DE102014000308B3

DE102014000308B3 - Energiewandler zur Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie

Info

Publication number: DE102014000308B3
Application number: DE201410000308
Authority: DE
Inventors: Christoph Wieland; Dominik Meinel; Hartmut Spliethoff
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2034-01-11

Abstract

Energiewandler (20), zur Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, mit einem Kreislauf, wobei der Kreislauf zur Führung eines Arbeitsfluids, insbesondere zur Realisierung des Rankine Kreisprozesses, ausgestaltet ist, wobei der Kreislauf wenigstens einen ersten Verdichter (1) aufweist, eine Wärmetauscheranordnung, mehrere Fluidkanäle, ein Wärmeübertragungsmittel (2) und eine erste Turbine (5),
wobei die Wärmetauscheranordnung wenigstens einen Vorwärmtauscher (10) und wenigstens einen Hauptwärmetauscher (3, 4) aufweist, welche jeweils zur Zufuhr von Wärmeenergie an das Arbeitsfluid ausgestaltet sind,
wobei ein erster Fluidkanal (9) zwischen dem ersten Verdichter (1) und dem Vorwärmtauscher (10) geführt ist, wobei ein zweiter Fluidkanal (12) zwischen dem ersten Verdichter (1) und dem Hauptwärmetauscher (3, 4) geführt ist, wobei ein dritter Fluidkanal (14) zwischen der ersten Turbine (5) und dem ersten Verdichter (1) geführt ist, wobei ein vierter Fluidkanal (13) von der ersten Turbine (5) zu dem Wärmeübertragungsmittel (2) geführt ist,
wobei das Wärmeübertragungsmittel (2) zum Übertragen von Wärmeenergie Q an den zweiten Fluidkanal (12), insbesondere an das Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal (12), ausgestaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiewandler, welcher zur Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ausgestaltet ist. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit der anschließenden Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie und mit organischen Arbeitsfluiden beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung vorteilhaft auch unabhängig von der anschließenden Wandlung in elektrische Energie und/oder unabhängig von der Chemie bzw. Zusammensetzung des Arbeitsfluids Verwendung finden kann.
Bekannt sind Energiewandler mit einem Kreislauf eines Arbeitsfluids zur Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie. Die Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist üblicherweise verlustbehaftet, d. h. der Wirkungsgrad der Energiewandlung ist kleiner als 1.
Der unzureichende Wirkungsgrad einiger Bauarten dieser Energiewandler wird als sehr problematisch empfunden.
Die DE 10 2012 021 357 A1 betrifft ein thermisches Verfahren, welches die Effizienz von Niedertemperatur-Arbeitsprozessen durch spezielle Modifikationen verbessert.
Die DE 10 2012 020 304 A1 betrifft ein Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere von verflüssigtem Erdgas, gegen das in einem Rankine-Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittelgemisch.
Die AT 510 809 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, die mittels mit einem ORC-Fluid betriebenen ORC-Kreisläufen umgesetzt werden.
Die US 4 041 709 A1 betrifft ein Wärmekraftwerk in welchem ein Alkali-Metalldampf-Energiewandlungskreislauf in wärmeübertragender Verbindung mit einem zusätzlichen Kreislauf angeordnet ist, dessen Arbeitsmedium nicht heftig mit einem Alkalimetall reagiert.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Energiewandler mit einem verbesserten Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch einen Energiewandler gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 12 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb des Energiewandlers. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Energiewandler zur Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ausgestaltet und mit einem Kreislauf ausgestaltet. Der Kreislauf ist zur Führung eines Arbeitsfluids ausgestaltet, insbesondere zur Realisierung eines Organic Rankine Cycle oder eines Clausius-Rankine Kreisprozesses.
Der Kreislauf für das Arbeitsfluid weist wenigstens einen ersten Verdichter auf, eine Wärmetauscheranordnung, mehrere Fluidkanäle, ein Wärmeübertragungsmittel und eine erste Turbine. Das Arbeitsfluid kann zunächst durch den Verdichter geführt werden, anschließend wenigstens durch Teile der Wärmetauscheranordnung und danach im Wesentlichen vollständig durch die erste Turbine.
Die Wärmetauscheranordnung weist wenigstens einen Vorwärmtauscher und wenigstens einen Hauptwärmetauscher auf. Sowohl der Vorwärmtauscher als auch der wenigstens eine Hauptwärmetauscher sind jeweils zur Übertragung von Wärmeenergie an das Arbeitsfluid ausgestaltet. Die Wärmetauscheranordnung ist ausgestaltet, einem unabhängigen Quellfluid Wärmeenergie zu entnehmen.
Ein erster Fluidkanal ist zwischen dem ersten Verdichter und dem Vorwärmtauscher geführt. Ein zweiter Fluidkanal ist zwischen dem ersten Verdichter und dem Hauptwärmetauscher geführt. Ein dritter Fluidkanal ist zwischen der ersten Turbine und dem ersten Verdichter geführt. Ein vierter Fluidkanal ist von der ersten Turbine zu dem Wärmeübertragungsmittel geführt.
Das Wärmeübertragungsmittel ist ausgestaltet zum Übertragen von Wärmeenergie Q an den zweiten Fluidkanal, insbesondere an das Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal.
Bei dem erfindungsgemäßen Energiewandler bilden der erste und der zweite Fluidkanal eine Parallelschaltung. Daher sind die Temperaturdifferenzen, welche den jeweiligen Wärmeübergang im Vorwärmtauscher und im Wärmeübertragungsmittel treiben bzw. begrenzen, größer, als ohne die Parallelschaltung. So kann dem Quellfluid im Vorwärmtauscher zusätzliche Wärmeenergie entzogen werden, der Wirkungsgrad der Energiewandlung verbessert und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden.
Unter einem Kreislauf ist im Sinne der Erfindung eine Anordnung von Einrichtungen zu verstehen, welche insbesondere der Führung des Arbeitsfluids dienen. Entlang des Kreislaufs durchläuft das Arbeitsfluid eine Folge thermodynamischer Zustandsänderungen, insbesondere wiederholt, wobei man auch von einem Kreisprozess spricht. Vorzugsweise sind die verschiedenen Einrichtungen des Energiewandlers durch Fluidkanäle verbunden. Besonders bevorzugt sind die Fluidkanäle als Rohrleitungen ausgebildet. Gemeinsam bilden die verschiedenen Einrichtungen und mehrere dieser Fluidkanäle den Kreislauf. Als Einrichtungen des Energiewandlers zur Behandlung des Arbeitsfluids gelten Verdichter zur Erhöhung des Drucks im Arbeitsfluid, Wärmetauscher, Turbinen zur Entspannung des Arbeitsfluids, Mischer und Behälter. Der Kreislauf weist eine erste Verzweigung auf, gebildet mit dem ersten Fluidkanal und dem zweiten Fluidkanal. Der Kreislauf weist eine zweite Verzweigung auf, gebildet mit dem dritten Fluidkanal und dem vierten Fluidkanal. Entlang des Kreislaufs ist das Arbeitsfluid bzw. das strömende Arbeitsfluid in Teilströme aufteilbar. Mehrere dieser Teilströme können entlang des Kreislaufs stellenweise zusammengeführt bzw. gemischt werden. Abschnittsweise liegen eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase des Arbeitsfluids vor.
Unter einem Arbeitsfluid ist im Sinne der Erfindung ein Medium zu verstehen, welches insbesondere vorgesehen ist, beim Durchströmen des Kreislaufs verschiedene Temperaturen, verschiedene Drücke, vorzugsweise verschiedene Aggregatzustände bzw. Phasen, anzunehmen, welches insbesondere zur Übertragung von Energie aus einem unabhängigen Quellfluid an eine dieser Turbinen vorgesehen ist. Das strömende Arbeitsfluid wird auch als Arbeitsfluidstrom ṁ_A [kg/s] bezeichnet. Der Arbeitsfluidstrom ist entlang des Kreislaufs stellenweise aufteilbar in wenigstens zwei Teilströme [kg/s]. Wenigstens zwei dieser Teilströme können entlang des Kreislaufs stellenweise zusammengeführt bzw. gemischt werden. Abschnittsweise liegen im Kreislauf eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase des Arbeitsfluids vor.
Unter einem Verdichter im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Erhöhung des Drucks im Arbeitsfluid dient, welche insbesondere der Förderung des Arbeitsfluids entlang des Kreislaufs dient. Vorzugsweise ist der Verdichter als Pumpe ausgebildet. Der erste Verdichter gilt als Verdichter im Sinne der Erfindung.
Unter einem Wärmetauscher im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Übertragung von Wärmeenergie an das Arbeitsfluid oder an einen Teilstrom des Arbeitsfluids dient, welche insbesondere der Entnahme von Wärmeenergie aus dem Arbeitsfluid oder aus einem Teilstrom dient, welche insbesondere der Entnahme von Wärmeenergie aus dem unabhängigen Quellfluid dient. Auch die genannten Vorwärmtauscher und Hauptwärmetauscher gelten als Wärmetauscher im Sinne der Erfindung. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet.
Unter einer Wärmetauscheranordnung ist im Sinne der Erfindung eine Anordnung zu verstehen, welche insbesondere mehrere dieser Wärmetauscher aufweist, welche insbesondere zur mehrstufigen Übertragung von Wärmeenergie aus dem unabhängigen Quellfluid an das Arbeitsfluid ausgestaltet ist, welche insbesondere zur Führung des Quellfluids und des Arbeitsfluid im Gegenstrom, im Gleichstrom oder im Kreuzstrom ausgestaltet ist. Die Wärmetauschereinrichtung weist wenigstens den Vorwärmtauscher und wenigstens einen, zwei oder mehrere dieser Hauptwärmetauscher auf. Vorzugsweise ist der Vorwärmtauscher bezüglich des Arbeitsfluids stromaufwärts von dem wenigstens einen Hauptwärmetauscher angeordnet.
Unter einer Turbine ist im Sinne der Erfindung eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Entspannung des Arbeitsfluids dient, welche insbesondere der Entnahme von Druckenergie aus dem Arbeitsfluid dient, welche insbesondere zur Bereitstellung mechanischer Energie dient. Die genannte erste Turbine gilt als Turbine im Sinne der Erfindung. Die Turbine weist eine Abtriebswelle auf, an welcher mechanische Leistung zur Verfügung gestellt werden kann, insbesondere zum Antrieb eines elektrischen Generators. Auch eine Turbinenstufe, eine Arbeitskraftmaschine, eine Expansionsmaschine, ein Motor sowie ein Kolbenmotor gelten im Sinne der Erfindung als Turbine.
Unter einem Wärmeübertragungsmittel ist im Sinne der Erfindung ein Mittel zu verstehen, welches insbesondere der Übertragung von Wärmeenergie Q an den zweiten Fluidkanal dient, insbesondere der Übertragung von Wärmeenergie an das Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal, insbesondere der Entnahme von Wärmeenergie aus dem vierten Fluidkanal, insbesondere der Entnahme von Wärmeenergie aus dem Arbeitsfluid im vierten Fluidkanal. Vorzugsweise geht die Aufnahme von Wärmeenergie durch das Arbeitsfluid abschnittsweise mit einem Phasenübergang oder einer Temperaturerhöhung des Arbeitsfluids einher.
Unter einem Fluidkanal ist im Sinne der Erfindung eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Führung des Arbeitsfluids dient, welche insbesondere der fluidleitenden Verbindung zweier Einrichtungen des Kreislaufs dient. Vorzugsweise ist der Fluidkanal als Rohrleitung ausgebildet, welche insbesondere der Aufteilung des strömenden Arbeitsfluids in zwei oder mehrere Teilströme dient.
Vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Energiewandler auch bei Kraft-Wärme-Kopplung verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Energiewandler bzw. dessen Kreislauf einen Kondensator auf, welcher zwischen die erste Turbine und den ersten Verdichter geschaltet ist, welcher insbesondere zur isobaren Kondensation des Dampfes dient. Im Anschluss an den Kondensator und vor dem Eintritt in den Verdichter ist das Arbeitsfluid im Wesentlichen vollständig verflüssigt. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Wirkungsgrad des ersten Verdichters verbessert ist. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Verschleiß des ersten Verdichters verringert ist. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass die Temperatur im Arbeitsfluid bei Eintritt in den Vorwärmtauscher bzw. das Wärmeübertragungsmittel geringer sind, als ohne den Kondensator, insbesondere für vergrößerte, den Wärmeübergang im Vorwärmtauscher bzw. im Wärmeübertragungsmittel treibende bzw. begrenzende, Temperaturdifferenzen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, sind der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal vor dem wenigstens einen Hauptwärmetauscher fluidleitend verbunden. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Aufwand zur Führung des Arbeitsfluids verringert ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, sind der vierte Fluidkanal und der dritte Fluidkanal vor dem ersten Verdichter, vorzugsweise vor dem Kondensator, vorzugsweise nach einer dieser Turbinen, miteinander fluidleitend verbunden. Alternativ sind der vierte Fluidkanal und der zweite Fluidkanal vor dem wenigstens einen Hauptwärmetauscher miteinander fluidleitend verbunden. Diese bevorzugte Weiterbildung ein insbesondere den Vorteil bieten, dass der Aufwand zur Führung des Arbeitsfluids verringert ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, ist das Wärmeübertragungsmittel mit einem Rekuperator oder mit einem Wärmetauscher ausgebildet, wobei das Wärmeübertragungsmittel zu Übertragung von Wärmeenergie Q aus dem vierten Fluidkanal einen zweiten Fluidkanal ausgestaltet ist, vorzugsweise zur Übertragung von Wärmeenergie, besonders bevorzugt einschließlich einer Phasenänderungsenergie, aus dem Arbeitsfluid im vierten Fluidkanal an das Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal, vorzugsweise zur Vorwärmung des Arbeitsfluids vor dessen Eintritt in die Wärmetauscheranordnung. Der Rekuperator gilt als Wärmetauscher im Sinne der Erfindung. Der zweite Fluidkanal ist mit dem Wärmeübertragungsmittel fluidleitend verbunden. Vorzugsweise ist der zweite Fluidkanal nach dem Wärmeübertragungsmittel zu dem wenigstens einen Hauptwärmetauscher geführt und/oder mit dem ersten Fluidkanal zwischen dem Vorwärmtauscher und dem wenigstens einen Hauptwärmetauscher fluidleitend verbunden. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Wirkungsgrad der Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie verbessert ist.
Alternativ ist das Wärmeübertragungsmittel mit einer Mischeinrichtung ausgebildet, wobei der zweite Fluidkanal und der vierte Fluidkanal zu der Mischeinrichtung geführt sind, wobei ein weiterer Fluidkanal von der Mischeinrichtung zu dem wenigstens einen Hauptwärmetauscher geführt ist, wobei die Mischeinrichtung zum Mischen bzw. zum Vereinigen des Arbeitsfluids aus dem zweiten Fluidkanal mit dem Arbeitsfluid aus dem vierten Fluidkanal ausgestaltet ist.
Vorzugsweise ist der weitere Fluidkanal mit dem ersten Fluidkanal zwischen dem Vorwärmtauscher und dem wenigstens einen Hauptwärmetauscher fluidleitend verbunden. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Aufwand zur Führung des Arbeitsfluids verringert ist.
Vorzugsweise ist die Mischeinrichtung mit einem Speisebehälter, mit einem Behälter im Wesentlichen entsprechend einem „Deaerator”, Fitting, Rohrleitungsfitting, einem Abzweig, einem T-förmigen Abzweig oder einer Kreuzung ausgebildet.
Vorzugsweise weist der zweite Fluidkanal eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von der Mischeinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise weist der vierte Fluidkanal eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von der Mischeinrichtung angeordnet ist. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass die Drücke im Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal und im vierten Fluidkanal aneinander angepasst werden können.
Vorzugsweise ist zwischen den zweiten Fluidkanal und die Mischeinrichtung ein wenigstens teilweise verschließbares Ventil eingefügt zum Steuern bzw. Begrenzen des Zustroms aus dem zweiten Fluidkanal in die Mischeinrichtung, oder zum Steuern des Drucks im Arbeitsfluid beim Eintritt in die Mischeinrichtung. Alternativ ist ein wenigstens teilweise verschließbares Ventil zwischen den ersten Fluidkanal und den Vorwärmtauscher zum Steuern bzw. Begrenzen des Zustroms aus dem ersten Fluidkanal in den Vorwärmtauscher oder zum Steuern des Drucks im Arbeitsfluid beim Eintritt in den Vorwärmtauscher.
Vorzugsweise ist zwischen den vierten Fluidkanal und die Mischeinrichtung ein wenigstens teilweise verschließbares Ventil eingefügt zum Steuern bzw. Begrenzen des Zustroms aus dem zweiten Fluidkanal in die Mischeinrichtung, oder zum Steuern des Drucks im Arbeitsfluid beim Eintritt in die Mischeinrichtung.
Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Wirkungsgrad der Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie verbessert ist. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Aufwand zur Herstellung des Energiewandlers geringer ist. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, weist der Energiewandler eine zweite Turbine auf, welche zwischen die erste Turbine und den ersten Verdichter geschaltet ist, wobei die zweite Turbine mit einem geringeren Eintrittsdruck arbeiten kann, als die erste Turbine. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass dem Arbeitsfluid, welches aus dem dritten Fluidkanal in die zweite Turbine eintritt, weitere Energie entnommen werden kann, bevor das Arbeitsfluid in den Verdichter oder den Kondensator eintritt. Vorzugsweise ist die Abtriebswelle der zweiten Turbine mit der Abtriebswelle der ersten Turbine mechanisch verbindbar. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil eines verbesserten Wirkungsgrads bieten. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass die erste Turbine besser an eine vorbestimmte Druckdifferenz angepasst werden kann. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass die zweite Turbine besser an eine vorbestimmte Druckdifferenz angepasst werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, ist die Wärmetauscheranordnung ausgebildet mit wenigstens einem ersten Hauptwärmetauscher, welcher vorzugsweise zur im wesentlichen isothermen Zufuhr von Wärmeenergie an das Arbeitsfluid ausgestaltet ist, in welchem vorzugsweise das Arbeitsfluid wenigstens teilweise eine Phasenänderung durchläuft, und mit wenigstens einem zweiten Hauptwärmetauscher, welcher vorzugsweise zur Überhitzung des Arbeitsfluids ausgestaltet ist. Das Arbeitsfluid ist nacheinander durch den ersten Hauptwärmetauscher und den zweiten Hauptwärmetauscher geführt. Der erste Hauptwärmetauscher und der zweite Hauptwärmetauscher sind durch einen Fluidkanal derart miteinander verbunden, dass das Arbeitsfluid nach Verlassen des ersten Hauptwärmetauschers zum zweiten Hauptwärmetauscher geführt ist. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der erste Hauptwärmetauscher besser an die isotherme Zufuhr von Wärmeenergie an das Arbeitsfluid angepasst werden kann. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der zweite Hauptwärmetauscher besser zur Überhitzung des Arbeitsfluids ausgestaltet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, ist das Wärmeübertragungsmittel mit einem dieser Rekuperatoren oder Wärmetauscher ausgebildet. Zwischen dem Wärmeübertragungsmittel und dem ersten Verdichter ist der vierte Fluidkanal mit dem dritten Fluidkanal fluidleitend verbunden. Vorzugsweise ist der vierte Fluidkanal mit dem dritten Fluidkanal vor dem Kondensator fluidleitend verbunden.
Vorzugsweise weist der dritte Fluidkanal eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von dem Ort der Verbindung des dritten Fluidkanals mit dem vierten Fluidkanal angeordnet ist. Vorzugsweise weist der vierte Fluidkanal eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von dem Ort der Verbindung des dritten Fluidkanals mit dem vierten Fluidkanal angeordnet ist. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass die Drücke im Arbeitsfluid im dritten Fluidkanal und im vierten Fluidkanal aneinander angepasst werden können.
Vorzugsweise ist zwischen den dritten Fluidkanal und den Ort der Verbindung des dritten Fluidkanals mit dem vierten Fluidkanal ein wenigstens teilweise verschließbares Ventil eingefügt zum Steuern bzw. Begrenzen des Zustroms aus dem dritten Fluidkanal, oder zum Steuern des Drucks im Arbeitsfluid im dritten Fluidkanal vor dem Zusammentreffen mit dem Arbeitsfluid im vierten Fluidkanal.
Vorzugsweise ist zwischen den Fluidkanal und den Ort der Verbindung des dritten Fluidkanals mit dem vierten Fluidkanal eine wenigstens teilweise verschließbares Ventil eingefügt zum Steuern bzw. Begrenzen des Zustroms aus dem vierten Fluidkanal in die Mischeinrichtung, oder zum Steuern des Drucks im Arbeitsfluid im vierten Fluidkanal vor dem Zusammentreffen mit dem Arbeitsfluid im dritten Fluidkanal.
Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Aufwand zur Führung des Arbeitsfluids verringert ist. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Aufwand zum Verdichten und/oder zum Kondensieren des Arbeitsfluids verringert ist. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass Kavitation einer Einrichtung des Energiewandlers verringert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, ist die Mischeinrichtung als Fliehkraftabscheider, als Zyklon oder als Speisebehälter ausgebildet. Der zweite Fluidkanal und der vierte Fluidkanal münden in die Mischeinrichtung.
Vorzugsweise geht eine Wandung des für den vierten Fluidkanals im Wesentlichen tangential in eine Wandung der Mischeinrichtung über.
Ein weiterer dieser Fluidkanäle ist mit der Mischeinrichtung verbunden und dient der Zuführung des Arbeitsfluids an den wenigstens einen Hauptwärmetauscher. Vorzugsweise ist die Eintrittsöffnung in diesen weiteren Fluidkanal im unteren Bereich der Mischeinrichtung angeordnet.
Vorzugsweise weist der zweite Fluidkanal eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von der Mischeinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise weist der vierte Fluidkanal eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von der Mischeinrichtung angeordnet ist. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass die Drücke im Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal und im vierten Fluidkanal aneinander angepasst werden können. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Dampfgehalt im Arbeitsfluid beim Eintritt in die Mischeinrichtung aus dem vierten Fluidkanal verringert sein kann.
Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass in der Mischeinrichtung Arbeitsfluid gepuffert werden kann. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der gasförmige bzw. dampfförmige Anteil des Arbeitsfluids in diesem weiteren Fluidkanal verringert sein kann. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der gasförmige bzw. dampfförmige Anteil des Arbeitsfluids vor dessen Eintritt in den wenigstens einen Hauptwärmetauscher bzw. den nachfolgend dargelegten zweiten Verdichter verringert sein oder vermieden werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, weist der Energiewandler einen zweiten Verdichter auf, welcher zwischen den Vorwärmtauscher und den wenigstens einen Hauptwärmetauscher geschaltet ist, welcher vorgesehen ist, den Druck im Arbeitsfluid vor dessen Eintritt in den wenigstens einen Hauptwärmetauscher zu erhöhen. Vorzugsweise münden der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal in den zweiten Verdichter. Vorzugsweise münden der erste Fluidkanal, der zweite Fluidkanal und der vierte Fluidkanal in den zweiten Verdichter. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass die zum Zirkulieren des Arbeitsfluids durch den Kreislauf erforderliche Zufuhr von Druckenergie auf zwei Verdichter aufgeteilt werden kann. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der zweite Verdichter besser an die Temperatur des Arbeitsfluids angepasst werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, ist das, vorzugsweise nasse oder isentrope, Arbeitsfluid ausgewählt aus der folgenden Gruppe welche aufweist: Isopentan, Chlordifluormethan, Pentafluorpropan, Silikonöle, Kohlenwasserstoffe, organische Fluide, zyklische Verbindungen, 2,5-Dihydrofuran, Cyclobutan, Furan, Cyclopenten, Cyclopropan, Ether, Bis(difluormethyl)ether, Pentafluordimethylether, Pentafluorethylmethylether, 2,2,2-Triflurordifluoromethylether, Alkene, 1-Buten, iso-Buten, Propen, Alkane, Propan, Isobutan, fluorierte Kohlenwasserstoffe, 1,1-Difluorethan, Fluorethan, Decafluorbutan, 1,1,1,2,3,3,3-Heptafluorpropan, 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan, 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan, 2,3,3,3-Tetrafluoroprop-1-en, Pentafluoroethan, 2,3,3,3-Tetrafluoroprop-1-en, Pentafluoroethan. Alternativ ist das, vorzugsweise nasse oder isentrope, Arbeitsfluid wasserfrei.
Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Energiewandler auch bei geringeren Temperaturgefällen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke betrieben werden kann, welche zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebene Turbine sind. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Energiewandler im Zusammenhang mit Geothermie, Kraft-Wärme-Kopplung, Solarkollektoren, Solarenergie, gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, Meereswärme betrieben werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, weist der Energiewandler einen elektrischen Generator zur Bereitstellung elektrischer Energie auf, welche von der ersten Turbine und/oder der zweiten Turbine angetrieben werden kann. Dazu ist die Abtriebswelle der ersten Turbine und/oder der Niederdruckturbine mit der Antriebswelle des elektrischen Generators verbindbar. Diese bevorzugte Weiterbildung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Energiewandler elektrische Energie bereitstellen kann.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist der Energiewandler wenigstens auf: einen ersten Verdichter, einen Vorwärmtauscher, wenigstens einen Hauptwärmetauscher, ein Wärmeübertragungsmittel ausgestaltet als Rekuperator oder Wärmetauscher, eine erste Turbine, eine zweite Turbine, ein Kondensator sowie mehrere dieser Fluidkanäle. Gemeinsam bilden der Vorwärmtauscher und der wenigstens eine Hauptwärmetauscher die Wärmetauscheranordnung.
Nach dem Verdichter verzweigt der Kreislauf in den ersten Fluidkanal und den zweiten Fluidkanal. Der erste Fluidkanal ist zum Vorwärmtauscher, durch den Vorwärmtauscher und anschließend zum Hauptwärmetauscher geführt. Der zweite Fluidkanal ist zum Wärmeübertragungsmittel, durch das Wärmeübertragungsmittel und anschließend zum Hauptwärmetauscher geführt. Vor dem Eintritt in den Hauptwärmetauscher ist der erste Fluidkanal mit dem zweiten Fluidkanal verbunden bzw. vereinigt. Ein weiterer Fluidkanal verbindet den Hauptwärmetauschers mit der ersten Turbine.
Der Hauptwärmetauscher und der Vorwärmtauscher sind derart miteinander verbunden, dass das unabhängige Quelifluid zunächst den Hauptwärmetauscher und anschließend den Vorwärmtauscher durchströmen kann. Das Quelifluid gibt mit dem Hauptwärmetauscher Wärmeenergie an das Arbeitsfluid ab und mit dem Vorwärmtauscher an das Arbeitsfluid im ersten Fluidkanal. Die Wärmetauscher der Wärmetauscheranordnung wirken als Gegenstromwärmetauscher und/oder als Kreuzstromwärmetauscher.
Nach der ersten Turbine ist der Kreislauf in den dritten Fluidkanal und den vierten Fluidkanal aufgeteilt. Der dritte Fluidkanal ist zur zweiten Turbine und nach Verlassen der zweiten Turbine, vorzugsweise durch den Kondensator, zum ersten Verdichter geführt. Der vierte Fluidkanal ist zum Wärmeübertragungsmittel, durch das Wärmeübertragungsmittel, vorzugsweise durch den Kondensator, und zum ersten Verdichter geführt. Vor dem Eintritt in den ersten Verdichter ist der dritte Fluidkanal mit dem vierten Fluidkanal verbunden bzw. vereinigt.
Zwischen den Ort der Vereinigung des dritten Fluidkanals mit dem vierten Fluidkanal und den Verdichter ist ein Kondensator geschaltet.
Vorzugsweise sind die Abtriebswellen der ersten Turbine und der zweiten Turbine miteinander mechanisch verbunden. Vorzugsweise weist die der Energiewandler einen elektrischen Generator auf. Vorzugsweise ist die Abtriebswelle der ersten Turbine und/oder der zweiten Turbine mit dem elektrischen Generator mechanisch verbunden.
Vorzugsweise weist die Wärmetauscheranordnung neben dem Vorwärmtauscher einen ersten dieser Hauptwärmetauscher und einen zweiten dieser Hauptwärmetauscher auf. Das Arbeitsfluid ist zunächst zum Vorwärmtauscher, anschließend zum ersten Hauptwärmetauscher und schließlich zum zweiten Hauptwärmetauscher geführt. Das unabhängige Quellfluid ist in entgegengesetzter Richtung durch die Wärmetauscheranordnung geführt. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der erste Hauptwärmetauscher besser an die isotherme Zufuhr von Wärmeenergie und der zweite Hauptwärmetauscher besser an die Überhitzung des Arbeitsfluids angepasst werden kann.
Vorzugsweise ist zwischen den Kondensator und den Verdichter ein Vorratsbehälter geschaltet, welcher insbesondere der Pufferung des Arbeitsfluids dient, welche insbesondere zum Abscheiden eines Teils der gasförmigen Phase des Arbeitsfluids dient. Vorzugsweise ist der Vorratsbehälter als Fliehkraftabscheider bzw. Zyklon ausgestaltet. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Verschleiß des Verdichters verringert werden kann.
Diese bevorzugte Ausführungsform kann insbesondere den Vorteil bieten, dass dem Quellfluid zusätzliche Wärmeenergie entzogen werden kann, worauf die Temperatur des Quellfluids bei dessen Austritt aus der Wärmetauscheranordnung weiter verringert ist, wodurch insbesondere der Wirkungsgrad der Energiewandlung verbessert sein kann. Diese bevorzugte Ausführungsform kann insbesondere den Vorteil bieten, dass auch Wärmeenergie aus dem Arbeitsfluid nach dessen Verlassen der ersten Turbine zurückgewonnen werden kann, wodurch insbesondere der Wirkungsgrad der Energiewandlung verbessert sein kann.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist der Energiewandler wenigstens auf: einen ersten Verdichter, einen Vorwärmtauscher, wenigstens einen Hauptwärmetauscher, einen zweiten Verdichter, ein Wärmeübertragungsmittel ausgestaltet mit einer Mischeinrichtung, eine erste Turbine, eine zweite Turbine, einen Kondensator, sowie mehrere dieser Fluidkanäle. Gemeinsam bilden der Vorwärmtauscher und der wenigstens eine Hauptwärmetauscher die Wärmetauscheranordnung.
Nach dem ersten Verdichter verzweigt der Kreislauf in den ersten Fluidkanal und den zweiten Fluidkanal. Der erste Fluidkanal ist zum Vorwärmtauscher, durch den Vorwärmtauscher und anschließend zum Hauptwärmetauscher geführt. Der zweite Fluidkanal ist zur Mischeinrichtung geführt. Der zweite Verdichter ist zwischen den Ort der Verbindung des ersten Fluidkanals mit dem zweiten Fluidkanal und den wenigstens einen Hauptwärmetauscher geschaltet. Vor dem Eintritt in den wenigstens einen Hauptwärmetauscher bzw. den zweiten Verdichter ist der erste Fluidkanal mit dem zweiten Fluidkanal verbunden bzw. vereinigt. Die Mischeinrichtung ist stromaufwärts vom Ort der Verbindung des ersten Fluidkanals mit dem zweiten Fluidkanal angeordnet. Ein weiterer Fluidkanal verbindet den wenigstens einen Hauptwärmetauscher mit der ersten Turbine.
Der Hauptwärmetauscher und der Vorwärmtauscher sind derart miteinander verbunden, dass das unabhängige Quellfluid zunächst den Hauptwärmetauscher und anschließend den Vorwärmtauscher durchströmen kann. Das Quellfluid gibt mit dem Hauptwärmetauscher Wärmeenergie an das Arbeitsfluid ab und mit dem Vorwärmtauscher an das Arbeitsfluid im ersten Fluidkanal. Die Wärmetauscher der Wärmetauscheranordnung wirken als Gegenstromwärmetauscher und/oder als Kreuzstromwärmetauscher.
Nach der ersten Turbine ist der Kreislauf in den dritten Fluidkanal und den vierten Fluidkanal aufgeteilt. Der dritte Fluidkanal ist zur zweiten Turbine und nach Verlassen der zweiten Turbine zum ersten Verdichter geführt. Der vierte Fluidkanal ist zur Mischeinrichtung geführt zum Übertragen von Wärmeenergie an den zweiten Fluidkanal bzw. an das Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal.
Gemäß einer ersten bevorzugten Alternative ist die Mischeinrichtung mit einem Rohrverbinder bzw. Fitting ausgebildet. Der zweite Fluidkanal und der vierte Fluidkanal sind mit der Mischeinrichtung fluidleitend verbunden. Vorzugsweise weist der zweite Fluidkanal eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von der Mischeinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise weist der vierte Fluidkanal eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von der Mischeinrichtung angeordnet ist. Ein weiterer Fluidkanal ist von der Mischeinrichtung zum zweiten Verdichter bzw. zum Ort der Verbindung mit dem ersten Fluidkanal geführt. Diese bevorzugte Alternative kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Aufwand zur Übertragung von Wärmeenergie Q möglichst gering gehalten werden kann.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Alternative ist die Mischeinrichtung mit einem Speisebehälter ausgebildet. Der zweite Fluidkanal und der vierte Fluidkanal mit dem Speisebehälter fluidleitend verbunden. Vorzugsweise ist der Speisebehälter als Fliehkraftabscheider, als Zyklon oder im Wesentlichen entsprechend einem Deaerator ausgebildet. Ein weiterer dieser Fluidkanäle ist vom Speisebehälter zum zweiten Verdichter bzw. zum Ort der Verbindung mit dem ersten Fluidkanal geführt. Diese bevorzugte Alternative kann insbesondere den Vorteil bieten, dass in dem Fluidkanal zum zweiten Verdichter die gasförmige Phase des Arbeitsfluidstroms verringert werden kann. Diese bevorzugte Alternative kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der zweite Verdichter besser vor einer gasförmigen Phase des Arbeitsfluides geschützt werden kann. Diese bevorzugte Alternative kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der Verschleiß des zweiten Verdichters verringert sein kann.
Zwischen die zweite Turbine und den ersten Verdichter ist der Kondensator geschaltet.
Vorzugsweise sind die Abtriebswellen der ersten Turbine und der zweiten Turbine miteinander mechanisch verbunden. Vorzugsweise weist die der Energiewandler einen elektrischen Generator auf. Vorzugsweise ist die Abtriebswelle der ersten Turbine und/oder der zweiten Turbine mit dem elektrischen Generator mechanisch verbunden.
Vorzugsweise weist die Wärmetauscheranordnung neben dem Vorwärmtauscher einen ersten dieser Hauptwärmetauscher und einen zweiten dieser Hauptwärmetauscher auf. Das Arbeitsfluid ist zunächst zum Vorwärmtauscher, anschließend zum ersten Hauptwärmetauscher und schließlich zum zweiten Hauptwärmetauscher geführt. Das unabhängige Quellfluid ist in entgegengesetzter Richtung durch die Wärmetauscheranordnung geführt. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass der erste Hauptwärmetauscher besser an die isotherme Zufuhr von Wärmeenergie und der zweite Hauptwärmetauscher besser an die Überhitzung des Arbeitsfluids angepasst werden kann.
Vorzugsweise ist der erste Verdichter vorgesehen, den Druck im zweiten Fluidkanal zu erhöhen und an den Druck im vierten Fluidkanal anzupassen. Vorzugsweise ist der zweite Verdichter vorgesehen, den Druck im Arbeitsfluid vor dessen Eintritt in den ersten Hauptwärmetauscher weiter zu erhöhen. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass jeder der Verdichter besser an die Drücke und Temperaturen in den jeweiligen Fluidkanälen angepasst werden kann.
Diese bevorzugte Ausführungsform kann insbesondere den Vorteil bieten, dass sowohl dem Quellfluid zusätzliche Wärmeenergie entzogen werden kann, worauf die Temperatur des Quellfluids bei dessen Austritt aus der Wärmetauscheranordnung weiter verringert ist, wodurch insbesondere der Wirkungsgrad der Energiewandlung verbessert sein kann. Diese bevorzugte Ausführungsform kann insbesondere den Vorteil bieten, dass auch Wärmeenergie aus dem Arbeitsfluid nach dessen Verlassen der ersten Turbine zurückgewonnen werden kann, wodurch insbesondere der Wirkungsgrad der Energiewandlung verbessert sein kann.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Energiewandlers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder gemäß einer der bevorzugten Weiterbildungen. Das strömende Arbeitsfluid ṁ_A wird nach dem ersten Verdichter aufgeteilt in einen ersten Teilstrom S1, welcher durch den ersten Fluidkanal zum Vorwärmtauscher strömen kann, und in einen zweiten Teilstrom S2, welcher durch den zweiten Fluidkanal, insbesondere zum Wärmeübertragungsmittel, strömen kann. Der zweite Teilstrom S2 kann im zweiten Fluidkanal Wärmeenergie Q aufnehmen, insbesondere mit dem Wärmeübertragungsmittel. Der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom werden vor dem Hauptwärmetauscher miteinander vereinigt. Das strömende Arbeitsfluid ṁ_A wird nach der ersten Turbine aufgeteilt in einen dritten Teilstrom S3, welcher durch den dritten Fluidkanal zum ersten Verdichter strömen kann, und in einen vierten Teilstrom S4, welcher durch den vierten Fluidkanal strömen kann, wobei der vierte Teilstrom dieser Wärmeenergie Q auf einen zweiten Teilstrom S2 übertragen kann, insbesondere mit dem Wärmeübertragungsmittel.
Bei dem Betriebsverfahren wird der Arbeitsfluidstrom in den ersten Teilstrom S1 und in den zweiten Teilstrom S2 verzweigt. Daher sind die Temperaturdifferenzen, welche den jeweiligen Wärmeübergang im Vorwärmtauscher und im Wärmeübertragungsmittel treiben bzw. begrenzen, größer, als ohne die Verzweigung. So kann dem Quellfluid im Vorwärmtauscher zusätzliche Wärmeenergie entzogen werden, der Wirkungsgrad der Energiewandlung verbessert und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Betriebsverfahrens wird dem zweiten Teilstrom S2 mit dem als Rekuperator oder Wärmetauscher ausgestalteten Wärmeübertragungsmittel Wärmeenergie Q aus dem vierten Teilstrom S4 zugeführt. Alternativ wird der zweite Teilstrom S2 mit dem vierten Teilstrom S4 gemischt bzw. vereinigt durch das als Mischeinrichtung ausgebildete Wärmeübertragungsmittel, wobei dem zweiten Teilstrom S2 Wärmeenergie Q aus dem vierten Teilstrom S4 zugeführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens, welche vorteilhaft mit der vorgenannten Weiterbildung kombinierbar ist, wird das vorbestimmte Verhältnis q3 aus dem ersten Teilstrom geteilt durch den zweiten Teilstrom mit einem wenigstens teilweise verschließbaren Ventil oder mit einer Drosselblende eingestellt, wobei vorzugsweise Ventil bzw. Drosselblende eine Querschnittsfläche des ersten oder zweiten Fluidkanals begrenzen können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens, welche vorteilhaft mit einer der vorgenannten Weiterbildungen kombinierbar ist, wird das vorbestimmte Verhältnis q4 aus dem dritten Teilstrom geteilt durch den vierten Teilstrom mit einem wenigstens teilweise verschließbaren Ventil oder mit einer Drosselblende eingestellt, wobei vorzugsweise Ventil bzw. Drosselblende eine Querschnittsfläche des dritten oder vierten Fluidkanals begrenzen können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
1 schematisch einen bekannten Energiewandler,
2 schematisch einen erfindungsgemäßen Energiewandler,
3 ein Diagramm zur Darlegung des verbesserten Wirkungsgrads des Energiewandlers gemäß 2,
4 schematisch eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandlers mit einem Wärmeübertragungsmittel,
5 schematisch eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandlers mit einer Mischeinrichtung,
6 schematisch eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandlers mit einem Wärmeübertragungsmittel,
7 schematisch eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandlers mit einer Mischeinrichtung,
8 schematisch den Energiewandler gemäß 7 mit einer Mischeinrichtung.
1 zeigt schematisch einen betriebsintern bekannten Energiewandler mit einem Wirkungsgrad von etwa 70%. In der unteren Hälfte der 1 sind der Verlauf der Temperatur T des unabhängigen Quellfluids sowie der Verlauf der Temperatur des Arbeitsfluids, jeweils beim Durchströmen der Wärmetauscher b, a, gezeigt. Dabei beträgt die Wärmeenergie Q1 etwa 70% der dem Quellfluid entnehmbaren Wärmeenergie.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Energiewandler. Der Energiewandler weist auf: einen ersten Verdichter 1, einen Vorwärmtauscher 10, einen Hauptwärmetauscher 3, ein Wärmeübertragungsmittel 2 und eine erste Turbine 5. Gemeinsam bilden der Vorwärmtauscher 10 und der Hauptwärmetauscher 3 die Wärmetauscheranordnung.
Nach dem ersten Verdichter 1 ist der Kreislauf in den ersten Fluidkanal 9 und in den zweiten Fluidkanal 12 aufgeteilt. Der erste Fluidkanal 9 ist zum Vorwärmtauscher 10, durch den Vorwärmtauscher 10 und anschließend zum Hauptwärmetauscher 3 geführt. Der zweite Fluidkanal 12 ist zum Wärmeübertragungsmittel 2 und anschließend zum Hauptwärmetauscher 3 geführt. Vor dem Hauptwärmetauscher 3 sind die erste Fluidkanal 9 und der zweite Fluidkanal 12 fluidleitend miteinander verbunden. Ein weiterer Fluidkanal führt vom Hauptwärmetauscher 3 zur ersten Turbine 5.
Der Hauptwärmetauscher 3 und der Vorwärmtauscher 10 sind derart miteinander verbunden, dass das unabhängige Quellfluid ṁ_Q zunächst durch den Hauptwärmetauscher 3 und anschließend durch den Vorwärmtauscher 10 geführt ist. Das Quellfluid gibt mit dem Hauptwärmetauscher 3 Wärmeenergie Q an das Arbeitsfluid ab und mit dem Vorwärmtauscher 10 an das Arbeitsfluid im ersten Fluidkanal 9. Der Vorwärmtauscher 10 unter Hauptwärmetauscher 3 der Wärmetauscheranordnung sind als Gegenstromwärmetauscher und/oder als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet.
Nach der ersten Turbine 5 ist der Kreislauf in den dritten Fluidkanal 14 und in den vierten Fluidkanal 13 aufgeteilt. Der vierte Fluidkanal 13 ist zum Wärmeübertragungsmittel 2 geführt zum Übertragen von Wärmeenergie Q an das Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal 12.
3 zeigt ein Diagramm zur Darlegung des verbesserten Wirkungsgrads des Energiewandlers gemäß 2. Dargestellt ist der Verlauf der Temperatur T des unabhängigen Quellfluids ṁ_Q sowie des Arbeitsfluids ṁ_A beim Durchströmen der Wärmetauscheranordnung.
Mit dem erfindungsgemäßen Energiewandler kann dem Quellfluid die Wärmeenergie Q2 entnommen werden. Q2 ist erkennbar größer, als die dem Quellfluid mit dem bekannten Energiewandler gemäß 1 entnehmbare Wärmeenergie Q1. Für die Differenz Q2 – Q1 ursächlich ist insbesondere der erste Fluidkanal 9, insbesondere die Aufteilung des Kreislaufs nach dem Verdichter 1 in den ersten Fluidkanal 9 und in den zweiten Fluidkanal 12, insbesondere die Führung des ersten Teilstroms S1 durch den ersten Fluidkanal 9. Ebenfalls ist dargestellt, dass die Temperatur des Quellfluids bei Verlassen der Wärmetauscheranordnung des erfindungsgemäßen Energiewandlers geringer ist, als bei Verlassen der Wärmetauscher b, a des bekannten Energiewandlers gemäß 1.
4 zeigt schematisch eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandlers mit Rekuperator 2. Der Energiewandler weist wenigstens auf: den ersten Verdichter 1, den Vorwärmtauscher 10, den ersten Hauptwärmetauscher 3, den zweiten Hauptwärmetauscher 4, den Rekuperator 2, die erste Turbine 5, die zweite Turbine 6, den Kondensator 7, einen Vorratsbehälter 8, sowie mehrere dieser Fluidkanäle 9, 12, 13, 14. Gemeinsam bilden der Vorwärmtauscher 10 und die Hauptwärmetauscher 3, 4 die Wärmetauscheranordnung. Der erste Hauptwärmetauscher 3 kann besser an die isotherme Zufuhr von Wärmeenergie und der zweite Hauptwärmetauscher 4 besser an die Überhitzung des Arbeitsfluids angepasst werden. Vorzugsweise weist der Energiewandler einen dritten Hauptwärmetauscher auf, welcher stromabwärts vom zweiten Hauptwärmetauscher 4 angeordnet ist. Der zweite Hauptwärmetauscher 4 dient der Erwärmung des Arbeitsfluids bis zu dessen Sättigung und der dritte Hauptwärmetauscher der wenigstens teilweisen Verdampfung des Arbeitsfluids.
Nach dem ersten Verdichter 1 ist der Kreislauf in den ersten Fluidkanal 9 und in den zweiten Fluidkanal 12 aufgeteilt. Der erste Fluidkanal 9 ist zum Vorwärmtauscher 10, durch den Vorwärmtauscher 10 und anschließend zum ersten Hauptwärmetauscher 3 geführt. Der zweite Fluidkanal 12 ist zum Rekuperator 2, durch den Rekuperator 2 und anschließend zum ersten Hauptwärmetauscher 3 geführt. Vor dem Eintritt in den ersten Hauptwärmetauscher 3 ist der erste Fluidkanal 9 mit dem zweiten Fluidkanal 12 verbunden bzw. vereinigt. Vom ersten Hauptwärmetauscher 3 ist ein weiterer Fluidkanal zunächst zum zweiten Hauptwärmetauscher 4 und anschließend zur ersten Turbine 5 geführt.
Die Hauptwärmetauscher 3, 4 und der Vorwärmtauscher 10 sind derart miteinander verbunden, dass das unabhängige Quellfluid ṁ_Q zunächst durch den ersten Hauptwärmetauscher 3, anschließend durch den zweiten Hauptwärmetauscher 4 und schließlich durch den Vorwärmtauscher 10 geführt ist. Das Quellfluid gibt mit den beiden Hauptwärmetauschern 3, 4 Wärmeenergie Q an das Arbeitsfluid ab und mit dem Vorwärmtauscher 10 an das Arbeitsfluid im ersten Fluidkanal 9. Die Wärmetauscher der Wärmetauscheranordnung sind als Gegenstromwärmetauscher und/oder als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet.
Nach der ersten Turbine 5 ist der Kreislauf in den dritten Fluidkanal 14 und den vierten Fluidkanal 13 aufgeteilt. Der dritte Fluidkanal 14 ist zur zweiten Turbine 6, nach Verlassen der zweiten Turbine 6 zum Kondensator 7 und schließlich zum ersten Verdichter 1 geführt. Der vierte Fluidkanal 13 ist zum Rekuperator 2, durch den Rekuperator 2 und zum Kondensator 7 geführt. Vor dem Eintritt in den Kondensator 7 ist der dritte Fluidkanal 14 mit dem Fluidkanal 13 vierten Fluidkanals 13 verbunden bzw. vereinigt.
Die Abtriebswellen der ersten Turbine 5 und der zweiten Turbine 6 sind miteinander mechanisch verbunden. Vorzugsweise weist der Energiewandler einen elektrischen Generator auf. Vorzugsweise ist die Abtriebswelle der zweiten Turbine 6 ist mit einem elektrischen Generator G mechanisch verbunden.
Zwischen den Kondensator 7 und den Verdichter 1 ist ein Vorratsbehälter 8 geschaltet, welcher insbesondere der Pufferung des Arbeitsfluids dient, welche insbesondere zum Abscheiden eines Teils der gasförmigen Phase des Arbeitsfluid dient. Vorzugsweise ist das Arbeitsfluid nach dem Kondensator 7 im Wesentlichen vollständig verflüssigt.
5 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandlers mit einem als Mischeinrichtung ausgestalteten Wärmeübertragungsmittel 2. Der Energiewandler weist wenigstens auf: den ersten Verdichter 1, dem Vorwärmtauscher 10, dem zweiten Verdichter 11, den ersten Hauptwärmetauscher 3, den zweiten Hauptwärmetauscher 4, die erste Turbine 5, die zweite Turbine 6, den Kondensator 7, die Mischeinrichtung 2 sowie mehrere dieser Fluidkanäle 9, 12, 13, 14. Gemeinsam bilden der Vorwärmtauscher 10 und die Hauptwärmetauscher 3, 4 die Wärmetauscheranordnung. Der erste Hauptwärmetauscher 3 kann besser an die isotherme Zufuhr von Wärmeenergie und der zweite Hauptwärmetauscher 4 besser an die Überhitzung des Arbeitsfluids angepasst werden.
Nach dem ersten Verdichter 1 ist der Kreislauf in den ersten Fluidkanal 9 und in den zweiten Fluidkanal 12 aufgeteilt. Der erste Fluidkanal 9 ist zum Vorwärmtauscher 10, durch den Vorwärmtauscher 10 und anschließend zum ersten Hauptwärmetauscher 3 geführt. Der zweite Fluidkanal 12 ist zur Mischeinrichtung 2 geführt. Von der Mischeinrichtung 2 führt ein Fluidkanal zum zweiten Verdichter 11. Vor dem Eintritt in den zweiten Verdichter 11 ist der erste Fluidkanal 9 mit dem Fluidkanal, welcher Arbeitsfluid aus der Mischeinrichtung 2 abführt, verbunden bzw. vereinigt. Ein weiterer Fluidkanal ist vom ersten Hauptwärmetauscher 3, zunächst zum zweiten Hauptwärmetauscher 4 und anschließend zur ersten Turbine 5 geführt.
Die Hauptwärmetauscher 3, 4 und der Vorwärmtauscher 10 sind derart miteinander verbunden, dass das unabhängige Quellfluid ṁ_Q zunächst durch den ersten Hauptwärmetauscher 3, anschließend durch den zweiten Hauptwärmetauscher 4 und schließlich durch den Vorwärmtauscher 10 geführt ist. Das Quellfluid gibt mit den beiden Hauptwärmetauschern 3, 4 Wärmeenergie Q an das Arbeitsfluid ab und mit dem Vorwärmtauscher 10 an das Arbeitsfluid im ersten Fluidkanal 9. Die Wärmetauscher der Wärmetauscheranordnung sind als Gegenstromwärmetauscher und/oder als Kreuzstromwärmetauscher ausgestaltet.
Nach der ersten Turbine 5 ist der Kreislauf in den dritten Fluidkanal 14 und den vierten Fluidkanal 13 aufgeteilt. Der dritte Fluidkanal 14 ist zur zweiten Turbine 6, nach Verlassen der zweiten Turbine 6 zum Kondensator 7 und schließlich zum ersten Verdichter 1 geführt. Der vierte Fluidkanal 12 ist zur Mischeinrichtung 2 geführt. In der Mischeinrichtung 2 ist Arbeitsfluid aus dem vierten Fluidkanal 13 und im zweiten Fluidkanal 12 zusammengeführt. Vorzugsweise ist die Mischeinrichtung 2 als Fliehkraftabscheider bzw. als Zyklon oder als Behälter im Wesentlichen entsprechend einem Deaerator ausgebildet. Der Fluidkanal, welcher Arbeitsfluid aus der Mischeinrichtung 2 abführt, führt daher Arbeitsfluid aus dem zweiten Fluidkanal 12 und aus dem vierten Fluidkanal 13. Der Fluidkanal, welcher in den zweiten Verdichter 11 mündet, führt daher gemeinsam Arbeitsfluid aus dem ersten Fluidkanal 9, aus dem zweiten Fluidkanal 12 und aus dem vierten Fluidkanal 13. Mit der als Fliehkraftabscheider bzw. als Zyklon ausgebildeten Mischeinrichtung 2 kann der gasförmige Anteil des Arbeitsfluid, welcher aus der Mischeinrichtung 2 abgeführt wird, verringert werden. Damit kann insbesondere der Vorteil einhergehen, dass der Verschleiß des zweiten Verdichters 11 verringert ist.
Der erste Verdichter 1 ist vorgesehen, den Druck im zweiten Fluidkanal 12 zu erhöhen und an den Druck im vierten Fluidkanals 13 anzupassen. Der zweite Verdichter 11 ist vorgesehen, den Druck im Arbeitsfluid vor dessen Eintritt in den ersten Hauptwärmetauscher 3 weiter zu erhöhen.
Die Abtriebswellen der ersten Turbine 5 und der zweiten Turbine 6 sind miteinander mechanisch verbunden. Vorzugsweise weist der Energiewandler einen elektrischen Generator auf. Vorzugsweise ist die Abtriebswelle der zweiten Turbine 6 mit einem elektrischen Generator G mechanisch verbunden.
6 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandlers mit Rekuperator 2. Der Energiewandler weist wenigstens auf: den ersten Verdichter 1, den Vorwärmtauscher 10, den Hauptwärmetauscher 3, den Rekuperator 2, die erste Turbine 5, die zweite Turbine 6, den Kondensator 7, sowie mehrere dieser Fluidkanäle 9, 12, 13, 14. Gemeinsam bilden der Vorwärmtauscher 10 und der Hauptwärmetauscher 34 die Wärmetauscheranordnung.
Nach dem ersten Verdichter 1 ist der Kreislauf in den ersten Fluidkanal 9 und in den zweiten Fluidkanal 12 aufgeteilt. Der erste Fluidkanal 9 ist zum Vorwärmtauscher 10, durch den Vorwärmtauscher 10 und anschließend zum Hauptwärmetauscher 3 geführt. Der zweite Fluidkanal 12 ist zum Rekuperator 2, durch den Rekuperator 2 und anschließend zum Hauptwärmetauscher 3 geführt. Vor dem Eintritt in den Hauptwärmetauscher 3 ist der erste Fluidkanal 9 mit dem zweiten Fluidkanal 12 verbunden bzw. vereinigt. Vom ersten Hauptwärmetauscher 3 ist ein weiterer Fluidkanal zur ersten Turbine 5 geführt.
Der Hauptwärmetauscher 34 und der Vorwärmtauscher 10 sind derart miteinander verbunden, dass das unabhängige Quellfluid zunächst durch den Hauptwärmetauscher 3 und schließlich durch den Vorwärmtauscher 10 geführt ist. Das Quellfluid gibt mit dem Hauptwärmetauscher 3 Wärmeenergie Q an das Arbeitsfluid ab und mit dem Vorwärmtauscher 10 an das Arbeitsfluid im ersten Fluidkanal 9. Die Wärmetauscher der Wärmetauscheranordnung sind als Gegenstromwärmetauscher und/oder als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet.
Nach der ersten Turbine 5 ist der Kreislauf in den dritten Fluidkanal 14 und den vierten Fluidkanal 13 aufgeteilt. Der dritte Fluidkanal 14 ist zur zweiten Turbine 6 und zum ersten Verdichter 1 geführt. Der vierte Fluidkanal 13 ist zum Rekuperator 2, durch den Rekuperator 2 und zum ersten Verdichter 1 geführt. Vor dem Eintritt in den ersten Verdichter 1 ist der dritte Fluidkanal 14 mit dem Fluidkanal 13 vierten Fluidkanals 13 verbunden bzw. vereinigt.
Die Abtriebswellen der ersten Turbine 5 und der zweiten Turbine 6 sind miteinander mechanisch verbunden. Vorzugsweise weist der Energiewandler einen elektrischen Generator auf. Vorzugsweise ist die Abtriebswelle der zweiten Turbine 6 ist mit einem elektrischen Generator G mechanisch verbunden.
Vorzugsweise ist zwischen den Ort der Verbindung des dritten Fluidkanals 14 mit dem vierten Fluidkanal 13 und den ersten Verdichter 1 ein Kondensator 7 geschaltet. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Temperatur im Arbeitsfluid bei Eintritt in den Rekuperator sowie den Vorwärmtauscher verringert ist, insbesondere für verbesserten Wirkungsgrad des Energiewandlers.
7 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandlers mit einem als Mischeinrichtung ausgestalteten Wärmeübertragungsmittel 2. Der Energiewandler weist wenigstens auf: den ersten Verdichter 1, den Vorwärmtauscher 10, den zweiten Verdichter 11, den Hauptwärmetauscher 3, die erste Turbine 5, die zweite Turbine 6, Mischeinrichtung 2 sowie mehrere dieser Fluidkanäle 9, 12, 13, 14. Gemeinsam bilden der Vorwärmtauscher 10 und der Hauptwärmetauscher 3 die Wärmetauscheranordnung.
Nach dem ersten Verdichter 1 ist der Kreislauf in den ersten Fluidkanal 9 und in den zweiten Fluidkanal 12 aufgeteilt. Der erste Fluidkanal 9 ist zum Vorwärmtauscher 10, durch den Vorwärmtauscher 10 und anschließend zum Hauptwärmetauscher 3 geführt. Der zweite Fluidkanal 12 ist zur Mischeinrichtung 2 geführt. Von der Mischeinrichtung 2 führt ein Fluidkanal zum zweiten Verdichter 11. Vor dem Eintritt in den zweiten Verdichter 11 ist der erste Fluidkanal 9 mit dem Fluidkanal, welcher Arbeitsfluid aus der Mischeinrichtung 2 abführt, verbunden bzw. vereinigt. Ein weiterer Fluidkanal ist vom Hauptwärmetauscher 3 zur ersten Turbine 5 geführt.
Der Hauptwärmetauscher 3 und der Vorwärmtauscher 10 sind derart miteinander verbunden, dass das unabhängige Quellfluid zunächst durch den ersten Hauptwärmetauscher 3 und anschließend durch den Vorwärmtauscher 10 geführt ist. Das Quellfluid gibt mit dem Hauptwärmetauscher 3 Wärmeenergie Q an das Arbeitsfluid ab und mit dem Vorwärmtauscher 10 an das Arbeitsfluid im ersten Fluidkanal 9. Die Wärmetauscher der Wärmetauscheranordnung sind als Gegenstromwärmetauscher und/oder als Kreuzstromwärmetauscher ausgestaltet.
Nach der ersten Turbine 5 ist der Kreislauf in den dritten Fluidkanal 14 und den vierten Fluidkanal 13 aufgeteilt. Der dritte Fluidkanal 14 ist zur zweiten Turbine 6, nach Verlassen der zweiten Turbine 6 zum ersten Verdichter 1 geführt. Der vierte Fluidkanal 12 ist zur Mischeinrichtung 2 geführt. In der Mischeinrichtung 2 ist Arbeitsfluid aus dem vierten Fluidkanal 13 und im zweiten Fluidkanal 12 zusammengeführt. Die Mischeinrichtung 2 ist mit einem Rohrverbinder bzw. Fitting ausgebildet. Damit kann insbesondere der Vorteil einhergehen, dass der Aufwand zur Realisierung des Energiewandlers verringert ist. Der Fluidkanal, welcher Arbeitsfluid aus der Mischeinrichtung 2 abführt, führt daher Arbeitsfluid aus dem zweiten Fluidkanal 12 und aus dem vierten Fluidkanal 13. Der Fluidkanal, welcher in den zweiten Verdichter 11 mündet, führt Arbeitsfluid aus dem ersten Fluidkanal 9, aus dem zweiten Fluidkanal 12 und aus dem vierten Fluidkanal 13.
Der erste Verdichter 1 ist vorgesehen, den Druck im zweiten Fluidkanal 12 zu erhöhen und an den Druck im vierten Fluidkanals 13 anzupassen. Der zweite Verdichter 11 ist vorgesehen, den Druck im Arbeitsfluid vor dessen Eintritt in den ersten Hauptwärmetauscher 3 weiter zu erhöhen.
Vorzugsweise weist der zweite Fluidkanal 12 eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von der Mischeinrichtung 2 angeordnet ist. Vorzugsweise weist der vierte Fluidkanal 13 eine Drosselblende auf, welche stromaufwärts von der Mischeinrichtung 2 angeordnet ist. Diese bevorzugte Ausgestaltung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass die Drücke im Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal 12 und im vierten Fluidkanal 13 aneinander angepasst werden können.
Vorzugsweise ist zwischen den zweiten Fluidkanal 12 und die Mischeinrichtung 2 ein wenigstens teilweise verschließbares Ventil eingefügt zum Steuern bzw. Begrenzen des Zustroms aus dem zweiten Fluidkanal 12 in die Mischeinrichtung 2, oder zum Steuern des Drucks im Arbeitsfluid beim Eintritt in die Mischeinrichtung 2.
Vorzugsweise ist zwischen den vierten Fluidkanal 13 und die Mischeinrichtung 2 ein wenigstens teilweise verschließbares Ventil eingefügt zum Steuern bzw. Begrenzen des Zustroms aus dem vierten Fluidkanal 13 in die Mischeinrichtung 2, oder zum Steuern des Drucks im Arbeitsfluid beim Eintritt in die Mischeinrichtung 2.
Die Abtriebswellen der ersten Turbine 5 und der zweiten 6 sind miteinander mechanisch verbunden. Vorzugsweise weist der Energiewandler einen elektrischen Generator G auf. Vorzugsweise ist die Abtriebswelle der zweiten Turbine 6 mit einem elektrischen Generator G mechanisch verbunden.
8 zeigt schematisch den Energiewandler gemäß 7 mit einer Mischeinrichtung 2 zum Mischen von Arbeitsfluid aus dem zweiten Fluidkanal 12 mit Arbeitsfluid aus dem vierten Fluidkanal 13. Abweichend von 7 ist die Mischeinrichtung 2 als ein Speisebehälter 2 ausgebildet, welcher zwischen den Verdichter 1, die erste Turbine 5 und den zweiten Verdichter 11 geschaltet ist. Die Fluidkanäle 12, 13 sind mit dem Speisebehälter 2 verbunden. Ein weiterer Fluidkanal führt Arbeitsfluid aus dem Speisebehälter 8 in Richtung des zweiten Verdichters 11.
Mit dem vorzugsweise als Fliehkraftabscheider bzw. als Zyklon ausgebildeten Speisebehälter 2 kann der gasförmige Anteil des Arbeitsfluid, welches aus dem Speisebehälter 2 zum zweiten Verdichter 11 geführt ist, verringert werden. Damit kann insbesondere der Vorteil einhergehen, dass der Verschleiß des zweiten Verdichters 11 verringert ist.
Im Übrigen gelten die Erläuterungen zur 7.
Bezugszeichenliste

1: erster Verdichter
2: Wärmeübertragungsmittel, Wärmetauscher, Rekuperator, Speisebehälter, Mischeinrichtung
3, 4: Hauptwärmetauscher
5: Erste Turbine
6: Zweite Turbine
7: Kondensator
8: Vorratsbehälter
9: erster Fluidkanal
10: Vorwärmtauscher
11: zweiter Verdichter
12: zweiter Fluidkanal
13: vierter Fluidkanal
14: dritter Fluidkanal
20: Energiewandler
ṁ_A: Arbeitsfluidstrom
ṁ_Q: Quellfluidstrom
Q: Wärmeenergie
S1: erster Teilstrom
S2: zweiter Teilstrom
S3: dritter Teilstrom
S4: vierter Teilstrom
G: elektrischer Generator

Claims

Energiewandler (20), zur Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, mit einem Kreislauf, wobei der Kreislauf zur Führung eines Arbeitsfluids, insbesondere zur Realisierung eines Organic Rankine Cycle, ausgestaltet ist, wobei der Kreislauf wenigstens einen ersten Verdichter (1) aufweist, eine Wärmetauscheranordnung, mehrere Fluidkanäle, ein Wärmeübertragungsmittel (2) und eine erste Turbine (5), wobei die Wärmetauscheranordnung wenigstens einen Vorwärmtauscher (10) und wenigstens einen Hauptwärmetauscher (3, 4) aufweist, welche jeweils zur Zufuhr von Wärmeenergie an das Arbeitsfluid ausgestaltet sind, wobei ein erster Fluidkanal (9) zwischen dem ersten Verdichter (1) und dem Vorwärmtauscher (10) geführt ist, wobei ein zweiter Fluidkanal (12) zwischen dem ersten Verdichter (1) und dem Hauptwärmetauscher (3, 4) geführt ist, wobei ein dritter Fluidkanal (14) zwischen der ersten Turbine (5) und dem ersten Verdichter (1) geführt ist, wobei ein vierter Fluidkanal (13) von der ersten Turbine (5) zu dem Wärmeübertragungsmittel (2) geführt ist, wobei das Wärmeübertragungsmittel (2) zum Übertragen von Wärmeenergie Q an den zweiten Fluidkanal (12), insbesondere an das Arbeitsfluid im zweiten Fluidkanal (12), ausgestaltet ist.
Energiewandler (20) gemäß Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsmittel (2) mit einem Rekuperator oder Wärmetauscher ausgebildet ist, wobei das Wärmeübertragungsmittel (2) zur Übertragung von Wärmeenergie Q aus dem vierten Fluidkanal (13) an den zweiten Fluidkanal (12) ausgestaltet ist.
Energiewandler (20) gemäß Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsmittel (2) mit einer Mischeinrichtung ausgebildet ist, wobei der zweite Fluidkanal (12) und der vierte Fluidkanal (13) zu der Mischeinrichtung geführt sind, wobei ein weiterer Fluidkanal von der Mischeinrichtung zu dem Hauptwärmetauscher (3, 4) geführt ist, wobei die Mischeinrichtung zum Mischen bzw. zum Vereinigen des Arbeitsfluids aus dem zweiten Fluidkanal (12) mit dem Arbeitsfluid aus dem vierten Fluidkanal (13) ausgestaltet ist.
Energiewandler (20) gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, mit einer zweiten Turbine (6), welche zwischen die erste Turbine (5) und den ersten Verdichter (1) geschaltet ist, wobei die zweite Turbine (6) mit einem geringeren Eintrittsdruck arbeiten kann, als die erste Turbine (5).
Energiewandler (20) gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Wärmetauscheranordnung ausgebildet ist mit wenigstens einem ersten Hauptwärmetauscher (3), welcher vorzugsweise zur im Wesentlichen isothermen Zufuhr von Wärmeenergie an das Arbeitsfluid ausgestaltet ist, und mit wenigstens einem zweiten Hauptwärmetauscher (4), welcher vorzugsweise zur Überhitzung des Arbeitsfluids ausgestaltet ist, wobei der erste Hauptwärmetauscher (3) zwischen den Vorwärmtauscher (10) und den zweiten Hauptwärmetauscher (4) geschaltet ist.
Energiewandler (20) gemäß Anspruch 2, wobei zwischen dem Wärmeübertragungsmittel (2) und dem ersten Verdichter (1) der vierte Fluidkanal (13) mit dem dritten Fluidkanal (14) fluidleitend verbunden ist.
Energiewandler (20) gemäß Anspruch 3, wobei die Mischeinrichtung (2) als Fliehkraftabscheider, als Zyklon oder als Speisebehälter ausgebildet ist.
Energiewandler (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zweiten Verdichter (11), welcher zwischen den Vorwärmtauscher (10) und den Hauptwärmetauscher (3, 4) geschaltet ist, welcher zur Druckerhöhung vor dem Hauptwärmetauscher (3, 4) vorgesehen ist.
Energiewandler (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsfluid ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe, welche aufweist: Isopentan, Chlordifluormethan, Pentafluorpropan.
Energiewandler (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Generator zur Bereitstellung elektrischer Energie, welcher von der ersten Turbine (5) und/oder der zweiten Turbine (6) mechanisch angetrieben werden kann.
Verfahren zum Betrieb eines Energiewandlers (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das strömende Arbeitsfluid ṁ_A, nach dem ersten Verdichter (1) aufgeteilt wird in einen ersten Teilstrom S1, welcher durch den ersten Fluidkanal (9) zum Vorwärmtauscher (10) strömen kann, und in einen zweiten Teilstrom S2, welcher durch den zweiten Fluidkanal (12) strömen kann, wobei der zweite Teilstrom S2 im zweiten Fluidkanal (12) Wärmeenergie Q aufnehmen kann, wobei das strömende Arbeitsfluid ṁ_A nach der ersten Turbine (5) aufgeteilt wird in einen dritten Teilstrom S3, welcher durch den dritten Fluidkanal (14) zum ersten Verdichter (1) strömen kann, und in einen vierten Teilstrom S4, welcher durch den vierten Fluidkanal (13) strömen kann, wobei der vierte Teilstrom S4 diese Wärmeenergie Q an den zweiten Teilstrom S2 übertragen kann.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei dem zweiten Teilstrom S2 mit dem Rekuperator (2) Wärmeenergie Q aus dem vierten Teilstrom S4 zugeführt wird, oder der zweite Teilstrom S2 in der Mischeinrichtung (2) mit dem vierten Teilstrom S4 gemischt bzw. vereinigt wird, wobei dem zweiten Teilstrom S2 Wärmeenergie Q aus dem vierten Teilstrom S4 zugeführt wird.