DE102020002897A1 - Energy generation machine with a large working temperature range (heat pump "XXX-Strom" - modification of the Stirling engine) - Google Patents

Energy generation machine with a large working temperature range (heat pump "XXX-Strom" - modification of the Stirling engine) Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Energieumwandlung aus geringen Temperaturdifferenzen und in einem großen Arbeitstemperaturbereich dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid(1) nicht direkt den Motor(5) antreibt sondern in einem Zwischenschritt die Energie auf die Arbeitsflüssigkeit(2) überträgt um den Motors(5) anzutreiben.Device for converting energy from small temperature differences and in a large working temperature range, characterized in that the working fluid (1) does not drive the motor (5) directly, but rather transfers the energy to the working fluid (2) in an intermediate step in order to drive the motor (5).

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Es ist bekannt für die Energiegewinnung aus niedrigen Temperaturen und geringen Temperaturdifferenzen

  1. 1. Stirlingmotoren
  2. 2. ORC - Anlagen
  3. 3. TEG

zu verwenden.It is known for generating energy from low temperatures and small temperature differences
  1. 1. Stirling engines
  2. 2. ORC systems
  3. 3. TEG

to use.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Bei einem Arbeitstemperaturbereich von <100°C steht der Anlagenwirkungsgrad unter 10% in Verbindung mit einem sehr hohen technischen Aufwand.With a working temperature range of <100 ° C, the system efficiency is below 10% in connection with a very high technical effort.

Die mechanischen Anlagen sind Sonderanfertigungen und können nicht mit handelsüblichen Elementen hergestellt werden. Zum Beispiel werden in ORC Anlagen hauptsächlich sehr teure Turbinen als Expansionsmaschinen eingesetzt. Aus diesem Grund sind micro Systeme mit einer Leistung unter 10 KW kaum verfügbar. Ein nicht zu unterschätzender Punkt ist die aufwendige Schmierung der beweglichen Teile im gesamten Arbeitsfluidkreislauf.The mechanical systems are custom-made and cannot be manufactured with off-the-shelf elements. For example, very expensive turbines are mainly used as expansion machines in ORC systems. For this reason, micro systems with a power below 10 KW are hardly available. A point that should not be underestimated is the complex lubrication of the moving parts in the entire working fluid circuit.

Als Arbeitsfluid kommen hauptsächlich organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur zum Einsatz. Es handelt sich hierbei um umweltkritische Flüssigkeiten die auch als Kältemittel, in Klimageräten und Kühlanlagen, bekannt sind. Energiegewinnungsmaschinen auf Basis von fossilen Brennstoffen werden hier nicht betrachtet, da sie in einem Temperaturbereich weit über 100 °C arbeiten, mit den bekannten Auswirkungen für Klima und Umwelt. Zusätzlich werden für neue und umweltfreundliche Motorenkonzepte immer höhere Anforderungen an die Kraftstoffe gestellt, diese sind wahre High-tech Produkte. Die Zukunft der Verbrennungsmotore liegt in den „Designer Kraftstoffen“.Organic liquids with a low evaporation temperature are mainly used as the working fluid. These are environmentally critical liquids that are also known as refrigerants in air conditioning and cooling systems. Energy generation machines based on fossil fuels are not considered here, as they work in a temperature range well above 100 ° C, with the known effects on the climate and the environment. In addition, ever higher demands are placed on the fuels for new and environmentally friendly engine concepts; these are true high-tech products. The future of internal combustion engines lies in “designer fuels”.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist ein sehr einfach gehaltener Anlagenaufbau zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie. Das Arbeitstemperaturfenster kann beliebig und einfach, je nach vorhandener Wärmequelle, verschoben werden.The object of the invention is a very simple system structure for converting thermal energy into mechanical energy. The working temperature window can be shifted as desired and easily, depending on the available heat source.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a device with the features of claim 1.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch den einfachen Aufbau ergeben sich geringe Investitionskosten. Die industrielle Prozessabwärme (Abfallwärme) kleiner 80°C wird zur Energiegewinnung genutzt. Es wird nicht nur die Abfallwärme recycelt sondern das Verfahren ist zu 100% emissionsfrei. Die Anlage hat einen sehr niedriger Geräuschpegel, einen hohen Wirkungsgrad und ist nahezu wartungsfrei. Es werden wenig seltene Erden und Silizium (Photovoltaik) verwendet. Die Anlage arbeitet auf einem „Klimaschädlichen Minimal Level“ (KML).The simple structure results in low investment costs. The industrial process waste heat (waste heat) below 80 ° C is used to generate energy. Not only is the waste heat recycled, but the process is 100% emission-free. The system has a very low noise level, a high degree of efficiency and is almost maintenance-free. Little rare earths and silicon (photovoltaics) are used. The system works on a "climate-damaging minimal level" (KML).

Die erforderlichen Temperaturdifferenzen liegen weit unter denen von Verbrennungsmotoren und Dampfmaschinen dabei ist der Arbeitstemperaturbereich extrem groß.The required temperature differences are far below those of internal combustion engines and steam engines, while the working temperature range is extremely large.

Es werden keinerlei Anforderungen an die Art der Wärmeerzeugung gestellt. Da es sich um ein geschlossenes System handelt und ohne Verbrennung/Oxidation auskommt ist eine Anwendung im Weltall gegeben. Diese Erfindung kann man als Vielstoffenergiegewinnungsanlage mit einem extrem großen Arbeitstemperaturbereich bezeichnen, somit ist diese Erfindung unter anderem für den Einsatz nach Naturkatastrophen für die Notstrombereitstellung prädestiniert.There are no requirements for the type of heat generation. Since it is a closed system and does not require combustion / oxidation, it can be used in space. This invention can be described as a multi-fuel energy generation system with an extremely large working temperature range, so this invention is predestined, among other things, for use after natural disasters for the provision of emergency power.

Die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht sind für die Energiegewinnung nutzbar, das ist besonders für Solarthermieanlagen interessant, diese produzieren in den Sommermonaten extrem viel nicht verwertbare Wärme und müssen daher abgeregelt werden.The temperature fluctuations between day and night can be used for energy generation, which is particularly interesting for solar thermal systems, these produce an extremely large amount of unusable heat in the summer months and must therefore be regulated.

Diese Erfindung kann ebenfalls zur Kühlung eingesetzt werden.This invention can also be used for cooling.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
es zeigen

  • 1: 2* Druckbehälter mit Arbeitsfluid und Arbeitsflüssigkeit
  • 2: 1* Druckbehälter mit Arbeitsfluid und Arbeitsflüssigkeit
  • 3: 2* Druckbehälter mit Arbeitsfluid und Nutzung der Flüssigphase
  • 4: ohne Skizze
Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.
show it
  • 1 : 2 * pressure vessel with working fluid and working fluid
  • 2 : 1 * pressure vessel with working fluid and working fluid
  • 3 : 2 * pressure vessel with working fluid and use of the liquid phase
  • 4th : without a sketch

Nach 1 sind das Arbeitsfluid (1) und die Arbeitsflüssigkeit(2) in einem Druckbehälter(3) getrennt und können sich so nicht vermischen. Die Druckbehälter(3+4) sind miteinander über einen Motor(5) und jeweils mit einem Wärmetauscher(6+7) verbunden. Die Energieumwandlung läuft in 2 Phasen ab.To 1 are the working fluid ( 1 ) and the working fluid ( 2 ) in a pressure vessel ( 3 ) separated and so cannot mix. The pressure vessels (3 + 4) are connected to each other via a motor ( 5 ) and each connected to a heat exchanger (6 + 7). The energy conversion takes place in 2 phases.

Phase1:

  • Das Arbeitsfluid (1) im Wärmetauscher(6) wird erwärmt, dadurch steigt der Druck im Druckbehälter(3). Die Arbeitsflüssigkeit(2) wird in den Druckbehälter(4) über den Motor(5) verschoben. Im Motor(5) wird die ursprüngliche Wärmeenergie in eine verwertbare mechanische Energie umgewandelt.
Phase1:
  • The working fluid ( 1 ) in the heat exchanger ( 6th ) is heated, which increases the pressure in the pressure vessel ( 3 ). The working fluid ( 2 ) is placed in the pressure vessel ( 4th ) via the engine ( 5 ) postponed. In the engine ( 5 ) the original thermal energy is converted into usable mechanical energy.

Phase2:

  • Nachdem die gesamte Arbeitsflüssigkeit(2) im Druckbehälter(4) ist, wird das Arbeitsfluid(1) im Wärmetauscher(6) abgekühlt, dadurch sinkt der Druck im Druckbehälter(3). Das Arbeitsfluid(1) wird im Wärmetauscher(7) erwärmt, dadurch steigt der Druck im Druckbehälter(4). Die Arbeitsflüssigkeit(2) wird in den Druckbehälter(3) über den Motor(5) verschoben. Im Motor(5) wird die ursprüngliche Wärmeenergie in eine verwertbare mechanische Energie umgewandelt. Nachdem die gesamte Arbeitsflüssigkeit(2) im Druckbehälter(3) ist, beginnt die Phase1.
  • Optional kann durch ein Klimakompressor(9) der Druck in den Wärmetauschern(6+7) verändert werden, was zum Verschieben des Arbeitstemperaturfensters führt.
Phase2:
  • After all the working fluid ( 2 ) in the pressure vessel ( 4th ), the working fluid is ( 1 ) in the heat exchanger ( 6th ) cooled down, thereby reducing the pressure in the pressure vessel ( 3 ). The working fluid ( 1 ) is in the heat exchanger ( 7th ) heated, this increases the pressure in the pressure vessel ( 4th ). The working fluid ( 2 ) is placed in the pressure vessel ( 3 ) via the engine ( 5 ) postponed. In the engine ( 5 ) the original thermal energy is converted into usable mechanical energy. After all the working fluid ( 2 ) in the pressure vessel ( 3 ), phase 1 begins.
  • Optionally, an air conditioning compressor ( 9 ) the pressure in the heat exchangers (6 + 7) can be changed, which leads to a shift in the working temperature window.

Nach 2 besteht der Aufbau aus dem Wärmetauscher(6), Druckbehälter(3), Behälter(8) und Motor(5). Der Aufbau ist eine Minimalvariante von 1. Das Arbeitsfluid (1) und die Arbeitsflüssigkeit(2) sind im Druckbehälter(3) getrennt und können sich so nicht vermischen. Die Energieumwandlung läuft in 2 Phasen ab.To 2 the structure consists of the heat exchanger ( 6th ), Pressure vessel( 3 ), Container( 8th ) and engine ( 5 ). The structure is a minimal variant of 1 . The working fluid ( 1 ) and the working fluid ( 2 ) are in the pressure vessel ( 3 ) separated and so cannot mix. The energy conversion takes place in 2 phases.

Phase1:

  • Das Arbeitsfluid (1) wird im Wärmetauscher(6) erwärmt, dadurch steigt der Druck im Druckbehälter(3). Die Arbeitsflüssigkeit(2) wird in den drucklosen Behälter(8) über den Motor(5) verschoben. Im Motor (5) wird die ursprüngliche Wärmeenergie in eine verwertbare mechanische Energie umgewandelt.
Phase1:
  • The working fluid ( 1 ) is in the heat exchanger ( 6th ) heated, this increases the pressure in the pressure vessel ( 3 ). The working fluid ( 2 ) is placed in the pressureless container ( 8th ) via the engine ( 5 ) postponed. In the engine ( 5 ) the original thermal energy is converted into usable mechanical energy.

Phase 2:

  • Nachdem die gesamte Arbeitsflüssigkeit(2) im Behälter(8) ist, wird das Arbeitsfluid (1) im Wärmetauscher(6) abgekühlt, dadurch sinkt der Druck im Druckbehälter(3). Durch diesen Druckabfall wird die Arbeitsflüssigkeit(2) in den Druckbehälter(3) gesaugt. Nachdem die gesamte Arbeitsflüssigkeit(2) im Druckbehälter(3) ist, beginnt die Phase1.
Phase 2:
  • After all the working fluid ( 2 ) in the container ( 8th ), the working fluid is ( 1 ) in the heat exchanger ( 6th ) cooled down, thereby reducing the pressure in the pressure vessel ( 3 ). This pressure drop causes the working fluid ( 2 ) into the pressure vessel ( 3 ) sucked. After all the working fluid ( 2 ) in the pressure vessel ( 3 ), phase 1 begins.

Das Zurücksaugen der Arbeitsflüssigkeit(2) in den Druckbehälter(3) kann man ebenfalls durch eine Feder im Druckbehälter(3), oder den Behälter(8) als Druckbehälter mit einem Gaspolster auslegen, unterstützen. Diese Variante ist nicht in der Figure2 zu sehen.The sucking back of the working fluid ( 2 ) into the pressure vessel ( 3 ) you can also use a spring in the pressure vessel ( 3 ), or the container ( 8th ) as a pressure vessel with a gas cushion, support. This variant cannot be seen in Figure 2.

Nach 3 besteht der Aufbau aus Druckbehälter(3+4) und Motor(5). Auf die Arbeitsflüssigkeit(2) wird verzichtet.
Durch wechselseitiges Erwärmen und Abkühlen der Druckbehälter(3+4)wird die Flüssigphase des Arbeitsfluids (1) verschoben und damit der Motor(5) angetrieben.
Optional kann durch ein Klimakompressor(9) der Druck in den Druckbehältern(3+4) verändert werden, was zum Verschieben des Arbeitstemperaturfensters führt.To 3 the structure consists of a pressure vessel (3 + 4) and motor ( 5 ). On the working fluid ( 2 ) is waived.
By alternately heating and cooling the pressure vessels (3 + 4), the liquid phase of the working fluid ( 1 ) shifted and thus the motor ( 5 ) driven.
Optionally, an air conditioning compressor ( 9 ) the pressure in the pressure vessels (3 + 4) can be changed, which leads to a shift in the working temperature window.

Nach 4 (keine Skizze) werden die oben beschriebenen Einzelvarianten mehrfach zusammengeschaltet/gekoppelt (z.B. elektrisch, mechanisch oder hydraulisch) um einen kontinuierlichen Energiefluss zu erreichen.To 4th (no sketch) the individual variants described above are interconnected / coupled several times (e.g. electrical, mechanical or hydraulic) in order to achieve a continuous flow of energy.

Claims (6)

Vorrichtung zur Energieumwandlung aus geringen Temperaturdifferenzen und in einem großen Arbeitstemperaturbereich dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid(1) nicht direkt den Motor(5) antreibt sondern in einem Zwischenschritt die Energie auf die Arbeitsflüssigkeit(2) überträgt um den Motors(5) anzutreiben.Device for converting energy from small temperature differences and in a large working temperature range, characterized in that the working fluid (1) does not drive the motor (5) directly, but rather transfers the energy to the working fluid (2) in an intermediate step in order to drive the motor (5). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenschritt mit der Arbeitsflüssigkeit(2) entfällt und die Flüssigphase des Arbeitsfluids(1) direkt für den Antrieb des Motors(5) genutzt wird.Device according to Claim 1 , characterized in that the intermediate step with the working fluid (2) is omitted and the liquid phase of the working fluid (1) is used directly to drive the motor (5). Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitstemperaturfenster einfach durch die Auswahl des Arbeitsfluids(1) und dessen Druckänderung eingestellt wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the working temperature window is set simply by selecting the working fluid (1) and its pressure change. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid(1) gleichzeitig in einer gasförmigen und flüssigen Phase vorhanden ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the working fluid (1) is present simultaneously in a gaseous and liquid phase. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid(1) zusätzlich in der überkritischen Phase arbeitetDevice according to one of the preceding claims, characterized in that the working fluid (1) also works in the supercritical phase Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid(1) nur gasförmig vorhanden ist verschoben. Im Motor (5) wird die ursprüngliche Wärmeenergie in eine verwertbare mechanische Energie umgewandelt. Phase 2: Nachdem die gesamte Arbeitsflüssigkeit(2) im Behälter(8) ist, wird das Arbeitsfluid (1) im Wärmetauscher(6) abgekühlt, dadurch sinkt der Druck im Druckbehälter(3). Durch diesen Druckabfall wird die Arbeitsflüssigkeit(2) in den Druckbehälter(3) gesaugt. Nachdem die gesamte Arbeitsflüssigkeit(2) im Druckbehälter(3) ist, beginnt die Phase1. Das Zurücksaugen der Arbeitsflüssigkeit(2) in den Druckbehälter(3) kann man ebenfalls durch eine Feder im Druckbehälter(3), oder den Behälter(8) als Druckbehälter mit einem Gaspolster auslegen, unterstützen. Diese Variante ist nicht in der Figure2 zu sehen. Nach 3 besteht der Aufbau aus Druckbehälter(3+4) und Motor(5). Auf die Arbeitsflüssigkeit(2) wird verzichtet. Durch wechselseitiges Erwärmen und Abkühlen der Druckbehälter(3+4)wird die Flüssigphase des Arbeitsfluids (1) verschoben und damit der Motor(5) angetrieben. Optional kann durch ein Klimakompressor(9) der Druck in den Druckbehältern(3+4) verändert werden, was zum Verschieben des Arbeitstemperaturfensters führt. Nach 4 (keine Skizze) werden die oben beschriebenen Einzelvarianten mehrfach zusammengeschaltet/gekoppelt (z.B. elektrisch, mechanisch oder hydraulisch) um einen kontinuierlichen Energiefluss zu erreichen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the working fluid (1) is only present in gaseous form. In the motor (5) the original thermal energy is converted into usable mechanical energy. Phase 2: After all of the working fluid (2) is in the container (8), the working fluid (1) is cooled in the heat exchanger (6), thereby reducing the pressure in the pressure container (3). As a result of this pressure drop, the working fluid (2) is sucked into the pressure vessel (3). After all the working fluid (2) is in the pressure vessel (3), phase 1 begins. The sucking back of the working fluid (2) into the pressure vessel (3) can also be supported by a spring in the pressure vessel (3), or the vessel (8) can be designed as a pressure vessel with a gas cushion. This variant cannot be seen in Figure 2. To 3 the structure consists of a pressure vessel (3 + 4) and a motor (5). The working fluid (2) is not used. By alternately heating and cooling the pressure vessels (3 + 4), the liquid phase of the working fluid (1) is shifted and thus the motor (5) is driven. An air conditioning compressor (9) can optionally be used to change the pressure in the pressure vessels (3 + 4), which leads to the working temperature window being shifted. To 4th (no sketch) the individual variants described above are interconnected / coupled several times (e.g. electrical, mechanical or hydraulic) in order to achieve a continuous flow of energy.
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