BE1026296B9

BE1026296B9 - Absorptiesysteem met gesloten cyclus en werkwijze voor het afkoelen en genereren van stroom

Info

Publication number: BE1026296B9
Application number: BE20185328A
Authority: BE
Inventors: Bart Gios
Original assignee: Bart Gios
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2020-02-24
Also published as: EP3797218B1; EP3797218A1; BE1026296A1; BE1026296B1; WO2019224209A1; ES2964110T3; US20210215069A1; BE1026296A9; EP3797218C0

Abstract

De uitvinding beschrijft een werkwijze voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, en/of voor het afkoelen, omvattende de stappen van het ten minste gedeeltelijk verdampen van een werkingsfluïdum, het expanderen van het genoemde verdampte werkingsfluïdum, het absorberen van het genoemde geëxpandeerde werkingsfluïdum in een vloeibaar absorptiemengsel, het ten minste gedeeltelijk extraheren van het absorptiemengsel uit de absorbeerder, het onder druk brengen van het genoemde geëxtraheerde absorptiemengsel, het scheiden van het genoemde onder druk gebrachte absorptiemengsel in een werkingseffluent en een absorptie-effluent, en het brengen van het genoemde werkings- en absorptie-effluent naar respectievelijk de verdamper en absorbeerder. In het bijzonder tijdens de genoemde scheiding wordt het absorptiemengsel onderworpen aan een druk die gelijk is aan of hoger is dan de condensatiedruk van het hoofdzakelijk zuivere werkingsfluïdum, en/of aan een temperatuur die gelijk is aan of lager is dan de condensatietemperatuur van het in hoofdzaak zuivere werkingsfluïdum. De uitvinding beschrijft verder een absorptiesysteem met gesloten cyclus, bij voorkeur geschikt voor het uitvoeren van de werkwijze.

Description

ABSORPTIESYSTEEM MET GESLOTEN CYCLUS EN WERKWIJZE VOOR HET AFKOELEN EN GENEREREN VAN STROOM

TECHNISCH DOMEIN

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op werkwijzen voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, en/of afkoelwerkwijzen, met gebruikmaking van absorptiesystemen met een gesloten cyclus. De onderhavige uitvinding heeft bovendien betrekking op absorptiesystemen met een gesloten cyclus als dusdanig.

STAND DER TECHNIEK

Absorptiesystemen met een gesloten cyclus zijn welbekend in het domein van het genereren en afkoelen van stroom.

WO 2012 128 715 Al beschrijft een absorptiesysteem met gesloten cyclus voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie. Thermische energie is daarbij afkomstig van een warmtebron op lage temperatuur, met een maximumtemperatuur van ongeveer 150°C. Geothermische activiteit, zonne-energie, industrieel afvalwater, en verschillende soorten verbrandingsprocessen worden als geschikte bronnen van warmte op lage temperatuur beschouwd. In een eerste stap van de cyclus wordt een hoeveelheid gasachtig CO2-werkingsfluïdum geëxpandeerd door een turbine, zodat mechanische energie geëxtraheerd kan worden. Vervolgens wordt het werkingsgas chemisch geabsorbeerd door een absorptiefluïdum, gewoonlijk een amine. Het gasabsorberende mengsel wordt dan onder druk gebracht. In een laatste stap van de cyclus wordt het mengsel nogmaals gescheiden in het gasachtige CO2-werkingsfluïdum enerzijds en het vloeibare op amine gebaseerde absorptiefluïdum anderzijds, door verdamping. Daartoe is het systeem voorzien van een verdamper, voor het overbrengen van thermische energie van de warmtebron op lage temperatuur naar het gasabsorberende mengsel.

Typisch voor absorptiesystemen met een gesloten cyclus is dat het werkingsfluïdum een hogere dampdruk heeft dan het absorptiefluïdum. Bijgevolg kan een gasachtige fase met een hogere concentratie aan werkingsfluïdum en een lagere concentratie aan absorptiefluïdum, in vergelijking met het vloeibare mengsel onder druk, worden gescheiden uit het genoemde mengsel, door het verwarmen van het mengsel tot het

BE2018/5328 kookpunt ervan. De gasachtige fase onder druk wordt vervolgens geëxpandeerd door de expansiemachine, bijvoorbeeld voor het genereren van stroom. De verdamper heeft bijgevolg gewoonlijk een op distillatie gebaseerde scheidingsfunctie, naast de verdampingsfunctie ervan.

US 2 291 232 A beschrijft een gelijkaardig absorptiesysteem met gesloten cyclus, met een ammonium werkingsfluïdum en een waterabsorptiefluïdum. Het mengsel van absorptiefluïdum en werkingsfluïdum dat uit de absorbeerder komt, wordt opnieuw onder druk gebracht, en vervolgens gescheiden met behulp van een verdamper.

Na de doorgang ervan door de verdamper wordt het vloeibare mengsel - met een verhoogde concentratie aan absorptiefluïdum en een verlaagde concentratie aan werkingsfluïdum - gewoonlijk opnieuw afgevoerd naar de absorbeerder. Aangezien dit mengsel verwarmd is, voor het verhogen van de dampdruk van het werkingsfluïdum, bevat het echter veel thermische energie. Deze thermische energie gaat verloren aan de cyclus. In de meeste gevallen wordt de absorbeerder voorzien van een warmtewisselaar, voor het afvoeren van deze warmte naar een bepaalde koudebron, samen met extra warmte die is geproduceerd in de absorptiereactie. Door de temperatuur in de absorbeerder te verlagen, wordt de dampdruk van het werkingsfluïdum ook verlaagd, hetgeen leidt tot absorptie van het werkingsfluïdum in het vloeibare mengsel. Een groot nadeel van op distillatie gebaseerde verdampende scheidingstechnieken is dat deze een grote hoeveelheid thermische energie vereisen. Het mengsel van werkingsfluïdum en absorptiefluïdum moet in het bijzonder in zijn geheel verwarmd worden, voor het creëren van een gasachtige fase met een hoge concentratie aan werkingsfluïdum. Bijgevolg wordt warmte niet doeltreffend benut.

Nog een ander nadeel is dat op distillatie gebaseerde verdampende scheidingstechnieken niet noodzakelijk een erg zuiver gasachtig werkingsfluïdum opleveren. Deze zuiverheid is, onder andere, afhankelijk van het verschil in partiële dampdruk van werkingsfluïdum en absorptiefluïdum, en van de concentratie ervan in het vloeibare mengsel, binnen de verdamper. De partiële dampdruk van het werkingsfluïdum daalt in het bijzonder met steeds verminderende werkingsfluïdumconcentraties in het vloeibare mengsel. Hoe minder zuiver het genoemde mengsel in het werkingsfluïdum is, hoe hoger de temperatuur tot waar het genoemde vloeibare mengsel moet worden verwarmd, om gelijkaardige waarden van partiële dampdruk van het werkingsfluïdum te verkrijgen. Dit maakt de cyclus zelfs minder doeltreffend. Een ander nadeel daarvan is dat een kleinere verscheidenheid aan warmtebronnen beschikbaar is; een minimumtemperatuur, namelijk het kookpunt

BE2018/5328 van het bovengenoemde mengsel, is vereist. Een probleem dat daarmee verband houdt, treedt op tijdens het expansieproces: aangezien het absorptiefluïdum een significant lagere partiële dampdruk heeft dan het werkingsfluïdum, zal het absorptiefluïdum eerst condenseren. De vorming van zelfs gematigde hoeveelheden van vloeibaar absorptiefluïdum, tijdens het expansieproces, heeft een erg negatieve impact op de expansie van het werkingsfluïdum, en daarom op de gehele doeltreffendheid van het systeem en de werkwijze. Om deze condensatie te voorkomen, is opnieuw een minimumtemperatuur vereist voor de warmtebron, zodat een kleinere verscheidenheid aan warmtebronnen geschikt is.

Bijgevolg is er in de stand der techniek nood aan systemen met een gesloten cyclus en werkwijzen die het werkingsfluïdum op een meer doeltreffende manier scheiden van het absorptiefluïdum. De onderhavige uitvinding heeft als doel het oplossen van ten minste sommige van de bovengenoemde problemen.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

In een eerste aspect beschrijft de onderhavige uitvinding een werkwijze volgens conclusie 1, voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, en/of het afkoelen, met gebruikmaking van een absorptiesysteem met een gesloten cyclus. In het bijzonder wordt het genoemde absorptiemengsel onder druk gescheiden binnen een scheider, in een werkingseffluent en een absorptie-effluent. Tijdens de genoemde scheiding wordt het absorptiemengsel onderworpen aan een druk die gelijk is aan of hoger is dan de condensatiedruk van het in hoofdzaak zuivere werkingsfluïdum, en/of aan een temperatuur die gelijk is aan of lager is dan de condensatietemperatuur van het in hoofdzaak zuivere werkingsfluïdum.

De uitvinder heeft gevonden dat, wanneer het condensatiepunt van het zuivere werkingsfluïdum wordt bereikt of overschreden, veroorzaakt door het verhogen van de druk van de scheider en/of door het verlagen van de temperatuur van de scheider, het homogene absorptiemengsel een heterogeen mengsel wordt omvattende een absorptiefase en een werkingsfase. In dit laatste mengsel kan de absorptiefase gescheiden worden van de werkingsfase, gebaseerd op fasespecifieke, fysische eigenschappen (bijv. Gebaseerd op een verschil in soortelijk gewicht van de fases). Het is daarbij eenvoudig ten minste een voorafgaande of gedeeltelijke scheiding van het vloeibare absorptiemengsel uit te voeren, waarbij een werkingseffluent wordt gescheiden van het genoemde mengsel, zonder dat het genoemde mengsel moet worden verwarmd.

BE2018/5328

Daarvoor is minder energie nodig dan is het geval voor conventionele, thermische scheidingsprocessen zoals distillatie. Het werkingseffluent wordt verrijkt in het werkingsfluïdum, en het wordt naar de verdamper gebracht. De inhoud van de verdamper heeft dus een hogere concentratie aan werkingsfluïdum dan het geval geweest zou zijn als het rechtstreeks toegevoerd zou zijn met het absorptiemengsel. In de onderhavige werkwijze heeft de verdamper maximum een aanvullende en/of laatste scheidingsfunctie, naast de belangrijke verdampende functie ervan.

Er zijn bovendien verschillende voordelen gerelateerd aan de inhoud van de verdamper met een hoge concentratie aan werkingsfluïdum, zonder dat de inhoud van het absorptiefluïdum moet worden verwarmd. Ten eerste gaat er minder thermische energie verloren voor het genereren van gelijke hoeveelheden van gasachtig werkingsfluïdum. De inhoud van de verdamper heeft nu namelijk een lager kookpunt, zodat het slechts tot een lagere temperatuur moet worden gebracht om te koken. Bijgevolg is de onderhavige uitvinding toepasbaar op een breder gamma aan warmtebronnen, in het bijzonder deze met een lagere temperatuur. Ten tweede gaat er minder thermische energie verloren voor het verwarmen van het absorptiefluïdum in de verdamper, aangezien de inhoud van de verdamper nu een lagere concentratie aan absorptiefluïdum heeft. Ten derde zal enige verdere scheidingsfunctie van de verdamper, indien van toepassing, een zuiverdere gasachtige fase opleveren, met een hogere concentratie aan werkingsfluïdum. Dit is omdat de inhoud van de verdamper op zichzelf reeds een hogere concentratie aan werkingsfluïdum heeft om mee te starten.

In een tweede aspect beschrijft de uitvinding een absorptiesysteem met gesloten cyclus volgens conclusie 10, voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, en/of voor het afkoelen.

BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Figuur 1 geeft een schematische voorstelling van een absorptiesysteem met gesloten cyclus volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Figuur 2 geeft een schematische voorstelling van een absorptiesysteem met gesloten cyclus volgens een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding.

BE2018/5328

Figuur 3 geeft een schematische voorstelling van een absorptiesysteem met gesloten cyclus volgens nog een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, en/of voor het afkoelen, met gebruikmaking van absorptiesystemen met een gesloten cyclus, en een absorptiesysteem met gesloten cyclus als dusdanig.

Tenzij anders gedefinieerd hebben alle termen die zijn gebruikt in de beschrijving van de uitvinding, inclusief technische en wetenschappelijke termen, de betekenis die algemeen wordt begrepen door een vakman in het gebied waarop deze uitvinding betrekking heeft. Verder zijn de definities van de termen opgenomen om de beschrijving van de onderhavige uitvinding beter te begrijpen.

Zoals hier gebruikt, hebben de volgende termen de volgende betekenis:

Een, de en het zoals hier gebruikt, verwijzen zowel naar het enkelvoud als het meervoud, tenzij de context anders aangeeft.

Ongeveer en bij benadering zoals hier gebruikt, dat verwijst naar een meetbare waarde zoals een parameter, een hoeveelheid, een tijdsduur en dergelijke, is bedoeld om variaties te omvatten van +/-20% of minder, bij voorkeur +/-10% of minder, meer bij voorkeur +/-5% of minder, zelfs meer bij voorkeur +/-1% of minder, en nog meer bij voorkeur +/-0,1% of minder van de gespecificeerde waarde, voor zover dergelijke variaties geschikt zijn om uit te voeren in de beschreven uitvinding. Het zal echter duidelijk zij dat de waarde waarop de modificeerder ongeveer betrekking heeft, zelf ook specifiek beschreven wordt.

Omvatten, omvattende en omvat en bestaande uit zoals hier gebruikt, zijn synoniem met bevatten, bevattende of bevat en zijn inclusieve of open termen die de aanwezigheid specificeren van wat volgt bijv, een component en sluiten de aanwezigheid van aanvullende, niet-genoemde componenten, kenmerken, elementen, delen, stappen, die welbekend zijn in de stand der techniek of daarin beschreven zijn, niet uit.

BE2018/5328

Scheiding en verbonden termen, zoals hier gebruikt, verwijzen in het algemeen naar het proces van het scheiden van een volume en/of stroom omvattende een of meerdere componenten van een hoofdvolume en/of -stroom omvattende deze componenten, en ten minste één verdere component. Daarbij wordt het gescheiden volume/de gescheiden stroom verrijkt in de vroegere component(en); d.w.z. de vroegere component/componenten zijn overvloediger aanwezig in het gescheiden volume/de gescheiden stroom dan ze zijn in het hoofdvolume/de hoofdstroom. In een mogelijke uitvoeringsvorm wordt een scheidingsproces gebruikt voor het splitsen van een absorptiemengsel (omvattende een werkingsfluïdum en een absorptiefluïdum) in een werkingseffluent en een absorptie-effluent, waarbij het werkingseffluent verrijkt wordt in het werkingsfluïdum en waarbij het absorptie-effluent verrijkt wordt in het absorptiefluïdum. Een scheider, zoals hier gebruikt, moet worden verstaan als een apparaat of systeem dat is geconfigureerd voor het uitvoeren van een scheidingsproces zoals hierboven is beschreven.

Scheiding door zwaartekracht wordt verder gespecificeerd doordat ten minste één van de aandrijvende krachten de zwaartekracht is. Centrifugale scheiding wordt verder gespecificeerd doordat ten minste één van de aandrijvende krachten de centrifugaalkracht is (geassocieerd met een toepasselijk niet-inertieel, roterende referentieframe). Zowel bij scheiding door zwaartekracht als bij centrifugale scheiding is de scheiding gebaseerd op een verschil in (gemiddeld) soortelijk gewicht van de gescheiden volume(s)/stro(o)m(en).

Het citeren van numerieke bereiken door eindpunten omvat alle getallen en breuken die zijn opgenomen binnen dat bereik, evenals de genoemde eindpunten. In dit document hebben fluïdumconcentratiewaarden steeds betrekking op massafracties of massaconcentraties.

In een eerste aspect beschrijft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, en/of het afkoelen, met gebruikmaking van een absorptiesysteem met een gesloten cyclus, waarbij de genoemde werkwijze de volgende stappen omvat:

- het overbrengen van thermische energie van een warmtebron naar een vloeibaar werkingsmengsel, binnen een verdamper, hetwelk werkingsmengsel ten minste een werkingsfluïdum omvat, en waarbij het genoemde werkingsfluïdum ten minste gedeeltelijk wordt verdampt uit het genoemde werkingsmengsel,

BE2018/5328

- het expanderen van het genoemde verdampte werkingsfluïdum, en het absorberen van het genoemde geëxpandeerde werkingsfluïdum in een vloeibaar absorptiemengsel, binnen een absorbeerder, hetwelk absorptiemengsel ten minste een absorptiefluïdum omvat,

- het ten minste extraheren van het absorptiemengsel uit de absorbeerder, en het onder druk brengen van het genoemde geëxtraheerde absorptiemengsel, en

- het scheiden van het genoemde onder druk gebrachte absorptiemengsel, binnen een scheider, in een werkingseffluent en een absorptie-effluent, waarbij het genoemde werkingseffluent naar de verdamper wordt gebracht, en waarbij het genoemde absorptie-effluent naar de absorbeerder wordt gebracht.

Tijdens de genoemde scheiding wordt het absorptiemengsel in het bijzonder daarbij onderworpen aan een druk die gelijk is aan of hoger is dan het condensatiepunt van het in hoofdzaak zuivere werkingsfluïdum, en/of aan een temperatuur die gelijk is aan of lager is dan de condensatietemperatuur van het in hoofdzaak zuivere werkingsfluïdum.

Voor het uitvoeren van de werkwijze volgens het eerste aspect wordt bij voorkeur een absorptiesysteem met gesloten cyclus voorzien, bijvoorbeeld het absorptiesysteem met gesloten cyclus volgens het tweede aspect van de uitvinding. In elk geval omvat het systeem bij voorkeur ten minste een verdamper, een absorbeerder, een drukinrichting (bijv, een pompinrichting), en een scheider. Wanneer de werkwijze wordt gebruikt voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie omvat het systeem verder bij voorkeur een expansiemachine, waarbij het verdampte werkingsfluïdum geëxpandeerd word door en/of binnen de genoemde expansiemachine, voor het genereren van mechanische energie.

De term absorptiemengsel, zoals hier gebruikt, verwijst naar een mengsel omvattende ten minste het absorptiefluïdum. In de absorbeerder wordt het absorptiemengsel blootgesteld aan het geëxpandeerde werkingsfluïdum, waarbij het deze laatste absorbeert en oplost. Onder de omstandigheden in de absorbeerder (bijv, temperatuur, druk en samenstelling van vloeibare en gasachtige fases) kan het absorptiemengsel bij voorkeur ten minste 10 volumes van het gasachtige werkingsfluïdum per vloeibaar volume van het mengsel oplossen, meer bij voorkeur ten minste 50 volumes, meer bij voorkeur ten minste 100 volumes, en meer bij voorkeur ten minste 200 volumes van het gasachtige werkingsfluïdum. Het absorptiemengsel omvat bij voorkeur zowel het absorptiefluïdum als het werkingsfluïdum. Het draagt de voorkeur dat het absorptiemengsel dat reeds

BE2018/5328 aanwezig is in de absorbeerder, wordt aangevuld met het absorptie-effluent dat afkomstig is van de scheider, zodat de werkwijze kan worden aangeduid als een werkwijze met gesloten cyclus. Het wordt bij voorkeur continu aangevuld met het genoemde absorptie-effluent.

De term werkingsmengsel, zoals hier gebruikt, verwijst naar een mengsel omvattende ten minste het werkingsfluïdum. Het werkingsmengsel omvat bij voorkeur zowel het werkingsfluïdum als het absorptiefluïdum. In een niet-beperkende uitvoeringsvorm van de werkwijze is de concentratie van het absorptiefluïdum in het werkingsfluïdum echter verwaarloosbaar klein, bij voorkeur kleiner dan 1%, zodat het werkingsmengsel bijna het zuivere werkingsfluïdum is (of, waar toepasselijk, de combinatie van zuivere werkingsfluïda). In elk geval heeft het werkingsmengsel een kleinere concentratie aan absorptiefluïdum dan het absorptiemengsel heeft. Het draagt verder de voorkeur dat het werkingsmengsel dat reeds aanwezig is in de verdamper, wordt aangevuld met het werkingseffluent dat afkomstig is van de scheider, zodat de werkwijze kan worden aangeduid als een werkwijze met gesloten cyclus. Het wordt bij voorkeur continu aangevuld met het genoemde werkingseffluent.

In een niet-beperkende uitvoeringsvorm van de uitvinding is het werkingsfluïdum ammonium en is het absorptiefluïdum water. Bij atmosferische druk zal 1 ml water bij 0°C bijvoorbeeld ongeveer 1175 ml ammoniumgas oplossen, en zal 1 ml water, bij 20°C, ongeveer 700 ml ammoniumgas oplossen. Water en oplossingen van ammonium in water met een lage concentratie kunnen dus gebruikt worden als absorptiemengsels, in de absorbeerder. Terwijl ammonium in bepaalde mate reageert met water voor het vormen van ammoniumhydroxide, zal het bij omgevingstemperatuur verdampen uit water en kan het verdreven worden uit de oplossing bij verwarming. Bijgevolg kunnen ammonium en oplossingen van ammonium in water met een hoge concentratie gebruikt worden als werkingsmengsels, in de verdamper. Eender welk absorptiefluïdum dat welbekend is in de stand der techniek, en enig werkingsfluïdum kan echter gebruikt worden in de onderhavige uitvinding. Als alternatief kan meer dan één absorptiefluïdum en/of meer dan één werkingsfluïdum gebruikt worden, evenals mengsels daarvan. Waar van toepassing verwijzen de termen absorptiefluïdum en werkingsfluïdum dus respectievelijk naar combinaties van absorptiefluïda en naar combinaties van werkingsfluïda.

BE2018/5328

Het systeem is een systeem met gesloten cyclus, het geen betekent dat het absorptiefluïdum en het werkingsfluïdum binnen de machine en leidingen van het systeem worden gehouden, waarbij er geen opzettelijke openingen in de omgeving ervan zijn. Het gebruik van het woord cyclus hier is om te impliceren dat de absorptie- en werkingsfluïda worden gebruikt door het systeem, gescheiden en vervolgens hergebruikt of gerecycleerd. Zodra de absorptie- en werkingsfluïda in het systeem geladen zijn, moeten ze bij normale werking dus niet bijgevuld worden, maar worden ze telkens opnieuw gebruikt. Er wordt bij voorkeur een leidingsysteem voorzien voor het leiden van het bovengenoemde werkingsfluïdum, werkingsmengsel, werkingseffluent, absorptiefluïdum, absorptiemengsel en/of absorptie-effluent door het systeem. Er worden bij voorkeur een of meerdere warmtewisselaars voorzien voor het installeren van de optimale temperaturen in de verschillende componenten van het systeem, door het uitwisselen van warmte met elkaar, en/of met externe warmteen/of koudebronnen.

In één uitvoeringsvorm wordt de bovengenoemde werkwijze gebruikt voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, door middel van een gasachtig werkingsfluïdum dat expandeert van een hogedrukzijde naar een lagedrukzijde, door een expansiemachine. Aan de hogedrukzijde produceert de verdamper een stroom gasachtig werkingsfluïdum. Daartoe wordt warmte geëxtraheerd uit de warmtebron, bijvoorbeeld via een warmtewisselaar die is gekoppeld met of is opgenomen in de verdamper. Deze warmte wordt dan geleverd aan het werkingsfluïdum, hetgeen ervoor zorgt dat het werkingsfluïdum ten minste gedeeltelijk verdampt uit het genoemde mengsel. De verdamper produceert bij voorkeur een continue stroom van gasachtig werkingsfluïdum.

In een alternatieve of verdere uitvoeringsvorm wordt de onderhavige werkwijze gebruikt voor het afkoelen. Warmte wordt dan geëxtraheerd uit een of meerdere koude warmtebronnen. Warmte kan dan worden geëxtraheerd uit een of meerdere koudebronnen, aan de zijde van de verdamper. Als alternatief of aanvulling daarop kan warmte geëxtraheerd worden uit een of meerdere koude warmtebronnen bij en/of na expansie van het werkingsfluïdum. De genoemde expansie kan een adiabatische expansie zijn. Vervolgens wordt de genoemde warmte dan overgebracht naar een of 5 meerdere warmtebronnen, aan de zijde van de absorbeerder. Warmte wordt dus gepompt uit de genoemde koudebronnen naar de genoemde warmtebronnen, waarbij

BE2018/5328 de genoemde koudebronnen verder afgekoeld worden. In een mogelijke uitvoeringsvorm vindt een in hoofdzaak vrije verdamping en expansie van werkingsfluïdum plaats, binnen de verdamper. De onderhavige uitvinding is bij voorkeur ten minste geschikt voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, en/of voor het afkoelen. Doorheen dit document, zoals duidelijk zal zijn voor de vakman, moet afkoelen beschouwd worden als een equivalent voor warmte pompen.

Wanneer het systeem/de werkwijze als een afkoelsysteem/-werkwijze wordt gebruikt, is de druk in de verdamper bij voorkeur relatief laag. Wanneer ammonium als werkingsfluïdum wordt gebruikt, liggen dergelijke relatief lage drukken bij voorkeur tussen 0,5 en 15 bar, meer bij voorkeur lager dan 10 bar, meer bij voorkeur lager dan ongeveer 7,2 bar, d.w.z. het kookpunt van ammonium bij 15°C, en meer bij voorkeur lager dan 5 bar, bijvoorbeeld ongeveer 0,5 bar, ongeveer 1,0 bar, ongeveer 1,5 bar, ongeveer 2,0 bar, ongeveer 2,5 bar, ongeveer 3,0 bar, ongeveer 3,5 bar, ongeveer 4,0 bar, ongeveer 4,5 bar, ongeveer 5,0 bar, of enige waarde daartussen. Wanneer koolstofdioxide als werkingsfluïdum wordt gebruikt, liggen dergelijke relatief lage drukken tussen 1 bar en 70 bar, bij voorkeur lager dan 60 bar, bij voorkeur lager dan ongeveer 50 bar, d.w.z. het kookpunt van koolstofdioxide bij 15°C, en meer bij voorkeur lager dan 40 bar. Deze drukwaarden laten gemakkelijk toe warmte te extraheren uit sommige koude bronnen, aan de verdamper. Zoals duidelijk zal zijn voor de vakman is de druk daarbij bij voorkeur lager dan de kookpuntdruk bij omgevingstemperatuur.

Wanneer het systeem/de werkwijze als een stroomgeneratiesysteem/-werkwijze wordt gebruikt, is de druk in de verdamper bij voorkeur relatief hoog. Dergelijke relatief hoge drukken liggen bij voorkeur tussen 1 en 110 bar, meer bij voorkeur hoger dan 2 bar, meer bij voorkeur hoger dan 40 bar, en meer bij voorkeur hoger dan 5 bar, bijvoorbeeld ongeveer 5 bar, 10 bar, 15 bar, 20 bar, 25 bar, 30 bar, 35 bar, 70 bar, 110 bar, of enige waarde daartussen. De meest geschikte drukwaarde is afhankelijk van de temperatuur van de beschikbare warmtebron. De expansiemachine kan dan aanzienlijke hoeveelheden mechanische energie uit het expanderende werkingsfluïdum recupereren. Deze mechanische energie kan bijvoorbeeld gebruikt worden bij de vorming van elektrische energie, waar de expansiemachine een generatiemechanisme van elektrische energie aandrijft zoals een generator of een alternator.

BE2018/5328

Een gesloten cyclus bij lage druk en bij hoge druk kunnen thermisch gekoppeld worden. De absorbeerder van de cyclus bij lage druk kan gekoppeld worden met de verdamper van de cyclus bij hoge druk die mechanische energie kan genereren in de cyclus bij hoge druk, te beginnen bij een warmtebron met lage temperatuur die is gekoppeld met de verdamper van de cyclus bij lage druk.

Het geëxpandeerde gasachtige werkingsfluïdum gaat vervolgens naar de absorbeerder, aan de lagedrukzijde van het systeem, waarbij het in het absorptiemengsel wordt geabsorbeerd zoals hierboven is beschreven. Het werkingsfluïdum, het absorptiefluïdum en de omstandigheden (bijv. Temperatuur, druk, samenstelling van vloeibare en gasachtige fases) in de absorbeerder zijn bij voorkeur zodanig dat de absorptie van het gasachtige werkingsfluïdum in het absorptiemengsel een erg spontaan proces is. Bijgevolg, in geval de werkwijze wordt gebruikt voor het genereren van mechanische energie, wordt een significante drukverlaging gecreëerd stroomafwaarts van de expansiemachine. Op voordelige wijze wordt de drukdaling over de expansiemachine verhoogd, en kan een grotere hoeveelheid mechanische of elektrische energie gerecupereerd worden uit de expansie. Geschikte expansiemachines zijn welbekend in de stand der techniek. Ze kunnen een of meerdere gasturbines en/of een of meerdere gascilinders omvatten. Als alternatief kan enig ander geschikt type expansiemachine of machine met positieve verplaatsing worden gebruikt. Optioneel worden er warmtewisselaars voorzien voor het uitwisselen van warmte tussen de een of meerdere expansiemachine, voor het optimaliseren van de werkingsomstandigheden.

Het werkingsfluïdum van het systeem met gesloten cyclus wordt in het algemeen teruggebracht van de lagedrukzijde naar de hogedrukzijde, nadat het is geëxpandeerd en is geabsorbeerd. Daartoe sluit het werkingsfluïdum de cyclus ervan. Daartoe omvat het systeem bij voorkeur ten minste één inrichting voor het onder druk brengen van fluïdummedia, d.w.z. de pompinrichting. Typisch voor systemen met een gesloten cyclus is echter dat deze stap een significant hoeveelheid mechanische energie vereist (bijvoorbeeld een groot deel van de mechanische energie die werd gerecupereerd tijdens de expansie van het werkingsfluïdum door de expansiemachine, waar toepasselijk). De hoeveelheid mechanische energie die vereist is voor het onder druk brengen van een medium is in het algemeen afhankelijk van de samendrukbaarheid van het genoemde medium. Een kleinere hoeveelheid mechanische energie is vereist, met telkens afnemende samendrukbaarheidswaarden.

BE2018/5328

In het specifiekere geval van een absorptiesysteem met gesloten cyclus wordt het werkingsfluïdum tijdelijk geabsorbeerd of opgelost in een vloeibare fase, namelijk in het vloeibare absorptiemengsel. Dit vloeibare absorptiemengsel wordt vervolgens onder druk gebracht, waarna het gasachtige werkingsfluïdum daaruit geëxtraheerd wordt, aan de hogedrukzijde. Dit laatste gebeurt gewoonlijk via op distillatie gebaseerde verdampende scheidingstechnieken. Een voordeel van het onder druk brengen van het vloeibare absorptiemengsel, eerder dan het rechtstreeks onder druk brengen van het gasachtige werkingsfluïdum is dat er veel minder mechanische/elektrische energie nodig is. Het vloeibare absorptiemengsel heeft namelijk een veel lagere samendrukbaarheid dan het gasachtige werkingsfluïdum.

In de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding wordt het absorptiemengsel, tijdens de scheiding, onderworpen aan een druk bij of hoger dan de condensatiedruk van het hoofdzakelijk zuivere werkingsfluïdum. Dat wil zeggen, de druk van de scheider is gelijk aan of hoger dan de condensatiedruk van het hoofdzakelijk zuivere werkingsfluïdum, wanneer de temperatuur van deze laatste gelijk genomen wordt met de temperatuur van de scheider. Als alternatief of op gelijkaardige wijze is de temperatuur druk van de scheider is gelijk aan of lager dan de condensatietemperatuur van het hoofdzakelijk zuivere werkingsfluïdum, wanneer de druk van deze laatste gelijk genomen wordt met de druk van de scheider. Beide zijn in feite equivalent. De temperatuur van de scheider en de druk van de scheider moeten respectievelijk begrepen worden als zijnde de temperatuur en de druk van het absorptiemengsel, bij scheiding, dus ten minste op de plaats waar het gescheiden is. Tijdens verwijst hier in ruime zijn naar ten minste eenmaal tijdens. Tijdens kan, meer in het bijzonder, in een niet-limitatieve uitvoeringsvorm begrepen worden als doorheen. In uitvoeringsvormen waar twee of meerdere werkingsfluïda gecombineerd worden, hebben de bovenstaande scheidingsomstandigheden betrekking op het condensatiepunt van de genoemde werkingsfluïda gecombineerd (die daarbij gezien worden als het zuivere werkingsfluïdum).

De scheidingsomstandigheid die gelijk is aan of hoger zijn dan de condensatiedruk van het zuivere werkingsfluïdum (of, als alternatief, gelijk aan of lager dan de condensatietemperatuur van het zuivere werkingsfluïdum) heeft als gevolg dat het absorptiemengsel dat gescheiden wordt, in hoofdzaak in een of meerdere, gecondenseerde (vloeibare en/of vaste) fases blijft. Daarbij wordt aangenomen dat de dampdruk van het zuivere werkingsfluïdum ver boven dat van het zuivere absorptiefluïdum ligt, zoals gewoonlijk het geval is in absorptiecycli. In een niet

BE2018/5328 limitatieve uitvoeringsvorm kan een pompinrichting zoals een pompinrichting of een hydrostatische kolom gebruikt worden voor het verkrijgen van de bovengenoemde scheidingsomstandigheden bij hoge druk. In een hydrostatische kolom zal de hydrostatische druk dus gewoonlijk ten minste plaatselijk stijgen boven de condensatiedruk van het hoofdzakelijk zuivere werkingsfluïdum. Het homogene mengsel zal daarbij enkel lokaal transformeren in een heterogeen mengsel van werkingseffluent en absorptie-effluent.

De onderhavige uitvinding biedt dus een vloeistof-vaste stof-scheidingsproces, voor het uitvoeren van ten minste een voorlopige en/of gedeeltelijke scheiding van het vloeibare absorptiemengsel. In dit proces wordt het vloeibare absorptiemengsel gescheiden in een vloeibaar absorptie-effluent en een vloeibaar werkingseffluent. Het vloeibare werkingseffluent wordt verrijkt in het werkingsfluïdum, en wordt toegevoegd aan het werkingsmengsel dat reeds aanwezig is in de verdamper. Bijgevolg zal de inhoud van de verdamper een hogere concentratie aan werkingsfluïdum hebben, vergeleken met werkwijzen/systemen met een gesloten cyclus die enkel op distillatie gebaseerde, verdampende scheidingstechnieken gebruiken, en waarbij het absorptiemengsel zelf rechtstreeks gebracht wordt naar de verdamper voor scheiding. In de onderhavige werkwijze heeft de verdamper maximum een aanvullende en/of laatste scheidingsfunctie, naast de belangrijke verdampende functie ervan.

Een voordeel is dat er minder thermische energie verloren gaat voor het genereren van gelijke hoeveelheden gasachtig werkingsfluïdum, vergeleken met werkwijzen/systemen volgens de stand der techniek, waar het gasachtige werkingsfluïdum rechtstreeks uit het kokende absorptiemengsel wordt gehaald, door middel van distillatie in de verdamper. Ten eerste heeft de inhoud van de verdamper nu een hogere totale dampdruk bij gelijke temperaturen. Dit is omdat de concentratie van het werkingsfluïdum ervan hoger is dan die van het absorptiemengsel, waarbij wordt aangenomen dat de dampdruk van het zuivere werkingsfluïdum veel hoger is dan dat van het zuivere absorptiefluïdum. Daarnaast gaat er minder thermische energie verloren voor het verwarmen van het absorptiefluïdum in de verdamper, aangezien de inhoud van de verdamper nu een lagere concentratie aan absorptiefluïdum heeft. Op voordelige wijze zal thermische energie die afkomstig is van bovengenoemde warmtebron op een meer doeltreffende wijze gebruikt worden.

Een ander voordeel is dat enige verdere/uiteindelijke scheidingsfunctie van de verdamper, indien van toepassing, een zuiverdere gasachtige fase zal opleveren, met

BE2018/5328 hogere concentraties aan werkingsfluïdum. Dit is omdat de inhoud van de verdamper, dus het werkingsmengsel, een hogere concentratie aan werkingsfluïdum heeft om mee te starten, en is een gekende eigenschap van op distillatie gebaseerde scheidingsprocessen.

Aangezien de inhoud van de verdamper nu een hogere totale dampdruk heeft, is de onderhavige werkwijze van toepassing op een breder gamma warmtebronnen, in het bijzonder deze met een lagere temperatuur. De warmtebron is bij voorkeur een warmtebron op lage temperatuur, zodat het thermische energie op lage temperatuur biedt. Geothermische activiteit, zonne-energie, industrieel afvalwater en verschillende soorten verbrandingsprocessen worden als geschikte bronnen van warmte op lage temperatuur beschouwd. Gezien de risico's die geassocieerd worden met hoge uitstoten van broeikasgassen en klimaatverandering is er duidelijk nood aan het ruimer gebruik van dergelijke hernieuwbare en afvalenergiebronnen. Enige andere geschikte warmtebronnen kunnen echter ook worden gebruikt.

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm omvat het absorptiemengsel, tijdens de genoemde scheiding, een werkingsfase en een absorptiefase. Het absorptiemengsel omvat daarbij een heterogeen mengsel van twee of meerdere, gecondenseerde (d.w.z. Vloeibare en/of vaste) fases. Ten minste één van deze fases is een werkingsfase, en ten minste één van deze fases is een absorptiefase. De werkingsfase is bij voorkeur verrijkt in het werkingsfluïdum, hetgeen betekent dat het een hogere concentratie aan werkingsfluïdum heeft dan de absorptiefase heeft. De absorptiefase is bij voorkeur verrijkt in het absorptiefluïdum, hetgeen betekent dat het een hogere concentratie aan absorptiefluïdum heeft dan de werkingsfase heeft. Dit laat een scheidingsproces toe dat fasespecifiek is, voor het uitvoeren van ten minste een voorlopige en/of gedeeltelijke scheiding van het vloeibare absorptiemengsel.

In een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm zijn de werkingsfase en absorptiefase vloeibare fases. De uitvinding is echter in geen geval beperkt tot deze gevallen. De uitvinder heeft gevonden dat, wanneer het condensatiepunt van het zuivere werkingsfluïdum wordt bereikt/overschreden, veroorzaakt door het verhogen van de druk van de scheider en/of door het verlagen van de temperatuur van de scheider, het homogene absorptiemengsel een heterogeen mengsel wordt omvattende een absorptiefase en een werkingsfase. In dit laatste mengsel kan de absorptiefase gescheiden worden van de werkingsfase, gebaseerd op fasespecifieke, fysische eigenschappen van deze fasen, bijvoorbeeld gebaseerd op een verschil in soortelijk

BE2018/5328 gewicht I dichtheid van de fases). Daartoe moet de scheider bestand kunnen zijn tegen een hydrostatische druk (van het absorptiemengsel) van ten minste de condensatiedruk van het zuivere werkingsfluïdum, bij de relevante temperatuur van de scheider.

In mogelijke uitvoeringsvormen wordt het soortelijk gewicht van ten minste één van de fases veranderd door middel van een opgeloste stof; bijv, de dichtheid van water kan verhoogd worden door het toevoegen van zouten zoals natriumchloride.

In een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm wordt het genoemde absorptiemengsel gescheiden met behulp van centrifugale scheiding en/of scheiding door de zwaartekracht, gebaseerd op een verschil in soortelijk gewicht van de bovengenoemde fases. Het grootste deel van de werkingsfase wordt daarbij gecombineerd tot het werkingseffluent, en/of het grootste deel van de absorptiefase wordt daarbij gecombineerd tot het absorptie-effluent. Een significant verschil in soortelijk gewicht tussen de werkingsfase en de absorptiefase laat de scheiding van het absorptiemengsel toe met behulp van een eenvoudige scheider door de zwaartekracht (bijv, een decanteerder). Als alternatief kan een scheider aangedreven door centrifugale kracht worden gebruikt. De uitvinding is echter in geen geval beperkt tot decanteerders of schelders aangedreven door centrifugale kracht; de vakman kan een scheidingsmechanisme selecteren volgens de specifieke behoeften, in het bijzonder met betrekking tot het type werkings- en absorptiefluïdum dat is gebruikt. Dit laatste scheidingsmechanisme is bij voorkeur gebaseerd op een verschil in soortelijk gewicht van één fase vergeleken met de andere(n).

Volgens een andere of alternatieve uitvoeringsvorm van de werkwijze heeft het werkingsmengsel een concentratie aan werkingsfluïdum van meer dan ongeveer 40%. Hoe hoger de concentratie aan werkingsfluïdum in het werkingsmengsel, hoe meer uitgesproken de bovengenoemde voordelen zullen zijn. De genoemde concentratie aan werkingsfluïdum is bij voorkeur hoger dan ongeveer 50%, meer bij voorkeur hoger dan ongeveer 60%, meer bij voorkeur hoger dan ongeveer 70%, meer bij voorkeur hoger dan ongeveer 80%, meer bij voorkeur hoger dan ongeveer 90%, meer bij voorkeur hoger dan ongeveer 95%, en meer bij voorkeur hoger dan ongeveer 99%. Voor dergelijke hoge concentraties aan werkingsfluïdum in het werkingsmengsel gedraagt het werkingsmengsel zich bijna als een zuiver werkingsfluïdum. De verdamper heeft dan hoofdzakelijk een verdampende functie, namelijk de functie van het omzetten van het genoemde bijna zuivere werkingsfluïdum in vloeibare fase in een

BE2018/5328 bijna zuiver werkingsfluïdum in gasachtige fase, aan de hogedrukzijde. De aanvullende/uiteindelijke scheidingsfunctie van de verdamper is dan eerder beperkt.

In uitvoeringsvormen waar de druk van de scheider hoger is dan de druk die vereist is door de werkingsomstandigheden voor de verdamper kan een drukreductieklep worden gebruikt. In uitvoeringsvormen waar de ideale druk van de scheider lager is dan de druk bij de meest ideale werkingsomstandigheden voor de scheider kan een aanvullende pompinrichting (bij. een pompinrichting) gebruikt worden.

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm omvat het absorptiefluïdum water, waarbij het genoemde werkingsfluïdum ammonium omvat. Andere werkingsfluïda en andere absorptiefluïda met een hoog vermogen tot absorptie van de genoemde werkingsfluïda kunnen als alternatief gekozen worden. Ammonium en water dragen echter de voorkeur aangezien ze beide relatief goedkoop zijn en, wat erg belangrijk is, ammonium en water hebben een grotere affiniteit voor elkaar, zoals hierboven is geïllustreerd. Terwijl ammonium in bepaalde mate reageert met water voor het vormen van ammoniumhydroxide, zal het verdampen uit water bij omgevingstemperaturen en kan het uit de oplossing gedreven worden bij verwarming, terwijl andere werkingsfluïda die ook gemakkelijk oplosbaar zijn in water, hetzij moeilijk kunnen worden geschieden van water, hetzij zelfs corrosiever zijn, hetzij als gasachtig werkingsfluïdum hetzij als een oplossing in water, dan ammonium is. Andere geschikte absorptiefluïda omvatten alcoholen, zoals ethanol en zuren zoals azijnzuur, en mengsels daarvan met zichzelf en water. In het algemeen worden werkings- en absorptiefluïda geselecteerd om ten minste ongeveer 200 volumes gasachtig werkingsfluïdum te laten oplossen in één volume van het vloeibare absorptiemengsel (bevattende het werkingsfluïdum en het absorptiefluïdum), onder de omstandigheden die heersen in de absorbeerder.

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm omvat het absorptiefluïdum water, waarbij het werkingsfluïdum koolstofdioxide omvat. Volgens een andere of alternatieve uitvoeringsvorm is het absorptiefluïdum hoofdzakelijk water.

Volgens een andere of alternatieve uitvoeringsvorm wordt het bovengenoemde werkingsmengsel gedeeltelijk overgebracht van de verdamper naar de absorbeerder, en/of de scheider. Meer bij voorkeur wordt een kleine hoeveelheid van de inhoud van de verdamper in vloeibare fase continu teruggepompt van de verdamper naar de influentsectie van de verdamper. Dit zal voorkomen dat het absorptiefluïdum in de

BE2018/5328 verdamper geaccumuleerd wordt. Aangezien het absorptiefluïdum een hoger kookpunt heeft dan het werkingsfluïdum, zal het namelijk hoofdzakelijk in de vloeibare fase blijven. Daarom kunnen kleine hoeveelheden absorptiefluïda opgebouwd worden tot dominante concentraties.

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm van de werkwijze wordt er een warmtewisselaar voorzien voor het verder verwarmen van het genoemde verdampte werkingsfluïdum. Dit kan gebeuren door gebruikmaking van warmte die afkomstig is van de bovenstaande of andere warmtebronnen, en via de bovenstaande of via andere warmtewisselaars. Een voordeel is dat het verwarmde werkingsfluïdum een grotere hoeveelheid mechanische energie kan vrijmaken bij expansie door de genoemde expansiemachine.

In een tweede aspect beschrijft de uitvinding een absorptiesysteem met gesloten cyclus voor het omzetten van thermische energie in mechanische energie, en/of het koelen, waarbij het genoemde systeem een verdamper, een absorbeerder, een scheider, en een drukinrichting omvat, dewelke pompinrichting in werking verbonden is met zowel de absorbeerder als de scheider. In het bijzonder is de genoemde pompinrichting geconfigureerd voor het onder druk brengen van een absorptiemengsel, omvattende een werkingsfluïdum en een absorptiefluïdum, uit de absorbeerder naar de scheider, en tot een gemiddelde druk die gelijk is aan of hoger is dan het condensatiepunt van het hoofdzakelijk zuivere werkingsfluïdum.

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm van het systeem is het genoemde systeem geconfigureerd voor het uitvoeren van de werkwijze zoals hierboven beschreven. Alle bovengenoemde voordelen kunnen in dit verband herhaald worden. Wanneer het systeem is geconfigureerd voor het genereren van mechanische energie, omvat het verder bij voorkeur een expansiemachine, voor het genereren van mechanische energie door expansie van het verdampte/verdampende werkingsfluïdum.

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm is de genoemde scheider een scheider door zwaartekracht en/of centrifugale scheider, die de bovengenoemde voordelen heeft.

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm van de werkwijze omvat het systeem een warmtewisselaar, voor het verder verwarmen van het verdampte

BE2018/5328 werkingsfluïdum. Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm wordt de genoemde warmtewisselaar opgenomen in een expansiemachine van het systeem. Deze warmtewisselaar levert bij voorkeur warmte aan de expansiemachine, dewelke warmte afkomstig is van externe warmtebronnen en/of van andere componenten van het systeem. Een voordeel is dat de expansiemachine, tijdens een verwarmde, isothermische expansie van het werkingsfluïdum, meer mechanische energie kan leveren, vergeleken met een adiabatische expansie.

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm van de werkwijze is de genoemde verdamper rechtstreeks opgenomen in de genoemde expansiemachine. In geval de concentratie van het absorptiefluïdum in het werkingsmengsel voldoende laag is, heeft de verdamper slechts een beperkte aanvullende/uiteindelijke scheidingsfunctie, of zelfs helemaal geen. De expansiemachine wordt bij voorkeur dus voorzien van een verdamper omvattende een of meerdere warmtewisselaars, dewelke warmtewisselaars een voldoende hoge hoeveelheid warmte leveren voor het omzetten van het vloeibare werkingsfluïdum in gasachtig werkingsfluïdum, binnen de expansiemachine - bijgevolg bij het expanderen. Tegelijkertijd en/of onmiddellijk daarna wordt de genoemde expansie-energie omgezet in bruikbare mechanische energie, en geëxtraheerd uit het systeem.

De absorptie van ammonium in water is een exotherm proces dat op een erg reactieve manier plaatsvindt. Daarom zal het absorptieproces ervoor zorgen dat de temperatuur van het absorptiemengsel stijgt. Deze temperatuur moet onder het kookpunt van het absorptiemengsel blijven; indien dat niet het geval is, zal het absorptieproces niet langer plaatsvinden. Voor een lagere concentratie aan werkingsfluïdum binnen het absorptiemengsel zal het kookpunt van dit laatste mengsel bij voorkeur hoger zijn.

De absorbeerder kan ontworpen zijn als een warmtewisselaar, waarbij in een eerste compartiment,, het absorptiemengsel in vloeibare fase en het werkingsfluïdum in gasfase kunnen interageren met elkaar, en waarbij in een tweede compartiment met tegenstroom, een koelfluïdum stroomt in thermische interactie met het eerste compartiment. Op deze manier wordt het absorptiemengsel aan het uitlaatpunt maximaal afgekoeld door het koelfluïdum en kan het absorptiemengsel aan de uitlaat een zo hoog mogelijke hoeveelheid werkingsfluïdum bevatten. De absorptie-efficiëntie van de absorbeerder wordt daarbij gemaximaliseerd. Verder wordt het koelfluïdum dat uit de absorbeerder komt, verwarmd tot bijna het kookpunt van het absorptiefluïdum dat in de absorbeerder komt. Hoe zuiverder het absorptiefluïdum dat in de

BE2018/5328 absorbeerder komt, hoe hoger het kookpunt ervan en hoe hoger de temperatuur van het koelfluïdum dat uit de absorbeerder komt.

Bij een druk van 1 bar bedraagt het kookpunt van een bijna 100% H2O absorptiemengsel ongeveer 100°C. Het kookpunt van een 10% NH3 waterige oplossing bedraagt ongeveer 68°C. Het kookpunt van een 20% NH3 waterige oplossing bedraagt ongeveer 47°C. Het kookpunt van een 30% NH3 waterige oplossing bedraagt ongeveer 27°C. Het kookpunt van een 40% NH3 waterige oplossing bedraagt ongeveer 10°C. Het kookpunt van een 50% NH3 waterige oplossing bedraagt ongeveer -5°C. In het bijzonder in het geval enkel warmtebronnen bij omgevingstemperatuur aanwezig zijn, kan de algemene mechanische vermogensuitgang van het systeem worden verhoogd door de bovengenoemde warmte te gebruiken die wordt gegenereerd tijdens het absorptieproces voor het verwarmen van de expansiemachine - een zogenaamde verwarmde motor. Daartoe kan een geschikte warmtewisselaar opgenomen zijn in de expansiemachine.

Hoe hoger de temperatuur van het werkingsfluïdum dat uit de verwarmde motor komt, hoe hoger de hoeveelheid mechanische energie die het werkingsfluïdum genereert tijdens het expansieproces in de motor.

Omdat het werkingsfluïdum afkoelt tijdens het expansieproces in de motor, kan de totale mechanische vermogensuitgang van de motor verhoogd worden door het gebruik van een verwarmde positieve verplaatsingsmotor van het roterende type waarbij het werkingsfluïdum en het verwarmingsfluïdum in tegenstroom stromen tijdens het verwarmde expansieproces in de motor. Het werkingsfluïdum bereikt daarbij een maximumtemperatuur tegen het einde van het expansieproces.

In een mogelijke configuratie zijn de absorbeerder, verdamper en (verwarmde) expansiemachine thermisch gekoppeld. Optioneel zijn ze rechtstreeks gekoppeld, waardoor rechtstreekse thermische geleiding mogelijk is, zonder verdere warmteuitwisseling van fluïdum en conventionele warmtewisselaars. Het gebruik van een tussenliggend warmte-uitwisselingsfluïdum creëert een temperatuurdaling tussen de warme en koude zijde van het warmte-uitwisselingsproces. Deze temperatuurdaling kan geëlimineerd worden door rechtstreekse thermische koppeling van de warmte en koude zijde van het warmte-uitwisselingsproces.

BE2018/5328

Volgens een verdere of alternatieve uitvoeringsvorm is het systeem geconfigureerd voor het uitvoeren van de werkwijze volgens het eerste aspect van de uitvinding. Bijgevolg kunnen kenmerken van de werkwijze opgenomen worden in het systeem, waarbij de overeenkomstige voordelen worden herhaald.

De uitvinding zal nu verder beschreven worden door de volgende niet-limitatieve voorbeelden en figuren. Deze verdere voorbeelden en figuren zijn bedoeld om de uitvinding te illustreren, en zijn niet bedoeld, of mogen niet geïnterpreteerd worden, als een beperking van het bereik ervan.

Figuur 1 geeft een schematische voorstelling van een absorptiesysteem met gesloten cyclus 1 volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding. Het systeem 1 omvat een verdamper 2, een expansiemachine 3, een absorbeerder 4, twee pompinrichtingen 5 en een scheider 6. Er zijn meerdere warmtewisselaars 7 voorzien, voor het installeren van de optimale temperaturen in de individuele componenten van het systeem 1. Ze doen dit door het onderling uitwisselen van warmte, en/of door het uitwisselen van warmte met een of meerdere externe warmte- en/of koudebronnen.

Wanneer het systeem 1 in werking is, bevat de verdamper 2 een kokend werkingsmengsel 8, dat in evenwicht is in de gasachtige fase ervan. Dit werkingsmengsel 8 omvat zowel het werkingsfluïdum 9 als het absorptiefluïdum, terwijl de gasachtige fase ervan hoofdzakelijk het gasachtige werkingsfluïdum 9 bevat. Er is een warmtewisselaar 7 voorzien, voor het continu voorzien van de verdamper 2 van warmte. Deze laatste warmte is afkomstig van een bepaalde warmtebron op lage temperatuur. Het gasachtige werkingsfluïdum 9 wordt geëxtraheerd uit de verdamper 2 via een leiding, en wordt verder verwarmd met behulp van een tweede warmtewisselaar 7. De vereiste warmte wordt hierbij bijvoorbeeld geëxtraheerd uit dezelfde warmtebron op lage temperatuur. Het werkingsfluïdum 9 wordt vervolgens geëxpandeerd door de expansiemachine 3, van de hogedrukzijde naar de lagedrukzijde. De absorbeerder 4 wordt voorzien aan de lagedrukzijde, voor het later oplossen van het gasachtige, uitgezette werkingsfluïdum 9 in een absorptiemengsel 10. In geval van water en ammonium is dit proces erg spontaan, zodat de druk verder verlaagd wordt aan de absorbeerder 4. Dit proces is verder exotherm. Een overschot aan warmte wordt afgevoerd via een verdere warmtewisselaar 7 die is opgenomen in de absorbeerder 4. Een deel van deze warmte kan bijvoorbeeld overgebracht worden naar het uitgezette werkingsfluïdum 9, aangezien dit laatste een significante temperatuurdaling heeft ervaren tijdens de expansie ervan.

BE2018/5328

Een stroom van absorptiemengsel 10 wordt continu geëxtraheerd uit de absorbeerder 4. Daartoe wordt er een pompinrichting 5' voorzien. Deze laatste brengt het absorptiemengsel 10 opnieuw onder druk aan de hogedrukzijde van het systeem 1. De filtratiescheider 6 scheidt vervolgens het absorptiemengsel onder druk 10 in een werkingseffluent 11 en een absorptie-effluent 12. Tijdens de genoemde scheiding wordt het absorptiemengsel 10 (optioneel aangevuld met een kleine hoeveelheid werkingsmengsel 8, afkomstig van de verdamper 2 bij een lage snelheid) onderworpen aan een druk die gelijk is aan of hoger is dan de condensatiedruk van het hoofdzakelijk zuivere werkingsfluïdum 9. Dit zorgt voor een eenvoudige scheiding, gebaseerd op fysieke verschillen tussen de werkingsfase en absorptiefase, zoals hierboven beschreven is.

Het werkingsfluïdum 11 wordt verrijkt in het werkingsfluïdum 9, en het wordt aan de verdamper 2 geleverd. Het absorptie-effluent 12, anderzijds, wordt verrijkt in het absorptiefluïdum, en het wordt aan de absorbeerder 4 geleverd. Een drukdaling die daarbij optreedt, kan overwonnen worden, door het voorzien van een expansieklep 13. Een dergelijke expansieklep 13 is echter optioneel; het kan al dan niet aanwezig zijn.

De onderstaande tabel heeft betrekking op een specifieke, verdere uitvoeringsvorm van figuur 1. De tabel geeft een samenvatting van de temperaturen, drukken, dichtheden en concentraties in de respectievelijke belangrijkste delen A-M van het absorptiesysteem met gesloten lus 1. Daarnaast zijn de ingangen en uitgangen van vermogen P en warmte Q naar het systeem 1 getoond.

Het werkingsfluïdum 9 is in het bijzonder ammonium (R.717), en het absorptiefluïdum is water (R718). Het absorptiemengsel 10 heeft werkingsfluïdumstroom 9 van ongeveer 1 kg/s, en een absorptiefluïdumstroom van ongeveer 2,33 kg/s. De scheider 6 is een scheider door zwaartekracht, aangeduid als een stationaire decanteerder. De expansiemachine 3 is een gasturbine. Het geproduceerde theoretische netto mechanische vermogen bedraagt 49 kW. De cyclus biedt een koudebron met constante temperatuur (-25C°) met een koelcapaciteit van 1345 kW.

	T[°C]	P [Bar]	V [m³/kg]	NH3 [%]	H2O [%]	Q [kW]	P [kW]
A	-25,21	1,5	0,78	99,99	0,01

BE2018/5328

WARMTEWISSELAAR 7	91,64
B	15,00	1,5	0,92	99,99	0,01
EXPANSIEMACHINE 3		-53,32
C	-11,05	1,0	1,25	99,99	0,01
WARMTEWISSELAAR 7	57,06
D	15,00	1,0	1,39	99,99	0,01
WARMTEWISSELAAR 7	-1475,97
E	25	1,0	0,0011	30	70
POMPINRICHTING 5'		4,03
F	25	12,0	0,0011	30	70
G	25	12,0	0,0011	30	70
WARMTEWISSELAAR 7	0
I	25	12,0	0,0011	30	70
J	25	12,0	0,00166	99,9	0,1
K	25	1,5	0,00166	99,9	0,1
WARMTEWISSELAAR 7	1345,24
L	-25,21	1,5	0,00162	98,0	2,0
POMPINRICHTING 5		0,1
WARMTEWISSELAAR 7	31,32
M	15	12	0,00162	98,0	2,0

Figuur 2 geeft een schematische voorstelling van een absorptiesysteem met gesloten cyclus 1 volgens een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding. In tegenstelling tot de uitvoeringsvorm op figuur 1 is er nu een warmtewisselaar 7 opgenomen in de 5 expansiemachine 3. Deze warmtewisselaar 7 levert warmte aan het expanderen werkingsfluïdum 9. Op voordelige wijze kan de expansiemachine 3, tijdens een verwarmde, hoofdzakelijk isothermische expansie van het werkingsfluïdum 9, een grotere hoeveelheid mechanische energie kan leveren, vergeleken met een adiabatische expansie. Een hydrostatische kolom (hoogte ong. 100 m) wordt voorzien 10 als verdere pompinrichting 5'.

BE2018/5328

De onderstaande tabel heeft betrekking op een specifieke, verdere uitvoeringsvorm van figuur 2. De tabel geeft een samenvatting van de temperaturen, drukken, dichtheden en concentraties in de respectievelijke belangrijkste delen A-M van het absorptiesysteem met gesloten lus 1. Daarnaast zijn de ingangen en uitgangen van 5 vermogen P en warmte Q naar het systeem 1 getoond.

Het werkingsfluïdum is in het bijzonder ammonium (R.717), en het absorptiefluïdum is water (R718). Het absorptiemengsel 10 heeft werkingsfluïdumstroom 9 van ongeveer 1 kg/s, en een absorptiefluïdumstroom van ongeveer 2,33 kg/s. Het geproduceerde 10 theoretische netto mechanische vermogen bedraagt 268 kW.

	T[°C]	P [Bar]	V [m³/kg]	NH3 [%]	H2O [%]	Q [kW]	P [kW]
A	15,00	7,28	0,1746	99,99	0,01
WARMTEWISSELAAR 7	0
B	15,00	7,28	0,1746	99,99	0,01
VERWARMDE EXPANSIEMACHINE 7-3	317,80	-268,88
C	15,00	1,0	1,3895	99,99	0,01
WARMTEWISSELAAR 7	0
D	15,00	1,0	1,3895	99,99	0,01
WARMTEWISSELAAR 7	-1475,97
E	25	1,0	0,0011	30	70
POMPINRICHTING 5'		0,77
F	25	3,08	0,0011	30	70
G	25	12,0	0,0011	30	70
WARMTEWISSELAAR 7	0
I	25	12,0	0,0011	30	70
J	25	12,0	0,00166	99,9	0,1
K	25	7,28	0,00166	99,9	0,1
WARMTEWISSELAAR 7	1426,18
L	15	7,28	0,1746	98,0	2,0

BE2018/5328

POMPINRICHTING 5		0,1
WARMTEWISSELAAR 7	0
M	15	12	0,00162	98,0	2,0

Figuur 3 geeft een schematische voorstelling van een absorptiesysteem met gesloten cyclus 1 volgens nog een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding. In tegenstelling tot de uitvoeringsvorm op figuur 2 is er nu de verdamper 2 opgenomen in de expansiemachine 3. Dit is mogelijk in geval het werkingseffluent 11 een voldoende lage absorptiefluïdumconcentratie heeft. Bijgevolg heeft de verdamper 2 niet langer een belangrijke scheidingsfunctie, en kan het werkingseffluent 11 rechtstreeks gebracht worden naar een verwarmde expansiemachine 3; de scheider 2 zelf is daarbij opgenomen in de expansiemachine 3. Bijgevolg kan de expansie-energie van het werkingseffluent, wanneer het van de vloeibare naar de gasachtige fase gaat, omgezet worden in bruikbare mechanische energie.

De onderstaande tabel heeft betrekking op een specifieke, verdere uitvoeringsvorm van figuur 3. De tabel geeft een samenvatting van de temperaturen, drukken, dichtheden en concentraties in de respectievelijke belangrijkste delen A-G, J en N van het absorptiesysteem met gesloten lus 1. Daarnaast zijn de ingangen en uitgangen van vermogen P en warmte Q naar het systeem 1 getoond.

Het werkingsfluïdum is in het bijzonder ammonium (R.717), en het absorptiefluïdum is water (R718). Het absorptiemengsel 10 heeft werkingsfluïdumstroom 9 van ongeveer 1 kg/s, en een absorptiefluïdumstroom van ongeveer 2,33 kg/s. De scheider is een scheider door zwaartekracht, bijvoorbeeld een decanteerder. De expansiemachine 3 is een isotherme expansiemachine 3, bijvoorbeeld een verwarmde positieve verplaatsingsmachine. Het geproduceerde theoretische netto mechanische vermogen bedraagt 394 kW.

	T[°C]	P [Bar]	V [m³/kg]	NH3 [%]	H2O [%]	Q [kW]	P [kW]
A	25	7,28	0,00166	99,9	0,1
WARMTEWISSELAAR 7	0
B	25	7,28	0,00166	99,9	0,1

BE2018/5328

VERWARMDE EXPANSIEMACHINE 7-3	1866,76	-394,82
C	15,00	1,0	1,3895	99,99	0,01
WARMTEWISSELAAR 7	0
D	15,00	1,0	1,3895	99,99	0,01
WARMTEWISSELAAR 7	-1475,97
E	25	1,0	0,0011	30	70
POMPINRICHTING 5'		4,03
F	25	12,0	0,0011	30	70
G	25	12,0	0,0011	30	70
WARMTEWISSELAAR 7	0
I	25	12,0	0,0011	30	70
J	25	12,0	0,00166	99,9	0,1

Voorbeeld 1

In een mogelijke uitvoeringsvorm omvat het absorptiefluïdum water, waarbij het werkingsfluïdum koolstofdioxide omvat. Aangenomen dat de temperatuur van de scheider gelijk is aan ongeveer 20°C, zal het absorptiemengsel, bij drukken van ongeveer 57 bar of hoger, splitsen in en vloeibare absorptiefase (van water verzadigd met koolstofdioxide) en een vloeibare werkingsfase (van vooral koolstofdioxide). De dichtheid van de vloeibare koolstofdioxide bedraagt daarbij ongeveer 755 kg/m³. De dichtheid van de waterfase kan worden veranderd door het toevoegen van een opgeloste stof aan het absorptiefluïdum. Water omvattende natriumchloride kan bijvoorbeeld gebruikt worden als absorptiefluïdum, om ervoor te zorgen dat de absorptiefase een hoofdzakelijk groter soortelijk gewicht heeft dan de werkingsfase heeft. Door middel van scheiding door zwaartekracht en/of scheidingsproces door centrifugale kracht wordt de werkingsfase dan voor het grootste deel verzameld in een werkingseffluent, terwijl de absorptiefase voor het grootste deel wordt verzameld in een absorptie-effluent, gebaseerd op hun verschil in soortelijk gewicht.

Voorbeeld 2

In een mogelijke uitvoeringsvorm omvat het absorptiefluïdum water, waarbij het werkingsfluïdum ammonium omvat. Aangenomen dat de druk van de scheider gelijk is aan ongeveer 1 bar kan het werkingsmengsel in de scheider afgekoeld worden tot

BE2018/5328 lager dan een solidicatietemperatuur voor het water - ongeveer -100°C tot 0°C afhankelijk van het ammoniumgehalte. Voor werkingsmengsels die een ammoniumgehalte van ongeveer 30% of lager hebben, zal daarbij een vaste en hoofdzakelijk zuivere absorptiefase gevormd worden. Deze absorptiefase kan gemakkelijk gescheiden worden, bijvoorbeeld via filtratie. De ammoniumconcentratie in de resterende, vloeibare fase wordt daarbij verhoogd. Bijgevolg wordt ten minste een voorlopige of gedeeltelijke scheiding van het vloeibare absorptiemengsel uitgevoerd. Er wordt echter veel latente warmte verbruikt in de solidificatie- en smeltprocessen, zodat de efficiëntie van de cyclus relatief laag kan zijn.

De elementen op de figuren zijn:

1. Absorptiesysteem met gesloten cyclus

2. Verdamper

3. Expansiemachine

4. Absorbeerder

5. Pompinrichting

6. Scheider

7. Warmtewisselaar

8. Werkingsmengsel

9. Werkingsfluïdum

10. Absorptiemengsel

11. Werkingseffluent

12. Absorptie-effluent

13. Expansieklep

Er wordt verondersteld dat de onderhavige uitvinding niet beperkt is tot enige uitvoeringsvorm die hierboven is beschreven en dat bepaalde wijzigingen kunnen worden toegevoegd aan de voorgestelde voorbeelden en figuren, zonder af te wijken van de bijgevoegde conclusies.

Claims

CONCLUSIES

1. Werkwijze voor het omzetten van thermische energie naar mechanische energie, en/of voor koeling, met gebruikmaking van een absorptiesysteem met een gesloten cyclus 1, waarbij de genoemde werkwijze de volgende stappen omvat:

- het overbrengen van thermische energie van een warmtebron naar een vloeibaar werkingsmengsel 8, binnen een verdamper 2, hetwelk werkingsmengsel 8 ten minste een werkingsfluïdum 9 omvat, en waarbij het genoemde werkingsfluïdum 9 ten minste gedeeltelijk wordt verdampt uit het genoemde werkingsmengsel 8,

- het expanderen van het genoemde verdampte werkingsfluïdum 9, en het absorberen van het genoemde geëxpandeerde werkingsfluïdum 9 in een vloeibaar absorptiemengsel 10, binnen een absorbeerder 4, hetwelk absorptiemengsel 10 ten minste een absorptiefluïdum omvat,

- het ten minste gedeeltelijk extraheren van het absorptiemengsel 10 uit de absorbeerder 4, en het onder druk brengen van het genoemde geëxtraheerde absorptiemengsel 10, en

- het scheiden van het genoemde onder druk gebrachte absorptiemengsel 10, binnen een scheider 6, in een werkingseffluent 11 en een absorptieeffluent 12, waarbij het genoemde werkingseffluent 11 naar de verdamper 2 wordt gebracht, en waarbij het genoemde absorptie-effluent 12 naar de absorbeerder 4 wordt gebracht.

met het kenmerk dat het genoemde absorptiemengsel 10, tijdens de genoemde scheiding, wordt onderworpen aan een druk die gelijk is aan of hoger is dan de condensatiedruk van het zuivere werkingsfluïdum 9.
2. Werkwijze volgens de voorgaande conclusie 1, met het kenmerk dat het absorptiemengsel 10, tijdens de genoemde scheiding, een werkingsfase en een absorptiefase omvat.
3. Werkwijze volgens de voorgaande conclusies 2, met het kenmerk dat de genoemde werkingsfase en absorptiefase vloeibare fasen zijn.
4. Werkwijze volgens een der conclusies 1 tot 3, met het kenmerk dat het genoemde absorptiemengsel 10 gescheiden wordt met behulp van centrifugale scheiding en/of scheiding door zwaartekracht.
5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het genoemde absorptiefluïdum water omvat, waarbij het genoemde werkingsfluïdum 9 koolstofdioxide omvat.

BE2018/5328
6. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het genoemde absorptiefluïdum water omvat, waarbij het genoemde werkingsfluïdum 9 ammonium omvat.
7. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het genoemde absorptiefluïdum hoofdzakelijk water is.
8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het werkingsmengsel 8 gedeeltelijk wordt overgebracht van de verdamper 2 naar de absorbeerder 4, en/of de scheider 6.
9. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het genoemde verdampende werkingsfluïdum 9 verder verwarmd wordt.
10. Absorptiesysteem met gesloten cyclus 1 voor het omzetten van thermische energie naar mechanische energie, en/of voor koeling, waarbij het genoemde systeem 1 een verdamper 2, een absorbeerder 4, een scheider 6, en een pompinrichting 5 omvat, waarbij de genoemde pompinrichting 5 in werking is verbonden met zowel de absorbeerder 4 als de scheider 6, met het kenmerk dat de genoemde pompinrichting 5 is geconfigureerd voor het onder druk brengen van een absorptiemengsel 10 omvattende een werkingsfluïdum 9 en een absorptiefluïdum, uit de absorbeerder 4 naar de scheider 6, en tot een druk die gelijk is aan of hoger is dan de condensatiedruk van het zuivere werkingsfluïdum 9.
11. Systeem 1 volgens de voorgaande conclusie 10, met het kenmerk dat de genoemde scheider 6 een door zwaartekracht en/of centrifugale scheider is.
12. Systeem 1 volgens één der conclusies 10 en 11, met het kenmerk dat het genoemde systeem 1 een warmtewisselaar 7 omvat voor het verder verwarmen van het verdampte werkingsfluïdum 9.
13. Systeem 1 volgens de voorgaande conclusie 12, met het kenmerk dat de genoemde warmtewisselaar 7 is opgenomen in een expansiemachine 3 van het systeem 1.
14. Systeem 1 volgens één der voorgaande conclusies 10 tot 13, met het kenmerk dat de genoemde verdamper 2 is opgenomen in een expansiemachine 3 van het systeem 1.
15. Systeem 1 volgens één der voorgaande conclusies 10 tot 14, met het kenmerk dat het genoemde systeem 1 is geconfigureerd voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een der conclusies 1 tot 9.