DE102012024022A1

DE102012024022A1 - Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses

Info

Publication number: DE102012024022A1
Application number: DE201210024022
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Pegasus Energietechnik AG
Current assignee: DOUFAS KAELTETECHNIK SCHWEIZ AG, CH
Priority date: 2012-12-08
Filing date: 2012-12-08
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-09
Also published as: DE102012024022B4

Abstract

Eine Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium, bei der vor einem Teilprozess des Kreisprozesses eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Öl zu dem Arbeitsmedium und nach dem Teilprozess eine Abführeinrichtung zum Abführen von Öl aus dem Arbeitsmedium vorgesehen ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium.
Ein thermodynamischer Kreisprozess ist allgemein ein Prozess, in dem ein Arbeitsmedium periodische Änderungen in dessen thermodynamischen Zustandsgrößen wie Druck und Temperatur durchläuft und dabei immer wieder seinen Ausgangszustand erreicht. Je nach Änderung dieser Zustandsgrößen wird vom Arbeitsmedium Energie aufgenommen oder Energie abgegeben. Diese Eigenschaften des Arbeitsmediums werden genutzt, um insbesondere thermische Energie bzw. Wärme in mechanische Energie umzuwandeln. Aus der mechanischen Energie kann beispielsweise mittels eines Generators elektrische Energie erzeugt werden.
Ein weit verbreitetes Anwendungsgebiet des thermodynamischen Kreisprozesses ist das Umwandeln von thermischer Energie aus Hochtemperatur-Wärmequellen in elektrische Energie in Dampfkraftwerken. Dort wird als thermodynamischer Kreisprozess der klassische Clausius-Rankine-Prozess mit Wasser als Arbeitsmedium durchgeführt. Wird anstatt Wasser zumindest eine organische Flüssigkeit verwendet, die einen weit niedrigeren Siedepunkt als Wasser aufweist, spricht man vom sogenannten (Organic-Rankine-Cycle)-Prozess bzw. ORC-Prozess. Ein derartiger Prozess wird verwendet, um thermische Energie aus Niedertemperatur-Wärmequellen nutzen zu können. Derartige Niedertemperatur-Wärmequellen sind solarthermische oder geothermische Quellen sowie bisher ungenutzte Abwärme von Motoren, Industrieproduktionsprozessen und Biogasanlagen. Insbesondere bei Biogasanlagen kann deren Effizienz mit einem besseren Ausnutzen der dort entstehenden Abwärme beziehungsweise Restwärme erheblich gesteigert werden.
Ein Problem bei derartigen Prozessen ist das Schmieren und Dichten von Ventilen, technischen Geräten und Maschinen, die im thermodynamischen Kreisprozess verwendet werden. Das dazu verwendete Öl als Schmiermittel und/oder Dichtmittel tritt dabei oftmals störend in den thermodynamischen Kreisprozess ein.
Zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle zu schaffen, in der das Verwenden von Öl verbessert ist.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium gelöst. Dabei ist vor einem Teilprozess des Kreisprozesses eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Öl zu dem Arbeitsmedium und nach dem Teilprozess eine Abführeinrichtung zum Abführen von Öl aus dem Arbeitsmedium vorgesehen.
Ein hier relevanter Teilprozess des Kreisprozesses ist ein Teilprozess, in dem für den Betrieb der Vorrichtung das Öl im Arbeitsmedium erwünscht ist, insbesondere zum Schmieren und Abdichten von Ventilen, Geräten und Maschinen. Bei dem erfindungsgemäßen Kreisprozess ist es also möglich, Ventile, Geräte und Maschinen insbesondere in einzelnen Teilprozessen zu schmieren. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Zuführeinrichtung und Abführeinrichtung wird das Öl nur dann zum Arbeitsmedium gegeben, wenn dort Bedarf dafür besteht. Anschließend wird das Öl aus dem Arbeitsmedium wieder abgeführt. Damit wird ein störender Einfluss des Öls auf das Arbeitsmedium im verbleibenden Teil des Kreisprozesses vermieden. Andernfalls würde das Öl insbesondere die thermodynamischen Zustandsänderungen, wie ein Ändern des Druckes und der Temperatur des Arbeitsmediums, unerwünscht beeinflussen.
Als Öl werden vorliegend alle Stoffe verstanden, die zum Schmieren und Abdichten von technischen Bestandteilen, Maschinen und Geräten geeignet sind, wie zum Beispiel mineralische, synthetische, biogene und fette Öle. Das Öl ist zudem gekennzeichnet durch eine weitgehend unpolare chemische Struktur, eine vergleichsweise hohe Viskosität und einen vergleichsweise hohen Dampfdruck bzw. eine hohe Siedetemperatur. In der Regel siedet das Öl unter Zersetzung.
Als Arbeitsmedium werden erfindungsgemäß für den jeweiligen thermodynamischen Kreisprozess und die jeweilige Wärmequelle geeignete Substanzen verwendet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Abführeinrichtung einen Heizer zum Erwärmen des Öls zusammen mit dem Arbeitsmedium. Sowohl das Öl als auch zumindest ein Teil des Arbeitsmediums weisen beim Abführen bevorzugt einen flüssigen Aggregatzustand auf, sodass ein flüssiges Arbeitsmedium-Öl-Gemisch gebildet ist. Je nach chemischer Struktur des Arbeitsmediums ist zumindest ein Teil des Arbeitsmediums auch im Öl gelöst. Aus dem gebildeten Arbeitsmedium-Öl-Gemisch wird das Arbeitsmedium vom Öl mittels Erwärmen getrennt. Das Öl weist in der Regel einen höheren Dampfdruck bzw. Sättigungsdampfdruck und damit eine höhere Siedetemperatur auf als das Arbeitsmedium.
Diese Siedetemperatur des Arbeitsmediums muss beim Erwärmen so weit überschritten werden, dass das Arbeitsmedium zumindest weitgehend verdampft und das Öl zugleich als Flüssigkeit verbleibt. Es handelt sich also hierbei um ein thermisches Trennverfahren, bei dem das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmedium-Öl-Gemisch sozusagen ausgetrieben bzw. ausgedampft wird. Das derart gewonnene, dampfförmige Arbeitsmedium ist als Dampf besonders rein, sodass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein besonders gründliches und sauberes Abtrennen des Arbeitsmediums vom Öl ermöglicht wird.
Der Dampfdruck bzw. die Siedetemperatur des Arbeitsmediums sollte niedriger als der Dampfdruck des Öls sein. Besonders vorteilhaft besteht ein möglichst hoher Unterschied zwischen dem Dampfdruck des Arbeitsmediums und dem Dampfdruck des Öls, da dann eine Gefahr eines gleichzeitigen Verdampfens des Öls nahezu ausgeschlossen ist. Damit kann das Arbeitsmedium in einem Schritt besonders schnell und ohne Verunreinigung durch das Öl thermisch abgetrennt werden.
Ferner ist der Heizer vorteilhaft an die Wärmequelle wärmeübertragend gekoppelt. Derart gekoppelt wird ein Teil der thermischen Energie der Wärmequelle direkt auf den Heizer übertragen, wobei dann die thermische Energie der Wärmequelle nicht nur für den thermodynamischen Kreisprozess verwendet wird. Damit wird die Wärmeenergie der Wärmequelle besonders effizient genutzt. Zugleich wird ein sonst erforderlicher Verbrauch an elektrischer Energie durch den Heizer eingespart. Dieses Einsparen senkt den Fremdenergiebedarf der Vorrichtung. Zugleich wird eine höhere Ausbeute an elektrischer Energie erzielt.
Vorzugsweise umfasst die wärmeübertragende Kopplung einen Heizkreislauf mit einem Heizmedium, und das Heizmedium weist eine Vorlauftemperatur von 120°C bis 160°C, bevorzugt von 130°C bis 150°C und besonders bevorzugt von 135°C bis 145°C auf. Dabei durchläuft das Heizmedium im Heizkreislauf zum Übertragen von thermischer Energie bzw. Wärme das Arbeitsmedium-Öl-Gemisch. Die Temperatur, mit der das Heizmedium im Heizkreislauf in das Arbeitsmedium-Öl-Gemisch hineinläuft, ist die Vorlauftemperatur. Mit der erfindungsgemäßen Vorlauftemperatur wird das Arbeitsmedium-Öl-Gemisch erwärmt, bis das Arbeitsmedium bevorzugt zumindest weitgehend verdampft. Zugleich wird die Temperatur des verbleibenden flüssigen Öls in Abhängigkeit von dessen Wärmekapazität auf 40°C bis 110°C, bevorzugt 60°C bis 90°C und besonders bevorzugt 70°C bis 80°C eingestellt. Derart eingestellt ist die Temperatur des Öls zum Zuführen zum Arbeitsmedium auf die während des Teilprozesses benötigte Temperatur angepasst. Insbesondere ist das Arbeitsmedium während des Teilprozesses gasförmig und die Temperatur des Öles ist erfindungsgemäß mindestens auf die Siedetemperatur bzw. Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums eingestellt. Das gasförmige Arbeitsmedium wird beim Zuführen von Öl mit der genannten Temperatur vorteilhaft nicht kondensiert. Eine unerwünschte Kondensatbildung, die den weiteren thermodynamischen Kreisprozess stören würde, wird vermieden. Dies ist insbesondere bei dem Teilprozess eines Expandierens des unter einem erhöhten Druck gesetzten und isobar verdampften Arbeitsmediums besonders vorteilhaft. Der Druck des Öls im Heizer entspricht dem Druckbereich des Arbeitsmediums im erfindungsgemäßen Teilprozess des thermodynamischen Kreisprozesses.
Ferner ist der Durchfluss des Öls bzw. der Öldurchfluss sowohl durch den Heizer als auch während des erfindungsgemäßen Teilprozesses auf 90 bis 150 Liter pro Stunde, bevorzugt auf 110 bis 130 Liter pro Stunde und besonders bevorzugt auf 115 bis 125 Liter pro Stunde eingestellt. Besonders vorteilhaft ist der Öldurchfluss zumindest weitgehend konstant.
Die Temperatur, mit der das Heizmedium im Heizkreislauf aus dem Arbeitsmedium-Öl-Gemisch herausläuft, ist die Rücklauftemperatur und ist entsprechend niedriger als die Vorlauftemperatur. Die Rücklauftemperatur ist ein Maß für die verbleibende thermische Energie im Heizmedium und ist abhängig von der Menge an flüssigem Arbeitsmedium, das mittels des Heizkreislaufs ausgedampft wird. Je mehr Arbeitsmedium ausgedampft wird, desto niedriger ist die Rücklauftemperatur. Die Rücklauftemperatur liegt bei 110°C bis 150°C, bevorzugt bei 120°C bis 140°C und besonders bevorzugt bei 125°C bis 135°C.
Besonders vorteilhaft ist der Heizkreislauf in seiner Strömungsrichtung nach dem Heizer mit einem Mittel zum Übertragen von thermischer Energie auf das Arbeitsmedium im thermodynamischen Kreisprozess wärmeübertragend gekoppelt. Derart gekoppelt wird die verbleibende thermische Energie des Heizmediums mit der genannten erfindungsgemäßen Rücklauftemperatur zumindest teilweise zusätzlich in einem weiteren Teilprozess des thermodynamischen Kreisprozesses verwendet. Die thermische Energie des Heizmediums wird insgesamt besonders gut verwertet.
Ferner umfasst die wärmeübertragende Kopplung vorteilhaft einen Heizkreislauf mit einem Heizmedium, und der Druck des Heizmediums beträgt 2 bar bis 12 bar, bevorzugt 4 bar bis 10 bar, besonders bevorzugt 6 bar bis 8 bar. Mit dem derart eingestellten Druck wird das Heizmedium optimal durch den Heizkreislauf gepumpt, sodass entsprechend schnell wieder Heizmedium mit der erfindungsgemäßen Vorlauftemperatur zum Erwärmen des Arbeitsmedium-Öl-Gemisches zur Verfügung steht.
Weiterhin umfasst die Abführeinrichtung ein Trennelement zum mechanischen Abtrennen des Öls zusammen mit einem Teil des Arbeitsmediums. Dieser Teil des Arbeitsmediums ist jener flüssige Anteil des Arbeitsmediums, der im flüssigen Öl vorliegt und insbesondere bei entsprechender chemischer Struktur dort gelöst ist. Das derart vorliegende flüssige Arbeitsmedium-Öl-Gemisch wird mittels des Trennelements als flüssige Phase von einer ansonsten bevorzugt gasförmigen Phase des Arbeitsmediums abgetrennt. Das gasförmige Arbeitsmedium verbleibt dabei für weitere Zustandsänderungen im Kreisprozess. Vorteilhaft ist damit ohne Verbrauch von elektrischer Energie bereits ein Großteil des Öls wieder aus dem Arbeitsmedium abgetrennt.
Bevorzugt wird als Trennelement ein Ölfilter verwendet, der für das gasförmige Arbeitsmedium durchlässig und für das flüssige Arbeitsmedium-Öl-Gemisch undurchlässig gestaltet ist und damit eine zuverlässige Trennung gewährleistet.
Besonders bevorzugt ist das Trennelement kostengünstig mit einem Ölabscheider gebildet, der aufgrund von unterschiedlichen Dichten das Öl mechanisch vom Arbeitsmedium abscheidet. Insbesondere ist ein Prallblech vorgesehen, an dem das flüssige Arbeitsmedium-Öl-Gemisch abprallt und das gasförmige Arbeitsmedium in Strömungsrichtung des thermodynamischen Kreisprozesses weiterströmt. Ferner ist das Trennelement besonders vorteilhaft in der Abführeinrichtung in Strömungsrichtung vor dem Heizer positioniert. Derart positioniert wird mittels des Trennelements zunächst das gasförmige Arbeitsmedium mechanisch vom flüssigen Arbeitsmedium-Öl-Gemisch abgetrennt. Nachfolgend wird das verbleibende flüssige Arbeitsmedium-Öl-Gemisch mit dem Heizer thermisch mittels Erwärmen in flüssiges Öl und gasförmiges Arbeitsmedium getrennt.
Allgemein liegt immer ein Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase des Arbeitsmediums vor. Wenn nun die gasförmige Phase erfindungsgemäß abgetrennt wird, tritt bereits ohne Erwärmen solange Arbeitsmedium in die gasförmige Phase über, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Dies bedeutet, dass zum Verdampfen von restlichem Arbeitsmedium aus dem flüssigen Arbeitsmedium-Öl-Gemisch weniger thermische Energie verbraucht wird. Das erfindungsgemäße thermische Trennen erfordert also weniger Energie, im Vergleich zu einem thermischen Trennen ohne vorgeschaltetes mechanisches Trennen. Damit wird mit der erfindungsgemäßen Positionierung des Trennelements vor den Heizer ein besonders energiesparendes Abführen des Öls aus dem Arbeitsmedium erreicht.
Des Weiteren ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise eine Überführeinrichtung zum Überführen des abgeführten Öls von der Abführeinrichtung zur Zuführeinrichtung vorgesehen. Mit dieser Überführeinrichtung ist ein Kreislauf als Ölrückgewinnungskreislauf gebildet. Damit wird das Öl immer wieder verwendet und nahezu nicht verbraucht, sodass Ressourcen und Kosten gespart werden.
Vorteilhaft ist gemäß der Erfindung in der Vorrichtung ein Mittel zum Erhöhen des Druckes des Arbeitsmediums auf einen erhöhten Druck, ein Mittel zum Übertragen von thermischer Energie auf das unter dem erhöhten Druck stehende Arbeitsmedium unter Erwärmen des Arbeitsmediums, ein Mittel zum Expandieren des erwärmten Arbeitsmediums und ein Mittel zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums vorgesehen, und die Zuführeinrichtung ist in Strömungsrichtung nach dem Mittel zum Übertragen von thermischer Energie und die Abführeinrichtung ist vor dem Mittel zum Kondensieren angeordnet.
Mit der Zuführeinrichtung wird damit insbesondere vor einem Expandieren des erwärmten Arbeitsmediums das Öl dem Arbeitsmedium zugeführt und nach dem Expandieren mit der Abführeinrichtung aus dem Arbeitsmedium wieder abgeführt. Damit ist der erfindungsgemäß besonders relevante Teilprozess das Expandieren des Arbeitsmediums. Während des Expandierens des Arbeitsmediums wird das Öl zum Abdichten und Schmieren des Mittels zum Expandieren bzw. des Expanders benötigt.
In Kombination mit der erfindungsgemäßen Überführeinrichtung und dem damit geschaffenen Ölrückgewinnungskreislauf wird ferner ein zumindest nahezu arbeitsmediumfreies Öl immer wieder rückgewonnen. Derart rückgewonnen dient das Öl als zuverlässiges und reines Schmiermittel sowie Abdichtmittel für das Mittel zum Expandieren.
Mit dem Abführen des Öls aus dem Arbeitsmedium-Öl-Gemisch wird das Öl vom Arbeitsmedium gereinigt, sodass die Viskosität und damit die Schmiereigenschaft des Öls erhalten bleiben. Mechanisch beanspruchte, insbesondere bewegte Teile in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen des thermodynamischen Kreisprozesses unterliegen geringerem Verschleiß im Vergleich zu einem mit Arbeitsmedium verunreinigten Öl. Deshalb wird vorteilhaft kostensparend insbesondere auch die Standzeit des Mittels zum Expandieren verlängert. Zudem wird die abdichtende Funktion des Öls nicht durch das Arbeitsmedium beeinträchtigt.
Das Mittel zum Expandieren ist bevorzugt mit einer Expansionsmaschine gebildet, die als Verdrängermaschine arbeitet. Insbesondere ist die Verdrängermaschine ein Flügelzellenexpander, der wie eine Flügelzellenpumpe aufgebaut ist, aber umgekehrt arbeitet. Das heißt, in der Verdrängermaschine expandiert das Arbeitsmedium, statt dass es komprimiert wird. Derartige Flügelzellenpumpen brauchen vergleichweise viel Öl als Schmiermittel und Abdichtmittel. Deswegen bringt hier der erfindungsgemäße Ölrückgewinnungskreislauf besonders große Vorteile.
Das vom Öl abgetrennte, bevorzugt gasförmige Arbeitsmedium verbleibt im thermodynamischen Kreisprozess und wird anschließend kondensiert.
Besonders vorteilhaft wird das Expandieren des Arbeitsmediums in mindestens zwei parallel ablaufenden Expansionsschritten mit jeweils einem Zuführen von Öl zum Arbeitsmedium und einem Abführen von Öl aus dem Arbeitsmedium durchgeführt. Dabei sind die einzelnen Schritte des Zuführens und Abführens von Öl miteinander gekoppelt. Insbesondere sind dazu mindestens zwei Zuführeinrichtungen mit einem Heizer der Abführeinrichtung wärmeleitend und/oder flüssigkeitsleitend miteinander verbunden. Das heißt, dass das nach den jeweiligen Trennelementen jeweils abgeschiedene Arbeitsmedium-Öl-Gemisch in einem gemeinsamen Heizer gleichmäßig erwärmt wird. Damit wird das Arbeitsmedium besonders gleichmäßig ausgetrieben, sodass weitgehend keine ungewollten Druckschwankungen im thermodynamischen Kreisprozess auftreten.
Ferner ist das Arbeitsmedium erfindungsgemäß vorzugsweise mit Ammoniak gebildet. Ammoniak (NH₃) ist aufgrund seiner physikalischen, chemischen und thermodynamischen Eigenschaften besonders gut als Arbeitsmedium geeignet. Diese Eigenschaften unterscheiden sich im Vergleich zu den entsprechenden Eigenschaften von Öl sehr stark.
Ammoniak besitzt einen wesentlich niedrigeren Dampfdruck und damit eine wesentlich niedrigere Siedetemperatur als Öl, sodass beim Erwärmen eines Ammoniak-Öl-Gemisches das Ammoniak bei einer wesentlich niedrigeren Siedetemperatur als das Öl verdampft. Damit wird das Ammoniak besonders schnell und energiesparend, gründlich und sauber aus dem Öl ausgedampft.
Ferner weist Ammoniak eine stark polare chemische Molekülstruktur auf. Demgegenüber ist die chemische Molekülstruktur des Öls in der Regel weitgehend unpolar, weshalb sich Ammoniak nur in geringem Maße in Öl löst. Deswegen muss beim Abführen des Öls nur wenig Ammoniak aus dem Öl entfernt werden, was zusätzlich Energie beim thermischen Trennen des Ammoniak-Öl-Gemisches spart.
Des Weiteren hat Ammoniak eine deutlich kleinere Dichte als das Öl, sodass das Öl schon aufgrund des Dichteunterschiedes und der wirkenden Schwerkraft besonders einfach vom Ammoniak abtrennbar ist.
Zudem besitzt Ammoniak ein vergleichsweise geringes Molekulargewicht und damit eine relativ geringe molare Masse von 17,03 g/mol. Ferner verfügt flüssiges Ammoniak aufgrund seiner zwischenmolekular wirkenden, relativ stabilen Wasserstoffbrückenbindungen über eine hohe Verdampfungsenthalpie. Dies bedeutet, dass vergleichsweise viel Energie aufgewendet werden muss, um eine bestimmte Menge an Ammoniak von seinem flüssigen in seinen gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Im Zusammenwirken mit der relativ geringen molaren Masse des Ammoniaks ist ein Massestrom, das heißt die Masse an Ammoniak, die pro Zeiteinheit durch den Kreisprozess läuft, vergleichsweise klein. Deswegen vermischt sich nur relativ wenig Ammoniak mit Öl, sodass auch aus diesem Grund nur wenig Ammoniak vom Öl abgetrennt werden muss.
Des Weiteren hat Ammoniak keine zerstörenden Auswirkungen auf die Ozonschicht der Erde und leistet keinen Beitrag zum sogenannten Treibhauseffekt. Darüber hinaus kommt Ammoniak in der Natur vor, ist biologisch abbaubar und nimmt am natürlichen Stickstoffkreislauf der Biosphäre teil. Damit ist Ammoniak ein natürliches Arbeitsmedium. Zudem wirkt Ammoniak nicht kanzerogen.
Erfindungsgemäß ist das Ammoniak dabei in einer Konzentration von 99,00% bis 100,00%, bevorzugt von 99,60% bis 99,95% und besonders bevorzugt von 99,80% bis 99,90% gestaltet. Die Konzentration ist zugleich ein Maß für die Reinheit des Ammoniaks, sodass das Ammoniak in der erfindungsgemäßen Konzentration als reines Ammoniak, beziehungsweise Reinammoniak bezeichnet werden kann. Reines Ammoniak ist problemlos und kostengünstig verfügbar, da es weltweit industriell in großem Maßstab und technisch ausgereift hergestellt wird.
Mit dem derart hohen Reinheitsgrad des Ammoniaks werden die günstigen Eigenschaften des Ammoniaks im Kreisprozess besonders effizient ausgenutzt, da keine störenden Einflüsse von ansonsten zusätzlich vorhandenen Stoffen auftreten.
Dabei läuft der thermodynamische Kreisprozess in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt folgendermaßen ab:
Reines Ammoniak wird in bevorzugt flüssigem Aggregatzustand verwendet. Dieses reine, flüssige Ammoniak wird in einem ersten Schritt des Kreisprozesses mit dem Mittel zum Druckerhöhen unter einen erhöhten Druck auf ein oberes Druckniveau gesetzt. Der erhöhte Druck ist bevorzugt der Druck, bei dem das Ammoniak in einem späteren Schritt verdampft wird, der sogenannte Verdampfungsdruck. Vorteilhaft wird der erhöhte Druck auf 25 bis 60 bar, bevorzugt auf 30 bis 50 bar und besonders bevorzugt auf 32 bis 42 bar eingestellt.
Das unter den derart eingestellten, erhöhten Druck gesetzte flüssige Ammoniak wird in einem nächsten Schritt des Kreisprozesses mit dem Mittel zum Übertragen von thermischer Energie erwärmt. Die thermische Energie stammt dabei bevorzugt aus einer Wärmequelle mit vergleichsweise niederen Temperaturen von 60°C bis 200°C, bevorzugt von 70°C bis 170°C und besonders bevorzugt von 85°C bis 140°C. Mit dieser Wärmequelle wird das flüssige Ammoniak isobar erwärmt, das heißt unter konstantem erhöhtem Druck. Dabei nimmt das Ammoniak einen Teil der thermischen Energie der Wärmequelle auf. Beim Erreichen der Siedetemperatur des Ammoniaks in Abhängigkeit von dem entsprechend eingestellten erhöhten Druck verdampft das Ammoniak. Es tritt also ein Phasenübergang von flüssigem Ammoniak in gasförmiges Ammoniak ein. Dabei liegt zunächst sowohl flüssiges als auch gasförmiges Ammoniak im geschlossenen System des Kreisprozesses im Gleichgewicht vor. Bei einem bevorzugten weiteren isobaren Erwärmen wird das Ammoniak überhitzt, sodass nur noch gasförmiges Ammoniak als überhitzter Ammoniakdampf vorliegt. Der derart überhitzte Ammoniakdampf kondensiert zumindest weitgehend während eines weiteren Schrittes des Kreisprozesses, dem Expandieren des unter den erhöhten Druck stehenden Ammoniakdampfes, nicht.
Der überhitzte Ammoniakdampf wird in dem weiteren Schritt mit dem Mittel zum Expandieren von dem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck als unteres Druckniveau expandiert bzw. entspannt. Ferner kühlt das Ammoniak beim Expandieren ab. Der niedrigere Druck wird dabei vorteilhaft auf 1 bis 20 bar, bevorzugt auf 5 bis 15 bar und besonders bevorzugt auf 7 bis 13 bar eingestellt. Mit dem derart eingestellten niedrigeren Druck bleibt das Ammoniak nach dem Expandieren in Abhängigkeit von der Temperatur zumindest größtenteils als Dampf bestehen.
Während des Expandierens wird das Öl zum Abdichten und Schmieren des Mittels zum Expandieren bzw. des Expanders benötigt. Dazu wird mittels der Zuführeinrichtung das Öl vor dem Expandieren dem Ammoniak zugeführt. Bevorzugt führt die Zuführeinrichtung direkt in den Expander, sodass das Öl direkt dort hinein geführt wird. Mit dem Schmieren und Abdichten von einzelnen technischen Bestandteilen im Expander gelangt das Öl dabei in das sich expandierende Ammoniak. Dabei entsteht ein Ammoniak-Öl-Gemisch, aus dem das Öl mit der Abführeinrichtung nach dem Expandieren wieder abgeführt wird. Zum Abführen wird das Ammoniak-Öl-Gemisch zunächst durch das Trennelement geleitet, in dem der flüssige Teil des Ammoniak-Öl-Gemisches vom gasförmigen Ammoniak mechanisch getrennt wird. Daran anschließend wird das flüssige Ammoniak-Öl-Gemisch in den Heizer geführt, mit dem das Ammoniak ausgedampft wird. Das dabei gewonnene Öl wird über die Überführeinrichtung wieder zur Zuführeinrichtung geführt, mit der das Öl wieder bevorzugt zum Mittel zum Expandieren geführt wird. Auf diese Weise ist ein Ölrückgewinnungskreislauf geschaffen, sodass das Öl zumindest nahezu nicht verbraucht wird.
Im thermodynamischen Kreislauf selbst verbleibt nach dem Abführen des Öls zumindest nahezu reines, gasförmiges Ammoniak, das in einem letzten Schritt des Kreisprozesses mit dem Mittel zum Kondensieren isobar kondensiert wird. Dies bedeutet, dass dem expandierten Ammoniak thermische Energie entzogen und das Ammoniak dadurch kondensiert wird.
Das derart kondensierte Ammoniak durchläuft erneut das Mittel zum Erhöhen des Druckes und so wiederum den ersten Schritt des Kreisprozesses. Das Ammoniak wird im Kreisprozess also immer wieder verwendet und damit nicht verbraucht. Mit der erfindungsgemäßen Abführeinrichtung von Öl aus dem Arbeitsmedium wird dazu immer wieder besonders reines Ammoniak nahezu ohne Ölverunreinigungen gewonnen.
Beim Expandieren wird die vom Ammoniak beim Übertragen von thermischer Energie aufgenommene Energie größtenteils in mechanische Energie umgewandelt beziehungsweise umgesetzt. Mit der gewonnen mechanischen Energie wird in Form von Dreharbeit bevorzugt ein Generator angetrieben, der mit dem Expander gekoppelt ist und elektrische Energie erzeugt. Die Dreharbeit wird auch als Wellenarbeit oder technische Arbeit bezeichnet. Alternativ kann diese Arbeit auch zum Antreiben anderer rotierender Wellen und/oder zum Erzeugen von anderer kinetischer Energie verwendet werden.
Als Wärmequellen werden insbesondere Niedertemperatur-Wärmequellen mit den genannten Temperaturen verwendet. Als derartige Niedertemperatur-Wärmequelle kann bevorzugt eine geothermische Quelle dienen und besonders bevorzugt eine Restwärmequelle, wie eine Abwärme von Industrieprozessen, von solarthermischen Anlagen oder von Biogasanlagen. Dort stehen als Restwärme Motorabwärme von Gasmotoren und/oder Blockheizkraftwerken sowie Abgasabwärme beim Verbrennen von Biogas und/oder Biomasse zur Verfügung.
Insgesamt ist gemäß der Erfindung eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess mit einem Arbeitsmedium geschaffen, mit der besonders effizient dem Arbeitsmedium nur dann Öl zugeführt wird, wenn dort Bedarf besteht. Zudem wird das Öl besonders energiesparend und gründlich aus dem Arbeitsmedium wieder abgeführt. Insgesamt wird damit ein möglichst störungsfreier Kreisprozess nahezu ohne Ölverunreinigungen des Arbeitsmediums ermöglicht. Zudem wird eine hohe Einsparung an Arbeitsmedium, Öl und elektrischem Eigenenergieverbrauch erreicht, sodass ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Prozessschema eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nebst zugehörigem Verfahren,
2 ein vereinfachtes Prozessschema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nebst zugehörigem Verfahren und
3 ein schematisches Druck(log)-Enthalpie-Diagramm des thermodynamischen Kreisprozesses der Verfahren gemäß 1 und 2.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Fig. ist ein Verfahren 10 und eine Vorrichtung 12 zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle 14 dargestellt. Die Vorrichtung 12 bildet ein geschlossenes System einer Prozessanlage, in der ein thermodynamischer Kreisprozess 16 durchgeführt wird. Dieser thermodynamische Kreisprozess 16 ist ein modifizierter Organic-Rankine-Cycle Process (ORC Prozess). Dabei dient wasserfreies Ammoniak (NH₃, R717) in einer Konzentration von über 99,8 Massenprozent als Arbeitsmedium. Das wasserfreie Ammoniak wird in Form eines druckverflüssigten Gases bei einer Temperatur von 25°C unter einem niedrigeren Druck 18 als unteres Druckniveau in Höhe von etwa 10 bar bereitgestellt. Im ersten Ausführungsbeispiel ist dazu ein Sammelbehälter 20 (1) vorgesehen.
Dieses flüssige Ammoniak wird von dem Sammelbehälter 20 durch eine Leitung 22 (1) zu einem Mittel 24 zum Komprimieren bzw. zum Erhöhen des Druckes geführt. Mit dem Mittel 24 wird der Druck des Ammoniaks in einem ersten Schritt 26 des Komprimierens bzw. Erhöhens des Druckes im thermodynamischen Kreisprozess 16 von dem niedrigeren Druck 18 auf einen erhöhten Druck 28 als oberes Druckniveau von etwa 37 bar erhöht.
Von dem Mittel 24 zum Komprimieren wird das flüssige Ammoniak, das unter dem erhöhten Druck 28 steht, durch eine Leitung 30 zu einem Mittel 32 zum Übertragen von thermischer Energie auf das Ammoniak gepumpt.
Das Mittel 32 umfasst im ersten Ausführungsbeispiel (1) einen ersten Wärmeübertrager 34, einen in Reihe geschalteten zweiten Wärmeübertrager 36 und einen dazwischen geschalteten Abscheider 38 mit einem oberen Raumbereich 40 und einen unteren Raumbereich 42. Die Leitung 30 führt in den oberen Raumbereich 40. Zusätzlich führt von dem ersten Wärmeübertrager 34 eine Leitung 44 in den oberen Raumbereich 40 des Abscheiders 38. Aus dem Abscheider 38 führt eine Leitung 45 aus dem unteren Raumbereich 42 in den ersten Wärmeübertrager 34. Aus dem oberen Raumbereich 40 führt eine Leitung 46 in den zweiten Wärmeübertrager 36.
Derart gestaltet wird das flüssige Ammoniak zunächst über die Leitung 30 in den oberen Raumbereich 40 des Abscheiders 38 gepumpt. Das flüssige Ammoniak trennt sich von gegebenenfalls vorhandenem gasförmigem Ammoniak ab und sinkt in den unteren Raumbereich 42. Von dort gelangt das flüssige Ammoniak über die Leitung 45 aus dem Abscheider 38 in den ersten Wärmeübertrager 34, der als Verdampfer dient. Dort wird das flüssige Ammoniak in einem zweiten Schritt 48 des Vorwärmens im thermodynamischen Kreisprozess 16 isobar erwärmt und in einem dritten Schritt 50 des Verdampfens größtenteils verdampft. Im dritten Schritt 50 wird der Hauptanteil der thermischen Energie beziehungsweise Wärmeenergie zugeführt. Dazu wird die Temperatur des Ammoniaks mittels eines ersten Übertragens von thermischer Energie auf etwa 75°C erhöht. Diese Temperatur von etwa 75°C entspricht bei dem bestehenden erhöhten Druck 28 in Höhe von etwa 37 bar der Verdampfungstemperatur von Ammoniak, sodass Ammoniak verdampft. Der dabei gebildete Ammoniakdampf ist ein Nassdampf. Dies bedeutet, dass noch kleine Tropfen und fein verteiltes flüssiges Ammoniak als Kondensatanteil im gasförmigen Ammoniak vorhanden sind. Der gebildete Nassdampf gelangt über die Leitung 44 in den oberen Raumbereich 40 des Abscheiders 38. Dabei sinken die Tropfen und das fein verteilte flüssige Ammoniak in den unteren Raumbereich 42 und sammeln sich dort als Flüssigkeit, während im oberen Raumbereich 40 nur gasförmiges Ammoniak verbleibt. Das flüssige Ammoniak gelangt über die Leitung 45 wieder zurück in den ersten Wärmeübertrager 34 zum erneuten Erwärmen.
Mit dem Abscheider 38, den Leitungen 30 und 44 sowie der Leitung 45 sind Voraussetzungen für ein Thermo-Siphon-Prinzip geschaffen. Dieses Prinzip beruht darauf, dass sich beim Verdampfen im ersten Wärmeübertrager 34 die Dichte des dort befindlichen Ammoniaks aufgrund des gebildeten Nassdampfs verringert.
Wegen der verringerten Dichte drängt der Nassdampf durch die Leitung 44 in den Abscheider 38. Ferner fließt immer genau so viel flüssiges Ammoniak aus dem unteren Raumbereich 42 des Abscheiders 38 durch die Leitung 45 in den Wärmeübertrager 34 nach, das gerade zum Verdampfen benötigt wird. Im Abscheider 38 ist ein nicht weiter dargestellter Niveauregler vorgesehen. Mit dem Niveauregler wird das Pumpen der Druckerhöhungseinrichtung 24 derart geregelt, dass nur so viel Ammoniak in Richtung Wärmeübertragungseinrichtung 32 gepumpt wird, das auch verdampft werden kann.
Aus dem Abscheider 38 gelangt das gasförmige Ammoniak aus dem oberen Raumbereich 40 über die Leitung 46 in den zweiten Wärmeübertrager 36. Dieser zweite Wärmeübertrager 36 dient als Überhitzer. Dort wird das gasförmige Ammoniak in einem vierten Schritt 52 des Überhitzens im thermodynamischen Kreisprozess 16 isobar mittels eines zweiten Übertragens von thermischer Energie überhitzt. Dabei wird die Temperatur des Ammoniakdampfes isobar auf etwa 125°C erhöht und überhitztes Ammoniakgas erzeugt.
Das überhitzte Ammoniakgas wird über eine Leitung 54 in ein Mittel 56 zum Expandieren geleitet. Dort wird das überhitzte Ammoniakgas in einem fünften Schritt 58 des Expandierens im thermodynamischen Kreisprozess 16 zumindest weitgehend kondensatfrei von dem erhöhten Druck 28 auf den niedrigeren Druck 18 expandiert, wodurch gleichzeitig die Temperatur des Ammoniaks sinkt. Dabei weist das in das Mittel 56 eintretende Ammoniak einen Druck von etwa 37 bar und eine Temperatur von etwa 125°C und das aus dem Mittel 56 austretende Ammoniak einen Druck von etwa 10 bar und eine Temperatur von etwa 30°C auf. Dies bedeutet, dass ein Teil der thermischen Energie des Ammoniaks während des Schrittes 58 frei wird. Diese frei werdende thermische Energie wird mit Hilfe des Mittels 56, das gleichzeitig als Antriebsaggregat für einen daran gekoppelten Generator 60 dient, in mechanische Arbeit zum Erzeugen von elektrischer Energie genutzt. Der Generator 60 ist vorliegend ein Asynchrongenerator. Alternativ wird ein Synchrongenerator verwendet.
Im zweiten Ausführungsbeispiel (2) ist ein zweites Mittel 62 zum Expandieren, gekoppelt mit einem zweiten Generator 64, vorgesehen. Dieses zweite Mittel 62 ist mit einem entsprechenden Leitungssystem 66 parallel zum ersten Mittel 56 geschaltet. Derart geschaltet, erfolgt der fünfte Schritt 58 des Expandierens besonders vorteilhaft in zwei parallel ablaufenden Expansionsschritten, sodass gleichzeitig besonders viel mechanische Arbeit in elektrische Energie umgesetzt wird.
In der Vorrichtung 12 führt in Strömungsrichtung nach dem Mittel 56 eine Leitung 68 als Dampfaustritts- oder Abdampfleitung aus dem Mittel 56 heraus und in ein Mittel 70 zum Kondensieren. Damit wird das aus dem Mittel 56 austretende gasförmige Ammoniak in das Mittel 70 geleitet, abgekühlt und isobar in einem sechsten Schritt 72 des thermodynamischen Kreisprozesses 16 kondensiert. Mit dem sechsten Schritt 72 des Kondensierens ist der thermodynamische Kreisprozess 16 geschlossen, sodass wieder mit dem ersten Schritt 26 des Druckerhöhens von Ammoniak begonnen werden kann.
Das Mittel 70 zum Kondensieren ist im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 als Kondensatorwärmeaustauscher bzw. Kühler mit einem Luftkühler, insbesondere Evaporativkühlturm gebildet, sodass das Ammoniak mit Luft gekühlt wird. Im zweiten Ausführungsbeispiel (2) ist das Mittel 70 mit einem Wärmeübertrager mit Flüssigkeitskühlung gestaltet.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform sind mindestens zwei Mittel 70 zum Kondensieren des Ammoniaks in paralleler Schaltanordnung vorgesehen.
Über eine aus dem Mittel 70 herausführende Leitung 74 wird das kondensierte Ammoniak erneut, insbesondere kontinuierlich in sich wiederholenden Schritten 26, 48, 50, 52, 58 und 72 durch die Vorrichtung 12 gepumpt.
Zum Zuführen von Öl zum Arbeitsmedium bei Bedarf an einem Schmiermittel und/oder Abdichtmittel verfügt die Vorrichtung 12 vorliegend an dem Mittel 56 und 62 zum Expandieren über einen separaten Ölkreislauf 76. Dieser Ölkreislauf 76 umfasst eine Zuführeinrichtung 77 zum Zuführen von Öl zum Ammoniak und eine Abführeinrichtung 78 zum Abführen von Öl aus dem Ammoniak. Die Zuführeinrichtung 77 führt dabei als Leitung direkt in das Mittel 56, sodass in das Mittel 56 Öl geleitet wird. Das Mittel 56 zum Expandieren ist vorliegend mit einem Flügelzellenexpander gebildet, der als Verdrängermaschine arbeitet und wie eine Flügelzellenpumpe aufgebaut ist, aber entgegengesetzt läuft. Dies bedeutet, dass das Ammoniak expandiert wird. Mit dem Schmieren und Abdichten von einzelnen technischen Bestandteilen im Expander gelangt das Öl in das sich expandierende Ammoniak. Aus dem dabei entstehenden Ammoniak-Öl-Gemisch wird das Öl mittels der Abführeinrichtung 78 nach dem Expandieren wieder abgeführt. Dazu ist die Abführeinrichtung 78 in Strömungsrichtung nach dem Mittel 56 positioniert und umfasst ein Trennelement 79 sowie einen Heizer 80.
Das Trennelement 79 ist vorliegend in der Leitung 68 vorgesehen und mit einem Ölabscheider gebildet, der das flüssige Ammoniak-Öl-Gemisch vom gasförmigen Ammoniak mechanisch trennt. Das gasförmige Ammoniak wird danach weiter in der Leitung 68 zum Mittel 70 zum Kondensieren geführt, während das abgetrennte flüssige Ammoniak-Öl-Gemisch in den Heizer 80 geleitet wird.
Der Heizer 80 ist dabei mit einem Behälter gebildet, dessen Innenraum mittels eines Heizkreislaufs 81 erwärmt wird. Dort eingeleitet, wird das Ammoniak-Öl-Gemisch erhitzt, bis das Ammoniak nahezu vollständig aus dem Öl ausgedampft bzw. ausgetrieben ist. Der dabei entstehende Ammoniakdampf wird über eine Dampfleitung 82 aus dem Heizer 80 zurück in die Leitung 68 und damit in den thermodynamischen Kreislauf 16 geführt.
Insgesamt ist mit dem Heizer 80 und dem vorgeschalteten Trennelement 79 eine besonders gründliche Abführeinrichtung 78 von Öl geschaffen. Vorteilhaft wird damit im Kreisprozess immer wieder besonders reines Ammoniak und besonders reines Öl gewonnen.
Das abgeschiedene Öl wird mittels der Überführeinrichtung 84 in Form einer Leitung wieder zur Zuführeinrichtung 77 geführt und erneut zum Schmieren und Abdichten in das Mittel 56 geleitet. Vorliegend geschieht dies mit Hilfe einer Ölpumpe 86.
Ferner ist der Heizkreislauf 81 mit der Wärmequelle 14 wärmeübertragend gekoppelt, sodass die thermische Energie der Wärmequelle 14 besonders gut ausgenutzt wird. Vorliegend dient als Wärmequelle 14 eine Niedertemperatur-Wärmequelle, die etwa 140°C bis 150°C als Vorlauftemperatur des Heizmediums beim Hineinströmen in das Ammoniak-Öl-Gemisch liefert. Mit dieser Vorlauftemperatur wird das Ammoniak-Öl-Gemisch so weit erhitzt, dass Ammoniak verdampft und die Temperatur des Öls auf etwa 75°C bis 80°C eingestellt wird. Derart eingestellt entspricht die Temperatur des Öls mindestens der Verdampfungstemperatur von Ammoniak von 75°C bei dem vorliegend eingestellten erhöhten Druck 28 von etwa 37 bar. Beim Eintritt des Öls mit der genannten Temperatur in das Mittel 56 zum Expandieren wird deswegen vorteilhaft ein Kondensieren des Ammoniaks vermieden.
Der Druck des Öls entspricht beim Zuführen zum Ammoniak, das heißt beim Eintritt in das Mittel 56 zum Expandieren in etwa dem erhöhten Druck 28 und beim Austritt aus dem Mittel 56 in etwa dem niedrigeren Druck 18. Der Öldurchfluss ist sowohl im Mittel 56 bzw. im Expander als auch im weiteren Ölkreislauf 76 zumindest weitgehend konstant bei etwa 120 Liter pro Stunde.
Vorliegend werden etwa 420 kg Ammoniak und etwa 80 kg Öl eingesetzt, sodass ein besonders günstiges Massenverhältnis von Ammoniak zu Öl von etwa 5,25 zu 1,00 geschaffen ist.
Beim Durchlaufen des Heizmediums durch das Arbeitsmedium-Öl-Gemisch im Heizer 80 wird das Heizmedium abgekühlt und läuft mit einer Rücklauftemperatur durch den Heizkreislauf 81 wieder hinaus. Je mehr Ammoniak beim Heizen ausgedampft worden ist, desto niedriger ist die Rücklauftemperatur. Das heißt, dass die Rücklauftemperatur umso höher liegt, je mehr Ammoniak mittels des Trennelements 79 bereits entfernt wurde. Die Rücklauftemperatur liegt vorliegend bei 125°C bis 135°C und damit vorteilhaft über der Verdampfungstemperatur von Ammoniak bei dem erhöhten Druck 28 von etwa 37 bar.
Mit der derart eingestellten Rücklauftemperatur des Heizmediums ist im ersten Ausführungsbeispiel (1) der Heizkreislauf 81 in Strömungsrichtung nach dem Heizer 80 mit dem ersten Wärmeübertrager 34 bzw. Verdampfer wärmeübertragend gekoppelt. Derart gekoppelt wird die nach dem Heizen verbleibende thermische Energie im Heizkreislauf 81 zumindest teilweise zusätzlich zum Verdampfen des Ammoniaks genutzt und besonders gut verwertet.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das zum Mittel 56 parallel geschaltete Mittel 62 zum Expandieren mit einer zweiten Zuführeinrichtung 87 entsprechend mit Öl versorgt. Diese zweite Zuführeinrichtung 87 ist dazu leitend mit dem Ölkreislauf 76 und damit mit der Abführeinrichtung 78 verbunden.
Ferner umfasst das Mittel 24 zum Komprimieren des flüssigen Ammoniaks in dem zweiten Ausführungsbeispiel (2) eine Dampfpumpe 88, eine Dampfleitung 89, eine Leitung 90, ein Mittel 92 zum Sammeln, eine Leitung 94 und eine Speisepumpe 96. Dabei wird die Dampfpumpe 88, insbesondere unter Ausnutzen von Wärme aus der Prozessanlage des thermodynamischen Kreisprozesses 16 als Thermopumpe thermisch angetrieben, während die Speisepumpe 96 elektrisch angetrieben wird. Zum Erhöhen des Ammoniakdrucks im Schritt 26 wird zunächst über die Leitung 74 flüssiges Ammoniak, das unter dem niedrigeren Druck 18 steht und eine Temperatur von etwa 25°C aufweist, in die Dampfpumpe 88 geführt. Dort wird der Druck des Ammoniaks mittels Ammoniakdampf aus der Dampfleitung 89 thermisch auf ein Druckniveau von etwa 32,5 bar unter gleichzeitigem Temperaturanstieg auf etwa 30°C erhöht. Anschließend wird das Ammoniak über die Leitung 90 in das Mittel 92 zum Sammeln ausgestoßen. Aus dem Mittel 92, das vorliegend als Sammelbehälter ausgebildet ist, wird das Ammoniak über die Leitung 94 mittels der dort angebrachten Speisepumpe 96 unter weiterer Druckerhöhung auf den erhöhten Druck 28 fein dosiert in den thermodynamischen Kreisprozess 16 eingespeist. Es wird mittels eines nicht weiter dargestellten Regelsystems, insbesondere mittels des genannten Niveaureglers des Abscheiders 38, von der Speisepumpe 96 immer genau die notwendige Menge an flüssigem Ammoniak eingespeist, die im dritten Schritt 50 vom Mittel 32 auch verdampft werden kann. Dabei ist das Verdampfen abhängig von der Menge der umzuwandelnden thermischen Energie.
Zur Verbesserung der Kontinuität des Ammoniakstroms ist neben der Dampfpumpe 88 eine zweite Dampfpumpe 97 vorgesehen, die mit der ersten Dampfpumpe abwechselnd betrieben wird, insbesondere im sogenannten Batchbetrieb.

Folgende Tabelle fasst Kenndaten des thermodynamischen Kreisprozesses 16 zusammen, der in 3 graphisch dargestellt ist:

Position	Temperatur T [°C]	Druck p [bar]	Dichte δ [kg/m³]	Enthalpie h [kJ/kg K]	Entropie s [kJ/kg]	Massenanteil Gas x [kg/kg]
1	25	10.0	602.8	616	2.41	0.0
2	25	37.1	602.8	616	2.41	0.0
3	75	37.1	516.2	863	3.15	0.0
4	75	37.1	29.4	1786	5.80	1.0
5	125	37.1	22.1	1970	6.30	1.0
6	25	10.0	7.8	1778	6.30	1.0

In 3 ist an der Ordinatenachse der Logarithmus des Druckes p und an der Abszissenachse die Enthalpie h angetragen.
Abschließend sei angemerkt, dass sämtlichen Merkmalen, die in den Anmeldungsunterlagen und insbesondere in den abhängigen Ansprüchen genannt sind, trotz dem vorgenommenen formalen Rückbezug auf einen oder mehrere bestimmte Ansprüche, auch einzeln oder in beliebiger Kombination eigenständiger Schutz zukommen soll.
Bezugszeichenliste

10: Verfahren
12: Vorrichtung
14: Wärmequelle
16: thermodynamischer Kreisprozess
18: niedrigerer Druck
20: Sammelbehälter
22: Leitung
24: Mittel zum Erhöhen des Druckes
26: erster Schritt des Druckerhöhens
28: erhöhter Druck
30: Leitung
32: Mittel zum Übertragen von thermischer Energie
34: erster Wärmeübertrager
36: zweiter Wärmeübertrager
38: Abscheider
40: oberer Raumbereich
42: unterer Raumbereich
44: Leitung
45: Leitung
46: Leitung
48: zweiter Schritt des Vorwärmens
50: dritter Schritt des Verdampfens
52: vierter Schritt des Überhitzens
54: Leitung
56: Mittel zum Expandieren
58: fünfter Schritt des Expandierens
60: Generator
62: Mittel zum Expandieren
64: Generator
66: Leitungssystem
68: Leitung
70: Mittel zum Kondensieren
72: sechster Schritt des Kondensierens
74: Leitung
76: Ölkreislauf
77: Zuführeinrichtung
78: Abführeinrichtung
79: Trennelement
80: Heizer
81: Heizkreislauf
82: Dampfleitung
84: Überführeinrichtung
86: Ölpumpe
87: Zuführeinrichtung
88: Dampfpumpe
89: Dampfleitung
90: Leitung
92: Mittel zum Sammeln
94: Leitung
96: Speisepumpe
97: Dampfpumpe

Claims

Vorrichtung (12) zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle (14) in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (16) mit einem Arbeitsmedium, bei der vor einem Teilprozess des Kreisprozesses (16) eine Zuführeinrichtung (77) zum Zuführen von Öl zu dem Arbeitsmedium und nach dem Teilprozess eine Abführeinrichtung (78) zum Abführen von Öl aus dem Arbeitsmedium vorgesehen ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 1, bei der die Abführeinrichtung (78) einen Heizer (80) zum Erwärmen des Öls zusammen mit dem Arbeitsmedium umfasst.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 2, bei der der Heizer (80) an die Wärmequelle (14) wärmeübertragend gekoppelt ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 3, bei der die wärmeübertragende Kopplung einen Heizkreislauf (81) mit einem Heizmedium umfasst, und das Heizmedium eine Vorlauftemperatur von 120°C bis 160°C, bevorzugt von 130°C bis 150°C und besonders bevorzugt von 135°C bis 145°C aufweist.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Abführeinrichtung (78) ein Trennelement (79) zum mechanischen Abtrennen des Öls zusammen mit einem Teil des Arbeitsmediums umfasst.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 5, bei der das Trennelement (79) in der Abführeinrichtung (78) in Strömungsrichtung vor dem Heizer (80) positioniert ist.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine Überführeinrichtung (84) zum Überführen des abgeführten Öls von der Abführeinrichtung (78) zur Zuführeinrichtung (77) vorgesehen ist.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Mittel (24) zum Erhöhen des Druckes des Arbeitsmediums auf einen erhöhten Druck, einem Mittel (32) zum Übertragen von thermischer Energie auf das unter dem erhöhten Druck stehende Arbeitsmedium unter Erwärmen des Arbeitsmediums, einem Mittel (56) zum Expandieren des erwärmten Arbeitsmediums und einem Mittel (70) zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums, bei der die Zuführeinrichtung (77) in Strömungsrichtung nach dem Mittel (32) zum Übertragen von thermischer Energie und die Abführeinrichtung (78) vor dem Mittel (70) zum Kondensieren vorgesehen ist.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Arbeitsmedium mit Ammoniak gebildet ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 9, bei der das Ammoniak in einer Konzentration von 99% bis 100% gestaltet ist.