DE102015013896B3 - Low-temperature thermal power plant - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Niedertemperaturwärmekraftanlage, aufweisend eine Verdampfereinheit (1) mit einem Verdampfungswärmetauscher, welchem mittels Heizwasser Wärme zuführbar ist, wobei mittels der Verdampfereinheit (1) Wasser verdampfbar und ein Frischdampf bereitstellbar ist, und aufweisend eine einfach wirkende Kolben-/Zylindereinheit (2) mit einem Zylinderkopf (2.1), einem Zylinder (2.2), einem Kolben (2.3) und einer Kurbelwelle (2.4), wobei über den Zylinderkopf (2.1) der Frischdampf in den Zylinder (2.2) einleitbar ist und wobei der Kolben (2.3) axial beweglich in dem Zylinder (2.2) aufgenommen ist und wobei eine axiale Bewegung des Kolbens (2.3) durch eine Expansion des Frischdampfes in dem Zylinder (2.2) bereitgestellt wird und wobei die Kurbelwelle (2.4) in einem Kurbelgehäuse (2.5) aufgenommen und mit dem Kolben (2.3) verbunden sowie dazu in der Lage ist, die axiale Bewegung des Kolbens (2.3) in eine Rotationsbewegung umzusetzen und wobei die Kurbelwelle (2.4) mit einer Arbeitsmaschine (3) verbindbar ist, mittels welcher aus der Rotationsbewegung der Kurbelwelle (2.4) elektrische Energie erzeugbar ist, sowie aufweisend eine Kondensatoreinheit (4) mit einem Kondensationswärmetauscher, aus welchem mittels Kühlwasser Wärme abführbar ist, wobei die Kondensatoreinheit (4) mit der Kolben-/Zylindereinheit (2) verbunden und dazu in der Lage ist, einen aus der Kolben-/Zylindereinheit (2) freigegebenen Abdampf zu Wasser zu kondensieren, und aufweisend eine Förderpumpeneinheit (5), mit welcher das kondensierte Wasser aus der Kondensatoreinheit (4) entnehmbar und der Verdampfereinheit (1) zuführbar ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperaturwärmekraftanlage eine Vakuumpumpeneinheit (6) aufweist, mit welcher die Verdampfereinheit (1), die Kolben-/Zylindereinheit (2), die Kondensatoreinheit (4) und die Förderpumpeneinheit (5) mit einem Unterdruck beaufschlagbar sind.The invention relates to a low-temperature thermal power plant, comprising an evaporator unit (1) with an evaporating heat exchanger to which heat can be supplied by means of heating water, wherein water can be evaporated by means of the evaporator unit (1) and a live steam can be provided, and has a single-acting piston / cylinder unit (2). with a cylinder head (2.1), a cylinder (2.2), a piston (2.3) and a crankshaft (2.4), via the cylinder head (2.1) the live steam in the cylinder (2.2) can be introduced and wherein the piston (2.3) axially is movably received in the cylinder (2.2) and wherein an axial movement of the piston (2.3) by an expansion of the live steam in the cylinder (2.2) is provided and wherein the crankshaft (2.4) in a crankcase (2.5) and recorded with the piston (2.3) connected and is able to convert the axial movement of the piston (2.3) in a rotational movement and wherein the crankshaft (2.4) with a work machine (3) is connectable, by means of which from the rotational movement of the crankshaft (2.4) electrical energy can be generated, and comprising a condenser unit (4) with a condensation heat exchanger, from which by means of cooling water heat can be dissipated, the condenser unit (4) with the Piston / cylinder unit (2) connected and is capable of condensing a from the piston / cylinder unit (2) released Abdampf to water, and comprising a feed pump unit (5), with which the condensed water from the condenser unit (4 ) and the evaporator unit (1) can be fed. It is characterized in that the low-temperature heat engine has a vacuum pump unit (6), with which the evaporator unit (1), the piston / cylinder unit (2), the condenser unit (4) and the feed pump unit (5) can be acted upon by a negative pressure.
Description
Die Erfindung betrifft eine Niedertemperaturwärmekraftanlage zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie unter den Bedingungen einer Wärmequelle mit niedriger Termperatur sowie einem geringen Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke.The invention relates to a low-temperature thermal power plant for converting thermal energy into mechanical energy under the conditions of a heat source with a low temperature and a low temperature gradient between the heat source and the heat sink.
Nach dem Stand der Technik sind Wärmekraftmaschinen zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie in unterschiedlichen Ausbildungen bekannt. Insbesondere sind nach dem Stand der Technik Lösungen wasserbasierter Dampfkraftprozesse bekannt, bei denen die thermische Energie durch äußere Verbrennung bewirkt wird. Derartige wasserbasierte Lösungen arbeiten mit hohen Temperaturen und hohen Drücken, was den Nachteil notwendiger erheblicher sicherheitstechnischer Aufwendungen bedingt. Zum zweiten sind systembedingt für die Bereitstellung der Verdampfung und der hohen Drücke die hohen Temperaturen erforderlich, wodurch der Nachteil besteht, dass niedertemperaturige Heizquellen wie beispielweise aus der Geothermie oder Solarthermie oder vielen Wärmequellen aus betrieblicher Prozessabwärme praktisch nicht anwendbar sind.According to the state of the art, heat engines are known for converting thermal energy into mechanical energy in various configurations. In particular, according to the prior art solutions of water-based steam power processes are known in which the thermal energy is caused by external combustion. Such water-based solutions operate at high temperatures and high pressures, which causes the disadvantage of necessary significant safety expenses. Secondly, due to the system, the high temperatures are required for providing the evaporation and the high pressures, which has the disadvantage that low-temperature heat sources such as geothermal or solar thermal or many heat sources from operational process waste heat are practically not applicable.
Ein Lösungsansatz zur Nutzung niedertemperaturiger Heizquellen besteht nach dem Stand der Technik durch ORC-Lösungen, bei denen die niedrige Verdampfungstemperatur bestimmter organischer Verbindungen genutzt wird. Der Nachteil besteht hier insbesondere in den sicherheitstechnischen Aufwendungen, die sich aus der möglichen Gefährdung durch die organischen Verbindungen, insbesondere durch Kontamination und Brennbarkeit, ergeben.One approach to using low temperature heat sources is the art of using ORC solutions that utilize the low evaporation temperature of certain organic compounds. The disadvantage here consists in particular in the safety-related expenses arising from the possible risk posed by the organic compounds, in particular by contamination and flammability.
Die Druckschrift
Des Weiteren wird in der Druckschrift
Ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie sind zudem auch aus der Druckschrift
Eine gattungsgemäße Kolbendampfmaschine wird auch in der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bildet es, unter Überwindung der Nachteile des Standes der Technik eine Vorrichtung zur Umformung thermischer Energie in mechanische Energie bereitzustellen, welche Wärmequellen geringer Temperatur bei gleichzeitig geringer Temperaturdifferenz zur Wärmesenke nutzen kann, welche eine hohe Betriebssicherheit aufweist und sicherheitstechnisch einfach aufgebaut ist.The object of the present invention is to provide overcoming the disadvantages of the prior art, a device for converting thermal energy into mechanical energy, which heat sources low temperature with low temperature difference can use the heat sink, which has a high reliability and safety is simple ,
Die Aufgabe wird durch eine Niedertemperaturwärmekraftanlage mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by a low temperature heat engine with the features listed in
Eine erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmekraftanlage weist eine Verdampfereinheit, eine Kolben-/Zylindereinheit, eine Kondensatoreinheit sowie eine Förderpumpeneinheit auf. Die Verdampfereinheit, die Kolben-/Zylindereinheit, die Kondensatoreinheit und die Förderpumpeneinheit werden zusammengefasst nachfolgend auch als druckführende Einheiten bezeichnet.A low temperature heat engine according to the invention comprises an evaporator unit, a piston / cylinder unit, a condenser unit and a feed pump unit. The evaporator unit, the piston / cylinder unit, the condenser unit and the feed pump unit are summarized below also referred to as pressure-carrying units.
Die Verdampfereinheit ist erfindungsgemäß dazu in der Lage, Wasser als Energieträger für die Niedertemperaturwärmekraftanlage zu verdampfen und einen dementsprechenden Frischdampft bereitzustellen. Hierzu weist die Verdampfereinheit vorliegend einen Verdampfungswärmetauscher auf, welchem mittels Heizwasser Wärme zuführbar ist und mit welchem mittels Wärmeübergang von dem Heizwasser in das Wasser dessen Verdampfen bereitgestellt und der Frischdampf erzeugt wird. Das Heizwasser wird hierbei vorzugsweise aus einem Heizwasservorlauf eines Heizkessels einer Gebäudeheizungsanlage bereitgestellt.The evaporator unit according to the invention is able to evaporate water as an energy source for the low-temperature thermal power plant and to provide a corresponding live steam. For this purpose, the evaporator unit in the present case has an evaporation heat exchanger to which heat can be supplied by means of heating water and with which the evaporation of heat from the heating water into the water is provided and the live steam is generated. The heating water is preferably provided from a Heizwasservorlauf a boiler of a building heating system.
Der Verdampfungswärmetauscher ist vorzugsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet, wodurch eine hohe Effekivität eines Wärmeübergangs innerhalb des Verdampfungswärmetauschers sowie zu dem zu verdampfenden Wasser ermöglicht wird. Die hohe Effektivität begründet sich hierbei insbesondere auf den hohen Wärmeübergang zwischen dem in dem Plattenwärmetauscher strömenden Heizwasser und dem zu erhitzenden Wasser, der durch eine große wirksame innere und äußere Oberfläche des Plattenwärmetauschers und die Strömungsverhältnisse im Inneren des Plattenwärmetauschers erreicht wird. Zudem kann die Verdampfereinheit einen Dampfabscheider zur Abtrennung von anfallendem Kondensat oder Flüssigkeitspartikeln aus dem Frischdampf aufweisen. Ein solcher optionaler Dampfabscheider ist somit Teil einer druckführenden Einheit.The evaporation heat exchanger is preferably designed as a plate heat exchanger, whereby a high Effekivität a heat transfer within the evaporative heat exchanger and to the water to be evaporated is made possible. The high efficiency is due in particular to the high heat transfer between the heating water flowing in the plate heat exchanger and the water to be heated, which is achieved by a large effective inner and outer surface of the plate heat exchanger and the flow conditions in the interior of the plate heat exchanger. In addition, the evaporator unit may have a vapor separator for separating accumulating condensate or liquid particles from the live steam. Such an optional vapor separator is thus part of a pressurized unit.
Die Verdampfereinheit ist mit der Kolben-/Zylindereinheit verbunden, wobei der Frischdampf durch die Verdampfereinheit an die Kolben-/Zylindereinheit abgebbar bereitgestellt wird. Die Zuführung des Frischdampfes zu der Kolben-/Zylindereinheit erfolgt vorzugsweise durch einen herausgebildeten Dampfstrom und aufgrund der in dem Frischdampf gespeicherten Verdampfungswärme.The evaporator unit is connected to the piston / cylinder unit, wherein the live steam is provided releasably by the evaporator unit to the piston / cylinder unit. The supply of the live steam to the piston / cylinder unit is preferably carried out by a vapor stream formed and due to the heat of vaporization stored in the live steam.
Die Kolben-/Zylindereinheit ist erfindungsgemäß als einfach wirkende Kolben-/Zylindereinheit ausgebildet und weist vorliegend einen Zylinderkopf, einen Zylinder, einen Kolben sowie eine Kurbelwelle auf, wobei der Kolben axial beweglich in dem Zylinder angeordnet und mit der Kurbelwelle verbunden ist.The piston / cylinder unit according to the invention is designed as a single-acting piston / cylinder unit and in this case has a cylinder head, a cylinder, a piston and a crankshaft, wherein the piston is arranged axially movable in the cylinder and connected to the crankshaft.
Mittels des Zylinderkopfes ist hierbei der durch die Verdampfereinheit bereitgestellte Frischdampf in den Zylinder einleitbar.By means of the cylinder head, the live steam provided by the evaporator unit can be introduced into the cylinder.
Kolben und Zylinder bestehen beispielsweise aus Aluminium, wobei der Kolben zur Erhöhung der Oberflächenhärte zusätzlich eine Eloxierung im Mantelbereich und der Zylinder eine Beschichtung aus Nickel aufweisen kann. Insbesondere zur Reduzierung bewegter Massenanteile kann der Kolben auch aus Graphit oder Kunststoff bestehen.Pistons and cylinders are made of aluminum, for example, with the piston additionally having an anodization in the jacket area to increase the surface hardness and the cylinder having a coating of nickel. In particular, to reduce moving mass fractions, the piston may also consist of graphite or plastic.
Die axiale Bewegung des Kolbens wird erfindungsgemäß durch eine Expansion des Frischdampfes in dem Zylinder bewirkt. Hierbei nutzt die Niedertemperaturwärmekraftanlage die Eigenschaft des Frischdampfes, dass dieser bei entsprechend geringen Umgebungsdrücken eine sehr hohe Volumenänderungsarbeit bewirken und auf diese Weise ein, für die Bewegung des Kolbens erforderliches, Expansionsvolumen bereitstellen kann.The axial movement of the piston is effected according to the invention by an expansion of the live steam in the cylinder. In this case, the low-temperature thermal power plant utilizes the property of the live steam that, given correspondingly low ambient pressures, it can cause a very high volume change work and in this way can provide an expansion volume required for the movement of the piston.
Die in dem Frischdampf eingespeicherte Energie sorgt vorliegend für eine stabile Bereitstellung der axialen Bewegung des Kolbens und somit des Arbeitsbereichs der Niedertemperaturwärmekraftanlage.The stored energy in the live steam in the present case provides for a stable provision of the axial movement of the piston and thus of the working range of the low-temperature thermal power plant.
Die einfach wirkende Ausbildung der Kolben-/Zylindereinheit begünstigt es, dass deren Arbeitsraum heiß gehalten werden kann und somit in diesem nur ein sehr geringer Teil des Frischdampfes während der Expansion kondensiert. Durch den auf diese Weise stark reduzierten Wasseranteil des Frischdampfes sinkt zum einen der strömungstechnische und mechanische Widerstand in dem Arbeitsraum. Zum anderen erfolgt in diesem Bereich nur eine geringe Wärmeabgabe des Frischdampfes an die Kolben- und die Zylinderwand, wodurch dem Frischdampf nur wenig Energie entzogen wird und durch diesen entsprechend viel Arbeit verrichtet werden kann. Umgekehrt kann sogar gemäß einer später noch näher beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung durch eine Zylinderkopfheizung dem Frischdampf während der Expansion Wärme zugeführt werden. Nach der Expansion liegt der Frischdampf vorliegend als Abdampf vor, welcher über einen Abdampfauslass, beispielsweise in Form eines Auslassschlitzes innerhalb des Zylinders, welcher von dem Kolben in seinem oberen Totpunkt überfahren wird, aus der Kolben-/Zylindereinheit ausgelassen wird.The single-acting design of the piston / cylinder unit favors that their working space can be kept hot and thus condenses in this only a very small part of the live steam during expansion. Due to the greatly reduced in this way water content of the live steam drops on the one hand, the fluidic and mechanical resistance in the working space. On the other hand, in this area, only a small heat emission of the live steam to the piston and the cylinder wall, whereby the live steam is extracted only little energy and can be done by this correspondingly much work. Conversely, even in accordance with an advantageous further development described in more detail later, heat can be supplied to the live steam during the expansion by means of a cylinder-head heater. After expansion, the live steam is present in the form of exhaust steam, which is discharged from the piston / cylinder unit via an exhaust steam outlet, for example in the form of an outlet slot inside the cylinder, which is run over by the piston in its top dead center.
Die durch die Expansion des Frischdampfes bewirkte axiale Bewegung des Kolbens wird erfindungsgemäß von diesem auf die Kurbelwelle übertragen und dabei in eine Rotationsbewegung umgesetzt. Die Kurbelwelle ist vorliegend mit einer Arbeitsmaschine verbindbar, mit welcher aus der Rotationsbewegung die gewünschte elektrische Energie bereitstellbar ist. Die Arbeitsmaschine wird hierbei insbesondere durch einen Generator gebildet.The axial movement of the piston caused by the expansion of the live steam is transferred from the latter to the crankshaft and thereby converted into a rotational movement. In the present case, the crankshaft can be connected to a work machine with which the rotational movement can be achieved desired electrical energy can be provided. The work machine is in this case formed in particular by a generator.
Zudem ist die Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse aufgenommen, welches derart ausgebildet ist, dass ein großer Teil des Abdampfes, welcher nicht über den Dampfauslassschlitz aus dem Zylinder abgeführt werden kann, bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens in das Kurbelgehäuse strömt. Hierzu ist dem Kolben vorzugsweise ein Kolbenventil zugeordnet, über welches der Teil des Abdampfes in das Kurbelgehäuse ablassbar ist. Um in dem Kurbelgehäuse eine möglichst rasche Kondensation des Teils des Abdampfes zu erreichen, weist dieses vorzugsweise eine Kühlung auf, welche beispielsweise von einem Kaltwasservorlauf gespeist wird, bei welchem es sich um einen Heizungsrücklauf der Gebäudeheizung handelt. Das so aus dem Teil des Abdampfes gebildete Kondensat kann anschließend über einen zugeordneten Kondensatbehälter der Verdampfereinheit wieder zugeführt werden.In addition, the crankshaft is housed in a crankcase, which is designed such that a large part of the exhaust steam, which can not be discharged via the Dampfauslassschlitz from the cylinder flows in an upward movement of the piston in the crankcase. For this purpose, the piston is preferably associated with a piston valve, via which the part of the exhaust steam can be discharged into the crankcase. To achieve the fastest possible condensation of the part of the exhaust steam in the crankcase, this preferably has a cooling, which is fed for example by a cold water supply, which is a heating return of the building heating. The condensate thus formed from the part of the exhaust steam can then be fed back to the evaporator unit via an associated condensate tank.
Die Kolben-/Zylindereinheit ist zudem erfindungsgemäß mit der Kondensatoreinheit derart verbunden, dass der Großteil des Abdampfes, nachfolgend nur als Abdampf bezeichnet, mittels Verdrängung durch den Kolben aus dem Zylinder in die Kondensatoreinheit abführbar ist.The piston / cylinder unit is also according to the invention connected to the condenser unit such that the majority of the exhaust steam, hereinafter referred to only as Abdampf, can be discharged by means of displacement by the piston from the cylinder into the condenser unit.
Die Kondensatoreinheit weist vorliegend einen Kondensationswärmetauscher auf, aus welchem mittels Kühlwasser Wärme abführbar ist. Das Kühlwasser wird hierbei durch einen Kaltwasservorlauf bereitgestellt, bei dem es sich vorzugsweise um einen Heizungsrücklauf einer Gebäudeheizung handelt. Der Kondensationswärmetauscher ist vorzugsweise ebenfalls als Plattenwärmetauscher ausgebildet und ermöglicht durch das Kühlwasser eine Kondensierung des Abdampfes zu Wasser, welches anschließend ebenfalls der Verdampfereinheit wieder zugeführt werden kann. Gleichzeitig wird die in dem Abdampf eingespeicherte Energie während der Kondensation als Kondensationswärme freigesetzt und kann in thermischer Form beispielsweise einer Gebäudeheizung nahezu verlustlos zugeführt werden.The condenser unit has in the present case a condensation heat exchanger, from which heat can be dissipated by means of cooling water. The cooling water is provided here by a cold water supply, which is preferably a heating return of a building heating. The condensation heat exchanger is preferably also designed as a plate heat exchanger and allows through the cooling water, a condensation of the exhaust steam to water, which can then also be supplied to the evaporator unit again. At the same time, the energy stored in the exhaust steam is released during the condensation as heat of condensation and can be supplied in thermal form, for example, a building heating almost lossless.
Die Förderung des kondensierten Wassers von der Kondensatoreinheit zurück zur Verdampfereinheit sowie die Förderung des Teils des Abdampfes aus dem Kurbelgehäuse werden erfindungsgemäß durch die Förderpumpeneinheit bereitgestellt.The promotion of the condensed water from the condenser unit back to the evaporator unit as well as the promotion of the part of the exhaust steam from the crankcase are provided according to the invention by the feed pump unit.
Die Förderpumpeneinheit weist hierzu als wesentliche Komponente vorzugsweise eine Speisepumpe auf, welche an die Kurbelwelle der Kolben-/Zylindereinheit angekoppelt ist. Die Speisepumpe kann hierbei beispielsweise als Ein- oder Mehrkolbenpumpe ausgebildet sein, welche zur Vermeidung einer unerwünschten Dampfbildung in deren Ansaugbereich gekühlt wird.For this purpose, the feed pump unit has, as an essential component, preferably a feed pump, which is coupled to the crankshaft of the piston / cylinder unit. The feed pump may in this case be designed, for example, as a single-piston or multi-piston pump, which is cooled to avoid undesirable vapor formation in its intake region.
Die Niedertemperaturwärmekraftanlage zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass diese eine Vakuumpumpeneinheit aufweist, mittels welcher die Verdampfereinheit, die Kolben-/Zylindereinheit, die Kondensatoreinheit und die Förderpumpeneinheit evakuierbar und somit mit einem Unterdruck beaufschlagbar sind. Unter einem Unterdruck wird in diesem Zusammenhang ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks gemäß nachfolgender näherer Definition verstanden.The low-temperature thermal power plant according to the invention is characterized in that it comprises a vacuum pump unit, by means of which the evaporator unit, the piston / cylinder unit, the condenser unit and the feed pump unit can be evacuated and thus subjected to a negative pressure. Under a negative pressure is understood in this context, a pressure below the atmospheric pressure according to the following definition.
Als Unterdruck wird im Frischdampf ein Druck (absolut) von 0,12 bar bis 0,95 bar und im Abdampf ein Druck (absolut) von 0,01 bar bis 0,47 bar verstanden. (Der Unterdruck in der Förderpumpeneinheit und des Kondensats entspricht unter Vernachlässig von Druckverlusten durch Strömung auf der Saugseite dem Druck im Abdampf und auf der Pumpseite dem Druck im Frischdampf.) Hierbei liegt im Frischdampf eine Temperatur von 50 Grad Celsius bis 98 Grad Celsius und im Abdampf eine Temperatur von 10 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius vor. Dabei werden die Drücke innerhalb der genannten Bereiche so eingestellt, dass ein Durckgefälle zwischen der Frischdampfseite und der Abdampfseite vorliegt, damit der Dampf durch Expansion mechanische Arbeit verrichten kann. Die erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmekraftanlage wird innerhalb der angegebenen Bereiche bei solchen Wertepaaren betrieben, wie sie durch das physikalische Verhältnis von Druck und Verdampfungstemperatur bedingt sind.The negative pressure in the live steam is understood to mean a pressure (absolute) of 0.12 bar to 0.95 bar and in the exhaust steam a pressure (absolute) of 0.01 bar to 0.47 bar. (The negative pressure in the feed pump unit and the condensate corresponds neglecting pressure drops due to flow on the suction side to the pressure in the exhaust steam and on the pump side to the pressure in live steam.) Here, the live steam is a temperature of 50 degrees Celsius to 98 degrees Celsius and in the exhaust steam a temperature of 10 degrees Celsius to 80 degrees Celsius. The pressures within the said ranges are adjusted so that there is a pressure gradient between the main steam side and the exhaust steam side, so that the steam can perform mechanical work by expansion. The low temperature heat engine according to the invention is operated within the specified ranges in such value pairs, as they are caused by the physical ratio of pressure and evaporation temperature.
Bevorzugt liegen beispielsweise folgende Arbeitsbereiche vor: Beispiel 1:
Als möglicher erfindungsgemäßer Arbeitsbereich wird aber auch folgendes Beispiel angesehen: Beispiel 4:
Die sich einstellenden Frisch- und Abdampfdrücke (mit den jeweils entsprechenden Temperaturen) sind entscheidend von den zur Verfügung stehenden Heiz- und Kühlwassertemperaturen abhängig. Es können sich beispielsweise relativ heiße Frischdämpfe mit höheren Drücken und parallel dazu trotzdem auch Abdämpfe mit sehr niedrigen Druck und Temperatur bilden.The resulting fresh and exhaust steam pressures (with the corresponding temperatures) are critically dependent on the available heating and cooling water temperatures. For example, relatively hot fresh vapors with higher pressures and, in parallel, still fumes of very low pressure and temperature may form.
Grundsätzlich steuern deshalb immer die gerade zur Verfügung stehenden Kühl- und Heizwassertemperaturen die Druckverhältnisse (Frisch- und Abdampf) in der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmekraftanlage. Letztlich ändert sich dadurch nur der Wirkungsgrad zur Abzweigung der mechanischen Energie. In diesem Verhalten, was auch als passives Regelungsverhalten bezeichnet werden kann, liegt zugleich ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmekraftanlage. Das Betriebsverhalten ist bereits allein durch die Einstellung der Heiz- und/oder Kühlwassertemperaturen steuerbar. Einer eigenständigen Regelungseinheit der Niedertemperaturwärmekraftanlage bedarf vorteilhafterweise nicht.Therefore, always control the currently available cooling and Heizwassertemperaturen the pressure conditions (fresh and exhaust steam) in the low temperature heat engine according to the invention. Ultimately, this only changes the efficiency for branching off the mechanical energy. In this behavior, which can also be referred to as a passive control behavior, is at the same time a particular advantage of the low temperature heat engine according to the invention. The operating behavior can already be controlled by adjusting the heating and / or cooling water temperatures. An independent control unit of the low-temperature thermal power plant advantageously does not need.
Im vorteilhaften Anwendungsfall in der Gebäudetechnik können sich innerhalb einer Betriebsphase der Maschine sogar mehrfach diese Betriebsgrößen ändern, weil die Heiz- und Kühltemperaturen schwanken. Ausgleichende Regulierungen sind (wenn überhaupt gewollt) über Kühl- und Heizmediummassestrommengen möglich, aber für die Aufrechterhaltung des Betriebs der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmekraftanlage auch nicht erforderlich, solange ein noch ausreichendes Temperaturgefälle besteht. In diesem Betriebsverhalten, welches sich auch als passives Regelungsverhalten bezeichnen lässt, liegt zugleich ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmekraftanlage.In an advantageous application in building technology, these operating variables can even change several times within an operating phase of the machine because the heating and cooling temperatures fluctuate. Balancing regulations are possible (if at all) about cooling and Heizmediummassestrommengen, but not necessary for the maintenance of the operation of the low temperature heat engine according to the invention, as long as there is still a sufficient temperature gradient. In this operating behavior, which can also be described as a passive control behavior, is also a particular advantage of the low-temperature heat engine according to the invention.
Durch den Unterdruck innerhalb der druckführenden Einheiten der Niedertemperaturwärmekraftanlage wird vorliegend die obenstehend bereits angeführte, hohe Volumenänderungsarbeit des Frischdampfes zur Bereitstellung der Kolbenbewegung bewirkt, wobei bei niedrigen Drücken bis tief in den Unterdruckbereich hinein bereits geringe Wasserdampf- oder im vorliegenden Fall Frischdampfmengen sehr hohe Volumenänderungsarbeiten leisten können.Due to the negative pressure within the pressure-carrying units of the low-temperature thermal power plant, the above-mentioned, high volume change work of the live steam to provide the piston movement causes in the present case, at low pressures to deep into the negative pressure range already low water vapor or in the present case live steam quantities can make very high volume change work ,
Die Vakuumpumpeneinheit hat die Funktionen zum ersten, vorhandene Luft, welche für den Prozess unerwünscht ist, zu entfernen, zum zweiten einen Unterdruck zu erzeugen und zum dritten den Unterdruck während des Betriebes aufrecht zu erhalten, da eine absolute Dichtigkeit praktisch kaum erreichbar ist. Die Vakuumpumpeneinheit ist vorzugsweise im Bereich der Kondensatoreinheit angeschlossen, da prinzipbedingt der geringste Druck („größte Unterdruck”) innerhalb der Kondensatoreinheit bereitgestellt werden muss. Diese Anordnung der Vakuumpumpeneinheit beruht auf der Erkenntnis, dass durch einen besonders niedrigen Druck und dementsprechend niedrige Temperaturen auf der Kondensationsseite ein hoher Wirkungsgrad der Niedertemperaturwärmekraftanlage bei geringen Frischdampfdrücken bereitgestellt werden kann. Außerdem sammelt sich in der Kondensatoreinheit etwa verbliebene oder eingedrungene Luft, so dass sie dort von der Vakuumpumpe abgesaugt werden kann.The vacuum pump unit has the functions to remove the first air present, which is undesirable for the process, secondly to create a negative pressure and third to maintain the negative pressure during operation, since an absolute tightness is practically unattainable. The vacuum pump unit is preferably connected in the region of the condenser unit, since in principle the lowest pressure ("greatest vacuum") has to be provided within the condenser unit. This arrangement of the vacuum pump unit is based on the recognition that a high efficiency of the low temperature heat engine can be provided at low live steam pressures by a particularly low pressure and accordingly low temperatures on the condensation side. Furthermore Any remaining or penetrated air collects in the condenser unit so that it can be sucked off by the vacuum pump.
Durch die erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmekraftanlage werden zusammengefasst insbesondere folgende Vorteile bereitgestellt:
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass Wärmequellen mit sehr geringer Temperatur für einen Betrieb ausreichend sind. Eine solche Wärmequelle kann insbesondere auch ein Heizwasserstrom aus einem Heizkessel einer Gebäudeheizungsanlage, aus einem Pufferspeicher oder aus einer Solarkollektoranlage sein. Es kann sich dabei um einen Heizwasserstrom mit beispielsweise 85 Grad Celsius und weniger handeln. Als Vorteil ist damit auch eine wirtschaftliche Energieerzeugung aus Biomasseverbrennung einschließlich Holzverbrennung möglich. Möglich ist auch die Nutzung von Prozessabwärme in einem betrieblichen Umfeld. Der Vorteil besteht also darin, dass aus einer solchen thermischen Energiequelle von geringer Temperatur ein Teil der Energie als mechanische Energie, welche vorzugsweise über einen damit angetriebenen Generator als elektrische Energie nutzbar gemacht werden kann, ausgekoppelt werden kann. Insbesondere besteht ein Vorteil darin, dass Heißwasser in flüssigem Aggregatzustand bei Atmosphärendruck als Heizquelle verwendbar ist.In particular, the following advantages are provided by the low-temperature thermal power plant according to the invention:
A particular advantage is that heat sources with very low temperature are sufficient for operation. Such a heat source can in particular also be a heating water flow from a boiler of a building heating system, from a buffer storage or from a solar collector system. It can be a heating water flow with, for example, 85 degrees Celsius and less. An advantage is thus also an economic energy production from biomass combustion including wood combustion possible. It is also possible to use process waste heat in a business environment. The advantage, therefore, is that from such a thermal energy source of low temperature, a part of the energy as mechanical energy, which can preferably be harnessed via a generator driven therewith as electrical energy, can be coupled out. In particular, there is an advantage that hot water in a liquid state at atmospheric pressure is usable as a heat source.
Besonders vorteilhaft ist dabei die zugleich vergleichsweise geringe erforderliche Temperatursenke von beispielsweise 45 Kelvin, so dass an der Kondensationsseite ein Temperaturniveau anliegt, beispielsweise 40 Grad Celsius, welches als Vorlauftemperatur für eine Raumheizung verwendbar bleibt. In diesem Fall kann die erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmekraftanlage in eine Heizungsanlage eingebunden werden und einen Teil der Wärmeenergie, insbesondere bei Überschüssen, verstromen.Particularly advantageous is the same time comparatively low required temperature sink, for example, 45 Kelvin, so that on the condensation side, a temperature level is applied, for example, 40 degrees Celsius, which remains usable as a flow temperature for space heating. In this case, the low-temperature thermal power plant according to the invention can be integrated into a heating system and a part of the heat energy, in particular in the event of excesses, will flow.
Durch die geringen Temperaturen und Drücke können auch bei den bewegten Bauteilen Materialien wie Kunststoffe eingesetzt werden, die durch geringe Masse und geringe Wärmeleitfähigkeiten zusätzliche Wirkungsgradvorteile gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschinen ermöglichen.Due to the low temperatures and pressures, materials such as plastics can be used even in the moving components that allow additional efficiency advantages over conventional heat engines by low mass and low thermal conductivity.
Bei einer konstruktiven Auslegung der Niedertemperaturwärmekraftanlage müssen keine drucksicherheitsrelevanten Vorgaben berücksichtigt werden, da bei einer eventuellen Beschädigung der Niedertemperaturwärmekraftanlage keine relativ gegenüber dem Atmosphärendruck gespannten Medien vorliegen. Ferner kann im Beschädigungsfall prinzipbedingt kein Dampf austreten. Darüber hinaus durch die Einwirkung des Atmosphärendrucks ein sofortiger Stopp der Dampfbildung innerhalb des System bewirkt. Es besteht somit weder eine Explosions- noch eine Verbrühungsgefahr. Ein sicherheitsrelevanter Vorteil besteht auch darin, dass im Beschädigungsfall der druckführenden Einheiten auch die mechanischen Prozesse selbststätig zum Erliegen kommen. Somit kann eine erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmekraftanlage kostengünstig bereitgestellt und zudem besonders sicher betrieben werden.In a constructive design of the low-temperature thermal power plant no pressure safety relevant requirements must be considered because there is no relative to the atmospheric pressure strained media in case of damage to the low-temperature thermal power plant. Furthermore, in the event of damage due to the principle, no steam can escape. In addition, the effect of atmospheric pressure causes an immediate stop of vapor formation within the system. There is thus neither an explosion nor a scalding hazard. A safety-relevant advantage also consists in the fact that in the event of damage to the pressure-carrying units, the mechanical processes automatically come to a standstill. Thus, a low-temperature heat engine according to the invention can be provided inexpensively and also operated particularly safely.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Niedertemperaturwärmekraftanlage weist die Kolben-/Zylindereinheit eine Zylinderheizung auf.In a preferred embodiment of the low-temperature thermal power plant, the piston / cylinder unit has a cylinder heater.
Die Zylinderheizung ist hierbei so ausgebildet, dass diese den Zylinder mindestens im Kopfbereich, vorzugsweise aber bis zu dem Abdampfauslass umschließt und durch den Heizwasserstrom geheizt wird, welcher auch für die Verdampfung des Wassers genutzt wird. Dabei wird der Heizwasserstrom bevorzugt in der Weise hydraulisch in Reihe geschaltet, dass dass Heizwasser zuerst die Zylinderheizung und nachfolgend die Verdampereinheit durchströmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die höchste verfügbare Temperatur in der Zylinderheizung anliegt.The cylinder heater is in this case designed so that it encloses the cylinder at least in the head region, but preferably up to the exhaust steam outlet and is heated by the Heizwasserstrom, which is also used for the evaporation of the water. In this case, the heating water flow is preferably connected in series hydraulically in such a way that the heating water first flows through the cylinder heater and subsequently the evaporator unit. This ensures that the highest available temperature is present in the cylinder heater.
Diese vorteilhafte Weiterbildung steht vor dem Hintergrund, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Druck- und Temperaturbedingungen eine Überhitzung des erzeugten Frischdampfes, welche ein vorteilhaftes Expansionsverhalten ohne vorzeitige Kondensation und mit einem Anteil reiner Gasexpansion gewährleisten könnte, praktisch nicht möglich ist.This advantageous development is against the background that due to the pressure and temperature conditions according to the invention, overheating of the generated live steam, which could ensure an advantageous expansion behavior without premature condensation and with a proportion of pure gas expansion, is practically impossible.
Mittels der Zylinderheizung wird vorliegend eine Erhitzung des Zylinders und insbesondere der Zylinder- und vorzugsweise auch Kolbenwandungen in dem Arbeitsraum bewirkt und dadurch in diesem Bereich eine Wärmeabgabe an den Frischdampf ermöglicht. Insbesondere wird auch während der Expansion Wärme von dem Zylinder an den Frischdampf nachgeführt. Durch diese Wärmeabgabe wird als technologischer Vorteil die Expansion des Frischdampfes zwar nicht vollständig, aber stärker einem isothermischen Prozess angenähert gehalten, sodass, wie obenstehend bereits beschrieben, bei sich absenkendem Kolben ein größerer Teil der Arbeitsfähigkeit des Frischdampfes erhalten bleibt. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmekraftanlage in einem Prozess betrieben werden, der nicht lediglich die Charakteristik eines ausschließlichen Dampfmotors, sondern teilweise auch eines Stirlingmotors aufweist. Zudem werden der Frischdampf durch den Wärmeeintrag trocken gehalten, indem einer Kondensation entgegengewirkt wird, und die Widerstände innerhalb der Kolben-/Zylindereinheit durch Verhindern einer verfrühten Wasserbildung reduziert, was im Ergebnis zu einer Steigerung des Wirkungsgrades der Niedertemperaturwärmekraftanlage führt.By means of the cylinder heater, in the present case, a heating of the cylinder and in particular of the cylinder and preferably also piston walls is effected in the working space, thereby enabling heat to be released to the live steam in this area. In particular, heat is also tracked from the cylinder to the live steam during the expansion. As a result of this heat release, the expansion of the live steam, although not completely, is more closely approximated to an isothermal process as a technological advantage, so that, as already described above, a larger part of the working capacity of the live steam is retained when the piston is lowered. In this way, the low-temperature thermal power plant according to the invention can be operated in a process which not only has the characteristic of an exclusive steam engine, but partially also of a Stirling engine. In addition, the Main steam is kept dry by the heat input by counteracting condensation and reduces the resistances within the piston / cylinder unit by preventing premature water formation, resulting in an increase in the efficiency of the low temperature thermal power plant as a result.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Kolben-Zylindereinheit einen Kolben aus Kunststoff auf. Diese Weiterbildung ist möglich, weil die erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmekraftanlage den Kolben nur vergleichsweise geringen thermischen Belastung aussetzt, wie sie sich aus den angegebenen Temperaturbereichen ergibt, so dass zum ersten ein Materialversagen durch thermische Belastung auch bei einem Kunststoffkolben vermieden werden kann und zum zweiten die thermische Ausdehnung eines Kunststoffkolbens konstruktiv beherrschbar bleibt. Ferner wird durch die geringen Druckgefälle zwischen der Frischdampfseite und der Abdampfseite der Kolben mechanisch relativ gering beansprucht, so dass auch ein mechanisches Materialversagen eines Kunststoffkolbens vermieden werden kann. Der besondere Vorteil besteht in der geringen Masse, so dass weniger Massen im Betrieb bewegt werden müssen, und in der möglichen kostengünstigen Herstellung. Bevorzugt handelt es sich um einen Kolben aus faserbewehrtem Kunststoff.In a further advantageous development, the piston-cylinder unit has a piston made of plastic. This development is possible because the low-temperature heat engine according to the invention exposes the piston only comparatively low thermal load, as it results from the specified temperature ranges, so that the first material failure can be avoided by thermal stress in a plastic piston and the second, the thermal expansion of a Plastic piston remains structurally manageable. Furthermore, due to the low pressure gradient between the live steam side and the exhaust steam side, the piston is subjected to relatively little mechanical stress so that a mechanical material failure of a plastic piston can also be avoided. The particular advantage is the low mass, so that less masses must be moved during operation, and in the possible cost-effective production. It is preferably a piston made of fiber-reinforced plastic.
In einer alternativen Weiterbildung weist die Kolben-Zylindereinheit einen Kolben aus Graphit auf. Wie bei einem Kunststoffkolben besteht ein Vorteil in der geringen Masse, so dass weniger Massen im Betrieb beschleunigt und verzögert werden müssen. Zudem besteht ein besonderer Vorteil in den selbstschmierenden Eigenschaften von Graphit.In an alternative development, the piston-cylinder unit has a piston made of graphite. As with a plastic piston, there is an advantage in the low mass, so that fewer masses must be accelerated and decelerated during operation. In addition, there is a particular advantage in the self-lubricating properties of graphite.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weist die Förderpumpeneinheit eine Kühlung auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Niedertemperaturwärmekraftanlage auch bei besonders geringen Temperaturgefällen betrieben werden und mechanische Arbeit verrichten kann. Bei den ohnehin anliegenden sehr geringen Absolutdrücken kann es bei ungünstigen Temperatur-Druck-Arbeitsbereichen auf der Saugseite durch den konstruktionsbebedingten Druckabfall zu Dampfbildungen kommen. Der ordnungsgemäße Betrieb der Förderpumpeneinheit würde dann durch ein Ansaugen eines gasförmigen Mediums gestört werden. Durch die Kühlung wird dieser Dampfbildung entgegengewirkt. Damit kann der Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmekraftanlage zusätzlich ausgeweitet und der Wirkungsgrad erhöht werden.In another advantageous development, the feed pump unit has a cooling. This has the particular advantage that the low-temperature heat engine can be operated even with very low temperature gradients and can perform mechanical work. In the case of the already present very low absolute pressures, unfavorable temperature-pressure working ranges on the suction side can lead to vapor formation due to the design-related pressure drop. The proper operation of the feed pump unit would then be disturbed by suction of a gaseous medium. By cooling this steam formation is counteracted. Thus, the working range of the low temperature heat engine according to the invention can be further expanded and the efficiency can be increased.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Niedertemperaturwärmekraftanlage zusätzlich eine Arbeitsmaschine auf, mit welcher mechanische in elektrische Energie umwandelbar ist, nachfolgend auch als Generator bezeichnet. Ferner sind die Kurbelwelle und rotierende Teile des Generators in einem gemeinsamen Druckraum angeordnet. Diese Weiterbildung ermöglicht es, den Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit wirksam zu steigern.In a further advantageous development, the low-temperature thermal power plant additionally has a working machine with which mechanical energy can be converted into electrical energy, hereinafter also referred to as a generator. Furthermore, the crankshaft and rotating parts of the generator are arranged in a common pressure chamber. This development makes it possible to effectively increase the efficiency and reliability.
Da es sich bei dem Generator nicht um eine druckführende Einheit handelt, besteht das Problem, dass der Austritt der Kurbelwelle aus dem durchführenden Kurbelgehäuse hin zu der unter Atmosphärendruck befindlichen Antriebswelle des Generators als bewegtes Bauteil abgedichtet werden muss. Prinzipiell ist dieses Problem durch geeignete Wellendichtringe lösbar, es verbleiben aber stets die Nachteile von zusätzlichen Kosten, mechanischen Reibungsverlusten und von Restundichtigkeiten. Dieses Problem wird durch die Weiterbildung vorteilhaft gelöst. Der gemeinsame Druckraum kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass alle Baugruppen von einem druckdichten Gehäuse aufgenommen werden, in welchem der gleiche Unterdruck eingestellt wird, wie der im Kurbelgehäuse anliegt. Das Gehäuse muss nicht notwendigerweise alle Baugruppen umfassen, entscheidend ist, dass der Bereich des Kurbelwellenaustritts erfasst ist. Es ist aber gemäß der Weiterbildung auch möglich, den Generator oder auch nur dessen rotierende Teile in das Kurbelgehäuse zu integrieren. In diesem Fall liegt der gemeinsame Druckraum in dem Kurbelgehäuse vor. Durch den gemeinsamen Druckraum kann auf eine druckdichte Abdichtung der Kurbelwelle hin zu der Antriebswelle verzichtet werden. Die mit einer solchen Abdichtung verbundenen Nachteile werden überwunden. Gemäß dieser Weiterbildung müssen keine bewegten Teile mehr unter Druckdifferenz abgedichtet werden.Since the generator is not a pressurized unit, there is the problem that the exit of the crankshaft from the passing crankcase to the engine's under-pressure drive shaft must be sealed as a moving member. In principle, this problem can be solved by suitable shaft seals, but there are always the disadvantages of additional costs, mechanical friction losses and residual leakage. This problem is solved by the training advantageous. The common pressure chamber can be formed, for example, in that all assemblies are taken up by a pressure-tight housing, in which the same negative pressure is set as that in the crankcase. The housing does not necessarily have to include all components, it is crucial that the area of the crankshaft outlet is detected. However, according to the development, it is also possible to integrate the generator or else only its rotating parts into the crankcase. In this case, the common pressure chamber is present in the crankcase. Due to the common pressure chamber can be dispensed with a pressure-tight sealing of the crankshaft to the drive shaft. The disadvantages associated with such a seal are overcome. According to this development, no moving parts need to be sealed under pressure difference.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand vonThe invention will be described as an embodiment with reference to
näher erläutert.
explained in more detail.
Die
Die Niedertemperaturwärmekraftanlage weist vorliegend eine Verdampfereinheit
Die Verdampfereinheit
Mittels der Verdampfereinheit
Der Frischdampf wird über ein Frischdampfsystem
Die Kolben-/Zylindereinheit
Der Kolben
Aufgrund der durch die Vakuumpumpeneinheit
Nach der Expansion liegt der Frischdampf als Abdampf vor, welcher bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens
Es wurde gefunden, dass eine besonders gute und anhaltende Arbeitsfähigkeit des Frischdampfes während seiner Expansion in dem Zylinder
Über das Abdampfsystem
Die Rückförderung des Kondensats wird hierbei durch die Förderpumpeneinheit
Die Vakuumpumpeneinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Verdampfereinheitevaporator unit
- 22
- Kolben-/ZylindereinheitPiston / cylinder unit
- 2.12.1
- Zylinderkopfcylinder head
- 2.22.2
- Zylindercylinder
- 2.32.3
- Kolbenpiston
- 2.42.4
- Kurbelwellecrankshaft
- 2.52.5
- Kurbelgehäusecrankcase
- 2.62.6
- Zylinderheizungbarrel heating
- 2.72.7
- Kurbelgehäusekühlungcrankcase cooling
- 33
- Arbeitsmaschineworking machine
- 44
- Kondensatoreinheitcondenser unit
- 55
- FörderpumpeneinheitFeed pump unit
- 66
- Vakuumpumpeneinheitvacuum unit
- 77
- VentilValve
- 88th
- Dampfabscheidersteam separator
- 99
- unterer Kondensatbehälterlower condensate tank
- 1010
- HauptkondensatbehälterMain condensate tank
- 1111
- RückförderpumpeReturn pump
- 1212
- FrischdampfsystemSteam system
- 1313
- AbdampfsystemAbdampfsystem
- 1414
- Kondensatsystemcondensate system
- 1515
- HeizwasservorlaufHeating water flow
- 1616
- HeizwasserrücklaufHeating water
- 1717
- KaltwasservorlaufChilled water flow
- 1818
- KaltwasserrücklaufCold water return
- 1919
- Entlüftungssystemventing system
Claims (6)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102015013896.0A DE102015013896B3 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Low-temperature thermal power plant |
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---|---|---|---|
DE102015013896.0A DE102015013896B3 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Low-temperature thermal power plant |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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DE102015013896.0A Active DE102015013896B3 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Low-temperature thermal power plant |
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---|---|
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- 2015-10-27 DE DE102015013896.0A patent/DE102015013896B3/en active Active
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