DE102021108558B4 - Process and device for converting low-temperature heat into technically usable energy - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit Temperaturen von maximal 200°C in einem Dreiecksprozess, im folgenden „Extended Trilateral Cycle“ (E-TLC) genannt, in Volumenänderungsarbeit und nachfolgend technisch nutzbare Energie gekennzeichnet durch:• Einen ersten Prozesszustand (1) mit einem flüssigen Arbeitsmittel (51) und einem flüssigen, chemisch mit dem Arbeitsmittel nicht identischen Wärmemedium (55) unter einem identischen ersten Druck bei einer identischen ersten Temperatur• Einer isochoren Erhöhung des Druckes und einer isobaren Erhöhung der Temperatur des Arbeitsmittels und des Wärmemediums auf einen identischen zweiten Druck und eine identische zweite Temperatur ohne Verdampfung des Arbeitsmittels oder des Wärmemediums, wobei der zweite Druck und die zweite Temperatur höher sind als der erste Druck und die erste Temperatur• Einem zweiten Prozesszustand (3) mit unter dem zweiten Druck stehenden und auf die zweite Temperatur erwärmten Arbeitsmittel (52) und Wärmemedium (56)• Einer durch Druckreduzierung initiierten, polytrop verlaufenden Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels (52) unter gleichzeitiger Zufuhr von thermischer Energie vom Wärmemedium (56) an das verdampfende Arbeitsmittel (52) mit vollständiger Verdampfung des Arbeitsmittels (52) bei gleichzeitigem Verrichten von Volumenänderungsarbeit durch den entstehenden Arbeitsmitteldampf (54) bzw. Volumenvergrößerung des bereits vorhandenen Arbeitsmitteldampfes• Einem dritten Prozesszustand (5) mit einem unter dem ersten Druck stehenden, vollständig verdampften und auf die erste Temperatur abgekühlten Arbeitsmittel (54) und einem ebenfalls auf die erste Temperatur abgekühlten und unter ersten Druck stehenden, flüssig verbliebenem Wärmemedium (55)• Einer isobaren Kondensation des verdampften Arbeitsmittels (54) bei der ersten Temperatur zu einem flüssigen kalten Arbeitsmittel (51) unter Abfuhr von Entropie womit der erste Prozesszustand wieder hergestellt ist.Method for converting thermal energy from a low-temperature heat source with temperatures of a maximum of 200°C in a triangular process, hereinafter referred to as "Extended Trilateral Cycle" (E-TLC), into volume change work and subsequently technically usable energy characterized by:• A first process state (1) with a liquid working medium (51) and a liquid, chemically not identical to the working medium (55) under an identical first pressure at an identical first temperature • an isochoric increase in pressure and an isobaric increase in the temperature of the working medium and the heating medium at one identical second pressure and an identical second temperature without evaporation of the working fluid or the heating medium, the second pressure and the second temperature being higher than the first pressure and the first temperature• A second process state (3) with the second pressure and the working medium (52) and heating medium (56) heated to the second temperature • A polytropic flash evaporation of the working medium (52) initiated by pressure reduction with simultaneous supply of thermal energy from the heating medium (56) to the evaporating working medium (52) with complete evaporation of the working medium ( 52) with simultaneous performance of volume change work by the resulting working medium vapor (54) or volume increase of the working medium vapor already present • A third process state (5) with a working medium (54) which is under the first pressure, has completely evaporated and has been cooled to the first temperature and a heat medium (55) that has also been cooled to the first temperature and is under the first pressure and remains liquid • An isobaric condensation of the vaporized working medium (54) at the first temperature to form a liquid, cold working medium (51) with the removal of entropy, which restores the first process state is.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme mit einer Temperatur von weniger als 200°C in technisch nutzbare mechanische Energie und nachfolgend elektrischer Energie.The invention relates to methods and devices for converting low-temperature heat at a temperature of less than 200° C. into technically usable mechanical energy and subsequently electrical energy.

Stand der TechnikState of the art

Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz von Niedertemperaturwärmequellen zu möglichen Wärmesenken wie Wasser oder Umgebungsluft und des daraus resultierenden niedrigen theoretischen Wirkungsgrades ist die möglichst vollständige Ausnutzung der theoretisch nutzbaren thermischen Energie wünschenswert. Möglich wird dies durch Realisierung eines Trilateral-Cycle (TLC-) Prozesses nach Smith US 4 557 112 A ), der den theoretisch höchsten exergetischen Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Wärmekraftprozessen wie einem Dampfkraftprozess oder ORC-Prozess aufweist.Due to the small temperature difference between low-temperature heat sources and possible heat sinks such as water or ambient air and the resulting low theoretical efficiency, the most complete possible utilization of the theoretically usable thermal energy is desirable. This is made possible by implementing a Trilateral Cycle (TLC) process according to Smith U.S. 4,557,112 A ), which theoretically has the highest exergetic efficiency compared to other thermal power processes such as a steam power process or ORC process.

Im TLC-Prozess nach Smith (siehe 1) durchläuft ein Arbeitsmittel die Schritte:

  • - Isochore Druckerhöhung (Pkt. 1 - Pkt. 2)
  • - Isobare Wärmezufuhr ohne Verdampfung des Arbeitsmittels (Pkt. 2 - Pkt. 3)
  • - Isentrope Entspannungsverdampfung bei kontinuierlicher Druckverringerung mit gleichzeitiger Volumenvergrößerung und Verrichten von Volumenarbeit (Pkt. 3 - Pkt. 5)
  • - Isobare Wärmeabfuhr und Kondensation des verdampften Anteils des Arbeitsmittels (Pkt. 5 - Pkt. 1)
Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist in 2 dargestellt. Beginnend beim Punkt 1 wird ein Arbeitsmittel durch eine Druckpumpe unter Arbeitsdruck gesetzt, es wird in einem Wärmetauscher externe Wärme zugeführt, diese durch Teilverdampfung des Arbeitsmittels in einer Wärmekraftmaschine in eine Rotationsbewegung umgesetzt die einen Generator antreibt. Der entstandene Arbeitsmitteldampf wird nach Austritt aus der Wärmekraftmaschine kondensiert und der Kreislauf beginnt erneut.In the TLC process according to Smith (see 1 ) a tool goes through the following steps:
  • - Isochoric pressure increase (point 1 - point 2)
  • - Isobaric heat supply without evaporation of the working medium (point 2 - point 3)
  • - Isentropic flash evaporation with continuous pressure reduction with simultaneous increase in volume and performance of volume work (point 3 - point 5)
  • - Isobaric heat dissipation and condensation of the evaporated part of the working medium (point 5 - point 1)
The basic structure of a device according to the prior art is shown in 2 shown. Starting at point 1, a working medium is put under working pressure by a pressure pump, external heat is supplied in a heat exchanger, and this is converted into a rotary movement by partial evaporation of the working medium in a heat engine, which drives a generator. The resulting working medium vapor is condensed after exiting the heat engine and the cycle begins again.

Die technische Herausforderung des TLC-Prozesses liegt in der Umsetzung der Teilverdampfung als erzwungene Entspannungsverdampfung mit einer senkrecht fallenden Verdampfungskurve (siehe 1, T-S-Diagramm, Verlauf von Punkt 3 zu Punkt 5) durch das Nassdampfgebiet des Arbeitsmittels mit einem hohen Anteil an Flüssigkeit.The technical challenge of the TLC process lies in the implementation of the partial evaporation as a forced flash evaporation with a vertically falling evaporation curve (see Fig 1 , TS diagram, course from point 3 to point 5) through the wet vapor area of the working medium with a high proportion of liquid.

Das kontinuierliche, gleichzeitige und räumliche Nebeneinander von:

  • • Reduktion des Arbeitsdruckes zur Initiierung der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels
  • • Volumenvergrößerung durch die Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels
  • • Verrichten von Expansionsarbeit durch den entstehenden Dampf des Arbeitsmittel
  • • im Nassdampfgebiet des Arbeitsmittels mit einem hohen Flüssigkeitsanteil
stellen hohe technische Anforderungen an die verwendete Vorrichtung.The continuous, simultaneous and spatial juxtaposition of:
  • • Reduction of the working pressure to initiate flash evaporation of the working medium
  • • Increase in volume due to flash evaporation of the working medium
  • • Execution of expansion work by the resulting vapor of the working medium
  • • in the wet steam area of the working fluid with a high liquid content
place high technical demands on the device used.

Bekannt sind verschiedene Vorrichtungen zur Umsetzung der Entspannungsverdampfung eines TLC-Prozesses:

  • US 3 169 375 A benennt Rotationsmaschinen
  • US 4 557 112 A benennt Screw- und Vaneexpander
  • US 7 093 503 B1 und DE 10 2007 041 457 A1 nennen Turbinensysteme
  • WO 2007/ 115 769 A2 verweist auf Kolbenmaschinen
Die Fachliteratur benennt überdies Scrollexpander und weitere Varianten von Rotary-Vane-Expander als Expansionsmaschine.Various devices are known for implementing the flash evaporation of a TLC process:
  • U.S. 3,169,375 A names rotary machines
  • U.S. 4,557,112 A designates screw and vane expanders
  • U.S. 7,093,503 B1 and DE 10 2007 041 457 A1 call turbine systems
  • WO 2007/115 769 A2 refers to piston engines
The specialist literature also names scroll expanders and other variants of rotary vane expanders as expansion machines.

Weiterhin bekannt sind:

  • DE 34 20 293 A1 - ein Organic-Rankine-Cycle(ORC) System mit niedrigsiedenenden Arbeitsmittel bzw. -gemischen zur Gewinnung von Energie aus Niedertemperaturwärme
  • US 2012 / 0 112 473 A1 - ein System zur Meerwasserentsalzung mit solarer Niedertemperaturwärme und Energiegewinnung in einem Dampfkraftprozess bzw. Wasserkraftwerk
  • GB 280 926 A - ein System zur Gewinnung von Trockendampf durch eine Entspannungsverdampfung eines überhitzten Arbeitsmittels
Also known are:
  • DE 34 20 293 A1 - An Organic Rankine Cycle (ORC) system with low-boiling working fluids or mixtures to generate energy from low-temperature heat
  • U.S. 2012/0 112 473 A1 - a system for seawater desalination with solar low-temperature heat and energy generation in a steam power process or hydroelectric power plant
  • GB 280 926 A - a system for the production of dry steam by flash evaporation of a superheated working medium

Diese Vorrichtungen wurden zumeist als Kompressionsmaschinen für die Komprimierung von Gasen entwickelt oder aus Maschinen für andere Wärmekraftprozessen abgeleitet und weisen für eine Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozess teils ungünstige Parameter auf.
Dazu gehören:

  • • Die p-V-Kennlinie der Vorrichtung entspricht nicht oder nur ungenügend der p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels, was zu Umwandlungsverlusten führt
  • • Ein zu geringes Expansionsverhältnis von Volumen und Druck und dadurch kein vollständiges Durchlaufen der Verdampfungskurve, was zu ungenutzter thermischer Energie führt
  • • hohe Spalt-Verluste an technisch bedingten Dichtflächen bei durch höhere Temperaturen bedingten höheren Arbeitsdrücken
  • • Schlechte Anpassung der Vorrichtung an Veränderungen der Eingangstemperatur bzw. der Kondensationstemperatur aufgrund mechanisch vorgegebener Arbeitspunkte
  • • Reibungsverluste
  • • Z.T. hohe Drehzahlen der Vorrichtung, die zusätzliche, verlustbehaftete Getriebe erfordern
  • • Aufwendig und teuer zu fertigende Spezialkomponenten (wie u.a. Turbinen, Screw-Expander)
  • • Bauteilschädigungen durch Tröpfchenerosion, ausgelöst durch eine schnelle, schlagartige Entspannungsverdampfung
Ein weiterer Punkt, der in der wissenschaftlichen Literatur häufig betont wird, ist die notwendige Pumpleistung, um am Anfang des Prozesses den benötigten Arbeitsdruck für das kalte flüssige Arbeitsmittel zu erzeugen, für die ein nicht geringer Teil der zuvor erzeugten Energie benötigt wird.These devices were mostly developed as compression machines for the compression of gases or derived from machines for other thermal power processes and sometimes have unfavorable parameters for flash evaporation after the TLC process.
This includes:
  • • The pV characteristic of the device does not correspond or only insufficiently to the pV evaporation characteristic of the working medium, which leads to conversion losses
  • • An expansion ratio of volume and pressure that is too low and therefore not fully traversing the evaporation curve, resulting in wasted thermal energy
  • • High gap losses on technically required sealing surfaces at higher working pressures caused by higher temperatures
  • • Poor adjustment of the device to changes in the inlet temperature or the condensation temperature due to mechanically specified operating points
  • • Friction losses
  • • ZT high speeds of the device, which require additional, lossy gear
  • • Special components that are complex and expensive to manufacture (such as turbines, screw expanders, etc.)
  • • Component damage due to droplet erosion, triggered by rapid, sudden flash evaporation
Another point that is often emphasized in the scientific literature is the pump capacity required to generate the required working pressure for the cold liquid working medium at the beginning of the process, for which a not insignificant part of the previously generated energy is required.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine technische Lösung zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme in technisch nutzbare Energie unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung ähnlich dem TLC-Prozess nach 1 bei gleichzeitiger Beseitigung der Nachteile der bisher bekannten Vorrichtungen. D.h. die neue technische Lösung soll folgende Eigenschaften aufweisen:

  • • die p-V-Kennlinie der Vorrichtung entspricht der p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels
  • • Ein großes volumenbezogenes Expansionsverhältnis
  • • Ein großes druckbezogenes Expansionsverhältnis
  • • geringe Spaltverluste an technisch bedingten Dichtflächen
  • • Vermeidung einer schlagartigen Entspannungsverdampfung und dadurch ausgelöster Tröpfchenerosion
  • • Minimierung der zur Erzeugung des Arbeitsdruckes erforderlichen Pumpleistung
  • • Leichte Anpassung an Veränderungen der thermischen Umgebungsparameter wie Temperatur der Wärmequelle bzw. der Kondensationstemperatur
  • • Abdeckung eines großen Temperaturbereichs der Temperatur der NiedertemperaturWärmequelle und der Kondensationstemperatur
The aim of the present invention is a technical solution for converting low-temperature heat into technically usable energy while realizing flash evaporation similar to the TLC process 1 while eliminating the disadvantages of the previously known devices. This means that the new technical solution should have the following properties:
  • • the pV characteristic of the device corresponds to the pV evaporation characteristic of the working medium
  • • A large volumetric expansion ratio
  • • A large pressure related expansion ratio
  • • low gap losses on technically required sealing surfaces
  • • Avoidance of a sudden decompression evaporation and the resulting droplet erosion
  • • Minimization of the pump capacity required to generate the working pressure
  • • Easy adaptation to changes in the thermal environment parameters such as the temperature of the heat source or the condensation temperature
  • • Coverage of a large temperature range of the temperature of the low-temperature heat source and the condensation temperature

Erläuterung des LösungsansatzesExplanation of the solution

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie in den Ansprüchen definiert gelöst durch einen neuartigen „Extended-TLC-Prozess“, eine Energiewandlungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in potentielle Energie sowie eine Vorrichtung und Verfahren mit einer zweimaligen Energiewandlung:

  • • Erste Wandlung: Umwandlung der thermischen Energie von Prozessmedien in potentielle Energie der Prozessmedien durch Anheben der Prozessmedien von einem unteren Niveau auf ein oberes Niveau unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem Extended-TLC-Prozess
  • • Zweite Wandlung: Umwandlung der potentiellen Energie der Prozessmedien in technisch nutzbare Energie durch Rückführung der Prozessmedien vom oberen auf das untere Niveau und Umwandlung des statischen Druckes der Prozessmedien in mechanische Energie, z.B. in einem Hydraulikmotor / -turbine
The object is achieved according to the invention as defined in the claims by a novel "extended TLC process", an energy conversion device and a method for converting ther mixed energy into potential energy and a device and method with a double energy conversion:
  • • First conversion: Conversion of the thermal energy of process media into potential energy of the process media by raising the process media from a lower level to an upper level, realizing flash evaporation after the extended TLC process
  • • Second transformation: Conversion of the potential energy of the process media into technically usable energy by returning the process media from the upper to the lower level and converting the static pressure of the process media into mechanical energy, eg in a hydraulic motor/turbine

Neu sind:

  • • Der „Extended-TLC“ Prozess
  • • Die erste Energiewandlungsvorrichtung und das Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem Extended-TLC-Prozess
  • • Die Vorrichtung und das Verfahren der zweimaligen Wandlung unter Verwendung der neuartigen ersten Energiewandlungsvorrichtung
New are:
  • • The "Extended-TLC" process
  • • The first energy conversion device and the method for converting thermal energy into potential energy while realizing a flash evaporation according to the extended TLC process
  • • The device and method of double conversion using the novel first energy conversion device

Zur besseren Unterscheidbarkeit wird:

  • - Der „Extended-TLC“ Prozess nachfolgend E-TLC Prozess genannt
  • - die erste Energiewandlungsvorrichtung zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie nachfolgend „Erster Energiewandler“ genannt
  • - die Vorrichtung mit zweimaliger Energiewandlung nachfolgend als „Gesamtsystem“ bezeichnet
  • - der im Gesamtsystem realisierte thermodynamische Prozess mit zweimaliger Energiewandlung wird aufgrund seiner Ähnlichkeit zum bekannten TLC-Prozess und zur besseren Unterscheidung zum neuartigen E-TLC-Prozess nachfolgend als „E-TLC2-Prozess“ bezeichnet.
For better differentiation:
  • - The "Extended-TLC" process hereinafter referred to as the E-TLC process
  • - The first energy conversion device for converting thermal energy into potential energy hereinafter referred to as "first energy converter".
  • - the device with double energy conversion is hereinafter referred to as the "overall system".
  • - The thermodynamic process implemented in the overall system with double energy conversion is referred to below as the "E-TLC2 process" due to its similarity to the well-known TLC process and to better distinguish it from the new E-TLC process.

Die in 1 benutzten Bezugszeichen des TLC-Prozesses werden bei Darstellungen des E-TLC und des E-TLC2-Prozesses identisch verwendet.In the 1 The reference symbols used for the TLC process are used identically in representations of the E-TLC and the E-TLC2 process.

Der neuartige E-TLC-ProzessThe new E-TLC process

Wesentliche Merkmale des neuartigen E-TLC-Prozesses (siehe 3) im Vergleich zum bekannten TLC-Prozess nach 1 sind:

  • • die Verwendung eines zusätzlichen Wärmeträgermediums (nachfolgend vereinfacht Wärmemedium genannt) als interner Wärmespeicher
  • • die vollständige Verdampfung des Arbeitsmittels (vgl. TLC-Prozess: teilweise Verdampfung)
  • • die Verdampfung in einer polytropen Verdampfung (vgl. TLC-Prozess: isentrope Verdampfung)
Wie später gezeigt wird, ergeben sich durch die Nutzung eines vollständig verdampfenden Arbeitsmittels und eines zusätzlichen Wärmemediums völlig neue Lösungswege für die technische Realisierung und Steuerung einer Vorrichtung zur Umwandlung von Niedertemperatur-Wärme in technisch nutzbare Energie.Key features of the novel E-TLC process (see 3 ) compared to the known TLC process 1 are:
  • • the use of an additional heat transfer medium (hereinafter referred to simply as heat medium) as an internal heat accumulator
  • • the complete evaporation of the working fluid (cf. TLC process: partial evaporation)
  • • the evaporation in a polytropic evaporation (cf. TLC process: isentropic evaporation)
As will be shown later, the use of a completely evaporating working medium and an additional heating medium results in completely new solutions for the technical implementation and control of a device for converting low-temperature heat into technically usable energy.

Gesamtsystem mit zweimaliger Energiewandlung (E-TLC2-Prozess)Overall system with double energy conversion (E-TLC2 process)

Kernkomponente des Gesamtsystems 11 nach 5 ist der erste Energiewandler 25.
In 4 sind die dazu gehörigen thermodynamischen Details des zweistufigen E-TLC2-Prozesses für das Gesamtsystem 11 sowie das dazugehörige T-S und p-V-Diagramm dargestellt.
Das am Punkt 2 (5 unten) unter Druck stehende Arbeitsmittel 51 und das ebenfalls unter Druck stehende Wärmemedium 55 werden in einem Wärmetauscher 31 durch extern zugeführte thermische Energie auf gleiche Temperatur erwärmt und dem ersten Energiewandler 25 zugeführt.
Im ersten Energiewandler 25 zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie wird der Schritt der Entspannungsverdampfung (siehe 4, T-S-Diagramm) vom Arbeitspunkt 3 mit der maximalen Temperatur bis zum Arbeitspunkt 5 mit der minimalen Temperatur vollständig durchlaufen. Dadurch wird ein Maximum beim exergetischen Wirkungsgrad erreicht.
Das durch den ersten Energiewandler 25 angehobene und vollständig verdampfte Arbeitsmittel wird nach Austritt aus dem ersten Energiewandler 25 aufgefangen, der Arbeitsmitteldampf 54 kondensiert, gesammelt und unter Verrichtung von mechanischer Arbeit in einem zweiten Energiewandler 34 wieder zum unteren Niveau zurückgeführt.
Das flüssig verbliebene Wärmemedium wird ebenfalls aufgefangen und unter Verrichtung von mechanischer Arbeit im zweiten Energiewandler 34 wieder zum unteren Niveau zurückgeführt. Abweichend zum E-TLC-Prozess nach 3 gibt es beim zweistufigen E-TLC2-Prozess zwischen den thermodynamischen Punkten 1 und 2 einen weiteren Punkt 7, an dem das kalte Arbeitsmittel 51 und das kalte Wärmemedium 55 einen höheren Druck aufweisen, als nach dem E-TLC-Prozess am Punkt 2 erforderlich ist. Diese Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 des E-TLC2-Prozesses wird im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare Energie umgesetzt. Gleichzeitig entfällt damit die nach dem Stand der Technik erforderliche Pumpe zur Erzeugung des notwendigen Arbeitsdruckes.
Das Produkt aus Druckdifferenz und Volumen des Arbeitsmittels und des Wärmemediums entspricht der im ersten Energiewandler 25 in potentielle Energie gewandelten thermischen Energie.
Core component of the overall system 11 after 5 is the first energy converter 25.
In 4 the associated thermodynamic details of the two-stage E-TLC2 process for the overall system 11 and the associated TS and pV diagram are shown.
That at point 2 ( 5 bottom) working medium 51 under pressure and the heating medium 55 , which is also under pressure, are heated to the same temperature in a heat exchanger 31 by externally supplied thermal energy and fed to the first energy converter 25 .
In the first energy converter 25 for converting thermal energy into potential energy, the flash evaporation step (see 4 , TS diagram) from working point 3 with the maximum temperature to working point 5 with the minimum temperature. This will be a maximum achieved with the exergetic efficiency.
The working medium raised and completely evaporated by the first energy converter 25 is collected after exiting the first energy converter 25, the working medium vapor 54 is condensed, collected and returned to the lower level while performing mechanical work in a second energy converter 34.
The heat medium that remains liquid is also collected and returned to the lower level while mechanical work is performed in the second energy converter 34 . Deviating from the E-TLC process according to 3 In the two-stage E-TLC2 process, there is another point 7 between the thermodynamic points 1 and 2, at which the cold working medium 51 and the cold heat medium 55 have a higher pressure than is required at point 2 after the E-TLC process . This pressure difference between points 7 and 2 of the E-TLC2 process is converted into technically usable energy in the second energy converter 34 . At the same time, the pump required according to the state of the art for generating the necessary working pressure is no longer required.
The product of the pressure difference and the volume of the working medium and the heat medium corresponds to the thermal energy converted into potential energy in the first energy converter 25 .

Der erste EnergiewandlerThe first energy converter

Die physikalische und technische Grundlage für den ersten Energiewandlers 25 (siehe 6a) sind jeweils durch zwei Kolben 170 begrenzte und mit warmem Arbeitsmittel AM und warmen Wärmemedium WM gefüllte Arbeitsbereiche AB.
Eine Vielzahl dieser durch Kolben 170 getrennter Arbeitsbereiche sind übereinander in einem aufwärts gerichtetem Rohr angeordnet (siehe 6b).
Jeder Arbeitsbereich steht dabei unter einem lokalen Arbeitsdruck pA, der durch die im Rohr über dem jeweiligen Arbeitsbereich befindlichen, weiteren Arbeitsbereiche erzeugt wird.
Entsprechend der Anzahl der oberhalb eines einzelnen Arbeitsbereiches befindlichen weiteren Arbeitsbereiche und dem dadurch in einem einzelnen Arbeitsbereich herrschenden lokalen Arbeitsdruck pA ist das Arbeitsmittel AM in einer Entspannungsverdampfung - bei gleichzeitiger Vergrößerung des Volumens des Arbeitsbereiches - teilweise (unterer und mittlerer Bereich) oder vollständig (oberer Bereich) verdampft und abgekühlt. Die für das vollständige Verdampfen des Arbeitsmittels benötigte thermische Energie wird dem Wärmemedium entzogen sodass dieses ebenfalls abgekühlt wird (siehe 4 und 6b).
The physical and technical basis for the first energy converter 25 (see 6a ) are each delimited by two pistons 170 and filled with warm working medium AM and warm heat medium WM work areas AB.
A plurality of these working areas, separated by pistons 170, are arranged one above the other in an upwardly directed tube (see Fig 6b ).
Each working area is under a local working pressure pA, which is generated by the other working areas in the pipe above the respective working area.
Depending on the number of other working areas above an individual working area and the resulting local working pressure pA prevailing in an individual working area, the working medium AM is in flash evaporation - with a simultaneous increase in the volume of the working area - partially (lower and middle area) or completely (upper area). ) evaporated and cooled. The thermal energy required for the complete vaporization of the working medium is withdrawn from the heat medium so that it is also cooled (see Fig 4 and 6b ).

Durch Zuführung neuer Arbeitsbereiche (siehe 6b) auf dem unteren Niveau des aufwärts gerichteten Rohres werden die darüber befindlichen Arbeitsbereiche soweit angehoben, das der oberste Arbeitsbereich auf dem oberen Niveau aus dem aufwärts gerichteten Rohr austritt.
Das verringert den lokalen Arbeitsdruck pA für alle nachfolgenden Arbeitsbereiche.
Diese Druckverringerung führt bei allen Arbeitsbereichen im Rohr zu kleinen Entspannungsverdampfungen und damit kleinen Volumenvergrößerungen jedes einzelnen Arbeitsbereiches und folglich einem Anheben aller darüber befindlichen Arbeitsbereiche.
Die Summe dieser vielen kleinen Volumenvergrößerungen ergibt eine große Volumenvergrößerung, die den obersten Arbeitsbereich stark anhebt (siehe 6b - resultierende Wegänderung) und - nach Zuführung eines neuen Arbeitsbereiches auf dem unteren Niveau - ebenfalls auf dem oberen Niveau austreten lässt.
Damit dieser Vorgang sich kontinuierlich wiederholt, werden auf dem unteren Niveau ständig neue Arbeitsbereiche mit warmem Arbeitsmittel und warmem Wärmemedium unter einem Dosierdruck pD zugeführt.
Die in 6a und 6b dargestellte strikte Trennung von Wärmemedium und Arbeitsmittel dient der verständlichen Darstellung der Vorgänge innerhalb eines Arbeitsbereiches während der Bewegung vom unteren zum oberen Niveau. In der Realität kommt es innerhalb eines Arbeitsbereiches AB zu einer Vermischung von Wärmemedium und Arbeitsmittel zu einem Arbeitsgemisch AG (siehe 6c).
Durch die Verdampfung des Arbeitsmittels während der Bewegung vom unteren zum oberen Niveau unterliegt das Arbeitsgemisch einer ständigen Veränderung des Mischungsverhältnisses bis auf dem oberen Niveau das Arbeitsmittel vollständig verdampft ist und das Wärmemedium allein als Flüssigkeit verbleibt.
By adding new work areas (see 6b ) at the bottom level of the up pipe, the work areas above are raised to such an extent that the top work area at the top level exits the up pipe.
This reduces the local working pressure pA for all subsequent working areas.
This reduction in pressure leads to small expansion evaporations in all work areas in the tube and thus small increases in volume of each individual work area and consequently a lifting of all work areas located above.
The sum of these many small increases in volume results in a large increase in volume, which greatly increases the top working area (see 6b - resulting path change) and - after adding a new work area to the lower level - can also exit to the upper level.
In order for this process to be repeated continuously, new working areas with warm working fluid and warm heating medium are constantly fed in at the lower level under a dosing pressure pD.
In the 6a and 6b The strict separation of the heat medium and the work equipment shown serves to provide a comprehensible representation of the processes within a work area during the movement from the lower to the upper level. In reality, within a working area AB, the heating medium and working medium are mixed to form a working mixture AG (see Fig 6c ).
Due to the evaporation of the working medium during the movement from the lower to the upper level, the working mixture is subject to a constant change in the mixing ratio until the working medium has completely evaporated at the upper level and the heating medium remains only as a liquid.

Optimierung des GesamtsystemsOptimization of the overall system

Die Betrachtung von Wärmemedium und Arbeitsmittel als Arbeitsgemisch legt die Möglichkeit einer vorteilhaften Optimierung des in 5 dargestellten Gesamtsystems 11 nahe.
In 7 ist das optimierte Gesamtsystem 12 mit einer Mischkammer 33 zur Herstellung des Arbeitsgemisches AG bereits außerhalb des ersten Energiewandlers dargestellt.
Im Ergebnis der Optimierung ist nur noch ein einteiliger zweiter Energiewandler 34 und ein einteiliger Wärmetauscher 31 anstelle von zweigeteiltem zweitem Energiewandler und Wärmetauscher nach 5 erforderlich.
The consideration of heat medium and working medium as a working mixture opens up the possibility of an advantageous optimization of the in 5 illustrated overall system 11 close.
In 7 the optimized overall system 12 with a mixing chamber 33 for producing the working mixture AG is already shown outside of the first energy converter.
The result of the optimization is only a one-piece second energy converter 34 and a one-piece heat exchanger 31 instead of two-part second energy converter and heat exchanger 5 necessary.

Weiterentwicklung des ersten EnergiewandlersFurther development of the first energy converter

Das in 6 skizzierte Prinzip des ersten Energiewandlers erfordert eine um so größere Höhe des aufwärts gerichteten Rohres - zum Aufbau des mit der Temperatur steigenden maximalen Arbeitsdrucks pA - je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Niedertemperaturwärmequelle und der Dampfverflüssigungstemperatur (gegeben durch die Temperatur der Wärmesenke) ist.
Es können dadurch Höhen von mehreren hundert Meter bis über 1000 Meter erforderlich werden.
Dies kann gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des ersten Energiewandlers (siehe 10a-b) dadurch vermieden werden, das zwischen zwei Arbeitsbereiche AB ein zusätzlicher Gewichtsbereich GB gefüllt mit einem Gewichtsmedium 60 eingefügt wird (siehe 10a). Das Gewichtsmedium ist - im Gegensatz zum Arbeitsmittel und Wärmemedium - nicht durch die Wärmequelle erwärmt.
Das Gewichtsmedium bewirkt - bei ansonsten gleichen Abläufen wie zu 6 beschrieben - durch sein Eigengewicht eine Erhöhung des Arbeitsdruckes pA auf jeden im aufwärts gerichteten Rohr befindlichen Arbeitsbereich AB. Damit ist es möglich - wie noch gezeigt wird - die erforderliche Höhe des aufwärts führenden Rohres zum Aufbau des Arbeitsdruckes pA deutlich zu reduzieren.
In 11 ist das Gesamtsystem 15 mit einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 dargestellt, dessen Aufbau weitestgehend identisch mit dem Gesamtsystem 11 nach 5 ist.
Der in 12 dargestellte Aufbau des Gesamtsystems 16 mit einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 und externer Herstellung eines Arbeitsgemisches ist weitestgehend identisch mit dem Gesamtsystem 12 nach 7. Neu ist bei beiden Gesamtsystemen die zusätzliche Zuführung von Gewichtsmedium 60 zum weiterentwickelten ersten Energiewandler 26.
Die thermodynamischen Abläufe des E-TLC2-Prozesses nach 4 gelten auch für die Gesamtsysteme 15 und 16 mit dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26.
This in 6 The principle of the first energy converter outlined above requires that the pipe pointing upwards be all the greater - in order to build up the maximum working pressure pA that increases with the temperature - the greater the temperature difference between the low-temperature heat source and the vapor condensation temperature (given by the temperature of the heat sink).
Heights of several hundred meters to more than 1000 meters can be necessary.
According to an advantageous further development of the first energy converter (see 10a-b ) can be avoided by inserting an additional weight area GB filled with a weight medium 60 between two work areas AB (see 10a ). The weight medium is - in contrast to the working medium and heat medium - not heated by the heat source.
The weight medium causes - with otherwise the same processes as above 6 described - due to its own weight, an increase in the working pressure pA on each working area AB in the upward-pointing pipe. This makes it possible - as will be shown - to significantly reduce the required height of the pipe leading upwards to build up the working pressure pA.
In 11 the overall system 15 is shown with a further developed first energy converter 26, the structure of which is largely identical to the overall system 11 5 is.
the inside 12 The structure of the overall system 16 shown, with a further developed first energy converter 26 and external production of a working mixture, is largely identical to the overall system 12 according to FIG 7 . What is new in both overall systems is the additional supply of weight medium 60 to the further developed first energy converter 26.
The thermodynamic processes of the E-TLC2 process 4 also apply to the overall systems 15 and 16 with the further developed first energy converter 26.

Die durch die geringere Höhe der Gesamtsysteme 15 und 16 verringerte Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 wird für den zweiten Energiewandler 34 durch ein größeres Volumen aus Arbeitsmittel, Wärmemedium und Gewichtsmedium kompensiert (siehe 1 1+12, p-V-Diagramme).
Eine Variation der Menge des Arbeitsgemisches (Wärmemedium und Arbeitsmittel) bzw. des Gewichtsmediums ermöglicht eine leichte Regelung des Gesamtsystems.
The reduced pressure difference between points 7 and 2 due to the lower height of the overall systems 15 and 16 is compensated for by a larger volume of working medium, heat medium and weight medium for the second energy converter 34 (see Fig 1 1+12, pV diagrams).
Varying the amount of the working mixture (heating medium and working medium) or the weight medium allows the overall system to be easily controlled.

Von besonderem Vorteil ist, dass der weiterentwickelte erste Energiewandler auch in einer Betriebsart ohne Gewichtsmedium betrieben werden kann und damit der nutzbare Temperaturbereich hin zu niedrigeren Temperaturen ausgedehnt wird.It is of particular advantage that the further developed first energy converter can also be operated in an operating mode without a weight medium and the usable temperature range is thus extended towards lower temperatures.

Optimierung der weiterentwickelten GesamtsystemeOptimization of the advanced overall systems

Wie in 11 und 12 dargestellt erfordert die Nutzung eines Gewichtsmediums in den Gesamtsystemen 15 und 16 die Nutzung eines zweiteiligen zweiten Energiewandlers 34.
Dies kann durch die Nutzung von Arbeitsgemisch als Gewichtsmedium wie in 13 dargestellt vermieden werden.
As in 11 and 12 shown, the use of a weight medium in the overall systems 15 and 16 requires the use of a two-part second energy converter 34.
This can be achieved by using working mixture as a weight medium as in 13 shown to be avoided.

Weitere Gestaltungsvarianten des GesamtsystemsFurther design variants of the overall system

Unter Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte von Arbeitsmedium und Wärme- bzw. Gewichtsmedium sind verschiedene Gestaltungsvarianten des Gesamtsystems zur Umwandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare Energie, möglich. Je nach Einsatzbereich (Quelle der Niedertemperaturwärme, Wärmesenke, Temperaturdifferenz) sind dadurch technische Vorteile erzielbar.
So kann, wie in 8, 14 und 15 dargestellt, die Höhe des Gesamtsystems zwischen Kondensationsvorrichtung und der Wärmezufuhr soweit reduziert werden, dass der entstehende Flüssigkeitsdruck des Arbeitsmittels bzw. des Arbeitsgemisches dem am Punkt 2 erforderlichen Arbeitsdruck entspricht. Die bisher zur Energiegewinnung genutzte Druckdifferenz zwischen dem - nicht mehr gegebenen - Punkt 7 und 2 verschwindet. Der Verlust an potentieller Energie des Arbeitsmittels bzw. Arbeitsgemisches wird kompensiert durch das größere nutzbare Volumen von Wärme- bzw. Gewichtsmedium. Die Summe der technisch nutzbaren Energiemenge bleibt gleich.
Steht die weitere Verringerung der Höhe der Gesamtsystems im Vordergrund, ist, wie in 9 und 16 dargestellt, auch der Einsatz einer zusätzlichen Druckerhöhungspumpe 35 möglich.
Allerdings sinkt hierdurch die abzugebende technisch nutzbare Energiemenge.
Using the different densities of the working medium and the heat or weight medium, various design variants of the overall system for converting thermal energy into technically usable energy are possible. Depending on the area of application (source of low-temperature heat, heat sink, temperature difference), technical advantages can be achieved.
So can, as in 8th , 14 and 15 shown, the height of the overall system between the condensation device and the heat supply can be reduced to such an extent that the resulting liquid pressure of the working medium or the working mixture corresponds to the working pressure required at point 2. The pressure difference between points 7 and 2, which no longer exist, which was previously used to generate energy, disappears. The loss of potential energy of the working medium or working mixture is compensated by the larger usable volume of heat or weight medium. The sum of the technically usable amount of energy remains the same.
If the focus is on further reducing the height of the overall system, as in 9 and 16 shown, the use of an additional booster pump 35 is also possible.
However, this reduces the amount of technically usable energy to be delivered.

Leistungserhöhung durch ParallelisierungIncreased performance through parallelization

Das Prinzip und die einfache Technik des ersten Energiewandlers 25 und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie erlaubt es, beliebig viele aufwärts führende Rohre zur Energiewandlung parallel zu bauen (siehe 17, exemplarisch dargestellt am Beispiel Gesamtsystem 12).
Dies hat den Vorteil, dass auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen der Niedertemperaturquelle und der Dampfverflüssigungstemperatur und dem damit verbundenem kleinen Wirkungsgrad trotzdem große Wärmemengen umgesetzt und daraus technisch nutzbare Energie gewonnen werden kann.
Mit einer Parallelisierung sind Leistungen bis weit in den Megawattbereich erzielbar.
The principle and the simple technology of the first energy converter 25 and the further developed first energy converter 26 for converting thermal energy into potential energy allows any number of upward-leading pipes to be built in parallel for energy conversion (see Fig 17 , shown as an example using the example of the entire system 12).
This has the advantage that even with low temperature differences between the low-temperature source and the vapor condensation temperature and the associated low efficiency, large amounts of heat can still be converted and technically usable energy can be obtained from this.
With parallelization, outputs well into the megawatt range can be achieved.

Mit der Nutzung des neuartigen E-TLC-Prozesses, des erfindungsgemäßen ersten Energiewandlers, des weiterentwickelten erfindungsgemäßen ersten Energiewandlers sowie der Parallelisierung des ersten und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers:

  • • Erfolgt durch das Prinzip der frei beweglichen Kolben eine selbsttätige Anpassung der p-V-Kennlinie der ersten Energiewandler an die p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels
  • • Ist eine stufenlose Volumenvergrößerung von mehr als 1:100 möglich (Ausgangsvolumen des flüssigen warmen Arbeitsmittels zu Endvolumen des verdampften gasförmigen Arbeitsmittels)
  • • ist eine stufenlose Druckentspannung von mehr als 1:10 möglich (maximaler Arbeitsdruck auf dem unteren Niveau zu minimalem Arbeitsdruck auf dem oberen Niveau)
  • • Wird durch einen sehr langsamen Druckabbau von mehreren Sekunden bis Minuten (Zeit zwischen Beginn und Ende der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels) eine explosionsartige Verdampfung des Arbeitsmittels und nachfolgende Tröpfchenerosion, die zu Bauteilzerstörungen führen kann, vermieden
  • • Werden durch geringe Druckunterschiede von weit weniger als 0,001MPa (0,01bar) zwischen der Kolbenoberseite und der Kolbenunterseite die technischen Anforderungen an die Kolbendichtungen deutlich gesenkt und Spaltverluste weitestgehend reduziert
  • • Sind durch mehrere parallel arbeitende erste Energiewandler Leistungen bis weit in den Megawatt-Bereich möglich
  • • Ist durch Änderung der zugeführten Mengen des Arbeitsmittels, des Wärmemediums, des Gewichtsmediums oder der Betriebsweise im weiterentwickelten ersten Energiewandler eine einfache Anpassung an Veränderungen der externen Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle und/oder der Temperatur der Dampfverflüssigung möglich
  • • können bereits geringe Temperaturdifferenzen von 10°K zur Energiegewinnung ausgenutzt werden
  • • ist ein flexibler Tag/Nacht-Betrieb sowie ein flexibler Sommer/Winter-Betrieb mit Anpassung an die sich verändernden Temperaturen der Niedertemperaturwärmequelle oder der Dampfverflüssigungstemperatur möglich
With the use of the new E-TLC process, the first energy converter according to the invention, the further developed first energy converter according to the invention and the parallelization of the first and the further developed first energy converter:
  • • Due to the principle of the freely moving pistons, the pV characteristic of the first energy converter is automatically adapted to the pV evaporation characteristic of the working fluid
  • • Is a stepless volume increase of more than 1:100 possible (initial volume of the liquid, warm working medium to final volume of the vaporized gaseous working medium)
  • • a continuous pressure relief of more than 1:10 is possible (maximum working pressure on the lower level to minimum working pressure on the upper level)
  • • Is an explosive evaporation of the working fluid and subsequent droplet erosion, which can lead to component destruction, avoided by a very slow pressure reduction of several seconds to minutes (time between the start and end of the flash evaporation of the working fluid).
  • • The technical requirements for the piston seals are significantly lowered and gap losses are reduced to the greatest possible extent due to small pressure differences of far less than 0.001 MPa (0.01 bar) between the top and bottom of the piston
  • • Are powers far into the megawatt range possible through several parallel working first energy converters
  • • Is a simple adaptation to changes in the external temperature of the low-temperature heat source and/or the temperature of the vapor liquefaction possible by changing the supplied amounts of the working medium, the heat medium, the weight medium or the mode of operation in the further developed first energy converter
  • • Even small temperature differences of 10°K can be used to generate energy
  • • flexible day/night operation as well as flexible summer/winter operation with adjustment to the changing temperatures of the low-temperature heat source or the vapor condensation temperature is possible

Die Vorteile des erfindungsgemäßen zweistufigen E-TLC2-Verfahrens zur Wandlung von thermischer Energie nach dem E-TLC2-Prozess in technisch nutzbare Energie sind:

  • • die thermodynamisch anspruchsvollen Vorgänge der Wandlung der thermischen Energie nach dem E-TLC-Prozess in eine andere Energieform werden von der Wandlung in technisch nutzbare mechanische Energie entkoppelt (vergleichbar der Trennung von Dampferzeugung und Turbine in klassischen Wärmekraftwerken)
  • • die technische Komplexität einer Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in technisch nutzbare Energie wird im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert, da jede der beiden Energiewandlungsstufen für ihre jeweilige Aufgabe optimiert werden kann
  • • Der zu Prozessbeginn erforderliche Arbeitsdruck für das Arbeitsmittel, das Wärmemedium und ggf. das Gewichtsmedium wird verfahrens- und vorrichtungsintern ohne die nach dem Stand der Technik erforderliche Druckpumpe erzeugt
  • • dies senkt die technisch bedingten Verluste, erhöht den technischen Wirkungsgrad und bringt ökonomische Vorteile
  • • je nach Einsatzfall kann aus verschiedenen Bauweisen des Gesamtsystems die optimale Bauform zur Realisierung eines E-TLC2-Prozesses ausgewählt werden
The advantages of the two-stage E-TLC2 process according to the invention for converting thermal energy into technically usable energy according to the E-TLC2 process are:
  • • The thermodynamically demanding processes of converting thermal energy into another form of energy according to the E-TLC process are decoupled from the conversion into technically usable mechanical energy (comparable to the separation of steam generation and turbines in classic thermal power plants)
  • • The technical complexity of a device for converting thermal energy into technically usable energy is significantly reduced compared to the prior art, since each of the two energy conversion stages can be optimized for their respective task
  • • The working pressure required at the start of the process for the working medium, the heating medium and, if applicable, the weight medium is generated internally in the process and device without the pressure pump required according to the prior art
  • • This reduces the losses caused by the technology, increases the technical efficiency and brings economic benefits
  • • Depending on the application, the optimal design for implementing an E-TLC2 process can be selected from various designs of the overall system

Figurenlistecharacter list

  • 1 - Thermodynamik des TLC-Prozesses nach dem Stand der Technik 1 - Thermodynamics of the prior art TLC process
  • 2 - Prinzipaufbau eines Systems zur Nutzung des TLC-Prozesses nach dem Stand der Technik 2 - Basic structure of a system for using the TLC process according to the state of the art
  • 3 - Thermodynamik des neuartigen E-TLC-Prozesses 3 - Thermodynamics of the novel E-TLC process
  • 4 - Thermodynamik des neuartigen E-TLC2-Prozesses 4 - Thermodynamics of the novel E-TLC2 process
  • 5 - Darstellung Gesamtsystem 11 nach dem E-TLC2-Prozess 5 - Representation of the entire system 11 after the E-TLC2 process
  • 6 - Funktionsprinzip erster Energiewandler 25 6 - Functional principle of the first energy converter 25
  • 7 - Darstellung optimiertes Gesamtsystem 12 mit Mischkammer 33 7 - Representation of optimized overall system 12 with mixing chamber 33
  • 8 - Darstellung Gesamtsystem 13 mit ersten Energiewandler 25 bei reduzierter Höhe 8th - Representation of the entire system 13 with the first energy converter 25 at a reduced height
  • 9 - Darstellung Gesamtsystem 14 mit reduzierter Höhe und Druckerhöhungspumpe 35 9 - Representation of the entire system 14 with a reduced height and booster pump 35
  • 10 - Funktionsprinzip weiterentwickelter erster Energiewandler 26 10 - Functional principle of further developed first energy converter 26
  • 11 - Darstellung Gesamtsystem 15 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 11 - Representation of the entire system 15 with a further developed first energy converter 26
  • 12 - Darstellung Gesamtsystem 16 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Mischkammer 33 12 - Representation of the entire system 16 with a further developed first energy converter 26 and mixing chamber 33
  • 13 - Darstellung Gesamtsystem 17 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch als Gewichtsmedium 13 - Representation of the overall system 17 with a further developed first energy converter 26 and working mixture as the weight medium
  • 14 - Darstellung Gesamtsystem 18 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 bei reduzierter Höhe 14 - Representation of the entire system 18 with a further developed first energy converter 26 at a reduced height
  • 15 - Darstellung Gesamtsystem 19 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Mischkammer 33 bei reduzierter Höhe 15 - Representation of the entire system 19 with a further developed first energy converter 26 and mixing chamber 33 at a reduced height
  • 16 - Darstellung Gesamtsystem 20 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Druckerhöhungspumpe 35 bei reduzierter Höhe 16 - Representation of the overall system 20 with a further developed first energy converter 26 and pressure booster pump 35 at a reduced height
  • 17 - Darstellung Gesamtsystem 12 mit mehreren parallelen ersten Energiewandlern 25 17 - Representation of the overall system 12 with several parallel first energy converters 25
  • 18 - Thermodynamik des modifizierten mE-TLC2-Prozesses 18 - Thermodynamics of the modified mE-TLC2 process
  • 19 - Darstellung Gesamtsystem 211 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 25 19 - Representation of the entire system 211 after the mE-TLC2 process with the first energy converter 25
  • 20 - Darstellung Gesamtsystem 212 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 25 und Arbeitsgemisch 20 - Representation of the overall system 212 after the mE-TLC2 process with the first energy converter 25 and working mixture
  • 21 - Darstellung Gesamtsystem 216 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch 21 - Representation of the entire system 216 after the mE-TLC2 process with the first energy converter 26 and working mixture
  • 22 - Darstellung Gesamtsystem 219 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch bei reduzierter Höhe 22 - Representation of the entire system 219 after the mE-TLC2 process with the first energy converter 26 and working mixture at a reduced height
  • 23 - Darstellung erster Energiewandler 25 23 - Representation of the first energy converter 25
  • 24 - Darstellung erste Energiewandler 25 mit Zuführung Arbeitsgemisch 24 - Representation of the first energy converter 25 with the supply of the working mixture
  • 25 - Darstellung weiterentwickelter erster Energiewandler 26 25 - Representation of further developed first energy converter 26
  • 26 - Darstellung weiterentwickelter erster Energiewandler 26 mit Zuführung Arbeitsgemisch 26 - Representation of further developed first energy converter 26 with supply of working mixture
  • 27 - Darstellung der Variation möglicher Betriebszustände der ersten Energiewandler 25 und 26 im T-S-Diagramm 27 - Representation of the variation of possible operating states of the first energy converters 25 and 26 in the TS diagram
  • 28 - Darstellung möglicher Gestaltungsvarianten des Rohrsystems auf dem unteren bzw. oberen Niveau 28 - Presentation of possible design variants of the pipe system on the lower and upper level

Auflistung der verwendeten Bezugszeichen und NummerierungenList of reference symbols and numbering used

BezugszeichenlisteReference List

ABAWAY
ArbeitsbereichWorkspace
AGInc
Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmittel, allgemein verwendetWorking mixture of heat medium and working fluid, commonly used
AMAT THE
Arbeitsmittel, allgemein verwendettools, commonly used
GBGB
Gewichtsbereichweight range
HH
Fallhöhedrop height
WMWM
Wärmemedium, allgemein verwendetHeat medium, commonly used
pApA
Arbeitsdruckwork pressure
pDpD
Dosierdruckdosing pressure
pKpK
Druck Kolbenstapelpressure piston stack

Ziffern 1 - 7 --- Punkte für bestimmte thermodynamische Zustände in T-S und p-V Diagrammen

  • • Ziffer ohne Zusatz kennzeichnet Zustandspunkt für das Arbeitsmittel
  • • Zusatz „..wm” kennzeichnet Zustandspunkt für das Wärmemedium
  • • Zusatz „..gm” kennzeichnet Zustandspunkt für das Gewichtsmedium
  • • Zusatz „..ag” kennzeichnet Zustandspunkt für das Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmittel
Digits 1 - 7 --- points for certain thermodynamic states in TS and pV diagrams
  • • A number without a suffix indicates the status point for the work equipment
  • • The suffix "..wm" indicates the status point for the heating medium
  • • The suffix "..gm" indicates the status point for the weight medium
  • • The suffix "..ag" indicates the state point for the working mixture of heat medium and working medium

Ziffern 10 - 99 --- Bestandteile Gesamtsystem

11
Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25 und interner Erzeugung eines Arbeitsgemisches
12
Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25 und externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches
13
Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches bei reduzierter Höhe
14
Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches bei reduzierter Höhe und zusätzlicher Druckerhöhungspumpe 35
15
Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, interner Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Wärmemedium als Gewichtsmedium
16
Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Wärmemedium als Gewichtsmedium
17
Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Arbeitsgemisch als Gewichtsmedium
18
Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches mit Druckaufbau durch Arbeitsmittel und Wärmemedium als Gewichtsmedium bei reduzierter Höhe
19
Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches mit Druckaufbau durch Arbeitsgemisch und Wärmemedium als Gewichtsmedium bei reduzierter Höhe
20
Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches, Wärmemedium als Gewichtsmedium sowie zusätzlicher Druckerhöhungspumpe 35 für das Arbeitsmittel bei reduzierter Höhe
25
Erster Energiewandler thermische zu potentielle Energie
26
Weiterentwickelter erster Energiewandler thermische zu potentielle Energie
31
Wärmetauscher zur Aufnahme von Wärmeenergie
32
Dampfverflüssiger für Arbeitsmitteldampf
33
Mischkammer für Arbeitsmedium und Wärmemedium
34
Zweiter Energiewandler, potentielle zu technisch nutzbare Energie
35
Druckerhöhungspumpe
40
Zuführungen, allgemein
41
Zuführung Gewichtsmedium
51
Arbeitsmittel, flüssig, kalt
52
Arbeitsmittel, flüssig, warm
53
Arbeitsmittel, dampfförmig, warm
54
Arbeitsmittel, dampfförmig, kalt
55
Wärmemedium, flüssig, kalt
56
Wärmemedium, flüssig, warm
58
Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmedium, kalt
59
Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmedium, warm
60
Gewichtsmedium, flüssig
Digits 10 - 99 --- Components of the overall system
11
Overall system with the first energy converter 25 and internal generation of a working mixture
12
Overall system with the first energy converter 25 and external generation of a working mixture
13
Overall system with the first energy converter 25, external generation of a working mixture at a reduced height
14
Overall system with the first energy converter 25, external generation of a working mixture at a reduced altitude and additional booster pump 35
15
Overall system with further developed first energy converter 26, internal generation of a working mixture and heat medium as a weight medium
16
Overall system with further developed first energy converter 26, external generation of a working mixture and heat medium as a weight medium
17
Overall system with further developed first energy converter 26, external generation of a working mixture and working mixture as a weight medium
18
Overall system with further developed first energy converter 26, external generation of a working mixture with pressure build-up by working medium and heat medium as a weight medium at a reduced height
19
Overall system with further developed first energy converter 26, external generation of a working mixture with pressure build-up by working mixture and heat medium as a weight medium at a reduced height
20
Overall system with further developed first energy converter 26, external generation of a working mixture, heat medium as a weight medium and additional booster pump 35 for the working medium at a reduced height
25
First energy converter thermal to potential energy
26
Advanced first energy converter thermal to potential energy
31
Heat exchanger for absorbing thermal energy
32
Steam liquefier for working medium steam
33
Mixing chamber for working medium and heating medium
34
Second energy converter, potential to technically usable energy
35
booster pump
40
Allocations, general
41
Feeding weight medium
51
Working fluid, liquid, cold
52
Working medium, liquid, warm
53
Working fluid, vaporous, warm
54
Working fluid, vaporous, cold
55
Heat medium, liquid, cold
56
Heat medium, liquid, warm
58
Working mixture of heating medium and working medium, cold
59
Working mixture of heat medium and working medium, warm
60
weight medium, liquid

Ziffern 100 - 199 --- Erster und weiterentwickelter erster Energiewandler

110
Rohrbogen, unteres Niveau
120
Einbringvorrichtung, allgemein
121
Einbringvorrichtung für Arbeitsmittel und Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch
122
Einbringvorrichtung für Arbeitsmittel und Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch sowie Gewichtsmedium
125
Kolben-Stopvorrichtung
126
Dosiervorrichtung
130
Aufstiegsrohr
140
Rohrbogen, oberes Niveau
150
Separierungsvorrichtung zur Trennung von Flüssigkeiten und Arbeitsmitteldampf
160
Abstiegsrohr
170
Einzelkolben
171
Kolbenstapel
Digits 100 - 199 --- First and further developed first energy converter
110
Pipe bend, lower level
120
Introducer, general
121
Feeding device for working fluid and heat medium or working mixture
122
Feeding device for working medium and heating medium or working mixture as well as weight medium
125
Piston stopping device
126
dosing device
130
riser tube
140
Elbow, upper level
150
Separation device for separating liquids and working medium vapour
160
descent tube
170
single piston
171
piston stack

Detaillierte Beschreibung des E-TLC-ProzessesDetailed description of the E-TLC process

Wesentliches Merkmal des neuartigen E-TLC-Prozesses nach 3 im Vergleich zum bekannten TLC-Prozess nach 1 ist die Verwendung eines Wärmemediums sowie die vollständige Verdampfung des Arbeitsmittels in einen polytropen Verdampfungskurve.
Der TLC-Prozess nach Smith nutzt die vom Arbeitsmittel aufgenommene thermische Energie zum Verdampfen. Da die zum Verdampfen benötigte Energiemenge größer ist als die aufgenommene Energiemenge führt dies stets zu einer nur teilweisen Verdampfung des Arbeitsmittels.
Beim E-TLC Prozess wird dem Arbeitsmittel durch das erwärmte Wärmemedium während der Phase der Entspannungsverdampfung ein wesentlicher Teil der zum vollständigen Verdampfen benötigten thermischen Energie zugeführt (siehe 3, T-S-Diagramm). Dabei geht das Wärmemedium zu keinem Zeitpunkt in Dampf über und verbleibt stets in seinem flüssigen Zustand.
Essential feature of the new E-TLC process 3 compared to the known TLC process 1 is the use of a heating medium as well as the complete evaporation of the working medium in a polytropic evaporation curve.
Smith's TLC process uses the thermal energy absorbed by the working medium for evaporation. Since the amount of energy required for evaporation is greater than the amount of energy absorbed, this always leads to only partial evaporation of the working medium.
In the E-TLC process, a significant part of the thermal energy required for complete evaporation is supplied to the working fluid by the heated heat medium during the flash evaporation phase (see Fig 3 , TS diagram). The heat medium never turns into vapor and always remains in its liquid state.

Das Arbeitsmittel durchläuft damit eine polytrope Entspannungsverdampfung (vgl. 1, TLC-Prozess: isentrope Entspannungsverdampfung). Betrachtet man die Summe der im erwärmten Arbeitsmittel und erwärmten Wärmemedium enthaltenen Wärmemenge - ohne Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmekapazitäten - entspricht diese der in Verdampfung des Arbeitsmittels umgesetzten Energiemenge. D.h. im direkten Vergleich von TLC- und E-TLC-Prozess wird bei gleicher Menge an aufgenommener Wärmeenergie die gleiche Menge thermischer Energie durch Verdampfung von Arbeitsmittel umgewandelt.
Durch die Nutzung eines separaten Wärmemediums mit anderen, vorteilhaften physikalischen und chemischen Eigenschaften (z.B. Dichte, Wärmekapazität) sowie der gezielten Mischung von Arbeitsmittel und Wärmemedium zu einem Arbeitsgemisch ergeben sich jedoch völlig neue Ansätze für die technische Realisierung einer Vorrichtung zur Umwandlung von Niedertemperatur-Wärme in eine technisch nutzbare Energieform wie sie mit alleiniger Nutzung eines Arbeitsmittels nach dem TLC-Prozess nicht möglich wären.
The working fluid thus goes through a polytropic flash evaporation (cf. 1 , TLC process: isentropic flash evaporation). If one considers the sum of the amount of heat contained in the heated working fluid and heated heating medium - without taking into account the different heat capacities - this corresponds to the amount of energy converted in the evaporation of the working fluid. Ie in direct comparison of the TLC and E-TLC process, with the same amount of heat energy absorbed, the same amount of thermal energy is converted through the evaporation of working fluid.
However, the use of a separate heating medium with different, advantageous physical and chemical properties (e.g. density, heat capacity) and the targeted mixing of working medium and heating medium to form a working mixture result in completely new approaches for the technical realization of a device for converting low-temperature heat into a technically usable form of energy that would not be possible with the sole use of a working medium according to the TLC process.

Detaillierte Beschreibung des E-TLC2-Verfahrens und der Gesamtsysteme zur Wandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare EnergieDetailed description of the E-TLC2 process and the overall systems for converting thermal energy into technically usable energy

Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des Gesamtsystems 11 (5) und des weiterentwickelten Gesamtsystems 15 (11) gemeinsam dar.
Auf Unterschiede wird im Text eingegangen. Die Beschreibung der thermodynamischen Schritte folgt dabei dem Verlauf des E-TLC2-Prozesses nach 4.
Die Gesamtsysteme 12 (7) sowie 16 (12) sind Variationen der Gesamtsysteme 11 bzw. 15 mit Nutzung eines Arbeitsgemisch AG bestehend aus Arbeitsmittel AM und Wärmemedium WM. Ihre Arbeitsweise entspricht den Gesamtsystemen 11 bzw. 15.
Zum besseren Verständnis sind in den , , und die T-S-Diagramme und die p-V-Diagramme des jeweiligen Gesamtprozesses, getrennt nach Arbeitsmittel (ohne Index), Wärmemedium (Index „wm“), Gewichtsmedium (Index „gm“) bzw. Arbeitsgemisch (Index „ag“) dargestellt.
Die schraffierte Fläche in den p-V-Diagrammen entspricht dabei der in technisch nutzbare Arbeit umgesetzten thermischen Energie des jeweiligen Mediums. Die Summe der umgewandelten thermischen Energie ist für alle Gesamtsysteme bei gleichen Eingangsparametern (Menge der aufgenommenen thermischen Energie) gleich groß.
The following description represents the mode of operation of the overall system 11 ( 5 ) and the further developed overall system 15 ( 11 ) together.
Differences are discussed in the text. The description of the thermodynamic steps follows the course of the E-TLC2 process 4 .
The overall systems 12 ( 7 ) and 16 ( 12 ) are variations of the overall systems 11 and 15 using a working mixture AG consisting of working medium AM and heat medium WM. Their mode of operation corresponds to the overall systems 11 and 15.
For a better understanding are in the , , and the TS diagrams and the pV diagrams of the respective overall process, separated according to working medium (without index), heating medium (index “wm”), weight medium (index “gm”) or working mixture (index “ag”).
The hatched area in the pV diagram corresponds to the thermal energy of the respective medium converted into technically usable work. The sum of the converted thermal energy is the same for all overall systems with the same input parameters (amount of thermal energy absorbed).

Die Gesamtsysteme 13,14 (8,9) sowie 17-20 (13-16) stellen weitere vorteilhafte Variationen der Gesamtsysteme 11 bzw. 15 dar. Ihre grundlegende Arbeitsweise entspricht dabei den Gesamtsystemen 11 bzw. 15. Auf Unterschiede wird im Text eingegangen.The total systems 13,14 ( 8th , 9 ) and 17-20 ( 13-16 ) represent further advantageous variations of the overall systems 11 and 15. Their basic mode of operation corresponds to the overall systems 11 and 15. Differences are discussed in the text.

Die erfindungsgemäßen Gesamtsysteme 11-14 (5,7-9) zur Wandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare Energie bestehen zumindest aus den Bestandteilen:

  • Einem Wärmetauscher 31 zur Erwärmung des unter Druck stehenden Arbeitsmittels 52, des Wärmemediums 55 bzw. des Arbeitsgemisches 58 durch eine Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
  • Einem ersten Energiewandler 25 zur Wandlung der aufgenommenen thermischen Energie in potentielle Energie
  • Einer Dampfverflüssigungsvorrichtung 32
  • Einem zweiten Energiewandler 34 zur Wandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels 51, des Wärmemediums 55 bzw. des Arbeitsgemisches 58 in eine technisch nutzbare Energieform
  • Zuführungen 40 zur Verbindung der einzelnen Bestandteile
  • • Zusätzlich weisen die Gesamtsysteme 12-14 eine Mischkammer 33 zur Herstellung eines Arbeitsgemisches 58 auf
The overall systems according to the invention 11-14 ( 5 , 7-9 ) for the conversion of thermal energy into technically usable energy consist of at least the following components:
  • • A heat exchanger 31 for heating the pressurized working medium 52, the heat medium 55 or the working mixture 58 by a low-temperature heat source without evaporating the working medium
  • • A first energy converter 25 for converting the absorbed thermal energy into potential energy
  • • A vapor liquefaction device 32
  • • A second energy converter 34 for converting the potential energy of the working medium 51, the heat medium 55 or the working mixture 58 into a technically usable form of energy
  • • Leads 40 for connecting the individual components
  • • In addition, the overall systems 12-14 have a mixing chamber 33 for producing a working mixture 58

Die erfindungsgemäßen weiterentwickelten Gesamtsysteme 15-20 (10-16) bestehen zumindest aus den Bestandteilen:

  • Einem Wärmetauscher 31 zur Erwärmung des unter Druck stehenden Arbeitsmittels 51, des Wärmemediums 55 bzw. des Arbeitsgemisches 58 durch eine Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung
  • • Einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 zur Wandlung der aufgenommenen thermischen Energie in potentielle Energie
  • Einer Dampfverflüssigungsvorrichtung 32
  • Einem zweiten Energiewandler 34 zur Wandlung der potentiellen Energie des Wärmemediums, des Arbeitsmittels, des Gewichtsmediums bzw. des Arbeitsgemisches in eine technisch nutzbare Energieform
  • Zuführungen 40 zur Verbindung der einzelnen Bestandteile
  • Einer Zuführung 41 zur Zuführung von Gewichtsmedium 60 zum weiterentwickelten ersten Energiewandler 26
  • • Zusätzlich weisen die Gesamtsysteme 16-20 eine Mischkammer 33 zur Herstellung eines Arbeitsgemisches 58 auf
The further developed overall systems 15-20 according to the invention ( 10-16 ) consist of at least the following components:
  • • A heat exchanger 31 for heating the pressurized working medium 51, the heating medium 55 or the working mixture 58 by a low-temperature heat source without evaporation
  • • A further developed first energy converter 26 for converting the absorbed thermal energy into potential energy
  • • A vapor liquefaction device 32
  • • A second energy converter 34 for converting the potential energy of the heat medium, the working medium, the weight medium or the working mixture into a technically usable form of energy
  • • Leads 40 for connecting the individual components
  • • A feed 41 for feeding weight medium 60 to the further developed first energy converter 26
  • • In addition, the overall systems 16-20 have a mixing chamber 33 for producing a working mixture 58

Nicht in den Abbildungen dargestellt werden verschiedene Hilfssysteme, da ihre Position und Funktion vielfältig gelöst werden kann.
Hilfssysteme können z.B. sein:

  • • Absaugung von nicht kondensierbaren Gasen
  • • Filtersysteme zur Reinigung des Arbeitsmittels und des Wärmemediums von Fremdstoffen
  • • Austreiber zur vollständigen Trennung von Arbeitsmittel und Wärmemedium
  • • Meßsensoren sowie Prozess-Steuerungs- und Regeltechnik
  • • Vorratsbehälter
  • • Wärmespeicher
Various auxiliary systems are not shown in the illustrations, since their position and function can be solved in a variety of ways.
Auxiliary systems can be, for example:
  • • Extraction of non-condensable gases
  • • Filter systems for cleaning the working fluid and the heating medium from foreign matter
  • • Expeller for the complete separation of working fluid and heating medium
  • • Measuring sensors as well as process control and regulation technology
  • • Storage tank
  • • Heat accumulator

In allen Gesamtsystemen 11-20 erfolgt die Umwandlung der thermischen Energie in technisch nutzbare Energie nach dem E-TLC2-Prozess (siehe 4) in den Verfahrensschritten:

  • • Schritt a: Isobares Erwärmen (4: Pkt.2 - Pkt.3) des unter Dosierdruck (pD) stehenden flüssigen Arbeitsmittels und des unter Dosierdruck (pD) stehenden flüssigen Wärmemedium (55) - die auch als Arbeitsgemisch (58) vorliegen können - aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
  • • Schritt b: Polytrope Umwandlung (4: Pkt.3 - Pkt.5) der aufgenommenen thermischen Energie in mindestens einem ersten Energiewandler 25 oder 26 in potentielle Energie
  • • Schritt c: Isobares Kondensieren (4: Pkt.5 - Pkt.1) des vollständig verdampften Arbeitsmittels
  • • Schritt d: Isochore Umwandlung (4: Pkt.1 - Pkt.7) der gewonnenen potentiellen Energie über die Fallhöhe H in statischen Druck
  • • Schritt e: Isochore Umwandlung (4: Pkt.7 - Pkt.2) eines Teils des statischen Druckes im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare mechanische Energie
In all overall systems 11-20, the thermal energy is converted into technically usable energy according to the E-TLC2 process (see 4 ) in the process steps:
  • • Step a: Isobaric heating ( 4 : Point 2 - Point 3) of the liquid working medium under dosing pressure (pD) and the liquid heat medium (55) under dosing pressure (pD) - which can also be present as a working mixture (58) - from a low-temperature heat source without evaporation of the working medium
  • • Step b: Polytropic conversion ( 4 : Pkt.3 - Pkt.5) of the thermal energy absorbed in at least one first energy converter 25 or 26 into potential energy
  • • Step c: Isobaric condensation ( 4 : Point 5 - Point 1) of the completely evaporated working fluid
  • • Step d: Isochoric conversion ( 4 : Point 1 - Point 7) of the gained potential energy over the drop height H in static pressure
  • • Step e: Isochoric conversion ( 4 : Pkt.7 - Pkt.2) a part of the static pressure in the second energy converter 34 in technically usable mechanical energy

Thermodynamischer Punkt 2Thermodynamic point 2

Startpunkt des Energieumwandlungsprozesses ist Punkt 2 des E-TLC2-Prozesses (siehe 4, T-S und p-V-Diagramm) im unteren Bereich der Gesamtsysteme 11-20 (5,7-9,11-16).
Das kalte flüssige Arbeitsmittel 51 und das kalte Wärmemedium 55 (Gesamtsystem 11,15) bzw. das kalte Arbeitsgemisch (Gesamtsystem12-14,16-20) stehen unter Druck und werden durch Zuführungen 40 dem Wärmetauscher 31 zur Aufnahme von thermischer Energie aus der Niedertemperaturwärmequelle zugeführt und darin erwärmt ohne eine Verdampfung des Arbeitsmittels.
Als Niedertemperaturwärmequelle können neben Erdwärme, Meereswärme, Solarwärme, Abwärme aus technischen Prozessen (z.B. Stahl- und Kunststoffindustrie), Wärme aus Kühlprozessen (z.B. Kühlhäuser, Rechenzentren) auch Wärme aus Verbrennungsprozessen (z.B. Reststoffverbrennung, Biogas) oder Restwärme anderer Prozesse (z.B. chemische Industrie) genutzt werden.
The starting point of the energy conversion process is point 2 of the E-TLC2 process (see 4 , TS and pV diagram) in the lower area of the overall systems 11-20 ( 5 , 7-9 , 11-16 ).
The cold liquid working medium 51 and the cold heat medium 55 (overall system 11,15) or the cold working mixture (overall system 12-14,16-20) are under pressure and are fed to the heat exchanger 31 through feeds 40 to absorb thermal energy from the low-temperature heat source and heated therein without evaporation of the working medium.
In addition to geothermal heat, heat from the sea, solar heat, waste heat from technical processes (e.g. steel and plastics industry), heat from cooling processes (e.g. cold stores, data centers), heat from combustion processes (e.g. waste incineration, biogas) or residual heat from other processes (e.g. chemical industry) can be used as low-temperature heat sources. be used.

Als Arbeitsmittel können hierbei, je nach Temperaturniveau und Temperaturdifferenz zwischen der genutzten Niedertemperaturwärmequelle und der verfügbaren Kondensationstemperatur, alle organischen und anorganischen Stoffe sowie Stoffmischungen zur Anwendung kommen, die den Temperaturbereich von der maximalen Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle bis zur minimalen Temperatur der Dampfverflüssigung als Flüssigkeit ohne thermische Zersetzung und ohne zu gefrieren abdecken.
Bei der Auswahl des Arbeitsmittels ist zu beachten, dass chemische Reaktionen des Arbeitsmittels mit einzelnen Bestandteilen des Gesamtsystems vermieden werden.
Depending on the temperature level and temperature difference between the low-temperature heat source used and the available condensation temperature, all organic and inorganic substances and mixtures of substances can be used as working fluids that cover the temperature range from the maximum temperature of the low-temperature heat source to the minimum temperature of vapor liquefaction as a liquid without thermal decomposition and cover without freezing.
When selecting the working fluid, it must be ensured that chemical reactions of the working fluid with individual components of the overall system are avoided.

Bevorzugtes Wärmemedium ist aufgrund seiner Wärmekapazität Wasser. Es können aber auch andere temperaturstabile Stoffe, die im vorgesehenen Temperaturbereich flüssig bleiben, sich nicht zersetzen oder gefrieren und keine chemische Reaktion oder anderweitige Wechselwirkung mit dem Arbeitsmittel eingehen, zum Einsatz kommen. Zudem sollte es keine chemischen Reaktionen des Wärmemediums mit einzelnen Bestandteilen des Gesamtsystems geben.The preferred heat medium is water due to its heat capacity. However, other temperature-stable substances that remain liquid in the intended temperature range cannot decompose or freeze and do not react chemically or otherwise interact with the work equipment. In addition, there should be no chemical reactions of the heating medium with individual components of the overall system.

Thermodynamischer Punkt 3Thermodynamic point 3

Das aus dem Wärmetauscher 31 austretendende und auf gleiche Temperatur erwärmte Arbeitsmittel 52 und Wärmemedium 56 (Gesamtsystem 11,15) bzw. das erwärmte Arbeitsgemisch (Gesamtsystem 12-14,16-20) fließen anschließend durch thermisch isolierte Zuführungen 40 dem ersten Energiewandler 25 (Gesamtsystem 11-14) bzw. dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (Gesamtsystem 15-20) zu.
In den weiterentwickelten Gesamtsystemen 15-20 (11-16) fließt zusätzlich kaltes Gewichtsmedium 60 durch Zuführungen 41 dem ersten Energiewandler 26 zu.
Bevorzugtes Gewichtsmedium ist das Wärmemedium, bevorzugt Wasser, aufgrund seiner hohen Dichte. Es kann aber auch kaltes Arbeitsgemisch (siehe Gesamtsystem 17), reines Arbeitsmittel oder eine zusätzliche Flüssigkeit als Gewichtsmedium zum Einsatz kommen.
Letztere Varianten werden hier als technisch mögliche Lösungen erwähnt, aber nicht weiter ausgeführt.
The working medium 52 and heating medium 56 (overall system 11, 15) or the heated working mixture (overall system 12-14, 16-20) that exit heat exchanger 31 and are heated to the same temperature then flow through thermally insulated feed lines 40 to the first energy converter 25 (overall system 11-14) or the further developed first energy converter 26 (overall system 15-20).
In the advanced overall systems 15-20 ( 11-16 ) additional cold weight medium 60 flows to the first energy converter 26 through feeds 41 .
The preferred weight medium is the heat medium, preferably water, due to its high density. However, a cold working mixture (see overall system 17), pure working medium or an additional liquid can also be used as a weight medium.
The latter variants are mentioned here as technically possible solutions, but are not explained further.

Thermodynamische Punkte 4' und 4"Thermodynamic points 4' and 4"

Im ersten Energiewandler 25 (Gesamtsystem 11-14) bzw. dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (Gesamtsystem 15-20) wird die aufgenommene thermische Energie des warmen Arbeitsmittels 52 und des warmen Wärmemediums 56 bzw. des entstandenen warmen Arbeitsgemisches 59 entsprechend
dem E-TLC- bzw. E-TLC2- Prozess (3,4 Punkte 4' und 4") durch eine Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels unter Verrichten von Volumenänderungsarbeit in Form von Hubarbeit in potentielle Energie umgewandelt. Das Wärmemedium kühlt sich hierbei durch Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel ab.
Das Arbeitsmittel und das Wärmemedium bzw. das Gewichtsmedium (letzteres nur Gesamtsysteme 15-20) werden vom unteren zum oberen Bereich angehoben.
In the first energy converter 25 (overall system 11-14) or the further developed first energy converter 26 (overall system 15-20), the thermal energy absorbed by the warm working medium 52 and the warm heat medium 56 or the resulting warm working mixture 59 is appropriate
the E-TLC or E-TLC2 process ( 3 , 4 Points 4' and 4") are converted into potential energy by expansion evaporation of the working fluid while performing volume change work in the form of stroke work. The heating medium cools down by giving off heat to the working fluid.
The working medium and the heating medium or the weight medium (the latter only overall systems 15-20) are raised from the lower to the upper area.

Thermodynamische Punkt 5Thermodynamic point 5

Im oberen Bereich der ersten Energiewandler 25,26 ist das Arbeitsmittel entsprechend dem E-TLC bzw. E-TLC2-Prozess (3,4 Punkt 5) vollständig verdampft und abgekühlt.
Das flüssig verbliebene Wärmemedium 55 ist ebenfalls abgekühlt.
Das verdampfte und abgekühlte Arbeitsmittel 54 und das flüssig verbliebene, kalte Wärmemedium 55 verlassen auf dem oberen Niveau den ersten Energiewandler 25 (Gesamtsystem 11-14) bzw. den weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (Gesamtsystem 15-20).
In the upper area of the first energy converter 25,26 is the working medium according to the E-TLC or E-TLC2 process ( 3 , 4 Point 5) completely evaporated and cooled.
The heat medium 55 that has remained liquid has also cooled down.
The vaporized and cooled working medium 54 and the liquid remaining cold heat medium 55 leave the first energy converter 25 (overall system 11-14) or the further developed first energy converter 26 (overall system 15-20) at the upper level.

In den weiterentwickelten Gesamtsystemen 15-20 vermischt sich dabei das kalte Gewichtsmedium 60 mit dem kalten Wärmemedium 55 und vergrößert das Volumen des Wärmemediums 55.In the further developed overall systems 15-20, the cold weight medium 60 mixes with the cold heat medium 55 and increases the volume of the heat medium 55.

Thermodynamischer Punkt 6Thermodynamic point 6

Das verdampfte Arbeitsmittel 54 strömt nach Verlassen der ersten Energiewandler 25 bzw. 26 der Dampfverflüssigungseinrichtung 32 zu und wird hier unter Reduzierung der Entropie (3,4 T-S-Diagramm Punkt 6) wieder verflüssigt.
Ggf. entstandene, nicht kondensierbare Gase werden hier abgesaugt.
After leaving the first energy converter 25 or 26, the vaporized working medium 54 flows to the vapor liquefaction device 32 and is here reduced in entropy ( 3 , 4 TS diagram point 6) liquefied again.
Any non-condensable gases that have formed are extracted here.

Thermodynamischer Punkt 1Thermodynamic point 1

Mit dem Austritt des Wärmemediums bzw. des Gewichtsmediums aus den ersten Energiewandlern 25 bzw. 26 und dem Austritt des verflüssigten Arbeitsmediums aus der Dampfverflüssigungseinrichtung 32 auf dem oberen Niveau des Gesamtsystems ist der Punkt 1 des E-TLC bzw. E-TLC2-Prozesses (3,4 Punkt 1) erreicht.
Das kalte Arbeitsmittel 51 und das kalte Wärmemedium 55 (inkl. Gewichtsmedium 60) sind jetzt abgekühlt und unter niedrigem Druck, die zuvor aufgenommene thermische Energie ist in potentielle Energie umgewandelt.
Je nach Bauform des Gesamtsystems 11-20 fließen das Arbeitsmittel 51 und das Wärmemedium 55 (Inklusive Gewichtsmedium 60) auf verschiedenen Wegen unter Aufbau von statischem Druck zum unteren Niveau des Gesamtsystems zurück.
In den Gesamtsystemen 12 und 17 erfolgt zuvor in einer Mischkammer 33 eine vollständige, in den Gesamtsystemen 16 und 19 eine teilweise Mischung von Arbeitsmittel und Wärmemedium zu einem Arbeitsgemisch.
With the exit of the heat medium or the weight medium from the first energy converters 25 or 26 and the exit of the liquefied working medium from the vapor liquefaction device 32 at the upper level of the overall system, point 1 of the E-TLC or E-TLC2 process ( 3 , 4 Point 1) reached.
The cold working medium 51 and the cold heating medium 55 (including weight medium 60) are now cooled and under low pressure, the previously absorbed thermal energy has been converted into potential energy.
Depending on the design of the overall system 11-20, the working medium 51 and the heating medium 55 (including the weight medium 60) flow back to the lower level of the overall system in different ways, with the build-up of static pressure.
In the overall systems 12 and 17, a complete mixing of working medium and heating medium takes place beforehand in a mixing chamber 33, and in the overall systems 16 and 19 a partial mixing of working medium and heating medium to form a working mixture.

Thermodynamischer Punkt 7Thermodynamic point 7

Zur Umwandlung der potentiellen Energie - in Form von hydrostatischem Druck vorliegend - in technisch nutzbare Energie fließen das Wärmemedium 55, das Arbeitsmittel 51 bzw. das Arbeitsgemisch 58 einem zweiten Energiewandler 34 zu. Hier erzeugen die Flüssigkeitssäulen einen hohen Druck (p-V Diagramm Punkte 7, 7wm, 7gm, 7ag). Dieser Druck wird im zweiten Energiewandler 34 teilweise in mechanische Bewegung umgesetzt, die nachfolgend z.B. in einem Generator in elektrische Energie umgesetzt, aber auch als mechanische Energie zum Antrieb von Maschinen verwendet werden kann.
In den Gesamtsystemen 11, 15 und 16 (5, 11, 12) ist aufgrund der unterschiedlichen Dichte der beiden Flüssigkeiten der jeweils entstehende Druck unterschiedlich hoch. Dies erfordert einen zweiteiligen zweiten Energiewandler 34.
In den Gesamtsystemen 12-14 (7-9) und 17-20 (13-16) ist nur ein einteiliger zweiter Energiewandler 34 erforderlich.
The heat medium 55 , the working medium 51 or the working mixture 58 flow to a second energy converter 34 to convert the potential energy—present in the form of hydrostatic pressure—into technically usable energy. Here the liquid columns generate high pressure (pV diagram points 7, 7 wm , 7 gm , 7 ag ). This pressure is partly converted into mechanical movement in the second energy converter 34, which is then converted into electrical energy, for example in a generator, but can also be used as mechanical energy to drive machines.
In overall systems 11, 15 and 16 ( 5 , 11 , 12 ) due to the different densities of the two liquids, the resulting pressure is different. This requires a two-part second energy converter 34.
In total systems 12-14 ( 7-9 ) and 17-20 ( 13-16 ) only a one-piece second energy converter 34 is required.

Eine Besonderheit stellen die Gesamtsysteme 13, 18 und 19 dar.
Diese Systeme kennzeichnet eine reduzierte Bauhöhe zwischen Dampfverflüssigungseinrichtung 32 und Wärmetauscher 31, die dazu führt, dass der entstehende Flüssigkeitsdruck des Arbeitsmittels 51 bzw. des Arbeitsgemisches 58 auf dem unteren Niveau der Gesamtsystem dem am Punkt 2 erforderlichen Arbeitsdruck entspricht. Diese Bauform senkt den technischen Aufwand und Kosten.
Die bisher zur Energiegewinnung genutzte Druckdifferenz zwischen dem - nicht mehr gegebenen - Punkt 7 und 2 verschwindet damit. Der - scheinbare - Verlust an potentieller Energie wird kompensiert durch das erforderliche größere Volumen des Gewichtsmediums zum Aufbau des Arbeitsdruckes pA im ersten Energiewandler 25 bzw. 26. D.h. die Summe der technisch nutzbaren Energiemenge bleibt - bei gleichen Eingangsbedingungen - gleich.
The overall systems 13, 18 and 19 are special.
These systems are characterized by a reduced overall height between the vapor liquefaction device 32 and the heat exchanger 31, which means that the resulting liquid pressure of the working medium 51 or the working mixture 58 at the lower level of the overall system corresponds to the working pressure required at point 2. This design reduces the technical complexity and costs.
The pressure difference between points 7 and 2, which was previously used to generate energy, thus disappears. The - apparent - loss of potential energy is compensated by the required larger volume of the weight medium to build up the working pressure pA in the first energy converter 25 or 26. That is, the sum of the technically usable amount of energy remains - with the same initial conditions - the same.

Thermodynamischer Punkt 2Thermodynamic point 2

Nach Austritt aus dem zweiten Energiewandler 34 steht das kalte Arbeitsmittel 51, das kalte Wärmemedium 55 (inkl. kaltem Gewichtsmedium 60) bzw. das kalte Arbeitsgemisch 58 unter einem gleich hohen, verbleibenden Restdruck (Punkt 2 des E-TLC2-Prozesses).
Dieser Restdruck ist so hoch, dass das Arbeitsmittel 51 bei der nachfolgend Aufnahme von thermischer Energie im Wärmetauscher 31 nicht zu verdampfen beginnt.
Eine Ausnahme stellen die Gesamtsysteme 14 und 20 dar. Hier wurde die Höhe des Gesamtsystems soweit reduziert, dass der notwendige Arbeitsdruck am Punkt 2 nicht erreicht wird. Es wird daher eine zusätzliche Druckerhöhungspumpe 35 benötigt, um den erforderlichen Arbeitsdruck zu erreichen.
Diese Lösung kann aus verschiedenen Gründen sinnvoll sein, verschlechtert aber den technischen Gesamtwirkungsgrad.
Damit ist für alle Gesamtsysteme 11-20 der Ausgangspunkt des E-TLC2-Prozesses erreicht und der Kreislauf geschlossen.
After exiting the second energy converter 34, the cold working medium 51, the cold heating medium 55 (including the cold weight medium 60) and the cold working mixture 58 are under the same remaining residual pressure (point 2 of the E-TLC2 process).
This residual pressure is so high that the working medium 51 does not begin to evaporate when thermal energy is subsequently absorbed in the heat exchanger 31 .
The overall systems 14 and 20 are an exception. Here the height of the overall system was reduced to such an extent that the necessary working pressure at point 2 is not reached. An additional booster pump 35 is therefore required in order to achieve the required working pressure.
This solution can make sense for a variety of reasons, but worsens the overall technical efficiency.
This means that the starting point of the E-TLC2 process has been reached for all complete systems 11-20 and the cycle is closed.

Vergleich der Gesamtsystems 11 und 15Comparison of the overall system 11 and 15

Beim Vergleich der p-V-Diagramme des Gesamtsystems 11 (5) mit dem ersten Energiewandler 25 und dem Gesamtsystem 15 (11) mit dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 ist erkennbar, dass bei Gesamtsystem 15 der größere Teil der technisch nutzbaren Energie aus dem größeren Volumen des Wärmemediums 55 bzw. Gewichtsmediums 60 bei deutlich verringerter Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 gewonnen wird. Das entspringt dem Volumen des eingesetzten Gewichtsmediums 60 und der dadurch reduzierten Bauhöhe des ersten Energiewandlers 26, die sich als Druckdifferenz zwischen den Punkten 2 und 7 des p-V-Diagramms darstellt.
Bei gleicher Menge an zugeführter thermischer Energie wird in den Gesamtsysteme 11 und 15 jedoch immer die gleiche Menge an technisch nutzbarer Energie erzeugt.
When comparing the pV diagrams of the overall system 11 ( 5 ) with the first energy converter 25 and the overall system 15 ( 11 ) with the further developed first energy converter 26 it can be seen that in the overall system 15 the larger part of the technically usable energy is obtained from the larger volume of the heating medium 55 or weight medium 60 with a significantly reduced pressure difference between points 7 and 2. This is due to the volume of the weight medium 60 used and the resulting reduced overall height of the first energy converter 26, which is represented as the pressure difference between points 2 and 7 of the pV diagram.
With the same amount of thermal energy supplied, however, the same amount of technically usable energy is always generated in the overall systems 11 and 15 .

Leistungssteigerungperformance increase

Zur Steigerung der Leistung der Gesamtsysteme 11 bis 20 können mehrere erste Energiewandler 25 (siehe exemplarisch 17) bzw. weiterentwickelte erste Energiewandler 26 parallel genutzt werden. Dabei kann die Anzahl der Energiewandler 25,26 beliebig erhöht werden.
Eine entsprechende Anpassung der Leistungsfähigkeit der gemeinsam genutzten Komponenten Wärmetauscher 31, Dampfverflüssiger 32, Mischkammer 33 sowie zweitem Energiewandler 34 wird dabei vorausgesetzt.
Durch Abschaltung einzelner erster Energiewandler 25 bzw. 26 über einen Stop der Zuführung von Arbeitsmittel, Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch ist eine einfache Anpassung der Leistung der ersten Energiewandler 25 bzw. 26 an die Menge der verfügbaren thermischen Energie möglich. Eine zusätzliche Verwendung mehrerer, einzeln abschaltbarer Energiewandler 34 ist vorteilhaft.
To increase the performance of the overall systems 11 to 20, several first energy converters 25 (see an example 17 ) or further developed first energy converter 26 can be used in parallel. The number of energy converters 25,26 can be increased as desired.
A corresponding adjustment of the performance of the shared components heat exchanger 31, vapor condenser 32, mixing chamber 33 and second energy converter 34 is assumed.
By switching off individual first energy converters 25 or 26 by stopping the supply of working medium, heating medium or working mixture, it is possible to easily adapt the output of the first energy converters 25 or 26 to the amount of thermal energy available. An additional use of several energy converters 34 that can be switched off individually is advantageous.

Nutzbarer TemperaturbereichUsable temperature range

Die Arbeitsweise der Gesamtsysteme 11 bis 20 basiert nur auf dem Druckunterschied zwischen dem Dampfdruck bei maximaler Arbeitstemperatur und dem Dampfdruck bei Dampfverflüssigungstemperatur. Die Gesamtsysteme 11-14 sind hierbei besonders vorteilhaft für geringe Temperaturdifferenzen, die Gesamtsysteme 15-20 für höhere Temperaturdifferenzen.
Insbesondere dadurch, dass das weiterentwickelte Gesamtsystem 15 durch entsprechende Steuerung des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 wie ein Gesamtsystem 11 betrieben werden kann, wird der Einsatzbereich des Gesamtsystems 15 wesentlich erweitert.
The operation of the overall systems 11 to 20 is based only on the pressure difference between the vapor pressure at the maximum working temperature and the vapor pressure at the vapor condensing temperature. The overall systems 11-14 are particularly advantageous for small temperature differences, the overall systems 15-20 for higher temperature differences.
The range of use of the overall system 15 is significantly expanded, in particular because the further developed overall system 15 can be operated like an overall system 11 by appropriate control of the further developed first energy converter 26 .

Weiternutzung der KondensationswärmeFurther use of the heat of condensation

Durch den breiten nutzbaren und variablen Temperaturbereich ist bei einer entsprechenden Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle auch eine Weiternutzung der Kondensationswärme möglich.
So kann z.B. bei einer maximalen Arbeitstemperatur von 150°C und einer Kondensationstemperatur von 70°C die Kondensationswärme Heizungswasser erwärmen.
Die erzeugte Energiemenge des Gesamtsystems sinkt entsprechend. Der exergetische Wirkungsgrad des Gesamtsystems verändert sich entsprechend dem Grad der Nutzung der Kondensationswärme.
Due to the wide usable and variable temperature range, further use of the condensation heat is possible with a corresponding temperature of the low-temperature heat source.
For example, at a maximum working temperature of 150°C and a condensation temperature of 70°C, the condensation heat can heat up heating water.
The amount of energy generated by the entire system decreases accordingly. The exergetic efficiency of the overall system changes according to the degree of utilization of the heat of condensation.

Beschreibung des mE-TLC2-Verfahrens und der Gesamtsysteme 211, 212, 216 und 219 zur Nutzung des mE-TLC2-Verfahrens als spezielle Ausführungen der Gesamtsysteme 11, 12, 16 und 19Description of the mE-TLC2 process and the overall systems 211, 212, 216 and 219 for using the mE-TLC2 process as special versions of the overall systems 11, 12, 16 and 19

In Abhängigkeit von der Art der Niedertemperaturwärmequelle und dem Ort der Bereitstellung der Niedertemperaturwärme sind weitere spezielle Ausführungen der Gesamtsysteme 11 bis 20 möglich.
In 19 bis 22 sind bevorzugte Anordnungen zur Nutzung von Niedertemperaturwärme aus solarthermischer Erwärmung, aber auch aus Rauchgasen oder Kühlmitteldämpfen dargestellt.
Die Gesamtsysteme sind modifizierte Weiterentwicklungen der bereits vorher erläuterten Gesamtsysteme 11, 12, 16 und 19.
Gemeinsames Merkmal der modifizierten Gesamtsysteme 211, 212, 216 und 219 ist, dass der Wärmetauscher 31 zum Einbringen der Niedertemperaturwärme zwischen dem unteren und dem oberen Niveau des Gesamtsystems angeordnet ist und sich teilweise oder ganz über die Fallhöhe H erstreckt. Im Gesamtsystem 211 und 212 durchlaufen das zu erwärmende Arbeitsmittel 51, Wärmemedium 55 bzw. Arbeitsgemisch 58 unter gleichzeitigem Druckaufbau den vertikal angeordneten Wärmetauscher 31 und werden als bereits erwärmte Flüssigkeiten dem zweiten Energiewandler 34 zugeführt.
Nach Austritt des warmen Arbeitsmittels bzw. Arbeitsgemisches aus dem zweiten Energiewandler 34 kommt es zu keiner Verdampfung aufgrund des verbleibenden hohen Dosierdrucks pD.
Anschließend wird das erwärmte Arbeitsmittel, Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch direkt dem ersten Energiewandler 25 zugeführt.
Im Gesamtsystem 216 und 219 durchläuft nur das Arbeitsgemisch 58 den Wärmetauscher 31. Das Gewichtsmedium 60 läuft ohne Erwärmung direkt zum zweiten Energiewandler 34.
Depending on the type of low-temperature heat source and the location where the low-temperature heat is provided, further special designs of the overall systems 11 to 20 are possible.
In 19 until 22 are shown preferred arrangements for the use of low-temperature heat from solar thermal heating, but also from flue gases or coolant vapors.
The overall systems are modified further developments of the overall systems 11, 12, 16 and 19 already explained above.
The common feature of the modified overall systems 211, 212, 216 and 219 is that the heat exchanger 31 for introducing the low-temperature heat is arranged between the lower and the upper level of the overall system and extends partially or completely over the head H. In the overall system 211 and 212, the working medium 51, heating medium 55 or working mixture 58 to be heated pass through the vertically arranged heat exchanger 31 with simultaneous pressure build-up and are fed to the second energy converter 34 as already heated liquids.
After the warm working medium or working mixture has exited the second energy converter 34, there is no evaporation due to the remaining high metering pressure pD.
The heated working medium, heat medium or working mixture is then fed directly to the first energy converter 25 .
In the overall system 216 and 219, only the working mixture 58 runs through the heat exchanger 31. The weight medium 60 runs directly to the second energy converter 34 without being heated.

In Gesamtsystem 216 läuft das Arbeitsgemisch weiter zum zweiten Energiewandler 34 zur Umwandlung von potentieller Energie in technisch nutzbare Energie. Nach Austritt des Arbeitsgemisches aus dem zweiten Energiewandler 34 kommt es zu keiner Verdampfung des Arbeitsmittels aufgrund des verbleibenden hohen Dosierdrucks pD.
In Gesamtsystem 219 mit reduzierter Höhe wird das erwärmte Arbeitsgemisch unter Aufbau des Dosierdruckes pD direkt dem ersten Energiewandler 26 zugeführt.
In the overall system 216, the working mixture continues to the second energy converter 34 for the conversion of potential energy into technically usable energy. After the working mixture has exited the second energy converter 34, there is no evaporation of the working medium due to the remaining high metering pressure pD.
In the overall system 219 with a reduced height, the heated working mixture is fed directly to the first energy converter 26 while the metering pressure pD builds up.

In 18 ist der auf dem in 3 dargestellten E-TLC-Prozess basierende und in den Gesamtsystemen 211, 212, 216 und 219 genutzte modifizierte zweistufige Extended-Tri-Lateral-Cycle-Prozess (nachfolgend als mE-TLC2 bezeichnet) dargestellt.
Die Umsetzung der thermischen Energie in technisch nutzbare Energie erfolgt im mE-TLC2-Prozess in den Verfahrensschritten:

  • • Schritt a: Polytrope Umwandlung (3: Pkt. 4' und 4") der thermischen Energie des erwärmten Arbeitsmittels und des erwärmten Wärmemediums in einem ersten Energiewandler 25 oder 26 in potentielle Energie
  • • Schritt b: Isobares Kondensieren (3: Pkt.5 - Pkt.1) des vollständig verdampften Arbeitsmittels
  • • Schritt c: Isochores Erwärmen (3: Pkt.1 - Pkt.7) des flüssigen Arbeitsmittels und des flüssigen Wärmemediums bzw. des Arbeitsgemisches aus einer Niedertemperaturwärmequelle bei gleichzeitigem Aufbau von statischem Druck über die Fallhöhe H ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
  • • Schritt d: Isotherme Umwandlung (3: Pkt.7 - Pkt.3) eines Teils des statischen Druckes im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare mechanische Energie
In 18 is the one on the in 3 E-TLC process shown based and used in the overall systems 211, 212, 216 and 219 used modified two-stage extended tri-lateral cycle process (hereinafter referred to as mE-TLC2) shown.
The conversion of the thermal energy into technically usable energy takes place in the mE-TLC2 process in the process steps:
  • • Step a: Polytropic conversion ( 3 : Point 4' and 4") of the thermal energy of the heated working fluid and the heated heat medium in a first energy converter 25 or 26 into potential energy
  • • Step b: Isobaric condensation ( 3 : Point 5 - Point 1) of the completely evaporated working fluid
  • • Step c: Isochoric heating ( 3 : Point 1 - Point 7) of the liquid working medium and the liquid heating medium or the working mixture from a low-temperature heat source with simultaneous build-up of static pressure over the drop height H without evaporation of the working medium
  • • Step d: Isothermal conversion ( 3 : Pkt.7 - Pkt.3) of a part of the static pressure in the second energy converter 34 in technically usable mechanical energy

Der Punkt 2 des ursprünglichen E-TLC2-Prozesses nach 4 entfällt und Punkt 7 erhält eine geänderte Position im neuen mE-TLC2-Prozess (siehe 18).
Der thermodynamische Ablauf des mE-TLC2-Prozesses stellt sich im Vergleich zum E-TLC2-Prozess nach 4 im p-V-Diagramm optisch ähnlich dar, es gibt wenige Änderungen im Kurvenverlauf.
Anders im T-S-Diagramm, wo der fehlende Punkt 2 und die geänderte Position von Punkt 7 die neue Anordnung des Wärmetauschers und den dadurch geänderten thermodynamischen Verlauf darstellt.
Im Vergleich zum E-TLC2-Prozess ist die in technisch nutzbare Arbeit umgesetzte thermische Energie des mE-TLC2-Prozesses bei gleichen Eingangsparametern (Menge der aufgenommenen thermischen Energie) gleich groß.
Wesentliches Unterscheidungsmerkmal des mE-TLC2-Prozesses ist die geänderte Position des Wärmetauschers im Gesamtsystem und damit die geänderten Einsatzanforderungen an den Wärmetauscher 31 und den zweiten Energiewandler 34.
The point 2 of the original E-TLC2 process after 4 deleted and item 7 has a changed position in the new mE-TLC2 process (see 18 ).
The thermodynamic course of the mE-TLC2 process is compared to the E-TLC2 process 4 visually similar in the pV diagram, there are few changes in the course of the curve.
This is different in the TS diagram, where the missing point 2 and the changed position of point 7 represent the new arrangement of the heat exchanger and the thermodynamic course that has changed as a result.
Compared to the E-TLC2 process, the thermal energy converted into technically usable work in the mE-TLC2 process is the same with the same input parameters (amount of thermal energy absorbed).
The main distinguishing feature of the mE-TLC2 process is the changed position of the heat exchanger in the overall system and thus the changed application requirements for the heat exchanger 31 and the second energy converter 34.

Detaillierte Beschreibung der Funktion des ersten Energiewandler 25 bzw. des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle EnergieDetailed description of the function of the first energy converter 25 or the further developed first energy converter 26 for converting thermal energy into potential energy

Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des ersten Energiewandlers 25 (23 und 24) und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 (25 und 26) gemeinsam dar. Auf Unterschiede wird im Text eingegangen. Die Beschreibung folgt dabei dem Verlauf des E-TLC- bzw. E-TLC2-Prozesses nach 3 und 4 zwischen den Punkten 3 und 5.The following description represents the mode of operation of the first energy converter 25 ( 23 and 24 ) and the further developed first energy converter 26 ( 25 and 26 ) together. Differences are discussed in the text. The description follows the course of the E-TLC or E-TLC2 process 3 and 4 between points 3 and 5.

Der erfindungsgemäße erste Energiewandler 25 (23, 24) zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie besteht zumindest aus den Bestandteilen:

  • • Einem geschlossenen, aufwärts gerichteten Rohrsystem mit einem Aufstiegsrohr 130 und einem Abstiegsrohr 160 verbunden durch einen unteren Rohrbogen 110 und einen oberen Rohrbogen 140
  • • Einer großen Anzahl von, in dem Rohrsystem frei umlaufenden, nicht kippenden Kolben 170
  • • Einbringöffnungen und einer Einbringvorrichtung 121 im unteren Bereich des Rohrsystems zum Einbringen von Wärmemedium 56 und Arbeitsmittel 52 (23) bzw. Arbeitsgemisch 59 (24)
  • • Auslassöffnungen und einer Separierungsvorrichtung 150 auf dem oberen Niveau des Rohrsystems zum Auslassen des abgekühlten, flüssigen Wärmemediums 55 und des verdampften Arbeitsmittels 54
The first energy converter 25 ( 23 , 24 ) for the conversion of thermal energy into potential energy consists at least of the following components:
  • • A closed, upward-pointing pipe system with an ascent pipe 130 and a descent pipe 160 connected by a lower elbow 110 and an upper elbow 140
  • • A large number of non-tilting pistons 170 rotating freely in the pipe system
  • • Introduction openings and an introduction device 121 in the lower area of the pipe system for introducing heating medium 56 and working medium 52 ( 23 ) or working mixture 59 ( 24 )
  • • Outlet openings and a separating device 150 on the upper level of the pipe system for the outlet of the cooled, liquid heat medium 55 and the vaporized working medium 54

Der weiterentwickelte erste Energiewandler 26 (25 und 26) besteht zumindest aus den gleichen Bauteilen wie der Energiewandler 25 sowie abweichend:

  • • einer erweiterten Einbringvorrichtung 122 auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum zusätzlichen Einbringen eines Gewichtsmedium 60
The further developed first energy converter 26 ( 25 and 26 ) consists at least of the same components as the energy converter 25 and differs:
  • • an extended introduction device 122 on the lower level of the pipe system for the additional introduction of a weight medium 60

Nicht in den Abbildungen dargestellt werden verschiedene Hilfs- und Zusatzsysteme, da ihre Position und Funktion vielfältig gelöst werden kann.
Hilfs- und Zusatzsysteme können z.B. sein:

  • • Startvorrichtung zur initialen Inbetriebsetzung des Prozesses
  • • Serviceeinrichtungen zum Befüllen der Energiewandler mit Kolben und Arbeitsmittel, Austausch defekter Kolben oder Reinigung des Arbeitsmittels (z.B. von Abrieb)
  • • Austreiber zur vollständigen Trennung von Arbeitsmittel und Wärmemedium
  • • Meßsensoren sowie Prozess-Steuerungs- und Regeltechnik
  • • Wärmespeicher
Various auxiliary and additional systems are not shown in the illustrations, since their position and function can be solved in a variety of ways.
Auxiliary and additional systems can be, for example:
  • • Starting device for the initial start-up of the process
  • • Service facilities for filling the energy converters with pistons and working materials, replacing defective pistons or cleaning the working materials (e.g. to remove abrasion)
  • • Expeller for the complete separation of working fluid and heat medium
  • • Measuring sensors as well as process control and regulation technology
  • • Heat accumulator

Schritt 1 - Einbringen der MedienStep 1 - Bring in the media

Startpunkt der Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie ist im unteren Bereich des Rohrsystems - beispielhaft dargestellt im unteren Rohrbogen 110.
Aus dem Abstiegsrohr 160 werden Kolben 170, die unter dem Druck pK (erzeugt durch das Gewicht des nachfolgenden Kolbenstapels 171) stehen, in die Einbringvorrichtungen 121 (23, 24) bzw. 122 (25, 26) geschoben.
Der Druck pK ist hierbei größer als der, von den im Aufstiegsrohr 130 befindlichen Bereichen erzeugte maximale Arbeitsdruck pA.
Der Einbringvorrichtung 121 bzw. 122 wird von außen das unter einem Dosierdruck pD - der ebenfalls größer ist als der maximale Arbeitsdruck pA - stehende erwärmte Arbeitsmittel 52, das erwärmte Wärmemedium 56 bzw. das erwärmte Arbeitsgemisch 59 zugeführt.
In der Einbringvorrichtung 121 bzw. 122 wird das erwärmte Arbeitsmittel 52 und das erwärmte Wärmemedium 56 (23, 25) bzw. das erwärmte Arbeitsgemisch 59 (24, 26) zwischen zwei Kolben 170 eingebracht. Dieser Bereich damit wird zu einem Arbeitsbereich.
Bei den Gesamtsystemen nach 23 und 25 mit separater Einbringung des erwärmten Arbeitsmittels 52 und des erwärmten Wärmemediums 56 kommt es nach dem Einbringen zu einer Durchmischung der beiden Medien unter interner Bildung eines Arbeitsgemisches 59.
Zusätzlich wird in der Einbringvorrichtung 122 (25, 26) des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 nicht erwärmtes Gewichtsmedium zwischen zwei Arbeitsbereiche eingebracht werden. Ein mit Gewichtsmedium 60 gefüllter Bereich wird damit zu einem Gewichtsbereich GB.
Die Menge der zugeführten Medien und der Zeitpunkt der Einbringung werden durch Dosiervorrichtungen 126 gesteuert. Zum sicheren Einbringen des Arbeitsmittels bzw. des Gewichtsmediums können in den Einbringvorrichtungen 121 und 122 einzelne Kolben 170 von einer Kolbenstopvorrichtung 125 kurzzeitig angehalten werden. Nach Freigabe der gestoppten Kolben 170 werden die eingebrachten Bereiche durch den Kolbendruck pK der nachfolgenden Kolben bzw. der nächsten eingebrachten Bereiche in das Aufstiegsrohr 130 geschoben.
Die Kolben 170 schaffen dabei für das erwärmte Arbeitsmittel bzw. das Gewichtsmedium eine räumliche und thermisch isolierte Abgrenzung zu den vorhergehenden bzw. nachfolgenden Bereichen.
Die gezielte Steuerung der Einbringung erlaubt es, dass der weiterentwickelte erste Energiewandler 26 auch in einer Betriebsart ohne Gewichtsmedium betrieben werden kann und damit der nutzbare Temperaturbereich hin zu niedrigeren Temperaturdifferenzen ausgedehnt wird.
The starting point for the conversion of thermal energy into potential energy is in the lower area of the pipe system - shown as an example in the lower pipe bend 110.
From the descent tube 160, pistons 170, which are under the pressure pK (generated by the weight of the following stack of pistons 171), are placed in the introduction devices 121 ( 23 , 24 ) or 122 ( 25 , 26 ) pushed.
The pressure pK is greater than the maximum working pressure pA generated by the areas in the riser tube 130 .
The introduction device 121 or 122 is supplied from the outside with the heated working medium 52, the heated heating medium 56 or the heated working mixture 59, which is at a metering pressure pD--which is also greater than the maximum working pressure pA.
In the introduction device 121 or 122, the heated working medium 52 and the heated heating medium 56 ( 23 , 25 ) or the heated working mixture 59 ( 24 , 26 ) introduced between two pistons 170. This area thus becomes a workspace.
For the overall systems 23 and 25 with the separate introduction of the heated working medium 52 and the heated heat medium 56, after the introduction, the two media are mixed with the internal formation of a working mixture 59.
In addition, in the delivery device 122 ( 25 , 26 ) of the further developed first energy converter 26 are introduced unheated weight medium between two work areas. An area filled with weight medium 60 thus becomes a weight area GB.
The amount of media supplied and the time of introduction are controlled by dosing devices 126 . For the safe introduction of the working medium or the weight medium, individual pistons 170 can be briefly stopped by a piston stop device 125 in the introduction devices 121 and 122 . After the stopped pistons 170 have been released, the introduced areas are pushed into the riser pipe 130 by the piston pressure pK of the following pistons or the next introduced areas.
The pistons 170 create a spatial and thermally insulated delimitation from the preceding and following areas for the heated working medium or the weight medium.
The targeted control of the introduction allows the further developed first energy converter 26 to also be operated in an operating mode without a weight medium and thus the usable temperature range is extended towards lower temperature differences.

Grundsätzlich ist es nicht notwendig, für den weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (24, 25) den Bereichen zwischen zwei Kolben jeweils eine spezifische Zuordnung zu Arbeitsbereich oder Gewichtsbereich zu geben. Jeder Bereich zwischen zwei Kolben kann Arbeitsbereich oder Gewichtsbereich sein. Aus technischer Sicht kann es aber sinnvoll sein, die Kolben unterschiedlich zu gestalten und damit die Kolben explizit zu Arbeits- bzw. Gewichtsbereich zuzuweisen.
Mögliche Gründe sind z.B.:

  • • Leichteres und sichereres Einbringen der Medien
  • • Bessere Steuerungsmöglichkeiten des Energiewandlers
  • • Messtechnische Aufgaben
In principle, it is not necessary for the further developed first energy converter 26 ( 24 , 25 ) to give the areas between two pistons a specific assignment to the work area or weight range. Any area between two pistons can be work area or weight area. From a technical point of view, however, it can make sense to design the pistons differently and thus explicitly assign the pistons to the work or weight range.
Possible reasons are, for example:
  • • Easier and safer loading of media
  • • Better control of the energy converter
  • • Measurement tasks

Schritt 2 - Umwandlung der thermischen Energie in potentielle EnergieStep 2 - Conversion of thermal energy into potential energy

Nach Eintritt der Arbeitsbereiche AB bzw. Gewichtsbereiche GB (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 26) in das Aufstiegsrohr 130 beginnt, wie im Zusammenhang mit 6 und 10 erläutert, eine langsame Verringerung des auf dem oberen Kolben lastendenden Arbeitsdruckes pA. Die erfindungsgemäß bevorzugte Ausführung des Aufstiegsrohres 130 ist dabei senkrecht ohne Richtungsänderung. Das allgemeine Grundprinzip des Druckaufbaus erlaubt aber auch eine schräge, schraubenförmige oder andere aufwärts gerichtete Gestaltung des Aufstiegsrohres 130.After entry of the work areas AB or weight areas GB (the latter only in the further developed first energy converter 26) in the riser tube 130 begins, as in connection with 6 and 10 explained, a slow reduction of the working pressure pA on the upper piston. The preferred embodiment of the riser pipe 130 according to the invention is vertical without a change in direction. However, the general basic principle of the pressure build-up also allows an inclined, helical or other upward-pointing design of the riser pipe 130.

Nach Unterschreiten eines, von der Temperatur und der Dampfdruckkurve des verwendeten Arbeitsmittels abhängigen Arbeitsdrucks pA beginnt das im Arbeitsgemisch 59 enthaltene warme Arbeitsmittel 52 in einer Entspannungsverdampfung zu verdampfen, so dass warmer Arbeitsmitteldampf 53 entsteht. Dadurch kommt es zu einer Volumenvergrößerung des Arbeitsbereiches bei gleichzeitiger Abkühlung des verbliebenen Arbeitsgemisches. Durch diese Volumenvergrößerung werden im Aufstiegsrohr alle oberhalb dieses Arbeitsbereiches befindlichen, Arbeits- bzw. Gewichtsbereiche (letzteres nur im weiterentwickelten Energiewandler 26) angehoben.
Bei einer hinreichend großen Volumenvergrößerung führt dies zu einem Austritt von kaltem Arbeitsmitteldampf 54, kaltem Wärmemedium 55 und im weiterentwickelten Energiewandler 26 auch Gewichtsmedium 60 im oberen Bereich des Rohrsystems - beispielhaft dargestellt im oberen Rohrbogen 140 - in die Separationsvorrichtung 150.
After falling below a working pressure pA dependent on the temperature and the vapor pressure curve of the working medium used, the warm working medium 52 contained in the working mixture 59 begins to to evaporate a flash evaporation, so that warm working medium vapor 53 is formed. This leads to an increase in volume of the working area with simultaneous cooling of the remaining working mixture. Due to this increase in volume, all work or weight areas (the latter only in the further developed energy converter 26) located above this work area are raised in the riser tube.
With a sufficiently large increase in volume, this leads to the escape of cold working medium vapor 54, cold heating medium 55 and, in the further developed energy converter 26, also weight medium 60 in the upper area of the pipe system - shown by way of example in the upper pipe bend 140 - into the separation device 150.

Durch den Austritt der Medien in die Separationsvorrichtung 150 verringert sich der verbleibende Arbeitsdruck pA, der auf den im Aufstiegsrohr 130 verbliebenen Arbeits- und Gewichtsbereichen (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 26) lastet. Das führt in den noch im Aufstiegsrohr 130 befindlichen Arbeitsbereichen AB zu einer weiteren Entspannungsverdampfung des Arbeitsgemisches 59, einem Ausdehnen des bereits vorhandenen noch warmen, unter Druck stehenden Arbeitsmitteldampfes 53, einer damit verbundenen Volumenvergrößerung der Arbeitsbereiche und dem Anheben aller oberhalb eines einzelnen Arbeitsbereiches befindlichen Bereiche.
Der beschriebene Ablauf von

  • • Austritt von Medien im oberen Bereich des Rohrsystems
  • • eine dadurch initiierten Druckverringerung im Aufstiegsrohr 130
  • • einer nachfolgenden Entspannungsverdampfung von Arbeitsmittel aus dem Arbeitsgemisch
  • • Anheben der Bereiche im Aufstiegsrohr 130
wiederholt sich stetig durch Zuführung neuer Bereiche in den Einbringvorrichtungen 121 bzw. 122. Dadurch unterliegt das warme Arbeitsgemisch 59 während des Aufstiegs im Aufstiegsrohr 130 einer kontinuierlichen Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels bei gleichzeitiger Abkühlung des Arbeitsgemisches 59 und des bereits entstandenen Arbeitsmitteldampf 53.
Am Ende des Aufstiegs ist das Arbeitsmittel 52 aus dem Arbeitsgemisch 59 vollständig heraus verdampft und nur noch das Wärmemedium 55 flüssig verblieben. Das Wärmemedium ist bis auf Kondensationstemperatur abgekühlt, der entstandene Arbeitsmitteldampf 54 ist unter Volumenvergrößerung und Abkühlung bis auf Kondensationsdruck entspannt.The exit of the media into the separating device 150 reduces the remaining working pressure pA, which acts on the working and weight areas remaining in the riser tube 130 (the latter only in the further developed first energy converter 26). In the working areas AB still in the riser pipe 130, this leads to a further flash evaporation of the working mixture 59, an expansion of the already existing, still warm, pressurized working medium vapor 53, an associated increase in volume of the working areas and the lifting of all areas located above a single working area.
The process described
  • • Media escaping in the upper area of the pipe system
  • • a pressure reduction initiated thereby in the riser tube 130
  • • a subsequent flash evaporation of working fluid from the working mixture
  • • Raising the areas in riser tube 130
is repeated continuously by adding new areas in the introduction devices 121 or 122. As a result, the warm working mixture 59 is subject to continuous expansion evaporation of the working medium during the rise in the riser pipe 130, with simultaneous cooling of the working mixture 59 and the working medium vapor 53 that has already formed.
At the end of the ascent, the working medium 52 has completely evaporated from the working mixture 59 and only the heating medium 55 remains liquid. The heat medium is cooled down to the condensation temperature, the working medium vapor 54 that has formed is expanded to the condensation pressure with an increase in volume and cooling.

Durch das Prinzip der frei beweglichen Kolben 170 gibt es keine mechanisch vorgegebene p-V-Kennlinie des ersten (25) und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers (26). Das bedeutet, die p-V-Kennlinie der ersten Energiewandler ist variabel und passt sich aufgrund des sich selbst regulierenden Arbeitsdruckes pA jedes einzelnen Arbeitsbereiches und der dadurch erzwungenen Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels selbsttätig der p-V-Verdampfungskennlinie des verwendeten Arbeitsmittels im genutzten Temperaturbereich an.
Vergleichbares ist mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht möglich.
Gleichfalls ist damit

  • • eine stufenlose Volumenvergrößerung von mehr als 1:100 - bezogen auf das Ausgangsvolumen des flüssigen warmen Arbeitsmittels 52 zum Endvolumen des vollständig verdampften kalten Arbeitsmittels 54 - sowie
  • • eine stufenlose Druckentspannung von weit mehr als 1:10 - bezogen auf den maximalen Arbeitsdruck pA auf dem unteren Niveau des ersten Energiewandlers zum minimalem Arbeitsdruck (Kondensationsdruck) auf dem oberen Niveau des ersten Energiewandlers - möglich
Due to the principle of the freely movable piston 170, there is no mechanically predetermined pV characteristic of the first (25) and the further developed first energy converter (26). This means that the pV characteristic of the first energy converter is variable and automatically adapts to the pV evaporation characteristic of the working medium used in the temperature range used due to the self-regulating working pressure pA of each individual working area and the resulting forced expansion evaporation of the working medium.
The same is not possible with devices according to the state of the art.
Likewise with it
  • • a stepless increase in volume of more than 1:100 - based on the initial volume of the liquid warm working medium 52 to the final volume of the completely evaporated cold working medium 54 - and
  • • a continuous pressure relief of far more than 1:10 - based on the maximum working pressure pA at the lower level of the first energy converter to the minimum working pressure (condensation pressure) at the upper level of the first energy converter - possible

Schritt 3 - Trennung und Ausbringung der MedienStep 3 - Media Separation and Deployment

Nach dem Austritt des Arbeitsmitteldampfes 54, des abgekühlten, flüssig verbliebenen Wärmemediums 55 bzw. Gewichtsmedium 60 (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 26) auf dem oberen Niveau - exemplarisch dargestellt dem oberen Rohrbogen 140 - aus dem Rohrsystem werden die Medien in der Separationsvorrichtung 150 getrennt.
Das flüssig verbliebene Wärmemedium 55 wird aufgefangen und gesammelt. Im weiterentwickelten Energiewandler 26 wird das flüssig verbliebene Wärmemedium 55 gemeinsam mit dem Gewichtsmedium 60 aufgefangen. Das gesammelte kalte Wärmemedium 55 - im weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 auch das Gewichtsmedium - verlässt über Zuführungen 40 den ersten Energiewandler 25 bzw. 26 und fließt je nach Bauform des Gesamtsystems der Mischkammer 33, dem zweiten Energiewandler 34 oderbei Gesamtsystemen mit Nutzung des mE-TLC-Prozesses - dem Wärmetauscher 31 zu.
Der Arbeitsmitteldampf 54 wird durch Zuführungen 40 der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zugeführt. Evtl. vom Arbeitsmitteldampf 54 mitgerissene Tröpfchen des Wärmemediums werden in der Separationsvorrichtung 150 abgeschieden und dem gesammelten Wärmemedium zugeführt.
After the working medium vapor 54, the cooled, liquid remaining heat medium 55 or weight medium 60 (the latter only in the further developed first energy converter 26) on the upper level - shown as an example the upper pipe bend 140 - has exited the pipe system, the media are separated in the separation device 150 .
The remaining liquid heat medium 55 is caught and collected. In the further developed energy converter 26 , the remaining liquid heat medium 55 is collected together with the weight medium 60 . The collected cold heat medium 55 - also the weight medium in the further developed first energy converter 26 - leaves the first energy converter 25 or 26 via feeds 40 and flows in each case depending on the design of the overall system of the mixing chamber 33, the second energy converter 34 or in the case of overall systems using the mE-TLC process - the heat exchanger 31.
The working medium vapor 54 is fed to the vapor liquefaction device 32 through feeds 40 . Any droplets of the heating medium entrained by the working medium vapor 54 are separated in the separation device 150 and fed to the collected heating medium.

Schritt 4 - Rückführung der KolbenStep 4 - Returning the Pistons

Die nach Austritt der Medien im oberen Rohrbogen 140 funktionslosen Kolben 170 werden weiter zum Abstiegsrohr 160 geführt. Dort wird durch das Eigengewicht der Kolben der restliche Arbeitsmitteldampf 54 durch dafür vorgesehene Auslassöffnungen aus dem Rohrsystem in die Separationsvorrichtung 150 gedrückt.
Die Kolben 170 werden als Kolbenstapel 171 zusammengeführt und erzeugen durch ihr Eigengewicht den in den Einbringvorrichtungen 121 und 122 benötigen Kolbendruck pK.
The pistons 170 , which have no function after the media have exited the upper pipe bend 140 , are guided further to the descent pipe 160 . There, the residual working medium vapor 54 is pressed through the outlet openings provided for this purpose out of the pipe system and into the separation device 150 by the piston's own weight.
The pistons 170 are brought together as a stack of pistons 171 and generate the piston pressure pK required in the introduction devices 121 and 122 through their own weight.

Weiterführende BetrachtungenFurther considerations

Der erfindungsgemäße Aufbau der ersten Energiewandler 25 und 26 als geschlossenes Rohrsystem mit freilaufenden Kolben eröffnet die Möglichkeit einer Energiewandlung von thermischer in potentielle Energie mit einem sehr großen und variablen Arbeitsbereich hinsichtlich der möglichen Volumenvergrößerung und dem abzubauenden Arbeitsdruck.
Die durch das Prinzip einzelner kleiner Arbeitsbereiche realisierbare stufenlose und variable Entspannungsverdampfung eines Arbeitsmittels ist nur mit einer sehr fein gestuften Turbine vergleichbar.
The inventive design of the first energy converters 25 and 26 as a closed pipe system with free-running pistons opens up the possibility of energy conversion from thermal to potential energy with a very large and variable working range with regard to the possible increase in volume and the working pressure to be reduced.
The stepless and variable flash evaporation of a working medium, which can be realized through the principle of individual small working areas, can only be compared with a very finely graduated turbine.

Der besondere Vorteil der Vielzahl einzelner Arbeitsbereiche ist die damit verbundene lange Zeit (im Vergleich zum Stand der Technik) vom Beginn der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels bis zum Austritt auf dem oberen Niveau (siehe 4 ff., Punkt 3-5 des T-S-Diagramms).
Bei einer Anzahl von maximal 5 neu zugeführten Arbeitsbereichen je Sekunde, (idealerweise weniger als einem Arbeitsbereich je Sekunde) und einer zum Druckaufbau im Rohr erforderlichen Anzahl von mindestens 10 Arbeitsbereichen ergibt sich eine relativ lange Zeit der Entspannungsverdampfung von 2-10 Sekunden (bei höheren Temperaturen des warmen Arbeitsmittels und des Wärmemediums wegen der größeren Anzahl an Arbeitsbereichen bis zu einigen Minuten), was mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht erreichbar ist.
Durch diese lange Zeit der Entspannungsverdampfung wird eine explosionsartige Dampfblasenbildung, die bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik durch Tröpfchenerosion eine große Gefahr darstellt, vermieden.
Als weiterer Vorteil kann die Entspannungsverdampfungskurve des E-TLC bzw. E-TLC2 Prozesses im T-S-Diagramm nach 34 und 4 vom Punkt 3 bis Punkt 5 sicher und vollständig durchlaufen und die zuvor aufgenommene thermische Energie vollständig umgesetzt werden.
The particular advantage of the large number of individual working areas is the associated long time (compared to the prior art) from the beginning of the flash evaporation of the working medium to the outlet at the upper level (see 4 ff., point 3-5 of the TS diagram).
With a maximum number of 5 newly supplied working areas per second (ideally less than one working area per second) and a number of at least 10 working areas required to build up pressure in the pipe, the result is a relatively long time for flash evaporation of 2-10 seconds (at higher temperatures of the warm working fluid and the heating medium up to a few minutes due to the larger number of working areas), which cannot be achieved with devices according to the prior art.
Due to this long time of flash evaporation, an explosive formation of vapor bubbles, which represents a great danger in devices according to the state of the art due to droplet erosion, is avoided.
As a further advantage, the flash evaporation curve of the E-TLC or E-TLC2 process can be seen in the TS diagram 34 and 4 safely and completely from point 3 to point 5 and the previously absorbed thermal energy can be fully implemented.

In 27 sind ergänzend dazu verschiedene Szenarien als T-S-Diagramm des Arbeitsmittels im E-TLC-Prozess dargestellt.

  • 27a - Verlauf unter Basis-Betriebsbedingungen (siehe gestrichelte Linien) definiert durch die Temperatur der Wärmequelle und der Dampfverflüssigungstemperatur
  • 27b - Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen (siehe gestrichelte Linien) erhöhter Temperatur der Wärmequelle (Bsp.: Nutzung von Solarthermie als Wärmequelle im Sommer) Der Ausgangspunkt der Entspannungsverdampfung (Punkt 3) ist nach oben verschoben. Es wird mehr thermische Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
  • 27c - Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen (siehe gestrichelte Linien) erhöhter Dampfverflüssigungstemperatur (Bsp.: Nutzung von Erdwärme als Wärmequelle und Kühlung durch Umgebungsluft im Sommer) Die Kondensationslinie von Punkt 5 zu Punkt 1 ist nach oben verschoben. Die Entspannungskurve von Punkt 3 zu Punkt 5 ist verkürzt. Es wird weniger Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
  • 27d - Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen (siehe gestrichelte Linien) erhöhter Temperatur der Wärmequelle und erhöhter Dampfverflüssigungstemperatur (Bsp.: Nutzung von Solarthermie als Wärmequelle und Kühlung durch Umgebungsluft im Sommer) Je nach Temperaturdifferenz zwischen Punkt 2 und 3 kann mehr oder auch weniger thermische Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt werden.
In 27 In addition, various scenarios are shown as a TS diagram of the work equipment in the E-TLC process.
  • 27a - Trend under basic operating conditions (see dashed lines) defined by the temperature of the heat source and the vapor condensing temperature
  • 27b - Course with increased temperature of the heat source compared to the basic operating conditions (see dashed lines) (e.g. use of solar thermal energy as a heat source in summer) The starting point of flash evaporation (point 3) is shifted upwards. More thermal energy is converted than under basic operating conditions.
  • 27c - Course with increased vapor condensation temperature compared to the basic operating conditions (see dashed lines) (e.g. use of geothermal heat as a heat source and cooling by ambient air in summer) The condensation line from point 5 to point 1 is shifted upwards. The relaxation curve from point 3 to point 5 is shortened. Less energy is converted than under basic operating conditions.
  • 27d - Course with increased temperature of the heat source and increased vapor condensation temperature compared to the basic operating conditions (see dashed lines) (e.g.: use of solar thermal energy as a heat source and cooling by ambient air in summer) Depending on the temperature difference between points 2 and 3, more or less thermal energy can be converted than under basic operating conditions.

Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Gestaltung des umlaufenden Rohrsystems und der Kolben.
Die Rohre zur Führung der Kolben sind mit einer gut gleitfähigen thermischen Innenisolation wie z.B. PTFE oder Polyamid (PA) versehen.
Die Kolben selber sind an den Dichtflächen mit einem zum Material der Innenisolation des Rohres passenden Dichtungs- und Gleitmaterial versehen, das sowohl eine Abdichtung der Bereiche als auch eine thermische Isolation gewährleistet.
Innerhalb eines Arbeitsbereiches kommt es durch den Kontakt der Medien mit der Rohrwand und dem Abstreifen der Medien durch den Kolben von der Rohrwand zu Verwirbelungen und einer intensiven Durchmischung der Medien. Das fördert die Wärmeverteilung und damit die Verdampfung des Arbeitsmittels. Durch eine geeignete Gestaltung des Kolbens und der Kolbendichtung kann diese Verwirbelung gefördert werden.
Die Kolben weisen zudem vorzugsweise eine aufgeraute, poröse Oberfläche auf, die eine Blasenbildung beim Verdampfen des Arbeitsmittels fördert (vergleichbar der Wirkung von Siedesteinchen).
Another important point is the design of the surrounding pipe system and the pistons.
The tubes for guiding the pistons are provided with a thermal inner insulation that slides well, such as PTFE or polyamide (PA).
The pistons themselves are provided on the sealing surfaces with a sealing and sliding material that matches the material of the inner insulation of the tube, which ensures both sealing of the areas and thermal insulation.
Within a working area, turbulence and intensive mixing of the media occurs as a result of the contact of the media with the tube wall and the scraping of the media from the tube wall by the piston. This promotes the heat distribution and thus the evaporation of the working fluid. This turbulence can be promoted by a suitable design of the piston and the piston seal.
In addition, the pistons preferably have a roughened, porous surface, which promotes the formation of bubbles when the working medium evaporates (comparable to the effect of small boiling stones).

Da aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion der ersten Energiewandler an den Kolben nur sehr geringe Druckunterschiede von weniger als 0,001 MPa (0,01bar) auftreten (Druckunterschied = Kolbengewicht/Fläche), liegt die Hauptaufgabe der Kolbendichtung in einer Stützfunktion, um ein Kippen der Kolben im Rohrsystem zu verhindern. Dies ist durch ein geeignetes Kolbendesign möglich. Entsprechende Kolbendesigns sind in der Fachwelt bekannt.Because of the construction of the first energy converters according to the invention, only very small pressure differences of less than 0.001 MPa (0.01 bar) occur on the pistons (pressure difference = piston weight/area), the main task of the piston seal is a support function to prevent the pistons from tilting in the pipe system to prevent. This is possible with a suitable piston design. Corresponding piston designs are known in the art.

Unterstützend beim Kolbendesign ist der Rohrquerschnitt. Neben einem kreisförmigen Querschnitt weisen nicht kreisförmige Rohrquerschnitte (z.B. Ellipse oder Oval) Vorteile z.B. bei der Gestaltung der Einbringvorrichtung bzw. der Austrittsöffnungen und anderer Aufgaben auf.
Eine Ausführung des unteren und oberen Abschnittes des umlaufenden Rohrsystems als horizontale Zone mit konstantem Druck (Beispiele siehe 27) in Kombination mit einem nicht kreisförmigen Rohrquerschnitt erleichtert zudem die technische Gestaltung der Einbringvorrichtungen 120 und 121 bzw. der Separierungsvorrichtung 150.
The tube cross section supports the piston design. In addition to a circular cross-section, non-circular tube cross-sections (eg ellipse or oval) have advantages, for example in the design of the introduction device or the outlet openings and other tasks.
An execution of the lower and upper section of the circulating pipe system as a horizontal zone with constant pressure (examples see 27 ) in combination with a non-circular pipe cross section also facilitates the technical design of the introduction devices 120 and 121 or the separating device 150.

Prozessbeispieleprocess examples

Wie in Tabelle 1 exemplarisch aufgeführt, sind mit dem Gesamtsystem 11 oder 15 (5, 11) bereits geringe Temperaturunterschiede von 10°K nutzbar.
Die aufgrund der Temperaturdifferenz thermodynamisch gegebene geringe Druckdifferenz von nur 0,033 MPa (0,33bar) zwischen dem maximalen Arbeitsdruck und dem Dampfverflüssigungsdruck im erfindungsgemäßen ersten Energiewandler 25 bzw. 26 wird in eine - durch den zweiten Energiewandler 34 technisch gut nutzbare - Druckdifferenz von mindestens 0,25 MPa (2,5bar) für das Arbeitsmedium bzw. mindestens 0,4 MPa (4,0 bar) für das Wärmemedium umgesetzt. Vergleichbares ist mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht realisierbar.
As shown in Table 1 as an example, with the overall system 11 or 15 ( 5 , 11 ) even small temperature differences of 10°K can be used.
The low pressure difference of only 0.033 MPa (0.33 bar) thermodynamically given due to the temperature difference between the maximum working pressure and the vapor condensation pressure in the first energy converter 25 or 26 according to the invention is converted into a pressure difference of at least 0, which can be used technically well by the second energy converter 34. 25 MPa (2.5 bar) for the working medium or at least 0.4 MPa (4.0 bar) for the heating medium. The same cannot be achieved with devices according to the state of the art.

Bei derart geringen Temperaturunterschieden sollte bevorzugt das Gesamtsystem 17 nach 13 mit einem kalten Arbeitsgemisch 58 als Gewichtsmedium 60 zur Anwendung kommen. Dieses weist gegenüber Gesamtsystem 15 eine nochmals reduzierte Bauhöhe auf und benötigt nur einen einteiligen zweiten Energiewandler 34 bzw. einteiligen Wärmetauscher 31.With such small temperature differences, the entire system should preferably 17 after 13 with a cold working mixture 58 as the weight medium 60. Compared to the overall system 15, this has a further reduced overall height and only requires a one-piece second energy converter 34 or one-piece heat exchanger 31.

Der erfindungsgemäße Einsatz des weiterentwickelten Energiewandlers 26 nach 25 bzw. 26 mit zusätzlichen Gewichtsbereichen senkt bei höheren Eingangstemperaturen die technisch notwendige Höhe zum Aufbau des maximalen Arbeitsdruckes pA zwischen dem unteren und dem oberen Niveau deutlich, wie bereits in der Erläuterung zu 10 bis 12 dargelegt.
In Tabelle 2 ist exemplarisch ein Vergleich der Gesamtsysteme 11 (ohne Gewichtsmedium) und 15 (mit Gewichtsmedium) bei ansonsten gleichen Eingangsparametern dargestellt. Der Einsatz des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 mit Gewichtsmedium bringt eine Reduzierung der Bauhöhe des Gesamtsystems um ca. 85%.
Wie aus den Werten für Gesamtsystem 15 zu ersehen ist, wird bei Nutzung eines Gewichtsmediums der minimal erforderliche Differenzdruck (siehe 11 p-V-Diagramm: Differenz zwischen Punkt 7 und 2) des Arbeitsmittels für den zweiten Energiewandlers 34 zum limitierenden Faktor für die Bauhöhe des ersten Energiewandlers (im Beispiel 0,25MPa).
Ein Einsatz eines Gesamtsystem 17 (13) mit Arbeitsgemisch senkt die Bauhöhe des Gesamtsystems nochmals deutlich um ca. 20%.
The inventive use of the advanced energy converter 26 after 25 or. 26 with additional weight ranges, the technically necessary height to build up the maximum working pressure pA between the lower and the upper level significantly reduces at higher inlet temperatures, as already explained in the explanation 10 until 12 set forth.
Table 2 shows an example of a comparison of the overall systems 11 (without weight medium) and 15 (with weight medium) with otherwise the same input parameters. The use of the further developed first energy converter 26 with a weight medium brings about a reduction in the overall height of the overall system by approximately 85%.
As can be seen from the values for overall system 15, when using a weight medium, the minimum required differential pressure (see 11 pV diagram: difference between point 7 and 2) of the working medium for the second energy converter 34 to the limiting factor for the overall height of the first energy converter (0.25 MPa in the example).
A use of a complete system 17 ( 13 ) with a working mixture reduces the overall height of the entire system by approx. 20%.

In Tabelle 3 sind beispielhaft die Arbeitsparameter eines Gesamtsystems 18 mit einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 bei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen aufgeführt.
Das dargestellte Temperaturszenario (Anstieg der maximalen Arbeitstemperatur von 40 auf 100 °C) entspricht dem Tagesverlauf eines Energiewandlers mit solarthermischer Wärmezufuhr und Verflüssigung des Arbeitsmitteldampfes durch Umgebungsluft bei steigender Umgebungstemperatur (Anstieg der Kondensationstemperatur von 20 auf 40°C).
Deutlich ablesbar sind die sich verändernden Betriebsparameter in Abhängigkeit von der Änderung der maximalen Arbeitstemperatur und der Kondensationstemperatur.
In der letzten Spalte ist beispielhaft der Einfluss der Kondensationstemperatur auf die erzielbare Leistung dargestellt. Je niedriger die Kondensationstemperatur, desto höher der theoretische Wirkungsgrad und damit die erzielbare Leistung.
Table 3 shows the working parameters of an overall system 18 with a further developed first energy converter 26 at different working temperatures.
The temperature scenario shown (increase in the maximum working temperature from 40 to 100 °C) corresponds to the daily course of an energy converter with solar thermal heat supply and liquefaction of the working medium vapor by ambient air with increasing ambient temperature (increase in the condensation temperature from 20 to 40 °C).
The changing operating parameters depending on the change in the maximum working temperature and the condensation temperature can be clearly read.
The influence of the condensation temperature on the achievable output is shown as an example in the last column. The lower the condensation temperature, the higher the theoretical efficiency and thus the achievable performance.

Bei einer angenommenen Anzahl von einem neu zugeführten Arbeitsbereich je Sekunde entspricht die Zahl der gesamten Arbeitsbereiche im Aufstiegsrohr der Anzahl an Sekunden, die ein Arbeitsbereich zum Durchlauf vom unteren zum oberen Niveau des Gesamtsystems benötigt.
Ebenfalls aufgeführt die Anzahl der Arbeitsbereiche, in denen das Arbeitsmittel die Entspannungsverdampfungskurve vom thermodynamischen Punkt 3 zum Punkt 5 des E-TLC2-Prozesses durchläuft. Deutlich sichtbar ist auch hier der Einfluss der Kondensationstemperatur. Tabelle 1: Beispielwerte für die Umsetzung des E-TLC-Prozesses mit Vorrichtung 11, 12 und 17 bei einer Temperaturdifferenz von 10° zwischen Eingangs- und Kondensationstemperatur Eingangs-Parameter Einheit Vorrichtung 11 Vorrichtung 15 Vorrichtung 17 Max. Arbeitstemperatur °C 40 Kondensationstemperatur °C 30 Mittl. Wirkungsgrad nach Carnot % 1,62 Rohrdurchmesser m 0,1 Arbeitsmittel / Dichte - / kg/m2 N - Pentan / 605,76 Max. Arbeitsdruck MPa 0,115 Kondensationsdruck MPa 0,082 Menge Arbeitsmittel kg 0,10 Ausgangshöhe Arbeitsmittel m 0,021 Wärmemedium / Dichte - / kg/m2 Wasser / 998 Menge Wärmemedium kg 0,82 Menge Gewichtsmedium kg 0 0,6 1,6 Ergebnis-Parameter Höhe Arbeitsmitteldampf m 5,23 Entspannungsverhältnis AM 1:249 Notwendige Rohrhöhe m 74 48 32 Anzahl Arbeitsbereiche - 30 19 13 Nutzbare Differenzdruck zwischen Punkt 7 und 2 des p-V-Diagramms Arbeitsmittel MPa 0,41 0,253 - Wärme- / Gewichtsmedium MPa 0,687 0,433 - Arbeitsgemisch MPa - - 0,26 Geleistete Arbeit je Arbeitsbereich kWs -0,6 Flächenleistung kW/m 2 ~75 Tabelle 2: Beispielwerte für die Reduzierung der Bauhöhe des Gesamtsystems durch Nutzung von Gewichtsmedium bei einer Eingangstemperatur von 100°C und einer Kondensationstemperatur von 40°C Eingangs-Parameter Einheit Gesamtsystem 11 Gesamtsystem 15 Gesamtsystem 17 Bauform erster Energiewandler - 25 26 Max. Arbeitstemperatur °C 100 Kondensationstemperatur °C 40 Mittlerer Wirkungsgrad nach Carnot % 8,74 Rohrdurchmesser m 0,1 Arbeitsmittel / Dichte - / kg/m2 n - Pentan / 605,76 Max. Arbeitsdruck MPa 0,59 Kondensationsdruck MPa 0,115 Menge Arbeitsmittel kg 0,1 Ausgangshöhe Arbeitsmittel m 0,024 Wärmemedium / Dichte - / kg/m2 Wasser / 998 Menge Wärmemedium kg 0,081 Gewichtsmedium / Dichte - / kg/m2 Wasser / 998 Menge Gewichtsmedium kg 0 4,5 9 Ergebnis-Parameter Höhe Arbeitsmitteldampf m 3,8 Entspannungsverhältnis - 1:158 Notwendige Rohrhöhe m 880 124 100 Anzahl Arbeitsbereiche - 915 79 40 Differenzdruck Arbeitsmittel zw. Punkt 7 und 2 MPa 4,7 0,25 - Differenzdruck Wärme- / Gewichtsmedium zw. Punkt 7 und 2 MPa 8,1 0,72 - Differenzdruck Arbeitsgemisch zw. Punkt 7 und 2 --- - 0,26 Geleistete Arbeit je Arbeitsbereich kWs ~3,1 Flächenleistung bei einem Arbeitsbereich / sec kW/m 2 395 Tabelle 3 Beispiel Spreizung Arbeitsparameter bei solarthermischer Erwärmung und Kühlung durch Umgebungsluft Eingangs-Parameter Einheit Gesamtsystem 18 Betriebsart erster Energiewandler - Energiewandler 26 Max. Arbeitstemperatur °C 40 60 80 100 100 Kondensationstemperatur °C 20 30 40 20 Mittlerer Wirkungsgrad nach Carnot % 3,3 4,7 6 8,74 12,0 Rohrhöhe m 90 Rohrdurchmesser m 0,1 Arbeitsmittel / Dichte @20°C - / kg/m2 N - Pentan / 625,76 Max. Arbeitsdruck MPa 0,115 0,214 0,368 0,59 Kondensationsdruck MPa 0,056 0,082 0,115 0,056 Menge warmes Arbeitsmittel kg 0,1 Ausgangshöhe Arbeitsmittel m 0,0210 0,0215 0,227 0,24 0,24 Wärmemedium / Dichte @20°C - / kg/m2 Wasser / 998 Menge Wärmemedium kg 0,39 0,155 0,081 0,052 Höhe Wärmemedium m 0,05 0,02 0,0106 0,0067 Gewichtsmedium / Dichte @20°C - / kg/m2 Wasser / 998 Menge kaltes Gewichtsmedium kg 1,4 2,2 3,5 8,7 15,8 Höhe Gewichtsmedium m 0,18 0,28 0,45 1,12 2,0 Ergebnis-Parameter Höhe Arbeitsmitteldampf m 7,37 5,23 3,78 3,78 7,37 Entspannungsverhältnis - 1:350 1:243 1:166 1:157 1:307 Anzahl Arbeitsbereiche gesamt / Arbeitsbereiche mit Verdampfung - 180 / 20 126 / 36 93 / 49 43/41 28 / 27 Geleistete Arbeit je Arbeitsbereich kWs 1,2 1,71 2,13 3,1 4,4 Flächenleistung bei einem Arbeitsbereich / sec kW/m 2 155 218 270 395 566
Assuming a rate of one new workspace added per second, the number of total workspaces in the riser is equal to the number of seconds it takes for one workspace to travel from the bottom to the top of the overall system.
Also listed is the number of work zones where the work fluid goes through the flash evaporation curve from thermodynamic point 3 to point 5 of the E-TLC2 process. The influence of the condensation temperature is also clearly visible here. Table 1: Example values for the implementation of the E-TLC process with devices 11, 12 and 17 at a temperature difference of 10° between the inlet and condensation temperature input parameters Unit device 11 device 15 device 17 Max working temperature °C 40 condensation temperature °C 30 average Efficiency according to Carnot % 1.62 pipe diameter m 0.1 Working fluid / density - / kg/m2 N - pentane / 605.76 Max working pressure MPa 0.115 condensation pressure MPa 0.082 amount of work equipment kg 0.10 Starting height of work equipment m 0.021 heat medium / density - / kg/m2 water / 998 amount of heat medium kg 0.82 amount of weight medium kg 0 0.6 1.6 result parameters High working medium vapor m 5.23 relaxation ratio AM 1:249 Necessary tube height m 74 48 32 Number of workspaces - 30 19 13 Useful differential pressure between points 7 and 2 of the pV diagram work equipment MPa 0.41 0.253 - heat/weight medium MPa 0.687 0.433 - working mix MPa - - 0.26 Work done per work area kWs -0.6 area performance kW/ m2 ~75 Table 2: Example values for reducing the height of the entire system by using weight medium at an inlet temperature of 100°C and a condensation temperature of 40°C input parameters Unit Overall system 11 Overall system 15 Overall system 17 Design of the first energy converter - 25 26 Max working temperature °C 100 condensation temperature °C 40 Mean efficiency according to Carnot % 8.74 pipe diameter m 0.1 Working fluid / density - / kg/m2 n - pentane / 605.76 Max working pressure MPa 0.59 condensation pressure MPa 0.115 amount of work equipment kg 0.1 Starting height of work equipment m 0.024 heat medium / density - / kg/m2 water / 998 amount of heat medium kg 0.081 Weight Medium / Density - / kg/m2 water / 998 amount of weight medium kg 0 4.5 9 result parameters High working medium vapor m 3.8 relaxation ratio - 1:158 Necessary tube height m 880 124 100 Number of workspaces - 915 79 40 Differential pressure of working fluid between points 7 and 2 MPa 4.7 0.25 - Differential pressure heat / weight medium between points 7 and 2 MPa 8.1 0.72 - Differential pressure working mixture between points 7 and 2 --- - 0.26 Work done per work area kWs ~3.1 Area performance at a working range / sec kW/ m2 395 Table 3 Example spread of working parameters for solar thermal heating and cooling by ambient air input parameters Unit Total system 18 Operating mode of the first energy converter - energy converter 26 Max working temperature °C 40 60 80 100 100 condensation temperature °C 20 30 40 20 Mean efficiency according to Carnot % 3.3 4.7 6 8.74 12.0 pipe height m 90 pipe diameter m 0.1 Working fluid / Density @20°C - / kg/m2 N - pentane / 625.76 Max working pressure MPa 0.115 0.214 0.368 0.59 condensation pressure MPa 0.056 0.082 0.115 0.056 Amount of warm working medium kg 0.1 Starting height of work equipment m 0.0210 0.0215 0.227 0.24 0.24 Heat medium / density @20°C - / kg/m2 water / 998 amount of heat medium kg 0.39 0.155 0.081 0.052 Height of heat medium m 0.05 0.02 0.0106 0.0067 Weight Medium / Density @20°C - / kg/m2 water / 998 amount of cold weight medium kg 1.4 2.2 3.5 8.7 15.8 Height weight medium m 0.18 0.28 0.45 1:12 2.0 result parameters High working medium vapor m 7.37 5.23 3.78 3.78 7.37 relaxation ratio - 1:350 1:243 1:166 1:157 1:307 Total number of work areas / work areas with evaporation - 180 / 20 126 / 36 93 / 49 43/41 28/27 Work done per work area kWs 1.2 1.71 2:13 3.1 4.4 Area performance at a working range / sec kW/ m2 155 218 270 395 566

Claims (32)

Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit Temperaturen von maximal 200°C in einem Dreiecksprozess, im folgenden „Extended Trilateral Cycle“ (E-TLC) genannt, in Volumenänderungsarbeit und nachfolgend technisch nutzbare Energie gekennzeichnet durch: • Einen ersten Prozesszustand (1) mit einem flüssigen Arbeitsmittel (51) und einem flüssigen, chemisch mit dem Arbeitsmittel nicht identischen Wärmemedium (55) unter einem identischen ersten Druck bei einer identischen ersten Temperatur • Einer isochoren Erhöhung des Druckes und einer isobaren Erhöhung der Temperatur des Arbeitsmittels und des Wärmemediums auf einen identischen zweiten Druck und eine identische zweite Temperatur ohne Verdampfung des Arbeitsmittels oder des Wärmemediums, wobei der zweite Druck und die zweite Temperatur höher sind als der erste Druck und die erste Temperatur • Einem zweiten Prozesszustand (3) mit unter dem zweiten Druck stehenden und auf die zweite Temperatur erwärmten Arbeitsmittel (52) und Wärmemedium (56) • Einer durch Druckreduzierung initiierten, polytrop verlaufenden Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels (52) unter gleichzeitiger Zufuhr von thermischer Energie vom Wärmemedium (56) an das verdampfende Arbeitsmittel (52) mit vollständiger Verdampfung des Arbeitsmittels (52) bei gleichzeitigem Verrichten von Volumenänderungsarbeit durch den entstehenden Arbeitsmitteldampf (54) bzw. Volumenvergrößerung des bereits vorhandenen Arbeitsmitteldampfes • Einem dritten Prozesszustand (5) mit einem unter dem ersten Druck stehenden, vollständig verdampften und auf die erste Temperatur abgekühlten Arbeitsmittel (54) und einem ebenfalls auf die erste Temperatur abgekühlten und unter ersten Druck stehenden, flüssig verbliebenem Wärmemedium (55) • Einer isobaren Kondensation des verdampften Arbeitsmittels (54) bei der ersten Temperatur zu einem flüssigen kalten Arbeitsmittel (51) unter Abfuhr von Entropie womit der erste Prozesszustand wieder hergestellt ist.Process for converting thermal energy from a low-temperature heat source with temperatures of a maximum of 200°C in a triangular process, hereinafter referred to as “Extended Trilateral Cycle” (E-TLC), into volume change work and subsequently technically usable energy, characterized by : A first process state (1) with a liquid working medium (51) and a liquid heat medium (55) that is not chemically identical to the working medium under an identical first pressure at an identical first temperature • An isochoric increase in pressure and an isobaric increase in the temperature of the working medium and the heat medium at one identical second pressure and an identical second temperature without evaporation of the working fluid or the heating medium, the second pressure and the second temperature being higher than the first pressure and the first temperature • A second process state (3) with the second pressure and the working medium (52) and heating medium (56) heated to the second temperature • A polytropic flash evaporation of the working medium (52) initiated by pressure reduction with simultaneous supply of thermal energy from the heating medium (56) to the evaporating working medium (52) with complete evaporation of the working medium ( 52) with simultaneous performance of volume change work by the resulting working medium vapor (54) or volume increase of the working medium vapor already present • A third process state (5) with a working medium (54) which is under the first pressure, has completely evaporated and has been cooled to the first temperature and a heat medium (55) that has also been cooled to the first temperature and is under the first pressure and remains liquid • An isobaric condensation of the vaporized working medium (54) at the first temperature to form a liquid, cold working medium (51) with the removal of entropy, which restores the first process state is. Energiewandler (25) zur Umwandlung von thermischer Energie in potentielle Energie unter Realisierung einer polytropen Entspannungsverdampfung eines Arbeitsmittels gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet durch mindestens die Bestandteile: • Ein geschlossenes, thermisch isoliertes, aufwärts gerichtetes Rohrsystem mit einem Aufstiegsrohr (130) und einem Abstiegsrohr (160), verbunden durch Rohrbögen (110, 140) • Einer Anzahl von mindestens 10 in dem geschlossenen Rohrsystem frei umlaufenden Kolben (170) • Einbringöffnungen und einer Einbringvorrichtung (121) auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum Einbringen eines durch Kontakt mit einer Wärmequelle erwärmten Arbeitsmittels (52) und eines erwärmten Wärmemediums (56), die auch als Arbeitsgemisch (59) vorliegen können, in einen Arbeitsbereich (AB) zwischen zwei Kolben (170) • Auslassöffnungen im Mantel des Rohres auf dem oberen Niveau zum Auslassen des vollständig verdampften Arbeitsmittels (54) und des flüssig gebliebenen abgekühlten Wärmemediums (55) aus dem Rohrsystem • Einer Separierungsvorrichtung (150) zum Trennen des verdampften Arbeitsmittels (54) und des flüssig gebliebenen, kalten Wärmemediums (55).According to energy converter (25) for converting thermal energy into potential energy while realizing a polytropic flash evaporation of a working fluid claim 1 characterized by at least the components: • A closed, thermally insulated, upward-pointing pipe system with an ascent pipe (130) and a descent pipe (160), connected by pipe bends (110, 140) • A number of at least 10 pistons freely rotating in the closed pipe system (170) • Introduction openings and an introduction device (121) on the lower level of the pipe system for introducing a working medium (52) heated by contact with a heat source and a heated heat medium (56), which can also be present as a working mixture (59), into a work area (AB ) between two pistons (170) • Outlet openings in the casing of the tube on the upper level for discharging the completely vaporized working medium (54) and the liquid, cooled heating medium (55) from the tube system • A separating device (150) for separating the vaporized working medium ( 54) and the liquid, cold heat medium (55). Energiewandler (26) nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch mindestens die Bestandteile: • Zusätzliche Einbringöffnungen und einer Einbringvorrichtung (122) auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum Einbringen eines Gewichtsmediums (60) in einen Gewichtsbereich (GB) zwischen zwei Arbeitsbereiche (AB), wobei das Gewichtsmedium (60) nicht durch die Wärmequelle erwärmt wurde • Auslassöffnungen auf dem oberen Niveau zum gemeinsamen Auslassen des vollständig verdampften Arbeitsmittels (54), des flüssig verbliebenen Wärmemediums (55) sowie des Gewichtsmediums (60) aus dem Rohrsystem • Einer Separierungsvorrichtung (150) zum Trennen des verdampften Arbeitsmittels (54) von dem flüssig gebliebenen, kalten Wärmemedium (55) sowie dem flüssigen Gewichtsmedium (60).Energy converter (26) after claim 2 characterized by at least the components: • Additional insertion openings and an insertion device (122) on the lower level of the pipe system for introducing a weight medium (60) into a weight area (GB) between two work areas (AB), the weight medium (60) not being through the heat source has been heated • Outlet openings on the upper level for jointly discharging the completely vaporized working medium (54), the remaining liquid heating medium (55) and the weight medium (60) from the pipe system • A separating device (150) for separating the vaporized working medium (54) from the liquid remained cold heat medium (55) and the liquid weight medium (60). Energiewandler (26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das durch entsprechende Steuerung eine Betriebsart ohne Gewichtsmedium nach Anspruch 2 möglich ist.Energy converter (26) after claim 3 , characterized in that by appropriate control after an operating mode without weight medium claim 2 is possible. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrsystem so dimensioniert ist, dass zur Umwandlung der thermischen Energie des erwärmten Arbeitsmittels (52) und des warmen Wärmemediums (56) in potentielle Energie im Aufstiegsrohr (130) des Energiewandlers mindestens 10, bevorzugt mehr als 20 voneinander unabhängige, einzelne Arbeitsbereiche (AB) vorgesehen sind.Energy converter according to one of the preceding claims 2 - 4 , characterized in that the pipe system is dimensioned in such a way that at least 10, preferably more than 20 independent, individual work areas (AB) are provided. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrsystem so dimensioniert ist, dass die Bewegung eines einzelnen Arbeitsbereiches (AB) vom Einbringen auf dem unteren Niveau bis zum Erreichen des oberen Niveaus mindestens 2 Sekunden, bevorzugt mehr als 10 Sekunden dauert.Energy converter according to one of the preceding claims 2 - 5 , characterized in that the pipe system is dimensioned in such a way that the movement of a single working area (AB) takes at least 2 seconds, preferably more than 10 seconds, from the introduction at the lower level to the reaching of the upper level. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass es an der Dichtung der Kolben (170) zwischen den einzelnen Arbeitsbereichen (AB) bzw. Arbeitsbereichen (AB) und Gewichtsbereichen (GB) Druckunterschiede von weniger als 0,001 MPa gibt.Energy converter according to one of the preceding claims 2 - 6 , characterized in that there are pressure differences of less than 0.001 MPa at the seal of the pistons (170) between the individual working areas (AB) or working areas (AB) and weight areas (GB). Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (170) eine aufgeraute, poröse Oberfläche aufweisen, die eine Blasenbildung des Arbeitsmittels fördert.Energy converter according to one of the preceding claims 2 - 7 , characterized in that the pistons (170) have a roughened, porous surface which promotes the formation of bubbles in the working medium. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Arbeitsdruckes (pA) der Arbeitsbereiche (AB) stufenlos erfolgt.Energy converter according to one of the preceding claims 2 - 8th , characterized in that the relaxation of the working pressure (pA) of the working areas (AB) takes place steplessly. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenvergrößerung der Arbeitsbereiche (AB) stufenlos erfolgt.Energy converter according to one of the preceding claims 2 - 9 , characterized in that the increase in volume of the working areas (AB) is stepless. Vorrichtung zur Umwandlung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit Temperaturen von maximal 200°C in zwei Schritten in technisch nutzbare mechanische Energie, gekennzeichnet durch • mindestens einen ersten Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-10, der ein Arbeitsmittel (AM) und ein Wärmemedium (WM) unter Nutzung von thermischer Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit einer Temperatur von maximal 200°C durch Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem E-TLC-Prozess nach Anspruch 1 von einem unteren Niveau auf ein oberes Niveau hebt und die vom Arbeitsmittel (AM) und dem Wärmemedium (WM) aufgenommene thermische Energie in potentielle Energie des Arbeitsmittels (AM) und des Wärmemediums (WM) wandelt • einen zweiten Energiewandler (34), der unter Rückführung des Arbeitsmittels (AM) und des Wärmemediums (WM) vom oberen auf das untere Niveau die gewonnene potentielle Energie als technisch nutzbare mechanische Energie abgibt.Device for converting the thermal energy of a low-temperature heat source with temperatures of a maximum of 200°C in two steps into technically usable mechanical energy, characterized by • at least one first energy converter according to one of the preceding ones claims 2 - 10 , which produces a working fluid (AM) and a heating medium (WM) using thermal energy from a low-temperature heat source with a maximum temperature of 200°C by realizing flash evaporation according to the E-TLC process claim 1 lifts from a lower level to an upper level and the thermal energy absorbed by the working medium (AM) and the heat medium (WM) into potential energy of the working medium (AM) and the heat medium (WM) converts • a second energy converter (34), which is under Returning the working medium (AM) and the heat medium (WM) from the upper to the lower level releases the potential energy gained as technically usable mechanical energy. Vorrichtung (11) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens folgende Komponenten umfasst: • Einen Wärmetauscher (31) zur Übertragung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit Temperaturen von maximal 200°C an ein unter Dosierdruck (pD) stehendes flüssiges Arbeitsmittel (51) und an ein unter Dosierdruck (pD) stehendes flüssiges Wärmemedium ohne Verdampfung des Arbeitsmittels bzw. des Wärmemediums • Thermisch isolierte Zuführungen (40), um das im Wärmetauscher (31) erwärmte Arbeitsmittel (52) und das erwärmte Wärmemedium (56) einem ersten Energiewandler (25) nach einem der Ansprüche 2-9 zuzuführen • Mindestens einen ersten Energiewandler (25) nach einem der Ansprüche 2-9 zur Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels (52) und des Wärmemediums (56) in potentielle Energie • Zuführungen (40), um das im ersten Energiewandler (25) vollständig verdampfte Arbeitsmittel (54) einer Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) zuzuführen • Einer Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) zur Verflüssigung des verdampften Arbeitsmittels (54) • Zuführungen um das flüssige, kalte Wärmemedium (55) und das kondensierte flüssige Arbeitsmittel (51) einem zweiten Energiewandler (34) zuzuführen • Einem zweiteiligen zweiten Energiewandler (34) zur Umwandlung der potentieller Energie der des Arbeitsmittels (51) und des Wärmemediums (55) in technisch nutzbare Energie • Zuführungen, um das noch unter Dosierdruck (pD) stehende Arbeitsmittel (51) und das unter Dosierdruck (pD) stehende Wärmemedium (55) von dem zweiten Energiewandler wieder dem Wärmetauscher (31) zuzuführen.Device (11) after claim 11 , characterized in that it comprises at least the following components: • A heat exchanger (31) for transferring the thermal energy of a low-temperature heat source with temperatures of at most 200°C to a liquid working medium (51) under metering pressure (pD) and to a metering pressure ( pD) stagnant liquid heating medium without evaporation of the working medium or the heating medium • Thermally insulated feeds (40) in order to supply the working medium (52) heated in the heat exchanger (31) and the heated heating medium (56) to a first energy converter (25) according to one of claims 2 - 9 supply • At least a first energy converter (25) after one of claims 2 - 9 for converting the thermal energy of the working medium (52) and the heat medium (56) into potential energy • Feeds (40) in order to feed the working medium (54), which has been completely evaporated in the first energy converter (25), to a vapor liquefaction device (32) • A vapor liquefaction device (32 ) for liquefying the vaporized working fluid (54) • Feeds to supply the liquid, cold heat medium (55) and the condensed liquid working fluid (51) to a second energy converter (34) • A two-part second energy converter (34) to convert the potential energy of the des Working medium (51) and the heat medium (55) into technically usable energy • Feeds to the working medium (51) still under dosing pressure (pD) and the heat medium (55) under dosing pressure (pD) from the second energy converter back to the heat exchanger ( 31) to be supplied. Vorrichtung (211) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, das sie mindestens folgende Komponenten umfasst: • Mindestens einen ersten Energiewandler (25) nach einem der Ansprüche 2-10 zur Umwandlung der thermischen Energie eines unter Dosierdruck (pD) stehenden Arbeitsmittels (52) und eines unter Dosierdruck (pD) stehenden Wärmemediums (56) in potentielle Energie • Zuführungen (40), um das im ersten Energiewandler (25) vollständig verdampfte Arbeitsmittel (54) einer Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) zuzuführen • Einer Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) zur Verflüssigung des verdampften Arbeitsmittels • Zuführungen (40) um das flüssige kalte Arbeitsmittel (51) und das flüssige kalte Wärmemedium (55) einem Wärmetauscher (31) zuzuführen • Einen zweiteiligen Wärmetauscher (31) zur Übertragung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit Temperaturen von maximal 200°C an das Arbeitsmittel (51) und das Wärmemedium (55) ohne Verdampfung des Arbeitsmittels bzw. des Wärmemediums bei gleichzeitigem Aufbau eines hohen statischen Druckes • Thermisch isolierte Zuführungen um das erwärmte und unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel (52) und das erwärmte und unter hohem Druck stehende Wärmemedium (56) einem zweiten Energiewandler (34) zuzuführen • Einem zweiteiligen zweiten Energiewandler (34) zur Umwandlung der potentiellen Energie des erwärmten Arbeitsmittels (52) bzw. des erwärmten Wärmemediums (56) in technisch nutzbare Energie • Thermisch isolierte Zuführungen (40) um das erwärmte und nach Verlassen des zweiten Energiewandlers (34) noch unter Dosierdruck (pD) stehende Arbeitsmittel (52) und das erwärmte und nach Verlassen des zweiten Energiewandlers noch unter Dosierdruck (pD) stehende Wärmemedium (56) wieder dem ersten Energiewandler (25) zuzuführen.Device (211) according to claim 11 , characterized in that it comprises at least the following components: • At least one first energy converter (25) according to one of claims 2 - 10 for converting the thermal energy of a working medium (52) under dosing pressure (pD) and a heating medium (56) under dosing pressure (pD) into potential energy • Feeds (40) in order to convert the working medium (54 ) a vapor liquefaction device (32) • A vapor liquefaction device (32) for liquefying the vaporized working medium • Feeds (40) to supply the liquid cold working medium (51) and the liquid cold heat medium (55) to a heat exchanger (31) • A two-part heat exchanger ( 31) for the transfer of thermal energy from a low-temperature heat source with a maximum temperature of 200°C to the working medium (51) and the heating medium (55) without evaporation of the working medium or the heating medium while simultaneously building up a high static pressure • Thermally insulated feeds around the heated and supplying high-pressure working fluid (52) and the heated and high-pressure heat medium (56) to a second energy converter (34) • A two-part second energy converter (34) for converting the potential energy of the heated working fluid (52) or heated heating medium (56) into technically usable energy • Thermally insulated feeds (40) around the working medium (52) that has been heated and is still under dosing pressure (pD) after leaving the second energy converter (34) and the working medium (52) that has been heated and is still under metering pressure (pD) after leaving the second energy converter Metering pressure (pD) standing heat medium (56) back to the first energy converter (25). Vorrichtung (12-14,16-20, 212,216,219) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel (AM) und das Wärmemedium (WM) vor der Zuführung zum ersten Energiewandler (25,26) in einer Mischkammer (33) in einem prozessspezifischen Verhältnis zu einem Arbeitsgemisch (AG) zusammengeführt werden.device (12-14,16-20, 212,216,219) according to claim 12 or 13 , characterized in that the working medium (AM) and the heat medium (WM) before being fed to the first energy converter (25,26) in a mixing chamber (33) in a process-specific ratio to form a working mixture (AG) are brought together. Vorrichtung (15-20, 216,219) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Arbeitsmittel (52) und dem Wärmemedium (56) ein Gewichtsmedium (60) vom unteren auf das obere Niveau gehoben wird.Device (15-20, 216.219) according to one of Claims 11 until 14 , characterized in that in addition to the working medium (52) and the heating medium (56), a weight medium (60) is lifted from the lower to the upper level. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsmedium (60) nicht erwärmtes Wärmemedium oder nicht erwärmtes Arbeitsmittel oder ein Gemisch aus nicht erwärmtem Arbeitsmittel und nicht erwärmtem Wärmemedium ist.device after claim 15 , characterized in that the weight medium (60) is unheated heat medium or unheated working fluid or a mixture of unheated working fluid and unheated heat medium. Vorrichtung (11-20, 211,212,216,219) nach einem der Ansprüche 1116, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der ersten Energiewandler (25,26) nach einem der Ansprüche 2 bis 10 parallel angeordnet sind, welche die anderen aufgeführten Komponenten gemeinsam nutzen.Device (11-20, 211,212,216,219) according to one of Claims 11 16 , characterized in that several of the first energy converters (25,26) according to one of claims 2 until 10 are arranged in parallel, which the other listed components share. Vorrichtung (11-20, 211, 212, 216, 219) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren ersten Energiewandler (25,26) individuell zu- oder abgeschaltet werden können.device (11-20, 211, 212, 216, 219). Claim 17 , characterized in that the plurality of first energy converters (25, 26) can be switched on or off individually. Vorrichtung (11-20, 211, 212, 216, 219) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kontroll- und Regelungssystem aufweist, welches die Anzahl der zu- oder abgeschalteten ersten Energiewandler (25,26) steuert und an Veränderungen der Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle, der Kondensationstemperatur oder der verfügbaren Energiemenge der Niedertemperaturwärmequelle anpasst.device (11-20, 211, 212, 216, 219). Claim 18 , characterized in that it has a control and regulation system which controls the number of switched on or off first energy converters (25,26) and adapts it to changes in the temperature of the low-temperature heat source, the condensation temperature or the available amount of energy from the low-temperature heat source. Vorrichtung (11-20, 211,212,216,219) nach einem der vorgenannten Ansprüche 12-19, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kontroll- und Regelungssystem aufweist, welches die Menge des eingespeisten erwärmten Arbeitsmittels (52), des erwärmten Wärmemediums (56) und des Gewichtsmediums (60) reguliert und an Veränderungen der Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle, der Kondensationstemperatur oder der verfügbaren Energiemenge der Niedertemperaturwärmequelle anpasst.Device (11-20, 211,212,216,219) according to any of the above Claims 12 - 19 , characterized in that it has a control and regulation system which regulates the amount of the fed heated working medium (52), the heated heating medium (56) and the weight medium (60) and to changes in the temperature of the low-temperature heat source, the condensation temperature or the available Adjusts the amount of energy of the low-temperature heat source. Verfahren nach Anspruch 1 zur Umwandlung der thermischen Energie eines durch die thermische Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit einer Temperatur von maximal 200°C erwärmten Arbeitsmittels (52) und eines, durch die thermische Energie der Niedertemperaturwärmequelle auf die gleiche Temperatur erwärmten Wärmemediums (56) in potentielle Energie des Arbeitsmittels und des Wärmemediums umfassend die Schritte • Das warme, flüssige Arbeitsmittel (52) und das warme, flüssige Wärmemedium (56) werden in einen Energiewandler (25,26) gemäß einem der Ansprüche 2-10 eingebracht • Das warme, flüssige Arbeitsmittel und das warme, flüssige Wärmemedium werden als Arbeitsgemisch (AG) im ersten Energiewandler (25,26) in einem durch Kolben (170) räumlich abgegrenzten Arbeitsbereich (AB) geführt • Die Arbeitsbereiche (AB) mit dem warmen Arbeitsgemisch (59) werden im ersten Energiewandler (25,26) von einem unteren Niveau auf ein oberes Niveau gehoben, wobei das Anheben des Arbeitsgemisches auf das obere Niveau durch polytrope Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels (52) und des Wärmemediums (56) in Hubarbeit durch eine vollständige Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels (52) nach dem E-TLC-Prozess nach Anspruch 1 erfolgt.procedure after claim 1 for converting the thermal energy of a working fluid (52) heated by the thermal energy of a low-temperature heat source to a maximum temperature of 200°C and a heating medium (56) heated to the same temperature by the thermal energy of the low-temperature heat source into potential energy of the working fluid and of Heat medium comprising the steps • The warm, liquid working medium (52) and the warm, liquid heat medium (56) are in an energy converter (25,26) according to one of claims 2 - 10 introduced • The warm, liquid working medium and the warm, liquid heat medium are performed as a working mixture (AG) in the first energy converter (25,26) in a piston (170) spatially delimited work area (AB) • The work areas (AB) with the warm The working mixture (59) is raised from a lower level to an upper level in the first energy converter (25, 26), the working mixture being raised to the upper level by polytropic conversion of the thermal energy of the working medium (52) and the heat medium (56) into Lifting work by a complete flash evaporation of the working fluid (52) after the E-TLC process claim 1 he follows. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem erwärmten Arbeitsmittel (52) und Wärmemedium (56) ein nicht erwärmtes Gewichtsmedium (60) vom unteren auf das obere Niveau gehoben wird.procedure after Claim 21 , characterized in that in addition to the heated working medium (52) and heat medium (56), a non-heated weight medium (60) is lifted from the lower to the upper level. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsmedium (60) thermisch isoliert von dem erwärmten Arbeitsmittel (52) und dem erwärmten Wärmemedium (56) in durch Kolben (170) räumlich abgegrenzten Gewichtsbereichen (GB) auf das obere Niveau transportiert wird.procedure after Claim 22 , characterized in that the weight medium (60) is transported to the upper level, thermally insulated from the heated working medium (52) and the heated heat medium (56) in weight regions (GB) spatially delimited by pistons (170). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 21-23, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels (52) und des Wärmemediums (56) in potentielle Energie in dem ersten Energiewandler (25,26) in mindestens 10, bevorzugt mehr als 20 voneinander unabhängigen, einzelnen Arbeitsbereichen (AB) erfolgt.Method according to any of the above Claims 21 - 23 , characterized in that the thermal energy of the working medium (52) and the heat medium (56) is converted into potential energy in the first energy converter (25, 26) in at least 10, preferably more than 20, individual working areas (AB) that are independent of one another . Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 21-24, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels (52) und des Wärmemediums (56) in potentielle Energie im ersten Energiewandler kontinuierlich und stufenlos verläuft.Method according to any of the above Claims 21 - 24 , characterized in that the conversion of the thermal energy of the working medium (52) and the heat medium (56) into potential energy in the first energy converter runs continuously and steplessly. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 21-25, dadurch gekennzeichnet, dass eine selbsttätige Anpassung der p-V-Kennlinie des ersten Energiewandlers (25,26) nach Anspruch 2-10 an die p-V-Verdampfungskennlinie des verwendeten Arbeitsmittels erfolgt.Method according to any of the above Claims 21 - 25 , characterized in that an automatic adjustment of the PV characteristic of the first energy converter (25,26) after claim 2 - 10 to the pV evaporation characteristic of the working fluid used. Verfahren zur Umwandlung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit einer Temperatur von maximal 200°C in einem geschlossenen Kreislauf in technisch nutzbare mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung in mindestens den Schritten erfolgt: • die thermische Energie der Niedertemperaturwärmequelle wird in einem ersten Schritt in einem Verfahren nach den Ansprüchen 21-26 in potentielle Energie umgewandelt • Die potentielle Energie wird in einem zweiten Schritt in technisch nutzbare mechanische Energie umgewandelt.Method for converting the thermal energy of a low-temperature heat source with a maximum temperature of 200°C in a closed circuit into technically usable mechanical energy, characterized in that the conversion takes place in at least the following steps: • the thermal energy of the low-temperature heat source is in a first step in a procedure according to claims 21 - 26 converted into potential energy • In a second step, the potential energy is converted into technically usable mechanical energy. Verfahren (E-TLC2-Prozess) nach Anspruch 27 mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten: • Schritt a: Isobares Erwärmen eines unter Dosierdruck (pD) stehenden flüssigen Arbeitsmittels (51) und eines unter Dosierdruck (pD) stehenden flüssigen Wärmemedium (55) - die auch als Arbeitsgemisch (58) vorliegen können - aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels • Schritt b: Polytrope Umwandlung der aufgenommenen thermischen Energie nach Anspruch 1 in mindestens einem, bevorzugt mehreren ersten Energiewandler (25,26) gemäß Anspruch 2-10 in potentielle Energie des Arbeitsmittels und des Wärmemediums • Schritt c: Isobares Kondensieren des verdampften Arbeitsmittels (54) • Schritt d: Isotherme Umwandlung eines Teils der gewonnenen potentiellen Energie des Arbeitsmittels und des Wärmemediums - die auch als Arbeitsgemisch (58) vorliegen können -in mindestens einer zweiten Energiewandlungsvorrichtung (34) in technisch nutzbare mechanische Energie. Procedure (E-TLC2 process) according to Claim 27 with at least the following process steps: • Step a: Isobaric heating of a liquid working medium (51) under metering pressure (pD) and a liquid heating medium (55) under metering pressure (pD) - which can also be present as a working mixture (58) - from a Low-temperature heat source without evaporation of the working fluid • Step b: Polytropic conversion of the thermal energy absorbed claim 1 in at least one, preferably several first energy converters (25,26) according to claim 2 - 10 into potential energy of the working medium and the heating medium • Step c: Isobaric condensation of the vaporized working medium (54) • Step d: Isothermic conversion of part of the potential energy gained from the working medium and the heating medium - which can also be present as a working mixture (58) - into at least a second energy conversion device (34) into technically usable mechanical energy. Verfahren (mE-TLC2-Prozess) nach Anspruch 27 mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten: • Schritt a: Polytrope Umwandlung der thermischen Energie eines unter Dosierdruck stehenden erwärmten Arbeitsmittels (52) und eines unter Dosierdruck stehenden erwärmten Wärmemediums (56) - die auch als Arbeitsgemisch (58) vorliegen können - nach Anspruch 1 in mindestens einem, bevorzugt mehreren ersten Energiewandler (25,26) gemäß Anspruch 2-10 in potentielle Energie des Arbeitsmittels und des Wärmemediums • Schritt b: Isobares Kondensieren des verdampften Arbeitsmittels (54) • Schritt c: Isochores Erwärmen des flüssigen Arbeitsmittels (51) und des flüssigen Wärmemediums (55) - die auch als Arbeitsgemisch (58) vorliegen können - bei gleichzeitiger Druckerhöhung aus einer Niedertemperaturwärmequelle (31) ohne Verdampfung des Arbeitsmittels • Schritt d: Isotherme Umwandlung eines Teils der gewonnenen potentiellen Energie des Arbeitsmittels (52) und des Wärmemediums (56) in mindestens einem zweiten Energiewandler (34) in technisch nutzbare mechanische Energie ohne Verdampfung des Arbeitsmittels.Procedure (mE-TLC2 process) according to Claim 27 with at least the following process steps: • Step a: Polytropic conversion of the thermal energy of a heated working medium (52) under metering pressure and a heated heating medium (56) under metering pressure - which can also be present as a working mixture (58) - after claim 1 in at least one, preferably several first energy converters (25,26) according to claim 2 - 10 into potential energy of the working fluid and the heat medium • Step b: Isobaric condensation of the vaporized working fluid (54) • Step c: Isochoric heating of the liquid working fluid (51) and the liquid heat medium (55) - which can also be present as a working mixture (58) - with simultaneous increase in pressure from a low-temperature heat source (31) without evaporation of the working fluid • Step d: Isothermal conversion of part of the potential energy gained from the working fluid (52) and the heat medium (56) in at least one second energy converter (34) into technically usable mechanical energy without Evaporation of the working fluid. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 21-29, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Menge des erwärmten Arbeitsmittels (52), des erwärmten Wärmemediums (56) und ggf. des Gewichtsmediums (60) eine kontinuierliche Anpassung an Veränderungen der Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle erfolgt.Method according to any of the above Claims 21 - 29 , characterized in that by varying the amount of the heated working medium (52), the heated heat medium (56) and optionally the weight medium (60) there is a continuous adaptation to changes in the temperature of the low-temperature heat source. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 21-30, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Menge des erwärmten Arbeitsmittels (52), des erwärmten Wärmemediums (56) und ggf. des Gewichtsmediums (60) eine kontinuierliche Anpassung an Veränderungen der Kondensationstemperatur erfolgt.Method according to any of the above Claims 21 - 30 , characterized in that by varying the amount of the heated working medium (52), the heated heat medium (56) and optionally the weight medium (60) there is a continuous adjustment to changes in the condensation temperature. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 21-31, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Menge des erwärmten Arbeitsmittels (52), des erwärmten Wärmemediums (56) und ggf. des Gewichtsmediums (60) eine kontinuierliche Anpassung an Veränderungen der verfügbaren Energiemenge der Niedertemperaturwärmequelle erfolgt.Method according to any of the above Claims 21 - 31 , characterized in that by varying the amount of the heated working medium (52), the heated heat medium (56) and optionally the weight medium (60) there is a continuous adjustment to changes in the available amount of energy of the low-temperature heat source.
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