EP1921279A2 - Verfahren zur Nutzung der Abwärme bei Betrieb einer Turbine mit einem dampfförmigen Medium - Google Patents

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EP1921279A2
EP1921279A2 EP07005113A EP07005113A EP1921279A2 EP 1921279 A2 EP1921279 A2 EP 1921279A2 EP 07005113 A EP07005113 A EP 07005113A EP 07005113 A EP07005113 A EP 07005113A EP 1921279 A2 EP1921279 A2 EP 1921279A2
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refrigerant
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    • F01K25/106—Ammonia

Definitions

  • the present invention relates to a method for recovering energy when operating a turbine with a vaporous medium.
  • the type of medium for operating such a steam turbine essentially depends on which temperature is available for the evaporation of the medium.
  • the medium supplied essentially so-called refrigerant, for. B. ammonia, which already evaporates at a temperature of about 65 ° C under ambient pressure. Heat is needed to transfer this refrigerant to a vapor state.
  • heat sources for evaporating the refrigerant in an evaporator are available in a wide variety of variants. So z. B. known to provide a corresponding heat source by way of solar thermal or by fuel cells. In the end, however, corresponding energy is also generated when operating so-called biogas plants.
  • the cooling medium exits the turbine it is necessary for the cooling medium to be cooled down, in particular, cooled down so that the medium changes to the liquid state. This is because there must be an energetic potential difference between the input of the turbine and the output of the turbine.
  • the efficiency of the turbine is essentially dependent on the level of the energy potential difference. In this respect, the temperature difference should be as high as possible.
  • the medium exiting the turbine is cooled down so far that it is liquid.
  • a condenser is provided for cooling the vaporous medium emerging from the turbine. It is known from Schmidt, E., Stephan, K., Mayinger, F.: Technical Thermodynamics, in steam power plants the steam process a second process downstream. Here, the steam is only up to pressures of 15 to 20 bar relaxed, then leads him to a heat exchanger, where he then gives his Kondensationsenhalpie to a refrigerant and evaporates.
  • the cooling medium is brought to a higher temperature level after leaving the condenser, in which the cooling medium, which cools down the required for operation of the turbine vapor medium by another device being passed through a heat exchanger the cooling medium is heated, the turbine in turn supplied medium.
  • the further device is preferably designed as a heat pump, but may also be an evaporator.
  • the cooling medium receives such a temperature level by the further device, which is in particular as a heat pump, that the medium supplied to the turbine can be converted by a corresponding heat exchanger in the vaporous state.
  • the energy of the cooling medium provided by the heat pump for example, is insufficient to achieve such vaporization of the medium supplied to the turbine, then another stage is provided, in which finally by another heat exchanger in the form of an evaporator that of the turbine supplied medium is evaporated.
  • thermodynamic process which has a relatively low vapor point, such. B. ammonia.
  • a refrigerant is used for the above-described thermodynamic process, which has a relatively low vapor point, such. B. ammonia.
  • an evaporator is referred to as a heat source z.
  • B warm water is supplied, with which a refrigerant is transferred to the vapor state.
  • This vaporous refrigerant is then supplied to the turbine designated 2, from where this refrigerant flows into a condenser 3.
  • the designed as a capacitor heat exchanger. 3 ensures the liquefaction of the refrigerant, wherein the liquefaction of the refrigerant, for example, by low-temperature water, which is supplied to the heat exchanger.
  • the water supplied to the condenser as heating medium is heated, this water then being supplied to a heat pump 4, after which the water heated in turn is fed to a heat exchanger 5, which transfers the refrigerant from the condenser 3 to a higher temperature level. If the temperature increase of the refrigerant in the heat exchanger 5 is such that the refrigerant after leaving the heat exchanger 5 is liquid, then it is provided to transfer the refrigerant into the evaporator 1, from where it is then transferred to the vapor state.
  • the heat exchanger 5 is thus designed as an evaporator, then the vaporizer 1 can be omitted in principle, since then the medium directly Turbine 2 can be supplied.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie bei Betrieb einer Turbine (2) mit einem dampfförmigen Medium, wobei der Turbine (2) eine erste Vorrichtung (3) zur Abkühlung des dampfförmigen Mediums durch ein Kühlmedium nachgeschaltet ist, wobei das Kühlmedium durch eine weitere Vorrichtung (4) auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, wobei durch einen Wärmetauscher (5) durch das Kühlmedium das der Turbine (2) zugeführte Medium erwärmt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie bei Betrieb einer Turbine mit einem dampfförmigen Medium.
  • Die Art des Mediums zum Betrieb einer derartigen Dampfturbine hängt im Wesentlichen davon ab, welche Temperatur für die Verdampfung des Mediums zur Verfügung steht. Im Bereich der erneuerbaren Energien verwendet man, da die Temperaturen, die zur Verdampfung des der Turbine zugeführten Mediums nicht allzu hoch sind, im Wesentlichen sogenannte Kältemittel, z. B. Ammoniak, das bereits bei einer Temperatur von ca. 65°C unter Umgebungsdruck verdampft. Zur Überführung dieses Kältemittels in einen dampfförmigen Zustand wird Wärme benötigt. Im Bereich der erneuerbaren Energien stehen Wärmequellen zur Verdampfung des Kältemittels in einem Verdampfer in den vielfältigsten Varianten zur Verfügung. So ist z. B. bekannt, im Wege der Solarthermik oder durch Brennstoffzellen eine entsprechende Wärmequelle zur Verfügung zu stellen. Schlussendlich entsteht allerdings auch entsprechende Energie beim Betrieb von sogenannten Biogasanlagen.
  • Wesentlich ist ausschließlich, dass ein entsprechender Wärmeträger zur Verfügung steht, mit Hilfe dessen durch einen Verdampfer das Kältemittel, das einer Turbine zugeführt wird, in den entsprechenden dampfförmigen Aggregatzustand bei vorgegebener Temperatur und Druck überführt werden kann.
  • Bei Austritt des Kältemediums aus der Turbine ist erforderlich, dass das Kältemedium heruntergekühlt wird, und zwar insbesondere so weit heruntergekühlt wird, dass das Medium in den Flüssigzustand übergeht. Dies deshalb, weil zwischen dem Eingang der Turbine und dem Ausgang der Turbine eine energetische Potentialdifferenz vorhanden sein muss. Der Wirkungsgrad der Turbine ist im Wesentlichen abhängig von der Höhe der energetischen Potentialdifferenz. Insofern sollte die Temperaturdifferenz möglichst hoch sein. Vorzugsweise wird daher das Medium, das die Turbine verlässt, so weit heruntergekühlt, dass es flüssig ist.
  • Zur Abkühlung des aus der Turbine austretenden dampfförmigen Mediums ist insbesondere ein Kondensator vorgesehen. Hierzu ist aus Schmidt, E., Stephan, K., Mayinger, F.: Technische Thermodynamik bekannt, bei Dampfkraftanlagen dem Wasserdampfprozess einen zweiten Prozess nachzuschalten. Hierbei wird der Wasserdampf nur bis zu Drücken von 15 bis 20 bar entspannt, führt ihm dann einen Wärmetauscher zu, wo er dann sein Kondensationsenhalpie an ein Kältemittel abgibt und verdampft.
  • Nach dem Stand der Technik ist es nun so, dass nach Abkühlen des Mediums zum Betrieb der Turbine eine erhebliche Menge an Flüssigkeit, meistens Wasser, erhöhter Temperatur zur Verfügung steht, wobei dieses Wasser in irgendeiner Weise wieder abgekühlt werden muss, um es entweder zur weiteren Kühlung zu verwenden oder aber weil es in dem hocherwärmten Zustand der Umwelt beispielsweise in einen Bach oder in einen Flusslauf nicht zurückgeführt werden kann. Das heißt, dass die Energie, die zur Kühlung des zum Betrieb der Turbine notwendigen Mediums bereitgestellt werden muss, nutzlos an die Umgebung abgegeben wird.
  • Aus der DE 2 000 125 A1 ist in diesem Zusammenhang bekannt, einer Kondensationsturbine einen Wärmetauscher nachzuschalten, der die bei diesem Betrieb anfallende Wärme einer Wiederverwertung als Heizmedium zuführt. Hierdurch soll eine Erwärmung des Wasser von Flüssen, das zur Kühlung herangezogen wird, vermieden werden.
  • Zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Kühlmedium nach Verlassen des Kondensators, in dem das Kühlmedium, das das zum Betrieb der Turbine erforderliche dampfförmige Medium herunterkühlt, durch eine weitere Vorrichtung auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, wobei durch einen Wärmetauscher durch das Kühlmedium das der Turbine wiederum zugeführte Medium erwärmt wird.
  • Hierbei ist die weitere Vorrichtung vorzugsweise als Wärmepumpe ausgebildet, kann aber auch ein Verdampfer sein. Nach einer Variante kann vorgesehen sein, dass durch die weitere Vorrichtung, die sich insbesondere als Wärmepumpe darstellt, das Kühlmedium ein derartiges Temperaturniveau erhält, dass das der Turbine zugeführte Medium durch einen entsprechenden Wärmetauscher in den dampfförmigen Zustand überführt werden kann. Allerdings ist dann, wenn die beispielsweise durch die Wärmepumpe bereitgestellte Energie des Kühlmediums nicht ausreichend ist, um eine solche Verdampfung des der Turbine zugeführten Mediums zu erreichen, eine weitere Stufe vorgesehen ist, in der schlussendlich durch einen weiteren Wärmetauscher in Form eines Verdampfers das der Turbine zugeführte Medium verdampft wird.
  • Wie bereits an anderer Stelle erläutert, wird für den oben beschriebenen thermodynamischen Prozess insbesondere ein Kältemittel verwandt, das einen relativ niedrigen Dampfpunkt hat, wie z. B. Ammoniak. Insofern sind bereits niedrige Temperaturen von Abwasser in der Lage, ein solches Kältemittel bei vorgegebenem Druck in den dampfförmigen Zustand zu überführen.
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
  • Mit 1 ist ein Verdampfer bezeichnet, dem als Wärmequelle z. B. warmes Wasser zugeführt wird, mit welchem ein Kältemittel in den dampfförmigen Zustand überführt wird. Dieses dampfförmige Kältemittel wird dann der mit 2 bezeichneten Turbine zugeführt, von wo aus dieses Kältemittel in einen Kondensator 3 strömt. Der als Kondensator ausgebildete Wärmetauscher 3 sorgt für eine Verflüssigung des Kältemittels, wobei die Verflüssigung des Kältemittels beispielsweise durch Wasser geringer Temperatur erfolgt, das dem Wärmetauscher zugeführt wird. Durch die Verflüssigung des Kältemittels erwärmt sich das als Kühlmedium dem Kondensator zugeführte Wasser, wobei dieses Wasser dann einer Wärmepumpe 4 zugeführt wird, wonach das hierbei erwärmte Wasser wiederum einem Wärmetauscher 5 zugeführt wird, der das Kältemittel aus dem Kondensator 3 auf ein höheres Temperaturniveau überführt. Ist die Temperaturerhöhung des Kältemittels in dem Wärmetauscher 5 derart, dass das Kältemittel nach Verlassen des Wärmetauschers 5 flüssig ist, dann ist vorgesehen, das Kältemittel in den Verdampfer 1 zu überführen, von wo es aus dann in den dampfförmigen Zustand überführt wird. Ist das Temperaturniveau des Kühlmediums nach der Wärmepumpe hingegen derart, dass das Kältemittel im Wärmetauscher 5 in den dampfförmigen Zustand überführt werden kann, der Wärmetauscher 5 somit als Verdampfer ausgebildet ist, dann kann vom Grundsatz her der Verdampfer 1 entfallen, da dann das Medium unmittelbar der Turbine 2 zugeführt werden kann.
  • Insbesondere dann, wenn als Wärmequelle genügend warmes Wasser zur Verfügung steht, besteht die Möglichkeit, dem Kreislauf einen weiteren Wärmetauscher 6 hinzuzufügen, um nämlich das Wasser nach Verlassen des Kondensators 3 und vor Eintritt in die Wärmepumpe 4 auf ein höheres Temperaturniveau zu überführen.
  • Hieraus wird deutlich, dass durch den Einsatz einer Wärmepumpe die Restwärme, die bei der Abkühlung des aus der Turbine austretenden Kältemittels entsteht, benutzt werden kann, um das Kältemittel vor der Zuführung in die Turbine auf ein höheres energetisches Potential zu überführen, so dass auch schlussendlich die Abwärme, die bei der Verflüssigung oder Abkühlung des Kältemittels entsteht, nutzbar gemacht wird.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Rückgewinnung von Energie bei Betrieb einer Turbine (2) mit einem dampfförmigen Medium, wobei der Turbine (2) eine erste Vorrichtung (3) zur Abkühlung des dampfförmigen Mediums durch ein Kühlmedium nachgeschaltet ist, wobei das Kühlmedium durch eine weitere Vorrichtung (4) auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, wobei durch einen Wärmetauscher (5) durch das Kühlmedium das der Turbine (2) zugeführte Medium erwärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die weitere Vorrichtung (4) eine Wärmepumpe ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die weitere Vorrichtung (4) ein Verdampfer ist.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Vorrichtung (3) zur Abkühlung des dampfförmigen Mediums ein Kondensator ist.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das der weiteren Vorrichtung (4) zugeführte Kühlmedium vor Zuführung der weiteren Vorrichtung in einem Wärmetauscher (6) durch eine Wärmequelle erwärmt wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das aus dem Wärmetauscher (5) austretende, der Turbine zuzuführende Medium durch einen weiteren Wärmetauscher (1) verdampft wird.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das der Turbine (2) zugeführte Medium ein Kältemittel ist.
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