DE102012024031A1

DE102012024031A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie mit einer Expansionseinrichtung

Info

Publication number: DE102012024031A1
Application number: DE201210024031
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: DE102012024031B4

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums ist die Expansionseinrichtung mit einer Verdrängermaschine zum Durchleiten des Arbeitsmediums in mindestens einem, sich beim Durchleiten vergrößernden Volumen gestaltet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums.
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.
Bei solchen thermodynamischen Kreisprozessen ist die Expansionseinrichtung ein maßgeblicher Bestandteil der Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie. Mittels der Expansionseinrichtung bzw. dem Expander wird letztendlich thermische Energie in mechanische Energie gewandelt. Dazu wird das Arbeitsmedium im Kreisprozess zunächst unter einen erhöhten Druck gesetzt und mittels Übertragen von thermischer Energie isobar verdampft und bevorzugt überhitzt. Der dabei erzeugte komprimierte Arbeitsmedium-Dampf wird anschließend in der Expansionseinrichtung expandiert. Beim Expandieren nehmen der Druck und die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes ab, sodass die übertragene thermische Energie teilweise wieder freigesetzt wird. Ein Teil dieser freigesetzten thermischen Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird bevorzugt zum Erzeugen von kinetischer Energie, insbesondere zum Antreiben einer rotierenden Welle verwendet. Besonders bevorzugt treibt die rotierende Welle einen Generator an, der elektrische Energie erzeugt.
Zum Erzeugen von elektrischer Energie wird als thermodynamischer Kreisprozess der klassische Clausius-Rankine-Prozess in Dampfkraftwerken in großem Maßstab durchgeführt. Dort dient Wasser als Arbeitsmedium, das mittels Hochtemperatur-Wärmequellen, wie Kohle, Erdgas, Erdöl und Kernenergie auf etwa 600°C erhitzt wird. Wird anstatt Wasser zumindest ein organisches Arbeitsmedium verwendet, spricht man vom sogenannten ORC-Prozess bzw. (Organic-Rankine-Cycle)-Prozess. Geeignete organische Arbeitsmedien weisen einen weit tieferen Siedepunkt als Wasser und damit insbesondere günstigere Verdampfungseigenschaften bei niedrigeren Temperaturen auf. Deswegen werden ORC-Prozesse verwendet, um thermische Energie aus Niedertemperatur-Wärmequellen zu verwerten. Niedertemperatur-Wärmequellen sind zum Beispiel solarthermische oder geothermische Quellen sowie bisher ungenutzte Abwärme von Motoren, Industrieproduktionsprozessen und Biogasanlagen. Ein Nutzen dieser Abwärme ist wirtschaftlich und ökologisch von großer Bedeutung.
Zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie zu schaffen, mit der der thermodynamische Kreisprozess optimiert 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 und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums gelöst, bei der die Expansionseinrichtung mit einer Verdrängermaschine zum Durchleiten des Arbeitsmediums in mindestens einem, sich beim Durchleiten vergrößernden Volumen gestaltet ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird während des Kreisprozesses das Arbeitsmedium bzw. Fluid unter einen erhöhten Druck gesetzt. Durch isobares Übertragen von thermischer Energie der Wärmequelle auf das unter erhöhtem Druck stehende Arbeitsmedium wird dieses verdampft und bevorzugt überhitzt. Anschließend wird der derart erzeugte, unter dem erhöhten Druck stehende Arbeitsmedium-Dampf in mindestens einem Volumen durch die Verdrängermaschine geleitet. Beim Durchleiten bildet das einzelne Volumen einen weitgehend geschlossenen Raum, der sich vergrößert. Das Volumen des derart begrenzt durchgeleiteten Fluidvolumens nimmt zu, wobei sich der Druck des Arbeitsmediums erniedrigt und das Arbeitsmedium expandiert. Das Arbeitsmedium steht nach dem Expandieren unter einem niedrigeren Druck.
Beim Expandieren verschiebt das Fluid ein Bauteil, das den Volumenraum begrenzt. Mit dem Verschieben des Bauteils wird der Volumenraum vergrößert und zugleich das Bauteil zum Verrichten von Arbeit, insbesondere mechanischer Arbeit, bewegt.
Eine derartige Verdrängermaschine kann vorteilhaft mit einem Hubkolben gestaltet sein, wie er in entgegen gesetzter Wirkungsweise in einer Kolbenpumpe eingesetzt wird. Bei dem Hubkolben ist in einem Zylinder ein Kolben axial verschiebbar angeordnet, der mit seiner Kolbenstirnfläche und der inneren Mantelfläche des Zylinders einen Zylinderraum als variablen Volumenraum bildet. Bewegt sich der Kolben aus dem Zylinderraum hinaus, so wird der Zylinderraum bis zu einem Totpunkt immer größer. Der Kolben wird dabei von dem unter erhöhtem Druck stehenden Arbeitsmedium aus dem Zylinderraum gedrückt bzw. bewegt.
In der Verdrängermaschine wird also zwischen dem bewegten Bauteil und dem Arbeitsmedium Volumenänderungsarbeit und/oder Verschiebearbeit in einem geschlossenen System übertragen. Das Übertragen resultiert in der Bewegung des Bauteils. Die Volumenänderungsarbeit bzw. Volumenarbeit ist nur abhängig von der Höhe des Druckes des Arbeitsmediums und des Druckes der von außen auf den Kolben wirkt – sofern die Reibung vernachlässigt wird. Insbesondere ist die Volumenänderungsarbeit vorliegend eine Expansionsarbeit, die proportional zu der Druckdifferenz zwischen dem erhöhten Druck und dem niedrigeren Druck ist.
Damit ist mit der als Verdrängermaschine gestalteten Expansionseinrichtung eine Vorrichtung geschaffen, die nicht vom spezifischen Gewicht und der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums abhängig ist. Das Arbeitsmedium kann entsprechend den sonstigen Gegebenheiten gewählt werden. Entsprechend werden als Arbeitsmedium bevorzugt für den jeweiligen thermodynamischen Kreisprozess und die jeweilige Wärmequelle geeignete Substanzen verwendet.
Demgegenüber werden herkömmlich Strömungsmaschinen, insbesondere Strömungsturbinen, verwendet, die kontinuierlich von gerichtet strömenden Fluidteilchen durchströmt werden. Aufgrund des Impulses des Fluides, der sich aus der Bewegungsgeschwindigkeit und der Masse der einzelnen strömenden Fluidteilchen ergibt, bewegt das Fluid ein Bauteil der Strömungsmaschine. Insbesondere ist das derart bewegte Bauteil eine Schaufel eines Turbinenrades, das zur Seite bewegt wird und zur Drehbewegung des Turbinenrades führt. Insgesamt erfolgt damit das Übertragen von thermischer Energie in einem offenen System, vorwiegend über eine Druckänderungsarbeit, sodass dass Fluid beim Durchströmen in der Regel ebenfalls expandiert wird. Die Strömungsmaschine erfordert allerdings wegen der Abhängigkeit von dem Impuls des Arbeitsmediums einen relativ hohen Massestrom bzw. eine relativ hohe molekulare Masse des Arbeitsmediums, um effektiv ohne große Reibungsverluste arbeiten zu können. Dies bedeutet, dass die Auswahl an geeigneten Arbeitsmedien hier von der Masse des Arbeitsmediums abhängig und damit begrenzt ist.
Die Verdrängermaschine bildet bevorzugt ein Antriebsaggregat für einen Generator, womit insgesamt aus der thermischen Energie der Wärmequelle über den Weg des thermodynamischen Kreisprozesses mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung elektrische Energie gewonnen wird. Der Generator wird dabei von der Verdrängermaschine insbesondere über eine flexible Kupplung angetrieben.
Alternativ können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch andere rotierende Wellen angetrieben und/oder andere Arten von kinetischer Energie erzeugt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Verdrängermaschine mit einer Drehschiebermaschine gestaltet. Eine Drehschiebermaschine ist ein Umlaufkolbenexpander, der entgegengesetzt eines Umlaufkolbenverdichters arbeitet.
Die Drehschiebermaschine umfasst bevorzugt ein zylinderförmiges Ringgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für das Arbeitsmedium, zwei gegenüberliegende Begrenzungsflächen zum Begrenzen des Ringgehäuses in axialer Richtung und eine innere Mantelfläche zum Begrenzen des Ringgehäuses in radialer Richtung sowie einen Drehkolben, der rotierbar in dem Ringgehäuse gelagert ist und mindestens zwei Schieber zum Abgrenzen einer Zelle zwischen den Schiebern, der Mantelfläche und den Begrenzungsflächen trägt. Dabei ist die innere Mantelfläche oder die Lage des Drehkolbens in Bezug zur Mantelfläche derart gestaltet, dass die abgegrenzte Zelle während der Rotation des Drehkolbens ein variables Zellvolumen zum periodischen Durchlaufen von einem kleinen Volumen in der Nähe des Einlasses zu einem vergleichsweise großen Volumen in der Nähe des Auslasses aufweist.
Insbesondere nimmt im Laufe einer Rotation des Drehkolbens das Zellvolumen der abgegrenzten Zelle von einem Volumenminimum bis zu einem Volumenmaximum zu. Durch diese Volumenzunahme wird das Arbeitsmedium vom Einlass zum Auslass expandiert bzw. entspannt und am Auslass ausgelassen. Während der weiteren Drehbewegung nimmt das Zellvolumen dann wieder ab, bis das Volumenminimum durchschritten wird. Beim Durchschreiten des Volumenminimums wird am Einlass erneut unter erhöhtem Druck stehendes Arbeitsmedium in die Zelle geleitet, das im Laufe der Rotation wieder entspannt und am Auslass ausgelassen wird.
Die Zelle ist dabei ein einzelner Expansionsraum oder Arbeitsraum für das Arbeitsmedium. Das Arbeitsmedium steht wie erläutert zunächst unter erhöhtem Druck und liegt zudem als bevorzugt überhitzter Arbeitsmedium-Dampf vor. Es weist so eine hohe thermische Energie auf. Durch den erhöhten Druck des Arbeitsmedium-Dampfes strömt dieser in den Einlass der Drehschiebermaschine und drückt einen Schieber der Zelle entlang der Rotationsrichtung des Drehkolbens. Damit wird zum einen die Rotationsbewegung in Gang gehalten, das heißt Arbeit verrichtet und zum anderen der Arbeitsmedium-Dampf wegen des sich dann vergrößernden Volumens der Zelle expandiert. Der expandierende Arbeitsmedium-Dampf treibt also die Rotationsbewegung des Drehkolbens an. Auf diese Weise wird die thermische Energie des überhitzten und komprimierten Arbeitsmedium-Dampfes größtenteils in mechanische Energie umgewandelt.
Bevorzugt ist der Drehkolben exzentrisch in Bezug auf die Längsachse des Ringgehäuses positioniert, sodass der Abstand zwischen Drehkolben und innerer Mantelfläche des Ringgehäuses variiert. Dieser variable Abstand kann alternativ auch mit einer elliptischen Gestalt der inneren Mantelfläche bzw. Ringwand des Ringgehäuses geschaffen sein. Mit der Gestaltung des Ringgehäuses um den Drehkolben herum ist auch das Expansionsverhältnis der Drehschiebermaschine als Verdrängermaschine festgelegt.
Zugleich ist der jeweilige Schieber radial verschiebbar am bzw. im Drehkolben gelagert, und bildet eine radial gerichtete, einzelne Zellwand der Zelle, die sich an die Ringwand anlegen und den Abstand zwischen Drehkolben und Ringwand ausfüllen kann. Dreht sich der Drehkolben und mit ihm auch der Schieber, so wirkt beim Drehen bzw. Rotieren eine Fliehkraft, die den Schieber immer abdichtend an die Ringwand drückt. Damit gleitet der einzelne Schieber während der Rotation abdichtend entlang der Ringwand, die dabei die Funktion eines Stators ausübt, während der Drehkolben als Rotor dient.
Besonders bevorzugt ist der Drehkolben entlang seiner Längserstreckung mit je einer Nut zum Führen des zugehörigen Schiebers gestaltet. Der Schieber ist in der Nut radial verschiebbar gelagert. Im Laufe der Rotation wird der Schieber durch die auftretenden Fliehkräfte aus der Nut herausgedrückt, wenn sich der Abstand zwischen Drehkolben und Ringwand vergrößert. Dabei unterstützt bevorzugt eine Feder die auftretenden Fliehkräfte. Wenn sich der Abstand wieder verkleinert und sich die Ringwand wieder näher am Drehkolben befindet, wird der Schieber von der Ringwand in die Nut geschoben. Wird der Schieber also im Laufe einer Rotation aus der Nut herausgedrückt, so nehmen dessen freie Fläche und damit die Fläche der mit dem Schieber gebildeten Zellwand zu. Auf diese Weise wird während einer Rotationsumdrehung vom Einlass zum Auslass eine in der Flächengröße zunehmende Zellwand geschaffen, sodass sich die damit abgegrenzte Zelle vergrößert.
Die Anzahl der Schieber und der damit gebildeten Anzahl an Zellen ist an das verwendende Arbeitsmedium und das gewünschte Expansionsverhältnis angepasst. Bevorzugt sind mehrere Zellen vorgesehen, um einen gleichmäßigeren Expansionsbetrieb zu gewährleisten. Dazu umfasst die Drehkolbenmaschine 2 bis 16, bevorzugt 4 bis 13 und besonders bevorzugt 7 bis 9 Schieber, die mit der Ringwand und den beiden Begrenzungsflächen eine entsprechende Anzahl an Zellen abgrenzen.
Für die erfindungsgemäße Drehschiebermaschine werden material- und platzsparend weniger Komponenten benötigt als für einen Hubkolben. Ferner verbraucht die Drehschiebermaschine wesentlich weniger Bauvolumen als eine Hubkolbenmaschine bei vergleichbarer Leistung, sodass eine insgesamt kompaktere Vorrichtung geschaffen ist.
Vorzugsweise beträgt das Expansionsverhältnis zwischen einem Einlass und einem Auslass der Verdrängermaschine 1 zu 2 bis 1 zu 8, bevorzugt 1 zu 3 bis 1 zu 4. Das Expansionsverhältnis entspricht dem Verhältnis zwischen dem Zellvolumen am Einlass und dem Zellvolumen am Auslass der Verdrängermaschine. Dieses Expansionsverhältnis ist mittels einer entsprechenden Kurvengeometrie des Ringgehäuses und/oder des Drehkolbens sowie eines gegebenenfalls exzentrischen Lagerns des Drehkolbens eingestellt. Derart eingestellt, weist die Verdrängermaschine ein solches Expansionsverhältnis auf, dass genau die für den vorliegenden Kreisprozess richtige Dampfexpansion bzw. ein genau richtiger Druckabbau des Arbeitsmediums erreicht wird. Mit dem oben genannten Expansionsverhältnis ist dieses darüber hinaus an die physikalischen, insbesondere thermodynamischen Eigenschaften des hier bevorzugten Arbeitsmediums und die dazu benötigten Betriebsparameter angepasst. So angepasst, wird die energetische Ausbeute bei der Expansion erhöht und der Wirkungsgrad des Kreisprozesses insgesamt verbessert. Insbesondere ist das Expansionsverhältnis von 1 zu 3 bis 1 zu 4 besonders geeignet für Ammoniak als Arbeitsmedium, wegen der physikalischen Eigenschaften von Ammoniak.
Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft mindestens eine Zelle mit einem sich beim Durchleiten vergrößernden Volumen und eine Ölversorgungseinrichtung zum Bereitstellen von Öl an der mindestens einen Zelle vorgesehen. Mit dem Öl wird die Zelle abgedichtet, sodass sich nur ein minimaler Leckagestrom von Arbeitsmedium zwischen den einzelnen aneinander angrenzenden Zellen ergibt. Mit diesem Begrenzen des Leckstroms sind Druckverluste zwischen den Zellen verringert. Ferner wird das eingestellte Expansionsverhältnis konstant beibehalten und nicht verfälscht, sodass der Liefergrad der Expansionseinrichtung sehr gleichmäßig ist. Mit dem Öl ist insbesondere das sich beim Vergrößern des einzelnen Volumens bewegende Bauteil abgedichtet. Zugleich schmiert das Öl das Bewegen dieses Bauteils.
Als Öl werden vorliegend alle Stoffe verstanden, die zum Schmieren und Abdichten von technischen Bestandteilen an der mindestens einen Zelle 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.
In vorteilhafter Weise sind wie oben erwähnt bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung des Weiteren ein Drehkolben mit mindestens einer Nut zum Führen eines zugehörigen Schiebers vorgesehen und die Ölversorgungseinrichtung ist zum Zuführen von Öl zu der Nut angepasst. Die Nut bildet eine schlitzförmige Aussparung im Drehkolben entlang seiner axialen Längsrichtung, in der der zugehörige Schieber in radialer Richtung verschiebbar geführt ist. Dazu ist die Nut zumindest geringfügig breiter als der zugehörige Schieber dick ist, wodurch ein Spalt in axialer Richtung und zwei Spalten in radialer Richtung zwischen dem Schieber und dem Drehkolben gebildet sind. Mit dem Zuführen von Öl zu der Nut werden sowohl der Spalt in axialer Richtung, der sogenannte axiale Schieberspalt, als auch die Spalten in radialer Richtung, die sogenannten radialen Schieberspalten abgedichtet. Zudem ist die Verschiebung des Schiebers in der Nut geschmiert. Mit der derart zielgerichteten Versorgung der Nut mit Öl reicht eine besonders kleine Ölmenge zum Schmieren und Abdichten der Schieber aus.
Des Weiteren wird der einzelne Schieber zusätzlich zur Fliehkraft und bevorzugt zur Federkraft durch das Öl in der Nut radial nach außen in Richtung Ringwand gedrückt. Damit läuft der einzelne Schieber mit seiner Lauffläche während der Rotation besonders stark abdichtend an der Ringwand entlang.
Bevorzugt ist die Ölversorgungseinrichtung ferner zum Zuführen von Öl an die Lauffläche des Schiebers zwischen dem Schieber und der Ringwand gestaltet. Derart gestaltet, wird auch die Lauffläche des Schiebers mit Öl abgedichtet und zugleich geschmiert, um Leckstromverluste und Reibungsverluste während des Entlanglaufens zu minimieren.
Des Weiteren umfasst die Ölversorgungseinrichtung vorzugsweise ein Ölzuführmittel zum Zuführen des Öls zum Arbeitsmedium, ein Ölabführmittel zum Abführen des Öls aus dem Arbeitsmedium und ein Ölüberführmittel zum Überführen des abgeführten Öls von dem Ölabführmittel zum Ölzuführmittel. Damit ist ein Ölkreislauf gebildet, in dem das Öl immer wieder zurück gewonnen und zumindest weitgehend nicht verbraucht wird, sodass Ressourcen und Kosten gespart werden.
Das Ölzuführmittel ist im thermodynamischen Kreisprozess in Strömungsrichtung bevorzugt vor, besonders bevorzugt an der Verdrängermaschine vorgesehen. Dabei ist wie erläutert das Ölzuführmittel bevorzugt zum Bereitstellen des Öls an der mindestens einen Zelle gestaltet, sodass die einzelne Zelle abgedichtet ist. Insbesondere ist auch dabei das Ölzuführmittel zum Zuführen des Öls zur mindestens einen Nut gestaltet, die damit zielgerichtet abgedichtet und geschmiert ist. Während des Expandierens gelangt ein Teil des Öls von der Nut in die zugehörige Zelle und damit in das dort expandierende Arbeitsmedium, insbesondere in den Arbeitsmedium-Dampf. Dieser Teil des Öls bildet zusammen mit dem entspannten Arbeitsmedium-Dampf nach dem Expandieren ein Arbeitsmedium-Öl-Gemisch. Dieses Arbeitsmedium-Öl-Gemisch umfasst dann einen Anteil an flüssigem Öl, gegebenenfalls einen geringen Anteil an kondensiertem bzw. flüssigem Arbeitsmedium und einen Hauptanteil an gasförmigem Arbeitsmedium. Das Arbeitsmedium-Öl-Gemisch gelangt über den Auslass aus der Verdrängermaschine in den weiteren thermodynamischen Kreisprozess. In Strömungsrichtung nach der Verdrängermaschine ist bevorzugt das Ölabführmittel vorgesehen, mit dem das Öl aus dem gebildeten Arbeitsmedium-Öl-Gemisch wieder abgeführt wird.
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 der Expansionseinrichtung verlängert. Zudem wird die abdichtende Funktion des Öls nicht durch das Arbeitsmedium beeinträchtigt. Andernfalls würde das Arbeitsmedium insbesondere beim Expandieren aus den axialen und radialen Schieberspalten zwischen Nut und zugehörigem Schieber aus einem, mit Arbeitsmedium verunreinigtem Öl ausdampfen und die abdichtende Funktion des Öls wäre verringert. Ferner würde das Arbeitsmedium im weiteren thermodynamischen Kreisprozess mit Öl verunreinigt sein, was dessen thermodynamische Eigenschaften unerwünscht beeinflussen würde. Folglich wird das Öl besonders vorteilhaft aus dem beim Expandieren gebildeten Arbeitsmedium-Öl-Gemisch mittels des erfindungsgemäßen Ölabführmittels abgetrennt.
Dazu umfasst das Ölabführmittel bevorzugt ein Trennelement oder einen Heizer und besonders bevorzugt ein Trennelement und einen Heizer. Das Trennelement dient zum mechanischen Abtrennen des flüssigen Öls zusammen mit dem Anteil an flüssigem Arbeitsmedium. Dieses flüssige Arbeitsmedium-Öl-Gemisch wird mittels des Trennelements als flüssige Phase von einer ansonsten bevorzugt gasförmigen Phase des Arbeitsmediums abgetrennt. Das gasförmige Arbeitsmedium verbleibt für weitere Zustandsänderungen im Kreisprozess. Vorteilhaft wird so ohne Verbrauch von elektrischer Energie bereits ein Großteil des Öls wieder aus dem Arbeitsmedium abgetrennt.
Bevorzugt ist das Trennelement mit einem Ölfilter gestaltet, der für das gasförmige Arbeitsmedium durchlässig und für das flüssige Arbeitsmedium-Öl-Gemisch undurchlässig ist. 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.
Mit dem Heizer wird das mit dem Trennelement abgetrennte flüssige Arbeitsmedium-Öl-Gemisch erwärmt und damit das Öl aus dem flüssigen Arbeitsmedium-Öl-Gemisch abgeführt. Das Öl weist in der Regel einen höheren Dampfdruck und damit eine höhere Siedetemperatur auf als das Arbeitsmedium. Die Temperatur des Arbeitsmedium-Öl-Gemisches wird beim Erwärmen so weit überschritten, dass das Arbeitsmedium zumindest weitgehend verdampft und das Öl zugleich als Flüssigkeit verbleibt. Der Heizer ermöglicht also ein thermisches Trennverfahren, mit dem das Öl 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 das Arbeitsmedium besonders sauber vom Öl abgetrennt werden kann.
Das vom Öl abgetrennte, bevorzugt gasförmige Arbeitsmedium verbleibt im thermodynamischen Kreisprozess, wird anschließend kondensiert und durchläuft den Kreisprozess erneut.
Mit der derartigen erfindungsgemäßen Lösung kann auch eine Verdrängermaschine, insbesondere eine Drehschiebermaschine, zum Einsatz gelangen, die im Gegensatz zu einer herkömmlichen Strömungsmaschine Öl zum Abdichten und Schmieren ihrer sich bewegenden Bauteile, insbesondere ihrer Schieber, benötigt. Der „Nachteil” der Ölschmierung wird mittels der erfindungsgemäßen Ölversorgungseinrichtung, insbesondere des Ölkreislaufs, ausgeglichen und von den weiteren genannten Vorteilen der Verdrängermaschine übertroffen.
Vorzugsweise ist bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung das Arbeitsmedium mit Ammoniak (NH₃) gebildet. Ammoniak ist hier, wie sich gezeigt hat, aufgrund seiner physikalischen, chemischen und thermodynamischen Eigenschaften besonders gut als Arbeitsmedium geeignet, insbesondere für eine Verdrängermaschine als Expander. Ammoniak besitzt wegen seines molekularen Aufbaus aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen ein sehr geringes absolutes Molekulargewicht bzw. molekulare Masse von 17,03 u. Die geringe molekulare Masse von Ammoniak ist auch für eine Expansion in einer Verdrängermaschine vorteilhaft geeignet, da die Verdrängermaschine zumindest weitgehend unabhängig von der Masse der Arbeitsmedium-Teilchen arbeitet.
Ferner verfügt flüssiges Ammoniak aufgrund seiner zwischenmolekular wirkenden, relativ stabilen Wasserstoffbrückenbindungen über eine hohe Verdampfungsenthalpie. Dies bedeutet zum einen, dass vergleichsweise viel thermische Energie aufgewendet werden muss, um eine bestimmte Menge an Ammoniak von seinem flüssigen in seinen gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Diese Energie ist sozusagen im gebildeten, unter erhöhten Druck stehenden Ammoniak-Dampf gespeichert, bis der Dampf expandiert wird. Damit wird besonders viel Energie frei, sodass ein entsprechend hoher Anteil als mechanische Energie genutzt werden kann.
Wegen der hohen Verdampfungsenthalpie von Ammoniak ist die Druckdifferenz zwischen Verdampfung und Verflüssigung besonders groß. Mit der großen Druckdifferenz wird an der Verdrängermaschine vorteilhaft eine besonders hohe Volumenänderungsarbeit bzw. Expansionsarbeit verrichtet. Dies leistet einen maßgeblichen Beitrag zu einer besonders hohen Ausbeute an mechanischer Energie. Ferner ist mit der hohen Verdampfungsenthalpie im Zusammenwirken mit der geringen molaren Masse von 17,03 g/mol der Massestrom vergleichsweise klein. Der Massestrom ist die Masse an gasförmigem Ammoniak, die pro Zeiteinheit durch den Kreisprozess bewegt wird. Wegen des kleinen Massestroms werden eine entsprechend kleine Verdrängermaschine und geringe Querschnitte in Leitungen des Kreisprozesses benötigt. Damit kann insgesamt die Prozessanlage sehr kompakt gestaltet sein.
Zudem vermischt sich einerseits wegen des kleinen Massestroms und andererseits wegen einer stark unterschiedlichen Molekülstruktur von Ammoniak und Öl nur wenig Ammoniak mit Öl. Dabei weist Ammoniak eine stark polare Molekülstruktur im Gegensatz zu einer unpolaren Molekülstruktur des Öls auf. 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.
Ferner 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.
Besonders vorteilhaft ist das Arbeitsmedium in einer Konzentration von 99% bis 100% Ammoniak gestaltet. Das Ammoniak weist im Arbeitsmedium bevorzugt eine Konzentration von 99,60% bis 99,95% und besonders bevorzugt von 99,80% bis 99,90% auf. Die genannte Prozentangabe der Konzentration beschreibt Massenprozent. 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 kostengünstig verfügbar, da es weltweit industriell in großem Maßstab und technisch ausgereift hergestellt wird. Mit dem 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.
Des Weiteren ist die Expansionseinrichtung vorzugsweise mit mindestens zwei parallel geschalteten Verdrängermaschinen gestaltet. Damit ist eine über die Zeit hinweg besonders gleichmäßige Druckerhöhung des Arbeitsmediums ohne übergroße Pulsationen möglich. Zudem kann sofern erforderlich eine größere Menge an komprimiertem und erhitztem Arbeitsmedium expandiert werden. Insgesamt wird damit eine gleichmäßige und hohe Leistung aus dem Kreisprozess abgenommen werden.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium vorgesehen. Dabei umfasst der Kreisprozess folgende Schritte: Erhöhen des Druckes des Arbeitsmediums auf einen erhöhten Druck, Übertragen von thermischer Energie auf das unter dem erhöhten Druck stehende Arbeitsmedium unter Bilden eines Arbeitsmedium-Dampfes, Expandieren des Arbeitsmedium-Dampfes von dem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck mit einer Verdrängermaschine und Kondensieren des expandierten Arbeitsmedium-Dampfes.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium mit dem Schritt Expandieren des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck geschaffen, wobei das Expandieren mit einem Durchleiten des Arbeitsmediums in mindestens einem, sich beim Durchleiten vergrößernden Volumen erfolgt. Bevorzugt wird beim Expandieren dem Arbeitsmedium Öl zugeführt und nach dem Expandieren aus dem Arbeitsmedium wieder abgeführt. Die Vorteile des derartigen erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den bereits oben genannten Vorteilen.
Als Wärmequellen sind gemäß der Erfindung Niedertemperatur-Wärmequellen mit Temperaturen von 60°C bis 200°C, bevorzugt von 70°C bis 170°C und besonders bevorzugt von 85°C bis 140°C vorgesehen. Mit diesen Niedertemperatur-Wärmequellen werden besonders vorteilhaft Wärmquellen genutzt, die mit herkömmlichen Verfahren noch in ungenügender Größenordnung verwertet werden können.
Eine derartige Wärmequelle ist bevorzugt mit einer Restwärmequelle gestaltet. Als Restwärme wird bevorzugt bei Biogasanlagen die Motorabwärme von Gasmotoren und/oder Blockheizkraftwerken sowie besonders bevorzugt zusätzlich Abgasabwärme genutzt. Ferner kann als Restwärme Abwärme in dem genannten Temperaturbereich aus Industrieprozessen verwertet werden. Darüber hinaus ist das Nutzen von Abwärme aus solarthermischen Anlagen möglich, womit die gesamte Energieausbeute solcher Solaranlagen gesteigert wird. Alternativ wird als Niedertemperatur-Wärmequelle eine geothermische Quelle verwendet, womit die dortige Erdwärme energetisch gewandelt und genutzt werden kann.
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,
3 ein schematisches Druck(log)-Enthalpie-Diagramm des thermodynamischen Kreisprozesses der Verfahren gemäß 1 und 2,
4 einen Querschnitt einer Verdrängermaschine der Vorrichtung gemäß 1 und 2,
5 ein schematisches Volumen-Drehwinkel-Diagramm des Volumenstroms an der Verdrängermaschine gemäß 4 und
6 eine Explosionszeichnung eines Teils der Verdrängermaschine gemäß 4.
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. Dazu ist im ersten Ausführungsbeispiel ein Sammelbehälter 20 (1) vorgesehen.
Dieses flüssige Ammoniak wird von dem Sammelbehälter 20 durch eine Leitung 22 (1) zu einer Druckerhöhungseinrichtung 24 geführt. Mit der Druckerhöhungseinrichtung 24 wird der Druck des Ammoniaks in einem ersten Schritt 26 des Druckerhöhens bzw. Komprimierens im thermodynamischen Kreisprozess 16 von dem niedrigeren Druck 18 auf einen erhöhten Druck 28 als oberes Druckniveau von etwa 37 bar erhöht.
Von der Druckerhöhungseinrichtung 24 wird das flüssige Ammoniak, das unter dem erhöhten Druck 28 steht, durch eine Leitung 30 zu einer Wärmeübertragungseinrichtung 32 zum Übertragen von thermischer Energie auf das Ammoniak gepumpt.
Die Wärmeübertragungseinrichtung 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 eine Expansionseinrichtung geleitet, die vorliegend mit einer Verdrängermaschine 56 gestaltet ist. 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 die Verdrängermaschine 56 eintretende Ammoniak einen Druck von etwa 37 bar und eine Temperatur von etwa 125°C und das aus der Verdrängermaschine 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 der Verdrängermaschine 56, die 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 eine zweite Verdrängermaschine 62, gekoppelt mit einem zweiten Generator 64, vorgesehen. Diese zweite Verdrängermaschine 62 ist mit einem entsprechenden Leitungssystem 66 parallel zur ersten Verdrängermaschine 56 geschaltet. Derart geschaltet, erfolgt der fünfte Schritt 58 des Expandierens besonders vorteilhaft in zwei parallel ablaufenden Expansionsschritten.
In der Vorrichtung 12 führt in Strömungsrichtung nach der Verdrängermaschine 56 eine Leitung 68 als Dampfaustritts- oder Abdampfleitung aus der Verdrängermaschine 56 heraus und in ein Mittel 70 zum Kondensieren. Damit wird das aus der Verdrängermaschine 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 einem 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 verfügt die Vorrichtung 12 an der Verdrängermaschine 56 über eine Ölversorgungseinrichtung 76. Diese Ölversorgungseinrichtung 76 umfasst ein Ölzuführmittel 77 zum Zuführen von Öl zum Ammoniak und ein Ölabführmittel 78 zum Abführen von Öl aus dem Ammoniak. Das Ölzuführmittel 77 führt als Leitung direkt in die Verdrängermaschine 56, sodass Öl in die Expansionseinrichtung bzw. den Spander geleitet wird.
Die Verdrängermaschine 56 ist vorliegend mit einer Drehschiebermaschine, insbesondere einem Flügelzellenexpander gebildet. Mit einem Schmieren und Abdichten von einzelnen technischen Bestandteilen dieses Flügelzellenexpanders gelangt Öl in das sich expandierende Ammoniak. Aus dem dabei entstehenden Ammoniak-Öl-Gemisch wird das Öl mit dem Ölabführmittel 78 nach dem Expandieren wieder abgeführt. Dazu ist das Ölabfuhrmittel 78 in Strömungsrichtung nach der Verdrängermaschine 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 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.
Das abgeschiedene Öl wird mit dem Ölüberführmittel 84 in Form einer Leitung wieder zum Ölzuführmittel 77 geführt und erneut zum Schmieren und Abdichten in die Verdrängermaschine 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.
Zudem 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 die zur ersten Verdrängermaschine 56 parallel geschaltete zweite Verdrängermaschine 62 mit einem zweiten Ölzuführmittel 87 entsprechend mit Öl versorgt. Dieses zweite Ölzuführmittel 87 ist dazu leitend mit der Ölversorgungseinrichtung 76 und damit mit dem Ölabführmittel 78 verbunden.
Ferner umfasst die Druckerhöhungseinrichtung 24 zum Erhöhen des Druckes 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. Die Dampfpumpe 88 ist insbesondere unter Ausnutzen von Wärme aus der Prozessanlage des thermodynamischen Kreisprozesses 16 als Thermopumpe thermisch angetrieben, während die Speisepumpe 96 elektrisch angetrieben ist.
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 von der Wärmeübertragungseinrichtung 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 Batch-Betrieb.
Die Verdrängermaschine 56 ist mit einer Drehschiebermaschine gestaltet, die ein Ringgehäuse 98 mit einem Einlass 100 und einem Auslass 102 aufweist. Der Einlass 100 dient zum Einlassen des unter dem erhöhten Druck 28 stehenden Ammoniakdampfes und der Auslass 102 zum Auslassen des expandierten Ammoniakdampfes. Das Ringgehäuse 98 ist mit einem zylinderförmigen Hohlzylinder gebildet, dessen innere Mantelfläche eine innere Ringwand 104 bildet. Im Ringgehäuse 98 ist exzentrisch zur Achse des Hohlzylinders ein Drehkolben 106 zentrisch um eine Welle 108 rotierbar gelagert. Der Drehkolben 106 weist entlang seiner Längserstreckung acht Nuten 110 auf, in denen jeweils ein zugehöriger Schieber 112 radial hin und her verschiebbar gelagert ist.
Zum Begrenzen des Ringgehäuses 98 sind in axialer Richtung zwei gegenüberliegende Begrenzungsflächen 114 vorgesehen, von denen in 6 nur eine Fläche dargestellt ist. Diese beiden Begrenzungsflächen 114 grenzen zusammen mit dem Drehkolben 106, der Ringwand 104 und den acht Schiebern 112 acht Zellen 115 mit jeweils einem Zellvolumen bzw. variablen Volumen 116 ab.
Das einzelne variable Volumen 116 ist dadurch gebildet, dass der jeweilige Schieber 112 im Laufe einer Rotation durch wirkende Fliehkräfte abdichtend gegen die Ringwand 104 gedrückt wird. Dadurch, dass der Drehkolben 106 im Ringgehäuse 98 exzentrisch gelagert ist, variiert während der Rotationsbewegung der Abstand zwischen dem Drehkolben 106 und der Ringwand 104. Deswegen wird der jeweilige Schieber 112 beim Drehen in der zugehörigen Nut 110 hin und her geschoben. Bei einem sich vergrößernden Abstand wird der Schieber 112 aus der zugehörigen Nut 110 ausgeschoben, bis das Maximum des Abstands und damit auch das Maximum des Volumens 116 erreicht ist. Daran anschließend verkleinert sich der Abstand wieder und der Schieber 112 wird in die zugehörige Nut 110 eingeschoben, bis das Minimum des Abstands und damit auch das Minimum des Volumens 116 erreicht ist.
Das variable Volumen 116 nimmt während der Rotationsbewegung vom Einlass 100 bis zum Auslass 102 zu, sodass beim Durchleiten des von unter dem erhöhten Druck 28 stehenden Ammoniakdampfes dieser Ammoniakdampf expandiert wird. Beim Expandieren drückt der Ammoniakdampf in Umlaufrichtung gegen jeweils einen Schieber 112, sodass die Rotationsbewegung in Gang gehalten wird. Damit wird die Welle 108 angetrieben, die ihrerseits den Generator 60 zum Erzeugen von elektrischem Strom antreibt.
In 4 ist die Größe des Volumens 116 an der Ordinatenachse in Abhängigkeit eines Drehwinkels 118 an der Abszissenachse dargestellt. Dabei weist das Volumen 116 in der Zone 120 ein Minimum auf. Am Einlass 100 nimmt das Volumen 116 in der Zone 122 während des Einströmens des verdichteten Ammoniakdampfes langsam zu und wird in der Zone 124 bis zu einem Volumenmaximum entspannt. Der entspannte Ammoniakdampf strömt anschließend in der Zone 126 bis auf ein kleines Restvolumen aus. Das Restvolumen verbleibt in der jeweiligen Zelle 115 und wird über die Zone 120 verdichtet bis am Einlass 100 erneut komprimierter Ammoniakdampf hineinströmt. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.
Das Expansionsverhältnis, das heißt das Verhältnis zwischen dem Volumen 116 am Einlass 100 und dem Volumen 116 am Auslass 102 ist auf 1 zu 3 bis 1 zu 4 eingestellt und damit insbesondere für das Arbeitsmedium Ammoniak speziell angepasst.
Zum Abdichten und gegebenenfalls Schmieren der zwischen der jeweiligen Nut 110 und des zugehörigen Schiebers 112 auftretenden radialen und axialen Schieberspalten ist die Ölversorgungseinrichtung 76 vorgesehen. Mit dieser ist speziell die Lauffläche des Schiebers 112 entlang der Ringwand 104 abgedichtet und insbesondere geschmiert.
In einer weiteren, nicht dargestellten, erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Öl zum Schmieren und Abdichten der radialen und axialen Schieberspalten sowie der Lauffläche des Schiebers 112 entlang der Ringwand 104 direkt über den Einlass 100 zugeführt und über den Auslass 102 wieder abgeführt.

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: Druckerhöhungseinrichtung
26: erster Schritt des Druckerhöhens
28: erhöhter Druck
30: Leitung
32: Wärmeübertragungseinrichtung
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: Verdrängermaschine als Expansionseinrichtung
58: fünfter Schritt des Expandierens
60: Generator
62: Verdrängermaschine
64: Generator
66: Leitungssystem
68: Leitung
70: Mittel zum Kondensieren
72: sechster Schritt des Kondensierens
74: Leitung
76: Ölversorgungseinrichtung
77: Ölzuführmittel
78: Ölabführmittel
79: Trennelement
80: Heizer
81: Heizkreislauf
82: Dampfleitung
84: Ölüberführmittel
86: Ölpumpe
87: Ölzuführmittel
88: Dampfpumpe
89: Dampfleitung
90: Leitung
92: Mittel zum Sammeln
94: Leitung
96: Speisepumpe
97: Dampfpumpe
98: Ringgehäuse
100: Einlass
102: Auslass
104: Ringwand
106: Drehkolben
108: Welle
110: Nut
112: Schieber
114: Begrenzungsfläche
115: Zelle
116: Volumen
118: Drehwinkel
120: Zone
122: Zone des Einströmens
124: Zone des Entspannens
126: Zone des Ausströmens

Claims

Vorrichtung (12) zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle (14) in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (16) mit einem Arbeitsmedium und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums, bei der die Expansionseinrichtung mit einer Verdrängermaschine (56) zum Durchleiten des Arbeitsmediums in mindestens einem, sich beim Durchleiten vergrößernden Volumen (116) gestaltet ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 1, bei der die Verdrängermaschine (56) mit einer Drehschiebermaschine gestaltet ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Expansionsverhältnis zwischen einem Einlass (100) und einem Auslass (102) der Verdrängermaschine (56) 1 zu 2 bis 1 zu 8, bevorzugt 1 zu 3 bis 1 zu 4, beträgt.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der mindestens eine Zelle (115) mit einem sich beim Durchleiten vergrößernden Volumen (116) und eine Ölversorgungseinrichtung (76) zum Bereitstellen von Öl an der mindestens einen Zelle (115) vorgesehen ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 4, bei der ein Drehkolben (106) mit je einer Nut (110) zum Führen eines zugehörigen Schiebers (112) vorgesehen und die Ölversorgungseinrichtung (76) zum Zuführen von Öl zu der Nut (110) gestaltet ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Ölversorgungseinrichtung (76) ein Ölzuführmittel (77) zum Zuführen des Öls zum Arbeitsmedium, ein Ölabführmittel (78) zum Abführen des Öls aus dem Arbeitsmedium und ein Ölüberführmittel (84) zum Überführen des abgeführten Öls von dem Ölabführmittel (78) zum Ölzuführmittel (77) umfasst.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Arbeitsmedium mit Ammoniak gebildet ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 7, bei der das Ammoniak im Arbeitsmedium in einer Konzentration von 99% bis 100% gestaltet ist.
Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Expansionseinrichtung mit mindestens zwei parallel geschalteten Verdrängermaschinen (56) gestaltet ist.
Verfahren (10) zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle (14) in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (16) mit einem Arbeitsmedium, mit dem Schritt (58): Expandieren des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck (28) auf einen niedrigeren Druck (18), wobei das Expandieren mit einem Durchleiten des Arbeitsmediums in mindestens einem, sich beim Durchleiten vergrößernden Volumen (116) erfolgt.