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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Druckluft mit Komponenten eines thermodynamischen Kreisprozesses. Dieser umfasst einen Verdampfer, in dem ein Arbeitsmedium in flüssiger Phase und in Dampfphase vorliegt, einen Expander, dem das Arbeitsmedium als Dampf vom Verdampfer her zuströmt und von dem ein Kompressor antreibbar ist, einen Kondensor zur Abkühlung und Verflüssigung des Arbeitsmediums nach dem Verlassen des Expanders und eine Umwälzpumpe, die das im Kondensor verflüssigte Arbeitsmedium zurück zum Verdampfer fördert. Es ist eine Wärmequelle zum Erwärmen des sich im Verdampfer befindlichen Arbeitsmittels vorhanden.
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Eine derartige Anlage zur Erzeugung von Druckluft ist aus der
WO 89/08188 A1 bekannt. Die Anlage umfasst einen thermodynamischen Kreisprozess mit einem Verdampfer, mit einer Einheit, in der ein Expander, ein Kompressor und eine Umwälzpumpe integriert sind, und mit einem Kondensor. Die Anlage umfasst des Weiteren eine Wärmequelle zum Erwärmen des sich im Verdampfer befindlichen Arbeitsmittels.
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In der
WO 89/08188 wird darauf hingewiesen, dass die Wärmequelle für die Erwärmung des Arbeitsmediums im Verdampfer Abwärme oder Solarwärme sein kann.
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Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, die bekannte Anlage so weiterzuentwickeln, dass Sie auch in Zonen gemäßigten Klimas verwendet werden kann. Insbesondere soll es möglich sein, vorhandene installierte, energetisch ineffiziente Druckluftanlagen so nachrüsten zu können, dass die Betriebskosten, die insbesondere Stromkosten sind, reduziert sind.
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Das verfolgte Ziel wird bei einer Anlage mit den eingangs angeführten Merkmalen dadurch erreicht, dass die Wärmequelle durch mindestens einen Sonnenkollektor gebildet wird.
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Eine erfindungsgemäße Anlage kann in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet werden.
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Vorteilhafterweise ist das Arbeitsmedium ein hochmolekulares organisches Arbeitsmedium, dessen Siedepunkt niedriger ist als der Siedepunkt von Wasser.
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Ein Wärmeträger eines solarthermischen Kreislaufs, in der Regel Glykol oder ein Wasser/Glykol-Gemisch, wird in dem mindestens einen Sonnenkollektor bis über die Siedetemperatur des Arbeitsmediums erwärmt, zum Verdampfer geführt, erwärmt dort wie in einem Wärmetauscher, also ohne mit dem Arbeitsmedium direkt in Kontakt zu kommen, das Arbeitsmedium bis über dessen Siedetemperatur und wird vom Verdampfer wieder zu dem mindestens einen Sonnenkollektor zurückgeführt.
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Vorteilhafterweise umfasst der Expander einen Freikolben, der eine Arbeitskammer begrenzt, in die über ein Zulaufventil in der Dampfphase befindliches Arbeitsmedium eingelassen wird. Der Kompressor ist ein Kolbenkompressor mit einem Kompressorkolben, der starr mit dem Freikolben verbunden und vom Freikolben antreibbar ist.
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Es ist günstig, wenn die Anlage ein Druckschaltventil in Sitzbauweise umfasst, über das der Kompressor an eine Druckluftanlage anschließbar ist. Das Druckschaltventil öffnet unabhängig vom im Druckluftsystem herrschenden Druck erst dann, wenn der Druck am Ausgang des Kompressors einen bestimmten Wert erreicht hat. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn der Kompressor kein Kolbenkompressor, sondern ein Rotationsverdichter, zum Beispiel ein Turboverdichter, ohne Auslassventil ist. Arbeitet ein solcher Verdichter ohne Auslassventil nicht, so wird durch das Druckschaltventil gewährleistet, dass keine Druckluft aus dem Druckluftsystem über den Verdichter verloren geht.
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Im Kondensor kann Wärmeenergie aus dem thermodynamischen Kreislauf zur Vorwärmung des Wärmeträgers des solarthermischen Kreislaufs genutzt werden.
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Der Wärmeträger des solarthermischen Kreislaufs kann durch einen Kühlkreislauf oder ein Kühlelement der Druckluftanlage, das der Druckluft Wärme entzieht, vorgewärmt werden.
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Eine erfindungsgemäße Anlage kann in einer Kläranlage zur Belüftung eines Belebungsbeckens der biologischen Stufe der Kläranlage dienen. Es ist damit eine Einsparung von viel elektrischer Energie möglich, wenn man von rund 10000 kommunalen Kläranlagen in Deutschland mit einem Verbrauch von elektrischer Energie in Höhe von 4400 Gigawattstunden ausgeht, wovon die Belüftung mit Druckluft circa 50 % der eingesetzten Energie verbraucht. Der Kondensor könnte mit einem verschmutzungsunempfindlichen Rohrleitungskühler oder Rohrleitungssystem direkt in das Belebungsbecken integriert sein.
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In eine erfindungsgemäße Anlage kann eine Photovoltaikanlage integriert sein, von der Energie durch mindestens einen Heizstab direkt in den Verdampfer abgegeben wird. Hiermit wird die Einspeiseproblematik umgangen und ein größeres solares Spektrum genutzt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von Druckluft ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 in stark vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Druckluft und
- 2 in stark vereinfachter Darstellung eine Einheit aus Expander und Kompressor zur Verwendung in einer Anlage gemäß 1.
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Die in der 1 gezeigte Anlage zur Erzeugung von Druckluft umfasst einen thermodynamischen Kreisprozess, der stark schematisch dargestellt und ein sogenannter Organic Rankine Cycle (ORC) ist. Der Name Organic Rankine Cycle leitet sich ab von dem britischen Physiker und Ingenieur William John Macquorn Rankine sowie von der Verwendung eines organischen Arbeitsmediums, zum Beispiel ein Heptan oder ein Hexan, mit einem Siedepunkt, der niedriger ist als der Siedepunkt von Wasser.
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Der ORC umfasst einen Verdampfer 5, in dem das Arbeitsmedium in flüssiger Phase und in Dampfphase, die sich im Wesentlichen oberhalb der flüssigen Phase befindet, vorliegt. Die flüssige Phase wird von einer Wärmequelle, nämlich von einem oder mehreren Sonnenkollektoren 6 bis über ihren Siedepunkt erwärmt, so dass sich in den beiden Phasen ein Druck einstellt, der über Atmosphärendruck liegt. Die Sonnenkollektoren 6 gehören zu einem solarthermischen Kreislauf mit einem Röhrensystem 7, in dem ein flüssiger Wärmeträger, in der Regel Glykol oder ein Wasser/Glykol-Gemisch zirkuliert. In den Sonnenkollektoren wird der Wärmeträger erwärmt. Innerhalb des Verdampfers 5 gibt der Wärmeträger wie in einem Wärmetauscher, also ohne mit dem Arbeitsmedium direkt in Kontakt zu kommen, Wärme an das Arbeitsmedium ab. Die Zirkulation des Wärmeträgers wird durch eine Umwälzpumpe 8 aufrechterhalten, die in den Zweig des Röhrensystems 7 mit der niedrigeren Temperatur eingefügt ist. Zum Beispiel kann ein Arbeitsmedium verwendet werden, dessen Siedepunkt bei 68 Grad Celsius liegt. Durch den solarthermischen Kreislauf wird das Arbeitsmedium zum Beispiel auf 110 Grad Celsius erwärmt. Entsprechend dieser Erwärmung auf 110 Grad stellt sich ein bestimmter Dampfdruck von zum Beispiel 3 bar ein.
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Über ein Rohr 12 gelangt der unter Druck stehende Dampf zu einer doppeltwirkenden Expander-Kompressor-Einheit 13, in der von dem Dampf Arbeit geleistet wird, um Luft zu komprimieren, um also Druckluft zu erzeugen und in ein Druckluftsystem einzuspeisen. Von der Einheit 13 gelangt der expandierte Dampf über ein Rohr 15 zu einem Kondensor 16, in dem das Arbeitsmedium gekühlt und verflüssigt wird. Eine Umwälzpumpe 17 fördert das flüssige Arbeitsmedium zurück in den Verdampfer 10.
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Das Druckluftsystem umfasst einen Kompressor 18, der unabhängig von dem thermodynamischen Kreisprozess betrieben werden kann und zum Beispiel elektrisch antreibbar ist und in einen Druckbehälter 19. Der Kompressorteil der Einheit 13 fördert über eine Leitung 20 ebenfalls in den Druckbehälter 19. Und zwar fördert die Einheit über ein in die Leitung 20 eingebautes Druckschaltventil 21, das eine Verbindung zwischen dem Druckluftanschluss der Einheit 13 und dem Druckbehälter 19 öffnet, wenn der Druck am Druckluftanschluss der Einheit 13 einen bestimmten Druck erreicht. Dazu hat das Druckschaltventil einen Schließkörper, der in Öffnungsrichtung vom Druck am Ausgang des Kompressors und in Schließrichtung von einer Feder 22 beaufschlagt ist. Der Federraum ist zur Atmosphäre hin offen, so dass dort immer Atmosphärendruck ansteht und der Schließkörper in Schließrichtung außer von der Feder 22 nur von Atmosphärendruck beaufschlagt ist.
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Die in 2 näher gezeigte doppeltwirkende Einheit 13 hat ein druckfestes Gehäuse 30 mit einem mittleren Gehäuseteil 31, dessen Inneres durch einen formfesten Arbeitskolben 32 in eine erste Arbeitskammer 33 und in eine zweite Arbeitskammer 34 aufgeteilt ist. Die Arbeitskammer 33 ist über ein Zulaufventil 35, das in einer Stellung geschlossen und in einer zweiten Stellung geöffnet ist und das zum Beispiel elektromagnetisch von einer Stellung, die es unter der Wirkung einer Feder einnimmt, in die andere Stellung betätigbar ist, an einen im Gehäuse 30 verlaufenden Kanal angeschlossen, der mit dem Rohr 12 verbunden ist. Die Arbeitskammer 34 ist über ein Zulaufventil 36, das genauso wie das Zulaufventil 35 ausgebildet ist, an den mit dem Rohr 12 verbundenen Kanal angeschlossen. Die Arbeitskammer 33 ist außerdem über ein Ablaufventil 37, das in einer Stellung geschlossen und in einer zweiten Stellung geöffnet ist und das zum Beispiel elektromagnetisch von einer Stellung, die es unter der Wirkung einer Feder einnimmt, in die andere Stellung betätigbar ist, an einen im Gehäuse 30 verlaufenden Kanal angeschlossen, der mit dem Rohr 15 verbunden ist. Die Arbeitskammer 34 ist außerdem über ein Ablaufventil 38, das genauso wie das Ablaufventil 37 ausgebildet ist, mit dem mit dem Rohr 15 verbundenen Kanal angeschlossen.
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Der mittlere Teil der doppeltwirkenden Einheit 13 bildet einen gemäß dem Freikolbenprinzip funktionierenden Expander 24 des thermodynamischen Kreisprozesses.
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Die Einheit 13 hat außerdem ein erstes seitliches Gehäuseteil 39 mit einem Innenraum, der durch einen ersten formfesten Kompressorkolben 40 in zwei Kammern aufgeteilt wird. Außerdem hat die Einheit 13 ein zweites seitliches Gehäuseteil 41, das dem Gehäuseteil 39 bezüglich des mittleren Gehäuseteils 31 gegenüberliegt und dessen Innenraum durch einen zweiten formfesten Kompressorkolben 42 ebenfalls in zwei Kammern aufgeteilt ist. Jeder der Kompressorkolben 40 und 42 ist über eine Kolbenstange 43, die einseitig von ihm abgeht und die abgedichtet durch die Innenräume der drei Gehäuseteile voneinander trennende Wände hindurchgeführt ist, mit dem Arbeitskolben 32 fest verbunden. Die Kolbenstange 43 kann durch zwei einzelne Kolbenstangen, die einzeln fest mit dem Arbeitskolben 32 verbunden sind, oder durch eine einstückige Kolbenstange gebildet sein, die durch den Arbeitskolben hindurchgeht und auf der der Arbeitskolder Achse der Kolbenstange 43 bewegbar im Gehäuse 30 geführt. Die beiden Kompressorkolben 40 und 42 haben denselben Außendurchmesser. Dieser ist kleiner als der Außendurchmesser des Arbeitskolbens 32.
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Aufgrund des beschriebenen Aufbaus der Einheit 13 aus 1 hat die Kammer 44, die sich auf der der Kolbenstange 43 abgelegenen Seite des Kompressorkolbens 40 befindet, also die äußere Kammer ist, senkrecht zur Bewegungsrichtung der Kolben einen kreisscheibenförmigen Querschnitt, während die gegenüberliegende, innere Kammer 45 einen ringförmigen Querschnitt hat. Ebenso hat die Kammer 46, die sich auf der der Kolbenstange 43 abgelegenen Seite des Kompressorkolbens 42 befindet, also die äußere Kammer ist, einen kreisscheibenförmigen Querschnitt, während die gegenüberliegende, innere Kammer 47 einen ringförmigen Querschnitt hat. Die beiden äußeren Kammern 44 und 46 werden als Verdichterkammern genutzt. Die Verdichterkammer 44 ist über ein Saugventil 50, das als zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit einem Lufteinlasskanal 51, und über ein Druckventil 52, das als zu ihr hin sperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit einem Luftauslasskanal 53 verbunden, an den das Rohr 14 angeschlossen ist. Die Verdichterkammer 44 ist über ein Saugventil 54, das als zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit dem Lufteinlasskanal 51, und über ein Druckventil 55, das als zu ihr hin sperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit dem Luftauslasskanal 53 verbunden. Die Kammern 43 und 45 sind mit Atmosphäre verbunden.
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Die beiden äußeren Teile der Einheit 13 bilden zusammen einen doppeltwirkenden Kolbenkompressor 25.
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Die beiden Arbeitskammern 33 und 34 haben in Bewegungsrichtung der Kolben jeweils einen ringförmigen Querschnitt, der jedoch größer als der Querschnitt der Verdichterkammern 42 und 45 ist.
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Es sei zunächst angenommen, dass die beiden Zulaufventile 35 und 36 und die beiden Ablaufventile 37 und 38 geschlossen sind. Die Kolben 32, 40 und 42 stehen dann still.
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Werden nun das der Arbeitskammer 33 zugehörige Zulaufventil 35 und das der Arbeitskammer 34 zugehörige Ablaufventil 38 geöffnet, so strömt unter Druck stehender den Druck wird an dem Arbeitskolben 32 eine Kraft erzeugt, die den Arbeitskolben und mit diesem auch die beiden Kompressorkolben 40 und 42 gemäß der Ansicht nach 2 nach rechts bewegt. Durch den Kompressorkolben 42 wird die Verdichterkammer 46 verkleinert und aus dieser über das Druckventil 55 und über die Leitung 20 mit dem Druckschaltventil 21 Luft in den Druckbehälter 19 verdrängt. Die Luft ist dabei auf den im Druckluftbehälter herrschenden Druck verdichtet. Im Gegensatz dazu wird das Volumen der Verdichterkammer 44 vergrößert, so dass über das Saugventil 50 Luft einströmt. Sind die Kolben am Ende ihres Weges angelangt, so werden das Zulaufventil 35 und das Ablaufventil 38 geschlossen und das Zulaufventil 36 und das Ablaufventil 37 geöffnet. Unter Druck stehender Dampf strömt nun aus dem Verdampfer 10 über das Rohr 12 in die Arbeitskammer 34. Durch den Druck wird an dem Arbeitskolben 32 eine Kraft erzeugt, die den Arbeitskolben und mit diesem auch die beiden Kompressorkolben 40 und 42 gemäß der Ansicht nach 2 nach links bewegt. Durch den Kompressorkolben 40 wird die Verdichterkammer 44 verkleinert und dadurch die zuvor angesaugte Luft verdichtet und über das Druckventil 52 und über die Leitung 20 mit dem das Druckschaltventil 21 in den Druckbehälter verdrängt. Im Gegensatz dazu wird das Volumen der Verdichterkammer 46 vergrößert, so dass über das Saugventil 54 Luft einströmt. Der beschriebene Zyklus wiederholt sich solange, bis das abwechselnde Öffnen und Schließen der Ventile 35, 36, 37 und 38 unterbleibt und zumindest die beiden Zulaufventile 35 und 36 gleichzeitig geschlossen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Verdampfer
- 6
- Sonnenkollektoren
- 7
- Röhrensystem
- 8
- Umwälzpumpe
- 12
- Rohr
- 13
- Expander-Kompressor-Einheit
- 14
- Druckluftsystem
- 15
- Rohr
- 16
- Kondensor
- 17
- Umwälzpumpe
- 18
- Kompressor
- 19
- Druckbehälter
- 20
- Leitung
- 21
- Druckschaltventil
- 24
- Expander
- 25
- Kompressor
- 30
- druckfestes Gehäuse von 13
- 31
- mittleres Gehäuseteil
- 32
- Arbeitskolben
- 33
- erste Arbeitskammer
- 34
- zweite Arbeitskammer
- 35
- Zulaufventil von 33
- 36
- Zulaufventil von 34
- 37
- Ablaufventil von 33
- 38
- Ablaufventil von 34
- 39
- seitliches Gehäuseteil
- 40
- Kompressorkolben
- 41
- seitliches Gehäuseteil
- 42
- Kompressorkolben
- 43
- Kolbenstange
- 44
- Verdichterkammer
- 45
- Kammer
- 46
- Verdichterkammer
- 47
- Kammer
- 50
- Saugventil
- 51
- Lufteinlasskanal
- 52
- Druckventil
- 53
- Luftauslasskanal
- 54
- Saugventil
- 55
- Druckventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 8908188 A1 [0002]
- WO 8908188 [0003]
