DE102012004409A1

DE102012004409A1 - Wärmekraftmaschine und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102012004409A1
Application number: DE201210004409
Authority: DE
Inventors: Andreas GEBERT
Original assignee: ERGION GmbH
Current assignee: ERGION GmbH
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine (100), umfassend einen Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf (180) mit einem von einem Dicht-/Schmiermittel durchströmten Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem (270) und einen Arbeitsmittel-Kreislauf (170) mit einem von einem Arbeitsmittel durchströmten Arbeitsmittel-Leitungssystem (160), wobei mittels des Dicht/Schmiermittels zumindest eine Fluid-Kraftmaschine (110) des Arbeitsmittel-Kreislaufs (170) abgedichtet/geschmiert wird, wobei eine Rückgewinnungsvorrichtung (190) aus dem Arbeitsmittel mitgeführtes Dicht-/Schmiermittel zurückgewinnt, wobei das Dicht-/Schmiermittel zumindest einen Perfluorpolyether (PFPE) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, umfassend einen Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf mit einem von einem Dicht-/Schmiermittel durchströmten Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem und einen Arbeitsmittel-Kreislauf mit einem von einem Arbeitsmittel durchströmten Arbeitsmittel-Leitungssystem, wobei mittels eines Dicht-/Schmiermittels zumindest eine Fluid-Kraftmaschine des Arbeitsmittel-Kreislaufs abgedichtet/geschmiert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein zugehöriges Betriebsverfahren und die Verwendung von zumindest einem Perfluorpolyether als Dicht-/Schmiermittel für die Fluid-Kraftmaschine der Wärmekraftmaschine.
Bei Wärmekraftmaschinen mit einem Arbeitsmittel-Kreislauf nimmt das Arbeitsmittel zumindest in einem Abschnitt des Arbeitsmittel-Leitungssystems einen flüssigen Aggregatzustand an, während es in zumindest einem weiteren Abschnitt des Arbeitsmittel-Leitungssystems in einem dampfförmigen Aggregatzustand vorliegt. Mittels des verdampften Arbeitsmittels wird eine Fluid-Kraftmaschine angetrieben und so Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Die in dem Arbeitsmittel-Kreislauf angeordneten Komponenten können wie beispielsweise die Fluid-Kraftmaschine eine Dichtung/Schmierung benötigen, sodass von dem Arbeitsmittel beim Durchströmen dieser Komponenten Dicht-/Schmiermittel mitgerissen werden kann. Aufgrund des Dicht-/Schmiermittelverlustes in diesen Komponenten muss denselben kontinuierlich Dicht-/Schmiermittel nachgeführt werden, damit sie ihre Dicht-/Schmierungseigenschaften nicht verlieren. Zudem kann das mit dem Arbeitsmittel mitgeführte Dicht-/Schmiermittel zur Verunreinigung bzw. Schädigung anderer Komponenten des Arbeitsmittel-Kreislaufes führen. Demzufolge kann in derartigen Wärmekraftmaschinen eine Rückgewinnungsvorrichtung vorgesehen sein, mittels der das mitgeführte Dicht-/Schmiermittel zumindest teilweise aus dem Arbeitsmittel entfernt und ggf. derartig zurück gewonnen werden kann, dass es wiederum über einen Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf den zu dichtenden/schmierenden Komponenten zugeführt wird. Im Falle einer derartigen Rückgewinnung sind jedoch hohe Anforderungen an das Dicht-/Schmiermittel zu stellen, damit das rückgewonnenen Dicht-/Schmiermittels weiterhin die geforderte Qualität für die Dichtung/Schmierung der jeweiligen Komponenten der Wärmekraftmaschine aufweist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich unter anderem mit dem Problem, für eine Wärmekraftmaschine, ein zugehöriges Betriebsverfahren und für die Verwendung von Dicht-/Schmiermitteln eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine qualitativ und quantitativ verbesserte Rückgewinnung des im Arbeitsmittel mitgeführten Dicht-/Schmiermittels aus dem Arbeitsmittel-Kreislauf auszeichnet.
In einem Aspekt der Erfindung wird somit eine Wärmekraftmaschine, umfassend einen Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf mit einem von einem Dicht-/Schmiermittel durchströmten Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem und einen Arbeitsmittel-Kreislauf mit einem von einem Arbeitsmittel durchströmten Arbeitsmittel-Leitungssystem vorgeschlagen. Dabei wird mittels des Dicht-/Schmiermittels zumindest eine Fluid-Kraftmaschine des Arbeitsmittel-Kreislaufs abgedichtet/geschmiert. Zudem ist eine Rückgewinnungsvorrichtung vorgesehen, die aus dem Arbeitsmittel mitgeführtes Dicht-/Schmiermittel zurück gewinnt. Dabei kann das Dicht-/Schmiermittel zumindest einen Perfluorpolyether (PFPE) aufweisen.
Vorteilhaft kann durch die Verwendung von Perfluorpolyether als Dicht-/Schmiermittel die qualitative und quantitative Rückgewinnung des Dicht-/Schmiermittels verbessert werden. Perfluorpolyether weisen eine hohe Temperaturbeständigkeit auf, eine hohe Beständigkeit gegen reaktive Chemikalien, eine exzellente Materialverträglichkeit und sie sind chemisch inert. Demzufolge wird auch bei hohen Temperaturen, beispielsweise im dampfförmigen Aggregatzustand des Arbeitsmittels, eine nur geringfügige Reaktion des Dicht-/Schmiermittels mit in Kontakt stehenden anderen Materialien stattfinden. Dadurch verändert sich das Dicht-/Schmiermittel während der Benutzung nur unwesentlich und die Qualität und Quantität des rückgewonnenen Dicht-/Schmiermittels verbleibt innerhalb der geforderten Parameter. Zudem zeichnen sich Perfluorpolyether durch eine nahezu verschwindend geringe Löslichkeit/Mischbarkeit in/mit gängigen anorganischen wie organischen Lösungsmitteln aus. So können sie beispielsweise einigermaßen gut durch aromatische Lösungsmittel oder durch teilsubstituierte oder vollsubstituierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe gelöst werden. Demzufolge wird aufgrund der geringen Löslichkeit auch das Dicht-/Schmiermittel nicht in erhöhtem Maße bei den gedichteten/geschmierten Komponenten der Wärmekraftmaschine durch das Arbeitsmittel ausgewaschen. Des Weiteren besitzen Perfluorpolyether einen niedrigen Dampfdruck, einen niedrigen Stockpunkt und eine hohe Dampfdichte. Demzufolge verbleiben sie über einen großen Temperaturbereich hauptsächlich in dem gewünschten flüssigen Zustand, sodass eine ausreichende Dichtung/Schmierung der dementsprechenden Komponenten der Wärmekraftmaschine sichergestellt werden kann. Zudem besitzen Perfluorpolyether hervorragende Dichtungs-/Schmierungseigenschaften, sodass sie sehr gut als Dicht-/Schmiermittel verwendbar sind. Auch die hohe Dichte von 1,7–2,0 g/cm³ erleichtert die Abtrennung des Dicht-/Schmiermittels aus dem Arbeitsmittel, sodass eine effiziente und quantitativ nahezu vollständige Abtrennung des Dicht-/Schmiermittels aus dem Arbeitsmittel gelingt.
Der Arbeitsmittel-Kreislauf folgt den Gesetzmäßigkeiten eines thermodynamischen Kreisprozesses, der als offener Kreisprozess oder geschlossener Kreisprozess ausgebildet sein kann. Bei einem offenen Kreisprozess liegt streng genommen kein Kreislauf des Arbeitsmittels vor, jedoch folgen auch offene Kreisprozesse den üblichen Gesetzmäßigkeiten thermodynamischer Kreisprozesse, sodass im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einem Arbeitsmittel-Kreislauf auch ein Kreislauf verstanden werden kann, der den Gesetzmäßigkeiten eines offenen Kreisprozesses folgt. So kann der Arbeitsmittel-Kreislauf den Gesetzmäßigkeiten eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses, eines organischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses, eines Joule-Kreisprozesses, eines Camot-Kreisprozesses, eines Stirling-Kreisprozesses, eines Ericsson-Kreisprozesses, eines Otto-Kreisprozesses, eines Diesel-Kreisprozesses oder eines Seiliger-Kreisprozesses folgen. Wird ein derartiger Kreisprozess in dem Arbeitsmittel-Kreislauf angewendet, so können vorhergehend und nachfolgend genannte Vorteile durch die Verwendung von Perfluorpolyether als Dicht-/Schmiermittel erreicht werden.
Der Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf umfasst ein Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem, in dem zumindest eine zu schmierende Komponente des Arbeitsmittel-Kreislaufes, wie beispielsweise eine Fluid-Kraftmaschine, angeordnet ist, die über das Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem mit Dicht-/Schmiermittel versorgt wird. Dabei kann eine ständige Versorgung der zu schmierenden Komponenten mit Dicht-/Schmiermittel notwendig werden, wenn des Arbeitsmittel beim Durchströmen der zu schmierenden Komponenten Dicht-/Schmiemmittel mitführt. Mittels der Rückgewinnungsvorrichtung kann dem Arbeitsmittel das mitgeführte Dicht-/Schmiermittel entzogen werden und dem Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem wieder zugeführt werden. Somit findet zumindest im Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem eine Zirkulation bzw. ein Kreislauf des Dicht-/Schmiermittels statt.
Des Weiteren kann der Arbeitsmittel-Kreislauf eine als Strömungsmaschine ausgebildete Fluid-Kraftmaschine aufweisen. So kann beispielsweise eine Dampfturbine als Fluid-Kraftmaschine zum Einsatz kommen. Vorteilhaft können bei einer als Strömungsmaschine ausgebildeten Fluid-Kraftmaschine stufenlos einstellbare unterschiedliche Leistungsstufen eingestellt werden.
Des Weiteren kann der Arbeitsmittel-Kreislauf eine als Kolbenmaschine ausgebildete Fluid-Kraftmaschine aufweisen. Dabei kann die Fluid-Kraftmaschine beispielsweise als Dampfmaschine ausgebildet sein. Vorteilhaft kann dabei eine sehr alte, robuste und technologisch ausgereifte Konstruktion zum Einsatz kommen.
Weiterhin kann der Arbeitsmittel-Kreislauf einen Verdampfer aufweisen, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor der Fluid-Kraftmaschine angeordnet ist. Mittels des Verdampfers ist es möglich, das Arbeitsmittel kurz vor Einsatz in der Fluid-Kraftmaschine zu verdampfen, und aufgrund des durch die Verdampfung erzeugten Dampfstromes und Verdampfungsdruckes die in dem Dampf gespeicherte Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umzuwandeln. Dabei kann der Verdampfer als Wärmetauscher ausgebildet sein.
Dabei versteht man unter Strömungsrichtung des Arbeitsmittels die Richtung innerhalb des Arbeitsmittel-Kreislaufes, in der das Arbeitsmittel im flüssigen und/oder dampfförmigen Aggregatzustand den Arbeitsmittel-Kreislauf durchströmt.
Weiterhin kann der Arbeitsmittel-Kreislauf einen Kondensator aufweisen, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach der Fluid-Kraftmaschine angeordnet ist. Mittels des Kondensators wird nach der Fluid-Kraftmaschine das zumindest teilweise noch dampfförmige Arbeitsmittel nahezu vollständig kondensiert, sodass sich der vor der Fluid-Kraftmaschine befindliche gespannte Dampf in den Arbeitsmittel-Kreislauf nach der Fluid-Kraftmaschine entspannen kann, wobei während er Entspannung in der Fluid-Kraftmaschine nutzbare mechanische Energie gewonnen werden kann.
Zudem kann der Arbeitsmittel-Kreislauf eine Arbeitsmittel-Fördereinrichtung aufweisen, die in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor dem Verdampfer angeordnet ist. Mittels der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung kann das im Kondensator in den flüssigen Aggregatzustand überführte Arbeitsmittel zu weiteren Komponenten des Arbeitsmittel-Kreislaufs transportiert werden. Außerdem kann die Arbeitsmittel-Fördereinrichtung in einem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nachfolgenden Abschnitt des Arbeitsmittel-Leitungssystems eine vorbestimmte Druckerhöhung aufbauen. Die Arbeitsmittel-Fördereinrichtung kann als Pumpe, als Verdränger-Pumpe, wie beispielsweise als Membranpumpe, Rotationskolbenpumpe, Drehkolbenpumpe, Drehschieberpumpe, Kreiskolbenpumpe, Zahnradpumpe, Exzenterschneckenpumpe, Impellerpumpe, Kolbenpumpe, Axialkolbenpumpen, Hubkolbenpumpen, Radialkolbenpumpe, Ringkolbenpumpe, Schraubenpumpe, Sinuspumpe oder dergleichen oder als Strömungspumpe, wie beispielsweise als Kreiselpumpe, Axialpumpe, Diagonalpumpe, Radialpumpe oder dergleichen, ausgebildet sein.
Ferner kann der Arbeitsmittel-Kreislauf einen Wärmetauscher zum Vorerwärmen des Arbeitsmittels vor Eintritt in den Verdampfer aufweisen, der zwischen der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung und dem Verdampfer angeordnet ist. Vorteilhaft kann durch einen derartigen Wärmetauscher das Arbeitsmittel beispielsweise bis dicht an die Verdampfungstemperatur erwärmt werden, sodass die thermische Energiezufuhr Q im Verdampfer effizienter und vorrangig zur Verdampfung und nicht zusätzlich zur Erwärmung des Arbeitsmittels verwendet wird. Dadurch kann die Verdampfung mit geringerer Zeitverzögerung stattfinden und die Wärmekraftmaschine ist exakter beispielsweise durch Einstellen der dem Verdampfer zugeführten Menge an Arbeitsmittel regelbar.
Der Wärmetauscher bzw. der als Wärmetauscher ausgebildete Verdampfer können dabei als Plattenwärmetauscher, Spiralwärmetauscher, Rohrwärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher, U-Rohr-Wärmetauscher, Mantelrohrwärmetauscher, Heizregister, Gegenstrom-Schichtwärmetauscher oder dergleichen ausgebildet sein.
Fernerhin kann der Arbeitsmittel-Kreislauf eine Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung aufweisen, die zwischen dem Kondensator und der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung angeordnet ist. Dadurch kann eine dementsprechend abgemessene und benötigte Menge an Arbeitsmittel in dem Arbeitsmittel-Kreislauf selbst bevorratet werden, wobei die Anordnung nach dem Kondensator aufgrund des Übergangs in den flüssigen Aggregatzustand des Arbeitsmittels im Kondensator vorteilhaft ist. Die Anordnung nach der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung sorgt zudem vorteilhaft dafür, dass die Arbeitsmittel-Fördereinrichtung nicht leerlaufen kann.
Ferner kann der Arbeitsmittel-Kreislauf eine Ventileinrichtung aufweisen, die zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdampfer angeordnet ist. Aufgrund dieser Ventileinrichtung, die als regelbares oder voreinstellbares Ventil ausgebildet sein kann, kann der Zustrom an Arbeitsmittel in den Verdampfer kontrolliert werden. Vorteilhaft ist damit auch die der Wärmekraftmaschine entnehmbare Leistung steuerbar. Dabei kann die Ventileinrichtung als Durchgangsventil, Eckventil, Schrägsitzventil, Medium betätigtes Ventil, maschinell betätigtes Ventil, zwangsgesteuertes Ventil, fremdgesteuertes Ventil, elektrisch betätigtes Ventil, pneumatisch betätigtes Ventil, hydraulisch betätigtes Ventil, feder- und gewichtsbelastetes Ventil, Tellerventil, Rohrventil oder Doppelsitzventil, Rollmembranventil, Quetschventil, Nadelventil, Kugelventil, Magnetventil, Absperrventil, Membranventil, Membran-Antiheber-Ventil, Regelventil, Rückschlagventil, Sicherheitsventil, Steuerventil, Sperrventil, Stromventil, Drosselventil, Drosselrückschlagventil, Rückschlagventil, Verzögerungsventil, Druckbegrenzungsventil, Zuschaltventil, Druckdifferenzventil, Druckminderventil, Druckregelventil, Schnellschlussventil oder dergleichen ausgebildet sein.
Weiterhin kann der Arbeitsmittel-Kreislauf eine Zustrom-Kontrolleinrichtung aufweisen, die zwischen dem Verdampfer und der Fluid-Kraftmaschine angeordnet ist. Eine derartige Zustrom-Kontrolleinrichtung kann zusätzlich zu der Ventileinrichtung den Zustrom des Dampfes auf die Fluid-Kraftmaschine einstellen. Dabei kann eine derartige Zustrom-Kontrolleinrichtung beispielsweise als Drosselklappe, als Drosselventil, als geregeltes Ventil, als starre Turbinengeometrie oder als variable Turbinengeometrie oder als Ventil wie vorhergehend beschreiben ausgebildet sein. Dabei kann die Zustrom-Kontrolleinrichtung integral mit der Fluid-Kraftmaschine ausgebildet sein, wie dies beispielsweise im Falle der starren Turbinengeometrie oder variablen Turbinengeometrie bei einer Dampfturbine möglich ist.
Des Weiteren kann das Arbeitsmittel zumindest ein Arbeitsmittel mit einer Dichte aufweisen, die um mindestens 20% geringer ist als die Dichte des Dicht-/Schmiermittels. Denkbar ist auch eine um mindestens 30% geringere Dichte, insbesondere um mindestens 40%, beispielsweise um mindestens 50% und ggf. um mindestens 60% geringere Dichte. Dabei ist auch denkbar, dass das gesamte Arbeitsmittel diese reziproke Dichteverteilung aufweist.
Aufgrund einer derartigen reziproken Dichteverteilung zwischen dem Arbeitsmittel und dem Dicht-/Schmiermittel ist gewährleistet, dass das Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatzustand auf dem Dicht-/Schmiermittel aufschwimmt und abgeschöpft werden kann, während das Dicht-/Schmiermittel beispielsweise gravimetrisch sedimentiert werden kann. Gegenüber der üblicherweise auftretenden Dichteverteilung, beispielsweise bei Wasser als Arbeitsmittel und einer Ölkomponente als Dicht-/Schmiermittel, hat eine derartige reziproke Dichteverteilung den Vorteil, dass die im Vergleich zum Arbeitsmittel geringeren Mengen an Dicht-/Schmiermitteln am Boden zusammengeführt und gesammelt werden können und nicht auf dem Arbeitsmittel aufschwimmen und abgeschöpft werden müssen. Demzufolge kann die Rückgewinnung des Dicht-/Schmiermittels aufgrund der vorteilhaft reziproken Dichteverteilung von Arbeitsmittel und Dicht-/Schmiermittel effizienter und quantitativ sowie qualitativ verbessert ausgebildet werden.
Zudem kann das Arbeitsmittel zumindest ein Arbeitsmittel mit einer Dichte < 1,5 g/cm³ aufweisen. Dabei ist auch eine Dichte < 1,4 g/cm³, ggf. eine Dichte < 1,2 g/cm³, beispielsweise eine Dichte < 1,1 g/cm³ und insbesondere auch eine Dichte < 1,0 g/cm³ denkbar.
Vorteilhaft kann durch die Auswahl eines Arbeitsmittels mit einer derartigen Dichte das vorteilhafte reziproke Dichteverhältnis zwischen Arbeitsmittel und Dicht-/Schmiermittel erreicht werden, da als Dicht-/Schmiermittel eingesetzte Perfluorpolyether üblicherweise eine Dichte von mehr als 1,75 g/cm³ aufweisen.
Des Weiteren kann das Arbeitsmittel zumindest ein Arbeitsmittel aufweisen, das in der wässrigen Phase mit dem Dicht-/Schmiermittel zu maximal 50% gesättigt ist. Dabei ist auch eine Sättigung zu maximal 30%, ggf. zu maximal 20%, insbesondere zu maximal 10% und beispielsweise zu maximal 5% denkbar.
Vorteilhaft kann durch eine derartige Sättigung des Arbeitsmittels mit dem Dicht-/Schmiermittel in der wässrigen Phase auf eine vollständige Abtrennung des Dicht-/Schmiermittels aus dem Arbeitsmittel verzichtet werden und somit die Rückgewinnungsvorrichtung konstruktiv weniger komplex und günstiger ausgebildet werden. Zudem kann aufgrund der dementsprechenden Sättigung der wässrigen Phase des Arbeitsmittels mit dem Dicht-/Schmiermittel in dem Verdampfer zumindest eine teilweise mit Dicht-/Schmiermittel vorgesättigte dampfförmige Phase des Arbeitsmittels hergestellt werden. Diese Vorsättigung mit Dicht-/Schmiermittel kann die Mitführung von Dicht-/Schmiermittel bei den zu schmierenden Komponenten verringern.
Des Weiteren kann das Arbeitsmittel zumindest ein Arbeitsmittel aufweisen, das in der dampfförmigen Phase in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor der Fluid-Kraftmaschine mit dem Dicht-/Schmiermittel zu maximal 90 Volumen % gesättigt ist. Dabei ist auch eine Sättigung zu maximal 70% Volumen denkbar, insbesondere zu maximal 50 Volumen %, ggf. zu maximal 30 Volumen %, und beispielsweise zu maximal 10 Volumen %.
Vorteilhaft kann durch eine Vorsättigung der dampfförmigen Phase mit dem Dicht-/Schmiermittel ein Mitführen des Dicht-/Schmiermittels aus der jeweilig zu schmierenden Komponente der Wärmekraftmaschine zumindest teilweise zurück gedrängt werden, sodass der Verlust an Dicht-/Schmiermittel in der zu schmierenden Komponente verringert werden kann.
Weiterhin kann das Arbeitsmittel zumindest Wasser aufweisen, oder vollständig aus Wasser im Wesentlichen bestehen. Vorteilhaft an der Verwendung von Wasser als Arbeitsmittel ist die hohe Verfügbarkeit und die hohe Stabilität dieses Arbeitsmittels. Zudem kann in Wasser, im Vergleich zu beispielsweise organischen Arbeitsmitteln, durch den Übergang von der flüssigen Phase in die dampfförmige Phase eine hohe Energiemenge gespeichert werden, die auch zu einem höheren Ertrag an mechanisch nutzbarer Arbeit durch die Fluid-Kraftmaschine führen kann.
Des Weiteren kann das Arbeitsmittel zumindest einen einwertigen Alkohol aufweisen. Dabei kann beispielsweise als einwertiger Alkohol Methanol, Ethanol, Isopropanol, n-Propanol, n-Butanol, n-Pentanol oder n-Hexanol verwendet werden. Vorteilhaft kann bei der Verwendung von Alkoholen, ggf. auch als, insbesondere wäßrige, Mischung, die Wärmekraftmaschine auch derartig ausgebildet werden, dass niedrigere oder höhere Temperaturbereiche zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanisch nutzbare Arbeit verwendet werden können, bei denen beispielsweise das Arbeitsmittel Wasser nicht optimal einsetzbar ist. Dabei ist es auch denkbar, dass Wasser-Alkohol-Gemische verwendet werden können.
Zudem kann das Arbeitsmittel zumindest einen verzweigten oder nicht verzweigten Ether aufweisen. So kann als verzweigter oder nicht verzweigter Ether beispielsweise Dimethylether, Diethylether, Methyl-, Ethylether, Disiopropylether zum Einsatz kommen. Durch die Verwendung von Ether im Arbeitsmittel kann der Einsatzbereich bzw. der Temperaturbereich der Wärmekraftmaschine variabler und flexibler angepasst werden und die Effizienz der Wärmekraftmaschine gesteigert werden.
Weiterhin kann das Arbeitsmittel zumindest einen aliphatischen, verzweigten, nicht verzweigten oder zyklischen Kohlenwasserstoff aufweisen. Dabei können beispielsweise n-Hexan, Cyclohexan, n-Heptan, 3-Ethyl-Hexan oder Erdölfraktionen zum Einsatz kommen. Durch die Verwendung von Kohlenwasserstoffen ist das Einsatzspektrum der Wärmekraftmaschine weiterhin erweiterbar.
Zudem zeichnen sich alle vorher genannten und weitere mögliche Arbeitsmittel dadurch aus, dass die als Dicht-/Schmiermittel eingesetzten Perfluorpolyether in diesen Arbeitsmitteln nahezu unlöslich sind.
Des Weiteren kann der Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf eine die Dichtung/Schmierung der Fluid-Kraftmaschine versorgende Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung aufweisen. Vorteilhaft kann durch eine derartige Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung das Dicht-/Schmiermittel direkt in der Wärmekraftmaschine bevorratet werden, wobei die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung als Auffangbehältnis für das rückgewonnene Dicht-/Schmiermittel fungieren kann. Vorteilhaft kann demzufolge die gesamte Wärmekraftmaschine sowohl hinsichtlich des Arbeitsmittels als auch des Dicht-/Schmiermittels autark und wartungsfrei aufgebaut werden. Dabei kann die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung einen Kopfbereich und einen Bodenbereich aufweisen, wobei die Verbindungslinie zwischen Kopfbereich und Bodenbereich in Richtung der Gravitationskraft orientiert ist. Mit anderen Worten ist die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung in der Wärmekraftmaschine senkrecht positioniert.
Des Weiteren kann der Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf eine Dicht/Schmiermittel-Fördereinrichtung aufweisen, die zwischen der Fluid-Kraftmaschine und der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung angeordnet ist. Mittels der Dicht-/Schmiermittel-Fördereinrichtung kann das Dicht/Schmiermittel von der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung zu den zu dichtenden/schmierenden Komponenten der Wärmekraftmaschine, wie beispielsweise zu der Fluid-Kraftmaschine, transportiert werden, sodass eine Zirkulation des Dicht/Schmiermittels im Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf bzw. im Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem stattfinden kann.
Des Weiteren kann der Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf eine Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung aufweisen, in die ein Siphonrohr eingesetzt ist. Vorteilhaft kann aufgrund des eingesetzten Siphonrohres und der damit einher gehenden Umlenkung des darin strömenden Fluides eine verbesserte Trennung von Dicht-/Schmiermittel und Arbeitsmittel erreicht werden. Zudem kann durch das eingesetzte Siphon-Rohr ein Siphoneffekt eines nachfolgend beschriebenen Siphonsystems unterstützt und verstärkt werden.
Des Weiteren kann die Rückgewinnungsvorrichtung einen Abscheider zur Trennung von Arbeitsmittel und Dicht-/Schmiermittel aufweisen. Dabei kann der Abscheider in dem Arbeitsmittel-Leitungssystem angeordnet sein und sowohl von dem Dicht-/Schmiermittel als auch von dem Arbeitsmittel durchströmt werden. Vorteilhaft kann durch die Verwendung eines Abscheiders die Trennung von Arbeitsmittel und Dicht-/Schmiermittel effizient und qualitativ sowie quantitativ hochwertig ausgestaltet werden.
Dabei kann ein derartiger Abscheider als gravimetrischer Abscheider ausgebildet sein. Ein gravimetrischer Abscheider kann durch ein Rohrsystem dargestellt werden oder durch konisch zulaufende Bauteile, sodass aufgrund des konischen Verlaufs des Bauteiles das Dicht-/Schmiermittel im konisch zulaufenden Abschnitt aufkonzentriert und gesammelt werden kann. Des Weiteren ist als gravimetrischer Abscheider auch beispielsweise ein Sammelbehälter denkbar, in dem sich die Phasen trennen können.
Des Weiteren kann der Abscheider auch als Schwimmkugelabscheider ausgebildet sein oder einen solchen aufweisen. Vorteilhaft bei der Verwendung eines Schwimmkugelabscheiders, wobei die Schwimmkugel eine geringere Dichte als das Dicht-/Schmiermittel hat, ist das Aufschwimmen der Schwimmkugel auf dem Dicht-/Schmiermittel. Ist aus dem Schwimmkugelabscheider das Dicht-/Schmiermittel nahezu vollständig ausgelaufen, so verschließt die Schwimmkugel den Ausfluss für das Dicht-/Schmiermittel, sodass das Arbeitsmittel zurückgehalten wird.
Weiterhin kann der Abscheider auch als Koaleszenzabscheider ausgebildet sein. Ein derartiger Koaleszenzabscheider unterstützt das Zusammenfließen des Dicht-/Schmiermittels und gestaltet die Trennung von Dicht-/Schmiermittel und Arbeitsmittel effizienter und quantitativ sowie qualitativ vollständiger. Ferner kann der Abscheider auch als Prallabscheider ausgebildet sein, wobei aufgrund der Umlenkung des Fluidstromes eine Abscheidung des Dicht-/Schmiermittels begünstigt wird. Fernerhin kann der Abscheider auch als Lamellenabscheider ausgebildet sein, wobei durch die Umlenkung an den Lamellen eine Abscheidung des Dicht-/Schmiermittels und eine Ausbildung größerer Tropfen unterstützt wird.
Des Weiteren ist der Abscheider auch als Wirbelabscheider, Fliehkraftabscheider, Zentrifugalabscheider oder Hydrozyklonabscheider ausbildbar. In allen diesen Varianten wird die unterschiedliche Dichte mittels der Fliehkraft ausgenutzt, um eine Trennung der beiden Phasen Arbeitsmittel und Dicht-/Schmiermittel zu unterstützen bzw. zu verbessern.
Des Weiteren kann die Rückgewinnungsvorrichtung einen ersten Abscheider aufweisen, der im Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach der Fluid-Kraftmaschine angeordnet ist. Nach der Fluid-Kraftmaschine liegt das Arbeitsmittel üblicherweise hauptsächlich in der dampfförmigen Phase vor. Es kann das Arbeitsmittel jedoch auch schon teilkondensiert sein, sodass ein Abführen der flüssigen Komponenten an dieser Stelle vorteilhaft ist. Da das Dicht-/Schmiermittel hauptsächlich in der flüssigen Phase vorliegt, gelingt mit dem ersten Abscheider auch ein Abführen der Hauptmenge an mitgeführtem Dicht-/Schmiermittel aus dem dampfförmigen Arbeitsmittel. Zusätzlich kann in dem abgeführten Fluid mit dem ersten Abscheider auch eine Trennung von Arbeitsmittel und Dicht-/Schmiermittel vorteilhaft durchgeführt werden. Dazu kann das abgeführte Fluid in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung eingeleitet werden. Vorteilhaft können somit die flüssigen Komponenten aus dem Dampfphasenbereich schon vor dem Kondensator abgeführt werden, sodass beispielsweise ein Überfluten des Kondensators mit flüssigen Komponenten verringert werden kann. Zudem wird die Hauptmenge an Dicht-/Schmiermitteln vor dem Kondensator entfernt, sodass der Kondensationsprozess durch das Dicht-/Schmiermittel nicht behindert wird. Außerdem kann ein Durchmischen oder sogar Dispergieren des Dicht-/Schmiermittels mit dem kondensierten Arbeitsmittel im Kondensator aufgrund der vorhergehenden Entfernung von Dicht-/Schmiermittel verringert werden. Ist zudem ein in der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung eingesetztes Siphonrohr vorgesehen, so kann die Ableitung der Fluide aus dem ersten Abscheider direkt mit einem Siphonrohrende verbunden werden. Dadurch kann vorteilhaft ein Siphoneffekt eines nachfolgend beschriebenen Siphonsystems unterstützt werden. Der erste Abscheider wird auch derart von dem dampfförmigen Arbeitsmittel durchströmt, sodass das dampfförmige Arbeitsmittel nach dem ersten Abscheider in den nachfolgenden Kondensator einströmt.
Des Weiteren kann die Rückgewinnungsvorrichtung einen zweiten Abscheider aufweisen, der im Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach dem Kondensator angeordnet ist. In dem Kondensator wird der Hauptanteil des dampfförmigen Arbeitsmittels in den flüssigen Aggregatzustand kondensiert. Dabei kann das Kondensat auch noch Anteile an Dicht-/Schmiermittel aufweisen. Diese Anteile an Dicht-/Schmiermittel werden durch den zweiten Abscheider getrennt. Der Abscheider ist derartig ausgebildet, dass das flüssige Arbeitsmittel der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung zugeführt wird, während das Dicht-/Schmiermittel der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung zugeführt wird. Dabei kann der erste Abscheider, der zweite Abscheider und die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung ein nachfolgend beschriebenes Siphonsystem aufbauen.
Trotz der beiden zuvor genannten Abscheider kann noch ein Teil des Dicht-/Schmiermittels in der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung befindlichen Arbeitsmittels dispergiert verbleiben. Dieses restliche Dicht-/Schmiermittel kann durch nachgeschaltete Abscheider weiter aus dem Arbeitsmittel-Kreislauf entfernt werden. Dabei kann die nachgeschaltete Abscheidung durch Zentrifugieren, Prallabscheidung und Verdampfung durchgeführt werden.
Weiterhin kann die Rückgewinnungsvorrichtung einen ersten nachgeschalteten Abscheider aufweisen, der im Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung angeordnet ist. Dabei kann die Arbeitsmittel-Fördereinrichtung mit dem Bodenbereich bzw. dem tiefsten Punkt der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung fluidisch leitend verbunden sein. Vorteilhaft kann durch eine derartige Anordnung der Ableitung des Arbeitsmittels aus der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung auch in der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung sedimentiertes Dicht-/Schmiermittel mit dem Arbeitsmittel abgeleitet werden. Dadurch kann verhindert werden, dass sich in der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung abgeschiedenes Dicht-/Schmiermittel konzentriert und demzufolge dem Arbeitsmittel-Kreislauf bzw. dem Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf sukzessive entzogen wird. Die Anordnung des erste nachgeschalteten Abscheiders nach der Dicht-/Schmiermittel-Fördereinrichtung hat den Vorteil, dass der erste nachgeschaltete Abscheider als Fliehkraftabscheider ausgebildet werden kann. Dabei kann die Pumpe den zum Aufbau der Fliehkraft benötigten Druck herstellen. Zudem kann der erste nachgeschaltete Abscheider auch als Hydrozyklonabscheider, als Wirbelabscheider oder als Zentrifugationsabscheider ausgebildet sein. Das in dem ersten nachgeschalteten Abscheider abgeschiedene Dicht-/Schmiermittel kann über eine Ableitung der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung zugeführt werden. In Richtung der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung kann hinter dem ersten nachgeschalteten Abscheider in der Ableitung ein Schwimmkugelabscheider angeordnet sein, mit Hilfe dessen ein Eindringen von Arbeitsmittel in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung verringert bzw. verhindert werden kann.
Des Weiteren kann die Rückgewinnungsvorrichtung einen zweiten nachgeschalteten Abscheider aufweisen, der im Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor einem Einlass des Wärmeaustauschers angeordnet oder mit dem Wärmeaustauscher integral ausgebildet ist. Dieser zweite nachgeschaltete Abscheider kann als einfacher gravimetrischer Abscheider oder als Koaleszenzabscheider ausgebildet sein und von flüssigem Arbeitsmittel durchströmt werden. Dabei kann der Wärmetauscher zusätzlich durch entsprechende Ausbildung, beispielsweise in Form eines Plattenwärmetauschers, als Prallabscheider fungieren. Das durch Prallabscheidung oder anderweitig abgeschiedene Dicht-/Schmiermittel kann mittels eines ausreichend dimensionierten, vorbestimmten Leckagestromes über den zweiten nachgeschalteten Abscheider zurück in die Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung abgeleitet werden. Diese Leckageströmung gelingt unter Anderem aufgrund der Anordnung der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrtchtung und vor dem Wärmetauscher. Da demzufolge zwischen dem zweiten nachgeschalteten Abscheider und der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung eine Druckdifferenz besteht, kann zwischen dem zweiten nachgeschalteten Abscheider und der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung ein Leckagestrom eingestellt werden und mittels des Leckagestromes das abgeschiedene Dicht-/Schmiermittel und ggf. auch in geringem Umfang Arbeitsmittel wieder in die Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung abgeleitet werden, sodass dieses rückgeführte Dicht-/Schmiermittel wieder durch den nachgeschalteten ersten Abscheider aus dem Arbeitsmittel-Kreislauf entfernt werden kann. Dabei ist auch denkbar, dass der Wärmetauscher und der vor dem Einlass des Wärmetauschers angeordnete zweite nachgeschaltete Abscheider integral ausgebildet sind. In diesem Fall kann beispielsweise der Boden des Wärmetauschers bzw. der tiefste Punkt des Wärmetauschers fluidisch leitend mit der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung verbunden werden, sodass aufgrund des vorbestimmten Leckagestromes, der zudem geregelt sein kann, das abgeschiedene Dicht-/Schmiermittel und ggf. auch in geringem Umfang Arbeitsmittel in die Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung abgeleitet werden können.
Des Weiteren kann die Rückgewinnungsvorrichtung einen dritten nachgeschalteten Abscheider aufweisen, der im Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor einem Einlass des Verdampfers angeordnet oder mit dem Verdampfer integral ausgebildet ist. Dabei kann der dritte nachgeschaltete Abscheider von dem Arbeitsmittel durchströmt werden. In dem Verdampfer wird das Arbeitsmittel mittels Wärmeeintrag in den dampfförmigen Aggregatzustand überführt. Dabei kann der Verdampfer beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein. Durch Verdampfen des Arbeitsmittels kann in dem Arbeitsmittel noch befindliches Dicht-/Schmiermittel in dem Verdampfer zurückbleiben, sodass dieses über den dritten nachgeschalteten Abscheider abgeleitet werden kann. Dabei kann der dritte nachgeschaltete Abscheider fluidisch leitend mit dem ersten Abscheider verbunden werden. Es ist auch in diesem Fall die Ableitung des abgeschiedenen bzw. zurückbleibenden Dicht-/Schmiermittels mittels einer Leckageströmung möglich. Vorteilhaft kann dadurch verhindert werden, dass sich im Verdampfer zurückbleibendes Dicht-/Schmiermittel ansammelt und demzufolge aus dem Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf sukzessive entfernt wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Betriebsverfahren für eine Wärmekraftmaschine, insbesondere wie zuvor beschrieben, vorgeschlagen, wobei ein Fluid, dass zumindest teilweise durch einen im Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach einer Fluid-Kraftmaschine angeordneten ersten Abscheider abgeschieden wird, über ein Siphonsystem in eine Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung eingeleitet wird. Dabei kann ein Fluid, dass zumindest teilweise durch einen im Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach einem Kondensator angeordneten zweiten Abscheider abgeschieden wird, über das Siphonsystem in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung eingeleitet werden. Dabei kann das Siphonsystem durch den ersten Abscheider, den zweiten Abscheider und durch die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung ausgebildet werden.
Vorteilhaft kann durch die Ausbildung eines derartigen Siphonsystems der Bereich der dampfförmigen Phase des Arbeitsmittels von dem Bereich der flüssigen Phasen des Arbeitsmittels und des Dicht-/Schmiermittels getrennt werden. Dabei versteht man unter einem Siphonsystem einen Siphon, wie er beispielsweise als Geruchsverschluss bei Abwasserleitungen verwendet wird. Dabei kann das Siphonsystem u-förmig ausgebildet sein oder auch jede gängige, beliebige Anordnung wie beispielsweise die eines Flaschensiphons aufweisen. Zudem trennt das Siphonsystem auch die flüssige Phase des Arbeitsmittels von der flüssigen Phase des Dicht-/Schmiermittels. Dabei kann die Phasengrenze des flüssigen Arbeitsmittels und des flüssigen Dicht-/Schmiermittels innerhalb der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung angeordnet sein, in zumindest einer Ableitung des ersten Abscheiders oder des zweiten Abscheiders die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung oder in zumindest dem ersten Abscheider oder dem zweiten Abscheider. Dabei kann der zweite Abscheider durch das Kondensat aus dem Kondensator überflutet werden, sodass sedimentiertes Dicht-/Schmiermittel in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung abgeleitet werden kann, während überstehendes Arbeitsmittel in die Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung überlaufen kann. Die wirksame hydrostatische Höhe des Siphonsystems kann durch die Integration eines im Sammelbehälter angeordneten Siphonrohres vorteilhaft weiterhin erhöht werden. Des Weiteren kann ein Ende des Siphonrohres unterhalb eines Kopfbereiches der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung ausgeleitet werden, während das andere Ende des Siphonrohres mit der Ableitung des ersten Abscheiders verbunden ist. Dadurch kann die Abtrennung des Dicht-/Schmiermittels vom Arbeitsmittel vorteilhaft weiter unterstützt werden. Dies gelingt auch Einleiten des aus dem zweiten Abscheiders abgeleiteten Dicht-/Schmiermittels ebenfalls in den Kopfbereich der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung.
Zudem kann ein Fluid, das zumindest teilweise durch einen in einem Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach einer Arbeitsmittel-Fördereinrichtung angeordneten oder mit dem Wärmetauscher integral ausgebildeten ersten nachgeschalteten Abscheider abgeschieden wird, in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung eingeleitet werden. Vorteilhaft kann durch den ersten nachgeschalteten Abscheider eine nach dem Siphonsystem nachgeschaltete Abscheidung von Dicht-/Schmiermittel durchgeführt werden.
Des Weiteren kann ein Fluid, das zumindest teilweise durch einen in einem Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor einem Einlass eines Wärmetauschers angeordneten oder mit dem Wärmetauscher integral ausgebildeten zweiten nachgeschalteten Abscheider abgeschieden wird, in eine Arbeitsmittel-Bevorratungsrichtung eingeleitet werden. Dabei kann das in dem zweiten nachgeschalteten Abscheider abgeschiedene Fluid durch eine Leckageströmung der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung zugeführt werden. Vorteilhaft kann durch eine derartige Rückführung des abgeschiedenen Fluids das in dem Arbeitsmittel befindliche Dicht-/Schmiermittel durch den ersten nachgeschalteten Abscheider aus dem Arbeitsmittel-Kreislauf entfernt werden.
Des Weiteren kann ein Fluid, das zumindest teilweise durch einen in einem Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor einem Einlass eines Verdampfers angeordneten oder mit dem Verdampfer integral ausgebildeten Abscheider abgeschieden wird, in einem im Arbeitsmittel-Leitungssystem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach der Fluid-Kraftmaschine angeordneten dritten nachgeschalteten Abscheider abgeleitet werden. Vorteilhaft kann dadurch das im Verdampfer abgeschiedene und zurückbleibende Dicht-/Schmiermittel in einen ebenfalls dampfberührten Raum zurückgeführt werden, wobei in diesem Fall ebenfalls eine Leckageströmung als rückführende Kraft möglich ist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung von zumindest einem Perfluorpolyether als Dicht-/Schmiermittel für zumindest eine Fluid-Kraftmaschine eine Wärmekraftmaschine vorgeschlagen. Vorteilhaft können durch die Verwendung von Perfluorpolyether als Dicht-/Schmiermittel die zuvor beschriebenen Vorteile erreicht werden.
Des Weiteren kann das Dicht-/Schmiermittel zumindest einen verzweigten Perfluorpolyether aufweisen. Dadurch können die zuvor genannten Vorteile erreicht werden.
Weiterhin kann das Dicht-/Schmiermittel einen nicht verzweigten, linearen Perfluorpolyether aufweisen. Diese linearen nicht verzweigten Perfluorpolyether weisen im Vergleich zu den verzweigten Perfluorpolyethern einen niedrigeren Dampfdruck auf. Dadurch kann ein Übertreten des linearen Perfluorpolyether im Vergleich zu dem verzweigten Perfluorpolyether in die Dampfphase weiter verringert werden.
Somit können folgende Perfluorpolyether als Dicht-/Schmiermittel verwendet werden: Krytox^® der Fa. E. I. du Pont de Nemours and Company, Inc., Wilmington, DE FOMBLIN^® Y,M,Z und GALDEN^® der Fa. Ausimont (Montedison, Mailand, Italien) DEMNUM^® der Fa. Daikin Industries, Osaka, Japan
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt:
1 eine Wärmekraftmaschine mit einem Arbeitsmittel-Kreislauf, einem Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf und einer Rückgewinnungseinrichtung für Dicht-/Schmiermittel aus dem Arbeitsmittel.
Eine Wärmekraftmaschine 100, wie in 1 gezeigt, weist eine Fluid-Kraftmaschine 110, einen Kondensator 120, eine Arbeitsmittel-Fördereinrichtung 130 und einen Verdampfer 140 auf. Zudem kann die Wärmekraftmaschine 100 noch mit einem Wärmetauscher 150 ausgestattet sein, der das Arbeitsmittel vor dem Eintritt in den Verdampfer 140 vorwärmt, sodass effizient die in den Verdampfer 140 eingeleitete thermische Energie hauptsächlich zum Verdampfen des Arbeitsmittels und weniger zum Erwärmen des Arbeitsmittels verwendet wird. Diese Komponenten 110, 120, 130, 140, 150 bilden zusammen mit einem Arbeitsmittel-Leitungssystem 160 einen Arbeitsmittel-Kreislauf 170 aus. Dabei ist das Arbeitsmittel-Leitungssystem 160, das hauptsächlich von Arbeitsmittel durchströmt wird, mittels durchgezogener Linien gekennzeichnet.
Damit die Fluid-Kraftmaschine 110 reibungslos funktioniert, ist sie mittels eines Dicht-/Schmiermittels gedichtet/geschmiert. Dieses Dicht-/Schmiermittel kann jedoch durch das Arbeitsmittel bei Durchströmen der Fluid-Kraftmaschine 110 mitgeführt werden, sodass zum einen der Arbeitsmittel-Kreislauf 170 mit dem Dicht-/Schmiermittel verschmutzt werden kann und zum anderen die Dichtung/Schmierung der Fluid-Kraftmaschine 110 ständig erneuert werden muss. Zu diesem Zweck kann ein Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf 180 vorgesehen sein, der mittels einer Rückgewinnungsvorrichtung 190 Dicht-/Schmiermittel aus dem Arbeitsmittel rückgewinnt und der Dichtung/Schmierung der Fluid-Kraftmaschine 110 zuführt. Dabei kann der Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf 180 eine Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 und eine Dicht-/Schmiermittel-Fördereinrichtung 210 aufweisen.
Die Rückgewinnungsvorrichtung 190 kann einen ersten Abscheider 220, einen zweiten Abscheider 230, einen ersten nachgeschalteten Abscheider 240, einen zweiten nachgeschalteten Abscheider 250 und einen dritten nachgeschalteten Abscheider 260 aufweisen. Zusammen mit einem Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem 270, das hauptsächlich von Dicht-/Schmiermittel durchströmt wird, bilden die vorgenannten Komponenten des Dicht-/Schmiermittel-Kreislaufes 170 zusammen mit den Komponenten der Rückgewinnungsvorrichtung 190 den Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf 180 aus.
Der Arbeitsmittel-Kreislauf 170 funktioniert dabei nach einem üblichen thermodynamischen Kreisprozess. Dabei wird in dem Verdampfer 140 das Arbeitsmittel durch thermische Energiezufuhr Q 280 verdampft. Mit dem so gewonnenen, dampfförmigen Arbeitsmittel wird die Fluid-Kraftmaschine 110 angetrieben, sodass mittels der Fluid-Kraftmaschine 110 mechanisch nutzbare Arbeit W 290 gewonnen werden kann. In dem der Fluid-Kraftmaschine 110 in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nachfolgenden Kondensator 120 wird durch thermische Energieabfuhr q 310 das zumindest teilweise dampfförmige Arbeitsmittel wieder kondensiert, wobei das so kondensierte Arbeitsmittel mittels der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung 130 wieder dem Verdampfer 140 zugeführt werden kann.
Zur ausreichenden Versorgung des Arbeitsmittel-Kreislaufes 170 mit Arbeitsmittel kann zudem eine zwischen dem Kondensator 120 und der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung 130 angeordnete Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320 vorgesehen sein. Zudem ist es möglich, dass zwischen der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung 130 und dem Verdampfer 140 ein Wärmetauscher 150 angeordnet ist, der das Arbeitsmittel vorwärmt, wobei diese Erwärmung durch eine thermische Energiezufuhr Q 330 vorgenommen wird. Dabei kann diese thermische Energiezufuhr Q 330 eine Abwärme 340 des Wärmetauschers 140 darstellen. Zu diesem Zweck kann der Rücklauf 350 des Verdampfers 140 mit einem Vorlauf 360 des Wärmetauschers 150 verbunden werden.
Zur Dichtung/Schmierung der Fluid-Kraftmaschine 110 wird derselben über das Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem 270 mittels der Dicht/Schmiermittel-Fördereinrichtung 210 aus der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 Dicht-/Schmiermittel zugeführt. Damit die Wärmekraftmaschine 100 autark und weniger wartungsintensiv ausgebildet werden kann, wird mittels der Rückgewinnungsvorrichtung 190 aus dem Arbeitsmittel-Kreislauf 170 mitgeführtes Dicht-/Schmiermittel entfernt und dem Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf 180 rückgeführt. Somit erfährt das Dicht/Schmiermittel in dem Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf 180 ebenfalls eine Zirkulation, wobei sich die Zirkulation über den Arbeitsmittel-Kreislauf 170 erstreckt.
Der erste Abscheider 220 ist zwischen der Fluid-Kraftmaschine 110 und dem Kondensator 120 in dem Arbeitsmittel-Leitungssystem 160 angeordnet. In diesem Bereich des Arbeitsmittel-Leitungssystems 160 liegt das Arbeitsmittel hauptsächlich in der dampfförmigen Phase vor. Es kann aber auch zumindest teilweise kondensiert und dies sogar vor dem Kondensator 120 vorliegen. Demzufolge scheidet der erste Abscheider 220 aus dem Arbeitsmittel-Leitungssystem 160 sowohl flüssiges Dicht-/Schmiermittel als auch flüssiges Arbeitsmittel ab.
Der zweite Abscheider 230 ist zwischen dem Kondensator 120 und der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320 in dem Arbeitsmittel-Leitungssystem 160 angeordnet. Da in dem Kondensator 120 das Arbeitsmittel nahezu vollständig kondensiert wird, wird der zweite Abscheider 230 mit dem Kondensat des Kondensators 120 geflutet. Beide Abscheider 220, 230 sind unterhalb des Kondensators 120 angeordnet. Die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 ist wiederum unterhalb der beiden Abscheider 220, 230 angeordnet. Dabei können die beiden Abscheider 220, 230 auf gleichem Niveau angeordnet sein. Die Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320 ist unterhalb des zweiten Abscheiders 230 angeordnet. Von dem ersten Abscheider 220 fließt sowohl flüssiges Arbeitsmittel als auch flüssiges Dicht-/Schmiermittel zu der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200. Aufgrund der Anordnung der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 zu dem zweiten Abscheider 230 und aufgrund des Dichteverhältnisses zwischen Arbeitsmittel und Dicht-/Schmiermittel fließt Dicht-/Schmiermittel von dem zweiten Abscheider 230 zu der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200, während Arbeitsmittel von der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 zu dem zweiten Abscheider 230 aufsteigt. Aufgrund des dementsprechend angeordneten Überlaufes und der Anordnung der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320 zu dem zweiten Abscheider 230 fließt überstehendes Arbeitsmittel in die Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320. Aufgrund der Anordnung bildet der erste Abscheider 220, der zweite Abscheider 230 und die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 ein Siphonsystem 370 aus. Primär trennt dieses Siphonsystem 370 die dampfförmige Phase des Arbeitsmittels und somit den dampfförmigen Raum des Arbeitsmittel-Leitungssystems von den flüssigen Phasen des Arbeitsmittels und Dicht-/Schmiermittels ab und somit von dem flüssigen Raum des Arbeitsmittel-Leitungssystems. Zudem kann dieses Siphonsystem 370 aber auch dazu verwendet werden, die beiden Phasen des Arbeitsmittels und des Dicht-/Schmiermittels kontrolliert voneinander zu trennen. Dadurch kann eine verbesserte Abscheidung des Arbeitsmittels von dem Dicht-/Schmiermittel erreicht werden, sodass das Dicht-/Schmiermittel in ausreichender Qualität zu der Fluid-Kraftmaschine 110 rückgeführt werden kann. Zu diesem Zweck kann eine Phasengrenze 380 zwischen dem Arbeitsmittel und dem Dicht-/Schmiermittel in der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 angeordnet sein.
Zudem kann der Siphoneffekt durch ein in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 eingesetztes Siphonrohr 390 verbessert werden. Dabei kann die Ableitung vom ersten Abscheider 220 zu der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 mit einem Ende des Siphonrohrs 390 verbunden werden. Das zweite Ende des Siphonrohres ist dabei als Auslauf ausgestaltet und dicht unterhalb eines Kopfbereiches 400 der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 positioniert. Zudem kann die Ableitung des zweiten Abscheiders 230 in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 ebenfalls im Kopfbereich 400 vorgenommen werden. Aufgrund einer derartigen Einleitung bzw. Anordnung kann eine Verunreinigung, des in der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 abgesetzten bzw. sedimentierten Dicht-/Schmiermittels mit Arbeitsmittel weitestgehend verhindert werden. Somit gelingt in Strömungsrichtung 410 des Dicht-/Schmiermittels zu der Fluid-Kraftmaschine 110 eine Konzentrierung des Dicht-/Schmiermittels bis zu einem Grad, indem nahezu kein Arbeitsmittel mehr in dem Dicht-/Schmiermittel vorhanden ist.
Der erste nachgeschaltete Abscheider 240 ist zwischen der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung 130 und dem Verdampfer 140 bzw. dem Wärmetauscher 150 angeordnet. Dieser erste nachgeschaltete Abscheider 240 kann als Zentrifugalabscheider, bevorzugt als Hydrozyklonabscheider, ausgebildet sein, der eine hohe Abscheidungseffizienz des Dicht-/Schmiermittels von dem Arbeitsmittel aufweist. Dabei wird das abgeschiedene Dicht-/Schmiermittel in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 abgeleitet. Diese Ableitung wird über einen Bodenbereich 420 der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung 200 vorgenommen. Dies auch deshalb, weil aufgrund der hohen Trennwirkung des ersten nachgeschalteten Abscheiders 240 nahezu kein Arbeitsmittel mehr in dem rückgeführten Dicht-/Schmiermittel vorhanden ist.
Der zweite nachgeschaltete Abscheider 250 kann vor dem Einlass des Wärmetauschers 150 angeordnet sein oder der zweite nachgeschaltete Abscheider 250 ist mit dem Wärmetauscher 150 integral ausgebildet. Dabei kann der Wärmetauscher 150 die Funktion eines Prallabscheiders übernehmen, wobei der zweite nachgeschaltete Abscheider 250 in diesem Fall als einfacher gravimetrischer Abscheider ausgebildet ist. Aufgrund der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung 130 ist in dem Arbeitsmittel-Leitungssystem 160 vor oder in dem Wärmetauscher ein hohes Druckniveau vorhanden. Verbindet man nun den zweiten nachgeschalteten Abscheider 250 mit der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320, so kann aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Wärmetauscher 150 und der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320 eine Leckageströmung hin zu der Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320 aufgebaut werden. Aufgrund dieser Leckageströmung können abgeschiedenes Dicht-/Schmiermittel und ggf. auch eine dementsprechende einstellbare Menge an Arbeitsmittel in die Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung 320 abgeleitet werden. Dieses abgeleitete Fluid kann wiederum mittels des ersten nachgeschalteten Abscheiders 240 von Dicht-/Schmiermittel befreit werden.
Der dritte nachgeschaltete Abscheider 260 kann vor dem Einlass des Verdampfers 140 angeordnet sein oder integral mit demselben ausgebildet sein. Die Zufuhr an Arbeitsmittel in den Verdampfer kann durch eine Ventileinrichtung 430 begrenzt und/oder geregelt werden. Aufgrund des Verdampfens des Arbeitsmittels verbleibt Dicht-/Schmiermittel in dem Verdampfer 140 zurück. Verbindet man nun den dritten nachgeschalteten Abscheider 260 mit dem ersten Abscheider 220, so kann aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Bereich vor der Fluid-Kraftmaschine 110 und dem Bereich nach der Fluid-Kraftmaschine 110 eine Leckageströmung von dem dritten nachgeschalteten Abscheider 260 zu dem ersten Abscheider 220 eingestellt werden. Somit kann auch aus dem Verdampfer 140 mittels einer Leckageströmung dort anfallendes Dicht-/Schmiermittel der Rückgewinnung über das Siphon-System 370 zugeführt werden. Dabei kann aber die Leckageströmung auch in gewissem Umfang dampfförmiges Arbeitsmittel abgeleitet werden.
Durch eine derartige Ausbildung einer Wärmekraftmaschine 100 gelingt eine äußerst effiziente und vollständige Rückgewinnung des Dicht-/Schmiermittels aus dem Arbeitsmittel-Kreislauf 170.

Claims

Wärmekraftmaschine, umfassend einen Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf (180) mit einem von einem Dicht-/Schmiermittel durchströmten Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem (270) und einen Arbeitsmittel-Kreislauf (170) mit einem von einem Arbeitsmittel durchströmten Arbeitsmittel-Leitungssystem (160), wobei mittels des Dicht-/Schmiermittels zumindest eine Fluid-Kraftmaschine (110) des Arbeitsmittel-Kreislaufs (170) abgedichtet/geschmiert wird, wobei eine Rückgewinnungsvorrichtung (190) aus dem Arbeitsmittel mitgeführtes Dicht-/Schmiermittel zurückgewinnt, wobei das Dicht-/Schmiermittel zumindest einen Perfluorpolyether (PFPE) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Arbeitsmittel-Kreislauf (170) zumindest eine von dem Arbeitsmittel durchströmte und in dem Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) angeordnete Komponente aus folgender Gruppe aufweist: eine als Strömungsmaschine ausgebildete Fluid-Kraftmaschine (110), eine als Kolbenmaschine ausgebildete Fluid-Kraftmaschine (110), einen in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels vor der Fluid-Kraftmaschine (110) angeordneten Verdampfer (140), einen in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels nach der Fluid-Kraftmaschine (110) angeordneten Kondensator (120), eine in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels vor dem Verdampfer (140) angeordnete Arbeitsmittel-Fördereinrichtung (130), einen zwischen der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung (130) und dem Verdampfer (140) angeordneten Wärmetauscher (150) zum Vorerwärmen des Arbeitsmittels vor Eintritt in den Verdampfer (140), eine zwischen dem Kondensator (120) und der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung (130) angeordnete Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung (320), eine zwischen dem Wärmetauscher (150) und dem Verdampfer (140) angeordnete Ventileinrichtung (430), eine zwischen dem Verdampfer (140) und der Fluid-Kraftmaschine (110) angeordnete Zustrom-Kontrollleinrichtung.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmittel zumindest ein Arbeitsmittel aus folgender Gruppe oder eine beliebige Mischung derselben aufweist: ein Arbeitsmittel mit einer um mindestens 20% geringeren Dichte als die Dichte des Dicht-/Schmiermittels, ein Arbeitsmittel mit einer Dichte < 1,5 g/cm³, ein in der flüssigen Phase mit dem Dicht-/Schmiermittel zu maximal 90% gesättigtes Arbeitsmittel, ein in der dampfförmigen Phase in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor der Fluid-Kraftmaschine mit dem Dicht-/Schmiermittel zu maximal 90% gesättigtes Arbeitsmittel, Wasser, einen einwertigen Alkohol, einen verzweigten oder nicht-verzweigten Ether, einen aliphatischen, verzweigten oder nicht-verzweigten Kohlenwasserstoff.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dicht-/Schmiermittel-Kreislauf (180) zumindest eine von dem Dicht/Schmiermittel durchströmte und in dem Dicht-/Schmiermittel-Leitungssystem (270) angeordnete Komponente aus folgender Gruppe aufweist: einen die Dichtung/Schmierung der Fluid-Kraftmaschine (110) versorgende Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung (200), eine zwischen der Fluid-Kraftmaschine (110) und der Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung (200) angeordnete Dicht-/Schmiermittel-Fördereinrichtung (210), eine Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung (200) mit einem eingesetzten Siphonrohr (390).
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückgewinnungsvorrichtung (190) zumindest eine von dem Dicht/Schmiermittel durchströmte Komponente aus folgender Gruppe aufweist: zumindest einen im Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) angeordneten Abscheider (220, 230, 240, 250, 260) zur Trennung von Arbeitsmittel und Dicht-/Schmiermittel, einen im Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels nach der Fluid-Kraftmaschine (110) angeordneten ersten Abscheider (220), einen im Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels nach dem Kondensator (120) angeordneten zweiten Abscheider (230), einen im Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels nach der Arbeitsmittel-Fördereinrichtung (130) angeordneten ersten nachgeschalteten Abscheider (240), einen im Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels vor einem Einlass des Wärmetauschers (150) angeordneten oder mit dem Wärmetauscher (150) integral ausgebildeten zweiten nachgeschalteten Abscheider (250), einen im Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels vor einem Einlass des Verdampfers (140) angeordneten oder mit dem Verdampfer (140) integral ausgebildeten dritten nachgeschalteten Abscheider (260).
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 5, wobei zumindest ein Abscheider (220, 230, 240, 250, 260) als ein Abscheider aus folgender Gruppe ausgebildet ist: ein gravimetrischer Abscheider, ein als Schwimmkugelabscheider ausgebildeter Abscheider, ein als Koaleszenzabscheider ausgebildeter Abscheider, ein als Prallabscheider ausgebildeter Abscheider, ein als Lamellenabscheider ausgebildeter Abscheider, ein als Wirbelabscheider ausgebildeter Abscheider, ein als Fliehkraftabscheider ausgebildeter Abscheider, ein als Zentrifugationsabscheider ausgebildeter Abscheider, ein als Hydrozyklonabscheider ausgebildeter Abscheider.
Betriebsverfahren für eine Wärmekraftmaschine, insbesondere gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Fluid, das zumindest teilweise durch einen in einem Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels nach einer Fluid-Kraftmaschine (110) angeordneten ersten Abscheider (220) abgeschieden wird, über ein Siphonsystem (370) in eine Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung (200) eingeleitet wird, wobei ein Fluid, das zumindest teilweise durch einen in dem Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels nach einem Kondensator (120) angeordneten zweiten Abscheider (230) abgeschieden wird, über das Siphonsystem (370) in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung (200) eingeleitet werden kann, wobei das Siphonsystem (370) durch den ersten Abscheider (220), den zweiten Abscheider (230) und die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung (200) ausgebildet werden kann.
Betriebsverfahren nach Anspruch 7, wobei zumindest einer der folgenden Verfahrensschritte durchgeführt wird: ein Fluid, das zumindest teilweise durch einen in einem Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels nach einer Arbeitsmittel-Fördereinrichtung (130) angeordneten oder mit dem Wärmetauscher (150) integral ausgebildeten ersten nachgeschalteten Abscheider (240) abgeschieden wird, wird in die Dicht-/Schmiermittel-Bevorratungseinrichtung (200) eingeleitet, ein Fluid, das zumindest teilweise durch einen in einem Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels vor einem Einlass eines Wärmetauschers (150) angeordneten oder mit dem Wärmetauscher (150) integral ausgebildeten zweiten nachgeschalteten Abscheider (250) abgeschieden wird, wird in eine Arbeitsmittel-Bevorratungseinrichtung (320) eingeleitet, ein Fluid, das zumindest teilweise durch einen in einem Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels vor einem Einlass eines Verdampfers (140) angeordneten oder mit dem Verdampfer (140) integral ausgebildeten dritten nachgeschalteten Abscheider (260) abgeschieden wird, wird in den im Arbeitsmittel-Leitungssystem (160) in Strömungsrichtung (300) des Arbeitsmittels nach der Fluid-Kraftmaschine (110) angeordneten ersten Abscheider (220) eingeleitet.
Verwendung von zumindest einem Perfluorpolyether als Dicht-/Schmiermittel für zumindest eine Fluid-Kraftmaschine (110) einer Wärmekraftmaschine (100).
Verwendung nach Anspruch 9, wobei das Dicht-/Schmiermittel zumindest ein Dicht-/Schmiermittel aus folgender Gruppe oder eine beliebige Mischung derselben aufweist: einen verzweigten Perfluorpolyether, einen nicht verzweigten, linearen Perfluorpolyether.