DE102011053428B4

DE102011053428B4 - Verfahren zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102011053428B4
Application number: DE102011053428.8A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Steinmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2031-09-10
Also published as: DE102011053428A1

Abstract

Verfahren zur Bereitstellung mechanischer Energie, welches die folgenden Schritte umfasst: a) eine Umwandlungseinheit (2) mit einem teilweise mit einer Flüssigkeit befüllten evakuierbaren Behälter (3), der an seinem unteren Endbereich einen Einlass (4) und an seinem oberen Endbereich einen Auslass (5) für ein Arbeitsmedium aufweist, und mit einer in dem Behälter (3) angeordneten und in die Flüssigkeit eingetauchten Rotationsvorrichtung (6) wird bereitgestellt, b) ein gasförmiges Arbeitsmedium wird in dem unteren Endbereich des Behälters (3) bereitgestellt, c) das gasförmige Arbeitsmedium steigt gemäß dem Archimedischen Prinzip in der Flüssigkeit auf und expandiert infolge des abnehmenden Druckes, d) die Rotationsvorrichtung (6) wird durch das aufsteigende und expandierende gasförmige Arbeitsmedium angetrieben, e) das gasförmige Arbeitsmedium tritt im oberen Endbereich des Behälters (3) aus der Flüssigkeit aus, f) das gasförmige Arbeitsmedium wird durch einen im oberen Endbereich des Behälters (3) vorgesehenen Auslass (5) aus dem Behälter geführt, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umwandlungseinheiten (2) gemäß Merkmal a) bereitgestellt und in Reihe geschaltet werden und das gasförmige Arbeitsmedium durch diese geführt wird, wobei es jeweils aus dem oberen Endbereich des Behälters (3) einer Umwandlungseinheit (2) in den unteren Endbereich des Behälters (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit (2) geleitet und auf diese Weise dort bereitgestellt wird, so dass es unter Durchführung der Verfahrensschritten c) bis f) in dem Behälter (3) aufsteigt, und dass der Druck in den Behältern (3) der Umwandlungseinheiten (2) derart reguliert wird, dass er jeweils am Auslass (5) des Behälters (3) einer Umwandlungseinheit (2) höher ist als im unteren Endbereich des Behälters (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit (2) und dass das gasförmige Arbeitsmedium bereitgestellt wird, indem ein flüssiges Arbeitsmedium bei einem vorgegebenen Umgebungsdruck auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird, derart, dass das flüssige Arbeitsmedium vor und/oder bei Eintritt in den Behälter (3) verdampft oder ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung mechanischer Energie, welches die folgenden Schritte umfasst:

a) eine Umwandlungseinheit mit einem teilweise mit einer Flüssigkeit befüllten evakuierbaren Behälter, der an seinem unteren Endbereich einen Einlass und an seinem oberen Endbereich einen Auslass für ein Arbeitsmedium aufweist, und mit einer in dem Behälter angeordneten und in die Flüssigkeit eingetauchten Rotationsvorrichtung wird bereitgestellt,
b) ein gasförmiges Arbeitsmedium wird in dem unteren Endbereich des Behälters bereitgestellt,
c) das gasförmige Arbeitsmedium steigt gemäß dem Archimedischen Prinzip in der Flüssigkeit auf und expandiert infolge des abnehmenden Druckes,
d) die Rotationsvorrichtung wird durch das aufsteigende und expandierende gasförmige Arbeitsmedium angetrieben,
e) das gasförmige Arbeitsmedium tritt im oberen Endbereich des Behälters aus der Flüssigkeit aus,
f) das gasförmige Arbeitsmedium wird durch einen im oberen Endbereich des Behälters vorgesehenen Auslass aus dem Behälter geführt,

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
An Verfahren bzw. Vorrichtungen, die eine effiziente und somit wirtschaftlich attraktive Umwandlung von Niedertemperaturwärme in mechanische Energie ermöglichen, besteht ein großes Interesse. Derartige Verfahren und Vorrichtungen, mit Hilfe derer beispielsweise geothermale und solare Energie zur Stromerzeugung genutzt werden kann, sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. In der Veröffentlichung „Buoyancy organic Rankine cycle” von J. Schoenmaker et al., Journal of Renewable Energy 36 (2011) 999–1002 beispielsweise werden Forschungsergebnisse zu einem Verfahren und einer Vorrichtung offenbart, durch die es ermöglicht wird, thermische Energie unter Ausnutzung eines in einer Flüssigkeit aufsteigenden Arbeitsmediums in mechanische Energie umzuwandeln. Die Vorrichtung umfasst eine Druckvorrichtung, in welcher ein flüssiges Arbeitsmedium auf einen vorgegebenen Druck gebracht und unter Verwendung einer solaren/geothermalen Wärmequelle erwärmt und verdampft wird. Das gasförmige Arbeitsmedium wird anschließend aus der Druckvorrichtung in einen unteren Endbereich eines nahezu vollständig mit Wasser befüllten Behälters geleitet. Das gasförmige Arbeitsmedium steigt in dem Behälter gemäß dem Archimedischen Prinzip auf und expandiert infolge des mit zunehmender Aufstiegshöhe abnehmenden Druckes. In dem Behälter ist eine vollständig in das Wasser eingetauchte Rotationsvorrichtung vorgesehen, die in der Art eines Becherwerkes ausgebildet ist, welches eine Mehrzahl von Auffangkammern umfasst. Diese sind umlaufend an einer Förderkette angeordnet und werden unter Ausnutzung des in dem Behälter aufsteigenden gasförmigen Arbeitsmediums auf einer geschlossenen Bahn durch den Behälter bewegt. Dabei wird das gasförmige Arbeitsmedium von den Auffangkammern jeweils im unteren Endbereich des Behälters nahe des Einlasses unter Verdrängung des in den Auffangkammern befindlichen Wassers aufgenommen. Die mit dem gasförmigen Arbeitsmedium befüllten Auffangkammern werden durch das aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium auf einem vertikal durch den Behälter verlaufenden Antriebsabschnitt, der Teil der geschlossenen Bahn ist, nach oben bewegt. Auf diesem Wege wird die Rotationsvorrichtung angetrieben und die vorhandene Bewegungsenergie kann beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden. Im oberen Endbereich des Behälters tritt das gasförmige Arbeitsmedium aus den Auffangkammern und der Flüssigkeit aus und wird durch einen Auslass aus dem Behälter geführt. Das gasförmige Arbeitsmedium wird anschließend kondensiert und in die Druckeinrichtung zurückgeleitet, um erneut verdampft und in den Behälter eingeleitet werden zu können.
Im Rahmen der Veröffentlichung werden als Arbeitsmedien aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften Pentan und Dichlormethan genannt. Da die Effizienz des Energieumwandlungsvorganges mit der Höhe der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeitssäule und somit der vom Arbeitsmedium durchlaufenen Druckdifferenz ansteigt, werden für die Behälter Bauhöhen von etwa 50 bis 70 m vorgeschlagen. Die konstruktive Umsetzung einer Vorrichtung, die einen Behälter dieser Höhe umfasst, ist mit beachtlichem konstruktiven Aufwand verbunden.
Aus der US 2006/0064975 A1 gehen ein Verfahren und ein System zur Bereitstellung mechanischer Energie der eingangs genannten Art hervor, bei denen Luft in einer Flüssigkeitssäule aufsteigt. Das System umfasst einen zylinderförmigen Turm in dem die Flüssigkeit gelagert ist. Es ist ferner eine in die Flüssigkeit eingetauchte in der Art eines Becherwerkes ausgebildete Rotationsvorrichtung vorgesehen, an der eine Mehrzahl von Auffangkammern ausgebildet ist. Im unteren Endbereich des Turms sind Versorgungsmittel angeordnet, über welche die als Arbeitsgas verwendete Luft in den unteren Endbereich des Turmes eingelassen wird. Die Versorgungsmittel umfassen Gasversorgungsmittel, durch welche die Luft im komprimierten Zustand in eine im unteren Bereich des Innenraums des Turmes vorgesehen Leitung eingelassen wird. Zur Bereitstellung der komprimierten Luft kommt ein Luftkompressor zum Einsatz, der an der Außenseite des Turms vorgesehen ist. Die Gasversorgungsmittel umfassen ferner einen Luftkreislauf, durch den von dem Luftkompressor bereitgestellte komprimierte Luft in das Innere einer Leitung geführt wird, die im unteren Bereich des Turms vorgesehen ist. Die Leitung weist in ihrer Wandung eine Vielzahl von Löchern eines sehr kleinen Durchmessers auf, durch welche Luft in Form von Bläschen in die Flüssigkeit im Inneren des Turmes eintritt. Es ist ferner eine Düse vorgesehen, durch welche die aus den Löchern austretenden Gasbläschen gesammelt und jeweils in die Auffangkammer der Rotationsvorrichtung geleitet werden. Auf diese Weise werden nacheinander sämtliche Auffangkammern befüllt und die Rotationsvorrichtung wird durch die in der Flüssigkeit aufsteigenden Gasbläschen angetrieben. Die vorhandene Rotationsenergie wird zum Antrieb eines Generators abgegriffen und so zur Bereitstellung von elektrischer Leistung genutzt.
An dem vorbekannten System wird als nachteilig empfunden, dass die elektrische Energie, die unter Nutzung der Bewegung der Rotationsvorrichtung bereitgestellt wird, diejenige elektrische Energie, welche für den Betrieb des Luftkompressors erforderlich ist, in der Regel nicht übersteigen wird. Für den Fall, dass in der Vorrichtung reibungsbedingt nicht unbeachtliche Verluste auftreten, kann sogar mehr elektrische Energie zum Betrieb des Kompressors erforderlich sein, als durch die Rotation der Rotationsvorrichtung bereitgestellt werden kann. Die Druckschrift schlägt alternativ zum Einsatz des Kompressors die Nutzung von vorhandenen Quellen komprimierter Luft vor, beispielsweise Abgase, die von einer Fabrik in die Umgebung ausgelassen werden oder Abgase, die von einer Verbrennungsmaschine an die Umgebung abgegeben werden. Hierdurch kann gegebenenfalls vermieden werden, dass mehr Strom verbraucht als gewonnen wird. Dafür ist man jedoch darauf angewiesen eine derartige Quelle komprimierter Luft zur Verfügung zu haben, was nicht immer der Fall ist.
Darüber hinaus wird als nachteilig empfunden, dass der Turm der offenbarten Vorrichtung, um eine gute Energieumwandlungseffizienz zu gewährleisten, eine beachtliche Höhe aufweisen muss, da die Effizienz des Systems von der durchlaufenen Druckdifferenz abhängt.
Die US 6,447,243 B1 offenbart ferner eine Auftriebs-Kraftmaschine, die ein in einem Gehäuse angeordnetes rotierendes Rad umfasst. An dem Rad sind in Umfangsrichtung beabstandet Auffangkammern vorgesehen. Das Rad wird durch ein Arbeitsgas, welches über eine Gas-Zufluss-Leitung sowie durch eine Venturi-Leitung in das Gehäuse eintritt, angetrieben. Um das Arbeitsgas in das Gehäuse zu führen, ist der Gas-Zufluss-Leitung eine Gebläseleitung vorgeschaltet, in der ein Gebläse angeordnet ist, über welches das Arbeitsgas durch die Gebläseleitung und die Gas-Zufluss-Leitung in die Aufnahmekammern gepumpt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben, welches sich durch eine akzeptable Effizienz auszeichnet und mit geringem konstruktiven Aufwand und somit geringen Kosten verbunden ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass mehrere Umwandlungseinheiten gemäß Merkmal a) bereitgestellt und in Reihe geschaltet werden und das gasförmige Arbeitsmedium durch diese geführt wird, wobei es jeweils aus dem oberen Endbereich des Behälters einer Umwandlungseinheit in den unteren Endbereich des Behälters der nachfolgenden Umwandlungseinheit geleitet und auf diese Weise dort bereitgestellt wird, so dass es unter Durchführung der Verfahrensschritten c) bis f) in dem Behälter aufsteigt, und dass der Druck in den Behältern der Umwandlungseinheiten derart reguliert wird, dass er jeweils am Auslass des Behälters einer Umwandlungseinheit höher ist als im unteren Endbereich des Behälters der nachfolgenden Umwandlungseinheit und dass das gasförmige Arbeitsmedium bereitgestellt wird, indem ein flüssiges Arbeitsmedium bei einem vorgegebenen Umgebungsdruck auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird, derart, dass das flüssige Arbeitsmedium vor und/oder bei Eintritt in den Behälter verdampft oder das gasförmige Arbeitsmedium bereitgestellt wird, indem ein flüssiges Arbeitsmedium einer vorgegebenen Temperatur im unteren Endbereich des Behälters der Umwandlungseinheit bereitgestellt wird und der Druck im oberen Endbereich des Behälters derart eingestellt wird, dass im unteren Endbereich des Behälters ein Druck herrscht, bei dem das flüssige Arbeitsmedium der vorgegebenen Temperatur siedet.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 16 gelöst.
Der Erfindung liegt demgemäß die Idee zugrunde, mehrere Umwandlungseinheiten bereitzustellen, die der Reihe nach von dem gasförmigen Arbeitsmedium durchströmt werden. Dazu wird das gasförmige Arbeitsmedium zunächst in den unteren Endbereich des Behälters der ersten Umwandlungseinheit eingelassen, steigt gemäß dem Archimedischen Prinzip in der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit auf und expandiert infolge des mit zunehmender Höhe abnehmenden Druckes. Die in dem Behälter vorgesehene Rotationsvorrichtung wird dabei durch das aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium angetrieben. Im oberen Endbereich des Behälters tritt das Arbeitsmedium aus der Flüssigkeit aus. Der Druck ist derart reguliert, dass er dort höher ist als im unteren Endbereich des Behälters der nachfolgenden Umwandlungseinheit, wodurch die Überleitung des gasförmigen Arbeitsmediums in die nächste Umwandlungseinheit gewährleistet wird. Das gasförmige Arbeitsmedium tritt dabei durch einen im oberen Endbereich des Behälters der ersten Umwandlungseinheit vorgesehenen Auslass aus dem Behälter und wird über einen im unteren Endbereich des Behälters der nachfolgenden Umwandlungseinheit vorgesehenen Einlass in den nachfolgenden Behälter geleitet. Aus- und Einlass sind zu diesem Zweck über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden. Nachdem das gasförmige Arbeitsmedium in den Behälter der nachfolgenden Umwandlungseinheit gelangt ist, steigt es in gleicher Weise in diesem auf und treibt die dort vorgesehene Rotationsvorrichtung an. Der Vorgang wird gemäß der vorliegenden Erfindung in den Behältern aller Umwandlungseinheiten in der Reihe absolviert.
Der Druck in den Behältern nimmt damit von Umwandlungseinheit zu Umwandlungseinheit ab. Im oberen Endbereich des Behälters der letzten Umwandlungseinheit der Reihe, also am Druckminimum der Anordnung, kann beispielsweise ein Druck herrschen, der deutlich unterhalb des atmosphärischen Druckes liegt.
Während das gasförmige Arbeitsmedium durch die Kette von Umwandlungseinheiten propagiert expandiert es infolge des sinkenden Druckes stetig. Diesem Umstand kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Rechnung getragen werden, indem vorgesehen ist, dass das Volumen des Behälters einer Umwandlungseinheit kleiner ist als das Volumen des Behälters der nachfolgenden Umwandlungseinheit. Zusätzlich kann das Aufnahmevolumen der in dem Behälter einer Umwandlungseinheit vorgesehenen Auffangkammern kleiner sein als das Aufnahmevolumen der Auffangkammern in dem Behälter der nachfolgenden Umwandlungseinheit.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird gegenüber dem Stand der Technik ein kompakter Aufbau der Vorrichtung ermöglicht. Es ist nicht nötig, eine Umwandlungseinheit mit einem Behälter bereitzustellen, der eine Höhe von mehreren 10 m aufweist, sondern es werden mehrere Umwandlungseinheiten mit Behältern verwendet, in denen Flüssigkeitssäulen von beispielsweise einigen Metern Höhe vorgesehen sind. Da sich die Gesamtdruckdifferenz infolge der Anordnung der Behälter in einer Druckkaskade aus der Summe der Druckdifferenzen der einzelnen Flüssigkeitssäulen ergibt, durchläuft das gasförmige Arbeitsmedium trotz des kompakten Aufbaus der Vorrichtung eine Gesamtdruckdifferenz beachtlicher Höhe, wodurch eine ausreichende Effizienz des Energieumwandlungsvorganges gewährleistet wird.
Vorteilhafter Weise sind die Behälter der Umwandlungseinheiten räumlich nah beieinander angeordnet. Die Behälter nebeneinanderliegender Umwandlungseinheiten können insbesondere gemeinsame Wandungen aufweisen können. Auf diesem Wege kann Material eingespart werden, da die Wandungen nur durch die zu dem jeweils benachbarten Behälter vorherrschende Druckdifferenz beansprucht werden, die im Allgemeinen wesentlich geringer ist, als die Differenz zum Umgebungsdruck. Demzufolge können die Wandungen eine geringere Materialstärke aufweisen.
In den Behältern der Umwandlungseinheiten befindet sich jeweils eine Rotationsvorrichtung, welche in an sich bekannter Weise durch das aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium angetrieben wird. Die infolge der Umwandlung vorhandene mechanische Energie wird einer weiteren Nutzung zugeführt, sie kann insbesondere zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Dafür kann an der Rotationsvorrichtung eine Abtriebswelle vorgesehen sein, welche die Rotationsvorrichtung mit einem Generator verbindet, um die mechanische in elektrische Energie umzuwandeln. Alternativ kann die Rotationsvorrichtung Lager umfassen, in welchen Generatoren integriert sind.
Selbstverständlich ist auch möglich, dass mehrere Rotationsvorrichtungen in dem Behälter einer Umwandlungseinheit, bzw. in den Behältern aller Umwandlungseinheiten angeordnet sind, die parallel angetrieben werden. Dabei können insbesondere mehrere Einlässe in den unteren Endbereichen der Behälter vorgesehen sein, wobei dann beispielsweise jeder Rotationsvorrichtung ein Einlass zugeordnet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise Niedertemperaturwärme, insbesondere im Bereich von 50°C bis 150°C, wie sie in vielen industriellen Prozessen als Abwärme zur Verfügung steht, zur Stromerzeugung genutzt werden, wobei ein akzeptabler Wirkungsgrad erreicht wird. Die Vorrichtung kann konstruktiv mit vergleichsweise geringem finanziellen Aufwand realisiert werden, wodurch eine Nutzung von Niedertemperaturwärme in größerem Umfang möglich wird. Auch geothermaler Energiequellen und Solarenergie können gemäß der vorliegenden Erfindung zur Stromerzeugung verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ferner hervorragend geeignet, um alternativ zu den Endstufen konventioneller Dampfturbinen eingesetzt zu werden. Dafür kann beispielsweise in an sich bekannter Weise zunächst in einer konventionellen Dampfturbine Wasserdampf bis auf Atmosphärendruck entspannt werden. Der erhaltene Wasserdampf vergleichsweise niedrigen Druckes wird dann in eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingeleitet, in welcher thermische in mechanische Energie umgewandelt wird. Die mechanische Energie kann im Anschluss zur Stromerzeugung genutzt werden. Darüber hinaus ist es dabei möglich, die thermische Energie nicht unmittelbar in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umzuwandeln, sondern diese zunächst zur Erwärmung eines kostengünstigen Wasserreservoirs zu verwenden. Die in dem Zwischenspeicher zur Verfügung stehende thermische Energie kann dann bedarfsgerecht in eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingekoppelt werden, in welcher diese Umgewandelt wird, um anschließend einer weiteren Nutzung zugeführt werden zu können.
Alternativ ist vorgesehen, dass das gasförmige Arbeitsmedium bereitgestellt wird, indem ein flüssiges Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, bei einem vorgegebenen Umgebungsdruck auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird, derart, dass das flüssige Arbeitsmedium vor und/oder bei Eintritt in den Behälter verdampft. So kann in an sich bekannter Weise gasförmiges Arbeitsmedium vor Eintritt in den Behälter durch Erwärmung bei einem vorgegebenen Umgebungsdruck bereitgestellt werden, wie es beispielsweise auch im Rahmen des Clausius-Rankine-Kreisprozesses erfolgt.
Das gasförmige Arbeitsmedium kann zusätzlich oder alternativ in Form von Entspannungsdampf bereitgestellt werden. Dazu weist das Arbeitsmedium vor Eintritt in den Behälter der Umwandlungseinheit eine Temperatur auf, die oberhalb der Siedetemperatur liegt, die dem in dem unteren Endbereich des Behälters vorherrschenden Druck entspricht. Bei Eintritt in den Behälter kühlt das Arbeitsmedium dann unter Bildung von Entspannungsdampf auf die dem dort vorherrschenden Druck entsprechende Siedetemperatur ab.
Eine weiter Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das gasförmige Arbeitsmedium bereitgestellt wird, indem ein flüssiges Arbeitsmedium einer vorgegebenen Temperatur, insbesondere Wasser, im unteren Endbereich des Behälters der Umwandlungseinheit bereitgestellt wird und der Druck im oberen Endbereich des Behälters derart eingestellt wird, dass im unteren Endbereich des Behälters ein Druck herrscht, bei dem das flüssige Arbeitsmedium der vorgegebenen Temperatur siedet. Steht beispielsweise eine Wärmequelle mit einer vorgegebenen Temperatur zur Verfügung, so wird der Druck in dem oberen Endbereich des Behälters gezielt so eingestellt, dass im unteren Bereich der Flüssigkeitssäule der dieser Temperatur entsprechende Siededruck vorherrscht. Das flüssige Arbeitsmedium der vorgegebenen Temperatur siedet bei diesem Druck, wodurch gasförmiges Arbeitsmedium bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im unteren Endbereich des Behälters wenigstens einer Umwandlungseinheit sowohl gasförmiges Arbeitsmedium aus dem Behälter der unmittelbar vorhergehenden Umwandlungseinheit als auch gasförmiges Arbeitsmedium einer vorgegebenen Temperatur und unter einem vorgegebenen Druck als Frischgas zugeführt wird. Die erfindungsgemäße Aufteilung der von dem gasförmigen Arbeitsmedium zu durchlaufenden Druckdifferenz in einzelne Stufen, die auf die Behälter mehrerer Umwandlungseinheiten verteilt sind, ermöglicht es, dass gasförmiges Arbeitsmedium und somit Energie zusätzlich in den unteren Endbereich der Behälter der einzelnen Umwandlungseinheiten als Frischgas eingeleitet werden kann. So ist es möglich, bei unterschiedlichen Temperaturen Energie in das System einzukoppeln, wodurch beispielsweise eine optimale Nutzung von zur Verfügung stehender Abwärme gewährleistet wird. Darüber hinaus kann durch das zusätzliche Einleiten von gasförmigem Arbeitsmedium als Frischgas in den unteren Endbereich der Behälter ein hoher Volumenstrom von in den Behältern aufsteigendem Arbeitsmedium erzielt werden.
Das Arbeitsmedium kann in vorteilhafter Ausgestaltung in einem im unteren Endbereich eines Behälters vorgesehenen Zwischenbehälter bereitgestellt und dort insbesondere erwärmt werden. Der Zwischenbehälter ist beispielsweise mit flüssigem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, befüllt, welches in diesem erwärmt wird, um es zum sieden zu bringen. Dafür ist insbesondere eine Wärmequelle in dem Zwischenbehälter vorgesehen. Das flüssige Arbeitsmedium kann dabei auch durch die Flüssigkeit bereitgestellt werden, mit welcher der Behälter befüllt ist.
Selbstverständlich kann in dem Behälter jeder Umwandlungseinheit ein Zwischenbehälter vorgesehen sein. In diesem Falle wird das gasförmige Arbeitsmedium aus dem Behälter der vorangehenden Umwandlungseinheit über eine Verbindungsleitung in den Zwischenbehälter der nachfolgenden Umwandlungseinheit geleitet und so dort bereitgestellt. Darüber hinaus kann in allen Zwischenbehältern zur Erwärmung eine Wärmequelle vorgesehen sein.
Wasser ist als Arbeitsmedium besonders geeignet, da es keine Gefährdung für Mensch und Umwelt darstellt, günstig ist und in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.
Insbesondere das charakteristische Verhalten von Wasser im Siedezustand bei niedrigen Drücken kann erfindungsgemäß vorteilhaft genutzt werden. Die massenspezifische Auftriebsleitung von Wasser im Sattdampfzustand ist bei niedrigeren Siedetemperaturen und entsprechend niedrigeren Sättigungsdrücken größer als bei höheren Siedetemperaturen. Eine Umwandlung von thermischer in mechanische Energie unter Ausnutzung von Auftriebskräften gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt demgemäß bevorzugt im niedrigen Druckbereich.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das gasförmige Arbeitsmedium unter Verwendung geothermaler Energie und/oder Solarenergie bereitgestellt wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Rotationsvorrichtungen der Umwandlungseinheiten jeweils in der Art eines Becherwerkes ausgebildet sind, welches eine Mehrzahl von Auffangkammern umfasst, die entlang einer geschlossenen Bahn mit einem sich von unten nach oben erstreckenden Antriebsabschnitt durch den Behälter bewegt werden, wobei das gasförmige Arbeitsmedium von den Auffangkammern jeweils im unteren Endbereich des Antriebsabschnitts aufgefangen wird und die Auffangkammern durch das aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium entlang des Antriebsabschnittes nach oben bewegt werden. Eine Rotationsvorrichtung in der Form eines Becherwerkes ist besonders geeignet, um gemäß der vorliegenden Erfindung thermische Energie unter Ausnutzung des in der Flüssigkeit aufsteigenden gasförmigen Arbeitsmediums in mechanische Energie umzuwandeln. Das gasförmige Arbeitsmedium, welches in den unteren Endbereich des Behälters der Umwandlungseinheit eingelassen wird, wird dazu von den Auffangkammern aufgenommen und verdrängt das darin befindliche Wasser. Das gasförmige Arbeitsmedium steigt gemäß dem archimedischen Prinzip in der Flüssigkeit auf und expandiert infolge des mit zunehmender Aufstiegshöhe abnehmenden Druckes. Die mit gasförmigem Arbeitsmedium befüllten Auffangkammern werden infolge dessen in der Flüssigkeit entlang eines von unten nach oben auf der geschlossenen Bahn verlaufenden Antriebsabschnittes nach oben bewegt. Auf diesem Wege wird die Rotationsvorrichtung angetrieben.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich der Antriebsabschnitt im Wesentlichen vertikal durch den Behälter erstreckt. Durch diese Anordnung wird eine effiziente Nutzung der auf das gasförmige Arbeitsmedium wirkenden Auftriebskraft zum Antrieb der Rotationsvorrichtung gewährleistet.
Alternativ ist die geschlossene Bahn im Wesentlichen kreisförmig, womit konstruktive Vorteile verbunden sein können. Darüber hinaus kann im Allgemeinen eine hohe Rotationszahl der Rotationsvorrichtung und somit ein hoher Volumenstrom von in der Flüssigkeit aufsteigendem gasförmigem Arbeitsmedium erreicht werden. Bei dieser Ausgestaltung kann ferner vorgesehen sein, dass die Rotationsachse der Rotationsvorrichtung zur Horizontalen geneigt liegt und die Rotationsvorrichtung dementsprechend eine Drehbewegung in einer geneigten Ebene durchführt. Auf diesem Wege kann bei Bedarf erreicht werden, dass von dem gasförmigen Arbeitsmedium eine geringere Druckdifferenz durchlaufen wird, bei gleichzeitig hohem Volumenstrom.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Flüssigkeit in den Behältern Wasser oder ein Wasser-Öl-Gemisch verwendet wird. Wasser ist hervorragend geeignet, um die Vorrichtung gefahrenarm und umweltfreundlich zu betreiben. Alternativ kann ein Wasser-Öl-Gemisch verwendet werden, wodurch ein einwandfreier Betrieb der Rotationsvorrichtung gewährleistet wird. Handelt es sich bei dem Trägerelement, an welchem die Auffangkammern der Rotationsvorrichtung vorgesehen sind, beispielsweise um eine Förderkette, so kann durch das Öl eine Schmierung der Kette erfolgen und es wird ein Bewegungsablauf mit vergleichsweiser geringer Reibung ermöglicht.
Darüber hinaus können alle Behälter im Wesentlichen bis zur gleichen Höhe mit Flüssigkeit befüllt sein. Diese Ausführungsform lässt sich auf einfachem Wege konstruktiv umsetzen, da Behälter gleicher Bauhöhe zum Einsatz kommen. Die Vorrichtung wird in vertikaler Ausdehnung möglichst kompakt gehalten. Für eine besonders simple Ausführungsform ist es auch möglich baugleiche Behälter zu verwenden.
Alternativ kann bei der Wahl der Höhen der Flüssigkeitssäulen der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Siedetemperatur und dem Dampfdruck berücksichtigt werden. Die in den Behältern durch die Höhe der Flüssigkeitssäule gewählte Druckdifferenz kann dann beispielsweise mit abnehmender Temperatur ebenfalls abnehmen, wodurch die Leistungsdifferenz zwischen den Behältern gering gehalten wird. Dies kann ebenfalls konstruktive Vorteile bedingen.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Arbeitsmedium aus dem oberen Endbereich des Behälters der letzten Umwandlungseinheit in den unteren Endbereich des Behälters der ersten Umwandlungseinheit zurück geleitet wird, wodurch ein geschlossener Kreislauf vorliegt. Das gasförmige Arbeitsmedium kann so, nachdem es die Behälter aller Umwandlungseinheiten der Vorrichtung durchlaufen hat, aus dem Behälter der letzten Umwandlungseinheit herausgeführt, auf geeignete Weise präpariert und in den Behälter der ersten Umwandlungseinheit zurückgeführt werden. Durch diesen Kreislauf kann in erheblichem Maße Arbeitsmedium eingespart werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in mehreren Reihen von Umwandlungseinheiten das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, und die weiteren Verfahrensschritte absolviert werden:

– eine zentrale Umwandlungseinheit mit einem teilweise mit einer Flüssigkeit befüllten evakuierbaren Behälter, der an seinem unteren Endbereich einen Einlass und an seinem oberen Endbereich einen Auslass für ein Arbeitsmedium aufweist, und mit einer in dem Behälter angeordneten und in die Flüssigkeit insbesondere vollständig eingetauchten Rotationsvorrichtung wird bereitgestellt,
– das gasförmige Arbeitsmedium wird aus den oberen Endbereichen der jeweils letzten Behälter der Reihen von Umwandlungseinheiten durch einen Einlass in den unteren Endbereich des Behälters der zentralen Umwandlungseinheit geleitet und so in dem unteren Endbereich des Behälters der zentralen Umwandlungseinheit bereitgestellt,
– das gasförmige Arbeitsmedium steigt gemäß dem Archimedischen Prinzip in der Flüssigkeit auf und expandiert infolge des abnehmenden Druckes,
– die Rotationsvorrichtung wird durch das aufsteigende und expandierende gasförmige Arbeitsmedium angetrieben,
– das gasförmige Arbeitsmedium tritt im oberen Endbereich des Behälters der zentralen Umwandlungseinheit aus der Flüssigkeit aus,
– das gasförmige Arbeitsmedium wird durch einen im oberen Endbereich des Behälters der zentralen Umwandlungseinheit vorgesehenen Auslass aus dem Behälter geführt,

Diese Ausgestaltung ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau einer Vorrichtung bzw. Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei gleichzeitig hohem erzielbarem Volumenstrom von gasförmigem Arbeitsmedium. Bei der parallelen Durchführung des Verfahrens in mehreren Reihen von Umwandlungseinheiten kann eine Vielzahl von Rotationsvorrichtungen durch das in der Flüssigkeit aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium angetrieben werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zum Beispiel zwei Reihen von Umwandlungseinheiten symmetrisch um eine zentrale Umwandlungseinheit angeordnet sind und – zur Materialeinsparung – die Behälter der jeweils benachbarten Umwandlungseinheiten gemeinsame Wandungen aufweisen.
Selbstverständlich können auch mehrere Einlässe für gasförmiges Arbeitsmedium im unteren Endbereich des Behälters der zentralen Umwandlungseinheit vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung kann dann beispielsweise jeder Auslass der jeweils letzten Behälter der Reihen von Umwandlungseinheiten mit einem der Einlässe im unteren Endbereich der zentralen Umwandlungseinheit verbunden sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie mit drei in Reihe geschalteten Umwandlungseinheiten,
2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltungsform einer Umwandlungseinheit,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage, die zwei der in 1 dargestellten Vorrichtungen sowie eine zentrale Umwandlungseinheit umfasst, und
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie. Die Vorrichtung 1 umfasst insgesamt drei in Reihe geschalteten Umwandlungseinheiten 2, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Jede der Umwandlungseinheiten 2 umfasst einen teilweise mit Wasser befüllten Behälter 3, der an seinem unteren Endbereich einen Einlass 4 und an seinem oberen Endbereich einen Auslass 5 für ein Arbeitsmedium aufweist, sowie eine in dem Behälter 3 angeordnete und vollständig in das Wasser eingetauchte Rotationsvorrichtung 6. Der Auslass 5 des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit ist über eine Verbindungsleitung L mit dem Einlass 4 des Behälters 3 der nachfolgenden Umwandlungseinheit 2 verbunden. Die Behälter 3 der zweiten und dritten Umwandlungseinheit 2 sind auf die gleiche Weise miteinander verbunden. Die Höhe der Wassersäule in den Behältern 3 der Umwandlungseinheiten 2 ist im Wesentlichen gleich und beträgt hier etwa 2 m. Darüber hinaus weisen bei der gezeigten Ausführungsform alle Behälter 3 die gleiche Bauhöhe von etwa 3 m auf.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner nicht eingezeichnete Mittel, um in den Behältern 3 der Umwandlungseinheiten 2 einen vorgegebenen Druck, hier einen Unterdruck zu erzeugen. Der Druck wird durch Steuermittel derart reguliert, dass er jeweils am Auslass 5 des Behälters 3 einer Umwandlungseinheit 2 höher ist als im unteren Endbereich des Behälters 3 der nachfolgenden Umwandlungseinheit 2.
Die Rotationsvorrichtungen 6 der Umwandlungseinheiten 2 sind in der Art eines Becherwerkes ausgebildet. Sie umfassen jeweils ein zentral in dem Behälter 3 vorgesehenes Gestell 7, an welchem ober- und unterseitig eine Rolle 8 drehbar gehalten ist. Im Betrieb drehen sich die Rollen 8 im Uhrzeigersinn, was in der Figur mit Pfeilen P eingezeichnet ist. Um die beiden Rollen 8 ist ein Trägerelement 9, hier eine Trägerkette 9, unter Aufspannung einer geschlossenen ovalförmigen Bahn B gespannt. Diese umfasst zwei im Wesentlichen vertikal durch den Behälter verlaufende Abschnitte B1, B2. An der Trägerkette 9 sind in äquidistanten Abständen Auffangkammern 10 vorgesehen, die jeweils eine Öffnung 11 aufweisen. Die Öffnungen 11 der Auffangkammern 10 weisen an dem linken vertikalen Abschnitt B1 der ovalförmigen Bahn – dem Antriebsabschnitt B1 – nach unten, um gasförmiges Arbeitsmedium aufzufangen und durch das aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium in dem Wasser nach oben bewegt zu werden. Die Bewegungsrichtung der Auffangkammern 10 ist in 1 mit Pfeilen P2 angedeutet.
Zur Kraftübertragung sind die Rotationsvorrichtungen 6 jeweils mit einer Abtriebswelle verbunden. Diese sind in der Figur jedoch nicht dargestellt.
Bei den Umwandlungseinheiten 2 handelt es sich in der dargestellten Form um separate Einheiten, die räumlich nah beieinander angeordnet sind. Die Umwandlungseinheiten 2 können auch eine bauliche Einheit bilden, wobei dann benachbarte Umwandlungseinheiten 2 gemeinsame Wandungen aufweisen. Auf diesem Wege kann Material eingespart werden, da die Wandungen nur durch die zu dem jeweils benachbarten Behälter 3 vorherrschende Druckdifferenz beansprucht werden, die im Allgemeinen wesentlich geringer ist als die Differenz zum Umgebungsdruck.
Der Reihe von Umwandlungseinheiten 2 ist eine in 1 gut zu erkennende Druckeinrichtung 12 vorgeschaltet, um Arbeitsmedium bei einem vorgegebenen Umgebungsdruck zu erwärmen, wobei die Druckeinrichtung 12 einlassseitig mit einer nicht eingezeichneten Quelle für flüssiges oder gasförmiges Arbeitsmedium und auslassseitig mit dem Einlass 4 des Behälters 3 der ersten der in Reihe geschalteten Umwandlungseinheiten 2 verbunden ist.
Im unteren Endbereich des zweiten sowie des dritten Behälters 3 ist ferner ein Frischgas-Einlass 13 für gasförmiges Arbeitsmedium als Frischgas vorgesehen.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird in den mit Wasser befüllten Behältern 3 der Umwandlungseinheiten 2 zunächst mit Hilfe der Steuermittel ein vorgegebener Druck eingestellt. Dies erfolgt derart, dass der Druck jeweils am Auslass 5 des Behälters 3 einer Umwandlungseinheit 2 höher ist als im unteren Endbereich des Behälters 3 der nachfolgenden Umwandlungseinheit 2. Im oberen Endbereich der drei Behälter 3 herrscht hier ein Druck, der unterhalb des atmosphärischen Druckes liegt. Der Druck im oberen Endbereich des ersten Behälters beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa p1 = 0,475 bar, im zweiten etwa p2 = 0,275 bar und im dritten etwa p3 = 0,075 bar. Zu diesen Drücken korrespondieren Siedetemperaturen von etwa 80°C, 66°C bzw. 40°C. Anschließend wird in der Druckeinrichtung 12 flüssiges Arbeitsmedium, hier Wasser, bei einem vorgegebenen Umgebungsdruck auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, hier 100°C. Diese liegt oberhalb der Siedetemperatur von Wasser bei dem im unteren Endbereich des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit 2 herrschenden Druck. Der Druck beträgt hier, infolge der etwa 2 m hohen Wassersäule, etwa 0,675 bar und die entsprechende Siedetemperatur liegt bei etwa 89°C. Anschließend wird das derart präparierte Arbeitsmedium in den unteren Endbereich des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit 2 durch den dort vorgesehenen Einlass 4 geleitet. Das Arbeitsmedium kühlt unter Bildung von Entspannungsdampf auf die dem dort vorherrschenden Druck entsprechende Siedetemperatur ab, wodurch gasförmiges Arbeitsmedium im unteren Endbereich des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit 2 bereitgestellt wird.
Das erhaltene gasförmige Arbeitsmedium, hier entsprechend Wasserdampf, steigt gemäß dem Archimedischen Prinzip in der in dem Behältern 3 befindlichen Wassersäule auf und expandiert infolge des mit zunehmender Höhe in der Wassersäule abnehmenden Druckes.
Im unteren Endbereich des Antriebsabschnittes B1 der Rotationsvorrichtung 6 nahe dem Einlass 4 tritt das gasförmige Arbeitsmedium in die jeweils untere Auffangkammer 10 ein und verdrängt das darin befindliche Wasser. Die Auffangkammern 10 werden dann durch das in der Flüssigkeit aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium entlang des Antriebsabschnittes B1 in dem Behälter 3 nach oben bewegt. Die Rotationsvorrichtung 6 wird auf diese Weise angetrieben.
Die Rotationsvorrichtung 6 ist mit einer nicht eingezeichneten Abtriebswelle verbunden, über welche die vorhandene mechanische Energie einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden auf diesem Wege nicht dargestellte Generatoren zur Stromerzeugung angetrieben.
Im oberen Endbereich des Behälters 3 der Umwandlungseinheit 2 tritt der Wasserdampf aus den Auffangkammern 10 und aus der Wassersäule aus.
Dadurch, dass der Druck in den Behältern 3 der Umwandlungseinheiten 2 derart reguliert ist, dass er am Auslass 5 des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit 2 höher ist als im unteren Endbereich des Behälters 3 der zweiten Umwandlungseinheit 2 wird gewährleistet, dass das gasförmige Arbeitsmedium von dem Behälter 3 der ersten Umwandlungseinheit 2 in den unteren Endbereich des Behälters 3 der zweiten Umwandlungseinheit 2 geleitet wird. Das gasförmige Arbeitsmedium steigt dort erneut auf und expandiert, wobei die Rotationsvorrichtung 6 in dieser Umwandlungseinheit 2 angetrieben wird.
Der Ablauf wird in der dritten Umwandlungseinheit 2 wiederholt, und das gasförmige Arbeitsmedium wird abschließend aus dem oberen Endbereich des Behälters 3 der letzten Umwandlungseinheit 2 durch den dort vorgesehenen Auslass 5 abgeleitet.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Gesamtdruckdifferenz von dem gasförmigen Arbeitsmedium nicht in einer einzelnen, sondern in mehreren Wassersäulen, die sich in den Behältern 3 der Umwandlungseinheiten 2 befinden, durchlaufen wird, besitzt die Vorrichtung 1 einen kompakten Aufbau. Es ist nicht nötig, eine einzelne Umwandlungseinheit mit einem Behälter von mehreren 10 m Höhe bereitzustellen, sondern es werden mehrere Umwandlungseinheiten 2 verwendet, die hier Höhen von einigen Metern – hier etwa 3 m – aufweisen. Da sich die Gesamtdruckdifferenz infolge der Anordnung der Umwandlungseinheiten 2 in einer Druckkaskade aus der Summe der Druckdifferenzen der einzelnen Wassersäulen ergibt, durchläuft das gasförmige Arbeitsmedium trotz des kompakten Aufbaus der Vorrichtung 1 eine Gesamtdruckdifferenz beachtlicher Höhe, wodurch eine ausreichende Effizienz des Energieumwandlungsvorganges gewährleistet wird.
Darüber hinaus kann eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Energiequelle erfolgen, da die Energieeinkopplung in das System bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgen kann. Dies ist durch die erfindungsgemäße Aufteilung der von dem gasförmigen Arbeitsmedium zu durchlaufenden Druckdifferenz in einzelnen Stufen, die auf die Behälter 3 mehrerer Umwandlungseinheiten 2 verteilt sind, möglich.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform einer Umwandlungseinheit 2 dargestellt. Diese umfasst einen Behälter 3 mit ringförmigem Querschnitt, in welchem eine Rotationsvorrichtung 6 mit einem kreisförmigen Trägerelement 9 angeordnet ist. Die Auffangkammern 10 der Rotationsvorrichtung 6 sind dicht an dicht entlang des Trägerelementes 9 angeordnet, wobei das Trägerelement 9 bei dieser Ausführungsform über Lager L in dem Ringförmigen Behälter 3 beweglich gehalten ist. In den Lagern L sind Generatoren integriert, über welche im Betrieb der Vorrichtung 1 Strom erzeugt werden kann. Im oberen und unteren Endbereich sind ferner – korrespondierend zu der in 1 dargestellten Ausführungsform – ein Ein- 4 und ein Auslass 5 für Arbeitsmedium vorgesehen.
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Umwandlung thermischer in mechanische Energie kann in einer alternativen Ausführung diese im Wesentlichen kreisförmigen Umwandlungseinheiten 2 umfassen, die dann entsprechend in Reihe geschaltet sind.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Anlage 14 zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie.
Die Anlage 14 umfasst zwei Vorrichtungen 1 in der Art der in 1 dargestellten. Die Größe der Behälter 3 der Umwandlungseinheiten 2, sowie das Aufnahmevolumen der Auffangkammern 10 der Rotationsvorrichtungen 6 variiert bei dieser Ausführungsform jedoch von Umwandlungseinheit 2 zu Umwandlungseinheit 2. Während das gasförmige Arbeitsmedium durch die Kette von Umwandlungseinheiten 2 propagiert expandiert es infolge des sinkenden Druckes stetig. Diesem Umstand wird mit dem zunehmenden Volumen der Behälter 3 sowie dem zunehmenden Aufnahmevolumen der Auffangkammern 10 Rechnung getragen.
Die beiden Vorrichtungen 1 sind in der Anlage 14 parallel geschaltet. Ferner umfasst die Anlage 14 eine zentrale Umwandlungseinheit 15, die mittig zwischen den beiden parallel geschalteten Reihen von Umwandlungseinheiten 2 angeordnet ist und analog zu den übrigen Umwandlungseinheiten 2 einen Behälter 3 umfasst. An dem unteren Endbereich des Behälters 3 der zentralen Umwandlungseinheit 15 sind zwei Einlässe 4 vorgesehen. Die beiden Vorrichtungen 1 sind derart mit der zentralen Umwandlungseinheit 15 verbunden, dass die Auslässe 5 der Behälter 3 der letzten Umwandlungseinheiten 2 der beiden Vorrichtungen 1 mit jeweils einem Einlass 4 im unteren Endbereich des Behälters 3 der zentralen Umwandlungseinheit 15 verbunden sind.
Der Druck in den Behältern 3 ist derart reguliert, dass er jeweils am Auslass 5 der Behälter 3 der letzten Umwandlungseinheiten 2 der beiden Vorrichtungen 1 höher ist, als im unteren Endbereich des Behälters 3 der zentralen Umwandlungseinheit 15.
Der Behälter 3 der zentralen Umwandlungseinheit 15 ist – wie die übrigen Behälter 3 – nahezu vollständig mit Wasser befüllt und es ist eine Rotationsvorrichtung 6 in diesem vorgesehen, die vollständig in das Wasser eingetaucht ist. Diese ist baugleich zu den Rotationsvorrichtungen 6 der Umwandlungseinheiten 2 in den beiden parallel geschalteten Vorrichtungen 1. Alle Rotationsvorrichtungen 6 sind hier von der Seite dargestellt, weshalb nur die Auffangkammern 10 sichtbar sind, die entlang des Antriebsabschnitts B1 bewegt werden.
Im Betrieb werden in den beiden Vorrichtungen 1 die oben aufgeführten Schritte parallel absolviert.
Aus dem oberen Endbereich der Behälter 3 der letzten Umwandlungseinheiten 2 der beiden Vorrichtungen 1 wird das gasförmige Arbeitsmedium jedoch nicht abgeleitet, sondern es wird in den unteren Endbereich des Behälters 3 der zentralen Umwandlungseinheit 15 geleitet. Dazu ist der Druck in der zentralen Umwandlungseinheit 15 derart reguliert, dass er jeweils am Auslass 5 des Behälters 3 der letzten Umwandlungseinheiten 2 der Vorrichtungen 1 höher ist als im unteren Endbereich des Behälters 3 der der zentralen Umwandlungseinheit 15. Der Behälter 3 der zentralen Umwandlungseinheit 15 weist zwei Einlässe 4 im seinem unteren Endbereich auf, von denen jeweils einer mit einem Auslass 5 der Behälter 3 der letzten Umwandlungseinheiten 2 der beiden Vorrichtungen 1 verbunden ist.
Die Rotationsvorrichtung 6 der zentralen Umwandlungseinheit 15 wird durch das in der Flüssigkeit aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium, welches aus beiden Vorrichtungen 1 in den Behälter 3 der zentralen Umwandlungseinheit 15 geleitet wurde, angetrieben. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform können sich alternativ mehrere Rotationsvorrichtungen 6 in der zentralen Umwandlungseinheit 15 befinden, die in dieser Art angetrieben werden.
Auch die Rotationsvorrichtung 6 der zentralen Umwandlungseinheit 15 ist mit einer nicht eingezeichneten Abtriebswelle verbunden, über welche die vorhandene mechanische Energie einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann.
Hier wird auch von der Rotationsvorrichtung 6 der zentralen Umwandlungseinheit 15 zur Stromerzeugung ein Generator betrieben.
In der 4 ist eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. Diese umfasst – wie die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 – drei Umwandlungseinheiten 2, in denen jeweils eine Rotationsvorrichtung 6 vorgesehen ist. Die Rotationsvorrichtung 6 sind in dieser Figur sehr vereinfacht dargestellt. Die Höhe der Wassersäulen ist in den Behältern 3 aller Umwandlungseinheiten 2 gleich und beträgt hier ebenfalls etwa 2 m. Die Drücke im oberen Endbereich der Behälter 3 sind ebenfalls korrespondierend zu der bereits beschriebenen Ausführungsform eingestellt.
Im unteren Endbereich der Umwandlungseinheiten 2 befindet sich bei dieser Ausführungsform jeweils ein Zwischenbehälter 16, in welchem das gasförmige Arbeitsmedium bereitgestellt wird. In dem Zwischenbehälter 16 des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit 2 ist ferner eine Wärmequelle 16 vorgesehen. Im Betrieb wird dem in dem Zwischenbehälter 16 befindlichen Wasser über die Wärmequelle thermische Energie zugeführt, wodurch die Temperatur des Wassers ansteigt. Wird die Siedetemperatur von etwa 89°C erreicht, die dem im unteren Endbereich des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit herrschenden Druckes von 0,675 bar entspricht, so verdampft das Wasser zu Teil, wodurch gasförmiges Arbeitsmedium in dem Zwischenbehälter bereitgestellt wird.
Steht eine Wärmequelle mit vorgegebener, begrenzter Temperatur zur Verfügung, so kann der Druck im oberen Endbereich des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit 2 auch gezielt so eingestellt werden, dass im unteren Endbereich des Behälters 3 ein Druck herrscht, bei dem Wasser mit dieser vorgegebenen Temperatur siedet.
Das gasförmige Arbeitsmedium tritt über den im oberen Endbereich des Zwischenbehälters 16 vorgesehenen Einlass 4 in den Behälter ein und steigt in diesem auf und expandiert. Die Rotationsvorrichtung wird – wie oben beschrieben – durch das gasförmige Arbeitsmedium angetrieben. Im oberen Endbereich des ersten Behälters 3 tritt das gasförmige Arbeitsmedium aus der Wassersäule aus und wird durch den dort befindlichen Auslass 5 aus dem Behälter 3 geleitet. Da im unteren Endbereich des Behälters 3 der zweiten Umwandlungseinheit 2 ein etwas geringerer Druck herrscht, als im oberen Endbereich des Behälters 3 der ersten Umwandlungseinheit wird das gasförmige Arbeitsmedium über eine Verbindungsleitung L in den Zwischenbehälter 16 der zweiten Umwandlungseinheit 2 geleitet und wird so dort bereitgestellt. In diesem kann eine weitere Wärmequelle W zur Erwärmung vorgesehen sein, was in 4 jedoch nicht dargestellt ist. Das gasförmige Arbeitsmedium tritt in den Behälter 3 der zweiten Umwandlungseinheit 2 ein, steigt in diesem auf und treibt die Rotationsvorrichtung 6 an.
Der Ablauf wird in dritten Umwandlungseinheit 2 wiederholt, und das gasförmige Arbeitsmedium wird abschließend aus dem oberen Endbereich des Behälters 3 der letzten Umwandlungseinheit 2 durch den dort vorgesehenen Auslass 5 abgeleitet.

Claims

Verfahren zur Bereitstellung mechanischer Energie, welches die folgenden Schritte umfasst: a) eine Umwandlungseinheit (2) mit einem teilweise mit einer Flüssigkeit befüllten evakuierbaren Behälter (3), der an seinem unteren Endbereich einen Einlass (4) und an seinem oberen Endbereich einen Auslass (5) für ein Arbeitsmedium aufweist, und mit einer in dem Behälter (3) angeordneten und in die Flüssigkeit eingetauchten Rotationsvorrichtung (6) wird bereitgestellt, b) ein gasförmiges Arbeitsmedium wird in dem unteren Endbereich des Behälters (3) bereitgestellt, c) das gasförmige Arbeitsmedium steigt gemäß dem Archimedischen Prinzip in der Flüssigkeit auf und expandiert infolge des abnehmenden Druckes, d) die Rotationsvorrichtung (6) wird durch das aufsteigende und expandierende gasförmige Arbeitsmedium angetrieben, e) das gasförmige Arbeitsmedium tritt im oberen Endbereich des Behälters (3) aus der Flüssigkeit aus, f) das gasförmige Arbeitsmedium wird durch einen im oberen Endbereich des Behälters (3) vorgesehenen Auslass (5) aus dem Behälter geführt, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umwandlungseinheiten (2) gemäß Merkmal a) bereitgestellt und in Reihe geschaltet werden und das gasförmige Arbeitsmedium durch diese geführt wird, wobei es jeweils aus dem oberen Endbereich des Behälters (3) einer Umwandlungseinheit (2) in den unteren Endbereich des Behälters (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit (2) geleitet und auf diese Weise dort bereitgestellt wird, so dass es unter Durchführung der Verfahrensschritten c) bis f) in dem Behälter (3) aufsteigt, und dass der Druck in den Behältern (3) der Umwandlungseinheiten (2) derart reguliert wird, dass er jeweils am Auslass (5) des Behälters (3) einer Umwandlungseinheit (2) höher ist als im unteren Endbereich des Behälters (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit (2) und dass das gasförmige Arbeitsmedium bereitgestellt wird, indem ein flüssiges Arbeitsmedium bei einem vorgegebenen Umgebungsdruck auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird, derart, dass das flüssige Arbeitsmedium vor und/oder bei Eintritt in den Behälter (3) verdampft oder das gasförmige Arbeitsmedium bereitgestellt wird, indem ein flüssiges Arbeitsmedium einer vorgegebenen Temperatur im unteren Endbereich des Behälters (3) der Umwandlungseinheit (2) bereitgestellt wird und der Druck im oberen Endbereich des Behälters (3) derart eingestellt wird, dass im unteren Endbereich des Behälters (3) ein Druck herrscht, bei dem das flüssige Arbeitsmedium der vorgegebenen Temperatur siedet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Endbereich des Behälters (3) wenigstens einer Umwandlungseinheit (2) sowohl gasförmiges Arbeitsmedium aus dem Behälter (3) der unmittelbar vorhergehenden Umwandlungseinheit (2) als auch gasförmiges Arbeitsmedium einer vorgegebenen Temperatur und unter einem vorgegebenen Druck als Frischgas zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in einem im unteren Endbereich eines Behälters (3) vorgesehenen Zwischenbehälter (16) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Arbeitsmedium unter Verwendung geothermaler Energie und/oder Solarenergie bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsvorrichtungen (6) der Umwandlungseinheiten (2) jeweils in der Art eines Becherwerkes ausgebildet sind, welches eine Mehrzahl von Auffangkammern (10) umfasst, die entlang einer geschlossenen Bahn (B) mit einem sich von unten nach oben erstreckenden Antriebsabschnitt (B1) durch den Behälter (3) bewegt werden, wobei das gasförmige Arbeitsmedium von den Auffangkammern (10) jeweils im unteren Endbereich des Antriebsabschnitts (B1) aufgefangen wird und die Auffangkammern (10) durch das aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium entlang des Antriebsabschnittes (B1) nach oben bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Antriebsabschnitt (B1) im Wesentlichen vertikal durch den Behälter (3) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Bahn (B) im Wesentlichen kreisförmig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Behälters (3) einer Umwandlungseinheit (2) kleiner ist als das Volumen des Behälters (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit (2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmevolumen der in dem Behälter (3) einer Umwandlungseinheit (2) vorgesehenen Auffangkammern (10) kleiner ist als das Aufnahmevolumen der Auffangkammern (10) in dem Behälter (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit in den Behältern (3) Wasser oder ein Wasser-Öl-Gemisch verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Behälter (3) im Wesentlichen bis zur gleichen Höhe mit Flüssigkeit befüllt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium aus dem oberen Endbereich des Behälters (3) der letzten Umwandlungseinheit (2) in den unteren Endbereich des Behälters (3) der ersten Umwandlungseinheit (2) zurück geleitet wird.
Verfahren zur Bereitstellung mechanischer Energie, bei dem in mehreren Reihen von Umwandlungseinheiten (2) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 parallel durchgeführt wird, und welches die weiteren Schritte umfasst: – eine zentrale Umwandlungseinheit (15) mit einem teilweise mit einer Flüssigkeit befüllten evakuierbaren Behälter (3), der an seinem unteren Endbereich einen Einlass (4) und an seinem oberen Endbereich einen Auslass (5) für ein Arbeitsmedium aufweist, und mit einer in dem Behälter (3) angeordneten und in die Flüssigkeit eingetauchten Rotationsvorrichtung (6) wird bereitgestellt, – das gasförmige Arbeitsmedium wird aus den oberen Endbereichen der jeweils letzten Behälter (3) der Reihen von Umwandlungseinheiten (2) durch einen Einlass (4) in den unteren Endbereich des Behälters (3) der zentralen Umwandlungseinheit (15) geleitet und so in dem unteren Endbereich des Behälters (3) der zentralen Umwandlungseinheit (15) bereitgestellt, – das gasförmige Arbeitsmedium steigt gemäß dem Archimedischen Prinzip in der Flüssigkeit auf und expandiert infolge des abnehmenden Druckes, – die Rotationsvorrichtung (6) wird durch das aufsteigende und expandierende gasförmige Arbeitsmedium angetrieben, – das gasförmige Arbeitsmedium tritt im oberen Endbereich des Behälters (3) der zentralen Umwandlungseinheit (15) aus der Flüssigkeit aus, – das gasförmige Arbeitsmedium wird durch einen im oberen Endbereich des Behälters (3) der zentralen Umwandlungseinheit (15) vorgesehenen Auslass (5) aus dem Behälter (3) geführt, wobei der Druck in dem Behälter (3) der zentralen Umwandlungseinheit (15) derart reguliert wird, dass er im oberen Endbereich des jeweils letzten Behälters (3) der Reihen von Umwandlungseinheiten (2) höher ist als im unteren Endbereich des Behälters (3) der zentralen Umwandlungseinheit (15).
Vorrichtung (1) zur Bereitstellung mechanischer Energie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer Umwandlungseinheit (2), die – einen evakuierbaren Behälter (3), der an seinem unteren Endbereich einen Einlass (4) und an seinem oberen Endbereich einen Auslass (5) für ein Arbeitsmedium aufweist, wobei der Behälter teilweise mit einer Flüssigkeit befüllt werden kann, und – eine in dem Behälter (3) angeordnete Rotationsvorrichtung (6), die im befüllten Zustand des Behälters (3) in die Flüssigkeit eingetaucht und ausgebildet ist, um von einem gasförmigen Arbeitsmedium, welches gemäß dem Archimedischen Prinzip in der Flüssigkeit von dem Einlass (4) zum oberen Endbereich des Behälters (3) aufsteigt und expandiert, angetrieben zu werden, umfasst dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umwandlungseinheiten (4) vorgesehen und in Reihe geschaltet sind, wobei jeweils der Auslass (5) des Behälters (3) einer Umwandlungseinheit (2) mit dem Einlass (4) des Behälters (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit (2) verbunden ist, und dass Steuermittel vorgesehen sind, durch welche der Druck in den Behältern derart reguliert wird, dass er jeweils am Auslass (5) des Behälters (3) einer Umwandlungseinheit (2) höher ist als im unteren Endbereich des Behälters (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit (2) und dass den in Reihe geschalteten Umwandlungseinheiten (2) eine Druckeinrichtung (12) vorgeschaltet ist, um Arbeitsmedium bei einem vorgegebenen Druck zu erwärmen, wobei die Druckeinrichtung (12) einlassseitig mit einer Quelle für flüssiges oder gasförmiges Arbeitsmedium und auslassseitig mit dem Einlass (4) des Behälters (3) der ersten der in Reihe geschalteten Umwandlungseinheiten (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung (12) ein Druckgefäß umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Endbereich wenigstens eines Behälters (3) ein Frischgas-Einlass (13) für ein gasförmiges Arbeitsmedium vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung (12) dem Frischgas-Einlass (13) vorgeschaltet ist, wobei die Druckeinrichtung (12) auslassseitig mit dem Frischgas-Einlass (13) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung (12) einen Wärmetauscher umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher mit einer geothermalen und/oder solaren Energiequelle verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Endbereich des Behälters (3) wenigstens einer Umwandlungseinheit (2) ein Zwischenbehälter (16) für die Bereitstellung von gasförmigem Arbeitsmedium vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbehälter (16) eine Wärmequelle (W) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsvorrichtungen (6) der Umwandlungseinheiten (2) jeweils in der Art eines Becherwerkes ausgebildet sind, welches ein Trägerelement (9) umfasst, durch welches eine geschlossene Bahn (B) mit einem sich von unten nach oben erstreckenden Antriebsabschnitt (B1) definiert ist, und dass mehrere Auffangkammern (10) entlang der geschlossenen Bahn (B) an dem Trägerelement (9) vorgesehen sind, wobei die Auffangkammern (10) derart ausgebildet sind, dass sie gasförmiges Arbeitsmedium im unteren Endbereich des Antriebsabschnitts (B1) auffangen und durch das aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium entlang des Antriebsabschnittes (B1) nach oben bewegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Antriebsabschnitt (B1) im Wesentlichen vertikal durch den Behälter (3) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Bahn (B) im Wesentlichen kreisförmig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Behälters (3) einer Umwandlungseinheit (2) kleiner ist als das Volumen des Behälters (3) der nachfolgenden Umwandlungseinheit (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmevolumen der in dem Behälter (3) einer Umwandlungseinheit (2) vorgesehenen Auffangkammern (10) kleiner ist als das Aufnahmevolumen der Auffangkammern (10) in dem Behälter (3) einer nachfolgenden Umwandlungseinheit (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser oder ein Wasser-Öl-Gemisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass alle Behälter (3) im Wesentlichen bis zur gleichen Höhe mit einer Flüssigkeit befüllt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (5) des Behälters (3) der letzten Umwandlungseinheit (2) unter Bildung eines geschlossenen Kreislaufs mit dem Einlass (4) des Behälters (3) der ersten Umwandlungseinheit (2) verbunden ist.
Anlage (14) zur Bereitstellung mechanischer Energie, mit mehreren parallel geschalteten Vorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 28 und einer zentralen Umwandlungseinheit (15), die – einen evakuierbaren Behälter (3), der teilweise mit einer Flüssigkeit befüllt werden kann und der an seinem unteren Endbereich einen Einlass (4) und an seinem oberen Endbereich einen Auslass (5) für ein Arbeitsmedium aufweist, – eine in dem Behälter (3) angeordnete Rotationsvorrichtung (6), die im befüllten Zustand des Behälters (3) in die Flüssigkeit eingetaucht und ausgebildet ist, um von einem gasförmigen Arbeitsmedium, welches gemäß dem Archimedischen Prinzip in der Flüssigkeit von dem Einlass (4) zum oberen Endbereich des Behälters (3) aufsteigt und expandiert, angetrieben zu werden, umfasst, wobei der Auslass (5) des jeweils letzten Behälters (3) der Vorrichtungen (1) mit dem Einlass (4) der zentralen Umwandlungseinheit (15) verbunden ist, und der Druck in der zentralen Umwandlungseinheit (15) derart reguliert wird, dass er jeweils am Auslass (5) des Behälters (3) der letzten Umwandlungseinheiten (2) der Vorrichtungen (1) höher ist als im unteren Endbereich des Behälters (3) der zentralen Umwandlungseinheit (15).