DE102011008243A1

DE102011008243A1 - Verfahren zur Nutzung von geringer thermischer Energie, wie sie z.B. bei Abwärme entsteht (Abwärmekraftwerk/Verdunstungskraftwerk oder Kondensatkraftwerk, kurz VKW)

Info

Publication number: DE102011008243A1
Application number: DE201110008243
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-07-12

Abstract

Kurzfassung Technisches Problem Bisher wird die Abwärme von technischen Prozessen nicht genutzt, da die Energiedifferenz für zum Antrieb von Turbinen zu gering ist. Als Lösung gab es bisher die OCR-Turbine, die eine andere Flüssigkeit, die einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser hatte, verwendet. Lösung des Problems Entgegen den bisherigen Verfahrensweisen wird bei diesem Verfahren nicht der Dampf zur Energieerzeugung genutzt, sondern das Kondensat. Dazu wird als erstes die verwendete Flüssigkeit verdampft bzw. verdunstet. Eine Trennung des Dampf-/Luftgemisches (2) erfolgt durch den Seperator (3) der oberhalb des Verdampfers (1) angeordnet ist. Die abgeschiedene Flüssigkeit wird im Kollektor (4) gesammelt, der unter den Seperators (3) angeordnet ist. Die aufgefangene Flüssigkeit kann nun potentielle Energie abgegeben. Diese Energie läßt sich mit herkömmlichen Wasserturbinen (5) (oder ähnliche Maschinen zur Umwandlung von Druck in Energie) in andere Energieformen überführen. Anwendungsgebiet Diese Erfindung ist anwendbar bei allen Industrieanlagen, bei denen die verwendeten technischen Prozesse ein „kühles Ende” benötigerfindung modifiziert bzw. nachgerüstet werden. Zeichnung Bezeichnungsliste 1. Verdampfen/Verdunsten einer Flüssigkeit 2. Transport der Flüssigkeit durch Wärme nach oben (Kondensat/Luftgemisch) 3. Abscheidung der Feuchtigkeit am Seperator 4. Sammlung der Feuchtigkeit (Kollektor) 5. Umwandlung der gespeicherten potentiellen Energie (z. B. Turbine)

Description

Viele Verfahren, insbesondere thermomechanische Prozesse, benötigen neben dem heißen Teil ein sogenanntes kalte Ende. Dieses kalte Ende funktioniert über Wärmeaustausch. Die sogenannte Abwärme wird dabei an die Umwelt abgegeben. Da die Zustandsgrößen (Temperatur und Druck) beim kalten Ende eine sehr geringe Differenz zur Umwelt haben, wurde die Abwärme, die zum Teile bis zu 50% der eingesetzten Wärmemenge ausmacht, nicht weiter genutzt (vgl. beigefügte Quellen).
Bisherige Lösungen dieses Problems waren insbesondere bei Kraftwerken die sogenannte Kraft-Wärmekopplung, in dem insbesondere im Winter heißer Dampf aus gekoppelt wurde und als Fernwärme genutzt wurde. So wurde der Gesamtwirkungsgrad der Anlage gesteigert, der Anteil der erzeugten Nutzenergie, meist Strom, sinkt jedoch.
Eine weitere Alternative bei noch relativ hohen Temperaturen ist die OCR Turbine, die mit einer bei einer geringeren Temperatur als Wasser siedenden Flüssigkeit arbeitet. Das Wirkungsprinzip der OCR Turbine ist jedoch dem einer Dampfturbine gleich zu setzen und benötigt auch ein kaltes Ende.
Das Verdunstungskraftwerk (VWK) hingegen soll auch bei geringen Zustandsgrößen einen Beitrag zur Energiegewinnung leisten und somit den Gesamtwirkungsgrad der betreffenden Anlage steigern. Dabei wird das VWK einem herkömmlichen Kondensationskraftwerk bzw. thermischen Prozessen nachgeschaltet.
Die Wirkungsweise des VWK ist an den Wasserkreislauf angelehnt.
Der Wasserkreislauf besteht im Kern aus den Elementen

1. Verdunsten (im Meer)
2. Kondensieren
3. Regnen
4. Sammeln des Wassers und ins Meer fließen

Dabei nutzt der Mensch die Energie des Wassers im Schritt 4 (z. B. Flußkraftwerke oder Stauseen).
Da das VWK Energie zum Verdunsten oder Verdampfen einer Flüssigkeit benötigt, ist es kein Perpetomobile!
Das VWK besteht im wesentlichen aus 4 Kernelementen.

1. Den Wärmetauscher bzw. Verdampfer
2. Den Seperator
3. Den Kollektor
4. Die Turbine

Im ersten Schritt wird dabei die Kühlflüssigkeit im Verdampfer/Verdunster verdunstet. Es findet hierbei ein Wärmeaustausch statt. Der Dampf steigt in einem definierten Raum (z. B. Kühlturm oder Rohr) auf. Dabei kondensiert der Dampf. Der Verdampfer ist möglichst am unteren Ende des definierten Raums angeordnet
Die Flüssigkeitstropfen werden im zweiten Verfahrensschritt am Seperator von der Luft getrennt. Der Seperator kann z. B. als Filter, Membran oder als Tropfenabscheider ausgeführt werden. Der Seperator ist oberhalb vom Verdampfer/Verdunster angeordnet, möglichst am oberen Ende des definierten Raums.
Im dritten Schritt wird die im Seperator abgeschiedene Flüssigkeit im Kollektor gesammelt.
Die im Kollektor gesammelte Flüssigkeit steht nun für den vierten Verfahrensschritt zur Verfügung. Dabei wird die potentiellen Energie der Flüssigkeit in eine andere Energieform umgewandelt. Geeignet für diesen Verfahrensschritt sind unter anderem Turbinen.
Der Vorteil dieser Erfindung liegt darin, dass sie eine Möglichkeit schafft, wenigstens ein Teil der bisher nicht genutzten Energie von thermischen Prozessen zu nutzen und somit den Gesamtwirkungsgrad einer Anlage zu erhöhen. Der Vorteil dieses Verfahren ist, dass die geringe Differenz der thermische Zustandsgrößen (die damit thermomechanisch nicht nutzbar sind) durch den Übergang in die flüssige Phase verdichtet werden und somit wieder ein mechanische nutzbare Größe annehmen.
Das VWK kann dabei in Verschiedenen Modifikationen ausgeführt werden. Der Kühlkreislauf des VWK kann offen, geschlossen oder halb offen ausgeführt sein. Beim offenen Kreislauf wird Kühlwasser z. B. einen Bach entnommen und auch in diesen zurückgeführt.
(1)
Bei einem halboffenen Kreislauf wird Kühlwasser einem Bach entnommen, wird aber nicht zurückgeführt. Das Wasser verdunstet jedoch über Kühlmittelverluste.
(2)
Des geschlossene System stellt ein in sich geschlossener Kreislauf dar. Die Kühlflüssigkeit wird einmal eingefüllt und verbleibt im System. Ein Verdunsten in die Umwelt ist nicht vorgesehen. Der Seperator und Kollektor kann als eigenständige Kondensationskammer zusammengefasst werden.
(3)
Das VWK kann einstufig oder mehrstufig aufgeführt werden.
Die VWK kann mit Regel- bzw. Steuereinrichtungen ausgerüstet sein.
Insbesondere bei dem geschlossenen Kreislauf kann die Kühlflüssigkeit eine andere Flüssigkeit als Wasser sein.
VWK, die mit einem geschlossen Kreislauf arbeiten, können im Bereich des Verdampfers mit einem anderen Druck als den atmosphärischen Druck arbeiten.
Ein VWK kann bei einer geringen Wärmequelle der einziger Prozess sein, der zur Anwendung kommt. (Zum Beispiel: Erzeugung von Strom aus Solarthermie oder Erdwärme)
Ein VWK kann bei bestehenden Anlagen nachgerüstet werden, um die bisher nicht genutzte Wärme zu nutzen. Bestehende Kühltürme können dabei genutzt werden. Das optimale VWK muss dabei den Umgebungsbedingungen angepasst werden. Bei einem Nasskühlturm bietet sich die Verwendung der offenen oder halb geschlossen Kreisläufe an, während bei Trockenkühltürmen die Verwendung eines geschlossen Kreislaufes eher geeignet scheint.
Bezugszeichenliste
zu Fig. 1

1: Separator
2: Kollektor
3: Turbine
4: a) Rücklauf Kühlwasser (warm) z. B. in Fluß oder See b) Rücklauf Kühlwasser von der Turbine in einen Fluß oder See
5: Rücklauf Speisewasser (kalt)
6: Zulauf Speisewasser (warm)
7: Zulauf Kühlwasser (kalt) z. B. aus Fluß oder See
8: Verdunstereinheit
9: Luft-Wasserdampfgemisch
10: Wärmetauscher einer Wärmemaschine (z. B. Kraftwerk)

1: Separator
2: Kollektor
3: Turbine
4: Rücklauf Kühlwasser (warm)
5: Rücklauf Speisewasser (kalt)
6: Zulauf Speisewasser (warm)
7: Zulauf Kühlwasser (kalt) z. B. aus Fluß oder See
8: Verdunstereinheit
9: Luft-Wasserdampfgemisch
10: Wärmetauscher einer Wärmemaschine (z. B. Kraftwerk)

1: Kondensationskammer, teilweise mit kondensierter Flüssigkeit gefüllt
2: Turbine
3: Verdunstungs/-Verdampfungseinheit. Teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt
4: Zulauf von Wärmequelle, z. B. Sonnenkollektor
5: Rücklauf vom Wärmetauscher zum Sonnenkollektor
6: Regelventil

Claims

Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte 1 Verdunsten einer Flüssigkeit in einer Verdunstungseinheit 2 Kondensieren der Flüssigkeit in einem Bereich, der oberhalb der Verdunstungseinheit liegt (Separator oder Kondensationskammer) 3 Auffangen der Flüssigkeit im Kollektor 4 Umwandeln der potentiellen Energie in Nutzenergie
Verfahren nach 1, bei dem der erste Verfahrensschritt durch das Verdampfen der Flüssigkeit ersetzt wird.
VWK arbeitend nach Patentanspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende konstruktive Merkmale • Verdunstungseinheit, die eine Flüssigkeit verdunstet • einen Separator, der die Flüssigkeit von einem Luftgemisch trennt und der oberhalb der Verdunstungseinheit positioniert ist • einen begrenzten für den Flüssigkeitsdampf undurchdringlichen Raum, der die Verdunstungseinheit mit dem Separator verbindet • einen Kollektor, der die vom Separator abgeschiedene Flüssigkeit sammelt und unterhalb des Separators aber oberhalb der Verdunstungseinheit positioniert ist • eine Kraftmaschine, die die Energie der Flüssigkeit in Nutzenergie umwandelt (z. B. Hydraulikmotor, Turbine).
VKW nach 3 gekennzeichnet dadurch, dass der Verdunstungseinheit zusätzliche thermische Energie zugeführt wird.
VKW nach 3 und 4 gekennzeichnet dadurch, dass Separator und Kollektor in einer Einheit zusammengefasst werden (Kondensationskammer).
VKW nach 3 oder 4 gekennzeichnet dadurch, dass die Flüssigkeit in einer Verdampfungseinheit siedet
VKW nach 3 bis 6 die über zusätzliche Steuereinheiten bzw. Regeleinheiten verfügen
VKW nach 3 bis 7 gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich Niederschlag im Kollektor aufgefangen wird und zur Nutzenergiegewinnung bereitgestellt wird.
VKW nach 3 bis 8 gekennzeichnet dadurch, dass das VWK mehrstufig ausgeführt ist, also eine Vielzahl der unter 3 bis 5 genannten Komponenten verwendet wird.
VKW nach 3 bis 9 gekennzeichnet dadurch dass das Verfahren in bereits bestehende Anlagen nachgerüstet wird.