用于冷却过程流体的ORC设备
技术领域
本发明涉及一种用于冷却热发生装置的过程流体的系统。
背景技术
当前在工业(例如空气压缩机冷却、食品工业、化学工业)中有许多使用情况，在发电(例如固定马达、变压器的情况中对马达冷却水的冷却)中或在交通运输(内燃机例如载重汽车)中，其中例如将电能或(机械能)用于驱动冷却器、例如空气冷却器。在此通常将需冷却的介质引入热传递器，该热传递器由环境空气流过。在这种情况下，例如借助电驱动或机械驱动的风扇产生气流。需冷却的介质(以下称为过程流体)将能量释放到环境空气中并且在冷却后返回过程中。在此的缺点是：为了从过程中去除热能，要消耗电能或机械能。
发明内容
本发明的目的是：避免或者至少减轻上述缺点。
本发明说明了通过如下方式解决上述问题的解决方案，即，借助热力学循环设备将从介质中去除的热部分地转换为机械能和/或电能。
根据本发明的解决方案通过具有权利要求1的特征的设备限定。
本发明因此公开了一种用于对热发生装置的过程流体进行冷却的系统，其包括：热发生装置的输出端，该输出端设置用于从热发生装置中排出需冷却的过程流体；热发生装置的输入端，该输入端设置用于将经冷却的过程流体输送给热发生装置；和热力学循环设备、特别是ORC设备，该热力学循环设备包括：蒸发器，其具有用于从热发生装置的输出端输送需冷却的过程流体的入口和用于将经冷却的过程流体排出到热发生装置的输入端的出口，其中，该蒸发器构造为用于借助来自过程流体的热来蒸发热力学循环设备的工作介质；膨胀机，该膨胀机用于使蒸发的工作介质膨胀和用于产生机械能和/或电能；用于使膨胀的工作介质液化的冷凝器、特别是空气冷却的冷凝器；和用于将液化的工作介质泵送给蒸发器的泵。所获得的机械能和/或电能能够用于运行冷凝器、特别是用于驱动空气冷却的冷凝器的通风机。
根据本发明的系统的改进在于：可以设置有用于将需冷却的过程流体的至少一部分冷却的冷却器、特别是空气冷却器。通过这种方式可以在热力学循环设备停止运转时保证应急能力。
另一改进在于：设置有支路，该支路针对过程流体的流向设置在热发生装置的输出端下游和热发生装置的输入端上游并且用于将需冷却的过程流体分流为过程流体的第一分流和第二分流，其中，该支路可选地包括阀并且设置有汇集部，该汇集部针对过程流体的流向设置在所述支路的下游和所述热发生装置的输入端上游并且用于将过程流体的第一分流和第二分流汇集在一起。
根据这种改进，可以将过程流体流例如分为两个分流，其中将一个分流引导通过蒸发器并将另一个分流引到冷却器上。然而也可以将过程流体流完全不或者仅仅部分引导通过蒸发器和/或冷却器，例如当否则会进行对于所述热发生装置来说过强的过程流体冷却时。为了这个目的，所述支路或者另外的支路与所述汇集部或者另外的汇集部可以如下地经由连接管路连接，使得从所述热发生装置的输出端中流出的过程流体至少部分由被直接引向输入端，其中，可以经由所述或者另外的阀调节通过连接管路的质量流。
这可以如下地得到改进：支路针对过程流体的流向设置在输出端下游和入口上游，其用于将需冷却的过程流体分流为过程流体的第一分流和第二分流，其中，所述支路可选地包括阀。由此可以将需冷却的过程流体在蒸发器之前完全或部分直接引向冷却器。
在此，汇集部可以针对过程流体的流向设置在出口下游和输入端上游，其用于将过程流体的通过冷却器冷却的第二分流和过程流体的通过蒸发器冷却的第一分流汇集在一起；其中，所述支路构造为用于将第一分流输送给蒸发器而将第二分流输送给冷却器。因此针对过程流体流实现了将热从过程流体中排出的构件(蒸发器、冷却器)的并联。
在另一改进中，冷却器针对过程流体的流向可以设置在出口下游和输入端上游，其用于进一步对通过蒸发器冷却的过程流体进行冷却。这构成将热从过程流体中排出的构件(蒸发器、冷却器)的串联。
根据另一改进，冷却器可以与冷凝器构成一个结构单元或者设置为与冷却器分开。如果冷却器与冷凝器构造在一个结构单元中，那么例如可以提供用于空气冷却的共用通风机。如果冷却器构造为与冷凝器分开，那么相反可以彼此独立地调节这些构件的冷却功率。
另一改进在于：所述系统此外可以包括用于调节冷却器中的热输入的调节装置，由此特别是能够实现返回热发生装置的输入端的过程流体的额定温度。
根据另一改进，为了将冷凝器与冷却器热连接，可以设置有具有载热流体的中间回路，其中，所述冷凝器设置用于将热从膨胀的工作介质传递到载热流体上，并且所述冷却器设置用于冷却载热流体。
这可以如下地得到改进：可以将有效热从载热流体的自冷凝器流向冷却器的分支中排出到有效热装置。
在此，载热流体的(化学)成分可以与过程流体的成分相同。
根据本发明的系统或其改进此外可以包括另外的热传递器，该热传递器针对过程流体的流向设置在蒸发器下游，其用于将热从通过蒸发器冷却的过程流体传递到载体流体上。
这可以如下地改进：所述系统此外包括阀，该阀用于调节载热流体的通过所述另外的热传递器的质量流。由此将在蒸发器中经预冷却的过程流体输送给另外的热传递器并且可以在其内将该过程流体冷却到目标温度。此外可以在所述另外的热传递器下游设置有用于测量过程流体的温度的测温装置，其中，然后根据测得的温度进行的阀的调节。
根据本发明的系统或其改进此外可以包括：在出口与输入端之间的另外的蒸发器，该另外的蒸发器用于借助来自过程流体的热进一步蒸发工作介质；节流阀，该节流阀用于降低工作介质的压力；和在所述另外的蒸发器与冷凝器之间的液体喷射泵和/或蒸汽喷射泵，其用于降低所述另外的蒸发器中的压力，其中，特别是液化的工作介质的一部分或者蒸发的工作介质的一部分用作推进射流。这实现了在各实施方式中详细说明的过程流体的三级冷却。
具有冷却器的改进可以构成为：蒸发器的出口与冷却器的输入端连接，冷却器的输出端与冷凝器的输入端连接并且冷凝器的输出端与热发生装置的输入端连接，使得在运行中为了进一步冷却将过程流体从蒸发器引导通过冷却器，接着将其作为吸热介质引导通过冷凝器并且接着又将其引到热发生装置的输入端。冷却器因此独立于热力学循环过程运行并且构成系统的应急能力的可能性(在过程流体的应急冷却的意义中)。
所述的改进可以单独使用或者如需要的那样适宜地相互组合。
附图说明
下面借助附图详细说明本发明的另外的特征和示例性实施方式以及优点。不言而喻地，实施方式并不限制本发明的范围。另外不言而喻地，另外说明的特征中的一些或者全部也可以通过其它方式相互组合。
图1示出了根据本发明的设备的第一实施方式(变型方案1)；
图2示出了根据本发明的设备的第二实施方式(变型方案2A)；
图3示出了根据本发明的设备的第三实施方式(变型方案2B)；
图4示出了温度-热流曲线图(T-Q曲线图)；
图5示出了根据本发明的设备的第四实施方式(变型方案2C)；
图6示出了根据本发明的设备的第五实施方式(变型方案3A)；
图7示出了根据本发明的设备的第六实施方式(变型方案3B)；
图8示出了根据本发明的设备的第七实施方式(变型方案4)；
图9示出了根据本发明的设备的第八实施方式(变型方案5)；
图10示出了根据本发明的设备的第九实施方式(变型方案6)；
图11示出了根据本发明的设备的第十实施方式(变型方案7)；
附图中相同的附图标记针对同样的或相应的构件。
具体实施方式
在空气冷却器的许多应用中(参见章节：背景技术)，对温度＞50℃的介质进行冷却。这个温度水平足以以此运行热力学循环过程、例如有机朗肯循环过程(ORC过程)。除了冷却功能之外还能够提供可用的机械能和/或电能。这个能量例如可以驱动空气冷却器或用于其它目的(过程现场的(prozessnahe)消耗器、泵、储能器...的运行)。
热力学循环过程因此替代相应应用的最初使用的空气冷却器，所以在有机朗肯循环过程的情况中例如可以涉及使用的ORC冷却器。
对ORC冷却器的特定的优选要求：
-即使在ORC循环过程停止运转的情况中也应该保证冷却功率。
–由于通过直接的电网供电使得技术上和法律上的复杂性根据具体情况过度上升，所以在有些应用中不应该产生多余的电流。因此在这样的情况中也不需要与电网连接。
-应该尽可能地存在免维护，或者与传统的冷却器相比不应该增加维护费用。
-如有必要，应该维持主要过程的/需冷却过程的温度水平，也就是例如应该达到或者低于返回的过程流体的温度。通过添加至少一种另外的热传递器，在工作介质或者过程流体与冷却器的冷却流体(例如环境空气或冷却水)之间存在另外的温差，使得不能维持需冷却的过程的目标温度。额外温差的问题通过下面详细说明的连接得以解决。
-系统的模块化是优选的，以便在需要时能够提供更高的冷却功率。
-不应该对主要过程的现有调节系统产生影响。
一般来说，ORC冷却器可以用于所有的过程，在这些过程中可以将需冷却的流体以与环境温度足够大的温度间距(例如超过40℃的温度)返回给过程。
需冷却过程的实例应用(不完全)：
·马达(列车、载重汽车、工程机械、起重机、船舶)
·空气压缩机
·工业处理过程(汽车、化学、印刷、电子、玻璃、橡胶、塑料、激光、食品、制药、纺织、环境、包装...)
·变压器工作站
·数据中心(服务器冷却)
结合附图的详细说明
变型方案1--基本连接
图1示出根据本发明的热力学循环设备的第一实施方式100。
用于对热发生装置10的过程流体(例如水)进行冷却的系统100包括：热发生装置的输出端11，该输出端11设置用于将需冷却的过程流体从热发生装置10中排出；热发生装置10的输入端12，该输入端12设置用于将经冷却的过程流体输送给热发生装置10；和热力学循环设备、特别是ORC设备，该热力学循环设备包括：蒸发器20，该蒸发器具有用于从热发生装置10的输出端11输送需冷却的过程流体的入口21和用于将经冷却的过程流体排出给热发生装置10的输入端12的出口22，其中，该蒸发器20构造为用于借助来自过程流体的热蒸发热力学循环设备的工作介质；用于使蒸发的工作介质膨胀和用于例如借助发电机40产生机械能和/或电能的膨胀机30；用于使膨胀的工作介质液化的冷凝器50、特别是空气冷却的冷凝器50；和用于将液化的工作介质泵送给蒸发器的泵60。
在图1所示的本发明最简单的实施方式中如下地实施本发明。在蒸发器20中将具有过程温度TProz.aus的热过程流体冷却到目标温度TProz.ein，而吸收的热则用于在ORC回路中蒸发工作介质。这样产生的新蒸汽在膨胀机30中的功输出的情况下减压，由此例如可以驱动发电机40。废蒸汽在冷凝器50中被液化并且接着在泵60上以液态存在。泵60接着将工作介质重新加压到期望压力。通过图1中的设备来替代过程10的之前使用的常规空气冷却器并且额外地产生有效功率。然而如上面已经说明的那样，通过工作介质的额外循环，目标温度TProz.ein不会像在没有ORC回路的情况中那样低。此外，在该第一实施方式中不具备设备的应急能力。就是说，在ORC设备停止运转时不能使温度TProz.aus下降，它不能被冷却。
变型方案2A--并联
图2A示出了根据本发明的设备的第二实施方式200。
在根据本发明的系统的该第二实施方式200中额外设置有用于将需冷却的过程流体的至少一部分冷却的冷却器70(在此为空气冷却器70)。系统200包括支路71，该支路例如针对过程流体的流向设置在输出端11下游和入口21上游，其用于将需冷却的过程流体分流为该过程流体的第一分流和第二分流，其中，支路71在这种实例中包括阀V。系统200此外包括汇集部72，该汇集部针对过程流体的流向设置在出口22下游和输入端12上游，其用于将过程流体的通过冷却器70冷却的第二分流和过程流体的通过蒸发器20冷却的第一分流汇集在一起；其中，支路71构造为用于将第一分流输送给蒸发器20并将第二分流输送给冷却器70。由此针对过程流体流实现了将热从过程流体中排出的构件(蒸发器20、冷却器70)的并联。冷却器70在此与冷凝器50构造在一个结构单元中，并且可以提供用于空气冷却的共用通风机。
图2A所示的连接由此解决了紧急性能的问题。ORC循环过程的(经由阀V的)旁通可能性在ORC循环过程停止运转时确保冷却。通过如下方式可以达到目标温度TProz.ein，即，一个分流绕过ORC循环过程直接在空气冷却器(例如：V型冷却器、台式冷却器(Tischkühler))中被冷却并且接着又混入来自ORC蒸发器20的分流中。在ORC循环过程中通过发电机40产生的电流可以直接用于给空气冷却器70(或者蒸发器50和空气冷却器70组合)供电，由此显著地降低了其电流成本，这又导致冷却器70(蒸发器50)的经济性的提高。作为补充方案利用这种连接可以始终达到目标温度TProz.ein。
图2B示出了图2A所示的实施方式的变型，其中环境空气的气流不是如在图2A中那样并行流过冷凝器50和冷却器70，而是依次首先流过冷却器70并且然后流过冷凝器50。这具有结构紧凑的优点，其中，最低的空气温度存在于冷却器70上，使得由此可以实现过程流体的低温度，而对冷凝器50中的工作介质的冷却效果较低。
图2C示出了图2B所示变型的备选方案。在这种情况下，针对空气穿流使冷却器70与蒸发器50的顺序互换，使得环境空气首先流过蒸发器50并且接着流过冷却器70。通过这种方式使得最低的空气温度存在于冷凝器50上，使得利用ORC循环过程能够经由发电机40更多地发电。
在图2B和2C所示的变型中保持针对图2A说明的应急能力。
变型方案2B--串联
图3示出了根据本发明的设备的第三实施方式300。
在第三实施方式中，冷却器70针对过程流体的流向设置在蒸发器20的出口22下游和热发生装置10的输入端12上游，其用于进一步对通过蒸发器冷却的过程流体进行冷却。这实现了将热从过程流体中排出的构件(蒸发器20、冷却器70)的串联。在改良的实施形式中，可以(与图2所示的实施方式类似地)设置有阀，该阀只将过程流体的一部分引到冷却器70上。
将来自ORC蒸发器20的过程流体回流/水回流输送通过空气冷却器70，以便能够实现进一步的冷却。在一种改进中，可以通过智能调节系统来调节到空气冷却器70的热输入(例如借助所述的阀)，使得冷却不再是必要的。目的是在不消耗流的情况下达到所要求的TProz.ein。这在图4的温度-热流曲线图(T-Q曲线图)中示出。
如果可通过ORC循环过程实现的冷却T1超过要求的极限，那么可以在后续的冷却器中经由通过水或空气的附加冷却达到较低的温度Tproz.ein。
变型方案2C--独立的连接
图5示出根据本发明的设备的第四实施方式400。
第四实施方式基本上与图2所示的第二实施方式相符。不同之处在于：冷却器70与冷凝器50分开设置。
这种变型方案的优点在于：(具有构件20、30、40、50、60)的ORC冷却器和空气冷却器(应急冷却器)70相互可以完全独立运行，并且即使在ORC冷却器停止运转时保证过程的应急冷却。作为补充方案，ORC冷却器与空气冷却器在系统上的分离简化了到现有冷却系统中的简单集成。现有的冷却器在集成之后起到应急冷却器的作用，而ORC冷却器则起到用于改装或扩展的辅助模块(“背包模块(Rucksackmodul)”)的作用。
变型方案3A--水循环中的并联
图6示出了根据本发明的设备的第五实施方式500。
第五实施方式基本上基于图2所示的第二实施方式。
然而根据第五实施方式，系统500为了将冷凝器50和冷却器70a、70b热连接另外包括具有载热流体(此处：水)的中间回路，其中，冷凝器50设置用于将热从膨胀的工作介质中传递到载热流体上，而冷却器70a、70b设置用于对载热流体进行冷却。例如可以将有效热从载热流体的从冷凝器50流向冷却器70a、70b的分支引到有效热装置80。
变型方案3B--水循环中的串联
图7示出了根据本发明的设备的第六实施方式600。
第六实施方式基于图3所示的第三实施方式并且与第五实施方式类似地得到改良。在此，载热流体的(化学)成分与过程流体的成分相同。
常常变得困难的是：将空气冷却器(例如台式冷却器)基于其大安装面装入现有设备中。连接变型方案3A和3B通过如下方式减小了这个问题，即，在ORC冷凝器50与冷却器70之间插入另外的热传递器75和具有载热流体(例如：水)的中间回路。由此将热源与冷却器的安装地点彼此分开并且实现了在安装ORC过程时的大灵活性。此外，中间水回路可以为另外的热消耗器进行供给。变型方案3A和3B在热源和散热装置方面也可以互换。
变型方案4--冷却器-预热器-ORC组合
图8示出根据本发明的设备的第七实施方式700。
根据本发明的系统的第七实施方式700，设置有另外的热传递器25，该另外的热传递器(针对过程流体的流向在蒸发器20下游)设置用于将通过蒸发器20冷却的过程流体的热传递到载热流体上。
所述系统包括阀26，该阀用于调节载热流体的通过另外的热传递器25的质量流。此外，在此例如在所述另外的热传递器25下游设置有用于测量过程流体的温度的测温装置27，其中，根据测得的温度进行对阀26的调节。
在这种实施形式中可能的是：通过如下方式将温度TProz.ein降低到与没有ORC的情况相同的温度水平，即，额外地将需加温的冷过程介质(载热流体，在此：水)的分流用于冷却。然后在第一步骤中通过ORC回路进行降温。经预冷却的传热的过程流体接着流过所述另外的热传递器25，在该热传递器中它被冷却到目标温度。
在此，为了调节目标温度可以将需加温的冷过程介质的其它分流沿着流向在所述另外的热传递器25之后混入过程流体中。
变型方案5--对输送热的介质的三级冷却
图9示出根据本发明的设备的第八实施方式800。
根据第八实施方式，在出口22与输入端12之间设置有另外的蒸发器90，其用于借助来自过程流体的热进一步蒸发工作介质。此外设置有用于降低所述另外的蒸发器90中的工作介质压力的节流阀91，并且在所述另外的蒸发器90与冷凝器50之间设置有液体喷射泵92和/或蒸汽喷射泵93用于降低所述另外的蒸发器90中的压力，其中，特别是液化的工作介质的一部分或者蒸发的工作介质的一部分用作推进射流。这如下文所述实现对过程流体的三级冷却。在附图中示出了具有液体喷射泵92和蒸汽喷射泵93的实施形式。通常只设置两个泵之一。在具有液体喷射泵92的情况中需要泵60之后到液体喷射泵92的下部管路，而在蒸汽喷射泵93的情况中则需要用于在蒸发器20中蒸发的工作介质的上部管路。
第一级：正常运行
输送热量的介质在蒸发器中放热之后返回需冷却的过程。
第二级：冷却运行
经由节流阀(节流器)91将工作介质的一个分流输送给蒸发器90。对节流器91进行调节，使得压力大致与冷凝器50中的压力相符。通过压力降低，蒸发器90中的工作介质仅仅最低限度地蒸发到冷凝器50的冷凝压力和冷凝温度上，并且这样能够实现需冷却的介质到一温度的冷却，该温度与从需冷却的介质到空气中的直接热传递器中可最低限度实现的温度同样低。通过这种方式本身在为冷却设备装备ORC系统时可以保证维持需冷却介质的要求温度。
第三级：节流到冷凝器压力以下的压力
液体喷射泵92或蒸汽喷射泵92导致蒸发器90中的压力降低到冷凝器50中的冷凝压力以下的压力。由此甚至能够实现比冷凝器50中的冷凝压力更低的沸腾压力。由此以很少的能量消耗输送工作介质并且将其重新提升到冷凝压力。在这种情况下有益的是：只须以小质量流和在压力微微上升的情况下输送工作介质。在这种情况下，新蒸汽的一部分或者供给流体的一部分作为推进射流。
变型方案6--通过用于现有的冷却器的ORC模块的扩展/没有直接冷凝
图10示出根据本发明的设备的第九实施方式900。
根据第十实施方式，蒸发器20的出口22与冷却器70的输入端71连接，冷却器70的输出端72与冷凝器50的输入端51连接并且冷凝器50的输出端52与热发生装置10的输入端12连接。在运行中，为了进一步冷却将过程流体从蒸发器20引导穿过冷却器70，接着将其作为吸热的介质引导穿过冷凝器50并且接着又将其引导至热发生装置10的输入端12。
这种连接解决了紧急性能的问题，因为冷却器70独立于ORC循环过程运行。根据所期望的目标温度，ORC循环过程吸走热，降低了必要的冷却器功率并且减轻了后续风扇的负荷，这导致其维护间隔的缩短。这种变型方案的出众之处在于其紧凑性(构件少)和共同构件的协同效应。它可以良好地用于集成现有的冷却系统。除了蒸发之外，在ORC循环过程中还进行针对需冷却的流体的冷凝(在其它变型方案中进行针对环境空气的冷凝)。
变型方案7--通过用于现有的冷却器的ORC模块的扩展/具有直接冷凝
图11示出根据本发明的设备的第十实施方式1000。
这种实施方式与图10所示的第九实施方式900类似，其中，在ORC循环过程的冷凝器50中具有不同。在此处示出的变型方案7中，在环境空气与ORC工作介质之间进行直接冷凝。通过热传递器面的结构配合，在工业中的标准模型中的扩展伴随有低费用。根据冷却器模型不同措施也不同。
所有变型方案都能够任意相互组合。
根据本发明的系统的优点/缺点：
作为优点可以列举如下：运行安全性提高(两个独立的冷却系统，ORC+冷却器)；使用冷却器和ORC的尽可能多的协同作用构件；少维护；很好的经济性(节省电能)；降低CO2排放；提高效率(提高冷却过程的效率，构件之间的协同效应)。此外可以将已经存在的冷凝器用于对ORC冷凝器进行冷却，并且以低结构费用(konstruktiver Aufwand)从需要能量的过程转换为能源中性的或产生能量的过程。
缺点是：由于增加了额外构件，整个系统的复杂性上升(例如：调节的协调、额外费用、额外接口...)
所示出的实施方式仅仅是示范性的，本发明的全部范围通过权利要求限定。
