AT524253A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie - Google Patents

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AT524253A1 ATA50816/2020A AT508162020A AT524253A1 AT 524253 A1 AT524253 A1 AT 524253A1 AT 508162020 A AT508162020 A AT 508162020A AT 524253 A1 AT524253 A1 AT 524253A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mittels eines Kreisprozesses mit einem Wärmetauscher (4), einem Speicher (3) für ein Betriebsmedium, einer Vorlaufleitung (5), einer Turbine (2) und einer Rücklaufleitung (6) mit mindestens einer Rückspeiseeinrichtung (9). Um auch Abwärme für die Erzeugung elektrischer Energie nutzen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Turbine (2) als Scheibenläuferturbine ausgestaltet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einem Kreisprozess, wobei einem Betriebsmedium in einem Speicher (3) Wärmeenergie zugeführt wird, wobei das Betriebsmedium verdampft und/oder ein Druck im Betriebsmedium erhöht wird, wonach das Betriebsmedium in einer Turbine (2) Energie abgibt, wonach das Betriebsmedium in den Speicher (3) rückgeführt wird.

Description

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Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mittels eines Kreisprozesses mit einem Wärmetauscher, einem Speicher für ein Betriebsmedium, einer Vorlaufleitung, einer Turbine und einer
Rücklaufleitung mit mindestens einer Rückspeiseeinrichtung.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einem Kreisprozess, wobei einem Betriebsmedium in einem Speicher Wärmeenergie zugeführt wird, wobei das Betriebsmedium verdampft und/oder ein Druck im Betriebsmedium erhöht wird, wonach das Betriebsmedium in einer Turbine
Energie abgibt, wonach das Betriebsmedium in den Speicher rückgeführt wird.
Zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie und allenfalls weiter in elektrische Energie sind insbesondere Kreisprozesse wie ein Claudius-Rankine-Kreisprozess bekannt. Hierbei vollzieht ein Energieträger- oder Betriebsmedium einen Phasenwechsel, wobei im Regelfall Wasser als Betriebsmedium eingesetzt wird. Eine Variante des Claudius-Rankine-Kreisprozesses verwendet eine niedrig siedende Flüssigkeit. Auch gibt es eine Betriebsweise mit superkritischem Zustand des Betriebsmediums. Das heißt, es wird der superkritische Zustand des Betriebsmediums nicht verlassen und es gibt im System somit keinen Phasenwechsel, wodurch auch der Kondensationseffekt nicht ausgenutzt wird. Aufgrund eines somit erreichten einphasigen Kreislaufs muss dabei viel Arbeit zum Zurückpumpen des Mediums in einen Speisetank bzw. Speicher aufgebracht
werden, was einem Gesamtwirkungsgrad der Anlage abträglich ist. Auch ist beispielsweise aus der EP 3 056 694 A1 ein Kreisprozess bekannt, der mit Kältemitteln arbeitet und mindestens zwei beheizte Druckbehälter und eine weitere
Wärmequelle als thermische Kondensatpumpe aufweist.
Die DE 101 26 403 A1 beschreibt ein System mit zwei Druckbehältern, wobei jeweils in
einer Kammer oberhalb des Betriebsmediums ein Gas zur Pufferung eingesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung soll die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und eine
Vorrichtung angeben, welche den Einsatz von Energiequellen mit einer niedrigen
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Temperatur, beispielsweise ab 40 °C, zur emissionsfreien und effizienten Erzeugung von mechanischer Energie und in weiterer Folge elektrischer Energie ermöglicht und einen
geringen apparativen Aufwand erfordert.
Weiter soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art gelöst, bei der die Turbine als Scheibenläuferturbine ausgestaltet ist.
Bei einer derartigen Vorrichtung können Betriebsmedien verwendet werden, die einen niedrigen Siedepunkt aufweisen und somit auch Wärme ab ca. 40 °C aufnehmen können, wobei dadurch sehr günstig auch Abwärme oder Solarenergie als Wärmequelle eingesetzt werden können. So kann durch den Einsatz einer Scheibenläuferturbine, die auch als Reibschichtturbine oder Tesla-Turbine bezeichnet wird, eine Kondensation des Betriebsmediums auch in der Turbine selbst erfolgen, wodurch ein separater Kondensator
oder zweiter Druckbehälter entfallen kann.
Die eingesetzte Scheibenläuferturbine weist üblicherweise mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse auf. Ein Strahl des Betriebsmediums, üblicherweise Wasser, wird vorzugsweise parallel zu den Scheiben auf diese Scheiben durch eine Eintrittsöffnung im Gehäuse geleitet. Durch eine Adhäsionskraft werden die Scheiben dann in Rotationsbewegung um die Achse versetzt. Weiter wird der Strahl durch eine Reibung an den Scheiben abgebremst. Seitenwände des Gehäuses lenken den Strahl auf eine Kreisbahn um, wobei die Scheiben weiter angetrieben werden. Dabei wird eine Geschwindigkeit des Strahles reduziert, wodurch der
Strahl abkühlt und eine Kondensation in der Turbine erfolgt. Da durch die Kondensation des Betriebsmediums eine höhere Viskosität entsteht, werden dadurch auch die Scheiben stärker angetrieben. Bei üblichen Turbinen mit Schaufeln
würde eine Kondensation diese Schaufeln stark beschädigen.
Nachdem dabei keine hochbelastbaren Materialien benötigt werden, sind auch die
Produktionskosten niedrig und wird eine hohe Lebensdauer erreicht.
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Die Rückspeiseeinrichtung kann grundsätzlich auf jede aus dem Stand der Technik
bekannte Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Pumpe.
Günstig ist es, wenn die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse aufweist, wobei die Oberflächen der Scheiben mit Mikrostrukturen versehen sind. Dadurch können optimale Eigenschaften einer Oberflächenreibschicht zur
Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung erzielt werden.
Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse und im Gehäuse einen Einlassdüsenstock mit einer Geometrie, die ein Einspritzen des Betriebsmediums zwischen die Scheiben ermöglicht, aufweist. Damit können Störungen der Strömung und entstehende Verluste durch ein Aufprallen auf die
Stirnseiten der Scheiben vermieden werden.
Weiter hat sich günstig erwiesen, wenn die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse und im Gehäuse einen Einlassdüsenstock mit einer Geometrie, die eine Erzeugung eines rotierenden Strahles des Betriebsmediums ermöglicht, aufweist. Dadurch erhält man einen Doppelhelixstrahl, der einen Oberflächenreibschichteffekt
verbessert.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass in die Turbine eine Körperschallmessung zur Identifikation von laminarer und turbulenter Strömung integriert ist. Damit kann der Kreisprozess so gesteuert werden, dass in der Turbine weitestgehend eine laminare Strömung vorliegt und somit Verluste durch Verwirbelungen vermieden werden. Eine Steuerung kann beispielsweise erfolgen, indem ein Durchfluss durch die Turbine mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung, insbesondere mittels eines steuerbaren Ventils,
geändert wird. Zur Steuerung des Kreisprozesses ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Ventil zur
Regelung einer Durchflussmenge vorgesehen ist. Es kann dann mittels einer
Ventilstellung beispielsweise eine Drehzahl der Turbine und/oder eine abgegebene
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elektrische Leistung geregelt werden. Die Durchflussmenge kann beispielsweise derart
geregelt werden, dass eine laminare Strömung in der Turbine aufrechterhalten wird.
Günstig ist es, wenn die Turbine mit einem Generator verbindbar, insbesondere verbunden, ist. Dadurch kann gewonnene mechanische Energie in einfacher Weise in Strom umgewandelt werden, wobei hierzu bisher ungenutzte Abwärme oder
Solarwärmeenergie eingesetzt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Generator in die Turbine integrierbar, insbesondere integriert, ist. Dadurch wird die Anlage kompakter und es können Verbindungsprobleme
zwischen Turbine und Generator vermieden werden.
Als günstig hat sich erwiesen, wenn der Speicher für das Betriebsmedium über einen insbesondere im Inneren des Speichers liegenden Wärmetauscher mit einer Wärmequelle verbindbar ist. Damit kann sehr günstig die Wärme auf das Betriebsmedium übertragen
werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass als Betriebsmedium CO», eingesetzt ist. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur von CO, kann schon bei einem niedrigen Druck die Wärmeenergie beispielsweise aus Abwärme aufgenommen werden. Das CO, verdampft dann beispielweise unter Aufnahme von Wärmeenergie im Speicher, wonach es über die Vorlaufleitung zur Turbine gelangt, in welcher das gasförmige CO, unter Abgabe von mechanischer Energie kondensiert, wonach das flüssige CO, mittels der Rückspeiseeinrichtung in den unter einem höheren Druck als der Turbinenausgang stehenden Speicher transportiert wird, in welche wiederum eine Verdampfung durch
Wärmezufuhr erfolgt. In der Regel liegt das Betriebsmedium zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher in zumindest teilweise flüssiger, vorzugsweise ausschließlich flüssiger, Form
vor, zumal eine Kondensation in der Turbine erfolgen kann.
Es hat sich bewährt, dass die Vorrichtung für einen Druck des Betriebsmediums an der
Turbine von mehr als 74 bar, vorzugsweise mehr als 100 bar. ausgebildet ist, um
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insbesondere einen superkritischen Zustand des Betriebsmediums an der Turbine zu
ermöglichen.
Insbesondere bei Einsatz von CO, als Betriebsmedium kann dann ein superkritischer Zustand bereits bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise 40 °C erreicht werden, wodurch auch bei entsprechend niedrigen Temperaturen anfallende Abwärme genutzt werden kann. Bevorzugt ist die Turbine bzw. die Vorrichtung dann dazu ausgelegt, dass eine Kondensation des Betriebsmediums vom superkritischen Zustand in den
gasförmigen und in den flüssigen Zustand in der Turbine erfolgt.
Günstig ist es, wenn zwischen der Turbine und dem Speicher zumindest ein Ventil vorgesehen ist und die Rückspeiseeinrichtung zur Erzeugung einer zeitlich wechselnden Kraft auf das Betriebsmedium ausgebildet ist, um im Betriebsmedium eine Druckschwingung zu erzeugen. Durch Aufbringung einer Kraft- bzw. Druckschwingung auf das Betriebsmedium zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher kann das Betriebsmedium in eine Schwingung bzw. Oszillation versetzt werden, wobei insbesondere in einem Bereich einer Resonanzfrequenz des Betriebsmediums ein Aufschwingen erfolgt und somit besonders hohe Druckamplituden erreichbar sind. Mit einer derartigen Druckamplitude kann eine Druckdifferenz zwischen dem Speicher und dem Turbinenausgang überwunden werden, sodass das Medium auf besonders effiziente Weise in den Speicher bzw. auf ein höheres Druckniveau gefördert werden kann, und zwar auch dann, wenn das Medium bereits ab dem Turbinenausgang in ausschließlich flüssiger Form vorliegt, also wenn eine vollständige Kondensation in der Turbine erfolgt. Dadurch kann mit der Vorrichtung ein Verfahren mit einem besonders hohen
Wirkungsgrad umgesetzt werden.
Die Rückspeiseeinrichtung kann grundsätzlich auf verschiedenste Weisen ausgebildet sein, beispielsweise als elektromechanische Einrichtung, mit welcher eine Kraft bzw. ein Druck mit definierter Amplitude und Frequenz auf das Betriebsmedium aufbringbar ist, beispielsweise mit einer elektromagnetisch betätigten Membrane oder einem
elektromagnetisch betätigten Kolben.
Bevorzugt ist mit der Rückspeiseeinrichtung eine Kraft auf das Betriebsmedium mit einer
Frequenz von mehr als 1 Hz, insbesondere mehr als 10 Hz, vorzugsweise mehr als
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100 Hz, besonders bevorzugt mehr als 1000 Hz, aufbringbar, um eine Resonanzfrequenz
des Betriebsmediums in der Vorrichtung anregen zu können.
Die Rückspeiseeinrichtung kann auch eine Druckmesseinrichtung aufweisen, mit welcher beispielsweise ein Druck im Betriebsmedium zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher messbar ist, um beispielsweise iterativ eine Frequenz zu bestimmen, bei welcher eine Resonanz des Betriebsmediums vorliegt und gezielt eine Kraftanregung mit dieser Frequenz auf das Betriebsmedium aufzubringen, sodass hohe Druckamplituden mit geringem Aufwand erreichbar sind, um die Druckdifferenz zwischen Speicher und
Turbine auf einfache Weise zu überwinden.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Rückspeiseeinrichtung als ein Resonanzrohrsystem ausgebildet ist. Dadurch kann das Betriebsmedium in einfacher Weise in Oszillation versetzt werden, vorzugsweise in eine Oszillation mit einer Resonanzfrequenz, und damit eine Druckdifferenz zwischen einer Rücklaufleitung der Turbine und einer Vorlaufleitung
zwischen dem Speicher für das Betriebsmedium und der Turbine überwunden werden.
Um ein Zurückströmen des Betriebsmediums vom Speicher zum Turbinenausgang zu vermeiden, ist zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher üblicherweise mindestens ein Ventil vorgesehen, welches nur eine Strömung vom Turbinenausgang zum Speicher zulässt und eine Strömung in entgegengesetzter Richtung verhindert. Ein solches Ventil kann auch als Einwegventil bezeichnet werden. Dieses Ventil kann auch zur Regelung einer Durchflussmenge eingesetzt werden, wenngleich auch ein
gesondertes Ventil oder eine andere Steuereinrichtung hierfür vorgesehen sein kann.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass vor oder nach der Rückspeiseeinrichtung mindestens ein Ventil zur Steuerung der Fließrichtung des Betriebsmediums vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Ventil vorzugsweise als Ventil ohne bewegliche Teile ausgeführt ist. Damit kann eine Langlebigkeit und eine geringe Wartungsanforderung des
Systems unterstützt werden. Besonders bevorzugt wird hierbei ein sogenanntes Teslaventil eingesetzt, welches keine
beweglichen Teile aufweist, wobei eine Ventilwirkung dadurch erreicht wird, dass eine
Durchströmung des Ventils in unterschiedlichen Richtungen einen unterschiedlichen
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Strömungswiderstand aufweist, sodass praktisch nur eine Strömung in einer Richtung
möglich ist.
Eine günstige Variante ist es, wenn die Rückspeiseeinrichtung eine gefederte nicht gedämpfte Masse, beispielsweise einen Kolben oder eine Membrane, aufweist, wobei die Masse auch alternativ gedämpft sein kann. Mit einer derartigen Masse in einem abgeschlossenen Volumen kann günstig die Schwingung angeregt und in Resonanz gebracht werden, wobei eine Amplitude ansteigend verläuft und damit eine Druckdifferenz zwischen einer Rücklaufleitung der Turbine und einer Vorlaufleitung zwischen dem
Speicher für das Betriebsmedium und der Turbine überwunden werden kann.
Üblicherweise werden mit der Rückspeiseeinrichtung im Betriebsmedium Schwingungen bzw. Oszillationen mit einer Frequenz von einigen Hz bis zu 10 kHz erzeugt. Die Schwingungen werden durch zugeführte Energie erzeugt, mit welcher beispielsweise ein
Kolben oder eine Membrane zyklisch angetrieben werden.
Eine vorteilhafte alternative Variante der Vorrichtung besteht darin, dass die Rückspeiseeinrichtung Feldspulen, die ein magnetisches bzw. elektromagnetisches Feld erzeugen, aufweist, wobei sich diese in einem Inneren eines abgeschlossenen Volumens oder außerhalb eines abgeschlossenen Volumens befinden können. Durch diese Feldspulen, die mit elektrischer Energie gespeist werden, lässt sich die Erzeugung von Schwingungen und einer Resonanz sehr gut regeln, insbesondere wenn als Betriebsmedium ein magnetisches Fluid eingesetzt wird. Damit kann eine Druckdifferenz zwischen einer Rücklaufleitung der Turbine und einer Vorlaufleitung zwischen dem
Speicher für das Betriebsmedium und der Turbine günstig überwunden werden.
Das abgeschlossene Volumen, auf welches die Feldspulen wirken, kann beispielsweise ein Abschnitt der Rücklaufleitung bzw. einer Verbindungsleitung zwischen Turbinenausgang und Speicher sein, um dort Schwingungen im Betriebsmedium zu erzeugen. Hierzu kann als Betriebsmedium ein magnetisches Medium eingesetzt werden. Alternativ kann die Schwingung auch mittelbar durch ein magnetisches Medium in das
Betriebsmedium eingeleitet werden.
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Die Feldspulen können somit in einer Rücklaufleitung, welche den Turbinenausgang und den Speicher verbindet, oder außerhalb dieser Rücklaufleitung angeordnet sein, um auf ein in der Rücklaufleitung befindliches Medium zu wirken, welches bevorzugt als magnetisches Medium bzw. magnetisches Fluid ausgebildet ist. Hierzu können dem Betriebsmedium beispielsweise weniger Nanometer große magnetische Partikel
beigemengt sein.
Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten
Art gelöst, wobei in der Turbine eine Kondensation des Betriebsmediums erfolgt.
Damit kann auch eine Kondensationsenergie gewonnen werden, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad auch bei niedrigen Temperaturen erreichbar ist. Üblicherweise wird hierbei eine Scheibenläuferturbine eingesetzt, welche auch als Reibschichtturbine,
Boundary-Layer-Turbine oder Tesla-Turbine bekannt ist.
Mit Vorteil wird als Betriebsmedium CO-, eingesetzt. Damit können auch Wärmequellen
mit sehr niedrigen Temperaturen genutzt werden.
Günstig ist es, wenn das Betriebsmedium, insbesondere CO, die Wärmeenergie unter einem Druck von bis zu 73 bar, vorzugsweise 65 bar bis 73 bar, aufnimmt und dabei verdampft. Ein Druck im Speicher kann somit beispielsweise 72 bar betragen, um unter Verdampfung des Betriebsmediums Wärme bei einer Temperatur von beispielsweise 40 °C aufzunehmen. Am Turbinenausgang ist ein Druck in aller Regel geringer als im Speicher. So kann das Betriebsmedium am Turbinenausgang beispielsweise bei einem
Druck von etwa 64 bar und 20 °C in flüssiger Form vorliegen.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Betriebsmedium einen superkritischen Zustand erreicht, insbesondere bei einem Druck von mehr als 74 bar, vorzugsweise bei einem Druck von mehr als 100 bar, und in der Turbine eine Kondensation vom superkritischen Zustand in einen gasförmigen Zustand und in einen flüssigen Zustand erfolgt. Dies ist insbesondere bei Einsatz von CO, als Betriebsmedium bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen möglich, sodass hier bei niedrigen
Temperaturen anfallende Abwärme genutzt werden kann.
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Auch bei Erreichen eines superkritischen Zustandes ist bevorzugt vorgesehen, dass in der Turbine eine vollständige Kondensation des Betriebsmediums in den flüssigen,
gegebenenfalls auch zumindest teilweise in den festen, Zustand erfolgt.
Wenn in einer Rücklaufleitung Druck und Temperatur gemessen und mit einem Druck und einer Temperatur in einer Vorlaufleitung verglichen werden, wobei eine Durchflussmenge des Betriebsmediums in der Rücklaufleitung durch ein in der Rücklaufleitung angeordnetes Ventil geregelt wird, kann besonders günstig eine sehr gute Lastregelung bei gleichzeitig geringer Komplexität erreicht werden. Hierzu wird üblicherweise die Durchflussmenge mittels eines Ventils geregelt, welches bevorzugt zwischen dem
Turbinenausgang und dem Speicher angeordnet ist.
Günstig ist es, wenn eine Rückführung des Betriebmediums von der Turbine in den Speicher unter Druckerhöhung des Betriebsmediums mittels einer Rückspeiseeinrichtung erfolgt, mit welcher eine zeitlich wechselnde Kraft auf das Betriebsmedium aufgebracht
wird.
Üblicherweise ist in einer Rücklaufleitung zwischen Turbinenausgang und Speicher ein Ventil vorgesehen, sodass bei jeder Druckschwingung, bei welcher eine Amplitude einen Druck im Speicher überschreitet, Betriebsmedium in den Speicher gefördert wird, jedoch
aufgrund des Ventils kein Rückfluss vom Speicher zum Turbinenausgang erfolgt.
Dadurch kann eine Druckdifferenz zwischen Turbine und Speicher auf einfache Weise überwunden werden, sodass ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht wird und auch
eine Nutzung von Abwärme bei einer Temperatur von beispielsweise 40 °C möglich ist.
Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass das Betriebsmedium durch die Rückspeiseeinrichtung in Oszillation versetzt wird, insbesondere in eine Schwingung mit einer Resonanzfrequenz des Betriebsmediums. Damit kann die Druckdifferenz zwischen einer Rücklaufleitung der Turbine und einer Vorlaufleitung zwischen dem Speicher für das Betriebsmedium und der Turbine besonders günstig und einfach überwunden werden. Üblicherweise liegt das Betriebsmedium in einem Bereich der Rückspeiseeinrichtung in ausschließlich flüssiger Form vor, weswegen eine Resonanzfrequenz in der Regel bei
mehr als 1 kHz liegt.
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Um eine günstige Oszillation des Betriebsmediums zu erzeugen sind durch ein Resonanzrohrsystem, eine gefederte und gegebenenfalls gedämpfte Masse oder durch ein magnetisches Fluid gegeben, welches durch ein magnetisches Wechselfeld in Schwingungen versetzt wird. Zur Erzeugung der Schwingungen wird in der Regel Fremdenergie eingesetzt, wobei die Schwingungen natürlich auch mit Energie erzeugt werden können, die mittels der Turbine bzw. eines mit der Turbine verbundenen
Generators erzeugt wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen, auf welche dabei
Bezug genommen wird, zeigen:
Fig.1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig.2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Resonanzrohrsystem;
Fig.3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit gefederter nicht gedämpfter Masse; Fig.4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit gefederter und gedämpfter Masse; Fig.5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Feldspulen innerhalb eines abgeschlossenen Volumens;
Fig.6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Feldspulen außerhalb eines
abgeschlossenen Volumens.
Fig. 1 zeigt ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Kreisprozesses, wobei Wärme in mechanische Energie und weiter in
elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Turbine 2, einem Speicher 3 für das Betriebsmedium, einem Wärmetauscher 4, einer Vorlaufleitung 5 zwischen Speicher 3 und Turbine 2, um ein Betriebsmedium vom Speicher 3 zur Turbine 2 zu fördern, einer Rücklaufleitung 6 nach der Turbine 2, um das Betriebsmedium von einem Turbinenausgang zum Speicher 3 zurück zu fördern, einem Ventil 7 zur Regelung eines
Durchflusses.
Ferner ist ein Drucksensor 8 vorgesehen, mit welchem das Ventil 7 gesteuert werden
kann.
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Um das Betriebsmedium vom Turbinenausgang zum Speicher 3 zu fördern, wobei im Speicher 3 ein höherer Druck als am Turbinenausgang vorherrscht, ist in der
Rücklaufleitung 6 eine Rückspeiseeinrichtung 9 vorgesehen.
Als Betriebsmedium wird bevorzugt CO, eingesetzt, da es einen niedrigen Siedepunkt aufweist. Der kritische Punkt liegt bei 31 °C und 73,9 bar. Ein Phasenübergang zwischen flüssig und gasförmig erfolgt bei CO, bereits bei einem Druck etwa 72 bar bei einer Temperatur von nur 30 °C, wodurch ein Phasenübergang zur Energieaufnahme und abgabe auch bei einer bei niedrigen Temperaturen zugeführten Wärme genutzt werden kann. So kann das Betriebsmedium im Speicher beispielsweise bei einem Druck von
72 bar vorliegen, wobei diesem mittels des Wärmetausches Abwärme bei einer Temperatur von 40 °C zugeführt wird, wobei das Betriebsmedium verdampft, wonach es in der Turbine auf einen Druck von etwa 64 bar entspannt wird, dabei auf Umgebungstemperatur von beispielsweise 20 °C abkühlt und vollständig kondensiert,
wobei über die Turbine Arbeit abgegeben wird.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Betriebsmedium bei einem Druck von mehr als 74 bar, beispielsweise bei etwa 100 bar, im Speicher (3) vorliegt und durch eine Wärmezufuhr einen superkritischen Zustand erreicht, von welchem es in der Turbine (2) vollständig in einen gasförmigen Zustand und gleichzeitig oder anschließend in einen
flüssigen Zustand kondensiert.
Bei entsprechenden Druckverhältnissen in der Vorrichtung (1) kann auch vorgesehen sein, dass in der Turbine ein zumindest teilweiser Phasenübergang des Betriebsmediums in einen festen Zustand beispielsweise bei einer Temperatur von 20 °C erfolgt, sodass sich Trockeneispartikel bilden, welche aufgrund des Einsatzes einer ScheibenläuferTurbine ebenfalls unproblematisch für die Turbine (2) sind. Dadurch kann auch eine bei einer geringen Temperatur von beispielsweise nur 40 °C anfallende Wärme zur
Stromerzeugung genutzt werden.
Es können natürlich auch andere Betriebsmedien wie Kältemittel eingesetzt werden, beispielsweise R744 oder R134a.
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Die Wärme aus einer Wärmequelle 10 wird dem Betriebsmedium über einen im
Speicher 3 angeordneten Wärmetauscher 4 zugeführt. Dabei kann entweder Primärenergie, aber bevorzugt Abwärme beispielsweise aus einem industriellen Prozess mit einer Temperatur von ca. 40 °C eingesetzt werden. Es können aber auch Wärmequellen 10 mit einer niedrigeren Temperatur genutzt werden. Speziell günstig kann
damit auch Solarenergie genutzt werden.
Als Turbine 2 wird eine Scheibenläuferturbine eingesetzt. Diese ist auch unter Reibschichtturbine, Boundary-Layer-Turbine 2 oder Tesla-Turbine 2 bekannt. Diese Scheibenläuferturbine weist mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben auf, welche in einem Gehäuse mit Seitenwänden, einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung angeordnet sind. Ein Strahl des Betriebsmediums, bisher meist Wasser, wird parallel zu den Scheiben auf diese Scheiben durch die Eintrittsöffnung geleitet. Durch eine Adhäsionskraft werden die Scheiben in Bewegung um die Achse versetzt. Durch eine Reibung wird der Strahl abgebremst. Durch die Seitenwände wird der Strahl auf eine Kreisbahn umgelenkt und treibt dabei weiter die Scheiben an. Da nur die Lager der Achse geringe Toleranzen aufweisen müssen und keine hochbelastbaren Materialien benötigt werden, sind auch die Produktionskosten niedrig und es ist eine hohe Lebensdauer zu erwarten. Da durch die Kondensation des Betriebsmediums in der Turbine 2 eine höhere Viskosität entsteht, werden dadurch auch die Scheiben stärker angetrieben. Bei üblichen Turbinen 2 mit Schaufeln würde eine Kondensation diese Schaufeln stark beschädigen. Die Energiegewinnung erfolgt dann in
weiterer Folge durch eine Druckreduktion des Betriebsmediums in der Turbine 2.
Zur Steuerung des Kreisprozesses werden am Turbinenausgang in der Rücklaufleitung 6 Druck und Temperatur gemessen und mit dem Druck und der Temperatur in der Vorlaufleitung 5 verglichen. Sodann kann der Kreisprozess über ein in der Rücklaufleitung 6 angeordnetes Ventil 7 zur Durchflussmengenregelung geregelt werden.
Dadurch ist eine sehr gute Lastregelung bei gleichzeitig geringer Komplexität möglich.
Das Betriebsmedium wird dann nach dem Ventil 7 einer Rückspeiseeinrichtung 9
zugeführt, welche hier als Pumpe ausgebildet ist.
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In den in den Fig. 2 bis Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Rückspeiseeinrichtung 9 dazu ausgebildet, das Betriebsmedium in Schwingungen zu versetzen, um eine Druckdifferenz zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher 3
zu überwinden.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einer als Resonanzrohr 11 ausgebildeten Rückspeiseeinrichtung 9. Hier kann ein eine Fluidsäule des Betriebsmediums in einem Volumen 12 in rohrähnlicher Form hin und her schwingen und dadurch beispielsweise in Eigenresonanz sein und damit in Verbindung mit einem
Ventil die Druckdifferenz zwischen der Rücklaufleitung 6 der Turbine 2 und der Vorlaufleitung 5 zwischen dem Speicher 3 für das Betriebsmedium und der Turbine 2 überwinden. Eine Schwingungsanregung kann beispielsweise durch eine
elektromagnetisch angetriebene Membran erfolgen.
In Fig. 3 Ist eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer gefederten Masse 13 dargestellt. Hier wird mit dieser Masse 13, die eine Membran, beispielsweise auch ein Kolben, sein kann, innerhalb eines abgeschlossenen
Volumens 12, die Schwingungen im Betriebsmedium angeregt und das Betriebsmedium im Volumen in Resonanz gebracht, was entsprechend die Amplitude ansteigend verlaufen lässt. Im Zustand der Resonanz wird nur mehr ein Bruchteil der ursprünglich eingesetzten Anregungsenergie benötigt, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt und einen besonders effizienten Transport des Betriebsmediums in den Speicher 3 gewährleistet. Hier ist das abgeschlossene Volumen 12 als Zylinder dargestellt, in dem die Masse 13 mittels einer Feder 14 schwingen kann. Die Schwingungen werden dabei durch Einsatz
von Fremdenergie beispielsweise elektromechanischer Energie erzeugt.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 1 ähnlich der in Fig. 3 dargestellten. Hier wird jedoch die Masse 13 mittels eines Dämpfers 15 an überhöhten Amplituden, die im System negative Auswirkungen haben könnten, gehindert. Trotzdem kann auch hier eine Druckdifferenz zwischen der Rücklaufleitung 6 der Turbine 2 und der Vorlaufleitung 5 zwischen dem
Speicher 3 für das Betriebsmedium und der Turbine 2 gut überwunden werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Oszillation ist in Fig. 5 dargestellt. Hier wird
die Oszillation mittels eines magnetischen Fluids erzeugt, welches durch Feldspulen 16 in
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Schwingungen versetzt wird, wobei mit den Feldspulen 16 ein elektromagnetisches
Wechselfeld erzeugbar ist.
Zur Steuerung der Fließrichtung des Betriebsmediums ist hier zwischen Ventil 7, welches hier nur zur Durchflussmengenregelung eingesetzt wird, und Rückspeiseeinrichtung 9 ein zusätzliches Einwegventil 17 vorgesehen. Alternativ kann die Fließrichtung in der
Vorrichtung 1 natürlich auch durch ein entsprechend ausgebildetes Ventil 7 sichergestellt
werden, sodass kein zusätzliches Einwegventil 17 erforderlich ist.
Das Einwegventil 17 kann wie das Ventil 7 natürlich auch nach der Rückspeiseeinrichtung 9 bzw. zwischen der Rückspeiseeinrichtung 9 und dem Speicher 3
vorgesehen sein.
Bei der Variante gemäß Fig. 5 sind die Feldspulen 16 innerhalb eines abgeschlossenen
Volumens 12 angeordnet.
Eine ähnliche Variante ist in Fig. 6 dargestellt, wobei hier im Gegensatz zu Fig. 5 die Feldspulen 16 außerhalb des abgeschlossenen Volumens 12, beispielsweise eines Zylinders, angeordnet sind. Nachdem das mit den Feldspulen 16 erzeugte elektromagnetische Feld in das Volumen 12 eindringen kann, ist auch hier eine
Schwingungsanregung des magnetischen Fluids möglich.
Mit der oben beschriebenen Vorrichtung 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bisher ungenutzte Abwärme zu wirtschaftlich günstigen Bedingungen in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei kann beispielsweise industrielle Abwärme im Temperaturbereich von ca. 40 °C bis über 300 °C zur Verstromung eingesetzt werden. Auch kann Solarwärme zur zusätzlichen Stromerzeugung genutzt werden. Durch das grundsätzlich abgeschlossene System kann dieses auch in abgelegenen Gegenden ohne Anschluss an sonstige Energieversorgungsleitungen günstig und vorteilhaft eingesetzt
werden.

Claims (29)

15 20 25 30 15 Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mittels eines Kreisprozesses mit einem Wärmetauscher (4), einem Speicher (3) für ein Betriebsmedium, einer Vorlaufleitung (5), einer Turbine (2) und einer Rücklaufleitung (6) mit mindestens einer Rückspeiseeinrichtung (9), dadurch gekennzeichnet, dass die
Turbine (2) als Scheibenläuferturbine ausgestaltet ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine (2) mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse aufweist, wobei die Oberflächen der
Scheiben mit Mikrostrukturen versehen sind.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine (2) mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse und in dem Gehäuse einen Einlassdüsenstock mit einer Geometrie, die ein Einspritzen des Betriebsmediums
zwischen die Scheiben ermöglicht, aufweist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine (2) mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse und in dem Gehäuse einen Einlassdüsenstock mit einer Geometrie, die eine Erzeugung eines rotierenden Strahles
des Betriebsmediums ermöglicht, aufweist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Turbine (2) eine Körperschallmessung zur Identifikation von laminarer und
turbulenter Strömung integriert ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Ventil (7) zur Regelung einer Durchflussmenge vorgesehen ist.
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7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (3) für das Betriebsmedium über einen Wärmetauscher (4) mit einer
Wärmequelle (10) verbindbar ist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
als Betriebsmedium CO-, eingesetzt ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für einen Druck des Betriebsmediums an der Turbine von mehr als 74 bar, vorzugsweise mehr als 100 bar ausgebildet ist, um insbesondere einen superkritischen
Zustand des Betriebsmediums in der Turbine zu ermöglichen.
10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbine (2) und dem Speicher (3) zumindest ein Ventil (7) vorgesehen ist und die Rückspeiseeinrichtung (9) zur Erzeugung einer zeitlich wechselnden Kraft auf das Betriebsmedium ausgebildet ist, um im Betriebsmedium eine Druckschwingung zu
erzeugen.
11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass die Rückspeiseeinrichtung (9) als Resonanzrohr (11) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückspeiseeinrichtung (9) eine gefederte nicht gedämpfte Masse (13),
beispielsweise einen Kolben oder eine Membrane, aufweist.
13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückspeiseeinrichtung (9) eine gefederte, gedämpfte Masse (13), beispielsweise
einen Kolben oder eine Membrane, aufweist.
14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Rückspeiseeinrichtung (9) Feldspulen (16), die ein magnetisches Feld erzeugen,
aufweist.
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15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Feldspulen (16) in einem Inneren eines abgeschlossenen Volumens (12) angeordnet sind.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Feldspulen (16) außerhalb eines abgeschlossenen Volumens (12) angeordnet sind.
17. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (7) zwischen einem Turbinenausgang und dem Speicher (3) angeordnet ist, welches eine Strömung des Betriebsmediums vom Turbinenausgang zum
Speicher (3) ermöglicht und in entgegengesetzter Richtung verhindert.
18. Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (7) als Ventil (7) ohne bewegliche Teile ausgeführt ist, insbesondere als
Teslaventil.
19. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einem Kreisprozess, insbesondere mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei einem Betriebsmedium in einem Speicher (3) Wärmeenergie zugeführt wird, wobei das Betriebsmedium verdampft und/oder ein Druck im Betriebsmedium erhöht wird, wonach das Betriebsmedium in einer Turbine (2) Energie abgibt, wonach das Betriebsmedium in den Speicher (3) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in
der Turbine (2) eine Kondensation des Betriebsmediums erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsmedium
CO» eingesetzt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmedium die Wärmeenergie unter einem Druck von bis zu 73 bar aufnimmt und
dabei verdampft.
22. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das
Betriebsmedium einen superkritischen Zustand erreicht, insbesondere bei einem Druck
von mehr als 74 bar, vorzugsweise bei einem Druck von mehr als 100 bar, und in der
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Turbine eine Kondensation vom superkritischen Zustand in einen gasförmigen Zustand
und in einen flüssigen Zustand erfolgt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Rücklaufleitung (6) Druck und Temperatur gemessen und mit einem Druck und einer Temperatur in einer Vorlaufleitung (5) verglichen werden, wobei eine Durchflussmenge des Betriebsmediums in der Rücklaufleitung (6) durch ein in der Rücklaufleitung (6)
angeordnetes Ventil (7) geregelt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung des Betriebmediums von der Turbine (2) in den Speicher (3) unter Druckerhöhung des Betriebsmediums mittels einer Rückspeiseeinrichtung (9) erfolgt, mit welcher eine zeitlich wechselnde Kraft auf das Betriebsmedium aufgebracht wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmedium durch die Rückspeiseeinrichtung (9) in Oszillation, insbesondere in
Resonanz, versetzt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillation des
Betriebsmediums durch ein Resonanzrohr (11) erzeugt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillation des
Betriebsmediums durch eine gefederte Masse (13) erzeugt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (13)
gedämpft wird.
29. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmedium
ein magnetisches Fluid aufweist oder durch ein magnetisches Fluid gebildet ist und die
Oszillation durch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird.
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