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
Im TLC-Prozess nach Smith (siehe
- - 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)
- - 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)
Die technische Herausforderung des TLC-Prozesses liegt in der Umsetzung der Teilverdampfung als erzwungene Entspannungsverdampfung mit einer senkrecht fallenden Verdampfungskurve (siehe
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
- • 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
Bekannt sind verschiedene Vorrichtungen zur Umsetzung der Entspannungsverdampfung eines TLC-Prozesses:
- •
US 3 169 375 A - •
US 4 557 112 A - •
US 7 093 503 B1 DE 10 2007 041 457 A1 - •
WO 2007/ 115 769 A2
- •
U.S. 3,169,375 A - •
U.S. 4,557,112 A - •
U.S. 7,093,503 B1 DE 10 2007 041 457 A1 - •
WO 2007/115 769 A2
Weiterhin bekannt sind:
- •
DE 34 20 293 A1 - •
US 2012 / 0 112 473 A1 - •
GB 280 926 A
- •
DE 34 20 293 A1 - •
U.S. 2012/0 112 473 A1 - •
GB 280 926 A
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
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
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
- • 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 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
- • 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
- • 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.
- - 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
Der neuartige E-TLC-ProzessThe new E-TLC process
Wesentliche Merkmale des neuartigen E-TLC-Prozesses (siehe
- • 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)
- • 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)
Gesamtsystem mit zweimaliger Energiewandlung (E-TLC2-Prozess)Overall system with double energy conversion (E-TLC2 process)
Kernkomponente des Gesamtsystems 11 nach
In
Das am Punkt 2 (
Im ersten Energiewandler 25 zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie wird der Schritt der Entspannungsverdampfung (siehe
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
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
In
That at point 2 (
In the
The working medium raised and completely evaporated by the
The heat medium that remains liquid is also collected and returned to the lower level while mechanical work is performed in the
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
Der erste EnergiewandlerThe first energy converter
Die physikalische und technische Grundlage für den ersten Energiewandlers 25 (siehe
Eine Vielzahl dieser durch Kolben 170 getrennter Arbeitsbereiche sind übereinander in einem aufwärts gerichtetem Rohr angeordnet (siehe
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
A plurality of these working areas, separated by
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
Durch Zuführung neuer Arbeitsbereiche (siehe
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
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
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
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
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
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
In
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
In
The result of the optimization is only a one-piece
Weiterentwicklung des ersten EnergiewandlersFurther development of the first energy converter
Das in
Es können dadurch Höhen von mehreren hundert Meter bis über 1000 Meter erforderlich werden.
Dies kann gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des ersten Energiewandlers (siehe
Das Gewichtsmedium bewirkt - bei ansonsten gleichen Abläufen wie zu
In
Der in
Die thermodynamischen Abläufe des E-TLC2-Prozesses nach
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
The weight medium causes - with otherwise the same processes as above
In
the inside
The thermodynamic processes of the
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
Eine Variation der Menge des Arbeitsgemisches (Wärmemedium und Arbeitsmittel) bzw. des Gewichtsmediums ermöglicht eine leichte Regelung des Gesamtsystems.The reduced pressure difference between
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
Dies kann durch die Nutzung von Arbeitsgemisch als Gewichtsmedium wie in
This can be achieved by using working mixture as a weight medium as in
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
Steht die weitere Verringerung der Höhe der Gesamtsystems im Vordergrund, ist, wie in
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
If the focus is on further reducing the height of the overall system, as in
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
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
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
- • 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 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 Technik1 - Thermodynamics of the prior art TLC process -
2 - Prinzipaufbau eines Systems zur Nutzung des TLC-Prozesses nach dem Stand der Technik2 - Basic structure of a system for using the TLC process according to the state of the art -
3 - Thermodynamik des neuartigen E-TLC-Prozesses3 - Thermodynamics of the novel E-TLC process -
4 - Thermodynamik des neuartigen E-TLC2-Prozesses4 - Thermodynamics of the novel E-TLC2 process -
5 - Darstellung Gesamtsystem 11 nach dem E-TLC2-Prozess5 - Representation of theentire system 11 after the E-TLC2 process -
6 - Funktionsprinzip erster Energiewandler 256 - Functional principle of thefirst energy converter 25 -
7 - Darstellung optimiertes Gesamtsystem 12 mit Mischkammer 337 - Representation of optimizedoverall system 12 with mixingchamber 33 -
8 - Darstellung Gesamtsystem 13 mit ersten Energiewandler 25 bei reduzierter Höhe8th - Representation of theentire system 13 with thefirst energy converter 25 at a reduced height -
9 - Darstellung Gesamtsystem 14 mit reduzierter Höhe und Druckerhöhungspumpe 359 - Representation of theentire system 14 with a reduced height andbooster pump 35 -
10 - Funktionsprinzip weiterentwickelter erster Energiewandler 2610 - Functional principle of further developedfirst energy converter 26 -
11 - Darstellung Gesamtsystem 15 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 2611 - Representation of theentire system 15 with a further developedfirst energy converter 26 -
12 - Darstellung Gesamtsystem 16 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Mischkammer 3312 - Representation of theentire system 16 with a further developedfirst energy converter 26 and mixingchamber 33 -
13 - Darstellung Gesamtsystem 17 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch als Gewichtsmedium13 - Representation of theoverall system 17 with a further developedfirst energy converter 26 and working mixture as the weight medium -
14 - Darstellung Gesamtsystem 18 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 bei reduzierter Höhe14 - Representation of theentire system 18 with a further developedfirst energy converter 26 at a reduced height -
15 - Darstellung Gesamtsystem 19 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Mischkammer 33 bei reduzierter Höhe15 - Representation of theentire system 19 with a further developedfirst energy converter 26 and mixingchamber 33 at a reduced height -
16 - Darstellung Gesamtsystem 20 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Druckerhöhungspumpe 35 bei reduzierter Höhe16 - Representation of theoverall system 20 with a further developedfirst energy converter 26 andpressure booster pump 35 at a reduced height -
17 - Darstellung Gesamtsystem 12 mit mehreren parallelen ersten Energiewandlern 2517 - Representation of theoverall system 12 with several parallelfirst energy converters 25 -
18 - Thermodynamik des modifizierten mE-TLC2-Prozesses18 - Thermodynamics of the modified mE-TLC2 process -
19 - Darstellung Gesamtsystem 211 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 2519 - Representation of theentire system 211 after the mE-TLC2 process with thefirst energy converter 25 -
20 - Darstellung Gesamtsystem 212 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 25 und Arbeitsgemisch20 - Representation of theoverall system 212 after the mE-TLC2 process with thefirst energy converter 25 and working mixture -
21 - Darstellung Gesamtsystem 216 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch21 - Representation of theentire system 216 after the mE-TLC2 process with thefirst energy converter 26 and working mixture -
22 - Darstellung Gesamtsystem 219 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch bei reduzierter Höhe22 - Representation of theentire system 219 after the mE-TLC2 process with thefirst energy converter 26 and working mixture at a reduced height -
23 - Darstellung erster Energiewandler 2523 - Representation of thefirst energy converter 25 -
24 - Darstellung erste Energiewandler 25 mit Zuführung Arbeitsgemisch24 - Representation of thefirst energy converter 25 with the supply of the working mixture -
25 - Darstellung weiterentwickelter erster Energiewandler 2625 - Representation of further developedfirst energy converter 26 -
26 - Darstellung weiterentwickelter erster Energiewandler 26 mit Zuführung Arbeitsgemisch26 - Representation of further developedfirst energy converter 26 with supply of working mixture -
27 - Darstellung der Variation möglicher Betriebszustände der ersten Energiewandler 25 und 26 im T-S-Diagramm27 - Representation of the variation of possible operating states of the 25 and 26 in the TS diagramfirst energy converters -
28 - Darstellung möglicher Gestaltungsvarianten des Rohrsystems auf dem unteren bzw. oberen Niveau28 - 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
- • 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
- 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 andadditional 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 andadditional 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
- 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
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
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
Das Arbeitsmittel durchläuft damit eine polytrope Entspannungsverdampfung (vgl.
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.
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 (
Auf Unterschiede wird im Text eingegangen. Die Beschreibung der thermodynamischen Schritte folgt dabei dem Verlauf des E-TLC2-Prozesses nach
Die Gesamtsysteme 12 (
Zum besseren Verständnis sind in den
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 (
Differences are discussed in the text. The description of the thermodynamic steps follows the course of the
The overall systems 12 (
For a better understanding are in the
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 (
Die erfindungsgemäßen Gesamtsysteme 11-14 (
- •
Einem Wärmetauscher 31 zur Erwärmung des unterDruck 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 desArbeitsmittels 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
- • A
heat exchanger 31 for heating the pressurized workingmedium 52, theheat medium 55 or the workingmixture 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 workingmedium 51, theheat medium 55 or the workingmixture 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 workingmixture 58
Die erfindungsgemäßen weiterentwickelten Gesamtsysteme 15-20 (
- •
Einem Wärmetauscher 31 zur Erwärmung des unterDruck 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 zurZuführung von Gewichtsmedium 60 zum weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 - • Zusätzlich weisen die Gesamtsysteme 16-20
eine Mischkammer 33 zur Herstellung eines Arbeitsgemisches 58 auf
- • A
heat exchanger 31 for heating the pressurized workingmedium 51, theheating medium 55 or the workingmixture 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 feedingweight medium 60 to the further developedfirst energy converter 26 - • In addition, the overall systems 16-20 have a mixing
chamber 33 for producing a workingmixture 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
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
- • 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
- • 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 25 or 26 into potential energyfirst energy converter - • 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 thesecond energy converter 34 in technically usable mechanical energy
Thermodynamischer Punkt 2
Startpunkt des Energieumwandlungsprozesses ist Punkt 2 des E-TLC2-Prozesses (siehe
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
The cold
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 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 (
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
In the advanced overall systems 15-20 (
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"
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 (
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
the E-TLC or E-TLC2 process (
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 5
Im oberen Bereich der ersten Energiewandler 25,26 ist das Arbeitsmittel entsprechend dem E-TLC bzw. E-TLC2-Prozess (
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
The
The vaporized and cooled working
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
Thermodynamischer Punkt 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 (
Ggf. entstandene, nicht kondensierbare Gase werden hier abgesaugt.After leaving the
Any non-condensable gases that have formed are extracted here.
Thermodynamischer Punkt 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 (
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
The
Depending on the design of the overall system 11-20, the working
In the
Thermodynamischer Punkt 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 (
In den Gesamtsystemen 12-14 (
In
In total systems 12-14 (
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
These systems are characterized by a reduced overall height between the
The pressure difference between
Thermodynamischer Punkt 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
This residual pressure is so high that the working
The
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
Beim Vergleich der p-V-Diagramme des Gesamtsystems 11 (
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 (
With the same amount of thermal energy supplied, however, the same amount of technically usable energy is always generated in the
Leistungssteigerungperformance increase
Zur Steigerung der Leistung der Gesamtsysteme 11 bis 20 können mehrere erste Energiewandler 25 (siehe exemplarisch
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
A corresponding adjustment of the performance of the shared
By switching off individual
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
The range of use of the
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
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
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
In
The overall systems are modified further developments of the
The common feature of the modified
After the warm working medium or working mixture has exited the
The heated working medium, heat medium or working mixture is then fed directly to the
In the
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
In the
In
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
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 25 or 26 into potential energyfirst energy converter - • 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 thesecond energy converter 34 in technically usable mechanical energy
Der Punkt 2 des ursprünglichen E-TLC2-Prozesses nach
Der thermodynamische Ablauf des mE-TLC2-Prozesses stellt sich im Vergleich zum E-TLC2-Prozess nach
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
The thermodynamic course of the mE-TLC2 process is compared to the
This is different in the TS diagram, where the
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
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
Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des ersten Energiewandlers 25 (
Der erfindungsgemäße erste Energiewandler 25 (
- • 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 zumEinbringen 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
- • A closed, upward-pointing pipe system with an
ascent pipe 130 and adescent pipe 160 connected by alower elbow 110 and anupper 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 introducingheating 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 workingmedium 54
Der weiterentwickelte erste Energiewandler 26 (
- • einer erweiterten Einbringvorrichtung 122 auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum zusätzlichen Einbringen eines Gewichtsmedium 60
- • an
extended introduction device 122 on the lower level of the pipe system for the additional introduction of aweight 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
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 (
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 (
Bei den Gesamtsystemen nach
Zusätzlich wird in der Einbringvorrichtung 122 (
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
From the
The pressure pK is greater than the maximum working pressure pA generated by the areas in the
The
In the
For the
In addition, in the delivery device 122 (
The amount of media supplied and the time of introduction are controlled by
The
The targeted control of the introduction allows the further developed
Grundsätzlich ist es nicht notwendig, für den weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (
Mögliche Gründe sind z.B.:
- • Leichteres und sichereres Einbringen der Medien
- • Bessere Steuerungsmöglichkeiten des Energiewandlers
- • Messtechnische Aufgaben
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
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
With a sufficiently large increase in volume, this leads to the escape of cold
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
Am Ende des Aufstiegs
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
At the end of the ascent, the working
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
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
The remaining
The working
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
The
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
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
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
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
In
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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) DieKondensationslinie von Punkt 5 zuPunkt 1 ist nach oben verschoben. DieEntspannungskurve von Punkt 3 zuPunkt 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.
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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 frompoint 5 topoint 1 is shifted upwards. The relaxation curve frompoint 3 topoint 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 2 and 3, more or less thermal energy can be converted than under basic operating conditions.points
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
An execution of the lower and upper section of the circulating pipe system as a horizontal zone with constant pressure (examples see
Prozessbeispieleprocess examples
Wie in Tabelle 1 exemplarisch aufgeführt, sind mit dem Gesamtsystem 11 oder 15 (
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
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
Bei derart geringen Temperaturunterschieden sollte bevorzugt das Gesamtsystem 17 nach
Der erfindungsgemäße Einsatz des weiterentwickelten Energiewandlers 26 nach
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
Ein Einsatz eines Gesamtsystem 17 (
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
As can be seen from the values for
A use of a complete system 17 (
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
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
Also listed is the number of work zones where the work fluid goes through the flash evaporation curve from
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