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Anwendung
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Während die
Umwandlung thermischer Energie auf Temperaturniveaus von über 100°C in elektrische
Enrgie (oder Bewegungsenergie) weit verbreitet ist, bleibt thermische
Energie auf einem geringeren Temperaturniveau meist ungenutzt oder
wird unmittelbar zu Heizzwecken verwendet. Dies gilt sowohl für Abwärme in der
Industrie, insbesondere in der Kraftwerkstechnik, alsauch für regenerative
Energien. Sonnen- und Erdwärme
bieten ein großes Energiepotential,
die Nutzbarmachung bei hohen Temperaturen ist jedoch mit großem Aufwand
verbunden.
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Stand der Technik
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Zur
Umwandlung von thermischer Energie auf einem Temperaturniveau von
unter 100°C
stehen Seebeck-Generator und Stirling-Motor zur Verfügung. Bei
ausreichend hohen Temperaturen sind Dampfturbinen oder Kolbendampfmaschinen
einsetzbar. Praktische Gründe
für den
Einsatz von Wasser basierten Dampfprozessen ist die günstige Verfügbarkeit
und nahezu uneingeschränkte
Umweltverträglichkeit.
Hinzu kommt, dass Brennstoff in der Regel leicht verügbar ist
oder die Erhöhung
der Energiedichte eine Temperatursteigerung mit geringem Aufwand
ermöglicht.
Dies geschieht in Solarkraftwerken durch Spiegel, welche die solare
Strahlungsenergie bündeln,
so dass eine ausreichend hohe Betriebstemperatur erreicht wird.
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Nachteil der bestehenden technischen
Lösungen
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Sowohl
Seebeck-Generator alsauch Stirling-Motor haben einen geringen Wirkungsgrad. Beim
Seebeck-Generator kommt die geringe Leistung hinzu. Eine Anlage,
die Energien in industriellem Maßstab nutzbar machen könnte, erforderte
erhebliche Mengen geeigneter Metallkombinationen und lieferte zudem
Gleichstrom, der aufwändig
in Wechselstrom umgewandelt werden müsste. Stirling-Motoren sind
bereits zur Stromerzeugung im Einsatz. Zur Erreichung bestmöglicher
Wirkungsgrade wird Waserstoff eingesetzt, was besondere Vorkehrungen
zur Abdichtung erforderlich macht. Eine thermodynamisch günstige Prozessführung setzt
geringe Strömungsgeschwindigkeiten
des Arbeitsmediums voraus, was den Erfordernissen der Stromerzeugung mit
einem Generator zuwiderläuft.
Nachteilig bei Wasserdampfprozessen ist, dass steigende Brennstoffkosten
die Betriebskosten zunehmend ansteigen lassen. Energiequellen, deren
wirksames Temperaturniveau sich nicht unmittelbar auf die notwendige Betriebstemperatur
erhöhen
lassen, sind mit Wasserdampf basierten Prozessen nicht oder nur
mit unverhältnismäßigem Aufwand
nutzbar. Der Einsatz von Wärmepumpen
zur Erhöhung
des nutzbaren Temperaturniveaus ist denkbar, dieser Aufwand wird
in der Praxis nur zu Heizzwecken, nicht aber zur Erzeugung mechanischer
Energie betrieben.
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Aufgabe der Erfindung
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Dampfturbinen
ermöglichen
bei hohen Temperaturen eine sehr effiziente Ausnutzung der thermischen
Enrgie eines Fluids. Ziel der Erfindung ist es, diese Technologie
auch bei Temperaturen unter 100°C
nutzbar zu machen.
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Lösung der erfinderischen Aufgabe
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Durch
den Einsatz von Flüssigkeiten,
die unter dem im Verdampfer herschenden Druck bei geringeren Temperaturen
sieden, kann eine Turbine auch in Temperaturbereichen betrieben
werden, bei denen Wasserdampf betriebene Turbinen nicht eingesetzt werden
können.
Aus der Klima- und Kältetechnik
sind Arbeitsmedien bekannt, die unter geeigneten Drücken bei
hinreichend niedrigen Temperaturen sieden. Ausgehend von diesen
Systemen lassen sich vier grundsätzliche
Typen von Kreisprozessen unterscheiden: 1) Systeme mit Kompressor
oder Verdampferspeisepumpe, entsprechend dem konventionellen dampfbasierten
Verfahren. 2) Absorbersysteme mit Lösungsmittelpumpe. 3) Absorbersysteme mit
Hilfsgas ohne Lösungsmittelpumpe.
4) Absorbersysteme mit Lösungsmittelpumpe
und Hilfsgas.
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Mehrere
Teilsysteme gleichen oder unterschiedlichen Typs können miteinander
verschaltet werden. Dadurch ist es möglich, Energie auf unterschiedlichen
Temperaturniveaus nutzbar zu machen, was mit einem einzelnen Kreislauf
nicht oder nur unzureichend möglich
ist. (So ist es möglich,
die Abwärme
des eines Genereators zu nutzen, die auf einem anderen Temperaturniveau
vorliegt als beispielsweise die Abwärme im Kühlwasser eines Kraftwerks.
Mit dem gegenwärtigen
Stand der Technikist die Nutzung der Abwärme von Generatoren wegen des
geringen Temperaturniveaus selten lohnend.) Der klassische Dampfprozesse
ist ein Beispiel dafür,
inwieweit ein termodynamischer Expansionsprozess begrenzt sein kann.
Die Verschaltung mehrer Systeme kann in einem einzigen Kreislauf
oder in mehreren Kreisläufen
erfolgen.
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Systeme mit Kompressor
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Das
Kompressorsystem kann mit einem niedrig siedenden Fluid auf dieselbe
Art ausgeführt werden,
wie es in Dampfkraftwerken oder Dampfmaschinen üblich ist. Exemplarisch seien
hier Methoden wie Speisemediumvorwärmung, Zwischenüberhitzung
und mehrstufige Expansion genannt. In Entsprechung zum Gas- und
Dampfkraftwerk können Prozessschritte
eingefügt
werdem, bei denen Arbeitsmedien miteinander oder mit Prozesshilfsstoffen reagieren.
Das Arbeitsmedium kann aus mehreren Komponenten bestehen. Der Prozess
kann in mehreren Stufen betrieben werden, bei denen unterschiedliche
Arbeitsmedien eingesetzt werden oder in denen dasselbe Arbeitsmedium
unter unterschiedlichen Bedingungen (wie etwa Druck) eingesetzt
wird. Soweit es für
den Betrieb in einem geschlossenen Kreislauf erforderlich und förderlich
ist, können
zusätzliche Einrichtungen
eingesetzt werden, die den Zustand des Arbeitsmediums oder der Hilfsstoffe
beeinflussen. Dies können
beispielsweise zusätzliche
Drosselungen, Verdichter oder Pumpen sowie Wärmetauscher sein. Insbesondere
können
Einrichtungen erforderlich sein, die den Druck im Gesamtsystem beeinflussen.
Dies kann durch Volumenveränderung geschehen,
beispielsweise durch verstellbare Zylinder oder elastische Behälter und
Leitungen. Weitere Möglichkeiten,
den Druck im System zu beeinflussen, sind im Abschnitt über absorberbasierte
Systeme beschrieben. Alternativ kann der Druck im System auch über Steuerung
oder Regelung der Energieflüsse
beeinflusst werden. Hierzu kommen beispielweise Hilfsenergiequellen
oder die Regelung des Wärmeübergangs
an den Wärmetauschern
in Frage. Diese Regelung kann beispielsweise durch Veränderung
der Strömungsgeschwindigkeit
eines der Medien oder beider Medien erfolgen sowie durch Veränderung
der Übertragungsfläche. Weitere
Einflussmöglichkeiten
bestehen im Zu- und
Abschalten einzelner Einheiten von Übertragern bzw. durch die Art
der Verschaltung (parallel/seriell) und der Durchströmung (Gleichstrom,
Gegenstrom, Querstrom). Zur Beeinflussung des lokalen Drucks können aktiv Energie
entziehende Arbeitsmaschinen wie Turbinen oder Kolbenmaschinen,
Energie hinzufügende
Einheiten wie Pumpen oder Verdichter sowie passive Drosselungen
wie Ventile oder Querschnittsverengungen eingesetzt werden. Die
genannten Einflussmöglichkeiten
sind entsprechend bei absorberbasierten Systemen anwendbar.
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Absorbersysteme
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Bei
Absorbersystemen wird das Arbeitsmedium in einem Absorbermedium
gelöst,
wodurch es gegenüber
seiner Gasphase eine Verdichtung erfährt. Amoniak kann als Arbeitsmedium
im Absorbermedium Wasser gelöst
werden, weitere Stoffkombinationen sind aus der Kältetechnik
bekannt. Im Austreiber wird die Lösung erhitzt, so dass das gelöste Arbeitsmedium
aus dem Absorbermedium freigesetzt wird. Wird die daraus resultierende
Expansion behindert, baut sich ein Druck auf, der mit einer geeigneten
Vorrichtung genutzt werden kann, um mechanische Energie freizusetzen.
Turbinen oder Kolbenmaschinen sind naheliegende Einsatzformen, grundsätzlich sind
auch andere Formen von fluidmechanischen Aktuatoren denkbar.
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In
der Regel wird der entstehende Druck über dem Austreiber so hoch
sein, dass er die Lösung
aus dem Austreiber drückte.
Dies kann dadurch verhindert werden, dass eine Flüssigkeitssäule aufgebaut
wird, deren Höhe
einen entsprechenden hydrostatischen Druck aufbaut. Die Höhe kann
sich ändernden
Betriebsbedingungen angepasst werden, indem die Flüssigkeitsverteilung
im System verändert wird.
Hierzu kann ein verstellbarer Vorratsbehälter dienen, beispielsweise
ein Hydraulikzylinder oder ein Speicher, aus dem mittels einer Pumpe
Fluid in die Flüssigkeitssäule gepumpt
wird. Ein Ventil, das als Rückschlagventil
ausgeführt
sein kann, ermöglicht, das
System bei Erreichen des Betriebsdrucks abzuschließen, so
dass der Druck ohne Energiezufuhr erhalten bleibt. Bei Bedarf kann
durch öffnen
dieses oder eines zusätzlichen
Ventils die Flüssigkeitssäule reduziert
werden. Die Flüssigkeitsverteilung
kann auch durch bewegliche Verdrängerkörper variiert werden,
deren Eindringtiefe oder Geometrie verstellbar ist. Ferner kann
die Veränderung
der Fluidsäule durch
Veränderung
der Lage oder Geometrie des Leitungssystems erfolgen. Flexible oder
mehrteilige Leitungen ermöglichen
eine Veränderung
des Leitungsquerschnitts oder der Leitungsorientierung. Ein Neigen
eines oder mehrerer Teile des Leitungssystems kann den Druck ebenfalls
beeinflussen.
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Die
Förderung
der Lösung
in den Austreiber kann durch eine oder mehrere Speisepumpen geschehen.
Durch eine oder mehrere Rückleitungen kann
die Lösung,
die nach dem Austreiben eine geringere Konzentration des Arbeitsmediums
enthält, zurück zum Absorber
gelangen. Auch auf diesen Fluidstrom wirkt der Druck des ausgetriebenen
Gases, es muss folglich daran gehindert werden, frei zu strömen. Dies
kann durch eine feste oder verstellbare Drosselung geschehen, aber
auch dadurch, dass es gegen die Schwerkraft oder eine andere Beschleunigung
strömt
und damit auf ein höheres
Energieniveau angehoben wird. Ferner eignet sich eine Turbine oder
sonstige Arbeitsmaschine, um das Fluid zu bremsen. Diese kann geregelt
oder gesteuert gebremst werden. Sie kann einen Generator oder einen anders
gearteten Verbraucher antreiben und mit der Speisepumpe gekoppelt
werden. Ein Unterschied der Volumenströme, der dadurch verursacht
wird, dass die dem Austreiber zuströmende Lösung mehr Arbeitsmedium enthält, muss
ausgeglichen werden.
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Diffusions-Absorber-Kältemaschinen
können
ohne Speisepumpe auskommen, wenn ein Hilfsgas in geeignetem Mischungsverhältnis für die notwendigen
Partialdruckverhältnisse
sorgt. Dieses System ist auch einsetzbar, um einen thermodynamischen
Kreisprozess zu betreiben, dem mechanische Energie entzogen wird.
Soweit nötig
kann das Absolutdruckniveau im System und die lokalen Druckverhältnisse
auf die oben beschriebenen Arten wechselnden Arbeitsbedingungen
dynamisch angepasst werden. Die Konzentration des Hilfsgases kann
auf chemischem oder physikalischem Weg verändert werden, wodurch sich
der Arbeitspunkt des Systems ebenfalls ändert.
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Je
größer die
Kontaktefläche
zwischen Lösungsmittel
und Arbeitsmediums im Absorber ist, desto schneller kann die Absorbtion
stattfinden. Wenn prozessbedingt das im Absorber befindliche Gas
nicht vollständig
absorbiert wird, etwa beim Einsatz eines Hilfsgases, nimmt sein
Partialdruck lokal ab. In diesem Fall lässt sich die Effektivität des Absorbers
steigern, indem er im Gegenstromverfahren betrieben wird: Die Lösung mit
geringerer Konzentration an gelöstem
Arbeitsmedium strömt
in Richtung höheren
Partialdrucks durch den Absorber und wird dabei angereichert. Das
Lösungsmittel
kann über den
Boden des Absorbers fließen
oder an seinen Wänden
herunterfließen.
Diese Oberfläche
lässt sich durch
geeignete Gestaltung der Oberfläche
erhöhen, beispielsweise
durch Wellung derselben. Neben der Außenwand können zusätzliche Überströmungsflächen eingesetzt werden. Diese
können
auch schräg oder
quer zum Fluidstrom ausgereichtet sein, und durch Umlenkung oder
Abprall desselben die resultierende Strömungsgeschwindigkeit reduzieren.
Der Fluidstrom kann auch als Freistrahl ausgeführt sein, wodurch die zur Absorbtion
verffügbare
Oberfläche erhöht wird.
Lässt man
das Lösungsmittel
durch den Absorber rieseln, erhöht
sich die Grenzfläche
zum Arbeitsmedium stark. Möglichst
feine Tropfen sind anzustreben, da hierdurch nicht nur das Verhältnis von
Oberfläche
zu Volumen verbesert, sondern auch die Fallgeschwindigkeit verreingert
wird und damit die oberflächenvergrößernde Tropfenform
länger
erhalten bleibt. Eine besonders feine Verteilung kann durch akustische
Verfahren einschließlich
Ultraschall erreicht werden, da die Schwingung feinere Tropfen erzeuge
können
als rein düsenbasierte
Systeme. Tropfen, die zu Schwingungen in einer ihrer Eigenfrequenzen
angeregt werden, spalten sich in kleinere Topfen auf. Dadurch, dass
das Arbeitsmedium dem Lösungsmittel
entgegenströmt,
wird dessen Geschwindigkeit reduziert und dadurch die tröpfenform länger aufrecht
erhalten. Sofern das absorbierbare Arbeitsmedium mit anderen Hilfsstoffen
vermischt ist, verringert sich die konzentration des Arbeitsmediums in
der Mischung an der Öberfläche des
Lösungsmittels
durch Absorbtion. Wird der Gasstroms so geführt, dass er verwirbelt wird,
kommt mehr Gemisch mit erhöhtem
Anteil an absorbierbarem Arbeitsmedium in Kontakt mit dem Lösungsmittel.
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Um
einem Gasstrom Wärme
zur Einspeisung in das Arbeitsmedium zu entziehen, kann man statt
eines Feststoffwärmetauschers
(oder zusätzlich zu
einem solchen) in den Gasstrom Flüssigkeit einbringen. Dadurch
können
Schadstoffe aus Abgasströmen
gebunden werden, wie es in der Abgasreinigung in Kraftwerken bereits
der Fall ist. Abgasreinigung und Energierückgewinnung lassen sich in
einer Anlage zusamenfassen.
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Beschreibung der Abbildungen
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1: Kresiprozess
auf Basis von Verdampfung ung Kondensation des Arbeitsmediums.
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Das
Arbeitsmedium wird im Verdampfer 1 verdampft. In Turbine 2 wird
dem Fluid energie entzogen, die vom Generator 3 in Elektrische
Energie umgesetzt wird. Das Fluid wird im Kühler 4 abgekühlt und
durch Speisepumpe 5 in den Verdampfer gefördert.
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2: Kreisprozess
auf Basis von Absorbtion und Austreibung des Arbeitsmediums unter
Verwendung eines Lösungsmittels.
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In
einem Lösungsmittel
gelöstes
Arbeitsmedium wird in einem Austreiber aus dem Lösungsmitel freigesetzt. Das
Fluid durchläuft
wie in 1 beschrieben Turbine 2 und Kondensator 4,
wird in diesem aber nicht bis zur Kondensation abgekühlt. Im Absorber 7 wird
das Arbeitsmedium vom Lösungsmittelstrom
mit geringer Konzentration von Arbeitsmedium 9 absorbiert.
Der Lösungsmittelstrom
mit erhöhter
Konzentration von Arbeitsmedium wird mittels Speisepumpe 5 zum
Austreiber 6 zurückgeführt.
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3: Kreisprozess
auf Basis von Absorbtion und Austreibung des Arbeitsmediums unter
Verwendung eines Lösungsmittels
ohne Kondensator
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Dieser
Kreisprozess entspricht dem in 2 dargestellten,
wobei dem Fluid in der Turbine so viel Energie entzogen wird, dass
eine zusätzliche
Kühlung
vor der Absorbtion entfallen kann.
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4: Kreisprozess
auf Basis von Absorbtion und Austreibung des Arbeitsmediums unter
Verwendung eines Lösungsmittels
mit Drosselung
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Dieser
Kreisprozess entspricht dem in 2 dargestellten,
wobei der aus dem Austreiber 6 austretende Lösungsmittelstrom
mit geringer Konzentration von Arbeitsmedium 9 mittels
einer Drosselung 10 gebremst wird.
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5 Kreisprozess
auf Basis von Absorbtion und Austreibung des Arbeitsmediums unter
Verwendung eines Lösungsmittels
mit Druckregelung
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Dieser
Kreisprozess entspricht den oben dargestellten Prozessen, wobei
das Druckniveau im Sysem durch einen Hydraulikzylinder 11 beeinflußt wird.
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6 Kreisprozess
auf Basis von Absorbtion und Austreibung des Arbeitsmediums unter
Verwendung eines Lösungsmittels
mit Wärmerückgewinnung
vor dem Austreiber
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Dieser
Kreisprozess entspricht den oben dargestellten Prozessen, wobei
der zum Austreiber 6 strömende Lösungsmittelstrom mit hoher
Konzentration von Arbeitsmedium 8 so am Generator vorbeigeleitet
wird, dass er dessen Abwärme
absorbiert.