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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Elektrizitätserzeugung durch die Erdwärme. Konkret geht es um eine auf einem Wärmerohr basierende Erdwärmestromerzeugungsanlage, die mit Hilfe des Phasenübergangs der Gas-Flüssigkeit in einem Wärmerohr permanent Wärme an die Erdoberfläche überträgt und damit Strom erzeugt.
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Technischer Hintergrund
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Die Technik der Stromerzeugung durch die Erdwärme ist eine neuartige Stromerzeugungstechnik. Dabei wird unterirdisches warmes Wasser und unterirdischer warmer Dampf in der Erde als Energiequelle benutzt. Diese Technik bezieht sich auf verschiedene Wissenschaftsgebiete wie zum Beispiel Geologie, Geophysik, Chemie, Bohren, Materialwissenschaft, Elektrizitätserzeugungstechnik usw. Das Grundprinzip ist ähnlich wie bei der Stromerzeugung durch Kohlenverbrennung. Es basiert also auch auf dem Prinzip der Energieumwandlung: Die unterirdische Wärmeenergie wird zunächst in mechanische Energie umgewandelt, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Heutzutage werden häufig unterirdisches warmes Wasser oder unterirdischer warmer Dampf von über 200 °C benutzt. Der Dampf wird in die Turbine geleitet. Vor dem Einleiten des Dampfes in die Turbine wird der Dampf zunächst durch eine Reinigungsanlage von Fremdkörpern befreit. Beim warmen Wasser wird das so genannte Doppelkreislaufverfahren eingesetzt. Es wird zunächst mit dem warmen Wasser ein niedrigsiedendes Arbeitsmedium (zum Beispiel Chlorethan oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe) erwärmt und dadurch Dampf erzeugt, der dann in die Turbine eingeleitet wird.
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1 zeigt das Arbeitsprinzip des Doppelkreislaufverfahrens. Das warme Untergrundwasser 4 aus dem Erdwärmebrunnen 3 wird durch die Erdwärmepumpe 5 hochgepumpt und in einen Verdampfer 1 eingeleitet. Im Verdampfer 1 wird das niedrigsiedende Arbeitsmedium 6 zum Hochdruckdampf verdampft. Der Hochdruckdampf wird in die Turbine 7 eingeleitet und zur Stromerzeugung benutzt.
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Danach wird der Dampf in den Kondensator 2 geleitet und wieder zum flüssigen Arbeitsmedium gemacht. Das warme unterirdische Wasser seinerseits wird nach der Erwärmung des Arbeitsmediums wieder aus dem Verdampfer 1 geleitet und über das Rücklaufsystem 9 wieder in die Erde zurück geleitet.
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Beim bisherigen Doppelkreislaufverfahren gibt es folgende Nachteile: Die Wärmeübertragungsfähigkeit des niedrigsiedenden Arbeitsmediums ist in der Regel nicht so gut. Daher wird größere Metallfläche zur Wärmeübertragung benötigt. Die Folge ist, dass der Verdampfer oder der Kondensator auch größere Volumen brauchen, was wiederum zu hohen Herstellungskosten führen. Ferner sind die niedrigsiedenden Arbeitsmedien häufig instabil, leicht entflammbar und toxisch und daher umweltgefährdend. Ferner muss man ein Rücklaufsystem einrichten, um das Grundwasser zu schonen, was auch zu erhöhten Kosten führt. Des Weiteren enthält das unterirdische Wasser verschiedene chemische Elemente, die erodierend sind oder sich leicht mit anderen Elementen verbinden, so zum Beispiel wie Schwefelwasserstoff oder Kohlendioxide usw. Diese Elemente können sich in den Metallleitungen mit Silikon, Kalzium usw. zu Kalziumkarbonat, Silikondioxid usw. verbinden. All das kann die Bestandteile der Anlage beschädigen.
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Es ist daher erforderlich, eine Erdwärmestromerzeugungsanlage bereit zu stellen, die die oben genannten Nachteile überwindet.
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Inhalt der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt eine auf einem Wärmerohr basierende Erdwärmestromerzeugungsanlage zur Verfügung, bei der das unter irdische warme Wasser nicht bis zur Erdoberfläche hochgepumpt werden muss. Vielmehr wird der Verdampfer direkt in die Erde gesetzt. Das Arbeitsmedium im Verdampfer wird direkt unterirdisch erwärmt und zum Dampf gemacht, der dann über ein wärmeisolierendes Rohr nach oben in eine oberirdische Turbine eingeleitet wird. Nach der Energieumwandlung in der Turbine wird der Dampf in einen Kondensator geleitet und wieder zum flüssigen Arbeitsmedium gemacht und wieder in den unterirdischen Verdampfer zurückgeleitet.
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Bei diesem Verfahren wird das Prinzip des Phasenübergangs der Gas-Flüssigkeit in einem Wärmerohr ausgenutzt. Als Wärmeübertragungswerkzeug ist ein Wärmerohr vergleichsweise sehr vorteilhaft. Insbesondere ist die Übertragungsleistung des Wärmerohrs sehr hoch, üblicherweise sogar ein Mehrfaches von der Wärmeübertragungsleistung eines festen Metalls. Dies bewirkt, dass die Wärme über eine verhältnismäßig große Distanz bei verhältnismäßig kleinem Wärmeverlust übertragen werden kann. 2 zeigt das Arbeitsprinzip, wonach ein Wärmerohr die Erdwärme transportiert. Der Verdampfer 1 befindet sich unten im Erdwärmebrunnen 3. Der Kondensator 2 befindet sich oben, also auf der Oberfläche der Erde. Beide Teile werden über ein wärmeisolierendes Dampfrohr 12 und ein wärmeisolierendes Rücklaufrohr 15 verbunden. Die Wärmequelle 11 überträgt Wärme an den Verdampfer 1 und erwärmt das flüssige Arbeitsmedium im Verdampfer 1. Das Arbeitsmedium wird dadurch zum Hochdruckdampf und strömt als Dampfströmung 13 nach oben in Richtung des Kondensators 2. Der Wärmeverlust unterwegs ist sehr gering aufgrund der wärmeisolierenden Eigenschaften des Dampfrohrs 12. Im Kondensator 2 erfolgt ein Wärmeabgabevorgang 16 des Dampfes. Der Dampf wird dadurch wieder zum flüssigen Arbeitsmedium. Aufgrund des hydraulischen Höhenunterschieds fließt das flüssige Arbeitsmedium über das Rücklaufrohr 15 in den Verdampfer 1 zurück. Der Wärmetransport erfolgt also über den Phasenwechsel des Arbeitsmediums. Wenn man dieses Konzept für Erdwärmestromerzeugung einsetzt, kann man das Erdwärmepumpe 5 und das Rücklaufsystem 9 bei den herkömmlichen Anlagen sparen. Das vermeidet ferner, dass das unterirdische Wasser oder der unterirdische Dampf Fremdkörper in die Anlage bringt und diese beschädigt.
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Bei diesem Konzept gibt es jedoch noch ein Problem: Da der Verdampfer 1 unterirdisch eingesetzt wird, muss er möglichst von kleinerer Größe sein. Um aber trotzdem die Wärmeübertragungseffizienz zu sichern, müssen die herkömmlichen niedrigsiedenden Arbeitsmedien ausscheiden. Vielmehr müssen Arbeitsmedien mit höheren Siedepunkten wie zum Beispiel Wasser oder Methanol eingesetzt werden.
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Bei flüssigen Arbeitsmedien wie beispielsweise Wasser oder Methanol bildet sich in der Umgebung hoher Temperatur an der Wand der inneren Kammer des Verdampfers eine Wasserdampfmembran, und eine Vielzahl an Dampfblasen entsteht an der Wand. Dies bewirkt, dass die an der Wand befindliche Flüssigkeit die Wand verlässt. Da die Wärmeleitungsfähigkeit der Dampfblasen deutlich niedriger ist als die der Flüssigkeit, wird die Wärmeübertragungsfähigkeit der Wand reduziert.
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Deshalb arbeiten viele Wärmerohre in Hochtemperaturumgebung nicht effizient genug. Zudem verläuft die Bewegungsrichtung des Dampfes umgekehrt zu der der
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Flüssigkeit aus dem Kondensator, wodurch die so genannte Scherkraft entsteht. Der Dampf kann einen Teil der Flüssigkeit mit sich führen. Je höher die Temperatur der Arbeitsumgebung und je größer der Dampfdruck ist, desto größer ist die Scherkraft mit der Flüssigkeit. Wird eine zu große Menge Flüssigkeit auf Grund der Scherkraft mitgeführt, erhält der Verdampfer nicht genug Rücklauf der Flüssigkeit, wodurch er ausgetrocknet werden kann und wobei eine Beschädigung der Komponenten des Wärmerohrs verursacht werden kann. Um dieses Problem zu lösen, wird in der vorliegenden Erfindung in dem Wärmerohr ein inneres Rücklaufrohr eingesetzt.
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3 zeigt eine Darstellung des Arbeitsprinzips der erfindungsgemäßen Erdwärmestromerzeugungsanlage, die folgende Teile aufweist: einen Verdampfer 1, einen Kondensator 2, eine Turbine 7, eine elektrisch gesteuerte Dampfdrossel 18, ein elektrisch gedrosseltes Dampfrohr 19, ein Verbindungsrohr 20, ein Entlüftungsventil 21, ein elektrisch gedrosseltes Hauptrücklaufrohr 22, eine elektrisch gesteuerte Rücklaufdrossel 23, ein inneres Rücklaufrohr 24, einen Rotor 27. Der Verdampfer 1 besitzt eine inverse Kegelstumpfform. Auf der Decke des Verdampfers 1 sind ein Dampfausgang und ein Flüssigkeitseingang angebracht. Die Turbine 7 besitzt einen Dampfeingang und einen Dampfausgang. Der Kondensator 2 besitzt einen Dampfeingang und einen Flüssigkeitsausgang. Das elektrisch gedrosselte Dampfrohr 19 verbindet den Verdampfer 1 und der Turbine 7. Die elektrisch gesteuerte Dampfdrossel 18 reguliert die Durchflussmenge des Dampfes. Die Turbine 7 ist über ein Verbindungsrohr 20 mit dem Kondensator 2 verbunden. Nach der Wärmeabgabe fließt der Dampf in den Kondensator 2 hinein. Der Kondensator 2 besitzt ein Entlüftungsventil 21, um Luftstau zu vermeiden.
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Das obere Ende des elektrisch gedrosselten Hauptrücklaufrohrs 22 ist mit dem Kondensator 2 verbunden. Das untere Ende des elektrisch gedrosselten Hauptrücklaufrohrs 22 ist mit dem inneren Rücklaufrohr 24 verbunden. Die elektrisch gesteuerte Rücklaufdrossel 23 reguliert die Durchflussmenge des flüssigen Arbeitsmediums. Das innere Rücklaufrohr 24 kann das flüssige Arbeitsmedium zur Rotationsbewegung bringen.
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Das innere Rücklaufrohr 24 reicht tief in den unteren Bereich des Verdampfers 1 hinein. Dadurch wird vermieden, dass das eingeleitete flüssige Arbeitsmedium Kontakt mit der Gegenbewegung von großer Dampfmenge hat und dabei Scherkraft verursacht wird. Die Erscheinung des Mitführens der Flüssigkeit durch den Dampf wird somit vermieden, was eine Austrocknungserscheinung im Verdampfer verhindert. Auf der inneren Wand des inneren Rücklaufrohrs 24 sind mehrere riflingartige Züge 25 angeordnet. Auf der äußeren Wand des inneren Rücklaufrohrs 24 sind mehrere schraubenförmige Nuten 26 angeordnet. Die Drehrichtung der Nuten 26 entspricht der der riflingartigen Züge 25. Da sich der Kondensator 2 oberhalb des Verdampfers 1 befindet, ergibt sich ein hydraulischer Höhenunterschied, aufgrund dessen das flüssige Arbeitsmedium im inneren Rücklaufrohr 24 nach unten fließt. Dabei bewirkt die Führungsfunktion der riflingartigen Züge 25 eine Rotationsbewegung des Arbeitsmediums. Das Arbeitsmedium fließt mit einem verhältnismäßig starken Trägheitsmoment aus dem inneren Rücklaufrohr 24 in den Verdampfer 1. Nach dem Eintritt des Arbeitsmediums in den Verdampfer 1 entsteht die Zweiphasenströmung. Auf Grund der Verdampfungsfunktion erhöht sich der Druck im Verdampfer 1 und die Zweiphasenströmung bewegt sich nach oben. Da die Viskosität des Arbeitsmediums und die des Dampfes verhältnismäßig gering sind, ist auch der Reibungsverlust mit der inneren Wandoberfläche des Verdampfers gering. Somit weist die Zweiphasenströmung noch eine verhältnismäßig starke Rotationsschwungkraft auf.
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Die schraubenförmigen Nuten 26 auf der äußeren Oberfläche des inneren Rücklaufrohrs 24 bewirken, dass sich die Zweiphasenströmung rotierend in der Drehrichtung 17 nach oben bewegt.
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Bei hoher Temperatur bildet sich an der inneren Wand des Verdampfers 1 eine Dampfmembran, wodurch die Effizienz der Wärmeleitung der Wand reduziert wird. Da die Dichte der Partikel des Flüssigkeitstropfens in der Zweiphasenströmung höher ist als die des Dampfes, werden die flüssigen Partikel unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft der Rotation auf die innere Wand des Verdampfers geschleudert.
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Dabei zerschlagen die flüssigen Partikel die Dampfmembran, wobei an ihrer Stelle eine Flüssigkeitsmembran gebildet wird und die Wärmeleitungsfähigkeit der Wand wiederhergestellt wird.
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Die vorliegende Erfindung hat also folgende Vorteile: Der Verdampfer wird direkt in die Erde gesetzt. Die Erdwärme wird über ein Wärmerohr zur Erdoberfläche transportiert. Bei diesem Konzept kann man hochsiedendes Arbeitsmedium einsetzen und die Erdwärmepumpe sparen. Ferner weist die vorliegende Erfindung ein inneres Rücklaufrohr auf, das die Zweiphasenströmung im Verdampfer zur Rotationsbewegung bringen kann, was die Entstehung einer Dampfmembran vermeidet. Somit kann die erfindungsgemäße Anlage auch bei sehr hohen Temperaturen sicher, effizient und zuverlässig arbeiten.
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Erläuterungen der Zeichnung
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Darin zeigen:
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1 schematische Darstellung des Arbeitsprinzips des herkömmlichen Doppelkreislaufverfahrens bei Erdwärmestromerzeugung;
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2 das Arbeitsprinzip, nach dem ein Wärmerohr die Erdwärme nach oben transportiert;
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3 eine schematische Darstellung des Arbeitsprinzips der erfindungsgemäßen Erdwärmestromerzeugungsanlage;
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4 eine Detailansicht des inneren Rücklaufrohrs der erfindungsgemäßen Erdwärmestromerzeugungsanlage;
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5 das Anordnungsschema der Teile eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Erdwärmestromerzeugungsanlage.
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Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Erdwärmestromerzeugungsanlage näher erläutert. 5 zeigt das Anordnungsschema der Bestandteile der erfindungsgemäßen Erdwärmestromerzeugungsanlage in einem Ausführungsbeispiel.
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Wie 5 zeigt, umfasst die erfindungsgemäße Erdwärmestromerzeugungsanlage folgende Teile: einen Verdampfer 1, einen Kondensator 2, eine Turbine 7, eine elektrisch gesteuerte Dampfdrossel 18, elektrisch gedrosseltes Dampfrohr 19, ein Verbindungsrohr 20, ein Entlüftungsventil 21, ein elektrisch gedrosseltes Hauptrücklaufrohr 22, eine elektrisch gesteuerte Rücklaufdrossel 23, ein Inneres Rücklaufrohr 24, einen Rotor 27, ein Schutzrohr 28 und ein Kühlungssystem 29.
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Dabei wird Wasser als Arbeitsmedium verwendet. Als natürliche Ressource ist das Wasser in ausreichender Menge vorhanden und vergleichsweise kostengünstig. Und es werden bei seiner Anwendung keine Giftstoffe erzeugt. Da zudem Edelstahl keine chemischen Reaktionen mit Wasser eingeht, ist der Wärmeleitungskoeffizient des Edelstahls vergleichsweise hoch, weshalb der Kondensator 2 und der Verdampfer 1 und auch die Röhre (19, 20, 22) der erfindungsgemäßen Erdwärmestromerzeugungsanlage aus Edelstahl bestehen.
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Der Verdampfer 1 ist am unteren und der Kondensator 2 am oberen Ende des Wärmerohrs angeordnet. Der Höheunterschied liegt zwischen 2000 m und 3000 m.
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Die unterirdische Wärmequelle um den Verdampfer 1 besteht aus Wasser oder Dampf mit einer Temperatur von über 200 °C.
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Die Turbine 7 besitzt einen Dampfeingang und einen Dampfausgang. Der Kondensator 2 besitzt einen Dampfeingang und einen Flüssigkeitsausgang. Das elektrisch gedrosselte Dampfrohr 19 verbindet den Verdampfer 1 mit der Turbine 7.
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Die elektrisch gesteuerte Dampfdrossel 18 reguliert die Durchflussmenge des Dampfes. Der Dampf wird in die Turbine 7 eingeleitet und treibt den Rotor 27 an. Die Turbine 7 ist über ein Verbindungsrohr 20 mit dem Kondensator 2 verbunden. Nach der Wärmeabgabe fließt der Dampf in den Kondensator 2 hinein. Der Kondensator 2 besitzt ein Entlüftungsventil 21, um Luftstau zu vermeiden.
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Das obere Ende des elektrisch gedrosselten Hauptrücklaufrohrs 22 ist mit dem Kondensator 2 verbunden. Das untere Ende des elektrisch gedrosselten Hauptrücklaufrohrs 22 ist mit einem inneren Rücklaufrohr 24 verbunden. Die elektrisch gesteuerte Rücklaufdrossel 23 reguliert die Durchflussmenge des flüssigen Arbeitsmediums. Das innere Rücklaufrohr 24 kann das flüssige Arbeitsmedium zur Rotationsbewegung bringen. Das innere Rücklaufrohr 24 reicht tief in den unteren Bereich des Verdampfers 1 hinein. Das flüssige Arbeitsmedium fließt durch das elektrisch gedrosselte Hauptrücklaufrohr 22, das innere Rücklaufrohr 24 in den Verdampfer 1 zurück. Die Oberfläche der Röhre 19, 20, und 22 sind vom wärmeisolierenden Material umgeben. Ferner werden die Röhre 19 und 22 noch von einem Schutzrohr 28 umgeben.
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Da das innere Rücklaufrohr 24 tief in den unteren Bereich des Verdampfers 1 hineinreicht, wird vermieden, dass das eingeleitete Wasser Kontakt mit der Gegenbewegung großer Dampfmenge hat und dabei Scherkraft verursacht. Die Erscheinung des Mitführens des Wassers durch den Dampf wird somit vermieden, was eine Austrocknungserscheinung im Verdampfer verhindert. Der Außendurchmesser des inneren Rücklaufrohrs 24 beträgt 0,3 m, der Innendurchmesser 0,2 m. Auf der inneren Wand des inneren Rücklaufrohrs 24 sind sechs riflingartige Züge 25 mit einer Tiefe von 0,01 m angeordnet. Auf der äußeren Wand des inneren Rücklaufrohrs 24 sind schraubenförmige Nuten 26 mit einer Tiefe von 0,01 m und einem Nutenabstand von 0,01 m angeordnet. Die Drehrichtung der Nuten 26 entspricht der der riflingartigen Züge 25. Da sich der Kondensator 2 oberhalb des Verdampfers 1 befindet, ergibt sich ein hydraulischer Höhenunterschied von 2000 m bis 3000 m, wodurch das Wasser im inneren Rücklaufrohr 24 nach unten fließt. Dabei bewirkt die Führungsfunktion der riflingartigen Züge 25 die Rotation des Wassers. Das Wasser fließt mit einem verhältnismäßig starken Trägheitsmoment aus dem inneren Rücklaufrohr 24 in den Verdampfer 1. Nach dem Eintritt des Wassers in den Verdampfer 1 entsteht eine Zweiphasenströmung aus Wasser und Dampf. Auf Grund der Verdampfungsfunktion erhöht sich der Druck im Verdampfer 1 und die Zweiphasenströmung bewegt sich nach oben. Da die Viskosität des Wassers und die des Dampfes verhältnismäßig gering sind, ist auch der Reibungsverlust mit der Wandoberfläche des Verdampfers 1 gering. Somit weist die Zweiphasenströmung noch eine verhältnismäßig starke Rotationsschwungkraft auf. Die schraubenförmigen Nuten 26 auf der äußeren Oberfläche des inneren Rücklaufrohrs 24 bewirken, dass sich die Zweiphasenströmung rotierend nach oben bewegt. Die Struktur des inneren Rücklaufrohrs 24 und der Bewegungsmodus der Strömung entsprechen den Darstellungen in den 3 und 4.
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Bei hoher Temperatur bildet sich an der inneren Wand des Verdampfers 1 eine Dampfmembran, wodurch die Effizienz der Wärmeleitung der Wand reduziert werden kann. Da die Dichte der Partikel des Wassertropfens in der Zweiphasenströmung höher ist als die des Dampfes, werden die flüssigen Partikel unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft der Rotation an die innere Wand des Verdampfers 1 geschleudert.
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Dabei zerschlagen die flüssigen Partikel die Dampfmembran, wobei an ihrer Stele eine Wassermembran gebildet wird und die Wärmeleitungsfähigkeit der Wand wiederhergestellt wird. Die innere Kammer des Verdampfers 1 weist eine zylindrische Form auf. Der äußere Durchmesser ihrer Bodenfläche beträgt 1m. Ihre Höhe beträgt 1,5m.
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Der Hochdruckdampf strömt in die Turbine 7 und treibt den Rotor 27 an. Die Wärmeenergie wird somit in elektrische Energie umgewandelt. Der Kondensator 2 wandelt den Dampf wider in Wasser um. Dafür ist der Kondensator 2 mit einem Kühlungssystem 29 versehen. Das flüssige Wasser fließt durch das Hauptrücklaufrohr 22 und das innere Rücklaufrohr 24 wieder in den Verdampfer 1 zurück.
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Das Ausführungsbeispiel stellt nur eine vorzugsweise Ausführungsmöglichkeit dar und hat keine einschränkende Wirkung. Alle anderen Ausführungsmöglichkeiten, die nicht über den Geist und das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung hinausgehen, werden von den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung gedeckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdampfer
- 2
- Kondensator
- 3
- Erdwärmebrunnen
- 4
- Warmes Untergrundwasser
- 5
- Erdwärmepumpe
- 6
- Niedrigsiedendes Arbeitsmedium
- 7
- Turbine
- 8
- Arbeitsmediumpumpe
- 9
- Rücklaufsystem
- 10
- Stromausgabe
- 11
- Wärmequelle
- 12
- Dampfrohr
- 13
- Dampfströmung
- 14
- Flüssigkeitsrücklauf
- 15
- Rücklaufrohr
- 16
- Wärmeabgabevorgang
- 17
- Drehrichtung der Rotationsbewegung
- 18
- Elektrisch gesteuerte Drossel
- 19
- Elektrisch gedrosseltes Dampfrohr
- 20
- Verbindungsrohr
- 21
- Entlüftungsventil
- 22
- Hauptrücklaufrohr
- 23
- Elektrisch gesteuerte Rücklaufdrossel
- 24
- Das innere Rücklaufrohr
- 25
- Riflingartige Züge
- 26
- Schraubenförmige Nuten
- 27
- Rotor
- 28
- Schutzrohr
- 29
- Kühlungssystem
