DE102018100263A1 - Energy conversion system and energy conversion process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System (2) und ein Verfahren zur Energieumwandlung, umfassend einen mehrere Teilförderwege umfassenden Hauptförderweg für einen Luftmassenstrom mit einem Eingang (11) für Umgebungsluft und einem Ausgang (71) für Abluft, eine Luftmassenfördereinrichtung (25), wenigstens eine primäre Wärmequelle (4), wenigstens eine Erhitzungseinheit (31, 32) und eine Expansionseinheit (51).Dabei ist die wenigstens eine primäre Wärmequelle (4) ausgebildet und angeordnet, die Erhitzungseinheit (31, 32) mit Wärmeenergie zu versorgen, wobei die Luftmassenfördereinrichtung (25) den Luftmassenstrom durch den Hauptförderweg transportiert und der Erhitzungseinheit (31, 32) den Luftmassenstrom so zu- und abführt, dass der Luftmassenstrom im Wesentlichen isochor erhitzt wird. Aus der Expansionseinheit (51) austretende Abluft wird zur zusätzlichenThe invention relates to a system (2) and a method for energy conversion, comprising a main mass air flow conveying path having an inlet (11) for ambient air and an outlet (71) for exhaust air, an air mass conveyor (25), at least one primary heat source (4), at least one heating unit (31, 32) and an expansion unit (51). The at least one primary heat source (4) is designed and arranged to supply thermal energy to the heating unit (31, 32), the air mass conveyor (25 ) transports the air mass flow through the main conveying path and the heating unit (31, 32) the air mass flow and so forth that the air mass flow is heated substantially isochoric. From the expansion unit (51) exiting exhaust air is added
Description
Die Erfindung betrifft ein System zur Energieumwandlung, umfassend einen mehrere Teilwege umfassenden Hauptförderweg für einen Luftmassenstrom mit einem Eingang für Umgebungsluft und einen Ausgang für Abluft, eine Luftmassenfördereinrichtung, wenigstens eine primäre Wärmequelle, wenigstens eine Erhitzungseinheit und eine Expansionseinheit sowie ein Verfahren zum Energieumwandeln, wobei ein Luftstrom durch einen Hauptförderweg, der mehrere Teilförderwege umfasst, von einem Eingang für Umgebungsluft zu einem Ausgang für Abluft gefördert wird.The invention relates to a system for energy conversion, comprising a main path for a mass air flow comprising several partial paths with an input for ambient air and an outlet for exhaust air, an air mass conveyor, at least one primary heat source, at least one heating unit and an expansion unit and a method for energy conversion, wherein Air flow through a main conveying path, which comprises a plurality of partial conveying paths, is conveyed from an input for ambient air to an outlet for exhaust air.
Derartige Systeme zur Energieumwandlung haben eine Vielzahl von Anwendungsbereichen. Ein typisches Beispiel ist die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie mittels einer Turbine und einem Generator. Dazu wird ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch die Wärmeenergie erhitzt. Durch anschließende Expansion des erhitzten Mediums in der Turbine wird die Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt. Schließlich wird mit der kinetischen Energie der Generator angetrieben, der die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt.Such energy conversion systems have a variety of applications. A typical example is the conversion of thermal energy into electrical energy by means of a turbine and a generator. For this purpose, a liquid or gaseous medium is heated by the heat energy. Subsequent expansion of the heated medium in the turbine converts the thermal energy into kinetic energy. Finally, with the kinetic energy of the generator is driven, which converts the kinetic energy into electrical energy.
Bei derartigen Energieumwandlungsprozessen wird die Wärmeenergie nicht vollständig in kinetische oder elektrische Energie umgewandelt, ein Anteil der eingesetzten Wärmeenergie geht an die Umgebung verloren. Der Anteil der in kinetische Energie oder elektrische Energie umgewandelten Wärmeenergie wird durch den Wirkungsgrad angegeben.In such energy conversion processes, the heat energy is not completely converted into kinetic or electrical energy, a portion of the thermal energy used is lost to the environment. The proportion of thermal energy converted into kinetic energy or electrical energy is indicated by the efficiency.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zur Energieumwandlung anzugeben, bei dem die Wärmeenergie einer primären Wärmequelle unter einem hohen Wirkungsgrad umgewandelt wird.The invention has for its object to provide a system and a method for energy conversion, in which the heat energy of a primary heat source is converted under a high efficiency.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Energieumwandlung, umfassend einen mehrere Teilförderwege umfassenden Hauptförderweg für einen Luftmassenstrom mit einem Eingang für Umgebungsluft und einem Ausgang für Abluft, eine Luftmassenfördereinrichtung, wenigstens eine primäre Wärmequelle, wenigstens eine Erhitzungseinheit und eine Expansionseinheit, wobei
- - ein erster Teilförderweg vom Eingang des Hauptförderwegs zu einem ersten Eingang der Luftmassenfördereinrichtung führt,
- - ein zweiter Teilförderweg durch einen ersten Teil der Luftmassenfördereinrichtung vom ersten Eingang der Luftmassenfördereinrichtung zu einem ersten Ausgang der Luftmassenfördereinrichtung führt,
- - ein dritter Teilförderweg vom ersten Ausgang der Luftmassenfördereinrichtung durch die wenigstens eine Erhitzungseinheit zu einem zweiten Eingang der Luftmassenfördereinrichtung führt, wobei die Erhitzungseinheit dazu ausgebildet ist, den Luftmassenstrom zu erwärmen,
- - ein vierter Teilförderweg durch einen zweiten Teil der Luftmassenfördereinrichtung vom zweiten Eingang der Luftmassenfördereinrichtung zu einem zweiten Ausgang der Luftmassenfördereinrichtung führt,
- - ein fünfter Teilförderweg vom zweiten Ausgang der Luftmassenfördereinrichtung durch die Expansionseinheit führt, wobei die Expansionseinheit dazu eingerichtet ist, Energie, die durch Expansion des erwärmten Luftmassenstroms frei wird, in kinetische Energie umzuwandeln und einem Verbraucher zuzuführen,
- - ein sechster Teilförderweg von einem Ausgang der Expansionseinheit zur wenigstens einen Erhitzungseinheit führt, und
- - ein siebter Teilförderweg in oder an der Erhitzungseinheit mit dem dritten Teilförderweg zum Ausgang für Abluft führt, wobei der siebte Teilförderweg so an den dritten Teilförderweg angenähert ist, dass restliche Wärme des im siebten Teilförderweg geführten Luftmassenstroms wenigstens teilweise an den im dritten Teilförderweg geführten Luftmassenstrom abgegeben wird,
- a first partial conveying path leads from the entrance of the main conveying path to a first inlet of the air mass conveying device,
- a second partial conveying path through a first part of the air mass conveying device leads from the first inlet of the air mass conveying device to a first outlet of the air mass conveying device,
- a third partial conveying path leads from the first outlet of the air mass conveying device through the at least one heating unit to a second inlet of the air mass conveying device, wherein the heating unit is designed to heat the air mass flow,
- a fourth partial conveying path through a second part of the air mass conveying device leads from the second inlet of the air mass conveying device to a second outlet of the air mass conveying device,
- a fifth partial conveying path leads from the second outlet of the air mass conveying device through the expansion unit, wherein the expansion unit is set up to convert energy, which is released by expansion of the heated air mass flow, into kinetic energy and feed it to a consumer,
- a sixth partial conveying path leads from an exit of the expansion unit to the at least one heating unit, and
- - A seventh Teilförderweg in or on the heating unit with the third Teilförderweg leads to the exit for exhaust air, wherein the seventh Teilförderweg is approximated to the third Teilförderweg that residual heat of the guided in the seventh Teilförderweg air mass flow at least partially delivered to the guided in the third Teilförderweg air mass flow becomes,
Bei der Expansionseinheit handelt es sich beispielsweise um eine Turbine und bei dem Verbraucher beispielsweise um einen Generator. Die Erhitzungseinheit, in oder an der der siebte Teilförderweg an den dritten Teilförderweg angenähert ist, ist als Wärmetauscher ausgebildet.The expansion unit is, for example, a turbine and the consumer, for example, a generator. The heating unit, in or at which the seventh Teilförderweg is approximated to the third Teilförderweg is formed as a heat exchanger.
Die Luftmassenfördereinrichtung ist von einem Motor angetrieben und fördert den Luftmassenstrom vom ersten Teilförderweg durch den zweiten Teilförderweg in den dritten Teilförderweg und vom dritten Teilförderweg durch den vierten Teilförderweg zum fünften Teilförderweg. Der zweite Teilförderweg ist dabei in dem ersten Teil der Luftmassenfördereinrichtung und der vierte Teilförderweg in dem zweiten Teil der Luftmassenfördereinrichtung angeordnet. Bei geeigneter Konfiguration eines Verbrauchers an der Expansionseinheit, beispielsweise eines elektrischen Generators, und Verwendung eines Elektromotors zum Antrieb der Luftmassenfördereinrichtung kann ein Teil des mit dem Generator erzeugten Stroms zur Bestromung des Motors verwendet werden.The air mass conveying device is driven by a motor and conveys the air mass flow from the first Teilförderweg through the second Teilförderweg in the third Teilförderweg and the third Teilförderweg through the fourth Teilförderweg to the fifth Teilförderweg. The second partial conveying path is in the first part of the air mass conveying device and the fourth partial conveying path in the second part of the air mass conveying device arranged. With a suitable configuration of a consumer on the expansion unit, for example an electric generator, and use of an electric motor for driving the air mass conveyor, a part of the current generated by the generator can be used to energize the motor.
Zwischen den Trennmitteln der Luftmassenfördereinrichtung sind Kammern umfasst, in denen der geförderte Luftmassenstrom transportiert wird. Die Trennmittel bewegen sich zyklisch durch den ersten Teil und den zweiten Teil der Luftmassenfördereinrichtung und fördern so die Luft vom ersten Eingang zum ersten Ausgang und vom zweiten Eingang zum zweiten Ausgang. Durch die Trennmittel und die zwischen den Trennmitteln eingeschlossenen Kammern wird der Luftmassenstrom dem dritten Teilförderweg portioniert zu- und abgeführt.Between the separating means of the air mass conveyor chambers are included, in which the conveyed air mass flow is transported. The separating means move cyclically through the first part and the second part of the air mass conveying device and thus promote the air from the first input to the first output and from the second input to the second output. By means of the separating means and the chambers enclosed between the separating means, the air mass flow is added in portions to the third partial conveying path.
Das Teilvolumen, welches die Luft im dritten Teilförderweg sowie die Luft in den an den dritten Teilförderweg über den ersten Ausgang und den zweiten Eingang verbundenen Kammern umfasst, bleibt im Wesentlichen konstant. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass das dem dritten Teilförderweg portioniert zu- und abgeführte Luftvolumen deutlich kleiner als das Luftvolumen im dritten Teilförderweg ist. Somit findet die Erwärmung der Luft in der Erhitzungseinheit oder den Erhitzungseinheiten im dritten Teilförderweg im Wesentlichen isochor statt. Unter dem Ausdruck „im Wesentlichen isochor“ wird im Rahmen dieser Patentanmeldung verstanden, dass sich das erhitzte Luftvolumen während des Erhitzungsprozesses nur unwesentlich verändert und mit der Erwärmung der Luft hauptsächlich der Luftdruck ansteigt. Das veränderliche Volumen ist das Volumen des Einlasses und Auslasses im zweiten und vierten Teilförderweg, während das Volumen im dritten Teilförderweg als Bauvolumen konstant ist. Diese zyklische Volumenschwankung, die auch als isochores Leveling bezeichnet wird, hängt von dem Verhältnis des veränderlichen Volumens des Ein- und Auslasses zum konstanten Bauvolumen ab. Typische Werte für dieses Verhältnis sind vorzugsweise 1:10 oder weniger, vorzugsweise 1:20 oder weniger.The sub-volume, which includes the air in the third Teilförderweg and the air in the connected to the third Teilförderweg via the first output and the second input chambers, remains substantially constant. This is achieved, inter alia, by the fact that the portion of air supplied and discharged in portions to the third partial conveying path is significantly smaller than the volume of air in the third partial conveying path. Thus, the heating of the air in the heating unit or units in the third partial conveying path is substantially isochoric. For the purposes of this patent application, the term "substantially isochoric" is understood to mean that the heated air volume changes only insignificantly during the heating process, and that the air pressure rises primarily as the air is heated. The variable volume is the volume of the inlet and outlet in the second and fourth Teilförderweg, while the volume in the third Teilförderweg is constant as a volume of construction. This cyclic volume fluctuation, also referred to as isochronous leveling, depends on the ratio of the variable volume of the inlet and outlet to the constant volume of construction. Typical values for this ratio are preferably 1:10 or less, preferably 1:20 or less.
Vorteilhaft wird durch die isochore bzw. im Wesentlichen isochore Erhitzung der Luft ein höherer Wirkungsgrad erreicht, als wenn das Luftvolumen während der Erhitzung nicht begrenzt wird und sich daher unbeschränkt ausdehnen kann. Letzteres ist beispielsweise bei einem System der Fall, bei dem die Luft ohne erfindungsgemäße Luftmassenfördereinrichtung durch eine Erhitzungseinheit geleitet wird.Advantageously, higher is achieved by the isochoric or substantially isochoric heating of the air, as if the volume of air is not limited during heating and therefore can expand indefinitely. The latter is the case for example in a system in which the air without inventive air mass conveyor is passed through a heating unit.
Zudem wird bei dem erfindungsgemäßen System vorteilhaft die Restwärme der Abluft genutzt, um die Luft in der Erhitzungseinheit zu erwärmen. Unter Abluft wird im Rahmen der Erfindung der Luftmassenstrom verstanden, der aus der Expansionseinheit austritt, durch den sechsten und siebten Teilförderweg geleitet wird und schließlich aus dem Ausgang für Abluft austritt. Zur Erwärmung des Luftmassenstroms im dritten Teilförderweg wird also sowohl die Wärmeenergie der primären Wärmequelle als auch die Restwärme der Abluft verwendet. Auf diese Weise wird ein erhöhter Wirkungsgrad des Systems zur Energieumwandlung erzielt.In addition, in the system according to the invention advantageously the residual heat of the exhaust air is used to heat the air in the heating unit. In the context of the invention, exhaust air is understood as meaning the air mass flow which exits from the expansion unit, is passed through the sixth and seventh partial conveying paths and finally exits the outlet for exhaust air. To heat the air mass flow in the third part of the delivery path so both the heat energy of the primary heat source and the residual heat of the exhaust air is used. In this way, an increased efficiency of the system for energy conversion is achieved.
Nachdem die Abluft im siebten Teilförderweg ihre Restwärme zumindest teilweise an den Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg abgegeben hat, wird sie im siebten Teilförderweg zum Ausgang für Abluft geleitet.After the exhaust air has given off its residual heat in the seventh Teilförderweg at least partially to the air mass flow in the third Teilförderweg, it is passed in the seventh Teilförderweg to the exit for exhaust air.
Vorteilhaft wird in dem System ausschließlich Luft als energietragendes Medium verwendet. Die Zugabe eines Treibstoffs ist nicht erforderlich. Es genügt, wenn außer der Umgebungsluft die Wärmeenergie der primären Wärmequelle sowie kinetische Energie zum Antrieb der beweglichen Trennmittel durch einen Motor zur Verfügung gestellt wird, wobei für den Antrieb der beweglichen Trennmittel auch ein Teil der aus der Expansionseinheit oder dem Verbraucher erzeugten Energie verwendet werden kann. Weiterhin vorteilhaft werden durch das System zur Energieumwandlung keine schädigenden Verbrennungsprodukte freigesetzt, da nur die Abluft als Endprodukt an die Umgebung abgegeben wird.Advantageously, only air is used as the energy-carrying medium in the system. The addition of a fuel is not required. It is sufficient if, in addition to the ambient air, the heat energy of the primary heat source and kinetic energy to drive the movable separating agent is provided by a motor, wherein for driving the movable separating means and a part of the energy generated from the expansion unit or the consumer can be used , Further advantageous no harmful combustion products are released by the system for energy conversion, since only the exhaust air is discharged as an end product to the environment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Luftmassenfördereinrichtung wenigstens drei den Luftmassenstrom fördernde bewegliche Trennmittel, wobei die Trennmittel um eine zentrale Drehachse rotierbar sind.In accordance with a preferred embodiment, the air mass conveying device comprises at least three movable separating means which promote the air mass flow, wherein the separating means are rotatable about a central axis of rotation.
In dieser Ausführungsform sind die Trennmittel bevorzugt zwischen einem inneren und einem äußeren zylindrischen Körper angeordnet und rotieren um eine gemeinsame Drehachse. Zwischen den Trennmitteln sind die Kammern der Luftmassenfördereinrichtung eingeschlossen.In this embodiment, the separating means are preferably arranged between an inner and an outer cylindrical body and rotate about a common axis of rotation. Between the separating means, the chambers of the air mass conveyor are included.
In dem ersten Teil der Luftmassenfördereinrichtung ist der erste Eingang und der erste Ausgang und in dem zweiten Teil der zweite Eingang und der zweite Ausgang angeordnet. Die Eingänge und Ausgänge sind jeweils bevorzugt als Aussparungen in dem äußeren zylindrischen Körper ausgebildet. Durch die Rotation der Trennmittel wird die Luft in den Kammern von dem ersten Eingang zum ersten Ausgang und vom zweiten Eingang zum zweiten Ausgang transportiert.In the first part of the air mass conveying device, the first input and the first output and in the second part of the second input and the second output is arranged. The inputs and outputs are each preferably formed as recesses in the outer cylindrical body. Due to the rotation of the separating means, the air in the chambers is transported from the first input to the first output and from the second input to the second output.
Vorteilhaft wird durch die Verwendung von wenigstens drei Trennmitteln, die um eine gemeinsame Drehachse rotieren, erreicht, dass der Luftmassenstrom durch den Hauptförderweg gefördert und gleichzeitig das zusammenhängende Teilvolumen im zweiten, dritten und vierten Teilförderweg im Wesentlichen konstant gehalten wird.Advantageously, by using at least three separating means, which rotate about a common axis of rotation, it is achieved that the air mass flow is conveyed through the main conveying path and At the same time, the contiguous partial volume in the second, third and fourth partial conveying paths is kept substantially constant.
Bevorzugt ist in der Luftmassenfördereinrichtung der zweite Teilförderweg von dem vierten Teilförderweg durch einen ersten Separator und einen zweiten Separator getrennt, wobei der erste Separator und der zweite Separator dazu eingerichtet sind, sich bei einem Durchgang der beweglichen Trennmittel zu öffnen.Preferably, in the air mass conveying device, the second part conveying path is separated from the fourth part conveying path by a first separator and a second separator, wherein the first separator and the second separator are configured to open upon passage of the movable separating means.
Der erste Teil der Luftmassenfördereinrichtung wird somit vom zweiten Teil durch die Separatoren getrennt. Der erste Separator ist dabei zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Eingang und der zweite Separator zwischen dem zweiten Ausgang und dem ersten Eingang angeordnet.The first part of the air mass conveyor is thus separated from the second part by the separators. The first separator is arranged between the first output and the second input and the second separator between the second output and the first input.
Durch die Separatoren wird verhindert, dass der Luftmassenstrom von dem zweiten Teilförderweg in den vierten Teilförderweg oder umgekehrt gefördert wird, also direkt vom ersten Ausgang zum zweiten Eingang oder direkt vom zweiten Ausgang zum ersten Eingang. Mit anderen Worten verhindern die Separatoren eine Durchmischung der Umgebungsluft im zweiten Teilförderweg mit dem erwärmten Luftmassenstrom im vierten Teilförderweg.The separators prevent the air mass flow from being conveyed from the second partial conveying path into the fourth partial conveying path or vice versa, ie directly from the first outlet to the second inlet or directly from the second outlet to the first inlet. In other words, the separators prevent a mixing of the ambient air in the second Teilförderweg with the heated air mass flow in the fourth Teilförderweg.
Damit die Separatoren nicht mit den beweglichen Trennmitteln kollidieren, sind die Separatoren dazu eingerichtet, sich kurz vor dem Durchgang der Trennmittel zu öffnen und sich nach dem Durchgang wieder zu schließen. Es entsteht durch die kurzzeitige Öffnung nur ein geringfügiger Verlust an Wirkungsgrad, der durch geeignete schnelle Steuerung und Bewegung der Separatoren begrenzt werden kann.So that the separators do not collide with the movable separating means, the separators are arranged to open just before the passage of the release agent and to close again after the passage. Due to the short-term opening, only a slight loss of efficiency arises, which can be limited by suitable rapid control and movement of the separators.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der erste Separator und der zweite Separator dazu eingerichtet sind, bezüglich der zentralen Drehachse der beweglichen Trennmittel radial nach außen oder innen verschoben zu werden, insbesondere mittels elektromagnetischer Krafteinwirkung.Furthermore, it is preferred if the first separator and the second separator are adapted to be displaced radially outwards or inwards with respect to the central axis of rotation of the movable separating means, in particular by means of electromagnetic force.
In dieser Ausführungsform bewegen sich die Trennmittel bevorzugt auf einer Kreisbahn, so dass durch eine Bewegung der Separatoren in radialer Richtung ein Durchgang für die Trennmittel geöffnet wird. Indem das Öffnen und Schließen der Separatoren mittels elektromagnetischer Krafteinwirkung geschieht, kann dieser Prozess schnell und präzise ausgeführt werden. Alternativ ist eine mechanische Krafteinwirkung hierzu vorgesehen, beispielsweise mittels einer Kulisse, in der ein oder mehrere Mitnehmer ablaufen, insbesondere abrollen.In this embodiment, the separating means preferably move on a circular path, so that a passage for the separating means is opened by a movement of the separators in the radial direction. By opening and closing the separators by means of electromagnetic force, this process can be performed quickly and accurately. Alternatively, a mechanical force is provided for this purpose, for example by means of a link in which run one or more drivers, in particular roll.
Gemäß einer Ausführungsform ist die primäre Wärmequelle als Solareinheit ausgebildet, die zur Umwandlung von Energie aus Sonneneinstrahlung in Wärmeenergie eingerichtet ist. Vorteilhaft wird auf diese Weise ein System zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische oder elektrische Energie bereitgestellt, bei der zur Erwärmung des Luftmassenstroms eine erneuerbare Energiequelle eingesetzt wird. Gemäß alternativen Ausführungsformen handelt es sich bei der primären Wärmequelle um andere Wärmeenergiequellen, wie beispielsweise Verbrennungsprozesse.According to one embodiment, the primary heat source is designed as a solar unit, which is set up to convert energy from solar radiation into thermal energy. Advantageously, a system for converting thermal energy into kinetic or electrical energy is provided in this way, in which a renewable energy source is used to heat the air mass flow. In alternative embodiments, the primary heat source is other sources of thermal energy, such as combustion processes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verläuft der dritte Teilförderweg in Richtung des Luftmassenstroms zunächst durch eine erste Erhitzungseinheit und anschließend durch eine zweite Erhitzungseinheit, wobei in oder an der ersten Erhitzungseinheit die restliche Wärme des im siebten Teilförderweg geführten Luftmassenstroms wenigstens teilweise an den im dritten Teilförderweg geführten Luftmassenstrom abgegeben wird und wobei die zweite Erhitzungseinheit dazu eingerichtet ist, von der primären Wärmequelle mit Wärmeenergie versorgt zu werden.According to a preferred embodiment, the third partial conveying path in the direction of the air mass flow initially passes through a first heating unit and then through a second heating unit, wherein in or on the first heating unit, the residual heat of the air mass flow carried in the seventh Teilförderweg at least partially delivered to the guided in the third Teilförderweg air mass flow and wherein the second heating unit is adapted to be supplied with thermal energy from the primary heat source.
In dieser Ausführungsform wird der Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg zunächst durch die Restwärme der Abluft vorgewärmt und anschließend durch die Wärmeenergie der primären Wärmequelle weiter erhitzt. Es wird dabei die Tatsache genutzt, dass durch die Restwärme der Abluft der Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg nicht ohne weiteres über die Temperatur der Abluft hinaus erhitzbar ist. Mit der Restwärme der Abluft wird also bevorzugt die noch kalte Umgebungsluft vorgewärmt. So muss für die Erhitzung der vorgewärmten Luft in der zweiten Erhitzungseinheit weniger Wärmeenergie aufgewendet werden, als wenn die Umgebungsluft nicht vorgewärmt würde, und der Wirkungsgrad wird gesteigert.In this embodiment, the air mass flow in the third Teilförderweg is first preheated by the residual heat of the exhaust air and then further heated by the heat energy of the primary heat source. It is the fact that the residual heat of the exhaust air, the air mass flow in the third part of the delivery is not readily heated beyond the temperature of the exhaust air out. With the residual heat of the exhaust air so preferably the still cold ambient air is preheated. Thus, for the heating of the preheated air in the second heating unit, less heat energy must be expended than if the ambient air were not preheated, and the efficiency is increased.
In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist in dem sechsten Teilförderweg ein Ablufterhitzer umfasst, der dazu eingerichtet ist, den Luftmassenstrom im sechsten Teilförderweg durch Zufuhr von Wärmeenergie der primären Wärmequelle und/oder einer sekundären Wärmequelle zu erhitzen.In an alternative, likewise preferred embodiment, the sixth part-conveying path comprises an exhaust-air heater which is set up to heat the air mass flow in the sixth part-conveying path by supplying heat energy from the primary heat source and / or a secondary heat source.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Wärmeenergie der Wärmequelle nicht direkt dem Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg zugeführt, sondern zur Erhitzung der Abluft verwendet. Bevorzugt wird eine einzelne Erhitzungseinheit verwendet, die als Wärmetauscher ausgebildet ist. Da die Abluft nach dem Austritt aus der Expansionseinheit wärmer ist als die Umgebungsluft, muss weniger Energie aufgewendet werden, um die Abluft auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen, als dies bei der kalten Umgebungsluft der Fall wäre.According to this embodiment, the heat energy of the heat source is not supplied directly to the air mass flow in the third Teilförderweg, but used for heating the exhaust air. Preferably, a single heating unit is used, which is designed as a heat exchanger. Since the exhaust air after leaving the expansion unit is warmer than the ambient air, less energy must be expended to heat the exhaust air to a desired temperature, as would be the case in the cold ambient air.
Alternativ kann auch in der Ausführungsform mit zwei Erhitzungseinheiten die Abluft zusätzlich mittels Wärmeenergie der primären Energiequelle oder einer sekundären Energiequelle erhitzt werden.Alternatively, in the embodiment with two heating units, the exhaust air in addition be heated by thermal energy of the primary energy source or a secondary energy source.
Weiterhin bevorzugt ist zudem ein Umgebungslufterhitzer umfasst, der dazu eingerichtet ist, durch einen separaten Eingang zugeführte Umgebungsluft durch Zufuhr der Wärmeenergie der primären Wärmequelle oder der sekundären Wärmequelle zu erhitzen, wobei der Umgebungslufterhitzer durch eine Zuleitung mit dem sechsten Teilförderweg und/oder dem siebten Teilförderweg verbunden ist. Further preferably, an ambient air heater is provided, which is adapted to heat supplied by a separate input ambient air by supplying the heat energy of the primary heat source or the secondary heat source, the ambient air heater connected by a feed line to the sixth Teilförderweg and / or the seventh Teilförderweg is.
Gerade beim Anlaufen des Systems wird die Abluft vergleichsweise wenig Restwärme aufweisen. In diesem Fall ist es sinnvoll, zur Erwärmung des Luftmassenstroms im dritten Teilförderweg zunächst die Wärmeenergie von Heißluft zu verwenden, die in einem Umgebungslufterhitzer aufgeheizt wurde. Die Erwärmung von Umgebungsluft im Umgebungslufterhitzer geschieht dabei durch Wärmeenergie der primären oder der sekundären Wärmequelle. Die Heißluft wird dem sechsten Teilförderweg oder dem siebten Teilförderweg zugeleitet, um den Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg durch Wärmeaustausch zu erwärmen.Especially when starting the system, the exhaust air will have comparatively little residual heat. In this case, it makes sense to first use the heat energy of hot air that has been heated in an ambient air heater for heating the air mass flow in the third part of the delivery path. The heating of ambient air in the ambient air heater is done by thermal energy of the primary or secondary heat source. The hot air is supplied to the sixth Teilförderweg or the seventh Teilförderweg to heat the air mass flow in the third Teilförderweg by heat exchange.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem sechsten Teilförderweg auf beiden Seiten des Ablufterhitzers und in der Zuleitung Sperrventile angeordnet. Durch die Sperrventile kann die Zufuhr von Heißluft und/oder geheizte Abluft in den siebten Teilförderweg gesperrt werden. Vorteilhaft werden die Sperrventile so geschaltet, dass dem System beim Anlaufen nur Heißluft und im späteren Betrieb nur geheizte Abluft zugeführt wird. Zudem wird durch die Sperrventile auf beiden Seiten des Ablufterhitzers sichergestellt, dass die Abluft auf eine gewünschte Temperatur aufheizbar ist, bevor sie dem siebten Teilförderweg zugeführt wird.In a preferred embodiment, check valves are arranged in the sixth partial conveying path on both sides of the exhaust air heater and in the supply line. By the check valves, the supply of hot air and / or heated exhaust air can be locked in the seventh Teilförderweg. Advantageously, the check valves are switched so that the system when starting only hot air and in later operation only heated exhaust air is supplied. In addition, it is ensured by the check valves on both sides of the exhaust air heater that the exhaust air can be heated to a desired temperature before it is fed to the seventh Teilförderweg.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Energieumwandeln, wobei ein Luftstrom durch einen Hauptförderweg, der mehrere Teilförderwege umfasst, von einem Eingang für Umgebungsluft zu einem Ausgang für Abluft gefördert wird, mit den folgenden Verfahrensschritten:
- - Zuführen eines Luftmassenstroms zu einer Luftmassenfördereinrichtung in einem ersten Teilförderweg,
- - Transportieren des Luftmassenstroms in einem zweiten Teilförderweg mittels der Luftmassenfördereinrichtung zu wenigstens einer Erhitzungseinheit,
- - im Wesentlichen isochores Erhitzen des Luftmassenstroms in einem dritten Teilförderweg mittels der wenigstens einen Erhitzungseinheit durch Zuführen von Wärmeenergie einer primären Wärmequelle,
- - Weiterleiten des Luftmassenstroms in einem vierten Teilförderweg mittels der Luftmassenfördereinrichtung zu einer Expansionseinheit,
- - Expandieren des Luftmassenstrom in einem in der Expansionseinheit angeordneten fünften Teilförderweg, wobei frei werdende Energie einem Verbraucher zugeführt wird,
- - Rückführen des aus der Expansionseinheit austretendem Luftmassenstroms zu der wenigstens einen Erhitzungseinheit in einem sechsten Teilförderweg und
- - Annähern des rückgeführten Luftmassenstroms in einem in oder an der Erhitzungseinheit verlaufenden siebten Förderweg an den Luftmassenstrom im dritten Förderweg, wodurch die restliche Wärme des rückgeführten Luftmassenstroms wenigstens teilweise an den Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg abgegeben wird.
- Feeding an air mass flow to an air mass conveying device in a first part conveying path,
- Transporting the air mass flow in a second partial conveying path by means of the air mass conveying device to at least one heating unit,
- substantially isochoric heating of the air mass flow in a third partial conveying path by means of the at least one heating unit by supplying heat energy of a primary heat source,
- - Forwarding the air mass flow in a fourth Teilförderweg means of the air mass conveyor to an expansion unit,
- Expanding the air mass flow in a fifth part-conveying path arranged in the expansion unit, wherein released energy is supplied to a consumer,
- - Returning the air mass flow exiting the expansion unit to the at least one heating unit in a sixth Teilförderweg and
- - Approaching the recirculated air mass flow in a running in or on the heating unit seventh conveying path to the air mass flow in the third conveying path, whereby the residual heat of the recirculated air mass flow is at least partially released to the air mass flow in the third Teilförderweg.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Teilvolumen des Luftmassenstroms im zweiten, dritten und vierten Teilförderweg durch Zuführung und Abführung von Luft mittels wenigstens drei beweglicher Trennmittel der Luftmassenfördereinrichtung im Wesentlichen konstant gehalten.In an advantageous development, a partial volume of the air mass flow in the second, third and fourth partial conveying paths is kept substantially constant by supplying and discharging air by means of at least three movable separating means of the air mass conveying device.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Luftmassenstrom in dem dritten Teilförderweg zunächst in einer ersten Erhitzungseinheit durch restliche Wärme des rückgeführten Luftmassenstroms im siebten Teilförderweg und anschließend in einer zweiten Erhitzungseinheit durch Zuführen der Wärmeenergie der primären Wärmequelle erhitzt.According to one embodiment of the method, the air mass flow in the third partial conveying path is first heated in a first heating unit by residual heat of the recirculated air mass flow in the seventh Teilförderweg and then in a second heating unit by supplying the heat energy of the primary heat source.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird der rückgeführte Luftmassenstrom in dem sechsten Teilförderweg durch Wärmeenergie der primären Wärmequelle und/oder einer sekundären Wärmequelle erhitzt. Bevorzugt erfolgt dabei das Erhitzen des Luftmassenstroms, insbesondere zeitweise, durch Wärmeaustausch mit Heißluft, die in den sechsten Teilförderweg oder den siebten Teilförderweg eingeleitet wird, wobei die Heißluft vor dem Einleiten durch Wärmeenergie der primären Wärmequelle oder der sekundären Wärmequelle erhitzt wird. Weiterhin bevorzugt erfolgt das Erhitzen des Luftmassenstroms in dem dritten Teilförderweg zu einem ersten Zeitpunkt ausschließlich durch Wärmeaustausch mit der Heißluft und zu einem zweiten Zeitpunkt anschließend ausschließlich durch Wärmeaustausch mit dem rückgeführten Luftmassenstrom, wobei insbesondere der erste Zeitpunkt vor dem zweiten Zeitpunkt liegt.In an alternative embodiment of the method, the recirculated air mass flow in the sixth part-conveying path is heated by heat energy of the primary heat source and / or a secondary heat source. Preference is given to heating the air mass flow, in particular temporarily, by heat exchange with hot air, which is introduced into the sixth Teilförderweg or the seventh Teilförderweg, wherein the hot air is heated before being introduced by thermal energy of the primary heat source or the secondary heat source. Further preferably, the heating of the air mass flow in the third Teilförderweg at a first time exclusively by heat exchange with the hot air and at a second time then exclusively by heat exchange with the recycled air mass flow, wherein in particular the first time is before the second time.
Das Verfahren weist die gleichen Vorteile, Merkmale und Eigenschaften auf wie das erfindungsgemäße System zur Energieumwandlung.The method has the same advantages, features and properties as the inventive system for energy conversion.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen. Further features of the invention will become apparent from the description of embodiments according to the invention together with the claims and the accompanying drawings. Embodiments of the invention may satisfy individual features or a combination of several features.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Energieumwandlung mit zwei Erhitzungseinheiten, -
2 eine schematische Darstellung eines Systems zur Energieumwandlung mit einem Ablufterhitzer und einem Umgebungslufterhitzer, -
3 eine schematische Darstellung einer Luftmassenfördereinrichtung.
-
1 a schematic representation of a system for energy conversion with two heating units, -
2 a schematic representation of a system for energy conversion with an exhaust air heater and an ambient air heater, -
3 a schematic representation of an air mass conveyor.
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.In the drawings, the same or similar elements and / or parts are provided with the same reference numerals, so that apart from a new idea each.
Der Luftmassenstrom wird in dem System in einem Hauptförderweg geleitet, der mehrere Teilförderwege umfasst. Im ersten Teilförderweg
In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Erhitzungseinheit
Ausgehend von dem dritten Teilförderweg
Der siebte Teilförderweg
In
Wird das System gestartet, steht noch keine erhitzte Abluft zur Verfügung, um den Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg
Bei dem Verfahren zur Energieumwandlung gemäß
Die Sperrventile
Wie bereits zuvor dargestellt, wird die im Wesentlichen isochore Erhitzung des Luftmassenstroms im dritten Teilförderweg dadurch erreicht, dass die Zufuhr und Abfuhr von Luft zyklisch durch die Luftmassenfördereinrichtung
Die Luftmassenfördereinrichtung
Um zu verhindern, dass Luft vom zweiten Teilförderweg
Wie in
Durch die Luftmassenfördereinrichtung
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.All mentioned features, including the drawings alone to be taken as well as individual features that are disclosed in combination with other features are considered alone and in combination as essential to the invention. Embodiments of the invention may be accomplished by individual features or a combination of several features. In the context of the invention, features which are identified by "particular" or "preferably" are to be understood as optional features.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Systemsystem
- 44
- primäre Wärmequelleprimary heat source
- 55
- sekundäre Wärmequellesecondary heat source
- 1010
- erster Teilförderwegfirst partial funding route
- 1111
- Eingangentrance
- 2020
- zweiter Teilförderwegsecond partial funding route
- 2121
- erster Eingangfirst entrance
- 2222
- erster Ausgangfirst exit
- 2323
- erster Ausgangfirst exit
- 2424
- erster Ausgangfirst exit
- 2525
- LuftmassenfördereinrichtungAir mass conveyor
- 26a, 26b, 26c26a, 26b, 26c
- Trennmittelrelease agent
- 27a, 27b, 27c27a, 27b, 27c
- Kammerchamber
- 28a28a
- erster Separatorfirst separator
- 28b28b
- zweiter Separatorsecond separator
- 2929
- Drehachseaxis of rotation
- 3030
- dritter Teilförderwegthird partial funding route
- 3131
- erste Erhitzungseinheitfirst heating unit
- 3232
- zweite Erhitzungseinheitsecond heating unit
- 4040
- vierter Teilförderwegfourth partial funding route
- 4141
- zweiter Eingangsecond entrance
- 4242
- zweiter Ausgangsecond exit
- 5050
- fünfter Teilförderwegfifth partial funding route
- 5151
- Expansionseinheitexpansion unit
- 5252
- Verbraucherconsumer
- 6060
- sechster Teilförderwegsixth partial funding route
- 6161
- Ablufterhitzerplume abatement
- 6262
- UmgebungslufterhitzerUmgebungslufterhitzer
- 63a, 63b, 63c, 63d63a, 63b, 63c, 63d
- Sperrventilcheck valve
- 6464
- Zuleitungsupply
- 6767
- Eingangentrance
- 6868
- Ausgangexit
- 7070
- siebter Teilförderwegseventh partial funding route
- 7171
- Ausgangexit
Claims (15)
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