DE202011110127U1

DE202011110127U1 - Druckreduktion von gasförmigen Arbeitsmitteln

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Publication number: DE202011110127U1
Application number: DE202011110127U
Authority: DE
Original assignee: HUCON Swiss AG
Current assignee: HUCON Swiss AG
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: DE102011055841A9; RU160735U1; US20150000261A1; EP2785984A1; WO2013079271A1; UA105058U; DE102011055841A1

Abstract

Vorrichtung, umfassend: – Druckreduzierungsmittel (110, 110'), – Entspannungsmittel (120, 120'), die parallel zu den Druckreduzierungsmitteln (110, 110') angeordnet sind, – wobei die Druckreduzierungsmittel (110, 110') und die Entspannungsmittel (120, 120') dazu eingerichtet sind, einen Druck eines gasförmigen Arbeitsmittels (150, 150') zu reduzieren, wobei ein Teil (121, 121') des gasförmigen Arbeitsmittels (150, 150') durch die Entspannungsmittel (120, 120'), und – wobei die Entspannungsmittel (150, 150') dazu eingerichtet sind, zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie durch Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels in mechanische Energie umzuwandeln.

Description

Der Gegenstand betrifft ein Vorrichtung zur Druckreduzierung von gasförmigen Arbeitsmitteln bei einhergehender Erzeugung von mechanischer Energie.
Die im Jahr 2011 von der deutschen Bundesregierung beschlossene Energiewende wird durch zwei wesentliche Ziele bestimmt: Zum einen soll Ersatz fossiler Energien durch erneuerbare Energie geschaffen werden, und zum anderen soll eine Verbesserung der Energieeffizienz bei Umwandlungsprozessen herbeigeführt werden.
Zur Verbesserung der Energieeffizienz wurde insbesondere das Gesetz zur Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Gesetz) erlassen. Das KWK-Gesetz sieht unter anderem einen Mindest-Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie als gekoppelte Netzenergien Wärme und Strom vor.
Basierend hierauf lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Energieeffizienz für Netze mit gasförmigen Arbeitsmitteln, wie beispielsweise einem Dampfnetz, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gegenständlich gelöst durch eine Vorrichtung, umfassend Druckreduzierungsmittel, Entspannungsmittel, die parallel zu den Druckreduzierungsmitteln angeordnet sind, wobei die Druckreduzierungsmittel und die Entspannungsmittel dazu eingerichtet sind, einen Druck eines gasförmigen Arbeitsmittels zu reduzieren, wobei ein Teil des gasförmigen Arbeitsmittels durch die Entspannungsmittel geführt wird, und wobei die Entspannungsmittel dazu eingerichtet sind, zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie durch Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels in mechanische Energie umzuwandeln.
Diese Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung gegenständlich gelöst durch ein System, umfassend ein Netz zur Verteilung eines gasförmigen Arbeitsmittels, Arbeitsmittelbereitstellungsmittel, die an das Netz angeschlossen sind und die dazu eingerichtet sind, ein gasförmiges Arbeitsmittel mit einem bestimmten Druckniveau in das Netz einzuspeisen, und eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, welche derart in dem Netz angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des von den Arbeitsmittelbereitstellungsmittel in das Netz eingespeisten gasförmigen Arbeitsmittels eingangsseitig in die Vorrichtung geleitet wird, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das eingangsseitig eingespeiste gasförmige Arbeitsmittel ausgangsseitig druckreduziert auszugeben.
Beispielsweise kann die Vorrichtung Mittel zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels aufweisen, welche mit den Entspannungsmitteln und den Druckreduzierungsmitteln verbunden sind. Diese Mittel zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels sind dazu eingerichtet, den Teil des gasförmigen Arbeitsmittels zu den Entspannungsmitteln zu leiten, welcher von den Entspannungsmitteln entspannt wird. Dieser Teil kann 100 des den Mitteln zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels zugeführten gasförmigen Arbeitsmittels betragen, wobei in diesem Fall die Mittel zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels den Druckreduzierungsmitteln kein gasförmiges Arbeitsmittel zuführen und der Gesamtteil des gasförmigen Arbeitsmittel den Entspannungsmitteln zugeführt werden. In diesem Fall können die Entspannungsmittel beispielsweise als Umgehung zu den Druckreduzierungsmitteln betrachtet werden, wobei die Entspannungsmittel derart parallel zu den Druckreduzierungsmittel angeordnet sind, dass das komplette gasförmige Arbeitsmittel an den Druckreduzierungsmittel vorbei und durch die Entspannungsmittel hindurch geleitet werden können. Somit kann beispielsweise in einer bestehenden Anlage ein vorhandenes Druckreduzierungsmittel, wie beispielsweise ein Druckreduzierungsventil, durch die Entspannungsmittel, welches beispielsweise nachgerüstet werden kann, vollständig umgangen werden, so dass die Entspannungsmittel beispielsweise die gleiche oder eine ähnliche Druckreduzieraufgabe wahrnehmen können, welche vorher von den Druckreduzierungsmittel wahrgenommen wurde. Die Druckreduzierungsmittel bleiben weiterhin dazu eingerichtet, einen Druck zu reduzieren. So können die Druckreduzierungsmittel beispielsweise bei einem Fehlerfall des Entspannungsmittels eingeschaltet werden und den notwendigen Druckabfall veranlassen, wobei in diesem Fehlerfall die Mittel zum Verteilen das gasförmigen Arbeitsmittel beispielsweise derart umschalten können, dass das gasförmige Arbeitsmittel z. B. vollständig oder zum überwiegenden Teil über die Druckreduzierungsmittel geleitet werden.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass ein weiterer Teil des gasförmigen Arbeitsmittels durch die Druckreduzierungsmittel geführt wird. Die Mittel zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels können beispielsweise auch dazu eingerichtet sein, den Entspannungsmitteln einen Anteil des gasförmigen Arbeitsmittels zuzuführen, wobei dieser Anteil bei größer 0% bis kleiner 100% des Gesamtteils des den Mitteln zum Verteilen zugeführten gasförmigen Arbeitsmitteln liegen kann, so dass dieser Anteil des gasförmigen Arbeitsmittels derjenige Teil des gasförmigen Arbeitsmittels darstellt, der durch die Entspannungsmittel geführt wird, und wobei die Mittel zum Verteilen gleichzeitig dazu eingerichtet sind, einen weiteren Anteil der gasförmigen Arbeitsmittel durch die Druckreduzierungsmittel zu leiten. In diesem Fall können die Entspannungsmittel beispielsweise als parallel zu den Druckreduzierungsmittel angeordneter Bypass betrachtet werden, wobei der durch die Entspannungsmittel geleitete Teil des gasförmigen Arbeitsmittel eine Untermenge des gasförmigen Arbeitsmittels darstellt, welches dem Mittel zum Verteilen zugeführt wird. Somit übernehmen für diesen Fall sowohl die Druckreduzierungsmittel als auch die Entspannungsmittel einen Beitrag zur Druckreduktion des gasförmigen Arbeitsmittels.
Die Mittel zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels können beispielsweise aus dem gasförmigen Arbeitsmittel neben dem Teil, der durch die Entspannungsmittel geführt wird, und dem weiteren Anteil auch noch eine oder mehrere andere Anteile herausteilen.
Die Betriebsmittelbereitstellungsmittel sind entsprechend dem gewählten gasförmigen Arbeitsmittel angepasst. Stellt das gasförmige Arbeitsmittel beispielsweise Dampf dar, so können die Betriebsmittelbereitstellungsmittel einen Dampferzeuger, wie z. B. einen Dampfkessel, darstellen. Die Betriebsmittelbereitstellungsmittel können aber auch beispielsweise einen Biomassegaserzeuger darstellen, oder einen Drucklufterzeuger oder ein sonstiges Betriebsmittelbereitstellungsmittel, welches das gasförmige Arbeitsmittel bereitstellt.
Das gasförmige Arbeitsmittel kann beispielsweise ein dampfförmiges Arbeitsmittel, beispielsweise für ein Dampfnetz, oder ein gasförmiges Arbeitsmittel für ein Kohlensäurenetz, oder ein im wesentlichen aus Luft bestehendes Arbeitsmittel für Druckluftnetze, oder beispielsweise ein erdgashaltiges Arbeitsmittel für Erdgasnetze darstellen, oder beispielsweise Stickstoff für Stickstoffnetze darstellen.
Des weiteren kann der Druckbereich der gasförmigen Arbeitsmittel im Niederdruckbereich liegen, beispielsweise im Druckbereich zwischen 1 bar und 10 bar, insbesondere im Druckbereich bis 5 bar, oder im Druckbereich bis 3 bar. Der Druckbereich der gasförmigen Arbeitsmittel kann jedoch auch hiervon abweichen.
Die Druckreduzierungsmittel sind dazu eingerichtet, den Druck eines eingangsseitig zugeführten weiteren Teils des gasförmigen Arbeitsmittels zu reduzieren und ausgangsseitig einen entsprechenden druckreduzierten ersten Anteil des gasförmigen Arbeitsmittels auszugeben, falls die Druckreduzierungsmittel nicht vollständig durch die Entspannungsmittel umgangen werden.
Die Entspannungsmittel sind dazu eingerichtet sind, den Druck des eingangsseitig zu den Entspannungsmitteln zugeführten Teils des gasförmigen Arbeitsmittels zu reduzieren und ausgangsseitig einen entsprechenden druckreduzierten Teil des gasförmigen Arbeitsmittels auszugeben.
Ferner sind die Entspannungsmittel dazu eingerichtet sind, zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie durch Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels in mechanische Energie umzuwandeln. Diese Entspannung kann durch Expansion des gasförmigen Arbeitsmittels herbeigeführt werden, wie beispielsweise durch einen invers betriebenen Verdichter. Die umgewandelte mechanische Energie kann beispielsweise an einem Ausgang ausgegeben werden, beispielsweise über eine Welle oder eine Kette oder ähnlichem.
Die Entspannungsmittel sind dazu eingerichtet, während der Druckreduzierung eine mechanische Arbeit zu erzeugen. Somit sind die Entspannungsmittel beispielsweise dazu eingerichtet, während der Entspannung des eingangsseitig zugeführten Teils des gasförmigen Arbeitsmittels zumindest einen Teil einer Exergie dieses ersten Teils des gasförmigen Arbeitsmittel in Anergie umzuwandeln, wodurch eine Entspannung mit einhergehender Erzeugung von Arbeitsleistung erfolgt. Diese Umwandlung einer Exergie in eine Anergie kann beispielsweise durch Verringern eines Temperaturniveaus des zweiten Teils des gasförmigen Arbeitsmittels während der Entspannung durch die Entspannungsmittel erfolgen, wobei Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Dementsprechend kann der ausgangsseitige Teil des gasförmigen Arbeitsmittels ein niedriges Temperaturniveau als der eingangsseitige Teil des gasförmigen Arbeitsmittels aufweisen. Die Entspannungsmittel können daher als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Mittel betrachtet werden.
Somit kann mit den Entspannungsmitteln der Vorrichtung zumindest ein Teil der Exergie des gasförmigen Arbeitsmittels in eine mechanische Energie umgewandelt werden.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Druckreduzierungsmittel nicht dazu eingerichtet sind, mechanische Arbeit zu erzeugen.
Beispielsweise können die Druckreduzierungsmittel derart eingerichtet sein, dass das Temperaturniveau des gegebenenfalls eingangsseitig zugeführten weiteren Teils des gasförmigen Arbeitsmittels während der Druckreduktion durch die Druckreduzierungsmittel im wesentlichen unverändert bleibt, so dass der ausgangsseitig von den Druckreduzierungsmitteln ausgegebene druckreduzierte weitere Teil des gasförmigen Arbeitsmittels im wesentlichen das gleiche oder ein ähnliches Temperaturniveau wie der eingangsseitig zugeführte weitere Teil des gasförmigen Arbeitsmittels aufweist. Somit können die Druckreduzierungsmittel beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Druckreduktion ohne Erbringen einer Arbeitsleistung durchzuführen.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Druckreduzierungsmittel mindestens ein Druckreduzierungsventil darstellen.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die von den Entspannungsmitteln umgewandelte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Entspannungsmittel können auch Energieumwandlungsmittel umfassen, welche dazu eingerichtet sind, die von den Entspannungsmitteln umgewandelte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Für dieses Beispiel kann der optionale Ausgang ein Ausgang zur Ausgabe der umgewandelten elektrischen Energie sein. Beispielsweise können diese Energieumwandlungsmittel einen Generator umfassen, welcher mit der mechanischen Energie angetrieben wird und welcher die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die von den Entspannungsmitteln vorgenommene Entspannung des Teils des Arbeitsmittels, welcher durch die Entspannungsmittel geführt wird, nach einem linear gerichteten Entspannungsprozess folgt.
Der von den Entspannungsmitteln ausgangsseitig ausgegebene druckreduzierte Teil des gasförmigen Arbeitsmittels wird in diesem linear gerichteten Entspannungsprozess nicht in irgendeiner Form dem Eingang der Entspannungsmittel zugeführt, wie es bei einem Kreisprozess der Fall wäre.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Entspannungsmittel eine Gegendruckvorrichtung darstellen.
Bei einer Gegendruckvorrichtung liegt das Druckniveau des ausgangsseitig anliegenden Drucks beispielsweise größer als der Umgebungsdruck der Vorrichtung, wie beispielsweise der Normaldruck, also z. B. größer als ca. 1013,25 mbar.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das gasförmige Arbeitsmittel ein dampfförmiges Arbeitsmittel darstellt, und dass das Umwandeln von zumindest einem Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie durch die Entspannungsmittel das Umwandeln zumindest eines Teils einer Dampfexergie des Teils des gasförmigen Arbeitsmittels, welcher durch die Entspannungsmittel geführt wird, in Dampfanergie umfasst.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Umwandeln von zumindest einem Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie durch die Entspannungsmittel durch Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Energie erfolgt.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass nur soviel Dampfexergie des Teils des dampfförmigen Arbeitsmittels, welches durch die Entspannungsmittel geführt wird, in Dampfanergie umgewandelt wird, dass die Temperatur des von den Entspannungsmitteln entspannten Teils des Arbeitsmittels für eine nachfolgende Heizaufgabe ausreichend ist.
Beispielsweise können die Entspannungsmittel derart ausgelegt sein, dass nur soviel Exergie des Teils des dampfförmigen Arbeitsmittels, welches durch die Entspannungsmittel geführt wird, in Anergie umgewandelt wird, dass die Temperatur des von den Entspannungsmitteln entspannten Teils des Arbeitsmittels für eine nachfolgende Heizaufgabe in einer mit der Vorrichtung verbundenen Senke ausreichend ist. Beispielsweise benötigt diese Senke eine bestimmte Mindesttemperatur zur Gewährleistung der Funktionalität der Senke. Wenn die der Vorrichtung zugeführten gasförmigen Arbeitsmittel eine höhere Temperatur als diese Mindesttemperatur der Senke aufweisen, können die Entspannungsmittel beispielsweise derart ausgelegt sein, dass die Temperatur des druckreduzierten gasförmigen Teils des Arbeitsmittels am Ausgang der Entspannungsmittel derart in der Temperatur gegenüber der Temperatur des eingangsseitig zugeführten Teil des gasförmigen Arbeitsmittels abgesenkt ist, dass die Temperatur des zusammengeführten druckreduzierten gasförmigen Arbeitsmittel im wesentlich der Mindesttemperatur der Senke entspricht, oder oberhalb der Mindesttemperatur der Senke liegt.
Somit kann beispielsweise zum einen sichergestellt werden, dass die Senke mit einem gasförmigem Arbeitsmittel mit hinreichender Mindesttemperatur versorgt wird, wobei gleichzeitig durch die Vorrichtung der Druck des gasförmigen Arbeitsmittel auf ein an die Senke angepasstes Druckniveau reduziert werden kann, und zum anderen kann gleichzeitig durch die Entspannungsmittel der Vorrichtung Wärme aus dem der Vorrichtung zugeführten gasförmigen Arbeitsmittel, welche nicht für die Funktionalität der Senke benötigt wird, zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden.
Hierdurch kann mechanische Energie aus dem der Vorrichtung zugeführten gasförmigen Arbeitsmittel gewonnnen werden, ohne dass die Funktionalität der Senke beeinträchtigt wird, und ohne dass zusätzlicher Brennstoff benötigt wird.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass der von den Druckreduzierungsmitteln gegebenenfalls druckreduzierte weitere Teil des Arbeitsmittels und der von den Entspannungsmitteln druckreduzierte Teil des Arbeitsmittels zu einem druckreduzierten Arbeitsmittel zusammengeführt wird. Dies kann insbesondere dann gelten, wenn auch ein Teil des gasförmigen Arbeitsmittels durch die Druckreduzierungsmittel geführt wird, so dass nach der Druckreduktion durch die Entspannungsmittel und den Druckreduzierungsmittel die jeweiligen druckreduzierten Anteile des gasförmigen Arbeitsmittel zusammengeführt werden, bevor diese beispielsweise zu einer Senke weitergeleitet werden.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Entspannungsmittel mindestens eine der folgenden Vorrichtungen umfassen: Dampfkolbenmotor, Dampfschraubenmotor, Rollkolbenmotor, Wälzkolbengebläse und Scrollmotor.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das gasförmige Arbeitsmittel Bestandteil eines Niederdrucksystems ist.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Verfahren in einem der folgenden Netze angewandt wird: Dampfnetz, Kohlensäurenetz, Druckluftnetz, Stickstoffnetz und Erdgasnetz.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das System mindestens eine Senke für gasförmiges Arbeitsmittel umfasst, wobei die Vorrichtung ausgangsseitig mit mindestens einer Senke der mindestens einen Senke verbunden ist.
Das Netz kann beispielsweise Rohre zur Weiterleitung des gasförmigen Arbeitsmittels umfassen und kann beispielsweise mindestens ein Mittel zum Aufteilen von gasförmigem Arbeitsmittel in mindestens zwei Anteile aufweisen.
Beispielsweise benötigt diese mindestens eine Senke jeweils eine bestimmte Mindesttemperatur des von der jeweiligen Vorrichtung zugeführten gasförmigen Arbeitsmittels ur Gewährleistung ihrer Funktionalität.
Umfasst das System eine Mehrzahl von Senken, so kann beispielsweise jeweils eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung derart zu einer Senke von mindestens zwei Senken der Mehrzahl von Senken zugeordnet sein, dass die jeweilige Vorrichtung ein von den Betriebsbereitstellungsmitteln bereitgestelltes gasförmiges Arbeitsmittel druckreduziert an die der Vorrichtung zugeordneten Senke weiterleitet.
Beispielsweise können die von den Arbeitsmittelbereitstellungsmitteln bereitgestellte gasförmige Arbeitsmittel ein derart bemessenen Ausgangsdruckniveau und/oder das bereitgestellte Ausgangstemperaturniveau aufweist, dass dieses gasförmige Arbeitsmittel, nach Zuführung über das Netz zur derjenigen Senke, welche von der mindestens einen Senke das höchste Mindestdruckniveau und/oder das höchste Mindesttemperaturniveau aufweist, als Eingangsarbeitsmittel für diese Senke das Mindestdruckniveau und/oder das Mindesttemperaturniveau dieser Senke erfüllt.
Beispielsweise kann das Mindesttemperaturniveau einer ersten Senke unterhalb des Ausgangstemperaturniveaus der von den Arbeitsmittelbereitstellungsmitteln erzeugten gasförmigen Arbeitsmitteln. Ferner liegt das Solldruckniveau der ersten Senke unterhalb des Ausgangsdrucksniveaus der den Arbeitsmittelbereitstellungsmitteln erzeugten gasförmigen Arbeitsmitteln.
Das System umfasst eine erste Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, die zwischen der ersten Senke und dem den Arbeitsmittelbereitstellungsmitteln angeordnet ist, so dass zumindest ein Teil des von den Arbeitsmittelbereitstellungsmittel in das Netz eingespeisten gasförmigen Arbeitsmittels eingangsseitig als gasförmiges Arbeitsmittel in die erste Vorrichtung geleitet wird, wobei die erste Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das eingangsseitig eingespeiste gasförmige Arbeitsmittel ausgangsseitig als druckreduziertes gasförmiges Arbeitsmittel auszugeben, welches an die erste Senke weitergeleitet wird. Das Druckniveau dieses druckreduzierten gasförmigen Arbeitsmittels kann hierbei dem Solldruckniveau der ersten Senke entsprechen. Gleichzeitig wandeln die Entspannungsmittel der ersten Vorrichtung zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie um.
Da das von der erste Senke benötigte Mindesttemperaturniveau unterhalb des Ausgangstemperaturniveaus liegt und somit unterhalb des Temperaturniveaus der eingangsseitig der ersten Vorrichtung zugeführten gasförmigen Arbeitsmittel liegt, können beispielsweise die Entspannungsmittel der ersten Vorrichtung derart ausgelegt sein, dass nur soviel Exergie des zweiten Anteils des gasförmigen Arbeitsmittels in Anergie umgewandelt wird, dass die Temperatur des von den Entspannungsmitteln entspannten zweiten Anteils des Arbeitsmittels für eine nachfolgende Heizaufgabe in der mit der ersten Vorrichtung verbundenen ersten Senke ausreichend ist. Die Entspannungsmittel können beispielsweise derart ausgelegt sein, dass die Temperatur des druckreduzierten gasförmigen Teils des Arbeitsmittels, welcher durch die Entspannungsmittel geführt wird, am Ausgang der Entspannungsmittel derart in der Temperatur gegenüber der Temperatur des eingangsseitig zugeführten Teil des gasförmigen Arbeitsmittels abgesenkt ist, dass die Temperatur des von der ersten Vorrichtung ausgegeben zusammengeführten druckreduzierten gasförmigen Arbeitsmittels im wesentlich der Mindesttemperatur der ersten Senke entspricht, oder oberhalb der Mindesttemperatur der ersten Senke liegt. Wenn beispielsweise die Mittel zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittel derart eingerichtet sind, dass die gasförmigen Arbeitsmittel vollständig oder nahezu vollständig über die Entspannungsmittel geführt werden, so stellen das zusammengeführte druckreduzierte gasförmigen Arbeitsmittel am Ausgang der ersten Vorrichtung den von den Entspannungsmitteln ausgegebenen, druckreduzierten Teil des gasförmigen Arbeitsmittels dar, da kein gasförmiges Arbeitsmittel durch die Druckreduzierungsmittel geleitet wird.
Somit kann diejenige Wärmeenergie des Dampfes, welche von der Senke zur Aufrechterhaltung deren Funktionalität überhaupt nicht benötigt wird, durch die Entspannungsmittel zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden.
Beispielsweise kann für jede Senke von mindestens zwei Senken des System, dessen jeweilige Mindesttemperatur unterhalb des Ausgangstemperaturniveaus des von Arbeitsmittelbereitstellungsmittel in das Netz eingespeisten gasförmigen Arbeitsmittels liegt, eine derart angepasste Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, die aus der für die jeweilige Senke nicht benötigte Wärmeenergie des zugeführten gasförmigen Arbeitsmittels zumindest einen Teil in mechanische Energie durch die Entspannungsmittel der jeweiligen Vorrichtung 110, 110' umwandelt.
Hierdurch kann die Energieeffizienz in Netz gesteigert werden, wobei mechanische Energie und hieraus beispielsweise auch elektrische Energie aus der Druckreduzierung durch die mindestens ein Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gewonnen werden kann, ohne dass zusätzliche Brennstoffe benötigt werden.
Das Netz kann auch eine weitere Senke umfassen, welche mit den Betriebsmittelbereitstellungsmitteln verbunden ist, ohne dass eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zwischen der weiteren Senke und den Betriebsmittelbereitstellungsmitteln verbunden ist.
Die Arbeitsmittelbereitstellungsmittel können beispielsweise derart dimensioniert und/oder angesteuert sein, dass das erzeugte gasförmige Arbeitsmittel eine derart hohe Ausgangstemperatur hat, dass auch diejenige Senke der Mehrzahl von Senken, welche das höchste Mindesttemperaturniveau der Senken aufweist, über das Netz mit gasförmigen Arbeitsmitteln mit für diese Senke hinreichendem Temperaturniveau versorgt wird. Diese Senke kann beispielsweise die weitere Senke darstellen.
Somit können die Arbeitsmittelbereitstellungsmittel im System so ausgelegt sein, dass auch die Senke mit dem höchsten Mindesttemperaturniveau mit gasförmigem Arbeitsmittel mit hinreichendem Temperaturniveau versorgt wird, während mindestens einer anderen Senke der Mehrzahl von Senken jeweils eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung derart zugeordnet sein kann, dass der jeweiligen Vorrichtung zumindest ein Teil des von den Arbeitsmittelbereitstellungsmittel in das Netz eingespeisten gasförmigen Arbeitsmittels eingangsseitig als gasförmiges Arbeitsmittel bereitgestellt wird, wobei die jeweilige Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das eingangsseitig eingespeiste gasförmige Arbeitsmittel ausgangsseitig als druckreduziertes gasförmiges Arbeitsmittel auszugeben, welches an die jeweilige Senke weitergeleitet wird, wobei gleichzeitig die Entspannungsmittel der jeweiligen Vorrichtung zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie umwandeln.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Netz ein Gasnetz darstellt.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Netz eines der folgenden Netze darstellt: Dampfnetz, Kohlensäurenetz, Druckluftnetz, Stickstoffnetz und Erdgasnetz.
In den Figuren zeigen:
1 eine exemplarische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein exemplarischer Ablaufplan gemäß einem Ausführungsbeispiel, der zum Betreiben der exemplarischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann; und
3 ein exemplarisches System gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine exemplarische Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Diese Vorrichtung 100 wird im Folgenden zusammen mit dem in 2 dargestellten exemplarischen Ablaufplan gemäß einem Ausführungsbeispiel, der zum Betreiben der Vorrichtung 100 verwendet werden kann, erläutert.
Die Vorrichtung 100 umfasst Druckreduzierungsmittel 110 und Entspannungsmittel 120, wobei die Entspannungsmittel 120 parallel zu den Druckreduzierungsmitteln 110 angeordnet sind. Die parallel zu den Druckreduzierungsmittel 110 angeordneten Entspannungsmittel 120 sind dazu eingerichtet, einen Druck eines gasförmigen Arbeitsmittels 150 zu reduzieren, wie in Schritt 210 der 2 dargestellt, wobei ein Teil 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 durch die Entspannungsmittel 120 und gegebenenfalls ein weiterer Anteil 111 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 durch die Druckreduzierungsmittel 110 geführt wird.
Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 Mittel 130 zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels 150 aufweisen, welche mit den Entspannungsmitteln 120 und den Druckreduzierungsmitteln 110 verbunden sind. Diese Mittel 130 zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels 150 sind dazu eingerichtet, den Teil 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 zu den Entspannungsmitteln zu leiten, welcher von den Entspannungsmitteln entspannt wird. Dieser Teil 121 kann 100 des den Mitteln 130 zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels zugeführten gasförmigen Arbeitsmittels 150 betragen, wobei in diesem Fall die Mittel 130 zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels 150 den Druckreduzierungsmitteln 110 kein gasförmiges Arbeitsmittel zuführen und der Gesamtteil des gasförmigen Arbeitsmittel 150 den Entspannungsmitteln 120 zugeführt werden. In diesem Fall können die Entspannungsmittel 120 beispielsweise als Umgehung zu den Druckreduzierungsmitteln 110 betrachtet werden, wobei die Entspannungsmittel 120 derart parallel zu den Druckreduzierungsmittel 110 angeordnet sind, dass das komplette gasförmige Arbeitsmittel 150 an den Druckreduzierungsmittel 110 vorbei und durch die Entspannungsmittel 120 hindurch geleitet werden können. Somit kann beispielsweise in einer bestehenden Anlage ein vorhandenes Druckreduzierungsmittel 110, wie beispielsweise ein Druckreduzierungsventil, durch die Entspannungsmittel 120, welches beispielsweise nachgerüstet werden kann, vollständig umgangen werden, so dass die Entspannungsmittel 120 beispielsweise die gleiche oder eine ähnliche Druckreduzieraufgabe wahrnehmen können, welche vorher von den Druckreduzierungsmittel 110 wahrgenommen wurde. Die Druckreduzierungsmittel 110 bleiben weiterhin dazu eingerichtet, einen Druck zu reduzieren. So können die Druckreduzierungsmittel 110 beispielsweise bei einem Fehlerfall des Entspannungsmittels eingeschaltet werden und den notwendigen Druckabfall veranlassen, wobei in diesem Fehlerfall die Mittel 130 zum Verteilen das gasförmigen Arbeitsmittel 150 beispielsweise derart umschalten können, dass das gasförmigen Arbeitsmittel 150 z. B. vollständig oder zum überwiegenden Teil über die Druckreduzierungsmittel 110 geleitet werden.
Die Mittel 130 zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels können beispielsweise jedoch auch dazu eingerichtet sein, den Entspannungsmitteln 110 einen Anteil 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 zuzuführen, wobei dieser Anteil 121 bei größer 0% bis kleiner 100% des Gesamtteils des den Mitteln zum Verteilen zugeführten gasförmigen Arbeitsmitteln 150 liegen kann, so dass dieser Anteil 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 derjenige Teil 121 des gasförmigen Arbeitsmittel darstellt, der durch die Entspannungsmittel geführt wird, und wobei die Mittel 130 zum Verteilen gleichzeitig dazu eingerichtet sind, einen weiteren Anteil 111 der gasförmigen Arbeitsmittel 150 durch die Druckreduzierungsmittel 110 zu leiten. In diesem Fall können die Entspannungsmittel 120 beispielsweise als parallel zu den Druckreduzierungsmittel 110 angeordneter Bypass betrachtet werden, wobei der durch die Entspannungsmittel 120 geleitete Teil 121 des gasförmigen Arbeitsmittel 150 eine Untermenge des gasförmigen Arbeitsmittels 150 darstellt, welches dem Mittel 130 zum Verteilen zugeführt wird. Somit übernehmen für diesen Fall sowohl die Druckreduzierungsmittel 110 als auch die Entspannungsmittel 120 einen Beitrag zur Druckreduktion des gasförmigen Arbeitsmittels.
Die Mittel 130 zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittels können beispielsweise aus dem gasförmigen Arbeitsmittel neben dem Teil 121, der durch die Entspannungsmittel 120 geführt wird, und dem weiteren Anteil 111 auch noch eine oder mehrere andere Anteile herausteilen (nicht in 1 dargestellt).
Das gasförmige Arbeitsmittel 150 kann beispielsweise ein dampfförmiges Arbeitsmittel, beispielsweise für ein Dampfnetz, oder ein gasförmiges Arbeitsmittel für ein Kohlensäurenetz, oder ein im wesentlichen aus Luft bestehendes Arbeitsmittel für Druckluftnetze, oder beispielsweise ein erdgashaltiges Arbeitsmittel für Erdgasnetze darstellen, oder Stickstoff für Stickstoffnetze darstellen.
Des weiteren kann der Druckbereich des gasförmigen Arbeitsmittels 150 im Niederdruckbereich liegen, beispielsweise im Druckbereich zwischen 1 bar und 10 bar, insbesondere im Druckbereich bis 5 bar, oder im Druckbereich bis 3 bar. Der Druckbereich der gasförmigen Arbeitsmittel kann jedoch auch hiervon abweichen.
Die Druckreduzierungsmittel 110 sind dazu eingerichtet, den Druck des gegebenenfalls eingangsseitig zugeführten weiteren Teils 111 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 zu reduzieren und ausgangsseitig einen entsprechenden druckreduzierten weiteren Teil 112 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 auszugeben.
Die Druckreduzierungsmittel 110 sind beispielsweise nicht dazu eingerichtet sind, mechanische Arbeit zu erzeugen. Beispielsweise können die Druckreduzierungsmittel 110 derart eingerichtet sein, dass das Temperaturniveau des eingangsseitig zugeführten weiteren Teils 111 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 während der Druckreduktion durch die Druckreduzierungsmittel 110 im wesentlichen unverändert bleibt, so dass der ausgangsseitig von den Druckreduzierungsmitteln 110 ausgegebene druckreduzierte weitere Teil 112 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 im wesentlichen das gleiche oder ein ähnliches Temperaturniveau wie der eingangsseitig zugeführte weitere Teil 111 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 aufweist. Somit können die Druckreduzierungsmittel 150 beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Druckreduktion ohne Erbringen einer Arbeitsleistung durchzuführen. Beispielsweise kann das Druckreduzierungsmittel 110 ein oder mehrere Druckreduzierungsventile umfassen.
Die Entspannungsmittel 120 sind dazu eingerichtet sind, den Druck des eingangsseitig zugeführten Teils 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 zu reduzieren und ausgangsseitig einen entsprechenden druckreduzierten Teil 122 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 auszugeben.
Ferner sind die Entspannungsmittel 120 dazu eingerichtet sind, zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie durch Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels in mechanische Energie umzuwandeln, wie in Schritt 220 in 2 dargestellt ist. Diese mechanische Energie kann beispielsweise am optionalen Ausgang 125 ausgegeben werden, beispielsweise über eine Welle oder eine Kette oder ähnlichem. Die Entspannungsmittel 120 können auch Energieumwandlungsmittel umfassen (nicht in 1 gezeigt), welche dazu eingerichtet sind, die von den Entspannungsmitteln umgewandelte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Für dieses Beispiel kann der optionale Ausgang 125 ein Ausgang zur Ausgabe der umgewandelten elektrischen Energie sein. Beispielsweise können diese Energieumwandlungsmittel einen Generator umfassen, welcher mit der mechanischen Energie angetrieben wird und welcher die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Im Gegensatz zu den Druckreduzierungsmittel 110 sind die Entspannungsmittel 120 dazu eingerichtet, während der Druckreduzierung eine mechanische Arbeit zu erzeugen. Somit sind die Entspannungsmittel 120 beispielsweise dazu eingerichtet, während der Entspannung des eingangsseitig zugeführten Teils 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 zumindest einen Teil einer Exergie dieses Teils 121 des gasförmigen Arbeitsmittel 150 in Anergie umzuwandeln, wodurch eine Entspannung mit einhergehender Erzeugung von Arbeitsleistung erfolgt. Diese Umwandlung einer Exergie in eine Anergie kann beispielsweise durch Verringern eines Temperaturniveaus des Teils 121 des gasförmigen Arbeitsmittels, welches den Entspannungsmitteln 120 zugeführt wird, während der Entspannung durch die Entspannungsmittel 120 erfolgen, wobei Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Dementsprechend kann der ausgangsseitige Teil 122 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 der Entspannungsmittel 120 ein niedrigeres Temperaturniveau als der eingangsseitige zugeführte Teil 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 aufweisen. Die Entspannungsmittel 120 können daher als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Mittel betrachtet werden.
Somit kann mit den Entspannungsmitteln 120 der Vorrichtung 100 zumindest ein Teil der Exergie des gasförmigen Arbeitsmittels 150 in eine mechanische. Energie umgewandelt werden.
Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise Mittel 140 zum Zusammenführen des druckreduzierte ersten Anteils 112 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 und des druckreduzierten zweiten Anteils 122 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 zu einem zusammengeführten druckreduzierten gasförmigen Arbeitsmittel 160 umfassen.
Beispielsweise können die Entspannungsmittel 120 derart ausgelegt sein, dass nur soviel Exergie des Teils 121 des dampfförmigen Arbeitsmittels 150, welcher den Entspannungsmitteln 120 zugeführt wird, in Anergie umgewandelt wird, dass die Temperatur des von den Entspannungsmitteln entspannten Teils 122 des Arbeitsmittels 150 für eine nachfolgende Heizaufgabe in einer mit der Vorrichtung 110 verbundenen Senke 320 (nicht in 1 gezeigt) ausreichend ist. Beispielsweise benötigt diese Senke 320 eine bestimmte Mindesttemperatur zur Gewährleistung der Funktionalität der Senke 320. Wenn die der Vorrichtung 100 zugeführten gasförmigen Arbeitsmittel 150 eine höhere Temperatur als diese Mindesttemperatur der Senke 320 aufweisen, können die Entspannungsmittel 120 beispielsweise derart ausgelegt sein, dass die Temperatur des druckreduzierten gasförmigen Teils 122 des Arbeitsmittels am Ausgang der Entspannungsmittel derart in der Temperatur gegenüber der Temperatur des eingangsseitig zugeführten Teils 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 abgesenkt ist, dass die Temperatur eines zusammengeführten druckreduzierten gasförmigen Arbeitsmittel 160 im wesentlich der Mindesttemperatur der Senke 320 entspricht, oder oberhalb der Mindesttemperatur der Senke 320 liegt.
Somit kann beispielsweise zum einen sichergestellt werden, dass die Senke 320 mit einem gasförmigem Arbeitsmittel mit hinreichender Mindesttemperatur versorgt wird, wobei gleichzeitig durch die Vorrichtung 100 der Druck des gasförmigen Arbeitsmittel auf ein an die Senke 320 angepasstes Druckniveau reduziert werden kann, und zum anderen kann gleichzeitig durch die Entspannungsmittel 120 der Vorrichtung 100 Wärme aus dem der Vorrichtung 100 zugeführten gasförmigen Arbeitsmittel 150, welche nicht für die Funktionalität der Senke 320 benötigt wird, zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden.
Hierdurch kann mechanische Energie aus dem der Vorrichtung 100 zugeführten gasförmigen Arbeitsmittel gewonnnen werden, ohne dass die Funktionalität der Senke 320 beeinträchtigt wird, und ohne dass zusätzlicher Brennstoff benötigt wird. Diese mechanische Energie kann beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt werden.
Beispielsweise können die Entspannungsmittel als Gegendruckvorrichtung eingerichtet sein. Bei einer Gegendruckvorrichtung liegt das Druckniveau des ausgangsseitig anliegenden Drucks beispielsweise größer als der Umgebungsdruck der Vorrichtung 100, wie beispielsweise der Normaldruck, also z. B. größer als ca. 1013,25 mbar.
Die Entspannungsmittel 120 können beispielsweise mindestens eine der folgenden Vorrichtungen umfassen: Dampfkolbenmotor, Dampfschraubenmotor, Rollkolbenmotor, Wälzkolbengebläse und Scrollmotor.
Der Dampfkolbenmotor kann beispielsweise einen oder mehrere Zylinder umfassen, wobei zu jedem Zylinder ein Regelkolben zugeordnet ist, welcher die benötigte Dampfmenge über den Hub des Kolbens regelt. Der oder die Kolben übertragen die Kraft auf eine Kurbelwelle, welche die umgewandelte mechanische Energie überträgt.
Der Rollkolbenmotor stellt beispielsweise einen Rotationsmotor dar, welcher Wärmeenergie durch Entspannung des Arbeitsmittels in Rotationsenergie und somit in mechanische Energie unwandelt. Der Rollkolbenmotor kann somit einen Rollkolbenverdichter darstellen, welcher zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie verwendet wird.
Der Scrollkolbenmotor umfasst beispielsweise zwei ineinander verschachtelte Spiralen, von denen eine stationär ist und die andere über einen Exzenterabtrieb auf einer kreisförmigen Bahn bewegt wird, wobei durch Scrollkolbenmotor einen Scrollverdichter darstellt, welcher zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie verwendet wird, während der invers betriebene Scrollverdichter das gasförmige Arbeitsmittel entspannt, d. h. den Druck reduziert.
Der Dampfschraubenmotor kann beispielsweise eine mehrwellige Rotationsverdrängermaschine sein, wie z. B. ein Schraubenkompressor, in welchen beispielsweise zwei schrägverzahnte, rotierende Wellen ineinander eingreifen und von einem Gehäuse eng umschlossen werden. Beim Einlassvorgang kann der Dampf durch eine Gehäuseöffnung in einen dahinterliegenden Zahnlückenraum der Rotoren einströmen, wobei der Entspannungsvorgang mit fortschreitender Rotordrehung aufgrund des wachsenden Volumens zwischen den Rotoren erfolgt.
Beispielsweise kann das gasförmige Arbeitsmittel 150 ein dampfförmiges Arbeitsmittel darstellen. Somit kann beispielsweise das Umwandeln von zumindest einem Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie durch die Entspannungsmittel das Umwandeln zumindest eines Teils einer Dampfexergie des zweiten Anteils des gasförmigen Arbeitsmittels in Dampfanergie umfassen. Hierbei kann das Umwandeln von zumindest einem Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie durch die Entspannungsmittel durch Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Energie erfolgen.
Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise noch weitere Merkmale umfassen, welche nicht in 1 dargestellt sind. So können beispielsweise weitere Druckreduzierungsmittel zwischen dem Entspannungsmittel 120 und dem optionalen Mittel 140 zum Zusammenführen eines gegebenenfalss druckreduzierten weiteren Teils 112 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 und des druckreduzierten Teils 122 des gasförmigen Arbeitsmittels 150, welches durch die Entspannungsmittel 120 geführt wurde, zu einem zusammengeführten druckreduzierten gasförmigen Arbeitsmittel 160 umfassen, und/oder Druckreduzierungsmittel zwischen dem Mittel 130 zum Aufteilen des gasförmigen Arbeitsmittel 150 und den Entspannungsmitteln umfassen.
Die bezüglich der 1 und 2 genannten Vorteile und Ausführungen der Vorrichtung 100 gelten gleichermaßen für die im Folgenden beschriebenen Vorrichtungen 100 und 100'.
3 zeigt ein exemplarisches System 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Dieses System 300 umfasst ein Netz zur Verteilung eines gasförmigen Arbeitsmittels, Arbeitsmittelbereitstellungsmittel 350, die an das Netz angeschlossen sind und die dazu eingerichtet sind, ein gasförmiges Arbeitsmittel 355 mit einem bestimmten Druckniveau in das Netz einzuspeisen, und eine Vorrichtung 100, welche der in 1 dargestellten exemplarischen Vorrichtung 100 entspricht, und welche derart in dem Netz angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des von den Arbeitsmittelbereitstellungsmittel 350 in das Netz eingespeisten gasförmigen Arbeitsmittels 355 eingangsseitig 150 in die Vorrichtung 100 geleitet wird, wobei die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet ist, das eingangsseitig eingespeiste gasförmige Arbeitsmittel 150 ausgangsseitig 160 druckreduziert auszugeben.
Gleichzeitig wandeln die Entspannungsmittel 120 der Vorrichtung 100 zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie um, wie zuvor beschrieben. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen linearen Entspannungsprozess handeln, in welchem das gasförmige Arbeitsmittel 150 von einem höheren Druckniveau in Richtung des ausgangsseitigen gasförmigen Arbeitsmittel 160 mit niedrigerem Druck 160 strömt, wobei das ausgangsseitige Arbeitsmittel 160 von der jeweiligen Senke 320 verbraucht wird und nicht wieder zu den Entspannungsmitteln 120 zurückgeführt wird. Vielmehr wird das ausgangsseitige Arbeitsmittel 160 von den Arbeitsmittelbereitstellungsmitteln 350 nachgeliefert. Das Entspannungsmittel 120 kann somit beispielsweise als KWK-Mittel mit Wärmeführung betrachtet werden.
Das Netz kann beispielsweise Rohre zur Weiterleitung des gasförmigen Arbeitsmittels umfassen und kann beispielsweise mindestens ein optionales Mittel 340 zum Verteilen von gasförmigem Arbeitsmittel in mindestens zwei Anteile aufweisen. Das System 300 kann mindestens eine Senke 310, 320, 330 umfassen, welche jeweils über das Netz zumindest einen Teil des gasförmigen Arbeitsmittels zugeführt bekommt. Das System kann allerdings beispielsweise auch nur genau eine Senke 320 umfassen. Des weiteren kann das System beispielsweise mindestens eine weitere Vorrichtung 100' umfassen, welche beispielsweise der in 1 dargestellten exemplarischen Vorrichtung 100 entsprechen kann.
Das Netz kann beispielsweise ein Dampfnetz darstellen, wobei das gasförmige Arbeitsmittel 150 beispielsweise Dampf sein kann, oder das Netz kann beispielsweise ein Kohlensäurenetz sein, oder das Netz kann beispielsweise ein Druckluftnetz sein, wobei das gasförmige Arbeitsmittel 150 beispielsweise im wesentlichen aus Luft besteht, oder das Netz kann beispielsweise ein Erdgasnetz sein.
Im Folgenden sei exemplarisch und ohne Einschränkung angenommen, dass das Netz ein Dampfnetz darstellt und das gasförmige Arbeitsmittel 150 Dampf ist.
Die Arbeitsmittelbereitstellungsmittel 350 können beispielsweise einen Dampferzeuger 350 darstellen, wie beispielsweise ein Dampfkessel 350. Dieser Dampferzeuger 350 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, Dampf mit einem bestimmten Ausgangsdruckniveau und einem bestimmten Ausgangstemperaturniveau bereitzustellen.
Jede der zumindest einen Senke 310, 320, 330 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, ein bestimmtes Mindestdruckniveau und/oder bestimmtes Mindesttemperaturniveau als eingangsseitigen Dampf 315, 325, 335 zu erhalten, um funktionsgemäß betrieben werden zu können.
Beispielsweise kann der vom Dampferzeuger 350 bereitgestellte Dampf 355 ein derart bemessenen Ausgangsdruckniveau und/oder ein derart bemessenen Ausgangstemperaturniveau aufweisen, dass dieser Dampf, nach Zuführung über das Netz zur derjenigen Senke, welche von der mindestens einen Senke 310, 320, 330 das höchste Mindestdruckniveau und/oder das höchste Mindesttemperaturniveau aufweist, als Eingangsdampf 315 für diese Senke 310 das Mindestdruckniveau und/oder das Mindesttemperaturniveau dieser Senke 310 erfüllt.
Das Dampfnetz kann beispielsweise ein Dampfheiznetz sein, wobei die erste Senke 320 eine Dampfheizung darstellt. Das Mindesttemperaturniveau der ersten Senke 320 liegt beispielsweise unterhalb des Ausgangstemperaturniveaus des vom Dampferzeuger 350 erzeugten Dampfs. Ferner liegt das Solldruckniveau der ersten Senke 320 unterhalb des Ausgangsdrucksniveaus des vom Dampferzeuger 350 erzeugten Dampfs. Die Senke 320 kann auch beispielsweise eine Dampfheizung darstellen, welche einen eingangseitig zugeführten Dampf 325 mit einer bestimmten Mindesttemperatur benötigt.
Das System 300 umfasst die Vorrichtung 100, die zwischen der ersten Senke 320 und dem optionalen Mittel 340 zum Aufteilen des Dampfs 355 angeordnet ist, so dass zumindest ein Teil des von den Arbeitsmittelbereitstellungsmittel in das Netz eingespeisten gasförmigen Arbeitsmittels eingangsseitig als Dampf 150 in die Vorrichtung 100 geleitet wird, wobei die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet ist, das eingangsseitig eingespeiste gasförmige Arbeitsmittel ausgangsseitig als druckreduzierten Dampf 160 auszugeben, welcher an die erste Senke 320 weitergeleitet ist. Das Druckniveau des druckreduzierten Dampfs kann hierbei dem Solldruckniveau der ersten Senke 320 entsprechen. Gleichzeitig wandeln die Entspannungsmittel 120 der Vorrichtung 100 zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie um.
Da das von der erste Senke 320 benötigte Mindesttemperaturniveau unterhalb des Ausgangstemperaturniveaus des Dampfs 355 und somit unterhalb des Temperaturniveaus des eingangsseitig der Vorrichtung 100 zugeführten Dampfs 150 liegt, können beispielsweise die Entspannungsmittel 120 der Vorrichtung 100 derart ausgelegt sein, dass nur soviel Exergie des zweiten Anteils 121 des dampfförmigen Arbeitsmittels 150 in Anergie umgewandelt wird, dass die Temperatur des von den Entspannungsmitteln entspannten Teils 122 des Arbeitsmittels 150 für eine nachfolgende Heizaufgabe in der mit der Vorrichtung 110 verbundenen ersten Senke 320 ausreichend ist. Die Entspannungsmittel 120 können beispielsweise derart ausgelegt sein, dass die Temperatur des druckreduzierten gasförmigen Teils 122 des Arbeitsmittels am Ausgang der Entspannungsmittel derart in der Temperatur gegenüber der Temperatur des eingangsseitig zugeführten Teils 121 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 abgesenkt ist, dass die Temperatur des zusammengeführten druckreduzierten gasförmigen Arbeitsmittel 160 im wesentlich der Mindesttemperatur der Senke 320 entspricht, oder oberhalb der Mindesttemperatur der Senke 320 liegt. Wenn beispielsweise die Mittel 130 zum Verteilen des gasförmigen Arbeitsmittel 150 derart eingerichtet sind, dass die gasförmigen Arbeitsmittel vollständig oder nahezu vollständig über die Entspannungsmittel 120 geführt werden, so stellen das zusammengeführte druckreduzierte gasförmigen Arbeitsmittel 160 am Ausgang der Vorrichtung 100 den von den Entspannungsmitteln 120 ausgegebenen, druckreduzierten Teil 122 des gasförmigen Arbeitsmittels 150 dar, da kein gasförmiges Arbeitsmittel 150 durch die Druckreduzierungsmittel 110 geleitet wird.
Somit kann diejenige Wärmeenergie des Dampfes 150, welche von der Senke 320 zur Aufrechterhaltung deren Funktionalität überhaupt nicht benötigt wird, durch die Entspannungsmittel 120 zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden.
Das Dampfnetz kann beispielsweise optional eine zweite Senke 310, die ebenfalls eine Dampfheizung darstellen kann, umfassen, welche einen eingangseitig zugeführten Dampf 315 mit einer bestimmten Mindesttemperatur benötigt. Es sei angenommen, dass die Mindesttemperatur der zweiten Senke 310 oberhalb der Mindesttemperatur der ersten Senke 320 liegt.
Der Dampferzeuger 350 muss so dimensioniert oder angesteuert werden, dass der erzeugte Dampf eine derart hohe Ausgangstemperatur hat, dass der über die Mittel 140 zum Aufteilen des Dampf der Senke 310 zugeführte Dampf 315 eine Temperatur aufweist, die im wesentlichen der Mindesttemperatur der Senke 310 entspricht, oder oberhalb dieser Mindesttemperatur liegt. Zwischen den Mitteln 140 zum Aufteilen des Dampfs und der Senke 310 können auch beispielsweise optional Dampfdruckreduzierungsmittel 110, wie in Bezug auf 1 beschrieben, platziert sein, um einen Dampfdruck abzusenken.
Somit muss der Dampferzeuger 350 beispielsweise einen Dampf 355 zur Verfügung stellen, dessen Ausgangstemperaturniveau höher ist als das von der ersten Senke 320 benötigte Mindesttemperaturniveau, da es anlagentechnisch oftmals unrentabel ist, für jede Senke 310, 320, 330 einen speziell angepassten Dampferzeuger mit jeweils angepasstem Ausgangstemperaturniveau bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 ermöglicht es nun, zumindest einen Teil der Wärmeenergie dieses hohen Ausgangstemperaturniveaus des vom Dampferzeugen 355 bereitgestellte Dampf zu nutzen und in mechanische Energie umzuwandeln, ohne dass die Funktionalität der mit dieser Vorrichtung 100 verbundenen ersten Senke 320 beeinträchtigt wird. Somit kann in diesem Heizdampfnetz mechanische Energie und hieraus beispielsweise auch elektrische Energie gewonnen werden, ohne dass zusätzlicher Brennstoff benötigt wird und ohne dass die Funktionalität der Senken 310, 320, 330 beeinträchtigt wird.
Des weiteren kann das Dampfnetz noch weitere Senken umfassen, wobei in 3 exemplarisch nur eine dritte Senke 330 dargestellt ist. Wenn eine dieser weiteren Senken 330 ein Mindesttemperaturniveau voraussetzt, welches unterhalb dem Ausgangstemperaturniveaus des Dampfs 355 liegt, so kann für diese dritte Senke 330 eine weitere Vorrichtung 100' vorgesehen sein, welche zwischen der dritten Senke 330 und dem Dampferzeuger 350 platziert ist, und welche einen Teil 150' des Dampfes 355 des Dampferzeugers 350 sowohl vom Druckniveau her gemäß dem Solldruckniveau der dritten Senke 330 reduziert als auch vom Temperaturniveau her gemäß dem Mindesttemperaturniveau der dritten Senke 330 reduziert. Die Entspannungsmittel 120' der Vorrichtung 100' können ebenfalls wie die Entspannungsmittel 120 der Vorrichtung 100 ausgelegt sein, dass nur soviel Exergie des Teils 121' des Dampfes 150', welche durch die Entspannungsmittel 120' geführt wird, in Anergie umgewandelt wird, dass die Temperatur des von den Entspannungsmitteln 120' entspannten Teils 122' des Dampfes 150' für die nachfolgende Heizaufgabe in der mit der Vorrichtung 110' verbundenen dritten Senke 330 ausreichend ist.
Somit kann beispielsweise für jede Senke 320, 330, dessen Mindesttemperatur unterhalb der Ausgangstemperatur des Dampfes 355 liegt, eine derart angepasste Vorrichtung 100, 100' vorgesehen sein, die aus der für die jeweilige Senke 320, 330 nicht benötigte Wärmeenergie des zugeführten Dampfes 150, 150' zumindest einen Teil in mechanische Energie durch Entspannungsmittel 120, 120' der jeweiligen Vorrichtung 110, 110' umwandelt.
Hierdurch kann die Energieeffizienz in Dampfsystemen gesteigert werden, wobei mechanische Energie und hieraus beispielsweise auch elektrische Energie aus der Druckreduzierung durch die Vorrichtungen 100, 100' gewonnen werden kann, ohne dass zusätzliche Brennstoffe benötigt werden.

Claims

Vorrichtung, umfassend: – Druckreduzierungsmittel (110, 110'), – Entspannungsmittel (120, 120'), die parallel zu den Druckreduzierungsmitteln (110, 110') angeordnet sind, – wobei die Druckreduzierungsmittel (110, 110') und die Entspannungsmittel (120, 120') dazu eingerichtet sind, einen Druck eines gasförmigen Arbeitsmittels (150, 150') zu reduzieren, wobei ein Teil (121, 121') des gasförmigen Arbeitsmittels (150, 150') durch die Entspannungsmittel (120, 120'), und – wobei die Entspannungsmittel (150, 150') dazu eingerichtet sind, zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie durch Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels in mechanische Energie umzuwandeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil (111, 111') des gasförmigen Arbeitsmittels (150, 150') durch die Druckreduzierungsmittel (110, 110') geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckreduzierungsmittel (110, 110') nicht dazu eingerichtet sind, mechanische Arbeit zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckreduzierungsmittel (110, 110') mindestens ein Druckreduzierungsventil darstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Energieumwandlungsmittel umfasst, die dazu eingerichtet sind, die von den Entspannungsmitteln (150, 150') umgewandelte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Entspannungsmitteln (120, 120') vorgenommene Entspannung des Teils (121, 121') des Arbeitsmittels (150, 150'), welches durch die Entspannungsmittel (120, 120') geführt wird, nach einem linear gerichteten Entspannungsprozess folgt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmittel (120, 120') eine Gegendruckvorrichtung darstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Arbeitsmittel (150, 150') ein dampfförmiges Arbeitsmittel darstellt, und dass das Umwandeln von zumindest einem Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie durch die Entspannungsmittel (150, 150') das Umwandeln zumindest eines Teils einer Dampfexergie des Teils (121, 121') des gasförmigen Arbeitsmittels (150, 150'), welcher durch die Entspannungsmittel (120, 120') geführt wird, in Dampfanergie umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandeln von zumindest einem Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie durch die Entspannungsmittel (150, 150') durch Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Energie erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur soviel Dampfexergie des Teils des dampfförmigen Arbeitsmittels, welches durch die Entspannungsmittel (120, 120') geführt wird, in Dampfanergie umgewandelt wird, dass die Temperatur des von den Entspannungsmitteln (120, 120') entspannten Teils (122, 122') des Arbeitsmittels (150, 150') für eine nachfolgende Heizaufgabe ausreichend ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2–10, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Druckreduzierungsmitteln (110, 110') druckreduzierte weitere Teil (112, 112') des Arbeitsmittels (150, 150') und der von den Entspannungsmitteln (120, 120') druckreduzierte Teil (122, 122') des Arbeitsmittels (150, 150') zu einem druckreduzierten Arbeitsmittel (160, 160') zusammengeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmittel mindestens eine der folgenden Vorrichtungen umfassen: – Dampfkolbenmotor, – Dampfschraubenmotor, – Rollkolbenmotor, – Wälzkolbengebläse, und – Scrollmotor.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Arbeitsmittel (150) Bestandteil eines Niederdrucksystems ist.
System, umfassend: – Ein Netz zur Verteilung eines gasförmigen Arbeitsmittels (355), – Arbeitsmittelbereitstellungsmittel (350), die an das Netz angeschlossen sind und die dazu eingerichtet sind, ein gasförmiges Arbeitsmittel (355) mit einem bestimmten Druckniveau in das Netz einzuspeisen, – eine Vorrichtung (100, 100') nach einem der Ansprüche 1–13, welche derart in dem Netz angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des von den Arbeitsmittelbereitstellungsmittel in das Netz eingespeisten gasförmigen Arbeitsmittels (355) eingangsseitig in die Vorrichtung geleitet wird, wobei die Vorrichtung (100, 100') dazu eingerichtet ist, das eingangsseitig eingespeiste gasförmige Arbeitsmittel ausgangsseitig druckreduziert auszugeben.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens eine Senke (310, 320, 330) für gasförmiges Arbeitsmittel umfasst, wobei die Vorrichtung (100, 100') ausgangsseitig mit mindestens einer Senke (320, 330) der mindestens einen Senke (310, 320, 330) verbunden ist.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Arbeitsmittel (355) ein dampfförmiges Arbeitsmittel darstellt, und dass das Umwandeln von zumindest einem Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie in mechanische Energie durch die Entspannungsmittel (120, 120') das Umwandeln zumindest eines Teils einer Dampfexergie des Teils des gasförmigen Arbeitsmittels, welches durch die Entspannungsmittel (120, 120') geführt wird, in Dampfanergie umfasst, und wobei die Entspannungsmittel (120, 120') derart ausgelegt sind, dass nur soviel Dampfexergie des Teils (121, 121') des dampfförmigen Arbeitsmittels, welcher durch die Entspannungsmittel (120, 120') geführt wird, in Dampfanergie umgewandelt wird, dass die Temperatur des von den Entspannungsmitteln (120, 120') entspannten Teils (122, 122') des Arbeitsmittels und somit die Temperatur des von der Vorrichtung (100, 100') ausgangsseitig ausgegebenen druckreduzierten dampfförmigen Arbeitsmittels (160, 160') für eine nachfolgende Heizaufgabe in der mit der Vorrichtung verbundenen Senke (320, 330) ausreichend ist.
System nach einem der Ansprüche 14–16, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz eines der folgenden Netze darstellt: – Dampfnetz, – Kohlensäurenetz, – Druckluftnetz, und – Erdgasnetz.