AT507700B1 - Vorrichtung zur gewinnung von elektrischem strom - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Gewinnung von elektrischem Strom in einem Kreislaufsystem, in welchem ein Fluid mittels eines Kompressors komprimiert und anschließend an zumindest einem Expansionsauslass (5, 5') expandiert wird, wobei das Fluid innerhalb eines Rohrsystems in zwei, einander entgegengesetzte Richtungen strömbar ist, und das Rohrsystem zumindest einen Expansionsauslass (5, 5') für das Fluid aufweist, an welchem das Fluid expandiert wird, wobei das Fluid über zumindest zwei Zuleitungen (2, 2'), die jeweils über zumindest eine Absperreinrichtung (4a, 4b, 4a', 4b', 4c, 4c') verfügen, zu dem zumindest einen Expansionsauslass (5, 5') zuleitbar ist und der zumindest eine Expansionsauslass (5, 5') in einen Expansionsraum (6) mündet, der eine im wesentlichen in Strömungsrichtung des expandierenden Fluids an dem zumindest einen Expansionsauslass (5, 5') angeordnete Turbine (7) aufweist, die mit einem Stromgenerator zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Ener¬gie in Verbindung steht.

Description

österreichisches Patentamt AT507 700B1 2012-05-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischem Strom in einem Kreislaufsystem, in welchem ein Fluid komprimiert und anschließend an zumindest einem Expansionsauslass expandiert wird, wobei das expandierende Fluid eine Turbine antreibt, die wiederum einen Stromgenerator antreibt, und das expandierte Fluid über zumindest einen Ablauf aus dem Expansionsraum dem Kreislaufsystem zugeführt und anschließend wiederum komprimiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0002] Die JP 2007-187422 A beschreibt ein System zur Energiegewinnung in einem Kühlschrank, wobei zwischen einem Kondensator und einem Verdampfer des Kühlschrankes eine Vorrichtung in der Art einer Turbine vorgesehen sind. In der DE 10 2005 032 277 A1 ist ein Dampfkompressionskälteerzeuger für ein Fahrzeug-Klimasystem beschrieben, wobei die Abwärme des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs gesammelt und durch eine Expansionsvorrichtung elektrischer Strom gewonnen wird. Eine ähnliche Vorrichtung kann auch der DE 10 2005 049 831 A1 sowie der EP 1 411 308 A2 entnommen werden.

[0003] Die Gewinnung von elektrischem Strom durch die Anordnung einer Turbine an einem Expansionsauslass ist durch den oben genannten Stand der Technik bekannt geworden. Bei den oben genannten Anlagen strömt jedoch das Gas lediglich in eine Richtung, so dass insbesondere bei reversiblen Wärmepumpen, die sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen eingesetzt werden können, sowie bei entsprechenden Klimageräten nur ein Teil der nutzbaren Expansionsenergie tatsächlich auch genützt wird. Bei den im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen müsste bei Umkehrung der Strömungsrichtung auch die Drehrichtung der Turbine geändert werden, was in der Praxis mit einem Umdrehen bzw. Ausbau oder zumindest einem temporären Stilllegen der Turbine verbunden wäre. Ein Verfahren der eingangs erwähnten Art mit zugehöriger Vorrichtung ist in der GB 2 439 339 A beschrieben, bei der über zwei miteinander gekoppelte Rohrsysteme die Umkehrung der Strömungsrichtung realisiert ist. Aufgrund dieses Aufbaus weist diese Vorrichtung jedoch einen hohen Platzbedarf auf.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die obengenannten Nachteile des Stand der Technik zu überwinden, und ein Verfahren sowie eine hierfür einsetzbare Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die bei der Expansion eines Fluids bzw. Gases freiwerdende Energie optimal ausnützt, in elektrische Energie umwandelt und dem System wieder zur Verfügung stellt.

[0005] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art mit zugehöriger Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das zu expandierende Fluid über zwei absperrbare Zuleitungen zu dem Expansionsauslass zuführbar ist, wobei bei einer ersten Strömungsrichtung das Fluid über eine erste Zuleitung zu dem zumindest einen Expansionsauslass geführt wird, während die zweite Zuleitung abgesperrt ist, und in einer zweiten Strömungsrichtung das Fluid über eine zweite Zuleitung zu dem zumindest einen Expansionsauslass geführt wird, während die erste Zuleitung abgesperrt ist, das expandierende Fluid die in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem zumindest einen Expansionsauslass angeordnete Turbine in einem Expansionsraum antreibt, und der gewonnene elektrische Strom einem für die Kompression des Fluids verantwortlichen Kompressor zugeführt wird.

[0006] Durch wechselweises Absperren jeweils einer der beiden Zuleitungen wird das Fluid je nach Prozessrichtung (Heizen oder Kühlen) optimal auf die Turbine ausgerichtet, so dass ein Maximum an elektrischer Energie gewonnen werden kann. Des weiteren verbleibt die Drehrichtung der Turbine stets die Gleiche, sodass der oben erwähnte Ausbau der Turbine oder andere Manipulationen zur Änderung der Drehrichtung an der Turbine unterbleiben können.

[0007] Das Absperren der Zuleitungen kann entweder über eine einzelne Absperreinrichtung, beispielsweise ein Dreiwegventil, oder aber über zwei voneinander unabhängige Absperreinrichtungen wie Zweiwegventile erfolgen.

[0008] In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Turbine eine Pelton-Turbine (Pel-ton-Rad) oder eine Kaplanturbine. Bei der Pelton-Turbine handelt es sich um eine sogenannte 1 /7 österreichisches Patentamt AT507 700B1 2012-05-15

Freistrahlturbine, die üblicherweise zur Nutzung der kinetischen Energie von Wasser eingesetzt wird. Der Anmelder hat überraschenderweise herausgefunden, dass dieser Turbinentyp sich besonders für den Einsatz in deiner erfindungsgemäßen Vorrichtung eignet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beiden Turbinentypen beschränkt; es sind jegliche Arten von Turbinen verwendbar, wobei die Auswahl der jeweiligen Turbine insbesondere in Abhängigkeit zu den im System herrschenden Druck- und Strömungsverhältnissen erfolgt.

[0009] Um das expandierte Fluid möglichst strömungsarm wieder dem Kreislaufsystem zuzuführen, weist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung der Expansionsraum einen Ablauf für das expandierte Fluid auf, der im wesentlichen dem Expansionsauslass gegenüberliegend angeordnet ist.

[0010] In einer weiteren Ausführung der Erfindung münden zwei Expansionsauslässe in den Expansionsraum, die jeweils über eine Absperreinrichtung verfügen. Die Expansionsauslässe sind hierbei derart in dem Expansionsraum angeordnet, dass ihre Auslässe tangential auf die Turbine treffen, um eine optimale Ausnutzung der kinetischen Energie des expandierenden Fluids zu gewährleisten. Es ist besonders bevorzugt, dass der Expansionsraum zwei Abläufe für das expandierte Fluid aufweist, wobei die Abläufe bevorzugt über zwei voneinander unabhängige Absperreinrichtungen verfügen.

[0011] Eine weitere Steigerung der Energieausbeute kann erzielt werden, wenn der zumindest eine Expansionsauslass über eine Düse verfügt. Durch den Düseneffekt trifft der Fluidstrahl mit höherem Druck auf die Turbine und es wird so mehr Energie auf die Schaufeln der Turbine übertragen.

[0012] Des weiteren lässt sich der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessern, wenn der Stromgenerator außerhalb des Rohrsystems angeordnet ist. Da eine mechanische Verbindung zwischen der innerhalb des Rohrsystems befindlichen Turbine und dem außerhalb des Rohrsystems befindlichen Stromgenerators konstruktiv äußerst aufwändig ist, ist in einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung die in dem Expansionsraum befindliche Turbine magnetisiert und wirkt mit einer zweiten außerhalb des Rohrsystems befindlichen Turbine zusammen, wobei die zweite Turbine den Stromgenerator antreibt.

[0013] Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind alle gängigen Kältemittel, geeignet, die üblicherweise in Wärmepumpen und anderen Kreislaufsystemen wie Klimaanlagen verwendet werden, bei welchen ein Fluid komprimiert, expandiert und wieder komprimiert wird. Besonders bevorzugt ist es, dass das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommende Fluid ein Gas, insbesondere Kohlendioxid oder Methan, ist.

[0014] In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind zumindest ein, vorzugsweise zwei Anschlusselemente für den Anschluss der Vorrichtung an beispielsweise eine Wärmepumpe oder den Kältesatz einer Klimaanlage vorgesehen, die bevorzugterweise als Absperrventile ausgebildet sind. Damit können die Leitungen, die den Wärmeträger (Fluid) enthalten, abgesperrt werden, bevor die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise zu Wartungszwecken ausgebaut wird, was ein rasches und sauberes Arbeiten ermöglicht. Ebenso können die Anschlusselemente auch für die Einbringung bzw. Ablassen von Fluid in das System eingerichtet sein.

[0015] Die Aufgabe wird des weiteren durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, wobei das zu expandierende Fluid über zwei getrennt voneinander absperrbare Zuleitungen dem Expansionsauslass zuführbar ist, und bei einer ersten Strömungsrichtung das Fluid über eine erste Zuleitung zu dem zumindest einen Expansionsauslass geführt wird, während die zweite Zuleitung abgesperrt ist und in einer zweiten Strömungsrichtung das Fluid über eine zweite Zuleitung zu dem zumindest einen Expansionsventil geführt wird, während die erste Zuleitung abgesperrt ist und das expandierte Fluid über zumindest einen Ablauf aus dem Expansionsraum dem Kreislaufsystem zugeführt und anschließend wiederum komprimiert wird.

[0016] In einer bevorzugten Erfindung wird das Fluid nur teilweise, vorzugsweise zu 80 bis 90% expandiert. Handelt es sich bei dem Fluid um ein Gas, ändert es hierbei weder an dem Expan- 2/7 österreichisches Patentamt AT507 700B1 2012-05-15 sionsauslass noch an der Turbine seinen Aggregatzustand. Der Restdruck kann dann zum Beispiel über eine weitere Düse direkt dort abgebaut werden, wo der Wärmetausch (Wärmeaufnahme oder -abgabe) mit der Umwelt stattfindet. Es wird also nicht im Expansionsraum zum Gas expandiert, sondern das Fluid strömt beispielsweise zu den Kühlrippen, in deren Bereich bei einer Luftwärmepumpe ein Ventilator angeordnet ist. Dort kann dann der restliche Druckabbau erfolgen, beispielsweise durch eine düse. Dadurch wird die Fähigkeit des Fluids erhöht, Wärme aufzunehmen oder anzugeben.

[0017] Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass eine positive Korrelation zwischen der Leistung des Kompressors und der gewonnenen elektrische Energie besteht, sodass bei schlechterem Wirkungsgrad der Wärmepumpe (z.b.: bei kalter Witterung) zwar eine höhere Leistung des Kompressors erforderlich ist, damit aber auch eine höhere Ausbeute an elektrischer Energie an der Turbine erzielt wird.

[0018] Da nunmehr vermehrt Kompressoren in Wärmepumpen oder Klimaanlagen verwendet werden, deren Leistung stufenlos regulierbar ist (modulierende Kompressoren), eignet sich hierfür diese Art der Stromrückgewinnung am Expansionsventil besonders gut. Die Menge der erzeugten Energie variiert im Gleichklang mit der jeweils vom Kompressor benötigten Energie. Durch den erhöhten Energiegewinn aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird der erhöhte Energiebedarf des Kompressor zumindest zum Teil ausgeglichen.

[0019] Bevorzugterweise wird die gewonnene elektrische Energie dem Kompressor zugeführt.

[0020] Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für den Einsatz in einer reversiblen Wärmepumpe, die sowohl heizt als auch kühlt, geeignet.

[0021] Im Folgenden wird anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen: [0022] Fig. 1a eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform mit Zweiweg ventilen, [0023] Fig. 1 b eine schematische Schnittansicht der ersten Ausführung mit Dreiwegventilen, [0024] Fig. 2a eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform mit Zweiweg ventilen, [0025] Fig. 2b eine schematische Schnittansicht der zweiten Ausführung mit Zweiwegventilen und einem Dreiwegventil und [0026] Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

[0027] Die Fig. 1a zeigt die einfachste Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hierbei ist zwischen zwei Zuleitungen 2, 2' im Kreislaufsystem beispielsweise einer reversiblen Wärmepumpe die Vorrichtung 1 angeordnet, wobei das in dem Kreislaufsystem strömende Fluid in der durch die Pfeile 3 angezeigten Richtung zirkuliert. Das komprimierte Fluid mit einem Druck von beispielsweise etwa 22 bar strömt nach dem Durchgang durch das geöffnete Ventil 4a in den Expansionsauslass 5, der in der dargestellten Variante der Erfindung als Düse ausgebildet ist, und expandiert beim Austritt aus den Expansionsauslass 5 in den Expansionsraum 6. Der austretende Fluidstrahl trifft hierbei auf die Schaufeln 71 einer Turbine 7 und versetzt diese in Rotation, wie durch den Pfeil 72 angezeigt. Das expandierte Fluid strömt anschließend durch den Ablauf 8 in die zweite Zuleitung 2'. Die Strömungsrichtung des Fluids wird durch die beiden geschlossenen Absperrventile 4b, 4a' erzwungen.

[0028] Die Turbine 7 ist hierbei magnetisiert und wirkt mittels magnetischer Induktion mit einer zweiten, außerhalb des Expansionsraums 6 angeordneten zweiten Turbine zusammen, die wiederum einen Stromgenerator antreibt (nicht dargestellt). Selbstverständlich ist es auch möglich, den Stromgenerator innerhalb des Expansionsraums 6 anzuordnen, dies erfordert jedoch einen hohen konstruktiven Aufwand, wobei sich zudem erfahrungsgemäß der Wirkungsgrad des Stromgenerators durch die Veränderung des Fluids z.B. durch die während der Expansion 3/7

Claims (16)

1. österreichisches Patentamt AT507 700B1 2012-05-15 auftretende Abkühlung des Fluids reduziert. [0029] Je nach dem ob geheizt oder gekühlt werden soll, ändert sich bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel die Strömungsrichtung des Fluids in den Zuleitungen 2, 2', sodass die Ventile 4a und 4b' sowie die Ventile 4a' und 4b für gewöhnlich den gleichen Betriebszustand (geschlossen oder geöffnet) aufweisen. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass anstatt vier einfacher Absperrventile im Kreuzungsbereich der Zuleitung 2, 2' mit dem Expansionsauslass 5 bzw. dem Ablauf 8 jeweils ein Dreiwegventil vorgesehen ist. Damit kann zudem bei Bedarf die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 beispielsweise für Wartungsarbeiten vom Fluidkreislauf der reversiblen Wärmepumpe abgekoppelt werden. Ebenso kann in zumindest einer Zuleitung ein zusätzliches Ventil zum Ablassen und/oder Befüllen des Fluids vorgesehen sein. [0030] Die in Fig. 1b dargestellte Ausführung entspricht in ihren wesentlichen Teilen jener aus Fig. 1a, es wurden lediglich die vier Zweiwegventile 4a, 4a', 4b, 4b' durch zwei Dreiwegventile 4c, 4c' ersetzt, wodurch ein kompaktere Bauweise ermöglicht wird. [0031] In den Fig. 2a und 2b ist eine Variante der Vorrichtung 1 dargestellt, die über zwei Expansionsauslässe 5, 5' und einen Ablauf 8 verfügt. Auch hier wird wieder der Zufluss des zu expandierenden Fluids über Absperrventile 4a, 4b, 4a', 4b' in den Zuleitungen 2, 2', die jeweils von einer Hauptleitung 20 des Rohrsystems einer reversiblen Wärmepumpe abzweigen, geregelt. In Fig. 2b ist als Alternative im Bereich des Ablaufs 8 ein Dreiwegventil 4c vorgesehen. [0032] In Fig. 3 schließlich ist eine weitere Variante der Erfindung gezeigt. In dieser Ausführung der Vorrichtung 1 weist der Expansionsraum 6 zwei Abläufe 8, 8' auf, die einander im wesentlichen gegenüberliegen und über jeweils ein Absperrventil 4a, 4a' verfügen, während die beiden Expansionsauslässe 5, 5' über zwei Ventile 4b, 4b' verschließbar sind. Zusätzlich sind zwei Absperrventile 4d, 4d' in den Leitungen 2, 2' vorgesehen, über welche diese abgesperrt werden können, wenn beispielsweise zu Wartungszwecken die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 entnommen werden soll. Patentansprüche 1. Verfahren zur Gewinnung von elektrischem Strom in einem Kreislaufsystem, in welchem ein Fluid komprimiert und anschließend an zumindest einem Expansionsauslass (5, 5') expandiert wird, wobei das expandierende Fluid eine Turbine (7) antreibt, die wiederum einen Stromgenerator antreibt, und das expandierte Fluid über zumindest einen Ablauf (8, 8') aus dem Expansionsraum dem Kreislaufsystem zugeführt und anschließend wiederum komprimiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zu expandierende Fluid über zwei ab-sperrbare Zuleitungen (2, 2') zu dem Expansionsauslass (5, 5') zuführbar ist, wobei bei einer ersten Strömungsrichtung das Fluid über eine erste Zuleitung (2) zu dem zumindest einen Expansionsauslass (5, 5') geführt wird, während die zweite Zuleitung (2') abgesperrt ist, und in einer zweiten Strömungsrichtung das Fluid über eine zweite Zuleitung (2') zu dem zumindest einen Expansionsauslass (5, 5') geführt wird, während die erste Zuleitung (2) abgesperrt ist, das expandierende Fluid die in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem zumindest einen Expansionsauslass (5, 5') angeordnete Turbine (7) in einem Expansionsraum antreibt, und der gewonnene elektrische Strom einem für die Kompression des Fluids verantwortlichen Kompressor zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion des Fluids nur teilweise, vorzugsweise zu 80 bis 90% erfolgt.
3. 3. Vorrichtung (1) zur Gewinnung von elektrischem Strom in einem Kreislaufsystem gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid über zumindest zwei Zuleitungen (2, 2'), die über zumindest eine Absperreinrichtung (4a, 4b, 4a', 4b', 4c, 4c') verfügen, zu dem zumindest einen Expansionsauslass (5, 5') zuleitbar ist und der zumindest eine Expansionsauslass (5, 5') in einen Expansionsraum (6) mit zumindest einem Ablauf (8, 8') mündet, der eine im wesentlichen in Strömungsrichtung des ex- 4/7 österreichisches Patentamt AT507 700B1 2012-05-15 pandierenden Fluids an dem zumindest einen Expansionsauslass (5, 5') angeordnete Turbine (7) aufweist, die mit einem Stromgenerator zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie in Verbindung steht.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei voneinander unabhängige Absperreinrichtungen (4a, 4b, 4a', 4b', 4c, 4c') an den zumindest zwei Zuleitungen (2, 2') vorgesehen sind.
5. 5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ablauf (8, 8') zumindest eine Absperreinrichtung aufweist.
6. 6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (7) eine Peltonturbine oder eine Kaplanturbine ist.
7. 7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum (6) einen Ablauf (8) für das expandierte Fluid aufweist, der im Wesentlichen dem Expansionsauslass (5, 5') gegenüber liegend angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Expansionsauslässe (5, 5') in den Expansionsraum (6) münden, die jeweils über zumindest eine Absperreinrichtung (4a, 4b, 4a', 4b', 4c, 4c') verfügen.
9. 9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum zwei Abläufe (8, 8') für das expandierte Fluid aufweist, wobei die Abläufe (8, 8') bevorzugt über zwei voneinander unabhängige Absperreinrichtungen (4a, 4b, 4a', 4b') verfügen.
10. 10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abläufe (8, 8') jeweils zwei Expansionsauslässen (5, 5') gegenüberliegend angeordnet sind.
11. 11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Expansionsauslass (5, 5') über eine Düse verfügt.
12. 12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator außerhalb des Rohrsystems angeordnet ist.
13. 13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Expansionsraum befindliche Turbine (7) magnetisiert ist und mit einer zweiten, außerhalb des Rohrsystems befindlichen Turbine zusammenwirkt, die den Stromgenerator antreibt.
14. 14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Gas ist.
15. 15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein, vorzugsweise zwei Anschlusselemente (4d, 4d') für den Anschluss der Vorrichtung (1) an beispielsweise eine Wärmepumpe oder den Kältesatz einer Klimaanlage vorgesehen sind, die bevorzugterweise als Absperrventile ausgebildet sind.
16. 16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2 in einer Wärmepumpe oder Kältesatz einer Klimaanlage. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7