DE102019009076A9 - Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Wärmekraftmaschine (1) zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer von einem Hohlzylinder (12) und einer Hohlwelle (2), welche den Hohlzylinder (12) durchdringt. Mittels der Lagerung (1.1) und dem Antrieb durch Magnetschwebetechnik (23) bildet sich somit eine Zentrifuge (8.1) aus und die dadurch entstehende Zentrifugalkraft erzeugt damit künstliche Schwerkraft. Das Arbeitsfluid Tetrafluorpropen füllt in Flüssigphase ein Fallrohr (6) treibt damit Generatorturbinen (7) zur Stromerzeugung an und verdampft an der mit Rippen (9) versehenen und durch zwei Stoffkreisläufe beheizten Zentrifugeninnenwand (13). Der Dampf steigt gegen die künstliche Schwerkraft, dadurch Hubarbeit leistend, in Richtung Hohlwelle (2) auf und kondensiert kurz vor oder in den sich verjüngenden Trichtern (22) mit abgewinkelter Austrittsöffnung. Im Inneren der Hohlwelle (2) scheidet sich erstes Kondensat (11) und weiteres Kondensat im Rohrbündelwärmetauscher (20.2) eines hermetisch geschlossenen Rotationskompresserkreislaufes (10) ab. Dieses Kondensat mit Restdampf gelangt nach dem Verlassen der Zentrifuge(8.1) und weiterer Kondensatabscheidung in einen Verdichter (15) zwecks Druck-/ Temperaturerhöhung zur leichteren Abgabe der Kondensationswärme im Kondensator (15.1) an eine externe Wärmesenke. Das vollständig verflüssigte Arbeitsfluid kann über eine Vorwärmung (18.1) wieder in Richtung der Generatorturbinen (7) geführt werden und Arbeit verrichten. Neben dem Rotationskompressorkreislauf (10), der an der Zentrifungeninnenwand (13) Wärme freisetzt und im Rohrbundelwärmetauscher (20.2) Kondensationswärme aufnimmt, führt ein weiterer Kreislauf erwärmtes Medium zu Kanälen (10.1), um benötigte Verdampfungswärme an die Zentrifugeninnenwand (13) zu führen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß dem Obersatz des Patentanspruchs 1.
• Stand der Technik
• Eine der effektivsten Möglichkeiten um Strom zu erzeugen stellt die Umwandlung von Lageenergie in Strom dar. Dies geschieht in Talsperren mit Hilfe von Pelton- oder Kaplanturbinen. Die notwendige Hubarbeit verrichtet die Energie der Sonne durch Verdunstung von Wasser und Kondensation desselben durch Aufsteigen in der Athmosphäre auf das Kondensationsniveau des im aufsteigendem Luftpaket gelösten Wasserdampfes. Das Wasser regnet ab und füllt z.B. eine Talsperre und fließt ins Meer zurück. Dort wandelt eine o.g. Turbine die Lageenergie in Strom bzw. Wellenleistung um.
• Diesen natürlichen Kreisprozess des Aufsteigens von Dampf und Kondensation des Dampfes in einer Maschine nachzubilden ist Aufgabe dieser Erfindung.
• Wasser hat jedoch eine hohe Verdampfungsenthalpie (ca. 2400 KJ/Kg) und erfordert ebenfalls einen Entzug dieser Energie (Umwandlungsenthalpie) umgangssprachlich auch latente, nicht fühlbare Wärme genannt, zur Verflüssigung. Der erforderliche Aufwand für die Kondensation ist hoch und deshalb wird in dem Prozess von Dampfkraftwerken die Kondensationswärme an die Umgebung abgegeben. Dies sind über 50 Prozent der eingesetzten Energie, in diesem Fall aus fossilen Brennstoffen. Zudem erzielt eine Dampfentspannungsturbine im Idealfall nur einen Wirkungsgrad um die 45 Prozent.
• In der PCT/DE2018100601 ist eine Lösung beschrieben, in der das Kältemittel Tetrafluorpropen verwendet wird, weil es eine niedrige Verdampfungsenthalpie (130KJ/Kg) hat und dementsprechend auch eine niedrigere Kondensationswärme zu entziehen ist. Das Aufsteigen, die Hubarbeit, wird zunächst in einem vorgeschlagenen Turm mit Kondensation oben im Turm und Füllen einer Flüssigkeitssäule mit dem, eine Turbine antreibenden Kondensat beschrieben. Die Kondensationswärme entzieht eine Kältemaschine.
• Eine Berechnung hat ergeben, dass dazu ein Turm von 4 km Höhe erforderlich ist, um die Kältemaschine zu betreiben. Zu dem Zeitpunkt waren Leistungszahlen von 4 bis 5 in der Technik bekannt.
• Für die Rechnung wurden folgende Annahmen getroffen:
• Die Wärme zur Verdampfung wird als vorhanden betrachtet und geht nicht als energetischer Aufwand in die Effizienzanalyse ein.
• Die Druck- und Temperaturverläufe in der Dampfsäule werden durch die barometrische Höhenformel wiedergegeben: $$\frac{\partial p}{\partial h}=-\frac{g}{v}$$
  
  mit dem Druck p, der Höhe h, der Gravitationskonstanten g und dem spezifischen Volumen v.
• Der Dampf wird als ideales Gas betrachtet: $$pv=RT$$

  

  mit der Gaskonstanten R und der absoluten Temperatur T. Eine Realgaskorrelation wurde getestet, führte aber nur zur geringfügigen Änderung der Ergebnisse.
• Die Kondensationsenthalpie wird mithilfe einer Kältemaschine entzogen. Um die Effizienz der KM abzuschätzen, wurde aus den Temperaturniveaus der Kondensation und der Umgebung die Leistungszahl einer Carnot-Kältemaschine als Idealfall angenommen.
  Für die Turbine/das Wasserrad, zur Umwandlung der kinetischen Energie in Arbeit, wurde ein Wirkungsgrad von 100% angenommen.
• Wie in 4 ersichtlich, stellt die folgende Gleichung den Verlauf der $$\begin{array}{r}\hfill y=-\mathrm{8,270113}\ast {10}^{-10}\ast x^6+\mathrm{2,373004}\ast {10}^{-7}\ast x^5-\mathrm{2,606897}\ast {10}^{-5}\ast x^4\\ \hfill +\mathrm{1,32352}\ast {10}^{-3}\ast x^3-\mathrm{3,321855}\ast {10}^{-2}\ast x^2-\mathrm{1,942129}\ast {10}^{-1}\ast x\\ \hfill +\mathrm{1,507856}\ast {10}^2\\ \hfill R^2=\mathrm{9,998943}\ast {10}^{-1}\end{array}$$

  

  Verdampfungsenthalpie im Verhältnis zur Temperatur dar.
• Daraus ergibt sich eine minimale Höhe der Flüssigkeitssäule als Funktion der Verdampfertemperatur, wie 5 dies zeigt.
• Hieraus ist ersichtlich, dass es zu aufwändig ist und deshalb wurde eine Zentrifuge, die „künstliche Schwerkraft“ darstellen kann, zur Simulation eines Turmes vorgeschlagen.
• In DE 3807783 ist eine Zentrifuge zur Stromerzeugung angemeldet, welche eine Flüssigkeit oder ein Gas in einem Kreislauf aus geschlossenen Rohren führt und dabei eine Turbine antreibt. Die Wärmetauscher befinden sich zur Wärmeaufnahme am Aussenrand der Zentrifuge und zur Wärmeabgabe am Innenrand der Zentrifuge. Dadurch wird Hubarbeit durch das Prinzip der Schwerkraftumwälzung wie in Gebäudeheizungen genutzt. Dadurch sind jedoch nur geringe Leistungen nutzbar. Wie aus einer Berechnung der Leistung eines Windrades mit 100 kg Massendurchsatz pro Sekunde in 6 ersichtlich ist.
• In der PCT/DE 2018100601 wird das hier verwendete Tetrafluorpropen jedoch außerhalb der Zentrifuge kondensiert, wobei auch eine Abgabe der Kondensationswärme an die Umgebung möglich ist, ohne einen Wärmetauscher mit Platzbedarf im Inneren der Zentrifuge anbringen zu müssen.
• Dies ermöglicht auch eine Nutzung niedriger Verdampfertemperaturen und geringer Spreizung zwischen Verdampfungstemperatur und Kondensationstemperatur.
• Daraus erfolgten in vereinfachter Modellannahme die aufgeführten, noch nicht verbindlichen ersten Simulationsrechnungen.
• Die Modellannahmen mit dem verwendeten Fluid R1234yf aus dem, in 7 gezeigten Schema, sind vereinfacht und die Zustandsänderungen durch eingekreiste Ziffern 1 bis 8 verortet.

  Von 8 zu 1 und 2	Enthitzung und Kondensation (isobar)
  Von 2 nach 3	Verdichtung auf Vordruck (optional)
  Von 3 nach 4	Vorwärmung (optional)
  Von 4 nach 5	Kompression (adiabat,reversibel)
  Von 5 nach 6	Entspannung (isentrop sowie mittels η T)
  Von 6 nach 7	Verdampfung (isobar)
  Von 7 nach 8	Hubarbeit (adiabat, reversibel)

• Verschiedene Varianten, mit verschiedenen Verdampfertemperaturen und Spreizungen wurden durchgerechnet. Antrieb ( Energiebedarf) der Zentrifuge und Druckverluste bisher nicht berücksichtigt.
• Variante 1: Zentrifuge mit passivem Kondensator gegen Umgebungstemperatur.
• Variante 2: Zentrifuge mit passivem Kondensator gegen Umgebungstemperatur und Vorwärmung/ Vorverdichtung.
• Variante 3: Zentrifuge mit Kältemaschine als Wärmesenke und Vorwärmung/Vorverdichtung.
• Für die Variante 1 mit verschiedenen Verdampfertemperaturen (30°C bis 70°C) bei einer Kondensationstemperatur von 20°C ergibt sich:

  ϑCond	ϑVerd	Δhhub	nZentr	≅ Δz	Pmax	η	ηC
  °C	°C	kJ/kg	1/min	m	bar	%	%
  20 (5,9 bar)	30 (7,8 bar)	5,06	961	516	62,7	2,47	3,16
  	40 (10,2)	9,76	1334	995	116	4,61	5,86
  	50 (13,0 bar)	14,08	1602	1435	166	6,47	8,16
  	60 (16,4 bar)	17,99	1811	1833	213	8,05	10,13
  	70 (20,4 bar)	21,38	1974	2180	252	9,40	11,76

  
  ≡ Δz = Vergleich mit Turmvariante nach PCT/ DE 2018100601
  η = Wt,56
  η_c = Carnot-Wirkungsgrad bei identischen thermodynamischen Mitteltemperaturen
• Mit steigender Temperaturdifferenz steigt die Druckdifferenz und damit die spezifische Hubarbeit und der Turbineneintrittsdruck. Steigerung des Wirkungsgrads.
• Anmerkung: idealer Wirkungsgrad ohne Berücksichtigung des Zentrifugenantriebs und sonstiger parasitärer Komponenten.
• Variante 2: Zentrifuge mit passivem Kondensator gegen Umgebungstemperatur und zusätzlicher Vorwärmung und Vorverdichtung. Verdampfertemperatur 50°C.

  ϑCond	ϑVerd	pVor	Δhhub	Pmax	qvor(34)	qVerd.(67)	η	ηC
  °C	°C	bar	kJ/kg	bar	kJ/kg	kJ/kg	%	%
  20 (5,9 bar)	50 (13,0 bar)	-/-Var. 1	14,08	166	0 (0,0%)	161,7	6,47	8,16
  	50 (13,0 bar)	6,5	14,08	165	4,43 (2,7%)	157,3	6,45	8,37
  	50 (13,0 bar)	8,0	14,08	163	14,76 (9,1%)	146,9	6,40	8,78
  	50 (13,0 bar)	10,0	14,08	161	27,90 (17,3%)	133,6	6,34	9,14
  	50 (13,0 bar)	13,0	14,08	159	42,30 (26,2%)	119,1	6,28	9,28

• Variante 3: Zentrifuge mit Kältemaschine als Wärmesenke und Vorwärmung/Vorverdichtung.
• • Erweiterung des Modells:
  • • Idee: Ermöglichung niedrigerer Kondensationstemperaturen durch Kühlung mit Kältemaschine, die u.a. Vorwärme bereitstellt
  • • Energiebilanz der Kältemaschine über reversible Leistungszahl des KM-Kompressors
• • Randbedingungen:
  • • Arbeitsfluid R1234yf
  • • Variation der Kondensationstemperatur.
  • • Vorgegebener Vordruck (Verdichteraustrittsdruck p₃)
  • • Vorgegebene Verdampfungstemperatur von 50°C
  • • Vorgegebener isentroper Turbinen- und Verdichterwirkungsgrad von η_τ = 0,78
• • Ergebnis:
  • • Kältemaschine benötigt deutlich mehr Energie als Wärmekraftmaschine bereitstellen könnte, obwohl prinzipiell höhere Temperaturdifferenz / Hubarbeit zur Verfügung steht. Variante wird verworfen.
• Daraus erfolgte eine Berechnung wie hoch eine Zentrifuge nach Variante 2 bei verschiedenen Durchmessern ausgebildet sein müsste.
• • Beispiel: ṁ = 100 kg/s bei Betriebspunkt mit Verdampfertemperatur ϑ_verd = 50°C mit Vorverdichtung auf maximalen Vorverdichtungsdruck:
  • ■ $q_{zu}=\mathrm{119,1}\frac{kJ}{kg}\Rightarrow \dot{Q}=\mathrm{11,91}MW$
    
  • ■ R · l = 47,39 m²
  • ■ P_turb = ṁ · Δh₅₆ = 1,095 MW

R	l
2 m	23,7 m
4 m	11,9 m
6 m	7,9 m

• Daraus ergeben sich als offene Fragen:
• • Einsatz eines Verdichters am Zentrifugenaustritt (anstelle Vorverdichtung); Variante noch zu prüfen
• • Antrieb der Zentrifuge:
  • Selbsterhaltende Zentrifugenumfangsgeschwindigkeit durch Ausdüsung in Zentrifugenraum fraglich und noch nicht geklärt.
  • Benötigtes Antriebsmoment zur Überwindung von Reibungsverlusten schwer abschätzbar, vermutlich deutliche Absenkung des Systemwirkungsgrads zu erwarten.
• Und was ist der Weg den Antrieb der Zentrifuge energetisch zu verbessern und zugleich den Aufwand für die Kondensation zu verringern? Das Medium (Tetrafluorpropen) ist in allen vorgestellten Varianten bis zum Beginn der Kondensation im Kondensator in der Trockendampfzone. Dieser Umstand zwingt zu erhöhter Entnahme von Kondensationswärme mit der Folge keine Kältemaschine einsetzen zu können.
• Die Lösung dieser Probleme obliegt der folgend dargestellten Erfindung.
• Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
• Darstellung der Erfindung
• Eine Hohlwelle von mehreren Bohrungen durchbrochen, befindet sich in einem Hohlzylinder, der einen Hohlraum aufweist. Darin befinden sich: Leitungen zur Fluidführung flüssig und gasförmig, Leitschaufeln, Generator- turbineneinheiten und Trichter für die Ableitung des Gas/Kondensatgemisch in die Hohlwelle zu einem darin befindlichen Rohrbündelkühler. Der Aussenrand des Zylinders besteht aus im Wechsel angeordneten Kanälen zur Beheizung und Verdampfung des flüssigen Arbeitsfluides. Diese Hohlwelle mit umgebendem Hohlzylinder bildet, durch einen Antrieb in Rotation versetzt, eine Zentrifuge, die künstliche Schwerkraft nachbildet.
• Des weiteren ist ein hermetisch abgeschlossener Gaskreislauf in der Zentrifuge mit Hohlwelle integriert, worin schweres Gas (z.B. Krypton, Xenon, Argon oder Schwefelhexafluorid oder Mischungen daraus) nach Außen beschleunigt, dadurch verdichtet wird und somit außen Wärme abgeben kann und im Inneren der Hohlwelle Wärme aufnehmen kann. Die Umwälzung des Gases oder Gasgemisches aus den genannten Gasen bewirkt ein Ventilator im Zentrum der Hohlwelle.
• Dieser geschlossene Gaskreislauf ist nicht dafür vorgesehen als Rotationswärmepumpe zur Erzeugung von Gebrauchswärme außerhalb der Maschine zu dienen.
• Zur Beheizung des außen liegenden Zylindermantels führen eine Vielzahl von Leitungen aus der Mitte der Zentrifuge zum Mantel.
• Als Antrieb fungiert eine Magnetschwebetechnik auch elektromagnetisches Schwebesystem genannt, welches antreibt, trägt, stützt und abbremsen kann. Bekannt von den Magnetschwebebahnen nach dem Prinzip Transrapid oder Maglev.
• In einer wie zuvor skizzierten Zentrifuge verdampft ein Arbeitsfluid mit niedriger Verdampfungsenthalpie (z.B. Tetrafluorpropen) nach dem Austritt aus der Flüssigphasenturbine am Außenrand der Zentrifuge, die mit Rippung zur Oberflächenvergrößerung ausgestattet ist.
• Die durch Kanäle und deren Zuleitungen beheizte Oberfläche bringt das Arbeitsfluid zum Sieden und es steigt gegen die künstliche Schwerkraft als Dampf in Richtung Drehachse auf. Dabei beginnt eine durch Hubarbeit bedingte und gewünschte Abkühlung. Sobald die Kondensation durch erste Tröpfchenbildung einsetzt, sinkt ebenfalls das Volumen, die Temperatur bleibt annähernd konstant, weil latente Wärme zu fühlbarer Wärme umwandelt und das umgebende Gas aufwärmt.
• Damit die Tröpfchen (der Regen) nicht wieder durch die Zentrifugalkräfte nach außen fallen wird der Strömungsquerschnitt, der sich aufgrund der Zentrifugengeometrie ohnehin verringert, derart weiter verringert, dass die Tröpfchen mitgerissen werden. Dies geschiet ähnlich in Gewitterwolken, wo die Tröpfchen solange im Aufwind hochgerissen werden bis sie bei bestimmter Größe herabfallen. Zur Vermeidung dieses Zurückfallens tritt der Nassdampf mit möglichst hohem Kondensatanteil durch Trichter mit abgebogener Austrittsöffnung in den inneren Abschnitt des Hohlrohres ein. Das Kondensat gelangt durch die Zentrifugalkraft an die Außenseite des inneren Rohres und wird abgeleitet. Der restliche Dampf kann durchströmen und wird im Inneren des Rohres durch einen Rohrbündelkühler weiter kondensiert. Dies kann zum einen durch Abgabe der Wärme an eine geeignete Umgebung (Grundwasser, Seen, Flüsse) geschehen oder aber auch an eine künstlich bereitgestellte Wärmesenke. Zu diesem Zweck ist am Ausgang der Hohlwelle ein Kondensatabscheider und anschließend ein Verdichter angeordnet, der den Druck nur soweit anhebt, dass die dadurch erhöhte Temperatur des Restdampfes wiederrum an die Umgebung fließen kann.
• Die zur Abstützung des Außenrandes der Zentrifuge angordnete Magnetschwebetechnik mit intergriertem Ringmotor treibt die Zentrifuge an, stützt sie ab und bremst sie gegebenenfalls ab.
• Um den Antriebsaufwand gering zu halten wird das das Moment der Gasteilchen mittels Leitschaufeln, die nahe vom Aussenrand der Zentrifuge bis oder bis nahe zur inneren Hohlzylinderwand verlaufen an die Zentrifuge abgegeben. Diesen Pirouetteneffekt nutzen Eiskunstläufer durch heranführen der Massen (Arme, Beine) an die Drehachse (Körper). Die Umdrehungszahl steigt, das Moment unterstützt die Rotation der Zentrifuge.
• Das nun vorliegende Kondensat wird mit einer Pumpe zur Zuleitung für die Turbinen/Generatorkombination geführt. Das flüssige Arbeitsmedium wird beschleunigt und treibt die Turbine an. Strom wird erzeugt. Dabei kann das Fluid bis zu einem gewissen Grad vorgewärmt in die Zentrifuge eintreten. Das Fluid tritt aus den Turbinen/Generatoreinheiten aus und der Kreislauf beginnt von vorne.
• Die in Variante 2 gezeigte Lösung liegt im Temperaturbereich 50°C bis 20°C. Bei einer insgesamt niedrigeren Prozesstemperaturspanne erhöht sich der Wirkungsgrad, weil der Quotient aus tiefer und hoher Temperatur kleiner wird. Ebenso ist eine Erhöhung der Spreizung auf 50 K von Vorteil.
• Eine Beispielrechnung
• Die Maschine wird in Sibirien aufgestellt. Es ist Winter und -50°C. Ein Fluss hat unter der Eisdecke 0 Grad Celsius. $$\text{n}=1-\text{Tniedrig}:\text{Thoch}$$

  

  $$\text{n}=1-224\text{K}:274\text{K}=\mathrm{0,18}$$

  
• Zur Wirkungsgraderhöhung ist deshalb ein möglichst niedriger Prozesstemperaturbereich mit möglichst großem Delta t als Eckpunkte für Kondensation und Verdampfung zu wählen.
• In der Patentanmeldung AT000000509231B1 ist eine Rotationswärmepumpe beschrieben, die eine hohe Leistungszahl (angegeben 7-8) bei größerer Spreizung als herkömmliche Carnot-Wärmepumpen aufweist. Damit ist denkbar mit der Zentrifugenwärmepumpe auch niedrige Temperaturen zur Stromerzeugung zu Nutzen, denn der Rotationskompressor stellt zugleich die Möglichkeit einer Wärmesenke und eine Wärmequelle mit größerer Temperaturdifferenz zur Verfügung.
• Vorstellbar ist ebenfalls eine, die Wärmekraftmaschine komplett umhüllende, Wärmedämmung, die Wärmezutritt und Wärmeverluste an unerwünschter Stelle verhindert. Damit lässt sich die Maschine in einer niedrigeren Prozesstemperaturspanne betreiben mit dem Vorteil einer Wirkungsgradsteigerung des Carnot-Prozess.
• Betrachtung der Reibungs-Druckverluste und parasitärer Komponenten
• Reibungsverluste führen zu Erwärmungen, die in der Regel nicht genutzt werden können, da sie nur an die Umgebung oder an ein Kühlsystem abfließen. In der erfindungsgemäßen Maschine kann diese Reibungswärme jedoch in die Wärmesenke nutzbringend einfließen. Die Druckverluste in den Leitungsabschnitten sind zum Teil nutzbar (Joule-Thompson Effekt, Linde-Verfahren).
• Fazit: Je tiefer die Prozesstemperaturspanne angesiedelt ist, um so eher sind irreversible Verluste zu vermeiden.
• Figurenliste
• Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und oder bildlich dargestellen Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unäbhängig von der Zusammenfassung in einzellnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
• In den Zeichnungen zeigen
• 1: Das Wärmekraftwerk in Seitenansicht mit exemplarisch dargestellten Komponenten,
• 2: Das Wärmekraftwerk in der Draufsicht mit exemplarisch dargestellent Komponenten,
• 3: Ein Funktionsschema der 3 Fluidkreisläufe mit externen Anbindungen,
• 4: Graph den Verlauf der Verdampfungsenthalpie bei verschiedenen Temperaturen zeigend.
• 5: Notwendige Höhe einer Flüssigkeitssäule,
• 6: Ertrag aus Strömungsenergie einer Windmühle bei 100 kg Massendurchsatz/sek.,
• 7: Zustandsänderungen von 1 bis 8 (eingekreist).
• Ausführung der Erfindung
• In 1 ist das erfindungsgemäße Wärmekraftwerk 1 mit Hohlwelle 2 und Lagerung 1.1 gezeigt. In die Kondensatleitung 3 strömt flüssiges Tetrafluorpropen durch Verteiler 2.1 über weiterführende Leitungen 4 mit Wärmedämmung 5.1 durch Turbinenzuleitungen 5 in eine Mehrzahl von Fallrohren 6 in zwei oder mehrere Generatorturbinen 7, diese antreibend, ein. Der Strom wird über Leitung (7.1) und Schleifkontakte (7.2) an Verbraucher geleitet. Alle wärmeführenden Leitungen sowie Gehäuse sind mit Dämmung 5.1 versehen.
• Das Arbeitsmedium tritt aus den Generatorturbinen 7 in den Innenraum 8 der Zentrifuge 8.1 mit den Oberflächen vergrößernden Verdampfungsrippen 9 aus und steigt gegen die Fliehkraft/künstliche Schwerkraft auf. Das Moment aus der Drehbewegung, das die Gasteilchen beinhalten überträgt eine Vielzahl von Leitschaufeln 9.1 an die Zentrifuge 8.1 und unterstützen dadurch den Antrieb der Zentrifuge .
• Die zur notwendigen Verdampfung erforderliche Wärme ist zum einen in dem durch Wärmetauscher 18.1 vorgeheiztem Kondensat enthalten und wird zum anderen durch den Rotationskompressorkreislauf 10 durch eine Mehrzahl von Kanälen 20 an das Arbeitsfluid übertragen.
• In die, an der Zentrifugeninnenwand 13 der Zentrifuge 8.1 ebenfalls befindlichen Kanäle 10.1, wird ein flüssiges, erwärmtes Wärmeübertragungsmedium (z.B Kühlmittel mit Frostschutz) durch die Zuleitungen 10.2 in die Kanäle 10.1 durch Medienpumpe 10.3 gefördert.
• Nach Wärmeabgabe an die Verdampfungsrippen 9 bzw. das Arbeitsfluid strömt das Wärmeübertragungsmedium durch abführende Leitungen 10.2.1 in die Sammelleitung 10.4 und gelangt durch die einen Hohlraum aufweisende Manschette 10.5 mit Dichtungen 10.6 in eine Zuleitung 10.7 an eine externe Wärmequelle (nicht dargestellt). Von der externen Wärmequelle strömt das Heizmedium weiter zur Pumpe 10.3 um durch eine weitere Manschette 10.5.1 in die Kanäle 10.1 zu gelangen.
• Zum Verdampfen des flüssigen Tetrafluorpropen ist ein weiterer Stoffkreislauf in die Zentrifuge 8.1 integriert. In einem hermetisch geschlossenem Rotationskompressorkreislauf 10 befindet sich schweres Gas (z.B. Argon, Xenon, Krypton oder Schwefelhexafluorid (SF6) oder Gemische daraus) welches durch den Ventilator 20.1 umgewälzt wird. Dabei verdichtet es sich in Richtung der Kanäle 20 und entspannt in Richtung des Rohrbündels 20.2. Die Verdichtung hat eine Erwärmung, die Entspannung eine Abkühlung zur Folge. Die latente Wärme des verdampften Arbeitsfluid Tetrafluorpropen kann somit durch Rohrbündel 20.2 entnommen und in Kanälen 20 wieder zur Verdampfung herangezogen werden.
• Das durch den Kondensateintritt 19 und weiter durch den Verteiler 2.1 zu den Kondensatzuleitungen 5 an die Fallrohre 6 strömende Arbeitsfluid treibt eine Generatorturbine 7 an. Dann tritt das Fluid entweder flüssig oder schon als Gas-Flüssigkeitsgemisch in die Zentrifuge 8.1 ein, verteilt sich entlang der Innenwand von Zentrifuge 8.1 und wird durch die Wärmezufuhr aus den Kanälen 20 und 10.1 mit Rippung 9 verdampft. Sodann hebt es sich gegen die Zentrifugalkraft an. Durch dieses Aufsteigen können sich bedingt durch die Abkühlung schon erste Tröpfchen 21 bilden. Dieses Kondensat/Dampfgemisch verläßt den Hohlzylinder 12 durch in die Hohlwelle 2 hineinragenden Trichter mit abgewinkelter Austrittöffnung 22 in die Hohlwelle 2. Dort kann sich erstes Kondensat 11 an der Innenwand von Hohlwelle 2 niederschlagen. Ein Zurückfallen in Richtung Hohlzylinder 12 wird durch abgewinkelte Austrittsöffnungen an den Trichtern 22 verhindert.
• Dies Kondensat wird durch den übrigen Gasstrom in Richtung des Kondensatabscheiders 14 gefördert. Das abgeschiedene Kondensat 11 wird durch Leitung 14.1 dem Kondensatrohr 17 zugeführt. Ebenso kann die Hohlwelle 2 einen sukzessiv sich erweiternden Innendurchmesser aufweisen, wodurch ein Ablaufen förderlich unterstützt ist.
• Der noch vorhandene Dampf des Arbeitsfluides gelangt in den Rohrbündelwärmetauscher 20.2 und gibt weiter Kondensationswärme an den Rotationskompressorkreislauf 10 ab. Der restliche Dampf des Arbeitsfluides, mit hohem Kondensatanteil, gelangt in einen Kondensatabscheider 14 und der dann noch zu verflüssigende Anteil Dampf in einen Verdichter 15 zur Druckerhöhung. Bedingt durch die Druckerhöhung erfolgt ein Temperaturanstieg, der es ermöglicht die Kondensationswärme durch zuführende 16 und abführende Leitungen 16.1 leichter an eine externe Wärmesenke (nicht dargestellt) abzugeben.
• Zur Stabilisierung der Zentrifuge sind ein oder mehrere Ringe aus Magnetschwebetechnik 23 (nach dem Prinzip Transrapid oder Maglev) um die Zentrifuge angelegt. Dadurch kann ebenfalls der Antrieb erfolgen. Das umgebende Gehäuse 24 nimmt die Kräfte der 2. Seite der Magnetschwebetechnik 23 auf, die dann über das mehrere Stützen 25 aufweisende Gehäuse 24 abgeleitet werden.
• In 3 ist der Stoffkreislauf aller drei Einzelkreisläufe als Schema dargestellt, wobei in dem Rotationskompressorkreislauf 10 ein Ventilator 20.1 die Umwälzung bewirkt. In einem weiteren Stoffkreislauf zur Wärmezufuhr geschiet die Umwälzung mittels Pumpe 10.3 über eine nicht dargestellte Wärmequelle. Zuführende Manschette 10.5.1. und abführende Manschette 10.5 umfassen die, von Bohrungen (nicht gezeigt) durchbrochene, Hohlwelle 2.
• Der, das Arbeitsfluid in Dampf- und Kondensatphase enthaltende dritte Stoffkreislauf gelangt durch zentrale Drehdurchführungen 19 in und aus der Hohlwelle 2.
  Pumpe 18 fördert das Kondensat im Kreislauf über eine optionale Vorwärmung 18.1. Die Vorwärmung bezieht die Wärme über zu- und abführende Leitungen 18.2 aus einer externen, nicht gezeigten Wärmequelle.
• Bezugszeichenliste

1

Wärmekraftmaschine

1.1

Lager

2

Hohlwelle

2.1

Kondensatverteiler

3

Kondensatleitung

4

weiterführende Leitungen

5

Turbinenzuleitungen

5.1

Wärmedämmungen

6

Fallrohre

7

Generatorturbinen

7.1

Stromleitung

7.2

Schleifkontakte

8

Innenraum

8.1

Zentrifuge

9

Verdampfungsrippen

9.1

Leitschaufeln

10

Rotationskompressorkreislauf

10.1

Kanäle

10.2

zuführende Leitungen

10.2.1

abführende Leitungen

10.3

Medienpumpe

10.4

Sammelleitung

10.5

Manschette

10.5.1

Manschette

10.6

Dichtungen

10.7

Leitung von externer Wärmequelle

10.7.1

Leitung zu externer Wärmequelle

11

Kondensat

12

Hohlzylinder

13

Zentrifugeninnenwand

14

Kondensatabscheider

14.1

Kondensatableitung

15

Verdichter

15.1

Kondensator

16

Kühlzuleitung von externer Wärmesenke

16.1

Kühlableitung zur externen Wärmesenke

17

Kondensatrohr

18

Pumpe

18.1

Wärmetauscher

18.2

zu und abführende Leitungen zu externer Wärmequelle

19

Kondensateintritt

20

Kanäle

20.1

Ventilator

20.2

Rohrbündel

21

Tröpfchen

22

Trichter mit abgewinkelter Austrittsöffnung

23

Magnetschwebetechnik

24

Gehäuse

25

Stütze

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2018100601 PCT [0005, 0014, 0022]
• DE 3807783 [0013]
• AT 000000509231 B1 [0046]

Claims (7)

1. Wärmekraftmaschine (1) zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem ersten Strömungskreislauf, worin ein Arbeitsfluid mit geringer Verdampfungsenthalpie verdampft und wieder verflüssigt in einer Zentrifuge (8.1) durch ein Fallrohr (6) laufend Generatorturbinen (7) antreibt, sowie als Dampf durch Hubarbeit in eine zentrale Hohlwelle (2) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass schon im Innenraum (8) der Zentrifuge (8.1) durch das Aufsteigen in Richtung der Hohlwelle (2) erste Tröpfchenbildung und durch das Abkühlen in einem zentralen Rohrbündelwärmetauscher (20.2) weiteres Kondensieren dadurch erfolgt, dass in einem zweiten Kreislauf aus dem Rohrbündelwärmetauscher (20.2) latente Wärme durch einen Rotationskompressorkreislauf (10) zur Zentrifugeninnenwand (13) gefördert wird, dadurch den Vorteil bietend eine geringere Entnahme von Kondensationswärme zu erfordern, damit die vollständige Kondensation im Kondensator (15.1) auch durch einen Verdichter (15) zusätzlich unterstützt, energetisch günstig erfolgen kann.
2. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, zusätzliche Wärmeenergie zum Verdampfen mit Hilfe eines dritten Stoffkreislaufes, bestehend aus Kanälen (10.1) und Pumpe (10.3) der Zentrifugeninnenwand (13) zuführen.
3. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 1 und folgend gekennzeichnet dadurch dass, mit in die Hohlwelle (2) hereinragenden, abgewinkelten Trichtern (22) ein zurückfallen des Kondensates zur Zentrifugeninnenwand (13) verhindert ist.
4. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder folgenden dadurch gekennzeichnet dass, in einem hermetisch abgeschlossener Rotationskompressorkreislauf (10) mit einem darin befindlichen Ventilator (20.1) schweres Gas wie zum Beispiel Xenon, Krypton, Argon oder Schwefelhexafluorid umgewälzt wird.
5. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder folgenden dadurch gekennzeichnet dass, die Zentrifuge (8.1) mit Magnetschwebetechnik (23) gestützt, angetrieben und gegebenenfalls gebremst wird.
6. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder folgenden dadurch gekennzeichnet dass, das Prozesstemperaturniveau auch unterhalb der Umgebungstemperatur durch Wärmedämmung (5.1) an Gehäuse (24) bewirkt werden kann.
7. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder folgenden dadurch gekennzeichnet dass, im Innenraum (8) der Zentrifuge (8.1) Leitschaufeln (9.1) den Antrieb der Zentrifuge (8.1) unterstützen.

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