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Die
Erfindung betrifft eine Entspannungsrichtung zur Umwandlung von
in einem Verdampfer anfallender Wärmeenergie in mechanische Energie durch
Entspannung eines dampfförmigen
Arbeitsmittels, das in dem Verdampfer verdampft und in einer Entspannungsvorrichtung
entspannt wird. Durch die Entspannungsvorrichtung wird Wärmeenergie
in mechanische Energie umgewandelt.
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Aus
dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren sowie Vorrichtungen
zur Umwandlung von Wärmeenergie
in mechanische Energie bekannt. Es sind beispielsweise Wärmekraftanlagen
bekannt, in denen in einem Kessel ein Arbeitsmittel bei einem hohen Druck
isobar bis zum Siedepunkt erwärmt
wird, verdampft und anschließend
in einem Überhitzer
noch überhitzt
wird. Der Dampf wird anschließend
in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit adiabat entspannt
und in einem Kondensator unter Wärmeabgabe
verflüssigt.
Die Flüssigkeit,
in der Regel Wasser, wird von der Speisewasserpumpe auf einen Druck
gebracht und wieder in den Kessel gefördert. Einer der Nachteile
dieser Vorrichtungen ist, dass bei den Entspannungsprozessen in
Turbinen hohe Drücke
von über
15 bar bis 200 bar erzeugt werden müssen, da bei Turbinen das realisierte
Druckverhältnis
der Entspannung für
den erreichten Wirkungsgrad entscheidend ist. Dies ist der wesentliche
Grund dafür,
dass in großen
Entspannungsturbinen der Dampf in das Vakuum hinein entspannt wird,
wodurch die Kondensation bei relativ tiefen Temperaturen um die
40°C erfolgt.
Die bei der Kondensation anfallende Kondensationswärme wird im
Wärmetausch
mit Kühlsystemen
abgeführt.
Diese als Abwärme
abgeführte
Kondensationswärme
bestimmt wesentlich den mit thermischen Entspannungsprozessen in
Turbinen erreichbaren Wirkungsgrad.
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Auch
bekannte Umwandlungsanlagen mit organischen Lösemitteln als Arbeitsmittel
(ORC-Anlagen, Organic
Rankine Cycle) oder der Kalina-Prozess mit einem Gemisch aus Wasser
und Ammoniak basieren auf dem beschriebenen Dampfkraftprozess mit
Verdampfung und Kondensation; sie sind lediglich technische Modifikationen,
um entweder mit niedrigeren Temperatur- und Druckniveaus arbeiten zu
können
und/oder durch eine bessere Wärmenutzung
mit einem Siedebereich den Wirkungsgrad zu verbessern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umwandlung
von Wärmeenergie
in mechanische Energie zu schaffen, die die genannten Nachteile
vermeiden, insbesondere einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 vorgeschlagen. In den abhängigen
Ansprüchen
sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.
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Dazu
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Entspannungsvorrichtung als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung ausgeführt ist,
die als Wälzkolbengebläse ausgebildet
ist, in dem das Arbeitsmittel entspannt wird und dabei Wärmeenergie
in mechanische Energie umgewandelt wird. Das Wälzkolbengebläse als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung
hingegen weist erfindungsgemäß den Vorteil auf,
dass diese mit geringer Gasreibung arbeiten kann und gleichzeitig
gegen Flüssigkeitstropfen
unempfindlich ist. Des Weiteren erreicht das Wälzkolbengebläse bei Drehgeschwindigkeit,
bei denen die Dichtkante am Außenradius
Geschwindigkeiten von mehr als etwa 1/10 der Schallgeschwindigkeit
erreicht, einen besonders hohen volumetrischen Wirkungsgrad, da
der Spalt bei diesen Geschwindigkeiten als dynamische Dichtung wirkt.
Das Wälzkolbengebläse, das
in Form einer Ovalradpumpe ausgeführt sein kann, kann bei Druckdifferenz
von 500 mbar mit einem vollen Wirkungsgrad arbeiten und in einem
geschlossenen System bei Drücken
von 10 bis 0,5 bar eingesetzt werden. Eine weiterer Vorteil ist, dass
bei den genannten Entspannungsvorrichtungen nur die Druckdifferenz
und nicht die Masse oder das Entspannungsverhältnis für den Wirkungsgrad maßgebend
ist. Bei bereits kleinen Druckdifferenzen von weniger als zwei bar
kann ein voller Wirkungsgrad erreicht werden. Die physikalische
Begründung
liegt in der hohen Wirkzeit von nahezu 95% in der Pumpe, da es sich
tatsächlich
nicht um eine herkömmliche Entspannung
im Sinne eines Verdichters handelt, sondern die Entspannung durch
den Austritt des Gases in den Druckstutzen erfolgt. Ein- und Ausströmen mit
Vergrößerung oder
Verringerung des Schöpfvolumens
findet im Wälzkolbengebläse nicht
statt, sondern das Einströmen
des Gases erfolgt parallel zum Transport des Gases über die
Drehbewegung bei konstantem Volumen und dadurch bei vollem Wirkungsgrad.
Das Wälzkolbengebläse und andere
vergleichbare erfindungsgemäße Niederdruck-Entspannungsvorrichtungen
zeichnen sich hier gegenüber anderen
Entspannungsvorrichtungen aus, bei denen durch Änderung des Schöpfvolumens
selbst die Druckänderung
erfolgt. Dies hat zur Folge, dass die Wirkzeit dieser Vorrichtung
sehr viel kleiner ist. Während
des Entspannungsvorganges wird die Wärmeenergie des dampfförmigen Arbeitsmittels
zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt. Vorteilhafterweise
ist das Wälzkolbengebläse mit einem Generator
verbunden, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
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Erfindungsgemäß kann das
entspannte Arbeitsmittel in einem Wärmetauscher kondensiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann zumindest ein Teil des kondensierten Arbeitsmittels
während
des Entspannungsprozesses in das Wälzkolbengebläse eingespritzt
werden, beispielsweise bis zu 16% des Masseanteils, wobei erfindungsgemäß das eingespritzte
Arbeitsmittel im Wälzkolbengebläse im Wärmetausch
mit dem Dampf diesen teilweise im Gebläse kondensiert und dadurch
die wirkende Druckdifferenz der Entspannung vergrößert. In
einer möglichen
Alternative ist ein Seperator dem Wärmetauscher nachgeschaltet,
der einen Teil des kondensierten Arbeitsmittels für die Einspritzung
in das Wälzkolbengebläse entnimmt. Zweckmäßigerweise
fördert
eine Pumpe, die dem Separator wiederum nachgeschaltet ist, das kondensierte
Arbeitsmittel in den Verdampfer zurück.
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Um
eventuell auftretende Flüssigkeitsschäden durch
den Zusammenprall der schnell rotierenden Kolben mit Tröpfchen zu
verhindern, erfolgt in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
eine druckgesteuerte Einspritzung.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren eine erste Komponente des Arbeitsmittels auf,
das durch ein Gemisch gebildet ist, in und/oder nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung
mittels eines Absorptionsmittels absorbiert wird, wobei Wärme auf die
verbleibende, dampfförmige
zweite Komponente übergeht,
die rückführbar ist.
In einer Ausführungsform
der Erfindung ist das Gemisch bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der
Komponenten ein Azeotrop mit Siedepunktminimum. Bei azeotrop verdampfenden
Gemischen mit Siedepunktminimum lassen sich je nach Typ die Verdampfungstemperaturen
absenken, so dass diese unter den Kondensationstemperaturen der
einzelnen Komponenten liegen. Wird aus dem Dampfgemisch adiabat
die erste Komponente absorbiert, so geht die entsprechende Wärme auf
die dampfförmig
verbleibende zweite Komponente über.
Der Entzug der Kondensationswärme
kann dadurch auf einem erhöhten
Temperaturniveau erfolgen. Insbesondere kann bei geeignet ausgewählten Azeotropmischungen
die zweite dampfförmige
Komponente im Verdampfer des Arbeitsmittels selbst unter Abgabe
der Kondensationswärme
kondensiert werden, so dass der entsprechende Anteil der Wärmeenergie
in den Prozess zurückgeführt werden
kann. Sofern die zu absorbierende erste Komponente Wasser ist, kann
als Absorptionsmittel beispielsweise eine alkalische Silikatlösung eingesetzt
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann das Arbeitsmittel, beispielsweise ein azeotropes Gemisch aus
Wasser mit Perchloräthylen
oder Silikon, zum Beispiel durch Wärmetausch mit Primärenergie aus
Prozessdämpfen
oder erwärmten
Prozessflüssigkeiten
und/oder Wärmespeichern
verdampft werden. Die Absorption, bei der erfindungsgemäß die anfallende
Absorptionswärme
auf die zweite dampfförmig
verbleibende Komponente übertragen
wird, wo durch sich diese Komponente auf ein Temperaturniveau oberhalb
der Siedetemperatur des azeotropen Gemisches erwärmt, kann in und/oder nach
der Entspannungsvorrichtung erfolgen. Einer der wesentlichen Vorteile
ist hierbei, dass durch die Entspannung des azeotropen Gemisches
im Wälzkolbengebläse mechanische
Energie „gewonnen" werden kann und
gleichzeitig das entspannte Arbeitsmittel, das im Entspannungsprozess
bereits „Arbeit" geleistet hat, durch
die Trennung (Absorption) der ersten von der zweiten Komponente
sich aufgrund der freiwerdenden Absorptionswärme erwärmt. Hierbei kann das verbleibende
Arbeitsmittel nach der Entspannung zurückgeführt werden, um beispielsweise in
dem Wärmetauscher
seine Wärme
abzugeben. Zum Beispiel ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung
möglich,
dass das verbleibende Arbeitsmittel (nur zweite Komponente) in den
Wärmetauscher (Verdampfer)
geleitet wird, in dem das verbleibende Arbeitsmittel kondensiert
und aufgrund der entstehenden Kondensationswärme das flüssige Arbeitsmittel mit der
ersten und der zweiten Komponente verdampft und anschließend wieder
in die Entspannungsvorrichtung geführt wird. Hierdurch kann erfindungsgemäß der Wirkungsgrad
des Verfahrens zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie
wesentlich verbessert werden.
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Das
Arbeitsmittel ist vorzugsweise durch ein azeotropes Gemisch mit
Siedepunktminimum oder nahezu azeotropes Gemisch gebildet. Im folgenden wird
die Erfindung mit einem azeotropen Gemisch beschrieben, selbstverständlich kann
die Erfindung ebenfalls auf nahezu azeotrope Gemische beziehungsweise
auf nicht azeotrope Gemische bezogen werden. Hohe Wirkungsgrade
lassen sich besonders mit einem azeotropen oder einem nahezu azeotropen
Gemisch erzielen. Bei einem Einsatz eines azeotropen Gemisches können je
nach Typ die Verdampfungstemperaturen abgesenkt werden, so dass diese
unter den Verdampfungstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Arbeitsmittel eine geringe volumenspezifische beziehungsweise
geringe molare Verdampfungsenthalpie auf. Damit wird erreicht, dass
mit einer vorgegebenen Menge an Wärmeenergie eine große Menge
an Treibdampf erzeugt wird. Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein
Lösemittelgemisch,
das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten aufweist.
Beispiele hierfür
sind etwa Gemische aus Wasser und ausgewählten Silikonen. Vorteilhafterweise
kann auch mindestens eine Komponente ein protisches Lösemittel
sein.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist das Absorptionsmittel ein reversibles immobilisierbares Lösemittel,
das in dem nicht-immobilisierten Aggregatzustand die erste Komponente
des Arbeitsmittels ist. Das reversible Lösemittel im siedenden Arbeitsmittel
kann sich vorteilhafterweise durch physikalisch-chemische Veränderungen
so verändern,
in dem es durch Ionisieren oder Komplexbildung aus der Dampfphase
von dem nicht-immobilisierten Zustand in den reversibel immobilisierten
Zustand verändert
werden kann und in der nicht-immobilisierten Form
als Absorptionsmittel für
das Arbeitsmittel wirkt. Somit enthält das dampfförmige Arbeitsmittel
vor der Entspannung bereits das Absorptionsmittel (im nicht-immobilisierten Zustand).
Das reversibel immobilisierte Lösemittel
ist in einem dampfförmigen
Aggregatzustand und geht durch physikalisch-chemische Veränderungen – wie zum
Beispiel pH-Verschiebung, Veränderung
des Molenbruches und der Temperatur in seiner Flüchtigkeit und/oder in seinem Dampfdruck – in den
flüssigen
Zustand über
(vergleichbar mit Dampf als Lösemittel
in nicht-immobilisierter Form und Wasser als reversibel immobilisierbares
Lösemittel).
Der Vorteil ist hierbei, dass das Arbeitsmittel aus zwei Komponenten
besteht, wobei gleichzeitig die eine Komponente im reversiblen immobilisierten
Zustand als Absorptionsmittel für
die andere Komponente wirkt. Als pH-abhängige reversibel immobilisierbare
Lösemittel
können
beispielsweise zyklische Stickstoffverbindungen – wie Pyridine – eingesetzt
werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Entspannungsvorrichtung als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung ausgebildet
ist, die als Wälzkolbengebläse ausgeführt ist.
Hierbei laufen zwei Rotoren auf elliptischen oder ovalförmigen Wälzkurven
aufeinander ab. Bekannte Beispiele sind etwa die Ovalradpumpe oder
das Rootsgebläse.
Mit mehrflügeligen
Rotoren können
elliptische Wälzkurven
höherer Ordnung
realisiert werden. Ein Vorteil von Wälzkolbengebläsen mit
mehrflügeligen
Rotoren liegt etwa in einer Reduzierung der wirkenden Pulsationen,
da das Kammervolumen, bezogen auf das Schöpfvolumen, kleiner ist und
die Frequenz des Gasaustritts zunimmt. Zweckmäßigerweise weist das Wälzkolbengebläse eine
gasdichte Dichtung zwischen dem Schöpfraum und dem Getrieberaum
auf, um den Eintritt von Öl
in das dampfförmige
Arbeitsmittel zu verhindern.
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Das
Wälzkolbengebläse weist
ferner eine Welle auf, die mit dem Generator verbunden werden kann,
wodurch die mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden
kann. Die Verwendung von einem Wälzkolbengebläse als Niederdruckentspannungsvorrichtung
eröffnet,
insbesondere bei der Nutzung von Abwärme mit einer Temperatur von
weniger als ungefähr
100°C, für den Antrieb
von beispielsweise Pumpen oder Generatoren die Möglichkeit, zum einen den Prozess
durch Einspritzung von Absorptionsmitteln zu unterstützen, und
zum anderen wegen der geringen Druck- und Temperaturdifferenzen
die Kondensationsenergie des Arbeitsmittels, beispielsweise mit
einer Wärmepumpe,
wieder auf ein erhöhtes
Temperaturniveau zu heben.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die
in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten Merkmale
jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt
ein Verfahren zur Umwandlung von in einem Verdampfer 6 anfallender
Wärmeenergie
in mechanische Energie durch Entspannung eines dampfförmigen Arbeitsmittels,
das in dem Verdampfer 6 verdampft und in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung 2 entspannt
wird. Das Arbeitsmittel ist in diesem Ausführungsbeispiel Wasser, das im
dampfförmigen
Aggregatzustand zur Entspannungsvorrichtung 2, die als
Wälzkolbengebläse 2 ausgebildet
ist, gefördert
wird. Während
des Entspannungsprozesses wird im Wälzkolbengebläse 2 die
im Arbeitsmittel enthaltende Wärmeenergie
in mechanische Energie umgewandelt. Das Wälzkolbengebläse 2 ist
mit einem Generator 1 verbunden und treibt diesen an, so
dass mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Der
entspannte Treibdampf wird in einem Wärmetauscher 7 kondensiert.
Vorzugsweise ist der Verdampfer 6 mit dem Wärmetauscher 7 verbunden, wobei
das Kondensat mittels der Pumpe 9 zurück in den Verdampfer 6 gefördert wird.
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Dem
Wärmetauscher 7 ist
ein Separator 3 nachgeschaltet, der einen Teil des kondensierten
Arbeitsmittels für
die Einspritzung in das Wälzkolbengebläse 2 entnimmt.
Das Wälzkolben gebläse 2 weist mehrere
nicht dargestellte Einspritzöffnungen
auf, durch die das kondensierte Arbeitsmittel in den Schöpfraum des
Wälzkolbengebläses 2 eingedüst wird,
wobei ein Teil des dampfförmigen
Arbeitsmittels im Wälzkolbengebläse 2 kondensiert,
wodurch der Ausgangsdruck reduziert und damit der Wirkungsgrad verbessert
wird. Durch die Druckdifferenz gegenüber dem am Auslass des Wälzkolbengebläses 2 angeschlossenen
Wärmetauscher 7 werden
die im Wälzkolbengebläse 2 angeordneten
Rotoren von dem sich entspannenden Arbeitsmittel in Bewegung gesetzt,
und die mit der Entspannung eingehende Entropieänderung wird als mechanische
Energie abgegeben. Eine Pumpe 9 ist dem Separator 3 nachgeschaltet,
die das kondensierte Arbeitsmittel in den Verdampfer 6 zurückfördert.