CH339432A - Verfahren und Einrichtung zur Energiegewinnung unter Ausnützung geringer Temperaturunterschiede - Google Patents

Description

  Verfahren     und        Einrichtung    zur Energiegewinnung unter Ausnützung  geringer     Temperaturunterschiede       Die vorliegende     Erfindung    bezieht sich auf     ein     Verfahren zur Energiegewinnung unter Ausnützung  geringer Temperaturunterschiede, bei welchem ein  Arbeitsmedium in einem Kreislauf zirkuliert sowie  auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfah  rens. Es sind bereits Verfahren zur Energiegewin  nung unter Ausnützung geringer Temperaturunter  schiede bekanntgeworden, bei denen     ein    Arbeits  medium verdampft wurde, und der Dampfdruck  zur Auswertung herangezogen wurde.

   Fernerhin  ist es möglich, mittels Wärmepumpen eine gege  bene Temperaturdifferenz zu erhöhen, so dass über  diesen Umweg eine Energieauswertung     denkbar    ist.  Von den genannten Möglichkeiten konnte sich bisher  keine für grössere Projekte durchsetzen, da der       apparative    Aufwand in keinem     Verhältnis    zu der  mit der Anlage erreichten Leistung stand.  



  Das Verfahren der vorliegenden     Erfindung    ist  nun dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium  an einem Punkt höherer Temperatur und niedrigerer  geographischer Lage verdampft und an     einem    Punkt  niedriger Temperatur und höherer geographischer  Lage kondensiert wird, wobei der Dampfdruck aus  reichen muss, die Höhendifferenz zu     überwinden,     so dass das Arbeitsmedium     eine    potentielle Ener  gie gewinnt.  



  Die Einrichtung zur     Durchführung    des Ver  fahrens kennzeichnet sich durch einen als Ver  dampfer arbeitenden     Wärmeaustauscher    an einem  Ort höherer Temperatur, durch einen als Konden  sator arbeitenden     Wärmeaustauscher,    der sich an  dem Punkt niedriger Temperatur befindet, wobei  der Kondensator eine geographisch höhere Lage be  sitzt, durch zwei Verbindungsleitungen     zwischen    den       Wärmeaustauschern,    ferner durch ein Arbeits  medium, welches in dem Kreis zirkuliert sowie durch    mindestens eine Strömungsmaschine, welche in die       Verbindungsleitung    eingeschlossen ist, in welcher das  Medium abwärts strömt.  



  In der beiliegenden Zeichnung .ist ein Aus  führungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrich  tung dargestellt.  



  Die in der Zeichnung schematisch dargestellte  Anlage besteht aus einem     Wärmeaustauscher    1, der  sich in einem Fluss befindet und mit dem umge  benden Wasser im Austausch steht. Dieser     Wärme-          austauscher        wirkt    für     ein    geeignetes, in der Anlage  zirkulierendes Medium als Verdampfer.

   Der den       Austauscher    verlassende     Dampf    strömt über     eine          Steigdruckleitung    4 zu einem auf     einem    hohen  Berg gelegenen weiteren     Wärmeaustauscher    5, der  mit der umgebenden Luft im Austausch steht und  als Kondensator für das Medium wirkt. Das kon  densierte Arbeitsmedium wird über die Falleitung 6  zu einer Turbine 7 geleitet, wo es auf Grund seiner  durch die Höhendifferenz h gegebenen potentiellen  Energie zur Energiegewinnung herangezogen wird.  Die Turbine 7 ist über die Leitung 9 mit dem  ersten als Verdampfer arbeitenden     Wärmeaustauscher     1 verbunden, so dass der Kreislauf geschlossen ist.  



  Als Arbeitsmedium wird dabei ein Medium ver  wendet, welches bei relativ niedrigen Temperaturen  und hohen Drucken verdampft; für die vorliegende  Anlage eignet sich beispielsweise     Ammoniak        (NH3).     



  Die Wirkungsweise der Anlage soll nun an  hand eines Zahlenbeispiels im einzelnen     erläutert     werden, wobei Werte angenommen werden, die den  tatsächlich vorkommenden     Bedingungen    weitgehend  entsprechen.  



  Der Kondensator befindet sich auf einer Höhe  von     2800m    und kann auf Grund der herrschenden      klimatischen Verhältnisse im Durchschnitt auf einer  Temperatur von 0" C gehalten werden, während sich  der Verdampfer in einer Höhe von 400 m ü. M.  bei einer mittleren Temperatur von     20 C        in    dem  Fluss befindet.  



  Der Kreislauf wird nun dadurch aufrechterhal  ten, dass das Arbeitsmedium in den geographisch  niedrigeren     Wärmeaustauschern    verdampft wird, was  mit einem Druckanstieg direkt über der Flüssig  keitsoberfläche verbunden ist, wobei dieser Druck  in eine Höhendifferenz umgewandelt wird; er muss  also ausreichen, die Höhendifferenz von 2400 m  zu überwinden.  



  Da zur Wärmeübertragung zwischen dem Ar  beitsmedium und dem umgebenden Wasser immer  eine Temperaturdifferenz bestehen muss, sei ange  nommen, das Medium verdampfe bei 15 C und  einem Dampfdruck von 7,43     ata.    Pro kg     NH3     ist dabei eine Wärmemenge von 288,3 kcal er  forderlich. Zwischen der wärmeabgebenden Sub  stanz, also dem     Flusswasser,    und dem Arbeits  medium besteht dabei eine Temperaturdifferenz  von 5  C.  



  Das nach oben strömende, verdampfte Medium  verbraucht einen     bestimmten        Druck.    Unter Berück  sichtigung des spezifischen Gewichtes von Ammoniak  und der zu überwindenden Höhendifferenz, ferner  von durch die Strömung verursachten Verlusten, ist  mit einem     Druck    von ungefähr 6     ata    in der Höhe  von 2800 m, also 2400 m über dem Verdampfer,  zu rechnen. Bei diesem     Druck        kondensiert    das  Ammoniak bei einer Temperatur von     8,51>C,    so  dass zum Temperaturaustausch an dem Konden  sator eine Temperaturdifferenz von     8,511C    zur Ver  fügung steht.

   Das Arbeitsmedium hat somit eine  potentielle Energie gewonnen, die mittels einer be  kannten Flüssigkeitsturbine und bekannter Genera  toren in elektrische Energie umgewandelt werden  kann. Wird pro Sekunde 1 kg Ammoniak umge  setzt, so ist bei der Fallhöhe von 2400 m mit  2400     mkg    zu rechnen, was theoretisch 23,5 KW  entspricht. Nach Abzug der     unvermeidlichen    Verluste  durch Strömungswiderstände, Reibung usw. kann  noch mit einer Leistung von 18 KW gerechnet  werden. Soll beispielsweise unter den angenom  menen klimatischen und geographischen Bedingun  gen eine durchschnittliche     Leistung    von 6000 KW  erzielt werden, so ist eine     Ammoniakmenge    von  etwa 375     kg/sec    umzusetzen.

   Pro Jahr leistet die  Anlage somit etwa 6,3 X 107     kWh.     



  In dem Verdampfer müssen bei einer Umsatz  menge von 375 kg Ammoniak und einem Wärme  übergang von 288,3     kcal/kg    108 000     kcal/sec    um  gesetzt werden. Bei einer     verwendbaren    Wasser  menge zur Erwärmung von 50     m3/sec    müsste in  dem Fluss eine     Wärmeaustauschfläche    von 40 000 m2  vorgesehen werden.  



  Die     Wärmeaustauschfläche    des Kondensators be  trägt bei der angegebenen     Temperaturdifferenz,          einem    Wärmeumsatz von 375X295 - 110 700         kcal/sec    und einer     Wärmeübergangszahl    von k =  110     kcal/m2.    h .   C (glatte Rohre) 453000 m2,  erniedrigt sich jedoch bei gerippten Rohren und einer  Luftgeschwindigkeit von 10 m/sec und einer Luft  erwärmung auf 5  C auf etwa 250 000 m2.  



  Die der Berechnung zugrunde liegenden Tem  peraturen entsprechen den von der Meteorologischen  Zentralanstalt Zürich ermittelten Durchschnitts  werten. Die Anlage arbeitet also mit. unterschied  lichem Wirkungsgrad, unabhängig von der Jahres  zeit, wenn angenommen werden kann, dass eine  Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und  Kondensator unabhängig von den absoluten Tem  peraturen immer vorhanden ist.  



  Durch die Angabe der Ergebnisse genauer Be  rechnungen soll klargestellt werden, dass mit durch  aus normalen Mitteln eine Energiegewinnung un  ter Ausnützung minimaler Temperaturdifferenzen  möglich ist. Klimatische Schwankungen und zeit  lich überhöhte Energieabnahmen können dadurch  ausgeglichen werden, dass dem Kondensator ein  grosser Vorratsbehälter beigegeben wird, aus dem  im Bedarfsfalle Medium entnommen werden kann.  Dieser Behälter kann bei klimatisch besonders gün  stigen Bedingungen oder in Zeiten geringerer Ener  gieentnahme wieder aufgefüllt oder ergänzt werden.  



  Neben der Ausnützung der Temperaturdifferenz  zwischen einem auf einem Berg gelegenen Konden  sator und einem in einem Fluss gelegenen Ver  dampfer sind selbstverständlich viele weitere Mög  lichkeiten zur Temperaturausnützung gegeben. So  kann die  Talstation  ebenfalls mit der Luft in  Wärmeaustausch stehen. Bei der beschriebenen An  lage würde sich die     Wärmeaustauschfläche    bei der  Verwendung von Rippenrohren auf 121500 m2  erhöhen.  



  Daneben kann die  Talstation  auch einige hun  dert Meter ins Erdinnere verlegt werden und die  Kondensation in einem See erfolgen, beispielsweise  bei 4 bis 8  C. Diese Anlage wäre nahezu keinen  klimatischen Schwankungen ausgesetzt.  



  Die Kondensatoren bzw. Verdampfer können  jedoch auch in industriellen Räumen oder Wärme  gebieten vorgesehen werden, in denen eine Abküh  lung oder eine Erwärmung erwünscht ist.  



  Weiterhin kann der Verdampfer auch mittels in  der Industrie vorkommender Abfallwärme erhitzt  werden, beispielsweise durch warme Abgase von  Ölbrennern usw. Der Kondensator befindet sich  dann in einem Wasserturm, einem     höhergelegenen     Fluss, einem See usw. Es sei darauf hingewiesen,  dass bei höheren Temperaturdifferenzen auch in  die Steigleitung eine Turbine eingeschlossen werden  kann, was in einzelnen Fällen den Wirkungsgrad  der Anlage erhöhen kann. Ferner besteht die Mög  lichkeit, den Kondensator oder den Verdampfer  nicht ortsfest, sondern beweglich vorzusehen. Der  Verdampfer kann beispielsweise an einem See so  angebracht sein, dass er sich wahlweise in dem  See oder über der     Seeoberfläche    an der Luft be-      findet, je nach den herrschenden Temperaturbe  dingungen.  



  Anschliessend sei in tabellarischer Form eine  Zusammenstellung der wichtigsten     ausnützbaren     
EMI0003.0002     
  
    Verdampfer <SEP> Kondensator <SEP> Anlage <SEP> arbeitet
<tb>  Seetiefe <SEP> 4  <SEP> Luft <SEP> -10  <SEP> Winter
<tb>  Kühlwasser <SEP> einer <SEP> therm. <SEP> Anlage <SEP> 30  <SEP> Kühlturm <SEP> ganze <SEP> Jahr
<tb>  "
<tb>  400 <SEP> m <SEP> tief <SEP> in <SEP> der <SEP> Erde <SEP> 40  <SEP> Seetiefe <SEP> 4  <SEP> <B>33</B>
<tb>  "
<tb>  Kühlwasser <SEP> von <SEP> Motoren <SEP> 80  <SEP> Fluss <SEP> oder <SEP> Kühlturm <SEP> 15  <SEP> <B><I>33</I></B>
<tb>  Kamin-Rauch-Gas <SEP> 240  <SEP> Fluss <SEP> 15 , <SEP> Kühlturm <SEP> "
<tb>  Heisse <SEP> Thermalquellen
<tb>  Ragaz, <SEP> Baden <SEP> usw.

   <SEP> 40  <SEP> Fluss <SEP> oder <SEP> Kühlturm <SEP> 15  <SEP> "
<tb>  warme <SEP> Abwasser <SEP> von <SEP> Grosskühlanlagen <SEP> 40  <SEP> See <SEP> mit <SEP> Ventilator
<tb>  Fluss, <SEP> Kühlturm <SEP> 15  <SEP> <B>59</B> <SEP> "
<tb>  28  <SEP> Abwasser <SEP> 5000 <SEP> m3/täglich
<tb>  Kehricht-Verbrennungsanstalt <SEP> Zürich <SEP> Fluss <SEP> 0-15 , <SEP> Kühlturm <SEP> 0-15  <SEP> " <SEP> _
<tb>  Heizräumen, <SEP> Maschinenräumen <SEP> von <SEP> Fabriken <SEP> 30 
<tb>  Ozeandampfer <SEP> usw. <SEP> 30 
<tb>  (Verdampfer <SEP> dient <SEP> zugleich <SEP> als <SEP> Kühlanlage) <SEP> Fluss <SEP> 15 , <SEP> Kühlturm <SEP> 15  <SEP> <B><I>39</I></B>
<tb>  "

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Energiegewinnung unter Aus- nützung geringer Temperaturdifferenzen, bei wel chem ein Arbeitsmedium in einem Kreislauf zir kuliert, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeits medium an einem Punkt höherer Temperatur und niedrigerer geographischer Lage verdampft und an einem Punkt niedriger Temperatur und höherer geographischer Lage kondensiert wird, wobei der Dampfdruck ausreichen muss, die Höhendifferenz zu überwinden, so dass das Arbeitsmedium eine poten tielle Energie gewinnt. 11.

   Einrichtung zur Durchführung des Verfah rens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch einen als Verdampfer arbeitenden Wärmeaustau- scher an einem Ort höherer Temperatur, durch einen als Kondensator arbeitenden Wärmeaustau- scher, der sich an dem Punkt niedriger Temperatur befindet, wobei der Kondensator eine geographisch höhere Lage besitzt, durch zwei Verbindungsleitun gen zwischen den Wärmeaustauschern, ferner durch ein Arbeitsmedium, welches in dem Kreis zirkuliert sowie durch mindestens eine Strömungsmaschine, welche in die Verbindungsleitung eingeschlossen ist, in welcher das Medium abwärts strömt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium an einem Ort verdampft wird, der gekühlt werden soll. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium an einem Ort kondensiert wird, der erwärmt werden soll. 3. Einrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass sich der Kondensator auf einem Berg befindet und mit der Luft in Wärme austausch steht. 4. Einrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass sich der Kondensator in einem Fluss befindet. 5.

   Einrichtung nach Patentanspruch <B>11,</B> da durch gekennzeichnet, dass sich der Verdampfer in einem Fluss befindet. 6. Einrichtung nach Patentanspruch 1I, da durch gekennzeichnet, d'ass der Verdampfer sich in dem Abzug eines Kamins befindet. 7. Einrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass sich in der Verbindungs leitung, in der das Medium zu dem Kondensator strömt, eine Strömungsmaschine befindet.