren-Stationen
• Data Center (Serverkühlung)

Detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen

Variante 1 - Grundverschaltung

[0031] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform 100 der erfindungsgemäßen thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung.

[0032] Das System 100 zum Kühlen eines Prozessfluids (z.B. Wasser) einer wärmeerzeugenden Einrichtung 10, umfasst: einen Ausgang 11 der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Ausgang 11 zum Abführen von zu kühlendem Prozessfluid von der wärmeerzeugenden Einrichtung 10 vorgesehen ist; einen Eingang 12 der wärmeerzeugenden Einrichtung 10, wobei der Eingang 12 zum Zuführen von gekühltem Prozessfluid zur wärmeerzeugenden Einrichtung 10 vorgesehen ist; und eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC-Vorrichtung, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst: einen Verdampfer 20 mit einem Einlass 21 zum Zuführen des zu kühlenden Prozessfluids vom Ausgang 11 der wärmeerzeugenden Einrichtung 10 und mit einem Auslass 22 zum Abführen des gekühlten Prozessfluids zum Eingang 12 der wärmeerzeugenden Einrichtung 10, wobei der Verdampfer 20 zum Verdampfen eines Arbeitsmediums der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung mittels Wärme aus dem Prozessfluid ausgebildet ist; eine Expansionsmaschine 30 zum Expandieren des verdampften Arbeitsmediums und zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie, beispielsweise mittels elektrischem Generator 40; einen Kondensator 50 zum Verflüssigen des expandierten Arbeitsmediums, insbesondere einen luftgekühlten Kondensator 50; und eine Pumpe 60 zum Pumpen des verflüssigten Arbeitsmediums zum Verdampfer.

[0033] Die Implementierung der Erfindung erfolgt in ihrer einfachsten Ausführungsform gemäß Fig. 1 wie folgt. Im Verdampfer 20 wird das heiße Prozessfluid mit der Prozesstemperatur T_proz,aus auf die Zieltemperatur T_proz,ein gekühlt, während die aufgenommene Wärme zur Verdampfung des Arbeitsmediums im ORC-Kreis verwendet wird. Der so erzeugte Frischdampf wird unter Arbeitsabgabe in der Expansionsmaschine 30 entspannt, wodurch z.B. ein Generator 40 angetrieben werden kann. Der Abdampf wird im Kondensator 50 verflüssigt und steht anschließend flüssig an der Pumpe 60 an. Die Pumpe 60 bringt das Arbeitsmedium anschließend wieder auf den gewünschten Druck. Durch die Vorrichtung in Fig. 1 wird der zuvor eingesetzte konventionelle Luftkühler des Prozesses 10 ersetzt und zusätzlich Nutzleistung generiert. Wie weiter oben ausgeführt, kann jedoch durch den zusätzlichen Kreislauf des Arbeitsmediums die Zieltemperatur T_Proz,ein nicht so niedrig sein, wie ohne den ORC-Kreis. Weiterhin ist in dieser ersten Ausführungsform eine Notlauffähigkeit der Anlage nicht gegeben. Das heißt, bei Ausfall der ORC-Anlage kann die Temperatur T_Proz,aus nicht abgesenkt werden, es kann nicht gekühlt werden.

Variante 2A - Parallele Verschaltung

[0034] Fig. 2A zeigt eine zweite Ausführungsform 200 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0035] In dieser zweiten Ausführungsform 200 des erfindungsgemäßen Systems ist zusätzlich Kühler 70 (hier ein Luftkühler 70) zum Kühlen wenigstens eines Teils des zu kühlenden Prozessfluids vorgesehen. Das System 200 umfasst eine Abzweigung 71, die beispielhaft in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Ausgangs 11 und stromaufwärts des Einlasses 21 zum Aufteilen des zu kühlenden Prozessfluids in einen ersten und einen zweiten Teilstrom des Prozessfluids vorgesehen ist, wobei die Abzweigung 71 in diesem Beispiel ein Ventil V umfasst. Das System 200 umfasst weiterhin eine Zusammenführung 72, die in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Auslasses 22 und stromaufwärts des Eingangs 12 zum Zusammenführen des durch den Kühler 70 gekühlten zweiten Teilstroms des Prozessfluids und des durch den Verdampfer 20 gekühlten ersten Teilstroms des Prozessfluids vorgesehen ist; wobei die Abzweigung 71 zum Zuführen des ersten Teilstroms zum Verdampfer 20 und zum Zuführen des zweiten Teilstroms zum Kühler 70 ausgebildet ist. Somit ist in Bezug auf den Strom des Prozessfluids eine parallele Verschaltung der Komponenten (Verdampfer 20, Kühler 70), die dem Prozessfluid Wärme entziehen, realisiert. Der Kühler 70 ist hier in einer baulichen Einheit mit dem Kondensator 50 ausgebildet, und es kann ein gemeinsamer Ventilator zur Luftkühlung bereitgestellt sein.

[0036] Die Verschaltung gemäß Fig. 2A löst somit das Problem der Notlaufeigenschaft. Die Bypass-Möglichkeit (über das Ventil V) des ORC-Kreislaufs gewährleistet die Kühlung bei Ausfall des ORC-Kreislaufs. Die Zieltemperatur T_proz,ein kann erreicht werden indem ein Teilstrom den ORC-Kreislauf umgeht, direkt im Luftkühler (z.B.: V-Kühler, Tischkühler) gekühlt wird und anschließend wieder dem Teilstrom aus dem ORC-Verdampfer 20 zugemischt wird. Der im ORC-Kreislauf durch den Generator 40 erzeugte Strom kann direkt für die Versorgung des Luftkühlers 70 (bzw. der Kombination aus Verdampfer 50 und Luftkühler 70) verwendet werden, wodurch dessen Stromkosten signifikant reduziert werden, was wiederum zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Kühlers 70 (Verdampfer 50) führt. Zusätzlich ist es mit dieser Verschaltung möglich, stets die Zieltemperatur T_Proz,ein zu erreichen.

[0037] Fig. 2B stellt eine Abwandlung der Ausführung gemäß Fig. 2A dar, indem der Strom der Umgebungsluft nicht wie in Fig. 2A parallel durch den Kondensator 50 und den Kühler 70 hindurchgeht, sondern nacheinander zuerst durch den Kühler 70 und danach durch den Kondensator 50. Dies hat den Vorteil einer kompakten Bauweise, wobei die geringste Lufttemperatur am Kühler 70 vorliegt, so dass dadurch eine niedrige Temperatur des Prozessfluids erzielt werden kann, während die Kühlung des Arbeitsmediums im Kondensator 50 weniger effektiv ist.

[0038] Fig. 2C stellt eine Alternative zur Abwandlung gemäß Fig. 2B dar. Hierbei ist in Bezug auf die Luftdurchströmung die Reihenfolge von Kühler 70 und Verdampfer 50 vertauscht, so dass die Umgebungsluft zunächst durch den Verdampfer 50 und anschließen durch den Kühler 70 strömt. Dadurch liegt die geringste Lufttemperatur am Kondensator 50 vor, so dass mit dem ORC-Kreislauf eine höhere Stromerzeugung über den Generator 40 möglich ist.

[0039] In den Abwandlungen gemäß Fig. 2B und 2C bleibt die in Bezug auf Fig. 2A beschriebene Notlauffähigkeit erhalten.

Variante 2B - Serielle Verschaltung

[0040] Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform 300 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0041] In der dritten Ausführungsform ist der Kühler 70 in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Auslasses 22 des Verdampfers 20 und stromaufwärts des Eingangs 12 der wärmeerzeugenden Einrichtung 10 zum weiteren Kühlen des durch den Verdampfer gekühlten Prozessfluids angeordnet. Dies realisiert eine Reihenverschaltung der Komponenten (Verdampfer 20, Kühler 70), die dem Prozessfluid Wärme entziehen. In einer modifizierten Ausführung, kann (ähnlich zur Ausführungsform gemäß Fig. 2 ein Ventil vorgesehen sein, das nur einen Teil des Prozessfluids über den Kühler 70 führt.

[0042] Der Prozessfluid-/Wasser-Rücklauf aus dem ORC-Verdampfer 20 wird durch den Luftkühler 70 geschickt um eine weitere Auskühlung zu ermöglichen. In einer Weiterentwicklung kann durch eine intelligente Regelung der Wärmeeintrag zum Luftkühler 70 geregelt werden (z.B. mit Hilfe des genannten Ventils), um nicht weiter als notwendig auszukühlen. Ziel ist es, die geforderte T_proz,ein zu erreichen ohne Strom zu verbrauchen. Dies ist im Temperatur-Wärmestrom-Diagramm gemäß Fig. 4 dargestellt (T-Q-Diagramm).

[0043] Ist die durch den ORC-Kreisprozess erreichbare Auskühlung T₁ über einer geforderten Grenze, so kann über eine zusätzliche Kühlung durch Wasser oder Luft im nachgelagerten Kühler eine geringere Temperatur T_proz,ein erreicht werden.

Variante 2C - Unabhängige Verschaltung

[0044] Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform 400 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0045] Die vierte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2. Der Unterschied besteht darin, dass der Kühler 70 separat vom Kondensator 50 vorgesehen ist.

[0046] Der Vorteil dieser Variante ist, dass der ORC-Kühler (mit den Komponenten 20, 30, 40, 50, 60) und der Luftkühler (Notkühler) 70 vollständig unabhängig voneinander betrieben werden können und auch bei Ausfall des ORC Kühlers eine Notkühlung für den Prozess gewährleistet ist. Zusätzlich erleichtert die systemische Trennung des ORC-Kühlers und des Luftkühlers die einfache Integration in bestehende Kühlsysteme. Der bestehende Kühler fungiert nach der Integration als Notkühler und der ORC-Kühler als Zusatzmodul ("Rucksackmodul") für Nachrüstungen oder Erweiterungen.

Variante 3A - Parallele Verschaltung im Wasserkreis

[0047] Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform 500 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0048] Die fünfte Ausführungsform basiert im Wesentlichen auf der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2.

[0049] Gemäß der fünften Ausführungsform umfasst das System 500 zur thermischen Verbindung des Kondensators 50 und des Kühlers 70a, 70b jedoch weiterhin einen Zwischenkreis mit einem Wärmeträgerfluid (hier Wasser), wobei der Kondensator 50 zum Übertragen von Wärme aus dem expandierten Arbeitsmedium auf das Wärmeträgerfluid vorgesehen ist und wobei der Kühler 70a, 70b zum Kühlen des Wärmeträgerfluids vorgesehen ist. Aus einem vom Kondensator 50 zum Kühler 70a, 70b fließenden Zweig des Wärmeträgerfluids kann beispielsweise Nutzwärme zu einer Nutzwärmeeinrichtung 80 abgeführt werden kann.

Variante 3B - Serielle Verschaltung im Wasserkreis

[0050] Fig. 7 zeigt eine sechste Ausführungsform 600 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0051] Die sechste Ausführungsform basiert auf der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 und wurde analog zur fünften Ausführungsform modifiziert. Dabei ist die (chemische) Zusammensetzung des Wärmeträgerfluids identisch zur Zusammensetzung des Prozessfluids.

[0052] Oftmals gestaltet es sich schwierig, Luftkühler (z.B. Tischkühler) aufgrund ihrer großen Aufstellfläche in vorhandene Anlagen einzugliedern. Die Verschaltungsvarianten 3A und 3B verringern diese Problematik indem zwischen ORC-Kondensator 50 und dem Kühler 70 ein weiterer Wärmeübertrager 75 und ein Zwischenkreis mit einem Wärmeträgerfluid (z.B. Wasser) eingefügt werden. Somit werden die Aufstellorte der Wärmequelle und des Kühlers voneinander entkoppelt und eine große Flexibilität bei der Aufstellung des ORC Prozesses erreicht. Weiterhin kann der Wasserzwischenkreis weitere Wärmeverbraucher speisen. Die Varianten 3A und 3B können hinsichtlich der Wärmequelle und der Wärmesenke auch permutiert werden.

Variante 4 - Kombination Kühler - Vorwärmer - ORC

[0053] Fig. 8 zeigt eine siebte Ausführungsform 700 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0054] Gemäß der siebten Ausführungsform 700 des erfindungsgemäßen Systems ist ein weiterer Wärmeübertrager 25 vorgesehen, der (in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Verdampfers 20) zum Übertragen von Wärme von dem durch den Verdampfer 20 gekühlten Prozessfluid auf ein Wärmeträgerfluid vorgesehen ist.

[0055] Das System umfasst ein Ventil 26 zum Regeln des Massenstroms des Wärmeträgerfluids durch den weiteren Wärmeübertrager 25. Weiterhin ist hier beispielhaft eine Temperaturmesseinrichtung 27 zum Messen der Temperatur des Prozessfluids stromabwärts des weiteren Wärmeübertragers 25 vorgesehen ist, wobei die Regelung des Ventils 26 in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur erfolgt.

[0056] In dieser Ausführung ist es möglich, eine Absenkung der Temperatur T_Proz,ein auf das gleiche Temperaturniveau wie ohne ORC zu erreichen, indem zusätzlich ein Teilstrom eines kalten, aufzuwärmenden Prozessmediums (Wärmeträgerfluid, hier Wasser) zur Kühlung verwendet wird. Die Wärmeabnahme geschieht dann in einem ersten Schritt durch den ORC-Kreis. Das vorgekühlte wärmeübertragende Prozessfluid durchströmt anschließend den weiteren Wärmeübertrager 25 in dem es auf die Zieltemperatur herabgekühlt wird.

[0057] Dabei kann zur Einstellung der Zieltemperatur ein anderer Teilstrom des kalten, aufzuwärmenden Prozessmediums dem Prozessfluid in Strömungsrichtung nach dem weiteren Wärmeübertrager 25 beigemischt werden.

Variante 5 - 3 stufige Kühlung des wärmezuführenden Mediums

[0058] Fig. 9 zeigt eine achte Ausführungsform 800 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0059] Gemäß der achten Ausführungsform ist ein weiterer Verdampfer 90 zwischen dem Auslass 22 und dem Eingang 12 zum weiteren Verdampfen von Arbeitsmedium mittels Wärme aus dem Prozessfluid vorgesehen. Zudem ist ein Drosselventil 91 zum Absenken des Drucks des Arbeitsmediums in dem weiteren Verdampfer 90 und eine Flüssigkeitsstrahlpumpe 92 und/oder eine Dampfstrahlpumpe 93 zwischen dem weiteren Verdampfer 90 und dem Kondensator 50 zur Absenkung des Drucks in dem weiteren Verdampfer 90 angeordnet, wobei insbesondere ein Teil des verflüssigten Arbeitsmediums bzw. ein Teil des verdampften Arbeitsmediums als Treibstrahl dient. Dies realisiert eine 3-stufige Kühlung des Prozessfluids, wie nachfolgend beschrieben. In der Zeichnung ist sowohl die Ausführung mit der Flüssigkeitsstrahlpumpe 92 als auch mit der Dampfstrahlpumpe 93 gezeigt. In der Regel ist nur eine der beiden Pumpen vorgesehen. Mit der Flüssigkeitsstrahlpumpe 92 ist die untere Leitung nach der Pumpe 60 zur Flüssigkeitsstrahlpumpe 92 erforderlich, während im Falle der Dampfstrahlpumpe 93 die obere Leitung für das im Verdampfer 20 verdampfte Arbeitsmedium erforderlich ist.

1. Stufe: Normalbetrieb

[0060] Wärmezuführendes Medium wird nach der Wärmeabgabe im Verdampfer an den zu kühlenden Prozess zurückgeführt.

2. Stufe: Kühlbetrieb

[0061] Ein Teilstrom des Arbeitsmediums wird über das Drosselventil (Drossel) 91 dem Verdampfer 90 zugeführt. Die Drossel 91 wird derart eingestellt, dass der Druck annähernd dem Druck im Kondensator 50 entspricht. Durch die Druckabsenkung verdampft das Arbeitsmedium im Verdampfer 90 nur minimal über dem Kondensationsdruck und der Kondensationstemperatur des Kondensators 50, und ermöglicht so eine Auskühlung des zu kühlenden Mediums bis auf eine Temperatur, die ähnlich niedrig ist, wie die minimal erzielbare Temperatur in einem direkten Wärmeübertrager von zu kühlendem Medium an Luft. Auf diese Weise kann man selbst bei Nachrüstung der Kühlanlage mit einem ORC-System gewährleisten, dass die geforderten Temperaturen des zu kühlenden Mediums eingehalten werden.

3. Stufe: Drosselung auf einen Druck unterhalb des Kondensatordrucks

[0062] Eine Flüssigkeitsstrahlpumpe 92 oder eine Dampfstrahlpumpe 93 bewirkt eine Druckabsenkung im Verdampfer 90 auf einen Druck unterhalb des Kondensationsdrucks im Kondensator 50. Es kann damit sogar ein geringerer Siededruck als der Kondensationsdruck im Kondensator 50 erreicht werden. Hierdurch wird das Arbeitsmedium mit sehr wenig Energieaufwand gefördert und wieder auf den Kondensationsdruck angehoben. Vorteilhaft ist hierbei, dass das Arbeitsmedium nur in geringen Massenströmen und bei geringer Druckerhöhung gefördert werden muss. Hierbei dient entweder ein Teil des Frischdampfes oder ein Teil des Speisefluids als Treibstrahl.

Variante 6 - Erweiterung durch ein ORC Modul für bestehende Kühler / ohne Direktkondensation

[0063] Fig. 10 zeigt eine neunte Ausführungsform 900 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0064] Gemäß der zehnten Ausführungsformen ist der Auslass 22 des Verdampfers 20 mit einem Eingang 71 des Kühlers 70, ein Ausgang 72 des Kühlers 70 mit einem Eingang 51 des Kondensators 50 und ein Ausgang 52 des Kondensators 50 mit dem Eingang 12 der wärmeerzeugenden Einrichtung 10 verbunden. Im Betrieb wird das Prozessfluid vom Verdampfer 20 zur weiteren Kühlung durch den Kühler 70 geleitet wird, daran anschließend als wärmeaufnehmendes Medium durch den Kondensator 50 geleitet wird und wiederum daran anschließend zum Eingang 12 der wärmeerzeugenden Einrichtung 10 geleitet.

[0065] Diese Verschaltung löst das Problem der Notlaufeigenschaft, weil der Kühler 70 unabhängig vom ORC-Kreislauf betrieben wird. Je nach gewünschter Zieltemperatur entnimmt der ORC-Kreislauf Wärme, die notwendige Kühlerleistung wird reduziert und der nachgelagerte Lüfter wird entlastet, was zu einer Reduktion seiner Wartungsintervalle führt. Diese Variante zeichnet sich durch ihre Kompaktheit (wenige Bauteile) und Synergieeffekte der gemeinsamen Komponenten aus. Sie kann gut zur Integration von bestehenden Kühlsystemen verwendet werden. Neben der Verdampfung findet auch die Kondensation im ORC Kreislauf gegen das zu kühlende Fluid statt (bei den anderen Varianten findet die Kondensation gegen die Umgebungsluft statt).

Variante 7 - Erweiterung durch ein ORC Modul für bestehende Kühler / mit Direktkondensation

[0066] Fig. 11 zeigt eine zehnte Ausführungsform 1000 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0067] Diese Ausführungsform ist ähnlich zur neunten Ausführungsform 900 gemäß Fig. 10, wobei der Unterschied im Kondensator 50 des ORC Kreislaufs zu finden ist. Bei der hier gezeigten Variante 7 findet eine Direktkondensation zwischen Umgebungsluft und ORC Arbeitsmedium statt. Durch bauliche Anpassungen der Wärmeübertragerflächen ist die Erweiterung bei Standardmodellen in der Industrie mit wenig Aufwand verbunden. Je nach Kühlermodell unterscheidet sich die Maßnahme.

[0068] Alle Varianten können beliebig miteinander kombiniert werden.

Vorteile / Nachteile des erfindungsgemäßen Systems:

[0069] Als Vorteile können genannt werden: Erhöhung der Betriebssicherheit (2 unabhängige Kühlsysteme, ORC + Kühler); Nutzung möglichst vieler Synergiekomponenten von Kühler und ORC; geringe Wartung; sehr gute Wirtschaftlichkeit (Einsparung von elektrischer Energie); Verringerung der CO₂ - Emission; Erhöhung der Effizienz (Wirkungsgrad des Kühlprozesses wird erhöht, Synergieeffekte zwischen Komponenten). Weiterhin kann ein bereits bestehender Kühler verwendet werden, um den ORC-Kondensator zu kühlen und mit einem geringen konstruktiven Aufwand wird aus einem Prozess, welcher Energie benötigt, ein energieneutraler oder energieerzeugender Prozess.

[0070] Nachteilig ist, dass durch das Hinzufügen zusätzlicher Komponenten die Komplexität des Gesamtsystems steigt (z.B.: Abstimmung der Regelungen, zusätzliche Kosten, zusätzliche Schnittstellen,...).

[0071] Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Ansprüche

1. System zum Kühlen eines Prozessfluids einer wärmeerzeugenden Einrichtung, umfassend:

einen Ausgang der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Ausgang zum Abführen von zu kühlendem Prozessfluid von der wärmeerzeugenden Einrichtung vorgesehen ist;

einen Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Eingang zum Zuführen von gekühltem Prozessfluid zur wärmeerzeugenden Einrichtung vorgesehen ist; und

eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC-Vorrichtung, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst:

einen Verdampfer mit einem Einlass zum Zuführen des zu kühlenden Prozessfluids vom Ausgang der wärmeerzeugenden Einrichtung und mit einem Auslass zum Abführen des gekühlten Prozessfluids zum Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung, wobei der Verdampfer zum Verdampfen eines Arbeitsmediums der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung mittels Wärme aus dem Prozessfluid ausgebildet ist;

eine Expansionsmaschine zum Expandieren des verdampften Arbeitsmediums und zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie;

einen Kondensator zum Verflüssigen des expandierten Arbeitsmediums, insbesondere einen luftgekühlten Kondensator; und

eine Pumpe zum Pumpen des verflüssigten Arbeitsmediums zum Verdampfer.

2. System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:

einen Kühler, insbesondere einen Luftkühler, zum Kühlen wenigstens eines Teils des zu kühlenden Prozessfluids.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend:

eine Abzweigung, die in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Ausgangs der wärmeerzeugenden Einrichtung und stromaufwärts des Eingangs der wärmeerzeugenden Einrichtung zum Aufteilen des zu kühlenden Prozessfluids in einen ersten und einen zweiten Teilstrom des Prozessfluids vorgesehen ist, wobei die Abzweigung optional ein Ventil umfasst; und

eine Zusammenführung, die in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts der Abzweigung und stromaufwärts des Eingangs der wärmeerzeugenden Einrichtung zum Zusammenführen des ersten und des zweiten Teilstroms des Prozessfluids vorgesehen ist.

4. System nach Anspruch 3, wobei die Abzweigung zum Zuführen des ersten Teilstroms zum Verdampfer und zum Zuführen des zweiten Teilstroms zum Kühler ausgebildet ist und wobei die Zusammenführung zum Zusammenführen des durch den Kühler gekühlten zweiten Teilstroms des Prozessfluids und des durch den Verdampfer gekühlten ersten Teilstroms des Prozessfluids ausgebildet ist.

5. System nach Anspruch 3, wobei die Zusammenführung zum Zusammenführen des durch den Verdampfer gekühlten ersten Teilstroms des Prozessfluids und des zweiten Teilstroms des Prozessfluids ausgebildet ist; und wobei die Zusammenführung zum Zuführen der zusammengeführten Teilströme des Prozessfluids zum Kühler ausgebildet ist.

6. System nach Anspruch 2, wobei der Kühler in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Auslasses des Verdampfers und stromaufwärts des Eingangs der wärmeerzeugenden Einrichtung zum weiteren Kühlen des durch den Verdampfer gekühlten Prozessfluids angeordnet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Kühler eine bauliche Einheit mit dem Kondensator bildet oder separat vom Kondensator vorgesehen ist.

8. System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, weiterhin eine Regeleinrichtung zum Regeln des Wärmeeintrags in den Kühler umfassend, wodurch insbesondere eine Solltemperatur des dem Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung zurückgeführten Prozessfluids erzielbar ist.

9. System nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei zur thermischen Verbindung des Kondensators und des Kühlers ein Zwischenkreis mit einem Wärmeträgerfluid vorgesehen ist, wobei der Kondensator zum Übertragen von Wärme aus dem expandierten Arbeitsmedium auf das Wärmeträgerfluid vorgesehen ist und wobei der Kühler zum Kühlen des Wärmeträgerfluids vorgesehen ist.

10. System nach Anspruch 9, wobei aus einem vom Kondensator zum Kühler fließenden Zweig des Wärmeträgerfluids Nutzwärme zu einer Nutzwärmeeinrichtung abgeführt wird.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Zusammensetzung des Wärmeträgerfluids identisch zu einer Zusammensetzung des Prozessfluids ist.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend:

einen weiteren Wärmeübertrager, der in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Prozessfluids stromabwärts des Verdampfers zum Übertragen von Wärme von dem durch den Verdampfer gekühlten Prozessfluid auf ein Wärmeträgerfluid vorgesehen ist.

13. System nach Anspruch 12, weiterhin umfassend:

ein Ventil zum Regeln des Massenstroms des Wärmeträgerfluids durch den weiteren Wärmeübertrager;

wobei vorzugsweise eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Prozessfluids stromabwärts des weiteren Wärmeübertragers vorgesehen ist, wobei die Regelung des Ventils in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur erfolgt.

14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend:

einen weiteren Verdampfer zwischen dem Auslass des Verdampfers und dem Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung zum weiteren Verdampfen von Arbeitsmedium mittels Wärme aus dem Prozessfluid;

ein Drosselventil zum Einstellen der Größe eines Teilstroms des Arbeitsmediums durch den weiteren Verdampfer; und

eine Flüssigkeitsstrahlpumpe oder eine Dampfstrahlpumpe zwischen dem weiteren Verdampfer und dem Kondensator zur Absenkung des Drucks in dem weiteren Verdampfer, wobei insbesondere ein Teil des verflüssigten Arbeitsmediums bzw. ein Teil des verdampften Arbeitsmediums als Treibstrahl dient.

15. System nach Anspruch 2, wobei der Auslass des Verdampfers mit einem Eingang des Kühlers, ein Ausgang des Kühlers mit einem Eingang des Kondensators und ein Ausgang des Kondensators mit dem Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung verbunden ist, sodass im Betrieb das Prozessfluid vom Verdampfer zur weiteren Kühlung durch den Kühler geleitet wird, daran anschließend als wärmeaufnehmendes Medium durch den Kondensator geleitet wird und wiederum daran anschließend zum Eingang der wärmeerzeugenden Einrichtung geleitet wird.

Zeichnung