VORRICHTUNG ZUR ENERGIEERZEUGUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer oder mechanischer Energie mit einer Verbrennungseinrichtung für ein festes, gasförmiges oder flüssiges Medium, insbesondere Biomasse, die bei der Verbrennung Rauchgas erzeugt, das Wärme enthält, und mit einer RC-Anlage, die einen Kreislauf für ein Arbeitsmittel aufweist, das für das Aufnehmen von Wärme durch einen als Arbeitsmittelverdampfer wirkenden Wärmetauscher geführt ist.

[0002] Eine solche Vorrichtung zur Energieerzeugung ist sowohl in der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2011 001 111.9 mit der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2011 001 111 U1 als auch in der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 017 143.1 mit der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2010 017 143 U1 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen und deren Offenbarungen in die Beschreibung dieser Erfindung in vollem Umfang einbezogen wird. Des Weiteren zeigt auch das Dokument EP 1 221 573 eine Verbrennungseinrichtung mit ORC-Anlage.

[0003] Eine Verbrennungseinrichtung im Sinne der Erfindung ist dabei ein System, in dem durch Zufuhr von Luft ein festes, flüssiges oder gasförmiges Medium als Brennstoff oxidiert wird und hierdurch Abgase in Form von gasförmigen Verbrennungsprodukten entstehen. Aufgrund der in dem Brennstoff gespeicherten chemischen Energie wird bei der Oxidation des Brennstoffs Wärme freigesetzt. Die bei der Verbrennung entstehenden gasförmigen Verbrennungsprodukte werden vorliegend als Rauchgas bezeichnet. Die Temperatur dieses Rauchgases kann bis zu 1000 °C betragen oder auch darüber liegen.

[0004] Unter einer RC-Anlage (RC = Rankine Cycle) ist eine Anlage zu verstehen, in der mit einem thermodynamischen Kreisprozess unter Verwendung eines in einem Kreislauf geführten Arbeitsmittels, z. B. Wasser bzw. Wasserdampf, Wärme in mechanische oder elektrische Energie gewandelt wird.

[0005] Eine ORC-Anlage (ORC = Organic Rankine Cycle) ist eine RC-Anlage, die mit einem thermodynamischen Kreisprozess aus Wärme mechanische oder elektrische Energie erzeugt. In einer ORC-Anlage gibt es hierzu einen Arbeitsmittelkreislauf, der einem Wasserdampfkreislauf ähnlich ist. Als Arbeitsmittel enthält der Arbeitsmittelkreislauf hier jedoch nicht Wasserdampf, sondern üblicherweise organische Medien, z. B. Butan, Toluol, Silikonöl oder auch Ammoniak, die eine in Bezug auf Wasser niedrige Verdampfungstemperatur haben. Das Arbeitsmittel in einer ORC-Anlage wird in der Regel über eine Pumpe mit Druck beaufschlagt. Das mit Druck beaufschlagte Arbeitsmittel wird dann in einem Verdampfer erwärmt. Dabei wird das Arbeitsmittel verdampft und gegebenenfalls überhitzt. Das verdampfte bzw. überhitzte Arbeitsmittel gelangt dann zu einer Dampfturbine. Hier wird das Arbeitsmittel unter Erzeugung von mechanischer Energie auf einen niedrigeren Druck entspannt und anschließend kondensiert. In dem Kreislauf wird das Arbeitsmittel dann wieder dem Verdampfer zugeführt, wo es von neuem erwärmt und wieder verdampft bzw. überhitzt wird. Es sei bemerkt, dass in einer ORC-Anlage als Arbeitsmittel auch Medien eingesetzt werden können, deren Verdampfungstemperatur höher ist als diejenige von Wasser. ORC-Anlagen können für das Erzeugen von elektrischer oder mechanischer Energie aus Wärme insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke zu niedrig ist, um eine Wärmekraftmaschine, etwa eine Turbine, mit Wasserdampf zu betreiben.

[0006] ORC-Anlagen werden nicht nur mit Wärme aus Verbrennungseinrichtungen betrieben. Die für das Betreiben einer ORC-Anlage erforderliche Wärme kann auch geothermisch gewonnen werden oder aus Solarkraftwerken stammen. ORC-Anlagen können darüber hinaus auch mit der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen (z.B. Hubkolbenmotoren) betrieben werden.

[0007] In Vorrichtungen zum Erzeugen von Energie, die eine Verbrennungseinrichtung enthalten und in denen es eine ORC-Anlage gibt, wird die in der Verbrennungseinrichtung erzeugte Wärme herkömmlich unter Verwendung von Zwischenwärmeträgern von der Verbrennungseinrichtung auf die ORC-Anlage übertragen.

[0008] Hier besteht bisweilen das Problem, dass die Temperatur verwendeter Rauchgase so hoch ist, dass das in ORC-Anlagen eingesetzte Arbeitsmittel aufgrund von übermäßiger thermischer Belastung Schaden nehmen kann, wenn es mit den Rauchgasen in einen gemeinsamen Wärmetauscher gelangt.

[0009] Zwischenwärmeträger in Form von Thermoöl für die Wärmeübertragung werden in industriellen Anlagen verbreitet eingesetzt. In geschlossenen Kreisläufen mit Wärmetauschern für die Wärmeübertragung werden sie sowohl für ein Beheizen als auch zum Kühlen verwendet. Die Viskosität, die Erstarrungs- und Siedepunkte sowie die Entflammbarkeit des betreffenden Thermoöls sind hier in der Regel an einen Temperaturbereich angepasst, in dem die Wärme übertragen werden soll.

[0010] Um eine RC-Anlage mit der Wärme aus einer Verbrennungseinrichtung zu betreiben, ist es bekannt, als Zwischenwärmeträger eingesetztes Thermoöl auf ca. 300 °C zu erwärmen. Damit die chemische Struktur des Thermoöls bei dieser Temperatur nicht zerstört wird, muss es jedoch in einem Leitungssystem fortlaufend durch Wärmetauscher gepumpt werden. Dies verursacht allerdings einen nicht unerheblichen Energieverbrauch und reduziert den Wirkungsgrad der Anlage.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für das Erzeugen von elektrischer oder mechanischer Energie mit einer RC-Anlage bereitzustellen, die Wärme aus einer Verbrennungseinrichtung erhält und die zuverlässig mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.

[0012] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher der Wärmetauscher mit der Verbrennungseinrichtung über eine Rauchgasleitung verbunden ist, um die Wärme des bei der Verbrennung erzeugten Rauchgases auf das Arbeitsmittel der RC-Anlage zu übertragen.

[0013] Damit ist es insbesondere möglich, die für das Umwälzen von Thermoöl erforderliche Energie zu reduzieren und ggf. auf einen gesonderten Zwischenkreislauf zu verzichten.

[0014] Indem der Wärmetauscher mit Rauchgas beaufschlagt wird, das wenigstens teilweise mit Rauchgas vermischt ist, das mit dem Wärmetauscher bereits abgekühlt wurde, kann ein übermäßiges thermisches Belasten von Wärmetauscher und Arbeitsmittel in der RC-Anlage vermieden werden.

[0015] Von Vorteil ist es, wenn das Temperaturniveau des durch den Wärmetauscher geführten Rauchgases abgesenkt wird und wenn ein Teil des somit abgekühlten Rauchgases über eine weitere Rauchgasleitung vor dem Wärmetauscher in die Rauchgasleitung zurückgeführt werden kann. Hierdurch lässt sich das bei der Verbrennung erzeugte Rauchgas mit bereits abgekühltem Rauchgas vermischen und im Wärmetauscher ein niedrigeres Temperaturniveau einstellen. Das Temperatumiveau im Wärmetauscher wird bevorzugt durch Änderung der Menge an rückgeführtem Abgas eingestellt. Erfindungsgemäß kann als Temperatur des abgekühlten Abgases eine Temperatur von 150 °C bis 300 °C gewählt werden.

[0016] Um elektrische oder mechanische Energie zu erzeugen, wird durch Verbrennen eines festen, gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere durch Verbrennen von Biomasse Rauchgas erzeugt, das Wärme enthält. Die Wärme des Rauchgases wird dabei einem als Arbeitsmittelverdampfer wirkenden Wärmetauscher in einer RC-Anlage zugeführt. Erfindungsgemäß wird das erzeugte Rauchgas hierfür durch den Wärmetauscher geleitet.

[0017] Das durch den Wärmetauscher geführte Rauchgas kann dabei mit einem Rauchgasgebläse angesaugt und durch die weitere Rauchgasleitung in die Rauchgasleitung eingespeist werden. Von Vorteil ist es insbesondere, wenn in der weiteren Rauchgasleitung ein Zirkulationsgebläse angeordnet ist, das durch den Wärmetauscher geführtes Rauchgas ansaugt und in die weitere Rauchgasleitung fördert.

[0018] Die RC-Anlage enthält einen als Arbeitsmittelkondensator wirkenden Wärmetauscher, der mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden ist, um über den Kühlwasserkreislauf die Kondensationswärme des Arbeitsmittels abzuführen. Der Kühlwasserkreislauf ist dabei auch durch einen weiteren Wärmetauscher geführt, der dem durch den Wärmetauscher geleiteten Rauchgas Wärme entzieht. Damit kann die Temperatur von abgekühltem Rauchgas, das durch die weitere Rausgasleitung in die Rauchgasleitung zurückgeführt wird, noch weiter abgekühlt werden.

[0019] Die RC-Anlage kann insbesondere eine Speisepumpe enthalten, die das Arbeitsmittel von dem als Arbeitsmittelkondensator wirkenden Wärmetauscher zu dem Wärmetauscher bewegt. Mit der Speisepumpe kann das Arbeitsmittel durch einen in dem Kreislauf für das Arbeitsmittel vor dem Wärmetauscher angeordneten Rekuperator gefördert werden.

[0020] Eine Idee der Erfindung ist insbesondere, die Temperatur des Rauchgasstromes vor dem als Verdampfer für Arbeitsmittel wirkenden Wärmetauscher durch Veränderung des Massestromes des abgekühlten Rauchgases mittels Drosselung durch eine Rauchgasklappe in der weiteren Rauchgasleitung einzustellen, die das Rauchgas wenigstens teilweise zu dem Wärmetauscher zurückführt. Eine Idee der Erfindung ist auch, die Temperatur des Rauchgasstromes vor dem Arbeitsmittel-Wärmetauscher durch Änderung der Drehzahl eines in der weiteren Rauchgasleitung angeordneten Gebläses einzustellen, über die das Rauchgas wenigstens teilweise zu dem Wärmetauscher zurückgeleitet wird.

[0021] In der Vorrichtung für das Erzeugen von elektrischer oder mechanischer Energie ist eine Bypassleitung vorgesehen, über die durch den Wärmetauscher geführtes Rauchgas in die weitere Rauchgasleitung eingespeist werden kann oder über die es möglich ist, Rauchgas aus der weiteren Rauchgasleitung zu dem weiteren Wärmetauscher zu führen. Die Vorrichtung kann eine in der Rauchgasleitung angeordnete Rauchgasklappe enthalten, mit der sich das Strömen von Rauchgas von dem Wärmetauscher zu dem weiteren Wärmetauscher oder in die Bypassleitung unterbinden lässt. Auch in der Rauchgasleitung zwischen der Verbrennungseinrichtung und dem Wärmetauscher kann eine Rauchgasklappe vorgesehen sein. Um die Strömung von Rauchgas in der Rauchgasleitung damit zu steuern, ist es günstig, eine Leitung mit einer Klappe für das Zuführen Frischluft in den Wärmetauscher vorzusehen. Auf diese Weise lässt sich gewährleisten, dass der Wärmetauscher auch Frischluft gekühlt werden kann. Die Vorrichtung wird vorteilhafterweise mit einem Kamin für das Freisetzen von abgekühltem Rauchgas ausgebildet.

[0022] Die RC-Anlage in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sowohl als kleine oder auch große Hausanlage, als große industrielle Anlage oder auch als Kraftwerksanlage für Kommunen ausgelegt werden. Als Hausanlage wird dabei eine Anlage verstanden, mit der die Energieversorgung einschließlich der Klimatisierung von Bürogebäuden, Garagen, und Krankenhäusern gewährleistet werden kann. Als eine industrielle Anlage wird eine Anlage bezeichnet, die industrielle Fertigungsanlagen, insbesondere Fertigungsanlagen der Automobilindustrie, z. B. Lackieranlagen mit elektrischer Energie versorgt, für die nicht nur Strom sondern auch Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus bereitgestellt werden muss. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat einen einfachen apparativen Aufbau. Die entsprechenden Investitionskosten sind deshalb gering. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann deshalb mit niedrigen Betriebskosten arbeiten. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere für den Betrieb in niedrigen Leistungsbereichen für Energie und Wärme.

[0023] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

[0024] Es zeigen:

Fig. 1

eine erste Vorrichtung zum Erzeugen von Energie mit einer ORC-Anlage;

Fig. 2

eine zweite Vorrichtung zum Erzeugen von Energie mit einer ORC-Anlage und einem Zirkulationsgebläse; und

Fig. 3

eine dritte Vorrichtung zum Erzeugen von Energie mit einer ORC-Anlage und einem Wärmetauscher für das Aufheizen des Arbeitsmittels der ORC-Anlage mit bereits abgekühltem Rauchgas.

[0025] Die in der Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 10 zur Erzeugung von elektrischer oder mechanischer Energie hat eine Verbrennungseinrichtung 1 für organische Substanzen, insbesondere Biomasse, z. B. Holz, Hackschnitzel oder auch andere getrocknete Pflanzenreste wie etwa Stroh oder auch Gräser. Das in der Vorrichtung eingesetzte Holz kann direkt von seinem Wuchsstandort, d. h. einem Wald oder einer Plantage herrühren. Grundsätzlich kann es aber auch aus einer Restholz- oder Recyclingholzverwertung stammen. Andere verwenbare organische Substanzen können insbesondere flüssig sein. Dabei kann es sich z. B. um Öle und destillierte Substanzen handeln, die aus Pflanzen gewonnen sind. Weitere nutzbare organische Substanzen können auch gasförmig sein und z. B. die Form von brennbaren Gasen haben, die aus der Zersetzung von Pflanzen, Speiseresten und Müll, insbesondere von Hausmüll oder Mist in der Tierhaltung herrühren.

[0026] Bei Verbrennen von Biomasse erzeugt die Verbrennungseinrichtung 1 Rauchgas, das Wärme enthält. In der Vorrichtung 10 gibt es eine ORC-Anlage 2. Die ORC-Anlage 2 weist einen Kreislauf 5 für ein fluides Arbeitsmittel auf, das für das Aufnehmen von Wärme durch einen als Arbeitsmittelverdampfer wirkenden Wärmetauscher 21 geführt ist. Bevorzugt werden als Arbeitsmittel Butan, Toluol oder Silikonöl verwendet.

[0027] Der Wärmetauscher 21 ist mit der Verbrennungseinrichtung 1 über eine Rauchgasleitung 33, 34 verbunden, um die Wärme des bei der Verbrennung erzeugten Rauchgases auf das Arbeitsmittel der ORC-Anlage 2 zu übertragen.

[0028] Die ORC-Anlage 2 enthält eine Turbine 27 mit daran angekoppeltem Generator 25. Die ORC-Anlage 2 hat einen Rekuperator 23 sowie einen Arbeitsmittelkondensator 24. In der OCR-Anlage 2 gibt es eine als Arbeitsmittelpumpe wirkende Speisepumpe 22. Mit der Speisepumpe 22 wird das fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand auf Betriebsdruck gebracht. Das flüssige Arbeitsmittel durchströmt den Wärmetauscher 21. Hier wird die Wärme aus dem Rauchgas der Verbrennungseinrichtung 1 auf das Arbeitsmittel übertragen. Dabei verdampft das Arbeitsmittel. Am Ausgang des Wärmetauschers 21 wird dann Sattdampf bzw. Trockendampf bereitgestellt. Durch den Energieeintrag in dem Wärmetauscher 21 nehmen dabei das spezifische Volumen und die Temperatur des Dampfes zu. In der Turbine 27 wird das mit Druck beaufschlagte dampfförmige Arbeitsmittel nahezu isentrop auf einen geringeren Druck entspannt. Aufgrund der Expansion in der Turbine 27 steigt das spezifische Volumen des Arbeitsmittels hierdurch. Die von dem Druckabfall an der Turbine 27 hervorgerufene Volumenvergrößerung des Arbeitsmittels hat eine Volumenänderungsarbeit zur Folge, die in der Turbine 27 mittels der Schaufeln in mechanische Energie gewandelt wird. An die Turbine 27 ist ein Generator 25 angeschlossen. Mit dem Generator 25 wird elektrische Energie in ein Stromnetz 28 eingespeist.

[0029] In dem Rekuperator 23 wird dem dampfförmigen Arbeitsmittelstrom, der die Turbine 27 verlässt, Wärme entzogen. Hierfür wird mit der Speisepumpe 22 mit Druck beaufschlagtes flüssiges Arbeitsmittel durch den Rekuperator geleitet. In dem Rekuperator 23 sinkt dann die Temperatur des dampfförmigen Arbeitsmittels aus der Turbine 27 auf Kondensationstemperatur. Im Anschluss an den Rekuperator 23 wird das Arbeitsmittel in dem Kreislauf 5 durch einen nachgeschalteten, als Arbeitsmittelkondensator wirkenden Wärmetauscher 24 bewegt.

[0030] Der als Arbeitsmittelkondensator wirkende Wärmetauscher 24 ist an einen Kühlwasserkreislauf 4 angeschlossen. Der Kühlwasserkreislauf 4 enthält eine Speisepumpe 42. In dem Kühlwasserkreislauf 4 gibt es einen Wärmetauscher 41, durch den das Rauchgas aus der Leitung 34 geführt wird. Über den Kühlwasserkreislauf 4 wird die bei der Kondensation in den Wärmetauscher 24 abgegebene Wärme in ein nicht weiter dargestelltes Wärmenetz gespeist.

[0031] In dem als Arbeitsmittelkondensator wirkenden Wärmetauscher 24 wird das Arbeitsmittel kondensiert. Dabei geht es vollständig in den flüssigen Aggregatzustand über. Mit der als Arbeitsmittelpumpe wirkenden Speisepumpe 22 wird das kondensierte Arbeitsmittel dann erneut auf Betriebsdruck gebracht. In den Kreislauf 5 wird es dann wieder zu dem als Verdampfer wirkenden Wärmetauscher 21 geführt. Der Kreislauf für das Arbeitsmittel in der ORC-Anlage 2 ist damit geschlossen.

[0032] Die Wärmeleistung der Verbrennungseinrichtung 1 wird durch Änderung von Brennstoff- und Luftzufuhr variiert. Die Verbrennungseinrichtung 1 kann so entsprechend dem Strom bedarf des mit dem Generator 25 versorgten Stromnetzes oder dem Wärmebedarf des mit dem Kühlwasserkreislauf 4 gespeisten Wärmenetzes gesteuert bzw. geregelt werden.

[0033] In der Vorrichtung 10 ist eine weitere Rauchgasleitung 35 ausgebildet. Die weitere Rauchgasleitung 35 ist in Bezug auf die Verbrennungseinrichtung 1 vor dem als Arbeitsmittelverdampfer 21 wirkenden Wärmetauscher der ORC-Anlage und hinter dem Wärmetauscher 41 an die Rauchsgasleitung 34 angeschlossen. Über die weitere Rauchgasleitung 35 ist es möglich, das durch den Wärmetauscher 21 geführte Rauchgas wenigstens teilweise in die Rauchgasleitung 34 zurückzuführen. Dies dient dazu, das bei der Verbrennung in der Verbrennungseinrichtung 1 erzeugte Rauchgas mit Rauchgas zu vermischen, das bereits durch den Wärmetauscher 21 geleitet wurde. Dieses Rauchgas ist deshalb gegenüber dem Temperaturniveau des aus der Verbrennungseinrichtung austretenden Abgases abgekühlt. Durch Rückführung von abgekühltem Rauchgas kann die Temperatur des Rauchgases abgesenkt werden, das in der Rauchgasleitung 34 zu dem Wärmetauscher 21 bewegt wird. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel wird alternativ oder zusätzlich zu abgekühltem Rauchgas Umgebungsluft mit einer Temperatur von weniger als 50 °C vor dem Wärmetauscher 21 in die Rauchgasleitung 34 eingeführt.

[0034] In der Vorrichtung 10 gibt es eine Leitung 9 mit einer steuerbaren Klappe 63, durch die in die Rauchgasleitung 34 zwischen dem als Arbeitsmittelverdampfer wirkenden Wärmetauscher 21 und dem Wärmetauscher 41 Frischluft zugeführt werden kann. Austrittsseitig des Wärmetauschers 41 befindet sich in der Rauchgasleitung 34 ein Rauchgasgebläse 32. Mittels des Rauchgasgebläses 32 wird das Rauchgas in der Rauchgasleitung 34 zu einem Kamin 31 gefördert. Durch den Kamin 31 wird das in der Vorrichtung 10 erzeugte Rauchgas ggf. an weitere Abgasreinigungssysteme und anschließend in die Umwelt entlassen.

[0035] Typische Temperaturen des von der Verbrennungseinrichtung 1 bereitgestellten Rauchgases in der Rauchgasleitung 33 liegen in einem Bereich von 900 °C bis 1000 °C. Nach einer Zumischung von abgekühltem Rauchgas, das vor dem Kamin 31 eine Temperatur von ca. 160 °C bis 180 °C haben kann, lässt sich eine Eintrittstemperatur für das Rauchgas 34 in den als Arbeitsmittelverdampfer wirkenden Wärmetauscher 21 erreichen, die erfindungsgemäß 300 °C bis 600 °C betragen kann, die insbesondere in einem Bereich von 550 °C liegt. Damit lässt sich gewährleisten, dass das Arbeitsmittel in der ORC-Anlage 2 auf eine günstige Arbeitstemperatur gebracht werden kann und der als Verdampfer wirkende Wärmetauscher 21 ebenso wie das Arbeitsmittel thermisch nicht übermäßig belastet wird.

[0036] In der Vorrichtung 10 wird das durch den Wärmetauscher 21 geführte Rauchgas mit einem Rauchgasgebläse 32 angesaugt und mit einer den Pfeilen 51 entsprechenden Strömungsrichtung zu dem Kamin 31 gefördert. Hierdurch entsteht an dem Wärmetauscher 21 ein Druckabfall. Der Druck des Rauchgases an der Austrittsseite des Rauchgasgebläses 32 ist größer als an der Eintrittsseite des Wärmetauschers 21. Dieser Umstand bewirkt, dass über die weitere Rauchgasleitung 35 mit einer den Pfeilen 53 entsprechenden Strömungsrichtung Rauchgas strömt, das in den Wärmetauschern 21, 41 bereits abgekühlt wurde. Dieses Rauchgas wird durch die die weitere Rauchgasleitung 35 in die Rauchgasleitung 34 vor dem Wärmetauscher 21 wieder eingespeist.

[0037] In der Vorrichtung 10 gibt es eine Bypassleitung 7, welche die Rauchgasleitung 34 mit der Raugasleitung 35 verbindet. Über die Bypassleitung 7 kann durch den Wärmetauscher geführtes Rauchgas in die weitere Rauchgasleitung 35 eingespeist oder über die Rauchgas aus der weiteren Rauchgasleitung 35 zu dem weiteren Wärmetauscher 41 geführt werden. In der Bypassleitung 7 ist eine einstellbare Rauchgasklappe 62 angeordnet. Durch Öffnen und Schließen der Rauchgasklappe 63 kann die Bypassleitung 7 freigegeben und gesperrt werden.

[0038] Hinter dem Wärmetauscher 21 und nach der Anschlussstelle für die Leitung enthält die Rauchgasleitung 34 eine Rauchgasklappe 61. Mit der Rauchgasklappe 61 kann das Strömen von Rauchgas aus der Verbrennungseinrichtung 1 durch die Rauchgasleitung 34 von dem Wärmetauscher 21 zu dem weiteren Wärmetauscher 41 oder in die Bypassleitung 7 eingestellt und ggf. auch unterbunden werden. In der weiteren Rauchgasleitung 34 befindet sich zwischen der Verbrennungseinrichtung 1 und dem Wärmetauscher 21 eine weitere Rauchgasklappe 64. Mit der Rauchgasklappe 64 kann die Rauchgasströmung durch die Rauchgasleitung 35 eingestellt werden.

[0039] In der Vorrichtungen 10 ist es möglich, die Temperatur des Rauchgasstromes 34 vor Eintritt in den Wärmetauscher 21 zu regeln bzw. einzustellen, indem der Massestromes des kalten Rauchgases in der weiteren Rauchgasleitung 35 durch Variieren der Öffnungsstellung, d. h. durch Drosselung der Rauchgasklappe 64 verringert oder vergrößert wird. Für die Temperatur des Rauchgasstromes in der Rauchgasleitung 34 kann so vor dem Wärmetauscher 21 ein prozessoptimaler Wert eingestellt werden.

[0040] Um in einem Störungsfall oder bei Inbetriebnahme oder Herunterfahren der Anlage den Rauchgasstrom 34 durch den ORC-Wärmetauscher 21 zu unterbrechen, wird in der Vorrichtungen 10, 20 und 30 jeweils die Rauchgasklappe 61 geschlossen. Indem die Bypassleitung 7 durch Öffnung der Rauchgasklappe 62 freigegeben wird, bewirkt das Rauchgasgebläse 32 dann eine den Pfeilen 52 entsprechende Rausgasströmung zu dem Kamin 31. Wenn zusätzlich auch noch die Klappe 63 in der Leitung 9 für das Zuführung von Frischluft geöffnet wird, kann dabei der als Arbeitsmittelverdampfer wirkende Wärmetauscher 21 in einer in Bezug auf den normalen Betrieb strömendes kaltes Rauchgas oder mit Umgebungsluft gekühlt werden. Es sei bemerkt, dass die Klappen 61, 62, 63, 64 in einer Armatur auch funktionell zusammengefasst werden können.

[0041] Die in der Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 20 entspricht in ihrem Aufbau dem Aufbau der Vorrichtung 10 aus Fig. 1. Einander entsprechende Elemente der Figuren sind deshalb hier mit identischen Bezugszeichen versehen. Auf die zugehörige Beschreibung kann sinngemäß verwiesen werden. In der Vorrichtung 20 ist in der weiteren Rauchgasleitung 35 ein Rezirkulationsgebläse wirkendes Zirkulationsgebläse 36 angeordnet. Mittels des Zirkulationsgebläses 36 wird durch den Wärmetauscher 21 geführtes Rauchgas angesaugt und in die weitere Rauchgasleitung 35 gefördert.

[0042] In der Vorrichtung 20 ist es möglich, eine Temperatur des Rauchgasstromes 34 vor dem als Arbeitsmittelverdampfer wirkenden Wärmetauscher 21 der ORC-Anlage 2 einzustellen bzw. zu regeln, indem der Massestrom des kalten Rauchgases in der weiteren Rauchgasleitung 35 durch Variieren der Drehzahl des Zirkulationsgebläses 36 und durch Einstellen der in der Rauchgasleitung 34 vor dem Wärmetauscher 31 angeordneten Rauchgasklappe 61' verändert wird. Auch damit lässt sich eine prozessoptimale Eintrittstemperatur für das Rauchgas in der Rauchgasleitung 34 bei Eintritt in den Wärmetauscher 21 erreichen.

[0043] Die in der Fig. 3 gezeigte Vorrichtung 30 entspricht in ihrem Aufbau dem Aufbau der Vorrichtung 10 aus Fig. 1. Einander entsprechende Elemente der Figuren sind deshalb hier mit identischen Bezugszeichen versehen. Auf die zugehörige Beschreibung kann sinngemäß verwiesen werden. In der Vorrichtung 30 ist die ORC-Anlage 2 mit einem weiteren Wärmetauscher 26 ausgebildet, durch den ein Teil des Arbeitsmittels geführt ist, um dieses auch mit bereits durch den Wärmetauscher 21 abgekühltem Rauchgas aufzuheizen.

[0044] Es sei bemerkt, dass bei den anhand der Fig. 1 bis Fig. 3 vorstehend beschriebenen Vorrichtungen 10, 20, 30 eine Steigerung der Effizienz für das Umwandeln der Wärme von mit der Verbrennungseinrichtung 1 erzeugten Rauchgas in elektrische bzw. mechanische Energie erreicht werden kann, indem gegebenenfalls noch weitere Wärmetauscher angeordnet werden, die sich in dem Kreislauf für das Arbeitsmittel nach der Speisepumpe 22 der ORC-Anlage 2 befinden, und die dem Rauchgas in der Rauchgasleitung 34 Wärme entziehen.

[0045] Der Wärmetauscher 41 des Wasserkreislaufes 4 der Vorrichtungen 10, 20 und 30 wird sowohl im Betriebs- als auch im Störungsfall immer von Rauchgas durchströmt. In einer modifizierten Ausführungsform kann allerdings vorgesehen sein, auch den Wärmetauscher 41 im Störungsfall über einen Bypass zu umgehen und die heißen Rauchgase dann direkt in nachgeschaltete Abgasreinigungssysteme und nachfolgend durch den Kamin 21 zu leiten.

[0046] Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale festzuhalten: Die Erfindung betrifft das Umwandeln von thermischer Energie in elektrische oder mechanische Energie mit allen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Hierzu wird mit einer Verbrennungseinrichtung 1 für ein festes, gasförmiges oder flüssiges Medium, insbesondere Biomasse, Rauchgas generiert, das Wärme enthält. Diese Wärme wird durch einen als Arbeitsmittelverdampfer wirkenden Wärmetauscher 21 einer RC-Anlage 2 zugeführt, die einen Kreislauf 5 für ein Arbeitsmittel enthält. Erfindungsgemäß wird die Wärme des bei der Verbrennung generierten Rauchgases auf das Arbeitsmittel der RC-Anlage 2 übertragen, indem das Rauchgas durch den Wärmetauscher 21 geleitet wird.

Bezugszeichenliste:

[0047] 

1

Verbrennungseinrichtung

2

ORC-Anlage

4

Kühlwasserkreislauf

5

Kreislauf

7

Bypassleitung

9

Leitung

10, 20, 30

Vorrichtung zum Erzeugen von Energie

21, 24, 26

Wärmetauscher

22

Speisepumpe

23

Rekuperator

27

Turbine

25

Generator

28

Stromnetz

31

Kamin

32

Rauchgasgebläse

33, 34, 35

Rauchgasleitung

34

Rauchgasstrom

36

Zirkulationsgebläse

41

Wärmetauscher

42

Speisepumpe

51, 52, 53

Pfeil

61, 61', 62, 63, 64

Klappe

Ansprüche

1. Vorrichtung (10, 20, 30) für das Erzeugen von elektrischer oder mechanischer Energie
mit einer Verbrennungseinrichtung (1) für ein festes, gasförmiges oder flüssiges Medium, insbesondere Biomasse, die bei der Verbrennung Rauchgas erzeugt, das Wärme enthält,
mit einer RC-Anlage (2), die einen Kreislauf (5) für ein Arbeitsmittel aufweist, das für das Aufnehmen von Wärme durch einen als Arbeitsmittelverdampfer wirkenden ersten Wärmetauscher (21) geführt ist, der
mit der Verbrennungseinrichtung (1) über eine Rauchgasleitung (33, 34) verbunden ist, um die Wärme des bei der Verbrennung erzeugten Rauchgases auf das Arbeitsmittel der RC-Anlage (2) zu übertragen, und die einen als Arbeitsmittelkondensator wirkenden zweiten Wärmetauscher (24) enthält, der mit einem Kühlwasserkreislauf (4) verbunden ist, um über den Kühlwasserkreislauf (4) die Kondensationswärme des Arbeitsmittels abzuführen, und
mit einer weiteren Rauchgasleitung (35), über die wenigstens ein Teil des durch den ersten Wärmetauscher (21) geführten und somit abgekühlten Rauchgases in die Rauchgasleitung (34) zurückgeführt werden kann, um das bei der Verbrennung erzeugte Rauchgas mit abgekühltem Rauchgas zu vermischen,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlwasserkreislauf (4) durch einen in der Rauchgasleitung (34) angeordneten weiteren Wärmetauscher (41) geführt ist, der dem durch den weiteren Wärmetauscher (41) geführten Rauchgas Wärme entzieht, wobei
eine Bypassleitung (7) vorgesehen ist, über die durch den ersten Wärmetauscher (21) geführtes Rauchgas in die weitere Rauchgasleitung (35) eingespeist werden kann oder über die Rauchgas aus der weiteren Rauchgasleitung (35) zu dem weiteren Wärmetauscher (41) geführt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den ersten Wärmetauscher (21) geführte Rauchgas mit einem Rauchgasgebläse (32) angesaugt und durch die weitere Rauchgasleitung (35) in die Rauchgasleitung (34) eingespeist werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Rauchgasleitung (35) ein Zirkulationsgebläse (36) angeordnet ist, das durch den ersten Wärmetauscher (21) geführtes Rauchgas ansaugt und in die weitere Rauchgasleitung (35) fördert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die RC-Anlage eine Speisepumpe (22) enthält, die das Arbeitsmittel von dem als Arbeitsmittelkondensator wirkenden Wärmetauscher (24) zu dem ersten Wärmetauscher (21) bewegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepumpe (22) das Arbeitsmittel durch einen in dem Kreislauf für das Arbeitsmittel vor dem ersten Wärmetauscher (21) angeordneten Rekuperator (23) bewegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Rauchgasklappe (61), mit der das Strömen von Rauchgas von dem Wärmetauscher (21) zu dem weiteren Wärmetauscher (41) oder in die Bypassleitung (7) unterbunden werden kann.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rauchgasleitung (34) zwischen der Verbrennungseinrichtung (1) und dem ersten Wärmetauscher (21) eine Rauchgasklappe (61') angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Leitung (9) mit einer Klappe (63) für das Zuführen von Frischluft in den Wärmetauscher (21).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Kamin (31) für das Freisetzen von abgekühltem Rauchgas.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die RC-Anlage eine ORC-Anlage ist.

11. Verfahren für das Erzeugen von elektrischer oder mechanischer Energie mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verbrennen eines festen, gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere von Biomasse, Rauchgas generiert wird, das Wärme enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Inbetriebnahme oder einem Herunterfahren oder einer Störung der RC-Anlage (2) das Rauchgas aus der Verbrennungseinrichtung (1) durch die weitere Rauchgasleitung (35) an dem ersten Wärmetauscher (21) vorbei durch die Bypassleitung (7) geführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Wärmetauscher (21) Rauchgas zugeführt wird, das wenigstens teilweise mit Rauchgas vermischt ist, das mit dem Wärmetauscher (21) bereits abgekühlt wurde.

Claims

1. Apparatus (10, 20, 30) for the generation of electrical or mechanical power,
having a combustion device (1) for a solid, gaseous or liquid medium, in particular biomass which, during combustion, generates flue gas which contains heat,
having an RC system (2) which has a circuit (5) for a working medium which, in order to absorb heat, is guided through a first heat exchanger (21) which acts as a working-medium evaporator, and
is connected to the combustion device (1) via a flue gas line (33, 34), in order to transfer the heat of the flue gas which is generated during the combustion to the working medium of the RC system (2), and which RC system (2) has a second heat exchanger (24) which acts as a working medium condenser and is connected to a cooling water circuit (4), in order to dissipate the condensation heat of the working medium via the cooling water circuit (4), and
having a further flue gas line (35), via which at least part of the flue gas which is guided through the first heat exchanger (21) and is therefore cooled can be recirculated into the flue gas line (34), in order to mix the flue gas which is generated during the combustion with cooled flue gas,
characterized in that
the cooling water circuit (4) is guided through a further heat exchanger (41) which is arranged in the flue gas line (34) and removes heat from the flue gas which is guided through the further heat exchanger (41),
a bypass line (7) being provided, via which flue gas which is guided through the first heat exchanger (21) can be fed into the further flue gas line (35), or via which flue gas can be guided out of the further flue gas line (35) to the further heat exchanger (41).

2. Apparatus according to Claim 1, characterized in that the flue gas which is guided through the first heat exchanger (21) is sucked in by way of a flue gas fan (32) and can be fed into the flue gas line (34) through the further flue gas line (35).

3. Apparatus according to Claim 1 or 2, characterized in that a circulation fan (36) is arranged in the further flue gas line (35), which circulation fan (36) sucks in flue gas, which is guided through the first heat exchanger (21), and conveys it into the further flue gas line (35).

4. Apparatus according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the RC system comprises a feed pump (22) which moves the working medium from the heat exchanger (24) which acts as a working medium condenser to the first heat exchanger (21).

5. Apparatus according to Claim 4, characterized in that the feed pump (22) moves the working medium through a recuperator (23) which is arranged in the circuit for the working medium upstream of the first heat exchanger (21).

6. Apparatus according to one of Claims 1 to 5, characterized by a flue gas valve (61), by way of which the flow of flue gas from the heat exchanger (21) to the further heat exchanger (41) or into the bypass line (7) can be suppressed.

7. Apparatus according to one of Claims 1 to 6, characterized in that a flue gas valve (61) is arranged in the flue gas line (34) between the combustion device (1) and the first heat exchanger (21).

8. Apparatus according to one of Claims 1 to 7, characterized by a line (9) with a valve (63) for feeding fresh air into the heat exchanger (21).

9. Apparatus according to one of Claims 1 to 8, characterized by a chimney (31) for releasing cooled flue gas.

10. Apparatus according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the RC system is an ORC system.

11. Method for the generation of electrical or mechanical power by way of an apparatus according to one of Claims 1 to 9, characterized in that flue gas which contains heat is generated by way of combustion of a solid, gaseous or liquid medium, in particular of biomass.

12. Method according to Claim 11, characterized in that, during commissioning or running down or a disruption of the RC system (2), the flue gas is guided from the combustion device (1) through the further flue gas line (35) past the first heat exchanger (21) through the bypass line (7).

13. Method according to Claim 11, characterized in that flue gas is fed to the first heat exchanger (21), which flue gas is mixed at least partially with flue gas which has already been cooled by way of the heat exchanger (21).

Revendications

1. Dispositif (10, 20, 30) pour la production d'énergie électrique ou mécanique,
avec un dispositif de combustion (1) pour un milieu solide, gazeux ou liquide, en particulier de la biomasse, qui produit lors de la combustion des gaz de fumées contenant de la chaleur,
avec une installation RC (2), qui présente un circuit (5) pour un milieu de travail, qui est conduit à travers un premier échangeur de chaleur (21) travaillant en évaporateur de milieu de travail pour la captation de chaleur,
lequel est raccordé au dispositif de combustion (1) par une conduite de gaz de fumées (33, 34), afin de transférer la chaleur des gaz de fumées produits lors de la combustion au milieu de travail de l'installation RC (2), et qui comporte un deuxième échangeur de chaleur (24) travaillant en condenseur de milieu de travail, qui est raccordé à un circuit d'eau de refroidissement (4), afin d'évacuer la chaleur de condensation du milieu de travail par le circuit d'eau de refroidissement (4), et
avec une autre conduite de gaz de fumées (35), par laquelle au moins une partie des gaz de fumées conduits à travers le premier échangeur de chaleur (21) et dès lors refroidis peut être renvoyée dans la conduite de gaz de fumées (34), afin de mélanger les gaz de fumées produits lors de la combustion avec des gaz de fumées refroidis,
caractérisé en ce que le circuit d'eau de refroidissement (4) est conduit à travers un autre échangeur de chaleur (41) disposé dans la conduite de gaz de fumées (34), qui soutire de la chaleur des gaz de fumées conduits à travers l'autre échangeur de chaleur (41), dans lequel il est prévu une conduite de dérivation (7), par laquelle des gaz de fumées conduits à travers le premier échangeur de chaleur (21) peuvent être envoyés dans l'autre conduite de gaz de fumées (35) ou par laquelle des gaz de fumées peuvent être conduits de l'autre conduite de gaz de fumées (35) à l'autre échangeur de chaleur (41).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz de fumées conduits à travers le premier échangeur de chaleur (21) peuvent être aspirés avec un ventilateur de gaz de fumées (32) et être envoyés dans la conduite de gaz de fumées (34) à travers l'autre conduite de gaz de fumées (35).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un ventilateur de circulation (36) est disposé dans l'autre conduite de gaz de fumées (35), aspire les gaz de fumées conduits à travers le premier échangeur de chaleur (21) et les transporte dans l'autre conduite de gaz de fumées (35).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'installation RC comporte une pompe d'alimentation (22), qui déplace le milieu de travail depuis l'échangeur de chaleur (24) fonctionnant en condenseur de milieu de travail jusqu'au premier échangeur de chaleur (21).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pompe d'alimentation (22) déplace le milieu de travail à travers un récupérateur (23) disposé avant le premier échangeur de chaleur (21) dans le circuit du milieu de travail.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par un clapet à gaz de fumées (61), avec lequel l'écoulement de gaz de fumées depuis l'échangeur de chaleur (21) vers l'autre échangeur de chaleur (41) ou dans la conduite de dérivation (7) peut être interrompu.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un clapet à gaz de fumée (61') est disposé dans la conduite de gaz de fumées (34) entre le dispositif de combustion (1) et le premier échangeur de chaleur (21).

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par une conduite (9) avec un clapet (63) pour l'envoi d'air frais dans l'échangeur de chaleur (21).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par une cheminée (31) pour le rejet de gaz de fumées refroidis.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'installation RC est une installation ORC.

11. Procédé pour la production d'énergie électrique ou mécanique avec un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on génère, par combustion d'un milieu solide, gazeux ou liquide, en particulier de biomasse, des gaz de fumées qui contiennent de la chaleur.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que, lors d'une mise en service ou un ralentissement ou une panne de l'installation RC (2), on conduit les gaz de fumées provenant du dispositif de combustion (1) à travers l'autre conduite de gaz de fumées (35) à contourner le premier échangeur de chaleur (21) par la conduite de dérivation (7).

13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on envoie au premier échangeur de chaleur (21) des gaz de fumées, qui sont au moins en partie mélangés avec des gaz de fumées, qui ont déjà été refroidis avec l'échangeur de chaleur (21).

Zeichnung