AT506796A4

AT506796A4 - Verfahren zum betreiben einer wärmekraftmaschine sowie wärmekraftmaschine zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: AT506796A4
Application number: AT17962008A
Authority: AT
Original assignee: Imt C Innovative Motorfahrzeug
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2009-12-15
Also published as: WO2010057237A3; AT506796B1; WO2010057237A2

Description


  (36 202) II 

  
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, wobei ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf nach einem im Wesentlichen isobaren Verdampfen auf einem höheren Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau entspannt und wieder kondensiert wird. 

  
Um auch bei kleinen Temperaturgefällen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke Dampfturbinen betreiben zu können, werden organische Arbeitsmittel eingesetzt. Diese als organische Rankine Kreisprozesse bekannten Betriebsverfahren stellen vorteilhafte Voraussetzungen dar, um Wärme mit niedrigem Temperaturniveau in mechanische Arbeit umzuwandeln, weil die obere Grenzkurve für den Sattdampf im Temperatur/Entropie-Diagramm einen weitgehend isentropen Verlauf einnimmt. Die hiefür üblicherweise eingesetzten Dampfturbinen können allerdings die Forderungen nach einer möglichst kostengünstigen Ausbeute der mechanischen Arbeit aus der Wärme nicht erfüllen. 

  
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass eine weitgehende Umwandlung der Exergie der Wärme in mechanische Arbeit möglich wird, und zwar bei einem vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Aufbau der eingesetzten Wärmekraftmaschine. 

  
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass mit Hilfe einer Flüssigkeit, die durch den gespannten Dampf des Arbeitsmittels in wenigstens einem Druckbehälter unter Druck gesetzt wird, eine in einem Zwischenbehälter angeordnete Flüssigkeitsturbine beaufschlagt wird und dass nach der Beaufschlagung der Flüssigkeitsturbine mit der Flüssigkeit aus dem Druckbehälter der Druckbehälter mit dem  Zwischenbehälter zur Entspannung des Dampfes dampfseitig verbunden und die im Zwischenbehälter gesammelte Flüssigkeit über eine Rückleitung in den Druckbehälter rückgeführt wird, bevor der entspannte Dampf des Arbeitsmittels aus dem Zwischenbehälter kondensiert und zur neuerlichen Beaufschlagung des Druckbehälters wieder verdampft wird. 

  
Zufolge dieser Massnahmen kann ein weitgehend an den Clausius Rankine Kreisprozess angeglichener Verfahrensablauf sichergestellt werden, weil nach einem nahezu isentropen Pumpen des flüssigen Arbeitsmittels zum Erreichen eines höheren Druckniveaus bloss die zum Sieden des Arbeitsmittels benötigte Wärme zugeführt wird.

   Unter Beibehaltung der weitestgehend isobaren Zustandsbedingungen kann dann das Arbeitsmittel vollständig in Sattdampf überführt werden, wobei die Flüssigkeit im Druckbehälter aufgrund des höheren Druckniveaus und der zunehmenden Verdampfung des Arbeitsmittels einem Kolben vergleichbar durch den Arbeitsmitteldampf beaufschlagt und aus dem Druckbehälter verdrängt wird, um diese Volumsänderungsarbeit über eine Flüssigkeitsturbine in mechanische Wellenarbeit umzusetzen, bis durch einen entsprechenden Strömungsweg der die Flüssigkeitsturbine aufnehmende Zwischenbehälter mit dem Dampfraum des Druckbehälters verbunden wird und der Sattdampf isenthalp auf das niedrigere Ausgangsdruckniveau entspannt wird.

   Die im Zwischenbehälter gesammelte Flüssigkeit kann dann wieder in den Druckbehälter rückgeführt werden, um nach einer Kondensation des Arbeitsmitteldampfs aus dem Zwischenbehälter einen neuen Zyklus durch ein Verdampfen des kondensierten Arbeitsmittels einzuleiten. 

  
Durch die Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Sattdampf des Arbeitsmittels im Druckbehälter und der dadurch bedingten Flüssigkeitsbeaufschlagung der Turbine im Zwischenbehälter ergeben sich im Vergleich zur Beaufschlagung von Hubkolben einfache Konstruktionsbedingungen, weil die im allgemeinen erforderliche Umsetzung einer hin- und hergehenden Hubbewegung in eine Drehbewegung entfällt. Ausserdem können in einfacher Art grosse Verdrängungsvolumen zu Verfügung gestellt werden, was vergleichsweise lange Taktzeiten ermöglicht.  Besonders vorteilhafte Verfahrensbedingungen ergeben sich, wenn das kondensierte Arbeitsmittel in den Druckbehälter gepumpt und mit Hilfe der erwärmten Flüssigkeit im unmittelbaren Wärmeaustausch verdampft wird.

   In diesem Fall können nicht nur gute Wärmeübergangsverhältnisse auf das Arbeitsmittel sichergestellt, sondern auch gesonderte Wärmetauscher zum Verdampfen des Arbeitsmittels erübrigt werden. Es ist lediglich die Flüssigkeit auf eine Temperatur zu erwärmen, die nur geringfügig über der des Arbeitsmittels liegen soll, um eine Wärmezufuhr in das Arbeitsmittel auf einem entsprechend hohen Temperaturniveau zu ermöglichen und damit einen hohen Wirkungsgrad zu sichern. 

  
Damit die Flüssigkeitsturbine nicht nur taktweise mit Flüssigkeit beaufschlagt wird, können wenigstens zwei Druckbehälter eingesetzt werden, von denen abwechselnd einer mit Flüssigkeit aus dem Zwischenbehälter befüllt wird, während der andere mit dem gespannten Dampf des Arbeitsmittels beaufschlagt wird, sodass sich die Taktzeiten der beiden Druckbehälter zu einer gleichmässigeren Turbinenbeaufschlagung ergänzen. Selbstverständlich kann die Turbinenbeaufschlagung durch Steigerung der Anzahl der Druckbehälter weiter verbessert werden. 

  
Zur Durchführung des Verfahrens kann eine Wärmekraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitsmittelkreislauf eingesetzt werden, der einen Verdampfer, eine Entspannungseinrichtung und einen Kondensator enthält und sich dadurch auszeichnet, dass der Verdampfer einen eine Flüssigkeit aufnehmenden Druckbehälter mit einer Tauchleitung umfasst, die eine Beaufschlagungsleitung für eine Flüssigkeitsturbine innerhalb eines Zwischenbehälters speist, der einen durch eine ventilgesteuerte Rücklaufleitung mit dem Druckbehälter verbundenen Sammelraum für die Flüssigkeit bildet und an den Kondensator für den Dampf des Arbeitsmittels angeschlossen ist. 

  
Mittels des verdampfenden Arbeitsmittels wird die Flüssigkeit aus dem Druckbehälter durch die Tauchleitung über die angeschlossene Beaufschlagungsleitung der Flüssigkeitsturbine zugefördert, bis der Flüssigkeitsspiegel im Druckbehälter unter die Mündungsöffnung der Tauchleitung absinkt und der Dampfdruck die Flüssig keitssäule in der Tauchleitung in den Zwischenbehälter verdrängt sodass sich über die Tauchleitung eine dampfseitige Strömungsverbindung zwischen dem Zwischenbehälter und dem Druckbehälter ergibt, die eine isenthalpe Entspannung des Arbeitsmitteldampfs erlaubt. Die Ablaufsteuerung erfolgt dabei selbständig in Abhängigkeit vom verdrängten Volumenstrom aus dem Druckbehälter.

   Es braucht daher lediglich für eine Rückführung der im Zwischenbehälter gesammelten Flüssigkeit in den Druckbehälter über eine ventilgesteuerte Rücklaufleitung gesorgt zu werden, um mit der Verdampfung des kondensierten Arbeitsmittels aus dem Zwischenraum einen neuen Zyklus beginnen zu können. Die Verdampfung des in den Druckbehälter gepumpten Arbeitsmittels wird vorteilhaft im unmittelbaren Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit vorgenommen, deren Siedetemperatur entsprechend höher als die des Arbeitsmittels gewählt werden muss. Zur Erwärmung der Flüssigkeit auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Arbeitsmittels kann wenigstens ein Wärmetauscher eingesetzt werden, der im Druckbehälter und/oder im Zwischenbehälter angeordnet sein kann. 

  
Damit auch die Rückleitung der im Zwischenbehälter gesammelten Flüssigkeit in den Druckbehälter selbständig gesteuert werden kann, kann die Rücklaufleitung zwischen dem Zwischenbehälter und dem Druckbehälter ein vom herrschenden Auftrieb im Druckbehälter betätigbares Rückschlagventil aufweisen, das bei einem entsprechenden Auftrieb die Rücklaufleitung sperrt, beim Absinken des Flüssigkeitsspiegels unter die Mündung der Tauchleitung die Rücklaufleitung aber freigibt, unterstützt durch die Auflast der im Zwischenbehälter angesammelten Flüssigkeit. 

  
Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert, und zwar wird eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in einem vereinfachten Blockschaltbild gezeigt. 

  
Die dargestellte Wärmekraftmaschine umfasst zwei Druckbehälter 1 , 2 für eine Flüssigkeit 3, beispielsweise Wasser, wobei diese Flüssigkeit 3 mit dem Dampf 4 eines organischen Arbeitsmittels 5, beispielsweise Isobutan, mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt wird. Mit Hilfe dieser druckbeaufschlagten Flüssigkeit wird  eine Flüssigkeitsturbine 6, vorzugsweise eine Impulsturbine, wie eine Pelton- oder Turgoturbine, betrieben. Diese Flüssigkeitsturbine 6, die in üblicher Weise einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, ist in einem Zwischenbehälter 7 angeordnet, in dem die mit Austrittsdüsen 8 versehenen Beaufschlagungsleitungen 9 für die Turbine 6 münden. Die Flüssigkeit 3 wird den Druckbehältern 1 über Tauchleitungen 10 entnommen.

   Der Zwischenbehälter 7 bildet einen Sammelraum für die Flüssigkeit 3, der mit den Druckbehältern 1 über Rückleitungen 11 verbunden ist. Diese Rückleitungen 11 sind mit Rückschlagventilen 12 versehen, die gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit vom Auftrieb im Druckbehälter 1 betätigt werden, wie dies bekannt ist. 

  
Am Zwischenbehälter 7 ist ein Kondensator 13 für den Dampf 4 des Arbeitsmittels 5 angeschlossen, das nach seiner Kondensierung mit Hilfe einer Pumpe 14 über Steuerventile 15, 16 wahlweise in die Druckbehälter 1 und 2 gefördert werden kann. Zur Erwärmung der Flüssigkeit 3 sind Wärmetauscher 17 vorgesehen, die den Druckbehältern 1 , 2, aber auch dem Sammelraum für die Flüssigkeit 3 im Zwischenbehälter 7 zugeordnet sein können. 

  
Zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus der der Flüssigkeit 3 über die Wärmetauscher 17 zugeführten Wärme wird einem der beiden Druckbehälter 1 , 2, beispielsweise dem mit Flüssigkeit 3 gefüllten Druckbehälter 1 , flüssiges Arbeitsmittel über die Pumpe 14 bei geöffnetem Steuerventil 15 zugefördert, das im unmittelbaren Wärmetausch mit der Flüssigkeit 3 verdampft, sodass sich bei einer entsprechend dosierten Zufuhr des Arbeitsmittels 5 kaum unverdampftes Arbeitsmittel 5 im Druckbehälter 1 ansammelt.

   Die äusseren Parameter werden so gewählt, dass die Verdampfung des Arbeitsmittels 5 unter isobaren Bedingungen erfolgt, sodass die Flüssigkeit 3 mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt, im Ausmass des wachsenden Dampfvolumens über die Tauchleitung 10 aus dem Druckbehälter 1 verdrängt und in der Austrittsdüse 8 der Beaufschlagungsleitung 9 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem Druckbehälter 1 und dem Zwischenbehälter 7 in kinetische Energie umgesetzt wird, mit deren Hilfe die Flüssigkeitsturbine 6 angetrieben wird. Die aus dem Druckbehälter 1 zum Antrieb der Flüssigkeitsturbine 6  verdrängte Flüssigkeit 3 wird im Sammelraum des Zwischenbehälters 7 aufgefangen. Wobei wegen der geschlossenen Rückleitung 11 ein Rückfliessen der Flüssigkeit 3 aus dem Zwischenbehälter 7 in den Druckbehälter 1 zunächst unterbunden wird.

   Die Flüssigkeit 3 kann der Turbine 6 aus dem Druckbehälter 3 nur solange zugefördert werden, solange der Flüssigkeitsspiegel nicht unter die Mündungsöffnung der Tauchleitung 10 absinkt. Ist dies der Fall, so wird die Flüssigkeitssäule in der Tauchleitung 10 durch den Sattdampf 4 in den Zwischenbehälter 7 verdrängt und eine dampfseitige Strömungsverbindung zwischen dem Druckbehälter 1 und dem Zwischenbehälter 7 mit der Wirkung freigegeben, dass sich ein Druckausgleich einstellt und der Dampf 4 im Druckbehälter 1 isenthalp entspannt. Wegen des fehlenden Auftriebs im Druckbehälter 1 öffnet das Rückschlagventil 12, unterstützt durch die Auflast der im Zwischenbehälter 7 gesammelten Flüssigkeit, und der Druckbehälter 1 wird wieder mit Flüssigkeit 3 gefüllt. 

  
Die zur Beaufschlagung der Flüssigkeitsturbine 6 in den Zwischenbehälter strömende Flüssigkeit 3 verdrängt den im Zwischenbehälter 7 vorhandenen entspannten Dampf 4 des Arbeitsmittels 5 in den angeschlossenen Kondensator 13, dessen Temperatur das Druckniveau im Zwischenbehälter 7 bestimmt. Nach dem Füllen des Druckbehälters 1 und dem anschliessenden Schliessen des Rückschlagventils 12 kann der beschriebene Zyklus von neuem durchgeführt werden, indem Arbeitsmittelkondensat in den Druckbehälter 1 gepumpt wird. 

  
Die Arbeitsweise des Druckbehälters 2 stimmt mit der des Druckbehälters 1 überein. Es wird jedoch eine zeitliche Versetzung angestrebt, um während des Rückfliessens der Flüssigkeit 3 aus dem Behälter in einen der Druckbehälter 1 , 2 mit Hilfe des jeweils anderen Druckbehälters 2, 1 die Flüssigkeitsturbine 6 mit Flüssigkeit 3 beaufschlagen zu können, sodass ein zumindest angenähert konstanter Antrieb für die Flüssigkeitsturbine sichergestellt werden kann. In der Zeichnung ist dieser Umstand dadurch angedeutet, dass der Druckbehälter 2 während der Befüllung mit Flüssigkeit 3 aus dem Zwischenbehälter 7 über das offenen Rückschlagventil 12 dargestellt ist. Es braucht wohl nicht besonders hervorgehoben zu werden, dass mit der Anzahl der Druckbehälter die gleichmässige Beaufschlagung der Flüssigkeitstur bine 6 verbessert werden kann.

   Beim Vorsehen mehrerer Druckbehälter kann es notwendig werden, die Zeit zur Befüllung der Druckbehälter mit Flüssigkeit aus dem Zwischenbehälter zu verkürzen. Zu diesem Zweck können für die Rückförderung der Flüssigkeit 3 entsprechende Pumpen eingesetzt werden. 
 <EMI ID=7.1> 
 Ä/V ^

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich Dipl.-Ing. Friedrich Jell Spittelwiese 7, A 4020 Linz (36 202) Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, wobei ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf nach einem im Wesentlichen isobaren Verdampfen auf einem höheren Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau entspannt und wieder kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Flüssigkeit (3), die durch den gespannten Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) in wenigstens einem Druckbehälter (1 , 2) unter Druck gesetzt wird, eine in einem Zwischenbehälter (7) angeordnete Flüssigkeitsturbine (6) beaufschlagt wird und dass nach der Beaufschlagung der Flüssigkeitsturbine (6) mit der Flüssigkeit (3) aus dem Druckbehälter (1 , 2) der Druckbehälter (1 , 2) mit dem Zwischenbehälter (7) zur Entspannung des Dampfes (4) dampfseitig verbunden und die im Zwischenbehälter (7) gesammelte Flüssigkeit (3) über eine Rückleitung (11) in den Druckbehälter (1 , 2)

rückgeführt wird, bevor der entspannte Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) aus dem Zwischenbehälter (7) kondensiert und zur neuerlichen Beaufschlagung des Druckbehälters (1 , 2) wieder verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte Arbeitsmittel (5) in den Druckbehälter (1 , 2) gepumpt und mit Hilfe der erwärmten Flüssigkeit (3) im unmittelbaren Wärmeaustausch verdampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Druckbehälter (1 , 2) eingesetzt werden, von denen abwechselnd einer mit Flüssigkeit (3) aus dem Zwischenbehälter (7) befüllt wird, während der andere mit dem gespannten Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) beaufschlagt wird.

4. Wärmekraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitsmittelkreislauf, der einen Verdampfer, eine Entspannungseinrichtung und einen Kondensator enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer wenigstens einen eine Flüssigkeit (3) aufnehmenden Druckbehälter (1 , 2) mit einer Tauchleitung (10) umfasst, die eine Beaufschlagungsleitung (9) für eine Flüssigkeitsturbine (6) innerhalb eines Zwischenbehälters (7) speist, der einen durch eine ventilgesteuerte Rücklaufleitung (11) mit dem Druckbehälter (1, 2) verbundenen Sammelraum für die Flüssigkeit (3) bildet und an den Kondensator (13) für den Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) angeschlossen ist.

5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1 , 2) einen Wärmetauscher (17) zur Erwärmung der Flüssigkeit (3) aufweist.

6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufleitung (11) zwischen dem Zwischenbehälter (7) und dem Druckbehälter (1 , 2) ein vom Auftrieb im Druckbehälter (1 , 2) betätigbares Rückschlagventil (12) aufweist.

Linz, am 18. November 2008 IMT-C GmbH durch:

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