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Die
Erfindung betrifft Umweltwärmekraftwerke.
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In
der
DE 43 04 688 A1 (Niedertemperatur-Wärmekraftmaschine,
Niedertemperaturmotor, Fahrzeuge und Arbeitsmaschinen mit Niedertemperaturmotor)
wird ein Niedertemperaturmotor beschrieben, der die Wärmeenergie
auch auf einem niedrigen Temperaturniveau so umsetzt, dass nutzbare
mechanische Energie gewonnen wird. Dabei wird ein geschlossener
Kreislauf eines Energieträgers
als Kältemittel
oder Gas zur Gewinnung der mechanischen Energie genutzt. Der Kreislauf
selbst besteht im Wesentlichen aus einem Sammler, einer Pumpe, einem
Wärmetauscher
und einer Entspannungsmachine. Berücksichtigt wurde nur ein kontinuierlicher
Betrieb dieses Niedertemperaturmotors.
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Ein
weiterer Niedertemperaturmotor ist durch die
DE 195 24 171 A1 (Niedertemperaturmotor NTM,
Tieftemperaturmotor TTM bzw. Kältekraftmaschine
KKM) bekannt. Ein flüssiges
Gas wird dabei über
einem geschlossenen Kreislauf, bestehend aus einer Pumpe, einem
Verdampfer, einer Entspannungsmaschine und einem Flüssigkeitssammler
geführt.
Eine separate Fördermenge
wird nach der Pumpe über
einen Bypass als Hochdruckkreislauf zum Flüssigkeitssammler geführt. Grundlage
zum Betrieb eines Wärmekraftwerks
ist, dass die Temperatur der zu verwendenden Energiemenge höher als die
Verdampfungstemperatur des eingesetzten Arbeitsmediums ist, um einen
Energiestrom zu erreichen. Die erforderliche Absenkung der Fluidtemperatur
erfolgt durch Entspannung im großen Kreislauf an der Entspannungsmaschine
und im kleinen Kreislauf beginnend beim Flüssigkeitssammler über Saugleitung,
Pumpe, Bypass und Bypass-Ventil zurück zum Flüssigkeitssammler. Bei dem vorbeschriebenen Kreislauf
besteht zwar eine Druckdifferenz und damit ein Kreislauf zwischen
Flüssigkeitssammler,
Bypass-Ventil und Flüssigkeitssammler
durch die Pumpe, aber die Frage nach dem Abtransport der überschüssigen Energie
im Fluid zwecks Widerverflüssigung
und Erzeugung einer niedrigeren Temperatur für den Start und zur Aufrechterhaltung
des Kraftwerksprozesses ist nicht Gegenstand dieser Druckschrift.
Allein der Energieeintrag durch die Pumpe bewirkt ein Steigen der
Fluidtemperatur.
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Der
im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die Energie eines Umgebungsmediums zur Erzeugung von nutzbarer Energie
einzusetzen.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die
Umweltwärmekraftwerke
zeichnen sich dadurch aus, dass die Energie eines Umgebungsmediums
zur Erzeugung von nutzbarer Energie vorzugsweise in Form von elektrischer
Energie eingesetzt wird. Umweltwärme
ist dabei Umgebungswärme,
Erdwärme,
Wärme aus
Wärmepumpenprozessen
und Wärme
aus thermischen Kollektoren. Dazu besitzen die Umweltwärmekraftwerke
wenigstens zwei Kreisläufe
für ein
Kältemittel
oder einen Stoff, dessen Kondensationstemperatur kleiner als die
zu nutzende Temperatur ist.
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Um
einen Energiestrom aus der Energie des Umgebungsmediums an einem
Wärmetauscher
des Umweltwärmekraftwerkes
zu erreichen, muss die Temperatur des Wärmetauschers und das durch
diesen gepumpte Kältemittel
oder durch diesen gepumpte Stoff eine hinreichende Temperaturdifferenz zu
der Temperatur des äußeren Umgebungsmediums,
aus dem die Energie gewonnen werden soll, aufweisen.
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Die
Abkühlung
des Kältemittels
oder des Stoffes im Umweltwärmekraftwerk
erfolgt anfangs über
einen Kühler
in einem Kondensator vorteilhafterweise mittels eines Saugverdichters
oder eines Absorptionskälteerzeugers.
Wie im Kühlschrankkreislauf
wird das Kältemittel
oder der Stoff unter Druckabsenkung angesaugt. Diese Druckabsenkung verschiebt
das druckabhängige
Gleichgewicht von der Flüssigphase
zu der Gas- oder Dampfphase des Kältemittels oder Stoffes so,
dass der flüssige
Teil des Kältemittels
oder Stoffes verdampft. Dieser Prozess der Phasenänderung
benötigt
Energie, die dem Umfeld, und wenn von dort nicht nachfließend, der
inneren Energie des flüssigen
Kältemittels
oder Stoffes entzogen wird. Das flüssige Kältemittel oder der flüssige Stoff
verdampft unter Entzug von Wärmeenergie damit
so lange, bis bei niedriger Temperatur das Gleichgewicht zwischen
dem Dampfdruck der Flüssigkeit
und dem statischen Druck der Gasphase wieder hergestellt ist.
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Die
mit einer Druckabsenkung verbundene Phasenänderung von flüssig zu
gasförmig
oder der Dampfphase benötigt
immer Energie, während
eine Druckerhöhung
immer thermische Energie freisetzt. Wird die thermische Energie
nicht abgeführt,
erhöht sich
die Enthalpie.
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Vorteilhafterweise
ist es durch das Wirkprinzip von entweder Saugverdichter oder Absorptionskälteerzeuger
und Kühler
daher möglich,
die thermische Energie im Kondensator zu Gunsten der Kondensatbildung
und zu Gunsten einer niedrigen Temperatur des flüssigen Kältemittels oder Stoffes hinreichend
zu senken.
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Ein
dritter Kreislauf gebildet aus dem Kondensator, der Speisepumpe,
dem Saugverdichter oder dem Absorptionskälteerzeuger, der Mischkammer,
der Entspannungsmaschine und dem Vorverdichter erhöht den Wirkungsgrad
des Umweltwärmekraftwerkes.
Dabei wird die durch den Betrieb der Speisepumpe freigesetzte Energie über eine
Erhöhung
der Temperatur des Kältemittels
oder des Stoffes vor, im oder nach dem Saugverdichter oder Absorptionskälteerzeuger
zur Erzeugung elektrischer Energie zusätzlich mitbenutzt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis
11 angegeben.
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Mit
einer räumlichen
Trennung des ersten Kreislaufs und des zweiten Kreislaufs und/oder
dritten Kreislaufs nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2
können
unterschiedliche Kältemittel
oder Stoffe zum Einsatz kommen. Das kann je nach den Umgebungsbedingungen
zu einem sicheren Start und einer Verbesserung des Wirkungsgrades
des Umweltwärmekraftwerkes
genutzt werden.
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Mit
der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ist in die Kreisläufe ein
Generator integriert, so dass die im Generator freiwerdende thermische
Energie unmittelbar dem Gas vor der Entspannungsmaschine zugeführt werden
kann.
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Vorteilhafterweise
wird die im Generator durch Verluste erzeugte und anfallende thermische Energie
nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 zur Erwärmung und
damit zur Volumenänderung
des Kältemittels
oder Stoffes im Umweltwärmekraftwerk
mit benutzt. Der Wirkungsgrad des Umweltwärmekraftwerkes steigt.
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Die
Energie zum Betrieb des Absorptionskälteerzeugers wird nach der
Weiterbildung des Patentanspruchs 5 vorteilhafterweise aus dem Wärmetauscher
und/oder dem Generator gewonnen, so dass damit ein weiterer in sich
geschlossener Kreislauf in dem Umweltwärmekraftwerk vorhanden ist.
Eine externe Energiezufuhr ist dann nicht mehr erforderlich.
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Der
Kühler
im Kondensator dient nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
6 vorteilhafterweise der Kühlung
sowohl des gasförmigen
Kühlmittels
oder Stoffes aus dem Vorverdichter als auch des Kondensats des Kühlmittels
oder Stoffes im Kondensator. Damit wird sichergestellt, dass das
Kondensat sicher im flüssigen
Zustand oder in einer Dampfphase im Kondensator vorhanden ist und
in diesem Zustand über
die Speisepumpe zum Wärmetauscher weitergeleitet
werden kann, wobei dessen Temperatur kleiner als die Umgebungstemperatur
ist.
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Die
Energien der Kreisläufe
werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 gemischt und damit
miteinander moduliert. Damit wird die Energie des Kältemittels
oder des Stoffes in dem Umweltwärmekraftwerk
weiter erhöht,
so dass die durch das Umweltwärmekraftwerk
bereitgestellte und damit von diesem abnehmbare Energie und damit
der Wirkungsgrad weiter erhöht
wird. Am Anfang des Prozesses dient dieser Sachverhalt dem schnellen
Beginn des Energiegewinnungsprozesses durch das Umweltwärmekraftwerk.
In der Mischkammer wird die Energie aus dem zweiten Kreislauf und/oder
dem dritten Kreislauf mitttels Saugverdichter oder Absorptionskälteerzeuger
räumlich
geschlossen oder räumlich
offen dem ersten Kreislauf zugeführt.
Die Mischkammer als ein weiterer Wärmetauscher nach der Weiterbildung
des Patentanspruchs 8 sichert die räumlich getrennten Kreisläufe der
Kältemittel
oder Stoffe im Umweltwärmekraftwerk.
Gleichzeitig kann die Energie des Umgebungsmediums der Mischkammer
in den Prozess der Gewinnung elektrischer Energie mit einbezogen
werden.
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Eine
durch Temperatur- und Druckänderung hervorgerufene
Phasenumwandlung flüssig/gasförmig/flüssig des
eingesetzten Kältemittels
oder Stoffes im Umweltwärmekraftwerk,
wobei das Kältemittel oder
der Stoff durch Kondensation im Kondensator, in der Speisepumpe
und nach dem Einlass in den Wärmetauscher
flüssig
ist, nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 sichert über die
Vergrößerung der
Ausdehnungsarbeit eine erhöhte
Gewinnung von elektrischer Energie aus dem Umgebungsmedium durch
Erhöhung
des Druckes in der Mischkammer und der nachgeschalteten Entspannungsmaschine
mit oder ohne Generator. Über
eine Düse im
Wärmetauscher
kann der Stoff in den Wärmetauscher
eingesprüht
werden, so dass sich eine wesentliche Oberflächenvergrößerung des Stoffes ergibt. Bei
Einsatz eines Kältemittels
oder im Zustand einer Sattdampfphase des Kältemittels oder des Stoffes kann
nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 die Düse im Wärmetauscher
entfallen.
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Ein
weiterer Kühler
nach der Speisepumpe nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
11 verringert die Temperatur des Kältemittels oder Stoffes vor
dem Wärmetauscher
weiter, so dass eine größere Temperaturdifferenz
zwischen der Temperatur des Kältemittels
oder Stoffes und der Umgebungstemperatur vorhanden ist. Der Wirkungsgrad
des Umweltwärmekraftwerkes
steigt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigt die
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Fig.
eine prinzipielle Darstellung eines Umweltwärmekraftwerkes als Prozessschaubild.
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Ein
Umweltwärmekraftwerk
besitzt zwei Kreisläufe
für ein
Kältemittel
oder einen Stoff (nachfolgend nur noch Stoff genannt), der bei einer
Temperatur um 0°C
gasförmig
und bei kleinerer Temperatur flüssig
ist. Der erste Kreislauf besteht aus einem Kondensator 1 mit
einem Kühler 2,
einer Speisepumpe 3, einem Wärmetauscher 4, einer
Mischkammer 5, einem Generator 6, einer Entspannungsmaschine 7 und
einem Vorverdichter 8. Der zweite Kreislauf wird aus dem
Kondensator 1, einem Reduzier- oder Rückstauventil 14, dem
Kühler 2,
einem Saugverdichter 9, der Mischkammer 5, der
Entspannungsmaschine 7 und dem Vorverdichter 8 gebildet.
Die Bestandteile der Kreisläufe
sind jeweils in dieser Reihe miteinander verbunden. Die Fig. zeigt
eine prinzipielle Darstellung eines Umweltwärmekraftwerkes als Prozessschaubild.
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Um
einen Energiestrom aus der Energie des Umgebungsmediums Eu am Wärmetauscher 4 in den
Wärmetauscher 4 zum
Stoff zu erreichen, muss die Temperatur T1 des Wärmetauschers 4 und
des durch diesen gepumpten Stoffes eine hinreichende Temperaturdifferenz
zu der Temperatur des Umgebungsmediums Tu = T2, aus dem die Energie
gewonnen werden soll, aufweisen T1 < T2. Generell sollte die Verdampfungstemperatur
des Stoffes so tief und der Dampfdruck so groß wie möglich sein.
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Da
nur Temperatur und Druck die Phasenumwandlung des eingesetzten Stoffes
von flüssig
zu gasförmig
zu flüssig
bestimmen, wird vorteilhafterweise der Prozess im Kondensator 1 unterhalb
und im Wärmetauscher 4 oberhalb
der Kondensationslinie des verwendeten Stoffes gefahren.
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Die
Abkühlung
des Stoffes erfolgt anfangs nur über
den Kühler 2 mit
vorgeschaltetem Reduzier- oder Rückstauventil 14 im
Kondensator 1 und den Saugverdichter 9.
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Analog
dem Kühlschrankkreislauf
wird der Stoff unter Druckabsenkung angesaugt. Diese Druckabsenkung
verschiebt das druckabhängige Gleichgewicht
von der Flüssigphase
zu der Gasphase so, dass der flüssige
Teil des Stoffes verdampft.
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Mit
Hilfe des hier beschriebenen Wirkprinzips von Saugverdichter 9,
des Kühlers 2 und
des Reduzier- oder Rückstauventils 14 ist
es daher möglich,
die thermische Energie im Kondensator 1 zu Gunsten der
Kondensatbildung und zu Gunsten einer niedrigen Temperatur des flüssigen Stoffes
hinreichend zu senken.
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Die
Speisepumpe 3 pumpt den stark abgekühlten flüssigen Stoff mit Druck in den
Wärmetauscher 4,
wo nach Öffnen
eines Einlassventils 12 vor einer Düse 13 die Phasenänderung
von flüssig
zu gasförmig
durch den Druckabfall in Richtung Entspannungsmaschine 7 erfolgt
und dem Umgebungsmedium mit der wesentlich höheren Temperatur Tu = T2 die
entsprechende Energie entzogen wird. Mit der durch die Verdampfung
des flüssigen
Kältemittels
im Wärmetauscher 4 erreichten
positiven Volumenänderungsarbeit
wird in der Entspannungsmaschine 7 mechanische Arbeit geleistet,
die als mechanische Energie Ein an den Generator 6 und
den Vorverdichter 8 abgegeben wird.
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Der
Vorverdichter 8 hat die Aufgabe, die Kondensationsgeschwindigkeit
vom Sattdampf des Stoffes im Kondensator 1 zu erhöhen. Die überschüssige, nach
der Entspannungsmaschine im Sattdampf vorhandene Energie und die
durch den Vorverdichter 8 in das Kältemittel eingebrachte Energie, wird
im Kondensator 1 über
den Kühler 2 im
Kondensator 1 wieder mit Hilfe des Saugverdichters 9 gemeinsam
mit der Energie aus dem flüssigen
Stoff abtransportiert und in der Mischkammer 5 dem vom Wärmetauscher 4 kommendem
gasförmigen
Stoff zugeführt.
Dabei wird der Prozess in der Mischkammer 5 druck- und
mengenmäßig so geführt, dass
der aus dem Wärmetauscher 4 kommende
gasförmige Stoff
grundsätzlich
den aus dem Saugverdichter 9 angebotenen wärmeren Stoff
aufnimmt.
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Die
Menge der mit Hilfe des Umweltwärmekraftwerks
in mechanische Energie umwandelbare Umfeldenergie wird im wesentlichen
durch die vorhandene Energie des Umgebungsmediums Eu, die Temperaturdifferenz
T2 – T1,
die physikalischen Eigenschaften des Stoffes und die konstruktive
und technische Auslegung des Umweltwärmekraftwerks bestimmt.
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In
einer Ausführungsform
des Ausführungsbeispiels
kann der Energietransport vom Reduzier- oder Rückstauventil 14 und
Kühler 2 im
Kondensator 1 über
den Saugverdichter 9 zur Mischkammer 5 in einem
geschlossenen Kreislauf zum Wärmetauscher 4 in
der Mischkammer 5 mit einem zweiten auch mit einem wesentlich
bei tieferen Temperaturen siedenden Stoff erfolgen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Ausführungsbeispiels
kann ein dritter Kreislauf gebildet aus dem Kondensator 1,
der Speisepumpe 3, dem Saugverdichter 9, der Mischkammer 5,
dem Generator 6, der Entspannungsmaschine 7 und
dem Vorverdichter 8 in dem Umweltwärmekraftwerk vorhanden sein.
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Der
Stoff anstelle des Kältemittels
sind Stoffgemische, deren Kondensationstemperatur kleiner als die
zu nutzende Temperatur ist.
