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Diese Offenbarung betrifft eine Arbeitsflüssigkeit für eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie, eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie und ein Verfahren zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie.
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Der größte Teil der elektrischen Energie wird heutzutage unter Verwendung eines thermodynamischen Kreisprozesses zum Erzeugen mechanischer Arbeit erzeugt. Der Carnot-Kreisprozess ist ein idealer theoretischer thermodynamischer Kreisprozess, der von Nicolas Léonard Sadi Carnot vorgeschlagen wurde. Dieser theoretische Kreisprozess legt einen oberen Grenzwert für den Wirkungsgrad jedes thermodynamischen Kreisprozesses zum Umwandeln einer bestimmten Wärmemenge in Arbeit zwischen zwei Wärmereservoiren fest. Der Rankine-Kreisprozess ist ein Kreisprozess für Zweiphasen-Arbeitsflüssigkeiten. William J. M. Rankine lieferte die thermodynamischen Grundlagen für die Dampfmaschine, die als praktischer Carnot-Kreisprozess für eine Zweiphasen-Arbeitsflüssigkeit angesehen wird, da das T-s-Diagramm dem Carnot-Kreisprozess ähnelt. (Der Hauptunterschied besteht darin, dass Wärmezufuhr (im Heizkessel) und -abfuhr (im Kondensator) im Rankine-Kreisprozess isobar und im theoretischen Carnot-Kreisprozess isotherm verlaufen.) Eine Pumpe komprimiert die vom Kondensator empfangene Arbeitsflüssigkeit. Die gesamte zum Pumpen der Arbeitsflüssigkeit durch den Kreisprozess aufgewendete Energie ist ebenso verloren wie die gesamte Verdampfungsenergie im Heizkessel, die im Kondensator abgeführt wird. Zum Pumpen der Arbeitsflüssigkeit werden ungefähr 1 bis 3% der Turbinenleistung aufgewendet. Der Wirkungsgrad des Rankine-Kreisprozesses ist durch die Arbeitsflüssigkeit und die Werkstoffe der Anlage begrenzt. Die Eintrittstemperaturen des Dampfes in die Turbine liegen bei ~565°C und die Kondensatortemperaturen bei ~30°C. Daraus ergeben sich ein theoretischer Carnot-Wirkungsgrad von ~63% und ein praktischer Wirkungsgrad von 42% für ein modernes mehrstufiges Kraftwerk, wobei die 21% hauptsächlich im Heizkessel und im Kondensator für die Expansionsarbeit gegen einen Druck und aufgrund der Temperaturgradienten beim Erhitzen und Kondensieren verloren gehen. Zwar könnten viele Arbeitsflüssigkeiten verwendet werden, jedoch stellt Wasser das Mittel der Wahl dar, da es ungiftig ist, chemisch nicht reagiert, in großer Menge und preiswert zur Verfügung steht und gute thermodynamische Eigenschaften hat. Wenn ein Rankine-Kreisprozess mit organischen Flüssigkeiten realisiert wird, wird dies üblicherweise als organischer Rankine-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle, ORC) bezeichnet.
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Die klassischen Rankine-Maschinen haben vier einzelne Komponenten: den Heizkessel, die Expansionseinheit, den Kondensator und die Pumpe. Außerdem erfolgt in den klassischen Rankine-Maschinen ein Phasenwechsel zwischen der Gasphase und der Flüssigphase. Die herausragenden Merkmale des Rankine-Kreisprozesses bestehen in einer Trennung des Heizkessels und des Kondensators von der Expansionseinheit, um Phasenänderungen der Arbeitsflüssigkeit von der Flüssigphase zur Gasphase in der Expansionseinheit zu vermeiden. Der Wirkungsgrad klassischer Rankine-Maschinen ist begrenzt, da sie die Volumenverringerung infolge des Phasenwechselprozesses und infolge des adiabatischen Expansionsprozesses und infolge der Temperaturgradienten zwischen Wärmequelle, Arbeitsflüssigkeit und Kondensator nicht nutzen können. Der Hauptgrund für die Trennung des Heiz- und Kühlwärmetauschers von der Expansionseinheit besteht darin, dass deren Volumina nicht miteinander vereinbar sind. Das bedeutet, dass das Volumen eines Wärmetauschers wesentlich größer als das Volumen einer Expansionseinheit ist. Geringe Temperaturgradienten sind bei – Niedrigtemperatur-Wärmequellen wesentlich wichtiger als bei Hochtemperatur-Wärmequellen, da sie einen wesentlich größeren Verlust des Wirkungsgrades bewirken als bei Hochtemperatur-Umwandlungsprozessen.
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In der
US-Patentschrift 8 166 761 B2 werden zum Rankine-Kreisprozess alternative Kreisprozesse mit einem höheren energetischen Wirkungsgrad offenbart.
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht deshalb darin, eine verbesserte Arbeitsflüssigkeit für eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie bereitzustellen, die Sieden und Kondensieren in einem kleineren Volumen und Expandieren in einem größeren Volumen ermöglich, was zu einem insgesamt höheren Wirkungsgrad führt.
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Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine verbesserte Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie bereitzustellen.
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Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie bereitzustellen.
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Demgemäß wird eine Arbeitsflüssigkeit für eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie offenbart. Die Arbeitsflüssigkeit weist eine Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur im Bereich zwischen 30 und 250°C bei einem Druck von 1 bar und Nanopartikel auf, die in der Flüssigphase der Flüssigkeit dispergiert oder suspendiert sind. Die Nanopartikel dienen als Kondensations- und/oder Siedekeime, und die Oberfläche der Nanopartikel dient dazu, das Kondensieren und/oder Sieden zu unterstützen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Arbeitsflüssigkeit liegt ein Durchmesser der Nanopartikel zwischen 1 und 100 nm, vorzugsweise zwischen 1 und 50 nm und besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 nm.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Arbeitsflüssigkeit liegt eine Konzentration der Nanopartikel in der Flüssigkeit im Bereich von 0,01 bis 1 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,5 Vol.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,06 bis 0,14 Vol.-%.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Arbeitsflüssigkeit haben die Nanopartikel eine funktionalisierte Oberfläche, insbesondere eine hydrophile Oberfläche.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Arbeitsflüssigkeit weisen die Nanopartikel eine Oxid-Monoschicht und/oder eine organische Monoschicht auf.
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Außerdem wird eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie offenbart. Die Einheit weist eine Arbeitsflüssigkeit gemäß der beschriebenen Arbeitsflüssigkeit und eine Zuflusskondensatoreinheit auf, um die Arbeitsflüssigkeit zumindest teilweise zu kondensieren und der Arbeitsflüssigkeit dadurch Wärme zu entziehen. Die in der Arbeitsflüssigkeit enthaltenen Nanopartikel vergrößern die Kondensationsfläche insgesamt, um einen Kondensationsprozess zu verbessern und zu beschleunigen. Der Kondensationsprozess wird so durchgeführt, dass ein Teil eines Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit an den Nanopartikeln kondensiert.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Einheit weiterhin einen Heizkessel zum Erhitzen der Arbeitsflüssigkeit auf, um das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit zu erzeugen, und eine Expansionseinheit, die zum Expandieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit dient.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit weist die Zuflusskondensatoreinheit einen stationären Wärmetauscher auf, um der Arbeitsflüssigkeit Wärme zu entziehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit weist die Zuflusskondensatoreinheit eine Mehrzahl stationärer Wärmetauscher auf, die der Arbeitsflüssigkeit Wärme entziehen und in Bezug auf eine Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit in Reihe angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einheit ferner ein bewegliches Bauteil auf, das so angeordnet ist, dass das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit eine innere und/oder kinetische Energie des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit zumindest teilweise in mechanische Energie umwandelt, die dem beweglichen Bauteil zugehörig ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit weist die Zuflusskondensatoreinheit eine Mehrzahl stationärer Wärmetauscher auf, um der Arbeitsflüssigkeit Wärme zu entziehen, die in Bezug auf eine Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit in Reihe angeordnet sind, und das bewegliche Bauteil ist in Bezug auf die Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit zwischen zwei stationären Wärmetauschern der Zuflusskondensatoreinheit angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit tritt das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit mit einer Dampfqualität zwischen 100% und 80%, vorzugsweise zwischen 99% und 93%, in die Zuflusskondensatoreinheit ein und/oder das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit verlässt die Zuflusskondensatoreinheit mit einer Dampfqualität zwischen 60% und 40%, vorzugsweise zwischen 55% und 45%.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit handelt es sich bei dem Heizkessel um einen Rohrkessel mit mindestens einem Kanal zum Erhitzen der Arbeitsflüssigkeit, um das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit zu erzeugen, wobei die Nanopartikel als Keime zum Sieden innerhalb des mindestens einen Kanals dienen.
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Außerdem wird ein Verfahren zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie offenbart. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- • S1: Erhitzen einer Arbeitsflüssigkeit, die Nanopartikel aufweist, um ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit zu erzeugen;
- • S2: Expandieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit;
- • S3: Umwandeln der inneren und/oder kinetischen Energie des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit in mechanische Energie; und
- • S4: Kondensieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit in einer Zuflusskondensatoreinheit zumindest teilweise derart, dass eine Kondensation zumindest teilweise an den Nanopartikeln als Kondensationskeime einsetzt.
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Das Verfahren wird als thermodynamischer Kreisprozess geführt, und/oder die Kondensation in der Zuflusskondensatoreinheit ist ungefähr isotherm.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann durch eine Mehrzahl von stationären Wärmetauschern während der Kondensation in der Zuflusskondensatoreinheit ein zyklisches Rückkühlen erfolgen, um eine isotherme Kondensation zu ermöglichen.
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Bestimmte Ausführungsformen der dargestellten Arbeitsflüssigkeit für eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie sowie eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie und ein Verfahren zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie können einzelne oben oder im Folgenden unter Bezugnahme auf Ausführungsformen erwähnte oder kombinierte Merkmale, Verfahrensschritte oder -aspekte aufweisen.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Arbeitsflüssigkeit, der Einheit und des Verfahren unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt einen Dampf-Rankine-Kreisprozess in einem T-s-Diagramm.
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2 zeigt ein schematisches Schaubild einer Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß einer Ausführungsform.
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3 zeigt ein schematisches Schaubild einer Arbeitsflüssigkeit gemäß einer Ausführungsform.
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4 zeigt ein schematisches Schaubild einer Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß 4.
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6 zeigt eine vergrößerte Ansicht von Teil I von 5.
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7 zeigt ein schematisches Schaubild der Dampfqualität in der in 5 gezeigten Einheit.
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8 zeigt einen veränderten thermodynamischen Kreisprozess in einem T-s-Diagramm gemäß einer in 5 gezeigten ähnlichen Einheit.
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9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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10 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß einer Ausführungsform.
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Sofern nicht anders angegeben, sind gleichen oder funktionell gleichen Elementen in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
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Es wird eine Arbeitsflüssigkeit für eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie offenbart. Die Arbeitsflüssigkeit weist eine Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur im Bereich zwischen 30 und 250°C bei einem Druck von 1 bar und Nanopartikel auf, die in der Flüssigphase der Flüssigkeit dispergiert oder suspendiert sind. Die Nanopartikel dienen als Kondensations- und/oder Siedekeime, und die Oberfläche der Nanopartikel dient dazu, das Kondensieren und/oder Sieden zu unterstützen.
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Da die Arbeitsflüssigkeit Nanopartikel aufweist, kann insgesamt eine wesentlich kleinere und wirksamere Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie realisiert werden. Insbesondere kann die gesamte Kondensationseinheit kleiner sein. Eine durch Nanopartikel unterstützte Kondensation lässt die Verwendung einer Zuflusskondensatoreinheit zu. Die Arbeitsflüssigkeit kondensiert zumindest teilweise, während sie durch die Zuflusskondensatoreinheit strömt. Dies ist möglich, da die Nanopartikel in der Arbeitsflüssigkeit die Kondensationsfläche insgesamt vergrößern, während die Arbeitsflüssigkeit durch die Zuflusskondensatoreinheit strömt. Das bedeutet, dass die Nanopartikel als Keime für den Kondensationsprozess dienen.
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Die Arbeitsflüssigkeit weist eine Flüssigkeit auf, die zur Verwendung in einem thermodynamischen Kreisprozess geeignet ist. Während des thermodynamischen Kreisprozesses kann die Arbeitsflüssigkeit mit Druck beaufschlagt, expandiert, kondensiert und/oder komprimiert werden. Außerdem kann die Arbeitsflüssigkeit einen Phasenwechsel erfahren, insbesondere zwischen einer Flüssigphase und einer Gasphase und umgekehrt. Zum Beispiel kann es sich bei der Arbeitsflüssigkeit um Wasser handeln. Bei der Arbeitsflüssigkeit kann es sich jedoch auch um eine organische Flüssigkeit wie beispielsweise Methanol, Toluol oder Pentan handeln. Bei einem Druck von 1 bar liegt die Siedetemperatur im Bereich von 30 bis 250°C, vorzugsweise im Bereich von 65 bis 200°C und besonders bevorzugt im Bereich von 75 bis 150°C. Außerdem sind die Nanopartikel in der Flüssigkeit verteilt. In der Flüssigphase der Flüssigkeit sind die Nanopartikel in der Flüssigkeit dispergiert oder suspendiert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Arbeitsflüssigkeit liegt ein Durchmesser der Nanopartikel zwischen 1 und 100 nm, vorzugsweise zwischen 1 und 50 nm und besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 nm. Wenn die Nanopartikel hinreichend klein sind, beschädigen sie nicht die Rotorbauteile der Einheit. Wenn die Nanopartikel kleiner als 100 nm sind, strömen sie im Gasstrom mit und stoßen nicht gegen die Schaufeln, sodass wesentlich geringere Schäden entstehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Arbeitsflüssigkeit liegt eine Konzentration der Nanopartikel im Bereich von 0,01 bis 1 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,5 Vol.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,06 bis 0,14 Vol.-%. Die Konzentration der Nanopartikel zwischen 0,01 und 1 Vol.-% ist für eine schnelle und wirksame Kondensation der Arbeitsflüssigkeit in der Zuflusskondensatoreinheit geeignet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Arbeitsflüssigkeit haben die Nanopartikel eine funktionalisierte Oberfläche, insbesondere eine hydrophile Oberfläche. Eine funktionalisierte Oberfläche der Nanopartikel kann von Vorteil sein, um die Nanopartikel voneinander getrennt zu halten. Durch eine hydrophile Oberfläche kann ein Zusammenbacken der Nanopartikel in der Flüssigkeit verhindert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Arbeitsflüssigkeit weisen die Nanopartikel eine Oxidmonoschicht und/oder eine organische Monoschicht auf. Auch durch die Oxidmonoschicht und/oder die organische Monoschicht der Nanopartikel kann ein Zusammenbacken der Nanopartikel in der Flüssigkeit verhindert werden. Außerdem kann der Wirkungsgrad des Kondensations- und/oder Siedeprozesses erhöht werden.
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Außerdem wird eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie offenbart. Die Einheit weist eine Arbeitsflüssigkeit gemäß der beschriebenen Arbeitsflüssigkeit und eine Zuflusskondensatoreinheit auf, die dazu dient, die Arbeitsflüssigkeit zumindest teilweise zu kondensieren und dadurch der Arbeitsflüssigkeit Wärme zu entziehen. Die in der Arbeitsflüssigkeit enthaltenen Nanopartikel vergrößern die gesamte Kondensationsfläche und unterstützen und beschleunigen den Kondensationsprozess. Der Kondensationsprozess läuft so ab, dass ein Teil des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit an den Nanopartikeln kondensiert wird.
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Die Größe der Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Maschine zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie verringert werden, da der Kondensator- und/oder Heizkesselteil geringere Abmessungen haben können. Infolge der durch Nanopartikel unterstützten Kondensation kann eine Zuflusskondensatoreinheit verwendet werden. Die Arbeitsflüssigkeit kondensiert zumindest teilweise, während sie die Zuflusskondensatoreinheit durchströmt. Das ist möglich, da durch die Nanopartikel in der Arbeitsflüssigkeit die Kondensationsoberfläche insgesamt vergrößert wird, während die Arbeitsflüssigkeit die Zuflusskondensatoreinheit durchströmt. Das bedeutet, dass die Nanopartikel als Keime für den Kondensationsprozess dienen. Hinzu kommt, dass die Expansionseinheit aufgrund des Betriebs bei niedriger Temperatur/niedrigem Druck größer ist. Aufgrund der Nanopartikel und der Zuflussanordnung sind der Heizkessel und der Kondensator wesentlich kleiner, sodass sie in die nunmehr größere Expansionseinheit einbezogen werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Einheit außerdem einen Heizkessel, der dazu dient, die Arbeitsflüssigkeit zum Erzeugen des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit zu erhitzen, und eine Expansionseinheit auf, die dazu dient, das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit auszudehnen. Der Heizkessel, die Expansionseinheit und die Zuflusskondensatoreinheit sind größenmäßig vergleichbar und können deshalb in eine kombinierte Turbineneinheit einbezogen werden.
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Der Heizkessel kann dazu dienen, ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch bereitzustellen. Ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch kann eine Flüssigphase der Arbeitsflüssigkeit und eine Gasphase der Arbeitsflüssigkeit aufweisen. Außerdem kann der Heizkessel ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch mit einem vorgegebenen Masseverhältnis des Gases oder Dampfes des Flüssigkeits-Gas-Gemischs bereitstellen. Der Masseanteil des Gases eines Flüssigkeits-Gas-Gemischs wird auch als Dampfqualität bezeichnet. Außerdem kann die Heizkesseleinheit dazu dienen, ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch bereitzustellen, in dem die Flüssigphase auf eine Mehrzahl kleiner Tröpfchen fein verteilt ist, wobei diese Tröpfchen aufgrund ihrer geringen Größe vollständig in der strömenden Gasphase mitgeführt werden, um einen unerwünschten Abrieb der beweglichen Bauteile, z. B. der Turbinenschaufeln, durch das Auftreffen flüssiger Tröpfchen zu vermeiden.
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Die Expansionseinheit kann eine Anordnung aufweisen, die ein Expandieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs ermöglicht. Aufgrund der Expansion des Flüssigkeits-Gas-Gemischs wird ein Volumen des Flüssigkeits-Gas-Gemischs größer. Um eine Volumenvergrößerung des expandierenden Flüssigkeits-Gas-Gemischs aufzunehmen, muss auch ein inneres Volumen der Expansionseinheit, zum Beispiel entlang einer Strömungsrichtung, zunehmen.
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Der Heizkessel kann zumindest teilweise mit der Expansionseinheit verbunden sein. Die Expansionseinheit kann zum Erzeugen mechanischer Energie eingerichtet sein. Zum Beispiel können ein Zufluss des Heizkessels und ein Abfluss der Expansionseinheit zusammenfallen. Außerdem kann die Expansionseinheit zumindest teilweise mit der Zuflusskondensatoreinheit verbunden sein. Zum Beispiel können ein Abfluss der Expansionseinheit und ein Zufluss der Zuflusskondensatoreinheit zusammenfallen. Genauer gesagt, der Heizkessel, die Expansionseinheit und die Zuflusskondensatoreinheit können eine Einheit bilden. Außerdem können der Heizkessel und die Expansionseinheit so angeordnet oder ausgerichtet sein, dass die kinetische Energie des in der Heizkesseleinheit erzeugten Flüssigkeits-Gas-Gemischs auf dem Wege des Flüssigkeits-Gas-Gemischs durch eine Leitung von der Erhitzungs- und Beschleunigungseinheit zur Expansionseinheit erhalten bleibt. Insbesondere kann eine Leitung oder ein Rohr zwischen der Heizkesseleinheit und der Expansionseinheit weggelassen werden.
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Der Heizkessel, die Expansionseinheit und die Zuflusskondensatoreinheit können jeweils eine bevorzugte Richtung haben, beispielsweise eine Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit. Gemäß Ausführungsformen sind die bevorzugten Richtungen des Heizkessels, der Expansionseinheit und der Zuflusskondensatoreinheit zueinander parallel und/oder kollinear. Gemäß einer Alternative kann es zu einer Umkehrung kommen, die jedoch den Wirkungsgrad verringert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit weist die Zuflusskondensatoreinheit einen stationären Wärmetauscher auf, um von der Arbeitsflüssigkeit Wärme abzuführen. In der Zuflusskondensatoreinheit ist der Kondensationsprozess von dem Wärmeübertragungsprozess getrennt. Deshalb handelt es sich bei dem Kondensationsprozess in der Zuflusskondensatoreinheit um einen heterogenen Kondensationsprozess. Der Prozess wird durch die Nanopartikel vermittelt, ist jedoch von keiner Wärmeübertragung begleitet. Im Prinzip handelt es sich hierbei um denselben Prozess wie bei der Wolkenbildung und Nebelbildung in Nebelkammern. Deshalb weist die Zuflusskondensatoreinheit mindestens einen stationären Wärmetauscher auf, um die Wärme zu übertragen, wenn keine Gasexpansion erfolgen darf. Bei Kleinstsystemen ist das Oberfläche-Volumen-Verhältnis groß, sodass zum Erreichen eines nahezu isothermen Betriebs zusätzlich zum stationären Wärmetauscher keine extra Wärmetauscher erforderlich sind. Der statische Wärmetauscher ist nicht notwendig. Der Wärmeaustausch kann auch durch Volumenvergrößerung erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit weist die Zuflusskondensatoreinheit eine Mehrzahl stationärer Wärmetauscher auf, um der Arbeitsflüssigkeit Wärme zu entziehen, die in Bezug auf eine Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit in Reihe angeordnet sind. Eine Mehrzahl stationärer Wärmetauscher kann eine bessere Wärmeübertragung als ein einziger stationärer Wärmetauscher bewirken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einheit ferner ein bewegliches Bauteil auf, das so angeordnet ist, dass das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit eine innere und/oder kinetische Energie des Flüssigkeits-Gas-Gemischs zumindest teilweise in mechanische Energie umwandelt, die dem beweglichen Bauteil zugehörig ist.
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Bei dem beweglichen Bauteil kann es sich um ein Rotorbauteil handeln. Genauer gesagt, das expandierende Flüssigkeits-Gas-Gemisch kann das bewegliche Bauteil in Bewegung versetzen, das die innere und/oder kinetische Energie des Flüssigkeits-Gas-Gemischs zumindest teilweise in mechanische Energie umwandeln kann, die dem beweglichen Bauteil zugehörig ist. Zum Beispiel kann das bewegliche Bauteil eine Welle für einen Generator wie beispielsweise einen Stromgenerator antreiben.
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Genauer gesagt, das expandierende Flüssigkeits-Gas-Gemisch kann das bewegliche Rotorbauteil einer Turbineneinheit antreiben. Die innere und/oder kinetische Energie des expandierenden Flüssigkeits-Gas-Gemischs kann eine Drehung des beweglichen Rotorbauteils bewirken. Aufgrund der Drehung des Rotorbauteils kann die innere und/oder kinetische Energie des Flüssigkeits-Gas-Gemischs in mechanische Energie umgewandelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit weist die Zuflusskondensatoreinheit eine Mehrzahl von stationären Wärmetauschern auf, um der Arbeitsflüssigkeit Wärme zu entziehen, die in Bezug auf eine Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit in Reihe angeordnet sind, und das bewegliche Bauteil ist in Bezug auf die Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit zwischen zwei stationären Wärmetauschern der Zuflusskondensatoreinheit angeordnet. Auch in der Zuflusskondensatoreinheit kann die innere und/oder kinetische Energie des expandieren Flüssigkeits-Gas-Gemischs in eine mechanische Energie umgewandelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit tritt das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit mit einer Dampfqualität zwischen 100% und 80%, vorzugsweise zwischen 99% und 93%, in die Zuflusskondensatoreinheit ein und/oder wobei das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit die Zuflusskondensatoreinheit mit einer Dampfqualität zwischen 60% und 40%, vorzugsweise zwischen 55% und 45% verlässt. Im Grunde kann die Kondensation zu ungefähr 90% innerhalb der Zuflusskondensatoreinheit erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Einheit handelt es sich bei dem Heizkessel um einen Rohrkessel mit mindestens einem Rohr zum Erhitzen der Arbeitsflüssigkeit, um das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit zu erzeugen, wobei die Nanopartikel als Keime zum Sieden innerhalb des mindestens einen Rohrs dienen. Aufgrund der Nanopartikel kann es beim Sieden nur zu einer geringen Überhitzung kommen. Das liegt daran, dass durch die Nanopartikel die Oberflächenspannung verringert wird. Bei Siede- und Kondensationsprozessen kommt es zu einer Überhitzung oder Unterkühlung, da die Wärmeübertragung innerhalb der Flüssigkeit und zum Wärmetauscher begrenzt ist und das Sieden einer geometrischen Unterstützung bedarf (da kleine Blasen instabil sind).
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Ferner wird ein Verfahren zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie offenbart. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- • S1: Erhitzen einer Arbeitsflüssigkeit, die Nanopartikel aufweist, um ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit zu erzeugen;
- • S2: Expandieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit;
- • S3: Umwandeln der inneren und/oder kinetischen Energie des Flüssigkeits Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit in mechanische Energie; und
- • S4: Kondensieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit in einer Zuflusskondensatoreinheit zumindest teilweise, sodass die Kondensation zumindest teilweise an den Nanopartikeln als Kondensationskeime beginnt.
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Das Verfahren wird als thermodynamischer Kreisprozess betrieben und/oder die Kondensation in der Zuflusskondensatoreinheit ist annähernd isotherm.
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Bei der Expansion des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit handelt es sich um eine nahezu isotherme Expansion. Das bedeutet, dass beim Expandieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit über die stationären Wärmetauscher Wärme zugeführt wird. Beim Kondensieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit in der Zuflusskondensatoreinheit handelt es sich um eine nahezu isotherme Kondensation. Das bedeutet, dass beim Kondensieren des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit in der Zuflusskondensatoreinheit über die stationären Wärmetauscher Wärme entzogen wird.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ermöglichen eine Mehrzahl stationärer Wärmetauscher ein zyklisches Rückkühlen während der Kondensation in der Zuflusskondensatoreinheit, um eine isotherme Kondensation zu ermöglichen. Die stationären Wärmetauscher in der Zuflusskondensatoreinheit dienen dazu, der Arbeitsflüssigkeit Wärme zu entziehen. Gemäß einer Alternative ist auch eine Vergrößerung des Flüssigkeitsvolumens möglich.
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Außerdem wird die Verwendung einer Arbeitsflüssigkeit für eine Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie offenbart. Die Arbeitsflüssigkeit weist eine Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur im Bereich zwischen 30 und 250°C bei einem Druck von 1 bar und Nanopartikel auf, die in der Flüssigphase der Flüssigkeit dispergiert oder suspendiert sind. Die Nanopartikel dienen als Kondensations- und/oder Siedekeime, und die Oberfläche der Nanopartikel dient dazu, die Kondensation und/oder das Sieden zu unterstützen.
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Es ist klar, dass im Folgenden nur Bereiche oder Einzelteile einer Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gezeigt werden. Gemäß einzelnen Ausführungsformen können weitere Bauteile wie beispielsweise Ventile, Rohre, Leitungen, Einzelteile, Anschlussstücke, Pumpen, Kompressoren und Ähnliche einbezogen sein.
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Die Ausführungsformen zeigen eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Prozess auf der Grundlage des Rankine-Kreisprozesses. 1 zeigt einen Rankine-Kreisprozess in einem T-s-Diagramm. Genauer gesagt, der Dampf-Rankine-Kreisprozess wird üblicherweise in Dampfgeneratoren zum Erzeugen von Elektroenergie verwendet.
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Die Abszisse 1 stellt eine Entropie S des Systems und die Ordinate 2 die absolute Temperatur T des Systems dar. Eine Kurve 3 stellt die Sättigungsdampfkurve einer verwendeten Arbeitsflüssigkeit, zum Beispiel Dampf, dar. Der Rankine-Kreisprozess weist eine adiabatische Kompression der Arbeitsflüssigkeit (A → B), eine isobare Wärmezufuhr zur Arbeitsflüssigkeit (B → C), eine adiabatische Expansion der Arbeitsflüssigkeit (C → D) und eine isobare Freisetzung von Wärme (D → A) auf. Der Wirkungsgrad des Rankine-Kreisprozesses ist auf ~70% des Wirkungsgrades des Carnot-Kreisprozesses begrenzt. Die Hauptunterschiede zwischen dem Rankine-Kreisprozess und dem theoretischen Carnot-Kreisprozess bestehen darin, dass die Wärmezufuhr (z. B. im Heizkessel) und die Wärmefreisetzung (z. B. im Kondensator) nicht isentropisch (d. h. bei konstant bleibender Entropie), sondern isobar (d. h. bei konstantem Druck) erfolgen und dass die Expansion der Arbeitsflüssigkeit nicht isotherm, sondern adialbatisch erfolgt. Außerdem besteht ein praktisches Problem bei der herkömmlichen Umsetzung des Rankine-Kreisprozesses in der Bildung von Wassertröpfchen während der adiabatischen Expansion der Arbeitsflüssigkeit (C → D). Diese Wassertröpfchen führen durch Aufprallen zum Abrieb der Turbinenschaufeln. Aus diesem Grund wird der Dampf zum Beispiel überhitzt, was zu einem verringerten Wirkungsgrad des Kreisprozesses führt. Der Rankine-Kreisprozess mit Überhitzung ist in 1 durch den Prozess A-B-C-C'-D'-A angezeigt.
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2 zeigt ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform einer Einheit 4 zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie. Die Einheit 4 weist eine Zuflusskondensatoreinheit 5 auf, um eine Arbeitsflüssigkeit 6 zumindest teilweise zu kondensieren und dadurch der Arbeitsflüssigkeit 6 Wärme zu entziehen.
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3 zeigt ein schematisches Schaubild der Arbeitsflüssigkeit 6 gemäß einer Ausführungsform. Die Arbeitsflüssigkeit 6 weist eine Flüssigkeit 7 und Nanopartikel 8 auf. Die Nanopartikel 8 sind in der Arbeitsflüssigkeit 6 verteilt. Die Nanopartikel sind in der Flüssigphase der Flüssigkeit 7 dispergiert oder suspendiert. Die Nanopartikel 8 dienen als Kondensationskeime. Außerdem dient die Oberfläche der Nanopartikel 8 dazu, die Kondensation zu unterstützen.
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Die Einheit 4 zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie von 2 weist die Arbeitsflüssigkeit 6 von 3 auf. Durch die Nanopartikel 8 wird eine Kondensationsfläche insgesamt vergrößert, die aus der Oberfläche der Nanopartikel 8 und der Oberfläche der Zuflusskondensatoreinheit 5 besteht. Dadurch wird der Kondensationsprozess verbessert. Der Kondensationsprozess in der Zuflusskondensatoreinheit 5 wird so durchgeführt, dass ein Bruchteil eines Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit 6 an den Nanopartikeln 8 kondensiert wird.
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Die Zuflusskondensatoreinheit 5 kann ein bewegliches Bauteil, insbesondere ein Rotorbauteil 15, aufweisen. Das Rotorbauteil 15 wandelt innere und/oder kinetische Energie der Arbeitsflüssigkeit 6 in mechanische Energie um. Außerdem kann die Zuflusskondensatoreinheit 5 einen stationären Wärmetauscher 16 aufweisen, um der Arbeitsflüssigkeit 6 Wärme zu entziehen. In der Zuflusskondensatoreinheit 5 ist der Kondensationsprozess wegen der Nanopartikel 8 von dem Wärmeübertragungsprozess getrennt. Deshalb weist die Zuflusskondensatoreinheit 5 mindestens einen stationären Wärmetauscher 16 auf, um die Wärme auszutauschen.
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Die Einheit 4 weist ferner einen Heizkessel 9 auf, der als Rohrkessel zum Erhitzen einer Arbeitsflüssigkeit 6 ausgeführt ist, um ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch aus einer flüssigen Arbeitsflüssigkeit 6 zu erzeugen und zu beschleunigen. Der Heizkessel 9 hat mindestens einen Kanal, der eine Kanalrichtung y definiert. Die Arbeitsflüssigkeit 6 wird dem Heizkessel 9 aus einer Zufuhrleitung 11 durch einen Zufluss 10 zugeführt. Die Einheit 4 kann ferner eine Expansionseinheit 14 aufweisen. Ein Abfluss 12 des Heizkessels 9 kann mit einem Zufluss 13 der Expansionseinheit 14 verbunden sein. Die Kanalrichtung y kann mit einer bevorzugten Richtung eines beweglichen Bauteils 15 in der Expansionseinheit 14 zusammenfallen. Die Expansionseinheit 14 dient dazu, das Flüssigkeits-Gas-Gemisch auszudehnen und dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch Wärme zuzuführen. Insbesondere wandelt die Expansionseinheit 14 innere und/oder kinetische Energie durch ein bewegliches Bauteil, insbesondere ein Rotorbauteil 15, zumindest teilweise in mechanische Energie um. Außerdem kann die Expansionseinheit 14 einen stationären Wärmetauscher 16 aufweisen, um der Arbeitsflüssigkeit 6 Wärme zuzuführen. Dadurch ist eine isotherme Expansion der Arbeitsflüssigkeit 6 möglich.
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Zum Durchführen eines thermodynamischen Kreisprozesses kann die Einheit 4 wahlweise mit einem herkömmlichen Kondensator 17 und einer Pumpe 18 verbunden sein. Außerdem kann die Einheit 4 eine adiabatische Stufe 19 aufweisen. Die adiabatische Stufe 19 ist zwischen der Expansionseinheit 14 und der Zuflusskondensatoreinheit 5 angeordnet.
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Der Heizkessel 9, die Expansionseinheit 14 und die Zuflusskondensatoreinheit 5 haben eine vergleichbare Größe. Somit ist keine Trennung der Funktionen Erhitzen, Expandieren und Kondensieren in einzelnen Einheiten erforderlich. Der Heizkessel 9, die Expansionseinheit 14 und die Zuflusskondensatoreinheit 5 können zu einer Einheit zusammengefasst sein. Bei herkömmlichen Dampfmaschinen können Heizkessel und Kondensatoren (Wärmetauschereinheiten) wesentlich größere Volumina haben als Expansionseinheiten für die aktuell vorgesehenen Temperaturen und Drücke. Die offenbarten Einheiten und Verfahren ermöglichen kleinere und kompaktere Systeme und Anordnungen zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie.
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4 zeigt ein schematisches Schaubild einer Einheit 4 zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Einheit 4 weist einen Heizkessel 9, eine Expansionseinheit 14, eine adiabatische Stufe 19, eine Zuflusskondensatoreinheit 5 und eine Kondensatoreinheit 20 auf. Der Heizkessel 9, die Expansionseinheit 14, die adiabatische Stufe 19, die Zuflusskondensatoreinheit 5 und die Kondensatoreinheit 20 können zu einer einzigen Einheit 4 zusammengefasst werden. Die Einheit 4 zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie von 4 ist als Turbine 21 realisiert. Die Turbine 21 weist eine Welle 22 zum Übertragen der mechanischen Energie zu einer anderen (in 4 nicht gezeigten) Einheit auf.
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In 4 ist eine Wärmequelle 23 in einem geschlossenen Kreislauf 24 mit der Einheit 4 verbunden. In dem geschlossenen Kreislauf 24 kann zum Beispiel Wasser verwendet werden. Der geschlossene Kreislauf 24 führt durch die Expansionseinheit 14 und den Heizkessel 9, um der Expansionseinheit 14 und dem Heizkessel 9 Wärme zuzuführen. Außerdem führt der geschlossene Kreislauf 24 durch eine Wärmeaustauscheinheit 25.
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Außerdem ist eine Kältequelle 26 in einem geschlossenen Kreislauf 27 mit der Einheit 4 verbunden. In dem geschlossenen Kreislauf kann zum Beispiel Wasser verwendet werden. Der geschlossene Kreislauf 27 führt durch die Kondensatoreinheit 20, um die Kondensatoreinheit 20 zu kühlen.
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Die Arbeitsflüssigkeit 6 strömt in einem geschlossenen Kreislauf durch den Heizkessel 9, die Expansionseinheit 14, die adiabatische Stufe 19, die Zuflusskondensatoreinheit 5 und die Kondensatoreinheit 20. Außerdem führt der geschlossene Kreislauf 28 nach dem Verlassen der Kondensatoreinheit 20 ein zweites Mal durch die Zuflusskondensatoreinheit 5, um die Zuflusskondensatoreinheit 5 zu kühlen und die Arbeitsflüssigkeit 6 zu erwärmen. Das bedeutet, dass ein Teil der während des Kondensationsprozesses in der Zuflusskondensatoreinheit 5 verloren gegangenen Wärme eingespart werden kann, wenn der geschlossene Kreislauf 28 ein zweites Mal durch die Zuflusskondensatoreinheit 5 führt. Dadurch wird der Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses insgesamt erhöht. Außerdem führt der geschlossene Kreislauf 28 durch die Wärmeaustauscheinheit 25, um durch die Wärmequelle 23 über den geschlossenen Kreislauf 24 erwärmt zu werden, der auch durch die Wärmeaustauscheinheit 25 führt. Dann erreicht der geschlossene Kreislauf 28 wieder den Heizkessel 9.
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt der Einheit 4 zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß 4. Aus 5 ist zu ersehen, dass die Einheit 4 fünf Bereiche aufweist, die in einem einzigen Gehäuse 36 zusammengefasst sind. Der erste Bereich weist den Heizkessel 9, der zweite Bereich die Expansionseinheit 14, der dritte Bereich die adiabatische Stufe 19, der vierte Bereich die Zuflusskondensatoreinheit 5 und der fünfte Bereich die Kondensatoreinheit 20 auf. Die Einheit 4 ist als Turbine 21 ausgeführt. Die Turbine 21 weist eine Welle 22 auf. Mit der Welle 22 ist eine Mehrzahl von Rotorbauteilen 15 verbunden.
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Der geschlossene Kreislauf 24, der die Wärmequelle 23, die Expansionseinheit 14 und den Heizkessel 9 miteinander verbindet, weist eine Pumpe 29 auf, um eine erwärmte Flüssigkeit durch die Expansionseinheit 14 und den Heizkessel 9 zu pumpen. Außerdem strömt die erwärmte Flüssigkeit des geschlossenen Kreislaufs 24 auch durch die Wärmeaustauscheinheit 25. Bei der Wärmequelle 23 kann es sich um Sonnenwärme oder industrielle Abwärme handeln. Außerdem weist der geschlossene Kreislauf 27, der die Kältequelle 26 und die Kondensatoreinheit 20 miteinander verbindet, eine Pumpe 30 auf, um eine kalte Flüssigkeit durch den Kondensator 20 zu pumpen. Der geschlossene Kreislauf 28, der die Arbeitsflüssigkeit enthält, weist eine Pumpe 31 auf, um die Arbeitsflüssigkeit zu pumpen.
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Bei einer alternativen Konfiguration kann auf die Wärmeaustauscheinheit 25 verzichtet werden, indem die Zuflüsse und die Abflüsse über Kreuz miteinander verbunden werden. Dann wird die zurückströmende Flüssigkeit in der Wärmequelle 23 erwärmt und über ihren Zufluss in die Zuleitung 11 eingeleitet. Dann besteht zwischen der Wärmequelle 23 und der Expansionseinheit 14 nur noch ein einziger Kreislauf. Der Nutzen dieser Konfiguration besteht darin, dass zwischen der Heizflüssigkeit und der Arbeitsflüssigkeit 6 der Expansionseinheit 14 kein Temperaturgradient eingeführt wird.
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Außerdem können die Expansionseinheit 14, die Zuflusskondensatoreinheit 5 und die Kondensatoreinheit 20 stationäre Wärmetauscher 16 aufweisen, um dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch im Expansionsprozess Wärme zuzuführen und das Flüssigkeits-Gas-Gemisch während des Kondensationsprozesses zu kühlen. Um das Flüssigkeits-Gas-Gemisch zu kühlen oder ihm Wärme zuzuführen, weisen die stationären Wärmetauscher 16 eine Wärmetauscheranordnung auf. Die Wärmetauscheranordnung weist eine Leitung auf, durch die eine Heiz- oder Kühlflüssigkeit geleitet wird. Genauer gesagt, mittels der durch die stationären Wärmetauscher 16 dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch zugeführten Wärme wird ein Temperaturabfall des Flüssigkeits-Gas-Gemischs in der Expansionseinheit 14 zumindest teilweise ausgeglichen.
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Der Heizkessel 9 weist einen ersten Kesselbereich 32 und einen zweiten Kesselbereich 33 auf, wobei jeder Kesselbereich 32, 33 eine Mehrzahl von Rohrkesseln 34 aufweist. Die Anzahl der Kesselbereiche 32, 33 und die geometrische Anordnung der Kesselbereiche 32, 33 kann von der Größe und der Geometrie der anschließenden Expansionseinheit 14 abhängen.
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Eine Zuflussleitung 11 führt jedem Rohrkessel 34 die Arbeitsflüssigkeit 6 zu. In jedem Rohrkessel 34 wird ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 erzeugt, das den Rohrkessel 34 in Richtung der Expansionseinheit 14 verlässt.
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Die Einheit 4 weist eine Mehrzahl aufeinander folgender Stufen auf. Jede Stufe kann ein bewegliches Rotorbauteil aufweisen, um die innere und/oder kinetische Energie des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit 6 zumindest teilweise in mechanische Energie umzuwandeln. Außerdem kann jede Stufe der Einheit 4 einen stationären Wärmetauscher 16 aufweisen, um dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 die Wärme oder Kälte zuzuführen. Die beweglichen Rotorbauteile 15 und die stationären Wärmetauscher 16 sind in Bezug auf eine Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit 6 angeordnet.
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Aus 5 ist zu ersehen, dass der Innendurchmesser der Expansionseinheit 14 in der Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit 6 zunimmt. Auch das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 dehnt sich in der Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit 6 aus. Die Expansion in der Expansionseinheit 14 ist nahezu isotherm, da durch die stationären Wärmetauscher 16 Wärme zugeführt wird.
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Der Durchmesser der adiabatischen Stufe 19 ist gemäß 5 konstant. Bei einer alternativen Anordnung erweitert sich die adiabatische Stufe 19 fortlaufend. Außerdem kann die adiabatische Stufe 19 wie bei einer herkömmlichen Turbine aus mehreren Stufen bestehen.
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6 zeigt eine vergrößerte Ansicht von Teil I von 5. Das bedeutet, dass 6 die adiabatische Stufe 19 und die Zuflusskondensatoreinheit 5 genauer zeigt. Ein Pfeil 35 zeigt die Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit 6 an. Zu erkennen ist, dass die adiabatische Stufe 19 drei Rotorbauteile 15a, 15b, 15c und keinen stationären Wärmetauscher 16 aufweist. Das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 dehnt sich weiter aus, und in der adiabatischen Stufe 19 wird keine Wärme ausgetauscht. Deshalb beginnt das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 sich abzukühlen und zu kondensieren.
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6 zeigt, dass die adiabatische Stufe 19 einen konstanten Durchmesser hat. Bei einer alternativen Konfiguration erweitert sich die adiabatische Stufe 19 jedoch fortlaufend.
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Sodann gelangt das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 in die Zuflusskondensatoreinheit 5. Die Zuflusskondensatoreinheit 5, die in 6 gezeigt ist, weist zwei stationäre Wärmetauscher 16a, 16b auf. Jeder stationäre Wärmetauscher 16a, 16b weist eine Mehrzahl Rippen 37 auf, um mit dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 Wärme auszutauschen. Außerdem weist die Einheit 4 ein Rotorbauteil 15d im dem Bereich der Zuflusskondensatoreinheit 5 auf. Die stationären Wärmetauscher 16a, 16b sind mit dem geschlossenen Kreislauf 28 der Arbeitsflüssigkeit 6 verbunden. Durch die stationären Wärmetauscher 16a, 16b strömt jedoch eine kalte Arbeitsflüssigkeit 6, wodurch die stationären Wärmetauscher 16a, 16b gekühlt werden. Das in der durch den Pfeil 35 angezeigten Richtung strömende Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 wird an den Stellen der stationären Wärmetauscher 16a, 16b gekühlt. Da die Arbeitsflüssigkeit 6 aufgrund des Kondensationsprozesses auch erwärmt wird, findet in der Zuflusskondensatoreinheit 5 ein zyklischer Rückkühlungsprozess statt.
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Die Kondensation erfolgt hauptsächlich an den Nanopartikeln 8 sowie an den Oberflächen innerhalb der Zuflusskondensatoreinheit 5. Die Nanopartikel 8 wirken als Keime für den Kondensationsprozess. Die Arbeitsflüssigkeit 6 kondensiert zumindest teilweise, während sie durch die Zuflusskondensatoreinheit 5 strömt. Das ist möglich, da die Nanopartikel 8 in der Arbeitsflüssigkeit 6 die Kondensationsfläche insgesamt erhöhen, während die Arbeitsflüssigkeit durch die Zuflusskondensatoreinheit 5 strömt.
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7 zeigt ein schematisches Schaubild der Dampfqualität in der Einheit 4 zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie. Der Anteil des Gases an der Masse des Flüssigkeits-Gas-Gemischs wird als Dampfqualität bezeichnet. Die Ordinate 38 zeigt die Stelle in der Einheit 4. Wenn das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 die adiabatische Stufe 19 verlässt und in die Zuflusskondensatoreinheit 5 eintritt, beträgt die Dampfqualität zwischen 100 und 80%. Wenn nun das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 die Zuflusskondensatoreinheit 5 verlässt und in die Kondensatoreinheit 20 eintritt, beträgt die Dampfqualität zwischen 60 und 40%.
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5 zeigt, dass das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 nach dem Verlassen der Zuflusskondensatoreinheit 5 in die Kondensatoreinheit 20 eintritt. In der Kondensatoreinheit 20 findet die verbleibende Kondensation statt, sodass sich die Arbeitsflüssigkeit 6 im flüssigen Aggregatzustand befindet, wenn sie die Kondensatoreinheit 20 verlässt.
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8 zeigt einen veränderten thermodynamischen Kreisprozess in einem T-s-Diagramm gemäß einem Betrieb einer Einheit 4, die der in 5 gezeigten ähnlich ist. In dieser ähnlichen Einheit 4 nimmt der Querschnitt der adiabatischen Stufe 19 zu. Die Abszisse 1 stellt die Entropie S und die Ordinate 2 die absolute Temperatur T des Systems dar. Eine Kurve 3 stellt die Sättigungsdampfkurve einer verwendeten Arbeitsflüssigkeit, zum Beispiel Dampf, dar. Der veränderte thermodynamische Kreisprozess weist eine adiabatische Kompression der Arbeitsflüssigkeit (A → B), eine Wärmezufuhr zur Arbeitsflüssigkeit (B → C) in dem Rohrkessel 34 und anschließend eine annähernd isotherme Expansion (C → C') in der Expansionseinheit 14 auf. Die zwischen den Punkten C und C' gezeigte zahnförmige Struktur stellt eine Reihe von Expansionen der Arbeitsflüssigkeit 6 dar, wobei jede Expansion von einem Wiedererwärmen der Arbeitsflüssigkeit 6 begleitet ist. Aufgrund der adiabatischen Expansion der Arbeitsflüssigkeit 6 und einer weiteren Verdampfung eines Teils der Flüssigphase des Flüssigkeits-Gas-Gemischs in der Expansionseinheit 14 sinkt die Temperatur, was aus den vertikalen Abschnitten der Kurve zwischen C und C' ersichtlich ist. Der Temperaturrückgang wird anschließend durch Wärmezufuhr in jedem stationären Wärmetauscher 16 der Expansionseinheit 14 ausgeglichen. Dies zeigt sich an den ansteigenden Abschnitten, die auf die vertikalen Abschnitte folgen.
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Nach dem Verdampfen der restlichen Flüssigphase in dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch wird die Arbeitsflüssigkeit in einer adiabatischen Stufe 19 der Einheit 4 adiabatisch expandiert (C' → D'). Der in 4 gezeigte thermodynamische Kreisprozess ist mit einer Wärmefreisetzung (D' → A) in der Zuflusskondensatoreinheit 5 und in der Kondensatoreinheit 20 abgeschlossen. Aufgrund des Kondensationsprozesses in der Zuflusskondensatoreinheit 5 wird der Arbeitsflüssigkeit 6 Wärme zugeführt, d. h., die Temperatur steigt, was aus den ansteigenden Abschnitten der Kurve zwischen D' und D ersichtlich ist. In der Zuflusskondensatoreinheit 5 wird durch jeden stationären Wärmetauscher 16 der Zuflusskondensatoreinheit 5 Wärme entzogen. Dies zeigt sich an den vertikalen Linien, die auf die ansteigenden Abschnitten folgen. Im Grunde können die vertikalen Linien auf dreierlei Weise zustande kommen. Ersten durch Kühlung durch die stationären Wärmetauscher 16. Zweitens durch Expansion und Entzug mechanischer Energie durch die Rotorbauteile 15. Drittens durch Volumenvergrößerung.
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Die offenbarte Einheit 4 und das offenbarte Verfahren werden vorzugsweise so umgesetzt, dass eine Expansion oder Kondensation des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit 6 annähernd isotherm erfolgt. Es ist klar, dass sich der Prozessabschnitt zwischen C und C' sowie zwischen D' und D gemäß 8 in einem begrenzten Temperaturbereich abspielt, der durch die Zähne der Kurven definiert ist. Die Höhe oder Amplitude der Zähne innerhalb des Temperaturbereichs wird als annähernd isotherm angesehen.
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9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Einheit 4 zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Einheit von 9 ist der Einheit von 5 sehr ähnlich. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Einheit 4 von 9 keine Kondensatoreinheit 20 aufweist. Stattdessen ist die Einheit 4 von 9 mit einem herkömmlichen Kondensator 17 verbunden. Natürlich kann eine abschließende Kondensation der Arbeitsflüssigkeit 6 in einem herkömmlichen Kondensator 17 erfolgen, der mit der Einheit 4 verbunden ist, nachdem die Arbeitsflüssigkeit 6 die Zuflusskondensatoreinheit 5 durchlaufen hat.
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10 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie gemäß einer Ausführungsform. Die Verfahrensschritte werden nicht unbedingt in der im Ablaufplan von 10 gezeigten Reihenfolge ausgeführt. In einem ersten Schritt S1 wird eine Arbeitsflüssigkeit 6 erhitzt, die Nanopartikel aufweist, um ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 zu erzeugen. Das kann in einem Heizkessel erfolgen, zum Beispiel in einem Rohrkessel 34. Die Nanopartikel können den Siedeprozess unterstützen.
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In einem zweiten Schritt S2 wird das erzeugte Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 expandiert. Aufgrund der Expansion des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit 6 und einer weiteren Verdampfung eines Teils der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 sinkt die Temperatur des Flüssigkeits-Gas-Gemischs. Der Temperaturabfall wird durch Wärmezufuhr zum Flüssigkeits-Gas-Gemisch zumindest teilweise ausgeglichen. Deshalb verläuft die Expansion nahezu isotherm.
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In einem dritten Schritt S3 wird die innere und/oder kinetische Energie des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit 6 in mechanische Energie umgewandelt, die einem beweglichen Bauteil zugehörig ist, zum Beispiel einem Rotorbauteil 15.
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In einem vierten Schritt S4 wird das Flüssigkeits-Gas-Gemisch der Arbeitsflüssigkeit 6 in einer Zuflusskondensatoreinheit 5 derart kondensiert, dass eine Kondensation zumindest teilweise an den Nanopartikeln als Kondensationskeime beginnt. Außerdem wird das Verfahren in einem thermodynamischen Kreisprozess verwendet. Das gesamte Verfahren kann wiederholt werden, was durch den gestrichelten Pfeil angezeigt ist. Das Verfahren kann zum Beispiel in einem thermodynamischen Kreisprozess verwendet werden, um einen Stromgenerator anzutreiben. Die Kondensation in der Zuflusskondensatoreinheit 5 verläuft annähernd isotherm. Während des Kondensierens des Flüssigkeits-Gas-Gemischs der Arbeitsflüssigkeit 6 in der Zuflusskondensatoreinheit 5 wird über die stationären Wärmetauscher 16 Wärme abgeführt.
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Durch eine Mehrzahl stationärer Wärmetauscher 16 wird ein zyklisches Rückkühlen während der Kondensation in der Zuflusskondensatoreinheit ermöglicht. Deshalb kann eine isotherme Kondensation verwirklicht werden.
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Es ist klar, dass die dargestellten Ausführungsformen verändert werden können, ohne von dem in dieser Offenbarung dargestellten allgemeinen Grundgedanken abzuweichen. Insbesondere können die Anzahl und Form der Module, Bereiche, Rotorbauteile, stationären Wärmetauscher, Leitungen usw. je nach Anwendung des Systems variieren.
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Zwar ist die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden, jedoch ist dem Fachmann allgemein klar, dass daran verschiedene Änderungen vorgenommen und entsprechende Elemente ausgetauscht werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem können zum Anpassen einer bestimmten Situation an die Lehren der vorliegenden Erfindung viele Änderungen vorgenommen werden, ohne von deren Schutzumfang abzuweichen. Deshalb soll die vorliegende Erfindung nicht auf einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abszisse
- 2
- Ordinate
- 3
- Sättigungsdampfkurve
- 4
- Einheit zum Umwandeln von Wärme in mechanische Energie
- 5
- Zuflusskondensatoreinheit
- 6
- Arbeitsflüssigkeit
- 7
- Flüssigkeit
- 8
- Nanopartikel
- 9
- Heizkessel
- 10
- Heizkesselzufluss
- 11
- Zuflussleitung
- 12
- Heizkesselabfluss
- 13
- Zufluss der Expansionseinheit
- 14
- Expansionseinheit
- 15
- Rotorbauteil
- 16
- stationärer Wärmetauscher
- 17
- herkömmlicher Kondensator
- 18
- Pumpe
- 19
- adiabatische Stufe
- 20
- Kondensatoreinheit
- 21
- Turbine
- 22
- Welle
- 23
- Wärmequelle
- 24
- geschlossener Kreislauf der Wärmequelle
- 25
- Wärmeaustauscheinheit
- 26
- Kältequelle
- 27
- geschlossener Kreislauf der Kältequelle
- 28
- geschlossener Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit
- 29
- Pumpe
- 30
- Pumpe
- 31
- Pumpe
- 32
- erster Heizkesselbereich
- 33
- zweiter Heizkesselbereich
- 34
- Rohrkessel
- 35
- Pfeil
- 36
- Gehäuse
- 37
- Rippen
- 38
- Ordinate
- d
- Innendurchmesser der Expansionseinheit
- S1–S4
- Verfahrensschritte
- VQ
- Dampfqualität
- y
- Kanalrichtung des Rohrkessels
