DE2715499A1 - Verfahren und vorrichtung zur nutzung von energie aus unterirdischen geothermischen quellen - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.--1ng. C u rt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

β Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 6. April 1977

Unser Zeichen: 15 827 -

Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zur

Nutzung von Energie aus unterirdischen geothermischen Quellen

Anmelder: Sperry Rand Corporation

1290 Avenue of the Americas
New York, N.Y. IOOI9 / USA

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach

Dipl.-Ing. G. Koch
Dr. Tino Haibach
Dipl.-Ing. R. Feldkamp
8OOO München

Erfinder: Hugh Brookie Matthews

410 Edgebrook Road
Boylston, Massachusetts / USA

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung von Energie aus unterirdischen geothermischen Quellen, beispielsweise aus heißen Söle-Tiefbrunnen»

In der deutschen Offenlegungsschrift 2 419 237 und der US-Patentschrift 3 898 020 sind Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, die einen wesentlichen Fortschritt bei der Technik der Gewinnung von geothermischer Leistung ergeben, weil sie nicht auf die Verwendung der seltenen einen trockenen Dampf liefernden geothermischen Quellen beschränkt sind und weil bei diesen Verfahren und Vorrichtungen weiterhin keine Probleme hinsichtlich der Trennung von Dampf und geothermischer Sole und der sich hierdurch ergebenden Korrosion ergeben, wie sie bei bekannten Systemen unter Verwendung von Brunnen auftreten, die eine Mischung aus Dampf und Heißwasser liefern. Die deutsche Offenlegungsschrift bzw. die US-Patentschrift beschreiben eine Anordnung, die im folgenden ausführlicher anhand der Figuren 1 sowie 3a und 3b der Zeichnungen erläutert wird.

Eine Verbesserung dieser grundlegenden Anordnung ist in der deutschen Offenlegungsschrift 2 530 635 beschrieben. Alle drei erwähnten Patent- bzw. Offenlegungsschriften beschreiben geothermische Energiegewinnungssysteme, die die thermische Energie ausnutzen, die in unterirdischen Wärmequellen in Form von heißen Lösungsmittel führenden Brunnenwasser gespeichert ist, um überhitzten Dampf aus einer von der Ober» fläche aus eingeleiteten Strömung von sauberem Wasser zu gewinnen. Der überhitzte Dampf wird dann zum Antrieb einer turbinengetriebenen Pumpe in dem Brunnen zum Pumpen der heißen Sole mit hohem Druck und immer in flüssigem Zustand bis zur Erdoberfläche hin verwendet, wo diese Sole oder das Lösungsmittel führende Brunnenwasser seine Energie in einer binären einen geschlossenen Kreislauf bildenden Wärmetauscher-Dampfturbinen-Wechselstromgenerator-Kombination zur Erzeu-

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gung von elektrischer Leistung abgibt. Die restliche Sole wird in die Erde zurückgepumpt während das saubere abgekühlte Wasser in dem an der Oberfläche angeordneten System wiedergewonnen wird und zu dem Tiefbrunnen-Pumpsystem zurückgeführt wird, um Dampf zu erzeugen und um außerdem die Flüssigkeitslager zu schmieren, die das turbinengetriebene Pumpsystem lagern. Die deutsche Offenlegungsschrift 2 530 635 beschreibt ein ähnliches System mit Verbesserungen hinsichtlich der Form der hydrodynamischen radialen und Drucklager sowie hinsichtlich von Druckflüssigkeits-Lagerschmiereinrichtungen. Weiterhin ist ein kompakter Tiefbrunnen-Dampfturbinenmotor zusammen mit Merkmalen der an der Oberfläche angeordneten Steuer- und Leistungserzeugungssysteme beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten geothemischen Energiegewinnungssysteme so zu verbessern, daß die Herstellungs- und Betriebskosten der Vorrichtung wesentlich verringert werden, wobei bestimmte an der Oberfläche und im Tiefbrunnen angeordnete Elemente fortgelassen werden können, so daß sich eine Vorrichtung mit verringerter Kompliziertheit und wesentlich vergrößertem Wirkungsgrad ergibt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte gelöst: Überführung einer ersten sich zu Anfang in einem relativ kühlen Zustand befindlichen Flüssigkeit von einer ersten Station in der Nähe der Erdoberfläche zu einer zweiten Station in der Erde, Verwendung der thermischen Energie zur Umwandlung der ersten Flüssigkeit in den überkritischen Zustand während der Überführung von der ersten Station zur zweiten Station, Verwendung der in überkritischem Zustand befindlichen ersten Flüssigkeit zum Antrieb von Pumpeinrichtungen an der zweiten Station, Verwendung der Pumpeinrichtungen zum Pumpen einer zweiten Flüssigkeit von dem im Erdinneren liegenden heißen Bereich zur ersten Station unter

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einem Druck, bei dem die zweite Flüssigkeit immer in flüssigem Zustand gehalten wird, überführung der in überkritischem Zustand befindlichen ersten Flüssigkeit nach dem Antrieb der Pumpeinrichtungen in thermisch isolierter Beziehung gegenüber der zweiten Flüssigkeit zur ersten Station, und Entnahme der thermischen Energie von der in überkritischem Zustand vorliegenden ersten Flüssigkeit an der ersten Station zur Erzeugung von Nutzleistung.

Weiterhin wird diese Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung folgende Teile umfaßt: Wärmetauschereinrichtungen, die sich im wesentlichen von einer ersten Station benachbart zur Erdoberfläche zu einer zweiten Station im Erdinneren erstrecken, um eine erste sich zu Anfang in relativ kühlem Zustand befindliche Flüssigkeit von der ersten Station zur zweiten Station zu überführen, während die erste Flüssigkeit in den überkritischen Zustand zum Antrieb von Antriebseinrichtungen an der zweiten Station überführt wird, von den Antriebseinrichtungen angetriebene Pumpeinrichtungen an der zweiten Station zum Pumpen einer zweiten Flüssigkeit von dem heißen Bereich im Erdinneren unter einem Druck, bei dem die zweite Flüssigkeit immer in flüssigem Zustand gehalten wird, in Wärmeaustauschbeziehung mit den Wärme tauschereinrichtungen stehende Leitungsteile zur Überführung der zweiten Flüssigkeit von dem Pumpeinrichtungen zur ersten Station, thermisch isolierende Leitungsteile zur überführung der ersten in überkritischem Zustand befindlichen Flüssigkeit von den Antriebseinrichtungen zur ersten Station in thermisch isolierter Beziehung gegenüber der zweiten Flüssigkeit, und thermische Energieüberführungseinrichtungen an der ersten Station zur Entnahme eines Teils der thermischen Energie von der in überkritischem Zustand vorliegenden ersten Flüssigkeit zur Gewinnung von Nutzleistung.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeiclinung zeigen:

Fig. 1 eine hauptsächlich im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer bekannten geothermischen Tiefbrunnen-Energiegewinnungsνorrichtung mit den zusammenwirkenden Oberflächen-Steuer- und Leistungserzeugungseinrichtungen in schematischer Form;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen gpothermischen Energiegewinnungseinrichtung;

Fig. J5a bis 5b grafische Darstellungen zur Erläuterung der

Betriebsweise der Vorrichtungen nach den Figuren 1 und 2;

Fig. 6 bis 9 Querschnittsansichten entlang der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 2 in unterschiedlichen Höhenlagen, die sich verjüngende Wärmetauscherelemente der Vorrichtung zeigen;

Fig. 10 eine Flügelbauart eines Wärmetauscherelementes

zur Verwendung in der Vorrichtung nach den Figuren 6 bis 9;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht einer weiteren Aus-

führungsform eines sich verjüngenden Wärmetauscher elementes;

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Fig. 12 eine teilweise geschnitten dargestellte Ansicht einer weiteren AusfUhrungsform der Vorrichtung;

Fig. 13 eine teilweise im Querschnitt dargestellte

Ansicht eines Teils der Wärmetauschervorrichtung nach Fig. 12;

Fig. 14 ein Querschnitt eines Teils der Vorrichtung

nach Fig. 2;

Fig. 15 eine Draufsicht auf ein Turbinenrad der Vorrichtung nach Fig. 14;

Fig. 16 eine bruchstückhafte Ansicht entlang der Linie

I6-I6 nach Fig. 15;

Fig. 17 eine abgewickelte Darstellung eines Teils

der Turbinenvorrichtung nach Fig. 14;

Fig. 18 eine teilweise im Querschnitt dargestellte

Ansicht eines weiteren Teils der Vorrichtung nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau und die Eigenschaften der Vorrichtung, wie sie in der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 2 419 257 und der US-Patentschrift 3 898 020 dargestellt und beschrieben ist. Diese Vorrichtung schließt ein an der Oberfläche angeordnetes Energieumwandlungssystem und ein damit zusammenwirkendes geothermisches Energieentnahmesystem ein, das in einen Tiefbrunnen eingetaucht ist, der sich in Schichten weit unter der Erdoberfläche erstreckt, wobei sich dieses Energieableitsystem in einer derartigen Tiefe befindet, daß eine reichliche Zufuhr von äußerst heißem Wasser unter hohem Druck zuverlässig zur Verfügung steht. Die Tiefbrunnenvorrichtung schließt

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eine aktive Pumpanordnung ein, die in einer allgemein üblichen Brunnenauskleidung 5I angeordnet ist. Die Vorrichtung nach Fig. 1 schließt einen Brunnenkopfabschnitt 49 ein, der sich teilweise über der Erdoberfläche 50 befindet und sich nach unten hin erstreckt. An oder oberhalo der unterirdischen Quelle für heißes unter hohem Druck stehendes Wasser stehen Verlängerungen der Brunnenrohre mit einem Regler- und Dampfgeneratcr-Eingangsabschnitt 75 in Verbindung. Ein Dampfgeneratorabschnitt 76, ein Dampfturbinenmotorabschnitt 77» ein Drehstützlagerabschnitt 78 und ein Heißwasserpumpabschnitt 79 folgen in enger Aufeinanderfolge in zunehmender Tiefe. Die Brunnenauskleidung 5I erstreckt sich von der Erdoberfläche 50 aus nach unten und umgibt allgemein konzentrisch ein am weitesten innen angeordnetes Stahlrohr 53» das eine innere Leitung zur Zuführung einer Strömung (in Richtung des Pfeils 56) von relativ kaltem reinen V asser zum Boden des Brunnens bildet. Ein zweites stärkeres Rohr 52 umgibt das Rohr 53 und bildet eine kreisringförmige Leitung 55, die sich von dem Brunnenkopfabschnitt 49 zum Turbinenmotorabschnitt 77 erstreckt, so daß der Turbinenabdampf in Richtung des Pfeüs 57 zur Erdoberfläche 50 strömen kann, von wo aus der Dampf durch ein Verlängerungsrohr 24 in einen Kondensator 23 strömt. Der kondensierte Dampf wird dann mit Hilfe einer üblichen an der Oberfläche angeordneten Pumpe 21 über ein Rohr 22 weitergepumpt und wird über das in der Mitte angeordnete Innenrohr 53 wieder in den Brunnen geleitet.

Es ist aus Fig. 1 zu erkennen, daß das relativ saubere kühle Wasser über das Innenrohr 53 nach unten in den Bereich einer Rohrverzweigung 70 gepumpt wird. An der Rohrverzweigung 70 wird das nach unten strömende Wasser auf zwei Zweigleitungen aufgeteilt. Wie dies in den vorstehend genannten Patent- bzw. Offenlegungsschriften beschrieben ist, leitet die erste Zweigleitung sauberes Schmierwasser durch ein Rohr 71 zur Schmierung eines Lagersystems in dem Lagersystemabschnitt 78. Die zweite Zweigleitung leitet einen Teil des sauberen Wassers über einen

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Druckregler 72 und über ein Verteilungsrohr 73 an einen Einlaßkrümmer 74 eines Dampfgenerators 80, der als eine ringförmige Kammer zwischen dem Rohr 52 und einem Rohr 59 gebildet ist. Entsprechend wird unter hohem Druck stehender Dampf erzeugt und zum Antrieb eines Dampfturbinenmotors verwendet, der sich innerhalb des Dampfturbinenmotorabschnittes 77 befindet. Die Aufgabe des am Abschnitt 77 befindlichen und in in dem Lagerabschnitt 78 angeordneten Drehlagern gelagerten Turbinenmotors besteht im Antrieb einer Heißwasserpumpe, die am Abschnitt 79 angeordnet ist. Heißes unter hohem Druck stehendes Wasser wird durch die rotierenden PumpenflUgel 81 zwischen einem rotierenden konischen Ende 82 der Pumpenwelle und einem zugehörigen Pumpenmantel Qj> nach oben angetrieben. Das heiße geothermische Wasser wird in Richtung des Pfeils 58 mit hoher Geschwindigkeit in der kreisringförmigen Leitung 54 zwischen dem Rohr 52 und der Brunnenauskleidung 51 nach oben gepumpt, so daß an der Erdoberfläche die in dem Wasser enthaltene geothermische Energie ausgenutzt werden kann. Das heiße Wasser wird üblicherweise in Form einer Sole oder einer Lösungsmittel enthaltenden Flüssigkeit zur Erdoberfläche 50 hochgepumpt, wobei dieses heiße Wasser immer unter einem Druck gehalten wird, der eine Dampfbildung verhindert, so daß verhindert wird, daß gelöste Salze an irgendeinem Punkt einer möglichen Dampfbildung abgeschieden werden. Während das Brunnenwasser nach oben gepumpt wird, wird Wärme von dem Brunnenwasser über die Wände des Rohres 52 am Dampfgenerator 80 Übertragen, um einen energiereichen trockenen Dampf zu bilden.

Das zur Erdoberfläche in der Leitung 54 hochgepumpte heiße geothermische Wasser wird über ein Rohr I9 in ein Warmeeingangs element 16 eines üblichen Wärmetauschers 15 geleitet, um aus dem Wasser Wärme mit Hilfe eines organischen Flüssigkeit abzuleiten, die in dem damit zusammenwirkenden üblichen Wärmetauscher-Ausgangselement 14 fließt. Das abgekühlte geothermische Wasser wird zusammen mit den gelüsten Salzen mit Hilfe einer Pumpe 17 durch ein Rohr 20 weitergepumpt und in

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eine Rückleltungs-Brunnenauskleidung l8 eingeleitet, die das Wasser en eine Stelle weit unter der Erdoberfläche zurückführt. Der Rückleitungsbrunnen, der durch die Brunnenauskleidung 18 gebildet ist, kann an einer von dem geothermischen Brunnen der Brunnenauskleidung 5I entfernten Stelle angeordnet sein, doch ist er vorzugsweise so angeordnet, daß er eine Strömung des rückgeleiteten Wassers durch durchlässige Erdschichten in Richtung auf die geothermiS2he Wärmequelle ermöglicht, die der geothermlsche Brunnen ausnutzt, wie dies durch die Pfeile 84 angedeutet ist.

Das binäre an der Oberfläche angeordnete Energieumwandlungssystem führt die Energie aus dem Wärmetauscher 15 ab, um den üblichen an der Oberfläche angeordneten Dampfturbinenmotor anzutreiben. Zu diesem Zweck kenn eine übliche organische Flüssigkeit, die einen verbesserten Rankine-Kreisprozeßbetrieb ermöglicht, über eine Pumpe 12 und ein Rohr 13 an das Wärmetauscherelement 14 geleitet werden, in dem es in energiereichen Dampf umgewandelt wird, der über ein Rohr 14 der Eingangsstufe eines üblichen mehrstufigen Turbinenmotors 1 zugeführt wird. Nach der Erzeugung von Nutzleistung strömt der Turbinenabdampf über ein Rohr 5 durch ein Eingangselement 10 eines Kondensators 9 und fließt dann als kondensierte Flüssigkeit durch ein Rohr 11 zur Pumpe 12 bevor diese Flüssigkeit in den Wärmetauscher 15 eintritt. Der Kondensator 9 kenn mit Hilfe einer Kühlwasserströmung von einem (nicht gezeigten) Kühlturm durch ein Rohr 6, ein Wärmetauscherelement 8 und ein Rohr 7 gekühlt werden. Somit verwendet die Kombination eine Energie, die in einem geothermischen Tiefbrunnen zur Verfügung steht, um elektrische Leistung mit hohem Wirkungsgrad an den Anschlüssen 3 eines üblichen Wechselstromgenerator 2 zu erzeugen, der durch den mit organischem Dampf betriebenen Turbinenmotor 1 angetrieben wird.

Die bekannte in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist drei Betriebskreise auf, nämlich:

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1. Einen geothermischen Solekreislauf, der die Leitung 54, das Wärmetauscherelement l6, die Pumpe 17, den Rückleitungsbrunnen 18 und die durchlässigen Schichten (Pfeile 84) einschließt, die die Brunnenböden miteinander verbinden.

2. Einen Binärflüssigkeits-Primärenergieumwandlungskreislauf mit dem Wärmetauscherelement 14, dem Turbinenmotor 1, dem Kondensatorelement 10, der Pumpe 12 und dem Rohr 13, und

3. einen Antriebskreislauf für die am unteren Ende des Brunnens angeordnete Pumpe mit der Strömung von sauberem Wasser durch das Rohr 53. dem Regler 72, dem Dampfgenerator 80, dem Dampfturbinenmotor im Abschnitt der Leitung 55» dem Rohr 24, dem Kondensator 23, der Pumpe 21 und dem Rohr 22.

In dem Solekreislauf tritt die geothermisch erhitzte Sole im Betrieb normalerweise in den Brunnen unter dem Pumpenabschnitt 79 an einer Stelle beispielsweise I83O m unter der Erdoberfläche mit einer typischen Temperatur von 150⁰C und einem Druck ein, der hoch genug ist, daß selbst in einer Tiefe von 300 m oder weniger unter der Erdoberfläche 50 der, Druck noch ausreichend über dem Sättigungsdruck der Sole liegt, so daß eine Kavitation und eine Dampfbildung an den Pumpenflügeln 8l verhindert wird. Die Tiefbrunnenpumpe am Abschnitt 79 ergibt einen ausreichenden Zusatzdruck (beispielsweise 1,4 kp/m /200 psi), um die geothermische Brunnensole über die Erdoberfläche 50 anzuheben, wobei immer noch ein ausreichender Druck über dem Sättigungsdruck aufrechterhalten wird, um eine Dampfbildung und Kavitation auf dem Weg zur Rückleltungs-Zusatzpumpe I7 zu verhindern. Auf dieser Leitungsstrecke überträgt die geothermische Sole eine ausreichende Wärme an den Dampfgenerator 80 in dem Antriebskreislauf, um den Turbinenmotor im Abschnitt 77 anzutreiben.

COPY

ORIGINAL INSPECTED

Die geothermische Sole erreicht dann den primären Wärmetauscher 15 mit einer Temperatur von beispielsweise 138⁰C. Die Zusatzpumpe 17 führt der geothermischen Sole genügend Energie zu, um sie aus dem Wärmetauscherelement 16 mit einer Temperatur von beispielsweise 54,5⁰C herauszubewegen und in den entfernt angeordneten Ruckleitungsbrunnen zu pumpen, der durch die Brunnenauskleidung l8 gebildet ist, und zwar bei-

spielsweise bei einem Druck von 17,6 kp/cm . Wie es bereits erwähnt wurde, ist der Rückleitungsbrunnen praktisch mit dem Boden des geothermischen Brunnens durch wasserdurchlässige Schichten verbunden, so daß die Sole erneut erhitzt wird und kontinuierlich zum Umlauf gebracht werden kann.

Der binäre Primärumwand lungs-Kreislauf kann durch den üblichen überkritischen organischen Rankine-Kreisprozeß ABCDA nach Fig. 3a dargestellt werden, wobei diese Figur ein Diagramm zeigt, das den Druck P gegenüber der Enthalpie h zeigt. In diesem Diagramm definiert der durch die Kurve 142 umgrenzte Bereich l4l den Zweiphasenbereich der organischen Flüssigkeit und die organische Arbeitsflüssigkeit bleibt im wesentlichen außerhalb und entfernt von diesem Zweiphasenbereich l4l, so daß sie sich über den größten Teil des Kreisprozesses in überkritischem Zustand befindet. Die Figuren 3a und 3b werden in Verbindung mit der Betriebsweise des bekannten Systems nach Fig. 1 erläutert. Die Fig. 3b zeigt Kurven der jeweiligen Temperatur innerhalb der Soleflüssigkeit bzw. der organischen Flüssigkeit beim Durchlaufen des Wärmetauschers 15 in Gegenstromrichtung. Die gestrichelte vertikale Linie 146 stellt die Lage des Einganges für das organische Material und des Ausganges der Sole dar, während die gestrichelte vertikale Linie 147 die Lage des Ausganges des organischen Materials und des Einganges der Sole an dem Wärmetauscher 15 darstellt. Die horizontale Koordinate der Fig. 3b stellt daher den Weg oder die Strecke entlang des Wärmetauschers dar.

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Die Strecke AB nach den Figuren 3a und 3b stellt eine Druckvergrößerung mit relativ kleinen, jedoch einander entsprechenden Enthalpie und Temperaturänderungen dar; die Wirkung ist die der Speisepumpe 12, die einen ausreichenden Zusatzdruck ergibt, damit die organische Flüssigkeit gut oberhalb des Zweiphasenbereichs 141 verbleibt wenn Wärme auf die organische Flüssigkeit entlang des Weges BC übertragen wird. Es ergibt sich ein beträchtlicher Energieverlust auf Grund der Eigenart der Speisepumpe 12. Bei Auftreten lediglich eines geringen Druckabfalls stellt die Strecke BC den Durchgang der organischen Flüssigkeit durch das Wärmetauscherelement 14 mit gewissen StrömungsVerlusten dar. Die Enthalpie und die Temperatur werden beträchtlich vergrößert.

Die Strecke CD stellt die Entspannung oder Ausdehnung des organischen Dampfs in dem Turbinenmotor 1 dar. Eine beträchtliche Enthalpie wird während des entsprechenden Druckabfalls zum Punkt D frei, wobei dieser Punkt in wünschenswerter Weise nahe an der Zweiphasen-Grenze der Kurve 142 liegt. Wenn der Punkt D innerhalb der Kurve 142 liegt, ergibt sich eine gewisse Tröpfchenerosion und ein Energieverlust und wenn dieser Punkt D zu weit außen liegt, wird der Wirkungsgrad unnötig verringert. Der Kreisprozeß wird durch die Strecke DA geschlossen, die der Wirkung des Kondensators 9 bei der Absenkung der Enthalpie h zurück auf den Anfangewert entlang eines Weges mit Im wesentlichen konstantem Druck innerhalb des Zweiphasenbereichs 141 entspricht. Insgesamt 1st zu erkennen, daß die thermodynamischen Prozesse wie folgt sind:

(A - B) Speisepumpenbetrieb

(B - C) Wärmeübertragung von der Sole zur organischen

ArbeitsflüaaLgkeit, (C-D) Entspannung und Ausdehnung der organischen

Arbeitsflüssigkeit in der Turbine,

(D - A) Kondensation der organischen Flüssigkeit, und (G - H) Wärmeableitung von der Sole entlang einer Kurve,

die eine lineare oder andere Funktion des Weges

sein kann.

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Für einen typischen, jedoch lediglich beispielhaften Satz von Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung von Verlusten können die Drücke und Temperaturen an den verschiedenen alphabetischen Punkten nach den Figuren 3a und 3b die Werte gemäß der folgenden Tabelle I aufweisen:

	Druck	Tabelle I	Tempera	tür	°C
	P.S.I .A.		0F	26,5
	33	kp/cm	80	32,3
A	930	2,32	90	165,0
E	900	65,5	330	29,5
C	38	63,3	85	175,0
D	175	2,6?	350	52,5
G	150	12,3	127
H	10,5

Die Temperaturdifferenz ΔΤ(Η-Β) beträgt 20,6⁰C (37°F); ΔΤ(Η-Α) beträgt 26,1⁰C (47°F) und AT(G-C) beträgt 11,1°C (20⁰F). Es ergibt sich ein mittlerer effektiver Temperaturunterschied von Ii,1°F. Es ist weiterhin zu erkennen, daß bei der Vorrichtung nach Fig. 1 die Wärmekapazität der Arbeitsflüssigkelt oder dQ/dt eine etwas ansteigende Funktion der Temperatur der Arbeitsflüssigkeit ist. Andererseits ist die effektive Wärmekapazität der Sole charakteristischerweise über den gesamten Betriebstemperaturbereich in der Vorrichtung nach Fig. 1 fast konstant. Diese speziellen thermischen Eigenschaften führen zu konstruktiven Einschränkungen, die zu Kompromissen bei der Konstruktion der Vorrichtung nach Flg. im Hinblick auf den gut bekannten Einschnürungseffekt führen, der in vielen Fällen bei Wärmetauschern auftritt. Wie dies noch näher erläutert wird, macht dieser ElnschnUrungseffekt derartige Wärmetauscher unwirksam wenn die durch die Pfeile 203 nach Fig. 3b begrenzte Temperaturdifferenz zu 0 wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung soll auch das vorstehend beschriebene konstruktive Problem

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beseitigen. Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Oberflächenenergie-Umwandlungssystem, das mit einem weniger komplizierten und wirkungsvolleren geothermlschen Energieentnahmesystem zusammenwirkt, wobei das letztere wiederum in einem Tiefbrunnen angeordnet ist, der sich in Schichten erstreckt, die einen reichlichen Zufluß von geothermisch erhitztem Wasser oder geothermisch erhitzter Sole unter relativ hohem Druck aufweisen. Die Tiefbrunnenvorrichtung schließt wiederum eine aktive Sole-Pumpvorrichtung ein, die sich in einer Brunnenauskleidung 125 unter der Tiefe befindet, an der eine Dampfbildung erfolgen würde. Die Anordnung nach Fig. 2 schließt wiederum einen Brunnenkopfabschnitt 149 ein, der sich teilweise über der Erdoberfläche 13I befindet und sich von dieser nach unten erstreckt. In Richtung auf die geothermische Quelle stehen Verlängerungen der Brunnenrohre direkt mit einem Flüssigkeitsturbinenmotorabschnitt 170, einem Drehtraglagerabschnitt 171 und einem Heißwasser-Pumpabschnitt 172 in Verbindung, die in enger Aufeinanderfolge mit zunehmenden Tiefen angeordnet sind.

Die Brunnenauskleidung 125 ersteckt sich von einer Oberflächenabdeckung oder Kopfplatte 120 nach unten, umgibt allgemein konzentrisch ein relativ großes Rohr 12j5, das eine kreisringförmige Leitung 126 bildet, durch das die immer in flüssigem Zustand befindliche heiße geothermische Sole nach oben strömen kann. Zwischen dem Rohr 123 und einem inneren Rohr 121 ist eine kreisringförmige Leitung 124 gebildet, die eine nach unten gerichtete Strömung einer organischen Flüssigkeit in überkritischem Zustand ermöglicht, um den Strömungsmittel-Turbinenmotor in dem Turbinenabschnitt I70 anzutreiben. Nach dem Antrieb der Turbine wird die teilweise abgekühlte sich im überkritischen Zustand befindliche Flüssigkeit ohne Phasenänderung in der Leitung 122 nach oben zurückgeführt, die in dem Rohr 121 gebildet ist.

Ein intensiver Wärmeaustausch wird durch die Wände des Rohres zwischen dem nach oben strömenden heißen geothermischen

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Wasser und der nach unten strömenden ArbeitsflUssigkeit erzielt, die in der kreisringförmigen Leitung 124 in einen überkritischen Zustand erhitzt wird. Andererseits wird ein Wärmeübergang zwischen der erhitzten ArbeitsflUssigkeit in der kreisringförmigen Leitung 124 und der in der inneren Leitung 122 nach oben strömenden Flüssigkeit sehr stark verringert. Zu diesem Zweck wird lediglich ein kleiner Teil des Rohres 121 aus Metall hergestellt undder größte Teil der Leitung 122 ist durch ein aus thermisch isolierendem Material hergestelltes Rohr gebildet. Ein derartiges Isolierrohr ist in Fig. 2 als Rohr 127 dargestellt, das mit dem metallischen Brunnenkopf-Innenrohr 121 in üblicher Weise verbunden 1st, beispielsweise durch eine Gewindeverbindung 128. Das Isolierrohr 127 kann in ähnlicher Weise an einer Gewindeverbindung 129 (Fig. 14) mit einem Metallrohr IjK) verbunden sein, das sich in dem Strömungsmittelturbinenmotorabschnitt 170 befindet, der noch beschrieben wird. Das Rohr 127 kann in üblicher Weise aus feuerfesten Materialien geformt werden, die mit einem geeigneten Bindemittel gegossen werden, und es kann Glas-, Asbest- oder ähnliche Fasern enthalten. Alternativ kann das Rohr 127 ein Stahlrohr mit einer Schicht aus üblichem pulverisiertem thermisch isolierendem Material sein, das In üblicher Weise auf eine oder beiden zylindrischen Oberflächen dieses Rohres aufgesprüht oder mit diesen auf andere Weise verbunden wird. Am unteren Ende des Betriebstemperaturbereiches sind verstärkte Kunststoffrohre geeignet.

Wenn die Pumpe in dem Pumpenabschnitt 172 arbeitet, wird die geothermische Flüssigkeit in der Leitung 126 immer in flüssigem Zustand durch die Wirkung der Pumpenflügel 174 nach oben angetrieben, wobei diese PumpenflUgel über eine Welle 173 von dem Strömungsmittel-Turbinenmotor des Abschnittes I70 angetrieben werden. Während des Aufsteigens der geothermischen Flüssigkeit in der Leitung 126 ergibt sich eine intensive Wärmeübertragung durch die Wände des Rohres 123 in die nach

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unten strömende Arbeitsflüssigkeit in der Leitung 124. Die geothermische Sole strömt in der Leitung 126 nach oben und über ein Verzweigungsauslaßrohr 132 an der Erdoberfläche 131 aus, so daß sie in beträchtlich abgekühlter Form einem Rücklei tungsbrunnen 133 zugeführt wird, der dem Brunnen ähnlich ist, der durch die Auskleidung 18 nach Fig. 1 gebildet wurde. Entsprechend kann der EnergieableitungSfCreislauf kontinuierlich wiederholt werden.

Die organische Arbeitsflüssigkeit, die über ein an der Oberfläche angeordnetes Zweigrohr 118 in die Leitung 124 eingeleitet wird, strömt zwischen dem thermisch leitenden Rohr 123 und dem thermisch isolierenden Rohr 127 mit einem beträchtlichen Volumen nach unten, so daß der größere Teil der geothermischen Energie auf die Arbeitsflüssigkeit übertragen wurde, wenn diese den Turbinenjnotor des Abschnittes 1?O in überkritischem Zustand erreicht. Nach der Lieferung der Energie zum Antrieb der Turbine, der Welle I83 und der Flügel 174 der Solepumpe strömt die teilweise abgekühlte Arbeitsflüssigkeit im überkritischen Zustand in der Leitung 122 nach oben, ohne daß sich eine Zustandsänderung ergibt und die Arbeitsflüssigkeit strömt dann in überkritischem Zustand in der Leitung ohne Zustandsänderung nach oben und strömt durch die in Reihe hintereinander angeordneten Rohre II9 und 104 zum Eingang einer üblichen mehrstufigen Dampfturbine 301. Auf diese Weise wird Energie durch den Dampf geliefert, der eich an den Singangsdüsen der Turbine 101 bildet, um den an der Erdoberfläche angeordneten Wechselstromgenerator oder allgemein einen Generator 102 anzutreiben, der eine elektrische Leistung an den Ausgangsanschlüssen 103 liefert.

Der an der Ausgangsstufe der Turbine 101 auftretende und durch das Rohr 105 flie3er.de Dampf wird durch die Wirkung des Kondensatorelementes 110 eines Kondensators 109 in eine Flüssigkeit rückumgewändeit. Die Kühlung des Kondensators 109 wird durch eine Wasserströmung beispielsweise von einem

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(nicht gezeigten) Kühlturm über ein Rohr 106, ein Kondensatorelement 108 und über ein Rohr 107 zum Turm zurück erzielt. Im Normalbetrieb strömt die organische Arbeitsflüsslgkeit über die Rohre 111, 112, über ein offenes Ventil 114 und über eine T-Verbindung II7 in das Zweigrohr II8, um wieder in Umlauf gebracht zu werden. Das Ventil Il4wird nur unter ungewöhnlichen Umständen geschlossen, wie z.B. beim Inbetriebsetzen der Vorrichtung und in diesem Fall wird das Ventil Ho statt des Ventils 114 geöffnet und eine Pumpe II5 wird in Betrieb gesetzt, um eine Strömung durch ein Rohr 113» die Pumpe 115, das Ventil 116 und die T-Verzweigung II7 hervorzurufen, damit sich ein ausreichender Druck zum Anlassen des Turbinenmotors des Abschnittes 170 ergibt, worauf der Normalbetrieb mit geschlossenem Ventil 116 und geöffnetem Ventil 114 fortgesetzt wird.

In deutlichem Gegensatz zu der Vorrichtung nach den Figuren Ja und 3b weist die Vorrichtung nach Fig. 2 lediglich zwei Arbeitskreise auf, nämlich:

1. Einen geothermischen Solekreislauf mit der Leitung 126, dem Rohr I32, dem RUckleitungsbrunnen I33 und der durchlässigen Schicht 84, die den Boden der beiden Brunnen verbindet, und

2. einen vollständig getrennten Kreislauf, der hier als organischer Kreislauf bezeichnet wird und der die Strömung der organischen Flüssigkeit durch die Rohre 111, 112, II8, die Brunnenleitung 126, den FlUssigkeitsturbinenmotor im Abschnitt 170, die Leitung 122, die Rohre 119, 104, die Dampfturbine 101 und den Wärmetauscher 110 umfaßt.

Im Betrieb des Solekrtislaufa wird die Sölelösung vom Boden der Brunnenauskleidung 123 mit Hilfe der Pumpe ata Abschnitt 172 nach oben gepumpt und sie erhält «Inen Zusatrdruok, damit

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sie sich über die Erdoberfläche 13I bewegt. Im Gegensatz zur Vorrichtung nach Fig. 1 überträgt die Sole im wesentlichen ihre gesamte zur Verfügung stehende Wärme durch die Wände des sehr langen Wärmetauschers 123 in die organische Flüssigkeit in der Leitung 124 des organischen Kreislaufs. Nach dem Antrieb des Flüssigkeitsturbinenmotors in dem Turbinenabschnitt 170 erreicht die organische Arbeitsflüssigkeit die Erdoberfläche 131 mit einer relativ erniedrigten Temperatur, beispielsweise in der Größenordnung von 49⁰C bis 65,5⁰C, wenn die Sole in dem Brunnen eine Temperatur von ungefähr 150°C aufweist, und zwar üblicherweise in Abhängigkeit von der Temperatur des abschließenden Kühlers. Im Gegensatz zum Betrieb der bekannten Vorrichtung, bei der die hochsteigende geothermische Sole ihre Anfangstemperatür im wesentlichen beibehält, wird die Temperatur der Sole in der Leitung 126 kontinuierlich verringert, wenn diese hochsteigt und der Druck in der Sole fällt ebenfalls kontinuierlich ab und entsprechend ist es nicht erforderlich, daß die am Boden des Brunnens angeordnete Pumpe des Abschnittes I72 einen beträchtlichen Zusatzdruck erzeugt, um eine Dampfbildung zu verhindern und die gesamte von der im Brunnen angeordneten Pumpe erzeugte Arbeit dient lediglich zur Überwindung von Strömungsreibungsverlusten. Weiterhin kann die Zusatzpumpe 17 nach Fig. 1 entfallen, weil jedoch weiterhin im wesentlichen die gleichen Tlefbrunnen-Pumpenspezifikationen verwendet werden. Weiterhin entfallen andere Herstellungs- und Betriebskosten; beispielsweise wird der primäre Binärkreis-Wärmetauscher 15 der Vorrichtung nach Fig. 1 fortgelassen und seine Funktion wird von dem relativ einfachen und wirkungsvolleren Wärmetauscher übernommen, der durch die Brunnenleitungen 124, 126 gebildet 1st, die in Jedem Fall vorhanden sein müssen, um die jeweiligen Flüssigkeiten zu transportieren.

Die Betriebsweise des überkritischen organischen Kreislaufs nach Fig. 2 kann in Verbindung mit den Diagrammen nach den Figuren 4a und 4b erläutert werden, wobei es verständlich ist, daß die Fig. 4a analog zur Fig. ^a 1st, während die

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Fig. 4b analog zur Fig. 3b ist. Der im überkritischen Zustand betriebene organische Kreislauf ist in Fig. 4a durch den Kreislauf ACFEDA dargestellt. Beginnend am Ausgang des Kondensatorelementes UO, der dem Punkt A nach Fig. 4a entspricht, fließt die Arbeitsflüssigkeit in der Leitung 124 zwischen dem Wärmetauscherrohr 123 und dem thermisch isolierenden Auslaßrohr 127 nach unten. Das durch die Schwerkraft hervorgerufene Druckgefälle in zunehmender Tiefe der Flüssigkeit in der Leitung 124 steigt kontinuierlich an; die Flussigkeitstemperatür und die Enthalpie steigen ebenfalls kontinuierlich an, weil die organische Flüssigkeit Wärme von der geothermischen Sole während des gesamten Durchlaufens durch die Leitung 124 aufnimmt. Die Flüssigkeit in der Leitung 124 bleibt in dem einphasigen überkritischen Zustand entlang der Kurve 148 und normalerweise gerade außerhalb der Kurve 142, die den Zweiphasenbereich 141 nach Fig. 4a umgrenzt und sie erreicht den Turbinenmotor in dem Abschnitt 170 mit maximaler Temperatur, mit maximalem Druck und mit maximalem Wärmeinhalt (Enthalpie), wie dies durch den Punkt C dargestellt ist. In der Praxis kann zugelassen werden, daß die Kurve 148 geringfügig in den Zweiphasenbereich 141 absinkt, wie dies noch näher erläutert wird. Die Form der Kurve 142 ist selbstverständlich von Natur her durch die physikalischen Eigenschaften der organischen Flüssigkeit bestimmt oder festgelegt, während die Form der Kurve 148 ohne weiteres unter Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen verändert werden kann. Im allgemeinen wird die Form der Kurve 148 gemäß Fig. 4a so eingestellt und ausgewählt, daß die Einführung von Wärme in die organische Flüssigkeit bei konstantem Druck vermieden wird, wie dies in Flg. J5a der Fall ist.

Weil der Druck und die Temperatur zusammen entlang des Weges AC nach Fig. 4a ansteigen, bleibt die spezifische Wärme dQ/dT der überkritischen Flüssigkeit stärker angenähert mit der Temperatur konstant als bei dem Kreislauf nach Fig. 3b, bei dem die Temperatur bei im wesentlichen konstanten Druck erhöht wurde. Diese Eigenschaft einer relativ konstanten spe-

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ziflschen Wärme kann mit einem weiten Bereich von organischen Flüssigkeiten erzielt werden, die zur Verwendung in thermodynamischen Systemen geeignet sind, unter Einschluß von Isobutan, Propan, Propylen, Difluoromethan (CH₂F₂) und anderen allgemein verwendeten ein hohes Molekulargewicht aufweisenden Kühlmitteln auf Kohlenstoffwasserstoff- oder Chlorfluorkarbon-Halogen -Grund lage, beispielsweise CClF₂-CClF₂, CC1,F oder CClF₂-CF₅.

Die grundlegenden Eigenschaften, die die organische Flüssigkeit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufweisen muß, besteht darin, daß Ihre spezifischen Wärmeeigenschaften im wesentlichen an die im wesentlichen konstanten spezifischen Warmeeigenschaften der geothermischen Sole-Lösung angepaßt sein sollten. Bei Erfüllung dieser Forderung durch die ausgewählte organische Flüssigkeit ist es möglich, eine Ideale, kleine, im wesentlichen konstante Temperaturdifferenz zwischen der hochsteigenden Solelösung in der Leitung 126 und der nach unten strömenden organischen ArbeitsflUssigkeit in der Leitung 124 über die gesamte Länge des Wärmetauscherrohres 123 zu erzielen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine höhere maximale Temperatur der organischen Flüssigkeit bei deren Eintreten in den Turbinenmotorabschnitt 170 erzielt werden, ohne daß die oben erwähnten Nachteile, die der nicht mehr erforderlichen Solekreislaufpumpe und der Warme tauschervorrichtung bei der Vorrichtung nach Fig. 1 eigen sind, auftreten. Weiterhin kann eine beträchtlich größere Wärmemenge der Sole entnommen werden, so daß sie auf eine niedrigere Temperatur gebraoht wird. Daher wird die Oefahr der EinsohnUrungswirkung wesentlich verringert, wenn nicht sogar vollständig beseitigt.

Die überkritische Flüssigkeit dehnt sloh dann bein Durchlaufen des Turbinenabeohnitteβ I70 aus, wobei si· einen geringen Betrag des Druckes und 4er Enthalpie beim Durchlaufen des Weges CF verliert. Es tritt keine Phasenänderung

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beim Durchlaufen des Weges CF auf, so daß die in überkritischem Zustand befindliche Flüssigkeit dann innerhalb des Isolierrohres 127 mit einer im wesentlichen konstanten hohen Temperatur nach oben fließt, wobei eine geringe Ausdehnung auftritt. Auf dem entsprechenden Weg FE nach Fig. 4a können in der Flüssigkeit geringe Strömungsverluste auftreten. Beim Erreichen der Erdoberfläche I31 tritt die Flüssigkeit als Gas aus der Le istungsturbine 101 aus, wobei sie den verbleibenden größeren Teil der in dieser Flüssigkeit zur Verfügung stehenden Wärmeenergie abgibt. Der entsprechende Weg ED ist ein Weg konstanter Entropie abgesehen von Verlusten, insbesondere an den Flügeln der Turbine 101, durch die eine gewisse Richtungsabweichung des Weges ED hervorgerufen werden kann. Der Weg ED nach Fig. 4a (und ebenso der Weg CD nach Fig. 3a) kann in gewissem Ausmaß außerhalb oder innerhalb des Zweiphasenbereiches 141 liegen, und zwar im Gegensatz zu der Darstellung, wenn dies erwünscht ist. Der Kreisprozeß wird schließlich entlang des Weges DA mit konstantem Druck vervollständigt, und zwar auf Grund der Wirkungsweise des Kondensators I09, und der Kreisprozeß wiederholt sich dann.

In der Vorrichtung nach Fig. 2 ist die Pumpe 12 nach Fig. 1 nicht erforderlich, um die Druckdifferenz zwischen den Punkten A und C nach Fig. 3a hervorzurufen. Die gewünschte Druckdifferenz ergibt sich teilweise aus der Temperatur und damit der Dichte der organischen Flüssigkeit in der Leitung 124 und daher auf Grund des vergrößerten Druckgefälles der organischen Flüssigkeitssäule, die zwischen dem Wärmetauscherrohr 123 und dem Isolier-Auslaßrohr 127 angeordnet ist. Die sich ausdehnende Säule der organischen Flüssigkeit in der Leitung 122 ruft eine verringerte Dichte hervor, so daß eine Druckdifferenz ausgebildet wird, die eine Zirkulation der organischen Flüssigkeit durch den Turbinenabschnitt I70 in Richtung der Pfeile 134, 135 nach Fig. 2 hervorruft. Es steht eine sehr große Energie zur Verfügung, wenn die Strömungsreibungs-

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Verluste durch die Verwendung relativ großvolumiger Leitungen so weit wie möglich verringert werden. Selbst wenn die erforderliche Brunnenauskleidung 125 größer sein kann als die, die bei üblichen Ölbohrungen verwendet wird, sind die entsprechenden zusätzlichen Kosten für den einen größeren Durchmesser aufweisenden Brunnen und die einen entsprechenden größeren Durchmesser aufweisenden Rohre bei einer Tiefe von beispielsweise 600 m wesentlich geringer als die Kosteneinsparung, die sich aus dem Fortfall der Binärkreislauf-Speisepumpe 12 und des Primär-Wärmetauschers 15, des Antriebskreis-Kondensators 2]5 und der Pumpe 21 und der S olekreis lauf-Zusatzpumpe 17 nach Fig. 1 ergibt. Weiterhin ist der Wert der elektrischen Leistung, die für eine vorgegebene Solequellentemperatur und Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wesentlich größer.

Insgesamt ist zu erkennen, daß der thermodynamische Kreispropzeß der Vorrichtung nach Fig. 2, dessen Eigenschaften in den Figuren 4a und 4b dargestellt sind, wie folgt abläuft:

(A - C) Wärmeübertragung auf die organische Arbeitsflüssigkeit,

(C— F) Pumpen der Sole

(F - E) bei dem Anheben der organischen Flüssigkeit auf die Erdoberfläche geleistete Arbeit,

(E - D) Ausdehnung der organischen Flüssigkeit in der Hauptturbine,

(D - A) Kondensation der organischen Flüssigkeit, (0 - H) Wärmeentnahme aus der Sole und überführung

dieser Wärme auf die organische Arbeitsflüssigkeit,

(I - J) Wiedergewinnung der beim Anheben geleisteten Arbeit (F - E) als Wärme.

Für einen typischen. Jedoch lediglich beispielhaften Satz von Betriebsbedingungen, die denen der Tabelle I entsprechen,

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jedoch für die Vorrichtung nach Flg. 2 angegeben sind, sind die Drücke und Temperaturen an den verschiedenen alphabetischen Punkten der Figuren 4a und 4b in der folgenden Tabelle II angegeben:

	Tabelle II	kp/cm"	Tempera	0F	tür
Druck		2,32	80	°C
P.S.I .A .	63,3	333,5	26,5
33	49,6	321	167,5
900	19,35	240	160
705	2,67	85	115
275	64,0	351,5	29,5
38			177,5
910

A
C
F
E
D

+ RUckleitungsdruck

H RUckleitungsdruck 100 37,8

Die Temperaturdifferenz Z^T(G-C) beträgt 10⁰C; ΛΤ(Η-Α) beträgt 11,1°C und die mittlere effektive Temperaturdifferenz beträgt 11,1°C, doch ist die Gefahr des Auftretens des Einschnürungseffektes in vorteilhafter Weise beseitigt. Es ist zu erkennen ,daß die Wärmekapazität, die mit der Temperatur konstant ist, das Entstehen des Einschnürungseffektes unmöglich macht, wobei AT(G-C) und ΔΤ(Η-Α) immer positiv und endlich sind.

Im Idealfall ergibt sich ein endlicher allgemein konstanter Temperaturunterschied über die gesamte Länge des Rohres 123 nach Fig. 2 zwischen der geothermischen Sole und der organischen Arbeitsflüssigkeit. Die Verwendung eines AusfUhrungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wirkt in wünschenswerter Weise im Sinne eines Nachuntenbiegens der Kurve der organischen Arbeitsflüssigkeit von der Sole-Kurve fort, so daß eine gewünschte Jedoch kleine, relativ konstante Differential-Temperaturdifferenz ohne weiteres erzielt wird. Die Arbeitsfluss igkeitsbedingungen sind daher so ausgewählt, daß die

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beiden Kurven sich niemals am EinschnUrungspunkt berühren, d.h. an der Stelle ihres geringsten Abstandes, die durch die Pfeile 205 nach Fig. yo dargestellt ist. Vorzugsweise sind die beiden Kurven zumindest im wesentlichen parallel wie in Fig. 4b, wobei sie lediglich einen geringen Abstand aufweisen, so daß die Kurven damit im wesentlichen die gleichei konstanten Neigungen haben, was anzeigt, daß die gleichen spezifischen Wärmen für die geothermische Sole undjdie organische Arbeitsflüssigkeit erwünscht sind. In der Praxis ist eine angenäherte Anpassung des spezifischen Wärmewertes annehmbar (wobei sich Jedoch ein verringerter Wirkungsgrad ergibt), solange sich die Kurven nicht berühren, weil in diesem Fall der Wärmeaustausch vollständig gestoppt wird. In der Vorrichtung nach Fig. 1 besteht die Gefahr eines unerwünschten Auftretens des Einschnürungseffektes, die eine schwierige konstruktive Auswahl hervorruft und einen Kompromiß zwischen der Größe des Wärmetauschers 15 und einer Verringerung der maximalen Temperatur der organischen Arbeitsflüssigkeit und einer höheren Sole-Rücklauftemperatur erzwingt, so daß sich eine verringerte Energieübertragung auf die organische Flüssigkeit und ein niedrigerer Umwandlungswirkungsgrad ergibt. Diese Probleme sowie die sich daraus ergebenden Wirkungsgrad- und Kostenprobleme sind durch die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen beseitigt.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 ist sehr vielseitig und es ist zu erkennen, daß sie mit Erfolg in zusätzlichen Betriebsarten betrieben werden kann, wie dies noch näher anhand der Figuren 5a und 5b beschrieben wird. Beispielsweise bewirkt die Anordnung bei einer weiteren brauchbaren Betriebsart, daß die organische ArbeitsflUssigkeit eine Wärmekapazität aufweist» die praktisch einen geringfügig negativen thermischen Koeffi zienten aufweist, wie dies nooh näher erläutert wird. Diese Betriebsart wird unter Verwendung des Diagramms nach Fig. 5a erzielt, in dem die Linie 143 etwas naoh unten in den Be- reioh 141 gedruckt wird, der duroh die Kurve 142 umgrenzt ist. Die thermodynamischen Kreisprozesse sind im übrigen

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allgemein die gleichen wie sie anhand der Betriebsart nach den Figuren 4a und 4b erläutert wurden. Wiederum ist lediglich der Wärmeaustausch zwischen den im Gegenstrom strömenden Flüssigkeiten zu betrachten.

Die Untersuchung der Diagramme zeigt, daß, wenn die Temperaturdifferenz am heißen Ende 147 des Wärmetauschers hoch ist, (an dem Ende, an dem die Sole eintritt und die organische Arbeitsflüssigkeit austritt) die organische Flissigkeit abschließend nichtdie höchstmögliche Temperatur erreicht, so daß der Wirkungsgrad des Kreisprozesses daher verringert ist. Eine hohe Temperaturdifferenz am kalten Ende 146 führt zu einer höheren Temperatur der ausströmenden Sole, so daß eine geringere Wärmemenge in die organische Flüssigkeit strömt. Die Wärmeübertragung ist Jedoch proportional zur mittleren effektiven Temperaturdifferenz durch die Wärmetauscherwände und je größer diese Differenz ist, desto geringer ist die gesamte Wärme tauscheroberfläche, die benötigt wird. Es ist daher ohne weiteres verständlich, daß es wünschenswert ist, die geringstmöglichen Temperaturunterschiede an den Enden 146, 147 des Wärmetauschers zu verwenden, daß jedoch über den Rest des Wärmetauschers die höchstmöglichen Temperaturdifferenzen auftreten sollten.

In den Figuren 2b, 4b und 5b wurden willkürliche jedoch typische Betriebsbedingungen zu Vergleichszwecken so ausgewählt, daß die Kondensator-Austrittstemperatur am Punkt A immer 26,5°C beträgt. So ist in Fig. 3b die Temperatur am Eingangsende der Speisepumpe 21 nach Flg. 1 gleich 26,5⁰C und in den Figuren 4b und 5b weist das Eintrittsrohr 118 zum Tiefbrunnen-Wärmetauscher eine Temperatur von 26,5°C auf. In dem üblichen Rankine-Kreisprozeß nach den Figuren Ja, Jb hebt die von der Pumpe 21 geleistete Arbeit die Temperatur der organischen Arbeitsflüsaigkeit an und bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen der Sole und der organischen Flüssigkeit ist die Austrittstemperatur der Sole höher, so daß die von der Sole auf die ^rbeitsflüaBLgkeit übertragene Wärme ver-

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ringert ist. Es ist zu erkennen, daß die Temperatur zwischen den Punkten A und H in den Figuren 4b und 5b beträchtlich kleiner als die Temperatur in der Differenz zwischen den Punkten A und H nach Fig. 3b ist. Dies ist teilweise die Folge des unerwünschten Temperaturanstiegs entlang des Weges AB in Fig. 3b und teilweise die Folge der Notwendigkeit, die Gefahr des Auftretens des EinschnUrungseffektes zu verringern. Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 wird die Pumpenhebearbeit rückgewonnen, um die Enthalpie über die gesamte vertikale Länge des Wärmetauschers zu vergrößern. Auf diese Weise wird eine größere Wärmemenge in vorteilhafter Weise aus der Sole entnommen, so daß sich ein höherer Wirkungsgrad ergibt.

Der im Vorstehenden in Verbindung mit den Figuren 3a und 3b erwähnte EinschnUrungseffekt ergibt sich aus der Tatsache, daß die Wärmekapazität dQ/dT der Sole über den gesamte Temperaturbereich des Wärmetauschers 15 nach Fig. 1 fast konstant ist, während die Wärmekapazität der organischen ArbeitsflUssigkeit entlang des Weges konstanten Druckes des Rankine-Kreisprozesses nach Fig. 3a bei hohen Temperaturen beträchtlich größer als bei niedrigeren Temperaturen ist. Dieser Unterschied der Wärmekapazitäten, der durch die ausgeprägten Kurvenformen nach Fig. 3t» dargestellt ist, kann in dem organischen Konstantdruck-Wärmezuführungsvorgang des Rankine-Kreisprozesses nicht wesentlich geändert werden.

Die Figuren 4a bis 5b zeigen die Wirkung einer weiteren Verbesserung der Ausführungsform nach Fig. 2, wobei sich diese Verbesserung durch die Änderung der Form der Wärmekapazitätskurve des organischen Materials derart ergibt, daß dieses im Ergebnis einen negativen thermischen Koeffizienten oder Wärmewert aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß Wärme entlang eines ausgewählten Weges mit sich änderndem Druck hinzugefügt wird, was durch den vertikalen Wärmeaustausch in dem Schwerkraft-Druckgefällezyklus ermöglicht wird. Die Art der Diagramme wird dadurch geändert, daß systematisch die Verteilung des Wärmetauscherbereiches vom Boden bis zum

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oberen Ende des Wärmetauscherelementes geändert wird.

Somit kann die organische ArbeitsflUssigkeit gezwungen werden, durch verschiedene aufeinanderfolgende Druckzonen bei Temperaturen hindurchzulaufen, die willkürlich ausgewählt werden können. Eine Wärmekapazitätskurve mit einem thermischen Koeffizienten oder Wärmewert von 0 beseitigt die Möglichkeit eines Einschnürungseffektes, wie dies aus Fig. 4b zu erkennen 1st. Dies ermöglicht andererseits niedrige Temperaturdifferenzen zwischen den Temperaturen der Sole und der organischen Flüssigkeit an den Enden 146, 147 der Wärmetauscher, wobei sich gleichzeitig in gewünschter V/eise eine große mittlere effektive Temperaturdifferenz längs des Wärmetauschers ergibt. Andererseits ist eine geringere Wärmetauscherfläche erforderlich, so daß Einsparungen bei den Anfangs-Herstellungskosten ermöglicht werden. Eine weitere Änderung des Systems zur Erzeugung eines negativen thermischen Koeffizienten oder Wärmewertes ergibt das Temperaturprofil nach Fig. 5b, das noch mehr gegen den EinschnUrungseffekt und gegen andere Probleme bekannter Vorrichtungen geschützt ist.

Entsprechend wird eine weitere Verbesserung der Vorrichtung nach Fig. 2 durch Modifikation der effektiven Wärmeübertragung durch die Wand des Rohres 12;5 zwischen den Leitungen 124 und 126 erzielt. Dies wird gemäß einer Ausführungsform dadurch erreicht, daß die Wärmetauscherelemente so eingebaut werden, wie dies in den Figuren 6 bis 11 gezeigt ist, wobei die Figuren 6 bis 9 inbesondere repräsentative Quersohnittsansichten an aufeinanderfolgenden Höhenlagen längs des Rohres 12} in Fig. zeigen. Das Rohr 123 beginnt am Verbindungspunkt mit dem Pumpenturbinenmotorabschnitt 170 beispielsweise als einfaches Wärmetauscherrohr ohne hinzugefügte Elemente. An einer willkürlichen Entfernung oberhalb des Pumpenabschnitts 170 sind erste und zweite sich verjüngende vertikale Flossen oder Flügel an einer oder beiden Oberflächen des Rohres 123 hinzugefügt. Beispielsweise sind in Fig. 9 gegenüberliegende sich verjüngende Flossen

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oder Flügel 90 an der äußeren Oberfläche des Rohres 123 befestigt. In der Darstellung nach Flg. 9 sind die sich verjüngenden Teile der Flügel oder Flossen 90 an ihrem Ende dargestellt und diese Flügel oder Flossen erstrecken sich zum oberen Ende des Brunnens, wie dies aufeinanderfolgend in den Figuren 8, 7 und 6 gezeigt ist. Fig. 10 zeigt die Art, wie sich eine der Flossen oder Flügel 90 verjüngt. Die damit zusammenwirkenden inneren Flügel oder Flossen 91 können, falls sie vorhanden sind, in gleicher Weise verjüngt sein und sich bis zum oberen Ende des Brunnens erstrecken. Die Sätze von Flügeln oder Flossen 92, 93 nach Flg. 9 haben gerade in der Nähe der vertikalen Höhenlage dieser Figur begonnen, so daß der Querschnitt ihrer verjüngten kleineren Teile dargestellt ist.

In der nächsthöheren Höhenlage in dem Brunnen gemäß Fig. 8 sind die Flossen oder Flügel 92, 93 nunmehr auf die volle Größe angewachsen, die Verjüngung ist beendet und sie erstrecken sich dann bis zum oberen Ende des Brunnens. Zusätzliche sich verjüngende und gegenüberliegende Paare von Flügeln oder Flossen 94, 95 erscheinen in Fig. 8, wobei die verringerte Querschnittsgröße anzeigt, daß sich ihre Breite in der Höhenlage dieser Figur noch weiter vergrößert. Fig. 7 zeigt den Beginn noch weiterer zusätzlicher verjüngter Teile von Flügeln oder Flossen 96, 98 und alle Flügeln oder Flossen sind in Wärmeaustauschbeziehung an dem Rohr I23 befestigt und erstrecken sich bis zum Brunnenkopf 149» wie dies aus Fig. 6 zu erkennen ist. Es ist ohne weiteres verständlich, daß viele zusätzliche Flügel oder Flossen oder andere sich verjüngende Wärmeaustauscheinrichtungen verwendet werden können und daß sie irgendeine der Formen aufweisen können, die in der Technik der Wärmetauscher, gut bekannt ist. Die Beseitigung von EinschnUrungseffekt-Störungen kann unter Verwendung bekannter Formen von thermisohen Leitern erzielt werden, wie z.B, der teilkreisförmigenZylinder 90a naoh Fig. 11, durch die die Wärmeleitfähigkeit zwischen der nach unten strö-

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menden organischen Flüssigkeit der Leitung 124 und der nach oben fließenden Sole der Leitung 126 ohne weiteres an einer beliebigen vertikalen Höhenlage in dem Brunnen vorherbestimmt werden kann, wie dies für den Fachmann leicht erkennbar ist. Es ist in den Figuren 6 bis 9 und 11 ohne weiteres zu erkennen, daß die Rohre 125 und 127 aus Vereinfachungsgründen fortgelassen wurden.

Es ist ersichtlich, daß die Anordnungen nach den Figuren 6 bis 11 so ausgelegt werden können, daß sich eine gleichförmig ansteigende Wärmeübertragung von der am unteren Ende des Brunnens angeordneten Pumpe zur Station an der Erdoberfläche 131 ergibt, wenn dies erwünscht ist. Wenn sich andererseits aufeinanderfolgende Verjüngungen nicht überlappen, können schrittweise Änderungen verwendet werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. In dem weiteren AusfUhrungsbeispiel nach den Figuren 12 und 13 wird eine andere Anordnung verwendet, um schrittweise ansteigende Änderungen der Rate der Wärmeübertragung zu erzielen.

Aus Fig. 12 ist zu erkennen, daß einzelne in Serie geschaltete Wärmeübertragungseinheiten vom üblichen Mehrrohrtyp verwendet werden, wie z.B. 250, 257, 260, 262, 266 uaw. Die aufsteigende Solesäule steigt wiederum in Richtung auf die Erdoberfläche I31 in der Leitung 126 *uf, die in der Brunnenauskleidung 125 auegebildet ist und die Sole fließt dann durch das Rohr 132 aus. Die abgekühlte Arbeitsflüssigkeit wird in das System an der Erdoberfläche 13I über das Rohr 118 eingeleitet und fließt von diesem Rohr nach unten durch die Folge von einzelnen Wärmetauschereinheiten 250, 257, 260, 262, 266 und von der letzteren fort. Im Ergebnis nimmt die Vielzahl von einzelnen Wärmetauschereinheiten die Stelle des einzigen Wärmetauscherrohres 123 nach Fig. 2 ein. Nachdem die Arbeitsflüsalgkeit den Motor in dem Abschnitt 170 an der am unteren Endes des Brunnens angeordneten Pumpe angetrieben hat, steigt sie wieder zur Erdoberfläche auf und zwar in der Leitung 122

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des thermisch isolierten Rohres 121.

Die Rate des Wärmeaustausches von der aufsteigenden Sole zur nach unten strömenden Arbeitsflüssigkeit wird von dem unteren zum oberen Ende der Anordnung nach Fig. 12 fortschreitend vergrößert, beispielsweise dadurch, daß fortschreitend die Anzahl der Wärmetauscherrohre in jeder aufeinanderfolgenden Wärmetauschereinheit vergrößert wird, so daß die Wärmeübertragung vergrößert wird, wie dies weiter oben beschrieben wurde. Lediglich als Beispiel weist die Wärmetauschereinheit 266, die bruchstückhaft an dem unteren Ende der Fig. 12 gezeigt ist, lediglich zwei Wärmetauscherrohre 267 auf und die Flüssigkeit in diesen Rohren strömt aus dem kreisringförmigen Krümmer oder Verteilungskopf 265 aus, der anhand der Fig. 13 noch näher beschrieben wird.

Die Wärmetauschereinheit 262, die den Verteilungskopf 265 aus einem Verteilungskopf 261 speist, weist eine größere Anzahl von Wärmetauscherrohren 26} auf, als die Einheit 266, so daß die Wärmetauschereinheit 262 eine vergrößerte Wärme-Ubertrfrgungscharakteristlk aufweist und es sind drei derartige Rohre 26j5 in Fig. 12 zu erkennen. Die nächste Wärmetaus ehe reinheit 26O, die bruchstückhaft dargestellt ist, speist den Verteilungskopf 261 und weist eine weiter vergrößerte Anzahl von Wärmetauscherrohren 259 auf. Daher überführt diese Wärmetauschereinheit 260 eine größere Wärmemenge als die Einheit 262. Die Anzahl der Rohre und die gesamte Wärmeaustauschfläche in jeder Wärmetauschereinheit vergrößert sich fortschreitend in Richtung auf das obere Ende des Brunnens und die letzte Wärmetauschereinheit 250 speist einen Verteilungskopf 256 aus dem Eingangsverteilungskopf 249 und weist die größte Wärmeübertragungsfläche auf, weil sie die größte Anzahl von Wärmetauscherrohren 25I aufweist. Der Verteilungskopf 256 speist die Wärmetauschereinheit 257, die eine geringere Wärmeübertragungscharakteristik als die Einheit 250 aufweist. In der Warmetauschereinheit 250 sind neun Rohre zu erkennen, während die Einheit 257 fünf Rohre aufweist.

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Es ist für den Fachmann zu erkennen, daß die Anordnungen von Wärmetauscherrohren in konzentrischen Kreisen oder in regelmäßiger radialer V/eise ausgebildet sein können und daß die Größen und Abmessungen der einzelnen Wärmetauscherrohre veränderlich gemacht werden können, solange die gewünschte fortschreitende Vergrößerung des Wärmeaustausches erzielt wird.

Ein Beispiel für einen Verteilungskopf oder Krümmer wie z.B. den Verteilungskopf 256 sowie seine Eingangs- und Ausgangs-Wärmetauscherrohre ist in Fig. I3 gezeigt. Der Verteilungskopf 256, der eine Anordnung von Eingangsrohren 25I aufweist, die die Wärmetauschereinheit 250 bilden, dient zur Zuführung der nach unten strömenden Arbeitsflüssigkeit in die nächstniedrigere Wärmetauschereinheit 257, die aus den Rohren 258 besteht. Der Verteilungskopf 256 umgibt das thermisch isolierte Rohr 121 und ist in der (nicht gezeigten) Brunnenauskleidung 125 angeordnet. Das Isolierte Rohr 121 ergibt die Innenleitung 122 und es kann mit (nicht gezeigtem) Isoliermaterial ausgekleidet sein. Eine übliche Gleitverbindung an einer Grenzfläche 277 ist zwischen den oberen und unteren Teilen des Rohres 121 ausgebildet, wobei diese Grenzfläche 277 mit einem üblichen Dichtungsmechanismus versehen sein kann.

Der Verteilungskopf 256 besteht aus getrennten Teilen, die an der kreisringförmigen Rohrgewinde-Verbindungsstelle 2Jk miteinander verbunden sind. Der untere Teil des Verteilungskopfes 256 schließt ein mit öffnungen versehenes Kopfstück 272 zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre 258 der Wärmetauschereinheit 257 ein. Das Kopfstück 272 ist mit dem Rohr 121 abgedichtet verbunden. Der untere Teil sahHeßt weiterhin eine mit Gewinde versehene zylindrische Schale 275 ein. In gleicher Welse schließt der obere Teil des Verteilungskopfes 256 ein mit öffnungen versehenes Kopfstück 27I ein, das mit dem Rohr 121 verbunden ist und die Wärmetauscherrohre 251 der Wärmetauschereinheit 250 aufnimmt. Der obere Teil des Verteilungskopfes 256 schließt weiterhin eine mit Gewinde versehene

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zylindrische Schale 272 ein, dessen Gewinde mit dem Gewinde der Schale 275 zusammenpaßt. Auf diese Weise fließt die Arbeitsflüssigkeit von der großen Anzahl von Rohren 251 in der Wärmetauschereinheit 250 in die relativ geringere Anzahl von Rohren 258 der Wärmetauschereinheit 257. Die Beseitigung der Einschnürungseffekt-Störungen ergibt sich auch in diesem Fall, Jedoch hierbei durch die Verwendung der Reihe von diskreten WärmetauschereInhe1 ten 250, 257, 26θ, 262, 266, die eine schrittweise ansteigende Wärmeübertragung vom unteren bis zum oberen Ende der Anordnung ergeben.

Eine bevorzugte AusfUhrungsform des thermodynamisch angetriebenen Turbinenmotors des Turbinenmotorabschnitts 170 nach Fig. ist ausführlich in den Figuren 14 bis 18 gezeigt. Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß der Turbinenmotor eine allgemein ähnliche Form aufweist, wie der Mctor, der in der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 2 5350 635 beschrieben ist, obwohl dieser Motor abgeändert wurde, um ihn an den Betrieb in dem organischen Kreislauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzupassen. Insbesondere ist dieser Motor so abgeändert, daß er eine großvolumige Strömung einer organischen Arbeitsflüssigkeit aufnimmt, die im überkritischen Zustand verbleibt und diese gleiche Flüssigkeit wird zur Schmierung der radialen und Drucklager verwendet, während bei dem Motor naoh der vorstehend genannten deuteohen Offenlegungsschrift das von der Oberfläche aus eingeleitete Wasser für diesen Zweck verwendet wird. Das in den Figuren 14 und dargestellte Lagersystem ist weiterMiingehend abgeändert, daß ein Austreten der teueren organischen Flüssigkeit In die geothermische Solelösung verhindert wird.

Aus Fig. 14 ist zu erkennen, daß sich die konzentrischen Leitungen 122, 124 und 126 in den Flüssigkeitsturbinenabeohnitt 170 erstrecken. Die in überkritischem Zustand befindliche erhitzte Flüssigkeit in der Leitung 124 strömt In einer Anordnung von bei 151 angedeuteten Einspritzdüsen, die

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einen allgemein üblichen Aufbau aufweisen. Die Düsen 151 sind ausführlicher in der Abwicklung nach Fig. I7 dargestellt und sie werden in üblicher V/else dazu verwendet, eine großvolumige Strömung der Flüssigkeit in überkritischem Zustand gegen die PrallflUgel 152 des Turbinenmotors zu leiten. Ein ringförmiger Halter 153, der die Anordnung von Flügeln 152 trägt, ist in üblicher Weise an einem Radkranz 155 befestigt, wobei der letztere ein Teil eines Rades mit einem Satz von Speichen 156 und einer Nabe I6I ist. Die Nabe 161 bewirkt bei rotierendem Rotorsystem eine Drehung der Wellentelle I60, 164 und 194, wobei die Nabe I6I fest an dem Wellenteil I60 durch eine Unterlegscheibe I59 und eine Mutter 158 befestigt ist, die auf eine Gewindeverlängerung 157 des Wellenteils I60 aufgeschraubt ist.

Das Turbinenmotorsystem weist eine Anordnung zur Umlenkung der immer noch im überkritischen Zustand befindlichen organischen Arbeitsflüssigkeit nach oben in die isolierte innere oder Auslaßleitung 122 auf. Zu diesem Zweck weist ein Turbinenkörperblock I90 einen kreisringförmigen gleichförmig gekrümmten torcidförmigen Kanal I63 auf, der von den rotierenden Schaufeln 152 in Radialrichtung nach innen auf den Wellenteil I60 führt und der gleichzeitig die Richtung der Flüssigkeitsströmung so ändert, daß die Flüssigkeit nach oben strömt wenn sie den Kanal I6j5 verläßt. Der toroidförmige Kanal 163 ist durch eine in geegneter Weise gekrümmte Oberfläche I65, die in dem Block 190 ausgeformt ist, und durch die Oberfläche des gegenüberliegenden Kreisringes oder der Führung 162 gebildet. Die Führung 162 kann durch eine Anordnung von sich in Radialrichtung erstreckenden Flügeln I80 gehaltert sein, die zusätzlich zur Halterung der Führung 162 weiterhin im Sinne einer Umlenkung der ausströmenden Flüssigkeit wirken, so daß der Geschwindigkeitsvektor dieser Flüssigkeit allgemein vertikal wird. Entsprechend ist zu erkennen, daß ein gleichförmige Seiten aufweisender toroidförmlger Ausdehnungskanal

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für die überkritische Flüssigkeit gebildet wird, der die sich ausdehnende Flüssigkeit führt, wenn diese die Anordnung von Schaufeln 152 verläßt, bis sie durch die Speichen 156 des Turbinenmotorrades hindurchläuft. Das Hindurchströmen der organischen Arbeitsflüssigkeit durch die Speichen 156 hindurch wird in der Weise erleichtert, wie dies in den Figuren 15 und 16 gezeigt ist und wie dies in der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift beschrieben ist. Die Speichen 156 sind einzeln gegenüber der Drehrichtung des Kranzes 155 geneigt, so daß ihre Wirkung bei der ausgewählten Drehzahl im wesentlichen neutral ist und der Auftreffwinkel der Speichen I56 gegenüber der Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit ist wiederum derart, daß sie dem Flüssigkeitsstrom weder Energie zuführen noch Energie von diesem ableiten wenn dieser Flüssigkeitsstrom in der Leitung 122 nach oben strömt. Auf diese Weise wird die Notwendigkeit für eine zusätzliche nach oben ausgerichtete viel Raum benötigende Leitung außerhalb des hydrodynamischen Turbinenmotors vermieden.

Die Figuren 14 und l8 zeigen das FlUssigkeits-Lagerungssystem zur Lagerung des Wellenteils I60 und des Flussigkeitsturbinenmotors in dem Block 190. Dieses Lagerungssystem schließt ein oberes Radiallager (Fig. 14) und ein Drucklager (Fig. 18) sowie ein unteres Radiallager ein. Das obere Radiallager nach Fig. 14 kann einen üblichen Aufbau aufweisen oder es kann ein Lager sein, das im wesentlichen gleich der Kippfutter-Anordnung der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift ist, beider der Wellenteil I89 von einem Hohlzylinder 191 aus Aluminiumoxyd umgeben ist, der an dem Wellenteil I89 befestigt ist. Im üblichen Fall wirken drei unabhängige Kippfutter-Lageroberflächen mit der Lageroberfläche des Aluminiumoxydzylinders I9I zusammen und eine typische Konstruktion verwendet eine Befestigungseinrichtung mit einer Futter-Ausrichtwelle 203, die in einer Bohrung I97 in dem Block I90 angeordnet ist. Die Futter-Einstellwelle 203 wird entsprechend der Einstellung des radial eins te11-

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baren Gewindeteils 198 eingestellt und die Welle 203 endet in einer aus gehärtetem Stahl bestehenden Kugel 196, die teilweise in einer Gegenbohrung aufgenommen wird. Die Kugel 196 springt in das Innere des Blockes I90 vor und drückt gegen eine passende Vertiefung in einem Lagerhalterungsblock 193· An der Innenoberfläche des Lagerhalterungsblockes 193 ist eine Hülse 192 aus Aluminiumoxyd befestigt. Die Hülse 192 und der Zylinder I9I weisen angrenzende Lageroberflächen auf, zwischen denen die organische ArbeitsflUssigkeit als dünner Schmierfilm vorhanden ist, wie dies noch beschrieben wird. In der Praxis werden drei gleiche Kippfutterlagerungen in dem Radiallager verwendet, um die tatsächliche Position des Wellenteils I89 vollständig festzulegen. Es ist zu erkennen, daß das untere radiale Lagersystem nach Fig. 18, das den Wellenlagerteil 215, den Aluminiumzylinder 216, die Aluminiumhülsen 217, Lagerblockhalterungen 218 und Kugeln 221 sowie Kippfutter-Ausrichtwellen, wie z.B. 222 verwendet, in der gleichen Weise wie das Radiallager nach Fig. Ik aufgebaut sein kann.

Zwischen den beiden Radiallagereinheiten, die mit den Wellenteilen 189 und 215 verbunden sind, ist ein Drucklagersystem angeordnet, das in Fig. 18 gestrichelt dargestellt ist und das allgemein die Form aufweisen kann, wie sie in der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 2 530 635 beschrieben ist. Das Kippfutter-Drucklagersystem schließt beispielsweise einen erweiterten und sich verjüngenden Teil 210 ein, umein horizontales Grenzschichtelement 211 zu bilden. Die untere oder Druckoberfläche des Elements 211 kann durch einen ebenen Keramikring 209 gebildet sein. Der Ring 209 stellt schematisch beispielsweise das Kippfutter-Drucklagersystem nach der oben erwähnten deutschen Offenlegungsschrift dar und weist mehrere keramische Lageroberflächen auf, die mit der unteren oder Lageroberfläche des Elementes 211 zusammenwirken. Die Lageroberfläche des Elementes 211 und die horizontalen Lageroberflächen der Kippfutter wirken zusammen,

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um die vertikale Position der Wellenteile 19¹J, 214, 215 festzulegen, wie dies in der genannten deutschen Offenlegungsschrift beschrieben ist.

Um die zusätzliche Verwendung der organischen Arbeitsflüssigkeit zur Schmierung des Lagersystems zu ermöglichen, wird ein Speisesystem verwendet. Dieses Speisesystem stellt weiterhin sicher, daß kein Teil der teueren organischen Arbeltsflüssigkeit von dem Pumpaystem in die heiöe aufsteigende Solelösung verlorengeht und daß diese Sole nicht in die Lager eintritt. Wie es in Fig. 14 zu erkennen ist, steht ein Entnahmekenal 179 mit dem toroidförmigen Ausdehnungskanal I6j5 in Verbindung und führt organische Arbeitsflüssigkeit (nach dem Durchlaufen durch die Prallschaufeln 152) in einen Verteiler 182, der durch ein Rohr l8l gebildet 1st. Die Flüssigkeit fließt nach unten durch das Rohr l8l und gelangt in radial angeordnete Kanäle 2^0 in dem Block 190 (Fig. 18). Die organische Flüssigkeit gelangt durch die Kanäle 220 in einen Hohlraum 220, der das untere Radiallager am Wellenteil 215 umgibt. An dieser Stelle werden die Grenzflächen zwischen dem AluminiumoxydzylInder 216 und den Lagerfuttern 217 mit der organischen Flüssigkeit getränkt und geschmiert, während die Flüssigkeit nach oben durch einen Kanal 213 in das Drucklager strömt, das durch die zusammenwirkenden Elemente 209, 210 und 211 gebildet ist. Während die Flüssigkeit durch die Kanäle 213, 212, 200 strömt, schmiert es in gleicher Weise die zusammengehörigen aufeinander angepaßten Drucklageroberflächen.

Die organische ArbeitsflUsslgkeit fließt dann nach oben durch den kreisringförmigen Kanal 200 um den Wellenteil 194 in Fig. 14 und sie tritt in den Hohlraum 199 aus, der das obere Radiallager am Wellenteil I89 umgibt, so daß die aneinander angrenzenden Oberflächen der Lagerelemente 191, 192 geschmiert werden. Schließlich wird die Flüssigkeit durch eine einfache Schraubenpumpe I83 naoh oben durch einen kreisringförmigen Kanal 164 hlndurohgepumpt und strömt in die ausgedehnte oder entspannte organische Flüssigkeit aus, die durch

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die Leitung 122 nach oben zur Erdoberfläche I3I geleitet wird. Auf diese Weise werden die verschiedenen Lager geschmiert, so daß ein zuverlässiger langlebiger Betrieb ermöglicht wird.

Ein Auslecken der teueren organischen Arbeite flüssigkeit und ein Eintreten des korrosiven Sole-Brunnenwassers in das Innere des Blockes 190 wird durch die in Fig. 18 unter dem Radiallager an dem Wellenteil 215 gezeigte Stirnflächendiohtung verhindert. Die untere Stirnfläche 219 des vergrößerten Wellenteils 215 liegt gegen die obere Stirnfläche eines eine Bohrung aufweisenden Ringes 230 an, der mit einem O-Ring 231 versehen ist, der mit der zylindrischen Oberfläche des Wellenteils 182 in Berührung steht. Der Ring 231 ist bestrebt, sich mit dem Wellenteil 182 zu drehen. Der Ring 251 bildet eine Übliche druckausgeglichene Dichtung mit der oberen Oberfläche 232 eines stationären Teils 233 der Dichtung. Das HindurchstrOmen der organischen Flüssigkeit nach unten wird weiterhin durch einen O-Ring 234 verhindert, der In einer Nut In dem Block 190 angeordnet 1st undjäer mit der äußeren zylindrischen Oberfläche des stationären Dichtungstelle 233 in Eingriff steht. Eine Schraubenfeder 236 liegt mit ihrem unteren Ende an einem Widerlager 237 in dem Block 190 an, während das obere Ende dieser Feder mit der Unterseite 235 des stationären Dichtungeteile 233 in Eingriff steht. Daher werden die Elemente 230 und 233 aneinander gehalten und ihre Orencfläohe 232 wird ebenfalls durch die organische ArbeiteflUsslgkeit geschmiert. Alternativ kann ein hermetisch gegenüber den Oberflächen 235 und 237 abgedichteter Federbalg anstelle der Feder 236 verwendet werden. Bei dieser letzteren Konstruktion kann der O-Ring 234 fortgelassen werden.

Es ist zu erkennen, daß die beschriebene AusfUhrungsform eine geothermische Energiegewlnnungsvorrichtung mit verbessertem Wirkungsgrad ergibt, die die thermische Energie

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ausnutzt, die in heißem Lösungsmittel führenden Brunnenwasser gespeichert ist wenn diese nach oben zur Erdoberfläche durch ein langgestrecktes lineares Wärmeaustauscherlement gepumpt wird, um kontinuierlich eine nach unten strömende organische Flüssigkeit in überkritischem Zustand zu erhitzen. Die vergrößerte Energie der organischen Flüssigkeit wird tief unten in dem Brunnen zum Betrieb einer thermodynamischen turbinegetriebenen Pumpe verwendet, um das heiße, Lösungsmittel führende Brunnenwasser mit hohem Druck und immer in flüssigem Zustand zur Erdoberfläche zu pumpen, von wo aus das Wasser wieder in die Erde eingeleitet wird. Die Temperaturdifferenz zwischen der nach oben strömenden Sole und der nach unten strömenden organischen Flüssigkeit wird in vorgegebener Weise entlang des unterirdischen langgestreckten Wärmetauscherelementes gesteuert. Nach dem Antreiben der am Boden des Brunnens angeordneten turbinengetriebenen Pumpe steigt die organische Flüssigkeit in einer thermisch isolierten Leitung zur Erdoberfläche auf und an der Erdoberfläche werden elektrische Leistungserzeugungseinrichtungen durch die organische Flüssigleit angetrieben, worauf diese in den Brunnen zurückgeleitet wird, damit sie während des Hindurchlaufens durch den langgestreckten Wärmetauscher erneut erhitzt wird.

Der im Brunnen angeordnete Teil der Vorrichtung des geothermischen Systems ist gegenüber bekannten Vorrichtungen wesentlich vereinfacht, weil es niht erforderlich ist, einen im Brunnen angeordneten Druckregler und einen Dampfgenerator zu verwenden und weil die hochsteigende heiße Sole direkt beim Aufsteigen in dem Brunnen in einer wirkungsvolleren Weise dazu verwendet wird, die Wärme in einer langgestreckten geradlinigen Wärmeaustauschanordnung auszutauschen, so daß die Einführung von Wärme in die binäre Flüssigkeit bei konstanter Temperatur vermieden wird. Die Vorrichtung ergibt eine in idealer Weise kleine und im wesentlichen konstante Temperaturdifferenz zwischen der hochsteigenden SοIelösung

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und der nach unten strömenden organischen ArbeitsflUssigkeit entlang der Gesamtlänge des langgestreckten Wärmetauschers. Daher erfüllt ein Rohr, das bei bekannten Vorrichtungen einfach als Leitung verwendet wurde, eine doppelte Aufgabe und es dient nunmehr gleichzeitig als langgestreckter wirkungsvoller Wärmetauscher. Die am unteren Ende des Brunnens angeordnete Pumpe muS lediglich die geringen Reibungsverluste in dem Solerohr überwinden und die elektrische Leistung, die an der Erdoberfläche für eine vorgegebene Solequellentemperatur und Sole-Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, ist beträchtlich vergrößert. Die angepaßten thermischen Eigenschaften der Solelösung und der ausgewählten damit zusammenwirkenden organischen ArbeitsflUssigkeit sind derart, daß ein äußerst wirkungsvoller thermischer Energieaustausch ermöglicht wird. Weiterhin sind die Gerätekosten und die Betriebskosten sowie die Kompliziertheit der an der Oberfläche angeordneten Einrichtungen wesentlich verringert, weil wesentliche Elemente der bekannten Vorrichtungen nicht mehr benötigt werden.

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Claims (7)

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Überführung von thermischer Energie von "~" einem inneren heißen Bereich innerhalb der Erde zur Nutzung in der Nähe der Erdoberfläche, gekennzeichnet durch die Schritte der Überführung einer ersten zu Anfang einen relativ kühlen Zustand aufweisenden Flüssigkeit von einer ersten Station in der Nähe der Erdoberfläche (131) zu einer zweiten Station in der Erde, der Verwendung der thermischen Energie zur Umwandlung der ersten Flüssigkeit in einen überkritischen Zustand während der Überführung von der ersten zur zweiten Station, der Verwendung der ersten Flüssigkeit in überkritischem Zustand zum Antrieb von Pumpeneinrichtungen (172) an der zweiten Station, der Verwendung der Pumpeneinrichtungen (172) zum Pumpen einer zweiten Flüssigkeit von dem inneren heißen Bereich (84) zur ersten Station mit einem Druck, bei dem die zweite Flüssigkeit immer in flüssigem Zustand gehalten wird, der Überführung der im überkritischen Zustand befindlichen ersten Flüssigkeit nach dem Antrieb der Pumpeneinrichtungen (172) in thermisch isolierter Beziehung gegenüber der zweiten Flüssigkeit bis zur ersten Station und der Entnahme der thermischen Energie von der ersten in überkritischem Zustand befindlichen Flüssigkeit an der ersten Station zur Erzielung von Nutzleistung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet, daß der Schritt der Verwendung der Pumpeneinrichtungen (172) zum Pumpen der zweiten Flüssigkeit von dem inneren heißen Bereich (84) zur ersten Station die direkte Rückführung der zweiten Flüssigkeit in die Erde an der Erdoberfläche (131) umfaßt.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt der RUckurnwandlung der ersten Flüssigkeit in die in relativ kühlem Zustand befindliche erste Flüssigkeit nach der Entnahme der thermischen Energie.

h. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennze ichn e t , daß die die erste Flüssigkeit betreffenden Schritte in einem geschlossenen Kreislauf entsprechend dem Druck-Enthalpie-Diagramm nach Fig. ha oder 5a der Zeichnungen erfolgen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Verwendung der thermischen Energie zur Umwandlung der ersten Flüssigkeit in den überkritischen Zustand den zusätzlichen Schritt der Verwendung der zweiten Flüssigkeit nach dem Pumpen zur Wärmeübertragung auf die erste Flüssigkeit in sich vertikal erstreckenden Wärmetauschereinrichtungen (123) entsprechend einem Temperatur-/Vertikalstrecken-Diagramm gemäß Fig. 4b oder 5b der Zeichnungen einschließt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Überführung thermischer Energie von einem im Erdinneren liegenden heißen Bereich zu Nutzeinrichtungen in der Nähe der Erdoberfläche, g e kennzeichne t durch Wärmetauschereinrichtungen (123), die sich im wesentlichen von einer ersten Station

benachbart zur Erdoberfläche (I3I) zu einer zweiten Station im Erdinneren erstrecken, und die eine sich anfänglich in relativ kühlem Zustand befindliche erste Flüssigkeit von der ersten Station zur zweiten Station überführen während sie die erste Flüssigkeit in den überkritischen Zustand umwandeln, um Antriebseinrichtungen (I70) an der zweiten Station anzutreiben, von den Antriebseinrichtungen (I70) an der zweiten Station angetriebene Pumpeinrichtungen

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(172) zum Pumpen einer zweiten Flüssigkeit von dem heißen Bereich (84) im Erdinneren unter einem Druck, bei dem die zweite Flüssigkeit immer in flüssigem Zustand gehalten wird, Leitungsteile (126), die in Wärmeaustauschbeziehung mit den Wärmetauschereinrichtungen (125) stehen und die zweite Flüssigkeit von den Pumpeinrichtungen (172) zur ersten Station überführen, thermisch isolierende Leitungsteile (127) zur Überführung der in überkritischem Zustand befindlichen ersten Flüssigkeit von den Antriebseinrichtungen (170) zu der ersten Station unter thermischer Isolation gegenüber der zweiten Flüssigkeit, und thermische Energieüberführungseinrichtungen (101) an der ersten Station zur Entnahme eines Teils der thermischen Energie von der ersten in überkritischem Zustand befindlichen Flüssigkeit zur Erzeugung von Nutzleistung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mit dem Ausgang der thermischen Energieüberführungseinrichtungen (101) gekoppelte Einrichtungen (I09) zur Zuführung der ersten Flüssigkeit in relativ kühlem Zustand an die Wärmetauschereinrichtungen (123) an der ersten Station.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch FlüssigkeitsUberführungseinrichtungen (132, 133) an der ersten Station, die an dieser Station mit den Leitungsteilen (126) verbunden sind, um die zweite Flüssigkeit direkt in die Erde zurückzuleiten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennze ich net, daß die isolierenden Leitungsteile (127) innerhalb der Wärmetauschereinrichtungen (123) angeordnet sind und daß die Wärmetauschereinrichtungen (123) innerhalb der Leitungsteile (126) in Wärmeaustauschbeziehung angeordnet sind.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschereinrichtungen (23) und die Leitungsteile (126) so angeordnet sind, daß die Strömungsrichtung der ersten Flüssigkeit in den Wärmetauschereinrichtungen (123) immer entgegengesetzt zur Strömungerichtung der zweiten Flüssigkeit verläuft, so daß die Temperatur der zweiten Flüssigkeit beim Hindurchlaufen durch die Leitungsteile (126) von der zweiten Station zur ersten Station kontinuierlich verringert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschereinrichtungen (123), die Leitungsteile (126) die isolierenden Leitungsteile (127) und die Antriebseinrichtungen (170) so zusammenwirkend angeordnet sind, daß ein Druckgefälle zwischen der ersten Flüssigkeit in den Wärmetauschereinrichtungen (123) und der ersten Flüssigkeit in den isolierenden Leitungeteilen (127) aufrechterhalten wird, um die Antriebseinrichtungen (170) anzutreiben und um auf diese Weise thermische Energie von der zweiten Flüssigkeit auf die thermischen Energieüberführungseinrichtungen (101) zu übertragen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschereinrichtungen (123), die Antriebseinrichtungen (170), die isolierenden Leitungsteile (127), die Einrichtungen (109) zur Zuführung der ersten Flüssigkeit an die Wärmetauschereinrichtungen (123) und die EnergieUberfUhrungseinrichtungen (101) in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet sind, so daß der Betrieb entsprechend dem Druck-Enthalpie-Diagramm nach Fig. 4a oder 5a der Zeichnungen erfolgt.

13. Vorrichtung nach Anqpuch 6, dadurch gekennzeich net, daß die ersten und zweiten Flüssigkeiten im wesentlichen konstante spezifische Warmeeigenschaften als Funktion der Temperatur aufweisen.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschereinrichtungen (125) und die Leitungsteile (126) im Betrieb so angeordnet sind, daß eine im wesentlichen konstante Temperaturdifferenz zwischen den entgegengesetzt fließenden ersten und zweiten Flüssigkeiten entlang der gesamten Bewegungsstrecke aufrechterhalten wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschereinrichtungen (123) und die Leitungsteile (126) im Betrieb so angeordnet sind, daß eine größere Temperaturdifferenz zwischen den entgegengesetzt strömenden ersten und zweiten Flüssigkeiten entlang im wesentlichen der gesamten Bewegungsstrecke verglichen mit der Temperaturdifferenz an den gegenüberliegenden Enden der Wärmetauschereinrichtungen (123) aufrechterhalten wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die die thermischen Ubertragungseigenschaften der WariTietauschereinrlchtungen (123) von einem niedrigsten Wert benachbart zur zweiten Station auf einen Maximalwert benachbart zur ersten Station vergrößern.

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Überführung von thermischer Energie aus einer geothermischen Flüssigkeit von einem im Erdinneren liegenden heißen Bereich zur Ausnutzung an der Erdoberfläche, gekennzeichne t durch thermisch isolierende Rohrteile (127), die erste Leitungsteile (122) bilden, thermisch leitende Rohrteile (123), die um die thermisch Isolierenden Rohrteile (127) herum angeordnet sind, um zweite Leitungsteile (124) zu bilden, dritte Rohrteile (125), die im wesentlichen koaxial um die thermisch leitenden Rohrteile (123) ange-

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ordnet sind, um dritte Leitungsteile (126) zu bilden, Pumpeneinrichtungen (172) zum Pumpen der geothermischen Flüssigkeit in Richtung auf die Erdoberfläche durch die dritten Leitungsteile (126) hindurch in Wärmeaustauschbeziehung mit den thermisch leitenden Rohrteilen (12j5), und Antriebseinrichtungen (170) zum Antreiben der Pumpeneinrichtungen (172), wobei die Antriebseinrichtungen (170) betriebsmäßig mit den zweiten Leitungsteilen (124) verbunden sind und auf die Strömung einer in überkritischem Zustand befindlichen Arbeitsflüssigkeit in den zweiten Leitungsteilen (124) von der Erdoberfläche (l^l) aus ansprechen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung der im überkritischen Zustand befindlichen Arbeitsflüssigkeit nach dem Austritt aus den Antriebseinrichtungen (170) in die ersten Leitungsteile (122) zur Rückführung an die Erdoberfläche

19· Vorrichtung nach Anspruch l8, gekennzeichnet durch thermischen Energieüberführungseinrichtungen (101), die mit den ersten Leitungsteilen (122) an der Erdoberfläche (131) verbunden sind, um einen Teil der thermischen Energie aus der in überkritischem Zustand befindlichen Arbeitsflüssigkeit zur Gewinnung von Nutzleistung abzuleiten.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch mit dem Ausgang (I05) der thermischen Energieüberführungseinrichtungen (101) gekoppelte Einrichtungen (109) zur Zuführung der Arbeitsflüssigkeit in relativ kühlem Zustand an die dritten leitungsteile (124).

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch vierte Leitungsteile (1J52, 135), die mit den dritten Leitungsteilen (126) an der ersten Station verbunden sind

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Erde zu-

und die geothermische Flüssigkeit direkt in die rückleiten.

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