DE102013004396A1 - Drive for working medium e.g. gas for liquid motor, has containers that are filled with working medium and are connected with steam generators for different working gases - Google Patents

Drive for working medium e.g. gas for liquid motor, has containers that are filled with working medium and are connected with steam generators for different working gases Download PDF

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Abstract

The drive (22) has containers (16-21) that are filled with working medium (23) and are connected with steam generators (4-6) for different working gases. A pressure sensing and pressure control unit (7,8) adjusts the pressure of working gases. The time for introduction of working gases is influenced such that the introduction time is less with rising pressure than low pressure. The container for receiving working medium is in communication with a force element and/or with a linear generator (26). A control unit (34) executes and monitors internal process of drive.

Description

Gemäß Offenlegungsschrift DE 10 2006 028 746 A1 sind Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach dem ORC-Kreisprozess bekannt, bei denen das in einer ersten Stufe gewonnene Gas einer Turbine zum Antrieb eines Generators zugeführt wird und die Restwärme, in einem zweiten ORC-Kreisprozess, zur Wirkungsgradverbesserung verwendet wird. An Stelle der Turbine werden auch Dampf- bzw. Stirlingmotoren eingesetzt. Kennzeichnend für derartige Anlagen sind hohe Anschaffungskosten und ein hoher Wartungsaufwand während der Nutzungszeit.According to published patent DE 10 2006 028 746 A1 For example, devices for energy conversion according to the ORC cycle are known, in which the gas obtained in a first stage is fed to a turbine for driving a generator, and the residual heat, in a second ORC cycle, is used to improve the efficiency. Instead of the turbine also steam or Stirling engines are used. Characteristic of such systems are high initial costs and a high maintenance during the period of use.

Es ist weiterhin ein Flüssigkeitsmotor unter dem AKZ 10 2012 008 042.5 des Deutschen Patent- und Markenamts beschrieben, bei dem eine auf einer Arbeitsflüssigkeit aufliegende Arbeitsplatte mittels eines Stempels geführt und derart gesteuert wird, dass eine zyklische Verschiebung der Arbeitsflüssigkeit erfolgt und diese auf eine Arbeitsmembrane übertragen wird. Nachteilig hieran ist die bedingte Lageabhängigkeit der Anordnung.It is also a liquid engine under the AKZ 10 2012 008 042.5 of the German Patent and Trademark Office, in which a resting on a working fluid worktop is guided by means of a punch and controlled so that a cyclical displacement of the working fluid takes place and this is transmitted to a working membrane. A disadvantage of this is the conditional position dependency of the arrangement.

Unter den AKZ 10 2012 015 891.2 und AKZ 10 2012 013 776.1 des Deutschen Patent- und Markenamts sind weitere Antriebsmaschinen beschrieben, bei denen durch Membranen umschlossene Volumina, die in einer Arbeitsflüssigkeit angeordnet sind, derart befüllt und entleert werden, dass die hierdurch bewegte Arbeitsflüssigkeit direkt, oder über Bälge, zum Antrieb, beispielsweise eines Generators, genutzt wird. Auch bei derartigen Anordnungen kann es sich als nachteilig erweisen, dass jeweils nur ein Arbeitsgas je Motor verwendet werden kann, insbesondere da gestufte ORC-Kreisprozesse gerade durch die Verwendung von unterschiedlichen Medien zur Verdampfung gekennzeichnet sind.Under the AKZ 10 2012 015 891.2 and AKZ 10 2012 013 776.1 of the German Patent and Trademark Office further drive machines are described in which enclosed by membranes volumes that are arranged in a working fluid are filled and emptied so that the moving working fluid directly, or via bellows, for driving, for example, a generator used becomes. Even with such arrangements, it may prove to be disadvantageous that only one working gas per engine can be used, in particular as graded ORC cycles are characterized by the use of different media for evaporation.

Aufgabe der erfinderischen Lösung eines Antriebs für mehrere Arbeitsmedien soll es folglich sein, die von unterschiedlichen Wärmequellen bereitgestellten stofflich unterschiedlichen Arbeitsgase, oder die in einem gestuften ORC-Kreisprozess verwendeten unterschiedlichen Medien zur Dampferzeugung, gleichzeitig und unabhängig voneinander, in einer Maschine, in mechanische Energie umzuwandeln, um damit vorzugsweise einen elektrischen Generator zu betreiben. The task of the inventive solution of a drive for several working media should therefore be to convert the different different working gases provided by different heat sources, or the different media used in a stepped ORC cycle for steam generation, simultaneously and independently, in a machine, into mechanical energy in order to operate preferably with an electric generator.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass entsprechend der zum Einsatz gelangenden Vielzahl von Gasen Arbeitsvolumina in einem Antrieb für mehrere Arbeitsmedien derart angeordnet sind, dass für jedes Gas ein Arbeitsvolumen verwendet wird, wobei die Korrelation der Volumina untereinander durch die Angleichung der Arbeitsdrücke oder durch die Wahl der Befüllungszeit der Volumina so vorgenommen wird, dass die jeweils erzeugten einzelnen Druckkräfte, über ein vorzugsweise flüssiges Arbeitsmedium, gemeinsam als Summenkraft auf einen Arbeitsbalg oder einen andersartigen geeigneten Antrieb zur Wirkung gebracht werden.According to the invention, this object is achieved in that according to the used to be used variety of gases working volumes are arranged in a drive for several working media such that a working volume is used for each gas, the correlation of the volumes with each other by the adjustment of the working pressures or through the Selection of the filling time of the volumes is made so that the individual pressure forces generated in each case, via a preferably liquid working medium, are brought together as a total force on a working bellows or another suitable drive to effect.

Eine beispielhafte Ausführung der erfinderischen Lösung eines Antriebs für mehrere Arbeitsmedien wird in der 1 dargestellt. Hierin sollen drei unterschiedliche Wärmequellen, in Form einer Solarthermieanlage 1, eines Rauchabzuges eines Heizkessels 2 und eines Wärmespeichers 3, mit den zugehörigen Dampferzeugern 4, 5 und 6, verbunden sein. An jeden dieser Dampferzeuger 4 bis 6 ist eine Druckerfassungs- und Drucksteuereinrichtung 7, 8 und 9 angeschlossen, die wiederum mit den Eingängen der jeweils paarig angeordneten 3-Wege-Ventile 10 und 11 für die Druckerfassung- und Drucksteuereinrichtung 7, den 3Wege-Ventilen 12 und 13 für die Druckerfassung- und Drucksteuereinrichtung 8 sowie mit den 3-Wege-Ventilen 14 und 15 für die Drucksteuerung- und Drucksteuereinrichtung 9 verbunden sind. Jeder Mittenanschluss der 3-Wege-Ventile 10, 12 und 14 ist mit einem Arbeitsvolumen 16, 18 und 20 verbunden. Hingegen sind die Mittenanschlüsse der 3-Wege-Ventile 11, 13 und 15 mit den Arbeitsvolumina 17, 19 und 21 der zweiten Hälfte des Antriebs für mehrere Arbeitsmedien verbunden. Genannte Arbeitsvolumina 16 bis 21 befinden sich in einer Arbeitsflüssigkeit 23, die ihrerseits den Weg der Kraftübertragung zu den Arbeitsbälgen 24 und 25 bildet, die wiederum den Antrieb für den Lineargenerator 26 darstellen. Die Ausgangsanschlüsse der 3-Wege-Ventile 10 bis 15 sind entsprechend des Antriebsgases paarweise mit einem zugehörigen Wärmetauscher 27 oder 28 verbunden, die wiederum über die jeweiligen Pumpen 29 bzw. 30 mit den Dampferzeugern 4 oder 5 in Verbindung stehen bzw. in direkter Verbindung zu dem zugehörigen Dampferzeuger 6 stehen. Der Wärmetauscher 27 ist mittels des Anschlusspaares 32 mit einer Heizungsanlage verbunden, der Wärmetauscher 28 dagegen ist beispielhaft über ein Anschlusspaar 33 mit einem Wärmespeicher 3 verbunden. Alle Druckerfassungs- und Drucksteuereinrichtungen 7, 8 und 9 sowie die 3-Wege-Ventile 10 bis 15 sind über die Verbindungen s1 bis s12 an eine Steuereinheit 34 angeschlossen.An exemplary embodiment of the inventive solution of a drive for multiple working media is in the 1 shown. Here are three different heat sources, in the form of a solar thermal system 1 , a flue of a boiler 2 and a heat storage 3 , with the associated steam generators 4 . 5 and 6 be connected. To each of these steam generators 4 to 6 is a pressure detection and pressure control device 7 . 8th and 9 connected, in turn, with the inputs of each paired 3-way valves 10 and 11 for the pressure detection and pressure control device 7 , 3-way valves 12 and 13 for the pressure detection and pressure control device 8th as well as with the 3-way valves 14 and 15 for the pressure control and pressure control device 9 are connected. Each center connection of the 3-way valves 10 . 12 and 14 is with a working volume 16 . 18 and 20 connected. By contrast, the middle connections of the 3-way valves 11 . 13 and 15 with the working volumes 17 . 19 and 21 connected to the second half of the drive for several working media. Named work volumes 16 to 21 are in a working fluid 23 , in turn, the way of power transmission to the Arbeitsbälgen 24 and 25 forms, which in turn drives the linear generator 26 represent. The output connections of the 3-way valves 10 to 15 are in pairs according to the drive gas with an associated heat exchanger 27 or 28 connected, in turn, via the respective pumps 29 respectively. 30 with the steam generators 4 or 5 in connection or in direct connection to the associated steam generator 6 stand. The heat exchanger 27 is by means of the connection pair 32 connected to a heating system, the heat exchanger 28 By contrast, it is an example of a connection pair 33 with a heat storage 3 connected. All pressure sensing and pressure control devices 7 . 8th and 9 as well as the 3-way valves 10 to 15 are via the connections s 1 to s 12 to a control unit 34 connected.

Das in der Solarthermieanlage 1 zirkulierende Medium durchströmt den Dampferzeuger 4 und verdampft das darin enthaltene flüssige Arbeitsmedium und erzeugt ein Gas mit dem Druck p1. Das gasförmige Arbeitsmedium mit dem Druck p1 gelangt in die Druckerfassungs- und Drucksteuereinrichtung 7. Analog wird die Abwärme eines Heizkessels 2, mittels integrierter Wärmetauscher, in den Dampferzeuger 5 geleitet, verdampft das dort vorhandene flüssige Arbeitsmedium und erzeugt den Druck p2. Das so entstandene gasförmige Arbeitsmedium, mit dem Druck p2, gelangt in die Druckerfassungs- und Drucksteuereinrichtung 8. Die in einem Wärmespeicher 3 gespeicherte Wärme wird gleichfalls mittels eines Wärmetauschers, in einen Dampferzeuger geleitet, in dem das flüssige Arbeitsmedium verdampft wird und den Druck p3 erzeugt. Das so gasförmige Arbeitsmedium, mit dem Druck p3, gelangt in die Druckerfassungs- und Drucksteuereinrichtung 9. Entsprechend vorhandener Temperaturen und entsprechend der Wahl der verwendeten Arbeitsmedien weichen die Drücke p1, p2 und p3 voneinander ab. Diese Werte werden von der Steuereinheit 34, über die Anschlüsse s1, s5 und s9 erfasst und durch die Druckerfassungs- und Drucksteuereinrichtungen 7 bis 9 derart beeinflusst, dass an deren Ausgänge ein einheitlicher Druckwert pm vorhanden ist. Erreichen die Einzeldrücke p1 bis p3 nicht einen vorgegebenen Grenzwert, werden sie bei der gemeinsamen Druckeinstellung nicht berücksichtigt. Die so erzeugten gasförmigen Arbeitsmedien mit dem Druck pm werden, mittels der 3-Wege-Ventile 10 bis 15, jeweils wechselseitig den Arbeitsvolumina 16 bis 21 derart zugeführt, dass von der Arbeitsflüssigkeit 23 und den Arbeitsbälgen 24 und 25 jeweils wechselseitig eine Kraft auf den Antrieb des Lineargenerators 26 ausgeübt wird und dieser durch die Bewegung des Ankers elektrische Energie erzeugt. Nach Energieabgabe verlassen die gasförmigen Arbeitsmedien, über die jeweiligen Ausgänge der 3-Wege Ventile 10 bis 15, den Antrieb für mehrere Arbeitsmedien 22 und kondensieren in den nachgeschalteten Wärmetauscher 27 oder 28. Mittels der Pumpen 29 und 30 werden die Kondensate in den Gaskreislauf zurück befördert oder gelangen auf direktem Wege, mittels der Pumpe 31, in den Dampferzeuger 6. Die bei der Kondensation frei werdende Wärmeenergie wird entweder mittels eines Wärmetauschers 27, über das Anschlusspaar 32, einem Heizsystem, einschließlich Warmwasserbereitung, zugeführt, oder gelangt über einen Wärmetauscher 28 und das Anschlusspaar 33 in einen Wärmespeicher 3. Alle Abläufe werden durch die Steuereinheit 34, gemäß vorgegebener Programmierung, in optimaler Form gesteuert und beeinflusst.That in the solar thermal system 1 circulating medium flows through the steam generator 4 and vaporizes the liquid working medium contained therein and generates a gas having the pressure p1. The gaseous working medium with the pressure p1 enters the pressure detection and pressure control device 7 , The waste heat of a boiler is analogous 2 , by means of integrated heat exchanger, into the steam generator 5 passed, evaporated there existing liquid working fluid and generates the pressure p2. The resulting gaseous working fluid, with the pressure p2, enters the pressure sensing and Pressure control device 8th , The in a heat storage 3 stored heat is also conducted by means of a heat exchanger in a steam generator in which the liquid working medium is evaporated and generates the pressure p3. The gaseous working medium, with the pressure p3, enters the pressure detection and pressure control device 9 , According to existing temperatures and according to the choice of the working media used, the pressures p1, p2 and p3 differ from each other. These values are taken from the control unit 34 , detected via the terminals s 1 , s 5 and s 9 and by the pressure detection and pressure control devices 7 to 9 influenced such that at their outputs a uniform pressure value pm is present. If the individual pressures p1 to p3 do not reach a preset limit value, they are not taken into account in the common pressure setting. The thus generated gaseous working media with the pressure pm, by means of the 3-way valves 10 to 15 , each mutually the working volumes 16 to 21 fed so that of the working fluid 23 and the working bellows 24 and 25 each mutually a force on the drive of the linear generator 26 is exercised and this generated by the movement of the armature electrical energy. After release of energy, the gaseous working media leave via the respective outlets of the 3-way valves 10 to 15 , the drive for several working media 22 and condense in the downstream heat exchanger 27 or 28 , By means of the pumps 29 and 30 The condensates are transported back into the gas cycle or get directly by means of the pump 31 , in the steam generator 6 , The heat energy released in the condensation is either by means of a heat exchanger 27 , via the connection pair 32 , a heating system, including hot water, supplied, or passes through a heat exchanger 28 and the connection pair 33 in a heat storage 3 , All processes are performed by the control unit 34 , according to predetermined programming, controlled and influenced in an optimal way.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
SolarthermieanlageSolarthermieanlage
22
Heizkesselboiler
33
Wärmespeicherheat storage
44
Dampferzeugersteam generator
55
Dampferzeugersteam generator
66
Dampferzeugersteam generator
77
Druckerfassungs- und DrucksteuereinrichtungPressure sensing and pressure control device
88th
Druckerfassungs- und DrucksteuereinrichtungPressure sensing and pressure control device
99
Druckerfassungs- und DrucksteuereinrichtungPressure sensing and pressure control device
1010
3-Wege-Ventil3-way valve
1111
3-Wege-Ventil3-way valve
1212
3-Wege-Ventil3-way valve
1313
3-Wege-Ventil3-way valve
1414
3-Wege-Ventil3-way valve
1515
3-Wege-Ventil3-way valve
1616
Arbeitsvolumenworkload
1717
Arbeitsvolumenworkload
1818
Arbeitsvolumenworkload
1919
Arbeitsvolumenworkload
2020
Arbeitsvolumenworkload
2121
Arbeitsvolumenworkload
2222
Antrieb für mehrere ArbeitsmedienDrive for several working media
2323
Arbeitsflüssigkeitworking fluid
2424
Arbeitsbalgoperating bellows
2525
Arbeitsbalgoperating bellows
2626
Lineargeneratorlinear generator
2727
Wärmetauscherheat exchangers
2828
Wärmetauscherheat exchangers
2929
Pumpepump
3030
Pumpepump
3131
Pumpepump
3232
Anschlusspaarterminal pair
3333
Anschlusspaarterminal pair
3434
Steuereinheitcontrol unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102006028746 A1 [0001] DE 102006028746 A1 [0001]
  • DE 102012008042 [0002] DE 102012008042 [0002]
  • DE 102012015891 [0003] DE 102012015891 [0003]
  • DE 102012013776 [0003] DE 102012013776 [0003]

Claims (8)

Antrieb für mehrere Arbeitsmedien 22, gekennzeichnet dadurch, dass in einem mit einer Arbeitsflüssigkeit 23 gefüllten Volumen mindesten zwei Arbeitsvolumina 16, 18 bzw. 17, 19 für den gleichen Arbeitstakt vorhanden sind und dass diese mit einem Dampferzeuger 4 oder 5, für jeweils unterschiedliche Arbeitsgase, verbunden sind.Drive for several working media 22 , characterized in that in one with a working fluid 23 filled volumes at least two working volumes 16 . 18 respectively. 17 . 19 are present for the same power stroke and that this with a steam generator 4 or 5 , for each different working gases, are connected. Anspruch gemäß des Punktes 1., dadurch gekennzeichnet, dass die in die Arbeitsvolumina 16, 18 bzw. 17, 19 eingeleiten Arbeitsgase mittels einer Druckerfassungs- und Drucksteuereinrichtung 7, 8 auf ein einheitliches Druckniveau angepasst sind.Claim according to the item 1, characterized in that in the working volumes 16 . 18 respectively. 17 . 19 introduced working gases by means of a pressure detection and pressure control device 7 . 8th adapted to a uniform level of pressure. Anspruch gemäß der Punkte 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiten für die Einleitung der Arbeitsgase in die Arbeitsvolumina 16, 18 bzw. 17, 19, bei voneinander abweichendem Druck, derart beeinflusst sind, dass ebenfalls die Einleitungszeit mit steigendem Druck des Arbeitsgases gegenüber dem mit einem geringerem Druck verkürzt wird.Claim according to items 1 and 2, characterized in that the times for the introduction of the working gases in the working volumes 16 . 18 respectively. 17 . 19 , are influenced at divergent pressure, so that also the introduction time is shortened with increasing pressure of the working gas over that with a lower pressure. Anspruch gemäß der Punkte 1. bis 3., gekennzeichnet dadurch, dass die Einzelkräfte der Arbeitsvolumina 16, 18 bzw. 17, 19 über die Arbeitsflüssigkeit 23 in direkter Weise mit einem Kraft aufnehmenden Element 24 und/oder 25, bzw. mit einem Lineargenerator 26, in Verbindung stehen.Claim according to the points 1 to 3, characterized in that the individual forces of the working volumes 16 . 18 respectively. 17 . 19 about the working fluid 23 directly with a force receiving element 24 and or 25 , or with a linear generator 26 , keep in touch. Anspruch gemäß der Punkte 1. bis 4., gekennzeichnet dadurch, dass die Arbeitsmedien derart eingesetzt sind, dass bei unterschiedlichen Temperaturen der Wärmequellen sich nahezu gleiche Dampfdrücke einstellen.Claim according to the points 1 to 4, characterized in that the working media are used such that adjust at different temperatures of the heat sources almost equal vapor pressures. Anspruch gemäß der Punkte 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, dass alle internen Prozesse des Antriebs für mehrere Arbeitsmedien 22 mittels eines vorgegebenen Ablaufs durch eine Steuereinheit 34 ausgeführt und überwacht werden.Claim according to items 1 to 5, characterized in that all internal processes of the drive for several working media 22 by means of a predetermined sequence by a control unit 34 be executed and monitored. Anspruch, gekennzeichnet dadurch, dass die bei der Rückführung der Arbeitsgase anfallende Energie für weitere Energiekreisläufe oder in gespeicherter Form verwendet wird.Claim, characterized in that the energy resulting from the return of the working gases is used for further energy cycles or in stored form. Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampferzeuger für nachfolgende Prozesse als Kondensatoren für die vorangegangenen Prozesse angeordnet sind.Claim, characterized in that the steam generators are arranged for subsequent processes as capacitors for the previous processes.
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