DE10221145A1

DE10221145A1 - Thermal power engine for electricity generation and operating process, has internal heat sink based on the state of aggregation of a fluid

Info

Publication number: DE10221145A1
Application number: DE2002121145
Authority: DE
Inventors: Juergen Uehlin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-11
Filing date: 2002-05-11
Publication date: 2003-11-20

Abstract

A process for operating a thermal power engine has the required heat sink produced by changing the state of aggregation of the cycling fluid itself. An Independent claim is also included for a process and device as above in which a gas liquefaction unit is used to provide the heat sink.

Description

Eine wichtige Aufgabe im Rahmen des Umweltschutzes ist die Reduzierung der Wärmebelastung von Gewässern. Bis heute werden fast alle großen Kraftwerke (alle Atomkraftwerke) Stahlwerke und Chemieanlagen an Flüssen gebaut um kostengünstig Kühlwasser nutzen zu können Zusätzlich kommen riesige Kühltürme zum Einsatz. An important task in the context of environmental protection is to reduce the heat load of water. To date, almost all large power plants (all nuclear power plants) are steel plants and chemical plants on rivers to be able to use cooling water at low cost In addition, huge cooling towers are used.

Mit der vorgeschlagenen Erfindung wird aus dieser problematischen Altlast in Zukunft eine Ressource die in ihrem Wert noch gar nicht bezifferbar ist. Die Energiereserven die sich dadurch erschließen lassen übertreffen die bekannten fossilen Lager um ein vielfaches. Die Schiffahrt könnte in Zukunft ihre Antriebsenergie zum Nulltarif direkt aus dem Wasser beziehen (bei den modernen doppelwandigen Schiffen und bei U-Booten kann die Außenwand als Wärmetauscher benutzt werden) Wasserkraftwerke können damit dem Wasser zusätzlich zur kinetischen Energie auch noch thermische Energie entziehen (die geothermische Konstante beträgt etwa 50 Watt/m²) Würden an den Küsten derartige thermische Kraftwerke installiert, könnte weltweit die gesamte Energieversorgung damit gedeckt werden. Zukünftig werden Eisbahnen, Kühl- und Kälteanlagen und vor allem die energiehungrigen Klimaanlagen zu Kraftwerken die nicht nur sich selbst versorgen, sondern auch Strom im Überfluß produzieren. Auch in Kraftfahrzeugen könnten entsprechende Aggregate in Zukunft vor allem in den Parkzeiten Strom produzieren mit dem (Fahr)- Batterien geladen oder elektrolytisch Wasserstoff als umweltfreundlicher Treibstoff hergestellt wird, wobei die Fahrzeugoberseite als Wärmequelle genutzt werden könnte. Im Fahrbetrieb würde der heutige Kühler samt Abgassystem als weitere Wärmequelle zur Verfügung stehen. With the proposed invention, this problematic legacy will in future become a resource whose value is not yet quantifiable. The energy reserves that can be tapped thereby far exceed the known fossil deposits. In the future, shipping could get its drive energy directly from the water at no cost (in modern double-walled ships and submarines, the outer wall can be used as a heat exchanger). In addition to kinetic energy, hydroelectric power plants can also extract thermal energy from water (geothermal Constant is about 50 watts / m ² ) If such thermal power plants were installed on the coasts, the entire energy supply could be covered worldwide. In the future, ice rinks, cooling and cooling systems, and above all the energy-hungry air conditioning systems will become power plants that not only supply themselves, but also produce electricity in abundance. Corresponding units in future could also produce electricity in motor vehicles, particularly during parking periods, with which (driving) batteries are charged or hydrogen is produced electrolytically as an environmentally friendly fuel, whereby the top of the vehicle could be used as a heat source. When driving, today's cooler and exhaust system would be available as an additional heat source.

Um in einem Kreisprozess eine Wärmekraftmaschine betreiben zu können benötigt man eine Wärmequelle und eine Wärmesenke. Am Ort der Wärmequelle wird thermische Energie an einen Wärmeträger übertragen. In der Wärmesenke wird der Wärmeträger auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt. Der sogenannte Carnot-Prozess beschreibt die physikalischen Gesetze dieses Kreisprozesses und die Bedingungen damit er funktioniert. Daraus ergibt sich die Forderung nach einer möglichst großen Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke. Bei Wärmequellen mit niederen Temperaturen ist es oft problematisch eine passende Wärmesenke zu finden. Zusätzlich wird durch die Wärmesenke ein erheblicher Teil der Wärmeenergie ungenutzt aus dem Kreislauf entfernt. Dieses Verfahren ist leistungssenkend und wirkungsgradverschlechternd. In order to operate a heat engine in a cycle, you need one Heat source and a heat sink. Thermal energy is transferred to you at the location of the heat source Transfer heat transfer medium. In the heat sink, the heat transfer medium is reduced Temperature cooled. The so-called Carnot process describes the physical laws of this Cycle and the conditions for it to work. Hence the demand for the largest possible temperature difference between the heat source and the heat sink. For heat sources with low temperatures, it is often problematic to find a suitable heat sink to find. In addition, a significant part of the heat energy is generated by the heat sink removed from the circuit unused. This procedure is performance-reducing and wirkungsgradverschlechternd.

Zur Verbesserung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß die Wärmesenke intern im bzw. durch das Aggregat selbst hergestellt werden soll. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß ein Wärmeträgerfluid, z. B. CO₂, Stickstoff, Sauerstoff, Luft, Flüssiggase wie Butan, Propan oder Gasgemische oder Kälteflüssigkeiten (Rxx), etc., in einem separaten Kreislauf zum Beispiel nach dem Linde-Verfahren komprimiert und kondensiert wird. Die bei der Entspannung des verdichteten Gases entstehenden tiefen Temperaturen bilden die interne Wärmesenke. Die Kühlung des Gases nach dem Verdichtungsvorgang bewirkt die Wärmequelle. Dadurch bleibt die gesamte Energie innerhalb des Systems. Je nach verwendetem Wärmeträgerfluid kann auch bei relativ kalten Wärmequellen von z. B. 0°-20°C noch eine hohe Temperaturdifferenz von weit mehr als 100°C zwischen Wärmequelle und Wärmesenke erreicht werden. Vorzugsweise wird die Entspannung des verdichteten Gases in einer Expansionsmaschine durchgeführt. Das kann auch eine Turbine sein. Damit wird ein großer Teil der Verdichtungsarbeit zurückgewonnen. Die Expansionsmaschine kann beispielsweise einen Generator antreiben oder und den Verdichter. To improve the method, it is proposed that the heat sink should be produced internally in or by the unit itself. According to the invention, this is done in that a heat transfer fluid, for. B. CO ₂ , nitrogen, oxygen, air, liquid gases such as butane, propane or gas mixtures or refrigerants (Rxx), etc., is compressed and condensed in a separate circuit, for example according to the Linde process. The low temperatures that arise during the expansion of the compressed gas form the internal heat sink. The cooling of the gas after the compression process causes the heat source. This keeps all of the energy within the system. Depending on the heat transfer fluid used, even with relatively cold heat sources such. B. 0 ° -20 ° C still a high temperature difference of far more than 100 ° C between the heat source and heat sink can be achieved. The expansion of the compressed gas is preferably carried out in an expansion machine. It can also be a turbine. A large part of the compaction work is thus recovered. The expansion machine can, for example, drive a generator or and the compressor.

Des weiteren läßt sich mit einer derartig konfigurierten Anlage wahlweise mechanische Energie, Elektrizität und/oder Wärme produzieren. Die Hilfseinrichtungen, z. B. Umwälzpumpe für das primäre Wärmeträgerfluid, Solepumpe, Speisepumpe, etc. werden vorzugsweise elektrisch angetrieben, können aber auch mechanisch gekoppelt sein. Furthermore, with a system configured in this way, mechanical energy, Produce electricity and / or heat. The auxiliary devices, e.g. B. Circulation pump for that primary heat transfer fluid, brine pump, feed pump, etc. are preferably electrical driven, but can also be mechanically coupled.

Die Anpassung der Gerätekonfiguration an die spezifischen Betriebsbedingungen hat unter anderem den Vorteil der einfachen Dimensionierung und der Reduzierung von Bauteilen. The adaptation of the device configuration to the specific operating conditions has under another advantage of simple dimensioning and the reduction of components.

Werden entsprechende Steuer- oder Regelsysteme verwendet kann das Verhalten (Druck, Drehzahl, Temperatur, Ausgangsleistung, Spannung, Frequenz, Leistungsverteilung, etc.) des Aggregates bzw. der Komponenten beeinflußt werden. If appropriate control or regulating systems are used, the behavior (pressure, Speed, temperature, output power, voltage, frequency, power distribution, etc.) des Aggregates or the components are affected.

Zeichnung 1 zeigt das Funktionsschaubild eines möglichen Ausführungsbeispieles. Drawing 1 shows the functional diagram of a possible embodiment.

Fig. 1 zeigt den Verdampfer/Wärmetauscher in dem die Kreisläufe beginnen. Das gasförmige Fluid strömt aus dem Verdampfer/Wärmetauscher (Fig. 1) in die Expansionsmaschine (Fig. 4) In der Expansionsmaschine gibt das Gas durch Arbeit Energie ab und seine Temperatur sinkt. Nach verlassen der Expansionsmaschine wird das Gas, soweit das nicht schon vorher geschehen ist, im Kondensator (Fig. 6) verflüssigt. Die Speisepumpe (Fig. 7) fördert das Fluid wieder in den Verdampfer/Wärmetauscher (Fig. 1) zurück. Der zweite Kreislauf beginnt im Kondensator/Verdampfer (Fig. 6). Das gasförmige Fluid strömt aus dem Kondensator/Verdampfer (Fig. 6) in den von der Expansionsmaschine (Fig. 4) angetriebenen Verdichter (Fig. 2) wo es auf einen höheren Druck und damit gleichzeitig auf eine höhere Temperatur gebracht wird. Im Verdampfer/Wärmetauscher (Fig. 1) wird die Wärme an den ersten Kreislauf abgegeben und dabei das Gas gekühlt. Von hier strömt es in die nächste Verdichterstufe (Fig. 3) und danach wieder in den Verdampfer/Wärmetauscher (Fig. 1). Je nach Gasart und gewünschtem Enddruck können beliebig viele Stufen aneinander gereiht werden. Das verdichtete und gekühlte Gas strömt weiter in den Kondensator/Verdampfer wo es durch eine Blende oder weitere Expansionsmaschine entspannt wird und dabei mit Temperaturverlust kondensiert. Die Expansionsmaschine (Fig. 7) treibt die Verdichter an. Fig. 1 shows the evaporator / heat exchanger in which the cycles begin. The gaseous fluid flows from the evaporator / heat exchanger ( FIG. 1) into the expansion machine ( FIG. 4). In the expansion machine, the gas releases energy through work and its temperature drops. After leaving the expansion machine, the gas is liquefied in the condenser ( FIG. 6), if this has not already happened before. The feed pump ( Fig. 7) feeds the fluid back into the evaporator / heat exchanger ( Fig. 1). The second cycle begins in the condenser / evaporator ( Fig. 6). The gaseous fluid flows from the condenser / evaporator ( FIG. 6) into the compressor ( FIG. 2) driven by the expansion machine ( FIG. 4) where it is brought to a higher pressure and thus to a higher temperature. In the evaporator / heat exchanger ( Fig. 1) the heat is given off to the first circuit and the gas is cooled. From here it flows into the next compressor stage ( Fig. 3) and then back into the evaporator / heat exchanger ( Fig. 1). Depending on the type of gas and the desired final pressure, any number of stages can be strung together. The compressed and cooled gas flows further into the condenser / evaporator where it is expanded through an orifice plate or another expansion machine and condenses with a loss of temperature. The expansion machine ( Fig. 7) drives the compressors.

Bei Bedarf kann über den ebenfalls von der Expansionsmaschine angetriebenen Generator Elektrizität produziert werden. If necessary, the generator can also be driven by the expansion machine Electricity are produced.

Mit den bei Wärmekraft- und Kältemaschinen üblichen Zusatzaggregaten, Steuer- und Regelsystemen lassen sich bei Bedarf auch die Betriebsbedingungen der vorgeschlagenen Vorrichtung beeinflussen. With the additional units, control and Control systems can also be used if necessary, the operating conditions of the proposed device influence.

Claims

1. A method for operating a heat engine, characterized in that the heat sink required for operation is produced by the unit itself.

2, method / device for operating a heat engine, characterized, that a gas liquefaction device is used to manufacture the heat sink.

3. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the gas liquefaction device is at least partially thermally in the Heat engine is integrated.

4. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the heat sink is at least partially due to the evaporation of refrigerant will be produced.

5. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the heat sink is at least partially evaporation of Heat transfer fluid is produced

6. Verfuhren / device according to one of the preceding claims, characterized in that the waste heat generated in the gas liquefaction circuit at least partially in the Heat engine is used.

7. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that several circuits are operated side by side.

8. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the thermal engine is an expansion machine.

9. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the expansion machine drives a generator.

10. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the expansion machine offers a take-off point for mechanical energy.

11. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the functions of the unit can be influenced by control devices.

12. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the functions of the auxiliary devices can be influenced by control devices.

13. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that it is used in a vehicle.

14. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the vehicle is a watercraft.

15. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the vehicle is a track-bound vehicle.

16. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the vehicle is a surface-bound vehicle.

17. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the vehicle is an aircraft.

18. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the vehicle is a spacecraft.

19. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that at least part of the (heat) energy is used to drive it.

20. The method / device according to one of the preceding claims, characterized in that that the gas expansion is effected by at least one expansion machine.