DE2525534A1

DE2525534A1 - Verfahren zur umwandlung der kondensationswaerme von daempfen und der waermeenergie von abwaessern oder anderen fluessigen stoffen und loesungen, emulsionen und dispersionen in mechanische energie

Info

Publication number: DE2525534A1
Application number: DE19752525534
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Kirchhoff; Werner Neumann; Wilhelm Stallherm
Original assignee: Neumann & Stallherm
Current assignee: Neumann & Stallherm
Priority date: 1975-06-07
Filing date: 1975-06-07
Publication date: 1976-12-16
Also published as: DE2525534B2; DE2525534C3

Description

Verfahren zur Umwandlung der Kondensationswärme von Dämpfen und der Wärmeenergie von Abwässern oder anderen flüssigen Stoffen und Lösungen, Emulsionen und Dispersionen in mechanische Energie Zusatz zur Anmeldung : P23 58 959.5-13 Gegenstand der Patentanmeldung P 23 58 959.5-13 ist ein Verfahren zur Umwandlung der Kondensationswärme von Dämpfen einer Kondensaticnstemperatur bis etwa 100°C und der Wärmeenergie von Abwässern oder anderen flüssigen Stoffen und Lösungen, Emulsionen und Dispersionen einer Temperatur von 20 bis 1000C, insbesondere von 30 bis 75 C, in mechanische Energie, wobei von diesen anorganischen und/ oder organischen Stoffen einem druckverflüssigten Arbeitsmittel einer kritischen Temperatur zwischen 20-und 1000C Wärmeenergie zugeführt wird und die hierbei imTemperaturbereich der kritischen Temperatur erfolgende räumliche Ausdehnung des flüssigen Arbeitsmittels zur mechanischen Arbeitsleistung verwendet wird.
Gegenstand der Erfindung ist eine Weiterausbildung dieses Verfahrens, die dadurch gekernzeichnet ist, dan die räumliche Ausdehnung, die sich in dem Temperaturbereich von etwa 20°C unterhalb der kritischen Temperatur bis 400C oberhalb der kritischen Temperatur des zunächst flüssigen und später gasförmigen Arbeitsmittels einstel it, zur Arbeitsleistung ausgenutzt wird, 2 wobei die Volumenänderungen auf 1 sobaren bis zu 150 kg/cm oberhalb des kritischen Druckes verlaufen können.
Es wurde überraschend gefunden, daß die bei Beginn des Kreisprozesses druckverflüssigten Arbeitsmittel der oben definierten Art, wie Chlortrifluormethan, Kohlendioxyd, Äthan, Acetylen, Stickoxydul, Methylfluorid, Chlorwasserstoff und Bromtrifluormethan, in dem oben definierten überkritischen Bereich noch eine erheblich nutzbare räumliche Ausdehnung besitzen. Gewinnt man nach dem Verfahren der Hauptanmeldung mechanische Energie, arbeitet man jedoch in dem erfindungsgemäß oben angegebenen Temperaturbereich, so läßt sich daher nochmais eine nicht unbeträchtliche Verbesserung der Ausbeute an mechanischer Energie erzielen. Die günstige kritische Temperatur der spezifisch ausgewählten Arbeitsmittel, die für die oben angegebenen Stoffe zwischen 28,8 bis 67,0°C liegt, gewährleistet es, daß zwischen Arbeitsmittel und wärmeabgebenden Heizmittel stets eine solche Temperaturdifferenz besteht, um einen guten Wärmedurchgang und darnit eine kurze Aufheizzeit zu erzielen. Es ist daher besonders vorteilhaft, den Kreisprozeß jeweils bei 20°C unterhalb der kritischen Temperatur des jeweiligen Arbeitsmittels beginnen zu lassen, um auch insofern noch die Ausbeute an mechanischer Energie zu steigern. Ferner hat es sich erwiesen, daß der erfindungs3emäße Arbeitstemperaturbereich die technische und praktische Handhabung einer Kreisprozeßführung in unvonersehbarer Weise erleichtert.
Ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, worin als Arbeitsmittel Kohlendioxyd verwendet wird, sei anhand der Zeichnung näher erläutert: Kondensierender Wasserdampf einer Temperatur von 7000C wird aus einem Abdampfnetz 1 über eine Mehrwegarmatur 2 in einen Wärmeaustauscher 3 geleitet. Der Wärmeaustauscher 3 setzt sich zusammen aus einem Dampfraum 4, einer Heizfläche 5, einem Arbeitsmittel raum 6, einer Kühlfläche 7 und aus einem Kondensatableiter 8. An der Heizfläche 5 kondensiert der zugeleitete Dampf und überträgt dabei seinen Wärmeinhalt an das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelraum 6. Als druckverflüssigtes Arbeitsmittel wird im vorliegenden Fall Kohlendioxyd verwendet. Dieses besitzt anfangs eine Tem-0 von 11OC 2 peratur von 11 C und einen Druck von 47 kg/cm . Es wird durch den kcndensierenden Dampf aufgeheizt. Anfangs verläuft der Prozeß isochor. Die Aufheizung bewirkt zunächst nur einen Druckanstieg bis zu einem bestimmten 2 vorgegebenen Grenzwert, der maximal 150 k g/cm über dem kritischen Druck des ausgewählten Arbeitsmittels liegen kann. im Zahlenbeispiel soll die isochore Aufheizung bis zu einer Isobare von 100 kg/cm², also ca. 25 kg/cm² über cem kritische7 Druck des Kohlendioxyds erfolgen. Die zugeordnete Temperatur beträgt 19°C. Durch eine weitere Aufheizung wird eine isobare Zustandsänderung erzwungen. Zwischen den Zustandspunkten 19°C, 100 kg/cm² und 71°C, 100 kg/cm² ändert sich das spezifische Volumen von 1,15 auf 3.9 1/kg. Hierbei erfolgt eine räumliche Ausdehnung des zunächst flüssigen und sodann gasförmigen Kohlendioxyds auf etwa 340%.
Die vom Kohlendioxyd geleistete Dehnungsarbeit wird über den Transmitter 9 an einen Druckölkreis übertragen. Das Kondensat aus dem Heizdampf wird über den Kondensatableiter 8 abgezogen.
Das Volumen des Arbeitsmittelraums 6 im Wärmeaustauscher 3 wird so groß gehalten, daß die Dehnungszunahme auf mehrere Arbeitszylinder 11 nacheinander verteilt werden kann. Die nacheinander folgende Beaufschlagung der einzelnen Arbeitszylinder 11 erfolgt über speziell vorgeschaltete, separat angesteuerte Schnellschlußventile 12. Die Kolben 13 der Arbeitszylinder 11 übertragen die Kräfte über Freilaufeinrichtungen 14 an die Abtriebswelle 16 und damit schließlich an eine Arbeitsmaschine, z.B. einen Generator 17. Sind alle Arbeitszylinder 11 auf ihrem maximalen Hub, so wird das Mehrwegeventil 2 umgeschaltet und das System b mit analogen Baueiementen aufgeheizt. Der Vorgang wiederholt sich wie vorgenannt.
Zur gleichen Zeit wird das zunächst gasförmige Arbeitsmittel Kohlendioxyd im System a zurückgekühit. Die Kondensationswärme des Heizdampfes wird somit nach Übertragung auf das zunächst druckverflüssigte und sodann nach seiner Verdampfung überkritisch gasförmige Arbeitsmittel abzüglich der aus ihr gewonnenen mechanischen Energie aus diesem wieder abgezogen. Die Kühlung über die Kühlfläche 7 kann beispielsweise unter Verwendung einer Wärmepumpe erfolgen, die die Arbeitsmittelwärme an die Atmosphäre transportiert oder mit Kühiluft oder Kühlwasser. Die Rückkühlung bewirkt zunächst eine isochore Druckerniearigung des gasförmigen Kohlendioxyds bis zum Sättigungszustand, dann eine Kondensation des Kohlendioxyds, wobei zwecks Erzielung eines echten Kreisprozesses die weitere Volumenreduzierung und Temperaturerniedrigung dieses Arbeitsmittels unterhalb seiner kritischen Temperatur so geführt wird, bis der temperaturmäßige und vdumenmäßige Ausgangszustand des Kohlendioxyds wieder erreicht ist. Die hierbei erfolgende beträchtliche Vol umenkontrakt ion des Arbeitsmittels Kohlendioxyd ermöglicht es problemlos, die Kolben 13 des Arbeitszylinders 11 über mechanische Kräfte gegen den Sättigungsdruck der Arbeitsflüssigkeit zurückzustellen. In der Figur sind diese Kräfte als Federkräfte 15 dargestellt.
Hat auch das System b seine maximale Dehnung erreicht, angezeigt durch den Hub aller Arbeitszylinder des Systems, so wird der Dampf über das Mehrwegeventil 2 auf das dritte System c geleitet. Der Vorgang wiederholt sich.
Das System a befindet sich in der Endphase der Kühlung. Bei System b wird gleichzeitig mit der Kühlung begonnen.
Mit Abschluß der räumlichen Ausdehnung des Systems c wird das System a vorgewärmt, um die Temperaturabhängige Trägheit des Vorwärmers zu überwinden. Für einen Augenblick können die Kolben des Systems c und die des Systems a auf die gleiche Welle 16 wirken,was jedoch belanglos ist, da wegen der eingebauten Freilaufkupplungen stets die größere Dehnungsarbeit auf die Generatorwelle übertragen wird. Die Anzahl der einzelnen Arbeitszylinder ist abhängig von deren Kolbenhub und vom jeweiligen Dehnungsvolumen des beheizten Arbeitsmittels.
Mit den anderen als Arbeitsmittel geeigneten Stoffen kann im Prinzip etsprechend verfahren werden.

Claims

Patentanspruch

Weiterausbildung des Verfahrens nach Patentanmeldung P23 58 959.5-13 zur Umwandlung der Kondensationswärme von Dämpfen einer Kondensationstemperatur bis etwa 100°C und der Wärmeenergie von Abwässern oder anderen flüssigen Stoffen und Lösungen, Emulsionen und Dispersionen einer Temperatur von 20 bis 10000, insbesondere von 30 bis 7500, in mechanische Energie, wobei von diesen anorganischen und/ oder organischen Stoffen einem druckverflüssigten Arbeitsmittel einer kritischen Temperatur zwischen 20 bis 10000 Wärmeenergie zugeführt wird und die hierbei im Temperaturbereich der kritischen Temperatur erfolgende räumliche Ausdehnung des flüssigen Arbeitsmittels zur mechanischen Arbeitsleistung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Ausdehnung, die sich in dem Temperaturberech von etwa 200C unterhalb der kritischen Ternperatur bis 40°C oberhalb der kritischen Temperatur des anfangs flüssigen und später gasförmigen Arbeitsmittels einstelit, zur Arbeitsleistung &usgenutzt wird, wobei die Volumenänderung auf Isobaren bis zu 150 kg/cm2 oberhalb des kritischen Druckes verlaufen können.

L e e r s e i t e