用于工业设备中能量回收的系统和方法与流程

本发明涉及一种具有至少一个热源和一个热力学循环设备的系统和一种用于这样的系统中能量回收的方法。

背景技术：

在热力学循环设备中可以将在工业设备中产生的余热用于对工作介质加热和然后在膨胀机中进行减压。经由一个与膨胀机的轴联接的发电机可以产生电能。有机朗肯循环(ORC)过程特别适合于此。

在此产生以下问题情况：由于电源成本低，对产生的自用电流应缴纳的再生能源法的分摊以及在必要时将馈电设备与工业环境中的馈电点连接所需的费用高昂之故，将产生的电流有偿地输送到电网中的吸引力不高。为了对产生的和输送到电网中的电能进行结算，必须设置标准化的计量器。这些计量器是昂贵的，结算和管理成本是很高的。

技术实现要素：

本发明的目的是至少部分地克服上述缺点并且在工业设备内部利用转换为其他能量形式的余热。

这个目的通过根据权利要求1所述的系统得以实现。

本发明用于工业组件的设置单元内部能量回收的系统包括：工业设备的热源；一个热力学循环设备，特别是ORC设备，该设备具有一个用于将热源的热量传递到热力学循环设备的工作介质上的载热体和一个使工作介质膨胀并且产生机械能或者电能的膨胀设备；和设置单元的至少一个需驱动的组件，特别是至少一个液压或者气动设备，该设备能够利用产生的能量驱动。在此，可以直接机械式或者间接地电动地进行利用产生的能量对设置单元的所述至少一个组件的驱动。膨胀设备的旋转运动首先提供可直接利用的机械/动力能量，或者可以利用一个与膨胀设备联接的发电机提供电能。

本发明系统具有以下优点：更加经济地在工业设备内部(例如企业的能源中心)利用由余热产生/转换的能量和非持续地输送到电网中。通过ORC系统回收的能量可以直接用于耗电器、机械式联接(例如泵、驱动装置)或者转换为其他的能量形式(液压能、压缩空气)。通过这种方式能够减少组件或者组件的单个功能。

本发明的系统可得到如下发展：所述至少一个需驱动的组件可包括一个空气压缩机、液压泵或者水泵，该设备可通过与膨胀机的机械联接直接机械式驱动。

一个其他的发展在于：可设置一个用于产生电能的发电机，该发电机能够利用膨胀设备的机械能驱动，其中所述至少一个需驱动的组件包括一个电动机，该电动机能够利用电能驱动。

这一点可得到如下发展：电动机可以是用于空气压缩机的驱动电机、用于液压泵的驱动电机、用于水泵的驱动电机或者用于风扇的驱动电机。

根据一个其他的发展，电动机/发电机单元可设置在膨胀设备与所述至少一个需驱动的组件之间。

这一点可得到如下发展：在膨胀设备与电动机/发电机单元之间可设置第一离合器，和/或在电动机/发电机单元与所述至少一个需驱动的组件之间可设置第二离合器。

一个其他的发展在于：可设置发电机和电动机或者电动机/发电机单元与电网的联接。

根据一个其他的发展，此外可设置一个储能器，该储能器用于吸收发电机或者电动机/发电机单元的电能和用于将电能输出到电动机或者电动机/发电机单元上。

一个其他的发展在于：热力学循环设备针对工作介质的流动方向在载热体上游可包括一个另外的载热体，其中可将压缩机设备的余热在所述另外的载热体中为了对工作介质进行预热传递到该工作介质上。

上述目的还通过根据权利要求10所述的方法得以实现。

本发明用于工业组件的设置单元内部能量回收的方法包括以下步骤：在载热体中将热源的热量传递到热力学循环设备的工作介质上；利用热力学循环设备的膨胀设备使工作介质膨胀并产生机械能或者电能；和利用-特别是液压或者气动设备-产生的能量驱动设置单元的至少一个组件。

本发明的方法可得到如下发展：规定利用与膨胀设备联接的发电机产生电能。

本发明的方法另一方面可得到如下发展：一个电动机/发电机单元可设置在膨胀设备与所述至少一个组件之间。

这一点可以得到如下发展：所述方法此外包括以下步骤：将电动机/发电机单元的电能输送到电网中或者系统内部的储能器中；和/或将电网的电能或者系统内部储能器的电能输送给电动机/发电机单元。

一个其他的发展在于：在膨胀设备与电动机/发电机单元之间可设置第一离合器，和/或在电动机/发电机单元与所述至少一个部件之间可设置第二离合器，其中所述方法可包括另外的步骤：将膨胀设备和电动机/发电机单元与第一离合器连接或者分开；和/或将电动机/发电机单元和所述至少一个组件与第二离合器连接或者分开。第一和/或第二离合器可具有一个与旋转方向相关的或者与转速相关的自由轮机构。

根据一个其他的发展，热力学循环设备针对工作介质的流动方向在载热体的上游可包括一个另外的载热体，其中所述方法可包括另外的步骤：将压缩机设备的余热传递到另外的载热体中的工作介质上以对该工作介质进行预热。

所述发展能够单独应用或者如要求权利保护那样适当地相互组合。

附图说明

下面借助附图详细阐述本发明的另外的特征和示范性的实施方式以及优点。不言而喻，实施方式并未详尽说明本发明的范围。此外，不言而喻，另外说明的特征中的一些或者全部也能够通过其他方式相互组合。

图1示出了本发明系统的第一实施方式；

图2示出了本发明系统的第二实施方式；

图3示出了本发明系统的第三实施方式；

图4示出了本发明系统的第四实施方式。

具体实施方式

图1示出了根据本发明系统的第一实施方式100。

一种具有工作介质的有机朗肯循环(ORC)设备用于在工业设备中利用余热，也就是说，将余热转换为机械能或者电能。可利用的热源例如是废气、机油、冷却水和压缩机中的压缩热(这样例如可以代替压缩机冷却器或者减少其负荷)。ORC设备包括一个热交换器/蒸发器1、一个膨胀机2(膨胀设备)、一个冷凝器3和一个供料泵4。在膨胀机2的轴上设置有一个用于产生电能的发电机10。经由热交换器1将需利用的余热输送给工作介质。通过这种方式使工作介质蒸发、在膨胀机2中减压并转换为膨胀机2的动能。在冷凝器3中重新使工作介质液化。在此利用发电机10产生的电能驱动压缩机20的电动机11。经由一个压缩机冷却器21将余热从压缩机循环系统中导出。

发电机10和电机11能够与一个储能器，例如一个可重新充电的蓄电池15连接，以便储存发电机10的多余的能量并且在能量需要提高时将电能输送给电机11。作为备选方案或者补充方案，如果不能将需驱动的组件的电功率导出的话，也可以设置一个负载电阻或者加热电阻。作为备选方案或者补充方案，也可以设置与电网的连接，经由该连接可以暂时供电，直到能够重新吸收需驱动的组件的电功率为止。这样的暂时供电通常不受电网规范的约束。

图2示出了本发明系统的第二实施方式200。

与图1相比，在此和在以下的附图中相同的附图标记表示相同的元件。

与图1的实施方式不同，在此在膨胀机2与压缩机20之间存在一个机械联接，使得非间接地/直接地利用膨胀机2的动能驱动压缩机20。要么压缩机20直接与膨胀机2的轴连接，要么居间设置有一个传动机构，以便调节旋转速度。此外，在这个实施方式200中，在ORC设备中在供料泵4与热交换器1之间设置有一个另外的热交换器5，其用于对工作介质进行预热。在这个另外的热交换器5中将压缩机循环系统的或者其他的低温热源的余热经由散热器/压缩机热交换器21输送给ORC工作介质。

图3示出了根据本发明系统的第三实施方式300。

在此代替发电机10和电动机11或者代替膨胀设备2与压缩机20之间的机械联接，设置有一个电动机/发电机单元12(异步电动机)。

在ORC与例如一个压缩机20的组合中可能出现以下情况：要么要求压缩空气，而由于例如没有热量或者没有充分的热量供使用，ORC却不能为该压缩空气提供功率或者不能提供充分的功率。在此，安装在膨胀机2与压缩机20之间的轴上的异步电动机12能够驱动压缩机20。同样具有以下可能性：压缩机20不能吸收该压缩机20的功率或者不能吸收该压缩机的全部功率，然而来自ORC的功率供使用。在此异步电动机12然后可起到发电机的作用并且因此将多余的能量(如允许的话)输入到电网。这一点可以在无功率电子系统的情况下得以实现。

图4示出了根据本发明系统的第四实施方式400。

与第三实施方式相比，在此在膨胀机2与异步电动机12之间设置有一个离合器13。作为备选方案或者补充方案，在异步电动机12与压缩机20之间设置有一个离合器14。

可以使用离合器，以便能够使ORC的膨胀机2与异步电动机12和压缩机20分开。这在没有热量或者没有充分的热量供驱动ORC使用时能够是适宜的。然后可能出现以下情况，即异步电动机12驱动膨胀机2并且吸收这个功率，这在能量方面是不利的。离合器13、14可设计为可切换的，例如可电磁式切换的，或者它可以是一个自由轮离合器，使得膨胀机2能够相对异步电动机12和压缩机20更慢地旋转，但重要的是不被拖行，也就是说不被驱动。异步电动机12与压缩机20之间的离合器14在不需要压缩空气的情况中能够将与然后起发电机作用的异步电动机12的连接分开并且因此减少或者完全避免压缩机20产生的功率消耗。这个离合器14同样可以构成为可切换的，在此可以不使用自由轮机构。

必须尽可能地保证：非持续地将电功率输入电网。可允许类似电梯、滚梯或者起重机的短时间的能量回收。如果能量回收的允许时间段是确定的，并且没有液压的、气动的或者其他能量能够由周围的系统吸收的话，那么必须减少多余的能量。为此具有以下可能性：

-减少输送的热量，例如经由热交换器/蒸发器1的旁路。

-通过提高冷凝参数减少ORC中转换的能量，由此降低效率并且减少ORC的功率，通过然后更高调温的冷凝物吸收更少的能量。

-通过部分或者完全绕过膨胀机2和/或蒸发器1减少ORC中转换的能量。

如果绕过蒸发器1的话，那么必须在其他方面防止蒸发器1过热。

-将过多产生的电能输送给一个负载电阻，该负载电阻例如可以安置在ORC的热水回路中，或者该负载电阻可在空气中再冷却。

本发明的优点在于：压缩空气和热水是容易输送的“能量载体”。压缩空气可以储存在压缩空气网络或者压缩空气储气罐中并且对产生与消耗之间差别进行平衡。减少了组件。例如在压缩机中可以代替/减少流体冷却器，至少减少了本身消耗。除此之外，节省了馈电电缆、计量器和对输送的电能的结算。在一些地方可能很难/非经济地将回收的能量输入到电网中，例如因为没有相应的基础设施。利用本发明不再需要潜在高成本的电网供电(包括供应电流的随之而来的质量保障)。

所示出的实施方式仅仅是示范性的，并且本发明的全部范围通过权利要求得以确定。