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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie in einem Kreisprozess mit einem Arbeitsmedium, das aus zwei Bestandteilen mit unterschiedlichen Siedepunkt besteht, bei welchen das im dampfförmigen Zustand bei erhöhter Temperatur in einem für die Bestandteile vorgegebenen Dampfdruckverhältnis vorliegendes Arbeitsmedium in einer Expansionskammer unter Abkühlung und Abgabe mechanischer Leistung expandiert wird, und bei welchen ein bei der Abkühlung mindestens teilweise kondensierender Bestandteil abgeschieden und gesondert dem Kreisprozess wieder zugeführt wird, wobei die Kondensationswärme des höhersiedenden Bestandteils überwiegend an den gasförmigen niedrigsiedenden Bestandteil abgegeben wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie in einem Kreisprozess mit einem Arbeitsmedium, das aus zwei Bestandteilen mit stark unterschiedlichen Siedepunkten besteht, enthaltend eine Arbeitsmaschine, in welcher das in dampfförmigen Zustand bei erhöhter Temperatur in einem für die Bestandteile vorgegebenen Dampfdruckverhältnis vorliegendes Arbeitsmedium unter Abkühlung und Abgabe mechanischer Leistung expandiert wird, und einen Abscheider, in welchem ein bei der Abkühlung mindestens teilweise kondensierender Bestandteil abgeschieden und gesondert dem Kreisprozess wieder zugeführt wird, wobei die Kondensationswärme des höhersiedenden Bestandteils überwiegend an den gasförmigen, niedrigsiedenden Bestandteil abgegeben wird.
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Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind aus der
WO 2005/054635 A2 bekannt. Als Arbeitsmedium wird eine Mischung aus Wasser und Benzol bzw. anderen Kohlenwasserstoffen verwendet. Beide Bestandteile werden in einem gemeinsamen Verdampfer verdampft und dem Arbeitszylinder zugeführt. Die Festlegung des Mischungsverhältnisses der Bestandteile in dem Verdampfer erfolgt durch genaues Einstellen von Druck und Temperatur in dem Verdampfer.
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Ein Nachteil einer derartigen Vorrichtung bzw. eines derartigen Verfahrens ist, dass die Temperatur der Bestandteile in dem Verdampfer nur sehr schwer genau eingestellt werden kann, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Ebenfalls nachteilig ist, dass das Arbeitsmedium während des Einbringens in den Arbeitszylinder und auch im Verdampfer im thermodynamischen Ungleichgewicht vorliegt und dieses schwer zu erzeugen und zu erhalten ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die bzw. das einfacher zu handhaben ist.
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Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass einem Arbeitszylinder der niedrig- und höhersiedende Bestandteil jeweils getrennt gesteuert bzw. geregelt zugeführt werden.
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Vorteilhaft beginnt das Einbringen eines zweiten Bestandteils nach dem Beginn des Einbringens eines ersten Bestandteils.
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Das Einbringen des zweiten Bestandteils beginnt vorteilhaft, wenn mind. 10%, bevorzugt mind. 30%, weiter bevorzugt mind. 50%, weiter bevorzugt mind. 75% und höchst bevorzugt mind. 100% der Einbringdauer des ersten Bestandteils erfolgt sind.
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In den Arbeitszylinder kann erst der niedrigsiedende und dann der höhersiedende Bestandteil oder umgekehrt eingebracht werden.
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Vorteilhaft beginnt das Einbringen des ersten Bestandteils, wenn der Arbeitskolben den oberen Totpunkt durchschritten hat.
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In einer ersten Variante erfolgt das Steuern des Einbringens der Bestandteile in einem festen Verhältnis zueinander (gesteuert), insbesondere über eine mechanische Steuerung, bspw. eine Ventilnockensteuerung.
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In einer zweiten Variante erfolgt das Steuern des Einbringens der Bestandteile in einem variablen Verhältnis zueinander (geregelt), insbesondere über eine elektrische Ventilregelung, in Abhängigkeit von der Messung mindestens einer Eingangsgröße.
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Als die mindestens eine Eingangsgröße für die Regelung kann der Druck im Arbeitszylinder und/oder die Temperatur am Auslassventil des Arbeitszylinders oder in demselben gemessen werden.
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Die Aufgabe wird vorrichtungsseitig dadurch gelöst, dass einem Arbeitszylinder der niedrigsiedende Bestandteil über einen ersten Arbeitszylindereinlass und der höhersiedende Bestandteil über einen zweiten Arbeitszylindereinlass jeweils gesteuert bzw. geregelt zugeführt werden.
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Vorteilhaft ist der niedrigsiedende Bestandteil mindestens teilweise ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid, ein Edelgas, ein Kohlenwasserstoffdampf oder Mischungen davon, und der höhersiedende Bestandteil eine Flüssigkeit, die sich mit dem niedrigsiedenden Bestandteil nicht verbindet.
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Bevorzugt ist der Abscheider ein Schwerkraftabscheider oder ein Zentrifugalabscheider.
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In einer ersten Variante ist eine mechanische Steuerung für das gesteuerte Zuführen der Bestandteile vorgesehen, insbesondere eine Ventilnockensteuerung, vorteilhaft eine verstellbare.
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In einer zweiten Variante ist eine elektromechanische Steuerung, insbesondere ein Mikroprozessor, für das gesteuerte Zuführen der Bestandteile vorgesehen, die vorteilhaft mit elektrisch gesteuerten Arbeitszylindereinlässen am Arbeitszylinder zusammenwirkt.
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Bevorzugt ist in einem Verdampfer ein Wärmetauscher vorgesehen, in dem der niedrigsiedende Bestandteil auf die gleiche Temperatur wie der höhersiedende Bestandteil gebracht wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen Verdampfer 1, einen Arbeitszylinder AZ, einen Kompressionszylinder KZ, einen Abscheider 11, eine Speisepumpe 18 und einen Generator Gen, der über eine Kurbelwelle KW mit dem Arbeitszylinder AZ und dem Kompressionszylinder KZ verbunden ist. In dem Verdampfer 1 ist ein Wärmetauscher 2 vorgesehen, der direkten Kontakt mit in dem Verdampfer 1 zu verdampfenden Wasser 3 und dabei entstehendem Wasserdampf 4 hat.
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Der Verdampfer 1 steht über Leitungen 5, 8 über Einlassventile V1 bzw. V2 in Verbindung mit dem Arbeitszylinder AZ. Der Arbeitszylinder AZ steht über ein Auslassventil V3 und eine Leitung 10 in Verbindung mit dem Abscheider 11. Der Kompressionszylinder KZ steht über eine Leitung 14 und ein Einlassventil V5 in Verbindung mit dem Abscheider 11 und über ein Auslassventil V4 und eine Leitung 15 in Verbindung mit dem Wärmetauscher 2 im Verdampfer 1. Der Abscheider 11 steht über eine Leitung 17 in Verbindung mit der Speisepumpe 18, die über eine Leitung 19 in Verbindung mit dem Verdampfer 1 steht.
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In der Vorrichtung der 1 wird als Arbeitsmedium ein Arbeitsmedium aus zwei Bestandteilen verwendet, die unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Ein niedrigsiedender Bestandteil ist vorliegend ein inertes Gas, Stickstoff, und der höhersiedende Bestandteil ist eine Flüssigkeit, nämlich Wasser. Die beiden Bestandteile gehen keine Mischung bzw. Verbindung miteinander ein.
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In dem Verdampfer 1 werden beide Bestandteile bei einem Druck von ca. 9 bar auf ca. 176°C erwärmt, indem von außen Wärme Q zugeführt wird, bspw. durch Verbrennen von Holz, Öl, Kohle oder Gas oder durch Solarenergie. Der niedrigsiedende Bestandteil Stickstoff ist in dem Wärmetauscher 2 geführt und der höhersiedende Bestandteil Wasser ist in dem Verdampfer 1 geführt, wobei der höhersiedende Bestandteil als Wasser 3 und als Wasserdampf 4 in dem Verdampfer 1 vorliegt.
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Der Wasserdampf 4 gelangt durch die Leitung 5 zum Einlassventil V1 des Arbeitszylinders AZ und der Stickstoff gelangt durch die Leitung 8 zum Einlassventil V2 des Arbeitszylinders AZ.
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In der Ausgangslage des Kolbens 6 des Arbeitszylinders AZ (oberer Totpunkt des Kolbens – das Volumen im Arbeitszylinder ist nahezu Null) wird das Einlassventil V1 geöffnet.
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Der Druck des Wasserdampfes drückt den Kolben 6 in 1 nach rechts, wodurch eine Expansionskammer 9 für das Arbeitsmedium gebildet wird. Nach ca. 2,5% einer vollständigen Hublänge schließt das Einlassventil V1 und das Einlassventil V2 öffnet sich. Durch die Leitung 8 strömt nun Stickstoff in den Arbeitszylinder AZ und drückt den Kolben 6 in 1 weiter nach rechts. Nach ca. 18% einer vollständigen Hublänge wird das Einlassventil V2 geschlossen.
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Der Kolben 6 bewegt sich nun bis zu seinem gegenüberliegenden Totpunkt (Volumen der Expansionskammer 9 ist maximal), das Arbeitsmedium in dem Arbeitszylinder AZ expandiert und wird dadurch abgekühlt. Auch der Druck nimmt in dem Arbeitszylinder durch die Expansion ab. Beide Parameter sinken soweit ab, bis die Dampfdrucktemperatur des Wasserdampfes unterschritten ist. Da der Wasserdampf dann seine Wärmeenergie an den Stickstoff abgibt (der Wasserdampf gibt seine Wärme solange an den Stickstoff ab, bis der Wasserdampf komplett kondensiert ist, kann das Gas nicht kühler werden, wodurch das Arbeitsmedium die maximal mögliche Arbeit verrichtet, wenn es über die Kurbelwelle den Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Am gegenüberliegenden Totpunkt (Volumen der Expansionskammer 9 ist maximal) beträgt der Druck noch ca. 1 bar und die Temperatur ca. 60°C.
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Am gegenüberliegenden Totpunkt (Volumen der Expansionskammer 9 ist maximal) öffnet sich das Auslassventil V3 und das Wasser und der Stickstoff werden aus der Expansionskammer des Arbeitszylinders AZ in die Leitung 10 und weiter in den Abscheider 11 gedrückt.
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Um das vollständige Ausschieben des Wasser zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Arbeitszylinder AZ liegende oder hängende Kolben aufweist. Das Auslassventil V3 ist dementsprechend an der unteren Seite des Zylinderkopfes anzuordnen.
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Die beiden Bestandteile Wasser und Stickstoff des Arbeitsmediums werden in dem Abscheider 11 wieder getrennt. Der Stickstoff 13 wird im gasförmigen Zustand über die Leitung 14 durch das Einlassventil V5 in den Kompressionszylinder KZ angesaugt. Das Auslassventil V4 des Kompressionszylinders öffnet sich und führt den Stickstoff über die Leitung 15 wieder dem Wärmetauscher 2 zu. Die Ventile V4 und V5 werden über den Druckunterschied selbstständig geöffnet und geschlossen, so dass keine aufwändige Ventilsteuerung nötig ist.
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Der Kompressionszylinder verdichtet das Gas wieder auf 9 bar. Durch eine nahezu adiabatische Kompression in dem Kompressionszylinder KZ wird der Stickstoff wieder auf ca. 176° erwärmt. Wenn der Kompressionszylinder KZ gekühlt wird, wird zwar die Leistung des Systems höher, dafür aber der Wirkungsgrad der Vorrichtung geringer.
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Der Kompressionszylinder KZ hat eine kleinere Förderleistung (Liter pro Zeiteinheit) als der Arbeitszylinder AZ. Dies kann bspw. durch eine kleinere Drehzahl im Betrieb oder einen kleineren Hubraum realisiert werden.
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Das vom Abscheider 11 abgeschiedene Wasser 12 gelangt über die Leitung 17 in die Speisepumpe 18, wird dort auf 9 bar verdichtet und durch die Leitung 19 in den Verdampfer 1 gedrückt.
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Der Kreislauf beginnt erneut.
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Die Steuerung für das Auslassventil V3 ist vorteilhaft so eingerichtet, dass das Auslassventil V3 öffnet, wenn der Kolben im unteren Totpunkt ist (Volumen im Arbeitszylinder AZ ist maximal), und schließt, kurz bevor der Kolben im oberen Totpunkt ist (Volumen im Arbeitszylinder AZ ist minimal).
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Eine mechanische Ventilsteuerung der Ventile V1, V2 und V3 kann über Nocken, die bspw. direkt auf der Kurbelwelle KW angeordnet sind, erfolgen.
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Die Lage eines Nockens auf der Kurbelwelle sowie die Länge des Nockens in Umfangsrichtung regeln das Öffnen und die Dauer der Öffnung des zu dem Nocken gehörigen Ventils.
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Die Nocken können auf die Ventile über Kipphebel, Pleuelstangen oder dgl. wirken. Alternativ kann eine Nockenwelle, die über eine vorteilhaft mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung stehende Kette, Zahnräder und Zahnriemen angetrieben ist, vorgesehen sein und sich mit der gleichen Drehzahl wie die Kurbelwelle dreht.
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Bei der mechanischen Ventilsteuerung können die Ventile V1, V2 und V3 als Drehventile, Tellerventile, Kolbenventile oder dgl. ausgeführt sein.
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Die Ventile V4 und V5 werden bevorzugt durch Druckunterschiede geöffnet bzw. geschlossen, damit sie unmittelbar auf die herrschenden Betriebszustände reagieren, und sind daher vorteilhaft so ausgeführt, dass der Druckunterschied diese Ventile auch öffnet bzw. schließt, wie z. B. Tellerventile.
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Bei einer mechanischen und verstellbaren Ventilsteuerung sind vorteilhaft drei Nockenwellen vorzusehen, um jedes der Ventile V1 bis V3 über einen Nocken auf jeweils einer Nockenwelle zu steuern. Alternativ ist für die Ventile V1 und V2 jeweils ein Nocken auf einer jeweiligen Nockenwelle vorgesehen, wobei das Ventil V3 über einen Kurbelwellennocken gesteuert wird. Die zwei bzw. drei Nockenwellen können zur Lage der Kurbelwelle KW durch Verändern der Lage eines Kettenspannerpaares, das auf die Treibmittel, die die Nockenwellen antreiben, einwirkt, indem es die Längen des Zugtrums bzw. Leertrums verändert, verdreht werden. Durch diese Vorrichtung kann also nur der Beginn bzw. das Ende des Einbringens verändert werden, nicht aber die Zeit, wie lange das Einbringen erfolgen soll. Eine Veränderung der Dauer der Öffnungszeiten kann demgegenüber z. B. durch Verstellen des Ventilspiels, durch z. B. Hydrostößel, erfolgen.
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Bei einer elektromechanischen Ventilsteuerung ist ein Winkelinkrementalgeber an der Kurbelwelle KW angeordnet, der die jeweilige Winkellage der Kurbelwelle KW an eine elektrische oder elektronische Steuerung ausgibt. Die Steuerung gibt in Abhängigkeit von der Winkellage Steuerungssignale an eine Verstelleinrichtung zum Öffnen und Schließen eines jeden Ventils aus, um die jeweiligen Ventile V1, V2 und V3 zu öffnen und zu schließen. In der Steuerung ist für jedes Ventil hinterlegt, bei welcher Winkellage der Kurbelwelle KW dieses zu öffnen und zu schließen ist.
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Das Steuersignal kann elektronisch oder elektrisch verstärkt werden, bevor es die Verstelleinrichtung erreicht.
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Als Ventile für die elektromechanische Steuerung können z. B. Magnetventile verwendet werden.
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Die Steuerung der Ventile kann, wie zuvor beschrieben, ausschließlich in Abhängigkeit der Winkellage der Kurbelwelle KW erfolgen (statische Steuerung). Vorteilhaft erfolgt die Steuerung der Ventile jedoch dynamisch in Abhängigkeit von bestimmten Zustandsgrößen. Als Zustandsgrößen kommen bspw. der Druck und die Temperatur in dem Arbeitszylinder AZ und die Temperatur am Auslassventil V3 aus dem Arbeitszylinder AZ in Betracht.
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Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad optimiert und hoch gehalten werden: In einem Fall ist die Temperatur am Ventil V3 zu hoch (z. B. über ca. 80°C bei einem Austrittsdruck von 1 bar), wodurch das Wasser nicht mehr komplett kondensiert. Um dem entgegen zu wirken, reduziert die Steuerung die Menge des eingeleiteten Wasserdampfes beim nächsten Zyklus. In einem anderen Fall fällt der Druck am Ende des Kolbenhubes im Arbeitszylinder unter 1 bar. Um dem entgegen zu wirken, bringt die Steuerung beim nächsten Zyklus mehr Arbeitsmedium ein.
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Baulich einfacher und schneller als bei einer mechanischen Verstellbarkeit der Ventile können bei einer elektromechanischen Verstellbarkeit der Ventile die Steuerzeiten der Ventile durch eine elektronische oder elektrische Steuerung und schnell schaltende Ventile variiert werden, damit schnell auf Zustandsgrößenänderungen reagiert werden kann. Eine Reaktion auf geänderte Zustandsgrößen kann während eines folgenden, insbesondere des nächsten, Zyklus erfolgen, wie oben beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdampfer
- 2
- Wärmetauscher
- 3
- Wasser (Hochdruck)
- 4
- Wasserdampf
- 5
- Leitung
- 6
- Kolben
- 8
- Leitung
- 9
- Expansionskammer
- 10
- Leitung
- 11
- Abscheider
- 12
- Wasser (Niederdruck)
- 13
- Stickstoff
- 14
- Leitung
- 15
- Leitung
- 17
- Leitung
- 18
- Speisepumpe
- 19
- Leitung
- AZ
- Arbeitszylinder
- Gen
- Generator
- KZ
- Kompressionszylinder
- KW
- Kurbelwelle
- Q
- Wärme
- V1
- erstes Einlassventil des Arbeitszylinders
- V2
- zweites Einlassventil des Arbeitszylinders
- V3
- Auslassventil des Arbeitszylinders
- V4
- Auslassventil des Kompressionszylinders
- V5
- Einlassventil der Kompressionszylinders
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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